光突发交换宽带多业务接入技术探索

   光突发交换(OBS)是为了克服线路和分组交换的缺点并将两者优点结合起来而提出的一种面向高突发、高速率数据业务的波分复用(WDM)光网络实现方案[1，2]。OBS采用单向资源预留方案，其控制分组(即BHP)和数据分组(即BDP)在时间和传输波长上是分离的。BHP先于数据分组在特定的WDM信道中传送。核心交换节点/路由器根据BHP中的信息和网络当前的状况为相应的数据分组建立全光通路。数据分组经过一段延迟后，在不需要确认的情况下直接在预先设置的全光通道中透明传输。与线路交换和分组交换相比，OBS有下列主要特点：

• 控制分组和数据分组在时间和传输波长上分离；
• 资源单向预留；
• 数据分组在中间节点是全光直通的，不需要存储转发；
• 中等粒度，非时隙交换。
  

    由于不需要确认的单向预留方案减小了建立通道的延迟等待时间；中等粒度的数据包降低了控制分组的开销，因而能有效提高网络带宽资源的利用率。而数据分组和控制分组的分离、适合的颗粒及非时隙交换方式可降低对光子器件的要求和中间交换节点的复杂度，如中间节点可以不使用缓存，不存在网络内的时隙同步问题，能充分发挥现有的光子技术和电子技术的特长。

    光突发交换是作为一种骨干网方案而提出的。目前的研究也大多集中于此。但由于OBS对器件要求较低、技术相对成熟，可以做到较低成本。同时由于它能有效支持高突发、高速率的业务，而且对业务的种类和格式透明，可以构建多业务平台，因此可以满足城域网甚至是光接入网的特殊要求，如支持高突发业务，具有灵活的网络结构，易于操作维护和管理(OAM)以及具有低价格特性等[3]，是一种很有潜力的城域网和接入网WDM光网络实现技术。

1 OBS接入网的结构
    图1为OBS接入网结构示意图。它由边缘节点和核心节点组成。位于小区、大楼甚至用户的住家内的OBS边缘节点将不同的用户驻地网络和/或用户终端接入到OBS接入网。边缘节点通过与核心网络的路由器相连提供到核心网络(即Internet)的接口。此外，OBS边缘节点还可以提供与其他OBS网络的接口。OBS边缘节点通过OBS核心节点互连，实现不同的用户驻地网络、用户、OBS接入网间的互通以及与核心网络的连接。

    图2为具有多业务接入功能的OBS边缘节点的结构示意图。它带有一个OBS网络接口卡(NIC)和多个其他业务网络接口设备，如10 Mb/s、100 Mb/s、1 000 Mb/s以太网NIC，WLAN NIC，Modem等。接入和分发处理单元采用三层转发或多协议标签交换(MPLS)转发机制，将各业务网络接口设备接入的各种上行业务转发给OBS NIC，并将OBS NIC的下行业务分发到相应的业务网络接口。控制管理CPU实现路由和网络管理。图2中包括OBS NIC的硬件结构。OBS NIC的硬件结构中总线接口提供到接入和分发处理单元的接口；OBS媒体访问控制(MAC)实现突发数据包的组装/拆卸、调度(媒质接入)和成帧/解帧功能。软件结构在下一节论述。串/并转换器实现串并转换；光突发收发阵列完成光/电/光(O/E/O)转换和数据的突发发送与接受功能。具有与核心网络或其他OBS网络相连功能的边缘节点还需配置相应的接口卡。

    边缘节点的实现可以根据具体的应用采用不同的方案。对于接入业务量较小的住宅用户，接入和分发处理以及控制管理可以用一台通用的PC机来完成，用户只需再加一块OBS NIC及相应的驱动软件即可通过OBS接入网实现多业务高速网络接入；中等业务量的OBS边缘节点则可通过在低速路由器上扩展OBS NIC和相应软件来实现；有大量业务的边缘节点则需通过高速路由器配以OBS NIC和相应软件来实现。

