光分组交换节点技术

时至今日，光纤通信技术已经取得了长足的进步，但是光纤通信的潜能没有被全部开发出来，因为网络节点所使用的电域分组交换形成了一个数据流的“瓶颈”，因此只有使用光分组交换来提供高的交换速度，才能充分有效地利用光纤带宽。

　　光分组交换网络的发展有十几年的历史，世界上很多国家已作了这方面的研究：如欧洲的ATMOS(ATM Optical Switching)项目和KEOPS(Keys to Optical Packet Switching)项目，美国的POND(Packet-switched Optical Networking Demonstration)项目和CORD项目，英国WASPNET(Wavelength Switch Optical Packet Network)项目以及日本NTT光网络实验室项目等。

　　光分组交换技术的主要优点是：不仅可以减少网络的层次，而且可以简化网络管理软件，节省有关传输的开销；可以提供有效的业务聚合和更好的服务粒度，提高了光传输网的利用率；可以提供一个在服务层与光传输网之间独立的域，并且与两层很好地结合。随着近几年光子器件技术的不断发展和数据业务的爆炸式增长，光分组交换的研究呈渐热之势。

　　1 全光分组交换网络分类

　　全光分组交换网络可以分成两大类：同步网和异步网。当多个光分组交换节点组成网络时，各节点每个输入端口上的分组到达的时间是随机的，而交换矩阵只能在一些特定的时间上进行重新配置，因此网络设计者需要考虑各个分组进入交换矩阵前是否进行重新排队。如果分组进入交换矩阵前需要重新排队，这样的节点组成的网络是同步的；相反则是异步网络。

　　在同步光分组交换网中，每个分组数据的大小相同，分组数据和分组头一起被放在一个固定长度的时隙中。由于没有光域的可随机读取的存储器，为了解决分组交换时产生的拥塞问题，采用光纤延迟线来实现光分组的存储器。分组在光纤环或光纤延迟线中所滞留的时间是分组所占据时间的整倍数，因此就要求各个分组长度一致，并且在输入端参照本地时钟进行同步。

　　在异步光分组交换网中，每个分组不要求长度一致，在节点输入端口也不需要进行同步处理，分组的交换过程在时间上是随机的。由于分组到达的不可预测性和不规律性，分组交换时发生的拥塞概率比同步网中的大。但是这种交换节点结构简单，而且网络建造费用低，和同步网相比具有更大的灵活性。

　　2 光分组交换节点的基本结构

　　虽然光分组交换节点的设计实现方案多种多样，但其主要结构大体相同。光分组交换节点的结构主要包括三大部分[1](如图1所示)。

图1 光分组交换节点结构示意图

　　(1)输入接口
　　输入接口的主要功能是对同一时刻到来的分组进行同步(在同步光分组交换网中)和提取分组路由信息。其中，光部分有一个补偿色散的无源段(如色散补偿光纤)和一个标准光纤延迟线；电部分包括分组头提取电路和载荷位置确定(本地时钟的提取、分组延时的确定、光开关门的触发选择等)，分组头提取电路解决竞争情况和安排交换段的分组路由。

　　(2)交换矩阵
　　交换矩阵是交换节点的核心部分，电路部分控制路由处理，解决竞争；全光交换矩阵给出分组路由，使用光纤延迟线和虚分组解决竞争。

　　(3)输出接口
　　为满足系统的需要，包括系统的可级联，需要再生净载荷，这由输出接口完成。它包括一个光再生系统和重写分组头和再生光信号用的时钟电子电路。光再生系统包括快速功率均衡、去除抖动的再定时、波长转换和分组头重写。整个接口必须保证信号质量足够高，以使其能够通过几个光交换节点和ＷＤＭ传输链路。波长的选择和转换以及光开关门主要依靠半导体光放大器(SOA)技术。

　　3 实现交换节点的关键技术

　　3.1 交换结构

　　目前光分组交换中的各种交换结构都是在光域上实现分组的存储和交换，在电域上完成路由选择和存储控制等功能。交换结构大体可分为三类：基于波长路由的交换结构、广播和选择型交换结构，以及空分交换结构[2]。

