光互聯(lián)網(wǎng)與ＩＰ ｏｖｅｒ ＤＷＤＭ技術(shù)的演進(jìn)

摘 要：探討了光互聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)和演進(jìn)策略，分析了IP over DWDM等關(guān)鍵支撐技術(shù)的難點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)。首先，比較分析了若干種典型的網(wǎng)絡(luò)層次模型及其性能，指出IP over DWDM是實(shí)現(xiàn)未來寬帶互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵支撐技術(shù)；其次，分析了IP over DWDM的技術(shù)難點(diǎn)，指出全光信號(hào)處理和多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)是實(shí)現(xiàn)IP over DWDM的重要手段，并預(yù)言了在相關(guān)技術(shù)成熟后，光分組網(wǎng)技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)光互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：IP over DWDM;光纖通信;全光網(wǎng);MPLS;MPLmS;ASON

Evaluation of Optical Internet and IP over DWDM

YAO Weiming

(Changqing Petrochemistry Company，China National Petroleum Corporation，Yinchuan，750004，China)

Abstract：The enabling technologies and evolution of the optical Internet are discussed，the problems and development tendency of IP over DWDM is analysed.Typical network infrastructures of broadband Internet and their characteristics are overviewed and compared，thus IP over DWDM is identified as one of the key enabling technologies of future broadband Internet.Thereafter，the tough problems in realizing IP over DWDM are discussed，including the all-optical signal processing and multi-protocol label switching.Finally，the optical packet switching technology is discussed and its significant role in future optical Internet is forecast.

Keywords：IP over DWDM;optical fiber communication;all optical network;MPLS;MPLmS;ASON



1 引 言

由于密集波分復(fù)用(DWDM)技術(shù)的發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)的研究和建設(shè)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和建設(shè)的要點(diǎn)。

為什么光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展會(huì)特別引起人們的關(guān)注？這主要有兩個(gè)原因：一方面，光纖是一種高帶寬低損耗的優(yōu)良通信傳輸介質(zhì)，本來就在通信網(wǎng)絡(luò)的物理傳輸層起著舉足輕重的作用，而DWDM技術(shù)的發(fā)展又進(jìn)一步挖掘了光纖帶寬的潛力，同時(shí)，伴隨著光器件技術(shù)和光信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，在光傳輸層已經(jīng)提供了聯(lián)網(wǎng)的能力；另一方面，DWDM技術(shù)要真正組成網(wǎng)絡(luò)，還有許多問題需要解決，人們已經(jīng)看到這是一場(chǎng)重新架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)會(huì)，但還不清楚光器件和光信號(hào)處理技術(shù)會(huì)以何種速度發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)會(huì)以何種方式隨著寬帶網(wǎng)的建設(shè)而演進(jìn)，從而支持整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和運(yùn)作。

在這個(gè)許多光網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)還沒有出臺(tái)而又急于出臺(tái)的時(shí)候，各種新技術(shù)和新思想都想抓住機(jī)會(huì)在未來的寬帶網(wǎng)絡(luò)中占得一席之地。然而，可以看出，絕大多數(shù)新思想或新技術(shù)基本上是在承認(rèn)未來的寬帶網(wǎng)是以IP over DWDM為模型的基礎(chǔ)上提出并發(fā)展的，也基本上是以過渡到或直接構(gòu)建IP over DWDM網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)的。

過去人們一度認(rèn)為：未來的寬帶網(wǎng)是以ATM技術(shù)為核心的B_ISDN。但是由于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)緩慢、技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜和代價(jià)過高，盡管和IP技術(shù)一樣都是端到端的解決方案，ATM技術(shù)已經(jīng)在桌面端失去了市場(chǎng)。

現(xiàn)在很難再猜想如果當(dāng)初ATM技術(shù)在承認(rèn)桌面端主流是IP技術(shù)的前提下來開發(fā)會(huì)是什么樣子，但ATM技術(shù)本身凝結(jié)了電信網(wǎng)技術(shù)的許多精華，在過渡到IP over DWDM的網(wǎng)絡(luò)中，仍然會(huì)在網(wǎng)絡(luò)的邊緣發(fā)揮自己的作用。即便在將來，ATM技術(shù)也會(huì)以融合或改裝到IP層技術(shù)中的形式體現(xiàn)出來。總之，ATM技術(shù)將對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展會(huì)起到很重要的借鑒作用。

