鄭小平，華楠

（清華大學(xué)光網(wǎng)絡(luò)與微波光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

光網(wǎng)絡(luò)30年：回顧與展望

鄭小平，華楠

（清華大學(xué)光網(wǎng)絡(luò)與微波光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

作為信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的核心一環(huán)，光網(wǎng)絡(luò)具有不可替代的重要地位。首先回顧了光網(wǎng)絡(luò)的誕生過(guò)程并總結(jié)了其30年研究和發(fā)展歷程中具有重大意義的里程碑事件，并根據(jù)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)需求探討了光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)和可能的發(fā)展方向。

波分復(fù)用；自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；全光網(wǎng)絡(luò)；光／IP融合網(wǎng)絡(luò)；光／無(wú)線融合網(wǎng)絡(luò)

1 光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程回顧

當(dāng)前，以信息技術(shù)為核心的全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在蓬勃興起，信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成為其重中之重。作為信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的核心一環(huán)，光網(wǎng)絡(luò)具有不可替代的重要地位。所謂“光網(wǎng)絡(luò)”，從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，要求數(shù)據(jù)的傳輸、交換均在光域上進(jìn)行，即“全光網(wǎng)絡(luò)”。而通常所說(shuō)的“光網(wǎng)絡(luò)”，一般指使用光纖作為主要傳輸介質(zhì)的廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)或局域網(wǎng)，而交換、控制可以在電層實(shí)現(xiàn)?？梢钥吹?，無(wú)論是狹義還是廣義光網(wǎng)絡(luò)，均基于光纖通信。

1.1 光纖的發(fā)明

1966年，英／美籍華裔物理學(xué)家高琨（Charles K Kao）博士在PIEE雜志上發(fā)表了名為 《Dielectric-fiber surface waveguides for optical frequencies》的 論 文［1］，從 理 論 上 證 明了用高純度石英玻璃纖維（即光纖）作為傳輸媒介實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、大容量通信的可能性，并論述了實(shí)現(xiàn)低損光纖的技術(shù)途徑，奠定了光纖通信的基礎(chǔ)。

此后，美國(guó)康寧公司和貝爾實(shí)驗(yàn)室分別于1970年和1974年研制出損耗為20 dB／km和1.1 dB／km的低損光纖，后者于1976年在美國(guó)亞特蘭大開(kāi)通了世界第一條光纖通信試驗(yàn)線路，中繼距離為10km，速率為45Mbit／s。1977年，光纖通信線路首次在美國(guó)芝加哥投入商用，用于電話線路。然而，此時(shí)的光纖通信僅局限于點(diǎn)到點(diǎn)傳輸，尚未形成網(wǎng)絡(luò)。

1.2 光網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)

光網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)要追溯到20世紀(jì)80年代中期。1985年，貝爾通信研究所提出基于光纖通信的SONet（synchronous optical network，同步光纖網(wǎng)）標(biāo)準(zhǔn)。1988年，國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CCITT，ITU前身）根據(jù) SONet的概念開(kāi)始制定更為通用的SDH （synchronous digital hierarchy，同步數(shù)字系列）標(biāo)準(zhǔn)，并于1992年形成了第一批建議。SONet／SDH集傳輸、復(fù)用和交叉連接于一體，構(gòu)成了第一代光網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

此 后 ，SDH 產(chǎn) 業(yè) 化 快 速 發(fā) 展 ，622 Mbit／s、2.5 Gbit／s、10 Gbit／s SDH系統(tǒng)分別于1993年、1995年和1996年進(jìn)入商用化階段，光通信開(kāi)始顯露出大容量的優(yōu)越性。然而，讓光通信產(chǎn)生革命性變化的，是波分復(fù)用（wavelength-division multiplexing，WDM）技術(shù)的出現(xiàn)。

波分復(fù)用的概念最早在 1970年被提出［2］，但直到 20世紀(jì)90年代，其發(fā)展才進(jìn)入快車道。1992年，美籍華裔光通信專家厲鼎毅（Tingye Li）博士帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)在貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了世界第一套 8×2.5 Gbit／s WDM光通信系統(tǒng)，并 首先提 出在 WDM 系 統(tǒng)中使用光 放大器［3，4］，推動(dòng) 了長(zhǎng)距離大容量光通信的發(fā)展。

