光网络的发展、演进和面临的挑战

1 发展光网络的驱动力和目的

　　近几年来，由于技术上的重大突破和市场的驱动，波分复用系统发展十分迅猛。目前1.6 Tbit/s 的波分复用(WDM)系统已经开始大量商用。NEC和阿尔卡特公司的WDM分别在100 km距离上实现了总容量为10.9 Tbit/s(273×40 Gbit/s)和总容量为 10.2 Tbit/s(256×40 Gbit/s)的最新世界记录。预计到2005年左右，光传输链路的实用化容量有可能实现5～10 Tbit/s，传输链路的容量将不再是个大问题。然而，普通的点到点波分复用通信系统尽管有巨大的传输容量，但只提供了原始的传输带宽。为了将传统的点到点WDM所提供的巨大原始带宽转化为实际组网可以灵活应用的带宽，需要在传输节点处引入灵活的光节点实现光层联网，构筑所谓的光传送网(OTN)，即实现从传统WDM走向OTN的转变和升级。

　　需要注意，所谓光网络不是一个严格意义的技术术语，而是一个通俗用语。从历史上看，光网络可以分为两代，第一代光网络中光只是用来实现大容量传输，所有的交换、选路和其他智能都是在电层上实现的，SDH就是这种第1代的光网络。而目前正在开发的OTN可以认为是第2代光网络，此时很多交换、选路和其他智能将在光层上实现。因此，简单地说，广义的光网络可以涵盖SDH和OTN两者，而狭义的光网络特指OTN。实现光层联网的基本目的和好处可以总结为下述几个方面：

　　(1)消除电设备导致的带宽“瓶颈”

　　因受限于单个电中继器的传输容量，目前电联网的链路容量不超过40 Gbit/s。而电联网的节点的吞吐量大约为320～640 Gbit/s。从长远看，无论节点或链路的容量均无法赶上数据业务量的指数增长速度。

　　(2)降低对业务节点规模的要求

　　由于实际网络节点中大部分的流量是转接容量，无须上下路。利用具有灵活疏导业务量能力的光分插复用器(OADM)和光交叉连接器(OXC）可以从光层旁路掉不在本地下路的大量业务，不仅减轻了业务节点所要处理的业务量，降低了对业务节点规模的要求，而且也降低了传送节点的成本。

　　(3)大幅度降低建网成本和运营维护成本

　　光传送联网可以简化网络层次和结构，减少网元数目和电/光转换设备的数目，从而也简化了网络管理和规划。不仅可以大幅度降低全网的建设成本，而且也大幅度减少了网络运行维护成本。

　　(4)实现网络光层的可重构性

　　达到在波长级、波长组级和光纤级灵活重组网络的目的。特别是波长级的连接可以提供端到端的波长业务，进而支持大量新业务。

　　(5)实现网络对客户层信号的透明性

　　允许互连任何新老系统和不同格式的信号，同时可以支持各种不同要求的区分业务，例如保护与不保护业务等。

　　(6)简化和加快了高速电路的指配和业务供给速度

　　采用光层联网消除或减少了光电转换，简化和加快了高速电路的指配速度。

　　(7)实现快速网络恢复

　　目前电层的网络恢复时间高达几分钟，而OTN的恢复时间可以减少到百毫秒量级。

　　(8)同时实现业务层和光层联网

　　避免了单纯IP层联网所带来的低效率，提高了网络资源的利用率，提供了灵活高效的组网能力和对付大物理层故障的快速恢复能力。
鉴于光传送联网具有上述潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研。按照KMI公司的预测，到2006年前OXC的年复合增长率将增加到124%，而同期每端口的价格将以30%的速率持续下降，从目前的10 000美元下降到1 100美元。按照Frost & Sullivan公司最近的预测，尽管全球电信设备市场总体呈低迷状态，但全球OXC的市场将仍然会从2001年的3.36亿美元增加到2006年的60亿美元。

　　2 光交叉连接器的分类和实现技术

　　光交叉连接器是OTN的核心，主要功能有：提供以波长为基础的连接功能、光通路的波长分插功能，对波长通路进行疏导以实现对光纤基础设施的最大利用率，实现在波长、波长组和光纤级上的保护和恢复。当OXC能够实现动态波长选路功能时，常被称为波长路由器或光交换机。

