下一代光网络：06年09月JLT
发布时间：2006-10-26 13:32:59 热度：2827
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作者：浙江大学 宋军 博士
本期有一篇特邀论文，名字叫做“下一代核心光网络的发展动向”。乍一看这真是一个很大的标题，通常使用这种标题的文章，要么就是内容空洞的泛泛之谈，要么则是高瞻远瞩的倾力之作。但看到作者单位，相信我们会认为它属于后者。这篇特邀论文来自于美国国防部下属的高级研究计划局。而作者Adel A. M. Saleh更是该部门网络研究方面的项目主管。因此他的文章通常能代表着美国政府支持下的光通讯研究方向，也许是能反映全球光通讯发展的趋势。因此本期我们着重看一下这篇文章，其篇幅很长，有二十页。再考虑到本期其他论文有实质性的内容并不多，所以限于篇幅，本期只能把侧重点放在这里。首先，纵观全文，作者反复强调了当前迫切需要突破的三项技术：（1）传输网调制格式的改进；（2）交换粒度（这是一个反映光交换业务灵活度的参数，粗略的看可以分为波长交换、波长组交换和光纤交换三个层次）的升级；（3）边界业务疏导（边界是指仅在网络节点入口或出口位置疏导）。下面我我们再从内容上来简单概括一下这篇文章：
1. 应用要求：（1）在下一代光网络的应用角度，作者首先谈到的是容量这个词。对容量提升的动力要求作者提到主要来自不断增长的用户数量以及超带宽应用的迫切。而对普通用户而言，使用上升最快的应该是和视频相关的业务。作者提到在美国近两年要实现的是100Mb/s的单用户接入速度，部分地区将要达到1Gb/s；（2）为了满足更高的用户服务质量要求，作者提到基层协议更新的重要性。例如，对快速发展的企业局域网络业务，作者重点提到了VPLS（虚拟专用局域网服务）的意义，这是一种充分结合了以太网和MPLS核心技术的多用户服务解决方案，可以将分散的用户直接联系起来，即相对广域网所有用户位置是透明的。因此它除了具有以太网的优势，还具有更好的扩展性、可靠性及QoS等能力。最后作者谈到对美国，未来五年左右实现100Gb/s的以太接入也是很可能的。（3）接下来作者提到的一个光网络快速发展的应用领域是网格计算，通常这是一种专门针对复杂科学计算的新型计算模式，伴随互联网的发展，可以把分散的电脑组成一个虚拟的超级计算机，每台机器相当于一个节点，数不清的节点铺成一个网络，这样可以有效利用每台计算机的闲置资源，增强数据处理能力，比较著名的实例如TeraGrid等。作者谈到在未来几年，这样的网格计算将不再仅仅局限于科学计算，而将进一步扩展到商业领域和军事应用。而对某些特殊应用，如天体物理学的计算，作者提到通常需要几个Tbit/s的处理能力。面向这些要求，必须采用更加灵活，更加动态的链接模式，例如使用波长网格等。而在军事上这种网格化的计算作者提到了两个实例，其一是传感器网格，即在海陆空放置大量的有源、无源传感器，对敌军位置，危险突袭等情况进行快速分析，识别；其二就是著名的“全球信息栅格”计划，这是美国国防部耗资几十亿美元的一个大计划，采用因特网协议为全球军事部门间提供安全、高速的保密和非保密信息传输，系统通过光纤链接提供10Gb/s的传输速度。
