张煦 上海交通大学 教授，中国科学院院士
1 通信网需要使用分组交换的由来
在公用交换电话网(PSTN)中，长期以来一直使用电路交换，在电报/打字电报通信网，则很早就使用文本交换.20世纪60年代起，数据通信开始流行，曾使用数据“块”、数据“包”或数据“分组”，以表示每一数据信息的文本分成若干部分，各含一定的数据字节数.最初数据通信采用的数据速率为1.59 Mbit/s，分组长度为1 024 bit.自那时起，数据信息交换就开始使用分组交换(PS).到了90年代中期，Internet开始盛行，它主要提供数据通信，其交换方式一直沿用分组交换.虽然也有文稿对此另行使用“包交换”的概念，但英文总是“Packet Switching”.近年国际上数据通信业务量急剧上升，新一代通信网为了迎合新的形势要求，必将一律采用分组交换，因而分组交换技术和装备显得十分重要，需要重点研究和实施.60年代有人建议使用“Packet Switching”名词，现在时隔四五十年了，国际上数据通信形势与从前大不相同，而这一名词、技术和设备仍在使用.在电通信网中使用电的分组交换，将来进化至光通信网，将相应地改用光的分组交换。
在使用分组交换时，发送端必须把发收两方的网络地址加上数据信息分组，通信网的某点可以根据数据分组所示地址将数据从发送端传送至接收端.同一文本的各个分组可能沿不同的路由向前传送，到达目的地时各个分组可能不再与发送时的次序相同，因此，该目的地收集了各个分组后，将重新组合成为原来文本，或者，每一分组附加控制信息，便于选取路由、排列次序和核对误差.这样，就有可能让每一通信通路由几个用户合用，每一用户仅在需要发送各个分组的时间内，才使用这通路，从而提高了通路利用率。
据报道，美国于1980年试图把分组交换施行于与全美PSTN同样规模的全国通信网.那时，美国全国的PSTN已有1亿(108)用户，通信网总容量约)为109 bit/s，即1 Tbit/s.后来准备将通信网提升为宽带综合业务数字网(B-ISDN)，通信网总容量升为1015 bit/s，即1 Pbit/s。 90年代中期起，Internet开始广泛应用，它采取宽带分组交换；美国人就提出这样一个问题：如果在全国公共通信网一律使用宽带分组交换，规模究竟应扩大多少?答案是需要加大规模105～108倍.如果真能做到这样，那么全国通信网就能全部使用分组交换来代替原来的电路交换，这对于发展以数据为主的新一代通信网是完全必要的.。
参考文献［1］和［2］追忆了60年代拟议利用分组交换和80年代拟议宽带Internet采用宽带分组交换的具体经过.这些当然是指以数据通信为主的电通信网采用电的分组交换.后来，90年代中期起的统计曲线表明：数据通信业务量的年增长率超过传统电话业务量的年增长率，而在21世纪初不到几年，数据通信的业务量将超过电话的总业务量.由此，传统的PSTN必将进化为新一代通信网，即以数据通信为主、使用分组交换、以互联网规约(IP)为基础的新型通信网.这意味着，新型的电通信网将普遍使用分组交换，以替代传统的PSTN长期使用的电路交换.电的分组交换将成为通信网的主要交换方式。
2 未来光分组交换的发展前途
20世纪90年代中期，国际上已经认识到电通信网在不远的将来必将进化为光通信网.为了适应数据通信业务快速增长的趋势和数据信息必须利用分组传送的事实，电通信网已经准备从电路交换进化为分组交换.与此同时，核心网越来越多地利用光的波分复用(WDM)和光交叉连接(OXC).相应地，认识到电的IP路由器交换难于适应WDM速率提升至Tbit/s级的要求.人们开始感到有必要积极研究光分组交换(OPS).这意味着，核心网中数据分组从输入至输出，必将全面利用OPS，以克服电交换的瓶颈.当然，迄今为止，OPS各部分技术尚在研究实验阶段，还没有达到成熟程度.参考文献［3］可以作为借鉴。
概括地说，OPS的交换过程有两种主要形式，其一是同步的、用时隙的、分组长度是固定的.其二是异步的、不用时隙的、分组长度是可变的。目前的研究几乎集中于固定长度的光分组，所涉及的光器件除了光插分复用器(OADM)和OXC外，还有光的微电机系统(MEMS)，它们都将采用新材料和新工艺，比以前大有改进.。
利用OPS的核心节点的结构包括复用/去复用器、输入和输出接口以及内部的缓冲器和控制器.输入接口完成的功能有：(1) 对输入的数据信号整形、定时和再生，藉以形成完善质量的信号以便进行后续的处理和交换.(2) 检测信号的漂移和抖动.(3) 使每一分组的开头和末尾、信头和有效负载都安排适当.(4) 使分组获取同步并与交换的时隙对准.(5) 将信头分出，并传送给控制器，由它进行处理.(6) 将外部WDM传输波长转换为内部交换机盘使用的波长。
交换机盘的控制部分要处理信头信息，并发出必要的指示，以便交换机盘按照办理.为此，它要参考在每一节点中保持的转发表，其内容借助网络管理系统(NMS)不断更新.控制器还要进行信头更新(或标签交换)，并将新的信头传给输出接口，新的信头指出分组前进路程的下一节点.目前这些控制功能都是电子器件操作的.交换机盘就是按照控制部分的指示，对信息有效负载进行交换操作。
