上世纪末期以来,全光传送网(OTN)的研究与建设还是以两个方向为基本特征,一是以波分复用(WDM)或密集技术波分复用(DWDM)与低速机械光交换矩阵开关为技术基础,在节点利用波长上下话路(OADM):或进行交叉连接(OXC)来构成波长路由的光传送网,国内俗称“全光网”,如美国的NGI计划和国防部高级研究计划局(DARPA)支持的MIT、Stanford、Princeton和Michigan等多所著名大学的合作项目以及加拿大的CA*net3国家光互联计划。二是以阵列波导光栅(AWG)、全光波长变换(AOWC)和光纤延迟线FDL为主要技术基础,在节点处沿袭异步传输交换(ATM)的特征实现的光分组交换设备,俗称光异步传输交换(PATM),或光ATM,如美国斯坦福大学的HORNET(Hybrid Opto-electronic Ring Network)、欧洲RACE-R2039 ATMOS(Asynchronous Transfer Mode Optical Switching)、ACTS的KEOPS(Keys to
随着Internet业务量不断增加,利用高性能的高端路由器和成熟的WDM传输,以POS(Packet over SDH)、ATM或GE(Gigabit Ethernet)方式在数个波长上传送信号,实现Internet的升级,处理能力有限,网络QoS也无法保证。为了更有效、灵活地承载未来的IP包/分组业务,提出了光分组交换与光突发交换这两种适应未来光因特网的交换技术。
光分组交换可以看作是电分组交换在光域的延伸,交换粒度以高速传输的光分组为单位。虽然光分组可长可短,但由于交换设备必须具备处理最小分组的能力,光分组交换节点的处理能力要求非常高。目前常采用的是光电混合的办法实现光分组交换,即数据在光域进行交换,而控制信号在交换节点被转换成电信号后再进行处理。光分组交换可基于数据报或虚电路方式,无论采用哪种方式,交换机都以存储转发方式工作,因此必须采用光缓存。
实现光分组交换需要的关键技术包括光分组的产生、同步、缓存、再生,光分组头重写及分组之间的光功率的均衡等。其中分组的实时同步、再生、分组头重写,由于码率太高,电设备无法完成,而全光的办法也只停留在实验阶段。人们对于未来光因特网的希望是支持多种业务,保证QOS,但光分组交换本身不直接支持QoS。
由于现在光器件的局限,缺少快速的光开关器件,实现完全的光分组交换网络还比较困难,一个IP分组要求光开关的速度为纳秒级,甚至更少。在这种情况下,提出了光突发交换网络。它的主要思想是将比较小的IP进行组装成一个大的突发包,通过光开关的时间为毫秒级,当然,如果光开关的切换时间更快,如纳秒,则网络带宽的利用率将大大提高。所以,高速光交换技术是下一代全光网络中有待突破的技术。
由于现在光器件的局限,缺少快速的光开关器件,实现完全的光分组交换网络还比较困难,一个IP分组要求光开关的速度为纳秒级,甚至更少。在这种情况下,提出了光突发交换网络。它的主要思想是将比较小的IP进行组装成一个大的突发包,通过光开关的时间为毫秒级,当然,如果光开关的切换时间更快,如纳秒,则网络带宽的利用率将大大提高。所以,高速光交换技术是下一代全光网络中有待突破的技术.
2.光突发交换技术:光突发交换技术优越何在?
