下一代网络与光交换

　1 下一代网络中的交换技术

　　受到因特网用户与业务迅猛发展的影响，公用电信网面临着巨大的挑战与变革，正朝着 分组化、宽带化、智能化与开放式网络的方向发展。下一代网络既不是现在的公用电话交换 网(PSTN)，也不是目前的因特网，而是结合了两者长处的新一代公用网。

　　本文不涉及下一代网络的体系结构与技术特征，而是关心在下一代网络中将起重要作用 的交换技术与交换方式，特别是光交换技术。目前比较明朗得到认可的在下一代网络中将起 重要作用的交换技术是：软交换、多协议标记交换(MPLS)与光交换。

　　(1)软交换

　　软交换与其说是一种新的交换技术，不如说是一种新型的分布式、开放式的网络体系结 构，其网元配置体现了交换媒体与其控制软件的分离。出现软交换的主要驱动背景是为了使 PSTN能平滑地、无缝地向分组化演变，并使得分组化话音能提供与目前PSTN同样的话音业务 性能，从而使软交换成为下一代网络的控制核心。为此1999年成立了国际软交换论坛(ISC) ，与此有关的研究方向、计划和机构分别为开放式信令(Opensing)、IEEE P1520和多业务交 换论坛(MSF)。

　　(2)MPLS

　　MPLS则体现了IP与ATM技术的融合，可以将网络层的IP路由映射到链路层的标记交换。 于是，开销很大的最长地址前缀匹配就转变为快速的链路层定长短标记的精确匹配，大大提 高了转发速度。MPLS还便于实现业务流量工程和虚拟专用网(VPN)，目前被一致看好，在未 来高速宽带网中将起重要作用。

　　(3)光交换

　　光交换技术的研究已持续了若干年，但直到现在才看到其逐步走向实用化的曙光。驱动 来自两方面：业务、应用驱动与技术驱动，两者又互相促进。以IP为中心的业务的快速增长 以及高带宽WDM的技术进展，迫切要求超大容量的高速网络节点。今后的网络节点不但要求 吞吐量为太比特级，甚至要达到拍比特级；端口速度不仅要达OC－192，甚至可达OC－768。 另一方面，交换型和非交换型光组件与光交换技术也不断取得可喜的进展，例如，容量大、 性能好、便于集成化生产而成本较低的、可用于交换结构的微电子机械系统(MEMS)，以及光 突发交换方式都使人们看到了希望。

　　光交换的引入可以形成带宽动态实时分配的智能型可交换光网络，实现高速的与数据速 率、格式、协议无关的透明传送。不需要O/E和E/O转换，消除了电子处理速度的“瓶颈”限 制，并便于实现网络层次少、优化和集成化的IP over WDM。

　　回顾过去，在数字化进程中首先出现PCM数字传输，然后从70年代起始，在80年代兴起 了数字交换的研发，并很快地完全取代了模拟交换。而今，WDM传输技术迅猛发展，也将兴 起光交换的热点，尽管还不能确切地预料何时能取代电子交换。光交换比电交换要复杂，在 技术和成本方面还有许多问题要解决。目前一般认为，光交换的实用化大致会分成3个阶段 ：首先是比较成熟的波长路由或波长交换，也就是光的电路交换，在近期可望获得一些应用 ，特别看好的是将MPLS控制面与光交叉连接(OXC)相结合的多协议波长交换(MPλS)；然后是 电路交换与分组交换相结合的光突发交换(OBS)，可望在中期获得应用；最后的目标是较理 想的光分组交换(OPS)，还有不少技术难点有待解决，也许要延迟到新世纪的下一个10年才 能获得应用。

