核心網(wǎng)中的光分組交換

2019-11-03 10:20:19

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供稿：網(wǎng)友

雷震洲信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院　　摘要光分組交換（OPS）是光交換技術(shù)的長遠發(fā)展目標(biāo)，其研究工作在上世紀(jì)90年代取得了很大進步。本文主要介紹OPS的一些基本概念和相關(guān)使能技術(shù)的進展情況，最后對OPS的前景做一些分析。

　　關(guān)鍵詞光分組交換核心網(wǎng)

　　雷震洲教授級高工，曾任信息產(chǎn)業(yè)部電信科技情報研究所所長，現(xiàn)任信息產(chǎn)業(yè)部電信研究院總工程師。曾獲部級科技進步獎多次，出版過4本譯著和4本專著，在國內(nèi)外發(fā)表過200多篇論文。1991年獲政府特殊津貼?，F(xiàn)任中國人民政治協(xié)商會議北京市委員會委員、中國通信學(xué)會會士、全國互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會互聯(lián)網(wǎng)政策與資源工作委員會副主任委員、信息產(chǎn)業(yè)部無線電頻率規(guī)劃專家咨詢委員會副主任、北京科技情報學(xué)地常務(wù)理事、美國IEEE高級會員。

　　目前的光交換都是交換顆粒較大的波長交換。有人認(rèn)為，光交換的長遠發(fā)展方向應(yīng)該是光分組交換（OPS），但這是一個有爭議的問題。筆者最近閱讀了一些有關(guān)材料，現(xiàn)根據(jù)自己的理解，撰寫如下，主要介紹OPS的一些基本概念和相關(guān)使能技術(shù)的進展情況，最后對OPS的前景做一些分析。

1 為什么提出光分組交換

　　自20世紀(jì)90年代初以來，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)一直在迅猛增長。為了處理劇增的分組業(yè)務(wù)，路由器廠商提供的ip核心路由器規(guī)模越來越大、速度越來越快，它們都基于光接口和電交換矩陣。可以想象，未來IP層將主要工作在由WDM和光交叉連接組成的電路交換光層的上面。

　　現(xiàn)在，電IP路由器的擴展性及其對光層上WDM傳輸能力不斷提高的適應(yīng)性越來越引起關(guān)注。估計在今后幾年內(nèi)，路由器的能力將難以在太比特（Tbit/s）范圍跟上WDM的發(fā)展速度。

　　近兩年來，在光空分交換技術(shù)方面取得了明顯的進步。其中的核心部件——光交換矩陣從一兩個端口的最小規(guī)模做到了幾千個端口。在開發(fā)過程中，涌現(xiàn)了一些新技術(shù)，如光微電子機械系統(tǒng)（MFMS）和噴泡（bubblejet）技術(shù)等?；谶@些技術(shù)并具有一定規(guī)模和特點的光交叉連接（OXC）和光插分復(fù)用（OADM）已經(jīng)上市，今后幾年將主導(dǎo)核心網(wǎng)。進一步的發(fā)展將形成一個基于電路交換（即波長交換）的智能光層，它們用作一服務(wù)器層，為諸如ATM、SDH和IP等客戶層服務(wù)。因此，在近期和中期內(nèi)，核心網(wǎng)的擴增部分估計將主要基于兩層，即IP層和光層。在不久的將來，光層將提供大量波長。

　　也許有人會說，帶寬效率已經(jīng)不是問題，沒有必要再在提高單波長利用率方面下功夫。但是，經(jīng)濟性始終要求我們盡可能有效地使用網(wǎng)絡(luò)資源?；陔娐方粨Q的OXC對IP業(yè)務(wù)不是帶寬效率最高的。

　　在OPS中，分組是在光域上直接進行交換的，通過OPS節(jié)點/路由器把分組從任一輸入端口交換到任一輸出端口。采用OPS就能避開電交換的瓶頸和提供能與WDM傳輸能力相匹配的光交換能力。這就是今天把OPS視作適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)長遠發(fā)展的一種候選技術(shù)的原因。

