（电磁场与微波技术专业论文）光突发交换网络核心节点设计与实现.pdf

北京邮电大学硕士论文 光突发交换网络核心节点设计与实现 摘要 伴随着以数据业务为主导的各种业务需求急剧增加，传统电信传送网 络正慢慢的从以承载话音业务为主向以承载数据业务为主的方向过渡。这 种变化使得电信传送网络在传输的业务量和业务特性上都发生了深刻的变 化，其中，业务特性上的需求给传送网络带来的影响更加深刻，这是因为 数据业务所具有的自相似性、不对称性、动态性、突发性、多样性等特点 完全不同于传统的话音业务特性，这就对传送网络提出了新的要求：动态 地、实时地提供业务的，光网络作为传输网主要的承载技术必须能够适应 这种要求，以期灵活调配业务、按需分配带宽。因此，光突发交换( o b s ) 网络概念的提出已十分必要。 o b s 技术结合了光路交换( o c s ) 与光分组交换( o p s ) 的优点，同 时也避免了它们的不足。o b s 通过提前的、较小的控制分组来预留延迟的、 较大的光突发所需的资源，动态地、灵活地、及时地建立一种面向无连接 的、透明的链路，从而有效地利用带宽资源。因此，o b s 的精髓就在于动 态的、灵活的、无连接的、透明的、按需分配的波长提供能力。 目前，对于o b s 技术的研究已经逐渐转移到考察o b s 对实际业务的支 持方面。所以，设计建设一个符合o b s 理论模型，并能够验证协议性能的 网络平台尤显重要。因此，在对现有o b s 技术全面系统分析的基础上，本 论文对实现o b s 网络的关键模块和实验系统的硬件进行深入研究，同时给 出设计和实施的具体方案。本文的创新性工作包括以下方面： 对o b s m 核心节点c r o b s m 中光域处理模块中的关键结构：4 x 4 光交叉的设计和实现； 对o b s m 核心节点c 刚0 b s m 中电域处理模块的板级设计和实 现； 对业务导向的o b s 网络实验系统的设计、实现，并通过功能演示和 性能测试验证了业务导向的o b s 网络实验系统的可行性。 关键词：光突发交换业务导向的光突发交换网络高速光交叉矩阵光突 发交换网络核心节点 北京薛电大学硕士论文 r e s e a r c ha n d 垤p l e m e n to n c o r er o u t e r o fo 胛i c a lb u r s ts w i t c h i n gn e t 、v o r k w i t ht h ee x p o n e n t i a lg r o w t ho fd a t at r a f f i c t h ep r i m a r ys e r v i c e sc a r r i e db y t h et e l e c o m m u n i c a t i o n st r a n s p o r tn e t w o r ka r em i g r a t i n gf r o mt h et r a d i t i o n a l v o i c et r a f f i ct ot h ed a t at r a f f i c 1 n h i sm i g r a t i o ni sc a u s i n gt w od e e pc h a n g e st o t h et r a n s p o r tn e t w o r k ：o n ei si nt e r m so ft r a f f i cv o l u m e ；t h eo t h e ri sr e l a t e dt o t h en a t u r eo ft r a f i c t h ec h a n g e sc a u s e db yt h en a t u r eo fd a t at r a f f i c h o w e v e r , i sm u c hd e e p e r t h es e l f - s i m i l a r , d y n a m i c a la n db u r s tn a t u r e so f d a t at r a f f i ca r e t o t a l l y d i f f e r e n tf r o mt h o s eo fv o i c et r a f f i c t h e yp o s et h ec h a l l e n g e so f d y n a m i c a l l yp r o v i s i o n i n gt r a f f i cd e m a n d si nr e a l t i m e t h u s ，t h ep r o p o s a lo f o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) i ss t r a i g h t f o r w a r d o b s t e c h n o l o g yc o m b i n e s t h ea d v a n t a g e so fb o t ho 