　　以下将分别简介这3种光交换技术。

　　2 光分组交换

　　光分组交换系统包含数据通路部分与控制部分。光交换的难点主要是控制部分，也就是 不易在光域实现交换控制。这与当年的机电交换走向电子交换形成了有趣的对比。从机电交 换向电子交换发展时，控制部分没有问题，很容易由数字逻辑以至用存储程序实现控制功能 ，而话音通路部分则由于找不到理想的电子接点只能采用笛簧继电器这一类的准电子接点， 从而形成所谓的半电子或准电子交换。对于光交换而言正好相反，数据通路部分的光交换结 构(Optical switch fabric)的研制领先于光域控制功能的实现，因此现今的光交换系统数 据通路部分在光域实现，而控制部分仍然在电域实现，非全光交换。于是在控制部分仍然需 要O/E与E/O转换，将每个分组的包头通过O/E转换分离到电域进行控制处理，确定转发路向 ，形成新的包头通过E/O转换再与用户数据合并成分组在光域发送。

　　2.1 光交换结构

　　光交换结构基本上可以分为以下3种类型或其结合：波长选路型、广播与选择型和空分型。

　　(1)波长选路型

　　按照所用的光组件、内部结构以及缓冲器位置的不同，已出现多种波长选路型的结构， 但其基本特征是要采用可调波长转换器(TWC)，从而按照不同波长来选择(出端)路由。例如 ，每个出端对应于一个波长，每个入端的TWC要将每个进入的分组按其所需出端转换到对应 于该出端的波长。Frontiernet分组交换机采用TWC与阵列波导复用器(AWGM)和输出缓冲方式 。每个出端并不固定对应于一个波长，对于N×N交换结构，也只要N个波长即可实现N个输入 与N个输出之间的转发关系。AWGM实现波长选路，表1为4×4 AWGM的4个出入端与波长间的关系。为此，每个入端的TWC必须按照每个输入分组所欲到达的出端将其转换为一定的波长。 每个出端具有带环回的级联缓冲器(光纤延迟线)和快速波长选择器。

　　表1　4×4 AWGM的输入、输出与波长间的关系

　　(2)广播与选择型

　　广播与选择(B＆S)型的基本特征是每个输入分组通过光组件(例如星形耦合器)可以广播 到所有出端的入口，再按照出端地址的匹配来选择所需的分组。B＆S型的一个优点是可以不使用可调波长转换器(TWC)，而只用WC。欧洲著名的KEOPS光交换系统是采用B＆S的典型示例 ，如图1所示。

图1　B＆S型KEOPS光交换结构

　　从图1可以看出，从不同入端进入的分组通过WC转换为不同的波长进入星形耦合器，先 广播发送到K个光纤延迟线，再广播发送到各个出端的入口。起缓冲作用的K个光延迟线对应 于0至(K－1)T的延迟范围，T为每个分组的持续时间。通过二级半导体光放大(SOA)门控可以 实现分组对出端的选路：第1级SOA选择合适的时延，在该时延线上有所需的分组到达；第2 级选择一定的波长(对应于入端)以使分组在所需出端上通过。

　　(3)空分型

　　空分交换单元是光交换的基本组件，实际上在波长路由型或B＆S型中都要用到空分交换，现已研制了多种空分开关组件。前述的MEMS有不少优点，但其动作速度为毫秒级，可用于 完成电路交换的OXC，SOA则开关速度更快，又便于集成，有较好的应用前景。图2所示为采 用空分交换的Staggering交换机，输入的分组通过第1级N×M空分交换选择不同的时延到达 第2级M×N空分交换，目的是使得在同一时隙不致有多个分组通过第2级到达同一出端，从而 避免了竞争。第2级空分交换完成对出线的选择。如果采用环回缓冲，则可以只要1级空分交换，但其出入端口数要增加。

图2　Staggering空分交换机

　　2.2 光控制功能

　　光交换控制功能涉及到在光域实现同步、信头变换、缓冲以及竞争的消除。

　　光分组交换可以有同步动作与异步动作方式。同步方式采用时隙化和等长分组，每个入 端分组要经过同步后进入交换结构。同步方式易于实现缓冲管理、交换动作和竞争消除，吞 吐量较高，但由于需要同步电路，硬件较复杂；异步方式则不要求各入端分组对齐后再进入 交换结构，分组可以不等长，不需要同步电路而成本较低，灵活性高，但由于竞争机会增多 而导致吞吐量下降。

