郭文君

【摘要】 光突發(fā)交換將光電路交換和光分組交換的優(yōu)勢相結合，同時克服二者缺點，成為近年來IP over WDM的一種研究方向。本文針對光突發(fā)交換網絡的結構和特點在幀結構方面進行了較詳細的研究。

【關鍵詞】 OBS 幀結構 JET

突發(fā)交換的概念是J.Kulzer于1984年提出的。光突發(fā)交換（Optical Burst Switching，OBS）將光電路交換和光分組交換的優(yōu)勢相結合，同時克服二者缺點，不失為一種適合當今全光網的合適的實現方式。其根本原理是預先發(fā)送控制信息進行資源預約，然后再傳送突發(fā)數據，這樣的優(yōu)勢是始終保持數據在光域內，同時減少分組頭逐個處理的麻煩。本文通過闡述光突發(fā)交換的結構和特點詳細分析了適應OBS網絡的幀結構設計。

一、OBS網絡的結構和特點

光突發(fā)交換網絡中主要有兩種類型節(jié)點：核心節(jié)點和邊緣節(jié)點。核心節(jié)點只需在電域處理控制信令，完成突發(fā)數據的轉發(fā)與交換；邊緣節(jié)點負責突發(fā)數據分組的重組、分類，并提供業(yè)務接口。

OBS網絡的基本特點是分離控制、數據信道，網絡中傳送的分組也分為控制分組和數據分組。工作機制：一個突發(fā)數據分組對應一個控制分組，在傳送突發(fā)包前先發(fā)出控制分組，由控制分組去預約空閑信道，以動態(tài)分配數據信道帶寬資源。優(yōu)勢：控制、數據信道的隔離，突發(fā)包的粒度等降低了對光子器件和核心節(jié)點的復雜度；控制分組長度非常短，使高速處理得以實現；由于提前預約資源，減少了核心節(jié)點緩存使用率，因此實現成本相對較低。OBS網絡更適用于承載大業(yè)務量的骨干網。OBS網絡中，邊緣節(jié)點相對更為重要，因為其需要完成業(yè)務適配、協(xié)議轉換、數據分組的分類匯集和交換、突發(fā)分組的成幀和拆卸等等，只有掌握了邊緣節(jié)點的特性才能更好地研究OBS網絡幀結構。

二、OBS預留機制簡介

設計OBS網絡幀結構，首先要確定使用何種預留機制。如前文所述，OBS網絡控制的特點是分離控制、延遲發(fā)送。

根據帶寬預留方式可分為Tell and Go（TAG）和Tell and Wait（TAW）兩種。TAG和TAW的區(qū)別是，突發(fā)包的傳送是否需要等待預留請求的應答信號，很明顯的，TAG方式不需要等待應答信號返回即發(fā)出，而TAW則需等待應答信號返回后再發(fā)出。由于TAG方式更適合符合IP業(yè)務的流量突發(fā)特性，因此OBS網絡一般都采用這種資源預留方式。

基于TAG的資源預留方式按確定預留信道時間的方式分兩類：一類在突發(fā)數據分組尾部插入帶內突發(fā)標志標示結束，如Just-In-Time（JIT）協(xié)議；另一類在突發(fā)控制分組中增加突發(fā)數據長度位進行資源預留。另外，在進行資源預留時，如果考慮每個突發(fā)數據分組的到達和離開節(jié)點的時間，則在一定程度上可以提高資源帶寬利用率。比如第一個和第二個預留突發(fā)數據分組的時間間隔正好適合第三個突發(fā)數據分組，則第三個突發(fā)就可以被成功預留，其中的典型方案就是Just-Enough-Time（JET）協(xié)議。[1、2]

在大部分有關OBS網絡的研究和實驗中都是以JET協(xié)議為選定預留機制的。雖然這個協(xié)議中所有被成功預留資源的突發(fā)數據分組，其狀態(tài)信息既包含開始時間又包含結束時間，令OBS網絡變得相對復雜，但它具有以下幾方面優(yōu)勢：

1、機制介紹中可明顯看出JET協(xié)議方式的帶寬利用率更高；

2、從單個節(jié)點的阻塞率仿真結果看，隨著網絡負荷的增大，JET協(xié)議的丟包率遠低于JET協(xié)議；

3、更重要的一點，JET方式可支持QoS保證。

因此本文將基于JET協(xié)議設計OBS網絡的幀結構。

三、OBS網絡幀結構設計詳解

本文將遵循以太網的幀結構進行OBS網絡突發(fā)數據幀和突發(fā)控制幀結構的設計。

3.1數據幀結構

首先，考慮數據在系統(tǒng)中可能產生的延遲，幀首尾應加入類似以太網中幀間隙的保護帶，可有效避免影響幀的其余部分。我們知道，一個突發(fā)幀中的所有MAC幀都傳向同一目的節(jié)點，到達目的節(jié)點時各幀的時鐘相位和振幅都相同，因此MAC幀96比特的間隔可以去掉，從而提高網絡傳輸效率。我們將OBS突發(fā)幀的保護帶與以太網幀設定一致，分為兩部分，即每部分6字節(jié)分別加在突發(fā)幀的頭尾。保護帶中不發(fā)送任何字符，只是留出一段空字節(jié)。