　　按照应用，可以将OXC分为光纤交叉连接(FXC)、波长选择交叉连接(WSXC)、波长交换交叉连接(WIXC)三大类。

　　(1)光纤交叉连接

　　光纤交叉连接可以将任意一根输入光纤中的所有波长一次性地交叉连接到任意一根输出光纤，即以一根光纤上所有波长的总容量为基础实现交叉连接，其角色实质上就是自动光纤配线架。FXC结构简单，交叉连接的容量粒度最大，可以提供最简单的配置和网络恢复能力。对于某些经常发生像光纤切断之类大故障的地区，FXC是一种可行的解决方案。

　　(2)波长选择交叉连接

　　波长选择交叉连接可以将任意一根输入光纤中的任意波长交叉连接到使用相同波长的任意一根输出光纤。有人将这种波长交叉连接称为无源光路由器，其波长可以通过空分复用方式实现重用。

　　WSXC可以实现波长级容量粒度的业务量疏导能力和提供波长业务，在组网和业务提供的灵活性方面远优于FXC。而波长业务可以进而支持图像分配、远程教育和大量其他业务。WSXC还具有较好的业务恢复灵活性，可以利用网状、环状或混合方式对单个波长通路实施保护。

　　(3)波长交换交叉连接

　　波长交换交叉连接是具有波长变换能力的WSXC，能够将任意一根输入光纤中的任意波长交叉连接到使用不同波长的任意一根输出光纤上。这一特点减少了由于波长竞争所导致的输入光纤与输出光纤间波长选路失败的可能，因而在组网、业务提供和保护恢复方面具有最大的灵活性。缺点则是实施技术的复杂性和成本较高，特别是波长变换技术尚不成熟。

　　从实现技术上看，OXC可以划分为两大类：采用电交叉矩阵的OXC(有时简称OEO方式或电OXC)和采用纯光交叉矩阵的OXC(有时简称OOO方式或光OXC)。

　　采用电交叉矩阵的OXC可以比较容易地实现信号质量监控和消除传输损伤，网管比较成熟，容量不是很大时成本较低，更重要的是可以对小于整个波长的较小的带宽粒度(例如155 Mbit/s)进行处理，符合近期市场容量需要。然而这种方式主要依靠硬件，容量扩展性受限，扩容主要是通过持续的半导体芯片密度和性能的改进来实现的，由于系统的复杂性，其改进的速度要慢于半导体芯片性能改进的摩尔定律，难以跟上网络传输链路容量的增长速度。据估计，采用最新的ASIC技术目前只能支持512×512端口的电交叉连接矩阵；此外，当传输系统的传输速率已升级到10 Gbit/s后，若内部交换矩阵仍工作在2.5 Gbit/s速率，则进来的10 Gbit/s信号需要先解复用成4个2.5 Gbit/s速率的信号后才能进入内部交换矩阵，至少浪费了75%的交换矩阵端口数；最后，这类系统通常体积大、功耗大，容量很大时成本较高。电交叉矩阵的OXC发展趋势是与纯光交叉矩阵的OXC结合并集成在一起，统一管理，初期先采用电交叉矩阵的OXC，待有容量需要时再升级到应用纯光交叉矩阵的OXC。

　　采用纯光交叉矩阵的OXC因省去了光电转换环节，不仅节约了大量光电转换接口，而且由于纯光消除了带宽“瓶颈”，容量可望大幅度扩展，随之带来的透明性还可以使其支持各种客户层信号，具有更长远的技术寿命。从端口成本和功耗看，这类设备也比采用OEO的OXC要低，特别是在10 Gbit/s速率时更为明显。但这类设备可以交换的带宽粒度至少是整个波长，因此即使只有少量的附加带宽需求也必须提供整个波长；此外，由于目前尚无光波长转换器，因此不得不实现单波长的端到端指配，使系统的管理、指配和最佳化比较复杂；再有，由于全光交换机没有存储器，智能受限；最后，由于色散非线性损伤问题，使覆盖范围受限。

