光互联网体系结构及其关键技术

基金项目：国家杰出青年基金项目(60725102)；国家高技术研究发展计划资助项目(“863”计划)(2005AA122310、2007AA01Z246)；国家自然科学基金资助项目(90304004)

    互联网(Internet)业务的急剧增长驱动了高速传输技术和高速交换/路由技术的需求。密集波分复用(DWDM)技术、吉比特(Gigabit)以太网与太比特(Terabit)级交换机/路由器的出现使得建立高效、大容量、高带宽的光纤网络成为可能。为了使得网络结构更具扩展性、灵活性和动态性，面向互联网业务的下一代光网络已由IP over SONET/SDH向IP over WDM网络发展。

    目前以波分复用(WDM)为核心的光网络在骨干网中占据着主导地位，其中基于光电路交换(OCS)网络已广泛部署应用，但是它带宽利用率低、灵活性差，不能很好适应数据业务的高速增长需要的缺陷愈来愈明显。虽然光分组交换(OPS)是光交换的理想形式，但由于目前缺乏相关的支撑技术，暂时不能实用化。当前光突发交换(OBS)是这两种交换技术在实现难度和性能的折衷，它的交换粒度界于大粒度的波长和细粒度的分组之间，而技术实现较OPS简单，另外组网能力又比OCS灵活高效。更重要的是，OBS同OPS一样，能够很好地支持突发性的分组业务。因此，OBS被认为很有可能在未来光互联网中扮演关键角色，可作为光网络演进过程中最具有可实现性的一种交换技术。

    此外，从光互联网所承载业务发展趋势看，为适应日益增长的带宽密集型新应用，如分布式存储、E-Science、多业务融合等驱动了高性能虚拟专用网络的应用和发展，在光互联网络上实现虚拟专用网络，已成为国际标准化组织(如ITU-T、IETF)、工业界和学术界广泛关注的研究热点。欧洲的GEANT2、NOBEL2项目，加拿大的CANet4光网络项目中，均将其列为重要的研究内容。本文研究的VPN网络资源优化管理和调度、实现用户可控VPN和基于VPN的组播，是基于光传送网络的新型VPN技术亟需解决的3个关键问题。

1 基于OBS的IP区分服务的光互联网

1.1 光突发交换网络结构
    为了增强分组类WDM网络的交换能力，简化光信号处理，在OBS网络中，传输和交换的基本数据单元为一个超级分组数据块，即“光突发”，因此OBS的网络结构将不同于OCS和OPS，其中两个显著的特征就是：突发数据(DB)和突发控制分组(BHP)在传输和交换上保持松耦合关系，分别使用不同波长信道，通过BHP显式地为DB提前预留资源；OBS网络边缘节点除完成核心节点交换和路由功能外，还需完成光突发的汇聚和解汇聚等。

    OBS网络结构如图1所示，它包括核心交换层、聚集层和接入层。接入层对应于不同的用户网络，可以是目前存在的各种网络，如IP网、FR网、ATM网、SDH网等，也可以是终端用户；聚集层主要任务是将接入层的数据汇聚到光层，该层由边缘节点，即光边缘路由器构成；核心交换层主要任务是突发数据的全光域透明传送、路由，该层由核心节点，即光核心路由器构成。

    在OBS网络的边缘处，由光边缘路由器将抵达的IP分组装配成突发。然后在OBS各中间节点上，常采用基于时间恰量(JET)协议的单向无确认的资源预留方式，为光突发预留传输和交换所需要的资源。而且，资源预留常常以带外信令方式进行，即数据信道与控制信道在物理上分离：控制信道专门传送预留请求(即突发控制分组)；数据信道专门传送突发数据，而且BHP的传送比相应的突发数据提前一定时间(即偏移时间)。

1.2 光互联网体系结构
    作为一项具有应用前景和技术优势的低层的传输及交换技术，OBS能承载许多类型的上层应用，而这些应用通常有一定的服务质量(QoS)要求，如时延、分组损失率等。OBS如何像上层一样提供QoS保障，现在更受重视。这不仅是OBS网络对上层网络QoS能力增强和延续，以使OBS不会仅作为传输通道而存在的需要；同时这也是未来光互联网的重要特征。