    图3给出了OBS核心节点结构，分为核心控制和光交换两部分。核心控制模块处理控制分组，并据此向光交换矩阵发送控制信号。光交换部分根据核心控制部分的指令设置光交换矩阵，为突发数据提供全光通路。在接入网中，光交换矩阵的规模相对来说不需要太大。此外，由于接入网的跳数较小，对光开关插入损耗要求也不是很高。光交换矩阵的关键是要提高光开关的速度，要求在微秒量级。
图3给出了核心控制模块结构。它由OBS线卡、转发引擎和控制管理CPU组成。一个OBS线卡对应一个输入/输出端口，完成主要的OBS相关的处理：控制数据包的收发、控制帧的成帧与解帧、控制信道与数据信道的调度以及光交换矩阵的控制等。转发引擎实现3层或MPLS转发。控制管理CPU执行路由、标签分发协议和链路管理等。

2 基于MPLS的OBS接入网软件架构
    图4为基于MPLS的边缘节点软件架构，包含OBS和其他业务MAC层软件(驱动)，运行于转发引擎内的IP转发、MPLS转发，运行于控制管理CPU的路由、标签发布协议(LDP)、网络管理软件包以及传输层协议等。被MPLS转发或IP转发到OBS MAC的其他业务的数据经过以下处理过程：

    (1)组装
    将不同的业务按目的地址和QoS要求分类，并按照一定的装配算法(如最大时延，最大包长等)组装成突发数据包。
    (2)调度
    为组装完成的数据包分配控制信道和数据信道；产生突发控制包。
    (3)发送控制
    依据调度结果控制突发控制包和数据包的发送。
    (4)成帧
    将发送的突发控制包和突发数据包装入一定帧格式内。突发数据包的接收过程与发送过程基本相反，但没有调度过程。

    图5为基于MPLS的核心节点控制部分的软件架构。其上层结构与边缘节点基本相同。进入核心控制部分的控制包经光/电和串/并转换进入OBS MAC层。OBS MAC层对控制包进行解帧和解析，然后通过转发引擎发到相应端口。OBS MAC层为通过转发引擎进入的控制包和相应的数据包分配信道，更新并发送控制包，并通过交换控制单元设置交换矩阵。

3 边缘节点的业务分类与调度

3.1 OBS中的业务等级
    边缘节点的业务分类和调度是实现OBS接入网的多业务支持和获得高的带宽利用率的关键。在OBS边缘路由器中最大包长和最大等待时间与网络性能以及业务在边缘节点的延时直接相关。分析表明，突发包的长度越大，处理开销越小，在核心路由器的竞争相对较小，网络的带宽利用率也越高，但数据在边缘理由器的延时等待时间越大。如果为了保证低延时而减小最大等待时间，突发包的平均长度会降低，从而增加在核心路由器的竞争，并降低了网络的利用率。可见，在OBS网络中网络利用率和业务对延时的要求是一对矛盾。为了让OBS网络在很好地支持实时性业务的同时，获得较高的带宽利用率。在分类时，让语音等实时业务有最低的延时等待时间充分保证它的实时性；让视频业务中的语音信号和视频信号打包成相同的突发并有较低的延时等待时间来保证较好的实时性和同步；对其他应用则容许较大的等待时间来保证包长的要求以提高带宽的利用率。综合上述考虑，本文建议将OBS网络支持的业务分为4种级别。边缘路由器以及核心路由器通过采用基于等级的调度和路由来满足不同业务的服务要求。各个级别以及参考的最大延时时间如下：
    (1)级别3
    主要用于网络管理协议。要求较高的可靠性，最高的优先级，在核心路由器发生竞争的时候优先发送这种数据使它有最低包丢失率，最大延时等待时间为1 s。
    (2)级别2
    用于FTP、HTTP等业务，对延时没有很高的要求，最大延时等待时间为100 ms。
    (3)级别1
    主要用于视频业务，让语音数据和视频数据打包在相同的突发里，并设置最大延时等待时间为10 ms。
    (4)级别0
    用于实时性要求最高的业务，如语音业务，充分保证实时性，设置最小的延迟等待时间为1 ms，因此突发包长不会太长，即使出现丢包也不会有较长的连续语音数据丢失，保证了语音的流畅和实时传输。