此后，光通信系統(tǒng)的容量不斷提升。2011年OFC大會(huì)上，NEC美國(guó)實(shí)驗(yàn)室的研究人員宣布其在實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)了單纖 101.7 Tbit／s的數(shù)據(jù)傳輸［5］，逼近了單模光纖通信容量的香農(nóng)極限。如此巨大的帶寬一度被認(rèn)為用之不盡，解決了網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)程中的帶寬瓶頸問(wèn)題，WDM光網(wǎng)絡(luò)也取代了SDH光網(wǎng)絡(luò)，迅速發(fā)展壯大。

如圖1所示，最初的WDM光網(wǎng)絡(luò)與第一代SDH光網(wǎng)絡(luò)相同，是一種基于點(diǎn)到點(diǎn)傳輸?shù)墓饩W(wǎng)絡(luò)，在光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處，數(shù)據(jù)需進(jìn)行光—電—光（O-E-O）轉(zhuǎn)換，并在電層進(jìn)行處理和交換。點(diǎn)到點(diǎn)WDM光網(wǎng)絡(luò)仍然無(wú)法克服節(jié)點(diǎn)處電交換速率的瓶頸問(wèn)題，同時(shí)，光—電—光轉(zhuǎn)換過(guò)程對(duì)協(xié)議格式和通信速率均不透明，使得轉(zhuǎn)換設(shè)備非常復(fù)雜，系統(tǒng)成本因此大幅增加。隨著WDM波長(zhǎng)數(shù)以及單波長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，該瓶頸表現(xiàn)得愈加突出。直到全光交換器件出現(xiàn)后，這種情況才得以改變。

圖1 WDM光網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)路線

1.3 波長(zhǎng)路由光網(wǎng)絡(luò)

為了解決點(diǎn)到點(diǎn)WDM光網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處的光電轉(zhuǎn)換瓶頸問(wèn)題，20世紀(jì)90年代中期出現(xiàn)了以O(shè)ADM（optical add-drop multiplexer，光分插復(fù)用器）及 OXC（optical crossconnect，光交叉連接器）為代表的全光交換器件［6］，從而在中間交換節(jié)點(diǎn)處避免了O-E-O轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)粒度的全光透明交換。在采用這些全光交換器件后，21世紀(jì)初，點(diǎn)到點(diǎn)WDM光網(wǎng)絡(luò)演變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)路由全光網(wǎng)絡(luò)［7，8］，第二代光網(wǎng)絡(luò)由此誕生。

然而，最初的波長(zhǎng)路由光網(wǎng)絡(luò)僅能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)配置傳輸資源的功能，如果要建立一條跨多個(gè)路由域的光通路，通常的做法是，綜合網(wǎng)管根據(jù)業(yè)務(wù)源／目的節(jié)點(diǎn)，查詢所經(jīng)的路由域以及所經(jīng)路由域的出／入節(jié)點(diǎn)和出／入端口。之后通知每一個(gè)子網(wǎng)網(wǎng)管的操作人員，根據(jù)當(dāng)時(shí)子網(wǎng)資源查詢域內(nèi)路由資源，完成路由所經(jīng)節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)（端口）配置，并將配置結(jié)果和資源變動(dòng)情況上報(bào)綜合網(wǎng)管。綜合網(wǎng)管在接收到所有經(jīng)由路由域的成功光通路配置上報(bào)信息后，判斷整個(gè)跨域光通路建立成功。通常，這種通過(guò)人工配置的建路方法建立一條光通路需要幾小時(shí)甚至幾天的時(shí)間，無(wú)法滿足動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)需求。而且，隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大、業(yè)務(wù)的增多，光網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù)成本也將逐步提高，業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)生存性難以得到保證。

1.4 自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)

為了實(shí)現(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)的高度靈活性、擴(kuò)展性并保證業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)生存性，一種新型的自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)（automatically switched optical network，ASON）［9］體系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了，它將光層組網(wǎng)技術(shù)和基于IP的智能網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)相結(jié)合，在傳統(tǒng)波長(zhǎng)路由光網(wǎng)絡(luò)傳輸平面和管理平面的基礎(chǔ)上增加了控制平面，并引入路由、信令和鏈路管理等協(xié)議，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的交換、傳輸?shù)裙δ?，從而使光網(wǎng)絡(luò)由靜態(tài)的傳送網(wǎng)變?yōu)榭蓜?dòng)態(tài)重構(gòu)的智能光網(wǎng)絡(luò)。這種光網(wǎng)絡(luò)通常被認(rèn)為是第三代光網(wǎng)絡(luò)。

隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)其控制和管理變得異常困難。應(yīng)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的主流思想是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分域管控，將整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施根據(jù)地理位置、管理區(qū)域、設(shè)備類型等因素劃分為多個(gè)獨(dú)立的域。這些基礎(chǔ)設(shè)施可能來(lái)自不同的設(shè)備制造商，并采用不同的交換技術(shù)或控制技術(shù)，使得光網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)明顯的多域異構(gòu)化趨勢(shì)。

