光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中幀結(jié)構(gòu)的研究

郭文君

【摘要】 光突發(fā)交換將光電路交換和光分組交換的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，同時(shí)克服二者缺點(diǎn)，成為近年來(lái)IP over WDM的一種研究方向。本文針對(duì)光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)在幀結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了較詳細(xì)的研究。

【關(guān)鍵詞】 OBS 幀結(jié)構(gòu) JET

突發(fā)交換的概念是J.Kulzer于1984年提出的。光突發(fā)交換（Optical Burst Switching，OBS）將光電路交換和光分組交換的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，同時(shí)克服二者缺點(diǎn)，不失為一種適合當(dāng)今全光網(wǎng)的合適的實(shí)現(xiàn)方式。其根本原理是預(yù)先發(fā)送控制信息進(jìn)行資源預(yù)約，然后再傳送突發(fā)數(shù)據(jù)，這樣的優(yōu)勢(shì)是始終保持?jǐn)?shù)據(jù)在光域內(nèi)，同時(shí)減少分組頭逐個(gè)處理的麻煩。本文通過(guò)闡述光突發(fā)交換的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)詳細(xì)分析了適應(yīng)OBS網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

一、OBS網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

光突發(fā)交換網(wǎng)絡(luò)中主要有兩種類(lèi)型節(jié)點(diǎn)：核心節(jié)點(diǎn)和邊緣節(jié)點(diǎn)。核心節(jié)點(diǎn)只需在電域處理控制信令，完成突發(fā)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)與交換；邊緣節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)突發(fā)數(shù)據(jù)分組的重組、分類(lèi)，并提供業(yè)務(wù)接口。

OBS網(wǎng)絡(luò)的基本特點(diǎn)是分離控制、數(shù)據(jù)信道，網(wǎng)絡(luò)中傳送的分組也分為控制分組和數(shù)據(jù)分組。工作機(jī)制：一個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)分組對(duì)應(yīng)一個(gè)控制分組，在傳送突發(fā)包前先發(fā)出控制分組，由控制分組去預(yù)約空閑信道，以動(dòng)態(tài)分配數(shù)據(jù)信道帶寬資源。優(yōu)勢(shì)：控制、數(shù)據(jù)信道的隔離，突發(fā)包的粒度等降低了對(duì)光子器件和核心節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜度；控制分組長(zhǎng)度非常短，使高速處理得以實(shí)現(xiàn)；由于提前預(yù)約資源，減少了核心節(jié)點(diǎn)緩存使用率，因此實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較低。OBS網(wǎng)絡(luò)更適用于承載大業(yè)務(wù)量的骨干網(wǎng)。OBS網(wǎng)絡(luò)中，邊緣節(jié)點(diǎn)相對(duì)更為重要，因?yàn)槠湫枰瓿蓸I(yè)務(wù)適配、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分組的分類(lèi)匯集和交換、突發(fā)分組的成幀和拆卸等等，只有掌握了邊緣節(jié)點(diǎn)的特性才能更好地研究OBS網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)。

二、OBS預(yù)留機(jī)制簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)OBS網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)，首先要確定使用何種預(yù)留機(jī)制。如前文所述，OBS網(wǎng)絡(luò)控制的特點(diǎn)是分離控制、延遲發(fā)送。

根據(jù)帶寬預(yù)留方式可分為T(mén)ell and Go（TAG）和Tell and Wait（TAW）兩種。TAG和TAW的區(qū)別是，突發(fā)包的傳送是否需要等待預(yù)留請(qǐng)求的應(yīng)答信號(hào)，很明顯的，TAG方式不需要等待應(yīng)答信號(hào)返回即發(fā)出，而TAW則需等待應(yīng)答信號(hào)返回后再發(fā)出。由于TAG方式更適合符合IP業(yè)務(wù)的流量突發(fā)特性，因此OBS網(wǎng)絡(luò)一般都采用這種資源預(yù)留方式。

基于TAG的資源預(yù)留方式按確定預(yù)留信道時(shí)間的方式分兩類(lèi)：一類(lèi)在突發(fā)數(shù)據(jù)分組尾部插入帶內(nèi)突發(fā)標(biāo)志標(biāo)示結(jié)束，如Just-In-Time（JIT）協(xié)議；另一類(lèi)在突發(fā)控制分組中增加突發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位進(jìn)行資源預(yù)留。另外，在進(jìn)行資源預(yù)留時(shí)，如果考慮每個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)分組的到達(dá)和離開(kāi)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間，則在一定程度上可以提高資源帶寬利用率。比如第一個(gè)和第二個(gè)預(yù)留突發(fā)數(shù)據(jù)分組的時(shí)間間隔正好適合第三個(gè)突發(fā)數(shù)據(jù)分組，則第三個(gè)突發(fā)就可以被成功預(yù)留，其中的典型方案就是Just-Enough-Time（JET）協(xié)議。[1、2]

