|
光交換技術原理
|
|
與光信號的3種分割復用方式相對應，光交換也分為空分、時分和波分3種，分別完成空分信道、時分信道和波分信道的交換。
從支持的業務類型來看，光交換又可分為電路交換(波長路由)和分組交換兩種方式。早在20世紀90年代初中期，人們就開始研究光子交換技術，ATM光交換、分組光交換成為熱門研究課題。人們期望通過光交換突破電子速率的限制，提高交換單元的吞吐量。但這些光交換需要高速光開關來實現，加上光邏輯器件還很不成熟，不能完成復雜的邏輯處理功能，所以只能實施電控光交換，即在電域上識別信頭，由電信號來控制光開關的動作。由于電控光交換沒有擺脫電子“瓶頸”的限制，從而限制了它的發展和應用。至今，高速光開關和光邏輯器件在技術上依然沒有重大的突破。
基于波分交換或波長路由的全光網在過去的數年中有了長足的發展，正在逐步得到規模應用。全光網是指為客戶層信號提供光域處理的傳送網絡，包括光域的傳送、復用、選路、監視和生存功能等。完成交換功能的主要是光交叉連接器(OXC)和光分插復用器(OADM)。在經過數年的研究、實驗后，全光網絡現正向智能化的方向發展，自動交換光網絡(ASON)就是其向智能化發展的主流方向。
嚴格地講，波分光交換與波長路由不同。波分交換網絡必須具備波長變換器，而波長路由網絡是利用波長的不同來實現選路。波長路由網絡屬于電路交換方式，采用雙向資源預留方式設置光通路，中間節點不需要光緩存，可提供有保證的服務。但電路交換是粗粒度的，以波長或波長組為交換的粒度，帶寬利用率較低，不能實現統計復用，不適于像IP這樣的突發業務。
光突發交換(OBS)由QiaoChunming等人提出[1]。其設法綜合較大粒度的波長(電路)交換和較細粒度的光分組交換兩者的優點，并克服了這兩種交換方式的不足，在較低的光子器件要求下，實現了面向IP的突發業務的快速資源分配和高資源利用率，因此能有效地支持上層協議或高層用戶的突發業務。
1 OBS的網絡結構和節點結構
在OBS網絡中，有兩種光分組數據流：包含路由信息的突發控制分組(BCP)和承載業務的突發數據分組(BDP)。控制分組在波分復用(WDM)傳輸鏈路上的某一特定信道中傳送，在OBS網絡中要經過網絡節點的電子處理；而數據分組在另一個不同的波長信道上傳送，在OBS網絡中不需經過光電/電光轉換和中間節點的電子轉發，保持端到端的透明傳輸和交換�？刂品纸M先于數據分組在特定DWDM(密集波分復用)信道中傳送，預約網絡資源。核心交換節點根據控制分組中的信息和網絡當前的狀況為相應的數據分組預留資源，建立全光通路。數據分組經過一段延遲后，在不需要確認的情況下直接在預先設置的全光通道中透明傳輸。這種單向預留方案減小了建立通道的延遲等待時間，提高了帶寬利用率。
這種將數據信道與控制信道分離的方法簡化了突發數據交換的處理，且控制分組長度非常短，因此使高速處理得以實現。數據分組和控制分組的隔離、適合的交換顆粒度、較低的控制開銷及非時隙交換方式降低了對光子器件的要求和中間交換節點的復雜度。在OBS網絡中，中間節點可以不使用緩存，也不存在網絡內的時隙同步問題等。
給出一種OBS網絡結構和節點結構示例。OBS網絡可以基于WDM光網絡，實現不同鏈路、不同波長信道間突發數據分組的交換。在OBS網絡中數據分組和控制分組在不同的波長信道上、相差一個偏置時間傳輸�？紤]交換節點光開關的動作時間，數據分組前后必須留有保護時間。
OBS網絡主要由邊緣節點、核心節點和DWDM鏈路構成。入口邊緣節點按照數據包的目地地址和服務等級(CoS)等信息，對數據包進行分類、緩存和封裝，組合成突發數據分組，并產生控制分組，然后發送給與之最鄰近的OBS核心節點。核心節點根據控制分組的路由信息，對到達的突發數據包進行交換。出口邊緣節點將BDP拆卸，發送到其他子網或終端用戶
OBS的主要優點為：具有中等交換粒度。突發分組的長度可以從幾個分組到一個短的會話，只使用一個控制分組，從而使每個數據單元具有較低的控制開銷。從不同源端到不同宿端的突發分組可以利用統計復用的方式，有效地利用鏈路上相同波長的帶寬，帶寬使用效率較高。BHP和BDP的分離，有效降低了中間交換節點的復雜度和對光器件的要求。中間節點可以不需要光緩存，同步要求低。帶寬單向預留，等待時延短。
2 OBS的MAC層和封裝技術
為了完成突發數據分組的生成，邊緣節點的層次結構中需要有媒體接入控制(MAC)層。圖3給出基于WDM的MAC功能及突發數據分組的形成過程。從圖3可以看出，在輸入邊緣節點處的MAC層需要完成以下功能：把輸入的分組封裝成突發分組，突發分組的長度可以相等，也可以不等。將突發分組送入排隊隊列，當突發包位于隊首時，設置一個合適的偏置時間，并且發送一個包含有路由信息、突發包長度和偏置時間等信息的控制分組。將數據包成幀，經過一個合適的偏置時間后，發送入光層。