　　按照KMI公司的预测，纯光交叉矩阵的OXC市场将在2006年超过电交叉矩阵。

　　3 全光OXC的核心硬件技术的发展

　　全光OXC的研究工作已进行了很多年，但目前仍处于现场试验和小规模商用阶段，主要问题之一是尚未有性能价格比好、容量可扩展、稳定可靠的光交换矩阵，核心是光开关。从实现技术上可以用作光开关的有：机械式光开关(如光纤开关、自由空间棱镜开关、宏机械开关和微电机械开关)、电光开关(如铌酸锂光开关、InP光开关和SOA门开关)、声光开关、液晶光开关、热光开关、气泡光开关和全息光开关等，花样繁多。

　　近来，微电机械开关（MEMS）光开关已显示了巨大的发展前途，这是一种将自由空间互连与硅基单片集成技术相结合的新技术，利用微加工技术(微电子技术和微机械技术)制造，将几何尺寸仅在毫米、微米、甚至纳米范围内的机电装置与前置电路、控制电路等高度集成在一个极小的空间，构成一个机电一体化的器件或系统。这种机电一体化的开关器件结合了机械光开关和固体波导开关的特点，结构紧凑，集成度高，性能优良，矩阵规模大，便于批量生产，正成为实用化大型OXC的主要开关技术之一。美国朗讯公司采用三维MEMS矩阵技术实现了256×256的全光交叉连接器，称为波长路由器，可节约25%的运行费用和99%的能耗。

　　然而，以MEMS技术为基础的全光OXC在技术上还有很多问题需要妥善解决。首先，从长期实际应用看，MEMS的高精度是否能在各种环境条件下都始终保持仍然是个问题，闭环控制可能是实用化所必不可少的；其次，实用化的OXC所必须的大量功能还有待花时间开发；再有，其选路协议和信令还有待最终标准的完成及互操作测试；最后，适用于大规模电信网应用的光恢复功能必须有自动色散和PMD补偿技术的配合才能真正实现，如此等等。因此以MEMS技术为基础的全光OXC的真正实用化还需要1～2年的时间。

　　4 向智能光网络的演进

　　尽管OXC已具有灵活组网能力，但传统意义上的OXC仅仅具有静态网络配置的能力，主要靠网管系统进行调配，无法适应动态的网络和业务环境，特别是随着IP业务成为网络的主要业务量后，由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求将越来越迫切，网络最终需要实时动态配置能力，即智能光交换能力。传统的OXC将升级为智能光交换机，于是一种能够自动完成光网络连接的新型网络??自动交换光网络(ASON)应运而生，使传送网具备了更高智能。

　　自动交换光网络允许将网络资源动态地分配给路由，具有动态恢复能力，使网络在出问题时仍能维持一定水准的业务，特别是具备分布式恢复能力，可以实现快速业务恢复；自动交换光网络还可以将光网络资源与数据业务分布自动联系在一起，形成一个响应快成本低的光传送网；最后，自动交换光网络还可以提供大量新的业务类型，诸如按需带宽业务、波长批发、波长出租、带宽交易、按使用量付费、光拨号业务、动态路由分配、光层虚拟专用网(VPN)等。

　　AT&T公司已经在美国全国范围内敷设了连接约100个城市的两层光智能网，采用了约100台Ciena智能光交换机和800多台Cisco的SONET多业务平台。Ciena智能光交换机主要完成以45 Mbit/s为基础带宽颗粒的实时交换和动态配置；Cisco的SONET多业务平台主要在网络的边缘汇聚低速率的业务至2.5 Gbit/s或10 Gbit/s速率，再经光交换选路通过网络，其基于实时的信令和选路算法，无须人工干预。新的两层光智能网不仅减少了成本和配置出错机会，使运作流畅，也增加了容量，简化了网络结构层次，极大地缩短了用户的高速电路配置时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务， 恢复时间为数百毫秒。

　　可以预计，随着全网业务的迅速数据化，特别是宽带IP业务的快速发展，ASON将不仅可以提供巨大的网络带宽，而且可以提供可持续发展的动态网络结构、保证的性能以及廉价的成本来支持当前和未来的任何业务和信号，成为支持下一代电信网的最灵活有效的基础设施和新的波长业务的直接提供者。

　　5 光网络的管理

　　从宏观的角度看，OTN的管理与SDH的管理没有本质上的区别，主要是管理对象不同。SDH管理的对象是VC通道，而OTN管理的对象是波长。因而SDH领域成熟可用的管理模式、原则和经验原则上可以应用于光传送网的管理。 然而，毕竟光传送网是一个新的带有模拟特性的网络，有许多特殊之处需要考虑，特别是在光层实施网络质量的监视难度很大，需要有特殊措施。