OBS網絡數據幀借鑒以太網的8/10編碼方案，為保證節(jié)點在重要數據來之前同步輸入的數據流，我們設置同步帶，同時可為節(jié)點提取時鐘。

前導碼沿用以太網中的“1010”序列。

1字節(jié)最后兩位為“11”的“1010”序列才真正標示突發(fā)幀的開始。

1字節(jié)表示插入凈荷的類型。

為方便接收端的接收和數據部分的識別，我們設計了幀長度位。由于突發(fā)幀是幾十到幾百k字節(jié)，至少要用17位二進制序列表示，本文設定其為3字節(jié)。

用一個凈荷偏置位標示數據幀凈荷部分的開始。

邊緣節(jié)點處收集的數據分組，透明地填入幀的數據部分，即是分組凈荷。

為了接收端節(jié)點能夠透明地處理這些凈荷，應該設置一個記錄IP分組數目的位。我們知道IP數據分組大小為64-1518字節(jié)，分組的個數最大可以有幾萬，因此至少要用14位二進制序列表示，本文設定其為2字節(jié)。每個IP數據分組長度要用9-15位二進制序列表示，本文設定其為2字節(jié)。

為區(qū)分原每一個IP分組，還要將各分組的長度信息分別表示。

接下來要把每個分組凈荷無間隙地填入幀里。

為顯示突發(fā)交換的優(yōu)勢，同時考慮網絡的寬帶利用率等，還要規(guī)定突發(fā)幀的最小幀長。如果在一定組合突發(fā)幀的時間內得到的包較小，需要填充一定的比特位，大小為最小幀長與突發(fā)幀長度的差。

另外還要考慮長連“0”和長連“1”的情況，因為這可能影響接收，需要采用自同步擾碼技術（需說明：保護帶、前導碼不需要擾碼）。

校驗和采用32位的CRC碼。

綜上所述，OBS中JET協(xié)議下的數據分組幀格式用下圖所示。

3.2控制幀結構

OBS網絡與基于IP路由的分組交換除了在控制頭與數據的分離上存在區(qū)別外，其余原理基本相同。所以，控制幀設計仍借鑒IP分組交換中的分組頭元設計，但需要將資源預留的方式突顯出來，也就是說需要設定詳細的資源預留時間段信息。

設計控制幀需注意以下兩點：

1、需要精確確定各節(jié)點的資源預留時間段。由于在全網進行時間統(tǒng)一是一件非常困難的事情，在JET協(xié)議中引入偏置時間量來確定控制幀和突發(fā)數據之間的時序關系，由于交換機端口競爭的存在，以及信令處理能力的差異引入的心領延時不確定性在節(jié)點的累積效應，會造成信令和數據的時序紊亂。為了保證控制幀和數據幀之間的精確時差，當控制幀達到交換節(jié)點時，應立即貼上交換節(jié)點的本地時間標記，直至完成資源預約。處理完控制幀的資源預約請求后，通過與本地時間比對得到處理延時時間Δt，寫入控制幀偏置時間位，并轉發(fā)至下一節(jié)點。

2、需要設置好路由信息和QoS的偏置時間。JET協(xié)議的路由在發(fā)起控制幀的邊緣節(jié)點處就要確定一條完整的源地址到目的地址的通路，本文不再詳細討論。

根據前文數據幀結構的設計步驟和方法，我們來看控制幀。

保護帶、同步帶的設置和數據幀相同，不再贅述。

協(xié)議類型、協(xié)議版本、數據類型如考慮網絡的可擴展性和兼容性，本文均設定1字節(jié)來表示。

源地址和目的地址分別是發(fā)送端邊緣節(jié)點和接收端邊緣節(jié)點。

幀長度記錄了數據幀的長度，由于最大的數據幀設定為1000kbit，所以幀長用3字節(jié)表示，以作預定資源的時間之用。

偏置時間是控制幀和數據幀發(fā)送的偏差時間。

服務質量用3bit足夠，可將服務質量分為8類，但要設定1字節(jié)來表示。

信道標識是用來記錄該控制幀所占用的波長信息。

用來選擇通過的路由記錄在路由信息位。

校驗和負責對從前導碼到路由的檢錯，仍采用32位CRC碼。

綜上所述，控制幀結構如下圖所示。

結語：本文提出了OBS網絡JET協(xié)議下的控制幀和數據幀結構，并對其結構中每一部分的內容、大小和意義進行了闡述，希望為其他研究者提供一定的幫助。

參 考 文 獻

[1]Ilia Baldine，MCNC，George N.Touskas，Harry G.Perros，Dan Steverson，“JumpStart：A Just-In-Time Signaling Architecture for WDM Burst-Switched Networks”，IEEE Communications Magazine·February 2002.

[2]Myungisk Yoo&Chunming; Qiao，“A High Speed Protocol for Burst Traffic in Optical Network” TUB2.