摘要：

文章從發(fā)展光網絡的驅動力和目的出發(fā)，重點介紹了光交叉連接設備的分類和實現技術、全光交叉連接器的核心硬件技術的發(fā)展、向智能光網絡的演進、光網絡的管理、IP層與光層的融合及網絡的演進結構、多協(xié)議標記交換應用于光層后的特點和適配需要等。

關鍵詞：

光傳送網；光聯網；光網絡

ABSTRACT:

Based on the impetus and object of developing optical networks, the paper presents the classification of optical cross connect (OXC) equipment and its implementation technologies, the development of key hardware technologies of AOXC system, the evolution of optical networks to intelligent optical networks, the management of optical networks, the convergence process of IP and optical layers, and the characteristics and adaption requirements of MPLS while applied to an optical layer.

KEY WORDS:

Optical transport network; Optical networking; Optical network

1、發(fā)展光網絡的驅動力和目的

近幾年來，由于技術上的重大突破和市場的驅動，波分復用系統(tǒng)發(fā)展十分迅猛。目前1.6 Tbit/s 的波分復用(WDM)系統(tǒng)已經開始大量商用。NEC和阿爾卡特公司的WDM分別在100 km距離上實現了總容量為10.9 Tbit/s(273×40 Gbit/s)和總容量為 10.2 Tbit/s(256×40 Gbit/s)的最新世界記錄。預計到2005年左右，光傳輸鏈路的實用化容量有可能實現5～10 Tbit/s，傳輸鏈路的容量將不再是個大問題。然而，普通的點到點波分復用通信系統(tǒng)盡管有巨大的傳輸容量，但只提供了原始的傳輸帶寬。為了將傳統(tǒng)的點到點WDM所提供的巨大原始帶寬轉化為實際組網可以靈活應用的帶寬，需要在傳輸節(jié)點處引入靈活的光節(jié)點實現光層聯網，構筑所謂的光傳送網(OTN)，即實現從傳統(tǒng)WDM走向OTN的轉變和升級。

需要注意，所謂光網絡不是一個嚴格意義的技術術語，而是一個通俗用語。從歷史上看，光網絡可以分為兩代，第一代光網絡中光只是用來實現大容量傳輸，所有的交換、選路和其他智能都是在電層上實現的，SDH就是這種第1代的光網絡。而目前正在開發(fā)的OTN可以認為是第2代光網絡，此時很多交換、選路和其他智能將在光層上實現。因此，簡單地說，廣義的光網絡可以涵蓋SDH和OTN兩者，而狹義的光網絡特指OTN。實現光層聯網的基本目的和好處可以總結為下述幾個方面：

(1)消除電設備導致的帶寬“瓶頸”

因受限于單個電中繼器的傳輸容量，目前電聯網的鏈路容量不超過40 Gbit/s。而電聯網的節(jié)點的吞吐量大約為320～640 Gbit/s。從長遠看，無論節(jié)點或鏈路的容量均無法趕上數據業(yè)務量的指數增長速度。

(2)降低對業(yè)務節(jié)點規(guī)模的要求

由于實際網絡節(jié)點中大部分的流量是轉接容量，無須上下路。利用具有靈活疏導業(yè)務量能力的光分插復用器(OADM)和光交叉連接器(OXC）可以從光層旁路掉不在本地下路的大量業(yè)務，不僅減輕了業(yè)務節(jié)點所要處理的業(yè)務量，降低了對業(yè)務節(jié)點規(guī)模的要求，而且也降低了傳送節(jié)點的成本。

(3)大幅度降低建網成本和運營維護成本

光傳送聯網可以簡化網絡層次和結構，減少網元數目和電/光轉換設備的數目，從而也簡化了網絡管理和規(guī)劃。不僅可以大幅度降低全網的建設成本，而且也大幅度減少了網絡運行維護成本。