3.2 业务到OBS等级的映射
    在OBS边缘节点如何实现不同业务要求到OBS等级的映射是分类中的另一个重要问题。IPv4仍然是目前应用最广泛的网络层协议，下面针对IPv4协议来研究。基于IPv4设计之初没有考虑到对实时性业务的支持，端到端的时延不能保证，没有同步功能，难以满足标准多媒体通信业务的要求。虽然IPv4的包头里有服务类型(TOS)字段但不能保证实时业务的低延时和同步。因此，本文使用端口号和TOS结合来为不同的业务归类。

    TCP/IP协议通过为每个应用赋予称作端口的代码来标示不同的应用。所有的端口可以被分为3类[4]：
    (1)系统端口，端口号为0～1 023。
    (2)用户端口，端口号为1 024～49 151。
    (3)动态和私有端口，端口号为49 152～65 535。

    如此多的端口，本文只把系统端口里最常用的作为分类依据。如20～21(FTP)、23(Telnet)、25(SMTP)、80(HTTP)等常用端口。

    IP数据报里的TOS用来支持优先级和服务类型处理。图6是一个8位的TOS在IP数据报里的位置[5]，它包含一个3位的优先级标志(见图7)。文献[4]中只规定了时延(D)、吞吐量(T)和可靠性(R)3种类型的服务，在文献[5]中则又增加了费用(C)位，并且这些位不再是独立的优先级标志。

    图8是根据端口号以及IP头里的TOS信息实现业务分类的示意图。对于实时业务和一些重要网络管理信息，本文根据它们的端口号分类，对其他业务则根据IP包头里的TOS信息归类。对于实时业务，如语音和视频业务大都通过实时传送协议(RTP)在数据报协议(UDP)上进行传输。

    由于RTP没有固定的端口号，不同的应用程序采用不同的端口号，因此对于语音业务和视频业务要由具体的应用程序确定端口号。另外，对于不同的分类标准造成的重复归类的问题，则优先考虑上层的分类标准，即下层的分类不改变上层的分类。对于服务类型，规定D位有最高的权，就是如果D位是1，就把服务等级(CoS)设为1，R位次之，在D=0，R=1时就把CoS设为3，其余情况把CoS设为2。

4 总结
    光突发交换是一种能有效支持高突发、高速率数据业务的WDM光网络实现方案。由于其器件要求较低、技术相对成熟，可以做到较低成本。因此，在城域网和接入网中有一定的应用潜力。

5 参考文献
[1] Qiao C, Yoo M. Optical Burst Switching (OBS) — a New Paradigm for an Optical Internet [J]. High Speed Networks (JHSN), 1999,8(1):69—84.
[2] Xiong Yijun, Marc Vandenhoute, Hakki C Cankaya. Control Architecture in Optical Burst Switched WDM Networks [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2000,18(10):1838—1851.
[3] 韦乐平. 光接入网[J]. 电信科学, 1997,13(3): 44—49.
[4] Chen Y, Hamdi M, Tsang D H K. Proportional QoS over OBS networks [J]. IEEE Globecom, 2001,3:1510—1514.
[5] IETF RFC791. Internet Protocol [S].

收稿日期：2004-08-12

[摘要] 文章探索了一种以低廉价格实现多业务高速接入的光突发交换(OBS)接入网方案，方案采用OBS技术实现多业务传送平台。文章介绍了该方案的网络架构、边缘节点和核心节点的结构，以及基于多协议标签交换(MPLS)的控制平面和数据平面的软件架构；重点研究了一种在边缘节点处权衡带宽利用率和实时业务延时要求的业务分类和调度机制，利用该机制可以实现满足不同业务要求的多业务高速接入，并可根据实时性业务低延时的要求来合理地分类和设置最大等待时间。

[关键词] 光突发交换；多业务传送平台；高速接入

[Abstract] This paper goes into a low-cost, high-speed multiservice access platform based on optical burst switching technology. The network topology and the edge node and core node architectures are presented. The software architecture for control plane and data plane based on Multiple Protocol Labeled Switching is discussed. Service classification and scheduling that takes both the bandwidth efficiency and the real-time service delay into consideration are studied in detail. Such platform enables high-speed multiservice access for different service requirements, and rightly decides the waiting time to ensure short time delay for real-time services.

[Keywords] optical burst switching; multiservice transport platform; high-speed access