2. 核心网络框架：这一部分作者的思路还是围绕着网络框架进化的角度叙述的。也就是说先陈述了第一代光网络（典型的O-E-O）模式的特性，然后回顾了现在光网络的进展（当然最主要的还是抛弃了光电转换的环节）。最后再展望了下一代的光网络情况。前一部分，我们将略过不谈，只从近期网络框架发展说起。作者提到近期的商用光网络均以提供10Gb/s的传输速率为主，并且一般具有向40Gb/s兼容的能力，而现在单光纤可利用的带宽一般在0.8–3.2 Tb/s左右。而对高速传输，作者也提到了色散补偿的重要性，并指出使用色散补偿光纤不仅价格昂贵，而且由于是静态补偿，不能达到精确的补偿效果。这里作者特别指出在发射接收端，对每个通道采用电子色散补偿将会是一种很有应用潜力的技术。
3. 当前光网络的研究：这部分里，作者以所在部门正在研究的一个网络为例，并强调这是北美地区最典型的预研网络框架。该光网络共有55个节点和70多条链路，所有节点中，大概60%具有两个交叉度，25%有三个交叉链路，15%有四个交叉。平均链路长度是470km，其中最短25km，最长1110km。该网络可以支持1, 5, 10, 20, 50, 和 100 Tb/s六种传输速率，而单一波长的调制速率从2.5到640Gb/s内变化，通道保护方面，40%的链路采用了一对一的保护方案，而剩下的链路是没有保护的。整个网络具有并行的OADM功能。该网络也承担者有关CSRZ-DPSK调制格式信号在长距离应用效果的测试工作。从目前的测试情况来看，作者认为在这样的网络里，以1000km的工作距离来看，实现单通道640Gb/s的传输速率是完全可行的。但从经济的角度来看，作者也承认这样的传输容量暂时是没有使用价值的。最后再来看类似网络的成本分配问题。如果要实现1Tb/s的总传输容量，在总成本中，光放大器、终端光网络元件、疏导/路由单元、收发机和3R器件所占的成本比例分别为40%、17%、17%、23%和3%。而要实现100Tb/s的总传输容量，这一比例分配相应变为9%、1%、40%、35%和15%。很容易理解，传输速率的提高意味着系统受色散非线性的影响变强，也意味着发生阻塞的概率增大，因此相应的信号再生以及业务疏导系统就会变得更复杂，成本自然也就更高。
4. 研究重点：（1）单通道速率。（a）作者首先还是从网络成本的角度来看这个问题，从研究结果来看，对特定的总网络容量，存在一个最佳的单通道速率，使得系统成本最低。例如当总的传输容量分别为1、5、10、20、50和100Tb/s的时候，作者认为最佳的单通道调制速率分别应为2.5（或10）、10、10（或40）、40、40（或160）和160Gb/s。（b）作者接着又从传输容量和调制格式的角度来看这个问题，认为对确定的单通道调制速率，要让系统性能可靠，也存在一个最大波长使用数量（对应的也就是存在一个最大网络容量）。例如，如果单通道调制速率为2.5Gb/s时，可用的波长数量应该低于482个。调制格式方面，作者主要谈到了DPSK，而至于高调制速率容易收到色散损伤等问题以前多次提到这里就略过了。（c）对较高的单通道调制，在网络里使用3R单元是必需的，且希望实现全光3R功能，这也要求具有灵活快速的波长转换功能。（d）作者提到了多光纤传输的概念，说这样可以降低单光纤传输容量要求，放大波长间隔，但也提到了它的劣势，最明显的是必需对每个光纤单独放大等。（2）交换粒度：（a）波长交换，显然这是粒度较精细的交换方式，但也是最复杂的交换模式，如果外部有n个光纤接头，而单根光纤内使用了m个波长，那交换面阵的维度就达到了n*m。作者指出，最大可供交换的波长数量其实是直接受到单通道调制速率影响的，例如对160Gb/s的单通道调制速率，可以供交换的波长数应该小于650个。（b）波长组交换，这是对波长交换的粒度放宽，例如可以将4个40Gb/s传输的波长作为一个组，和一个160Gb/s的波长一起进行交换。（3）业务疏导：为了应对网络阻塞，作者强调了业务疏导的重要性。（a）边界疏导，也就是只在在网络节点接入端和输出端来疏导业务，这样能够采用电子元件来实现相关功能，降低系统成本，但显然灵活性并不好。（b）与之相对的当然是带间业务疏导，显然其灵活性好，但也更复杂。
