新型光突发交换网络解决方案

摘要：随着用户带宽超摩尔定律增长、传输链路容量的迅猛增加，节点服务器系统能力成为制约网络容量增长的主要瓶颈。网络业务的发展趋势不会坐等高性能光子器件的成熟和实用化，可以预见未来10～20年内光子器件瓶颈将制约着新型光网络节点能力提高。文章将网络分成接入、节点和链路3个网络服务器系统，提出一种全新的光网络体系架构——基于服务的光网络体系架构，通过一个隐函数从网络代价、能耗和容量等角度定性考察各服务器系统对网络性能的影响。由此提出了双光纤链路与IP插空联合的光突发交换解决方案，以缓解光子器件瓶颈的限制。

    关键词：光突发交换；双光纤链路模型；IP插空；网络服务器系统

    随着通信技术的发展，新业务不断涌现，如IPTV、Web2.0、Youtube、Grid应用、P2P等等，导致全球信息量呈级数增长，通信业务由传统单一的电话业务转向高速IP数据和多媒体为代表的宽带业务，对通信网络的带宽和容量提出了越来越高的要求。光纤的巨大潜在带宽和波分复用(WDM)技术的成熟应用，使光纤通信成为支撑通信传输网络的主流技术。虽然现在的WDM技术已经可以很有效的利用光纤25 000 GHz的巨大带宽资源，但网络中的电子处理设备却限制了网络带宽进一步提高。伴随着密集波分复用(DWDM)技术的成熟和传输容量的快速增长，传统的电子交换系统承受的压力日趋增大，光交换技术的引入日显迫切。
    光交换技术(O-O-O)是指不经过光／电转换，在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端。针对通信网络中已有的通信模式，人们对光交换提出了3种方案：光路交换、光分组交换、光突发交换。光路交换虽然相对简单、易于实现，但建立和拆除一条通道需要一定的时间，且该时间与其连接的保持时间无关。因此在不断增长且变化无常的网络流量中，光路交换自然难以满足需求；光分组交换由于缺乏高速光逻辑器件、光缓冲存储器等，因此还处于研究阶段。针对光路交换和光分组交换的缺点，Chunming Qiao和J. S. Turner等人提出光突发交换，引起越来越多的人的注意。作为一种新的光交换技术，光突发交换设法综合较大粒度的波长(电路)交换和较细粒度的光分组交换两者的优点，并克服了这两种交换方式的不足，在较低的光子器件要求下，实现了面向IP的突发业务的快速资源分配和高资源利用率，因此能有效地支持上层协议或高层用户的突发业务。
    与光分组交换相比，光突发交换最显著的特点就是将控制信息与数据净荷相互分离，分别生成控制分组与数据突发包，对应光分组交换中的头与净荷。在光突发交换网络中，每个控制分组对应一个突发包，控制分组与对应的突发包之间存在偏置时间间隔，也就是控制分组先于突发包到达路由通道上的每个节点，控制分组在该节点获得预先处理，为对应的突发包到达完成路由与信令功能，实现网络资源预留，为对应突发包在该节点成功交换做好一切准备。突发包沿着其控制分组为其分配好的路由传送，不需要任何连接确认信息，当两个或多个突发包预约占用同一资源时，将产生突发包的竞争而导致突发包传送失败。在光突发交换网络中，每个突发包都是由大量的分组组成，因此一个突发包的丢失，将导致大量的分组丢失。如何解决光突发交换网络中突发包的竞争问题尤为重要。当前主要的解决方案包括采用波长变换解决波长资源的竞争，采用光纤延迟线解决时域上的竞争以及采用偏射路由来解决空间上的竞争。
    由于波长变换器目前无法商用，而光纤延迟线将使节点控制复杂和电源消耗大大增加，偏射路由导致数据时间延迟并增加网络处理的复杂度，等等。这些因素导致了光突发交换至今无法商用。这些因素可以称之为光突发交换的光子器件瓶颈。这些光子器件目前还在研究之中，据估计，其成熟尚需要10～20年的时间。而用户带宽需求呈超摩尔定律发展，网络业务日新月异，而网络中传输带宽、容量越来越大，成本越来越大，且他们并不坐等光子器件瓶颈的克服在向前发展。光网络迫切需要新的方式或模式满足网络业务的发展、充分利用带宽资源。本文提出一种全新的光网络理论模型——基于服务系统的光网络模型，并在此模型下提出了双光纤链路模型、IP插空机制、双光纤链路与IP插空联合的光突发交换解决方案，降低光子器件瓶颈对光突发交换的限制。

    1  基于服务系统的光网络模型
    传统的网络架构如图1所示，一般包括用户、服务供应商及网络3个部分。网络由节点和链路组成，服务供应商通过网络对用户提供其所需的服务。
    基于服务系统的光网络模型从服务系统的角度来看待网络，将光网络抽象为一个整体的服务系统，其架构如图2所示。整个服务系统是各种服务器系统的复杂组合，服务供应商通过服务器系统对用户提供其所需的服务。
             
