核心网中的光分组交换

1 为什么提出光分组交换

　　自90年代初以来，互联网业务一直在迅猛增长。为了处理由此带来的剧增的分组业务，路由器厂商提供的IP核心路由器规模越来越大、速度越来越快，这些路由器都基于光接口和电交换矩阵，因此，可以想象IP层将主要工作在由波分复用(WDM)和光交叉连接组成的电路交换光层的上面。现在，电IP路由器的扩展性及其对光层上WDM传输能力不断提高的适应性越来越被关注，估计在今后几年内，电IP路由器的能力将难以在太比特范围跟上WDM的发展速度。

　　近两年来，光空分交换技术取得了明显的进步。其中的核心部件--光交换矩阵从一二个端口的最小规模做到了几千个端口。在开发过程中，涌现了一些新技术，如光微电子机械系统(MEMS)和喷泡(Bubble jet)技术等。基于这些技术并具有一定规模和特点的光交叉连接(OXC)和光插分复用(OADM)设备已经上市，今后几年将主导核心网。进一步的发展将形成一个基于电路交换(即波长交换)的智能光层，它们用作一服务器层，为诸如ATM、SDH和IP等客户层服务。因此，在近期和中期内，核心网的扩增部分估计将主要基于两层，即IP层和光层。在不久的将来，光层将提供大量波长。也许有人会说，带宽效率已经不是问题，没有必要再在提高单波长利用率方面下功夫。但是，经济性始终要求我们尽可能有效地使用网络资源。基于电路交换的OXC对IP业务不是带宽效率最高的。

　　在光分组交换（OPS）中，分组是在光域上直接进行交换的，通过OPS节点/路由器把分组从任一输入端口交换到任一输出端口。采用OPS就能避开电交换的“瓶颈”和提供能与WDM传输能力相匹配的光交换能力，这是今天把OPS视作适应网络长远发展的一种候选技术的原因。

　　现在，对OPS的研究日益受到关注。当然，真正实用的OPS需要许多成熟的相关器件和系统技术来支持，目前它们大多数尚处在实验室研究阶段。OPS的交换过程有两种方式：固定分组长度的同步方式(时隙型)和可变分组长度的异步方式(非时隙型)。迄今，大多数研究工作集中在固定长度OPS上。

　　2 光分组交换节点的组成

　　光分组交换核心节点的通用功能框图如图1所示。OPS核心节点包括复用器/去复用器、输入接口、交换矩阵、输出接口和控制单元。每一部分的功能根据采用同步交换还是采用异步交换而不同。本文主要考虑目前研究较多的同步交换。

　　输入接口完成如下功能：

• 对输入数字信号进行3R(再生、再定时、波形整形)，以便在后面的处理和交换之前恢复信号质量；
• 提取漂移和抖动；
• 进行分组描述(Delineation)，以识别每一分组的头尾以及报头与净负荷；
• 进行分组同步，使它们与交换的时隙对准；
• 把报头分开，并转发给控制单元，好作处理；
• 把分组的外部波长(WDM传输波长)变换为在交换矩阵中使用的内部波长。

　　控制单元处理报头信息和发布所有指令，对交换矩阵进行配置。为此要询问保存在每一节点的转发表。转发表需要借助网管系统(NMS)不断予以更新。控制单元还要完成报头更新和向输出接口转发新报头的工作。新报头将能识别分组路径中的下一节点。目前，控制功能是用电子电路来完成的。交换矩阵根据控制单元的指令来完成净负荷的交换操作。

　　输出接口完成如下功能：

• 再生、再定时、波形整形，以便在由于交换矩阵中元件不完善和串话引起失真之后重新恢复信号质量；
• 把新报头附加在相关的净负荷上；
• 进行分组描述和再同步；
• 把内部波长变换为外部波长；
• 进行输出功率均衡(因为信号功率电平随不同路径和交换矩阵插入损耗而变)。

　　通用的光分组格式如图2所示，说明了光分组格式是如何放在交换时隙中的。保护带用来对付定时的不定性。净负荷是用户数据，占有分组长度的大部分。报头长短是一个最优化问题，因为它一方面要服务于所需的那么多控制功能，另一方面它是一种开销，不能够太长。
报头由如下几个字段组成：

• 描述和同步比特；
• 识别入口边缘节点地址的源标记；
• 识别出口边缘节点地址的目的地标记；
• 识别业务性质和优先权的分组型字段；
• 如果发生分组不按序到达的情况，记录数据用的分组序列号；
• 运行管理维护字段；
• 报头纠错字段。

　　在控制路径或数据路径中可能发生争用时，控制单元中的争用特别重要，因为它可能导致报头丢失或时延过大使净负荷跑到报头前面，使得不管是哪种情况，都必须放弃净负荷。不过，由于控制功能是由电子电路完成的，有许多现成的技术可用于解决争用问题。电缓存器即是可用的技术之一，但缓存器大小必须合适，管理必须有效。

　　当处在两个不同输入端口的两个不同分组要同时被送往同一输出端口时，就会在数据路径中发生争用。在内部交换路径或网络路径中也可能发生若干分组的争用。现在有3种解决争用问题的方案。它们是使用光纤延迟线(FDL)的虚拟光缓存、波长变换和偏转选路。上述3种方案也可以组合使用，使系统设计性能达到最优。