2 為什么考慮IP over DWDM

在過去的幾年里，由于在光電器件和光傳輸系統(tǒng)上的技術(shù)進(jìn)步，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀疽扬@著地降低，運(yùn)營成本成為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)首要考慮的主要參數(shù)。在考慮運(yùn)營成本時(shí)，除了像再生器和放大器間隔、光線路速率、通道數(shù)量和發(fā)光/冷卻器大小這樣的一些設(shè)計(jì)參數(shù)外，采用何種技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)也將決定網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本的變化。

電信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵屬性主要有尋址、服務(wù)質(zhì)量保證、復(fù)用能力、低誤碼率、容錯(cuò)能力和傳輸容量等。在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)中，這些關(guān)鍵屬性分布在IP，ATM，SDH和WDM四個(gè)層次上。在一個(gè)典型的網(wǎng)絡(luò)中，IP層支持尋址，ATM層保證服務(wù)質(zhì)量，SONET提供復(fù)用、低誤碼率和容錯(cuò)能力，而DWDM提供更高的傳輸容量。

仔細(xì)研究這些技術(shù)就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的許多功能是互相重疊的(見表1)。其實(shí)在這些技術(shù)中，只需選出兩種就可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)需要的所有功能。

究竟選擇那兩種技術(shù)來簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還要從降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本來考慮。若想持續(xù)降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本，就應(yīng)當(dāng)選擇那些革新速度最快的技術(shù)。DWDM的性價(jià)比每10個(gè)月就會(huì)翻一番，IP的性價(jià)比每20個(gè)月翻一番，SONET和ATM則分別要花30個(gè)月和40個(gè)月，毫無疑問，選擇IP的智能和DWDM的速度及容量是構(gòu)建未來網(wǎng)絡(luò)惟一可行的策略。

從技術(shù)角度看，在光網(wǎng)絡(luò)層，DWDM技術(shù)已經(jīng)能夠提供大量的帶寬并日益具備復(fù)雜的再配置能力；在業(yè)務(wù)層，IP能向終端系統(tǒng)提供連接和業(yè)務(wù)。隨著兩種技術(shù)的迅速發(fā)展，人們希望去掉SDH/SONET和ATM這樣的中間層而將這些層的功能移植到光層或IP層的愿望是應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)的。

3 IP over DWDM的困難

真正要讓IP over DWDM網(wǎng)絡(luò)來替代現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不是容易的事。這是因?yàn)槟壳皩?shí)現(xiàn)IP over DWDM還有許多困難。

從網(wǎng)絡(luò)角度看，IP技術(shù)無疑具有許多優(yōu)點(diǎn)，比如簡單靈活的組網(wǎng)方式、相對(duì)而言很高的協(xié)議效率、強(qiáng)大的生存性等，這是它能夠取得成功的原因。IP技術(shù)的一些基本特性，如無連接的包交換機(jī)制、端到端的解決方案和盡力而為的原則等已經(jīng)廣為人知。但是，應(yīng)該看到，IP技術(shù)主要針對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而優(yōu)化，其優(yōu)點(diǎn)是以犧牲業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性或服務(wù)質(zhì)量(QoS)來換取的。這對(duì)于未來用IP over DWDM技術(shù)構(gòu)建一個(gè)要支持多種業(yè)務(wù)(包括實(shí)時(shí)業(yè)務(wù))的寬帶網(wǎng)無疑是不利的。

從根本上來說，IP over WDM是一個(gè)網(wǎng)的觀念。在波分復(fù)用技術(shù)提出以后，波長本身成為組網(wǎng)(分插、交換、路由)的資源，伴隨著光分插復(fù)用(OADM)和光交叉聯(lián)接(OXC)技術(shù)的逐步成熟，原來被認(rèn)為只是提供帶寬的光層開始有了組網(wǎng)能力——在提供了巨大帶寬的同時(shí)衍生出了一系列的可優(yōu)化使用這些帶寬的交換資源。這種交換資源目前集中在波長上，將來會(huì)細(xì)化到光時(shí)隙上或光分組上。換句話說，光層技術(shù)的推進(jìn)為網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)提供了巨大的機(jī)遇。但是，光層提供的技術(shù)支持畢竟還是有限的，而且在逐步演進(jìn)，存在一定程度的不確定性。它和需求的不確定性以及競(jìng)爭的復(fù)雜性揉合在一起，就形成了一個(gè)極其復(fù)雜的局面。

