光交换技术：光标签突发包交换技术

2019-11-05 01:33:05

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供稿：网友

　　0　前　言
　　随着未来通信网采用ip over DWDM (基于密集波分复用的网间协议) 技术的趋势越来越明显, 对相应的交换技术的需求也越来越迫切。从长期来看,全光的分组交换(Optical Packet Switching, O PS)是发展方向, 但没有合适的光缓存器且存在多个分组精确同步困难, 因而在短时期内的商用前景并不乐观。
　　
　　为了解决这个问题, 必须考虑新的光交换技术。
　　
　　光突发包交换(Optical Burst Switching,OBS) 就是这样一种新技术[ 1, 2 ]。在OBS 中, 交换的带宽粒度介于一个波长带宽和一个分组所需的带宽之间, 比光线路交换带宽利用率高, 又比光分组交换更贴近实用。可以说, 它结合了两者的优点且克服了两者的部分缺点, 是两者之间的平衡选择, 因而逐渐引起了众多学者的重视。
　　
　　另外, 目前交换领域中一个很热的研究重点是把M PL S (多协议标签交换) 的概念扩展到光传送网, 形成光标签交换(Optical Label Switching,OL S) [ 3 ]。它的核心思想是使用光标签来建立数据在光网络中的传送路径, 免除沿路径复杂的路由处理,从而提高数据交换速率。OL S 网络可以采用各种光标签技术, 比较典型的是采用波长作标签的OL S,也称为M PKS (多协议波长交换) [ 4 ]。M PKS 具有与M PL S 相似的优势, 如支持流量工程、支持QoS (服务质量) 及转发速度快等。
　　
　　鉴于OBS 与OL S 各自的特点, 两者可以很自然地结合起来形成光标签突发包交换技术。由于LOBS 结合了OL S (实质上是M PL S) 与OBS 各自的优点, 因此具有更加良好的应用前景。
　　
　　1　OBS 与OL S 技术
　　1. 1　OBS 技术
　　
　　OBS 网络中传送的基本数据块叫突发包, 是一些具有相同目的地址和业务特性(如QoS 要求) 的分组的集合。每个突发包拥有一个控制分组, 包含有必要的路由和控制信息, 用来在网络节点处路由突发包及预留带宽。控制分组使用与突发包不同的波长并且先于突发包发送, 两者之间的时序关系由OBS 协议确定。在一根光纤中, 传送控制分组的这个波长叫控制信道, 传送数据突发包的波长则称为数据信道。上述特征易于网络节点对先行到达的控制分组进行电处理, 并且为随后到达的突发包提供从输入端口到输出端口的透明光路径。
　　
　　OBS 和光线路交换、O PS 相比, 主要的特点有:突发包与电路交换和O PS 中的交换单元(它们分别是呼叫和分组) 相比具有中等的粒度; OBS 中, 对一个突发包, 以单向处理的方式预留带宽, 也就是可以在不知道是否成功获得带宽的情况下发送突发包;OBS 中, 突发包可以直接通过中间节点而无需缓存。可见,OBS 比光线路交换灵活, 带宽利用率高,又不需要O PS 那样在分组级别上进行信息处理;OBS 与O PS 相比, 减少了对光存贮器和精确同步的需求, 降低了实现的复杂程度和成本; OBS 的突发组装机制还能减小In ternet 业务的自相似性[ 6 ];最后,OBS 可以为各种不同的业务进一步提供QoS保证[ 7 ]。
　　
　　OBS 尽管是一种比较出色的光交换技术, 但也存在着不足之处, 如OBS 是基于逐跳的路由转发,因此计算比较复杂, 而且在此情况下,OBS 协议中的偏置时间难以得到高效的合理设置。另外,OBS难以支持流量工程且网络的保护与恢复也存在着很多问题。
　　
　　1. 2　OLS 技术
　　