1.5 異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

單域ASON體系結(jié)構(gòu)在進(jìn)行多域異構(gòu)化擴(kuò)展的過(guò)程中遇到了很大障礙。為了實(shí)現(xiàn)跨域光通道的自動(dòng)建立和拆除，ITU-T 在 G.8080 中定 義 了外部網(wǎng) 絡(luò)—網(wǎng) 絡(luò) 接口（ENNI）［9］，它規(guī)定了ASON控制域之間需要交互的信息格式。在此基礎(chǔ)上，光互聯(lián)論壇（OIF）提出了基于ENNI的OSPF分層路由 協(xié) 議［10］和 ENNI信 令 協(xié) 議［11］，用 于 異 構(gòu) 廠 商 控 制 平 面 的互通。然而至今為止，其仍未能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)成為迫切需要解決的問(wèn)題。

為解決該問(wèn)題，清華大學(xué)提出了ICCME異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)，如圖2所示，并基于該架構(gòu)在2014年于商用設(shè)備平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了全球首次跨3個(gè)設(shè)備商路由域的端到端動(dòng)態(tài)連接建立、拆除、保護(hù)倒換和重路由［12］。ICCME架構(gòu)在傳統(tǒng)ASON“三平面”基礎(chǔ)上建立了“通用域間管控平面”，抽象域內(nèi)信息，并通過(guò)統(tǒng)一的域間通信協(xié)議完成跨域路由計(jì)算和域間連接控制。ICCME架構(gòu)同時(shí)引入“適配平面”統(tǒng)一各設(shè)備商控制信息，消除不同路由域之間的異構(gòu)性，實(shí)現(xiàn)不同類型、廠商設(shè)備的異構(gòu)互聯(lián)［13］。

圖2 基于ICCME的多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)［12］

2015年，中國(guó)電信也通過(guò)擴(kuò)展OpenFlow協(xié)議，成功完成了基于SDN的跨3個(gè)OTN設(shè)備廠商路由域的多域互通測(cè)試［14］。

以上兩項(xiàng)工作均依靠自主研發(fā)，解決了國(guó)際上多年未解決的光網(wǎng)絡(luò)互通重大問(wèn)題，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注，為光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。

2 光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的瓶頸

回顧光網(wǎng)絡(luò)走過(guò)的歷程，30年來(lái)發(fā)展迅猛并取得了巨大成就，奠定了其在信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)中不可替代的核心地位。然而，隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的持續(xù)高速增長(zhǎng)以及云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、4G及未來(lái)5G移動(dòng)通信等新型應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有的光網(wǎng)絡(luò)已難以滿足未來(lái)需求，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也面臨著巨大瓶頸。

2.1 傳輸容量和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本

單纖數(shù)據(jù)傳輸達(dá)到的巨大容量一度被認(rèn)為用之不盡，然而，隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的快速增長(zhǎng)，這個(gè)看法將發(fā)生改變。如圖3所示為思科公司（Cisco）在2015年發(fā)布的全球可視網(wǎng)絡(luò)指數(shù)（visual networking index，VNI）預(yù)測(cè)白皮書中對(duì) 2014-2019年全球 IP數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)的預(yù)測(cè)［15］。思科公司預(yù)計(jì)：2014-2019年，全球IP數(shù)據(jù)流量將增長(zhǎng)近3倍，折合復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）23%。到2019年，全球IP數(shù)據(jù)流量將達(dá)到2 ZB／年，相當(dāng)于28萬(wàn)億小時(shí)的音樂(lè)流，或5萬(wàn)億小時(shí)的網(wǎng)絡(luò)會(huì)議流量。與此相對(duì)的是，光通信容量的增速已大幅落后于IP流量增速，在過(guò)去5年間，單模光纖的實(shí)驗(yàn)室傳輸容量已達(dá)到了100 Tbit／s左右的理論極限；而在商用系統(tǒng)中，考慮傳輸容量和距離的乘積，現(xiàn)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)水平也距離極限不遠(yuǎn)，擴(kuò)展空間很小。

