交換設備的發展

2019-11-05 01:29:31

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

　——光纖和光互聯技術的進步使網絡帶寬容量擴大了10000倍，而電子技術的發展沒有跟上光技術的發展步伐，交換機／路由器的帶寬只增加了10倍。光層現在運行在OC-48和O C-192速率上，而原有的交換設備無法提供相應的接口速率和端口密度，不能有效利用光纖的DWDM技術所創造的巨大帶寬。采用高速交換選路設備作為網絡節點，可以把大量的原始帶寬轉換成可用帶寬，解決骨干網絡潛在的瓶頸問題，并確保現在ip、ATM、FR網絡之間的互通。

——以數據為中心的通信業務大量增加和DWDM技術的快速增長需要更可靠和更靈活的網絡治理，當網絡向全光網發展時，在光層進行數據優化、選路和提供保護對整個網絡來說是非常重要的。光交換機能夠較好地保持網絡生存性，為信號選路提供靈活的平臺。雖然今天通信系統中的絕大部分交換機是電的，但未來的光網絡需要交換機能夠在純光層面上選路，實現比特率和協議透明的網絡。目前商用的光交換機有很多類型，其中最通用的是電光和光機械兩種。

——電光交換機由具有電光晶體材料的波導組成。通常由兩個波導通路連接組成Mach-Z ehnder干涉儀結構，實現1×2和2×2交換。兩個波導通路間的不同相位由電壓來控制，當驅動電壓作用于干涉儀的一個或兩個通路，改變它們之間的相位，干涉結果將信號送到所希望的輸出端上。

——電光交換機的主要優點是交換速度訣，能夠達到ns級。但是，這種交換機具有高介入損耗、高偏振損耗、高串擾，對電信號的漂移也非常敏感，所以需要很高的控制電壓，而且，電光交換機是非閉鎖的，這限制了其在網絡保護和重新配置時的使用；電光交換機的制造成本很高。

——光機械交換機基于成熟的光技術，是目前使用最廣泛的交換機類型。其原理簡單：通過移動光纖末端或鏡子，把光直接送到或反射到交換機的不同輸出端。光機械交換機只能達到ms級的交換速度，但其低成本、簡單的設計和良好的光學性能使其應用廣泛。光機械交換機具有較低的介入損耗（幾十分貝）、低的串擾、很好的消光比、偏振和基于波長的損耗非常低、對不同的環境有良好的適應能力、較低的功率和控制電壓、具有閉鎖功能。大部分光機械交換機的核心交換機構都是采用1×2和2×2的光開關通過多級級聯而構成，如圖2所示。交換矩陣規模較小的無阻塞M×N光交換機很輕易實現，較大規模的（如64×64）部分阻塞交換機可以使用多級結構來實現，但是要構造完全無阻塞的大規模交換矩陣卻十分困難。

——光交換機的基本組成結構如圖3所示，主要由復用／解復用器和交換矩陣組成。它可將輸入端的任何光纖上的任何波長交叉連接到使用相同波長的任何輸出端口的光纖上。假如給該交換機的輸入和／或輸出端引入波長轉換功能，則它既可以完成空間交換又可以進行波長轉換，可將任何光纖上的任何波長交叉連接到其它任何光纖上的任何不同波長上。

——目前還有一些正在研究的光交換機，采用熱、液體結晶、聲和微電子機械（MEM）技術等。其中比較有吸引力的方案是基于MEM技術的光交換機，目前可用電壓80V，交換速度400ms的MEM光交換機已經問世。其受人矚目的原因是它具有小型化、案成度高和便于大批量制造的優點。

——隨著光網絡持續擴展，網絡速度超過多吉比特級后，電交換機就不能實現有效的治理了，全光網能夠實現高效的信號治理，而光交換機是未來高容量光網絡的重要器件。光波長將是下世紀網絡的基本組塊，21世紀，全光網絡將真正以光的速度傳送大量的信息，貝爾實驗室、Monterey Network、Sycamore Network等公司正在開發一種叫作波長路由器（Wavelength Router）的設備，以組成智能化的光傳送網。

——貝爾實驗室使用顯微鏡面（microscopic mirror）技術的新型全光路由器（WaveSt ar Lambda Router）使用一系列微鏡面，可以在光纖之間直接引導（directing）和選擇光信號的路由，而不必先把它們轉換成電信號，故可以節省25％的運行費用，比電交換設備快16倍。PSINet已經公布要在其網絡中使用這種全光路由器。