　　OL S 是一种面向连接的光交换技术。在OL S网络的入口边缘节点处, 去往每个出口边缘节点并具有相同业务特性的数据分组被划分为转发等价类(FEC) , 每个FEC 被绑定一个标签来映射IP 地址到一个标签交换路径(L SP) (通过最长前缀IP 地址匹配)。这些L SP 的路由可以通过显示路由或者逐跳分配路由的方式获得。在OL S 网络核心节点处,数据分组的转发是基于位于分组前部的光分组头实现的。这个光分组头中携带光标签, 用来建立标
　　
　　签交换路径, 实现类似于M PL S 的分组转发。当光分组头的网络节点中被处理时, 分组的数据部分以光信号的形式被缓存, 保证了数据在传送过程中始终保持在光域中。这样免除了沿路径复杂的路由处理, 实现了路由与数据分组转发的分离, 从而提高了数据交换速率。OL S 具有与M PL S 相似的优势, 这主要体现在基于标签转发的速度优势、支持QoS 保证及支持流量工程等。
　　
　　由上述可知,OL S 在网络控制方面具有很大的优势, 但是在分组转发上, 则存在着不足之处, 例如:OL S 网络的核心节点中, 仍然需要光缓存器缓存数据分组以等待对分组头的处理。此外, 采用波长标签的M PKS 不能在光域实现多个L SP 的聚合。
　　
　　2　LOBS 的网络结构
　　LOBS 是采用M PL S 机制的OBS 技术或者是
　　
　　采用OBS 控制机制的OL S 技术。由于基于OBS 技术, LOBS 同样使用分离的波长来传送数据突发包和它们的控制分组。但是控制分组所携带的信息与通常的OBS 不同,LOBS 的控制分组不再携带突发包的地址信息, 而是加入了标签信息, 其他的信息如承载突发包的波长信道、偏置时间、QoS 要求等则仍然需要携带。一旦L SP 建立起来,LOBS 网络中对控制分组的处理不必再进行路由计算, 只要根据其所携带的标签进行基于标签交换的转发操作即可。在这个过程中, 输出数据信道的调度和根据QoS 的处理与OBS 一样。LOBS 网络是由多个边缘节点和核心节点构成的, 边缘节点与核心节点之间由WDM (波分复用)链路连接。
　　
　　LOBS 网络的边缘节点提供与其他网络的接口、控制分组生成、突发包组装ö分解以及FEC 封装和标签操作等功能。核心节负责对到达的突发包进行基于标签的交换。数据分组在L SP 入口边缘节点处组装成突发包, 配备带有标签的控制分组, 然后在LOBS 网络中传送, 再由出口边缘节点拆分回数据分组。可见,边缘节点和核心节点除了应具有OBS 节点的功能外, 还应具有M PL S 的标签交换路由器(L SR ) 的功能。
　　
　　2. 1　边缘节点结构
　　
　　在LOBS 网络中, 突发包和控制分组的生成是在入口边缘节点完成的。而突发包的分解和控制分组的终结则是在出口边缘节点进行的。一个实际的物理边缘节点应该具有入口边缘节点和出口边缘节点两种功能结构。在入口边缘节点处, 来自于其他网络的数据分组按照目的地址和QoS要求分别组装成一个个的突发包。从标签交换的观点来看, 这个过程实际上也是数据分组被划分到每个FEC 的过程。组装后的突发包长度是可变的。节点为每个突发包配备了一个控制分组。该控制分组携带标签和其他OBS 和M PL S 控制信息, 如突发包长度、承载突发包的波长、控制分组与突发包之间的偏置时间、突发包生存时间以及QoS 要求等。为了完成上述的边缘节点功能, 在边缘节点的层次结构中需要加入一LOBS 层。对于采用IP over DWDM 传送技术的网络,LOBS 层位于IP 层和WDM 层之间。
　　
　　2. 2　核心节点结构
　　
　　LOBS 网络的核心节点由输入接口、控制单元、交换矩阵和输出接口四部分组成。其中输入接口对输入光信号进行适当的处理(比如色散补偿和将控制波长分离出来) , 以便读取控制分组信息, 还可以配有少量的光缓存器。控制模块根据控制分组所携带的标签进行操作, 并利用控制分组的其他控制信息预留核心节点的带宽资源, 据此发出控制指令, 控制交换矩阵做出相应的调整, 然后再生控制分组。交换矩阵负责接受来自控制模块的控制指令, 建立交叉连接路径以将随后到达的突发包交换到相应的输出端口。输出接口的作用是减小或消除信号的相位抖动和功率波动, 并将再生的控制分组发送到相应的控制信道上。
