光突发交换网络中的信令协议概述

中原工学院理学院　李旭红郑州轻工业学院计算机与通信工程学院　袁俊岭中原工学院理学院　杨丽华

光突发交换网络中的信令协议概述

中原工学院理学院李旭红郑州轻工业学院计算机与通信工程学院袁俊岭中原工学院理学院杨丽华

光突发交换（OBS）技术是一种有希望应用于下一代光网络中的全光交换技术方案。信令技术是光突发交换中的一项关键技术，目前学者们已经针对广突发交换网络提出十余种信令协议。为了使读者能够对OBS信令协议进行深入全面的了解，该文对已有的OBS信令协议进行综述，对各种信令协议的性能进行比较。

光突发交换（OBS）；信令；资源预留

0　引言

在传统的光网络中，当光信号到达一个节点时，该节点首先对信号进行“光-电”转换，在电域内对数据进行交换后，再对数据进行“电-光”转换，然后将光信号发往下一个节点。随着波分复用（wavelength division multiplexing，WDM）技术的发展和应用，光网络中链路的传输容量日益增大，传统的经过“光-电-光”转换的交换方式已经无法满足需求，成为网络中的电子瓶颈。鉴于此，学者们提出了全光交换的概念，即节点直接在光域内对信号进行交换和转发。

常见的全光交换方案有三种［1］：光电路交换（optical circuit switching，OCS），光分组交换（optical packet switching，OPS）和光突发交换（optical burst switching，OBS）。在OCS方案中，在端到端之间建立光路（light-path），提供面向连接的通信服务；即使光路上没有数据传输，该光路也不能被其他业务使用，信道利用率较低。在OPS方案中，数据以光分组的形式在信道上传输，可以实现信道的统计复用，信道利用率高；但是，在对光分组头进行处理时，需要用到目前还不存在的光逻辑器件和目前技术还不成熟的光缓存器，短时间内实现的可能性较小。在OBS方案中，既可以实现对信道的统计复用，又不需要光逻辑器件，对光缓存器的需求也有所降低，故此，它是一种有希望应用于下一代光网络中的全光交换方案。

光突发交换的概念最早是由Qiao和Yoo［2］在1999年提出的。OBS有两个重要的特点：一是控制信道和数据信道分离（相比于OPS），二是对数据信道的统计复用（相比于OCS）。在OBS网络中一般采用波分复用的传输方式，且总是将其中的一个波长作为控制信道，剩余的波长作为数据信道。其基本工作原理为：来自接入网的数据（如IP包、ATM信元等）在源节点处汇聚为突发包（data burst）；源节点在控制信道上发出一个控制包，即BHP（burst header packet），为突发包预留数据信道上的带宽资源（主要指数据信道上的时间段）；经过预先确定的偏置时间后（在单向信令中），或者收到来自目的节点的预留成功通告后（在双向信令中），源节点将突发包在数据信道上发出。

信令技术是OBS中的一项核心技术，它对网络的丢包率和端到端时延等特性起着决定性的作用。目前，学者们已经提出了十余种OBS信令协议。为了使读者对OBS信令协议得到更加全面和深入的了解，本文将介绍这些信令协议，并比较它们的性能以及实现的复杂程度。

1　OBS信令协议分类

OBS信令协议的分类方式常见的四种分类方式。

1.1单向信令和双向信令

根据控制包的传输方式的不同，可以将OBS信令协议分为单向信令协议（one-way signaling）和双向信令协议（two-way signaling）。

在单向信令协议中采用无保证（unguar-anteed）的传输方式。源节点在发出BHP之后，不等待来自目的节点的预留结果通告，经过一段时间后就将突发包在数据信道发出。即，在预留过程中，只有从源节点到目的节点单向的控制包。

在双向信令中采用有保证（guaranteed）的传输方式。源节点在发出BHP之后，等待来自目的节点的预留结果通告（ACK，acknowledgment），只有当收到成功预留通告后才将突发包发出。即，在预留过程中，既有源节点发往目的节点的控制包（BHP），也有从目的节点发往源节点的控制包（ACK）。