圖3 2014-2019年全球IP數(shù)據(jù)流量預(yù)測(cè)（數(shù)據(jù)來(lái)源：Cisco VNI 2015）

為了滿足IP數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)的需求，光纖通信可能需要向著空分復(fù)用（spatial division multiplexing，SDM）的方向發(fā)展。一般來(lái)說(shuō)，SDM技術(shù)可以通過(guò)兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：使用多芯光纖實(shí)現(xiàn)纖芯層面的復(fù)用；使用少模光纖實(shí)現(xiàn)模式層面的復(fù)用。當(dāng)然，也可以通過(guò)使用少?！嘈竟饫w同時(shí)實(shí)現(xiàn)纖芯和模式的復(fù)用。不管采用哪種方法，都是通過(guò)增加并行系統(tǒng)來(lái)加倍傳輸容量。2012年，日本NTT公司使用12 芯光纖實(shí)現(xiàn)了 1.01 Pbit／s容量的 52 km 傳輸［16］，2015年，日本信息通信研究院公布了36芯3模的5.5 km混合傳輸實(shí)驗(yàn)，每個(gè)纖芯模式實(shí)現(xiàn)了 40×100 Gbit／s的數(shù)據(jù)傳輸［17］。

然而，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，光信號(hào)在多芯光纖和少模光纖中進(jìn)行傳輸時(shí)會(huì)受到芯間串?dāng)_和模間串?dāng)_的物理限制，在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)會(huì)嚴(yán)重降低信噪比和傳輸容量［18］。在接收端采用多輸入多輸出數(shù)字信號(hào)處理（MIMO DSP）可有效提高信噪比并增加傳輸容量，但整個(gè)系統(tǒng)的傳輸距離和容量將受限于DSP處理能力［19］。采用強(qiáng)耦合技術(shù)替代弱耦合可大幅降低接收端對(duì)DSP處理能力的要求，從而實(shí)現(xiàn)更高的網(wǎng)絡(luò)容量［20］，如圖4所示。但現(xiàn)有的DSP技術(shù)水平尚難以做到接收信號(hào)的實(shí)時(shí)在線處理。

圖4 模分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)容量［20］

SDM傳輸系統(tǒng)中的物理限制在網(wǎng)絡(luò)層面表現(xiàn)為一些新的網(wǎng)絡(luò)約束條件，使得SDM網(wǎng)絡(luò)容量的提升難以達(dá)到理想情況下的理論極限［20］；另一方面，這些新的網(wǎng)絡(luò)約束條件通過(guò)影響業(yè)務(wù)的路由和資源分配過(guò)程，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的部署成本產(chǎn)生影響，從而影響SDM技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景［21］?？梢?jiàn)，從網(wǎng)絡(luò)容量和建設(shè)成本角度看，SDM技術(shù)目前尚看不到明確的商業(yè)應(yīng)用前景。需要一方面進(jìn)一步通過(guò)技術(shù)研發(fā)提高其容量并降低成本；另一方面為其尋找應(yīng)用突破口，例如，應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（DCN）和高性能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)（HPCN）中降低所需光纖的數(shù)量，或應(yīng)用于長(zhǎng)距離海底通信，減少光放大器所需的電力供應(yīng)等。

2.2 光交換粒度

傳輸容量的急劇增長(zhǎng)帶來(lái)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處巨大的數(shù)據(jù)交換壓力，采用電交換技術(shù)節(jié)點(diǎn)的體積、成本及能耗隨交換容量的增加成線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，網(wǎng)絡(luò)容量將受限于路由器或交換機(jī)的帶寬和能耗瓶頸。該問(wèn)題在具有大容量密集交換需求的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)和高性能計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中尤為突出。以數(shù)據(jù)中心能耗為例，美國(guó)斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)調(diào)查顯示：2010年全球數(shù)據(jù)中心電力消耗為2 355億度，約占全球電力消耗的1.3%。中國(guó)的數(shù)據(jù)中心能耗也高速增長(zhǎng)：2012年我國(guó)數(shù)據(jù)中心能耗高達(dá)664.5億度，占當(dāng)年全國(guó)工業(yè)用電量 的 1.8%［22］。

圖 5（a）所示為數(shù)據(jù)中心的能耗分布［23］，其中，IT 設(shè)備的能源消耗占到了45%。在這45%的能耗中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的能耗又占到了23%，如圖5（b）所示。因此數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的能耗約占總能源消耗的10.35%，十分可觀。

圖5 數(shù)據(jù)中心能耗分布

采用全光交換是突破帶寬能耗瓶頸的有效途徑。然而，現(xiàn)有全光電路交換只能提供波長(zhǎng)級(jí)的大交換粒度，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)粒度。這種粒度失配造成對(duì)光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行波長(zhǎng)擴(kuò)容并無(wú)法帶來(lái)有效網(wǎng)絡(luò)容量的增加，導(dǎo)致光網(wǎng)絡(luò)巨大的帶寬資源難以得到充分利用，削弱了全光交換的優(yōu)勢(shì)。

