摘要：光突发交换（Optical Burst Switching）是一种介于光路交换OCS和光分组交换OPS之间的很有发展潜力的交换模式，它融合了两者的优势又克服了两者的缺点。本文阐述了OBS的概念、原理、网络结构、节点结构，以及目前光突发交换的研究热点。
关键词 光突发交换，光纤延迟线，资源预留，冲突处理，波分复用

1．引言
近年来网络中的业务数据量呈爆炸式增长，网络带宽的需求越来越大，波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）被广泛采用。但是当前WDM仅仅是工作于骨干网的实现点到点连接的技术，IP业务仍然是采用IP over ATM over SDH over WDM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；并且在网络中间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。因此有必要减少层次结构，IP over WDM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WDM光网络中如何实现交换与传输提出了三种方案：光路交换OCS（Optical Circuit Switching），光分组交换OPS（Optical Packet Switching），光突发交换OBS（Optical Burst Switching）。光路交换也就是光的波长路由交换方案，目前研究的比较多，相对比较成熟；光分组交换由于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。光突发交换是一种居中的方案，融合了OPS和OCS的优点，又克服了缺点，是一种很有发展潜力的交换模式。
对于光路交换OCS，它是以波长路由的方式出现，WDM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）。OCS是采用基于类似Tell-And-Wait或者ATM网络中的具有延迟传输特性的块传输ABT-DT（ATM Block Transfer with Delay Transmission）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（cut-through）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（Round-Trip Time），这种交换机制特别适合需要高速度、高带宽的业务，同时该业务生存时间相对于连接建立时间足够长。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；Internet网络中业务大多是突发性的自相似业务，因此在业务节点对间提供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有限个光路，对于某些节点间的业务不可能建立端到端的光通路。
分组交换OPS典型特点是“存储－转发”，一般不需要建立连接，采用单向预约机制。光分组交换OPS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等，因此特别适合突发的数据业务。分组净荷（payload）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。然而由于在光域不存在类似电域的RAM，只能使用光延迟线FDL（Fiber Delay Line）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OPS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开销。
针对OCS和OPS的缺点，Chunming Qiao[1]和J. S. Turner[2]等人分别提出光突发交换OBS，进而引起越来越多的人的注意。OBS具有一下几个特点：（1）OBS此交换机制结合了OCS和OPS的优点，交换粒度介于OCS的波长交换和OPS的分组交换之间，提供可变长度的突发流量（可以是一个分组或者多个分组不等）。（2）使用带外信令控制机制，实行突发数据分组和控制分组（信令，Burst Control Packet，相当于分组交换中的分组头）分离的异步传输交换机制。（3）单向预留机制。使用TAG（Tell-And-Go）或者ABT-IT（ATM Block Transfer with Immediate Transmission）类似协议，Burst在控制分组发出后不用等待确认消息即可发出，减小端到端时延。（4）offset-time的机制：burst数据在控制分组发出后一个offset time后发出。（5）控制分组在网络中间节点需进行O/E转换，在电域进行处理，然后再进行E/O转换。而数据分组以cut－through的方式通过中间节点完成端到端的透明传输。网络中间节点不需要缓存（当然适当FDL可以提高网络的性能）。
2．光突发交换原理
光突发交换网络结构如图1所示，它由光的核心路由器和电的边缘路由器组成。突发（burst）数据分组在OBS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；突发数据是由一些IP分组组成的，这些IP分组可以是来自传统IP网中不同的电IP路由器。而控制分组在独立于数据通道的光信道中传输（如图2），每个突发数据分组对应于一个控制分组，源端需设置控制分组与突发数据分组的偏移时间τ（offset time），即控制分组与相应的突发数据分组的出发时间间隔。通过设置恰当的时间间隔，可以保证一定的QoS并且不需要光存储和执行光同步。控制分组中包含数据分组传输交换所必需的控制信息，如突发数据的长度、偏离时间等。控制分组在中间节点需要进行光电转换，在电域内进行路由判断，保证突发数据分组在偏离时间内完全在光域内完成交换传输。由于突发数据分组是统计占用带宽资源，从而提高了不同连接之间的传输效率。在WDM系统中，控制分组占用一个波长或者几个波长，突发数据占用其他波长；对于多光纤系统也可以是控制分组占用一根光纤，而其他光纤用于突发数据的传输。