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 ts w i t c h i n g ( o p s ) ，w h i l ea v o i d st h e i rs h o r t a g e s i n o b sn e t w o r k ，t h es m a l lc o n t r o lp a c k e t ，w h i c hi st r a n s m i t t e di n a d v a n c e ， r e s e r v e st h eb a n d w i d t hr e s o u r c eo fc o r r e s p o n d i n gb u r s t ( f a rl a r g e rt h a nc o n t r o l p a c k e t ) ，a n ds e t u p sal i n kd u r i n gl i m i t e dp e r i o da c c o r d i n gc o n t r o li n f o r m a t i o n ， w h i c hi sd y n a m i c ，f l e x i b l e ，o r i e n t e d c o n n e c t i o n l e s s ，t r a n s p a r e n t i no n ew o r d ， t h ee s s e n c e so fo b sa r ed y n a m i c ，f l e x i b l e ，o r i e n t e d c o n n e c t i o n l e s s ，t r a n s p a r e n t w a v e l e n g t hb a n d w i d t hp r o v i s i o nc a p a b i l i t yo nd e m a n d 。 s of a lr e s e a r c ho no b se x t e n d st or e v i e wh o wt h eo b sn e t w o r k s u p p o r t i n gc u r r e n ta n df u t u r es e r v i c e s t h e r e f o r e ，o nt h eb a s i so fc o m p l e t e s y s t e ma n a l y s i so nc u r r e n to b st e c h n o l o g y , i nt h i sp a p e r , d e e pr e s e a r c hh a s b e e nd o n eo ns o m ek e yt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e st ob er e s o l v e di no b s n e t w o r k a n dk e ym o d u l e sa n de x p e r i m e n t a lh a r d w a r es y s t e ma r ed e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d i n n o v a t i o nm a i n l ya p p e a r si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t sf o rt h i sp a p e r d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n f o rt h eo p t i c a lm a t r i xu n i to fo p t i c a l 北京邮电大学硕士论文 p r o c e s s i n gm o d u l ei nt h e0 b s mn o d eo fc 刚o b s m d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o rt h ep c bb o a r do fe l e c t r i cp r o c e s s i n g m o d u l ei nt h e0 b s mn o d eo fc r 0 b s m d e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o nf o rt h eo b sr i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e m ，w i t h f u n c t i o n a ld e m o n s t r a t i o na n dp e r f o r m a n c et e s tp r o v i n gt h eo b sr i n g n e t w o r ka d v a n c e da n df e a s i b l e