　　現(xiàn)在，對OPS的研究日益受到關(guān)注。當(dāng)然，真正實用的OPS需要許多成熟的相關(guān)器件和系統(tǒng)技術(shù)來支持，目前它們大多數(shù)尚處在實驗室研究階段。OPS的交換過程有兩種方式：固定分組長度的同步方式（時隙型）和可變分組長度的異步方式（非時隙型）。迄今，大多數(shù)研究工作集中在固定長度OPS上。

2 一個OPS節(jié)點的組成

　　圖1是描述一個OPS核心節(jié)點的通用功能框圖。它包括復(fù)用器/去復(fù)用器、輸入接口、交換矩陣、輸出接口和控制單元。每一部分的功能隨采用同步交換還是異步交換而異。這里主要考慮目前研究較多的同步交換。

　　輸入接口完成以下功能：

（1）對輸入數(shù)字信號進行3R再生，以便在后面的處理和交換之前恢復(fù)信號質(zhì)量；

（2）漂移和抖動的提??；

（3）分組描述（delineation），以識別每一分組的頭尾以及報頭與凈負(fù)荷；

（4）分組同步，使它們與交換的時隙對準(zhǔn)；

（5）把報頭分開，并轉(zhuǎn)發(fā)給控制單元，好做處理。

（6）把分組的外部波長（WDM傳輸波長）變換為在交換矩陣中使用的內(nèi)部波長。

　　控制單元處理報頭信息和發(fā)布所有指令，對交換矩陣進行配置。為了執(zhí)行此功能，它要詢問保存在每一節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)表。這些表則要借助網(wǎng)管系統(tǒng)（NMS）不斷予以更新。控制單元還要完成報頭更新和向輸出接口轉(zhuǎn)發(fā)新報頭的工作。新報頭將識別分組路徑中的下一節(jié)點。目前，控制功能是用電子電路來完成的。交換矩陣根據(jù)控制單元的指令來完成凈負(fù)荷的交換操作。

　　輸出接口的功能包括：

（1）3R再生，以便在由于交換矩陣中元件不完善和串話引起失真之后重新恢復(fù)信號質(zhì)量。

（2）把新報頭附加在相關(guān)的凈負(fù)荷上；

（3）分組描述和再同步；

（4）把內(nèi)部波長變換為外部波長；

（5）輸出功率均衡（因為信號功率電平隨不同路徑和交換矩陣插入損耗而變）。

　　圖2示出通用的光分組格式，說明它是如何放在交換時隙中的。保護帶用來對付定時的不定性。凈負(fù)荷是用戶數(shù)據(jù)，占有分組長度的大部分。報頭長短是一個最優(yōu)化問題，因為它一方面要服務(wù)于所需的那么多控制功能，另一方面它是一種開銷，一定不能太長。

報頭由如下幾個字殷組成：

（1）描述和同步比特；

（2）識別入口邊緣節(jié)點地址的源標(biāo)記；

（3）以別出口邊緣節(jié)點地址的目的地標(biāo)記；

（4）識別業(yè)務(wù)性質(zhì)和優(yōu)先權(quán)的分組型字段；

（5）如果發(fā)生分組不按序到達的情況，記錄數(shù)據(jù)用的分組序列號；

（6）運行管理維護（OAM）字段；

（7）報頭糾錯字段。

　　在控制路徑或數(shù)據(jù)路徑中可能發(fā)生爭用的情況。在控制單元中的爭用特別重要，因為它可能導(dǎo)致報頭丟失或時延過大使凈負(fù)荷跑到報頭前面。不管是哪種情況，都必須放棄凈負(fù)荷。不過，由于控制功能是由電子電路完成的，有許多現(xiàn)存的技術(shù)可用于解決爭用問題。電緩存器即是可用的技術(shù)之一，但緩存器大小必須合適，管理必須有效。