從具體技術(shù)角度看，IP over WDM同樣也存在需要解決的問題。首先，光邏輯器件還沒有，這就使得電層的許多成果要加上許多限制條件才能用到光層上；其次，光集成技術(shù)可以說剛剛起步，還很難預(yù)測(cè)其發(fā)展速度和對(duì)光網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的影響力；第三，光節(jié)點(diǎn)技術(shù)本身的穩(wěn)定性、成本還是個(gè)難于確定的問題；第四，技術(shù)競(jìng)爭和市場(chǎng)競(jìng)爭，是復(fù)雜的事情，網(wǎng)絡(luò)功能的增強(qiáng)一般是以增加復(fù)雜性和成本為代價(jià)的，要取得較好的性價(jià)比不是容易的事情；最后，兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、充分利用已鋪設(shè)光纖資源和開拓全新的建網(wǎng)思想，兩者之間還具有許多沖突。

總之，從根本上說，IP難于over DWDM還是因?yàn)閷拵ЬW(wǎng)絡(luò)建設(shè)本身是很困難的事——并不會(huì)因?yàn)橛肐P over DWDM模型替代了原先的以ATM技術(shù)為主的B_ISDN模型便變得輕而易舉。

4 演進(jìn)的過程

對(duì)于DWDM技術(shù)在IP over DWDM網(wǎng)絡(luò)中的使用，人們是逐漸從節(jié)點(diǎn)電處理方式向全光網(wǎng)方式演進(jìn)的。

起初，業(yè)務(wù)供應(yīng)商都在忙于利用DWDM技術(shù)提高他們的網(wǎng)絡(luò)帶寬，他們實(shí)現(xiàn)兩層網(wǎng)絡(luò)方案的方法是“智能路由器 + 無智能光纖”。 這個(gè)模型假設(shè)用于傳輸?shù)墓馄骷陀糜诼酚?交換的電器件都各有所長，因此網(wǎng)絡(luò)就應(yīng)該由大量的無智能通道(點(diǎn)到點(diǎn)DWDM鏈路)和智能路由器構(gòu)成。不同波長的光信號(hào)到了節(jié)點(diǎn)后解復(fù)用，經(jīng)過電處理后又重新波分復(fù)用，再由光層發(fā)送。這種方案有它的優(yōu)點(diǎn)(這些優(yōu)點(diǎn)往往也是全光網(wǎng)絡(luò)方案實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn))：首先，電信號(hào)處理技術(shù)比較成熟，易于實(shí)現(xiàn)；其次，光/電/光(O/E/O)的轉(zhuǎn)換過程同時(shí)也是信號(hào)再生的過程，就不會(huì)有全光網(wǎng)絡(luò)中要考慮的噪聲累積問題；最后，只要電信號(hào)處理能力足夠強(qiáng)，帶寬的利用率相對(duì)于全光網(wǎng)絡(luò)方案可以較大，盡管這樣實(shí)際做起來很復(fù)雜、成本也高。但也正是由于節(jié)點(diǎn)處的所有光信號(hào)都要經(jīng)過電處理，這種方案有著其固有的問題：首先，電信號(hào)處理會(huì)帶來時(shí)延，電信號(hào)處理方案從根本上沒有充分利用光信號(hào)處理能力來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，只是利用DWDM技術(shù)來拓展帶寬，特別是由于目前DWDM技術(shù)比電處理技術(shù)發(fā)展快得多(甚至許多人正在推行用帶寬換服務(wù)質(zhì)量的建網(wǎng)思想)，電信號(hào)處理技術(shù)會(huì)成為未來網(wǎng)絡(luò)的瓶頸；其次，成本也是問題，信號(hào)到了每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要有光/電/光的轉(zhuǎn)換過程，成本很高。相比較而言，利用全光網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方案，可望網(wǎng)絡(luò)成本降低一兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

全光網(wǎng)絡(luò)的思想主要是通過使用光交換技術(shù)在光層引入智能，實(shí)現(xiàn)在光層直接旁路節(jié)點(diǎn)中需要中轉(zhuǎn)的業(yè)務(wù)，從而全面地降低成本。

