Physics 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: ( 40 )未来光交换方式及其发展趋势
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat May 10 14:09:57 2003) , 转信

摘要：Internet的业务流量正以每六个月翻一番的速度快速增长，未来网络中，数
据业务超过话音业务只是时间问题，因此，基于电路交换的电信网升级到支持基于分组
交换的数据业务是不可避免的。但是对光因特网来说，由于光逻辑与光存储等器件不成
熟，发展全光分组交换，技术上异常困难。另一方面，近来新提出的光突发交换，技术
上相对简单，性能特点优异，因而成为更理想的选择。本文介绍了全光分组交换和光突
发交换的研究现状，比较了两者的优缺点，最后指出了改进光突发交换性能的两种方式
。
　　关键词：光因特网 光分组交换 光突发交换
　　1、引言
　　近年来，通信网正朝光因特网发展，呈现出两个明显的趋势；一是以IP为核心，数
据业务将在未来5-8年内成为主导业务；二是IP层以下的光化，光传送、光交换成为主要
的发展方向。目前，除了WDM已成为各种网络升级扩容的首选方式，日渐成熟外，关于光
交换的争议还很多。一种呼声是基本否定光交换的，认为实现光交换价格昂贵，技术上
也不可行，坚持IP高端路由器+WDM传输的网络发展模式；另一种呼声承认光交换，但是
受IP分组的影响，坚持认为未来的光交换只是光分组交换。其实，从近期来看，利用高
性能的高端路由器和成熟的WDM传输，以POS（Packet over SDH）、ATM或GE（Gigabit
Ethernet）方式在数个波长上传送信号，实现Internet的升级（不是真正意义上的光因
特网）确是简单实际的解决办法。但是，如果波长赵来越多，速率越来越高，每个波长
的每个分组都要处理，路由器的负担该有多重？网络QoS如何保证？现在的高端路由器依
赖电的MPLS来解决这两个问题，不幸的是，路由器依然会按hop-by-hop方式对每个波长
进行处理，因此解决程度终究是有限的。从此意义上讲，光因特网采用光交换技术是必
然的。
　　2、光交换
　　按照交换粒度区分，光交换有三种方式：光线路交换（包括波长交换、光纤光缆空
间交换）、光分组交换与光突发交换（包含光标签交换）。第一种方式中，除了全光波
长交换尚有困难，非全光的波长交换和光纤光缆空间交换比较成熟。这里重点讨论后两
种。
　　2.1 光分组交换
　　光分组交换的要领可以看作是电的分组交换要领在光域的延伸，交换粒度以高速传
输的光分组为单位。虽然光分组可长可短，但由于交换设备必须具备处理最小分组的能
力，光分组交换要求切点的处理能力非常高。早先提出的全光交换，要求控制信号在光
域处理，但由于光逻辑器件到目前为止依然无法实用化，只能进行实验室演示，因此目
前国际上通行的做法实际上已经脱离了早期所谓实现分组透明交换的初衷，采用的是光
电混合的办法实现光分组交换，即数据在光域进行交换，而控制信号在交换节点被转换
成电信号后再进行处理。为光电混合型光分组交换机的典型结构，包括输入接口、交换
核（必须有光缓存）和输出接口三部分。输入接口，又称作输入同步器，根据对载荷的
定位处理，使进来的分组实时对准；交换核将分组发送到正确的目的地，并实现分组竞
争裁决和空分组管理；输出接口的作用是减小或消除信号的相位抖动和功率波动，通过
快速功率均衡减小分组与分组之间的功率差异，还可以具有分组头重写和再生的功能，
具有“3R”（Reamplifying, Reshaping and Retiming）功能的输出接口可使分组再生
。
　　当前世界各发达国家在研究和开发全光分组交换网技术方面的代表性研究项目有：
