OPS(光分組交換)在核心網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

2019-11-05 01:32:47

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供稿：網(wǎng)友

　　一、前言
　　當(dāng)前的電層分組交換網(wǎng)絡(luò)不能發(fā)揮光纖和半導(dǎo)體光電子學(xué)提供的千兆位帶寬的優(yōu)勢。隨著光子器件技術(shù)的進(jìn)步，光交換經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，終于為核心網(wǎng)光分組交換技術(shù)的應(yīng)用開辟了道路。它是解決核心網(wǎng)下三層電子路由交換瓶頸和與底層DWDM巨大帶寬相吻合的最要害的技術(shù)。
　　
　　二、核心網(wǎng)絡(luò)包交換三種實(shí)現(xiàn)方案
　　以DWDM傳輸技術(shù)為核心，從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平滑過渡的核心網(wǎng)絡(luò)正經(jīng)歷巨大的變革，主要表現(xiàn)在：高容量，T級交換路由以能力成為可能；高靈活性，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高空發(fā)性迫切需要高度靈活的資源分配和再分配方案；簡化的協(xié)議層，路由交換技術(shù)必須簡化層結(jié)構(gòu)，消除電子瓶頸，使ip數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能夠直接進(jìn)行DWDM，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性和靈活性。適應(yīng)DWDM技術(shù)的T級傳輸容量，短期內(nèi)需要支持多個Tb/s的核心網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　1　IP　T級路由器
　　
　　基于IP/MPLS協(xié)議的T級路由器網(wǎng)絡(luò)方案，帶10Gb/s線路卡的T級路由器可以達(dá)到亞Tb/s的吞吐量，多Tb/s吞吐性能的路由器需要大規(guī)模并行陣列和復(fù)雜的互連體系，幾個設(shè)備供給商已經(jīng)提出了這種三代路由解決方案。價格不會有大的下滑，但是它基于IP而且還與IP網(wǎng)絡(luò)流量工程和分布式治理技術(shù)匹配。
　　
　　2　波長交叉連接法
　　
　　這是一種近期的解決方案，它以適中的運(yùn)行費(fèi)用提供可擴(kuò)展性。MPLS控制平面與傳輸層面光開關(guān)直接完成光波長交叉連接，即MPLS技術(shù)。MPLS技術(shù)提高了網(wǎng)絡(luò)治理靈活性，答應(yīng)在低層動態(tài)分配交叉連接上直接進(jìn)行IP業(yè)務(wù)的交換與傳輸，網(wǎng)絡(luò)資源再分配具有高度的靈活性，并且網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模流量模式變動不需要經(jīng)歷很長的周期。然而，MPLS技術(shù)在處理快速大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時，網(wǎng)絡(luò)中與OXC相連的邊緣節(jié)點(diǎn)路由器會變得很龐大，影響流量集中的效率。
　　
　　3　IP T級路由法與波箍交叉連接法的比較
　　
　　用端口數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)的比值比較分組交換和波長交換（T級路由器和波長交叉連接）的效率，由此看出，分組交換獲得更高的資源利用率，尤其在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)或比特率增長的情況下，應(yīng)該著重考慮高費(fèi)用、資源配置靈活的路由端口和交叉連接設(shè)備的折中。
　　
　　4　光分組交換方案
　　
　　光分組交換使用MPLS技術(shù)，通過三層協(xié)議棧方法實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化利用、光交換的業(yè)務(wù)區(qū)分和波長交叉連接的可擴(kuò)展性。IP路由器與光分組交換路由器相連以更大的靈活性和更低的成本執(zhí)行流量集中和核心交換。IP分組在邊緣節(jié)點(diǎn)集中成光突發(fā)數(shù)據(jù)，然后以單純的實(shí)體進(jìn)入光分組核心網(wǎng)絡(luò)。這種光分組交換方法對多個光紛組僅僅處理一次頭信息，極大地降低了對核心路由器轉(zhuǎn)發(fā)速度的要求，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)發(fā)能力（至少一個數(shù)量級）。另外，這種方法可以把WDM端口視為一個單獨(dú)的源（典型值300-600Gb/s），從而提高了邏輯性能并且減輕了具有單波優(yōu)點(diǎn)理能力的IP路由器的需要。