光分组交换网<1>

    近年来，电信网上的业务流量不断增长，要求网络能提供越来越宽的带宽。为了满足通信业务对带宽的需求，世界上许多国家采用波分复用（WDM）技术对已铺设的光纤线路进行扩容。然而，在通信网络节点仍需光／电、电／光转换和电信号处理，由于光／电转换器件响应时间及电子交叉互连（DXC）、上／下路（ADM）设备本身带宽的限制，形成了网络节点的电子速率“瓶颈”，克服电子“瓶颈”的办法是直接进行光信号处理，即建设全光通信网。光信号处理可以是线路级的、分组级的或比特级的。WDM光传输网属于线路级的光信号处理，类似于现存的电路交换网，是粗粒度的信道分割；光时分复用（OTDM）是比特级的光信号处理，由于对光器件的工作速度要求很高，尽管国内外的研究人员做了很大努力，但离实用还有相当的距离；光分组交换（OPS）网属于分组级的光信号处理，和OTDM相比对光器件工作速度的要求大大降低，与WDM相比能更加灵活、有效地利用带宽，提高带宽的利用率。特别是Internet让用户的急剧增加，导致数据通信的业务量爆炸性的增长，据预测，美国大约在2003年左右数据业务将与电话业务总量持平，之后，数据业务总量将越来越多的超过电话业务总量，而中国电信网或信息网数据业务估计将在5－10年内超过话音业务。传统的电话通信网采用的是电路交换方式，而Internet是基于IP协议的分组数据业务，因此基于电路交换的电信网必然要升级到以数据为重心以分组为基础的新型通信网，光分组交换网能以更细的粒度快速分配光信道，支持ATM和IP的光分组交换，是下一代全光网络技术，其应用前景广阔。

    目前，世界上许多发达国家进行了光分组交换网的研究，如欧洲 RACE计划的 ATMOS项目和ACTS计划的KEOPS项目、美国DARPA支持的POND项目和CORD项目，英国EPSRC支持的WASPNET项目，日本NTT光网络实验室的项目等。我国关于光分组交换网的研究项目还很少。2光分组交换分层网络参考模型   
   
    光分组交换分层网络分为三层，它们对应于网络基础设施演进的三个主要步骤。第一层对应于已普遍使用的接入网和核心网的标准，如ATM、PDH（准同步数字系列）和SDH（同步数字系列）及其它常用的标准分组和基于帧的业务。为了简单，整个网络用一层来表示，把它称作电交换层。第三层为透明光传输层，对应于地域上更广阔的WDM光传输网，透明的路由是基于在波长域和空间域里的透明光交叉互连（OXC），允许网络在较长的时间内重构，该层在电交换层的下面，链路的传输容量为数Gbit／s至数百Gbit／s。由于在相对低速的电交换层和大粒度的信道分割的WDM光传输层之间存在代沟，需要在低速信道和高速信道之间进行适配，所以在这两层中间引入第二层，即比特率和传输方式透明的光分组交换网络层，使在WDM光传输网中的高速波长信道和电交换网之间架起一座桥梁，从而大大改进了带宽的利用率和网络的灵活性。该层延伸了光的透明性的优点，它可作为电接入网和核心网的大容量的承载交换网，也可以作为基于相同的分组格式的光城域网（MAN）的骨干网。

    光分组交换涉及的传输和交换在光域里进行，可接入巨大的光纤带宽，而相对复杂的分组路由／转发在电域里实现。此外，为了在光分组载荷中传送ATM的信元或IP分组，有效地使IP接入WDM层，光分组层提供一些基本的链路层功能代理，能进一步提供时域复用，允许IP路由器在传输信息至光WDM管道之前汇集用户的流量。3光分组交换节点的结构

    光分组交换节点，按是否有业务上／下路功能可分为带有分插复用和不带有分插复用功能的节点。如用于城域网（MAN）之间或大的局域网（LAN）之间的光分组交换，交换节点可以不要求有分插复用功能，分插复用功能可在MAN或LAN内部实现，如果交换节点是本地网络的组成部分，则要求有分插复用功能。这两种交换节点的基本构成模块相同。

    如果按控制信号的类型来分，可分为全光型和光电混合型，对于全光型分组交换节点，数据和控制信号从源到目的地均是在光域里，但由于目前高速光控器件很少，短期内实现较困难，因此，迄今为止，国际上的研究项目基本上是采用光电混合型分组交换节点。

    光电混合型分组交换是让数据在光域进行交换，而控制信息在交换节点被转换成电信号进行处理，用于分组路由和控制，这样可充分利用微电子技术的灵活控制能力，实现数据分组的透明高速交换。
4 光分组交换的关键技术
    光分组交换的关键技术有光分组的产生、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。

4.1 光分组的产生

    光分组的产生必须具有码速提升的功能，即分组压缩，才能在连续的用户信息（如 ATM信元或IP分组）中加入必须的分组头部分和保护时间（即交换节点光器件调谐所需的时间），这可由光分组边缘交换机来完成。光分组头中包含路由信息和控制信息，分组中保护时间越长，则对分组对准要求可降低，分组越长则可在分组中有更多的保护时间而不致牺牲链路的利用率，但分组要考虑与现有的ATM信元、IP分组等兼容。分组和分组头的大小需要优化，分组较小时，具有较高的灵活性，但信息传输效率低，影响网络吞吐量，当分组较大时，信息传输效率高，但需要大的光缓存并且灵活性变差，因此需要根据分组丢失率在载荷和分组头之间进行折衷。

    在光分组交换时，传输高速载荷（2.5 Gbit／s以上），采用低速的分组头，以便于电子电路处理，一方面可以减小处理延时，对电路要求降低，另一方面由于路由和控制信息比特数较少，也不必用太高的速率传输（如622Mbit／s以下）。4.2光分组同步

    在光分组交换网中，由于不同的分组到达同一个节点的人口的时间不同，按照光分组在进入交换核之前是否需要使分组对准，可把光分组交换分为同步光分组交换和异步光分组交换两类。它们对于分组头识别和载荷定界均要求比特级同步和快速时钟恢复（仅对分组头）。目前，对于同步光分组交换研究的较多，同步光分组交换网是采用固定时间长度的光分组时隙，所有的分组大小相同，要求所有光分组到达交换核的人口时与本地参考时钟相位对准，即分组同步。同步光分组交换节点的结构，到达交换节点的分组在进入节点之前，先用光耦合器分出一小部分光功率，经光／电（O／E）转换后送入分组头处理电路，将分组头信息和定时信息读出，以便进行分组同步（使分组同步器在分组进入交换核之前将分组对准）和交换控制，这个处理过程必需在分组进入输入同步器之前完成，因此在输入同步器之前需加延时大小等于处理时间的光纤延时线。对于异步分组交换，光分组的大小可以相同也可以不同，分组到达和进入交换节点时无需对准。
 
    光分组穿越一定长度的光纤所需的时间取决于光纤长度、色散和温度的变化，不同的光分组经不同的路径到达同一节点的延时不同，但这种延时变化相对较慢，可用静态补偿来减小或消除，这可用输入粗同步器来实现。

    每个分组在节点内的延时变化取决于交换节点的结构和解决竞争的方案，在同步光分组交换网中，采用光纤延时线作为光缓存，分组在交换节点内穿过不同的路径，带来分组的延时变化，另外不同波长之间的色散引起快速时间科动，因此需要采用快速细同步器补偿这种节点内的延时变化，温度变化的影响较慢，易于在节点内控制。