光分组网节点结构研究的现状与演化趋势  
 

1 引言

　　随着互联网应用的不断丰富，以 IP为核心的数据业务持续按指数规律增长，并已在某些地区超过语音业务量。这些变化给包括光网络在内的通信网整体架构、组网形态、节点技术和传送承载能力等诸多方面带来了深刻影响。传统的电交换承载网络显露出日益严重的电子瓶颈问题，因此，基于光交换技术的网络将是未来承载 IP业务的必然选择。

2 光分组网是高速高效的智能光网络

　　光交换技术可分为波长交换和分组交换。波长交换实质上是光层上颗粒巨大的电路交换，其交换粒度和带宽分配机制适于构建业务流量平滑且持续时间长的光传送平台，但不能灵活地实施带宽分配、流量管理和业务接入；因而现有光网络不适合支持 IP等数据业务且带宽资源利用率很低，网络瓶颈已经从传输环节转移到交换节点上。

　　要解决交换节点的瓶颈，就必须实现带宽资源的共享，实施光层上动态的灵活的资源分配机制。这一功能不可能在颗粒巨大的波长级别上实现，而能在光分组的级别上实现。

　　应运而生的光分组交换(OPS)是分组交换技术向光层的延伸，简单说是以光分组的形式来承载业务数据，传输在光域中进行，而路由和控制在光域或电域中进行。就承载突发性大且分布非对称的 IP等数据业务而言，0PS技术具备高速、高效、高度灵活性、透明性、可升级性、可重构性和控制管理简单等诸多优势。首先， 0PS按统计时分复用的方法灵活快速地分配带宽，所以网络资源利用率高。其次，根据数据业务突发性较大和非对称的特点，可采用突发交换(0BS)和广义多协议标签交换(GMPLS)等机制简化控制和开销，实现快速路由。再者，OPS中数据交换的粒度多样化，易于实现终端业务的接入，并便于实施流量管理。最后，OPS对数据速率和格式及高层协议透明，进而信令、计费和网管简单，利于降低运营成本。因此， OPS能解决网络瓶颈并满足多样化的未来业务需求，并已逐渐成为研究热点。

　　在欧洲较早开始的相关项目有ATMOS、KE0PS和WASPNET等，这些项目建立了OPS网络的试验平台。此外，始于 l999年的 ROM项目和始于2000年的DAVID项目研究了0PS在广域网与城域网中的应用，并演示了差别业务和 QoS保证等方案。北美和亚洲地区的相关项目也在进行中，如美国普林斯顿大学参与的POND项目。其它研究机构还有贝尔实验室（Bell Labs）、华盛顿大学、加州大学戴维斯分校、日本富士通、NTT、NEC公司和CRL/Osaka大学等等。在光通信领域举足轻重的盛会 OFC2002中，涌现了近 20篇有关 OPS的研究论文和成果报道，涉及到从器件、系统到网络方案的各个层面。如此多文章集中于同一焦点，在以往是少见的，这充分体现了各国研究机构对OPS研究的高度重视。

　　国内对 OPS的研究起步晚于欧美，主要的研究机构有北京邮电大学、清华大学、北京大学、上海交通大学和上海大学等的相关实验室，研究内容主要集中于交换机制和结构、媒质接入控制(MAC)建议、光缓存方案仿真。和 OPS中的高速光器件等。

　　在这里，我们不对光分组网的整体方案或某项具体技术进行详细描述，而着眼于较全面地比较和总结各类光分组网的节点结构，分析其优缺点，并展望光分组交换的应用前景和光网络节点演化的趋势。

3 光分组交换节点概貌

　　光分组网(0PN)是在光域上实现分组交换技术的智能光网络，大致可分为三层：底层是物理层，与光纤链路的物理特性直接相关；顶层是业务层，由异步传输模式(ATM)、同步数字体系(SDH)和 IP等构成；中间层是光层，提供、配置并重构波长通路与端到端的光分组通道，完成光传输和分组交换。相应地， OPN的基本功能可总结为波长交换、光分组路由、流量控制、冲突排除、同步、信头识别与处理、级联能力等。这些功能由 OPS节点来完成，在此意义上 0PS节点是 OPN的核心。

