核心网中的光分组交换技术
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光通信网络中的分组交换技术与优化分组交换技术在光通信网络中的应用与优化光通信网络已成为现代通信领域的重要组成部分,它提供了高容量、高速率、低延迟等优势。
在光通信网络中,分组交换技术扮演着至关重要的角色,它能够有效地实现数据的传输和交换。
本文将探讨光通信网络中的分组交换技术及其优化方法。
一、光通信网络中的分组交换技术分组交换是一种通信方式,将数据划分为一定大小的数据包或分组,并通过网络进行传输。
在光通信网络中,分组交换技术被广泛应用,主要有以下几种技术。
1. 光交换机技术光交换机是光通信网络中的核心设备,它可以实现光分组的交换和路由。
光交换机能够根据分组中的目的地址信息实现分组的转发和路由选择,并能够实现光信号的交换和光路的连接。
光交换机技术的发展,为光通信网络提供了高速率和大容量的传输能力。
2. 光包交换技术光包交换是一种基于光纤的分组交换技术,它将光信号划分为一定大小的光包,并通过光交换机进行转发和交换。
光包交换技术能够提供低延迟和高容量的数据传输能力,并能够适应多种传输协议和应用。
3. 光域网技术光域网是一种基于光通信的局域网技术,它采用光交换机和光路复用等技术,实现分组交换和光路的复用。
光域网技术能够提供高带宽、高速率和低延迟的通信服务,并具有良好的可靠性和可扩展性。
二、光通信网络中分组交换技术的优化为了进一步提高光通信网络中的分组交换性能,需要采用一些优化方法。
以下是一些常用的优化方法。
1. 路由优化光通信网络中的路由选择对分组交换性能有重要影响。
通过合理选择路径和路由算法,可以降低延迟、提高吞吐量,并实现网络负载均衡。
路由优化可以根据网络拓扑、链路状态和流量状况进行动态调整,以提高网络性能。
2. 链路调度优化光通信网络中的链路调度也是提高分组交换性能的关键因素之一。
通过合理调度链路的使用,可以避免拥塞和冲突,并提高数据传输的效率和可靠性。
链路调度优化方法包括最短路径算法、拥塞控制和带宽分配等,能够提高网络的吞吐量和响应时间。
核心网中的光分组交换雷震洲(信息产业部电信研究院北京1o0085)摘要光分组交换(OPs)是光交换技术的长远发艘目标,其研究1.作在上世纪90年代取得r很大进步。
本文主要介绍0Ps的一些基本概念和相关使能技术的进展情况,最后对OPs的前景做一些分析。
关键词光分组变换核心网-rN9j8雷震洲教授级高工,鐾任信息产业部电信科技情报研究所所长,现任信息产业部电信研究院总工程师。
曾获部级科技进步奖多次,出版过4本译薯和4本专著,在国内外发表过200多篇论文。
1991年获政府特殊津贴。
现任中国人民政治协商会议北京市委员会委员、中国通信学会会士、全国科学技术名词审定委员会委员、中国互联网协会互联网政策与资源工作委员会副主任委员、信息产业部无线电频率规划专家咨询委员会副主任、北京科技情报学会常务理事、美国lEEE高级会员。
目前的光交换都是交换颗粒较大的波长交换。
有人认为,光交换的长远发展方向应该是光分组交换(OPs),但这是一个有争议的曲J题。
笔者最近阅读了一些有关材料,现根据自己的理解,撰写如下,主要介绍OPs的一些基本概念和相关使能技术的进展情况,最后对0Ps的前景做一些分析。
1为什么提出光分组变换自!O世纪90年代初以来,互联网业务一直存迅猛增长。
为了处理剧增的分组业务,路由器厂商提供的IP核心路由器规模越来越大、速度越来越快,它们都基于光接口和电交换矩阵。
可以想象,未来IP层将主要工作在由wDM和光交叉连接组成的电路交换光层的上面。
现在,电IP路由器的扩展性及其对光层J:wDM传输能力不断提高的适应性越来越引起关注。
估计布令后几年内,路由器的能力将难以在太比特(Tbit以)范围跟匕wDM的发展速度。
