（光学工程专业论文）基于jet协议的光突发交换（obs）关键技术研究.pdf

塑立l 坚鱼_ 犬堂! 亟! 丑兰生堂笪迨塞 煎璺 摘要 光突发交换( o b s ) 、光线路交换( o c s ) 年n 光分组交换( o p s ) 是全光网中三种主要的交换 方式，o b s 采用单向延时预留方式并在控制包和数据包之间设置一偏置时间，控制包先发送 紧跟着数据包在单独的波长通道里发送。o b s 集合了租粒度的o c s 和细粒度的o p s 的优点， 同时克服了两者的缺点，因而可以充分有效地支持上层协议或高端应用产生的突发流量。 o b s 电因此受到了广泛的关注，主要是通过理论方面的研究。 本文首先阐述了o b s 的研究背景以及国内外的研究进展状况，介绍了o b s 的基本原理、 结构和特点。接着讨论了o b s 的种种预留协议方案，特别是j e t 协议，对j e t 协议和其它协 议( 主要是j i t ) 在突发丢失性能方面作了比较。然后详细叙述了基于j e t 的o b s 关键技 术，如突发汇聚、竞争解决、调度算法和服务质量支持。最后提出了一种o b $ 的管理方案， 并对l o b s 技术和o b s 在城域网中的应用作了介绍。 本文的主要工作在于提出了一种改进了的j e t 协议，总结了o b s 网络的关键技术，并作 了一些比较和改进。最后提出了一种将s n m p 和o b s 结合起来的管理方案，这种方案使o b s 网络能够更稳定地运行。 主题词：光突发交换( o b s ) ，恰量时间协议( j e t ) ，突发汇聚，竞争解决，调度算法，服务 质量，简单网络管理协议 匿塞些盟盔堂! 亟翌 丝堂笪垫塞 避! 坠盟 a b s t r a c t o p t i c a l b i n - s t s w i t c h i n g ( o b s ) 、o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) a n do p t i c a lp a c k e t s w i t c h i n g ( o p s ) h a v eb e e np r o p o s e da st h r e ei m p o r t a n ts w i t c h i n gp a r a d i g m sf o ra l l o p t i c a l n e t w o r k so b su s e sa l lo f f s e tt i m eb e t w e e nac o n t r o lp a c k e ta n di t sc o r r e s p o n d i n gd a t ab u r s t w h e nm a k i n go n e w a yd e l a y e dr e s e r v a t i o n 。t h ec o n t r o lp a c k e ti ss e n tf i r s t ，f o l l o w e db yad a d a b u r s to i las e p a r a t ew a v e l e n g t hc h a n n e l o b sc a r lc o m b i n et h eb e s to ft h ec o a r s e g r a i n e do c s a n dt h ef i n e g r a h l e do p sw h i l ea v o i d i n gt h e i rs h o r t c o m i n g s ，t h e r e b ye f f i c i e n t l ys u p p o r t i n gb u r s t y t r a f f i cg e n e r a t e db yu p p e rl e v e rp r o t o c o l so rh i 曲一e n d a p p l i c a t i o n sd i r e c t l y s oo b sn e t w o r k s h a v er e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nr e c e n t l y , m a i n l yt h r o u g ht h e o r e t i c a li n v e s t i g a t i o n s i nt h i sp a p e r , f i r s t l yt h eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs t a t u s o fo b sh o m ea n da b r o a da r e r e p r e s e n t e d t h ef u n d a m e n t a l s 、s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fo b s a r ea l s oi n t r o d u c e d t h e na n u m b e ro fw a v e l e n g t hr e s e