是否要發(fā)展全光網(wǎng)，從根本上說還是由網(wǎng)絡(luò)的性價(jià)比競(jìng)爭來決定的，而從網(wǎng)絡(luò)層次來考慮，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的智能是否需要推廣到光層來實(shí)現(xiàn)的問題。事實(shí)上，隨著光器件技術(shù)的進(jìn)步，通過在光網(wǎng)絡(luò)上提供智能來簡化網(wǎng)絡(luò)是必然的趨勢(shì)，只有這樣，光纖傳輸?shù)木薮笕萘亢统L傳輸?shù)哪芰Σ拍茉诰W(wǎng)絡(luò)中體現(xiàn)得淋漓盡致。當(dāng)然，要注意的是，由于光信號(hào)處理能力還很弱，現(xiàn)階段談?wù)摰闹悄芏际请娍氐墓饩W(wǎng)絡(luò)層智能。

實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)也有簡單和復(fù)雜之分，這種區(qū)分主要集中在光節(jié)點(diǎn)的交換方式和交換能力上。如果將基于空分和波分的光交換和程控電路交換相比，可以看到許多相似之處：光交換中的空分交換相當(dāng)于電路轉(zhuǎn)接中的空分交換，而且為了減小開關(guān)群的規(guī)模，一般在實(shí)現(xiàn)時(shí)都是分級(jí)的；而光交換中的波分交換相當(dāng)于電路交換中的時(shí)分交換(話路交換)，在交換前要先分解成單個(gè)波長(話路)，然后通過交換設(shè)備去交換(轉(zhuǎn)接)，需要時(shí)再合波(話路復(fù)合)；更有意思的是，波分交換從沒有波長轉(zhuǎn)換器到通過波長轉(zhuǎn)換器減小交換的阻塞率，就相當(dāng)于話路交換中從沒有存儲(chǔ)器到通過存儲(chǔ)器來消除入線的第k路只能轉(zhuǎn)接到某一出線的第k路的限制。雖然兩者在其他方面有顯著的區(qū)別，例如，從原理上看，波分交換是基于頻帶分割的而電路交換是基于時(shí)間分割的，從內(nèi)容上看，波分交換比時(shí)隙交換的交換粒度大了許多倍(一個(gè)波長的容量約是一百億個(gè)電時(shí)隙)，從交換能力上看，波分交換還遠(yuǎn)沒有電路時(shí)分交換靈活，但從交換原理而言，其交換機(jī)制是一樣的，都要通過人為的或程序控制的方式先建立連接，然后數(shù)據(jù)才能順利通過節(jié)點(diǎn)到達(dá)目的地。光上也有時(shí)分交換，但由于技術(shù)的原因?qū)崿F(xiàn)還很困難，這種時(shí)分交換和其他光交換一樣是電控交換，而且一般采用塊復(fù)用，主要用于后面要講到的光分組交換技術(shù)中。

在全光網(wǎng)中另一個(gè)值得注意的地方是波長變換和可調(diào)諧光收發(fā)器，通過在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中使用光波長變換器和可調(diào)諧的光發(fā)射機(jī)、接收機(jī)，可以在光網(wǎng)絡(luò)層建立虛波長連接，實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)配置。在這種情況下，光纖鏈路資源能得到比較充分的利用。

但是要真正的使光網(wǎng)絡(luò)智能化，還要在光傳送網(wǎng)OTN(Optical Transport Network)上添加一個(gè)能管理OTN的管理網(wǎng)，這就是正在標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中的自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)ASON(Automatic Switching Optical Network)。其層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

TP(Transport Plane)：傳輸平面;

CP(Control Plane)：控制平面;

MP(Management Plane)：管理平面;

OCC(Optical Network Controller)：光網(wǎng)絡(luò)控制器;

UNI(User Network Interface)：用戶網(wǎng)絡(luò)接口;

CCI(Connection Control Interface)：連接控制接口;

OXC(Optical Cross Connect)：光交叉連接器;

I-NNI(Internal Node to Node Interface)：內(nèi)部節(jié)點(diǎn)接口;

E-NNI(External Node to Node Interface)：外部節(jié)點(diǎn)接口;

NMI(Network Management Interface)：網(wǎng)絡(luò)管理接口;

PI(Physical Interface)：物理接口。

ASON是一種客戶-服務(wù)器的運(yùn)行機(jī)制，上層電網(wǎng)絡(luò)是客戶，下層光網(wǎng)絡(luò)是服務(wù)器，電網(wǎng)絡(luò)通過發(fā)出請(qǐng)求得到響應(yīng)的方式得到相應(yīng)的帶寬。