近两年来,在光空分交换技术方面取得了明显的进步。
其中的核心部件——光交换矩阵从一两个端口的最小规模做到了几千个端口。
在开发过程中,涌现了一些新技术,如光微电子机械系统(MEMS)和喷泡(bLl_D_blejet)技术等。
浅析下一代网络的SPN光传送网承载技术
SPN光传送网是下一代光传送网的一种技术,它是基于光分组交换的全光网络架构。
SPN光传送网通过使用WDM技术将光信号在不同波长上进行传输,实现了高速、高容量、
低延迟的承载。
此外,SPN光传送网还具备了灵活可扩展、高可靠性、低能耗等优点。
SPN光传送网的承载技术主要包括分组交换技术、制导交换技术和光存储转发技术。
其中,分组交换技术是SPN光传送网的核心技术之一,它能够将数据分段成为不同的数据包,按照一定的顺序进行路由转发,实现数据传输。
这种技术克服了电路交换网络存在的
固定带宽问题,实现了数据包级别的动态带宽分配。
同时,SPN光传送网中的分组交换技
术还具备了无阻塞的优点,可以实现多路并发的数据传输,提高了网络的传输效率。
制导交换技术是SPN光传送网中的一种新型传输技术,它引入了制导包的概念,在传
输数据包的同时插入制导包,并根据制导包的路径信息进行数据包的转发。
这种技术可以
有效解决数据包乱序和丢失的问题,提高了网络的性能。
此外,制导交换技术还能够支持
多路径转发,提高了网络的容错性,保证了数据的可靠传输。
光存储转发技术是SPN光传送网的另一种关键技术,它通过将数据存储在光存储器中,实现光包的缓存。
这种技术可以降低网络的传输时延,提高数据的传输效率。
此外,光存
储转发技术还具有高效利用网络带宽和提高网络性能的优点。
光分组交换光分组交换(Optical packet switching)是在光通信中采用分组交换方式进行通信的一种技术。
概念光分组交换(OPS)概念与电的分组交换类似。
每个光分组由一个光分组头和一个光分组净荷组成,光分组头中包含源地址、宿地址、生存时间与寿命(TTL)等信息。
OPS与电的IP 路由类似,采用逐跳寻址转发的方式。
所以光分组交换机又称为光IP路由器。
OPs由于动态共享、统计复用带宽资源,因而可提高网络带宽资源利用率,并使网络具有很好的灵活性。
由于可采用高速净荷、低速分组头,从而可解决电IP路由器的电子"瓶颈"问题。
基本原理从交换技术的发展历史看,数据交换经历了电路交换、报文交换、分组交换和综合业务数字交换的发展过程。
分组交换实质上是在"存储-转发"基础上发展起来的。
它兼有电路交换和报文交换的优点。
分组交换在线路上采用动态复用技术传送按一定长度分割为许多小段的数据-分组。
每个分组标识后,在一条物理线路上采用动态复用的技术,同时传送多个数据分组。
把来自用户发端的数据暂存在交换机的存储器内,接着在网内转发。
到达接收端,再去掉分组头将各数据字段按顺序重新装配成完整的报文。
分组交换比电路交换的电路利用率高,比报文交换的传输时延小,交互性好。
光分组交换(ops)技术,它以光分组作为最小的交换颗粒,数据包的格式为固定长度的光分组头、净荷和保护时间三部分。
在交换系统的输入接口完成光分组读取和同步功能,同时用光纤分束器将一小部分光功率分出送入控制单元,用于完成如光分组头识别、恢复和净荷定位等功能。
光交换矩阵为经过同步的光分组选择路由,并解决输出端口竞争。
最后输出接口通过输出同步和再生模块,降低光分组的相位抖动,同时完成光分组头的重写和光分组再生。
特点光分组交换技术独秀之处在于:大容量、数据率和格式的透明性、可配置性等特点,支持未来不同类型数据;能提供端到端的光通道或者无连接的传输;带宽利用效率高,能提供各种服务,满足客户的需求。
光分组交换系统核心节点的设计
进入信息时代的新世纪,互联网应用发展迅速,各种基于IP技术的新型网络服务和应用的极速增加使通过骨干网络的流量呈指数型的增长,对通信网络的性能提出了更高的要求。
