光突发交换网络中帧结构的研究

郭文君

【摘要】 光突发交换将光电路交换和光分组交换的优势相结合，同时克服二者缺点，成为近年来IP over WDM的一种研究方向。本文针对光突发交换网络的结构和特点在帧结构方面进行了较详细的研究。

【关键词】 OBS 帧结构 JET

突发交换的概念是J.Kulzer于1984年提出的。光突发交换（Optical Burst Switching，OBS）将光电路交换和光分组交换的优势相结合，同时克服二者缺点，不失为一种适合当今全光网的合适的实现方式。其根本原理是预先发送控制信息进行资源预约，然后再传送突发数据，这样的优势是始终保持数据在光域内，同时减少分组头逐个处理的麻烦。本文通过阐述光突发交换的结构和特点详细分析了适应OBS网络的帧结构设计。

一、OBS网络的结构和特点

光突发交换网络中主要有两种类型节点：核心节点和边缘节点。核心节点只需在电域处理控制信令，完成突发数据的转发与交换；边缘节点负责突发数据分组的重组、分类，并提供业务接口。

OBS网络的基本特点是分离控制、数据信道，网络中传送的分组也分为控制分组和数据分组。工作机制：一个突发数据分组对应一个控制分组，在传送突发包前先发出控制分组，由控制分组去预约空闲信道，以动态分配数据信道带宽资源。优势：控制、数据信道的隔离，突发包的粒度等降低了对光子器件和核心节点的复杂度；控制分组长度非常短，使高速处理得以实现；由于提前预约资源，减少了核心节点缓存使用率，因此实现成本相对较低。OBS网络更适用于承载大业务量的骨干网。OBS网络中，边缘节点相对更为重要，因为其需要完成业务适配、协议转换、数据分组的分类汇集和交换、突发分组的成帧和拆卸等等，只有掌握了边缘节点的特性才能更好地研究OBS网络帧结构。

二、OBS预留机制简介

设计OBS网络帧结构，首先要确定使用何种预留机制。如前文所述，OBS网络控制的特点是分离控制、延迟发送。

根据带宽预留方式可分为Tell and Go（TAG）和Tell and Wait（TAW）两种。TAG和TAW的区别是，突发包的传送是否需要等待预留请求的应答信号，很明显的，TAG方式不需要等待应答信号返回即发出，而TAW则需等待应答信号返回后再发出。由于TAG方式更适合符合IP业务的流量突发特性，因此OBS网络一般都采用这种资源预留方式。

基于TAG的资源预留方式按确定预留信道时间的方式分两类：一类在突发数据分组尾部插入带内突发标志标示结束，如Just-In-Time（JIT）协议；另一类在突发控制分组中增加突发数据长度位进行资源预留。另外，在进行资源预留时，如果考虑每个突发数据分组的到达和离开节点的时间，则在一定程度上可以提高资源带宽利用率。比如第一个和第二个预留突发数据分组的时间间隔正好适合第三个突发数据分组，则第三个突发就可以被成功预留，其中的典型方案就是Just-Enough-Time（JET）协议。[1、2]

在大部分有关OBS网络的研究和实验中都是以JET协议为选定预留机制的。虽然这个协议中所有被成功预留资源的突发数据分组，其状态信息既包含开始时间又包含结束时间，令OBS网络变得相对复杂，但它具有以下几方面优势：

1、机制介绍中可明显看出JET协议方式的带宽利用率更高；

2、从单个节点的阻塞率仿真结果看，随着网络负荷的增大，JET协议的丢包率远低于JET协议；

3、更重要的一点，JET方式可支持QoS保证。

因此本文将基于JET协议设计OBS网络的帧结构。

三、OBS网络帧结构设计详解

本文将遵循以太网的帧结构进行OBS网络突发数据帧和突发控制帧结构的设计。

3.1数据帧结构

首先，考虑数据在系统中可能产生的延迟，帧首尾应加入类似以太网中帧间隙的保护带，可有效避免影响帧的其余部分。我们知道，一个突发帧中的所有MAC帧都传向同一目的节点，到达目的节点时各帧的时钟相位和振幅都相同，因此MAC帧96比特的间隔可以去掉，从而提高网络传输效率。我们将OBS突发帧的保护带与以太网帧设定一致，分为两部分，即每部分6字节分别加在突发帧的头尾。保护带中不发送任何字符，只是留出一段空字节。