输出接口必须完成的功能有：(1) 对输出信号整形、定时和再生，以克服由交换机盘引起的串扰和损伤，恢复信号的质量.(2) 给信息有效负载加上新的信头.(3) 分组的描绘和再同步.(4) 按需要将内部波长转换为外部用的波长.(5) 由于信号在交换机盘内路程不同、插损不同，因而信号功率也不同，需要均衡输出功率。
最近欧洲的研究方案对未来同步OPS提出了每一交换时隙的光分组格式.它包含信头、保护带、有效负载和保护带.其中保护带是用以对付定时的不定性.信头包含这样的几部分：(1) 同步比特；(2) 信源标记，表示入口边缘的节点地址；(3) 目的地标记，表示出口边缘的节点地址；(4) 分组形式，表示业务性质和优先次序；(5) 分组序列号码，以辨别分组有没有按规定序列到达；(6) 运行、管理和维护；(7) 信头纠错码。
对于OPS，有些技术需要特别重视研究，诸如：再生、同步、信头处理、缓冲、空间交换和波长转换等，需要进一步分析解决.一般地说，光信号在传送过程中不可避免地受到衰减、噪声、色散、串扰、抖动和非线性等影响。尤其是传输距离延长，每根光纤载荷的波长路数加多，每一通路传送的数字速率提高等，它们都会明显地引起传输损伤，包括幅度减小、脉冲形状畸变和定时漂移等等.有必要采取措施以恢复原来信号形状和消除各种损伤，才能在网络中继续传输和进行交换过程.上面提到的再生，就是指整形、放大、定时的三再(3R)。这是因为光放大只能加大信号幅度，并不能纠正脉冲波形的畸变；色散引起的脉冲变宽只能另外用色散补偿来解决.再定时是利用时钟提取和同步，同步网需要使用分组的同步.为了对信号再定时，再生器必须知道数据信号速率和格式.迄今常用的3R再生过程需要光/电(O/E)转换，以便由电实行再生。
但在OPS，需要全光的3R，有待于具体深入的研究.全光的3R再生器由3部分组成：光放大器、时钟恢复系统和门限检测器.这里的光放大器是根据M-Z干涉仪构成的半导体光放大器(SOA)，可在高速率使用，其制造技术已成熟.时钟恢复系统利用分布反馈(DFB)激光管作为光振荡器，可在6～46 GHz范围内连续调谐.这种3R已在实验室试验成功。
数据分组从各不同地点经过各种光纤线路和不同波长来到OPS的节点，由于受到路程差异和温度变化及色散差异的影响，必然存在不同的传输时延.当然，光纤中的群速率色散可以由色散补偿的办法来克服，但不同的光纤路程可能引起较大的时延变化，因而各分组到达OPS节点是非同步的.而且，交换机盘产生的抖动也是沿线定时抖动的原因.为此，OPS节点的输入端必须去除输入的抖动.同时，分组格式中留有一定的保护频带也是必要的.而且每一节点必须设置分组同步电路，并采取信头误码控制(HEC)措施，有些是利用电的操作。这些必要措施现时仍需要继续进行研究、实验，力求改善。
数据分组的信头包含OPS网络中交换和传送有效负载所必需的信息.目前实际使用的暂时办法是经过光/电转换对信头进行电处理.早期的信头处理技术曾利用比信息有效负载的数字速率低的串行信头，这种方法实现起来容易，但处理速度慢.也曾让信头与信息有效负载的基带使用副载波复用，信头频带位置较高，它们位于同一时隙.这种方法的处理速度较快，但在信息数字速率提高时，限制信头频率提高.总的来说，信头处理如用电子处理技术，其速率将限于几十Gbit/s，因而OPS有必要采用光的信头处理.90年代初已经开展全光信头处理的实验，但未达到预期目的，还需要加大研究力量才能满足要求。
光缓冲是OPS所必需的.这是因为光子不能象电子那样任意储存，在网络中有必要让光子得到适当缓冲.光纤延迟线(FDL)可在这方面被充分利用.光交换机盘使用了FDL，可以达到可变时延的目的.但使用FDL的数目是有限的，最多约几十个.它们在有些情形引起的损耗，可以利用光放大器来补偿.最近对阵列波导光栅(AWG)和FDL联合使用的方案，正在进行研究实验。
在OPS，交换机盘应能提供路由，让各个数据分组依次从任一输入端口传至任一输出端口，需要很高的交换速率.例如在10 Gbit/s系统，分组长度为125字节，即1 kbit，从输入端口传至交换机盘约需100 ns.各个分组到达的时间相隔极短，交换机盘必须在一个交换时隙内保持这一分组，让下一分组进入下一时隙.交换时间应在ns范围，而目前的光技术很少能达到这样快的交换速率.准备利用SOA和铌酸锂(LiNbO3)的电光开关.但这种开关的插入损耗太大，每个约8 dB.另外，这两种器件都用平面波导结构，可以做到不受偏振影响。
波长转换是一类重要的功能.在节点的输入和输出接口，都可能需要设置波长转换器，作为缓冲系统的一部分.过去曾利用光/电/光(O/E/O)来获得波长转换，但在OPS，应当采用全光波长转换.这方面的许多研究是基于SOA，使用交叉相位调制(XPM).利用SOA和干涉仪，可以做到40 Gbit/s的波长转换.如SOA使用延迟的干涉环路，就可能做到100 Gbit/s的波长转换。但是，一般认为，全光波长转换尚需继续深入研究。
众所周知，新一代通信网将肯定采用分组交换，而且以IP为基础.未来的趋势是由电通信网进化为光通信网，那时必将使用OPS，其详情正如本文所述.但是，OPS还没有成熟，要经过认真研究实验，才有可能在5～10年以后实现公用.当然，通信网进化至新的方案和新的设备，还必须考虑到实际投资是否符合经济原则，各方面需要全面具体考虑。
摘自《光通信研究》2003年第1期
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