摘要：高效靈活地利用已有帶寬，充分、高效和靈活地調(diào)度和控制各種粒度的業(yè)務(wù)，保證業(yè)務(wù)的生存性是光交換網(wǎng)絡(luò)亟需解決的技術(shù)問題。為此文章探討了融合光通路數(shù)據(jù)單元(ODUk)/分組的新型交換機(jī)制、光纖/ODUk/分組混合交換機(jī)制。文章認(rèn)為新的交換機(jī)制和多粒度交換結(jié)構(gòu)是超大容量實(shí)現(xiàn)和構(gòu)建的關(guān)鍵，業(yè)務(wù)多粒度生存性及協(xié)調(diào)機(jī)制、業(yè)務(wù)適配、帶寬分配、管理和控制、損傷監(jiān)測(cè)等是需要研究的重點(diǎn)問題。

關(guān)鍵詞：光交換；分組交換；電交換；混合交換

1、網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)Cisco公司預(yù)測(cè)，到2014年，平均每年的全球IP業(yè)務(wù)流量將保持34％的年增長(zhǎng)率(如圖1所示)。如果保持該增長(zhǎng)速度，業(yè)務(wù)帶寬的需求在2～3年內(nèi)就將翻一番。從中國(guó)的情況來(lái)看，按照中國(guó)電信的最新預(yù)測(cè)，中國(guó)電信未來(lái)5年干線容量可能達(dá)到110～188 Tbit/s，并在今后不斷增長(zhǎng)，這將會(huì)對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的容量、架構(gòu)和性能提出嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)流量的快速增加使得單個(gè)波長(zhǎng)的傳輸速率和波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)的傳輸容量也在不斷增加。40Gbit/sWDM技術(shù)成功已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行了大規(guī)模商用部署，100Gbit/sWDN技術(shù)也已經(jīng)開始正式商用的步伐。

網(wǎng)絡(luò)IP流量的快速增加在促進(jìn)單波傳輸速率提高的同時(shí)，也在促使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生改變，以滿足大容量IP業(yè)務(wù)的需求。與傳統(tǒng)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)相比，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量的增加除了對(duì)帶寬提出了更高的需求之外，其業(yè)務(wù)粒度更加豐富，對(duì)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的智能靈活性、網(wǎng)絡(luò)的生存性等多個(gè)方面也提出了更高的要求。這就要求未來(lái)的光通信網(wǎng)絡(luò)不再僅僅是提供一個(gè)超大帶寬的傳輸管道，而是能夠滿足業(yè)務(wù)梳理、調(diào)度、質(zhì)量保證等各個(gè)方面的需求。光網(wǎng)絡(luò)中的交換節(jié)點(diǎn)將在其中扮演至關(guān)重要的角色。如何高效靈活地利用已有的帶寬，如何對(duì)各種粒度的業(yè)務(wù)充分、高效和靈活地調(diào)度和控制，以及保證業(yè)務(wù)的生存性，這將決定著未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)能否成功應(yīng)對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)流量的快速發(fā)展和變化。而這些正是光交換節(jié)點(diǎn)技術(shù)需要解決的問題。

2、光交換技術(shù)研究現(xiàn)狀

光網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的交換技術(shù)從總體上可以分為四大類：電分組交換、光分組交換、電路交換和光線路交換。從能耗的角度考慮，電分組交換的能耗最高，而光線路交換的能耗最低(如圖2所示)。目前的光網(wǎng)絡(luò)迫切需要支持多種粒度的大容量光交叉節(jié)點(diǎn)。