r v a t i o ns c h e m e sh a v eb e e nd i s c u s s e df o ro b s ，e s p e c i a l l yo nj e t p r o t o c 0 1 j e tw i t ho t h e rp r o t o c o l s ( m a i n l yw i t hj i t ) i sc o m p a r e di na s p e c t o fb u r s tl o s s p e r f o r m a n c e k e y t e c h n o l o g i e s b a s eo nj e ts u c ha sb u r s t a s s e m b l i n g ，c o n t e n t i o n r e s o l u t i o n ，s c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dq o ss u p p o r ta r ed e s c r i b e di nd e t a i l sn e x t l a s t l yam a n a g e n t s c h e m eo fo b si sp r o p o s e d t h et e c h n o l o g yo fl o b sa n da p p l i c a t i o no fo b si nm a na r ea l s o p r e s e n t d t h em a i nw o r kd o n ei nt h i sp a p e ri st h a tam o d i f i e dj e tp r o t o c o li sp r o p o s e d 。t h e i n v e s t i g a t i o n so ft h ek e yt e c h n o l o g i e sa r ec o n c l u d e da n ds o m ec o m p a r i s o n sa n di m p r o v e m e n t s a r em a d e i nt h ee n dt h em a n a g e m e n ts c h e m ew h i c hc o m b i n e ss n m pa n do b si sp r o p o s e d i t m a k e so b sn e t w o r kr u ns m o o t h l y k e y w o r d s ： o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) ，j u s te n o u g ht h n e ( j e t ) ， b u r s t a s s e m b l i n g ，c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ， s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，q u a l i t yo f s e r v i c e ( q o s ) ，s n m p 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学光学工程 研究方向：全光通信理论与技术 作 者：三塑王级研究生沈华指导教师堑鲎盐 题 目：基于j e t 协议的光突发交换( 0 旦s ) 关键技术研究 英文题目：r e s e a r c ho ft h ek e yt e c h n o l o g i e si no b sn e t w o r kb a s e d o nj e tp r o t o c o l 主题词：光突发交换恰量时间协议突发汇聚竞争解决 调度算法服务质量简单网络管理协议 k e y w o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( 0 b s ) j u s te n o u g ht i m e ( j e t )b u r s ta s s e m b l i n g c o n t e n t i o ns o l u t i o n s c h e d u l i n ga l g o r i t h m q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s )s n m p 直立唑坐盔生熊型：婴筮生堂僮迨塞 笠二童缝迨 第一章绪论 1 1 引言 伴随着网络信息时代的到来，电信网尤其是i n t e r n e t 上的i p 数据业务以几何数量级 般的速度增长。为了满足人们多样化、海量的信息交流和信息共享的需求，建设具有高速 传输和巨大交换能力的新一代全光数据网已是迫在眉急。人们对带宽的无限追求同时还要 求网络具备以下特点：网络层次扁平，且只具有i p 层和光层，在光层上直接承载i p 业务； 信息交换以光分组形式进行，交换粒度细、带宽资源利用率高、灵活性好。 