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光分组交换的关键技术

2/14/2005来源:光纤通信人气:6927

北京大学电子学系 黄安鹏 谢麟振 徐安士 殷洪玺

  在电域内,有电路交换与分组交换之分,随着语音、数据、视频等通信业务正朝着综合的方向发展,数据流量逐渐超过话音流量。这就意味着面向连接的电路交换需要被升级到能支持数据业务的分组交换。分组交换保留电路交换传输时延小的优点,同时克服了线路利用率差的缺点。客观而言,在电域可望取得的进展在一段时间内能满足分组交换的需求,但是研究显示光开发技术的潜力能满足网络的长期需求。互联网快速增长是驱动光分组交换及网络快速发展的动力,得到WDM光传输基础设施的支持。电域TDM技术的增长系数是每年1.5,而每年的带宽需求增长系数是8,两者的不匹配是开发光技术的主要动机。
  随着电的交换和路由技术的处理速度和容量的巨大进步,光分组交换(OPS:Optical Packet Switch)技术也已经在一些领域内取得了重大进展。对网络设计者来说,非常重要的是减少当前网络中协议层的数目,但是保留功能,并尽量利用现有的光技术。光分组交换具有大容量、数据率和格式的透明性、可配置性等特点,这对未来支持不同类型的数据是非常重要的。光分组交换能够提供端到端的光通道或者无连接的传输。光分组交换的主要优点是带宽利用效率高,而且能提供各种服务,满足客户的需求。目的是把大量的交换业务转移到光域实现,能实现交换容量与WDM的传输容量相匹配。同时实现光分组技术与OXC、MPLS等新兴技术的结合,实现网络的优化与资源的合理利用。表1比较了各种光交换模式。

  关键技术
  光分组交换目前都使用混合的解决方案:传输与交换在光域实现,路由和转发功能以电的方式实现。尽管对光分组交换作了大量的研究,但是对全光分组交换节点,仍然没有权威性的结构设计。全光分组交换节点有两个特征:1、交换在光域发生,没有O/E/O的转换。全光交换能够保证较高的信道利用率和低的能量损耗;2、交换应该能够在分组的水平上实现。原理上,交换结构也应该能在更粗的粒度上实现,如波长。
全光分组交换网可以被分成两大类: 时隙和非时隙。在时隙网络中,分组长度是固定的,而且在时隙中传输。时隙的长度应大于分组的时限,以便在分组的前后设置保护间隔。在非时隙网络中,分组的大小是可变的,而且在交换之前,不需要排列,是非同步的,自由地交换每一个分组。这种网络竞争性较大,而且分组丢失率较高。但是结构简单,不需要同步,分组的分割和重组不需要在输入输出节点进行,这样的网络更适合于原始ip业务。缓存容量较大的非时隙型网络性能良好。
  时隙网络的同步
  有比特级上的同步和分组级上的同步。比特同步能容忍比特的抖动;分组同步能容忍分组的抖动。同步是光分组交换网的关键。在粒度上,又分为粗同步和细同步。为了保持比特率和编码的端到端的光透明传输,粗和细同步都必须在光域完成。在同步实现过程中,时钟的恢复与提取也是非常重要的,这涉及到O/E/O的转换。

分组的竞争
  分组的竞争有三种解决方案:波长、时间、空间,对应的是波长转换、光缓存、空间替代路由。在实际中,常常是以上三种中的某几种的结合使用,以提高解决竞争的效率。其中,光缓存是最常用的。除非光RAM变成现实,否则,我们一直需要依赖光延迟线作为光缓存。当两个分组竞争一条输出链路时,一个分组被传输,另一个被送入一圈光纤,让它经过充分的延迟以解决竞争问题。
  为了克服竞争,对于固定时隙中的分组,有多个竞争解决方案:A、替代路由,不需要缓存,沿着一条替代的路由到达目的节点;B、 使用波长减少缓存的数量;C、使用小的分组交换模块,有适当的缓存和替代路由;D、模拟电的深度缓存;E、光缓存与电缓存相结合;短时延用光缓存,长时延用电缓存;F、部分共享的光缓存。
  迄今为止,唯一可用的光存储是光纤延迟线。最近,Anjali Agarwal提出用光纤参量的非线性实现可擦除的光缓存,速度可以达到1Gb/s。
  今天最大的缓存容量可以达到64个分组,但在传统的交换结构下,仍然不能保证低分组丢失率。缓存的大小对分组丢失率有很大影响,主要有两个原因:一是由于接入缓存的带宽不够,二是没有足够的缓存空间。
  对于可变长度的光分组,可使用串联的光纤延迟线来实现。

交换策略
  全光交换的核心是交换机。为了能在分组级上实现吉比特交换,交换速度必须达到纳秒量级。光交换的大多数技术是使用半导体光放大器作为光门。在无源缓存网络中,当前的技术水平是,在4英寸的模块上集成几十个门,运行速度可达每秒几十吉比特。这些器件也能实现一些无源功能,如波长的复用与解复用,在城域环网上,实现非常简单的波长上下路功能。缺点是噪声系数和信道串扰高。但是合理的设计能克服这些缺点,信道容量能达到Tb/s的量级。主要有波长路由交换(WRS)和广播选择交换(BSS)两大类。
  分组头和分组格式
  分组头含有分组的路由与负载的信息,目前分组头的处理在电域内完成。就中期网络情况而言,使用电控制和头处理的OPS已经比较成熟了。现在OPS一个重要的特征是负载是透明的,而标记和交换控制是电的。在电域内,分组头与分组在同一速率上传送,但在光域内,一个典型的波长信道速率可以达2.5Gb/s(OC48)。尽管电与光都可以每秒吉比特的速率检测和辨认分组头,但是电的分组头的处理很难在这个速率上进行。其中,副载波复合技术(SCM)是最有吸引力的方案。头和负载数据复用在同一个光载波上,在调制激光器的电流中,负载是基带编码,头比特是在合适的副载波频率上,以较低的速率编码。因为激光器与光电探测器的频率响应必须达到副载波频率,因此,副载波频率尽量少、低、间隔小。因为副载波的间隔是头比特率的两倍,所以头比特率要低,但是太低也会引起较长的时延。在许多路由交换协议中,需要分组头在每个节点的更新。另一个方案是分组头与分组不在同一个光载波上,这个方法将受到光纤色散的影响。优化在每个节点的分组的功率大小及分组的长度,使目的节点的负载与分组头的误码率平衡。时隙分组格式在时间长度上是固定的,但是负载的大小是可变的。分组头低速率运行,负载对速率和格式是透明的。在KEOPS项目中,分组头使用14个字节,传输速率622Mb/s。