图 1 光突发交换网络结构

图 2 突发数据与控制分组传输示意图
图3为OBS网核心路由器结构。假定入口、出口光纤数均为N，每根光纤支持的波长数均为K（一个波长用于传输控制分组BCP，另外K－1个波长用于传输突发数据）。用于传输BCP的波长在网络中间节点需要进行O/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BCP相应数据域等操作。而对于传输突发数据的波长信道来说，不需要进行O/E/O的转换，整个交换传输在光域内完成，保证了数据的透明性。由于中间节点只需要对少量波长进行O/E/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。光交换矩阵前光纤延迟线用于缓存突发数据（只能缓存有限长时间），等待控制分组的处理，通过设置恰当的偏移时间τ，可以使突发数据不需要在中间节点缓存直接通过OBS网络，进而可以取消光纤延迟线。另外光纤延迟线可以用来减少冲突。

图 3 OBS网络核心路由器结构
对于边缘路由器其功能框图图4所示，在IP层和WDM光层有一个MAC层。入口边缘路由器MAC层需要完成IP分组的组装形成突发数据分组，计算突发数据与其相应的控制分组之间的偏移时间，将含此偏移时间的控制分组送到光层控制信道，然后在偏移时间后送出相应的突发数据。在出口边缘路由其完成相反操作。

图 4 边缘路由器功能框图
3．光突发交换中的资源预约
OBS网络中，突发数据与相应的控制分组是在相互独立的信道上传输。源端先发送控制分组，然后间隔一个偏移时间后，发送突发数据。目前文献中出现了多种资源预约方案，各种预约方案最主要的区别在于如何判断突发数据的结束，以及如何确定某个新突发数据占用相应资源（通常情况下应包括信道上的波长资源和交换结构中的缓存资源）的持续期间。
图5给出了几种预约方案，以及相应的信令流程示意图。每个突发数据发送前，先在一个独立的信道中通过控制分组发送一个建立消息（SETUP）；在某些方案中还需要在突发数据结束时发送一个资源释放消息（RELEASE）。
方案1：显式建立、显式拆除（Explicit setup and explicit release）。当SETUP消息到达时，立刻对交换模块进行相应的配置，包括对交叉矩阵的设置以及对输出波长的预约。这一配置直到收到RELEASE消息时释放。
方案2：显式建立、估算拆除（Explicit setup and estimated release）。SETUP消息中要携带突发数据的持续时间信息。与方案1不同的是，方案2不需要RELEASE消息来标志突发数据的结束。突发数据的结束根据SETUP消息的到达时刻与突发数据的持续时间来估计。
方案3：估算建立、显式拆除（Estimated setup and explicit release）。该方案与方案2刚好相反。估计的是突发数据的开始时刻，而突发数据的结束用RELEASE消息来标志。
方案4：估算建立、估算拆除（Estimated setup and estimated release）。突发数据的开始和结束时刻都根据SETUP消息中的信息来估计。
Chunming Qiao等人在文献[1,5]按照方案4的思路，提出了JET（Just Enough Time）协议；John Y. Wei等人在文献[3]中提出的JIT（Just In Time）协议采用的就是方案1；J.S. Turner在文献[4]中提出的所谓Horizon机制，就是在方案2的基础上改进得到的；North Carolina州立大学开展的所谓JumpStart计划[6]中，其信令协议采用的是方案1和方案2，并可根据用户需求在两个方案中选择。

