隋志成 姜希军 吴志坚
摘要：光子器件技术的进步带动了光分组交换网络的研究和发展，文中讨论了核心网络光包交换的实现方案、网络结构和功能模型，介绍了光子交换技术的进展。光分组交换应用于核心光网络能够提供灵活有效的资源利用率，是最具发展潜力的光核心数据网络解决方案。
关键词：光分组；光核心网络；OXC
一、前言
当前的电层分组交换网络不能发挥光纤和半导体光电子学提供的千兆位带宽的优势。随着光子器件技术的进步，光交换经过多年的研究和发展，终于为核心网光分组交换技术的应用开辟了道路。它是解决核心网下三层电子路由交换瓶颈和与底层DWDM巨大带宽相吻合的最关键的技术。
二、核心网络包交换三种实现方案
以DWDM传输技术为核心，从传统网络平滑过渡的核心网络正经历巨大的变革，主要表现在：高容量，T级交换路由以能力成为可能；高灵活性，数据业务的高空发性迫切需要高度灵活的资源分配和再分配方案；简化的协议层，路由交换技术必须简化层结构，消除电子瓶颈，使IP数据业务能够直接进行DWDM，增强网络可扩展性和灵活性。适应DWDM技术的T级传输容量，短期内需要支持多个Tb/s的核心网络。
1 IP T级路由器
基于IP/MPLS协议的T级路由器网络方案，带10Gb/s线路卡的T级路由器可以达到亚Tb/s的吞吐量，多Tb/s吞吐性能的路由器需要大规模并行阵列和复杂的互连体系，几个设备供应商已经提出了这种三代路由解决方案。价格不会有大的下滑，但是它基于IP而且还与IP网络流量工程和分布式管理技术匹配。
2 波长交叉连接法
这是一种近期的解决方案，它以适中的运行费用提供可扩展性。MPLS控制平面与传输层面光开关直接完成光波长交叉连接，即MPLS技术。MPLS技术提高了网络管理灵活性，允许在低层动态分配交叉连接上直接进行IP业务的交换与传输，网络资源再分配具有高度的灵活性，并且网络大规模流量模式变动不需要经历很长的周期。然而，MPLS技术在处理快速大量数据业务时，网络中与OXC相连的边缘节点路由器会变得很庞大，影响流量集中的效率。
3 IP T级路由法与波箍交叉连接法的比较
用端口数与节点数的比值比较分组交换和波长交换（T级路由器和波长交叉连接）的效率，由此看出，分组交换获得更高的资源利用率，尤其在网络节点数或比特率增长的情况下，应该着重考虑高费用、资源配置灵活的路由端口和交叉连接设备的折中。
4 光分组交换方案
光分组交换使用MPLS技术，通过三层协议栈方法实现资源的优化利用、光交换的业务区分和波长交叉连接的可扩展性。IP路由器与光分组交换路由器相连以更大的灵活性和更低的成本执行流量集中和核心交换。IP分组在边缘节点集中成光突发数据，然后以单纯的实体进入光分组核心网络。这种光分组交换方法对多个光纷组仅仅处理一次头信息，极大地降低了对核心路由器转发速度的要求，增强了转发能力（至少一个数量级）。另外，这种方法可以把WDM端口视为一个单独的源（典型值300-600Gb/s），从而提高了逻辑性能并且减轻了具有单波长处理能力的IP路由器的需要。突发交换同样提供与IP管理技术直接适配的交叉连接的优点。光突发交换可以采用定长分组格式和可变长度格式，其中可变长度格式由于易于适配IP业务而更具有发展前景，固定长度分组则具备更好的交换性能，有利简化光交换处理过程。快速光分组交换技术需要特别的定帧避免净荷数据丢失。光交换也提供了单级配置的大容量交换的前景（10Tb/s），避免了复杂的互连，对向40Gb/s传输系统线路速率演变不敏感。尽管最终目的是实现网络的全光应用，而且光缓存和光再生的研制已经可以使用光纤延迟线和非线性光学器件的实现，但是近期内部分功能只能以合理的性能价格比用电子器件替代。
三、OPS核心网络结构
光分组交换（OPS）中纯粹的全光域包头识别和控制仍需时日，目前国际范围OPS的研究还是集中在光电混合模型里，即OPS电域控制和电域光包头信号处理、全光的分组数据交换。随着MPLS技术的发展，可以将标签交换引入OPS，整个的光交换传输网络可划分为核心交换光网络和边缘交换光网络。光分组包含光包头和净荷，光包头采用最普遍的SCM带外传送方案。光包头携带标签，净荷可以是固定时间长度或者可变时间长度。光包在网络边缘OPS节点完成包头（标签）识别和路由查找，更新（交换）后的光包头与数据净荷一起进入光网络，这种方式的光标签在电域内完成识别和处理，净荷在整个光网络中透明传输。这种网络结构既可以满足大容量传输交换（SDH），又能保证带宽资源的高利用率（IP路由网）。网中OPS有两种应用：OPS核心交换机和OPS边缘交换。OPS核心交换主要完成网络核心节点处光分组数据的选路和标签交换。这种模式下，OPS节点能够最大利用网络资源和减少数据流量对网络带宽的需求，减轻了网络OXC节点的沉重的负担；OPS边缘交换是连接IP数据与OTN网络接口的OPS边缘交换路由器。