             
    服务器系统按照功能可分为以下两大类：
    (1)交换及路由服务器系统
    IP路由器提供IP包的路由和转发服务，ATM服务器提供信元的交换和路由服务，光交叉连接服务器提供光路交换和波长路由服务，波长转换服务器提供波长转换服务以避免波长竞争，光纤延迟线服务器提供信号的全光域延迟，另外还有MPLS服务器、信令服务器等等。
    (2)链路及连接服务器
    从服务的角度看，链路也看成服务器系统，如传送服务器提供信号接收及转发的收发服务器和提供信号放大的放大服务器、波长通道服务器为信号提供波长通道的服务等等。
    按照在服务系统中的位置，服务器系统可分为接入服务器系统、节点服务器系统、链路服务器系统，其结构如图3所示。每一个用户请求的服务或业务提供商提供的服务，都可以看成是传送服务，该传送服务被边缘、节点、传输链路等，分解为接入服务、节点服务和链路服务等。
            
   针对IP/WDM光网络如图4，其节点由路由器和光交叉连接(OXC)组成(图中虚线框)，我们将该节点看成一个节点服务器系统(NS)，该服务器系统还可以转换为电域服务器(ES)和光域服务器(OS)的组合。IP / WDM网络的服务系统是由节点服务器系统和链路服务器系统组成的复杂组合。
            

    2  基于服务系统的光网络的性能分析
    基于服务系统的光网络将光网络抽象为由接入服务器系统、节点服务器系统、链路服务器系统的复杂组合，因此光网络的性能与服务系统的性能是等效的。对服务系统进行分析，在已有条件下寻求提高服务系统性能的适合策略也就是提高了光网络的性能。在服务系统中，如公式(1)所示，光网络性能可表示为接入服务器系统性能、节点服务器系统性能、链路服务器系统性能有关的复杂的隐函数：
    Nc=F(ASc,NSc ,LSc ) (1)
    其中Nc为与网络性能有关的指标，可以是容量、阻塞、吞吐量、性价比、能耗等；ASc，NSc，LSc分别为接入服务器系统性能、节点服务器系统性能和链路服务器系统性能，可以是容量、带宽、存储、能耗、成本。
    (1)接入服务器系统的特性
    用户对带宽的需求不断增加导致接入服务器的带宽迅猛增长，呈超摩尔定律发展，其成本及能耗在不断下降。
    (2)链路服务器系统的特性
    随着DWDM和10 Gb/s、40 Gb/s的采用，光纤链路的巨大容量使得光网络中链路服务器容量很大，同时具有大量的波长通道。链路服务器的容量增长迅速，其成本及能耗相应地也随之下降。
    (3)节点服务器系统的特性
    光交换的方式决定了节点服务器的结构特性，波长变换服务器、光纤延迟线服务器及光逻辑器件的发展缓慢导致节点服务器容量增长缓慢，当前采用的技术的成本及能耗随着节点规模的增大快速上升。而光纤到户(FTTH)的广泛采用，新型网络业务如视频流成为网络的主流业务导致网络流量暴涨，对节点服务器系统产生巨大压力。
    根据以上分析，当前网络用户带宽需求增长、传输链路容量增加不会坐等影响节点性能关键的全光缓存等光子器件的成熟，节点的能力就成为光网络最大的问题。针对接入服务器、节点服务器和链路服务器的特性，光网络的服务系统的性能提高可采用以下策略：
    充分利用大容量链路服务器，以链路服务器容量换取节点服务器容量以提高系统性能；
    利用接入服务器的数据单跳特性，降低对节点服务器容量的要求以提高系统性能。

    3  基于服务系统的光突发交换网络方案
    依据基于服务系统的光网络的性能分析，本文提出了双光纤链路服务器系统及接入服务器IP插空的光突发交换解决方案以提高光突发交换网络的性能，同时对两种方案的融合方案进行了仿真实验，下面对此两种方案及其融合仿真分别进行分析与说明。
    3.1双光纤链路服务器系统光突发交换网络
    WDM技术使得光纤链路的容量不断提高，当前的光网络架构不能充分及灵活地利用光纤链路的带宽资源，同时在已铺设的光缆中存在一些冗余的光纤。基于以上事实，我们提出了一种全新的光突发交换网络双光纤链路结构，即在网络服务器模型的链路服务器系统中，采用两个服务器模型代替现在的单服务器模型。其网络结构可抽象为双链路服务器系统的光突发交换网络，从性能分析来看，是采用了以大容量链路服务器来换取节点服务器容量以降低节点交换服务器的复杂度提高系统性能。此双链路服务器系统光突发交换网络结构如图5所示。
           