    虽然Qiao等人提出了一些基于偏移时间的OBS网络QoS保障机制，但是它们却是牺牲低优先权业务性能，来实现高优先权业务的低突发阻塞。此外，对于基于偏移时间的QoS机制还有一些重要问题尚不清楚：第一，迄今尚无基于偏移时间的OBS QoS机制如何支持因特网工程任务组(IETF)的区分服务(DiffServ)或者是集成业务(IntServ)标准。第二，对基于偏移时间的QoS机制，端到端(至少是边缘到边缘)IP包QoS性能还没有被分析过或者评估过，而突发的QoS性能不同于IP包的QoS性能。事实上，数据突发的端到端延迟不代表IP包的端到端延迟，因为实时应用的数据包可能会在突发汇聚阶段被分开。第三，目前所有的研究都假定控制包(预留请求)没有竞争发生。而事实上，当来自不同边缘路由器的多个控制包同时到达核心路由器时，尤其在基于固定定时器突发汇聚算法和常量偏移时间建立的情况下，该假定是不正确的。

    针对上述问题，隆克平等在国家自然科学基金“网络与信息安全”重大研究计划面上项目“IP DiffServ over OBS网络的体系结构及关键算法研究”的资助下，提出一种新的IP DiffServ over OBS光互联网体系结构[1-2]，称为DS-OBS，如图2所示。该结构的思想在于：在边缘路由节点执行业务区分的突发汇聚，在核心节点对不同类的控制包进行不同的每一跳行为(PHB)处理，从而实现业务区分。

2 光互联网关键技术
    在国家杰出青年科学基金项目“新一代光互联网体系结构及关键技术”、国家自然科学基金“网络与信息安全”重大研究计划面上项目“IP DiffServ over OBS网络的体系结构及关键算法研究”、国家高技术研究发展计划资助项目(“863”计划)“动态灵活光网络的体系结构与关键技术研究”等资助下，隆克平等在IP DiffServ over OBS的网络体系构架下，从控制面技术、光交换节点结构、波长资源预留与调度机制、竞争解决、故障监测等多个方面深入研究了光互联网核心关键技术，取得大量的创新性研究成果。

2.1 OBS网络环境下增强型GMPLS控制面技术
       鉴于OBS被认为是IP over WDM网络最有前景的高速光交换技术之一，而通用多协议标签交换技术(GMPLS)也被作为支持IP和WDM融合的最有效的控制面技术之一，因此如何将GMPLS引入到OBS网络中，让两者高效地结合及协调，为OBS网络控制和管理提供好的技术手段，现在变得非常重要。

    鉴于此，隆克平等针对OBS网络环境特点，提出了增强型GMPLS，其结构[3-5]。该结构由OBS控制，GMPLS控制，操作、管理、维护和配置(OAM&P)等模块组成，OBS控制是通过各节点对BHP的操作和处理来实现的，其中主要有JET协议、边缘汇聚算法和数据信道调度算法等；GMPLS控制是所有节点的GMPLS控制模块在GMPLS控制信道(GCC)上运行GMPLS协议、相互交流合作的结果，它主要包含路由、信令、链路管理以及保护和恢复等功能；OAM&P模块是指网络的操作、管理、维护和资源提供模块，提供一个网络的OAM&P平台以实现多样化的网络操作和管理(智能的或人工的)，如光设备和器件的配置和维护等。为了更好的支持OBS，GMPLS的路由、信令、链路管理协议需要进行一些增强和扩展。

    (1)路由协议扩展
    GMPLS路由协议的主要功能是为待传送业务流提供路由信息，流量工程也是一个重要的功能。GMPLS-based OBS网络在计算显式路由(ER)时，路由上的链路和节点必须能同时满足属于同一业务流的BHP流和DB流的带宽需求。DB的带宽需求就是该业务流的带宽需求，而BHP流的带宽需求则可根据DB和BHP的数量关系计算得来。另外，在计算好的路由中，BHP的传送路径是事先指定的(标签交换路径)；而DB的具体波长路径则不事先指定，DB的具体路径由路由上的各节点根据BHP携带的信息运行某些调度算法来决定；如果采用的是显式路由，还可以将DB在每个节点的调度限制在某一个满足带宽要求的数据信道组(DCG)捆绑组里面。因此，GMPLS路由协议需要做一些支持OBS的扩展以支持这些新的功能，这可以通过在GMPLS路由协议里面增加一些类型/长度/值(TLV)来实现，需要新增的TLV有：BHP业务流参数TLV、DB业务流参数TLV和链路捆绑组标识(ID)TLV。

