密集波分復用(DWDM)技術(shù)為通信網(wǎng)絡(luò )提供了巨大的傳輸容量，逐步成為主流傳輸技術(shù)。伴隨著(zhù)DWDM技術(shù)的成熟和傳輸容量的快速增長(cháng)，傳統的電子交換系統承受的壓力日趨增大，光交換技術(shù)的引入日顯迫切。

　　與光信號的3種分割復用方式相對應，光交換也分為空分、時(shí)分和波分3種，分別完成空分信道、時(shí)分信道和波分信道的交換。

　　從支持的業(yè)務(wù)類(lèi)型來(lái)看，光交換又可分為電路交換(波長(cháng)路由)和分組交換兩種方式。早在20世紀90年代初中期，人們就開(kāi)始研究光子交換技術(shù)，ATM光交換、分組光交換成為熱門(mén)研究課題。人們期望通過(guò)光交換突破電子速率的限制，提高交換單元的吞吐量。但這些光交換需要高速光開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現，加上光邏輯器件還很不成熟，不能完成復雜的邏輯處理功能，所以只能實(shí)施電控光交換，即在電域上識別信頭，由電信號來(lái)控制光開(kāi)關(guān)的動(dòng)作。由于電控光交換沒(méi)有擺脫電子“瓶頸”的限制，從而限制了它的發(fā)展和應用。至今，高速光開(kāi)關(guān)和光邏輯器件在技術(shù)上依然沒(méi)有重大的突破。

　　基于波分交換或波長(cháng)路由的全光網(wǎng)在過(guò)去的數年中有了長(cháng)足的發(fā)展，正在逐步得到規模應用。全光網(wǎng)是指為客戶(hù)層信號提供光域處理的傳送網(wǎng)絡(luò )，包括光域的傳送、復用、選路、監視和生存功能等。完成交換功能的主要是光交叉連接器(OXC)和光分插復用器(OADM)。在經(jīng)過(guò)數年的研究、實(shí)驗后，全光網(wǎng)絡(luò )現正向智能化的方向發(fā)展，自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò )(ASON)就是其向智能化發(fā)展的主流方向。

　　嚴格地講，波分光交換與波長(cháng)路由不同。波分交換網(wǎng)絡(luò )必須具備波長(cháng)變換器，而波長(cháng)路由網(wǎng)絡(luò )是利用波長(cháng)的不同來(lái)實(shí)現選路。波長(cháng)路由網(wǎng)絡(luò )屬于電路交換方式，采用雙向資源預留方式設置光通路，中間節點(diǎn)不需要光緩存，可提供有保證的服務(wù)。但電路交換是粗粒度的，以波長(cháng)或波長(cháng)組為交換的粒度，帶寬利用率較低，不能實(shí)現統計復用，不適于像IP這樣的突發(fā)業(yè)務(wù)。

　　光突發(fā)交換(OBS)由QiaoChunming等人提出[1]。其設法綜合較大粒度的波長(cháng)(電路)交換和較細粒度的光分組交換兩者的優(yōu)點(diǎn)，并克服了這兩種交換方式的不足，在較低的光子器件要求下，實(shí)現了面向IP的突發(fā)業(yè)務(wù)的快速資源分配和高資源利用率，因此能有效地支持上層協(xié)議或高層用戶(hù)的突發(fā)業(yè)務(wù)。

