光突發(fā)交換(Optical Burst Switching, OBS)

光突發(fā)交換(Optical Burst Switching, OBS)是近年來(lái)提出的一種新技術(shù)，它使用的帶寬粒度介于光電路交換和光分組交換之間，在獨(dú)立的信道上傳送控制分組，通過(guò)控制分組攜帶的信息在經(jīng)過(guò)的核心節(jié)點(diǎn)上為突發(fā)包預(yù)留資源，突發(fā)包則在光域以直通的形式通過(guò)整個(gè)OBS網(wǎng)絡(luò)。核心節(jié)點(diǎn)只需對(duì)控制分組進(jìn)行E/O/E轉(zhuǎn)換和處理，這樣就克服了光電路交換中的交換瓶頸，提高了帶寬利用率，且比光分組交換更易于實(shí)現(xiàn)，可以說(shuō)是兩者之間的平衡選擇。

突發(fā)包的組裝是OBS的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，直接影響到OBS的性能。它的核心是組裝算法的選擇和實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1]中提出了幾種算法，并比較了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中算法C——最小突發(fā)長(zhǎng)度最大匯聚時(shí)間(Min-Burst-Max-Assembly-Period, MBMAP)—— 兼顧了包長(zhǎng)和組裝時(shí)間兩個(gè)參數(shù)，既能有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，又避免了大的網(wǎng)絡(luò)延遲，是一種較為優(yōu)越的算法。

1 突發(fā)包格式
突發(fā)包是OBS網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧?，它是由一些具有相同屬?如QoS等級(jí)、目的節(jié)點(diǎn)地址等)的IP分組組成的[2]。每個(gè)突發(fā)包配有一個(gè)控制分組(Burst Control Packet, BCP)，它先于突發(fā)包發(fā)送，其中攜帶了突發(fā)包的一些信息(如長(zhǎng)度、目的邊緣節(jié)點(diǎn)地址等)，用來(lái)在經(jīng)過(guò)的核心節(jié)點(diǎn)為突發(fā)包預(yù)留資源，經(jīng)過(guò)一個(gè)偏置時(shí)間后再發(fā)送突發(fā)包，有效載荷就能以直通的形式在光域傳輸，從而減小了核心節(jié)點(diǎn)E/O/E轉(zhuǎn)換和電域處理的負(fù)擔(dān)。
關(guān)于突發(fā)包的格式，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本文中所討論的格式如圖1所示。

圖1 突發(fā)包格式
圖中BT為突發(fā)包類(lèi)型，NOP為突發(fā)包中包含的IP分組數(shù)， Payload為凈荷，BL為凈荷長(zhǎng)度。突發(fā)包類(lèi)型按照其中IP分組的QoS等級(jí)和目的邊緣節(jié)點(diǎn)的地址分類(lèi)。設(shè)有M種優(yōu)先級(jí)，N個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)，那么對(duì)任意一個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)中形成的突發(fā)包，其目的邊緣節(jié)點(diǎn)地址都有N?1種可能，于是在每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)中組裝的突發(fā)包共有M×(N?1)種。

2 突發(fā)包的匯聚和組裝

MBMAP算法的基本思想是，當(dāng)累積IP分組的長(zhǎng)度超過(guò)設(shè)定的最小突發(fā)長(zhǎng)度MBL或者匯聚時(shí)間超過(guò)時(shí)，發(fā)出一個(gè)控制分組，經(jīng)偏置時(shí)間offset time后，發(fā)送突發(fā)包。下面討論該算法的實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 共享緩存
按照前面的假定，每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)都有M×(N?1)種類(lèi)型的突發(fā)包，如果為每種類(lèi)型的突發(fā)包單獨(dú)分配一個(gè)緩存，那么隨著M與N的增大，需要的緩存容量將會(huì)急劇增加；另一方面，由于到達(dá)邊緣節(jié)點(diǎn)的IP分組類(lèi)型的隨機(jī)性，任意時(shí)刻都可能有部分緩存閑置，而另一部分緩存則因負(fù)擔(dān)過(guò)重而有可能丟失數(shù)據(jù)。這樣一來(lái)，既降低了網(wǎng)絡(luò)的性能，又浪費(fèi)了大量的資源。
為了改善網(wǎng)絡(luò)性能并提高緩存資源的利用率，可以采用共享緩存的辦法[3]?；舅枷胧?，將每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)的緩存數(shù)目配置為K個(gè)(其中K為小于M×(N?1)的正整數(shù))，當(dāng)有一個(gè)IP分組到達(dá)時(shí)，交換矩陣根據(jù)其類(lèi)型和當(dāng)前各緩存的狀態(tài)決定將其發(fā)往哪個(gè)緩存，如圖2所示。線(xiàn)卡是OBS邊緣節(jié)點(diǎn)與外部以太網(wǎng)的接口。交換矩陣前配置緩存是為了便于交換矩陣識(shí)別IP分組的頭信息和實(shí)現(xiàn)線(xiàn)卡與匯聚緩存之間的速率匹配。
采用動(dòng)態(tài)緩存的做法需要為每個(gè)匯聚緩存打上一個(gè)動(dòng)態(tài)的標(biāo)記，用以表明每個(gè)緩存當(dāng)前的狀態(tài)是空或是有某種類(lèi)型的突發(fā)包正在該緩存中組裝。當(dāng)有一個(gè)IP分組到達(dá)時(shí)，交換矩陣輪詢(xún)當(dāng)前各匯聚緩存的狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)某個(gè)緩存中待組裝的突發(fā)隊(duì)列與當(dāng)前IP分組類(lèi)型一致時(shí)，就將分組送到該隊(duì)列中；若沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相匹配的突發(fā)隊(duì)列，則將該IP分組送入一個(gè)空閑緩存中，啟動(dòng)一個(gè)新的突發(fā)包組裝隊(duì)列，同時(shí)將該緩存打上相應(yīng)的標(biāo)記。由于交換矩陣前面的緩存與后面的突發(fā)匯聚緩存不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，各時(shí)刻同一匯聚緩存中突發(fā)包的類(lèi)型也不確定，所以就加大了交換矩陣和后級(jí)發(fā)送模塊輪詢(xún)算法的復(fù)雜性。