图 5 OBS的几种资源预约方案
从图中不难看出，几种方案最明显的区别在于同一个突发数据占用节点资源的时间，而这个时间的长短取决于各种方案中对突发数据开始和结束时间的估计精度。估计得越准，占用资源的时间越短，资源利用率越高，而且总的突发数据冲突概率越低。方案1估计得最不准，因为SETUP和RELEASE消息的到达时间被直接当作突发数据的开始和结束时间；方案4估计得最准，因此性能最好。
4．光突发交换中的冲突处理（contention resolution）
在传统分组交换机中，当多个分组同时要到同一输出端口上去的时候，就发生了“冲突”，被称为“外部阻塞”。解决外部阻塞是通过缓存所有冲突分组，而让其中一个分组顺利通过。在光突发交换中也存在类似情况，多个突发数据同时要到同一输出端口的同一波长上，此时为防止数据丢失，有四种可行的方法：光缓存；波长变换；偏折路由（deflection routing）；突发数据分割（Burst segmentation）。
光缓存：由于突发数据完全在光域处理，不进行O/E/O转换，所以必须采用全光的缓存技术。由于没有类似随机存储器RAM的光器件，光域的缓存很难实现，目前只能采用光纤延迟线FDL的方式来实现。在使用光缓存的交换机中，缓存的大小不仅受限于信号质量，也受限于交换机中的物理空间（因为缓存一个分组5us就需要至少1公里长的光纤）。因而此方式不能有效地解决高负载情况下的突发业务。
波长变换：波长变换可以把输入的任一波长转换到任一其它波长。由于这种变换必须在电信号的控制下完成，所以必须采用可调的波长变换器（Tunable Wavelength Converter，TWC）。当存在多个波长信号要同时交换到同一输出端口的同一波长时，可以将其中几个波长先变换为输出端口中其它的空闲波长，然后再交换到同一输出端口中去。显然，这种方法有一定的局限，业务负载较重时难以真正解决冲突。而且，这种方法的有效性还依赖于这样一个事实：即同一输出端口中的不同波长通道是等效的。另外，全光的TWC价格昂贵，考虑采用部分波长交换（即不必为每个波长都配置波长变换器）是一种较为经济的节点实现方式，尤其是单光纤可复用的波长数目较多的情况。因此，只依赖波长变换不能完全解决冲突问题。在[13-14]中提出了Wavelength Dimension概念，其实质使用波长变换：为每条链路预留多个备份波长（或备份光纤），一旦出现冲突，可以通过将部分冲突的突发数据调整到备份波长进行传输。需要注意的是，若能在同一链路上提供多条光纤，则可以在一定程度上避免使用（或减少使用）波长变换器，例如，两个burst同时需要交换到某端口的波长1上，多光纤配置意味着存在另一端口与该端口“等效”（连接的是同一个设备），此时可将其中一个burst交换到等效端口的波长1，即可解决冲突，而且不必使用波长变换。
偏折路由（Deflection Routing）：基本思想是出现冲突时（且没有其它解决冲突的手段可用时），将冲突的burst发往另一个端口。具体发往哪个端口有两种不同的策略：一种是任一可用端口；另一种是发往预先确定的某个端口。第一种方法适用于基于IP的OBS，被偏折的burst在后续的每个节点都根据路由表信息逐跳转发。需要解决的问题是如何控制突发数据的转发跳数，在控制分组中增加一个类似于IP的TTL域可以部分地解决这个问题。另一种方法要求预先确定从偏折节点开始到目的节点终止的替代路由（事实上，[7]中提出的方案要求预先计算所有的节点对之间的替代路由）。这两种方法，都存在一个共同的问题，即预先确定的offset time可能因偏折路由而不再满足要求，导致突发数据在后续的节点必须进行缓存，以等待对控制分组的处理。
突发数据分割[8]：突发数据可以分成多个数据段（segments），当冲突时，并不丢掉整个突发数据，而仅仅是丢掉冲突的（重叠的）数据段。此外可以结合偏折路由来解决冲突，可以偏折冲突突发数据，或者仅仅偏折重叠的数据段。这种方式可以降低分组丢失率，提供性能。
5．光突发交换中的多播研究
多播（multicasting）在网络中也越来越普遍和重要。IP over WDM网络中的多播可以通过一下几种方式实现：IP多播方式、多个WDM单播（unicast）方式、WDM多播方式。由于WDM层知道网络的物理拓扑，能够在WDM层构造比IP层更有效的多播生成树；一些WDM交换机可以对多播光信号进行功率分割（power-splitting），这比IP层对多播数据进行拷贝更有效；在WDM层实现多播，可以实现数据的透明传输。因此在IP over WDM中多播在WDM层实现更有效。
实现WDM多播有两种方案，一种是基于波长路由的，另一种是基于光突发交换（optical burst switching, OBS）的。基于波长路由的方案适合于高带宽、持续时间相对比较长的应用；基于OBS的多播方案适合于突发的、持续时间短的多播应用，因为多播数据并不是独占一个波长，而是统计复用。目前OBS上的多播研究主要集中在多播协议、多播生成树方面。
Chunming Qiao在[9]中提出了一种分布式多播协议，该协议是基于IP多播协议DVMRP（Distance Vector Multicast Routing Protocol）的，该协议考虑到WDM网络中某些交换机不具有多播能力（Multicast-Incapable，MI），通过修改DVMRP构造的多播树，使WDM层多播树的分叉点发生在具有多播能力的交换机处。此多播协议具有以下特点：a）只需要WDM层的局部信息，而不需要全局信息；b）不需要对IP多播协议进行任何修改；c）下游MI交换机可能暂时从最初多播树上删除，但通过建立LSP（Label Switched Path）来完成多播树的构造。d）也可以应用于基于波长路由的WDM多播方案中。
考虑到控制分组和数据通道中的burst的保护带宽（guard band，GB），M.Jeong等人[10-11]研究了光突发交互WDM网络中的三种多播方案，即S-MCAST（Separate Multicasting）、M-UCAST（Multiple Uni-casting）、TS-MCAST（Tree-Shared Multicasting）。对于TS-MCAST方案，作者提出了几种生成树共享策略：Equal Coverage(EC)、Super Coverage(SC)、Overlapping Coverage(OC)和Overlapping Coverage by Maximization(OC-MAX)。[10]主要考虑静态情况（多播会话固定、多播成员固定）下三种多播方案的性能比较。考虑到多播会话动态产生、结束以及多播成员动态的加入/退出，[11]提出了一个有效的启发式算法，用于解决TS-MCAST方案下管理动态多播会话和成员关系。
[12]中提出了一个针对OBS网络的可靠WDM多播协议——BLRP（Burst Loss Recovery Protocol），该协议运行在WDM层，WDM交换机需要增加subcasting功能（即在某个多播树上的某个分叉点重新开始的对下流交换机的多播）和维护突发分组状态。在OBS网络中为了恢复（recover）由于堵塞而丢失的burst，BLRP协议采用局部丢失恢复机制，即向多播生成树上具有该burst拷贝的最近节点发出重传请求，这样可以减少传输时延，网络中的带宽资源消耗，同时也会减小重传burst的阻塞概率。
6．基于标签的光突发交换LOBS
Qiao[15]提出了将MPLS技术与光突发交换OBS结合的LOBS（Labeled Optical Burst Switching），它是一种IP over WDM集成模型，其结构如图6所示。