现有的w d m ( 尤其是d w d m ) 技术日趋成熟，已经成为长距离骨干网络的主要数据承载 方式，它可以在一根光纤中提供许多个高速率( g b i t s ) 的传输通道。但从实际的网络发展 情况看现有的技术几乎还都是基于点到点的w d m 传输，网络节点设备传输数据需要进行o e 和e o 转换，虽然在过去的几年中，电子传输和交换设备的速率有了飞速的增长，但跟光层 传输速率的增长相比还差得很远。而电子设备固有的电子瓶颈效应使得带宽利用率大为降 低。现在技术的发展趋势就是要设法消除电处理过程或者尽量降低电子处理负荷，以便充 分利用w d m 技术中光纤的巨大带宽潜力( 光纤的带宽能力极限可达几十t b i t s ) 。 电信网中数据业务的超高速增长使其必然要超过传统的线( 电) 路交换方式的话音业 务，i p 业务将成为集数据、话音以及视频等业务为一体的统一平台。目前的网络将会逐渐 过渡为基于分组交换的新型网络。人们为此提出了一种称之为“i po v e rw d m ”的光互联 网解决方案，例如用i p 路由器直接连接w d m 链路的不同组网方式，从而去掉了s d h 、a t m 等 中间层，简化了网络层次，也减少了开销比例，提高了网络带宽利用率。 将i p 业务放在w d m 光层上进行传输有很多可供选择的交换技术，第种就是采用传统 的光线路交换方式( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ，o c s ) ，通常这种方式有两种方法实现：一 种是利用光层的波长路由技术直接在入口和出口路由器之间建立光路径来交换i p 包。由 于目前波长资源还比较有限，除了在出入口和出口路由器之间有很大的业务流量外，为i p 包直接分配波长通道是不合适的。虽然去掉了中间设备的繁杂操作，但还是受到路由器的 电子瓶颈的限制。另一种方案是在i p 层和w d m 光层之间引入额外的电层( s d h 、a t m 、i 贞中 继等) ，这样就能够提供灵活和粒度可变的带宽接入，但该方案没有充分利用光层带宽，而 中间节点引入了电子设备也导致了电子瓶颈的出现。另外o c s 还受到其它因素的限制，比 如光路径建立时间比较长，为秒级，而带宽粒度比较粗，为一个波长，或者说2 5 g b s 、 直立些1 墼厶堂塑：班宣生堂笪堡塞 笙二童笪丝 l o g b s 甚至4 0 g b s ；第二种方案就是更为理想的光分组交换技术( o p t i c a lp a c k e t s w i c t h i n g ，o p s ) ，是电分组交换方式在光域的扩展，提供了更加灵活和更加有效的带宽利 用率，并且解决了电子瓶颈问题，但是o p s 的实现需要解决一些重要的光信息处理和光器件 方面的问题，如光存储和光逻辑器件，而这些技术在现有的阶段还属于未克服的技术，因而 o p s 一段时间内不会实用化。于是一种切实可行的折衷方案一光突发交换( o p t i c a lb u r s t s w i t c h i n g ，o b s ) 1 被提了出来。o b s 的处理过程如图1 1 所示，它将整个突发分组( 或者叫 突发包) 分为突发控制分组( b u r s tc o n t r o lp a c k e t ，b c p ) 和突发数据分组( b u r s td a t a p a c k e t ，b d p ) ( 也叫突发控制包和突发数据包) ，分别进行传输，以电的方式处理相当于信头 的b c p ，优选并配置好光交换矩阵，一段延时( 这段时间被称做o f f s e tt i m e ，即偏置时间) 后使得b d p 能够以光的形式直接通过光节点，实现了透明的光信号的传输和交换，这是一种 采用部分电子处理和电子控制技术的过渡方案。 图1 1o b s 的处理过程 o b s 的概念是由来自美国纽约州立大学布法罗分校的华裔学者c h u n m i n gq i a o 和华盛 顿大学圣路易斯分校的j s t u r n e r 2 在1 9 9 9 年分别正式提出。由于o b s 结合了o c s 和 o p s 两者的优点，并在一定程度上克服了两者的缺点，这使得o b s 日益成为全球各大公司、 科研机构和院校关注的焦点。o b s 对光器件的要求较低，并且能够很好地支持突发分组业务 这些都使得它被认为能在将来的光互联网中扮演重要的角色。 1 2 0 8 8 的研究背景 虽然o b s 正式提出的时间是在9 0 年代末期，但o b s 的基本思想却来自8 0 年代初 a m s t u t z 和s t a n f o r d 提出的快速电路交换 3 ，快速电路交换是为了满足传统电信网中语音 话路的统计复用，而当时互联网还没有现在的发展规模，没有必要以突发包为单元来处理 语音或数据业务，采用的是更为成熟的电路交换与分组交换。突发交换的概念则是由 j k u l z e r 在1 9 8 4 年提出来的 4 ，而光突发交换则是电突发交换在光域的延伸。 随着光纤带宽能力的不断提高，人们致力于开发光交换技术，试图将i p 业务直接在光 层上完成，以消除电子瓶颈的负面影响。现阶段研究得最多的是o c s 和o p s ，o c s 已经获得 塑塞邮坠盘堂塑三! 