(4)實現網絡光層的可重構性

達到在波長級、波長組級和光纖級靈活重組網絡的目的。特別是波長級的連接可以提供端到端的波長業(yè)務，進而支持大量新業(yè)務。

(5)實現網絡對客戶層信號的透明性

允許互連任何新老系統(tǒng)和不同格式的信號，同時可以支持各種不同要求的區(qū)分業(yè)務，例如保護與不保護業(yè)務等。

(6)簡化和加快了高速電路的指配和業(yè)務供給速度

采用光層聯網消除或減少了光電轉換，簡化和加快了高速電路的指配速度。

(7)實現快速網絡恢復

目前電層的網絡恢復時間高達幾分鐘，而OTN的恢復時間可以減少到百毫秒量級。

(8)同時實現業(yè)務層和光層聯網

避免了單純IP層聯網所帶來的低效率，提高了網絡資源的利用率，提供了靈活高效的組網能力和對付大物理層故障的快速恢復能力。

鑒于光傳送聯網具有上述潛在的巨大優(yōu)勢，發(fā)達國家投入了大量的人力、物力和財力進行預研。按照KMI公司的預測，到2006年前OXC的年復合增長率將增加到124%，而同期每端口的價格將以30%的速率持續(xù)下降，從目前的10 000美元下降到1 100美元。按照Frost & Sullivan公司最近的預測，盡管全球電信設備市場總體呈低迷狀態(tài)，但全球OXC的市場將仍然會從2001年的3.36億美元增加到2006年的60億美元。

2、光交叉連接器的分類和實現技術

光交叉連接器是OTN的核心，主要功能有：提供以波長為基礎的連接功能、光通路的波長分插功能，對波長通路進行疏導以實現對光纖基礎設施的最大利用率，實現在波長、波長組和光纖級上的保護和恢復。當OXC能夠實現動態(tài)波長選路功能時，常被稱為波長路由器或光交換機。

按照應用，可以將OXC分為光纖交叉連接(FXC)、波長選擇交叉連接(WSXC)、波長交換交叉連接(WIXC)三大類。

(1)光纖交叉連接

光纖交叉連接可以將任意一根輸入光纖中的所有波長一次性地交叉連接到任意一根輸出光纖，即以一根光纖上所有波長的總容量為基礎實現交叉連接，其角色實質上就是自動光纖配線架。FXC結構簡單，交叉連接的容量粒度最大，可以提供最簡單的配置和網絡恢復能力。對于某些經常發(fā)生像光纖切斷之類大故障的地區(qū)，FXC是一種可行的解決方案。

(2)波長選擇交叉連接

波長選擇交叉連接可以將任意一根輸入光纖中的任意波長交叉連接到使用相同波長的任意一根輸出光纖。有人將這種波長交叉連接稱為無源光路由器，其波長可以通過空分復用方式實現重用。

WSXC可以實現波長級容量粒度的業(yè)務量疏導能力和提供波長業(yè)務，在組網和業(yè)務提供的靈活性方面遠優(yōu)于FXC。而波長業(yè)務可以進而支持圖像分配、遠程教育和大量其他業(yè)務。WSXC還具有較好的業(yè)務恢復靈活性，可以利用網狀、環(huán)狀或混合方式對單個波長通路實施保護。

(3)波長交換交叉連接

波長交換交叉連接是具有波長變換能力的WSXC，能夠將任意一根輸入光纖中的任意波長交叉連接到使用不同波長的任意一根輸出光纖上。這一特點減少了由于波長競爭所導致的輸入光纖與輸出光纖間波長選路失敗的可能，因而在組網、業(yè)務提供和保護恢復方面具有最大的靈活性。缺點則是實施技術的復雜性和成本較高，特別是波長變換技術尚不成熟。

