光分組交換網(wǎng)<1>
近年來，電信網(wǎng)上的業(yè)務(wù)流量不斷增長，要求網(wǎng)絡(luò)能提供越來越寬的帶寬。為了滿足通信業(yè)務(wù)對帶寬的需求，世界上許多國家采用波分復(fù)用（WDM）技術(shù)對已鋪設(shè)的光纖線路進(jìn)行擴(kuò)容。然而，在通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)仍需光／電、電／光轉(zhuǎn)換和電信號處理，由于光／電轉(zhuǎn)換器件響應(yīng)時(shí)間及電子交叉互連（DXC）、上／下路（ADM）設(shè)備本身帶寬的限制，形成了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電子速率“瓶頸”，克服電子“瓶頸”的辦法是直接進(jìn)行光信號處理，即建設(shè)全光通信網(wǎng)。光信號處理可以是線路級的、分組級的或比特級的。WDM光傳輸網(wǎng)屬于線路級的光信號處理，類似于現(xiàn)存的電路交換網(wǎng)，是粗粒度的信道分割；光時(shí)分復(fù)用（OTDM）是比特級的光信號處理，由于對光器件的工作速度要求很高，盡管國內(nèi)外的研究人員做了很大努力，但離實(shí)用還有相當(dāng)?shù)木嚯x；光分組交換（OPS）網(wǎng)屬于分組級的光信號處理，和OTDM相比對光器件工作速度的要求大大降低，與WDM相比能更加靈活、有效地利用帶寬，提高帶寬的利用率。特別是Internet讓用戶的急劇增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信的業(yè)務(wù)量爆炸性的增長，據(jù)預(yù)測，美國大約在2003年左右數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將與電話業(yè)務(wù)總量持平，之后，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)總量將越來越多的超過電話業(yè)務(wù)總量，而中國電信網(wǎng)或信息網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)估計(jì)將在5－10年內(nèi)超過話音業(yè)務(wù)。傳統(tǒng)的電話通信網(wǎng)采用的是電路交換方式，而Internet是基于IP協(xié)議的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因此基于電路交換的電信網(wǎng)必然要升級到以數(shù)據(jù)為重心以分組為基礎(chǔ)的新型通信網(wǎng)，光分組交換網(wǎng)能以更細(xì)的粒度快速分配光信道，支持ATM和IP的光分組交換，是下一代全光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其應(yīng)用前景廣闊。
目前，世界上許多發(fā)達(dá)國家進(jìn)行了光分組交換網(wǎng)的研究，如歐洲 RACE計(jì)劃的 ATMOS項(xiàng)目和ACTS計(jì)劃的KEOPS項(xiàng)目、美國DARPA支持的POND項(xiàng)目和CORD項(xiàng)目，英國EPSRC支持的WASPNET項(xiàng)目，日本NTT光網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目等。我國關(guān)于光分組交換網(wǎng)的研究項(xiàng)目還很少。2光分組交換分層網(wǎng)絡(luò)參考模型
光分組交換分層網(wǎng)絡(luò)分為三層，它們對應(yīng)于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施演進(jìn)的三個主要步驟。第一層對應(yīng)于已普遍使用的接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，如ATM、PDH（準(zhǔn)同步數(shù)字系列）和SDH（同步數(shù)字系列）及其它常用的標(biāo)準(zhǔn)分組和基于幀的業(yè)務(wù)。為了簡單，整個網(wǎng)絡(luò)用一層來表示，把它稱作電交換層。第三層為透明光傳輸層，對應(yīng)于地域上更廣闊的WDM光傳輸網(wǎng)，透明的路由是基于在波長域和空間域里的透明光交叉互連（OXC），允許網(wǎng)絡(luò)在較長的時(shí)間內(nèi)重構(gòu)，該層在電交換層的下面，鏈路的傳輸容量為數(shù)Gbit／s至數(shù)百Gbit／s。由于在相對低速的電交換層和大粒度的信道分割的WDM光傳輸層之間存在代溝，需要在低速信道和高速信道之間進(jìn)行適配，所以在這兩層中間引入第二層，即比特率和傳輸方式透明的光分組交換網(wǎng)絡(luò)層，使在WDM光傳輸網(wǎng)中的高速波長信道和電交換網(wǎng)之間架起一座橋梁，從而大大改進(jìn)了帶寬的利用率和網(wǎng)絡(luò)的靈活性。該層延伸了光的透明性的優(yōu)點(diǎn)，它可作為電接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的大容量的承載交換網(wǎng)，也可以作為基于相同的分組格式的光城域網(wǎng)（MAN）的骨干網(wǎng)。
光分組交換涉及的傳輸和交換在光域里進(jìn)行，可接入巨大的光纖帶寬，而相對復(fù)雜的分組路由／轉(zhuǎn)發(fā)在電域里實(shí)現(xiàn)。此外，為了在光分組載荷中傳送ATM的信元或IP分組，有效地使IP接入WDM層，光分組層提供一些基本的鏈路層功能代理，能進(jìn)一步提供時(shí)域復(fù)用，允許IP路由器在傳輸信息至光WDM管道之前匯集用戶的流量。3光分組交換節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)
