光突發交換網絡中的信令協議概述

中原工學院理學院　李旭紅鄭州輕工業學院計算機與通信工程學院　袁俊嶺中原工學院理學院　楊麗華

光突發交換網絡中的信令協議概述

中原工學院理學院李旭紅鄭州輕工業學院計算機與通信工程學院袁俊嶺中原工學院理學院楊麗華

光突發交換（OBS）技術是一種有希望應用于下一代光網絡中的全光交換技術方案。信令技術是光突發交換中的一項關鍵技術，目前學者們已經針對廣突發交換網絡提出十余種信令協議。為了使讀者能夠對OBS信令協議進行深入全面的了解，該文對已有的OBS信令協議進行綜述，對各種信令協議的性能進行比較。

光突發交換（OBS）；信令；資源預留

0　引言

在傳統的光網絡中，當光信號到達一個節點時，該節點首先對信號進行“光-電”轉換，在電域內對數據進行交換后，再對數據進行“電-光”轉換，然后將光信號發往下一個節點。隨著波分復用（wavelength division multiplexing，WDM）技術的發展和應用，光網絡中鏈路的傳輸容量日益增大，傳統的經過“光-電-光”轉換的交換方式已經無法滿足需求，成為網絡中的電子瓶頸。鑒于此，學者們提出了全光交換的概念，即節點直接在光域內對信號進行交換和轉發。

常見的全光交換方案有三種［1］：光電路交換（optical circuit switching，OCS），光分組交換（optical packet switching，OPS）和光突發交換（optical burst switching，OBS）。在OCS方案中，在端到端之間建立光路（light-path），提供面向連接的通信服務；即使光路上沒有數據傳輸，該光路也不能被其他業務使用，信道利用率較低。在OPS方案中，數據以光分組的形式在信道上傳輸，可以實現信道的統計復用，信道利用率高；但是，在對光分組頭進行處理時，需要用到目前還不存在的光邏輯器件和目前技術還不成熟的光緩存器，短時間內實現的可能性較小。在OBS方案中，既可以實現對信道的統計復用，又不需要光邏輯器件，對光緩存器的需求也有所降低，故此，它是一種有希望應用于下一代光網絡中的全光交換方案。

光突發交換的概念最早是由Qiao和Yoo［2］在1999年提出的。OBS有兩個重要的特點：一是控制信道和數據信道分離（相比于OPS），二是對數據信道的統計復用（相比于OCS）。在OBS網絡中一般采用波分復用的傳輸方式，且總是將其中的一個波長作為控制信道，剩余的波長作為數據信道。其基本工作原理為：來自接入網的數據（如IP包、ATM信元等）在源節點處匯聚為突發包（data burst）；源節點在控制信道上發出一個控制包，即BHP（burst header packet），為突發包預留數據信道上的帶寬資源（主要指數據信道上的時間段）；經過預先確定的偏置時間后（在單向信令中），或者收到來自目的節點的預留成功通告后（在雙向信令中），源節點將突發包在數據信道上發出。

信令技術是OBS中的一項核心技術，它對網絡的丟包率和端到端時延等特性起著決定性的作用。目前，學者們已經提出了十余種OBS信令協議。為了使讀者對OBS信令協議得到更加全面和深入的了解，本文將介紹這些信令協議，并比較它們的性能以及實現的復雜程度。

1　OBS信令協議分類

OBS信令協議的分類方式常見的四種分類方式。

1.1單向信令和雙向信令

根據控制包的傳輸方式的不同，可以將OBS信令協議分為單向信令協議（one-way signaling）和雙向信令協議（two-way signaling）。

在單向信令協議中采用無保證（unguar-anteed）的傳輸方式。源節點在發出BHP之后，不等待來自目的節點的預留結果通告，經過一段時間后就將突發包在數據信道發出。即，在預留過程中，只有從源節點到目的節點單向的控制包。