    (2)信令协议扩展
    在GMPLS-Based OBS网络中，用标签替代源地址和目的地址可以减少BHP的处理时间，加快BHP的转发，从而减少偏置时间，提高网络的吞吐量；另外，BHP的标签转发还可以为业务提供更好的QoS支持。在基于GMPLS控制面的OBS网络中，GMPLS信令协议必须负责为BHP建立、修改和拆除端到端的标签交换路径，包括BHP标签的分发和指定。在GMPLS-based OBS网络中，由于OBS业务包的独特传输形式，信令协议只需为BHP流建立标签交换路径，而无需为DB建立具体的传输路径，BHP标记交换通道(LSP)的建立过程和方式与一般的GMPLS LSP是一致的。如果采用的是显式路由(约束路由)，信令消息还必须把业务的需求参数告知路由上的各节点，这需要新增两个TLV以实现对BHP和DB业务需求参数的支持；如果有将DB的调度限制在某一个捆绑组里面的需要，信令协议也必须把这些约束信息告知路由上的各节点，这可以通过在标签请求消息的显式路由对象的显式路由跳数(ER-Hop)TLV里面增加一个绑定链路组ID TLV来实现。另外，信令部分要能支持建议标签、双向标签交换路径和含有非编号链路路径的建立。

    (3)链路管理协议扩展
    在基于GMPLS控制面的OBS网络中，GMPLS链路管理协议的主要功能是动态地管理和监控相邻节点之间的所有链路资源，其中包括控制信令链路管理、链路绑定管理、BHP LSP与DB传输链路映射管理等。在网络初始化的时候，链路管理协议需要完成GCC、控制信道组(CCG)和DCG的初始配置，提供参数协商、控制信令链路激活等功能，并交换相邻节点链路资源信息，用来在OBS网络运行过程中对链路捆绑组进行添加、删除、合并、修改等动态管理，以及管理BHP LSP与DB的映射关系等。另外两个重要功能就是对于链路连通性的监测和链路保护/恢复。由于OBS网络中DB和BHP的分离，而DB又是透明传输，因此对DB连通性的监测非常重要。在整个网络中的保护和恢复功能中，链路管理协议也可以实现对BHP LSP以及捆绑链路组的保护和恢复。此外，在链路管理部分中还可以增加信道的指配和管理模块，以便在网络运行的过程中实现对GCC、CCG和DCG 3种信道的分配、协调和动态管理。

2.2 多粒度光交换技术及光网络节点结构模型
    光交换/路由是光网络中关键的光节点技术，主要完成光节点处输入/输出光纤端口之间的光信号交换及路由。

    光交换/路由的带宽粒度可以是光纤级、波带级、波长级、光突发级、光分组级甚至光比特级，其中多粒度光交换可明显地增强光网络的灵活性和带宽利用率，并适合数据、语音等多种业务的高效传输。目前人们已提出了一些实现结构，如单层多粒度光交叉连接结构、多层多粒度交叉连接结构以及级联式的多粒度光交换结构。然而如何更进一步降低光网络节点设备成本以及减少多粒度光交换结构对光信号传输质量的损伤，是目前多粒度光交换技术的主要关注点。隆克平等分别提出了3种新型的多粒度光交换节点结构。

    为了最大限度地利用光网络中的波长转换器资源，隆克平等提出了一种波长/波带共享转换结构。该共享结构不仅实现了波长转换器、波带转换器的共享，而且实现了波长转换器与波带转换器之间的共享，即当专用波带转换器用完后可使用波长转换器进行波带转换。同时可通过节点间的信令，来实现多个节点之间共享波长/波带转换器。通过有效共享波长/波带转换器，降低了转换器的数量，降低了成本。