三虹毪垒堂焦迨塞 塑二重缝迨 了实际的应用，它主要采用光交叉连接器( o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ，o x c ) 和光分插复用器 ( o p t i c a la d d d r o pm u l t | j p l e x e r ，o a d m ) ，实现了在光域上的传输和路由，但是波长路由交 换的交换粒度粗，带宽利用率低，而光分组交换技术交换粒度细，可以实现i p 业务的高速传 输并满足不同的服务质量( q u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 。光分组交换优点在于：分组网络通 过信头路由，充分利用了网络资源：光路径建立时间短，可以达到m s 甚至i s 级；分组网管 理的带宽粒度可以调整优化；路径的保护与恢复灵活；传送i p 业务效率高。然而光分组 交换技术构建全光骨干网络还没有达到成熟，例如现有的光缓存器( 目前应用主要是光纤 延迟线( f i b e rd e l a yl i n e s ，f d l ) ) 技术还只能存储少量的数据分组，而且用光信号来控制 光脉冲的交换是非常困难的。另外一些技术难点还未解决，比如光分组的构成、光分组的 识别、分组头的识别与处理、光分组的同步；光分组路由交换；光分组和光信道的实时检 测和控制、优化的交换结构；光分组交换网络结构、抗毁和保护；各类协议、算法；网络 管理、控制等关键问题。这些技术难点有待于光信息处理技术的进步，特别是光同步、光 控制技术的发展来实现。当然同时还必须考虑成本，只有在可接受的低廉费用、高性能价 格比下，光分组交换网络才能获得广泛的应用。由此可见现阶段的光分组交换网络更多只 是停留在理论研究阶段。 针对目前的技术现状，从技术来说比较可行的一个基本思想就是将数据路由通道和控 制信息( 数据包头) 同道进行完全的解耦( d e c o u p l i n g ) 和分离。数据在通道中以全光形式通 过整个网络，在任何中间节点处都不会执行对数据进行转换或存储的电操作，这样就会提 供较高的数据分组转发速率和路由器直接与光纤连接的接口能力，并能实现很好的网络伸 缩性( 网络的构建模块与数据通道的比特速率没有关系，可以很容易地进行网络扩展) 。这 种应运而生的交换技术就叫做0 8 s ，它是一种崭新的交换模式，是介于o c s 和o p s 之间的过 渡方案。 1 3 国内外o b s 研究状况 o b s 技术集o c s 和o p s 的优点于一身，又克服了两者的缺点。o b s 对光缓存和光逻辑器 件的要求降低，并能很好地支持突发性的分组业务。如图1 2 所示o b s 在带宽需求和降低 节点交换复杂性方面相对o c s 和o p s 取得了某种程度上的折衷，因而被认为是未来几年内 竞争力极强的一种i po v e rw d m 解决方案。随着光信息处理技术和光器件技术的提升，o b s ， 将先于o p s 在下一代互联网中获得实际的应用。目前国内外的专家和学者相继对这一很有 发展前景的新兴技术进行了如火如荼的研究，并取得了许多骄人的成果。 直塞唑8 电厶堂i 亟j ：婴红生堂焦地塞苤二童缝迨 o c s 交换粒度 图1 2o c s 、o p s 和o b s 交换复杂性和带宽需求曲线 目前全球研究o b $ 的主要是一些知名的大学和大公司的研究中心，例如美国纽约州立 大学布法罗分校、德克萨斯州立大学达拉斯分校、北卡罗来纳州立大学、华盛顿大学、德 国斯图加特大学以及阿尔卡特美国分公司、波士顿诺基亚研究中心等等。在中国国内，国 家科技部的“8 6 3 计划”把o b s 列为前沿性探索类a 类课题，课题名叫做“光突发交换关键 技术和试验系统”。北京大学、北京邮电大学、上海交通大学和电子科技大学等陆续对o b s 进行了研究，并在国内国际的一些刊物上发表了相关的学术论文。表1 ，1 说明了各个单位 研究的主要内容。 研究机构名称主要研究内容和方向 美国纽约州立大学b u f f a l o 分校j e t 预留协议和q o s 德州大学d a l l a s 分校控制方案路由算法q o s 北卡罗来纳州立大学j u m p s t a r t 预留协议 华盛顿大学圣路易斯分校节点结构 俄亥俄州立大学调度机制 德国斯图加特大学预留协议优先级支持 意大利罗马大学 预留协议 英国伦敦大学学院预留协议优先级支持 韩国信息通信大学竞争解决 中国台湾清华大学竞争解决( 偏折路由) 北京邮电大学o b s 硬件实现问题 煎盛幽匕点芏! 蝗幽! ：兰l 生兰焦迨塞熊二重堑熊 电子科技大学o b s 关键技术及实验系统 a l c a t e l 美国研究中心 节点模型预留协议突发汇聚 波士顿n o k i a 研究中心预留协议 t e l o r d i a 研究工程中心j i t 预留协议 表1 1o b s 主要研究机构以及研究内容和方向 从上表中可以看出目前对o b s 的研究主要集中在以下几点：网络节点结构、光突发分 组汇聚、预留控制协议、路由算法、信道调度、竞争解决、网络q o s 支持等。