突發(fā)交換同樣提供與IP治理技術(shù)直接適配的交叉連接的優(yōu)點(diǎn)。光突發(fā)交換可以采用定長分組格式和可變長度格式，其中可變長度格式由于易于適配IP業(yè)務(wù)而更具有發(fā)展前景，固定長度分組則具備更好的交換性能，有利簡化光交換處理過程。快速光分組交換技術(shù)需要非凡的定幀避免凈荷數(shù)據(jù)丟失。光交換也提供了單級配置的大容量交換的前景（10Tb/s），避免了復(fù)雜的互連，對向40Gb/s傳輸系統(tǒng)線路速率演變不敏感。盡管最終目的是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全光應(yīng)用，而且光緩存和光再生的研制已經(jīng)可以使用光纖延遲線和非線性光學(xué)器件的實(shí)現(xiàn)，但是近期內(nèi)部分功能只能以合理的性能價格比用電子器件替代。
　　
　　三、OPS核心網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
　　光分組交換（OPS）中純粹的全光域包頭識別和控制仍需時日，目前國際范圍OPS的研究還是集中在光電混合模型里，即OPS電域控制和電域光包頭信號處理、全光的分組數(shù)據(jù)交換。隨著MPLS技術(shù)的發(fā)展，可以將標(biāo)簽交換引入OPS，整個的光交換傳輸網(wǎng)絡(luò)可劃分為核心交換光網(wǎng)絡(luò)和邊緣交換光網(wǎng)絡(luò)。光分組包含光包頭和凈荷，光包頭采用最普遍的SCM帶外傳送方案。光包頭攜帶標(biāo)簽，凈荷可以是固定時間長度或者可變時間長度。光包在網(wǎng)絡(luò)邊緣OPS節(jié)點(diǎn)完成包頭（標(biāo)簽）識別和路由查找，更新（交換）后的光包頭與數(shù)據(jù)凈荷一起進(jìn)入光網(wǎng)絡(luò)，這種方式的光標(biāo)簽在電域內(nèi)完成識別和處理，凈荷在整個光網(wǎng)絡(luò)中透明傳輸。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)既可以滿足大容量傳輸交換（SDH），又能保證帶寬資源的高利用率（IP路由網(wǎng)）。網(wǎng)中OPS有兩種應(yīng)用：OPS核心交換機(jī)和OPS邊緣交換。OPS核心交換主要完成網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)處光分組數(shù)據(jù)的選路和標(biāo)簽交換。這種模式下，OPS節(jié)點(diǎn)能夠最大利用網(wǎng)絡(luò)資源和減少數(shù)據(jù)流量對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求，減輕了網(wǎng)絡(luò)OXC節(jié)點(diǎn)的沉重的負(fù)擔(dān)；OPS邊緣交換是連接IP數(shù)據(jù)與OTN網(wǎng)絡(luò)接口的OPS邊緣交換路由器。
　　
　　四、OPS接入OXC功能介紹
　　OPS能夠在光路OTN基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)光分組業(yè)務(wù)的高效分配，充分保證波長級光路業(yè)務(wù)和光包級數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的混合傳輸，基于光包業(yè)務(wù)的快速交換和波長粒度的慢速交換和路由同時存在。快速交換和光分組流量集中功能及光分組業(yè)務(wù)的動態(tài)快速波長分配均在網(wǎng)絡(luò)邊緣OPS節(jié)點(diǎn)完成（IP/ATM--OXC）。OPS路由器是邊緣網(wǎng)絡(luò)器件，業(yè)務(wù)層與傳輸層的接口，OPS路由器與OXC直接相連，保證OPS業(yè)務(wù)的靜態(tài)波長和光纖可用路由。OXC交換矩陣完成核心光交換和互連；網(wǎng)絡(luò)治理和控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)互連控制；OPS模塊連接OXC的上下路端口和專門用于光分組交換的波長的接入；外部IP路由器處理與OPS同粒度（光包）的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)IP域和OPS域的集成控制。OPS維護(hù)配置信息、物理結(jié)構(gòu)、OXC傳輸?shù)耐負(fù)浜鸵?guī)模，因此OPS能夠從業(yè)務(wù)層分離OTN，利用集成控制平面接入IP數(shù)據(jù)域，通過維護(hù)網(wǎng)絡(luò)配置信息和OXC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接OTN。DWDM網(wǎng)絡(luò)中引入OPS促進(jìn)了核心網(wǎng)絡(luò)粒度的多樣化，從而能夠更高效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。當(dāng)前OTN的主要問題用比波長更精確的粒度建立高效和低成本的網(wǎng)絡(luò)。