k e yw o r d s ：o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g s e r v i c e - e n a b l e do p t i c a lb u r s t s w i t c h i n g n e t w o r k o p t i c a l m a t r i xc o r e n o d eo ft h e o p t i c a l b u r s t s w i t c h i n gn e t w o r k 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 同期： 北京邮电大学硕七论文 第一章绪论 光突发交换技术以其对光网络波长带宽资源的高效利用和相对较容易实现 的特点，成为目前光网络研究领域的热点之一，本文以光突发交换技术作为研究 对象。本章首先对光突发交换技术的研究背景加以介绍，然后介绍了光突发交换 技术的发展和研究现状，最后介绍了本文的研究内容和结构安排。 1 1 引言 随着网络化时代的到来，人们对信息的需求与日俱增。全球范围内i p 业务 突飞猛进的发展，在给传统电信业务带来巨大冲击和挑战的同时，也为电信网的 发展提供了新的机遇。 互联网的不断发展壮大和各种新兴业务的出现，如各种多媒体业务、远程教 育、电子商务等，使互联网业务呈指数增长，网络带宽的需求越来越大。由于业 务的多样性和多变性，传统的网络已经不适于互联网不断发展的需要。这种形势 促进了光纤通信技术的发展。其中，波分复用( w d m ，w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 被广泛采用。但是m 业务仍然是采用i po v e ra t m o v e rs d ho v e r w d m 的多层网络结构方式进行。这种方式不但存在着层次功能重叠，而且带来 的额外开销巨大；并且在网络中问节点的处理需要进行o e o 的转换，由于电 子瓶颈的存在，网络速度受限。因此有必要简化层次结构，i po v e rw d m 技术有 望满足需求。 针对通信网络中已有的通信模式，人们对在w d m 光网络中如何实现交换与 传输提出了三种方案：光路交换o c s ( o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) ，光分组交换 o p s ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) ，光突发交换o b s ( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) i “。 光路交换( o c s ) 也就是光的波长路由交换方案，目i ； f 研究的比较多，协议 机制相对简单，技术成熟，易于实现，但是它类似于电路交换机制，建立和拆除 一条通道需要一定的时间，并且该时间与它连接的保持时日j 无关，而主要决定于 端到端的信令时间。当连接保持时问比较短时，它将导致信道的利用率变差。因 此，它不适合持续增长且变化无常的因特网流量。 光分组交换( o p s ) 在带宽利用率、延时和适应性等方面比较好。从长远的角 度来考虑，o p s 似乎是一种很有前途的技术，但因为它的实现比较复杂，目前缺 乏高速光逻辑器件、光缓冲存储器等，因此还处于研究阶段。 第1 1 | 贝 北京邮电大学硕士论文 光突发交换( o b s ) 是一种折衷的方案，融合了o p s 和o c s 的优点，又克 服了它们的缺点，是一种很有发展潜力的交换技术。光突发交换作为一种应运而 生的新光交换技术，它致力于解决通信网络中的节点瓶颈的问题。它采用光突发 ( 多个包会聚在一起，它持续时间一般在几十胭到几百肛，甚至可能到几个 m s ) 作为交换单位，它的交换粒度介于光路交换( 一个波长) 与光分组交换( 一 个光分组) 之间，它克服了光路交换( 粒度大、不灵活、效率低) 和光分组交换 ( 对光器件要求高、难以实现) 的缺点，同时兼顾它们的优点，具有带宽效率高、 吞吐量高、易于实现等优点。因此o b s 是目前的光网络技术的研究热点，在 e e e t ”】、e c o d 4 1 、o f c l 5 1 、g l o b e c o m m l 6 1 等著名国际期刊和会议都有一些的发 献对此进行研究，具有巨大的发展潜力。目前，美国( 华盛顿的高技术示范网 ( a t d n e t ：a d v a n c e dt e c h n o l o g yd e m o n s t r a t i o nn e t w o r k ) 支持的j u m p s t a r t f f l f d 页 目，德州大学和纽约州立大学等) 、英国( 伦敦大学) 、韩国( 信息通信大学) 、 德国( 斯图加特大学) 、意大利( 罗马大学) 、台湾( 清华大学) 和中国( “国 家8 6 3 项目”、北京邮电大学、北京大学、上海交通大学和电子科大学等) 以及 诺基亚( n o k i a ) 和阿尔卡特( a l c a r t e i ) 等公司都开始研究o b s ，其中部分已建 立或正试图建立o b s 实验网络。 