    在传统光交叉连接结构中，不需要交换的波带/波长信号要占用波带交叉矩阵、波长交叉矩阵的端口，造成了交叉矩阵端口的浪费。针对这种缺点，隆克平等提出了多粒度光交叉连接结构，通过增加波带/波长光分插复用器，只把需要交换的波带/波长信号连接到波带/波长交叉矩阵，从而降低了交叉矩阵的端口数量，降低了光节点设备的成本。

    另外，隆克平等在传统的多层多粒度光交叉连接结构的基础上，提出了一种新型的多层多粒度光交叉连接(MG-OXC)结构。该结构增加了光纤交叉连接(FXC)与波长交叉连接(WXC)之间的连接模块，并疏导需要进行光纤、波带、波长交换的光信号进入相应的交叉连接中进行交换，从而降低了信号失真与损耗，提高了交换灵活性。

    在上述多粒度光交换技术基础上，隆克平等还提出了一种新的混合光交换方式，即自适应混合光交换，如图3所示。该方式能根据源、目的边缘节点对之间的业务流量的动态变化，自适应地确定所需的光路数目，并尽量使光路的利用率接近1，来提高链路利用率；还能自适应调整业务的光交换方式，来高效地支持突发性强的IP业务。同时自适应混合光交换采用数据信道调度算法统一为光路和数据突发预留信道资源，降低了混合光交换的复杂度。

2.3 波长资源预留与调度机制
    在OBS网络中，资源预留协议与信道调度是一个核心问题。从理论上讲，在OBS网络中，资源预留可以是单向也可以是双向的。但是，OBS一般常采取单向资源预留方式。通常资源预留协议处理在突发的端到端传输路径上如何请求与预留传输资源，信道调度算法则是处理在传输路径的某一段(Hop)上如何分配信道资源给特定的资源请求。也就是说，资源预留协议处理的是全局问题，而信道调度算法处理的是某一特定的局部问题。

    目前已提出了许多资源预留协议，其中可分为三大类：一是正好到点(JIT)；二是基于有限时长预留(RLD)的水平时间轴；三是基于固定时长预留(RFD)的JET。它们间的主要区别在于：用什么方法告之光突发的起止位置、开始预留资源时间，以及预留何时结束并释放资源。

    用户对资源的请求有两种常见的方式：一种是立即预留，它允许用户在提出资源占用时立即获得该资源；另一种是提前预留，它允许用户在请求资源前预留将要占用的资源。前面提出的这些资源预留方式均是针对立即预留模式，而随着光子网格(LambdaGrid)的广泛应用，为了保障分布式计算任务的资源需求以及网格应用的QoS，支持提前预留则显得非常必要。目前CHEETAH、DRAGON和CAnet4等实验网络均支持提前预留，但是它们仅考虑了基于SONET或者Ethernet帧时隙机制的底层物理网络，而没有考虑基于OCS或OBS或OPS的低层WDM光网络波长链路资源。针对这些问题，隆克平等提出了一种用户请求弹性提前预留和调度机制[6]，该机制在波长资源的协同利用和用户应用的服务质量保障上具有突出的优势。

2.4 竞争解决机制
    在OBS网络中，突发竞争是影响网络性能的一个重要因素。为此，人们从时域、波长域和空域上提出了许多解决方案，但是在目前光缓存器还没取得较大技术进展的情况下，仅偏射路由对光缓存器的性能和数量要求较低，因而备受关注。针对这种情况，隆克平等提出了一种可调参数偏射路由算法[7]，它能同时高效地解决偏射条件、偏射策略和偏射路径优化等3个重要问题。
与其他方法相比较，它具有一定的优势：既注重对网络总体性能的改善，也注重对各优先级突发的QoS保障。另外，与基于最短路径寻径策略相比，它对端到端时延也有明显的改善。此外，隆克平等还提出了一种自竞争避免方案[8]，它通过在边缘节点控制突发控制包和突发包的发送时间，避免了同一数据流中的突发之间产生竞争，即避免了自竞争。该方案只需边缘节点的支持，对核心节点无太多要求，简化了实现，降低了系统开销。