5. 光交换网：作者提到未来网络交换以及全光OADM功能，都将是一种波长选择性的交换，对特定的交换模块，均包含本地端口和一些网络端口。所有的光收发机都可以和任何网络端口取得连接，以便增强其可重构性。此外，未来的光交换系统也应该承担一些附带功能，比如应该能让一个光收发机的信号广播式的进入多个网络端口（但同一时刻一般端口数也只有两三个，因此分束功耗不会很大），也需要能提供性价比更高的光学层保护。因为未来光交换网能具有更加灵活的接入与切换模式，所以通常网络端口数会远多于本地端口数目，作者认为两者可以维持在3:2的比例上。且作者暗示在光交换系统内也应该含有信号再生功能，并且认为可以采用两个背靠背的双工光收发机通过合适的连接来完成这样的功能。
6. 链路保护：随着光网络的不断升级，链路连接变得越来越复杂，因此作者强调必须在光学层以上提供链接的保护。通常光学层的保护已经可以提供至波长粒度的保护，但作者认为这并不足够，因为仅在光学层有保护是很难对IP路由的链接失败进行恢复的。而在这点问题上作者也并没有给出更有趣的解决方法，只是谈到了专注保护和共享保护两种保护的比较，甚至谈到为了避免多重链路失败（也就是说在一个链路断了，使用备用的，可由于维修时间一般要几个小时，因此期间可能再次产生链路失败）而采用两个备用光纤的内容，此外，作者似乎并不赞成共享式的保护方案，只罗列了一大堆它的缺点。但对我而言也许并不会认为这种多重备用的方法是一个让人信服的解决方案，无论从成本还是系统资源利用上来看，这都太浪费了。
最后作者还提到了光学控制等方面的内容，强调了实现智能化控制的必要性。但这部分内容相对空泛，也比较简单，就不再这里介绍了。
作者：浙江大学 宋军 博士
本期有一篇特邀论文，名字叫做“下一代核心光网络的发展动向”。乍一看这真是一个很大的标题，通常使用这种标题的文章，要么就是内容空洞的泛泛之谈，要么则是高瞻远瞩的倾力之作。但看到作者单位，相信我们会认为它属于后者。这篇特邀论文来自于美国国防部下属的高级研究计划局。而作者Adel A. M. Saleh更是该部门网络研究方面的项目主管。因此他的文章通常能代表着美国政府支持下的光通讯研究方向，也许是能反映全球光通讯发展的趋势。因此本期我们着重看一下这篇文章，其篇幅很长，有二十页。再考虑到本期其他论文有实质性的内容并不多，所以限于篇幅，本期只能把侧重点放在这里。首先，纵观全文，作者反复强调了当前迫切需要突破的三项技术：（1）传输网调制格式的改进；（2）交换粒度（这是一个反映光交换业务灵活度的参数，粗略的看可以分为波长交换、波长组交换和光纤交换三个层次）的升级；（3）边界业务疏导（边界是指仅在网络节点入口或出口位置疏导）。下面我我们再从内容上来简单概括一下这篇文章：
1. 应用要求：（1）在下一代光网络的应用角度，作者首先谈到的是容量这个词。对容量提升的动力要求作者提到主要来自不断增长的用户数量以及超带宽应用的迫切。而对普通用户而言，使用上升最快的应该是和视频相关的业务。作者提到在美国近两年要实现的是100Mb/s的单用户接入速度，部分地区将要达到1Gb/s；（2）为了满足更高的用户服务质量要求，作者提到基层协议更新的重要性。例如，对快速发展的企业局域网络业务，作者重点提到了VPLS（虚拟专用局域网服务）的意义，这是一种充分结合了以太网和MPLS核心技术的多用户服务解决方案，可以将分散的用户直接联系起来，即相对广域网所有用户位置是透明的。