　　1 OBS的網(wǎng)絡(luò )結構和節點(diǎn)結構

　　在OBS網(wǎng)絡(luò )中，有兩種光分組數據流：包含路由信息的突發(fā)控制分組(BCP)和承載業(yè)務(wù)的突發(fā)數據分組(BDP)?？刂品纸M在波分復用(WDM)傳輸鏈路上的某一特定信道中傳送，在OBS網(wǎng)絡(luò )中要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的電子處理;而數據分組在另一個(gè)不同的波長(cháng)信道上傳送，在OBS網(wǎng)絡(luò )中不需經(jīng)過(guò)光電/電光轉換和中間節點(diǎn)的電子轉發(fā)，保持端到端的透明傳輸和交換?？刂品纸M先于數據分組在特定DWDM(密集波分復用)信道中傳送，預約網(wǎng)絡(luò )資源。核心交換節點(diǎn)根據控制分組中的信息和網(wǎng)絡(luò )當前的狀況為相應的數據分組預留資源，建立全光通路。數據分組經(jīng)過(guò)一段延遲后，在不需要確認的情況下直接在預先設置的全光通道中透明傳輸。這種單向預留方案減小了建立通道的延遲等待時(shí)間，提高了帶寬利用率。

　　這種將數據信道與控制信道分離的方法簡(jiǎn)化了突發(fā)數據交換的處理，且控制分組長(cháng)度非常短，因此使高速處理得以實(shí)現。數據分組和控制分組的隔離、適合的交換顆粒度、較低的控制開(kāi)銷(xiāo)及非時(shí)隙交換方式降低了對光子器件的要求和中間交換節點(diǎn)的復雜度。在OBS網(wǎng)絡(luò )中，中間節點(diǎn)可以不使用緩存，也不存在網(wǎng)絡(luò )內的時(shí)隙同步問(wèn)題等。

　　給出一種OBS網(wǎng)絡(luò )結構和節點(diǎn)結構示例。OBS網(wǎng)絡(luò )可以基于WDM光網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現不同鏈路、不同波長(cháng)信道間突發(fā)數據分組的交換。在OBS網(wǎng)絡(luò )中數據分組和控制分組在不同的波長(cháng)信道上、相差一個(gè)偏置時(shí)間傳輸?？紤]交換節點(diǎn)光開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間，數據分組前后必須留有保護時(shí)間。

　　OBS網(wǎng)絡(luò )主要由邊緣節點(diǎn)、核心節點(diǎn)和DWDM鏈路構成。入口邊緣節點(diǎn)按照數據包的目地地址和服務(wù)等級(CoS)等信息，對數據包進(jìn)行分類(lèi)、緩存和封裝，組合成突發(fā)數據分組，并產(chǎn)生控制分組，然后發(fā)送給與之最鄰近的OBS核心節點(diǎn)。核心節點(diǎn)根據控制分組的路由信息，對到達的突發(fā)數據包進(jìn)行交換。出口邊緣節點(diǎn)將BDP拆卸，發(fā)送到其他子網(wǎng)或終端用戶(hù)

　　OBS的主要優(yōu)點(diǎn)為：具有中等交換粒度。突發(fā)分組的長(cháng)度可以從幾個(gè)分組到一個(gè)短的會(huì )話(huà)，只使用一個(gè)控制分組，從而使每個(gè)數據單元具有較低的控制開(kāi)銷(xiāo)。從不同源端到不同宿端的突發(fā)分組可以利用統計復用的方式，有效地利用鏈路上相同波長(cháng)的帶寬，帶寬使用效率較高。BHP和BDP的分離，有效降低了中間交換節點(diǎn)的復雜度和對光器件的要求。中間節點(diǎn)可以不需要光緩存，同步要求低。帶寬單向預留，等待時(shí)延短。

　　2 OBS的MAC層和封裝技術(shù)

　　為了完成突發(fā)數據分組的生成，邊緣節點(diǎn)的層次結構中需要有媒體接入控制(MAC)層。圖3給出基于WDM的MAC功能及突發(fā)數據分組的形成過(guò)程。從圖3可以看出，在輸入邊緣節點(diǎn)處的MAC層需要完成以下功能：把輸入的分組封裝成突發(fā)分組，突發(fā)分組的長(cháng)度可以相等，也可以不等。將突發(fā)分組送入排隊隊列，當突發(fā)包位于隊首時(shí)，設置一個(gè)合適的偏置時(shí)間，并且發(fā)送一個(gè)包含有路由信息、突發(fā)包長(cháng)度和偏置時(shí)間等信息的控制分組。將數據包成幀，經(jīng)過(guò)一個(gè)合適的偏置時(shí)間后，發(fā)送入光層。