光網(wǎng)絡(luò)最早采用的交換方式就是電交換。交換粒度從早期的虛容器(vc)級(jí)別發(fā)展到目前的光通路數(shù)據(jù)單元(ODUk)級(jí)別。目前光傳送網(wǎng)(OTN)還支持ODUflex粒度和通用映射規(guī)程(GMP)封裝方式，可以對(duì)不同粒度的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)封裝和調(diào)度。但是從目前的情況來(lái)看，分組業(yè)務(wù)的調(diào)度更多的還是首先將光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)路由器在電域進(jìn)行交換，再通過(guò)電光轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行傳輸。這種交換方式的靈活性比較高，但是耗費(fèi)了大量的路由器資源，從而造成路由器的能耗和成本隨著網(wǎng)絡(luò)流量的發(fā)展而急速增加。近些年提出了分組光傳送網(wǎng)(P－OTN)的概念，即在交換體系中引入二層交換能力，從而使得分組業(yè)務(wù)和時(shí)分復(fù)用(TDM)業(yè)務(wù)在OTN交換體系中具有同等地位，分組業(yè)務(wù)不再是SDH的客戶業(yè)務(wù)，而是可以直接在OTN交換體系中進(jìn)行交換。P－OTN技術(shù)還在研究之中，標(biāo)準(zhǔn)化工作也還沒有取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展。

光交換可以分為光電路交換(Ocs)、光突發(fā)交換(0Bs)和光分組交換(OPS)。OCS技術(shù)隨著近些年可重構(gòu)分插復(fù)用設(shè)備(ROADM)技術(shù)的發(fā)展而取得廣泛的應(yīng)用。隨著傳輸速率的進(jìn)一步提高(如達(dá)到太比特每秒級(jí))，信道的譜寬超過(guò)100GHz，使得原來(lái)的50Gbit/s固定間隔的WDM系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)；另一方面，隨著頻譜效率的進(jìn)一步提高，系統(tǒng)傳輸距離進(jìn)一步縮短，為了在頻譜效率與傳輸距離之間得以實(shí)現(xiàn)比較好的性能權(quán)衡，軟件定義收發(fā)機(jī)(SDO)的概念被提出，核心目標(biāo)是通過(guò)軟件的方式來(lái)配置和編程收發(fā)機(jī)的調(diào)制方式和載波帶寬，從而根據(jù)不同的傳輸距離采用不同的調(diào)制方式，最大化地利用頻譜資源。因此，考慮到網(wǎng)絡(luò)的可升級(jí)性和可擴(kuò)展性，下一代的頻譜劃分將不再是以50GHz或100GHz為單位，而是采用可變的柵格系統(tǒng)。這一問題在光互連論壇(OIF)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)已經(jīng)開始對(duì)論研究，并且ITU的G.694.1已經(jīng)開始修改以支持可變頻率柵格?？勺儢鸥裣到y(tǒng)的每個(gè)信道的頻譜寬度并不是任意的，而是具有一定的粒度(步進(jìn))。步進(jìn)粒度和系統(tǒng)的復(fù)雜性成反比，如何取得兩者的權(quán)衡還需要進(jìn)一步研究。因此，支持無(wú)色、無(wú)方向性和無(wú)波長(zhǎng)沖突性的ROADM，以及帶寬特性可調(diào)的支持頻率間隔無(wú)關(guān)ROADM器件的發(fā)展都將會(huì)大大增強(qiáng)OCS交換技術(shù)的靈活性和應(yīng)用前景。