　　偏转选路是把争用的几个分组偏转到若干迂回路由上去。优先权低的分组选择离目的地较远的路径，优先权高的分组反之。这一方法有两个主要缺点：一个是被偏转的分组可能造成网络拥塞，尤其是在高业务负荷时；另一个是让分组不按序列到达它们的目的地，报头必须载有序列信息。

　　3 光分组交换使能技术的现状

　　(1)3R再生

　　光信号对衰耗、噪声、色散、串话、抖动和非线性效应造成的损伤是十分敏感的。由于传输距离、每光纤波长数、每波长比特率的提高，传输损伤变得更加严重，导致明显的幅度下降，脉冲形状畸变，定时漂移。为了在网络中连续传输和交换，通常要求恢复原信号形状和清除所有损伤，这一过程就叫3R再生。光放大只放大信号幅度，并不纠正畸变的脉冲形状。色散补偿可以弥补因色散造成的脉冲宽度展开，从而减小脉冲成形问题。再定时则通过时钟提取和同步来完成。对同步网需进行分组级同步，对异步网需进行比特级同步。为了对信号再定时，必须让再生器知道数据速率和格式，再生器必须能够按比特率灵活操作。

　　用得最多的3R再生技术涉及光电(O/E)转换，再生在电域进行。全光3R再生是简化OPS的一个重要的使能技术。有些再生操作，如再定时，迄今难以在光域进行，因此，全光3R再生目前仅限于实验。图3所示为全光3R再生器的功能框图，主要由放大器、时钟恢复系统和阈值检测单元组成。先把时钟从被放大的信号中提取出来，然后再与信号混合，产生时间重对脉冲(Time-realigned pulses)，在阈值检测单元的输出端形成再生信号。迄今大多数全光3R再生器都是在基于半导体光放大器(SOA)的马赫-曾德干涉仪(MZI)的基础上开展研究的。

　　(2)分组描述和同步

　　到达OPS节点的分组来自不同源头，通过各种光纤路径和不同波长。因温度变化、色散和路径不同它们必然有不同的传播时延。在光纤跨度较长时，温度变化的影响相对较小，因为光纤中群速度色散(GVD)引起的时延变化可以用色散补偿技术来补偿。但是因光纤路径变化造成的变化可能较大，将使分组异步到达OPS节点。造成定时问题的另一个原因是抖动，抖动发生在交换矩阵中。通过前面节点累计的抖动必须在OPS输入端加以处理。由于存在定时的不定性，分组格式要留有保护带，每一节点应装备分组描述和同步电路。

　　现在提出的几种描述和同步方案都是在电域内进行的。有的是利用标准的报头差错控制(HEC)检验机理，有的是在报头里交替使用两个关键词。目前这些方案都处在实验室研究阶段。

　　(3)分组报头处理

　　分组报头含有在OPS网中交换和转发净负荷所必需的信息。现今实用的方法都是先经过O/E转换，再在电域内对报头进行处理。早期的报头处理技术都使用比特率低于净负荷的串行报头，这种方法虽然比较容易实现，但处理速度较慢；另一种方法使用副载波复用(SCM)，对报头进行副载波调制再与净负荷复用，报头在频谱上处于高于净负荷带宽的位置。两种处理技术虽然都在同一时隙进行，但SCM报头的提取较快，处理速度高于串行报头法。不过，随着比特率的提高，相关的射频分量可能碰上高的报头频率，使SCM受到限制。报头的电处理速度限于几十吉比特每秒，因此，为了满足OPS今天的需要和未来的期望，必须要实行光的报头处理。自90年代初以来，全光报头处理一直是研究热点，但至今仍处在早期阶段。全光报头处理需要光校正器，目前研究中有使用光纤延迟线的，也有基于光半导体放大器的。

　　(4)光缓存

　　为了解决OPS网中的争用问题，需要某些光缓存手段。光子不能像电子一样予以捕捉与存储，目前的研究方向是设法把它们延迟一个固定的时间周期。实际上，这相当于某种形式的虚拟缓存。虚拟缓存现一般都用FDL作为缓存工具，但FDL比较笨重且不能扩展。把一组FDL与光交换结合在一起，可以形成一个时延可变组件，能使用的FDL数量可达几十个。对缓存器进行再循环可以减少光纤数，此时，时延是环路长度与循环次数的乘积。但是，为了补偿因过多循环引起的损耗需要另外使用光放大，这将产生自发辐射噪声被放大的问题。最近有人在研究另一种可变时延电路，它在一个光纤环路中采用一系列波长变换器和两个阵列波导栅(AWG)。一个分组被延迟的时间取决于它的初始波长，此初始波长被变换为与所希望时延相对应的特定波长。与目前分组网中使用的电子缓存器相比，FDL为OPS网只能提供有限的缓存能力。