因此它除了具有以太网的优势，还具有更好的扩展性、可靠性及QoS等能力。最后作者谈到对美国，未来五年左右实现100Gb/s的以太接入也是很可能的。（3）接下来作者提到的一个光网络快速发展的应用领域是网格计算，通常这是一种专门针对复杂科学计算的新型计算模式，伴随互联网的发展，可以把分散的电脑组成一个虚拟的超级计算机，每台机器相当于一个节点，数不清的节点铺成一个网络，这样可以有效利用每台计算机的闲置资源，增强数据处理能力，比较著名的实例如TeraGrid等。作者谈到在未来几年，这样的网格计算将不再仅仅局限于科学计算，而将进一步扩展到商业领域和军事应用。而对某些特殊应用，如天体物理学的计算，作者提到通常需要几个Tbit/s的处理能力。面向这些要求，必须采用更加灵活，更加动态的链接模式，例如使用波长网格等。而在军事上这种网格化的计算作者提到了两个实例，其一是传感器网格，即在海陆空放置大量的有源、无源传感器，对敌军位置，危险突袭等情况进行快速分析，识别；其二就是著名的“全球信息栅格”计划，这是美国国防部耗资几十亿美元的一个大计划，采用因特网协议为全球军事部门间提供安全、高速的保密和非保密信息传输，系统通过光纤链接提供10Gb/s的传输速度。
2. 核心网络框架：这一部分作者的思路还是围绕着网络框架进化的角度叙述的。也就是说先陈述了第一代光网络（典型的O-E-O）模式的特性，然后回顾了现在光网络的进展（当然最主要的还是抛弃了光电转换的环节）。最后再展望了下一代的光网络情况。前一部分，我们将略过不谈，只从近期网络框架发展说起。作者提到近期的商用光网络均以提供10Gb/s的传输速率为主，并且一般具有向40Gb/s兼容的能力，而现在单光纤可利用的带宽一般在0.8–3.2 Tb/s左右。而对高速传输，作者也提到了色散补偿的重要性，并指出使用色散补偿光纤不仅价格昂贵，而且由于是静态补偿，不能达到精确的补偿效果。这里作者特别指出在发射接收端，对每个通道采用电子色散补偿将会是一种很有应用潜力的技术。
3. 当前光网络的研究：这部分里，作者以所在部门正在研究的一个网络为例，并强调这是北美地区最典型的预研网络框架。该光网络共有55个节点和70多条链路，所有节点中，大概60%具有两个交叉度，25%有三个交叉链路，15%有四个交叉。平均链路长度是470km，其中最短25km，最长1110km。该网络可以支持1, 5, 10, 20, 50, 和 100 Tb/s六种传输速率，而单一波长的调制速率从2.5到640Gb/s内变化，通道保护方面，40%的链路采用了一对一的保护方案，而剩下的链路是没有保护的。整个网络具有并行的OADM功能。该网络也承担者有关CSRZ-DPSK调制格式信号在长距离应用效果的测试工作。从目前的测试情况来看，作者认为在这样的网络里，以1000km的工作距离来看，实现单通道640Gb/s的传输速率是完全可行的。但从经济的角度来看，作者也承认这样的传输容量暂时是没有使用价值的。最后再来看类似网络的成本分配问题。如果要实现1Tb/s的总传输容量，在总成本中，光放大器、终端光网络元件、疏导/路由单元、收发机和3R器件所占的成本比例分别为40%、17%、17%、23%和3%。而要实现100Tb/s的总传输容量，这一比例分配相应变为9%、1%、40%、35%和15%。很容易理解，传输速率的提高意味着系统受色散非线性的影响变强，也意味着发生阻塞的概率增大，因此相应的信号再生以及业务疏导系统就会变得更复杂，成本自然也就更高。