欧洲RACE-R2039 ATMOS（Asynchronous Transfer Mode Optical Switching）、ACTS的
KEOPS（Keys to Optical Packet Switching）、美国DARPA支持的POND（Packet-switc
hed Optical Networking Demonstration）、CORD（Contention resolution switched
packet network）及日本的NTT光网络实验等。目前分组交换两个最新的研究趋势是在
分组交换结构中引入波长维和扩展为多级互连结构。我们以WASPNET为例介绍增加波长维
的定长分组交换，对多级互连结构只介绍其原理。
　　为英国WASPNET项目中提出的利用波长维的反馈式分组交换节点结构。核心器件为可
调波长转换器（TWC）和阵列波导光栅（AWG）。WASPNET采用FIFO共享输出端的反馈延迟
线。尽管输入输出是单波长，但解决分组冲突依靠波长维。尽管WASPNET增加了AWG的端
口数，但是它提供了低优先级分组受控延迟，而高优先级分组快速通过的优先级路由。
　　多级互连交换结构原理。它由标号0到S-1的S级组成。第0级有N个输入，D个输出，
第S-1级有D个输入，N个输出，中间级都是D个输入，D个输出。每级功能类似OXC，级间
以D段光纤延尽线相连，延迟单位为从D-1到0，延迟阶数以N倍递减。交换结构内部级间
用到的波长数至少要大于输入输出波长数。有研究表明，对Hurst=0.9的自相似流量（突
发流最短长度400），一个3级连接，64波长，延迟单位为5000的结构可以使分组丢失率
达到让人非常满意的10-6以下。
　　2.2 光突发交换
　　突发交换（Burst Switching）其实在80年代初就已提出，并且陆续有一些文章发表
。突发交换概念当时并没有像电路交换与分组交换那样得到普及，原因是提出突发交换
的时候，无论电话网还是数据网，技术已经成熟，没有必要以突发为单位来处理话音或
数据从而改变整个网络。每次电路交换，交换粒度包含许多语音突发，为每个突发做一
次呼叫申请显然太浪费资源；在早期数据网中，一个突发代表一大段数据，拆分成多个
分组后再传输，占用的网络资源少，传送成功概率远大于直接传送一大段数据，因此也
没有以突发为单位。但是随着技术的不断演进发展，一个深刻的变化是传输速率的增长
大大超过了处理速率的增长，如果依然要按照旧式的分组方法来处理，网络处理设备将
长期处于过载状态，这是非常危险的。因此，简化网络节点的处理是非常必要的。光突
发交换提高处理粒度就是一种较好的解决方法。通过预先发送控制信息，在每个节点处
，光/电变换、处理、预约资源后，节点再传送突发数据，数据可以始终保持在光域内，
同时免去分组交换中逐一处理分组头的麻烦。
　　光突发交换节点包括两种：核心节点与边缘节点。边缘节点负责重组数据，如将接
入网中的用户分组数据封装和突然袭击发数据，或反之，核心节点的任务是完成突发数
据的转发与交换。为光突发交换的核心节点结构，与光分组交换不同的是，只需对光纤
中传输控制分组的波长进行光/电变换，传输突发数据的波长不需要光/电变换；另外，
入口光纤延迟线（FDL）的作用是缓存突发数据，可以省掉。
　　3、光因特网采用光突发交换还是光分组交换？
　　长远来看，超高速光分组交换一定能够实现，但是从现状看，光因特网若采用光分
组交换有一些不足。
　　3.1 技术实现难度大
　　实现光分组交换需要的关键技术包括光分组的产生、同步、缓存、再生，光分组头
重写及分组之间的光功率的均衡等。其中分组的实时同步、再生、分组头重写，由于码
率太高（100Gbit/s），电设备无法完成，而全光的办法也只停留在实验阶段。相比之下
，由此可见，光突发交换实现相当简单。根据光突发交换使用的JET（Just Enough Tim
e）协议，设某一节点S有数据要发送到另一节点D。S首先发送突发控制分组（BCP），如