突发交换其实在80年代初就已提出[1],并且陆续有一些文章发表。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进发展,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还有待进一步成熟,而且成本很高,在存在持续时间较长的数据流的情况下,标签交换能够很好地提升网络的性能。
为了便于形象直观的理解光突发交换网络的优越性, 图1给出光突发交换系统中的节点和网络结构,OBS水平体系结构包含三层：核心光层,边缘分配光层,接入层。核心光层由全光核心路由器构成,完成光分组数据的传送,路由,和OBS网络管理,核心网络的核心OBS节点,无需任何处理,进行突发数据的透明交换。边缘分配光层由光/电的边缘路由器构成,负责来自或发送接入层业务数据的分发服务,它们之间由WDM链路相连。在边缘节点,收集来自接入网的流量,并会聚成较大的数据单元,即突发包。为完成此目的,需事先通过控制信令,预留资源,并配置交换矩阵。控制包与数据包(突发包)完全分离,通过不同波长传输。控制波长需经过O/E/O处理,而数据在光域进行交换,透明传输。接入层是OBS层的用户层,可以为目前存在的各种网络如IP、ATM、SDH等,也可以是终端用户。图1中表示左边边缘路由器将来自接入层的业务数据分别打成两个突发包,并分别沿着两条可能的路径分别通过OBS的核心层,最后,到达右边边缘路由器,并解包,发送业务接入层。
光突发交换网络中涉及的核心技术包括:
●光突发交换模块技术,
●突发交换信令控制方法与同步技术,
●边缘路由处的突发数据整合,
●波长/带宽分配算法与冲突解决方案,
●网元与网络的生存性管理
光突发交换模块技术是光突发交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素,目前提出的光突发交换矩阵的典型结构有：基于空间光开关矩阵和基于AWG的光突发交换结构。涉及到的开关主要有半导体光逻辑门(SOA)、波导开关、微电子机械光开关(MEMS: Micro Electro Mechanical System)、液晶光开关等。机械开关在插损、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。但它的开关尺寸比较大,开关动作时间比较长,一般为几十毫秒到毫秒量级。随着液晶技术的成熟,液晶光交换机将会成为光网络系统中的一个重要设备,该交换设备主要由液晶片、极化光束分离器、成光束调相器组成,而液晶在交换机中的主要作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时,经过液晶片的光线极化角为90°,当有电压加在液晶片的电极上时,入射光束将维持它的极化状态不变。而由声光技术实现的光交换机可以实现微秒级的交换速度,可方便地构成端口较少的交换机。但它不适合用于矩阵交换机。波导开关的开关速度在毫秒到亚毫秒量级,体积非常小,而且易于集成为大规模的矩阵开关阵列,但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差。光突发交换要求光开关速度达到微秒级,目前商用化的开关中只有铌酸锂开关、SOA开关可满足要求。但使用这两种开关构成交换矩阵,造价相当昂贵。因此,积极寻求适合于光突发交换的快速光交换矩阵显得极为重要,这也是今后光突发交换和光分组交换网络研究的主要内容之一。鉴于目前的光网络还是以全光透明作为信息的通道,而路由控制则完全依赖于电子技术,因而,纵观网络前景,光电混合还要作为主流技术,全光处理,有待时日,因此,电光开关被普遍看好。技术实现还将以有源薄膜(ATF, Active Thin Film)技术与平面波导继承(PIC,plane Photonic Integrate Circuit)为突破口。
OBS网络控制的一个核心问题就是控制信令的设计。用于光突发交换的控制信令提法很多,可以归纳为三大类：第一种方式,RFD(reserve-a-fixed-duration),该方式由控制分组中的偏置时间来决定带宽预留时间的长短,到时立即拆除连接,优点：无信令开销、易实现带宽资源的动态分配、资源利用率高,其改进的变形协议有：TAW(Tell-And-Wait)、JET、JIT、SCDT、LAUC和LAUC-VF等等。［２］第二种协议是TAG(Tell-And-Go),该协议是先发送控制分组来预留带宽,紧接着发送突发数据,在中间节点需FDL缓存突发数据,当发送完突发数据流后再发送用于释放连接的分组来拆除连接。第三种协议是IBT(in-band-terminator),该方式是在突发数据流之后紧跟着IBT标识,整个过程是由控制分组来预留带宽,由IBT标识拆除连接,因此最大的技术挑战是IBT标识的全光再生技术。
光突发交换的突发特性不可避免地引入突发接收和突发同步问题。边缘节点接收到的各突发帧可能来自不同的其它节点,它们的时钟相位和振幅都不相同,因此每一帧都要进行时钟同步和判决阈值提取。考虑到突发帧的长度,一般OBS中需要～ns量级的时钟同步。传统的接收机采用琐相环技术来恢复时钟,恢复速度约为毫秒级,无法实现Gb/s速率的突发接收技术。因此在突发分组中设定一定长度的同步字节,通过详细的研究确定合适的同步字节的长度及码型。这样虽对网络效率有所影响,但有可能使用成熟的商用器件,大大降低了研究的复杂性和成本。其次,研究采用快速锁相环(Fast PLL)技术实现～ns级的突发接收。
