新一代的因特网——光因特网 作者： 雷震洲 杨 然 (邮电部科学技术情报研究所 北京100083)
摘要 光因特网是新一代的因特网,是网络发展的重要动向。本文从为什么会提出光因特网着手，介绍了什么是光因特网，其网络结构和帧结构，还分析了光因特网的好处。
1 从IP over SONET/SDH到IP over DWDM
——为了尽快缓解因特网的带宽压力,1997年下半年推出了IP over SONET/SDH技术，并受到了不少公司青睐。像Sprint、GTE Internetworking这样的著名通信公司以及像UUNet和AOL这样的大型ISP都宣布要建立全国范围的IP over SONET/SDH骨干网，在美国的下一代Internet中也采用了这一技术。但事隔不到一年，美国Sprint和Frontier于1998年8月宣布要建设OC-48的“IP over DWDM”，即光因特网。有120多个成员的加拿大科研、工业、教育促进网(CANARIE)于1998年8月15日宣布要与贝尔加拿大组成财团建设世界上第一个全国性光因特网CA*net3。该网的总投资估计要超过1.2亿美元。1998年加拿大政府预算为该项目拨款5500万美元。CA*net3初期为加拿大的研究院所和大学服务，以支撑加拿大的高科技部门，但最终将用于加拿大全体公民，商用化只是时间问题。参加该项目的公司有Cisco Systems Canada Co.、JDS Fitel、Newbridge Networks Co.和Nortel。由于CA*net3的容量巨大，足以传送多媒体业务，故能开展许多当今其它网上无法开展的医疗、研究、教育和商业应用。加拿大政府已把它视为加拿大下一世纪发展“数字经济”的重要基础。CA*net3是加拿大第三代Internet骨干网。第一代网叫CA*net3是加拿大第三代Internet骨干网。第一代网叫CA*net，为了升级1994年加拿大建了一个国家试验网，是世界上最大的高速ATM网之一；1997年引入了第二代网CA*net2，与美国的Internet2一样，采用ATM和SONET技术。CA*net3则直接在光上运行，取消了ATM和SONET两层电气层，从底层开始就承载IP业务， DWDM光纤上实现光波长链路层连接。由于结构简化，使速度和效率明显提高。CA*net3采用32波长，最高容量为40Gbit/s，超过世界上任何现有因特网的速度，下载2个半小时的电影“泰坦尼克号”只需1/15s。
——为什么第二代网与第三代网之间相隔才不到一年时间呢？这主要是因为因特网业务仍在急剧增长，现每月增长10%左右，每6～9个月翻一番，这意味着到2001年美国需要35Tbit/s的网络容量，加拿大需要3Tbit/s，目前，一些ISP已经在建OC-48IP网，也许用不了多久就需要OC－192或OC-768的IP网。例如，美国的UUnet公司1996年初首建OC-3网，1997年初又建OC-12网，1998年末需建OC-48网，1999年末将建N×OC-48网，每年上一个台阶。用户则开始定购OC-12的IP本地环路，例如MCI已开始连接第一批OC-12用户，Microsoft已定购3×OC-12SONET作因特网接入。而未来的趋势表明IP业务将持续快速增长，因为：随着诸如Inetrnet2和CA*net2（加拿大网）之类第二代网的发展会出现许多新的应用；IP电话可能发展很快；新的经济型无分路器ADSL有可能像现在的调制解调器那样普及，网络容量就须增加100～1000倍;目前尚处于早期阶段的机对机应用（如生物信息传送、IP应用、异地备份、Web缓存、多播馈送、新闻馈送、批处理、数据库同步、电子信箱；将来的应用还包括分布式人类染色体组排序、地－空数据库映射、天体成像、数据库挖掘等）将对网络和带宽提出进一步的要求。预计到2001年，整个北美的数据业务量（主要由因特网业务构成）将超过话音，到2005年话音业务将仅占全部业务的1%。在这种情况下，显而易见，需要更高速、更简单、更灵活、带宽利用更有效的组网技术来解除骨干网的压力。
——如果像预计的那样，在不久的将来，IP业务成为主导业务的话，网络设计针对IP业务进行优化显然是合乎逻辑的。关于什么是传送IP业务的最佳技术，业界是有很大争论的。通信公司通常倾向于用ATM作为公共网络技术，而因特网方面则认为对传送IP最优的网络是最好的解决方法，因为很快一切应用都将安放在IP上。虽然从保证服务质量和良好的业务工程管理来看，ATM很可能是最适合的技术。但如果对大部分因特网业务而言，只是要求提供“尽力”或“保证”传送的服务，那么能提供大容量IP通道的技术可能是最适宜的技术。正好在过去的一年中，WDM、千兆比以太网、千兆比/兆兆比交换选路技术取得了长足进步，为发展光因特网创造了条件。基于WDM光因特网是同时能把IP over ATM和IP over DWDM这两种解决方案纳入一个网络结构的技术。所以，它被一些大公司选作新一代的因特网技术，像一颗新星正在升起。