1.2前向预留和后向预留

根据带宽资源预留的方向不同，可以将OBS信令协议分为前向预留协议（forward reservation）和后向预留协议（backward reservation）。

在前向预留协议中，带宽资源的预留顺序是从源节点到目的节点，即预留方向跟突发包的传输方向相同。

在后向预留协议中，资源的预留顺序是从目的节点到源节点，即预留方向跟突发包的传输方向相反。

1.3立即配置和延迟配置

根据光开关的配置时机不同，OBS信令协议可分为立即配置（immediately configure-ed）协议和延迟配置（delay-configured）协议［3］。

在立即配置的信令协议中，当节点从控制包中得到突发包的带宽申请后，立即配置光开关为突发包预留带宽资源。在突发包与控制包间一般存在一段空闲时间段，此段空闲时间段不允许被其它突发包使用。

在延迟配置的信令协议中，当节点接收到预留申请时，只是将突发包所申请的时间段标示为已预留，而并不立即配置光开关；只有当突发包到达时才配置光开关。故此，突发包和控制包间的空闲时间段可以被其它突发包使用。

1.4显式释放和隐式释放

根据对完成突发包传输后信道的释放方式不同，OBS信令协议可分为显式释放（explicitly released）协议和隐式释放（implicitly released）协议［3］。

在显示释放的信令协议中，在使用完信道资源后，源节点发送一个控制包来释放之前占用的信道资源。由于节点在读取控制包时会产生处理时延，在后续节点处不能及时释放使用后的信道资源，从而造成带宽资源的浪费。

在隐式释放的信令协议中，BHP中包含突发包的到达时刻和长度信息，节点在通过这些信息计算出突发包的离开时刻，并在这一时刻释放所占用的信道资源。隐式释放协议在突发包离开后能够立即释放它所占用的信道资源，故此其信道利用率比显示释放协议要高。

2　几种OBS信令协议

本节以信令的传输方式为基础，对已有的OBS信令协议进行分类介绍。在对所有信令协议的描述中，只介绍预留成功时的情形，而不介绍预留失败时所采取的补救措施。

2.1单向信令协议

由于单向信令协议中只存在由源节点发往目的节点的控制包，故此所有的单向信令协议均采用前向预留的方式。

2.1.1TAG协议

TAG（tell-and-go）协议是Widjaja在1995年为ATM网络设计的信令协议［4］，在OBS的概念提出后被移植到了OBS网络。在该协议中采用立即配置和隐式释放的工作方式。其工作流程为：突发包汇聚完成后，源节点首先在控制信道上发出一个BHP为突发包预留资源，紧接着就将突发包在数据信道上发出；由于中间节点在处理BHP时存在时延，故此在每一个中间节点都需要使用光纤延迟线（fiber delay line，FDL）对突发包进行延迟；突发包通过后节点直接释放占用的资源。由于需要使用光纤延迟线，该协议增加了OBS节点的结构复杂度。

2.1.2JIT协议

Wei和McFarland在2000年提出了OBS网络中的JIT（Just-intime）协议［5］。JIT是一种立即配置和显示释放的单向信令协议。其工作流程为：突发包汇聚完成后，源节点首先在控制信道上发出一个包含所申请预留的波长的BHP；中间节点收到BHP后，读取所申请的波长信息，并立即配置光开关为突发包预留该波长信道；经过预先设定的偏置时间后，源节点将突发包从数据信道上发出；源节点紧接着发出一个控制包来释放突发包占用的信道资源；中间节点在突发包经过后并不立即释放它所占用的波长，只有当接收到释放资源的控制包后才释放信道资源。

2.1.3E-JIT协议

2007年，Rodrigues等人提出了JIT协议的一个改进方案，称为Enhanced-JIT（E-JIT）［6］。该方案对JIT进行了两处修改：第一，将JIT中的释放方式由显式释放改为隐式释放；第二，在预留失败时，由预留失败节点向源节点发送控制包对已预留资源进行显示释放。与JIT协议相比，该改进方案可以增加信道利用率，但实现过程略比JIT协议复杂。

