北京郵電大學光通信中心 季偉
摘要：敘述了當前用于WDM網絡中，傳送IP的各種技術。具體分析了各種技術存在的優缺點。指出了IP over WDM即光互聯網技術將是未來互聯網技術的發展方向。
關鍵詞：IP， WDM， 光分組交換，ATM，SDH， MPLS
Abstract: In this paper, we described all kinds of technologies used in transmitting IP in WDM networks. Analysed the merit and defect of each technology. We draw the conclusion that IP over WDM is the developing direction of the Internet network.
Key words: IP, WDM, Optical Packet Switching, ATM, SDH, MPLS
一、概述
當今通信領域有兩大顯著發展趨勢：第一、IP業務流量激劇增長, 基于IP網絡和基于IP業務的增長勢如破竹、如火如荼，已成為世界矚目的焦點和推動全球信息業發展的主要力量，并給整個網絡的技術模式、整體架構及業務節點的實現方式、組網形態、業務能力等諸多方面帶來了深遠的影響。目前世界各國都把IP網絡作為21世紀國家基礎設施建設的重點加速發展，以爭取在未來激烈的競爭中占據優勢，“Everything on IP”正逐漸成為現實。隨著基于IP的語音、視頻和其它多媒體應用業務的發展，到2005年IP業務量可望達到280Tb/s。第二、WDM技術的成熟使得以較低成本提供巨大的網絡容量成為現實，在此基礎上形成了WDM光層。特別是DWDM技術對網絡的升級擴容、發展寬帶新業務、充分挖掘和利用光纖帶寬能力、提高通信系統的性價比和經濟有效性、滿足不斷增長的電信和因特網業務的需求實現超高速通信具有十分重要的意義。在越來越多的光傳輸系統升級為WDM或DWDM系統，以及在DWDM技術逐漸從骨干網向城域網和接入網滲透的過程中，人們發現DWDM技術在提高傳輸能力的同時，還具有無可比擬的聯網優勢。如何將這兩大趨勢結合發展，即如何實現IP分組在WDM光網上的優化傳輸成為當今研究熱點。
本文較詳盡地討論了目前實現IP分組到WDM光通道映射的各種方案。分析了正在研究中的各種基于傳統協議分層結構的IP over WDM方案。最后介紹了多協議波長交換和光分組交換這兩種新方案，指出了光互聯網的發展方向。
二、用于WDM光網絡上傳送IP業務的適配技術
如何將IP業務適配到WDM光層上進行傳輸，截止到目前，被提出使用的技術方案如圖1所示：
下面對上圖列出的幾種主要適配技術進行詳細介紹。
（1） IP /千兆路由器（GE）/WDM技術。這種技術是以主要的IP網絡提供商和IP路由器生產廠家為代表，利用最新的吉比特路由器技術升級現有路由器，使其具有更高吞吐量和更高的業務質量管理能力。主要是通過軟件硬件化、采用并行或大規模并行計算技術、增加具有業務質量保證的新協議和提供帶寬管理能力等方法來實現。這種技術的最大缺點是受“電子瓶頸”限制,不提供QoS保證,而且高效率的塊編碼方案、路由更新時間、長距離傳輸的抖動(jitter)和定時(timing)等問題還有待解決。
（2） IP/ATM/WDM技術。IP數據包在ATM層封裝為ATM信元，數據以ATM信元的形式在信道中傳輸。當網絡中的交換機接收到一個IP數據包時，它首先根據IP數據包的IP地址進行處理，按路由轉發。隨后，按已計算的路由在ATM網上建立虛電路VC，以后的數據包將在此VC上以直通方式傳輸而不再經過路由器的地址解析處理。從而有效地解決了IP路由器的“瓶頸”問題，提高了IP數據包的交換速度。
（3） IP/ATM/SDH/WDM技術。這種技術的適配過程分3步：1.使用多協議邏輯鏈路控制LLC(multi-protocol logical link control)協議或子網接入點SNAP(sub network attachment point)協議將IP包封裝在AAL5適配層中；2.由通用段匯聚子層CPCS(common part convergence sub-layer)協議數據單元PDU(protocol data unit)將AAL5中數據分段成48bytes的ATM信元；3.將ATM信元映射進SDH幀中。在這種適配方式中，IP層提供了簡單的數據封裝格式；ATM層重點提供了端到端QoS；SDH層重點提供了強大的網管和保護倒換功能；光層主要實現波分復用和為上一層的呼叫選擇路由和分配波長。這種方案可提供155Mb/ｓ和622Mb/ｓ的堅固的傳輸。由SDH層提供通路保護、性能管理能力及保護倒換功能,而ATM提供虛通路的靈活的帶寬分配功能。