1 20 b s 研究发展背景 1 2 1 光交换技术 随着数据通信的迅速发展，对数据传输网的需求越来越高。w d m d w d m 技 术和e d f a 技术的出现和发展，使得传输的问题得到了基本解决，但是由于电 处理技术的发展相对缓慢，跟不上光传输速度的增长，网络中的交换节点的处理 已经成为光网络的瓶颈，因此，提出了光交换的概纠1 i i o l 。 光交换技术是指不经过任何光电转换，在光域直接将输入端口的光信号交换 到相应的输出端口。光交换技术能够保证网络的可靠性，提供灵活的信号路由平 台，尽管现有的通信系统都采用电路交换技术，但发展中的全光网络却需要由纯 光交换技术来完成信号的交换、路由功能以实现网络的高速率和协议透明性。光 交换技术为进入节点的高速信息流提供动态光域处理，仅将属于该节点及其予网 的信息上下路并交由电交换设备继续处理，这样具有以下几个优点：可以克服电 子交换的容量瓶颈问题；可以大量节省建网和网络升级成本。如果采用全光网技 术，将使网络的运行费用节省7 0 ，设备费用节省9 0 ；可以大大提高网络的 重构灵活性和生存性，以及加快网络恢复的时间。 光交换技术可分成电路光交换技术和分组光交换技术两种类型，前者可利用 o a d m 、o x c 等设备来实现，而后者对光部件的性能要求更高，由于目前光逻 第1 2 页 北京邮电大学硕士论文 辑器件的功能还较简单，不能完成控制部分复杂的逻辑处理功能，因此国际上现 有的分组光交换单元还要由电信号来控制，即所谓的电控光交换。随着光器件技 术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。分组交换光系统所涉及 的关键技术主要包括：o p s 技术，o b s 技术，光标记分组交换( o m p l s ：o p t i c a l m u l t ip r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 技术等。 、 总之，相对于电交换来说，光交换具有很明显的优势，特别是可以大大节省 成本，所以，随着业务需求的不断增长，光交换必然替代电子交换，就像光纤通 信代替铜线通信一样。光传输与光交换的结合，将开创光通信的新纪元，真正实 现光通信网络。目前提出的光交换技术主要有三种，分别是光电路交换、光分组 交换、光突发交换。下面分别对这三种技术做一个介绍。 一、光电路交换( o p t i c a l c i r c u i t s w i t c h i n g ) 光电路交换采用双向资源预留方式设置光通路，中间节点不需要光缓存，可 提供服务质量保证：但是光电路交换是粗粒度的，不能实现统计复用，带宽利用 率低，不适于传输突发速率的数据：对长距离网络来说，其环回时间与延迟长； 由于波长数目有限，还不能建立全连接的网络，导致网络中负载的不均衡。 对于光路交换o c s ，它是以波长路由的方式出现，w d m 网络需要为每一个 连接请求建立从源到宿的光路( 每一个链路上均需要分配一个专用波长) 。o c s 是采用基于类似t e l l - a n d w a i t 或者a t m 网络中的具有延迟传输特性的块传输 a b t - d t ( a t mb l o c kt r a n s f e rw i t hd e l a yt r a n s m i s s i o n ) 的双向预留机制，即源 节点发出连接建立请求的控制分组，当有确认消息后再发送数据，数据可以以直 通( c u t t h r o u g h ) 的方式通过网络中间节点。也就是说数据的传输至少要等待一 个端到端的往返时间( r o u n d t r i pt i m e ) ，这种交换机制特别适合需要高速度、 高带宽的业务，同时该业务生存时问相对于连接建立时问足够长。此外，从连接 建立到连接拆除，该端到端的波长通路被此次连接业务所独占，不能被其他数据 业务所共享。然而对于突发业务，这种交换机制将导致极低的带宽利用率： i n t e m e t 网络中业务大多是突发性的自相似业务，因此在业务节点对之间提供以 波长为粒度的光路效率不高。此外由于每个链路的波长数目有限，因此某一时刻 只能存在数目有限的光路，对于某些节点间的业务会出现不可能建立端到端的光 通路的情况。 二、光分组信元交换( o p t i c a l p a c k e t s w i t c h i n g ) 光分组，信元交换能对w d m 的巨大带宽进行更灵活、更有效地分配和利用， 然而光分组交换对光子器件提出了很高的要求，有很多关键技术( 如光缓存、高 速严格的同步、高速可控的光交换设备等) 尚未解决。 o p s 的典型特点是“存储一转发”，一般不需要建立连接i 儿j ，采用单向预约机 第1 3 砥 北京邮电大学硕士论文 制。光分组交换是一种细粒度的交换机制，由于它允许统计复用网络通道带宽资 源，因此特别适合突发的数据业务。分组净荷( p a y l o a d ) 紧跟分组头在相同光 路中传输，网络中间节点需要缓存净荷，等待分组头的处理，以确定路由。