在出口邊緣節點，OBSMAC層的功能只是簡單地將突發數據拆裝，抽取出IP數據包。OBSMAC層所產生的時延包括突發數據包封裝時延、排隊時延以及突發數據包與控制包之間的偏置時間。
突發封裝是OBS網絡中一個重要課題，常見的突發封裝技術一種基于定時器，另一種基于閾值。在基于定時器的突發封裝法中，突發數據以固定間隔產生，被周期性送入光網絡中，突發的長度是可變的；在基于閾值的突發封裝法中，突發的長度通常是固定的。
給出一種突發數據的成幀格式示例。其中PT為載荷類型，PL為載荷長度，NOP為IP數據包數目，偏移指示數據填充首字節的位址和收端同步信息。
3 OBS的協議
為了使OBS網絡能高效地協調數據分組和控制分組之間的工作，研究人員開發了大量的帶寬接入控制協議。為了避免控制信令的全光提取，OBS采用帶外信令方式，主要代表是通知－發送(TAG)協議和預留固定時段(RFD)協議。
TAG協議在源端先發送控制分組來預留帶寬，當傳送完突發數據流后再發送用于釋放連接的分組來拆除連接。RFD協議與TAG類似，但源端發出的控制信號中含有突發長度信息，用于向中間節點預定鏈路保持時間，數據分組要等待一個偏置時間后才可發送，從而使資源利用率提高，基于該方法的一個杰出代表是恰好足夠時間(JET)協議。
執行JET協議時，源端節點在發送突發數據分組前，首先在控制通道上向宿端節點發送一個控制分組，該控制分組在中間節點上進行處理，為將要發送的數據分組建立一條全光的通道。JET使用延時預留(DR)方式預約帶寬，它的控制開銷信號中含有突發數據的長度信息和偏置時間信息，信源發出控制開銷信號后，等待一個偏置時間T后再發送突發數據，T的大小足以補償控制開銷在各個中間節點所經歷的處理時間，即T≥n×δ，其中n是中間節點數目，δ是一個節點處平均的開銷處理時間，從而可以使所有中間節點不再需要光纖延遲線(FDL)。為了減少網絡端到端的等待時延，應該盡量設置較小的偏置時間，但是過小的偏置時間不易解決多點通信中的信道竟爭問題，會造成數據丟失或擁塞。若控制分組不能在某一中間節點預留帶寬，將不得不丟棄突發數據分組。拒絕的確認信息發送回源端，稍后源端將再次發送控制分組和突發分組。丟棄突發分組將浪費部分通道帶寬，增加數據分組的傳輸時延。因此，OBS網絡中一個重要的設計問題是如何解決資源競爭和提供區分服務。
在使用JET協議的OBS網絡中，通過調節偏置時間T可以確定服務的優先級。因為增加偏置時間不僅有利于迂回路由，而且使對應的控制分組可以更成功地預留帶寬。有兩種優先級方案是與突發封裝聯系在一起的，第1種方案是將OBS的優先級與IP包的優先級對應封裝，對高優先級的突發數據分組設置較長的偏置時間；第2種方案是所謂的混合封裝方法，即在一個突發數據分組中可以封裝多個不同優先級的IP包，但是次序是高優先級的包在前，低優先級的包在后。當有競爭發生時，突發包低優先級的尾部可以被丟棄，而高優先級的突發包部分則被通過。
4 OBS和自動交換光網絡
綜觀國內外光網絡研究和發展動向可以看出，基于波分復用技術的ASON成為下一代光網絡的主流方向。ASON采用擴展的通用多協議標簽交換(GMPLS)協議實現多粒度的交換和多層次的路由，實現網絡資源的動態調配和連接的自動建立，將成為傳送網發展演變的主要方向。
下一代光網絡是一個融合的網絡，OBS能否融入ASON，OBS協議能否與GMPLS[2]結合，使OBS成為ASON中支持光域分組交換的技術，已成為人們關注的問題，也關系到OBS的應用前景。通過上面的分析，不難看出OBS和基于GMPLS的網絡有很多相似的地方：
(1)兩者都是由邊緣節點、核心節點和WDM鏈路組成，OBS網絡在邊緣節點將輸入分組封裝成突發數據分組，并產生控制分組；GMPLS網絡在邊緣節點將輸入分組劃分成等同轉發類(FEC)，并分配標記。
(2)兩者都采用帶外信令傳輸方式，載荷數據流在網絡中都可實現透明傳送和交換。
(3)GMPLS網絡可以用標簽交換技術在入口-出口路由器之間建立半永久的數據通道；OBS網絡可以通過控制分組在入口-出口邊緣節點間為載荷建立透明的數據通道。
(4)GMPLS采用嵌套標記交換路徑(LSP)概念，支持波長信道級、波長組級和光纖級、SDH級等多粒度交換。有理由考慮通過協議擴展和節點結構的改善，也支持光突發分組的交換。
|
|
| |
|
|
|
|
|