     图5中所示的光突发交换网络中总共有m +1波长通道，其中λ0为控制通道，λ1，λ2……λm为数据通道。每根光纤提供双向的突发包的传输，定义一个方向的传输为主传输，则另外一个方向为从传输。在图5中，光纤0的从左至右的传输为主传输，从右至左为从传输。对于突发包数据的传输优先选择主传输方向的波长通道。在双光纤链路服务器系统的OBS网络中，由控制信道传送过来的BCP先被转换为电信号进行处理，有核心节点的处理对其进行调度。处理器将根据控制包的分析结果进行交换开关的配置，如果相应资源空闲则预约成功。当相应的突发数据包到达和离开核心节点时，需更新交换开关的配置信息。
   根据式(1)，在服务系统中，光网络容量则为整个系统的容量，它是接入服务器容量、节点服务器容量、链路服务器容量的综合反映。双链路服务器系统则可通过增加链路服务器容量来降低对节点服务器的要求，与单链路相比有以下优势：
    两个链路的波长通道是一致的，因此可提供部分波长转换的功能，相当于提供了波长转换服务器；
    网络中每一跳都具备双链路，则可由同节点的输入链路和输出链路通过交换开关构成回路，提供光纤延迟线的功能，可看作是光纤延迟服务器；
    双光纤链路可对同一波长通道提供偏射路由，相当于提供偏射路由服务器功能；
    相当于提供了网络存储功能；
    相当于提供了Cisco公司的弹性分组环(RPR)功能，但在任何网络拓扑中均适用。
    因此，可以预见与单链路服务器的光突发交换网络相比，双光纤链路服务器的光突发交换网络将获得更好的性能。
    基于14节点的美国自然基金会网络NSFnet在自相似数据流的仿真结果如图6所示，其中假设每个波长传输的比特率为10 Gb/s，平均的IP包的长度为1 500 Bytes，各节点对之间的数据流量为均匀分布，节点没有存储及不具备波长转换功能。从图6中可以得到，双链路服务器系统于单链路系统相比，在阻塞率上低了好几个数量级，网络性能大大提高。
          
 
    3.2IP插空的接入服务器规则的光突发交换网络
    在光突发交换网络中，有些突发数据包是在相邻节点对之间传输的，而某些链路的单跳传输对资源的占用将影响其他多跳数据的传送而导致网络性能下降。针对这种情况，我们提出了在服务系统光突发交换网络模型下的接入服务器的新服务规则——IP插空，使得部分单跳数据直通，从而减轻节点服务器的压力提高服务系统的性能。其实质是在网络服务器系统模型中，通过联合节点服务器系统与接入服务器系统，改善网络总体性能。
    其基本原理如图7所示。在链路数据通道上传输的突发包之间除去保护间隔之外还存在空隙，IP插空的原理就是利用空隙来传输相邻节点间的IP包。对于节点服务器来说不需要对这种相邻节点间的IP包进行分析处理，采用这种全新的服务规则以增加接入服务器的功能来换取节点服务器的容量从而提高整个系统的性能。
           
    基于14节点的NSFnet网络的仿真结果如图8所示。图8(a)中清晰的表明采用IP插空服务规则后，突发数据包的丢包率明显下降；而图8(b)则说明采用IP插空服务规则后IP包的延时并没有明显增加，随着网络负载地增大，突发包的延时有所下降。
           

    3.3双光纤链路模型与IP插空联合的光突发交换网络
    光突发交换最大的问题是阻塞概率大。以上分析表明，采用双光纤链路服务器系统及IP插空接入服务器规则能较大地提高光突发交换网络的阻塞性能，我们将双光纤链路服务器系统与IP插空接入服务器规则相结合以进一步提高光突发交换网络的性能。即提出一种结合接入服务器系统、节点服务器系统和链路服务器系统的网络解决方案。基于6节点环网的仿真结果如图9所示，可看到双纤对丢包率的显著改善。6节点环网中，双纤机制低载时能带来2~4个数量级的改善，高载时能带来60%的改善，IP填空机制在单纤时能使丢包率降低30%，将两种机制结合起来改善最大。
          

    4  结束语
    光突发交换作为一种适中的光交换方式得到了广泛的研究。如何在没有波长转换器等关键光子器件的前提下，提高突发交换的阻塞性能，是使这种交换技术走向商用的关键。本文提出了一种全新的光网络理论体系架构——基于服务系统的光网络体系架构，并在此理论体系架构下的光网络性能进行了分析。提出了整体系统性能是接入服务器、节点服务器和链路服务器的综合体现。在此基础上提出了光突发交换网络的双光纤链路服务器系统及IP插空接入服务器规则的解决方案，并对此两种方案及其融合进行了仿真分析。研究结果表明，采用双光纤链路服务器系统及IP插空接入服务器规则能较大地提高光突发交换网络的性能，将此两种策略融合可进一步提高网络的性能。在以后的工作中，我们将进一步完善基于服务系统的光网络模型，探索接入服务器、节点服务器和链路服务器之间的融合策略，进一步提高网络性能。

来源：通信世界网