由于 目前还没有高速的光逻辑器件，分组头的处理仍需要进行光电转换后处理，然后 进行电光转换。然而由于在光域中不存在类似于电域的r a m ，只能使用光延迟 线f d l ( f i b e rd e l a yl i n e ) 使数据延迟有限的时间。由于要区分分组头、分组结 束标识等，还需要解决o p s 中的同步问题。此外，还需要考虑分组净荷长度问 题，考虑到光网络通道的高带宽，小的分组净荷长度将导致相对较高的控制歼销。 三、光突发交换( o p t i c a l b u r s t s w i t c h i n g ) 光突发交换结合了电路交换和分组交换这两种交换的优点，同时又克服二者 的不足，即在较低的光子器件要求下，实现面向口的高速资源分配和高资源利 用率。它是一种单向资源预留方案，其控制分组和数据突发( d a t ab u r s t ：由去 往同一出口地址和具有相同的属性的多个m 包会聚而成) 在传输信道和传输时 间上是分离的。控制分组先于数据突发在特定的密集波分复用( d w d m ) 信道 中传送，核心交换节点路由器根据控制分组中的信息和网络当前的状况为相应 的数据突发建立全光通路，数据突发经过一段偏置时间( o f f s e t t i m e ) 之后，在 不需要确认的情况下直接在预先设置的全光通道中透明传输。不需要确认的单向 预留方案减小了建立通道的延迟等待时间，提高了带宽利用率；而数据突发和控 制分组的信道分离、适中的交换粒度及非时隙交换方式降低了对光予器件的要求 和中间交换节点的复杂度，如中问节点可以不使用光缓存技术，不存在网络中的 时隙同步问题等。 因此，光突发交换( o b s ) 被认为是下一代全光互联网理想的交换模式，已 成为国际上一个热门研究方向，目前的研究主要课题集中在：边缘路由器的突发 会聚机制及o f f s e t t i m e 管理、网络核心节点交换结构和控制管理、控制数据信 道的调度算法、仅以突发丢包率为参数的o b s 层的o o s 支持等。典型的研究包 括：美国纽约州立大学b u f f a l o 分校的q i a o 等对o b s 经过比较深入的研究，提 出了一种j e t ( j u s t e n o u g h t i m e ) 信令协议，并研究了基于该协议的核心节 点的结构和性能。该协议能在w d m 层实现基本的区分服务，支持一定的服务质 量( 仅以突发丢包率为q o s 参数) 。 o b s 在一定程度上兼有粗粒度的电路交换和精细粒度的分组交换的优点，而 同时避免了其缺点，o b s 与o c s 、o p s 的比较见表卜l 。 第1 4 页 北京部电大学硕士论文 表1 - 1o b s ，o i s 、o c s 的比较 f 光交换方式带宽利用率建立延迟 光缓存开销适应性实现难度 o c s 低高不需要低弱低 lo p s高低 需要高强高 o b s 高低不需要低强中 1 2 2 光突发交换的发展现状以及前景 突发交换其实在8 0 年代初就已提出，并且陆续有一些文章发表 2 - 7 1 1 排“。突 发交换概念当时并没有像电路交换与分组交换那样得到普及，原因是提出突发交 换的时候，无论电话网还是数据网，技术已经成熟，没有必要以突发为单位来处 理话音或数据从而改变整个网络。但是随着技术的不断演迸发展，一个深刻的变 化是传输速率的增长大大超过了处理速率的增长，如果依然要按照旧式的分组方 法来处理，网络处理设备将长期处于过载状态。因此，简化网络节点的处理是非 常必要的。o b s 提高处理粒度就是一种较好的解决方法。通过预先发送控制信 息，在每个节点处预约资源后，节点再传送突发数据，数据可以始终保持在光域 内，同时免去分组交换中逐一处理分组头的麻烦。 在o b s 中，突发控制分组( b c p ：b u r s tc o n t r o lp a c k e t ) 在每一个突发数据 分组( b d p ：b u r s td a t ap a c k e t ) 发送之前发送，它通知该b d p 要通过的中间节 点在预定的时段内为该分组预留资源( 带宽) 。如果预留失败，该b d p 被丢弃 或使用反射路由送到其它节点。 由于o b s 技术的研究近几年力开始，很多理论与技术还不成熟，从应用的 角度来看，o b s 还有一些重要的课题需要研究，实现上还存在很多问题有待解 决，主要包括： 突发数据的封装，尤其是突发数据最佳长度的选择，若选得过短则会使其受 到与光分组交换类似的限制，如电子器件处理速度的限制，而选得过长又会 带来较大的时延与时延差，并为解决竞争带来更大的难度。 竞争的解决突发数据的超长性及其可变性为竞争的解决提出更高要求， 包括在o b s 网边缘节点刚刚封装好的突发数据即有可能出现竞争，另外，电 子控制部分也存在排队与竞争。 由于竞争与故障等原因导致路由改变，从而会出现数据突发包赶上控制包的 现象，这时必须通过光缓存重置控制包与数据突发包之自j 的偏移时间。 故障还会导致控制包与数据突发包脱离，这将导致突发数据丢失而源节点并 不知道，所以需要使突发数据到达任何一个中问节点后向源节点返回一个确 认信息。 