　　如采用面向连接的交换方式，则要进行信头变换。在光域实现信头变换仍是要进一步研 究解决的问题。由于还不存在可以与电RAM相比拟的光RAM，光域缓冲和同步都是目前的难点 。目前采用光纤延迟线(FDL)，有各种光纤延迟线的缓冲结构，例如直通(无环回)方式与环 回方式，多个延迟线的并行方式与串接方式。

　　与ATM交换相似，消除竞争可在时间域(采用缓冲)或空间域(偏转选路)实现。此外，还可以在波长域实现，用波长转换来消除竞争。

　　3 光突发交换

　　3.1 OBS技术特征

　　(1)电路交换与分组交换的结合

　　80年代初就提出了突发交换，而今的光突发交换虽与之有所不同，但从总的来说，都是力求兼顾电路交换与分组交换的优点，是一种“折衷”方案。

　　(2)交换粒度

　　交换粒度或称为交换颗粒，OPS的交换粒度是分组(Packet)，而OBS的交换粒度是多个分 组的集合，称为Burst。也就是OBS的交换颗粒较粗，因而处理开销大为减少。Burst为可变 长度，OBS节点异步动作。在边缘节点要将具有同一网络出口地址和共同属性(如QoS要求)多 个分组进行装配或拆散，使核心节点能直接对Burst进行交换。

　　(3)Burst的净荷和控制头分离传送与处理

　　Burst的净荷(可称为数据突发)和控制头(可称为突发头分组，BHP)是在不同的光信道上 传送。在OBS节点，数据突发直接在光域透明转发，而BHP则通过O/E变换在电域进行处理。

　　(4)采用单向处理方式保留带宽资源

　　OBS采用单向处理方式保留带宽资源，亦即不需要下游节点的证实。已对不同的实现方 法作了研究，例如有TAW(Tell and Waiting)、TAG(Tell and Go)、RFD(Reserve a Fixed D uration)等方法。TAW类似于ATM 块传送(ABT)的延迟发送，TAG类似于ABT 的立即发送，即 发请求分组后立即发送。RFD的一个典型方法是JET (Just Enough Time)，Burst 的数据部 分的发送要比BHP延迟一段时间，这段时间称为Offset。 Offset的长短要合适，使得路径上 各个OBS节点在电域能来得及处理BHP，以确定数据突发的出端，并控制光交换结构的动作， 从而数据突发到来时能通过交换结构到达所需出端。BHP中包含的内容除了通常的选路信息 以外，还有净荷长度、传送净荷的信道、服务质量以及Offset等信息。

　　(5)不需要光缓冲器

　　缺乏容量大，性能好的光RAM是实现OPS的一大难点，而OBS却不需要光缓冲器，这就有 利于OBS走向实用化。例如采用JET 时，由于净荷延迟Offset 时间后到达，可直接进行转发 而不需要缓冲。当然，为了解决出线竞争问题，可用少量的FDL。光突发交换与光分组交换 、波长路由交换的比较见表2。

　　表2　OBS、OPS、波长路由的比较

　　3.2 标记光突发交换

　　MPLS控制面与实现波长路由的OXC的结合称为MPλS，MPLS控制面与OBS结合则可称为标记光突发交换(LOBS)。此时的BHP除了包含前述内容外，还应携带标记(Label)。将LOBS与MPλS比较，有以下的一些不同：