從實現技術上看，OXC可以劃分為兩大類：采用電交叉矩陣的OXC(有時簡稱OEO方式或電OXC)和采用純光交叉矩陣的OXC(有時簡稱OOO方式或光OXC)。

采用電交叉矩陣的OXC可以比較容易地實現信號質量監(jiān)控和消除傳輸損傷，網管比較成熟，容量不是很大時成本較低，更重要的是可以對小于整個波長的較小的帶寬粒度(例如155 Mbit/s)進行處理，符合近期市場容量需要。然而這種方式主要依靠硬件，容量擴展性受限，擴容主要是通過持續(xù)的半導體芯片密度和性能的改進來實現的，由于系統(tǒng)的復雜性，其改進的速度要慢于半導體芯片性能改進的摩爾定律，難以跟上網絡傳輸鏈路容量的增長速度。據估計，采用最新的ASIC技術目前只能支持512×512端口的電交叉連接矩陣；此外，當傳輸系統(tǒng)的傳輸速率已升級到10 Gbit/s后，若內部交換矩陣仍工作在2.5 Gbit/s速率，則進來的10 Gbit/s信號需要先解復用成4個2.5 Gbit/s速率的信號后才能進入內部交換矩陣，至少浪費了75%的交換矩陣端口數；最后，這類系統(tǒng)通常體積大、功耗大，容量很大時成本較高。電交叉矩陣的OXC發(fā)展趨勢是與純光交叉矩陣的OXC結合并集成在一起，統(tǒng)一管理，初期先采用電交叉矩陣的OXC，待有容量需要時再升級到應用純光交叉矩陣的OXC。

采用純光交叉矩陣的OXC因省去了光電轉換環(huán)節(jié)，不僅節(jié)約了大量光電轉換接口，而且由于純光消除了帶寬“瓶頸”，容量可望大幅度擴展，隨之帶來的透明性還可以使其支持各種客戶層信號，具有更長遠的技術壽命。從端口成本和功耗看，這類設備也比采用OEO的OXC要低，特別是在10 Gbit/s速率時更為明顯。但這類設備可以交換的帶寬粒度至少是整個波長，因此即使只有少量的附加帶寬需求也必須提供整個波長；此外，由于目前尚無光波長轉換器，因此不得不實現單波長的端到端指配，使系統(tǒng)的管理、指配和最佳化比較復雜；再有，由于全光交換機沒有存儲器，智能受限；最后，由于色散非線性損傷問題，使覆蓋范圍受限。

按照KMI公司的預測，純光交叉矩陣的OXC市場將在2006年超過電交叉矩陣。

3、全光OXC的核心硬件技術的發(fā)展

全光OXC的研究工作已進行了很多年，但目前仍處于現場試驗和小規(guī)模商用階段，主要問題之一是尚未有性能價格比好、容量可擴展、穩(wěn)定可靠的光交換矩陣，核心是光開關。從實現技術上可以用作光開關的有：機械式光開關(如光纖開關、自由空間棱鏡開關、宏機械開關和微電機械開關)、電光開關(如鈮酸鋰光開關、InP光開關和SOA門開關)、聲光開關、液晶光開關、熱光開關、氣泡光開關和全息光開關等，花樣繁多。

近來，微電機械開關（MEMS）光開關已顯示了巨大的發(fā)展前途，這是一種將自由空間互連與硅基單片集成技術相結合的新技術，利用微加工技術(微電子技術和微機械技術)制造，將幾何尺寸僅在毫米、微米、甚至納米范圍內的機電裝置與前置電路、控制電路等高度集成在一個極小的空間，構成一個機電一體化的器件或系統(tǒng)。這種機電一體化的開關器件結合了機械光開關和固體波導開關的特點，結構緊湊，集成度高，性能優(yōu)良，矩陣規(guī)模大，便于批量生產，正成為實用化大型OXC的主要開關技術之一。美國朗訊公司采用三維MEMS矩陣技術實現了256×256的全光交叉連接器，稱為波長路由器，可節(jié)約25%的運行費用和99%的能耗。

然而，以MEMS技術為基礎的全光OXC在技術上還有很多問題需要妥善解決。首先，從長期實際應用看，MEMS的高精度是否能在各種環(huán)境條件下都始終保持仍然是個問題，閉環(huán)控制可能是實用化所必不可少的；其次，實用化的OXC所必須的大量功能還有待花時間開發(fā)；再有，其選路協(xié)議和信令還有待最終標準的完成及互操作測試；最后，適用于大規(guī)模電信網應用的光恢復功能必須有自動色散和PMD補償技術的配合才能真正實現，如此等等。因此以MEMS技術為基礎的全光OXC的真正實用化還需要1～2年的時間。