在大部分有關(guān)OBS網(wǎng)絡(luò)的研究和實(shí)驗(yàn)中都是以JET協(xié)議為選定預(yù)留機(jī)制的。雖然這個(gè)協(xié)議中所有被成功預(yù)留資源的突發(fā)數(shù)據(jù)分組，其狀態(tài)信息既包含開(kāi)始時(shí)間又包含結(jié)束時(shí)間，令OBS網(wǎng)絡(luò)變得相對(duì)復(fù)雜，但它具有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：

1、機(jī)制介紹中可明顯看出JET協(xié)議方式的帶寬利用率更高；

2、從單個(gè)節(jié)點(diǎn)的阻塞率仿真結(jié)果看，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的增大，JET協(xié)議的丟包率遠(yuǎn)低于JET協(xié)議；

3、更重要的一點(diǎn)，JET方式可支持QoS保證。

因此本文將基于JET協(xié)議設(shè)計(jì)OBS網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)。

三、OBS網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳解

本文將遵循以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行OBS網(wǎng)絡(luò)突發(fā)數(shù)據(jù)幀和突發(fā)控制幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3.1數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

首先，考慮數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中可能產(chǎn)生的延遲，幀首尾應(yīng)加入類(lèi)似以太網(wǎng)中幀間隙的保護(hù)帶，可有效避免影響幀的其余部分。我們知道，一個(gè)突發(fā)幀中的所有MAC幀都傳向同一目的節(jié)點(diǎn)，到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)各幀的時(shí)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(wǎng)絡(luò)傳輸效率。我們將OBS突發(fā)幀的保護(hù)帶與以太網(wǎng)幀設(shè)定一致，分為兩部分，即每部分6字節(jié)分別加在突發(fā)幀的頭尾。保護(hù)帶中不發(fā)送任何字符，只是留出一段空字節(jié)。

OBS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀借鑒以太網(wǎng)的8/10編碼方案，為保證節(jié)點(diǎn)在重要數(shù)據(jù)來(lái)之前同步輸入的數(shù)據(jù)流，我們?cè)O(shè)置同步帶，同時(shí)可為節(jié)點(diǎn)提取時(shí)鐘。

前導(dǎo)碼沿用以太網(wǎng)中的“1010”序列。

1字節(jié)最后兩位為“11”的“1010”序列才真正標(biāo)示突發(fā)幀的開(kāi)始。

1字節(jié)表示插入凈荷的類(lèi)型。

為方便接收端的接收和數(shù)據(jù)部分的識(shí)別，我們?cè)O(shè)計(jì)了幀長(zhǎng)度位。由于突發(fā)幀是幾十到幾百k字節(jié)，至少要用17位二進(jìn)制序列表示，本文設(shè)定其為3字節(jié)。

用一個(gè)凈荷偏置位標(biāo)示數(shù)據(jù)幀凈荷部分的開(kāi)始。

邊緣節(jié)點(diǎn)處收集的數(shù)據(jù)分組，透明地填入幀的數(shù)據(jù)部分，即是分組凈荷。

為了接收端節(jié)點(diǎn)能夠透明地處理這些凈荷，應(yīng)該設(shè)置一個(gè)記錄IP分組數(shù)目的位。我們知道IP數(shù)據(jù)分組大小為64-1518字節(jié)，分組的個(gè)數(shù)最大可以有幾萬(wàn)，因此至少要用14位二進(jìn)制序列表示，本文設(shè)定其為2字節(jié)。每個(gè)IP數(shù)據(jù)分組長(zhǎng)度要用9-15位二進(jìn)制序列表示，本文設(shè)定其為2字節(jié)。

為區(qū)分原每一個(gè)IP分組，還要將各分組的長(zhǎng)度信息分別表示。

接下來(lái)要把每個(gè)分組凈荷無(wú)間隙地填入幀里。

為顯示突發(fā)交換的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)考慮網(wǎng)絡(luò)的寬帶利用率等，還要規(guī)定突發(fā)幀的最小幀長(zhǎng)。如果在一定組合突發(fā)幀的時(shí)間內(nèi)得到的包較小，需要填充一定的比特位，大小為最小幀長(zhǎng)與突發(fā)幀長(zhǎng)度的差。