　　(1)基于波长路由的交换结构

　　a.输出缓冲的波长路由交换结构

　　1992年Gabriagues和Jacob提出了一种波长路由交换结构[3，4]，如图2所示。这种结构使用波长编码来完成分组的路由和缓存。它由3个功能模块组成：分组编码模块(分组波长分配)、1个缓存模块和1个分组解复用模块。分组编码模块由N个可调谐波长变换器(TWC)组成，每个TWC根据各分组所要输出的端口给分组分配相应的波长。例如，当分组要在第i个端口输出时，就给它分配波长λi。缓存模块由N×K个半导体光放大器(SOA)开关门阵列和K个长度范围为0～(K-1)T的光纤延迟线组成，T为单个分组所占时长，通过控制SOA开关门，可以使分配了波长后的分组以先进先出(FIFO)的方式经过某一相应的光纤延迟线，到达指定的输出端口。解复用器模块由一个K×N的星型耦合器和N个带通滤波器组成，也可以用一个K×N的AWG(Arrayed Waveguide Grating)来实现。带通滤波器的作用是使特定的波长和特定的输出端口对应起来。这种结构的不足是当交换的规模和缓存增加时，结构中所需要的SOA和缓存单元随N、K成比例地增长。另外，分组经过交换矩阵时的光功率损耗与NK2成比例(当N<K)或与N2K成比例(当N>K)。

图2 波长路由交换结构

　　另外一种波长路由交换结构是Frontiernet光分组交换结构[5]，如图3所示。这种结构的核心就是一个AWGM(Arrayed Waveguide Grating Multiplexer)。AWGM起着固定路由的波长路由器的作用，同一个输入端口的不同波长对应着不同的输出端口，AWGM根据各分组数据的输入端口和所使用的波长对其进行选路。分组依次经过TWC、AWGM和级联环形缓存(其实现方式在后面的光存储中讨论)，最后到达输出端口。TWC根据每个分组的输入和输出端口给它分配一个波长，AWGM根据这个波长将分组输出到相应的输出端口。

图3 Frontiernet光分组交换结构

　　b.输入缓冲的波长路由交换结构

　　在上面两种交换结构中，分组的缓存被安排在分组交换之后，这样做的好处是可以获得较好的时延特性。但是这种交换结构比较复杂，而且功率损耗比较大。为此，人们提出了在输入端进行分组缓存的波长路由结构[6]，如图4所示。

图4 输入缓存波长路由结构

　　这种交换结构由两个模块组成：分组排队模块和分组路由模块。和Frontiernet光分组交换结构中一样，分组交换由AWGM和TWC一起完成。分组的拥塞是通过输入端对分组进行排队来解决。分组排队模块由N个TWC和波长路由分组缓存组成，其中波长路由分组缓存用一对AWGM和一套延时范围为0～(K-1)T的不同长度的光纤延迟线实现。这种结构中，由于AWGM的波长路由特性，从第i个输入端口输入的分组经过某一时延后从分组排队模块的第i个端口输出。如果多个分组产生拥塞，可以在分组排队模块给各分组安排不同的时延。这样，即使同时有N个分组要在交换结构的同一个输出端输出的时候也不会发生分组冲突。因此，该交换结构有较低的分组丢失率。

　　(2)广播和选择型交换结构

　　广播和选择型交换结构是最常见的一种交换结构，它在许多项目中被广泛使用。这种结构不需要像波长路由交换结构那样使用过多的可调器件，它的另一个优势是它具有广播功能。交换时，从各个输入端来的信息合成一路信号，然后被耦合到每个输出端，每个输出端口从合路信号中滤出到达该端口的信号。各路信号复合的时候可以使用波分复用的方法也可以使用时分复用的方法。一个典型的例子就是KEOPS项目中使用的KEOPS结构[7]，如图5所示。

图5 KEOPS广播选择型交换结构

　　对从不同端口来的N个分组首先进行波长变换，经过1个波长复用器合成1路，然后用1个星型耦合器将复用信号广播给K个光纤延迟线。经过光纤延迟线后，每个分组都获得了所有可能的延时(即0～(K-1)T)。每根延迟线输出的分组又被一个星型耦合器广播给所有输出端口，在每个输出端口上都有一套光开关门进行分组选择。首先，前面1个光开关门在某一时刻开启，让含有要在该端口输出分组的复用信号经过，接着第2个光开关门开启，通过波长选择在该端口输出的分组。与波长路由交换结构相比较，这种结构不需要可调器件，但是它也存在光功率损耗太大的问题(对于N×N规模的交换结构，光功率的损耗与NK2成正比)。

