摘 要：探討了光互聯(lián)網(wǎng)的支撐技術和演進策略，分析了IP over DWDM等關鍵支撐技術的難點與發(fā)展趨勢。首先，比較分析了若干種典型的網(wǎng)絡層次模型及其性能，指出IP over DWDM是實現(xiàn)未來寬帶互聯(lián)網(wǎng)的關鍵支撐技術；其次，分析了IP over DWDM的技術難點，指出全光信號處理和多協(xié)議標簽交換技術是實現(xiàn)IP over DWDM的重要手段，并預言了在相關技術成熟后，光分組網(wǎng)技術將進一步推動光互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

關鍵詞：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

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1 引 言

由于密集波分復用(DWDM)技術的發(fā)展，光網(wǎng)絡的研究和建設已經(jīng)成為網(wǎng)絡發(fā)展和建設的要點。

為什么光網(wǎng)絡的發(fā)展會特別引起人們的關注？這主要有兩個原因：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)絡的物理傳輸層起著舉足輕重的作用，而DWDM技術的發(fā)展又進一步挖掘了光纖帶寬的潛力，同時，伴隨著光器件技術和光信號處理技術的發(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技術要真正組成網(wǎng)絡，還有許多問題需要解決，人們已經(jīng)看到這是一場重新架構網(wǎng)絡的機會，但還不清楚光器件和光信號處理技術會以何種速度發(fā)展，光網(wǎng)絡會以何種方式隨著寬帶網(wǎng)的建設而演進，從而支持整個通信網(wǎng)絡的發(fā)展和運作。

在這個許多光網(wǎng)絡標準還沒有出臺而又急于出臺的時候，各種新技術和新思想都想抓住機會在未來的寬帶網(wǎng)絡中占得一席之地。然而，可以看出，絕大多數(shù)新思想或新技術基本上是在承認未來的寬帶網(wǎng)是以IP over DWDM為模型的基礎上提出并發(fā)展的，也基本上是以過渡到或直接構建IP over DWDM網(wǎng)絡為目標的。

過去人們一度認為：未來的寬帶網(wǎng)是以ATM技術為核心的B_ISDN。但是由于技術標準推進緩慢、技術實現(xiàn)復雜和代價過高，盡管和IP技術一樣都是端到端的解決方案，ATM技術已經(jīng)在桌面端失去了市場。

現(xiàn)在很難再猜想如果當初ATM技術在承認桌面端主流是IP技術的前提下來開發(fā)會是什么樣子，但ATM技術本身凝結了電信網(wǎng)技術的許多精華，在過渡到IP over DWDM的網(wǎng)絡中，仍然會在網(wǎng)絡的邊緣發(fā)揮自己的作用。即便在將來，ATM技術也會以融合或改裝到IP層技術中的形式體現(xiàn)出來?？傊?，ATM技術將對未來網(wǎng)絡的發(fā)展會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)上的技術進步，數(shù)據(jù)傳輸?shù)某杀疽扬@著地降低，運營成本成為網(wǎng)絡設計首要考慮的主要參數(shù)。在考慮運營成本時，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計參數(shù)外，采用何種技術構建網(wǎng)絡也將決定網(wǎng)絡運營成本的變化。

電信網(wǎng)絡的關鍵屬性主要有尋址、服務質(zhì)量保證、復用能力、低誤碼率、容錯能力和傳輸容量等。在當前的網(wǎng)絡中，這些關鍵屬性分布在IP，ATM，SDH和WDM四個層次上。在一個典型的網(wǎng)絡中，IP層支持尋址，ATM層保證服務質(zhì)量，SONET提供復用、低誤碼率和容錯能力，而DWDM提供更高的傳輸容量。

仔細研究這些技術就會發(fā)現(xiàn)它們的許多功能是互相重疊的(見表1)。其實在這些技術中，只需選出兩種就可實現(xiàn)網(wǎng)絡需要的所有功能。

究竟選擇那兩種技術來簡化網(wǎng)絡結構，還要從降低網(wǎng)絡運營成本來考慮。若想持續(xù)降低網(wǎng)絡運營成本，就應當選擇那些革新速度最快的技術。DWDM的性價比每10個月就會翻一番，IP的性價比每20個月翻一番，SONET和ATM則分別要花30個月和40個月，毫無疑問，選擇IP的智能和DWDM的速度及容量是構建未來網(wǎng)絡惟一可行的策略。