4、向智能光網絡的演進

盡管OXC已具有靈活組網能力，但傳統(tǒng)意義上的OXC僅僅具有靜態(tài)網絡配置的能力，主要靠網管系統(tǒng)進行調配，無法適應動態(tài)的網絡和業(yè)務環(huán)境，特別是隨著IP業(yè)務成為網絡的主要業(yè)務量后，由于IP業(yè)務量本身的不確定性和不可預見性，對網絡帶寬的動態(tài)分配要求將越來越迫切，網絡最終需要實時動態(tài)配置能力，即智能光交換能力。傳統(tǒng)的OXC將升級為智能光交換機，于是一種能夠自動完成光網絡連接的新型網絡——自動交換光網絡(ASON)應運而生，使傳送網具備了更高智能。

自動交換光網絡允許將網絡資源動態(tài)地分配給路由，具有動態(tài)恢復能力，使網絡在出問題時仍能維持一定水準的業(yè)務，特別是具備分布式恢復能力，可以實現快速業(yè)務恢復；自動交換光網絡還可以將光網絡資源與數據業(yè)務分布自動聯系在一起，形成一個響應快成本低的光傳送網；最后，自動交換光網絡還可以提供大量新的業(yè)務類型，諸如按需帶寬業(yè)務、波長批發(fā)、波長出租、帶寬交易、按使用量付費、光撥號業(yè)務、動態(tài)路由分配、光層虛擬專用網(VPN)等。

AT&T公司已經在美國全國范圍內敷設了連接約100個城市的兩層光智能網，采用了約100臺Ciena智能光交換機和800多臺Cisco的SONET多業(yè)務平臺。Ciena智能光交換機主要完成以45 Mbit/s為基礎帶寬顆粒的實時交換和動態(tài)配置；Cisco的SONET多業(yè)務平臺主要在網絡的邊緣匯聚低速率的業(yè)務至2.5 Gbit/s或10 Gbit/s速率，再經光交換選路通過網絡，其基于實時的信令和選路算法，無須人工干預。新的兩層光智能網不僅減少了成本和配置出錯機會，使運作流暢，也增加了容量，簡化了網絡結構層次，極大地縮短了用戶的高速電路配置時間，能有效對付網絡大故障，快速恢復業(yè)務， 恢復時間為數百毫秒。

可以預計，隨著全網業(yè)務的迅速數據化，特別是寬帶IP業(yè)務的快速發(fā)展，ASON將不僅可以提供巨大的網絡帶寬，而且可以提供可持續(xù)發(fā)展的動態(tài)網絡結構、保證的性能以及廉價的成本來支持當前和未來的任何業(yè)務和信號，成為支持下一代電信網的最靈活有效的基礎設施和新的波長業(yè)務的直接提供者。

5、光網絡的管理

從宏觀的角度看，OTN的管理與SDH的管理沒有本質上的區(qū)別，主要是管理對象不同。SDH管理的對象是VC通道，而OTN管理的對象是波長。因而SDH領域成熟可用的管理模式、原則和經驗原則上可以應用于光傳送網的管理。 然而，畢竟光傳送網是一個新的帶有模擬特性的網絡，有許多特殊之處需要考慮，特別是在光層實施網絡質量的監(jiān)視難度很大，需要有特殊措施。

5.1網絡質量的監(jiān)視

網絡質量的監(jiān)視功能必須集成進網絡而成為其有機的一部分。監(jiān)視功能不僅包括所用線路的監(jiān)視，而且應包括處于備用方式的未使用線路的監(jiān)視。而后一種情況下由于沒有實際信號流，因此要監(jiān)視其質量是十分困難。為了重新分配路由或實施故障恢復，網絡必須能夠監(jiān)視每一個業(yè)務通路。