　　在出口邊緣節點(diǎn)，OBSMAC層的功能只是簡(jiǎn)單地將突發(fā)數據拆裝，抽取出IP數據包。OBSMAC層所產(chǎn)生的時(shí)延包括突發(fā)數據包封裝時(shí)延、排隊時(shí)延以及突發(fā)數據包與控制包之間的偏置時(shí)間。

　　突發(fā)封裝是OBS網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)重要課題，常見(jiàn)的突發(fā)封裝技術(shù)一種基于定時(shí)器，另一種基于閾值。在基于定時(shí)器的突發(fā)封裝法中，突發(fā)數據以固定間隔產(chǎn)生，被周期性送入光網(wǎng)絡(luò )中，突發(fā)的長(cháng)度是可變的;在基于閾值的突發(fā)封裝法中，突發(fā)的長(cháng)度通常是固定的。

　　給出一種突發(fā)數據的成幀格式示例。其中PT為載荷類(lèi)型，PL為載荷長(cháng)度，NOP為IP數據包數目，偏移指示數據填充首字節的位址和收端同步信息。

　　3 OBS的協(xié)議

　　為了使OBS網(wǎng)絡(luò )能高效地協(xié)調數據分組和控制分組之間的工作，研究人員開(kāi)發(fā)了大量的帶寬接入控制協(xié)議。為了避免控制信令的全光提取，OBS采用帶外信令方式，主要代表是通知-發(fā)送(TAG)協(xié)議和預留固定時(shí)段(RFD)協(xié)議。

　　TAG協(xié)議在源端先發(fā)送控制分組來(lái)預留帶寬，當傳送完突發(fā)數據流后再發(fā)送用于釋放連接的分組來(lái)拆除連接。RFD協(xié)議與TAG類(lèi)似，但源端發(fā)出的控制信號中含有突發(fā)長(cháng)度信息，用于向中間節點(diǎn)預定鏈路保持時(shí)間，數據分組要等待一個(gè)偏置時(shí)間后才可發(fā)送，從而使資源利用率提高，基于該方法的一個(gè)杰出代表是恰好足夠時(shí)間(JET)協(xié)議。

　　執行JET協(xié)議時(shí)，源端節點(diǎn)在發(fā)送突發(fā)數據分組前，首先在控制通道上向宿端節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)控制分組，該控制分組在中間節點(diǎn)上進(jìn)行處理，為將要發(fā)送的數據分組建立一條全光的通道。JET使用延時(shí)預留(DR)方式預約帶寬，它的控制開(kāi)銷(xiāo)信號中含有突發(fā)數據的長(cháng)度信息和偏置時(shí)間信息，信源發(fā)出控制開(kāi)銷(xiāo)信號后，等待一個(gè)偏置時(shí)間T后再發(fā)送突發(fā)數據，T的大小足以補償控制開(kāi)銷(xiāo)在各個(gè)中間節點(diǎn)所經(jīng)歷的處理時(shí)間，即T≥n×δ，其中n是中間節點(diǎn)數目，δ是一個(gè)節點(diǎn)處平均的開(kāi)銷(xiāo)處理時(shí)間，從而可以使所有中間節點(diǎn)不再需要光纖延遲線(xiàn)(FDL)。為了減少網(wǎng)絡(luò )端到端的等待時(shí)延，應該盡量設置較小的偏置時(shí)間，但是過(guò)小的偏置時(shí)間不易解決多點(diǎn)通信中的信道竟爭問(wèn)題，會(huì )造成數據丟失或擁塞。若控制分組不能在某一中間節點(diǎn)預留帶寬，將不得不丟棄突發(fā)數據分組。拒絕的確認信息發(fā)送回源端，稍后源端將再次發(fā)送控制分組和突發(fā)分組。丟棄突發(fā)分組將浪費部分通道帶寬，增加數據分組的傳輸時(shí)延。因此，OBS網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)重要的設計問(wèn)題是如何解決資源競爭和提供區分服務(wù)。