　　當(dāng)處在兩個不同輸入端口的兩個不同分組要同時被送往同一輸出端口時，就會在數(shù)據(jù)路徑中發(fā)生爭用。在內(nèi)部交換路徑或網(wǎng)絡(luò)路徑中也可能發(fā)生若干分組的爭用?，F(xiàn)在提出了3種解決爭用問題方案。它們是使用光纖延遲線（FDL）的虛擬光緩存、波長變換和偏轉(zhuǎn)選路。上述3種技術(shù)也可組合使用，使系統(tǒng)設(shè)計和性能最優(yōu)。

　　偏轉(zhuǎn)選路是把爭用的幾個分組偏轉(zhuǎn)到若干迂回路由上去。優(yōu)先權(quán)低的分組選離目的地較長的路徑，優(yōu)先權(quán)高的分組反之。這一方法有兩個主要缺點。一個是被偏轉(zhuǎn)的分組可能造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，尤其在高業(yè)務(wù)負(fù)荷時。另一個是讓分組不按序列到達它們的目的地，報頭必須載有序列信息。另外兩種爭用解決方案下面另有討論。

3 OPS使能技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　3R再生：光信號對衰耗、噪聲、色散、串話、抖動和非線性效應(yīng)造成的損傷是十分敏感的。由于傳輸距離、每光纖波長數(shù)、每波長比特率的提高，傳輸損傷變得更加嚴(yán)重，導(dǎo)致明顯的幅度下降、脈沖形狀畸變和定時漂移。為了在網(wǎng)絡(luò)中連續(xù)傳輸和交換，通常要求恢復(fù)原信號形狀和清除所有損傷。這一過程就叫3R再生。光放大只放大信號幅度，并不糾正畸變的脈沖形狀。色散補償可以彌補因色散造成的脈沖寬度展開，從而減小脈沖成形問題。再定時則通過時鐘提取和同步來完成。對同步網(wǎng)需分組級同步，對異步網(wǎng)需比特級同步。為了對信號進行再定時，必須讓再生器知道數(shù)據(jù)速率和格式，再生器必須能夠按比特率靈活操作。

　　用得最多的3R再生技術(shù)涉及光電（O/E）轉(zhuǎn)換，再生是在電域進行的。全光3R再生是簡化OPS的一個重要使能技術(shù)。有些再生操作，如再定時迄今難以在光域上進行。因此，全光3R再生目前漢限于實驗。圖3是全光3R再生器的一個簡化框圖，它主要由放大器、時鐘恢復(fù)系統(tǒng)和閾值檢測單元組成。先把時鐘從被放大的信號中提取出來，然后再與信號混合，產(chǎn)生時間重對脈沖（time-realigned pulses），在閾值檢測單元的輸出端形成再生信號。迄今大多數(shù)全光3R再生器都是在基于半導(dǎo)體光放大器（SOA）的Mach-Zehnder干涉儀（MZI）的基礎(chǔ)上開展研究的。

　　分組描述和同步：到達OPS節(jié)點的分組來自不同源頭，它們通過各種光纖路徑和不間波長。因溫度變化、色散和路徑不同，它們必然有不同的傳播時延。在光纖跨度較長時，溫度變化的影響相對較小。因光纖中群速度色散（GVD）引起的時延變化可以用色散補償技術(shù)來補償。但是因光纖路徑變化造成的變化可能較大，分組將異步到達OPS節(jié)點。造成定時問題的另一個原因是抖動。抖動發(fā)生在交換矩陣中。通過前面節(jié)點累計的抖動必須在OPS輸入端加以處理。由于存在所有這些定時的不定性，分組格式要留有保護帶，每一節(jié)點應(yīng)裝備分組描述和同步電路。

　　現(xiàn)在提出的幾種描述和同步方案都是在電域內(nèi)進行的。有的是利用標(biāo)準(zhǔn)的報頭差錯控制（HFC）檢驗機理；有的是在報頭里交替使用兩個關(guān)鍵詞。目前都處在實驗室研究階段。

