1.2 波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)

雖然WDM技術(shù)的應(yīng)用極大地提升了點到點光纖通信系統(tǒng)的傳輸能力，但由于點到點光纖通信系統(tǒng)并沒有實現(xiàn)光層聯(lián)網(wǎng)，多跳傳輸?shù)墓庑盘栃枰诿總€節(jié)點都進(jìn)行“光?電?光”的轉(zhuǎn)換。也就是每個節(jié)點都需要將接收到的光信號變換為電信號，然后再由電信號變?yōu)楣庑盘?，才能將信號傳輸給路徑上的下一跳節(jié)點。由于電域的信號處理速率大大低于光域的傳輸速率，因此，頻繁的“光?電?光”轉(zhuǎn)換成為限制光網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的瓶頸，同時還增加了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的復(fù)雜度。為了充分利用WDM技術(shù)的潛在能力，一種可行的方案為在傳送網(wǎng)內(nèi)部實現(xiàn)全光數(shù)據(jù)傳輸，建立全光網(wǎng)絡(luò)（All Optical Network，AON）[3]。

隨著光分叉復(fù)用器（Optical Add and Drop Multiplexer，OADM）[4]和光交叉連接器（Optical Cross Connector，OXC）[5]的發(fā)明，基于WDM技術(shù)的全光網(wǎng)絡(luò)得以實用化。OADM節(jié)點具有光信道（波長）上/下路功能，它可以僅將本地上路或下路需要的光信道，由本地光發(fā)送模塊插入（上路）或由本地接收模塊分出（下路），而其他光信道則無阻塞地通過節(jié)點。全光型OXC則可以在光域?qū)⑷肟诠饫w中一個波長上的信號直接交換到出口光纖對應(yīng)的波長上。同時波長變換器可以將入口的某個波長信號轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹诘牧硪徊ㄩL上，從而進(jìn)一步提高波長利用率。由于不需要將本地下路的大量業(yè)務(wù)在光層直接進(jìn)行交換，從而減輕網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所要處理的業(yè)務(wù)量，降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的成本。正是由于全光型OXC和OADM具有靈活的可重構(gòu)特性，光網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式得以從點到點光纖通信系統(tǒng)發(fā)展到WDM聯(lián)網(wǎng)的全光傳送網(wǎng)。

目前WDM網(wǎng)絡(luò)中的交換技術(shù)包括光波長交換（Optical Circuit Switching，OCS，也稱光路交換）技術(shù)、光分組交換（Optical Packet Switching，OPS）技術(shù)[6]、光突發(fā)交換（Optical Burst Switching，OBS）技術(shù)[7–11]。接下來將簡單介紹這3種交換技術(shù)。

1.2.1 光波長交換技術(shù)

光波長交換技術(shù)是指利用OXC和OADM等設(shè)備提供的波長交換能力，實現(xiàn)端到端透明的虛波長通道，也稱為波長通道或光路。OCS技術(shù)可使光信號直接通過波長通道發(fā)送到目的節(jié)點，而不需在中間節(jié)點經(jīng)過“光?電?光”的轉(zhuǎn)換。同時還可利用數(shù)字封包技術(shù)，將原本需要在SDH/SONET層完成的業(yè)務(wù)移到光網(wǎng)絡(luò)層。這樣在簡化通信網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)的同時，可以增強(qiáng)各種通信業(yè)務(wù)的透明性，充分利用WDM光網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢，進(jìn)一步提高帶寬利用率[1]。目前OCS技術(shù)已經(jīng)被大規(guī)模應(yīng)用于實際網(wǎng)絡(luò)中。