2.1.4JET协议

JET（Just-enough-time）协议是Yoo和Qiao在1997年提出的［7］。它采用延迟配置和隐式释放的工作方式。其工作流程为：突发包汇聚完成后，源节点在控制信道上发出一个BHP，该BHP包含突发包申请的波长、突发包的长度、以及突发包的偏置时间等信息；中间节点在收到BHP后，根据偏置时间计算突发包的第一个比特到达该节点的时刻tarrive，再根据长度计算突发包的最后一个比特离开该节点的时刻tleave；中间节点更新偏置时间（减去BHP在本节点处的处理时延）后，将BHP发往下一个节点；中间节点为突发包预留指定波长上的时间段（tarrive，tleave），但只有到突发包的到达时刻才配置光开关；中间节点在突发包的离开时刻立即释放信道资源。

2.1.5基于预测的JET协议

2003年，Liu等人提出了一个基于预测的JET（P-JET）协议［8］。在该协议中，突发包的汇聚采用基于时间阈值的方法，即，当第一个数据包的等待时间等于时间阈值时，将该段时间内到达的所有数据包封装为一个突发包。在该协议中，当第一个数据包到达时，源节点利用一个线性预测器（Linear predictive filter）对该段时间内到达数据量进行预测。在JET中BHP必须在突发包汇聚完成后才能发出，而在此协议中BHP在第一个数据包到达时就可以发出。假设在JET中第一个数据包的到达时刻为t0，突发包汇聚的时间阈值为Tth，突发包与BHP之间的偏置时刻为Toffset，则突发包的发出时间为t0+Tth+Toffset；而在基于预测的JET协议中，由于BHP在突发包完成汇聚之前已经发出，偏置时间与汇聚时间相重叠，突发包的发出时刻为。

2.1.6快速预留协议

受到Liu等人的基于预测的JET协议的启发，Seklou和Varvarigos在2008年提出了另一个基于预测的JET协议，称为快速预留（Fast Reservation，FR）协议［9］。在该协议中，突发包的汇聚同时考虑时间阈值和长度阈值，即，当第一个数据包的等待时间等于时间阈值，或者总数据量大于等于长度阈值时，将到达的数据封装为一个突发包。在该协议中，当第一个数据包到达时，使用两个最小均方值预测器（Least mean squares filter）分别对突发包的汇聚时间和汇聚长度进行预测。FR协议可以进一步降低JET协议中数据包的等待时延。

2.2双向信令协议

在双向信令中，既有源节点发往目的节点的控制包，又有目的节点返回源节点的控制包。预留方向可以是前向预留，也可以是后向预留。

2.2.1TAW协议

TAW（tell-and-wait）是Widjaja在1995年为ATM网络设计另一个信令协议［4］，也被移植到了OBS网络中。TAW采用前向预留的方式。在OBS网络中，TAW协议采用立即配置和显式释放的工作方式。其工作流程为：突发包汇聚完成后，源节点在控制信道上发出一个包含所申请波长的BHP；中间节点收到BHP后为突发包预留信道资源，并立即配置光开关；突发包在源节点的缓存中等待；如果预留成功，目的节点返回源节点一个预留成功通告，否则返回一个预留失败通告；当收到预留成功通告时，源节点将突发包在数据信道上发出，否则重新发出一个BHP为该突发包申请信道资源；突发包成功发出后，源节点紧接着在控制信道上发出一个控制包来释放信道资源。

2.2.2DTWR协议

2005年，Vu等人提出了一个名为动态双向预留（dynamic twoway reservation，DTWR）的信令协议［10］。DTWR也采用前向预留的方式。不同于TAW，该协议使用延迟预留和隐式释放的工作方式；另外，中间节点还可以根据信道的忙闲状态对所申请的时间段进行动态调整。其工作流程为：突发包汇聚完成后，源节点在控制信道上发出一个BHP，BHP中记录申请的波长，以及申请时间段的开始时刻和结束时刻；中间节点读取BHP所携带的信息，若所申请的时间段空闲，则预留该时间段（但并不配置光开关）；若所申请的时间段中只有一个片段空闲（或者几个片段空闲），则为突发包预留这个片段（对应地预留最长的那个片段），并更新申请的时间段为该片段；目的节点在收到BHP后，返回一个控制包，告知所有节点（包括源节点）预留时间片的起止时刻（或预留失败）；源节点根据时间片的长度传输相应长度的数据；中间节点在突发包通过之后直接释放信道资源。该协议可以小幅度增加双向协议预留成功的概率，减小数据的等待时延。

