李化图，周属衡，阳小龙
摘 要：为突破“电子瓶颈”的限制，Internet向波分复用（WDM）全光网络演进已是必然的趋势.在光Internet中，光路由器是最为关键的设备之一.文章提出了一种光路由器实现的结构，该结构是以光突发标记交换为核心，不需经过多次的O/E/O转换，即可实现边缘到边缘的全光域数据传输和处理.文章还对该结构具体实现中的关键问题：光突发数据的格式和装配、报头的提取和识别、路由及光标记交换和拥塞等进行了详细的分析研究，提出了可行的解决办法.最后设计了一个实验系统，并给出了相应的实验结果.
关键词：IP路由器；光标记；光突发交换；波分复用
1概述
当前Internet的业务量一直爆炸性地持续增长，对网络带宽的需求越来越大，尤其是骨干网络.现在电域路由器已远不能适应骨干网络高吞吐量的需要.Internet中的分组处理由电域向光域的转变势在必行，因此光路由器将是全光IP网中最为关键的设备之一.
目前，光路由器的基础技术已实用化：一是IP与WDM集成技术，即以多协议标记交换(MPLS)和以光波长路由为基础的光标记交换(OLS)[1]，不但可以实现路由与交换一体化，而且还能够保证应用的QoS.与以前集成方式相比，它具有明显的优势：协议简化、数据速率/格式透明、网络可配置性强；二是在数据处理效率、光缓存和数据同步等方面，目前光域数据交换与传输技术之一的光突发交换技术(OBS)的优势较突出，而且兼有分组交换和波长路由的优点[3].更重要的是它能与OLS无缝结合，即标签光突发交换(LOBS)是IP光网络实现路由与交换一体化的主要技术手段.
根据Internet的层结构，IP光网络也应采用一定的层结构，即用户层、接入层和核心层.其中边缘路由器应用于接入层，将用户层的数据汇聚到光层.主要功能应包括：IP分组到光分组的装配、缓存、调度、波长分配和光标记、路由.核心路由器则应用于核心层，主要完成光分组的波长路由或虚波长路径建立.这样，可以实现IP全光域路由.根据以上功能要求可知：两者实现结构相似，主要功能模块有两个，控制模块和光转发模块.另外加上一些辅助模块，如：复用/解复用、可调谐波长变换器(TWC)和光纤延迟线（FDL）等.边缘路由器则除具有上述3类模块外，还应有光数据装配模块.本文将主要讨论一种新的基于LOBS的光路由器的实现方法，分析其关键技术，并介绍一个实验系统方案及其实验结果.
2实现中的关键技术
在将LOBS具体应用于全光IP路由器的设计中，我们认为IP分组到光突发数据的装配及提取、控制分组的格式、路由及标记交换方案和拥塞解决办法等将是其实现的关键.
2.1光传输数据格式与处理方式
在IP光网络中，光分组的格式与光交换技术、光信号处理密切相关，并在很大程度上决定了光分组的传输效率.然而目前还没有统一的定义.在我们的实验系统中，突发数据由两个部分组成：净荷（BP，Burst Payload）和报头（BH，Burst Header），数据格式如图1所示.在一个光突发数据中，BP由多个长度不定的IP分组组成；BH包含BP的描述信息域：源和目的地址域、控制分组对应的波长标号域、数据的突发长度和持续时间域、一些可选的QoS信息域、存活时间TTL域和差错控制域等，一般较短.
在这里，一般BH先于BP一定时间（即：偏移时间）传输，以满足中间节点为突发数据选路由、建立光路所需的时间，而且偏移时间应随数据传输速率和报头处理速率而变化.在实验系统中，我们采用副载波复用(SCM，Subcarrier Multiplexing）方式[4]，即先将BH进行射频调制后，再同基带BP一起进行光调制.
2.2光突发数据的装配
根据前面光突发数据的格式，光边缘路由器必须完成光突发数据的装配和标记操作，如图2所示.在光标记控制器控制下，从用户层来的IP分组按目的/源地址、端口号、应用类型、服务属性（如QoS参数）等被分为不同的转发等效类(FEC，Forward Equivalence Classes），属于同一FEC的IP分组经汇聚，装配成不同的突发净荷.这里，汇聚由队列实现，并根据各自队列的使用情况估计突发大小及持续时间，由此估计BP与BH的偏移时间.FEC类别和突发大小等信息由光标记控制器组成BH.最后，经调度，BH和BP在组帧器的光域编码调制作用下生成光突发数据.这样在光域中可将多个用户IP分组作为一个整体进行转发或路由.
2.3光突发数据BH信息的提取与识别
在OBS光路由器中，BH信息的提取与识别相当重要，同时也比较困难.光突发数据能否成功传输几乎全依赖于能否准确地提取并识别BH信息.根据图1所示的光突发数据格式，在我们的实验系统中，BH与BP采用不同编码格式、比特率、功率，并保持每比特能量恒定.其中BP采用RZ编码，速率为2.5 Gbit/s，BH则采用NRZ编码，速率为155 Mbit/s，将BH进行SCM调制后，再与BP一起进行光调制.这样BH与BP信息具有不同的光功率谱分布，因此利用布拉格光栅(FBG)的选频特性，可以将基带信号中的BH与BP分离开来.若FBG的全反射波长是可调谐的，则还可以从不同波长已调信号中提取数据.将提取的BH标记信息与标记转发表中的相关项作光域相关处理，根据其结果就可以识别出BH信息.
2.4路由及OLS
在LOBS光路由器中，OLS的引入使数据转发功能实现较为高效、简洁.利用BH中的标记建立边缘到边缘的标记交换路径LSP，具有相同标记的所有突发就能在这虚路径上传输，从而减少传统路由和地址最大前缀匹配带来的巨大开销.而且与MPLS在许多机理上都相似，因此MPLS在电域的方法和机制，如路由、流量工程等，都能扩展到光域中.