　　分組報頭處理：分組報頭含有在OPS網(wǎng)中交換和轉(zhuǎn)發(fā)凈負(fù)荷所必需的信息?，F(xiàn)今實用的方法都是先經(jīng)過O/E轉(zhuǎn)換再在電域內(nèi)對報頭進行處理。早期的報頭處理技術(shù)都使用比特率低于凈負(fù)荷的串行報頭。這種方法雖然比較容易實現(xiàn)，但處理速度較慢。另一種方法使用副載波復(fù)用（SCM），對報頭進行副載波調(diào)制再與凈負(fù)荷復(fù)用，報頭在頻譜上處于高于凈負(fù)荷帶寬的位置。兩者雖然都在同一時隙予以處理，但報頭的提取較快，處理速度高于串行報頭法。不過，隨著比特率的提高，相關(guān)的射頻分量可能碰上高的報頭頻率，使此法受到限制。報頭的電處理，其速度限于每秒幾十吉比特。因此，為了滿足今天OPS的需要和未來的期望，必須要變?yōu)楣獾膱箢^處理。自20世紀(jì)90年代初以來，全光報頭處理一直是研究熱點，但至今仍處在早期階段。全光報頭處理需要光校正器，目前研究中有使用光纖延遲線的，也有基于光半導(dǎo)體放大器的。

　　光緩存：為了解決OPS網(wǎng)中的爭用問題，需要某些光緩存手段。光子不能像電子一樣予以捕捉與存儲，目前的研究方向是設(shè)法把它們延遲一個固定的時間周期。實際上，這相當(dāng)于某種形式的虛擬緩存，現(xiàn)一般都用FDL作為緩存工具，但FDL比較笨重且不能擴展。把一組FDL與光交換結(jié)合在一起，可以形成一個時延可變組件，能使用的FDL數(shù)量最多為幾十個。對緩存器進行再循環(huán)可以減少光纖數(shù)。此時，時延是環(huán)路長度與循環(huán)次數(shù)的乘積。但是，為了補償因過多循環(huán)引起的損耗，需要另外使用光放大。這將產(chǎn)生自發(fā)輻射噪聲被放大的問題。最近有人在研究另一種可變時延電路，它在一個光纖環(huán)路中采用一系列波長變換器和兩個陣列波導(dǎo)柵（AWG）。一個分組被延遲的時間取決于它的初始波長，此初始波長被變換為與所希望時延相對應(yīng)的特定波長。與目前分組網(wǎng)中使用的電子緩存器相比， FDL為OPS網(wǎng)只能提供有限的緩存能力。

　　光空分交換技術(shù)：在OPS中，交換矩陣必須把分組一個個地從任一輸入端口送到任一輸出端口，故迅速的重新配置和非常高的交換速度是十分關(guān)鍵的。例如，在一個10Gbit/s系統(tǒng)中，分組長度為125Byte（1kbit），一個分組要完全離開輸入端口到達交換矩陣需要大約100ns。兩個相繼分組到達時間的間隔也是極短的。交換矩陣在必須重新配置以處理后面分組之前，在交換時隙內(nèi)要保侍一定的配置。所以重新配置和交換時間必須是毫微秒級的。當(dāng)今，幾乎沒有一種光技術(shù)能有這樣高的交換速度。SOA和光電銅酸鋰（LiNBO3）開關(guān)是兩種候選技術(shù)。SOA的交換速度在幾個毫微秒數(shù)量級，可以進行較大規(guī)模的合成。其優(yōu)點是因其固有的放大作用可以補償功率損耗；缺點是給信號增加了噪聲。光電LiNbO3開關(guān)的交換時間可達到業(yè)毫微秒級。由于插入損耗較大，只能做中規(guī)模的集成，擴展性受到限制。SOA和LiNbO3，開關(guān)都是平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的，對極化比較敏感。為了減小對極化的依賴，必須進行仔細(xì)設(shè)計?？煽啃院统杀疽彩侵匾獑栴}。