5.2網絡管理

由于在中近期光傳送網所承載的主要客戶層電信號仍然是SDH，因而光網絡管理的原則和標準似乎應該與SDH系統(tǒng)的管理融合在一起，無論其管理結構、管理方式還是具體的管理信息模型都應盡量靠近SDH管理所建立的原則和標準。然而，具體實施上如劃分成兩個相對獨立的管理層面會更加靈活實用，便于各自的獨立發(fā)展和演進，特別是對于大規(guī)模的傳送網更應是這樣。網管應盡量獨立于任何特定的設備以便適用于那些尚未定義的其他客戶層信號，例如IP和ATM信號。當然，如同其他網管一樣，多廠家環(huán)境互操作性仍將是最棘手的大問題。

5.3網管信息的傳送方式

作為網絡的有機的一部分，網絡應能提供嵌入的網管信息的光傳送能力。考慮到OTN必須能獨立于客戶層信號，因此不能利用客戶層信號的開銷來實現OTN的網管。OTN網管信息的傳送方式有3種：

(1)分離的光監(jiān)控通路

分離的光監(jiān)控通路(OSC)將所有光波長通路的光層管理開銷都放置在一個額外的公共波長通路傳送，即所謂的公共通路方式。這種方法比較簡單，節(jié)約了網絡投資。

(2)副載波調制

副載波調制(SCM)將每一波長通路的光層開銷以特定低頻信號形式來調制光信號，調制光信號隨主信號一起傳送，即所謂隨路方式。此種方式采用模擬技術，不處理光通路層的客戶層信息，成本相對較低。

(3)數字包封器

數字包封器(DW)是一種隨路方式，屬于光段開銷技術，在光通路層內部采用TDM幀結構對客戶層信號進行處理，在客戶信號凈負荷基礎上又附加了光通路的網管開銷和帶外前向糾錯(FEC)字節(jié)。

總之，OTN管理信息的傳送既需要隨路方式的數字包封器，又需要公共通路的OSC方式。

6、IP層與光層的融合及網絡的演進結構

6.1IP層與光層的融合

在網絡的演進過程中，最初在核心IP層，當沒有流量工程時通常IP流按照最短路徑走，這會導致重負荷鏈路產生“瓶頸”。利用MPLS和流量工程可以保證網絡負荷均衡，使路由器間鏈路的使用最佳化。再進一步則可能需要有一種統(tǒng)一或類似的資源控制方法來完成兩層網絡的有機結合，即將MPLS擴展到光傳送層包括光連接在內。所謂多協(xié)議波長標記交換(MPLmS)就是一種將MPLS流量控制技術與光交換技術相結合的新思路，將標記交換的概念擴展至包括波長選路和交換的光通道，讓業(yè)務流來控制連接。

這種方法可以使業(yè)務層上的路由器、ATM交換機或ADM動態(tài)地要求傳送網提供所需的波長，實現統(tǒng)一的網絡控制和快速業(yè)務供給，使網絡的資源得到最佳利用，簡化IP層與光傳送層的融合以及跨層的網絡管理，降低網絡運行和業(yè)務拓展成本，有利于大規(guī)模網絡敷設。各種國際標準組織都在全力開發(fā)相關的標準，ITU重在規(guī)范整個體系結構，而IETF重在具體的選路和信令協(xié)議規(guī)范，提出了通用的多協(xié)議標記交換(GMPLS)概念，又稱多協(xié)議波長交換，旨在對目前比較成熟的選路和信令協(xié)議進行修改與擴展，使之不僅僅支持分組交換，而且還支持時分交換、波分交換和空分交換。

6.2網絡的演進結構

IP層與光傳送層的融合由于技術背景的不同所導致的融合思路也不盡相同。目前主要有兩種基本網絡演進結構，即重疊模型和集成模型，基本反映了計算機界和電信界的不同思路。從功能上看，支持重疊模型所需的功能是支持集成模型所需功能的子集，只要從管理上對對等模型的拓撲共享功能實施止能，同時保持其連接信令功能就可以從集成模型導出重疊模型。在某些場合下，有可能將上述兩者結合在一起，形成所謂的混合方式。

在實際中，兩種模型都會有各自的最佳應用場合。例如對于多數傳統(tǒng)的全業(yè)務運營者，可能采用重疊模型是目前最現實的選擇，采用混合方式也是局部可行的選擇。而對于僅提供IP業(yè)務并擁有自己的IP網和光傳送網的運營者，則采用集成模型是一種直接了當的選擇，可以明顯地得益于集成GMPLS的簡潔性。從長遠看，特別是IP成為網絡絕對主導的業(yè)務，其他業(yè)務都可以由IP攜帶后，則集成模型將成為統(tǒng)一的最佳選擇。