從技術角度看，在光網(wǎng)絡層，DWDM技術已經(jīng)能夠提供大量的帶寬并日益具備復雜的再配置能力；在業(yè)務層，IP能向終端系統(tǒng)提供連接和業(yè)務。隨著兩種技術的迅速發(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層的愿望是應該能夠實現(xiàn)的。

3 IP over DWDM的困難

真正要讓IP over DWDM網(wǎng)絡來替代現(xiàn)有網(wǎng)絡不是容易的事。這是因為目前實現(xiàn)IP over DWDM還有許多困難。

從網(wǎng)絡角度看，IP技術無疑具有許多優(yōu)點，比如簡單靈活的組網(wǎng)方式、相對而言很高的協(xié)議效率、強大的生存性等，這是它能夠取得成功的原因。IP技術的一些基本特性，如無連接的包交換機制、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，應該看到，IP技術主要針對實時性要求不高的數(shù)據(jù)業(yè)務而優(yōu)化，其優(yōu)點是以犧牲業(yè)務的實時性或服務質(zhì)量(QoS)來換取的。這對于未來用IP over DWDM技術構建一個要支持多種業(yè)務(包括實時業(yè)務)的寬帶網(wǎng)無疑是不利的。

從根本上來說，IP over WDM是一個網(wǎng)的觀念。在波分復用技術提出以后，波長本身成為組網(wǎng)(分插、交換、路由)的資源，伴隨著光分插復用(OADM)和光交叉聯(lián)接(OXC)技術的逐步成熟，原來被認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，將來會細化到光時隙上或光分組上。換句話說，光層技術的推進為網(wǎng)絡實現(xiàn)提供了巨大的機遇。但是，光層提供的技術支持畢竟還是有限的，而且在逐步演進，存在一定程度的不確定性。它和需求的不確定性以及競爭的復雜性揉合在一起，就形成了一個極其復雜的局面。

從具體技術角度看，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，光集成技術可以說剛剛起步，還很難預測其發(fā)展速度和對光網(wǎng)絡建設的影響力；第三，光節(jié)點技術本身的穩(wěn)定性、成本還是個難于確定的問題；第四，技術競爭和市場競爭，是復雜的事情，網(wǎng)絡功能的增強一般是以增加復雜性和成本為代價的，要取得較好的性價比不是容易的事情；最后，兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡、充分利用已鋪設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還是因為寬帶網(wǎng)絡建設本身是很困難的事——并不會因為用IP over DWDM模型替代了原先的以ATM技術為主的B_ISDN模型便變得輕而易舉。

4 演進的過程

對于DWDM技術在IP over DWDM網(wǎng)絡中的使用，人們是逐漸從節(jié)點電處理方式向全光網(wǎng)方式演進的。

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

全光網(wǎng)絡的思想主要是通過使用光交換技術在光層引入智能，實現(xiàn)在光層直接旁路節(jié)點中需要中轉的業(yè)務，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)絡的性價比競爭來決定的，而從網(wǎng)絡層次來考慮，是一個網(wǎng)絡的智能是否需要推廣到光層來實現(xiàn)的問題。事實上，隨著光器件技術的進步，通過在光網(wǎng)絡上提供智能來簡化網(wǎng)絡是必然的趨勢，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)絡中體現(xiàn)得淋漓盡致。當然，要注意的是，由于光信號處理能力還很弱，現(xiàn)階段談論的智能都是電控的光網(wǎng)絡層智能。