路由及OLS交换功能由两个部分构成：一是标记查询、更新，这利用2.3节中的提取与识别模块和2.1节中的SCM调制即可实现；二是交换单元（由AWG实现），即根据标记查询结果，将Burst信号波分复用到相应端口.在控制器控制下，AWG就可生成相应的光路由/交换表，从而进行LSP的建立和Burst转发.
2.5拥塞解决办法
在OBS光路由器中，当负载超过承受能力时，就会发生拥塞，这将影响路由器的吞吐能力.在本文的实验系统中采用了排队和波长复用来解决拥塞问题.
排队是通过FDL来实现的，它将数据滞留一段时间后再传送.虽然FDL与普通缓存功能较相似，但它们的最大区别在于： FDL不具有随机访问存储器的特性.为增强拥塞解决能力，通常FDL和其他器件（如1×2交换器件）一道构成多级结构.但是这类结构存在两方面缺点：一是级数越多，光信号损耗就越大，而且实现复杂度和成本也越大；二是随着数据速率的提高，对FDL的时延要求更高.然而在目前，由于技术所限，生产出这样的FDL尚有困难.
所以在实验系统中，我们采用一种FDL和波长复用相结合的方式.如图3所示的4×4交换单元，其中每根FDL进行4波长复用，整个系统仅用1根FDL,就可使数据丢失概率低至10-4.当有多个波长信号竞争同一个波长输出端口而出现拥塞时，系统将其送至反馈环路，经TWC变换为不同波长信号，同时缓存在一根FDL上.当再次到达交换单元时，由于波长不同，因而就不再争抢同一输出端口，从而可有效解决出现的拥塞.
3实验系统设计与结果
根据上述研究，本文设计了一个光路由器系统（如图4所示）.该系统由2个发送节点、2个接收节点、2个路由节点和3个数据流组成.该系统能完成ER功能，由交换模块（即可控光交叉连接(OXC))、路由/标记交换控制器以及辅助模块组成，其中辅助模块包括WDM复用/解复用、Burst装配器、BH提取模块、TWC和FDL等.这里有两类FDL：FDL1的延迟时间应满足Burst偏移要求；FDL2应能缓存绝大多数BP，以使Burst丢失率在容许范围，并进行了功能试验和数据测试，能完成数据传输.
系统处理对象有两类：一是来自光网络的数据；二是直接来自用户层的数据.前者经WDM解复用后，可直接交由分离模块处理，而后者还须先经突发数据装配模块处理，以生成合适的光突发数据.试验系统中所用的主要器件及性能如下：
(1) MZI调制器
阈值电流为40 mA；消光比为13 dB；上升及下降时间为50 ps；主边模抑制比＞40 dB.
(2) FBG光栅
邻近信道间隔离度为25 dB(min)；非邻近信道间隔离度为35 dB(min)；带宽＞20 GHz.
(3) 连续波长激光器
输出功率＞14 dBm；波长为1 549.32、1 552.52、1 555.75和1 558.98 nm；信道间隔为100 GHz；波长精度为±500 MHz.
(4) AWG
信道间隔为100 GHz；3 dB带宽＞0.38 nm；邻近信道间隔离度＞24 dB.
(5) 波分复用器
3 dB带宽＞0.48 nm；频谱特性为Gaussian；波长为1 549.32、1 552.52、1 555.75和1 558.98 nm；邻近信道间隔离度＞25 dB.
(6) 光环行器
回波损耗＞50 dB；插入损耗＜1.25 dB.
图4(b)中，发送器为字长32 bit的伪随机信号发生器，生成具有突发特性的RZ比特流，数据速率为2.5 Gbit/s，以作为光突发数据的净荷；接收器为多通道的光谱分析仪和误码分析仪.为了能模拟实际网络，在试验床中，我们采用如下寻址方案：对这4个收/发节点用2 bit进行标识，“00”为发送器1、“01”为接收器1、“10”为接收器2、“11”为发送器2.该标识和偏移时间、优先级别、数据存活时间一起作为突发BH，加上用于突发起始位标识的填充比特，生成NRZ比特流，速率为155 Mbit/s.
使用Tektronix公司的TDS8000数字取样示波器，我们在测试点1观察到基带光突发数据频谱；在测试点2观察到突发净荷数据频谱，分别如图5(a)、(b)所示，频谱图非常相似，这表明用户数据转化为光突发数据后，经标记交换和路由处理，能直接传输至接收端.
但是在经路由器多次光信号处理后，收端对发端数据具有一定的损耗.如图6(a)、(b)所示，虽然Flow1和Flow2的数据都是源于Transmitter1的，但Flow1在Receiver1上观察到的眼图与Flow2在Receiver2上观察到的眼图，在张开度上的差异非常明显.这主要是由系统中各器件的非理想性、差异性，如色散、四波混频（FWM）等非线性带来的串扰以及激光器波长和输出功率的稳定性等问题造成的.
4结束语
实验表明：只要满足元器件性能参数的要求，接收端误码率可控制在10-8以内，采用基于光突发标记交换的结构，是完全能应用于光路由器和全光域透明数据传输的.
参考文献：
［1］Li L. MPLS and the evolving internet architecture [J]. IEEE Comm. Mag., 1999(12):38-41.
［2］Qiao C, Yoo M. Optical burst switching (OBS): A new paradigm for and optical internet [J]. J. High Speed Networks, 1999(1):69-84.
［3］Qiao C. Labeled optical burst switching for IP-over-WDM integration [J]. IEEE Communication Magazine, 2000(9):104-114.
摘自 北极星电技术网
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