　　(1)交换结构

　　MPλS中为OXC，LOBS中则为OBS交换结构。

　　(2)标记与波长相结合的时间

　　MPλS为LSP存在的时间，在LOBS中为Burst存在的时间。

　　(3)标记合并

　　MPλS不能进行标记合并，LOBS则可。这是由于LOBS的控制头中实际携带了标记，可在LOBS节点的电域中进行处理。

　　4 多协议波长交换

　　OPS和OBS在近期都不可能实用化，目前正在兴起的热点是用MPLS作为控制面的智能光网络，称之为MPλS(MPLmS)或GMPLS。

　　4.1 OXC引入MPLS控制面的得益

　　OXC引入MPLS控制面的得益有：

• 实现光通路动态的快速建立和有效的带宽管理以及提供保护和恢复能力；
  
• 可利用现有的路由协议和信令协议加快商用化；
  
• 简化网络管理并减少运营费用；
  
• 标准化的公共控制面有助于形成可互操作的开放式光网络；
  
• 实现IP over WDM，形成光因特网的初步框架；
  
• 提供叠加型、对等型或其结合的广泛应用范围，以满足不同运营商的需要。
  

　　目前涉及这方面标准化工作的有IETF、ITU－T、OIF、ODSI等组织。ITU－T自动交换光 网络方案支持叠加型(Overlay Model)；IETF的GMPLS(Generalized MPLS)则倾向支持对等型 (Peer Model)，并希望以一套控制面协议按照运营商的需要灵活地支持两种模式。

　　4.2 OXC与LSR

　　在MPLS控制下的OXC，显示了与标记交换路由器(LSR)的某些相似性：

　　(1)波长相当于标记，光通路相当于标记交换通路(LSP)。
　　(2)与LSR中的标记转发信息库(LFIB)相当，要设置波长转发信息库(WFIB)。
　　(3)LFIB是将<输入端口，输入标记>转换为<输出端口，输出标记>，WFIB则将<输入端口 ，输入光信道Och>转换为<输出端口，输出光信道Och>。
　　(4)LSR控制面用于MPLS网络有关状态信息的发现、分发和保持，OXC控制面用于光网络 有关状态信息的发现、分发和保持。
　　(5)净荷在中间节点透明传送。

　　但是OXC与LSR比较，也有某些不同点：

　　(1)LSR的转发信息由附在数据分组上的标记携带，OXC则隐含在波长或光信道中。
　　(2)OXC不能将几个波长合并为1个波长，因此在光域中不能进行标记合并。
　　(3)标记在OXC中相当于波长或光信道Och，而目前技术还不能进行波长的压入和弹出。 因此在光域中不能进行标记的压入和弹出。

　　4.3 GMPLS

　　GMPLS不仅支持分组交换设备，也将支持在时域、空间域和波长域进行交换的设备，如S ONET或OXC。为此要将MPLS的功能进行扩展，其主要内容如下：

　　(1)路由协议(OSPF/IS－IS)的增强，使MPLS能分发光网络拓扑和资源可用性等信息，例 如链路状态、可用带宽、链路保护类型等。MPLS要能支持分级LSP和链路成束。所谓分级LSP 是指较小粒度的LSP可以嵌套到较大粒度的LSP中去，例如波长相对于光纤而言是较小粒度。 为此，在OSPF或IS－IS的链路状态数据库中，LSP要作为可与现有洪泛方法相容的新的链路 类型出现。链路成束是指多条具有相似特性的链路属性聚集成单束链路属性。分级LSP和链 路成束均有利于可扩展性的增强。
　　(2)信令协议(RSVP/CR－LOP)的增强，使MPLS能支持在光网络中建立LSP，包括分级LSP 与双向LSP的建立，并能实现业务流工程(TE)。
　　(3)新的链路管理协议(LMP)的开发，解决具有光交换的光网络链路管理的有关问题。

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[摘要] 文章简述了用于下一代网络的交换技术，重点介绍了光交换技术，包括光分组交换、光 突发交换与多协议波长交换。

[关键词] 下一代网络 光分组交换 光突发交换 多协议波长交换

[Abstract] A brief description is given to the switching technologies used in the next generation network. Emphasis is placed on the introduction to optical switching, including optical packet switching, optical burst switching and MPλS.

[Keywords] Next generation network Optical packet switching Optical burst switching MPλS