光突发交换系统

12.4.2　光突发交换系统

交换系统实现中，要满足众多用户两两相连，除了交换元件技术的可实现性外，重要的是交换控制机理的实现问题。解决大容量交换系统的控制管理问题，和我们日常解决复杂问题的方法有点类似。当把一个问题的各个部分顺序排列起来看时，问题会显得繁琐而难以简化。这就是说，单方面看问题，其解决方法的选择只有一个选择自由度，并且每一个方面的解决方案将会减少一半，从而使问题变得清晰且易于解决。

同理，大容量交换系统互连管理问题也可以利用多维空间的概念，图12.18给出了互连空间大小与使用自由度之间的关系。假设只有1个自由度（1维空间），互连空间的大小必须达到要求的最大互连容量（即N）；如果具有两个自由度（2维空间），每个自由度只要承担总负载的一半即可，互连空间的大小减小到；对于3个自由度（3维空间）其值进一步减小到

图12.18　互连空间与使用自由度之间的关系

上面介绍的OXC系统，只能实现不同光纤中不同波长之间的波长路由交换，最小交换颗粒为一个波长通路上承载的业务流量。这种交换技术颗粒较大，只是适用于骨干网上群路由业务交换，不能针对每个不同用户的业务直接进行互连交换，资源利用率较低。

为了实现基于IP over WDM的下一代网络，在各种光交换模式中，光突发交换（OSB）无论是在资源利用率、网络灵活性还是硬件实现方便性等方面都具有很大的优越性。OBS交换技术，是把同一波长上的承载容量在时间轴上做进一步细分，分成更多的光波长突发时段，并且以光突发时段为单位进行承载和交换多个不同用户的业务信息。

图12.19给出了一个由OBS交换技术构成的全光网络的基本结构，它由出于网络边缘的边缘点和出于网络中心的核心节点组成。OBS交换技术的基本思想是将IP数据分组的传送与通路控制分离开来，提前发送控制分组，沿路为随后要传送的数据信息预留相关资源，数据信息在已建立的光路上从源端流向目的端。在入口边缘节点，首先根据抵达节点的IP数据分组的源－目的地址和服务等级要求等信息，对数据分类、缓存和封装，组装成较大的突发数据包（BDP），并针对该BDP在光网络中所需的传送通路分配产生突发控制分组（BCP），然后发送给与其最临近的OBS核心节点。核心节点根据BCP的路由信息，对到达的数据突发包进行交换和传送。

图12.19　光突发交换网络基本结构

在OBS网络中，BDP的交换和传送完全在光域内完成，不需要进行光/电/光转换，每一个突发数据包由多个IP分组组成，这些IP分组可以是来自传统的IP网络中的电子路由器或者其他分组数据设备。目前，由于光计算机技术还没有成熟，还不能直接对光信号进行识别和处理，通过电信号处理来控制OBS网络中传送突发数据包的光通路建立和释放。图12.20表示了BDP和BCP的传输示意结构。

图12.20　BDP与BCP传输示意图

每个突发数据包BDP对应有一个BCP，突发控制分组先于突发数据包发送，其间的偏置时间T由源节点设置。在BCP中，包含BDP传输和交换所必需的控制信息，如占用的波长信道、突发包长度、偏置时间等。BCP在中间节点需要进行光电转换，在偏置时间内由电子域控制设备进行路由判断、建立相关波长通路等操作，确保BDP在光域的传输和交换。在WDM系统中，BCP信道可占用一个或者几个波长，BDP占用其他波长传送。对于多光纤系统，也可以是BCP占用一根光纤或其中几个波长，而其他光纤和波长用于传送突发数据包。

OBS边缘节点

边缘节点包括入口边缘节点和出口边缘节点，入口边缘节点完成BDP的整合和装配，出口边缘节点完成相关的拆分和IP分组提取。

为完成OBS网络的数据传输，待传数据接入边缘节点后，首先要装配成突发数据包才能接入OBS网络。在入口边缘节点，流入的IP数据分组按照目前的地址和业务类型进行分类汇聚，根据业务流量的特征进行突发数据包组装和偏置时间计算。这意味着在OBS网络中的突发数据包长度是与业务流量相关的，即突发数据包长度为变长尺寸。突发数据包虽然为可变长度，但是考虑到各种因素，其变换频率和幅度应尽量平稳为好。