　　
　　在核心节点中, 控制单元是一个要害部件。它负责控制标签交换和资源预留。为了执行标签交换, 控制单元中应该维护一个标签信息基(L IB 或NHL FET )。这样, 当一个突发包的控制分组到达核心节点时, 首先被转化为电信号, 从标签栈中弹出标签, 并送入到负责标签交换的模块中查找标签转发表, 执行标签交换操作。然后, 压入新的标签, 并把控制分组经交换模块交换到对应输出端口的输出队列中。当控制分组位于队首时, 被读取并送入到调度器。调度器执行资源预留控制, 每个调度器治理一个对应输出端口的所有输出波长信道, 包括控制信道和数据信道。它建立并维护各个信道的使用状态表, 根据控制分组的信息来选择输出波长信道分配给突发包和控制分组, 并向交换矩阵发出交换所需信息(如输入输出端口信道及突发包的到达时间与长度等)。经调(如偏置时间等)。最后, 控制分组被发送到调度器分配的控制信道。
　　
　　3　LOBS 的要害技术
　　LOBS 所涉及的要害技术除了OBS 控制技术外, 还有因与M PL S 机制相结合而出现的以下几项要害技术[ 8 ]。
　　
　　首先是标签交换路径的建立。在LOBS 网络中, FEC 与标签的绑定是通过M PL S 架构的标签分发协议(LDP ) 实现的。L SP 的建立过程也采纳M PL S 中的类似过程。在LOBS 网络的入口边缘节点处, 当构造一个控制分组时, 一个对应的标签链接相关性也被确定, 并且得到一个LOBS 路径。在核心节点中, 输入输出标签相关性可以通过使用L IB 描述。同时,OBS 控制分组通过扩展M PL S 的keep aliveh ello 消息发送。
　　
　　其次是流量工程。众所周知,M PL S 的一个最重要的优点是支持流量工程。由于引入了M PL S 机制, LOBS 网络也同样可以实现流量工程。一般来说, LOBS 网络的路由可以使用波长路由网络中的相应技术。但在实施流量工程时, 还必须考虑由于不使用或使用有限的光缓存器而导致的高数据丢失率。另外,M PL S“松散”(指定路径上的几个特定节点) 的显示路由(ER ) 和“严格”(指定路径上的所有节点) 的ER 是实现流量工程的有力工具。它们都可用于LOBS 的路由机制。
　　
　　最后是网络的生存性问题。网络的生存性始终是传送网中所要考虑的一个重要问题。过去几年,SDH (同步数字体系) 保护机制得到了广泛的采用,可以提供几十毫秒的网络恢复时间。与之相反, 迄今为止,OBS 网络的生存性还没有研究报道。不过, I2ETF (因特网工程任务组) 为M PKS 网络提出的路由和备份机制都可被扩展到LOBS 网络。既然LOBS考虑发包之间的统计复用, 则使用相同的方法时,LOBS 网络应能得到比波长路由网络更好的效率。需要注重的是, 上述保护ö恢复机制的前提是故障的检测和定位。而对于LOBS 网络来说, 由于其业务量的发性本质和数据负载的全光透明性, 不可能在数据信道直接使用监控技术, 只能在控制信道使用。这对每波长的监控是不够的。幸运的是用于光发送功率、接收功率、信噪比等的每信道光监控机制已经被提出。一旦技术成熟,LOBS 就可以用它们来检测和定位故障。
　　
　　4　结束语
　　LOBS 技术作为一项新出现的光交换技术, 将M PL S 与OBS 有机地结合起来, 充分利用了两者的优点, 因而具有广阔的应用前景。目前,LOBS 的研究尚处初始阶段, 除了OBS 所固有的技术问题外,在诸如如何继续扩展M PL S 体系结构以容纳更多的LOBS 特性; 如何改变现有网络中的业务量聚合方式以适合LOBS 网络的边缘节点; 如何在M PL S信令架构下实现灵活的LOBS 路由机制; 以及如何为LOBS 网络设计更高效、更灵活的保护与恢复机等问题上还需要进一步的研究。

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