2 什么是光因特网
——光因特网也叫IP网或IP over DWDM。简言之，直接在光上运行的因特网就是光因特网。在光因特网网中，高性能路由器通过光ADM或WDM耦合器直接连至WDM光纤，光纤内各波长是链路层互连的。高性能路由器取代传统的基于电路交换概念的ATM和SONET/SDH电交换与复用设备(见图1)，成为关键的统计复用设备，用作主要的交换/选路设备，由它控制波长接入、交换、选路和保护。因此，光因特网是一个真正的链路层数据网，可以通过指定波长作旁路或直通连接，网络的业务工程（traffic engineering）可以只在IP层完成。由于使用了指定的波长，在结构上将更加灵活，并具有向光交换和全光选路结构转移的可能。高密度WDM系统使我们能对电信业务进行光复用，一部分波长被指定用于高带宽IP光网，即IP over WDM，它可能用于高业务量的“尽力”传送的机对机业务；另一部分波长被指定用于ATM光网，即IP over ATM，它可能用来支持VPN和执行重要任务的IP网；还有一部分波长则被指定用于传统的SONET/SDH业务，即IP over SONET/SDH，它可能用来集中和传送传统的IP网业务。光复用网的吸引力在于通信公司可以基于用户的特定需求向用户提供一整套服务和协议。
——构成光因特网的网元包括：光纤、激光器、EDFA、光耦合器、电再生中继器、转发器、光分插复用器、交叉连接器与交换机。非零色散偏移光纤（NZDSF）最适宜WDM，因其色度色散的非线性效应小。高性能激光是WDM系统中最贵的器件。EDFA多数都是宽带的，能同时放大WDM的所有波长，因对平坦增益的要求很高，在经过6个左右光放大器之后就需要做一次电放大。所以，在OC-48速率，光跨度可达400km,在OC-192可达250km。光耦合器是用来把各波长组合在一起和分解开来的，起到复用和去复用的作用。在长途WDM系统中需要电再生中继器，再生分三级：R1、R2、R3。R1再生是数据透明的，并对脉冲重新成形；R2再生对脉冲重新成形，对时钟重新定位；R3现生对数据分组重新形成格式。转发器用来变换来自路由器或其它设备的光信号，并产生要插入光耦合器的正确波长光信号。光分插复用器、光交叉连接设备在长途WDM系统中被广泛使用。光交换机可以使ADM和交叉连接设备作动态配置。
——图2是光因特网的基本结构。光纤直接连光耦合器，耦合器把各波长分开或组合，其输入输出都是简单的光纤连接器，把原波长内的数据送给SONET/SDH设备或高性能路由器。光因特网最大的优点之一是可以适应IP数据业务的不对称性，不同波长上的数据速率可以不同。另一特点是光纤环的两侧都能使用，使路由可获得全部带宽，在传大突发数据时就不需要缓存，也不会有分组丢失，只有当光纤断裂时才会发生分组丢失。网内有工作光纤和保护光纤，保护光纤中的闲带宽在业务高峰时也可用来传数据，不会引入抖动、时延或分组丢失。恢复工作在IP层而不在物理层上完成。在光纤断裂，对抖动和时延敏感的实时业务可给以高的优先级。使用工作光纤和保护光纤的另一优点是可以建立“直通”或“旁路”波长。
——由于长途WDM系统的造价高，故在业务量达到足够高之前可以使用混合光因特网，以节省成本。大业务量的数据在光链路上送，小业务量的数据在ATM PVC或SONET/SDH OC-x上送。或者两中心节点之间的大业务量数据在WDM波长上送，ATM PVC或SONET/SDH OC-x则用于光纤断裂时的业务恢复。
3 光因特网的好处
——首先，光因特网与ATM相比，ATM网在综合传送各种业务时是最优的，但对IP业务而言，ATM不是最优的。ATM 在网络工程设计方面有高度灵活性，易于支持VPN和各种服务类别；ATM在业务工程方面也有很强的能力，它允许我们为不同的业务类型建立“清晰”的通道，根据业务负荷、拥塞及其它情况提供各种链路，但付出的代价是复杂性。ATM的另一不利因素是由于SVC建立时间长而损失了带宽利用率。因为SVC的建立时间比网络转接时间长，在其建立时间内要在SVC上传送的数据必须缓存到SVC建立之后，故在此期间即使网上有容量，也无法用来传数据。随着带宽越来大，SVC建立时间所代表的空闲带宽也就越大，甚至超过了原来要传的数据量。