节点结构的 研究主要集中于对节点交换结构的研究：突发分组汇聚技术研究以什么样的方式、标准将 i p 包封装成一个突发包以及控制分组和突发分组的格式；资源预留控制协议研究控制分组 以何种方式为数据包预留带宽或缓存资源，以及怎样释放带宽，其中比较有代表性的协议 是j e t 1 和j i t 5 协议；竞争是指在交换节点两个突发包争用同一输出信道，竞争解决方 案主要解决如何避免竞争的产生以及竞争产生后以怎样的策略选择要丢弃的分组；q o s 支 持则研究如何在o b s 网络中实现业务的服务区分，以及如何保证高等级业务的优先权等。 此外网络流量固有的自相关性会对网络性能产生不利影响，尤其在o b s 网络中会引起突发 分组丢失率的增加，如何降低网络流量的自相关性也是o b s 一个值得研究的问题。一种行 之有效的方法就是采用适当的突发汇聚机制来减少流量的自相关性，不过这要以一定的附 加时延作为代价。上述这些问题及相关的理论与技术正是当前的研究热点，也是探索和关 注的焦点所在。 在o b s 研究领域最有权威的当属o b s 最初的倡导者之一c h u n m i n gq i a o 博士，他领导 的科研小组在对o b s 网络结构、资源预留协议、q o s 支持和l o b s 等方面的研究作出了很大 的贡献。他们提出了一种恰量时间协议( j u s te n o u g ht i m e ，j e t ) 1 6 ，并研究了基于该协 议的核心节点的结构和性能，该协议的优点是能够在w d m 光层上实现基本的区分服务，能够 使用额外的偏置时间支持q o s ，提高资源利用率。为了降低网络实现的复杂性，y w e i 等提 出了另一种信令协议- - j i t 协议( j u s ti nt i m e ) 5 ，j i t 提供“尽力而为”的服务，不支持 w d m 层的q o s 。在竞争解决( c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ) 方面，有意大利罗马大学的a n d r e a d e t t i 提出的光混合突发交换( o p t i c a lc o m p o s i t eb u r s ts w t i c h i n g ，o c b s ) 7 以及德州大 学的v i n o dm v o k k a r a n e 提出的光突发分割技术( b u r s ts e g m e n t a t i o n ，b s ) 8 ，o c b s 和 b s 都基于细粒度的i p 包，网络的丢包率按照i p 包的丢失率计算，突发的部分丢失方式可以 大大降低丢失率，从而提高网络的性能。缺点是同时带来了电层处理和控制的复杂度。 以上的一些研究基本上都集中在理论研究、协议设计和计算机仿真等方面，这些研究 壹夏型竖丕堂熊：翌【氲生坐僮迨塞 签二童堑造 推动了o b s 技术的发展，同时也存在着不少缺点：一，过分注重控制方案的理论研究，对网络 具体实现考虑较少；二，关注特定的细节，而对体系结构、总体框架考虑不多，比如偏置时 问的配置，通常假定路由跳数已知，但是没有合适的网络体系结构设计；三，理论分析多于 具体设计，理论分析时，往往把实际情况设定成理想状况，忽略了现实细节情况，或者只针 对某些特定的网络应用环境。 另一方面实验室里的o b s 硬件实现研究工作也已经出现，但迄今为止还没有出现真正 具有实用意义的光突发交换试验网。 除了以上的一些研究工作，i n t e r n e t 上由c h u n m i n gq i a o 博士等建立的o b s 论坛 9 越来越受到人们的关注，这给研究o b s 的人员提供了一个良好的学习和探讨的平台。i e e e 也定期组织o b s 学术研讨交流会，如i n t e r n a t i o n a lw o r k s h o po no p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( w o b s ) 这一国际性的会议已经在全球举行了5 次，今年将在美国举行第6 次 1 0 。 尽管o b s 的研究取得了一定的进展，但真正的o b s 网络还不存在，更不用说商用化。o b s 仍然存在着许多亟待解决的难题。例如，o b s 对i p 等业务的支持、把来自不同源地址的数 据适配进o b s 网络、突发封装技术、高效率解决突发包竞争问题、o b s 协议及如何具体实 现、l o b s 、o b s 网络节点的硬件实现、突发偏置时间的管理、控制信道和数据信道的分配、 q o s 支持以及交换节点光缓存的配置( 如果需要的话) 等问题还需要进一步作深入研究。随 着技术的发展和进步，这些问题一定能够很好地解决。一个成熟的结构清晰，具有边缘节点 和核心节点，提供多种业务接口并具有实用意义的光突发交换系统在不久的将来会发挥更 大的作用。 1 4 论文内容与结构 本文以全光通信网中的光突发交换网络o b s 为中心，重点研究了o b s 中的j e t 资源预留 协议，并对o b s 中研究得比较成熟的的一些关键技术进行了总结和探讨，然后对o b s 研究涉 及较少的网络管理问题进行了重点研究，最后介绍了o b s 的实际应用情况。文章具体结构 如下： 第一章为绪论部分，主要对o b s 的研究背景、基本特点以及国内外研究现状进行了详细 介绍。 第二章对o b s 的基本原理与网络结构特点作了介绍。 