四、OPS接入OXC功能介绍
OPS能够在光路OTN基础上实现光分组业务的高效分配，充分保证波长级光路业务和光包级数据业务的混合传输，基于光包业务的快速交换和波长粒度的慢速交换和路由同时存在。快速交换和光分组流量集中功能及光分组业务的动态快速波长分配均在网络边缘OPS节点完成（IP/ATM--OXC）。OPS路由器是边缘网络器件，业务层与传输层的接口，OPS路由器与OXC直接相连，保证OPS业务的静态波长和光纤可用路由。OXC交换矩阵完成核心光交换和互连；网络管理和控制子系统负责互连控制；OPS模块连接OXC的上下路端口和专门用于光分组交换的波长的接入；外部IP路由器处理与OPS同粒度（光包）的数据，并负责IP域和OPS域的集成控制。OPS维护配置信息、物理结构、OXC传输的拓扑和规模，因此OPS能够从业务层分离OTN，利用集成控制平面接入IP数据域，通过维护网络配置信息和OXC拓扑结构连接OTN。DWDM网络中引入OPS促进了核心网络粒度的多样化，从而能够更高效地利用网络资源。当前OTN的主要问题用比波长更精确的粒度建立高效和低成本的网络。OPS在OTN的外部节点提供流量集中机制，接收来自不同源节点类型的业务映射进光分组中。这种光分组是可变长的，多个时间单位的复用。业务集中节点再把光分组映射到适当的波长上在OTN中传输直到下一个业务整合OTN出口节点或者需要进一步业务映射的新节点。OPS需要运行OXC网络拓扑发现协议并且能够把这种集中机制和OTN中的QoS分配结合起来，OPS光路由器将完成比T级电子路由器更大规模和更高效的IP流量集中，充分利用电子T级路由器所不具备的光层的巨大容量和增强功能。
五、光交换技术进展和发展趋势
经过10年多时间的发展，OPS仍未成为主流技术，主要是受制于光存储和光子集成技术有限制。缺少深层、快速的光存储器件，阻止了电域的路由结构在光域内的应用；较之先进的硅路集成工艺，光子集成限制了光子交换的发展。最近的技术突破和智能网络设计，优化了电子与光子技术，使它们达到最完美的结合。光子技术的进步必定导致光器件市场的蓬勃发展。AOPS实现的关键技术主要是快速光开关、分组模式收发器、再生器和存储器。
AOPS交换矩阵的光开关要求至少为ns量级，此时ms量级MEMS光开关不再适用，取而代之的是基于LiNbO3开关和SOA门开关及超快可调激光器、波长转换器和静态波长路由器组成的快速大规模光交换矩阵。AWG代替了传统的2×2光开关多级级联结构，将几十个SOA门开关集成进输入模块能够控制每秒几十个吉比特的数据流，这种SOA光开关也可以与波分复用器、分光器等集成在城域环网中实现简单的OADM功能并且系统级的优化设计克服了高噪声因子和信道串扰，达到1T总容量。波长转换器是竞争解决中的重要器件，阿尔卡特公司已经作出基于M-Z结构，工作于10GHz的全光有源波长转换器。另外，参量波长转换器可以同时转换多个波长，在AOPS中显示出广阔的应用前景。
高速光包模式传输和再生功能，主要是适应长距离传输，需要考虑逐包相应和幅度起伏容限、同步系统最小损伤等参数。最近10Gb/s NRZ包模式接收机在突发模式下只获得非常有限的损伤，典型值是功率变化容限的6dB，快速时钟相位恢复小于10ns。AOPS再生可以采用背对背突发模式接收和发送或者是全光方式。例如100个半导体放大再生器级联的时钟和数据恢复速率已达到10Gb/s。
目前的光存储均是通过ODLs和光开关实现的，短期OPS缓存只能是光电混合存储，共享存储技术使现在的光路由交换可支持T级以上的数据率，使用ns级光开关和光门总容量可以达到10Tb/s，同样的技术可用于AOPS的ADM中。然而从长远看，ORAM的研究已经有一定进展，比如实验室水平的分子开关和分子晶体管等。软件方面AOPS采用现有可获得路由信息分布的IP路由协议和MPLS协议并作相应的信令扩展而不必为AOPS重新编写协议。
六、结束语
本文提出一种OPS应用于核心光网络的全IP解决方案，光分组交换网络降低了对OTDM的比特级光器件性能的要求，具有比WDM光路交换技术更灵活有效的资源利用率。它将完全发挥光层的大容量和多功能优势，是最具发展潜力的数据光核心网络方案。
摘自《江西通信科技》2002.1
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