（4） IP /PPP /HDLC/ SDH/WDM技術。這種技術將IP包映射到SDH的方法是使用PPP(point to point)協議(IETF RFC1661)和HDLC(high level data link control)協議(IETF RFC1619)(ITU-T建議Ｇ.707)。它的映射過程是：IP包先被封裝到PPP包中,PPP協議提供多協議封裝、錯誤控制和鏈路初始控制。然后封裝在PPP中的IP包按照IETF RFC 1662使用HDLC協議成幀和將映射的字節排列到SDH的SPE(synchronous payload envelope)中。HDLC的主要功能是劃分通過同步傳輸鏈路的PPP封裝的IP包。
（5） IP / SDL/WDM技術。SDL是為彌補HDLC協議在高速傳輸（1Gb/S以上）時的不足設計的。它可對同期到達的可變長度報文提供高速分幀功能。SDL的幀是可變長的，其結構由凈荷長度標識、分別對頭和冗余校驗CRC構成。當接收端一旦獲得了一個SDL幀,則后續的SDL幀能夠通過使用凈荷長度域來劃分出來。在幀的劃分過程中,每一個SDL幀頭的CRC都被驗證。如果CRC無效,而且凈荷長度域也無效時,則一個類似于ATM的頭錯誤控制HEC(header error control)的搜索(hunt)被啟動直到獲得一定量連續有效的CRC校驗碼。所以，采用SDL幀結構可提供高速、可靠的傳輸。
（6） IP / MPLS/WDM技術。多協議標簽交換MPLS(Multi-protocol Label Switching)技術被業界認為是當今數據網絡領域內最有前途的網絡解決方案之一。它可有效解決傳統Internet網絡所面臨的問題并提高其靈活性、傳輸速率和節點吞吐量。MPLS網絡采用標準分組處理方式對第三層的分組進行轉發,采用標簽交換對第二層分組進行交換,從而實現了快速有效的轉發。MPLS的實用價值在于它能夠在像IP這樣的無連接型網絡中創建連接型業務,并提供完善的流量工程TE(Traffic engineering)能力。專家指出，MPLS有助于簡化復雜的網絡結構，使網絡的總體成本降低50%。目前MPLS的標準正在制定中,但是理論研究表明，它的自愈恢復時間能夠達到與SDH相當的水平。
三、光互聯網技術的發展趨勢
以上介紹的目前幾種常用的IP over點到點WDM系統，它們在很大程度上緩解了IP業務的迅速發展對帶寬的渴求.但是,隨著Internet流量的迅速膨脹,這類技術的固有缺陷也逐漸凸現出來。首先, 多層協議結構造成大量系統冗余開銷，下表列出了了不同映射方式對應的不同開銷水平。
系統功能冗余、運營維護成本高。WDM系統僅充當點到點的高帶寬傳輸通道,IP分組的交換和路由仍依賴于路由器，成為嚴重制約系統發展的電子瓶頸。光層不具備智能,其資源調度策略不能與IP業務的統計特點相匹配,網絡資源利用率低.。隨著各種新技術和新思路的不斷涌現,尤其是多協議標簽交換(MPLS)向光層的滲透,網絡各層的功能將重新整合,多層協議棧會逐漸坍塌。最終,IP over WDM光網絡將向著緊湊的集成模型演進，如下圖所示。
具體來說,演進過程可分成3個階段：IP over點到點WDM光鏈路、IP over波長交換光網絡和IP over光分組交換網。由IETF提出的多協議波長標簽交換(MPλS)，就是一種將MPLS流量工程控制與波長交換光網絡相結合的新技術，它將標簽交換的概念擴展至包括波長選路和波長交換的光通道.MPλS的交換顆粒是波長,標簽是信道或者波長，利用IP選路協議來發現和廣播網絡拓撲，利用MPLS信令協議來實現波長通道的自動指配。
為了徹底解決電子瓶頸問題,高效地承載數據業務,我們需要一種能夠直接在光域復用、交換和傳送IP分組的光網絡技術——分組交換光網絡。光分組交換是指在光域實現分組交換的智能光網絡技術，其概念與電的分組交換類似，只不過交換單位是高速傳輸的光分組。由于光邏輯器件和光緩存器件至今還未實用化，光分組交換一般采用光電混合的辦法實現:光分組凈荷承載用戶數據，在光域實現高速的傳輸和交換，光分組頭由低速控制信號構成,在網絡節點經光電變換后在電域處理,實現復雜的路由和控制。另外，采用光突發交換（OBS）技術，也可降低系統對光緩存器性能的要求，成為光互聯網向光分組交換網發展過程中，一種較為有效的過渡技術。
四、結論