第三章对o b s 中的j e t 协议作了深入的研究，对j e t 协议和其它协议( 主要是j i t ) 进行 了总结和比较，并提出了一种改进的j e t 协议- - m s e t 技术。 6 直立幽b 五堂型：型氲生坐位地塞 塑二堂缝造 推动了o b s 技术的发展，同时也存在着不少缺点：一，过分注重控制方案的理论研究，对网络 具体实现考虑较少；二，关注特定的细节，而对体系结构、总体框架考虑不多，比如偏置州 、日j 的配置，通常假定路山跳数已知，但是没有合适的网络体系结构设计；三，理论分析多于 具体设计，理论分析时，往往把实际情况设定成理想状况，忽略了现实细节情况，或者只针 对某些特定的恻络应用环境。 另一方面实验室里的o b s 硬件实现研究工作也已经出现，但迄今为止还没有山现真正 具有实用意义的光突发交换试验网。 除了以r 的些研究工作，i n t e r n e thf l = 1c h u n m i n gq i a o 博十等建立的o b s 论坛 9 越来越受到人们的关注，这给研究o b s 的人员提供了一个良好的学习和探讨的平台。i e e e 也定期组织o b s 学术研讨交流会，如i f l t e r n al i o n a lw o r k s h o po ro p t ic a b u r s ts w i t c h i n g ( w b b s ) 这一国际性的会议已经在全球举行了5 次，今年将在美国举行第6 次 1 0 1 。 尽管o b s 的研究取得了一定的进展，但真正的o b s 刚络还不存在，更不用洗商用化。o b s 仍然存在着许多亟待解决的难题。例如，o b s 刘i p 等业务的支持、把来自不同源地址的数 据适配进o b s 网络、突发封装技术、高效率解决突发包竞争问题、o b s 协议及如何具体实 现、l o b s 、o b s 网络节点的硬件实现、突发偏置时间的管理、控制信道和数据信道的分配、 q o s 支持以及交换节点光缓存的配置( 如果需要的话) 等问题还需要进一步作深入研究。随 着技术的发展和进步，这些问题一定能够很好地解决。一个成熟的结构清晰，具有边缘节点 和核心甘点，提供多种、i k 务接口并具有实用意义的光突发变换系统在不久的将来会发挥更 大的作用。 1 4 论文内容与结构 本文以全光通信网巾的光突发交换网络o b s 为中心，重点研究了o b s 巾的l e t 资源预留 协议，并对o b s 中研究得比较成熟的的一些关键技术进行了总结和探讨，然后对o b s 研究涉 及较少的网络管理问题进行了重点研究，最后介绍了o b s 的实际应用情况。文章具体结构 如下： 第一章为绪论部分，主要对o b s 的研究背景、基本特点以及国内外研究现状进行了详细 介绍。 第一章对o b s 的基本原理与网络结构特点作了介绍。 第三章对o b s 中的j e t | 办议作丁深入的研究，对j e t 协议和其它协议( 主要是j i t ) 进行 了总结和比较，并提出了一种改进的j e t 协议一m l e t 技术。 了总结和比较，并提出r 一种改进的j e t 协议- - m j e t 技术。 6 堕塑螋垫厶望螋! 翌 ! i 生堂焦迨羔蔓二至堑监 第四章对o b s 中的一些关键技术如突发汇聚、信道调度算法、竞争解决问题和q o s 支 持等作了详细的研究，并对相关技术提出了一些比较和改进。 第五章对o b s 中的网络管理问题进行了研究，主要是s n m p 协议与o b s 的结合。 第六章介绍了o b s 与m p l s 技术的结合- - l o b s 和在城域网中的具体应用情况。 1 5 本章小结 本章讲述了o b s 的研究背景和国内外的研究状况。o b s 网络的提出，兼顾了光线路交换 和光分组交换的优点，同时避免了二者的缺点，为构建有效支持i p 业务的下一代光网络提 供了一种有力的解决方案。最后简要介绍了论文的主要内容和结构。 直基型型奎兰! 亟：生趔2 l 生堂丝堡塞 堂三童q 坠缕垫生茎尘垣型 第二章o b s 结构与基本原理 2 1o b s 网络特点及拓扑结构 图2 1 简单描述了o i b s 的网络拓扑结构 图2 1o b s 的网络拓扑结构 突发( b u r s t ) 的最初定义是指话音的一次迸发或者一段数据信息。突发数据就是一 串突发性的语音流或数字化的信息。在线路交换中，每次呼叫由多个突发数据串组成；而 在分组交换中，一串突发数据要分在几个数据包中来传输。o b s 以突发包为交换粒度，与波 长粒度的o c s 和分组粒度的o p s 相比，交换粒度适中。突发包为一些i p 包组成的超长i p 包，由几十或成百上千个具有相同的出口边缘路由器地址和相同的q o s 要求的i p 包组成， 这些i p 包来自传统i p 网中不同的电i p 路由器。突发包的汇聚工作由o b s 入口边缘节点 完成。 o b s 的突出优点在于：b d p 的路由是由b c p 预先做出资源预留，减少了路由冲突，提高了 效率；b d p 在中间节点不需要光存储，直接进行转发，降低了对光器件的要求；b d p 的交换 全部在光域内完成，可以实现高速的光数据的交换；b c p 可以利用成熟的电子处理技术在电 域处理，避免了光子处理；b c p 和b d p 有唯一的对应关系，避免了复杂的光分组同步的要求； o b s 的交换粒度大小适中，可实现q o s 控制。 