　　(5)光空分交换技术

　　在OPS中，交换矩阵必须把分组一个个地从任一输入端口送到任一输出端口，故非常迅速的重新配置和非常高的交换速度是十分关键的。例如，在一个10 Gbit/s系统中，分组长度为125字节，一个分组要完全离开输入端口到达交换矩阵需要大约100 ns，两个相继分组到达时间的间隔也是极短的。交换矩阵在必须重新配置以处理后面分组之前在交换时隙内要保持一定的配置，所以重新配置和交换时间必须是毫微秒级的，当今几乎没有一种光技术能有这样高的交换速度。SOA和光电铌酸锂(LiNbO3)开关是两种候选技术。SOA的交换速度在几个毫微秒数量级，可以进行较大规模的合成，优点是因其固有的放大作用可以补偿功率损耗，缺点是给信号增加了噪声；光电LiNbO3开关的交换时间可达到亚毫微秒级，由于插入损耗较大，只能做中规模的集成，扩展性受到限制。SOA和光电铌酸锂(LiNbO3)开关都是平面波导结构的，对极化比较敏感。为了减小对极化的依赖，设计时必须很仔细。可靠性和成本也是重要问题。

　　(6)波长变换

　　波长变换是解决争用问题的另一个重要工具。在节点的输入和输出接口需作波长变换，同时波长变换也是有些缓存系统、全光3R再生器和光报头检测器的组成部分。波长变换可以通过光电光(O/E/O)的方式来实现，但在OPS中希望全光波长变换。在这一领域中的大部分研究工作基于利用交叉增益调制(XGM)或交叉相位调制(XPM)的SOA。在XGM方案中，利用强输入信号来使SOA的增益达到饱和，再把连续信号调制在新的波长上。现在实验室可以做到在高达100 Gbit/s的速度上进行波长变换。此法很容易实现，但其缺点有脉冲失真，信噪比恶化，消光比恶化。为了克服这些缺点，可以把SOA集成在干涉仪结构的每一条臂上。在XPM方案中，目前可以做到在高达40 Gbit/s的速度上进行波长变换，这需要精确的SOA偏压控制。如果在SOA后面再跟一个延迟干扰环路，则可做到在100 Gbit/s的速度上进行波长变换。

　　波长变换还可以基于混波技术，这种方法能保证速率和格式的透明性，但要求极化控制。总之，全光波长变换虽已取得明显进步，但还有许多技术问题有待克服，仍是一个研究课题。它的可靠性和成本同样十分重要。

　　4 光分组交换的前景

　　如前所述，核心网的演进方向是在基于电路交换的光层上布放一个正不断发展着的IP层。在今后几年内，这一演进方向可能是网络过渡的主导方向。在那以后的将来某一时刻，OPS将粉墨登场，但在此之前，还有许多开发工作要做。OPS能否浮出水面走向商业应用主要取决于3方面的工作：

　　(1)要攻克OPS目前面临的许多技术挑战。虽然迄今OPS已取得许多进步和科研成果，但是并非所有挑战已经攻克，不少OPS使能技术仍处在研究探索阶段，而且无论什么技术突破都必须要以成本有效为前提，唯有这样才能在核心网中真正引入OPS。

　　(2)必须提出合理的过渡方法，使我们在引入OPS的同时，保护运营商在技术方面的投资。对OPS的未来预测必须考虑距今5到10年后的网络，但这种预测又不可能有足够的可信度。比较实际的设想是首先在基于OXC的那一层面上实施OPS。OPS面临的问题部分是由于交换颗粒非常小以及在光域读/写分组报头的要求引起的，所以，一种可以考虑的过渡办法就是先进行颗粒较大的光脉冲串(Burst)交换(OBS)。在OBS网中，分组被组装成较大的数据脉冲串，为了进行控制，给每一脉冲串加上一个脉冲串报头分组(BHP)。数据脉冲串与BHP在不同的光信道里传送，在每一节点，只对BHP进行O/E/O转换。但OBS面临几乎与OPS相同的技术挑战，只是条件稍微宽松点，这是因为控制负担减小了，因为BHP的电子处理不需光报头读/写。当技术趋于成熟，运营商有需求时，可以在基于OXC的层面以外引入基于分组的光层。在部分网络中，光IP分组可以在光域内直接交换或组装成光脉冲串，再注入到基于波长的管道中。在其他网络部分中，光IP分组可以通过其他网络层进入这些管道。

　　(3)OPS的实施要运营商来决策，只有得到运营商的认同OPS才有可能走向商用，但至今对OPS/OBS的大多数研究工作并非来自运营商一边。要促使运营商对OPS更加关注，技术难关的攻克、网络过渡策略的确立、互联网的持续发展以及电信业的重新振兴是重要因素。

[摘要] 文章分析了光分组交换提出的原因，介绍了光分组交换节点的组成，给出了与光分组交换相关的使能技术的进展情况，最后对光分组交换的前景做了分析。

[关键词] 光分组交换；光缓存；光空分交换；波长变换

[Abstract] The cause of considering OPS (Optical Packet Switching) technology as a possible candidate in the long term is analyzed first, and then the technical ingredients of a generic OPS core node and the status of OPS related enabling technologies are given in detail. Finally the future potential of OPS is prospected.

[Keywords] OPS; Optical buffer; Optical space switching; Wavelength conversion