果BCP从源到目的经历的中间节点数为n，在（n+1）xδ时间之后，再发送相应的突发数
据，T称为偏置时延。因为控制分组已经预约了资源，数据分组在中间节点就可以不需缓
存，直接通过。由于控制信道与数据信道分离，数据的传输速率与控制信道无关，突发
数据可以以非常高的速率（传输技术支持的速率）在网络的数据信道中透明传输。控制
分组的传输、处理则可能用电设备完成，将来再过渡到全光操作。这样，控制开销少，
中间节点的光/电变换基本不需要，加上实现突发控制分组（BCP）擦除/重写容易，同步
要求不严格（BCP与控制分组之间的关系相对松散），光突发交换的实现可能性远远高于
光分组交换。
　　3.2 QoS支持较差
　　传统的因特网提供的是尽力而为的服务，而人们对于未来光因特网的希望是支持多
种业务，因此能提供各种等级的业务质量是未来光因特网不同于老因特网的主要区别。
分组交换本身不直接支持QoS，现有的改进方法是引入二层交换，如MPLS，但在光域，光
分组交换的研究还较少涉及二层交换。目前研究较热的MPLS，实际是用波长作为标签，
与波长交换相似，而与分组交换的联系则少得多。另一方面，突发光交换对QoS的支持全
面得多，它可以通过DeR(Delayed Reservation)机制，使带宽资源得到最有效的利用，
并减少竞争机会，又可以利用DiR（Differentiated Reservation），将业务区分为不同
的优先级，为优先级高的突发数据设置较长的时间偏移量，从而使其获得更大的预约成
功机会。所以，总的来看，突发光交换的流转发可以类比标签转发，资源预约可以获得
不同种类的业务质量，不用中间缓存可以减少等待处理时延，相比于光分组交换单个分
组转发的低效，资源的过度竞争，大量中间缓存引入的排队时延，前者显然有更大的优
势。
　　表1列出了两种交换方式的性能比较。可以看出，作为分组交换的替代，光突发交换
有更佳的性能。另外，光突发交换还有一个显著优点是可以降低网络业务的自相似程度
。
　　　　　　　　　　　　　　　　表1　光分组交换与突发光交换方式的比较
　　　　　　　　　　　　　　带宽利用率 建立链接时延 数据传输时延 灵活性 实现
难度
　　　　　　　　光分组交换 　　　高 　　　　短 　　　　　长 　　　 高　　　高
　　　　　　　」馔环⒔换 　　「 　　　《 　　　　《 　　高 　　适中
　　4、突发光交换的发展
　　考虑到未来网络以WDM技术为基础，虽然突发光交换总体上讲比光分组交换有优势，
但是在未来网络中，网络的保护自愈、性能监测也很重要，这方面突发光交换还有缺陷
。另外如果突发光交换中需要为每一个突发（即使来自同一个节点且去同一个目的）都
反复进行预约太复杂，因此，我们提出了利用波长路由，增强光突发交换底层不足的办
法。所以，在骨干网中建立可以根据要求（如流量大增或链路阻塞要求增加波长，或流
量锐减可以减少波长）调节的虚拟波长通路；光突发交换操作在虚通路之上，将会大大
减少资源预约的复杂度，同时为网络提供生存性和可靠性。
　　另一个重要的发展方向称为标签性的突发光交换（Labeled Optical Burst Switch
ing），它结合了广泛讨论的标签技术，利用广义的标签（包括波长标签和通常的标签）
来简化突发光交换的一些操作，同时改进其不足。
　　5、结论
　　现阶段，无论对国家经济发展还是科教的发展和普及，因特网的重要性日趋明显，
因此建设光因特网已是大势所趋。光前人们迫切需要的是光因特网能尽快利用WDM技术带
来的巨大带宽，而不是慢慢等待光分组交换技术的成熟。所以，突发光交换作为光分组
交换的替代品应运而生。当然，因特网中的流量突发性也是使人们倾向于提升交换粒度
的重要原因。
摘自《电信科学》



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