縱觀IP與光網絡的發展與融合過程，建立基于IP和WDM技術的全球網絡,具有健全的互連互通體制,這一點將是非常關鍵的。目前，以IP over WDM為核心的光互聯網技術正由ITU-TTG15和光互聯網絡論壇進行標準化工作。IP over點到點WDM光鏈路解決了IP業務對帶寬的渴求，但電子瓶頸和復雜的網絡結構限制了它的進一步發展；IP over波長交換WDM光網絡將智能和光交換引入光網絡，使其經歷了歷史性的變革，但波長交換光網絡交換顆粒太粗,其資源分配策略適于面向連接的業務，與IP業務的統計特性不相符。而且同樣存在電子瓶頸問題，IP over光分組交換網是電分組交換技術向光層的延伸,既有分組交換高效靈活的特點,又繞開了電子瓶頸,對于未來承載IP業務來說是理想的光網絡技術。相信隨著光子技術的不斷發展，IP over光分組交換網必將成為未來全光互聯網的主要形式。
參考文獻：
[1]Fjelde T., Wolfson D., Kloch A., et al., "Demonstration of 20 Gbit/s all-optical logic XOR in integrated SOA-based interferometric wavelength converter", IEE Electron. Lett., Vol. 36, 2000, pp. 1863-1864.
[2]Jae H. K., Young M. J., Young T. B., “All-Optical XOR Gate Using Semiconductor Optical Amplifiers Without Additional Input Beam”, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 14, 2002, pp. 1436-1439.
[3]H. Chen, G. Zhu, Q. Wang, et al., “All-optical logic XOR using differential scheme and mach-zehnder interferometer”, IEE Electron. Lett., Vol. 38, No. 21, 2002, pp. 1271-1273.
[4]Olsson B.-E., Andrekson P.A.; “Polarization-independent all-optical AND-gate using randomly birefringent fiber in a nonlinear optical loop mirror”, OFC '98., Technical Digest, 1998, pp. 375-376.
[5]E.S. Awad, P. Cho and J. Goldhar, “High-Speed All-Optical AND Gate Using Nonlinear Transmission of Electroabsorption Modulator”, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 13, No. 5, 2001, pp. 472-474.
[6]Soto H., Diaz C.A., Topomondzo J., et al., “All-optical AND gate implementation using cross-polarization modulation in a semiconductor optical amplifier”, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 14, No. 4, 2002, pp.498-500.
[7]Murata K., Otsuji T., Enoki T., et al., “Exclusive OR/NOR IC for > 40Gbit/s optical transmission systems”, IEE Electron. Lett., Vol. 34, No. 8, April 1998, pp. 764-765.
[8]Sharaiha A., Li H.W., Marchese F., et al., “All-optical logic NOR gate using a semiconductor laser amplifier”, IEE Electron. Lett., Vol. 33, No. 4, 1997, pp. 323-325.
[9]Chan L.Y., Qureshi K.K., Wai P.K.A., et al., “All-optical bit-error monitoring system using cascaded inverted wavelength converter and optical NOR gate”, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 15, No. 4, 2003, pp. 593-595.
