光突發交換網絡中幀結構的研究

郭文君

【摘要】 光突發交換將光電路交換和光分組交換的優勢相結合，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

突發交換的概念是J.Kulzer于1984年提出的。光突發交換（Optical Burst Switching，OBS）將光電路交換和光分組交換的優勢相結合，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送控制信息進行資源預約，然后再傳送突發數據，這樣的優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

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

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：一個突發數據分組對應一個控制分組，在傳送突發包前先發出控制分組，由控制分組去預約空閑信道，以動態分配數據信道帶寬資源。優勢：控制、數據信道的隔離，突發包的粒度等降低了對光子器件和核心節點的復雜度；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務量的骨干網。OBS網絡中，邊緣節點相對更為重要，因為其需要完成業務適配、協議轉換、數據分組的分類匯集和交換、突發分組的成幀和拆卸等等，只有掌握了邊緣節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的區別是，突發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出，而TAW則需等待應答信號返回后再發出。由于TAG方式更適合符合IP業務的流量突發特性，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：一類在突發數據分組尾部插入帶內突發標志標示結束，如Just-In-Time（JIT）協議；另一類在突發控制分組中增加突發數據長度位進行資源預留。另外，在進行資源預留時，如果考慮每個突發數據分組的到達和離開節點的時間，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數據分組的時間間隔正好適合第三個突發數據分組，則第三個突發就可以被成功預留，其中的典型方案就是Just-Enough-Time（JET）協議。[1、2]

在大部分有關OBS網絡的研究和實驗中都是以JET協議為選定預留機制的。雖然這個協議中所有被成功預留資源的突發數據分組，其狀態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勢：

1、機制介紹中可明顯看出JET協議方式的帶寬利用率更高；

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

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網絡突發數據幀和突發控制幀結構的設計。

3.1數據幀結構

首先，考慮數據在系統中可能產生的延遲，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，一個突發幀中的所有MAC幀都傳向同一目的節點，到達目的節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字節分別加在突發幀的頭尾。保護帶中不發送任何字符，只是留出一段空字節。

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

前導碼沿用以太網中的“1010”序列。

1字節最后兩位為“11”的“1010”序列才真正標示突發幀的開始。

1字節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。由于突發幀是幾十到幾百k字節，至少要用17位二進制序列表示，本文設定其為3字節。

用一個凈荷偏置位標示數據幀凈荷部分的開始。

邊緣節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，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。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。

為區分原每一個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。

為顯示突發交換的優勢，同時考慮網絡的寬帶利用率等，還要規定突發幀的最小幀長。如果在一定組合突發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、需要精確確定各節點的資源預留時間段。由于在全網進行時間統一是一件非常困難的事情，在JET協議中引入偏置時間量來確定控制幀和突發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點時，應立即貼上交換節點的本地時間標記，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，并轉發至下一節點。

2、需要設置好路由信息和QoS的偏置時間。JET協議的路由在發起控制幀的邊緣節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。

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

源地址和目的地址分別是發送端邊緣節點和接收端邊緣節點。

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.