常規(guī)的OCS支持波長(zhǎng)粒度的交換，其業(yè)務(wù)速率可以是10Gbit/s，也可以是100 Gbit/s。但是在實(shí)際應(yīng)用中，需要交換的粒度可能是幾個(gè)波長(zhǎng)或者子波長(zhǎng)粒度，這樣如果仍然采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的活，不僅交換效率不高，也可能會(huì)存在資源浪費(fèi)的情況。為此，在常規(guī)OCS的基礎(chǔ)上，有研究項(xiàng)目提出了一種多粒度的交換節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。可以實(shí)現(xiàn)的交叉粒度包括光纖交換(FXC)、波帶交換(BXC)、波長(zhǎng)交換(WXC)以及子波長(zhǎng)交換(通過(guò)電層DXC實(shí)現(xiàn))。有研究項(xiàng)目提出了另外一種基于光碼分多址(OCDMA)的子波長(zhǎng)光交換機(jī)制。即把每一個(gè)正交碼作為一個(gè)交換顆粒進(jìn)行子波長(zhǎng)連接的光交換。但是受OCDMA技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的限制，該種子波長(zhǎng)交換方式的應(yīng)用前景并不樂觀。除此之外，還有學(xué)者提出了一種光子時(shí)隙交換技術(shù)。與時(shí)分復(fù)用相似，信號(hào)在時(shí)間上被劃分成多個(gè)時(shí)隙。但是與時(shí)分復(fù)用不同的是，每一個(gè)時(shí)隙都包含系統(tǒng)的所有波長(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)都可能含有一定的分組數(shù)據(jù)。這樣就可以通過(guò)對(duì)時(shí)隙內(nèi)的波長(zhǎng)進(jìn)行交換從而實(shí)現(xiàn)分組數(shù)據(jù)的交換。

除了光交換技術(shù)的研究之外，也有許多關(guān)于光交換網(wǎng)絡(luò)智能管控和生存性方面的研究。新的網(wǎng)絡(luò)不僅解決網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求，而且能夠滿足不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用要求，支持點(diǎn)到點(diǎn)的應(yīng)用和點(diǎn)到多點(diǎn)的應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)的控制平面應(yīng)該是靈活且魯棒的，不僅能夠?qū)饴愤M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，還需要能都對(duì)其進(jìn)行多層跨域的管理，在實(shí)現(xiàn)資源利用最大化的同時(shí)保證服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的帶寬提供，滿足按需的業(yè)務(wù)需求。

3、大容量光電交換需求和技術(shù)研究

從業(yè)務(wù)接口和光收發(fā)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)上看，光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)能夠動(dòng)態(tài)靈活地提供不同傳輸速率、不同帶寬粒度的信號(hào)交換能力。原有DWDM系統(tǒng)中單波長(zhǎng)10G、40G傳輸接口已經(jīng)不能滿足當(dāng)前路由器豐富的接口需要，支持超波長(zhǎng)級(jí)別和波長(zhǎng)級(jí)別的交換能力成為實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)接入靈活性的迫切要求。

支持帶寬可變波長(zhǎng)交換能力的光交換是需要討論的問題。按照ITUG.694討論的可變頻譜寬度范圍(193.1＋n×0.00625 THz)和步進(jìn)粒度(12.5 GHz的整數(shù)倍)，如果支持所有的頻譜寬度和步進(jìn)粒度的組合，現(xiàn)有架構(gòu)下的合分波單元的端口數(shù)量將非常巨大，不具有可實(shí)現(xiàn)性?？筛鶕?jù)傳輸系統(tǒng)的需求來(lái)實(shí)現(xiàn)新的合分波單元架構(gòu)，比如采用可變柵格濾波器和耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)帶寬可變的合分波單元，以及通過(guò)相干接收的本振來(lái)選擇下路波長(zhǎng)等，并在此基礎(chǔ)上研究帶寬可變的光交換單元。也可采用適宜的帶寬可變的光波長(zhǎng)選擇器件為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建光波長(zhǎng)交換單元實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)級(jí)的柔性交換能力，研究面向頻譜碎片整理的彈性光網(wǎng)絡(luò)資源重構(gòu)模式與優(yōu)化機(jī)制。

3.1 融合ODUk/分組的新型交換機(jī)制

為了提高帶寬利用效率，分組交換正在逐步替代傳統(tǒng)的電路交換。但是隨著光傳輸技術(shù)的發(fā)展，分組交換所固有的非面向連接性在應(yīng)用中又面臨著一系列問題，使得電路交換又成為大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)很好的選擇，尤其是光電技術(shù)的融合，更使其顯示出巨大的潛力。