如圖1-1所示，OCS技術(shù)在源宿終端設(shè)備之間為通信業(yè)務(wù)建立了一條端到端的波長通道。在波長通道中，信號不需進(jìn)行“光?電?光”轉(zhuǎn)換，可直達(dá)目的終端設(shè)備。同時，通過引入波長變化器，可以將承載于某個波長上的光信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其承載在另一波長之上，從而提高波長的利用率。如果沒有波長變換器，那么一條波長通道在其所經(jīng)過的所有鏈路上都需要采用相同的波長，這就是所謂的波長連續(xù)性約束。波長連續(xù)性約束極大地限制了光網(wǎng)絡(luò)的靈活性和擴(kuò)展性。如圖1-1所示，需要在終端設(shè)備B和D之間建立一條波長通道。假設(shè)光交換設(shè)備E和G之間的鏈路上只有波長λ1未被使用，而光交換設(shè)備G和I之間的鏈路上只有波長λ2未被使用，由于波長連續(xù)性約束，即使每條鏈路上都有空閑的波長資源，OCS技術(shù)也無法在終端設(shè)備B和D之間建立波長通道。采用波長變換器后，一條波長通道可以在不同的鏈路上使用不同的波長，從而提高光網(wǎng)絡(luò)的靈活性，消除波長沖突。

OCS技術(shù)為信號分配的波長通道是端到端的，因此需要以集中控制的方式，預(yù)先了解整個網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，才能進(jìn)行路由和波長分配，且波長通道的建立和拆除需要較長時間。同時，OCS技術(shù)是以波長通道為單位的粗粒度光交換，單個波長通道的帶寬極寬，即使采用了波長變換器，網(wǎng)絡(luò)中所能建立的波長通道數(shù)量也是有限的。但是IP業(yè)務(wù)在時間上呈現(xiàn)突發(fā)的特性，即使在核心網(wǎng)中對不同來源的IP業(yè)務(wù)進(jìn)行匯聚，也很難完全消除這種突發(fā)性。因此以波長通道為粒度的交換方式無法高效地適應(yīng)IP數(shù)據(jù)的突發(fā)性。

1.2.2 光分組交換技術(shù)

為了適應(yīng)IP數(shù)據(jù)的突發(fā)性，光分組交換技術(shù)試圖直接在光層上實現(xiàn)細(xì)粒度的分組交換。如圖1-2所示，與OCS技術(shù)以波長通道為交換單元不同，OPS技術(shù)是以光分組為交換單元。如圖1-3所示，在OPS技術(shù)中，一個光分組包括光分組頭、凈荷和保護(hù)時間3個部分。其中，固定長度的光分組頭攜帶路由信息；凈荷是要傳遞的數(shù)據(jù)；保護(hù)時間是為了應(yīng)對同步的不準(zhǔn)確性，主要根據(jù)交換時間、節(jié)點內(nèi)的凈荷抖動等情況確定。當(dāng)一個光分組到達(dá)交換節(jié)點時，交換節(jié)點在光域或者電域?qū)夥纸M頭進(jìn)行處理，同時在轉(zhuǎn)發(fā)分組前，利用光纖延遲線（Fiber Delay-Line，F(xiàn)DL）緩存凈荷。

相比OCS技術(shù)，OPS技術(shù)能利用統(tǒng)計復(fù)用特性來應(yīng)對IP業(yè)務(wù)的突發(fā)性，其帶寬利用率較高。已有多個研究項目針對OPS技術(shù)進(jìn)行研究，包括歐洲的ATM光交換（ATM Optical Switching，ATMOS）項目和光分組交換關(guān)鍵（Keys to Optical Packet Switching，KEOPS）項目，美國的分組交換光網(wǎng)絡(luò)示范（Packet-switched Optical Networking Demonstration，POND）項目以及英國的波長交換光分組網(wǎng)（Wavelength Switch Optical Packet Network，WASPNET）項目等。這些實驗性光網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)в新酚尚畔⒌墓夥纸M頭進(jìn)行高速處理，同時能夠為光分組提供透明路徑，從而實現(xiàn)高速、大吞吐量、低時延的數(shù)據(jù)遞交服務(wù)。

近年來，OPS技術(shù)涉及的光分組的產(chǎn)生、同步、再生以及光分組頭重寫等關(guān)鍵技術(shù)取得一些進(jìn)展。但由于一些關(guān)鍵性的光器件，如高速光開關(guān)、光緩存器、光邏輯器件等，沒有取得重大技術(shù)突破，因此，光分組交換的控制部分依然需要由電信號實現(xiàn)。即交換節(jié)點可以在光域完成傳輸和交換，但需要將控制信號（光分組頭）轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行處理，性能上還有待提高。另外，和電域中的分組交換一樣，屬于同一數(shù)據(jù)流的光分組可能會經(jīng)過不同的鏈路，分組所遭遇的時延差異較大，可能導(dǎo)致亂序，甚至分組丟失。