全光分組交換（optical packet switching，OPS）和全光突發(fā)交換（optical burst switching，OBS）可以提供亞波長(zhǎng)級(jí)細(xì)粒度交換，但其依賴全光緩存及全光邏輯器件，而這些器件目前尚不成熟，且在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，其實(shí)用前景并不樂(lè)觀。

遠(yuǎn)低于波長(zhǎng)粒度、不依賴光緩存的細(xì)粒度光交換及組網(wǎng)技術(shù)亟待突破，其實(shí)現(xiàn)將為未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來(lái)質(zhì)的變革。目前國(guó)際上這方面的研究正處于萌芽階段，但已有加速發(fā)展的趨勢(shì)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)控制

目前，單域光網(wǎng)絡(luò)的智能控制問(wèn)題已基本得到解決并逐步商用化，多域異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)的跨域控制問(wèn)題也已取得巨大進(jìn)展，已實(shí)現(xiàn)多廠商多設(shè)備類型網(wǎng)絡(luò)跨域互通的基本功能測(cè)試。然而，隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、4G及未來(lái)5G移動(dòng)通信等新型應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展，作為信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，光網(wǎng)絡(luò)面臨著和IP網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在更廣意義上的無(wú)縫動(dòng)態(tài)異構(gòu)融合，如圖6所示，這些難以通過(guò)現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)的控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

圖6 異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及光／IP、光無(wú)線網(wǎng)絡(luò)融合

3 光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 光／IP網(wǎng)絡(luò)的融合

隨著互聯(lián)網(wǎng)IP業(yè)務(wù)在傳送網(wǎng)絡(luò)中所占比重越來(lái)越大，如何將IP網(wǎng)絡(luò)和光網(wǎng)絡(luò)更好地配合起來(lái)，為分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供容量更大、粒度更靈活、更可靠、更智能的傳送已經(jīng)成為光網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)共同的愿景，驅(qū)動(dòng)著光網(wǎng)絡(luò)的研究向著IP層與光層融合方向發(fā)展。

然而，基于分組交換的IP網(wǎng)絡(luò)和基于電路交換的光網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)制和組網(wǎng)模式有本質(zhì)不同，二者實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)互通和統(tǒng)一控制難度非常大，需要面對(duì)眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，光／IP融合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制架構(gòu)需要考慮光網(wǎng)絡(luò)物理層的限制，例如光功率、物理?yè)p傷、信號(hào)可達(dá)性、連接建立速率、可用帶寬、交換粒度等因素。其次，與光網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)建立（傳送）方式不同，它們之間存在巨大的時(shí)延差異。由此導(dǎo)致的業(yè)務(wù)建立和故障恢復(fù)時(shí)的協(xié)同控制問(wèn)題也是需要解決的瓶頸問(wèn)題。研究表明，商用光傳送網(wǎng)的業(yè)務(wù)建立時(shí)延，即使在小規(guī)模情況下也將達(dá)到幾百毫秒到幾秒量級(jí)，這對(duì)于IP網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延敏感業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)明顯過(guò)高，構(gòu)成光網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)互通的巨大障礙。

為實(shí)現(xiàn)光／IP網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫融合，清華大學(xué)在2015年提出了一種基于“超級(jí)虛擬路由器”的光／IP融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及一種基于該架構(gòu)的“資源緩存”技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了IP業(yè)務(wù)在光傳送網(wǎng)上的無(wú)縫傳輸［24］。

圖7展示了基于“超級(jí)虛擬路由器”的光／IP融合網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)。為了規(guī)避光網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)制和組網(wǎng)模式差異，該架構(gòu)將每一個(gè)光子網(wǎng)視作一個(gè)“超級(jí)虛擬路由器”，并通過(guò)一個(gè)支持 OpenFlow（OF）協(xié)議的虛擬路由器代理將該光子網(wǎng)與SDN控制器相連。從控制角度看，在采用這種架構(gòu)后，光網(wǎng)絡(luò)和IP路由器在層3拓?fù)渖蠈?shí)現(xiàn)統(tǒng)一，SDN控制器不必對(duì)其進(jìn)行區(qū)分。因此，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有基于IP網(wǎng)絡(luò)的SDN架構(gòu)和協(xié)議進(jìn)行本質(zhì)改變或擴(kuò)充便可實(shí)現(xiàn)光／IP混合網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一控制。同時(shí)，該架構(gòu)保留了現(xiàn)有光網(wǎng)絡(luò)的控制平面，規(guī)避了SDN控制器難以對(duì)存在物理層限制的光網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的難題。