IP数据包接入边缘节点后必须适配成突发分组才能接入光突发交换网,这涉及突发数据会聚、调度和突发分组帧格式的设计等问题。边缘节点包括边缘入口路由器和边缘出口路由器。边缘入口路由器完成数据分组的整合、适配,出口路由器完成相应的拆分、提取。突发数据虽然是可变长的,但考虑到各种因素,变化频率和幅度应该降低到最小,使得数据业务越平稳越好。在边缘入口节点,由于数据业务多来自分组交换网络(包括局域网、广域网、ATM网),信息流具有长相关性(LRD,Long-Range-Dependence)/自相似性(Self-Similar),也就是说当对此业务流进行多时间尺度(毫秒～小时)的测量时,业务流会产生相似的特性,与传统的业务流模型(MMPP,MMBP等)的短时相关性具有明显的不同。在设计边缘业务模型的时候,就是基于自相似模型,数据分组的到达间隔分布满足Pareto分布,而不是传统的泊松分布,通过一种有效的算法,利用时间器和队列长度特性共同来决定队列长度,使得会聚以后的数据突发尽可能减小长相关性。
在波长路由网络,波长分配问题是网络设计中的一个关键问题,在光突发交换中,控制分组在每一个突发数据分组发送之前发送,虽然克服了波长一致性原则,波长资源是统计复用的,利用率也远远高于波长路由网络,但是在没有全光波长变换的情况下,波长分配问题仍是制约网络性能的一个重要问题,它通知该数据分组要通过的中间
随着Internet业务量不断增加,利用高性能的高端路由器和成熟的WDM传输,以POS(Packet over SDH)、ATM或GE(Gigabit Ethernet)方式在数个波长上传送信号,实现Internet的升级,处理能力有限,网络QoS也无法保证。为了更有效、灵活地承载未来的IP包/分组业务,提出了光分组交换与光突发交换这两种适应未来光因特网的交换技术。
光分组交换可以看作是电分组交换在光域的延伸,交换粒度以高速传输的光分组为单位。虽然光分组可长可短,但由于交换设备必须具备处理最小分组的能力,光分组交换节点的处理能力要求非常高。目前常采用的是光电混合的办法实现光分组交换,即数据在光域进行交换,而控制信号在交换节点被转换成电信号后再进行处理。光分组交换可基于数据报或虚电路方式,无论采用哪种方式,交换机都以存储转发方式工作,因此必须采用光缓存。
实现光分组交换需要的关键技术包括光分组的产生、同步、缓存、再生,光分组头重写及分组之间的光功率的均衡等。其中分组的实时同步、再生、分组头重写,由于码率太高,电设备无法完成,而全光的办法也只停留在实验阶段。人们对于未来光因特网的希望是支持多种业务,保证QOS,但光分组交换本身不直接支持QoS。
由于现在光器件的局限,缺少快速的光开关器件,实现完全的光分组交换网络还比较困难,一个IP分组要求光开关的速度为纳秒级,甚至更少。在这种情况下,提出了光突发交换网络。它的主要思想是将比较小的IP进行组装成一个大的突发包,通过光开关的时间为毫秒级,当然,如果光开关的切换时间更快,如纳秒,则网络带宽的利用率将大大提高。所以,高速光交换技术是下一代全光网络中有待突破的技术。
由于现在光器件的局限,缺少快速的光开关器件,实现完全的光分组交换网络还比较困难,一个IP分组要求光开关的速度为纳秒级,甚至更少。在这种情况下,提出了光突发交换网络。它的主要思想是将比较小的IP进行组装成一个大的突发包,通过光开关的时间为毫秒级,当然,如果光开关的切换时间更快,如纳秒,则网络带宽的利用率将大大提高。所以,高速光交换技术是下一代全光网络中有待突破的技术.
2.光突发交换技术:光突发交换技术优越何在?
突发交换其实在80年代初就已提出[1],并且陆续有一些文章发表。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进发展,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还有待进一步成熟,而且成本很高,在存在持续时间较长的数据流的情况下,标签交换能够很好地提升网络的性能。
为了便于形象直观的理解光突发交换网络的优越性, 图1给出光突发交换系统中的节点和网络结构,OBS水平体系结构包含三层：核心光层,边缘分配光层,接入层。核心光层由全光核心路由器构成,完成光分组数据的传送,路由,和OBS网络管理,核心网络的核心OBS节点,无需任何处理,进行突发数据的透明交换。边缘分配光层由光/电的边缘路由器构成,负责来自或发送接入层业务数据的分发服务,它们之间由WDM链路相连。在边缘节点,收集来自接入网的流量,并会聚成较大的数据单元,即突发包。为完成此目的,需事先通过控制信令,预留资源,并配置交换矩阵。控制包与数据包(突发包)完全分离,通过不同波长传输。控制波长需经过O/E/O处理,而数据在光域进行交换,透明传输。接入层是OBS层的用户层,可以为目前存在的各种网络如IP、ATM、SDH等,也可以是终端用户。图1中表示左边边缘路由器将来自接入层的业务数据分别打成两个突发包,并分别沿着两条可能的路径分别通过OBS的核心层,最后,到达右边边缘路由器,并解包,发送业务接入层。