光分组交换属于分组级的光交换技术,能以分组的粒度快速分配光信道,同时支持ATM和IP接入技术,有很大的应用前景。
本文首先简要介绍了全光分组交换的网络参考模型和基本功能,并对网络中心节点的系统结构及其主要功能模块进行说明,然后主要讨论了光分组串行编码、光分组并行编码和光分组的带外信令编码等三种目前主要研究的光分组编码技术。
重点分析讨论了一种新型的载波抑制光分组编码方法,并设计出一种基于载波抑制调制原理的光电混合型核心节点结构,主要包括光域数据传输层和电域控制层。
利用OptiSystem对光分组信号在核心节点内的传输与变换进行了仿真,同
时还搭建实验平台实现10Gb/s净荷信号和1.25Gb/s标签信号的核心节点光域数据传输系统,并对标签和净荷的传输性能进行了研究。
然后介绍了电域控制层的硬件设计方案,对硬件设计中的主要模块进行了介绍,最后搭建实验系统测试电
域控制层的功能实现。
由光域仿真和实验结果可以得到:在1.25Gb/s的标签调制速率和10Gb/s的净荷调制速率下,基于载波抑制调制的光分组信号质量很好,传输距离超过60 km 时,依然能保持低于10-10的误码率;在误码率10-10为标准条件下,标签和净荷传输40km距离的功率损失分别为1dBm和2dBm。
电域控制层测试结果表明:使用SFP光模块、FPGA主控板和光开关驱动板实现电控光交换是可行的,净荷信号可以根据光标签信号中的路由信息在光开关中完成光交换。
第二讲光网络结构体系及分类光网络是一种基于光传输技术的通信网络体系,它利用光信号作为信息的传输媒介,具有高带宽、长距离传输、低功耗等优点,被广泛应用在现代通信领域。
光网络结构体系和分类是指在光网络中,根据不同的架构和应用需求进行分类和组织的方式。
下面将从光网络结构体系和分类两个方面进行阐述。
一、光网络结构体系光网络结构体系通常包括三个层次:光核心网、光接入网和光用户网络。
1.光核心网层:光核心网是光网络的中枢部分,承载着大量的数据传输任务。
它利用光传输技术将数据在不同节点之间进行转发和交换,实现大规模网络的连接和通信。
光核心网通常采用光分组交换技术,将光信号分成一组一组的数据包进行传输,这样可以提高网络的带宽利用率和传输效率。
2.光接入网层:光接入网是将光信号传输到用户终端的网络环节。
它连接光核心网和光用户网络,是光网络和用户之间的桥梁。
光接入网有多种技术架构,包括光纤到户(FTTH)、光纤到楼(FTTB)和光纤到街(FTTC)等。
光接入网可以满足用户对高带宽、高速率传输的需求,实现用户之间的互联互通。
3.光用户网络层:光用户网络是指用户终端设备之间通过光网络进行通信和数据传输的网络层次。
它包括各种终端设备,如个人电脑、手机、智能家居设备等。
光用户网络可以通过光接入网连接到光核心网,实现与其他用户和网络资源的连接和通信。
二、光网络分类根据应用需求和网络规模的不同,光网络可以分为长途光网络和短距离光网络两种分类。
1.长途光网络:长途光网络主要用于实现大范围的传输,通常跨越数百甚至上千公里的距离,用于连接不同城市、国家或洲际之间的通信。
长途光网络通常采用的是光纤传输技术,利用光纤的低损耗和高带宽特性,实现对大量数据的高速传输。
长途光网络通常具有多个节点和交换中心,采用光分组交换技术和多路复用技术,具有高速率、大容量和灵活性的特点。
2.短距离光网络:短距离光网络主要用于局域网(LAN)和数据中心等小范围的通信需求。
核心网中的光分组交换雷震洲(信息产业部电信研究院北京1o0085)摘要光分组交换(OPs)是光交换技术的长远发艘目标,其研究1.作在上世纪90年代取得r很大进步。
本文主要介绍0Ps的一些基本概念和相关使能技术的进展情况,最后对OPs的前景做一些分析。
关键词光分组变换核心网-rN9j8雷震洲教授级高工,鐾任信息产业部电信科技情报研究所所长,现任信息产业部电信研究院总工程师。