　　OPS节点继承了现有 WDM光网络中光交叉连接设备(OXC)的基本结构，如合波与分波环节、波长变换、空分交换矩阵、上下路环节和光监控模块等。此外，OPS节点还具备一些特有的功能实体来完成同步、信头处理、竞争排除等特殊功能。大体上可以把 OPS节点分为四个子系统，即交换矩阵、路由控制处理器、输入模块和输出模块。

　　输入模块的功能是光信号的预放大和同步、净荷定位、信头提取、光信号缓存，可能含有波长转换或光电转换功能。在同步0PS中，输入端的同步主要完成数据包在时间上和相位上的校准，以消除传输时延差。

　　输出模块的功能是数据缓存、净荷定位、信头插入、输出同步、信号放大，可能含有波长转换和光电转换、以及 2R/3R功能。输出端的缓存是为了配合净荷定位与信头插入操作，或解决资源冲突。在同步 0PS中，输出端同步主要用于消除时钟抖动。

　　交换矩阵和控制单元负责数据包的寻路或上、下路，解决冲突，并完成必要的信头擦除工作。交换矩阵和接入模块之间要配置光缓存单元，从而在信头处理和交换配置过程中缓存数据净荷。

　　OPS节点的核心是光交换矩阵，由光交换单元组成。节点的交换速率、吞吐量、可扩展性和可靠性等主要取决于光交换单元的性能。目前已推出产品的光交换单元有阵列波导光栅(AWG)、微电机械系统(MEMS)、半导体光放(SOA)开关、声光开关几种。其中， AWG、S0A开关和 LiNb03声光开关(AOTS)的动作速度较快，适用于光分组交换矩阵。三维高速 MEMS技术在 OPS中的应用还有待研究。在 OPS中一般要求交换单元的动作时间在纳秒级，要求节点处理光分组的时间在几百纳秒。目前对纳秒级光开关的研究成果已不鲜见，相信会不断有更令人振奋的成果发布出来。

4 先分组交换节点结构

　　0PS节点结构大致有纯粹的空分交换型、波长广播—选择型和波长路由型三类。

　　4．1 纯粹的空分交换型 OPS节点

　　这类节点中，输入模块的分波器将不同波长的光分组分解开，经过信头处理后，由可调谐波长转换器将光分组调制到目标输出端的空闲波长上。以波长为单位的空分交换矩阵将光分组交换到目标输出端。输出模块一般配置有光纤延时线(FDL)阵列，以便适当地延迟因冲突而受阻的光分组。

　　4．2 波长广播—选择型 OPS节点

　　这类 0PS节点将各个波长通道的光信号广播到所有输出端，再由波长选择开关或波长滤波器取出相应的通道信号。

　　KEOPS项目田即采用了这类 0PS节点。其端口规模为16x16，同步操作，净荷速率 10Gb/s，可实现组播。在输入模块里，波长转换器将同一时隙到达的光分组调制到不同波长上，再由合波器将这些光分组复用到一起。在缓存与广播模块里， l×K的分光器将WDM光分组信号分为 K等份并送至的 FDL阵列，从而使所有波长上的光分组都得到 K种延时。每种延时下的光分组信号再被分为 16份，然后被广播到输出模块。输出端的光开关先对 WDM光分组信号进行地址和延时筛选，再把 WDM光分组信号分解开并进行波长筛选。只有延时、波长、地址都恰当的光分组才被送至输出链路。

　　在上述 KEOPS项目的 OPS节点中，光缓存功能是由一系列l×K和 l×16的光分支器和电控光开关来实现的。最近，荷兰 Eindhoven大学的研究组改进了这种OPS节点的光缓存功能网。当两个相同波长的光分组同时去往同一个节点输出端(即发生冲突)时，高优先级的光分组可以不经延迟而直接通过，并能控制全光阈值开关来决定低优先级的光分组是否被延迟。其中，全光阈值开关由藕合的半导体光放(SOA)双环路来实现。这种全光的缓存设计不仅速度快，还促进光分组网中QoS的实现。