在雙向信令中采用有保證（guaranteed）的傳輸方式。源節點在發出BHP之后，等待來自目的節點的預留結果通告（ACK，acknowledgment），只有當收到成功預留通告后才將突發包發出。即，在預留過程中，既有源節點發往目的節點的控制包（BHP），也有從目的節點發往源節點的控制包（ACK）。

1.2前向預留和后向預留

根據帶寬資源預留的方向不同，可以將OBS信令協議分為前向預留協議（forward reservation）和后向預留協議（backward reservation）。

在前向預留協議中，帶寬資源的預留順序是從源節點到目的節點，即預留方向跟突發包的傳輸方向相同。

在后向預留協議中，資源的預留順序是從目的節點到源節點，即預留方向跟突發包的傳輸方向相反。

1.3立即配置和延遲配置

根據光開關的配置時機不同，OBS信令協議可分為立即配置（immediately configure-ed）協議和延遲配置（delay-configured）協議［3］。

在立即配置的信令協議中，當節點從控制包中得到突發包的帶寬申請后，立即配置光開關為突發包預留帶寬資源。在突發包與控制包間一般存在一段空閑時間段，此段空閑時間段不允許被其它突發包使用。

在延遲配置的信令協議中，當節點接收到預留申請時，只是將突發包所申請的時間段標示為已預留，而并不立即配置光開關；只有當突發包到達時才配置光開關。故此，突發包和控制包間的空閑時間段可以被其它突發包使用。

1.4顯式釋放和隱式釋放

根據對完成突發包傳輸后信道的釋放方式不同，OBS信令協議可分為顯式釋放（explicitly released）協議和隱式釋放（implicitly released）協議［3］。

在顯示釋放的信令協議中，在使用完信道資源后，源節點發送一個控制包來釋放之前占用的信道資源。由于節點在讀取控制包時會產生處理時延，在后續節點處不能及時釋放使用后的信道資源，從而造成帶寬資源的浪費。

在隱式釋放的信令協議中，BHP中包含突發包的到達時刻和長度信息，節點在通過這些信息計算出突發包的離開時刻，并在這一時刻釋放所占用的信道資源。隱式釋放協議在突發包離開后能夠立即釋放它所占用的信道資源，故此其信道利用率比顯示釋放協議要高。

2　幾種OBS信令協議

本節以信令的傳輸方式為基礎，對已有的OBS信令協議進行分類介紹。在對所有信令協議的描述中，只介紹預留成功時的情形，而不介紹預留失敗時所采取的補救措施。

2.1單向信令協議

由于單向信令協議中只存在由源節點發往目的節點的控制包，故此所有的單向信令協議均采用前向預留的方式。

2.1.1TAG協議

TAG（tell-and-go）協議是Widjaja在1995年為ATM網絡設計的信令協議［4］，在OBS的概念提出后被移植到了OBS網絡。在該協議中采用立即配置和隱式釋放的工作方式。其工作流程為：突發包匯聚完成后，源節點首先在控制信道上發出一個BHP為突發包預留資源，緊接著就將突發包在數據信道上發出；由于中間節點在處理BHP時存在時延，故此在每一個中間節點都需要使用光纖延遲線（fiber delay line，FDL）對突發包進行延遲；突發包通過后節點直接釋放占用的資源。由于需要使用光纖延遲線，該協議增加了OBS節點的結構復雜度。

2.1.2JIT協議

Wei和McFarland在2000年提出了OBS網絡中的JIT（Just-intime）協議［5］。JIT是一種立即配置和顯示釋放的單向信令協議。其工作流程為：突發包匯聚完成后，源節點首先在控制信道上發出一個包含所申請預留的波長的BHP；中間節點收到BHP后，讀取所申請的波長信息，并立即配置光開關為突發包預留該波長信道；經過預先設定的偏置時間后，源節點將突發包從數據信道上發出；源節點緊接著發出一個控制包來釋放突發包占用的信道資源；中間節點在突發包經過后并不立即釋放它所占用的波長，只有當接收到釋放資源的控制包后才釋放信道資源。