2 2o o s 、o p s 和o b s 的比较 信息量的爆炸式增长导致通信业务在类型上多样化，对网络的带宽需求不断地扩大， 传统的电网络受电子瓶颈的限制，增加带宽非常困难。光纤拥有巨大的带宽资源，利用w d m 技术和光放大技术，组建的光传送网及多波长光网络，能够提供透明的传输技术。图2 2 说 8 煎夏幽垫厶芏! 蝗：匕! 韭基生堂焦迨塞笠三童q 堕箜! 塑兰茎查堕堡 明了光传输网络的演进过程。 蚺 匿 嬉 $ 采 2 0 0 1 2 0 1 0 时间 图2 2 光传输网络的演进过程 现有的主要3 种光交换方式：o c s 、o p s 、o b s 。在波长路由w d m 网络( 即o b s 光线路交 换网络) 中源端节点先向目的节点发送请求建立光路径，目的节点收到请求后建立一条链 路，使得数据传输时有足够的带宽。由于没有波长转换器，数据传输期间光链路通道要一直 保持通畅，这个特点可以称之为波长连续性局限。 为了优化网络性能必须使用路由与波长分配算法( r o u t i n ga n dw a v e l e n g t h a s s i g n m e n t ，r w a ) 1 1 。在传统的线路交换中，所有的交换电路都是平等的且完全一样，而 在o c s 中，除了波长连续性限制外还有同“同纤必不同波长”( 所有共享同- e y e 纤的光路 径必须分配不同的波长) 的信道分配原则的约束等，两者有很大区别，这就导致了在o c s 中 必须选用一种科学的、合理的波长选路算法和波长分配算法来优化网络性能、减小波长的 阻塞和减少对节点设备的端e l 数要求，从而降低成本。通常将网络支持的业务分为两类： 一是静态业务：给定一组连接请求，需要为这些请求寻找路由并在其路由上分配波长，以 使某些性能指标达到最优化效果( 例如全网的吞吐量最大，所需的波长数目和光纤数目最 少等) ；二是动态业务：光路径请求随机到达和离开网络，相对应的性能指标通常是光路径 的阻塞率。因此按照所支持的业务类型来划分，r w a 可以划分为静态r w a 和动态r w a 问题。 在建立一个光连接时，必须考虑路由和信道的分配问题。波长信道分配( 通常在波长信道子 q 直立噬! 堕叁望熊尘型! i 生堂笪监皇 塑三至q 堕丛塑皇堑查垣型 层完成) 包括一个连接分配一个可得的波长并且把发射站和接受站都调谐到给定的波长 上。而路由分配过程( 通常在光通道子层中执行) 首先为分配的波长信道指定一个光通道并 通过设置网络节点中的光开关来建立这个通道。在波长路由网络中的一个光通道与一个特 定的波长有关，因此只有先分配波长刁能建立一条波长通道。o c s 为支持静态业务的网络， 而o p s 和o b s 支持动态业务。o p s 可以动态分配网络资源，并提供极细的交换粒度。o p s 中通常使用光交换矩阵，数据包可以在不同时间到达各自的节点入口。在o p $ 中，报头的 识别和定义需要比特流同步以及快速时钟回复。o p s 网络可以分为两类：同步o p s 和异步 o p s 。同步o p s 中，所有的数据包都是相同大小，数据包和包头捆绑在一起填入固定的时隙， 时隙持续的时间比数据包和包头持续时间更长，从而起到保护作用。在异步o p s 中，数据包 的大小不一，也不用排队就可以直接到达和进入交换矩阵。因此每个节点在同一时间都可 能进行数据交换，这样就会引起来自同一源地址的不同数据包的冲突。显然在异步o p s 中， 冲突的概率非常大，因为数据包的行为更难预测，也很不规则。但另一方面与同步o p s 相比， 构建异步o p s 更为简易经济，网络也更健壮灵活。 在o b s 中将数据包分为b c p 和b d p 两部分，先行发送b c p ，一段偏置时间后，b d p 发送。 在延时期间，光节点的路由器通过对b c p 进行光电转换并进行分析，从而为b d p 分配空闲光 信道和相关资源，实现了数据信道的带宽资源动态分配。 o c s 、o p s 和o b s 不仅仅是在交换粒度上有所不同，而且更大的不同在于：数据交换采 用的是直通方式( c u t t h r o u g h ) 还是存储转发( s t o r ea n df o r w a r d ) ；网络资源的预约和释 放方式不同；交换和转发功能所处的协议站的位置，如i p 包在第三层实现转发，a t m 和多协 议标签交换( m u l t ip r o t o c o ll a b l es w t i c h i n g ，m p l s ) 的数据包在第二层转发。o c s 采用 面向连接的方法，双向预约( t w ow a yr e s e r v a t i o n ) ，源端和目的端预留双向固定带宽通道， 建立光链路，然后进行数据传输，完成后拆除链路。其优点在于中间交换节点不需要对数据 进行缓存和o e 和e o 转换，实现的复杂度低。缺点是光通道在数据传输期间一直要保持 通畅，交换粒度粗，对持续时间短的业务流不能实现统计复用，信道利用率低。长距离网络 中，o c s 回环时间( r o u n dt r i pt i m e ) 长、延迟大，不适合传输突发数据，o c s 一般用来传输 速率不变的数据( 固定时延) ，比如传统的语音业务。