OBS网络数据帧借鉴以太网的8/10编码方案，为保证节点在重要数据来之前同步输入的数据流，我们设置同步带，同时可为节点提取时钟。

前导码沿用以太网中的“1010”序列。

1字节最后两位为“11”的“1010”序列才真正标示突发帧的开始。

1字节表示插入净荷的类型。

为方便接收端的接收和数据部分的识别，我们设计了帧长度位。由于突发帧是几十到几百k字节，至少要用17位二进制序列表示，本文设定其为3字节。

用一个净荷偏置位标示数据帧净荷部分的开始。

边缘节点处收集的数据分组，透明地填入帧的数据部分，即是分组净荷。

为了接收端节点能够透明地处理这些净荷，应该设置一个记录IP分组数目的位。我们知道IP数据分组大小为64-1518字节，分组的个数最大可以有几万，因此至少要用14位二进制序列表示，本文设定其为2字节。每个IP数据分组长度要用9-15位二进制序列表示，本文设定其为2字节。

为区分原每一个IP分组，还要将各分组的长度信息分别表示。

接下来要把每个分组净荷无间隙地填入帧里。

为显示突发交换的优势，同时考虑网络的宽带利用率等，还要规定突发帧的最小帧长。如果在一定组合突发帧的时间内得到的包较小，需要填充一定的比特位，大小为最小帧长与突发帧长度的差。

另外还要考虑长连“0”和长连“1”的情况，因为这可能影响接收，需要采用自同步扰码技术（需说明：保护带、前导码不需要扰码）。

校验和采用32位的CRC码。

综上所述，OBS中JET协议下的数据分组帧格式用下图所示。

3.2控制帧结构

OBS网络与基于IP路由的分组交换除了在控制头与数据的分离上存在区别外，其余原理基本相同。所以，控制帧设计仍借鉴IP分组交换中的分组头元设计，但需要将资源预留的方式突显出来，也就是说需要设定详细的资源预留时间段信息。

设计控制帧需注意以下两点：

1、需要精确确定各节点的资源预留时间段。由于在全网进行时间统一是一件非常困难的事情，在JET协议中引入偏置时间量来确定控制帧和突发数据之间的时序关系，由于交换机端口竞争的存在，以及信令处理能力的差异引入的心领延时不确定性在节点的累积效应，会造成信令和数据的时序紊乱。为了保证控制帧和数据帧之间的精确时差，当控制帧达到交换节点时，应立即贴上交换节点的本地时间标记，直至完成资源预约。处理完控制帧的资源预约请求后，通过与本地时间比对得到处理延时时间Δt，写入控制帧偏置时间位，并转发至下一节点。

2、需要设置好路由信息和QoS的偏置时间。JET协议的路由在发起控制帧的边缘节点处就要确定一条完整的源地址到目的地址的通路，本文不再详细讨论。

根据前文数据帧结构的设计步骤和方法，我们来看控制帧。

保护带、同步带的设置和数据帧相同，不再赘述。

协议类型、协议版本、数据类型如考虑网络的可扩展性和兼容性，本文均设定1字节来表示。

源地址和目的地址分别是发送端边缘节点和接收端边缘节点。

帧长度记录了数据帧的长度，由于最大的数据帧设定为1000kbit，所以帧长用3字节表示，以作预定资源的时间之用。

偏置时间是控制帧和数据帧发送的偏差时间。

服务质量用3bit足够，可将服务质量分为8类，但要设定1字节来表示。

信道标识是用来记录该控制帧所占用的波长信息。

用来选择通过的路由记录在路由信息位。

校验和负责对从前导码到路由的检错，仍采用32位CRC码。

综上所述，控制帧结构如下图所示。

结语：本文提出了OBS网络JET协议下的控制帧和数据帧结构，并对其结构中每一部分的内容、大小和意义进行了阐述，希望为其他研究者提供一定的帮助。

参 考 文 献

[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.