統(tǒng)一的控制架構(gòu)并不能消除光網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)建立時(shí)延，因此不能解決時(shí)延敏感IP業(yè)務(wù)在光網(wǎng)絡(luò)的傳輸問(wèn)題?！百Y源緩存”技術(shù)的提出可有效解決這個(gè)問(wèn)題?！百Y源緩存”的概念如圖7所示。首先整個(gè)光網(wǎng)絡(luò)資源被分為兩部分，用其中小部分資源構(gòu)建“緩存層”，其余資源構(gòu)建“負(fù)載層”。在緩存層預(yù)先為每個(gè)光網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)對(duì)，即“超級(jí)虛擬路由器”的一組出入端口，建立一定帶寬的固定光通道。當(dāng)IP業(yè)務(wù)到達(dá)光網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)時(shí)，如負(fù)載層不存在對(duì)應(yīng)的已有光通道，則首先用“緩存層”的固定通道為其提供臨時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，如圖8（a）所示。由于該操作不存在建路過(guò)程，因此從根本上消除了建路時(shí)延。與此同時(shí)，利用光網(wǎng)絡(luò)控制平面在負(fù)載層為上述業(yè)務(wù)建立新通道，當(dāng)新通道建立完成后，將緩存層業(yè)務(wù)切換至負(fù)載層的新光通道，完成整個(gè)業(yè)務(wù)傳送流程，如圖8（b）所示。由于光通道的切換過(guò)程不改變光網(wǎng)絡(luò)對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)端口的配置，因此該過(guò)程對(duì)SDN控制器來(lái)說(shuō)是不透明的，也就是說(shuō)，SDN控制器對(duì)虛擬路由器（光子網(wǎng)）和IP路由器的控制不存在本質(zhì)區(qū)別。

3.2 光／無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的融合

圖9給出了思科公司在2015年發(fā)布的全球可視網(wǎng)絡(luò)指數(shù)（visual networking index，VNI）預(yù)測(cè)白皮書［15］中對(duì)2014-2019年全球移動(dòng)IP數(shù)據(jù)流量增長(zhǎng)的預(yù)測(cè)。思科公司預(yù)計(jì)：2014-2019年，全球移動(dòng)IP數(shù)據(jù)流量的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)到57%，遠(yuǎn)高于占全部IP數(shù)據(jù)流量23%的CAGR。同時(shí)，移動(dòng)IP數(shù)據(jù)流量將在2019年占比近15%。如此快速的移動(dòng)業(yè)務(wù)流量增長(zhǎng)將推動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)更緊密地和無(wú)線接入網(wǎng)融合，為其提供更好的帶寬調(diào)配。

圖7 基于“超級(jí)虛擬路由器”的光／IP融合網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)

相比于IP網(wǎng)絡(luò)的融合，光網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的融合面臨一些更本質(zhì)的問(wèn)題。例如，現(xiàn)有動(dòng)態(tài)光網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)都是固定的，不隨時(shí)間的推移而發(fā)生變動(dòng)。然而，這種情況將隨著移動(dòng)通信容量的增加以及交通工具速度的提高而改變。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，為高速鐵路提供大容量通信的需求將給底層光網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)類似 “越區(qū)切換”的問(wèn)題，導(dǎo)致業(yè)務(wù)的源／目的節(jié)點(diǎn)不再固定，光網(wǎng)絡(luò)的路由模型由此將發(fā)生改變。目前，已有針對(duì)高鐵通信這種最簡(jiǎn)單的一維“移動(dòng)源”路由問(wèn)題的研究，并已取得了一些初步成 果［25］。

圖8 通過(guò)“資源緩存”實(shí)現(xiàn)IP業(yè)務(wù)在光傳送網(wǎng)上的無(wú)縫傳輸

圖9 2014-2019年全球移動(dòng)IP數(shù)據(jù)流量預(yù)測(cè)（數(shù)據(jù)來(lái)源：Cisco VNI 2015）

相比業(yè)務(wù)的“移動(dòng)性”，在光／無(wú)線融合網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)資源的“不確定性”將使問(wèn)題更加復(fù)雜化。隨著移動(dòng)通信領(lǐng)域的大規(guī)模 MIMO （massive multiple-input multiple-output）技術(shù)以及多點(diǎn)協(xié)同 （coordinated multiple points transmission／reception，CoMP）技術(shù)的出現(xiàn)，靈活、大容量的按需無(wú)線覆蓋成為可能。這導(dǎo)致在光／無(wú)線融合網(wǎng)絡(luò)中為移動(dòng)業(yè)務(wù)計(jì)算路由和調(diào)度資源時(shí)，業(yè)務(wù)的源／目的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、鏈路資源都可能是不確定的，無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型解決。目前相關(guān)研究正處于起步階段，有廣闊的發(fā)展空間。