從傳統(tǒng)的觀點(diǎn)看，電路交換技術(shù)不適用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，而分組交換技術(shù)則是當(dāng)今因特網(wǎng)技術(shù)的主流。光傳輸技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步使得原本分組交換的優(yōu)勢(shì)和電路交換的缺陷在今天已不再有意義，而且隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，分組交換和電路交換逐漸趨向融合。

目前融合分組和ODUk的交叉有兩種實(shí)現(xiàn)方式，如圖4所示。在分組，ODUk交叉分離結(jié)構(gòu)中，兩種不同類型的業(yè)務(wù)分別進(jìn)入分組交換矩陣和ODUk交換矩陣，然后分別映射到ODUk/OTUk中。分組業(yè)務(wù)和電路業(yè)務(wù)無(wú)法共享相同的波長(zhǎng)資源，因此網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高。在分層結(jié)構(gòu)中，分組業(yè)務(wù)不是直接映射到波長(zhǎng)上而是經(jīng)過(guò)一層ODUk交叉。實(shí)現(xiàn)分組和ODUk交叉矩陣有多種方式，例如分組業(yè)務(wù)采用GMP封裝方式映射到ODUflex中。

混合式結(jié)構(gòu)如圖5所示。使用單個(gè)混合交叉矩陣同時(shí)處理分組和電路業(yè)務(wù)，很容易實(shí)現(xiàn)流量匯聚和疏導(dǎo)，映射分組和電路業(yè)務(wù)到相同的波長(zhǎng)上成為可能。與分層結(jié)構(gòu)相比較，混合式交換結(jié)構(gòu)可以節(jié)省分組交換和電路交換之間的多個(gè)光接口，總的交換矩陣容量需求也隨之減小，可擴(kuò)展性更高；與分離式結(jié)構(gòu)相比，分組和電路業(yè)務(wù)可以共享相同的ODUk容器，因此可以獲得更高的波長(zhǎng)帶寬利用率。

3.2 光/ODUk/分組混合交換機(jī)制

目前的網(wǎng)絡(luò)上除了不斷增長(zhǎng)的IP流量，仍然存在大量的TDM業(yè)務(wù)。而且TDM業(yè)務(wù)和分組業(yè)務(wù)之間的互操作也有需求。通道化的ODUk交換使TDM業(yè)務(wù)和分組業(yè)務(wù)可以共享光層資源。網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)目標(biāo)要求不僅能夠支持動(dòng)態(tài)帶寬可變的業(yè)務(wù)連接管理，支持面向連接業(yè)務(wù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)復(fù)用和差異化服務(wù)。解決辦法就是將SDH/OTN/分組等電層交換和光層集中在一個(gè)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的集中式交換，如圖6所示。

混合節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)可以靈活分配電路和分組流量，減少所需光端口，最大限度獲得可用光纖容量。如果將之與光層交換結(jié)合，則可實(shí)現(xiàn)光，ODUk，分組混合交換，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。OTN層結(jié)合ODUflex實(shí)現(xiàn)分組和電路業(yè)務(wù)的接人、匯聚和疏導(dǎo)，光層實(shí)現(xiàn)損傷感知以及帶寬可變光波長(zhǎng)級(jí)交換。

4、結(jié)束語(yǔ)

面向大容量傳送和交換的業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)IP化的不斷發(fā)展，對(duì)于超大容量光交換節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)需求也更加強(qiáng)烈。交換機(jī)制和多粒度交換結(jié)構(gòu)是超大容量實(shí)現(xiàn)和構(gòu)建的一個(gè)主要因素。對(duì)于分層業(yè)務(wù)調(diào)度及協(xié)調(diào)、多粒度業(yè)務(wù)生存性及協(xié)調(diào)機(jī)制研究、業(yè)務(wù)適配模塊、帶寬分配模塊、管理和控制、損傷監(jiān)測(cè)等需要展開進(jìn)一步的研究。相信隨著器件和系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展成熟，P比特甚至更高交換容量的設(shè)備會(huì)逐步出現(xiàn)并在網(wǎng)絡(luò)中開展應(yīng)用。