——1999年2月，Monterey Network（已被Cisco并購）公布了一種用于DWDM的點到點長途光通道的波長路由器，這種路由器可以跨接非環形的光核心網，進行IP路由器和交換機的互連，提供端到端通路的快速配置和恢復。業務提供者可以用波長路由器進行流量工程設計、快速組成具有強大的生存能力的格形光核心網，這樣避免了SONET／SDH環形網中有一半的帶寬用于保護的現象，并且不必使用中間的ATM交換機、SONET／SDH復用器和交叉連接設備。該設備終接大量的OC-48（2.5Gb／s）和OC-192（10Gb／s）光纖，可以把光纖中的信息靈活地送到目的地，輸出信號可以是ATM、IP或任何時分復用形式的信號。在核心，Monterey采用光格形拓撲和波長選路協議（Warp）。使用這種技術，可以把配置一個OC-48電路所用的時間從目前的幾天或幾周，縮短到只需幾秒的時間。在發生故障時，該波長路由器可以使業務在50ms內恢復。

MPLS開始進入光領域 ——近來備受矚目的并被業界認為是當今數據網絡領域內最有前途的網絡解決方案的技術就是多協議標簽交換（MPLS）技術。傳統Internet所面臨的某些問題正在由IETF（In ternt Engineering Task Force）開發的MPLS技術逐步獲得解決。MPLS網絡具有支持不同網絡業務的能力，MPLS網絡采用標準分組處理方式對第三層的分組進行轉發、采用標簽交換對第二層分組進行交換，改善了選路的性能和成本，從而實現了快速有效的轉發。MPLS有助于簡化復雜的網絡結構，使網絡的總體成本降低50％。MPLS的實用價值在于它能夠在像IP這樣的無連接型網絡中創建連接型業務，并提供完善的流量工程（TE：Tr affic engineering）能力。

——現在，業界、分析家和市場都看好MPLS，認為它能對Internet產生巨大的影響，因為它將減少網絡阻塞和提供更好的端到端服務。將來利用MPLS建成的公眾IP數據網，不僅僅是Internet，更主要的是為許多企業提供服務質量和穩定性更好的VPN應用。有分析家認為，將來所有公司內部的業務將由基于MPLS的VPN來承擔，而不是Internet。到201 0年，VPN（至少部分基于MPLS）將占全世界所有公眾IP業務收入的3／4。目前，AT&T、 MCI WorldCom和Uunet這些大公司都在試驗MPLS。MCI在vBNS網的洛杉機到舊金山OC-48鏈路上利用MPLS來引入流量工程。

——目前國外已有多家研究機構和公司提出了將MPLS業務量工程和光交叉連接技術結合起來的新型MPLmS（MultiPRotocol Lambda／Label Switching）組網技術和使用MPLS技術實現IP over WDM的IETF草案。在光聯網技術中綜合了先進的MPLS業務量工程控制層技術，可以大大簡化網絡治理的復雜性，因此非凡適合于由OADM和OXC組成的光互聯網絡系統。主要優點有：

——*為在光網絡中執行帶寬治理和實時維護光信道提供了一種全新的網絡架構。

——*它在使用目前最高級的MPLS控制層技術的同時也結合了已普遍使用的IP路由協議，能有效協調IP層和光網絡層功能；

——*可使用專門為MPLS業務量工程而開發的軟件系統而無需重新為光傳輸網開發新一代的控制協議，因此可迅速開發新型多功能光聯網設備，簡化了新型聯網設備和標簽交換路由器的集成和綜合過程。

——*可在IP層和光網絡層實現單一的網絡治理和操作控制模式，為最終在IP路由器上提供WDM復用功能鋪平了道路。

——MPLmS方案將光交叉互聯設備視為標簽交換路由器進行網絡控制和治理。在基于MPL mS的光波長標簽交換網絡中的光路由器有兩種：邊界路由器和核心路由器。邊界路由器用于業務接入，同時處理電子功能模塊完成MPLmS中較復雜的標簽處理功能；核心路由器利用光互聯和波長變換技術實現波長標簽交換和上下路等比較簡單的光信號處理功能。它可以更靈活地治理和分配網絡資源，并能較有效地實現業務治理及網絡的保護、恢復。

——基于MPLmS的波長標簽網絡解決方案，最大的好處就是它在充分發揮現有的光聯網技術的基礎上，具有適應未來光聯網技術發展的潛能，這種多方位的適應性包括了電路交換、分組／包交換，以及各種混合交換。目前，光網絡的未來演進仍是不清楚的，最可能的情況如圖4所示，是各種交換方式，如光纖的空分交換、波長信道的交換和分組／包／信元交換的綜合——即光纖—波長—分組（FWP）漏合交換，為用戶同時提供電路型和分組型交換業務。圖中由最上層的電的標簽交換通路（LSP）來提供分組交換，同時波長級LSP提供波長交換，而交換粒度最大的是由光纖級LSP來執行空分交換。

