光突發交換(Optical Burst Switching, OBS)

光突發交換(Optical Burst Switching, OBS)是近年來提出的一種新技術，它使用的帶寬粒度介于光電路交換和光分組交換之間，在獨立的信道上傳送控制分組，通過控制分組攜帶的信息在經過的核心節點上為突發包預留資源，突發包則在光域以直通的形式通過整個OBS網絡。核心節點只需對控制分組進行E/O/E轉換和處理，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現，可以說是兩者之間的平衡選擇。

突發包的組裝是OBS的一項關鍵技術，直接影響到OBS的性能。它的核心是組裝算法的選擇和實現。文獻[1]中提出了幾種算法，并比較了它們各自的優缺點，其中算法C——最小突發長度最大匯聚時間(Min-Burst-Max-Assembly-Period, MBMAP)—— 兼顧了包長和組裝時間兩個參數，既能有效地利用網絡帶寬，又避免了大的網絡延遲，是一種較為優越的算法。

1 突發包格式
突發包是OBS網絡中數據傳輸的基本單元，它是由一些具有相同屬性(如QoS等級、目的節點地址等)的IP分組組成的[2]。每個突發包配有一個控制分組(Burst Control Packet, BCP)，它先于突發包發送，其中攜帶了突發包的一些信息(如長度、目的邊緣節點地址等)，用來在經過的核心節點為突發包預留資源，經過一個偏置時間后再發送突發包，有效載荷就能以直通的形式在光域傳輸，從而減小了核心節點E/O/E轉換和電域處理的負擔。
關于突發包的格式，目前還沒有統一的標準，本文中所討論的格式如圖1所示。

圖1 突發包格式
圖中BT為突發包類型，NOP為突發包中包含的IP分組數， Payload為凈荷，BL為凈荷長度。突發包類型按照其中IP分組的QoS等級和目的邊緣節點的地址分類。設有M種優先級，N個邊緣節點，那么對任意一個邊緣節點中形成的突發包，其目的邊緣節點地址都有N?1種可能，于是在每個邊緣節點中組裝的突發包共有M×(N?1)種。

2 突發包的匯聚和組裝

MBMAP算法的基本思想是，當累積IP分組的長度超過設定的最小突發長度MBL或者匯聚時間超過時，發出一個控制分組，經偏置時間offset time后，發送突發包。下面討論該算法的實現方法。

2.1 共享緩存
按照前面的假定，每個邊緣節點都有M×(N?1)種類型的突發包，如果為每種類型的突發包單獨分配一個緩存，那么隨著M與N的增大，需要的緩存容量將會急劇增加；另一方面，由于到達邊緣節點的IP分組類型的隨機性，任意時刻都可能有部分緩存閑置，而另一部分緩存則因負擔過重而有可能丟失數據。這樣一來，既降低了網絡的性能，又浪費了大量的資源。
為了改善網絡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]。基本思想是，將每個邊緣節點的緩存數目配置為K個(其中K為小于M×(N?1)的正整數)，當有一個IP分組到達時，交換矩陣根據其類型和當前各緩存的狀態決定將其發往哪個緩存，如圖2所示。線卡是OBS邊緣節點與外部以太網的接口。交換矩陣前配置緩存是為了便于交換矩陣識別IP分組的頭信息和實現線卡與匯聚緩存之間的速率匹配。
采用動態緩存的做法需要為每個匯聚緩存打上一個動態的標記，用以表明每個緩存當前的狀態是空或是有某種類型的突發包正在該緩存中組裝。當有一個IP分組到達時，交換矩陣輪詢當前各匯聚緩存的狀態，若發現某個緩存中待組裝的突發隊列與當前IP分組類型一致時，就將分組送到該隊列中；若沒有發現相匹配的突發隊列，則將該IP分組送入一個空閑緩存中，啟動一個新的突發包組裝隊列，同時將該緩存打上相應的標記。由于交換矩陣前面的緩存與后面的突發匯聚緩存不是一一對應的關系，各時刻同一匯聚緩存中突發包的類型也不確定，所以就加大了交換矩陣和后級發送模塊輪詢算法的復雜性。

圖2 共享緩存實現示意圖

2.2 匯聚算法
本文針對MBMAP算法具體實現中的問題對文獻[1]中描述的MBMAP算法作了適當的調整。設BLi為當前隊列中正在組裝的第i類突發隊列的長度，PLi為當前到達的IP分組的長度，ti為計時器的當前值，T為計時門限。當有一個第i種類型的IP分組到達時，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是算法實現的狀態轉移圖。其中各狀態的含義為：idle 代表緩存為空；writeIP代表某IP分組正在寫入隊列中；timerun代表計時器運行中；wait代表等待發送模塊響應；con_write代表發出請求后正在往隊列中寫入最后一個IP分組；wr_rd代表最后一個IP分組未寫完時收到發送模塊的響應，在寫最后一個IP分組的同時讀出突發包；readBurst代表讀出突發包。

圖3 組裝算法狀態轉移圖
圖中有“分組寫完”注解的三處，“分組寫完”為轉移條件，狀態機沒有輸出或輸出維持不變；其余注解處，橫線上方的內容為轉移條件，下方的內容為狀態機輸出。上電時的初始狀態為idle。圖中需要說明的兩點是：
1) 向后級發送模塊發出的請求并不是最后發送的控制分組，僅僅是包含控制分組所需的信息。發送模塊檢測到請求時先將這些信息存儲起來，待檢測到發送端口有空時，根據請求中的信息組裝好BHP發送出去，再經過一個偏置時間后讀出并發送突發包。因為BHP中需要攜帶偏置時間信息，所以必須等到能夠確定偏置時間值時才能組裝好并發送。
2) 由于包頭信息中的NOP和BL都是在最后才能確定，為了方便數據讀寫指針的控制，對應于每一個匯聚緩存，都另外設置一組寄存器，用于存放最后形成的包頭。在收到后級發送模塊的讀信號時，使用一個兩路的選擇器，先送出包頭，緊接著送出匯聚緩存中的凈荷(Payload)。

OBS邊緣節點中突發包組裝算法的實現