　　5.1 网络质量的监视

　　网络质量的监视功能必须集成进网络而成为其有机的一部分。监视功能不仅包括所用线路的监视，而且应包括处于备用方式的未使用线路的监视。而后一种情况下由于没有实际信号流，因此要监视其质量是十分困难。为了重新分配路由或实施故障恢复，网络必须能够监视每一个业务通路。

　　5.2 网络管理

　　由于在中近期光传送网所承载的主要客户层电信号仍然是SDH，因而光网络管理的原则和标准似乎应该与SDH系统的管理融合在一起，无论其管理结构、管理方式还是具体的管理信息模型都应尽量靠近SDH管理所建立的原则和标准。然而，具体实施上如划分成两个相对独立的管理层面会更加灵活实用，便于各自的独立发展和演进，特别是对于大规模的传送网更应是这样。网管应尽量独立于任何特定的设备以便适用于那些尚未定义的其他客户层信号，例如IP和ATM信号。当然，如同其他网管一样，多厂家环境互操作性仍将是最棘手的大问题。

　　5.3 网管信息的传送方式

　　作为网络的有机的一部分，网络应能提供嵌入的网管信息的光传送能力。考虑到OTN必须能独立于客户层信号，因此不能利用客户层信号的开销来实现OTN的网管。OTN网管信息的传送方式有3种：

　　(1)分离的光监控通路

　　分离的光监控通路(OSC)将所有光波长通路的光层管理开销都放置在一个额外的公共波长通路传送，即所谓的公共通路方式。这种方法比较简单，节约了网络投资。

　　(2)副载波调制

　　副载波调制(SCM)将每一波长通路的光层开销以特定低频信号形式来调制光信号，调制光信号随主信号一起传送，即所谓随路方式。此种方式采用模拟技术，不处理光通路层的客户层信息，成本相对较低。

　　(3)数字包封器

　　数字包封器(DW)是一种随路方式，属于光段开销技术，在光通路层内部采用TDM帧结构对客户层信号进行处理，在客户信号净负荷基础上又附加了光通路的网管开销和带外前向纠错(FEC)字节。

　　总之，OTN管理信息的传送既需要随路方式的数字包封器，又需要公共通路的OSC方式。

　　6 IP层与光层的融合及网络的演进结构

　　6.1 IP层与光层的融合

　　在网络的演进过程中，最初在核心IP层，当没有流量工程时通常IP流按照最短路径走，这会导致重负荷链路产生“瓶颈”。利用MPLS和流量工程可以保证网络负荷均衡，使路由器间链路的使用最佳化。再进一步则可能需要有一种统一或类似的资源控制方法来完成两层网络的有机结合，即将MPLS扩展到光传送层包括光连接在内。所谓多协议波长标记交换(MPLmS)就是一种将MPLS流量控制技术与光交换技术相结合的新思路，将标记交换的概念扩展至包括波长选路和交换的光通道，让业务流来控制连接。

　　这种方法可以使业务层上的路由器、ATM交换机或ADM动态地要求传送网提供所需的波长，实现统一的网络控制和快速业务供给，使网络的资源得到最佳利用，简化IP层与光传送层的融合以及跨层的网络管理，降低网络运行和业务拓展成本，有利于大规模网络敷设。各种国际标准组织都在全力开发相关的标准，ITU重在规范整个体系结构，而IETF重在具体的选路和信令协议规范，提出了通用的多协议标记交换(GMPLS)概念，又称多协议波长交换，旨在对目前比较成熟的选路和信令协议进行修改与扩展，使之不仅仅支持分组交换，而且还支持时分交换、波分交换和空分交换。

　　6.2 网络的演进结构

　　IP层与光传送层的融合由于技术背景的不同所导致的融合思路也不尽相同。目前主要有两种基本网络演进结构，即重叠模型和集成模型，基本反映了计算机界和电信界的不同思路。从功能上看，支持重叠模型所需的功能是支持集成模型所需功能的子集，只要从管理上对对等模型的拓扑共享功能实施止能，同时保持其连接信令功能就可以从集成模型导出重叠模型。在某些场合下，有可能将上述两者结合在一起，形成所谓的混合方式。