向雙層網絡結構發展 ——隨著Internet的發展，新的網絡協議和原有協議的不斷擴展，除了處理轉發分組以外，路由器還應具有一些新的功能，如：集成服務和區分服務、增強的路由能力（包括第三層和第四層的交換技術）、安全功能（例如，虛擬專網〔VPN〕和防火墻）、對現有協議的增強和擴展（例如：類似于隨機早期檢測RED的阻塞控制算法）以及開發新型的核心協議（例如：IPV6、MPLS等）。在這種情況下，原有的以單一內核路由器操作系統為核心的路由器軟件體系結構就不能滿足網絡協議研究和開發的需要了。新的路由器體系結構，應該包括：

——* 以分布式實時開放路由器操作系統為核心，保證開放性和實時性。

——* 在操作系統內核之上構造支持路由器協議和功能擴展的支撐子系統，井實現有擴展功能的內核以提高路由器的整體性能。

——* 未來能夠在路由器軟件體系結構的基礎上進行進一步的研究和開發工作，如：主動網絡體系結構的研究，需要在操作系統之上構造支持多種主動網絡結構的主動網絡支撐系統。

——另外，隨著超大規模集成電路的進一步發展，路由器將最終在容量、速率、性能方面實現本質上的提高。最新發展的波長路由器實現了在光域上的透明傳輸，它消除了傳統的光／電／光的轉換，對信號的格式、協議和速率透明。它基于光的交叉連接，可承載各種業務在光層上透明的傳輸，并可充分利用波長的帶寬資源實現動態的帶寬分配，它是向來來全光網邁進的一個實質性的突破。因此，路由器最終會向未來光子網絡的高性能的波長路由器方向發展，而且它必然具有MPLS的功能。

——為面向語音業務和面向IP業務而設計的傳輸網絡的最要害差別在于地域性方面。數據的傳輸沒有地域的限制，而語音傳送卻與距離密切相關。因為數據業務在距離上的獨立性，所以通過高性能路由器組網的光骨干網比通過SONET網絡做得更好。

——隨著設計業務的快速發展，目前由業務層、SONET層和物理層所構成的多層網絡結構，將不再能夠滿足今后數據業務的爆炸性增長，而且任何具有SONET復用結構的網絡都將導致不必要的光／電轉換從而提高了成本，因而通過SONET設備再映射到DWDM系統來傳輸 IP業務的方法非常麻煩和昂貴。

——當業務層鏈路直接與傳輸層連接時，大比特路由器將作為多種業務流的集成平臺。高性能的路由器具有高速光接口，不再需要傳統的SONET終端的高比特率復用功能。太比特路由器同樣可以處理設備的保護和實現其它的類似于SONET的功能，這更減少了對SON ET的需要。

——高性能的路由器與先進的光網絡的集成大大提高了網絡的可擴展性、保護恢復能力和比特透明性。通過調制結構的改變，可獲得網絡的可擴展性和靈活的帶寬。從結構設計的角度來說，直接的IP over photonics并不要求無阻塞的交叉連接矩陣，這樣將完全克服了擴展端口數的限制。從帶寬的角度來看，運營商必須提供非常高的比特率以適應快速擴展的數據業務。2.5Gb／s的DWDM信道系統將不再具有生命力，下一代的光網絡將運行在10Gb／s上，而40Gb／s系統也開始浮出水面。

——路由器加光子網絡在提供豐富的帶寬容量的同時還提供強大的保護恢復能力。當帶寬有限和昂貴時，優化和有效地使用帶寬是一個對成本敏感的長途網絡的主要目標，因此，不得不采用復雜的保護恢復方案來獲得對恢復通路帶寬的最大共享。而新的雙層網絡提供了充分的價格低廉的帶寬。因而可采用快速的保護恢復方法，這樣，整個的故障檢測和恢復時間將減至毫秒量級。

——最后，雙層網絡機制還提供了比特率透明性，一個全光網絡系統經由波長級的路由器可直接接入任何比特率的數據，無論是OC-12c、OC-48c、OC-192c或更高。 ——雙層網絡結構、高性能的路由器加上先進的光傳輸層為光互聯網帶來了巨大的好處。傳輸網絡將不再需要中間的SONET層，長距離的傳輸網絡將發展為更有效、更強大的網絡——全光骨干網。

結束語

——純粹的光子網絡是不存在的，但是多吉比特和太比特路由器的出現使得在光層聯網成為可能，這些路由器處于骨干網的核心位置，充分利用了光層聯網的優勢。光層聯網所具有的優勢使得網絡迫切地向著簡化的雙層網絡體系結構發展，即高性能的路由器加先進的光子傳輸技術。而SONET在骨干網的接入部分仍然處于核心位置，未來的傳輸網將不再需要SONET層，長途骨干網將最終進化為一種更有效的網絡結構——種純粹利用光子聯網技術實現的光互聯網。在歐洲，全球第一個容量為IP級（1000Tb／s）的網絡（i-2 1）已經公布于眾。

上一篇：笑傲江湖之三層交換篇

下一篇：信息網絡案例----溫州醫學院附屬第一醫院