4. 研究重点：（1）单通道速率。（a）作者首先还是从网络成本的角度来看这个问题，从研究结果来看，对特定的总网络容量，存在一个最佳的单通道速率，使得系统成本最低。例如当总的传输容量分别为1、5、10、20、50和100Tb/s的时候，作者认为最佳的单通道调制速率分别应为2.5（或10）、10、10（或40）、40、40（或160）和160Gb/s。（b）作者接着又从传输容量和调制格式的角度来看这个问题，认为对确定的单通道调制速率，要让系统性能可靠，也存在一个最大波长使用数量（对应的也就是存在一个最大网络容量）。例如，如果单通道调制速率为2.5Gb/s时，可用的波长数量应该低于482个。调制格式方面，作者主要谈到了DPSK，而至于高调制速率容易收到色散损伤等问题以前多次提到这里就略过了。（c）对较高的单通道调制，在网络里使用3R单元是必需的，且希望实现全光3R功能，这也要求具有灵活快速的波长转换功能。（d）作者提到了多光纤传输的概念，说这样可以降低单光纤传输容量要求，放大波长间隔，但也提到了它的劣势，最明显的是必需对每个光纤单独放大等。（2）交换粒度：（a）波长交换，显然这是粒度较精细的交换方式，但也是最复杂的交换模式，如果外部有n个光纤接头，而单根光纤内使用了m个波长，那交换面阵的维度就达到了n*m。作者指出，最大可供交换的波长数量其实是直接受到单通道调制速率影响的，例如对160Gb/s的单通道调制速率，可以供交换的波长数应该小于650个。（b）波长组交换，这是对波长交换的粒度放宽，例如可以将4个40Gb/s传输的波长作为一个组，和一个160Gb/s的波长一起进行交换。（3）业务疏导：为了应对网络阻塞，作者强调了业务疏导的重要性。（a）边界疏导，也就是只在在网络节点接入端和输出端来疏导业务，这样能够采用电子元件来实现相关功能，降低系统成本，但显然灵活性并不好。（b）与之相对的当然是带间业务疏导，显然其灵活性好，但也更复杂。
5. 光交换网：作者提到未来网络交换以及全光OADM功能，都将是一种波长选择性的交换，对特定的交换模块，均包含本地端口和一些网络端口。所有的光收发机都可以和任何网络端口取得连接，以便增强其可重构性。此外，未来的光交换系统也应该承担一些附带功能，比如应该能让一个光收发机的信号广播式的进入多个网络端口（但同一时刻一般端口数也只有两三个，因此分束功耗不会很大），也需要能提供性价比更高的光学层保护。因为未来光交换网能具有更加灵活的接入与切换模式，所以通常网络端口数会远多于本地端口数目，作者认为两者可以维持在3:2的比例上。且作者暗示在光交换系统内也应该含有信号再生功能，并且认为可以采用两个背靠背的双工光收发机通过合适的连接来完成这样的功能。
6. 链路保护：随着光网络的不断升级，链路连接变得越来越复杂，因此作者强调必须在光学层以上提供链接的保护。通常光学层的保护已经可以提供至波长粒度的保护，但作者认为这并不足够，因为仅在光学层有保护是很难对IP路由的链接失败进行恢复的。而在这点问题上作者也并没有给出更有趣的解决方法，只是谈到了专注保护和共享保护两种保护的比较，甚至谈到为了避免多重链路失败（也就是说在一个链路断了，使用备用的，可由于维修时间一般要几个小时，因此期间可能再次产生链路失败）而采用两个备用光纤的内容，此外，作者似乎并不赞成共享式的保护方案，只罗列了一大堆它的缺点。但对我而言也许并不会认为这种多重备用的方法是一个让人信服的解决方案，无论从成本还是系统资源利用上来看，这都太浪费了。
最后作者还提到了光学控制等方面的内容，强调了实现智能化控制的必要性。但这部分内容相对空泛，也比较简单，就不再这里介绍了。