當然，無論采用哪個模型，都還需要解決一系列問題后才能真正實用化。目前光互聯網論壇（OIF）的用戶網絡接口(UNI)標準化進程要快于IETF的GMPLS，OIF在2001年10月宣布已通過UNI1.0規(guī)范，正在規(guī)范UNI2.0。在2001年SuperCom上有25個廠家演示了光業(yè)務配置的互操作性。下一步的互操作性主要是相鄰節(jié)點的發(fā)現和業(yè)務發(fā)現，而標準工作的方向將集中在網絡網絡接口，完成跨越整個光網絡的動態(tài)帶寬配置。

7、將MPLS應用于光層后的特點和適配

將MPLS應用于光層必須充分考慮光層與IP層不同的特點，作必要的修改和增強。不同特點有：

(1)在IP網中，只要沒有數據包在沿通道的鏈路中交換，MPLS標記交換通道(LSP)的建立可以無須消耗帶寬。而光網絡連接則無法預先建立零帶寬通道。

(2)多數分組網中連接是單向的，而光網絡中，WDM終端通常按雙向配置，這就有可能在光恢復過程中引起潛在的問題，因此將MPLS擴展到光層必須能可靠保證雙向連接建立和登記的目的。

(3)在目前的一對IP節(jié)點間的鏈路數很少超過10對，而未來的光網絡中一對光節(jié)點間可能會有數百條并行的光纖，每一條攜帶數百個波長。

(4)目前IP層的恢復時間較長，不利于應付影響面很大的物理層故障，光層面需要有快速故障檢測和隔離以及快速保護恢復。

(5)由于光層面上的用戶信息是透明交換的，而控制信息流必須在端到端光通路的每一個中間光交換機節(jié)點終結以便按需提取和插入必要的控制信息，因此控制面信息必須與用戶信息分離。

總的來看，將普通MPLS應用于光層還需要做很多工作。它們主要集中在下述幾個大的方面：

(1)需要有新的鏈路管理協(xié)議(LMP)來處理使用光交換機的光網絡層的鏈路管理問題。

(2)增強OSPF和IS-IS選路協(xié)議以便實施網絡中可用光資源的公告(例如不同鏈路類型、波長內的帶寬、鏈路保護和光纖識別等)。

(3)增強RSVP和CR-LDP信令協(xié)議，在光的核心層對標記交換通道(LSP)實施顯式標記，以便用于流量工程。

(4)增強擴展性，例如分級的標記交換通道結構、鏈路捆綁和無編號鏈路等。

8、結束語

可以相信，隨著業(yè)務加速向分組化的轉移以及網絡加速向下一代電信網的演進，實用化的光聯網技術正開始浮現出地平線，一步一步地向我們走來。讓我們在進一步完善電聯網的基礎上，展開雙臂迎接光聯網時代的到來吧！□

參考文獻

1.Architecture of optical transport networks.ITU-T Rec G.872, 2000

2.Requirements for automatic switched transport networks (ASTN). ITU-T Draft Rec G.8070, 2001

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4.Luc Ceuppens.Multiprotocol lamda switching comes together. http:∥www.lightwave.com, 2000

(收稿日期：2002-05-08)

作者簡介

韋樂平，1970年清華大學無線電系畢業(yè)，1981年獲郵電科學研究院通信與電子系統(tǒng)碩士學位，1984年—1986年為加拿大訪問學者，1994年—1995年為以色列高級訪問學者，清華大學、北京大學、北京郵電大學和電子科技大學兼職教授。研究領域為光纖通信、SDH、寬帶網、接入網和網絡發(fā)展戰(zhàn)略?，F任國家“863”計劃信息技術領域第一屆專家委員會委員，中國通信學會常務理事兼信息通信網絡委員會主任和光通信委員會副主任，中國電信集團公司總工程師兼北京研究院院長。