　　(3)基于空分开关的交换结构

　　光开关在光纤通信系统中是一个不可或缺的器件，从前面讨论可以看出，无论在波长路由结构还是在广播选择型交换结构中，它都是不可缺少的。这里讨论的是基于空分开关的交换结构??Staggering结构[8]，如图6所示。这种结构使用空分开关阵列来完成分组路由和缓存。该结构由两个无阻塞的空分开关阵列以及相连的时延不同的光纤延迟线组成。前面的1个空分光开关阵列使得每个分组可以选择进入不同的延迟线，从而使分组在第2个空分开关阵列的输出端发生碰撞的概率大大减小。第2个空分开关完成分组的路由。

图6 基于空分开关的交换结构

　　3.2 光存储

　　从前面的讨论可以看出，光存储器在分组交换结构中起着重要的作用。原则上讲，电域的可随机读取存储器(RAM)可以用在光分组交换中，早期的光分组交换系统就是这么设计的。但是电RAM的读取速度有限，这影响了光分组交换的速度和容量。而且采用这种方案的交换结构将不可避免地用到光电(O/E)和电光(E/O)变换，从而增加了系统的复杂度。开发全光的RAM工作已经有很长的时间，但是迄今为止还处于研究阶段，目前的分组交换结构中利用光纤延时线和各种光器件的组合来实现全光的存储器。

　　采用这种方法的设计结构已经有很多种，它们可以分成两类：传输型和循环型[2]。传输型缓存通常由多段光纤延时线和多个光开关组成。每段光纤延时线的延时为分组持续时间的整数倍，光开关用来选择时延的长度。分组的存储时间等于分组在光纤延迟线中的传输时间。传输型缓存又可以分成并行传输型结构(如图7(a)所示)和串行传输型结构(如图7(b)所示)。并行传输型结构中，分组的缓存使用一段光纤延时线实现。当可选择的延时数增加时，并行传输型缓存结构中所使用的延时线的数目和空分开关的门数就会增加。串行传输型缓存中，分组的缓存用多段延时不同的光纤延时线和多个2×2的光开关组合实现，分组的时延由它所经过的全部延时线所决定。这两种传输型缓存结构可以同时存多个分组数据，但是同时只能有一个分组输出。

图7 两种传输型缓存结构

　　循环型的缓存结构比传输型的缓存使用起来更灵活。分组在其中缓存的时间由分组循环的次数决定，而且可以在一些特定时间(如分组时间长度的整数倍)的那一刻从缓存中读取分组数据。这种结构也有一个问题：当缓存时间较长时，由于分组所经过的光纤的实际长度较长，光功率损耗就比较大。如果想增加缓存时间，可以在环形光纤延时线中增加全光放大器，但同时就会引入受激的自发辐射噪声(ASE)，降低信号质量。同时，全光放大器的增益也必须精心设计，让它能刚好抵消光分组环行一圈所产生的损耗，但又不发生激射。

　　在缺少可随机读取的全光存储器的现状下，要获得较好的网络性能，一个比较好的方法是采用光电结合的分组存储方案。这种方案中用光纤延时线实现的光缓存存储需要短时间保存的光分组，这是存储器的主体，用电域的存储器保存需要长时间保存的数据。当1个光分组需要保存的时间超过了能够提供的最大光缓存时间，对该光分组进行光电变换，然后在电域存储。这样既能很好地保证网络的性能，又能降低系统的成本(光电变换器件和电器件占很大比例)。这种方案特别适用于网络的边缘路由器中，因为这样的路由器中已经有大量的电存储器件，只要加上电光和光电变换接口就能完成该方案中的电存储功能。

　　3.3 拥塞的解决

　　当相同波长上的多个分组需要同时在同一输出端口输出时，就会产生阻塞现象。电域上的分组交换采用存储转发的方法来解决这个问题。但由于光域上缺少RAM，无法进行光存储的随机读取。目前分组阻塞的解决方案有下面4种[9]：