在o b s 网络中如何实现组播功能，为实现组播，光丌关矩阵和交换控制单元 都必须具备组播能力，且二者之间必须能有效地协调。 第1 5 贝 北京邮电大学硕士论文 但是，通信发展的大趋势和强大的市场吸引力仍然促使国外各大研究机构开 始关注o b s 。目前，国外对光分组交换的研究已相当深入，美国( 华盛顿a r d n e t 支持的j u m p s t a r t 项目；重点研究j r r 信令及其实现) 、日本以及欧洲的少数著 名研究机构已经完成一些演示实验，但其实现难度和高成本使得人们的目光逐渐 转向o b s 。国内也开始有相关的项目组网迸行实验。o b s 技术有望成为下一代 光网络的核心交换技术。因此对o b s 技术的研究具有很重要的理论意义和现实 意义。 1 3 论文安排 o b s 技术是种很有发展潜力的光交换技术，有望成为下一代光网络的核 心交换技术。因此，研究设计支持o b s 技术的交换网络有着重要的意义。所以， 本论文的研究主要着眼于面向业务的o b s 网络设备的关键技术，在对现有o b s 技术全面分析的基础上，设计出符合o b s 性能和机制的硬件设备，同时致力于 关键部件的实现和研究。 本论文的结构安排如下： 第一章：绪论。对o b s 的研究发展背景、重要性以及当前发展情况进行分析 研究，引出需进一步深入研究的问题。 第二章：o b s 体系结构及关键技术。首先对光交换技术的概念、特点和分类 等内容进行介绍，然后讨论o b s 技术的基本原理和体系结构，最后介绍o b s 实验网络的组成和各部分的功能。 第三章：o b s 网络核心节点的设计与研究。根据o b s 的基本原理和体系，设 计核心节点的总体方案，主要功能模块的设计和实现。 第四章：业务导向的o b s 实验系统性能测试。介绍了业务导向的o b s 实验系 统关键功能模块的测试方法和测试结果。 第1 6 页 | 匕京邮电大学硕士论文 第二章光突发交换体系结构及实验网络架构 o b s 是一种新的光交换技术，本章首先研究目前提出的光突发交换的体系 结构，然后进一步介绍实验系统的结构以及功能划分。 2 1 光突发交换体系结构 鉴于光路交换( o c s ) 的不灵活、带宽利用率低和光分组交换( o p s ) 的技术 难度大、难于实现的问题，人们提出了o b s ，以满足突发性、多样性的业务同 益增长的需求。o b s 结合了o c s 和o p s 的优点而避免了它们的缺点，具有很好 的发展前景。下面对o b s 的概念、原理、网络模型和节点结构进行详细论述。 2 1 1 o b s 的提出 过去对分组交换技术的研究主要集中在定长包的处理上，鉴于目前光信号处 理技术尚未足够成熟，另外为了克服交换中的电子瓶颈问题以及提高带宽利用 率，c h u n m i n gq i a o 1 4 1 和j s t u r n e r t l 5 1 等提出o b s ，引起越来越多人的注剖1 甜s l 。 突发交换的概念最早是在2 0 世纪8 0 年代的语音通信中出现1 1 9 1 。近几年来， o b s 作为o p s 的替代技术，得到了众多学者的关注1 2 0 - 勿。本质上，对于应用来 说，o b s 为光层无缓存的透明传输【矧。然而，到目前为止，没有一个o b s 的通 用定义。d o l z e r 等【2 4 l 对o b s 广泛接受的特性进行了归纳如下：( 需要注明，不是 所有提出的o b s 机制都具有所有这些特性) 粒度：o b s 传输单元的大小介于光路交换和光分组交换之间。 控制与信道分离：控制信息在分离的波长( 或信道) 上传输。 单向预留：采用单向预留的方式分配资源。也就是说，源节点在开始发 送b d p 之前，不需要等待从目的节点的回应消息。 变长突发：b d p 的长度是可变的。 无光缓存：在光网络中的中间节点不需要光缓存。突发在经过中白j 节点 时没有任何延迟。 根据o b s 的一些特点，将o b s 定义归纳如下： o b s 是一种光交换技术，它以光突发为交换单位，通过在单独的信道( 一 般是单独的波长) 中提前发送控制消息，以便预留其相应的b d p 所需的资源， 后续核心节点在电域或光域处理控制消息，并试图预留并配置相关资源，而b d p 第1 7 页 北京邮电大学硕士论文 一般不需要等确认消息，通过事先配置好的链路，透明地( 全光) 到达目的节点， 它所途经的中间节点不需要对它作任何的识别或相关处理，只需要将其按预先配 置的信息进行波长变换、延迟，其中b d p 是在入口边缘节点由多个具有相同特 性的分组( 如相同的目的o b s 节点地址或q o s ) 会聚而成，并在出口边缘节点 完成解会聚。 2 1 2o b s 基本原理 o b s 的基本思想是o c s 与o p s 的结合，可看作兼顾o c s 与o b s 的优点折 衷方案。它的交换粒度介于上述二者之间( 微秒量级) ，由多个分组集合而成， 称为突发包( b u r s t ) 。因为o b s 的交换粒度较粗，因而，相对o c s 的处理开销 大为减少。