o p s 采用的是非面向连接方式，交换采 用的是存储转发模式，在i p 层转发，包头和数据一起发送，包头中采用低速的副载波调制。 o p s 支持各种速率的数据，尤其是突发数据业务。优点是支持突发业务流的统计复用，交换 粒度细小，带宽分配灵活有效；其缺点在于o p s 传输数据很难保证q o s ，数据包的时延也各 不相同。而且网络要求极高的处理速度，中间节点在处理数据时要对每个分组进行缓存，这 就对光子器件提出了很高的要求，而现有光子器件的发展水平还远远不能满足这一要求。 10 塑夏噬鱼丕堂! 匦：e 址嚣生堂焦迨塞箜三室q 坠缱垫生垫查厦堡 另外o p s 还需要严格的时钟同步控制，因而它的实用前景还不明朗。而o b s 的出现不仅结 合了o c s 和o p s 两者的优点，而又在一定程度上克服了两者的缺点。o b s 网络中，数据的传 输方式可以是面向连接的( 虚电路方式) ，也可以是面向无连接的( 数据报方式) 。o b s 在粗 粒度的o c s 和细粒度的o p s 之间取得了平衡，因而它的交换粒度中等，易于实现。o b s 采用 了单向预约机制( o n ew a yr e s e r v a t i o n ) ，b c p 和b d p 在信道和时间上都是相分离的，b c p 在 b d p 之前先发送，不需要等收到应答b d p 就可以发送 t 2 。数据在中问节点不需要进行 o e o 转换和光缓存，实现了高速透明的传输。下表2 1 对这3 种交换技术进行了全面的一 个比较。 交换技术 o c so p so b s 交换粒度 粗细 中等 一 带宽利用率低 向较高 交换速度慢高速中等 处理开销低 自 低司 一 业务适应性低品较高 时延高低低 实现复杂度低高( 未成熟)适中 光缓存不需要需要非必需 表2 1o c s 、o p s 和o b s 的综合比较 从表中我们可以看出，与o c s 和o p s 相比，o b s 有着一些明显的优点：1 o b s 支持网络中 的突发业务流，而o c s 只支持话音业务等固定业务流；2 o b s 比o c s 灵活，带宽利用率高， 无需像o p s 需要在分组级别上进行数据处理；3 o b s 和o p s 相比，减少了对光器件尤其是光 缓存和光逻辑器件以及精确时钟同步控制的需求，降低了网络实现的复杂度和成本；4 在 特殊条件下，o b s 可以减小i n t e r n e t 上业务的自相似( s e l f s i m i l a r ) 程度 1 3 ，并能为不同 的业务类型提供所需的q o s 保证，而且它的延时小，能较好地适应i n t e r n e t 业务；5 o b s 可 以与其它技术很好地相结合，比如与现在的热门技术m p l s 结合产生一种新的技术叫标签光 突发交换技术( l a b l eo p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，l o b s ) 1 4 ，可以很好地提供q o s 保证，既 可以依靠上层协议( m p l s ) 区分不同业务的q o s ，也可以直接在光层上实现区分业务，符合光 网络的发展趋势。总之o b s 的优点使得它吸引了越来越多的目光，它的发展前景被业界研 究人员一致看好。 直夏型! 坠2 三堂亟：e 型 窒皇堂焦造噩复三重塑! 结盟兰基查匝堡 2 3o b s 网络架构和分层模型 在以上讨论的o b s 网络模型的基础上，可以详细构建完整的o b s 网络架构和分层模型。 图2 3 为典型o b s 的网络架构，网络的工作原理可以简单地描述如下：在进行数据传 输时，o b s 网络的边缘接入节点将抵达的i p 包等数据信息组装成突发包，控制信道将通过提 前发送控制分组，沿路为数据信息预约节点资源。通常光突发的传输和交换资源采用单向 预约的方式来实现，即控制包是在一独立的信道控制信道中传送，且比相应的数据突发包 提前一个确定的偏置时间进行发送。这个偏置时间必须足够大，以满足中间节点能够及时 的进行电子处理和为即将抵达的突发包选择适当的路由。当一个突发包抵达交换节点时， 相应的路由通路已经建立，所以突发包从源节点到目的节点的传输过程中，可以始终保持 在光域内进行，无需进行光电转换，而控制信息则在每个节点处都要完成o e o 的转换。 图2 30 b s 网络分层结构 23 1 边缘节点的功能模型和基本结构 从节点功能来考虑，可以将o b s 节点分为两类：进行e o 转换、业务汇聚的边缘节点 和进行全光交换的核心节点。边缘节点其结构如图2 4 所示。接入层是o b s 层的用户层， 可以是目前存在的各种网络如i p 、a t m 、s d h 等，也可以是终端用户；o b s 层向上层提供各 种o b $ 服务；物理层实现光比特的透明传输、放大和交换。 盟星些! 垦丛堂亟1 二型基生堂焦鎏塞塑三重些竖签丝生基查丛些 i p 分组 0 i 卉窑右； 聚l i 光突发队列l t、 光突发调度k _ 一偏置时间设置k _ 一控制信令生成 成帧 0 、 光突发发射 控带分组 图2 4o b s 网络边缘节点分层模型 接八层 o b s 层 物理层( w d m ) 边缘节点的i p 业务汇聚完成后，将突发分组进行排队调度