2.5 光突发交换网络故障监测技术
    随着WDM技术的进步，每波长信道的传送速率越来越高，单根光纤复用的信道数越来越多，网络容量也越来越大，这些使得网络故障的影响也越来越严重。因此，网络故障管理技术(包括快速的故障检测、定位，有效的保护恢复策略和快速有效的故障修复与排除)的高效性将对光互联网的发展至关重要。

    隆克平等根据OBS网络体系结构和信令机制的特点，鉴于“逐跳校验”模型对故障监测和隔离的高效特性，引入了探测突发的概念[9]，即网元节点以某种特定方式向数据信道发送探测突发，并在每个下一跳节点监测探测突发的误码情况，分析其误码特点，依此来评估每两个节点间的数据信道状态，判断被监测网络是否有故障发生。该机制不需要对业务数据进行光/电/光(OEO)变换，从而不破坏数据信道的全光透明特性。

    以探测突发为基础，针对数据信道的全光透明特性和统计复用特性，隆克平等在协议层提出了基于探测突发的数据信道性能与故障监测机制，它充分保留了单跳校验模型的优点，而又不需要数据业务进行光电转换；在WDM层提出了基于告警冗余过滤的故障监测办法，它能有效过滤传统监测机制在光突发交换环境下必然产生的过多误告警信息。通过上述方法，可以将光层的故障迅速反映到电层，在线监测网络的性能指标。以探测突发为基础的监测机制，可以为生存性所需要的快速保护倒换或恢复提供快速准确的告警信息；为管理维护目的故障定位，提供准确详尽的软硬故障信息。

3 新型光虚拟专用网络技术
    在国家高技术研究发展计划资助项目(“863”计划)“基于智能光网络的新型虚拟专用网络理论与技术”的资助下，隆克平等还将研究新型光虚拟专用网络技术。这里所探讨的光虚拟专用网络特指基于SONET/SDH同步时分复用、虚级联，WDM光路虚拓扑等的大容量高带宽电路连接方式的虚拟专用网络，这是开展未来分布式计算网格(Grid)、E-Science、视讯流媒体等宽带新业务应用的理想技术手段。

    当前在光互联网络领域已被广泛研究并积累了大量成果的WDM光网络波长路由机制和算法、多粒度交换和流量疏导机制和算法、光路虚拓扑设计机制和算法、光互联网络的连接保护恢复生存性设计等为光虚拟专用网络研究提供了丰富的理论基础；大量的优秀的已被商用或将被商用的工业标准技术，例如SDH链路虚级联和链路容量自适应调整技术，ITU-T、IETF、OIF等国际标准化组织所制订的GMPLS路由、连接配置信令、链路资源管理等工业标准，也为光虚拟专用网络提供了丰富的可实施的技术支撑。因此，光虚拟专用网络将成为新一代光互联网络的重要主导业务。

    虽然学术界和工业界已积累了丰富的实施新型光虚拟专用网络可资利用的理论和技术基础，光虚拟专用网络作为一种光互联网络新业务，有其本身特定的技术需求，需要研究和开发适应光虚拟专用网络特点的理论基础和技术方法。

    隆克平等当前的工作主要围绕VPN网络资源优化管理和调度、实现用户可控VPN和基于VPN的组播3个方面开展，并取得了一些初步的理论研究成果[10-14]。主要体现在用户可控虚拟专用网络的功能和技术需求分析、面向多组播光VPN环应用的光分组冲突侦听和避免方法、多目的冲突避免的GMPLS组播标记交换路径建立方法、VPN光树的水平保护方法、VPN客户边节点的双归保护方法等。近期目标是研究用户可控VPN的实现方法并开发用户可控VPN原型试验平台。

4 结束语
    随着近年来WDM技术的不断进步，网络在传输容量上较过去有了较大的提高，使得困扰光网络发展的核心问题不再是传输容量的提高，而是转化为在当前持续快速增长的IP业务环境下，如何改善和提高光网络模型、光网络控制面体系结构和协议的适应性和有效性。由于当前光网络模型、体系结构和协议存在着许多不足，其中主要表现在以下两个方面：一是目前光网络组网灵活性、网络可管理性、业务应用模式均不理想；二是在资源分配、服务发现、QoS保障等方面还缺乏与上层IP网络的协同支持。自然地，建立在这种模型、体系结构和协议基础之上的光网络将肯定不能高效灵活地承载IP业务，从而严重制约光网络的快速发展，因此网络控制面体系结构、流量工程和业务管理与控制体系等将是下一步要开展研究的重点。