图 6 基于LOBS的IP over WDM结构
IP层完成第3层功能， LOBS(MPLS)层提供OBS服务，如突发数据汇聚、网络拓扑和资源分配、生存性等。物理层完成突发交换、波长变换、突发数据延迟缓冲、光放大等。监控层为可选，用于控制信道。LOBS支持流量工程，控制信道可以承载MPLS信令协议。在OBS网络节点上加入IP/MPLS控制器，即构成LOBS节点，携带标签的控制分组在预先建立的LOBS通道上传送。扩展的显式路由（Explicit Routing）和受限路由（Constraint Based Routing）可用于LOBS资源分配合管理。需要扩展内部网关协议（IGP），用以发布LOBS网络资源和拓扑信息。此外，MPLS框架可以用于LOBS网络生存性。
7．结束语
光突发交换结合了光路交换和光分组交换的优点而避免了它们的缺点，具有很好的发展前景。
针对光突发交换，以下几个方向是比较好的研究方向：边缘路由器中MAC层的研究（包括业务的汇聚、如何设置偏移时间等）、冲突解决、和MPLS技术的结合、QoS的保证以及光核心路由器的实现等等。

参考文献
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The Principles of Optimal Burst Switch and its related Technologies
Haibo Wen, Lemin Li
(National Key Lab of Broadband Optical Transmission and Communication Networks, UESTC, Chengdu 610054, China)
Abstract Optical Burst Switching (OBS) is a new and promising switching paradigm, which can combine the best of the coarse-grained optical circuit-switching and the fine-grained optical packet-switching paradigms while avoiding their shortcomings, and can support bursty traffic on the Internet efficiently. In this paper the basic concept, principles, network architecture and node architecture of OBS are presented. And the hot topic of OBS is also given out.
Keywords Optical Burst Switching, Fiber Delay Line, Resource Reservation, Contention resolution, Wavelength Division Multiplexing