實現(xiàn)全光網(wǎng)也有簡單和復雜之分，這種區(qū)分主要集中在光節(jié)點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于電路轉接中的空分交換，而且為了減小開關群的規(guī)模，一般在實現(xiàn)時都是分級的；而光交換中的波分交換相當于電路交換中的時分交換(話路交換)，在交換前要先分解成單個波長(話路)，然后通過交換設備去交換(轉接)，需要時再合波(話路復合)；更有意思的是，波分交換從沒有波長轉換器到通過波長轉換器減小交換的阻塞率，就相當于話路交換中從沒有存儲器到通過存儲器來消除入線的第k路只能轉接到某一出線的第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間分割的，從內(nèi)容上看，波分交換比時隙交換的交換粒度大了許多倍(一個波長的容量約是一百億個電時隙)，從交換能力上看，波分交換還遠沒有電路時分交換靈活，但從交換原理而言，其交換機制是一樣的，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)點到達目的地。光上也有時分交換，但由于技術的原因實現(xiàn)還很困難，這種時分交換和其他光交換一樣是電控交換，而且一般采用塊復用，主要用于后面要講到的光分組交換技術中。

在全光網(wǎng)中另一個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)絡節(jié)點中使用光波長變換器和可調(diào)諧的光發(fā)射機、接收機，可以在光網(wǎng)絡層建立虛波長連接，實現(xiàn)光網(wǎng)絡的動態(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)絡智能化，還要在光傳送網(wǎng)OTN(Optical Transport Network)上添加一個能管理OTN的管理網(wǎng)，這就是正在標準化進程中的自動交換光網(wǎng)絡ASON(Automatic Switching Optical Network)。其層次結構如圖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)絡控制器;

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

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)點接口;

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

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

PI(Physical Interface)：物理接口。

ASON是一種客戶-服務器的運行機制，上層電網(wǎng)絡是客戶，下層光網(wǎng)絡是服務器，電網(wǎng)絡通過發(fā)出請求得到響應的方式得到相應的帶寬。

另一方面，在IP技術的發(fā)展上，將第三層路由和第二層交換緊密結合的技術在迅速發(fā)展，其中最成功的是多協(xié)議標簽交換(MPLS)技術。IP/多協(xié)議標簽交換(MPLS)框架結構在未來將成為數(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合起來考慮，或者說利用波長的不同作為標簽，就是現(xiàn)在所說的多協(xié)議波長交換MPλS (也稱為MPLmS)技術。IETF正在研究制定MPλS協(xié)議集，MPλS將結合現(xiàn)有的控制平面技術和光交換機的點擊式配置能力來建立光路徑和傳遞光傳輸網(wǎng)絡的拓撲狀態(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和恢復的能力，此外它還可以簡化光交換機和標簽交換路由器的集成。

總之，光網(wǎng)絡的技術革新將促進兩層網(wǎng)絡結構(IP層和DWDM層)的形成，網(wǎng)絡資源管理的智能化將集中在業(yè)務層上(圖2)，而光資源的管理則將通過一個由業(yè)務層和光傳輸層所共享的控制平面提供。這種網(wǎng)絡體系結構可以提供可管理的G比特級網(wǎng)絡帶寬，并能向業(yè)務平臺提供既可靠，又具備流量控制能力的波長級網(wǎng)絡接口。

5 光分組交換網(wǎng)——未來光網(wǎng)絡的一個方向

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

一種在光層上的解決方法是建設光分組交換網(wǎng)。光分組交換網(wǎng)的基本思想是在電網(wǎng)絡層和DWDM網(wǎng)絡層上再疊加一個適配層——光分組交換層，這樣，支配光網(wǎng)絡的能力就能從一個波長細化到一個光分組。目前局限于技術實現(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網(wǎng)絡性能的影響來決定使用的光分組的大小，使光分組網(wǎng)絡達到最優(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)還是實驗室的產(chǎn)品，要商用化還有待于許多關鍵技術的解決。然而，隨著光信號處理能力的增強，光分組交換網(wǎng)被認為是未來的光網(wǎng)絡技術。

6 結 語

本文從網(wǎng)絡成本和網(wǎng)絡功能之間的固有矛盾入手，剖析了在DWDM技術出現(xiàn)后，人們力圖通過IP over DWDM這種簡化的網(wǎng)絡方案來重新考慮構建未來寬帶網(wǎng)絡的思路，并從這里歸納了IP over DWDM的演進過程：從用DWDM技術進行點到點的擴容，到構建基于光分插復用和光交叉連接的智能全光網(wǎng)，而在光信號處理技術更加成熟后，光分組交換技術將進一步推動IP over DWDM的發(fā)展。

參 考 文 獻

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