5 参考文献
[1] LONG Keping, TUCKER R S, WANG Chonggang. A new framework and burst assembly for IP diffServ over optical burst switching networks [C]//Proceedings of IEEE Global    Telecommunications Conferenc(GLOBECOM’03): Vol 6, Dec 1-5, 2004, San Francisco, CA, USA .New York, NY,USA: IEEE, 2003: 3159-3164.
[2] 隆克平.《国家自然科学基金“网络与信息安
全”重大研究计划面上项目“IP DiffServ over OBS 网络的体系结构及关键算法研究”(课题编号90304004)结题报告》[R]. 2006.
[3] LONG Keping, ZHANG Yi, YANG Xin. Generalized MPLS (GMPLS) architecture's extensions for Optical Burst Switch network [R]. draft-long-gmpls-obs-00.txt. 2005.
[4] 隆克平.《国家“863”计划面向十一五快速启动引导课题“动态灵活光网络的体系结构与关键技术研究”(课题编号2005AA122310)技术报告》[R].2006.
[5] 隆克平. 《国家杰出青年科学基金项目“新一代光互联网体系结构及关键技术”(课题编号60725104)技术报告》[R].2008.
[6] 郑环, 阳小龙, 隆克平. 一种网格计算环境下WDM网路由和波长分配算法 [J]. 重庆邮电大学学报, 2007,19(1): 90-94.
[7] 阳小龙, 隆克平, 黄胜. 可调参数偏射路由：一种光突发竞争解决算法 [J]. 光电子激光, 2005,16(12): 1454-1458.
[8] 徐昌彪, 隆克平, 黄胜. 光突发交换网络中的竞争解析 [J]. 通信学报, 2004,25(12):76-81.
[9] 王汝言, 常交法, 隆克平. 一种光突发交换网络的故障监测与定位机制 [J]. 光电子·激光, 2006,17 (12):1477-1481.
[10] 彭云峰, 隆克平. 《国家“863”计划专题课题“基于智能光网络的新型虚拟专用网络理论与技术”(课题编号2007AA01Z246)技术报告——用户可控虚拟专用网络的功能特征和技术需求》[R].2008.
[11] PENG Yunfeng, DU Shu, LONG Keping. Group-multicast capable optical virtual private ring with contention avoidance [C]. Submitted to APOC Conference, 2008.
[12] DU Shu, PENG Yunfeng, LLONG Keping. A distributed multicast label switched path setup scheme to solve the multi-destination reservation collision [C]. Submitted to APOC Conference, 2008.
[13] PENG Yunfeng, LONG Keping. Horizontal protection for multicast optical virtual private networks [C]. Submitted to APOC Conference, 2008.
[14] DU Shu, PENG Yunfeng, LONG Keping. CE Dual-homing Protection with Two Active Access Links for Layer 1 VPN [C]. Submitted to APOC Conference, 2008.

收稿日期：2008-05-23

[关键词] 光突发交换；通用多协议标签交换；光互联网；光虚拟专用网络；资源预留；故障监测

[Abstract] The optical Internet features typically on high-speed, broadband, flexible, controllable, and efficient usage of resources. Being a promising supporting core for next generation optical Internet, Optical Burst Switching (OBS) combines advantages from both the Optical Circuit Switching (OCS) and the Optical Packet Switching (OPS), and discards their disadvantages. In this article, comprehensive analysis is presented on a variety of technologies, including enhanced General Multi-Protocol Label Switching (GMPLS) control plane for OBS, multi-granularity optical switching, architectures of network node, mechanisms on resources reservation and scheduling, contention resolutions, and failure detection. Key issues on Optical Virtual Private Networks (OVPN) are also investigated in this article. Based on these discussions, the article illustrates that further investigations on control plane architecture, traffic engineering, and services management, etc. are required, to enhance the cooperation between optical layer and upper IP layer, on resource provisioning, service discovery, Quality of Service (QoS) supporting, etc.

[Keywords] optical burst switching; general multi-protocol label switching; optical Internet; optical virtual p