2.2.3预订预留机制

2006年，Kong和Phillips给出了一个称为预订预留机制（prebooking reservation mechanism，PRM）的双向信令协议［11］。该协议将延迟配置和隐式释放方法应用于后向预留的双向协议中。其工作流程为：突发包汇聚完成后，源节点发送一个控制包沿途收集链路状态信息；目的节点收到此控制包后，根据收集到的链路状态信息选择一个可用时间段，并返回另一个控制包反向预留该时间段；中间节点在收到预留控制包时，读取时间段的起止时刻并为突发包预订该时间段（但并不配置光开关）；源节点收到预订成功通告后，将突发包在该时间段的开始时刻发出；所有节点在时间段的结束时刻释放信道资源。

2.2.4基于预测的双向协议

2009年，Vlochos和Monoyios提出了一个基于预测的双向信令机制，称为虚拟单向信令（Virtual one-way signaling）［12］。该协议采用前向预留的预留方式，并使用立即配置与隐式释放的工作方式。当第一个数据包到达时，在源节点处用一个最小均方值线性预测器（least mean square linear predictive filter）来预测在控制包的一个往返周期内汇能够汇聚成的突发包长度；BHP无需等待突发包完成汇聚而直接发出，来预留预测长度的时间段。源节点收到来自目的节点的预留成功通告时，若实际突发包长度不大于预测长度，则将突发包发出；否则，只发出等于预测长度的突发包，剩余的数据归入下一次汇聚过程。

2.2.5基于预约的双向预留机制

2012年，Yuan等人提出了一种基于预约的双向预留机制（subscription-based tell-and-wait，S-TAW）［13］，该机制采用前向预留、延迟配置、隐式释放的预留方式。其工作流程为：突发包汇聚完成后，源节点发送一个控制包来为该突发包预留指定波长上的指定时间段，当在某节点处发生预留失败时，该节点立即反向发送一个控制包，用来释放之前预留的时间段，并告知源节点预留失败信息，源节点收到预留失败信息后，在新的波长和时间段上再次发起预留过程。

2.3混合信令

在混合信令机制中，一般既有单向信令机制的特点，又有双向信令机制的特点。

2.3.1 中间节点发起的信令机制

2007年，Vokkarane提出了一种中间节点发起的（intermediate node initiated，INI）信令机制［14］。其工作流程为：突发包汇聚完成后，源节点发送一个控制包统计从源节点到预留发起节点间链路的状态；当此控制包到达预留发起节点时，预留发起节点根据统计的链路信息为突发包选择一个时间段，并同时向源节点和目的节点发出控制包来预留该时间段；节点在收到控制包时，为突发包预留信道资源并立即配置光开关；源节点在收到预留成功通告时将突发包在数据信道上发出；紧接着，源节点发出一个控制包来释放信道资源。可以看出，在INI信令中，从源节点到预留发起节点与后向预留的双向信令相同，从预留发起节点到目的节点与单向信令相同。

2.3.2逆双向信令机制

2012年，Yuan等人提出了一种逆双向信令机制（inverse twoway signaling）［15］，在该信令机制中，目的节点周期性地向源节点发送控制包，用来统计从源节点到目的节点的光路上的链路状态信息；源节点根据该信息为突发包选择波长和时间段，并使用类似于JET的方式发送突发包。可以看出，该信令机制使用单向方式发送突发包，但却逆向使用了双向机制中的链路状态统计机制。

3　信令技术综合比较

上述各种信令协议可以总结为表3-1。

表3-1　现有的OBS信令协议归类

从信令的传输方式来看，由于双向信令采用有保证的传输方式，故此其丢包率要远低于单向信令；但是，由于在双向信令中突发包需要在源节点处等待预留成功通告，其数据的时延要远高于单向信令。