协议
  OPS与已有的协议相结合:如网络可以使用已有的MPLS/MPS协议,路由信息分布,可以使用IP路由协议。对全光分组交换,不需要额外的协议层。受广义MPLS支持的全光分组交换网络可以支持不同粒度(如:分组、突发和电路)及不同的用户数据格式。多协议标签交换加速了互联网的速度,全光分组交换非常适合MPLS的观点,它具有灵活性,高比特率,而且消除了潜在的电子瓶颈的优点。光标签技术是实现简单的、可升级的光信道路由的关键,无需高速的电终端。在光传输网(OTN)上,MPLS能提供端到端的透明性,但是需要接入比特流,因而需要把光信道的光信号转换为电信号。
  WDM光分组的波长复合方案
  共享波长通道(SHWP)是在光分组层上,每个光通道有一个特定的波长,两个或更多的光通道允许共享同一个波长。当每个波长的负荷降低时,所需要的缓存空间减小。分散波长通道(SCWP)是指在一个完整的光通道上,没有分配一个相同的波长,但是,在每一个链路上,它被动态地转换到适合的波长上。   传输和再生功能
  分组模式的传输和再生功能过去在高比特率上被忽略了,但是对实际产品的发展特别重要。关键是要能与长距离传输兼容,能容忍分组到分组的相位和幅度抖动,对于同步系统来说,代价最小。10Gb/s分组模式   NRZ/RZ接收机,代价受到严格的限制,在突发条件下运行,能容忍6dB的功率变化,快速时钟和相位恢复小于10ns。利用半导体激光技术,对于时钟和数据恢复的网络来说,能实现100个再生器的级联,能在10Gb/s上运行。当前,传输处理对信息流量、路由表的大小及更新频率是个主要的限制。这些问题已经被提出,正在努力解决。
  快速波长调谐技术
  WDM系统的容量以远远超过摩尔定律的速度增长。然而,当电信网朝着分组交换的方向发展时,WDM系统依然是电路交换。快速波长调谐是实现真正的分组交换的WDM网络的关键和挑战。可调激光器为实现用单一的发射机来连接任何WDM节点提供了可能性且能增强网络的灵活性。由于纳秒量级调谐速度的可调谐分布反馈激光器与GHz的响应速度的快速波长非敏感交换技术还没有实现,当前似乎还没有能有效实现波长上下路的快速复用的方法。

技术展望
  与电分组技术相比,光分组交换技术经历了近10年的研究,还没有达到实用的目标,主要有两大原因:第一是深度和快速光记忆器件的缺乏,在光域难以实现与电路由器相同的光路由器;第二是相对于成熟的硅工业而言,光分组交换的集成度很低,这是由于光分组本身固有的限制以及这方面工作的不足。通过近期的技术突破与智能的光网络设计,可以充分地利用光与电的优势来克服这些不利因素。
  光传输网使用光分组交换技术的目的是:a)减少网络层的数目,简化网络管理软件和避免相关的传输开销;b)提供有效的流量合成和较细的服务粒度,因而能改善OTN的利用率;c)在OTN上实现基于QoS的动态带宽分配;d)实现服务与OTN网络的分离。
  光分组交换有两个主要的应用:第一是核心路由器,分组经过网络,在核心节点进行交换,经历路由选择和标签交换。在这种模式下,网络能最大限度地利用网络的资源,使所需的总网络容量最小,从而减小OXC的规模;第二是作为边缘路由器,把电的IP与OTN(光传输网)连接起来。
  分组头的光处理和同步的实现都没有理想的解决方案。纯粹的光分组交换,也就是分组头的辨认和控制都在光域进行,还没有实现。为了在光域实现同步,光时钟提取与恢复也是需要解决的一个重要问题。全光波长转换技术获得较大的进展,有助于解决竞争和波长路由问题。因为OPS一个重要的特征是控制功能(固定的低速比特头)与数据传输容量(固定时隙的负载,变化的比特率)的分离,所以光分组交换与传输协议要具有灵活性与良好的性能,能满足带宽需求的增长,能适应光传输容量的增长,同时保持控制处理的能力不变。
  可升级和灵活性作为新一代光网络的最关键的技术指标,同时也是光分组交换的目标。当我们对光分组交换的前景作预测时,应考虑到成本、新标准的缺乏、光技术的现状等问题。虽然透明光分组交换是非常有希望和有生命力的技术,但是仍然处于不成熟阶段,而且成本非常高。光分组交换的引入被看作是与电分组系统的竞争,对光分组交换的评价,应该考虑到带宽需求增长挑战的背景。光分组网络有能力在WDM的基础上提供统一的技术,支持高流量的骨干交换机与路由器以及互联的链路。光分组交换的实现,必将对未来的通信网产生重要的影响。光分组交换是交换方式不断演化道路上的最后一步。
摘自《通讯世界》