2.1.3E-JIT協議

2007年，Rodrigues等人提出了JIT協議的一個改進方案，稱為Enhanced-JIT（E-JIT）［6］。該方案對JIT進行了兩處修改：第一，將JIT中的釋放方式由顯式釋放改為隱式釋放；第二，在預留失敗時，由預留失敗節點向源節點發送控制包對已預留資源進行顯示釋放。與JIT協議相比，該改進方案可以增加信道利用率，但實現過程略比JIT協議復雜。

2.1.4JET協議

JET（Just-enough-time）協議是Yoo和Qiao在1997年提出的［7］。它采用延遲配置和隱式釋放的工作方式。其工作流程為：突發包匯聚完成后，源節點在控制信道上發出一個BHP，該BHP包含突發包申請的波長、突發包的長度、以及突發包的偏置時間等信息；中間節點在收到BHP后，根據偏置時間計算突發包的第一個比特到達該節點的時刻tarrive，再根據長度計算突發包的最后一個比特離開該節點的時刻tleave；中間節點更新偏置時間（減去BHP在本節點處的處理時延）后，將BHP發往下一個節點；中間節點為突發包預留指定波長上的時間段（tarrive，tleave），但只有到突發包的到達時刻才配置光開關；中間節點在突發包的離開時刻立即釋放信道資源。

2.1.5基于預測的JET協議

2003年，Liu等人提出了一個基于預測的JET（P-JET）協議［8］。在該協議中，突發包的匯聚采用基于時間閾值的方法，即，當第一個數據包的等待時間等于時間閾值時，將該段時間內到達的所有數據包封裝為一個突發包。在該協議中，當第一個數據包到達時，源節點利用一個線性預測器（Linear predictive filter）對該段時間內到達數據量進行預測。在JET中BHP必須在突發包匯聚完成后才能發出，而在此協議中BHP在第一個數據包到達時就可以發出。假設在JET中第一個數據包的到達時刻為t0，突發包匯聚的時間閾值為Tth，突發包與BHP之間的偏置時刻為Toffset，則突發包的發出時間為t0+Tth+Toffset；而在基于預測的JET協議中，由于BHP在突發包完成匯聚之前已經發出，偏置時間與匯聚時間相重疊，突發包的發出時刻為。

2.1.6快速預留協議

受到Liu等人的基于預測的JET協議的啟發，Seklou和Varvarigos在2008年提出了另一個基于預測的JET協議，稱為快速預留（Fast Reservation，FR）協議［9］。在該協議中，突發包的匯聚同時考慮時間閾值和長度閾值，即，當第一個數據包的等待時間等于時間閾值，或者總數據量大于等于長度閾值時，將到達的數據封裝為一個突發包。在該協議中，當第一個數據包到達時，使用兩個最小均方值預測器（Least mean squares filter）分別對突發包的匯聚時間和匯聚長度進行預測。FR協議可以進一步降低JET協議中數據包的等待時延。

2.2雙向信令協議

在雙向信令中，既有源節點發往目的節點的控制包，又有目的節點返回源節點的控制包。預留方向可以是前向預留，也可以是后向預留。

2.2.1TAW協議

TAW（tell-and-wait）是Widjaja在1995年為ATM網絡設計另一個信令協議［4］，也被移植到了OBS網絡中。TAW采用前向預留的方式。在OBS網絡中，TAW協議采用立即配置和顯式釋放的工作方式。其工作流程為：突發包匯聚完成后，源節點在控制信道上發出一個包含所申請波長的BHP；中間節點收到BHP后為突發包預留信道資源，并立即配置光開關；突發包在源節點的緩存中等待；如果預留成功，目的節點返回源節點一個預留成功通告，否則返回一個預留失敗通告；當收到預留成功通告時，源節點將突發包在數據信道上發出，否則重新發出一個BHP為該突發包申請信道資源；突發包成功發出后，源節點緊接著在控制信道上發出一個控制包來釋放信道資源。