　　波長變換：波長變換是解決爭用問題的另一個重要工具。在節(jié)點的輸入和輸出接口需做波長變換，同時波長變換也是有些緩存系統(tǒng)、全光3R再生器和光報頭檢測器的一個組成部分。波長變換可以通過O/E/O的方式來實現(xiàn)，但在OPS中希望全光波長變換。在這一領(lǐng)域中的大部分研究工作基于利用交叉增益調(diào)制（XGM）或交叉相位調(diào)制（XPM）的SOA。在XGM方案中，利用強輸入信號來使SOA的增益達到飽和，再把連續(xù)信號調(diào)制在新波長上。現(xiàn)在實驗室可做到在高達100Gbit/s的速度上進行波長變換。此法很容易實現(xiàn)，但其缺點是有脈沖失真、信噪比惡化、消光比惡化。為了克服這些缺點，可以把SOA集成在干涉儀結(jié)構(gòu)的每一條臂上。在XPM方案中，目前可以做到在高達40 Gbit/s的速度上進行波長變換。它需要精確的SOA偏壓控制。若在SOA后面再跟一個延遲干擾環(huán)路，則可做到100Gbit/s。

　　波長變換還可基于混波技術(shù)，這種方法能保證速率和格式的透明性，但要求極化控制?？傊?，全光波長變換雖已取得明顯進步，但還有許多技術(shù)問題有待克服，仍是一個研究課題。它的可靠性和成本同樣十分重要。

4 OPS的前景分析

　　如前所述，核心網(wǎng)的演進方向是在基于電路交換的光層上布放一個不斷在發(fā)展的IP層。在今后幾年內(nèi)，這一演進方向可能主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的過渡。在那以后的將來某一時刻，OPS將粉墨登場。但在此之前，有許多開發(fā)工作要做。OPS能否浮出水面走向商用主要取決于以下三方面的上作。

　　首先，要攻克OPS目前面臨的許多技術(shù)挑戰(zhàn)。雖然迄今已取得許多進步和科研成果，但是并非所有挑戰(zhàn)已經(jīng)攻克。不少OPS使能技術(shù)仍處在研究探索階段。而且無論什么技術(shù)突破都必須要以成本有效為前提，惟有這樣才能在核心網(wǎng)中真正引入OPS。

　　其次，必須提出合理的過渡方法，使我們在引入OPS的同時，保護運營商在技術(shù)方面的投資。但是，對OPS的未來預(yù)測必須考慮距今5～10年后的網(wǎng)絡(luò)，而這種預(yù)測又不可能有足夠的可信度。比較實際的設(shè)想是首先在基于OXC的那一層面上實施OPS。OPS面臨的問題，部分是由于交換顆粒非常小以及在光域讀/寫分組報頭的要求引起的。所以，一種可以考慮的過渡辦法就是先進行顆粒較大的光脈沖串（burst）交換（OBS）。在OBS網(wǎng)中，分組被組裝成較大的數(shù)據(jù)脈沖串。為了進行控制，給每一脈沖串加上一個脈沖串報頭分組（BIIP）。數(shù)據(jù)脈沖串與BIIP在不同的光信道里傳送。在每一節(jié)點，只對BHP進行O/E/O轉(zhuǎn)換。但OBS面臨幾乎與OPS相同的技術(shù)挑戰(zhàn)，只是條件稍微寬松點，這是因為控制負(fù)擔(dān)減小了，BHP的電子處理不需光報頭讀/寫。

　　當(dāng)技術(shù)趨于成熟，運營商有需求時，可以在基于OXC的層面以外引入基干分組的光層。在部分網(wǎng)絡(luò)中，光IP分組可以在光域內(nèi)直接交換或組裝成光脈沖串，再注入到基于波長的管道中。在其它網(wǎng)絡(luò)部分中，光IP分組可以通過其它網(wǎng)絡(luò)層進入這些管道。

　　最后，OPS的實施要運營商來決策，只有得到運營商的認(rèn)同，OPS才有可能走向商用。但至今，對OPS/OBS的大多數(shù)研究工作并非來自運營商一邊。攻克技術(shù)難關(guān)、確立網(wǎng)絡(luò)過渡策略、互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展及電信業(yè)的重新振興都是促使運營商對OPS更加關(guān)注的重要因素。

摘自《電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化》

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