光分組交換節(jié)點(diǎn)，按是否有業(yè)務(wù)上／下路功能可分為帶有分插復(fù)用和不帶有分插復(fù)用功能的節(jié)點(diǎn)。如用于城域網(wǎng)（MAN）之間或大的局域網(wǎng)（LAN）之間的光分組交換，交換節(jié)點(diǎn)可以不要求有分插復(fù)用功能，分插復(fù)用功能可在MAN或LAN內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，如果交換節(jié)點(diǎn)是本地網(wǎng)絡(luò)的組成部分，則要求有分插復(fù)用功能。這兩種交換節(jié)點(diǎn)的基本構(gòu)成模塊相同。
如果按控制信號的類型來分，可分為全光型和光電混合型，對于全光型分組交換節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)和控制信號從源到目的地均是在光域里，但由于目前高速光控器件很少，短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)較困難，因此，迄今為止，國際上的研究項(xiàng)目基本上是采用光電混合型分組交換節(jié)點(diǎn)。
光電混合型分組交換是讓數(shù)據(jù)在光域進(jìn)行交換，而控制信息在交換節(jié)點(diǎn)被轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行處理，用于分組路由和控制，這樣可充分利用微電子技術(shù)的靈活控制能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組的透明高速交換。
4 光分組交換的關(guān)鍵技術(shù)
光分組交換的關(guān)鍵技術(shù)有光分組的產(chǎn)生、同步、緩存、再生，光分組頭重寫及分組之間的光功率的均衡等。
4.1 光分組的產(chǎn)生
光分組的產(chǎn)生必須具有碼速提升的功能，即分組壓縮，才能在連續(xù)的用戶信息（如 ATM信元或IP分組）中加入必須的分組頭部分和保護(hù)時(shí)間（即交換節(jié)點(diǎn)光器件調(diào)諧所需的時(shí)間），這可由光分組邊緣交換機(jī)來完成。光分組頭中包含路由信息和控制信息，分組中保護(hù)時(shí)間越長，則對分組對準(zhǔn)要求可降低，分組越長則可在分組中有更多的保護(hù)時(shí)間而不致犧牲鏈路的利用率，但分組要考慮與現(xiàn)有的ATM信元、IP分組等兼容。分組和分組頭的大小需要優(yōu)化，分組較小時(shí)，具有較高的靈活性，但信息傳輸效率低，影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量，當(dāng)分組較大時(shí)，信息傳輸效率高，但需要大的光緩存并且靈活性變差，因此需要根據(jù)分組丟失率在載荷和分組頭之間進(jìn)行折衷。
在光分組交換時(shí)，傳輸高速載荷（2.5 Gbit／s以上），采用低速的分組頭，以便于電子電路處理，一方面可以減小處理延時(shí)，對電路要求降低，另一方面由于路由和控制信息比特?cái)?shù)較少，也不必用太高的速率傳輸（如622Mbit／s以下）。4.2光分組同步
在光分組交換網(wǎng)中，由于不同的分組到達(dá)同一個節(jié)點(diǎn)的人口的時(shí)間不同，按照光分組在進(jìn)入交換核之前是否需要使分組對準(zhǔn)，可把光分組交換分為同步光分組交換和異步光分組交換兩類。它們對于分組頭識別和載荷定界均要求比特級同步和快速時(shí)鐘恢復(fù)（僅對分組頭）。目前，對于同步光分組交換研究的較多，同步光分組交換網(wǎng)是采用固定時(shí)間長度的光分組時(shí)隙，所有的分組大小相同，要求所有光分組到達(dá)交換核的人口時(shí)與本地參考時(shí)鐘相位對準(zhǔn)，即分組同步。同步光分組交換節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，到達(dá)交換節(jié)點(diǎn)的分組在進(jìn)入節(jié)點(diǎn)之前，先用光耦合器分出一小部分光功率，經(jīng)光／電（O／E）轉(zhuǎn)換后送入分組頭處理電路，將分組頭信息和定時(shí)信息讀出，以便進(jìn)行分組同步（使分組同步器在分組進(jìn)入交換核之前將分組對準(zhǔn)）和交換控制，這個處理過程必需在分組進(jìn)入輸入同步器之前完成，因此在輸入同步器之前需加延時(shí)大小等于處理時(shí)間的光纖延時(shí)線。對于異步分組交換，光分組的大小可以相同也可以不同，分組到達(dá)和進(jìn)入交換節(jié)點(diǎn)時(shí)無需對準(zhǔn)。
光分組穿越一定長度的光纖所需的時(shí)間取決于光纖長度、色散和溫度的變化，不同的光分組經(jīng)不同的路徑到達(dá)同一節(jié)點(diǎn)的延時(shí)不同，但這種延時(shí)變化相對較慢，可用靜態(tài)補(bǔ)償來減小或消除，這可用輸入粗同步器來實(shí)現(xiàn)。
每個分組在節(jié)點(diǎn)內(nèi)的延時(shí)變化取決于交換節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和解決競爭的方案，在同步光分組交換網(wǎng)中，采用光纖延時(shí)線作為光緩存，分組在交換節(jié)點(diǎn)內(nèi)穿過不同的路徑，帶來分組的延時(shí)變化，另外不同波長之間的色散引起快速時(shí)間科動，因此需要采用快速細(xì)同步器補(bǔ)償這種節(jié)點(diǎn)內(nèi)的延時(shí)變化，溫度變化的影響較慢，易于在節(jié)點(diǎn)內(nèi)控制。
