光突發(fā)交換（OBS）技術分析

密集波分復用(DWDM)技術為通信網(wǎng)絡提供了巨大的傳輸容量，逐步成為主流傳輸技術。伴隨著DWDM技術的成熟和傳輸容量的快速增長，傳統(tǒng)的電子交換系統(tǒng)承受的壓力日趨增大，光交換技術的引入日顯迫切。

　　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(yè)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(xiàn)，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(fā)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(wǎng)在過去的數(shù)年中有了長足的發(fā)展，正在逐步得到規(guī)模應用。全光網(wǎng)是指為客戶層信號提供光域處理的傳送網(wǎng)絡，包括光域的傳送、復用、選路、監(jiān)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(jīng)過數(shù)年的研究、實驗后，全光網(wǎng)絡現(xiàn)正向智能化的方向發(fā)展，自動交換光網(wǎng)絡(ASON)就是其向智能化發(fā)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(wǎng)絡必須具備波長變換器，而波長路由網(wǎng)絡是利用波長的不同來實現(xiàn)選路。波長路由網(wǎng)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(jié)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(xiàn)統(tǒng)計復用，不適于像IP這樣的突發(fā)業(yè)務。

　　光突發(fā)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(yōu)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(xiàn)了面向IP的突發(fā)業(yè)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(xié)議或高層用戶的突發(fā)業(yè)務。

　　1　OBS的網(wǎng)絡結構和節(jié)點結構

　　在OBS網(wǎng)絡中，有兩種光分組數(shù)據(jù)流：包含路由信息的突發(fā)控制分組(BCP)和承載業(yè)務的突發(fā)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡中要經(jīng)過網(wǎng)絡節(jié)點的電子處理;而數(shù)據(jù)分組在另一個不同的波長信道上傳送，在OBS網(wǎng)絡中不需經(jīng)過光電/電光轉換和中間節(jié)點的電子轉發(fā)，保持端到端的透明傳輸和交換?？刂品纸M先于數(shù)據(jù)分組在特定DWDM(密集波分復用)信道中傳送，預約網(wǎng)絡資源。核心交換節(jié)點根據(jù)控制分組中的信息和網(wǎng)絡當前的狀況為相應的數(shù)據(jù)分組預留資源，建立全光通路。數(shù)據(jù)分組經(jīng)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(shù)據(jù)信道與控制信道分離的方法簡化了突發(fā)數(shù)據(jù)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(xiàn)。數(shù)據(jù)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(jié)點的復雜度。在OBS網(wǎng)絡中，中間節(jié)點可以不使用緩存，也不存在網(wǎng)絡內的時隙同步問題等。

　　給出一種OBS網(wǎng)絡結構和節(jié)點結構示例。OBS網(wǎng)絡可以基于WDM光網(wǎng)絡，實現(xiàn)不同鏈路、不同波長信道間突發(fā)數(shù)據(jù)分組的交換。在OBS網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)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。考慮交換節(jié)點光開關的動作時間，數(shù)據(jù)分組前后必須留有保護時間。

　　OBS網(wǎng)絡主要由邊緣節(jié)點、核心節(jié)點和DWDM鏈路構成。入口邊緣節(jié)點按照數(shù)據(jù)包的目地地址和服務等級(CoS)等信息，對數(shù)據(jù)包進行分類、緩存和封裝，組合成突發(fā)數(shù)據(jù)分組，并產生控制分組，然后發(fā)送給與之最鄰近的OBS核心節(jié)點。核心節(jié)點根據(jù)控制分組的路由信息，對到達的突發(fā)數(shù)據(jù)包進行交換。出口邊緣節(jié)點將BDP拆卸，發(fā)送到其他子網(wǎng)或終端用戶

　　OBS的主要優(yōu)點為：具有中等交換粒度。突發(fā)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(shù)據(jù)單元具有較低的控制開銷。從不同源端到不同宿端的突發(fā)分組可以利用統(tǒng)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(jié)點的復雜度和對光器件的要求。中間節(jié)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(fā)數(shù)據(jù)分組的生成，邊緣節(jié)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(fā)數(shù)據(jù)分組的形成過程。從圖3可以看出，在輸入邊緣節(jié)點處的MAC層需要完成以下功能：把輸入的分組封裝成突發(fā)分組，突發(fā)分組的長度可以相等，也可以不等。將突發(fā)分組送入排隊隊列，當突發(fā)包位于隊首時，設置一個合適的偏置時間，并且發(fā)送一個包含有路由信息、突發(fā)包長度和偏置時間等信息的控制分組。將數(shù)據(jù)包成幀，經(jīng)過一個合適的偏置時間后，發(fā)送入光層。

　　在出口邊緣節(jié)點，OBSMAC層的功能只是簡單地將突發(fā)數(shù)據(jù)拆裝，抽取出IP數(shù)據(jù)包。OBSMAC層所產生的時延包括突發(fā)數(shù)據(jù)包封裝時延、排隊時延以及突發(fā)數(shù)據(jù)包與控制包之間的偏置時間。

　　突發(fā)封裝是OBS網(wǎng)絡中一個重要課題，常見的突發(fā)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(fā)封裝法中，突發(fā)數(shù)據(jù)以固定間隔產生，被周期性送入光網(wǎng)絡中，突發(fā)的長度是可變的;在基于閾值的突發(fā)封裝法中，突發(fā)的長度通常是固定的。

　　給出一種突發(fā)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包數(shù)目，偏移指示數(shù)據(jù)填充首字節(jié)的位址和收端同步信息。