圖2 共享緩存實(shí)現(xiàn)示意圖

2.2 匯聚算法
本文針對(duì)MBMAP算法具體實(shí)現(xiàn)中的問(wèn)題對(duì)文獻(xiàn)[1]中描述的MBMAP算法作了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。設(shè)BLi為當(dāng)前隊(duì)列中正在組裝的第i類(lèi)突發(fā)隊(duì)列的長(zhǎng)度，PLi為當(dāng)前到達(dá)的IP分組的長(zhǎng)度，ti為計(jì)時(shí)器的當(dāng)前值，T為計(jì)時(shí)門(mén)限。當(dāng)有一個(gè)第i種類(lèi)型的IP分組到達(dá)時(shí)，組裝算法的描述如下：
Event::Packet arrive(i)
if (BLi = 0) then
Beginning the timer；
Set the flag of the queue；
end if；
BLi = BLi + PLi；
if (BLi > MBL or ti > T) then
Generate a sending request；
Modify the flag of the queue；
end if；
Assemble the packet to the queue；
Event::received response(i)
Read out the burst；
Clear and stop the timer；
Clear the flag of the queue；
BLi = 0；
Event::time out
if (no writing presently) then
Generate a sending request；
Modify the flag of the queue；
end if；
圖3是算法實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。其中各狀態(tài)的含義為：idle 代表緩存為空；writeIP代表某IP分組正在寫(xiě)入隊(duì)列中；timerun代表計(jì)時(shí)器運(yùn)行中；wait代表等待發(fā)送模塊響應(yīng)；con_write代表發(fā)出請(qǐng)求后正在往隊(duì)列中寫(xiě)入最后一個(gè)IP分組；wr_rd代表最后一個(gè)IP分組未寫(xiě)完時(shí)收到發(fā)送模塊的響應(yīng)，在寫(xiě)最后一個(gè)IP分組的同時(shí)讀出突發(fā)包；readBurst代表讀出突發(fā)包。

圖3 組裝算法狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
圖中有“分組寫(xiě)完”注解的三處，“分組寫(xiě)完”為轉(zhuǎn)移條件，狀態(tài)機(jī)沒(méi)有輸出或輸出維持不變；其余注解處，橫線(xiàn)上方的內(nèi)容為轉(zhuǎn)移條件，下方的內(nèi)容為狀態(tài)機(jī)輸出。上電時(shí)的初始狀態(tài)為idle。圖中需要說(shuō)明的兩點(diǎn)是：
1) 向后級(jí)發(fā)送模塊發(fā)出的請(qǐng)求并不是最后發(fā)送的控制分組，僅僅是包含控制分組所需的信息。發(fā)送模塊檢測(cè)到請(qǐng)求時(shí)先將這些信息存儲(chǔ)起來(lái)，待檢測(cè)到發(fā)送端口有空時(shí)，根據(jù)請(qǐng)求中的信息組裝好BHP發(fā)送出去，再經(jīng)過(guò)一個(gè)偏置時(shí)間后讀出并發(fā)送突發(fā)包。因?yàn)锽HP中需要攜帶偏置時(shí)間信息，所以必須等到能夠確定偏置時(shí)間值時(shí)才能組裝好并發(fā)送。
2) 由于包頭信息中的NOP和BL都是在最后才能確定，為了方便數(shù)據(jù)讀寫(xiě)指針的控制，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)匯聚緩存，都另外設(shè)置一組寄存器，用于存放最后形成的包頭。在收到后級(jí)發(fā)送模塊的讀信號(hào)時(shí)，使用一個(gè)兩路的選擇器，先送出包頭，緊接著送出匯聚緩存中的凈荷(Payload)。

OBS邊緣節(jié)點(diǎn)中突發(fā)包組裝算法的實(shí)現(xiàn)