光突发交换网络中涉及的核心技术包括:
●光突发交换模块技术,
●突发交换信令控制方法与同步技术,
●边缘路由处的突发数据整合,
●波长/带宽分配算法与冲突解决方案,
●网元与网络的生存性管理
光突发交换模块技术是光突发交换系统的核心器件和决定网络性能的关键因素,目前提出的光突发交换矩阵的典型结构有：基于空间光开关矩阵和基于AWG的光突发交换结构。涉及到的开关主要有半导体光逻辑门(SOA)、波导开关、微电子机械光开关(MEMS: Micro Electro Mechanical System)、液晶光开关等。机械开关在插损、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。但它的开关尺寸比较大,开关动作时间比较长,一般为几十毫秒到毫秒量级。随着液晶技术的成熟,液晶光交换机将会成为光网络系统中的一个重要设备,该交换设备主要由液晶片、极化光束分离器、成光束调相器组成,而液晶在交换机中的主要作用是旋转入射光的极化角。当电极上没有电压时,经过液晶片的光线极化角为90°,当有电压加在液晶片的电极上时,入射光束将维持它的极化状态不变。而由声光技术实现的光交换机可以实现微秒级的交换速度,可方便地构成端口较少的交换机。但它不适合用于矩阵交换机。波导开关的开关速度在毫秒到亚毫秒量级,体积非常小,而且易于集成为大规模的矩阵开关阵列,但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差。光突发交换要求光开关速度达到微秒级,目前商用化的开关中只有铌酸锂开关、SOA开关可满足要求。但使用这两种开关构成交换矩阵,造价相当昂贵。因此,积极寻求适合于光突发交换的快速光交换矩阵显得极为重要,这也是今后光突发交换和光分组交换网络研究的主要内容之一。鉴于目前的光网络还是以全光透明作为信息的通道,而路由控制则完全依赖于电子技术,因而,纵观网络前景,光电混合还要作为主流技术,全光处理,有待时日,因此,电光开关被普遍看好。技术实现还将以有源薄膜(ATF, Active Thin Film)技术与平面波导继承(PIC,plane Photonic Integrate Circuit)为突破口。
OBS网络控制的一个核心问题就是控制信令的设计。用于光突发交换的控制信令提法很多,可以归纳为三大类：第一种方式,RFD(reserve-a-fixed-duration),该方式由控制分组中的偏置时间来决定带宽预留时间的长短,到时立即拆除连接,优点：无信令开销、易实现带宽资源的动态分配、资源利用率高,其改进的变形协议有：TAW(Tell-And-Wait)、JET、JIT、SCDT、LAUC和LAUC-VF等等。［２］第二种协议是TAG(Tell-And-Go),该协议是先发送控制分组来预留带宽,紧接着发送突发数据,在中间节点需FDL缓存突发数据,当发送完突发数据流后再发送用于释放连接的分组来拆除连接。第三种协议是IBT(in-band-terminator),该方式是在突发数据流之后紧跟着IBT标识,整个过程是由控制分组来预留带宽,由IBT标识拆除连接,因此最大的技术挑战是IBT标识的全光再生技术。
光突发交换的突发特性不可避免地引入突发接收和突发同步问题。边缘节点接收到的各突发帧可能来自不同的其它节点,它们的时钟相位和振幅都不相同,因此每一帧都要进行时钟同步和判决阈值提取。考虑到突发帧的长度,一般OBS中需要～ns量级的时钟同步。传统的接收机采用琐相环技术来恢复时钟,恢复速度约为毫秒级,无法实现Gb/s速率的突发接收技术。因此在突发分组中设定一定长度的同步字节,通过详细的研究确定合适的同步字节的长度及码型。这样虽对网络效率有所影响,但有可能使用成熟的商用器件,大大降低了研究的复杂性和成本。其次,研究采用快速锁相环(Fast PLL)技术实现～ns级的突发接收。
IP数据包接入边缘节点后必须适配成突发分组才能接入光突发交换网,这涉及突发数据会聚、调度和突发分组帧格式的设计等问题。边缘节点包括边缘入口路由器和边缘出口路由器。边缘入口路由器完成数据分组的整合、适配,出口路由器完成相应的拆分、提取。突发数据虽然是可变长的,但考虑到各种因素,变化频率和幅度应该降低到最小,使得数据业务越平稳越好。在边缘入口节点,由于数据业务多来自分组交换网络(包括局域网、广域网、ATM网),信息流具有长相关性(LRD,Long-Range-Dependence)/自相似性(Self-Similar),也就是说当对此业务流进行多时间尺度(毫秒～小时)的测量时,业务流会产生相似的特性,与传统的业务流模型(MMPP,MMBP等)的短时相关性具有明显的不同。在设计边缘业务模型的时候,就是基于自相似模型,数据分组的到达间隔分布满足Pareto分布,而不是传统的泊松分布,通过一种有效的算法,利用时间器和队列长度特性共同来决定队列长度,使得会聚以后的数据突发尽可能减小长相关性。
在波长路由网络,波长分配问题是网络设计中的一个关键问题,在光突发交换中,控制分组在每一个突发数据分组发送之前发送,虽然克服了波长一致性原则,波长资源是统计复用的,利用率也远远高于波长路由网络,但是在没有全光波长变换的情况下,波长分配问题仍是制约网络性能的一个重要问题,它通知该数据分组要通过的中间