OPS在OTN的外部節(jié)點(diǎn)提供流量集中機(jī)制，接收來自不同源節(jié)點(diǎn)類型的業(yè)務(wù)映射進(jìn)光分組中。這種光分組是可變長的，多個時間單位的復(fù)用。業(yè)務(wù)集中節(jié)點(diǎn)再把光分組映射到適當(dāng)?shù)牟ㄩL上在OTN中傳輸直到下一個業(yè)務(wù)整合OTN出口節(jié)點(diǎn)或者需要進(jìn)一步業(yè)務(wù)映射的新節(jié)點(diǎn)。OPS需要運(yùn)行OXC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)協(xié)議并且能夠把這種集中機(jī)制和OTN中的QoS分配結(jié)合起來，OPS光路由器將完成比T級電子路由器更大規(guī)模和更高效的IP流量集中，充分利用電子T級路由器所不具備的光層的巨大容量和增強(qiáng)功能。
　　
　　五、光交換技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢
　　經(jīng)過10年多時間的發(fā)展，OPS仍未成為主流技術(shù)，主要是受制于光存儲和光子集成技術(shù)有限制。缺少深層、快速的光存儲器件，阻止了電域的路由結(jié)構(gòu)在光域內(nèi)的應(yīng)用；較之先進(jìn)的硅路集成工藝，光子集成限制了光子交換的發(fā)展。最近的技術(shù)突破和智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，優(yōu)化了電子與光子技術(shù)，使它們達(dá)到最完美的結(jié)合。光子技術(shù)的進(jìn)步必定導(dǎo)致光器件市場的蓬勃發(fā)展。AOPS實(shí)現(xiàn)的要害技術(shù)主要是快速光開關(guān)、分組模式收發(fā)器、再生器和存儲器。
　　
　　AOPS交換矩陣的光開關(guān)要求至少為ns量級，此時ms量級MEMS光開關(guān)不再適用，取而代之的是基于LiNbO3開關(guān)和SOA門開關(guān)及超快可調(diào)激光器、波長轉(zhuǎn)換器和靜態(tài)波長路由器組成的快速大規(guī)模光交換矩陣。AWG代替了傳統(tǒng)的2×2光開關(guān)多級級聯(lián)結(jié)構(gòu)，將幾十個SOA門開關(guān)集成進(jìn)輸入模塊能夠控制每秒幾十個吉比特的數(shù)據(jù)流，這種SOA光開關(guān)也可以與波分復(fù)用器、分光器等集成在城域環(huán)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)簡單的OADM功能并且系統(tǒng)級的優(yōu)化設(shè)計克服了高噪聲因子和信道串?dāng)_，達(dá)到1T總?cè)萘俊２ㄩL轉(zhuǎn)換器是競爭解決中的重要器件，阿爾卡特公司已經(jīng)作出基于M-Z結(jié)構(gòu)，工作于10GHz的全光有源波長轉(zhuǎn)換器。另外，參量波長轉(zhuǎn)換器可以同時轉(zhuǎn)換多個波長，在AOPS中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
　　
　　高速光包模式傳輸和再生功能，主要是適應(yīng)長距離傳輸，需要考慮逐包相應(yīng)和幅度起伏容限、同步系統(tǒng)最小損傷等參數(shù)。最近10Gb/s NRZ包模式接收機(jī)在突發(fā)模式下只獲得非常有限的損傷，典型值是功率變化容限的6dB，快速時鐘相位恢復(fù)小于10ns。AOPS再生可以采用背對背突發(fā)模式接收和發(fā)送或者是全光方式。例如100個半導(dǎo)體放大再生器級聯(lián)的時鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)速率已達(dá)到10Gb/s。
　　
　　目前的光存儲均是通過ODLs和光開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，短期OPS緩存只能是光電混合存儲，共享存儲技術(shù)使現(xiàn)在的光路由交換可支持T級以上的數(shù)據(jù)率，使用ns級光開關(guān)和光門總?cè)萘靠梢赃_(dá)到10Tb/s，同樣的技術(shù)可用于AOPS的ADM中。然而從長遠(yuǎn)看，ORAM的研究已經(jīng)有一定進(jìn)展，比如實(shí)驗(yàn)室水平的分子開關(guān)和分子晶體管等。軟件方面AOPS采用現(xiàn)有可獲得路由信息分布的IP路由協(xié)議和MPLS協(xié)議并作相應(yīng)的信令擴(kuò)展而不必為AOPS重新編寫協(xié)議。
　　
　　六、結(jié)束語
　　本文提出一種OPS應(yīng)用于核心光網(wǎng)絡(luò)的全I(xiàn)P解決方案，光分組交換網(wǎng)絡(luò)降低了對OTDM的比特級光器件性能的要求，具有比WDM光路交換技術(shù)更靈活有效的資源利用率。它將完全發(fā)揮光層的大容量和多功能優(yōu)勢，是最具發(fā)展?jié)摿Φ臄?shù)據(jù)光核心網(wǎng)絡(luò)方案。

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