3.3 細(xì)粒度全光交換網(wǎng)絡(luò)

在第2.2節(jié)中提到，為了支撐未來(lái)數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算中心中的業(yè)務(wù)需求，光網(wǎng)絡(luò)必須具備細(xì)粒度、高靈活度的全光交換能力?，F(xiàn)有光網(wǎng)交換粒度一般為單個(gè)波長(zhǎng)或光纖級(jí)，交換粒度粗糙，與大部分IP業(yè)務(wù)的粒度不相匹配，造成光網(wǎng)絡(luò)帶寬效率低下，網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)嚴(yán)重，不能充分發(fā)揮光網(wǎng)絡(luò)在帶寬容量上的優(yōu)勢(shì)。另一方面，由于光網(wǎng)絡(luò)信息傳輸需要預(yù)先建立通道連接，連接數(shù)受限于光纖數(shù)量、波長(zhǎng)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，因此在大型?shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算中心中，光網(wǎng)絡(luò)能提供的連接數(shù)遠(yuǎn)不能滿足所有服務(wù)器之間的全連接需求，這就大大地削弱了數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算中心光網(wǎng)絡(luò)的性能和優(yōu)勢(shì)。因此，全光網(wǎng)絡(luò)的細(xì)粒度化成為了一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。

目前可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)低于波長(zhǎng)粒度的細(xì)粒度光交換技術(shù)均為時(shí)域光交換技術(shù)。光分組交換（OPS）／光突發(fā)交換（OBS）技術(shù)是其代表，于20世紀(jì)90年代末由美國(guó)研究人員提出。OPS／OBS技術(shù)可以通過(guò)調(diào)整光分組大小，將網(wǎng)絡(luò)的交換粒度做到遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)帶寬容量的水平。然而，在光緩存和光邏輯器件一直未能取得實(shí)質(zhì)性突破的情況下，這兩種技術(shù)均無(wú)法擺脫電處理過(guò)程，例如，光分組頭的解析、用于擁塞控制的電緩存等。這導(dǎo)致OPS／OBS的能耗相比電交換沒(méi)有質(zhì)的降低，無(wú)法充分發(fā)揮光交換的優(yōu)勢(shì)。此外，OPS／OBS的分組頭處理和擁塞控制非常復(fù)雜和困難，成本高昂，難以大規(guī)模應(yīng)用于實(shí)際的商用設(shè)備。

為了克服OPS／OBS的局限，實(shí)現(xiàn)不依賴光緩存的無(wú)沖突超細(xì)粒度全光交換，清華大學(xué)于2013年提出了全光時(shí)片交換（optical time slice switching，OTSS）技術(shù)［26］，并于2016 年通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在數(shù)據(jù)中心光網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的可行性［27］。OTSS基于全網(wǎng)高精度時(shí)間同步，利用全網(wǎng)統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)可用資源狀態(tài)的實(shí)時(shí)獲取以及動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)路由規(guī)則計(jì)算，并通過(guò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的高速光開(kāi)關(guān)在精準(zhǔn)的時(shí)間執(zhí)行其對(duì)應(yīng)的路由規(guī)則，完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交換，如圖10所示。該技術(shù)從原理上就可實(shí)現(xiàn)在無(wú)光緩存情況下的任意粒度無(wú)沖突全光交換，其最小交換粒度取決于業(yè)務(wù)時(shí)延需求、時(shí)間同步精度、傳輸時(shí)延抖動(dòng)量以及光開(kāi)關(guān)速度等因素。作為OTSS的使能技術(shù)，高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步和高速光開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展已日趨成熟。

典型的高精度網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議IEEE 1588v2于2008年發(fā)布，由歐美發(fā)達(dá)地區(qū)和國(guó)家主導(dǎo)，是目前產(chǎn)業(yè)界主流的精確時(shí)間同步協(xié)議。中國(guó)移動(dòng)已于2014年建成了全球首個(gè)基于IEEE 1588v2的商用高精度授時(shí)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了跨千公里的OTN鏈路和13跳PTN鏈路以225 ns為精度的時(shí)間同步精度［28］，在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面具備一定的優(yōu)勢(shì)地位。