2.2.2DTWR協議

2005年，Vu等人提出了一個名為動態雙向預留（dynamic twoway reservation，DTWR）的信令協議［10］。DTWR也采用前向預留的方式。不同于TAW，該協議使用延遲預留和隱式釋放的工作方式；另外，中間節點還可以根據信道的忙閑狀態對所申請的時間段進行動態調整。其工作流程為：突發包匯聚完成后，源節點在控制信道上發出一個BHP，BHP中記錄申請的波長，以及申請時間段的開始時刻和結束時刻；中間節點讀取BHP所攜帶的信息，若所申請的時間段空閑，則預留該時間段（但并不配置光開關）；若所申請的時間段中只有一個片段空閑（或者幾個片段空閑），則為突發包預留這個片段（對應地預留最長的那個片段），并更新申請的時間段為該片段；目的節點在收到BHP后，返回一個控制包，告知所有節點（包括源節點）預留時間片的起止時刻（或預留失敗）；源節點根據時間片的長度傳輸相應長度的數據；中間節點在突發包通過之后直接釋放信道資源。該協議可以小幅度增加雙向協議預留成功的概率，減小數據的等待時延。

2.2.3預訂預留機制

2006年，Kong和Phillips給出了一個稱為預訂預留機制（prebooking reservation mechanism，PRM）的雙向信令協議［11］。該協議將延遲配置和隱式釋放方法應用于后向預留的雙向協議中。其工作流程為：突發包匯聚完成后，源節點發送一個控制包沿途收集鏈路狀態信息；目的節點收到此控制包后，根據收集到的鏈路狀態信息選擇一個可用時間段，并返回另一個控制包反向預留該時間段；中間節點在收到預留控制包時，讀取時間段的起止時刻并為突發包預訂該時間段（但并不配置光開關）；源節點收到預訂成功通告后，將突發包在該時間段的開始時刻發出；所有節點在時間段的結束時刻釋放信道資源。

2.2.4基于預測的雙向協議

2009年，Vlochos和Monoyios提出了一個基于預測的雙向信令機制，稱為虛擬單向信令（Virtual one-way signaling）［12］。該協議采用前向預留的預留方式，并使用立即配置與隱式釋放的工作方式。當第一個數據包到達時，在源節點處用一個最小均方值線性預測器（least mean square linear predictive filter）來預測在控制包的一個往返周期內匯能夠匯聚成的突發包長度；BHP無需等待突發包完成匯聚而直接發出，來預留預測長度的時間段。源節點收到來自目的節點的預留成功通告時，若實際突發包長度不大于預測長度，則將突發包發出；否則，只發出等于預測長度的突發包，剩余的數據歸入下一次匯聚過程。

2.2.5基于預約的雙向預留機制

2012年，Yuan等人提出了一種基于預約的雙向預留機制（subscription-based tell-and-wait，S-TAW）［13］，該機制采用前向預留、延遲配置、隱式釋放的預留方式。其工作流程為：突發包匯聚完成后，源節點發送一個控制包來為該突發包預留指定波長上的指定時間段，當在某節點處發生預留失敗時，該節點立即反向發送一個控制包，用來釋放之前預留的時間段，并告知源節點預留失敗信息，源節點收到預留失敗信息后，在新的波長和時間段上再次發起預留過程。

2.3混合信令

在混合信令機制中，一般既有單向信令機制的特點，又有雙向信令機制的特點。

2.3.1 中間節點發起的信令機制

2007年，Vokkarane提出了一種中間節點發起的（intermediate node initiated，INI）信令機制［14］。其工作流程為：突發包匯聚完成后，源節點發送一個控制包統計從源節點到預留發起節點間鏈路的狀態；當此控制包到達預留發起節點時，預留發起節點根據統計的鏈路信息為突發包選擇一個時間段，并同時向源節點和目的節點發出控制包來預留該時間段；節點在收到控制包時，為突發包預留信道資源并立即配置光開關；源節點在收到預留成功通告時將突發包在數據信道上發出；緊接著，源節點發出一個控制包來釋放信道資源。可以看出，在INI信令中，從源節點到預留發起節點與后向預留的雙向信令相同，從預留發起節點到目的節點與單向信令相同。