　　波长广播—选择型 OPS节点通常具备树形结构，不需要繁琐的路由操作，利于减少同频串扰，且利于实现组播功能，适用于网径不大的 OPS城域网和局域网。但设计这类节点时需要考虑功率损耗问题，因此通常采用SOA光开关，以便同时实现开关功能与信号放大功能。

　　4．3波长路由型 OPS节点

　　这类 OPS节点通常具有波长模块化结构，进入节点的光分组先被分彼器分解开来，每个波长的光分组占用一个交换模块，整个交换矩阵由多个这样的模块“并联”而成，所以交换矩阵在连接关系上是波长分离的，通过交换矩阵之后所有的光分组被耦合器或者合波器复用到一起。

　　其中的单波长交换模块一般可分为排除冲突子系统和空分交换子系统，第一个子系统的交换矩阵和FDL阵列根据光分组的波长排除资源冲突，第二个子系统的空分交换矩阵根据波长将光分组交换到目标输出端。例如，缓解冲突子系统由N个可调谐波长转换器(TWC)、两个K×K阵列波导光栅(AWG)和FDL阵列组成。其中，FDL阵列能将光分组延时0至M-1个时隙。自第i个输入端进入排除冲突子系统的光分组经过恰当的延时后必将从第 i个输出端送出。空分交换子系统由 N个可调谐波长转换器和一个N×N的 AWG组成，负责将无冲突的光分组交换到节点的目标输出端。

　　WASPNET项目的OPS节点就属于此类型。因为波长路由型 OPS节点具有波长模块性，所以大都具备良好的容量升级性能。节点的光损耗较小且系统硬件复杂性较低，集成度较高因而系统可靠性较高，适用于广域网和网径较大的城域网。但这种节点控制过程较复杂，此外，集成度高的负面影响是易于引起光分组通道间的串扰。

　　最近，挪威科技大学的研究组对这种 OPS节点的单波长模块进行了改动。新方案仅需一个(K+M)观×(K+M)的 AWG，采用可调谐波长转换器和共享反馈式的电存储器来排除网络冲突。其优点是节点扩容时缓存单元数量不会成倍增长，既可用于同步 OPS，又可用于分组长度可变的异步 OPS，且成本较低；但因采用电存储器而使节点交换速度受限。

　　4．4 Tb/s级的混合型OPS节点

　　阿尔卡特公司于2002年成功地演示了容量为2．5Tb/s的OPS节点，该节点实施批量波长路由，就是将多个波长的光分组打成 WDM包进而实施批量路由。其排除冲突子系统由星形耦合器连接两排SOA开关阵列构成。在某一时隙里每排SOA阵列中只有一个SOA开关处于导通状态，以防止发生冲突。波长路由子系统仍由 AWG构成。该节点仅由单板构成，结构紧凑且易于集成；能对 WDM光分组进行批量路由；还具有串扰小，对偏振模式不敏感等优点。

　　NTT公司则毫不示弱地演示了交换容量为 5Tb/s的混合型OPS节点。该节点属于多级结构，每级由64个基本交换单元构成，每级内部采用纯粹的空分交换，而级与级之间借助 AWG实现波长路由。

　　ROM项目所研究的骨干网OPS点也采取批量波长路由方式，吞吐量高达10Tb/s，但更值得一提的是该项目演示的1Tb/s城域网OPS节点。这种节点属于空分交换与波长路由的混合型，采用了立体式交换层次结构。此设计方案是从逻辑上将2维交换拓展成3维交换的典型示例。