图3-1　OBS信令协议性能的相对关系示意图

从资源的预留方向来看，由于后向预留方式中会首先对链路的状态进行统计，故此后向预留方式的成功概率一般要略高于前向预留方式。

从光开关的配置时机来看，延迟配置在突发包到达时才配置光开关，不会造成带宽资源的浪费，故此其带宽利用率要高于立即配置方式。

从资源的释放方式来看，隐式释放在突发包离开时就立即释放信道资源，其带宽利用率要略高于显式释放方式。

综合上述内容，对于时延和丢包率两个性能参数，可以得到如图3-1所示的OBS信令协议之间的相对关系示意图。

4　结论

选择单向还是双向对OBS信令协议的性能影响最大。资源预留方向、光开关配置时机和信道的释放方式也能对信令协议的性能产生一定的影响。另外，预测机制可以在一定程度上减小数据包的等待时延。

［1］Chen Y，Qiao C，Yu X，Optical burst switching：a new area in optical networking research［J］.IEEE Network，2004，18：16-23.

［2］Qiao C，Yoo M，Optical burst switching（OBS）-a new paradigm for an optical Internet［J］.Journal of High Speed Networks，1999，8：69-84.

［3］Baldine I，Rouskas G，Perros H，Stevenson D，JumpStart：a just-intime signaling architecture for WDM burst-switched networks［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40（2）：82-89.

［4］Widjaja I，Performance analysis of burst admission-control protocols［C］.Communica-tions，IEE Proceedings，1995，142：7-14.

［5］Wei J，McFarland R，Just-in-time signaling for WDM optical burst switching networks［J］.Journal of Lightwave Technology，2000，18：2019-2037.

［6］Rodrigues J，Freire M，Garcia N，Monteiro P，Enhanced justin-time：a new resource reservation protocol for optical burst switching networks［C］.ISC'07，1-4 July 2007.

［7］Yoo M，Qiao C，Just-Enough-Time（JET）：a high speed protocol for bursty traffic in optical networks［C］.Vertical-Cavity Lasers，Technologies for a Global Information Infrastructure，WDM Components Technology，Advanced Semiconductor Lasers and Applications，Gallium Nitride Materials，Processing，11-15 Aug 1997，26-27.

［8］Liu J，Ansari N Ott T，FRR for latency reduction and QoS provisioning in OBS networks［J］.IEEE Journal on Selected Areas in Com munications，2003，21（7）：1210-1219.

［9］Seklou K，Varvarigos E，Fast reservation protocols for latency reduction in optical burst-switched networks based on predictions［C］. ICN'2008，13-18 April 2008.

［10］Vu H，Zalesky A，Zukerman M，Rosberg Z，Guo J，Um T，Delay analysis of optical burst switching networks［C］.ICC'2005，16-20 May 2005.

［11］Kong H，Phillips C，Probooking reservation mechanism for next-generation optical networks［J］.IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2006，12：645-652.

［12］Vlachos K，Monoyios D，A virtual one-way signaling protocol with aggressive resource reservation for improving burst transmission delay［J］.Journal of Lightwave Technology，2009，27：2869-2875.

［13］Yuan J.，Zhou X.，Wang J.，He Y.，A subscription-based twoway signaling for optical burst switched networks［J］.Photonic Network Communications，2013，24（3）：198-209.

［14］Vokkarane V，Intermediate-node-initiation（INI）：a generalized signaling framework for optical burst-switched networks［J］.Optical Switching and Networking，2007，4：20-32.

［15］Yuan J.，Zhou X.，Wang J.，He Y.，Wang K.，Inverse two-way signaling scheme for optical burst switched networks，2012，9（3）：214-223.

李旭红（1980—），女，河南郑州人，硕士，中原工学院理学院讲师，主要研究方向：网络编码技术。

袁俊岭（1980—），男，河南郑州人，博士，郑州轻工业学院计算机与通信工程学院讲师，主要研究方向：光网络技术。

杨丽华（1977—），女，河南郑州人，硕士，中原工学院理学院讲师，主要研究方向：网络编码技术。

国家自然科学基金项目（61501406）；河南省高等学校重点科研项目计划（15A510015）；郑州轻工业学院博士基金项目（2013BSJJ048）支持。