图12.21给出了一种典型的OBS边缘节点基本结构，分别由线卡接口、路由与交换模块、分类组装/接收处理模块、突发调制模块和光信道接口等组成。

图中，线卡接口负责将传统的IP网络连接到OBS网络，路由与交换模块根据路由和业务分类信息将接入的IP数据分组转发给突发组装单元。在突发发送方向，去往相同出口节点的突发数据包被送到相同的突发组装单元内排队，一般为每一种优先级的突发包专门设计一个组装队列，并由突发调度器控制组装长度和发送时间。

图12.21　OBS边缘节点基本结构框图

突发调度模块由突发判决、偏置时间产生器、调度器、BCP产生器和BDP成帧器等5个子块组成。突发判决子块根据业务流量和OBS网络的负荷状态，计算BCP和BCP之间的偏置时间和突发数据包的长度，通过偏置时间产生器将偏置时间送给BCP产生器。BCP产生器负责将源－目的地址、突发长度、偏置时间、波长序号、路由、服务质量等控制参数组成一个协议帧，通过BCP信道光接口发送给最邻近的OBS核心节点，请求核心节点为偏置时间后将要送出的BDP预留资源和建立光通路。

调度器接收突发判决子块计算所得的组装长度和偏置时间命令，按照偏置时间要求负责从相关队列中取出排队中的IP分组准时送至BDP成帧器，BDP成帧器将收到的数据装配成突发包后立即通过指定的光波长信道发送给核心OBS节点。

边缘节点的接收方向设备较为简单。这里，接收到的BCP消息通常没有控制作用，只是通知随后将有关的BDP抵达。BDP拆分器，主要作用是将收到突发数据包拆分成若干个IP分组，并按照入口号进行排队缓存，然后由路由与交换模块确定经哪个线卡将各个IP分组送往传统IP网络。

图12.22给出了一个典型的OBS核心节点的结构。图中，入口、出口光纤数均为n，每根光纤支持的波长数均为k＋1（一个波长用于传输BCP，其余k个波长用来传输BDP）。用于传输BCP的波长在中间节点需要进行光/电/光转换，在电子域进行路由表查找、对光交换矩阵进行控制、更新BCP相关数据域等操作。而对于传输BDP的波长来说，在中间节点则不必进行光/电/光转换，整个交换和传输都在光域内完成，保证了数据传送的透明性。由于中间节点只需要对少量波长（控制用波长）进行光/电/光转换，然后在电子域进行处理、控制光交换矩阵等，从而可以消除电子处理瓶颈问题。光交换矩阵前的光延迟线是可选的，用来延迟BDP（只能延迟有限长时间），以等待BCP的处理。通过设置恰当的偏置时间，可以使BDP不需要在中间节点有任何缓存而直接通过OBS网络，进而可取消光延迟线。不过，适当使用光延迟线可以减少冲突。

图12.22　OBS核心节点基本结构框图

在一般的OBS网络中，每一根光纤各有多个波长用于突发数据通信，一个波长用作传送控制消息。OBS网络中的基本交换单位是突发数据包，其长度可变。突发数据包由具有相同出口边缘路由器地址和相同QoS要求的IP分组、ATM信元或HDTV帧等组成。传送突发数据包时，在控制信道提前发送相应的BCP，确定突发数据包经哪根输出光纤、波长传送等控制信息。BCP中的控制信息一般在电子域进行处理，而BDP在WDM传输链路中的某个专用控制的信道传送，每一个突发数据包对应有一个BCP，并且BCP先于BDP发送，通过“数据报”或“虚电路”选路模式，指令中间节点分配空闲的数据信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。与光路交换不同，OBS网络中的源节点不需要等待目的节点的确认，在发送BCP之后延迟一个指定的偏置时间立即发送突发数据包。在BCP中，携带了随对应的突发数据包在OBS节点地址等。BCP的作用是通知到达OBS目的节点所途径的中间节点进行路由判决、交换路径配置，并在突发数据包持续时间内，将突发数据包交换的处理，并且BCP很短，使得高速处理得以实现。同时，由于BCP和BDP是通过BCP中含有的“可重置”时延信息相联系的，传输过程中可根据链路的实际状况，在电子域对其中的控制信息作相应调整。另外，BCP和BDP都不需要光同步，控制结构较为简单，实现成本相对较低，是一种极具发展前景的光交换技术。