　　4．5 环形光分组网节点

　　近来，不少研究机构提出并演示了针对环形城域网和局域网的 OPS节点。这类节点的共同特点是采用了光电混合的交换方式。依靠波分复用／解复用器、耦合器、F7DL、光环形器和布拉格光纤光栅(FBG)等器件，光分组完成在光域中环网上的传输和节点的上下路，而下路后的交换通过电交换矩阵完成。其中，澳大利亚墨尔本大学提出的 OPS节点分分布式控制和主从式控制两种，速率可变；奥地利 Vienna理工大学的方案是留出专用波长作为环形分组网中的媒质接入控制(MAC)通道；美国 Stanford大学在 HORNET项目中提出的OPS节点则以副载波复用(SCM)方式提供光分组的开销与控制。

　　AT&T实验室提出并演示的环形分组网节点在上下路方案设计上尤为巧妙，上路前各个波长上的光分组为串行方式，它们经过光环形器而被送入串并变换装置。串并变换装置由一系列 FDL和中心波长不同的 FBG组成，不同波长的光分组在此处经过不同的延时而被反射回光环形器，从而完成串并变换，成为 WDM包。再由 2x2光开关 T和 S来排除冲突并在恰当时隙内将 WDM包送上环网。下路过程原理类似，此处不赘述。

　　除上述几种节点类型以外，还有其他一些独具特色的OPS节点。比如DAVID项目的OPS节点采用了基于SOA开关的交换矩阵和波长模块化的结构，适用于城域环形网；POND项目紧密结合 DWDM和OTDM技术，设计了以 LiNbO3交叉光开关和Terahertz光学非对称解复用器(TOAD)为特色的超高速 OPS节点；还有级联了许多小规模光分组交换系统进而光缓存深度很大的 SLOB节点。上述各种 OPS节点是针对同步 OPS提出的，因此最近日本 Osaka大学提出并演示的高速异步 OPS节点结构显得十分引人注目。随着光分组交换研究的深入，会有更加高速高效、功能更完善、结构更合理的 OPS节点被设计出来。

5 分组交换是光网络发展的自然趋势

　　鉴于以往的巨大投资，光网络中的电路交换技术仍将在今后一段时间内起主要作用。现在光网络中电路交换与分组交换两种技术正在逐步地融合，表现为许多上层网络功能不断向光层转移，光网络节点的交换粒度亟待减小，因而权且在光域上实施电路交换以提供超大带宽的传输功能而在电域上实施小于波长级的多粒度交换。可见人们已经意识到解决现有网络问题离不开分组交换，电层和光层都需要智能化。

　　人类对带宽的追求永无止尽，不积极开发光层的智能性就会在未来多样的业务需求面前捉襟见肘。虽然 40Gb/s的电子器件已有商用化产品，但即便不考虑成本和复杂性，电子技术也终将趋近其速率极限，终将不胜任于未来动态的超大带宽的业务需求。并且，电子技术不具备对数据格式、速率以及高层通信协议的透明性，使网络控制和管理功能十分繁琐复杂，进而在互连异构网络和提供多业务环境时造成极大的困难。

　　数据业务量正在迅速增长，并在北美等地区已经超过了传统语音业务量。高速、高效、高度灵活的光分组交换技术更适于支持各种业务数据格式一计算机通信数据、话音、图表、视频数据和高保真音频数据、及未来的趟媒体业务，易于实现10Gb/s速率以上的操作，且对数据格式与速率完全透明，更能适应快速变化的网络环境，能为运营商和用户带来更大的收益。因此，未来光网络节点离不开分组交换而分组交换终将向光层渗透，从而 OPS是未来光网络中极为重要的交换技术，并将首先在业务粒度多样化和业务上下路频繁的城域网中应用起来。

　　自 19世纪70年代以来，分组交换网经历了从X．25网、帧中继网、信元中继网、ISDN到 ATM网的不断演进，以至今天的光分组网逐渐成为被关注和研究的热点。光网络由过去的点到点 WDM链路发展到今天面向连接的自动交换光网络(ASON)，再演进到下一代 DWDM基础上宽带电路交换与分组交换融合的智能光网络。我们期待，光网络节点也相应地由过去半静态的交叉连接发展到能动态指配和快速恢复的OXC/OADM节点，并将演化为将来高速、高效、高能、高度灵活的 OPS节点。

                                                                 （信息来源：中国联通网）