——因此，如与兆兆比路由器相比，ATM过于复杂，在吞吐量方面又没有特别改善，那么在大型骨干网中IP over ATM over WDM就没有优势了。如果主导业务是IP，那么ATM网只能增加复杂性，使网络提供者在管理方面增加成本。然而，直接把路由器和WDM光纤相连的光因特网却变得更有利了。
——光因特网与SONET/SDH相比，SONET/SDH的一大优点是它的恢复能力,但需复杂的链路管理。在光因特网中，SONET/SDH层中的复杂链路管理就未必需要。因为保护和恢复能力是因特网固有的分布式存活能力的一部分，因此如果IP层能单独承担存活能力，就不需要在因特网结构底下再设一层存活能力。另外，当初开发SONET/SDH网的一个原意是使整个网络同步，更加牢靠。现在利用GPS也能经济地达到同步目的。而且随着IP技术的渗透，网络变得越来越能容忍定时差错，因此可以省去SONET/SDH这一中间层。在光因特网中，让路由器直接与WDM波长相连有一很大的优点，即路由器可在光纤环两侧使用几个波长，对IP业务进行负荷分担，有可能使因特网链路的带宽利用率加倍，而增加的成本很少。万一光纤断路，可以把IP业务放到一条能用的光纤上去送，或者放到另一完全不同的路径上去重新选路。由于因特网数据具有自相似性，故光纤断裂的后果在数据网环境下不如在传统电信网环境下严重，可以通过流量控制、缓存和重新选路等技术来加以补偿。
——此外，在光因特网中，路由器可以建立不对称的收发波长，来平衡出入网络的业务。SONET/SDH网在设计时总是考虑收发业务是平衡的，因此对不对称业务流它不是最优的。
与基于电路交换的WDM光交换相比，在光因特网中，处于网络边缘的路由器，而不是处于网络核心的光交换设备将成为对分组进行选路和交换的主要智能设备。所以将来引入光交换时不必使用过于复杂的交换技术，可缩短光电路的建立时间，网络管理也相对简单。
4 光因特网的帧结构
——光因特网既可以用SONET/SDH的帧结构，也可以用千兆比以太网的帧结构。由于长途WDM波长每200km～500km需进行一次电再生，目前大部分再生设备都采用SONET/SDH帧结构。如果网络内使用SONET/SDH再生设备和转发器，那么来自路由器的IP分组必须装放SONET/SDH帧内。
——SONET/SDH帧结构的一大优点是在它的报头内载有信令和网络管理信息。网络管理信息对长途WDM系统是很重要的，尤其是在有很多电和光再生器时，它能使我们很快地对网络故障进行论断和定位，但开销也很大。如果把这些功能做入IP选路设备，开销就能减小。
——SONET/SDH帧有它的局限性。SONET/SDH帧是基于8kHz话音同步取样的，并含有报头信息。此外，IP分组可以映射到两个或更多个SONET/SDH帧内，也可以多个IP分组映射到一个SONET/SDH帧内，取决于IP分组的大小。因此，在路由器接口上SONET/SDH帧的SAR(Segmentation Assembly and Reassembly)处理是非常耗时的，使吞吐量和性能受到影响。许多公司现正在制定一种新的帧结构标准，称作“Fast-IP”或“Slim SONET/SDH”，它提供SONET/SDH帧的许多功能，但在报头位置和如何使帧大小与分组大小匹配方面使用了更新的技术。SONET/SDH帧结构的最大缺点是SONET/SDH转发器和再生器目前很贵。
——另一选择是使用千兆比以太网的帧结构。它虽没有像SONET/SDH那样多的网络状态信息，但它成本低，大多数计算机局域网都使用这样的帧，故很有吸引力。因用的是“异步”协议，故对向抖动和定时不像SONET/SDH那样敏感，只要控制好，就不会有明显的分组丢失。
——使用千兆比以太网帧的另一优点是它与两端主机的帧结构相同，就不需要把数据重新映射到其它传送协议（如SONET/SDH或ATM）中去，因此在路由器接口上也无须SAR和比特塞入操作来把数据帧和传送帧对准。另外，千兆比以太网的分路设备成本也较低。
——目前千兆比以太网的收发双向累加带宽是2.5Gbit/s，现正在制定5Gbit/s和10Gbit/s标准。
5 结束语
——从以上分析来看，光因特网对传送大量IP业务是比较理想的。它不仅组网简单、速率高、灵活性大、带宽利用率高，更重要的是经济性十分可观。据加拿大CANARIE的研究报告认为：光因特网采用了WDM，并免去了ATM和SONET，可以降低提供带宽的费用95%。但是，由于路由器本身对高质量业务传送的局限性，目前看来，最有可能的解决办法是先建设混合网，让IP over ATM和IP over WDM等并存，满足用户的各种需求。
|