同时，o b s 克服了这两种交换方式的不足，在较低的光器件要求下， 实现了面向口的突发业务的高速资源分配和高效资源利用率，因此能有效地支 持上层协议或高层用户的突发业务。 在一般的o b s 网络中，每一根光纤各有多个波长用于数据通路，一个波长 则用作控制通路。在o b s 网络中的基本交换单位是突发，其长度可变，它是由 相同的出i s 边缘路由器地址和相同的服务质量( q o s ：q u a l i t yo fs e r v i c e ) 要求 的i p 分组、a t m 信元、h d t v 帧等组成。在传送突发时，在控制通路提前传送 b c p ，确定b d p 连向哪一根输出光纤、波长等控制信息。b c p 中的控制信息一 般通过电域处理( 为了减少处理时间，也可以在光域处理) ，而b d p 不需光电 电光转换和电路由器的转发，直接在端到端的透明传输信道中传输。b c p 在 w d m 传输链路中的某一特定信道中传送，每一个突发的b d p 对应于一个b c p ， 并且b c p 先于b d p 传送，通过类似“数据报”或“虚电路”的模式指定0 b s 路由器 分配空闲信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。与电路交换不同，源节点不 需要等待目的节点的确认信息，即：在这条通路上所有资源都已经建立，而是在 源节点在发送b c t 后的一段“特定时间间隔”后，立即发送b d p 。上述的“特 定时自j 间隔”就称为偏置时间，它是指b c p 的第1 比特时间与b d p 的第1 比特 时间之差。b c p 中携带了b d p 有关的信息，包括：偏置时间的大小、b d p 的长 度、优先级、目的o b s 节点等。b c p 的目的是通知到达目的节点路径上的中间 节点，在一定时问( 偏置时间) 后，即将有一个b d p 到达，并请求预留资源， 以便这些中问节点进行路由判决、交换结构配置，并在b d p 持续的周期内，将 b d p 传送到相应的端口。数据信道与控制信道的隔离简化了b d p 在交换过程中 的处理，而且b c p 的长度非常短，团此使高速处理得以实现。同时由于b c p 和 b d p 是通过b c p 中含有的可“重冕”的时延信息相联系的，传输过程中可以根 据链路的实际状况用电子处理对控制信元作调整，因此b c p 和信号分组都不需 要光同步。可以看出，这种路由、术和电子技术的特长，实现成本相对较低。 第1 8 爽 北京邮电大学硕士论文 由于在突发流传送前，连接并不建立。在控制信息分组经过的节点中，有可 能无法预留资源，此时b d p 可能被丢弃。为了减少丢包，可利用f d l 、波长变 换、偏射路由等手段来解决丢包的问题，对于时延允许的业务( 如数据业务) ， 可以通过上层重传，只要重传的比例不大，几乎不影响系统的吞吐量等性能。 2 1 3 o b s 体系结构 2 1 3 1 网络模型 o b s 网络主要由边缘节点( e r ：e d g er o u t e r ) 、核心节点( c r ：c o r er o u t e r ) 和d w d m 链路构成，如图2 1 所示。入口边缘节点按照数据包的目地地址和服 务等级( c o s ：c l a s so fs e r v i c e ) 等信息，对数据包进行分类、缓存和封装，组 合成b d p ，并产生b c p ，然后发送给与之最邻近的o b s 核心节点。核心节点根 据b c p 的路由信息，对到达的b d p 进行交换。出口边缘节点将b d p 拆卸，发 送到其他子网或终端用户。 b d p 在o b s 网中的交换传输完全在光域内完成，不需要进行o e 、e o 的 转换；b d p 是由一些i p 分组组成的，这些i p 分组可以是来自传统i p 网中不同 的电i p 路由器。而b c p 在独立于数据通道的光信道中传输( 如图2 2 ) ，每个 b d p 对应于一个b c p ，源节点需要设置b c p 与b d p 的偏置时间t ( 偏置时间) ， 即b c p 与相应的b d p 的发送时间间隔。通过设置恰当的时问间隔，可以保证一 定的q o s 并且不需要光存储和执行光同步。b c i 中包含b d p 传输交换所必需的 控制信息，如b d p 的长度、偏置时问等。b c p 在中问节点需要进行光电转换， 在电域内进行路由判断，保证b d p 在偏置时问内完全在光域内完成交换传输。 由于b d p 是统计占用带宽资源，从而提高了不同连接之问的传输效率。在w d m 系统中，b c p 占用一个波长或者几个波长，b d p 占用其他波长；对于多光纤系 统也可以是b c p 占用一根光纤或其中的几个波长，而其他光纤用于b d p 的传输。 图2 - 1 光突发交换网络结构 第1 9 负 北京邮电大学硕士论文 臣雯雯l 圃 - ，数据信道l i ，突发数据n b c p nb c p i 广 广 一偏置时间一 一 图2 - 2 b d p 与b c i 传输示意图 数据信道n b c p 信道 2 1 3 2 节点结构 o b s 节点包括核心节点( c r ：c o r cr o u t e r ) 与边缘节点( e r ：e d g er o u t e r ) 。 