　　(1)从时间上解决：使用光纤延迟线暂时保存受阻塞分组，稍后再进行发送。欧洲的KEOPS项目的交换结构就使用了这种方法。

　　(2)在空间上解决：也即使用偏射路由策略。当两个分组交换发生拥塞时，其中1个分组交换到正确的输出端口，将另一分组输出到另外1个空闲输出端口，该分组通过网络迂回后到达目的端。其结果是造成被迂回分组的端到端时延很长且不可预料，同时在接收端，分组到达也不是顺序的，收到分组后需要进行排序。　

　　(3)采用波长变换技术：前面介绍的两种方法各有其长处和不足。采用光缓存的方法能够获得较好的网络吞吐量，但是要引入较多硬件设备和控制功能。偏射路由的方法比较容易实现，但是不能提供理想的网络性能，如果与波长变换技术相结合，就能克服这些不足。采用波长变换技术后，当两个分组发生拥塞时，对两个阻塞分组中的1个进行波长变化，然后同时在同一端口输出。采用波长变换技术同时还可能提供噪声抑制和信号整形功能。

　　(4)采用光突发交换(OBS)技术：突发分组就是由多个分组组成的1个长的连续数据块。源节点发送突发分组之前发送1个控制分组给要经过的路由上的所有交换节点，过一段时间后，源节点发送突发分组，此时路由上的各个交换节点已经设置好路由，突发分组经过时就不会发生阻塞。而且通过设置等待时间和突发分组的长度，可以提供不同等级的服务。它和全光分组交换的不同之处主要在于控制软件上的不同，所以全光分组交换节点改造后可支持突发交换。

　　4 结束语

　　未来光网络信息量爆炸式增长，IP将成为主导业务，光分组交换技术将充分拓宽网络带宽，最大限度地提高线路利用率。随着光子器件的日益成熟，光分组交换结构正不断优化。在目前的交换和光存储的技术水平上，我们要对分组丢失率、网络利用率和节点复杂度这3者进行权衡。在全光的可随机读取存储器实现技术取得突破之前，采用多端口数量的开关结构和波长变换器来实现分组交换节点是比较理想的选择。

　　参考文献

1 Chiaroni Dominique, Lavigne Bruno, Jourdan Amaury. Physical and Logical Validation of a Network Based on All-Optical Packet Switching Systems. IEEE J Lightwave Technol, 1998,16(12)
2 Tucker R S, Zhong W De. Photonic Packet Switching: An Overview. IEICE Trans Electron, 1999, E82-B(2):254-264
3 Gabriagues J M, Jacob J B. Photonic ATM Switching Matrix Based on Wavelength Routing. In: Proc Photonic Switching, 1992
4 Gabriagues J M. Design and Implementation of a Gigabit ATM Photonic Switching Matrix. IEEE J High Speed Networks, 1995, 4(4)
5 Sasayama Koji, Yamada Yoshiaki, Habara Keishi. FRONTIERNET: Frequency-routing-type Time-division Interconnection Network. IEEE J Lightwave Technol, 1997,15(3): 417-429
6 Zhong W D, Tucker R S. A Wavelength-routing Based Photonic Packet Buffer and Its Application in Photonic Packet Switching Systems. IEEE J Lightwave Technol, 1998,16: 1737-1745
7 Chiaroni D. A Novel Photonic Architecture for High Capacity ATM Switching Applications. In: Proc Photonics in Switching, 1995
8 Hass Z. The Staggering Switch: An Electronically Controlled Optical Packet Switch. IEEE J Lightwave Technol, 1993,11:926-936
9 Yao Shun, Ben Yoo S J, Mukherjee Biswanath. All-Optical Packet Switching for Metropolitan Area Networks: Opportunities and Challenges. IEEE Communication Magazine, 2001,39(3): 142-148

[摘要] 文章首先介绍了光分组交换网络的分类和光分组交换节点的基本结构，接着详细讨论了全光分组交换节点设计和实现中的关键问题：交换结构的设计、光存储的实现以及分组拥塞问题的解决方案。

[关键词] 光分组交换；交换结构；光存储器；拥塞

[Abstract] The classification of optical packet switching networks and the architecture of optical packet switching nodes are briefly introduced, and then some key problems related to the design and implementation of all-optical packet switching nodes, such as the design of switching architecture, implementation of optical storage and packet congestion, are discussed in detail.

[Keywords] Optical packet switching; Switching architecture; Optical storage; Congestion