另外還要考慮長(zhǎng)連“0”和長(zhǎng)連“1”的情況，因?yàn)檫@可能影響接收，需要采用自同步擾碼技術(shù)（需說(shuō)明：保護(hù)帶、前導(dǎo)碼不需要擾碼）。

校驗(yàn)和采用32位的CRC碼。

綜上所述，OBS中JET協(xié)議下的數(shù)據(jù)分組幀格式用下圖所示。

3.2控制幀結(jié)構(gòu)

OBS網(wǎng)絡(luò)與基于IP路由的分組交換除了在控制頭與數(shù)據(jù)的分離上存在區(qū)別外，其余原理基本相同。所以，控制幀設(shè)計(jì)仍借鑒IP分組交換中的分組頭元設(shè)計(jì)，但需要將資源預(yù)留的方式突顯出來(lái)，也就是說(shuō)需要設(shè)定詳細(xì)的資源預(yù)留時(shí)間段信息。

設(shè)計(jì)控制幀需注意以下兩點(diǎn)：

1、需要精確確定各節(jié)點(diǎn)的資源預(yù)留時(shí)間段。由于在全網(wǎng)進(jìn)行時(shí)間統(tǒng)一是一件非常困難的事情，在JET協(xié)議中引入偏置時(shí)間量來(lái)確定控制幀和突發(fā)數(shù)據(jù)之間的時(shí)序關(guān)系，由于交換機(jī)端口競(jìng)爭(zhēng)的存在，以及信令處理能力的差異引入的心領(lǐng)延時(shí)不確定性在節(jié)點(diǎn)的累積效應(yīng)，會(huì)造成信令和數(shù)據(jù)的時(shí)序紊亂。為了保證控制幀和數(shù)據(jù)幀之間的精確時(shí)差，當(dāng)控制幀達(dá)到交換節(jié)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)立即貼上交換節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間標(biāo)記，直至完成資源預(yù)約。處理完控制幀的資源預(yù)約請(qǐng)求后，通過(guò)與本地時(shí)間比對(duì)得到處理延時(shí)時(shí)間Δt，寫(xiě)入控制幀偏置時(shí)間位，并轉(zhuǎn)發(fā)至下一節(jié)點(diǎn)。

2、需要設(shè)置好路由信息和QoS的偏置時(shí)間。JET協(xié)議的路由在發(fā)起控制幀的邊緣節(jié)點(diǎn)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(xì)討論。

根據(jù)前文數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟和方法，我們來(lái)看控制幀。

保護(hù)帶、同步帶的設(shè)置和數(shù)據(jù)幀相同，不再贅述。

協(xié)議類(lèi)型、協(xié)議版本、數(shù)據(jù)類(lèi)型如考慮網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性和兼容性，本文均設(shè)定1字節(jié)來(lái)表示。

源地址和目的地址分別是發(fā)送端邊緣節(jié)點(diǎn)和接收端邊緣節(jié)點(diǎn)。

幀長(zhǎng)度記錄了數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度，由于最大的數(shù)據(jù)幀設(shè)定為1000kbit，所以幀長(zhǎng)用3字節(jié)表示，以作預(yù)定資源的時(shí)間之用。

偏置時(shí)間是控制幀和數(shù)據(jù)幀發(fā)送的偏差時(shí)間。

服務(wù)質(zhì)量用3bit足夠，可將服務(wù)質(zhì)量分為8類(lèi)，但要設(shè)定1字節(jié)來(lái)表示。

信道標(biāo)識(shí)是用來(lái)記錄該控制幀所占用的波長(zhǎng)信息。

用來(lái)選擇通過(guò)的路由記錄在路由信息位。

校驗(yàn)和負(fù)責(zé)對(duì)從前導(dǎo)碼到路由的檢錯(cuò)，仍采用32位CRC碼。

綜上所述，控制幀結(jié)構(gòu)如下圖所示。

結(jié)語(yǔ)：本文提出了OBS網(wǎng)絡(luò)JET協(xié)議下的控制幀和數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)中每一部分的內(nèi)容、大小和意義進(jìn)行了闡述，希望為其他研究者提供一定的幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[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.