另一方面，在IP技術(shù)的發(fā)展上，將第三層路由和第二層交換緊密結(jié)合的技術(shù)在迅速發(fā)展，其中最成功的是多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)技術(shù)。IP/多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)框架結(jié)構(gòu)在未來將成為數(shù)據(jù)層和光層的通用控制平面。

如果將MPLS思想和光波長交換結(jié)合起來考慮，或者說利用波長的不同作為標(biāo)簽，就是現(xiàn)在所說的多協(xié)議波長交換MPλS (也稱為MPLmS)技術(shù)。IETF正在研究制定MPλS協(xié)議集，MPλS將結(jié)合現(xiàn)有的控制平面技術(shù)和光交換機(jī)的點(diǎn)擊式配置能力來建立光路徑和傳遞光傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錉顟B(tài)信息。MPλS控制平面將支持多種流量工程功能并具備多種保護(hù)和恢復(fù)的能力，此外它還可以簡化光交換機(jī)和標(biāo)簽交換路由器的集成。

總之，光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)革新將促進(jìn)兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(IP層和DWDM層)的形成，網(wǎng)絡(luò)資源管理的智能化將集中在業(yè)務(wù)層上(圖2)，而光資源的管理則將通過一個(gè)由業(yè)務(wù)層和光傳輸層所共享的控制平面提供。這種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)可以提供可管理的G比特級(jí)網(wǎng)絡(luò)帶寬，并能向業(yè)務(wù)平臺(tái)提供既可靠，又具備流量控制能力的波長級(jí)網(wǎng)絡(luò)接口。

5 光分組交換網(wǎng)——未來光網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)方向

全光網(wǎng)的思想從實(shí)質(zhì)上講還是在波長級(jí)建立類似電路交換的交換機(jī)制，其支配光網(wǎng)絡(luò)帶寬的能力(交換粒度)就是一個(gè)波長，至于這個(gè)波長的帶寬利用率決定于使用這個(gè)波長的電網(wǎng)絡(luò)的能力。而且，已經(jīng)建立的波長通道不再為別的電網(wǎng)絡(luò)層客戶服務(wù)，即使這個(gè)通道處于閑置狀態(tài)。雖然在公網(wǎng)上，電層上的匯聚功能已經(jīng)很強(qiáng)大，但隨著突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)主導(dǎo)地位，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在利用光網(wǎng)絡(luò)資源上效率還是不太高。

一種在光層上的解決方法是建設(shè)光分組交換網(wǎng)。光分組交換網(wǎng)的基本思想是在電網(wǎng)絡(luò)層和DWDM網(wǎng)絡(luò)層上再疊加一個(gè)適配層——光分組交換層，這樣，支配光網(wǎng)絡(luò)的能力就能從一個(gè)波長細(xì)化到一個(gè)光分組。目前局限于技術(shù)實(shí)現(xiàn)的能力，一般采用定長光分組交換

的方案，可以通過研究光分組大小對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響來決定使用的光分組的大小，使光分組網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最優(yōu)化。

目前光分組交換網(wǎng)還在研究階段，已經(jīng)有的系統(tǒng)還是實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品，要商用化還有待于許多關(guān)鍵技術(shù)的解決。然而，隨著光信號(hào)處理能力的增強(qiáng)，光分組交換網(wǎng)被認(rèn)為是未來的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

6 結(jié) 語

本文從網(wǎng)絡(luò)成本和網(wǎng)絡(luò)功能之間的固有矛盾入手，剖析了在DWDM技術(shù)出現(xiàn)后，人們力圖通過IP over DWDM這種簡化的網(wǎng)絡(luò)方案來重新考慮構(gòu)建未來寬帶網(wǎng)絡(luò)的思路，并從這里歸納了IP over DWDM的演進(jìn)過程：從用DWDM技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)的擴(kuò)容，到構(gòu)建基于光分插復(fù)用和光交叉連接的智能全光網(wǎng)，而在光信號(hào)處理技術(shù)更加成熟后，光分組交換技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)IP over DWDM的發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介 姚偉明 男，1974年出生，江蘇人，高級(jí)信息工程師。主要從事油田網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息管理研究工作。