　　在实际中，两种模型都会有各自的最佳应用场合。例如对于多数传统的全业务运营者，可能采用重叠模型是目前最现实的选择，采用混合方式也是局部可行的选择。而对于仅提供IP业务并拥有自己的IP网和光传送网的运营者，则采用集成模型是一种直接了当的选择，可以明显地得益于集成GMPLS的简洁性。从长远看，特别是IP成为网络绝对主导的业务，其他业务都可以由IP携带后，则集成模型将成为统一的最佳选择。

　　当然，无论采用哪个模型，都还需要解决一系列问题后才能真正实用化。目前光互联网论坛（OIF）的用户网络接口(UNI)标准化进程要快于IETF的GMPLS，OIF在2001年10月宣布已通过UNI1.0规范，正在规范UNI2.0。在2001年SuperCom上有25个厂家演示了光业务配置的互操作性。下一步的互操作性主要是相邻节点的发现和业务发现，而标准工作的方向将集中在网络网络接口，完成跨越整个光网络的动态带宽配置。

　　7 将MPLS应用于光层后的特点和适配

　　将MPLS应用于光层必须充分考虑光层与IP层不同的特点，作必要的修改和增强。不同特点有：

　　(1)在IP网中，只要没有数据包在沿通道的链路中交换，MPLS标记交换通道(LSP)的建立可以无须消耗带宽。而光网络连接则无法预先建立零带宽通道。

　　(2)多数分组网中连接是单向的，而光网络中，WDM终端通常按双向配置，这就有可能在光恢复过程中引起潜在的问题，因此将MPLS扩展到光层必须能可靠保证双向连接建立和登记的目的。

　　(3)在目前的一对IP节点间的链路数很少超过10对，而未来的光网络中一对光节点间可能会有数百条并行的光纤，每一条携带数百个波长。

　　(4)目前IP层的恢复时间较长，不利于应付影响面很大的物理层故障，光层面需要有快速故障检测和隔离以及快速保护恢复。

　　(5)由于光层面上的用户信息是透明交换的，而控制信息流必须在端到端光通路的每一个中间光交换机节点终结以便按需提取和插入必要的控制信息，因此控制面信息必须与用户信息分离。

　　总的来看，将普通MPLS应用于光层还需要做很多工作。它们主要集中在下述几个大的方面：

　　(1)需要有新的链路管理协议(LMP)来处理使用光交换机的光网络层的链路管理问题。

　　(2)增强OSPF和IS-IS选路协议以便实施网络中可用光资源的公告(例如不同链路类型、波长内的带宽、链路保护和光纤识别等)。

　　(3)增强RSVP和CR-LDP信令协议，在光的核心层对标记交换通道(LSP)实施显式标记，以便用于流量工程。

　　(4)增强扩展性，例如分级的标记交换通道结构、链路捆绑和无编号链路等。

　　8 结束语

　　可以相信，随着业务加速向分组化的转移以及网络加速向下一代电信网的演进，实用化的光联网技术正开始浮现出地平线，一步一步地向我们走来。让我们在进一步完善电联网的基础上，展开双臂迎接光联网时代的到来吧！

　　参考文献

1 Architecture of optical transport networks. ITU-T Rec G.872, 2000
2 Requirements for automatic switched transport networks (ASTN). ITU-T Draft Rec G.8070, 2001
3 Krishna Bala. Standardizing optical layer control and signaling. http:∥www.lightwave.com, 2000
4 Luc Ceuppens. Multiprotocol lamda switching comes together. http:∥www.lightwave.com, 2000

[摘要] 文章从发展光网络的驱动力和目的出发，重点介绍了光交叉连接设备的分类和实现技术、全光交叉连接器的核心硬件技术的发展、向智能光网络的演进、光网络的管理、IP层与光层的融合及网络的演进结构、多协议标记交换应用于光层后的特点和适配需要等。

[关键词] 光传送网；光联网；光网络光传送网；光联网；光网络

[Abstract] Based on the impetus and object of developing optical networks, the paper presents the classification of optical cross connect (OXC) equipment and its implementation technologies, the development of key hardware technologies of AOXC system, the evolution of optical networks to intelligent optical networks, the management of optical networks, the convergence process of IP and optical layers, and the characteristics and adaption requirements of MPLS while applied to an optical layer.

[Keywords] Optical transport network; Optical networking; Optical network