2.3.2逆雙向信令機制

2012年，Yuan等人提出了一種逆雙向信令機制（inverse twoway signaling）［15］，在該信令機制中，目的節點周期性地向源節點發送控制包，用來統計從源節點到目的節點的光路上的鏈路狀態信息；源節點根據該信息為突發包選擇波長和時間段，并使用類似于JET的方式發送突發包。可以看出，該信令機制使用單向方式發送突發包，但卻逆向使用了雙向機制中的鏈路狀態統計機制。

3　信令技術綜合比較

上述各種信令協議可以總結為表3-1。

表3-1　現有的OBS信令協議歸類

從信令的傳輸方式來看，由于雙向信令采用有保證的傳輸方式，故此其丟包率要遠低于單向信令；但是，由于在雙向信令中突發包需要在源節點處等待預留成功通告，其數據的時延要遠高于單向信令。

圖3-1　OBS信令協議性能的相對關系示意圖

從資源的預留方向來看，由于后向預留方式中會首先對鏈路的狀態進行統計，故此后向預留方式的成功概率一般要略高于前向預留方式。

從光開關的配置時機來看，延遲配置在突發包到達時才配置光開關，不會造成帶寬資源的浪費，故此其帶寬利用率要高于立即配置方式。

從資源的釋放方式來看，隱式釋放在突發包離開時就立即釋放信道資源，其帶寬利用率要略高于顯式釋放方式。

綜合上述內容，對于時延和丟包率兩個性能參數，可以得到如圖3-1所示的OBS信令協議之間的相對關系示意圖。

4　結論

選擇單向還是雙向對OBS信令協議的性能影響最大。資源預留方向、光開關配置時機和信道的釋放方式也能對信令協議的性能產生一定的影響。另外，預測機制可以在一定程度上減小數據包的等待時延。

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［4］Widjaja I，Performance analysis of burst admission-control protocols［C］.Communica-tions，IEE Proceedings，1995，142：7-14.

［5］Wei J，McFarland R，Just-in-time signaling for WDM optical burst switching networks［J］.Journal of Lightwave Technology，2000，18：2019-2037.

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［8］Liu J，Ansari N Ott T，FRR for latency reduction and QoS provisioning in OBS networks［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Com munications，2003，21（7）：1210-1219.

［9］Seklou K，Varvarigos E，Fast reservation protocols for latency reduction in optical burst-switched networks based on predictions［C］. ICN'2008，13-18 April 2008.

［10］Vu H，Zalesky A，Zukerman M，Rosberg Z，Guo J，Um T，Delay analysis of optical burst switching networks［C］.ICC'2005，16-20 May 2005.

［11］Kong H，Phillips C，Probooking reservation mechanism for next-generation optical networks［J］.IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2006，12：645-652.

［12］Vlachos K，Monoyios D，A virtual one-way signaling protocol with aggressive resource reservation for improving burst transmission delay［J］.Journal of Lightwave Technology，2009，27：2869-2875.

［13］Yuan J.，Zhou X.，Wang J.，He Y.，A subscription-based twoway signaling for optical burst switched networks［J］.Photonic Network Communications，2013，24（3）：198-209.

［14］Vokkarane V，Intermediate-node-initiation（INI）：a generalized signaling framework for optical burst-switched networks［J］.Optical Switching and Networking，2007，4：20-32.

［15］Yuan J.，Zhou X.，Wang J.，He Y.，Wang K.，Inverse two-way signaling scheme for optical burst switched networks，2012，9（3）：214-223.

李旭紅（1980—），女，河南鄭州人，碩士，中原工學院理學院講師，主要研究方向：網絡編碼技術。

袁俊嶺（1980—），男，河南鄭州人，博士，鄭州輕工業學院計算機與通信工程學院講師，主要研究方向：光網絡技術。

楊麗華（1977—），女，河南鄭州人，碩士，中原工學院理學院講師，主要研究方向：網絡編碼技術。

國家自然科學基金項目（61501406）；河南省高等學校重點科研項目計劃（15A510015）；鄭州輕工業學院博士基金項目（2013BSJJ048）支持。