高速電光開(kāi)關(guān)技術(shù)在21世紀(jì)初被日美公司壟斷并蓬勃發(fā)展，多家公司都推出4×4 ns級(jí)光開(kāi)關(guān)商用產(chǎn)品。其后隨著OPS／OBS的研究熱潮褪去，高速光開(kāi)關(guān)的發(fā)展近乎停滯，直到近年來(lái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)需求的爆發(fā)和光硅基集成技術(shù)的成熟，高速光開(kāi)關(guān)技術(shù)研發(fā)已開(kāi)始抬頭并呈加速之勢(shì)，且國(guó)內(nèi)外在該方向的研究基本處于同一水平。目前已見(jiàn)國(guó)內(nèi)科研院所報(bào)道實(shí)現(xiàn)16×16 ns級(jí)光開(kāi)關(guān)原 型 產(chǎn) 品［29］。

圖10 全光時(shí)片交換原理示意

4 結(jié)束語(yǔ)

回顧光網(wǎng)絡(luò)的30年發(fā)展歷程，依次經(jīng)歷了SDH光網(wǎng)絡(luò)、波長(zhǎng)路由全光網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)3代，網(wǎng)絡(luò)容量和控制靈活性都有了質(zhì)的提高。近年來(lái)異構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)互通問(wèn)題的解決更是推動(dòng)光網(wǎng)絡(luò)向更大的規(guī)模、更廣的范圍飛速發(fā)展，鞏固了其在信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)中不可替代的核心地位。然而，也要看到，隨著人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬需求的持續(xù)高速增長(zhǎng)以及云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、4G及未來(lái)5G移動(dòng)通信等新型應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展面臨著傳輸容量、交換粒度以及網(wǎng)絡(luò)控制方面的巨大瓶頸。本文圍繞這些瓶頸問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并在此基礎(chǔ)之上對(duì)光網(wǎng)絡(luò)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，光網(wǎng)絡(luò)將實(shí)現(xiàn)與IP網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫融合，并向著更大的容量和更細(xì)的交換粒度發(fā)展。

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Review and outlook of 30 years of optical network development

ZHENG Xiaoping，HUA Nan
Laboratory of Optical Networks&Microwave Photonics，Tsinghua University，Beijing 100084，China

As the core of the information network infrastructure，optical network has an irreplaceable important role.The birth process of optical network and the important milestones in its 30 years research and development course were reviewed firstly，then the challenges and possible development trends of optical networks according to future network demands were discussed.

wavelength division multiplexing，automatic switched optical network，software defined network，all-optical network，converged packet-optical network，converged wireless-optical network

s：The National Key Basic Research Program of China（973 Program）（No.2014CB340104／05），The National Natural Science Foundation of China （No.61321004，No.61435006）

TN915

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016145

2016-04-01；

2016-05-09

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（No.2014CB340104／05）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61321004，No.61435006）

鄭小平（1965-），男，清華大學(xué)電子工程系教授、博士生導(dǎo)師。面向國(guó)家寬帶信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重大需求，長(zhǎng)期致力全光通信網(wǎng)絡(luò)與微波光子學(xué)的研究，先后負(fù)責(zé)、參與國(guó)家重大／點(diǎn)基金、“973”計(jì)劃課題、“863”計(jì)劃重大／點(diǎn)、國(guó)防專項(xiàng)等20余項(xiàng)國(guó)家及科研項(xiàng)目。獲省部科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)兩次、三等獎(jiǎng)兩次，獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利20余項(xiàng)，發(fā)表論文百余篇。

華楠（1981-），男，清華大學(xué)電子工程系助理研究員、碩士生導(dǎo)師。2003年7月畢業(yè)于清華大學(xué)電子工程系，獲得工學(xué)學(xué)士學(xué)位；同年9月免試推薦在清華大學(xué)電子工程系直接攻讀博士學(xué)位；直博期間于2008年5-7月赴德國(guó)夫瑯和費(fèi)電信研究院海茵里?！掌澭芯克℉HI）進(jìn)行為期3個(gè)月的訪問(wèn)研究；2009年1月獲得工學(xué)博士學(xué)位，同年留校進(jìn)行博士后研究，后留校工作至今，從事智能光網(wǎng)絡(luò)管控及交換方面的研究工作?，F(xiàn)為IEEE、OSA 會(huì)員，IEEE JOCN、IEEE JSAC、OSA Optical Express、SPIE Optical Engineering、IET Communication等雜志的審稿人，OSA Advanced Photonics、IEEE／OSA／SPIE ACP 等國(guó)際 學(xué) 術(shù)會(huì)議的TPC成員。獲授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利10余項(xiàng)；發(fā)表SCI／EI檢索論文90余篇。