e r 负责b d p 的重组、分类，可提供各类业务接口。e r 又分入口节点功能和出 口节点功能，这两个功能都是每个e r 必具的功能。而c r 的任务是完成b d p 的转发与交换。o b s 的c r 结构与光分组交换不同，它只需在电域处理控制信令。 在入口节点，e r 根据输入的i p 流的特性来决定b d p 大小、偏置时问。包 含出口地址、偏置时间、b d p 大小和q o s 等信息的b c p ，提前于其相应的b d p 在分离的控制信道( 波长) 上发送，其主体，即b d p 经过一个给定偏置时间。 后跟随b c p 传送。这些b c p 在中问节点转换成电信号进行处理。 在c r ，b d p 的带宽预留时间为b d p 的传输持续时间。核心单元需监测流量 的基本要素包括阻塞概率、延迟和处理时间，这些信息决定在入口节点的光路径。 在出口节点，b d p 将被拆帧，并拆分成多个冲包。若需要，在出口节点要 进行重排序和出错重发处理。如偏置时间、突发大小和q o s 值等参数，是o b s 网络要处理的本质要素，这些需在0 b s 网络的入口节点进行赋值。 图2 - 3 0 b s c r 结构 第2 0 贞 光纤l 光纤n 北京邮电大学硕士论文 甲由誊魄蝴由嚣9 ： i 突发i i i 量组装i m c 层 i 、 - 觳一i i一 由 i 突发鼙据调度l 硎l j 函 、到 w 1 ) i 信道层 、 e _ m 一 k _ z 一 ( i 蕾i t 图2 - 4 边缘路由器功能框图 图2 3 为o b s c r 结构。假定入口、出口光纤数均为，每根光纤支持的波 长数均为k + 1 ( 一个波长用于传输b c p ，另外k 个波长用于传输b d p ) 。用于 传输b c p 的波长在网络中自j 节点需要进行0 ，e o 变换在电域进行路由表查找、 对光交换矩阵进行控制、更新b c p 相应数据域等操作。而对于传输b d p 的波长 信道来说，不需要进行o 到0 的转换，整个交换传输在光域内完成，保证了数 据的透明性。由于中阃节点只需要对少量波长( 控制波长) 进行0 怔o 转换， 然后在电域进行处理、控制光交换矩阵等，可以消除电子处理瓶颈。光交换矩阵 前的f d l 是可选的，用于延迟b d p ( 只能延迟特定长时间) ，等待b c p 的处理， 通过设置恰当的偏置时间t ，可以使b d p 不需要在中间节点缓存直接通过o b s 网络，进而可以取消光纤延迟线。 对于e r ，其功能框图如图2 4 所示，在j p 层和w d m 光层有一个媒介接入 控制( m a c ：m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层。入口e rm a c 层需要完成i p 分组的 组装形成b d p ，计算b d p 与其相应的b c p 之间的偏置时问，将含此偏置时问的 b c p 送到光层控制信道，然后在偏置时问后送出相应的b d p 。在出口e r 完成 相反操作。 从上述的体系架构和分层模型中可以看出，与全光分组交换相比，光突发交 换的实现相对简单，同目前以波长路由为基础的电路交换相比，又具有带宽利用 率高，网络灵活性强，接续时间低的优点，同时突发交换的业务汇聚还可以减少 网络业务的自相似性，有利于均衡网络流量。 2 1 4 o b s 优点 根据o b s 的特点和与o c s 、o p s 的对比，得出o b s 的主要优点为： 具有中等交换粒度，b d p 的长度可以从几个分组到一个短的会话，只使 用一个b c p ，从而使每个数据单元具有较低的控制开销； 第2 l 页 北京邮电大学硕士论文 从不同源端到不同宿端的b d p 可以利用统计复用的方式，有效地利用链 路上相同波长的带宽，带宽的使用效率较高； b c p 和b d p 的分离，有效降低了中问交换节点的复杂度和对光器件的要 求，中间节点可以不需要光缓存，同步要求低。这就有利于o b s 走向实 用化； 带宽单向预留，b d p 随着控制( 建立) 包后，而无需等待响应包，这样 就比电路交换大大减少了端到端时延； b c p 将在每一个中间节点实体建立一个全光路径( 通过配置光交叉矩 阵) ，对b d p 的数据是完全透明的，不经过任何的光电转化，消除了电 子瓶颈而导致的带宽扩展困难； o b s 的o o s 支持特征也符合网络发展的趋势。 o b s 在一定程度上兼有粗粒度的电路交换和精细粒度的分组交换的优点， 而同时避免了其缺点，0 b s 与o p s 和o c s ( w r o n ：波长路由) 的比较见。 表2 - 1o b s 、o p s 、w r o n 的比较 光交换方式带宽利用建立延迟光缓存刀= 销适应性实现难度 塞 o c s低 高不需要 低 弱 低 o p s高低需要高强高 o b s高低 不需要 低 强 中 2 2 实验系统架构 依据o b s 网络理论模型，以及业务驱动模型，从实际情况出发，我们搭建 了命名为一一“业务导向