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投稿指南[关键词]：光分组同步 光缓存 光分组交换
1 引 言
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 分组交换分层网络参考模型分为三层，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。光电混合型光分组交换节点的结构，主要由输入接口、交换核（一般带有光分组缓存功能）和输出接口三部分组成。输入接口，又称 作输入同步器，根据对载荷的定位处理，使进来的分组实时对准；交换核将分组发送到正确的目的地，并实现分组竞争裁决和空分组管理；输出接口的作用是减小或 消除信号的相位抖动和功率波动，通过快速功率均衡减小分组与分组之间的功率差异还可以具有分组头重写和再生的功能。具有“3R” （Reamplifying,Reshaping and Retiming）功能的输出接口可使分组再生。
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，才能在连接的用户信息（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(2.5Gbit/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入口的时间不同，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入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抖动，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。
4.3 解决竞争的方法及光缓存
在同一时间里，可能有两个或两个以上的分组要从同一出口离开光交换节点，即出现了分组竞争，采用不同的竞争裁决方法会对网络的性能有很大影响。常见的解决竞争的方法有：光分组缓存、偏转路由和波长转换。
在 光分组交换中，由于没有可用的光随机存取存储器（RAM），采用光纤延时线与其它光器件如光开关门、光耦合器、光放大器等结合来实现光分组缓存，光纤延时 线的延时长度等于光分组时隙的整数倍。一般地，在光分组交换中光缓存可以按照两种方法来分类，一种方法是缓存器中采用单级延时线还是多级，前者一般易于控 制，后者对于大的缓存深度可能节省硬件数量；另一种方法是延时线被连成前向还是反馈结构，前者是分组从一条延时线被送入下一条延时线，光分组穿过的延时光 纤数为常数，而后者延时线将分组送回本级的输入，意味着分组之间穿过的延时线数是不同的。设计光分组缓存器时要考虑分级丢失率、网络延时、硬件成本、控制 电路的复杂性、分组重新排序、网络大小、业务负荷和类型等。
采 用偏转路由解决竞争的方法是：如果有两个或两个以上的分组需要占用同一出口链路，实现最小路径，将只有一个分组沿所希望的链路发送，而其他分组将沿着非最 小路由被转发，因此对于每个源和目的对，一个分组的跳数不再是固定的。研究发现采用偏转路由（在空间域里），当网络的负荷增加时，异步网络受到严重的拥 塞，当负荷超过一定的阈值后吞量将完全崩溃，为了解决拥塞需加有限的光缓存。
光 缓存是在时域里，偏转路由是在空间域里，而WDM是在波长域里，光缓存提供高的网络吞吐量，但需要较多的硬件和复杂的控制，偏转路由较容易实现，但不能提 供理想的网络性能，当上述二者再与波长转换结合，它们的缺点可以被克服或最小化。研究表明：波长转换可减少光缓存器的数量或减小分组丢失率，抑制噪声和信 号再整型。因此在全光分组交换网中，将光缓存、波长转换与偏转路由结合，可以得到实现光分组交换节点的较佳方案。
4.4 光分组再生
一般地，在光分组交换网中，源和目的之间全光通道不提供完全再生，由于光信号的传输距离正比于分组跳数，在高比特率时，由于色散、非线性、串扰、光放大器ASE（自发辐射）噪声的积累等，会限制网络的规模，因此需要完全再生。
光 分组交换避免了比特级同步（OTDM网络要求的），但仍要求一个分组一个分组地时钟恢复，较复杂。最近文献中提出了异步数字光再生器，进行了 10Gbit/s光分组再生的实验演示，是很有希望的光信号再生器件，它通过强迫本地时钟采用进来的数据的频率和相位，从而把再生进来的分组，的比特率和 相位转换成本地时钟的比特率和相位。
在许 多提出的路由和交换协议中，还要求光分组在每个节点被重写，在采用相同波长串行传输分组头的方案中，用快速光开关阻塞掉旧的分组头并在适当的时间插入由本 地另一个激光器产生的新的分组头，这种方法的关键是要求在WDM网中新的分组头与载荷具有相同的波长，否则由于色散、非线性或网络中的波长敏感器件等会带 来严重的问题。还有人提出，为了便于在节点修改分组头，将分组头和载荷用不同的光波长发送，对分组头的波长采用解复用、光电转换、电子处理，然后用再该波 长发送出去，这种方法使分开的分组头和载荷在网络中传输受到光纤色散的影响，使分组同步困难，另外也浪费波长资源，所以这种方案不太现实。
5 结束语
光分组交换网的实用化，将取决于一些关键技术的进步，如光标记交换、微电机械系统（MEMS）、光器件技术等。
标 记交换机是基于标记来交换分组。标记交换采用路由协议产生路由表，通过标记分配协议配置标记信息，对于本地交换它们接收标记信息和建立转发路由表，当标记 边缘路由器接收一个要转发穿过网络的分组时，它分析网络分层头，完成网络分层服务，给一个分组选择路由，为分组申请一个标记，然后转发分组到下一个标记交 换机，基于标记交换分组，而不用再分析网络分层头，分组到达网络出口的标记边缘路由器，在那里将标记去掉，分组到达网络出口的标记边缘路由器，在那里将标 记去年，分组被传送。光分组交换可采用这种标记交换机在光分组交换网的边界上产生光分组，即在原ATM或IP分组前加上适当的光分组头，经光分组交换网传 送和交换以后，当光分组到达光分组交换网的边界时再由光标记交换机将光分组头去年，将ATM或IP分组复原。
光 分组交换核主要有光开关和其它光器件构成，传统的机械光开关体积大、性能差，为了克服这些缺点，近年来，出现的MEMS技术，对于实现高多端口数的光分组 交换核具有光明的前景，MEMS器件以类似硅集成电路的方式制作。各种不同材料以不同方式被多层沉积，形成复杂的多层三维结构，最后有选择性的蚀刻，去年 一些沉积材料产生器件的可移动部分，大多数开关利用可移动转矩镜改变光的传输方向，从而实现交换功能，由于可实现单片批量集成，因此MEMS器件具有低损 耗、低串扰的特性，并且体积小、成本低。
WDM 网络提供波长转换增加了交换的维数，使交换节点得到很大简化。OFC‘99上报道的Lucent研制的光波段变换器可用于光分组交换，在同一时隙被传输的 所有波长的分组可被同时转换，这样只要求交换节点作为一个整体来处理每个时隙，而不必按不同波长分别接入和交换分组，分组竞争用光纤延时线缓存来解决，可 使交换节点简单、性能提高。其他光电器件和集成光电器件近年来也取得了较大进步，如NTT用混合集成工艺制成的平面光波32个波长选择器件，日立公司研制 的高分子数字交换器件等，对于光分组交换都是很重要的器件。
在网络信息量爆炸式增长，I将成为电信网的主导业务的今天，光分组交换技术能极大地拓展现有的网络带宽，最大限度地提高线路利用率，是一种很有希望的技术，随着光网络技术、系统技术、光器件技术的发展，光分组交换在不远的将来将会走向实用化。