1.2.3 光突發(fā)交換技術(shù)

如前面所述，雖然OCS技術(shù)成熟且已得到大規(guī)模應(yīng)用，但其仍難以應(yīng)對IP業(yè)務(wù)的突發(fā)性。OPS技術(shù)雖然能夠適用于突發(fā)的IP業(yè)務(wù)并提供高的帶寬利用率，但其受限于關(guān)鍵光器件技術(shù)，因此未能投入使用。在這種情況下，研究人員提出了光突發(fā)交換技術(shù)[12]。其核心思想為在光網(wǎng)絡(luò)邊緣將細(xì)粒度的IP分組組裝成一個大的突發(fā)數(shù)據(jù)分組（Burst Data Packet，BDP）。在電域上為該突發(fā)數(shù)據(jù)分組建立交換通路后，利用已建立好的交換通路在光域傳輸要傳遞的數(shù)據(jù)。由于突發(fā)數(shù)據(jù)分組的長度要大于IP分組，光突發(fā)交換對交換矩陣中的光開關(guān)要求為毫秒級，大大低于光分組交換對光開關(guān)的納秒級要求。

如圖1-4所示，在OBS技術(shù)中，位于光網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備收到來自用戶的電IP分組后，根據(jù)IP分組的目的地以及服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）特性對其進(jìn)行分類，然后由突發(fā)數(shù)據(jù)分組組裝器根據(jù)一定的規(guī)則將IP分組匯聚成突發(fā)數(shù)據(jù)分組。此后，資源調(diào)度器為突發(fā)數(shù)據(jù)分組分配合適的波長通道，而控制單元發(fā)送相應(yīng)的突發(fā)控制分組（Burst Header Packet，BHP）來提前預(yù)約光網(wǎng)絡(luò)中的資源。突發(fā)數(shù)據(jù)分組在經(jīng)過一段延遲/時間偏移后進(jìn)入OBS網(wǎng)絡(luò)。突發(fā)數(shù)據(jù)分組在到達(dá)出口邊緣的交換機(jī)后，突發(fā)數(shù)據(jù)分組分解器根據(jù)突發(fā)數(shù)據(jù)分組頭的信息對突發(fā)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行分解，轉(zhuǎn)換為IP分組。

OBS技術(shù)除了將IP分組匯聚成突發(fā)分組，還將突發(fā)數(shù)據(jù)分組和突發(fā)控制分組分開傳輸。每個突發(fā)數(shù)據(jù)分組對應(yīng)一個突發(fā)控制分組，突發(fā)控制分組先于突發(fā)數(shù)據(jù)分組發(fā)送，并為其預(yù)留網(wǎng)絡(luò)資源。這樣就可以保證核心光交換設(shè)備在突發(fā)數(shù)據(jù)分組到達(dá)之前，根據(jù)突發(fā)控制分組中的信息為突發(fā)數(shù)據(jù)分組預(yù)留資源，確保突發(fā)數(shù)據(jù)分組直接通過核心節(jié)點，不需經(jīng)過光緩存及“光?電?光”變換。同時，突發(fā)控制分組在預(yù)留資源的時候是單向的，不需等待收發(fā)端之間的交互就可以發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)分組，因此，能夠得到更好的時延特性。

1.2.4 光交換技術(shù)的比較

表1-1所列為3種典型光交換技術(shù)的比較。光波長交換技術(shù)以波長通道為交換粒度。由于交換粒度大，在承載高突發(fā)性的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時，光波長交換技術(shù)的帶寬利用率相對較低，同時接續(xù)時延相對較高（需要建立波長通道）。光波長交換技術(shù)的實現(xiàn)難度較低，已大規(guī)模投入使用。光分組交換技術(shù)以光分組為交換粒度，是理想的細(xì)粒度交換形式，其帶寬利用率高，接續(xù)時間低（不需建立波長通道），能適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)性。但是由于相關(guān)器件的不成熟，光分組交換技術(shù)還未得到大規(guī)模使用。光突發(fā)交換技術(shù)是在光波長交換和光分組交換之間的一種折中技術(shù)。