　　在使用JET協(xié)議的OBS網(wǎng)絡(luò )中，通過(guò)調節偏置時(shí)間T可以確定服務(wù)的優(yōu)先級。因為增加偏置時(shí)間不僅有利于迂回路由，而且使對應的控制分組可以更成功地預留帶寬。有兩種優(yōu)先級方案是與突發(fā)封裝聯(lián)系在一起的，第1種方案是將OBS的優(yōu)先級與IP包的優(yōu)先級對應封裝，對高優(yōu)先級的突發(fā)數據分組設置較長(cháng)的偏置時(shí)間;第2種方案是所謂的混合封裝方法，即在一個(gè)突發(fā)數據分組中可以封裝多個(gè)不同優(yōu)先級的IP包，但是次序是高優(yōu)先級的包在前，低優(yōu)先級的包在后。當有競爭發(fā)生時(shí)，突發(fā)包低優(yōu)先級的尾部可以被丟棄，而高優(yōu)先級的突發(fā)包部分則被通過(guò)。

　　4 OBS和自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò )

　　綜觀(guān)國內外光網(wǎng)絡(luò )研究和發(fā)展動(dòng)向可以看出，基于波分復用技術(shù)的ASON成為下一代光網(wǎng)絡(luò )的主流方向。ASON采用擴展的通用多協(xié)議標簽交換(GMPLS)協(xié)議實(shí)現多粒度的交換和多層次的路由，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )資源的動(dòng)態(tài)調配和連接的自動(dòng)建立，將成為傳送網(wǎng)發(fā)展演變的主要方向。

　　下一代光網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)融合的網(wǎng)絡(luò )，OBS能否融入ASON，OBS協(xié)議能否與GMPLS[2]結合，使OBS成為ASON中支持光域分組交換的技術(shù)，已成為人們關(guān)注的問(wèn)題，也關(guān)系到OBS的應用前景。通過(guò)上面的分析，不難看出OBS和基于GMPLS的網(wǎng)絡(luò )有很多相似的地方：

　　(1)兩者都是由邊緣節點(diǎn)、核心節點(diǎn)和WDM鏈路組成，OBS網(wǎng)絡(luò )在邊緣節點(diǎn)將輸入分組封裝成突發(fā)數據分組，并產(chǎn)生控制分組;GMPLS網(wǎng)絡(luò )在邊緣節點(diǎn)將輸入分組劃分成等同轉發(fā)類(lèi)(FEC)，并分配標記。

　　(2)兩者都采用帶外信令傳輸方式，載荷數據流在網(wǎng)絡(luò )中都可實(shí)現透明傳送和交換。

　　(3)GMPLS網(wǎng)絡(luò )可以用標簽交換技術(shù)在入口-出口路由器之間建立半永久的數據通道;OBS網(wǎng)絡(luò )可以通過(guò)控制分組在入口-出口邊緣節點(diǎn)間為載荷建立透明的數據通道。

　　(4)GMPLS采用嵌套標記交換路徑(LSP)概念，支持波長(cháng)信道級、波長(cháng)組級和光纖級、SDH級等多粒度交換。有理由考慮通過(guò)協(xié)議擴展和節點(diǎn)結構的改善，也支持光突發(fā)分組的交換。

　　由于光突發(fā)交換與GMPLS技術(shù)對未來(lái)網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)技術(shù)的深遠影響，可以將MPLS的標簽交換思想引入到光突發(fā)交換中，從而產(chǎn)生標簽光突發(fā)交換(LOBS)，如圖6所示。LOBS將控制信道和數據交換信道進(jìn)行分離，標簽信息在控制包中，控制包應與GMPLS的控制平面成為一體。盡管這一解決方案尚有很多關(guān)鍵技術(shù)需要深入研究，但方案的解決將會(huì )對光網(wǎng)絡(luò )的未來(lái)發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。