曾获部级科技进步奖多次,出版过4本译薯和4本专著,在国内外发表过200多篇论文。
1991年获政府特殊津贴。
现任中国人民政治协商会议北京市委员会委员、中国通信学会会士、全国科学技术名词审定委员会委员、中国互联网协会互联网政策与资源工作委员会副主任委员、信息产业部无线电频率规划专家咨询委员会副主任、北京科技情报学会常务理事、美国lEEE高级会员。
目前的光交换都是交换颗粒较大的波长交换。
有人认为,光交换的长远发展方向应该是光分组交换(OPs),但这是一个有争议的曲J题。
笔者最近阅读了一些有关材料,现根据自己的理解,撰写如下,主要介绍OPs的一些基本概念和相关使能技术的进展情况,最后对0Ps的前景做一些分析。
1为什么提出光分组变换自!O世纪90年代初以来,互联网业务一直存迅猛增长。
为了处理剧增的分组业务,路由器厂商提供的IP核心路由器规模越来越大、速度越来越快,它们都基于光接口和电交换矩阵。
可以想象,未来IP层将主要工作在由wDM和光交叉连接组成的电路交换光层的上面。
现在,电IP路由器的扩展性及其对光层J:wDM传输能力不断提高的适应性越来越引起关注。
估计布令后几年内,路由器的能力将难以在太比特(Tbit以)范围跟匕wDM的发展速度。
近两年来,在光空分交换技术方面取得了明显的进步。
其中的核心部件——光交换矩阵从一两个端口的最小规模做到了几千个端口。
在开发过程中,涌现了一些新技术,如光微电子机械系统(MEMS)和喷泡(bLl_D_blejet)技术等。
基于这些技术并具有一定规模和特点的光交叉连接(0xc)和光插分复用(OADM)已经上市,今后几年将主导核心网。
进一步的发展将形成一个基f电路交换(即波长交换)的智能光层.它们用作一服务器层,为诸如ATM、sDH和IP等客户层服务。
因此,在近期和中期内,核心网的扩增部分估计将主要基于两层,即IP层和光层。
在不久的将来,光层将提供大量波长。
也许有人会说,带宽效率已经不是问题,没有必要再在提高单波长利用率方面下功夫。
但是,经济性始终要求我们尽可能有效地使用网络资源。
基于电路交换的Oxc对IP业务不是带宽效率最高的。
在oPs中.分组是在光域E直接进行交换的,通过OPs节点/路由器把分组从任一输人端口交换到ft—输fI;端lJ。
采用OPs就能避开电交换的瓶颈干¨提供能与wDM传输能力相眄配的光交换能力。
这就是今天把OPs褪作适应网络长远发展的一种候选技术的原因。
现任,对OPS的研究U益受到关注。
当然,真TF实用的0PS:^j耍许多成熟的相关器件和系统技术求支持,n酊它们大多数尚处存实验窒研究阶段。
OPs的交换过程有两种方式:固定分组长度的同步方式(时隙型)和-4变分组长度的异步方式(非时隙犁)。
迄今,人多数研究】.作集中在固定长度OPs上。
2一个OPS节点的组成图l是描述一个OPs核心节点的通用功能框图。
它包括复用器/去复用器、输入接几、交换矩阵、输出接广|和控制单元。
每一部分的功能随采用同步交换还是异步交换而异。
这里主要考虑目前研究较多的同步交换。
输人接丌完成以下功能:(1)埘输人数字信号进行3R再生,以便在后面的处理和交换之前恢复信号质量;(2)漂移和抖动的提取;(3)分组描述(delineation),以识别每一分组的头尾以及报头与净负倚t(4)分组同步,使它们与交换的时隙对准;(5)把报头分开,并转发给控制单元,好做处理;(6)把分组的外部波长(wDM传输波长)变换为在交换矩阵中使用的内部波长。
控制单元处理报头信息和发布所有指令,对交换矩阵进行配置。
为了执行此功能,它要询问保存在每一。
节点的转发表。
这些表则要借助网管系统(NMs)币断予以更新。
控制单元还要完成报头更新和向输出接口转发新报头的I:作。
新报头将识别分组路径中的下一节点。
口前,控制功能是用电子电路来完成的。
交换矩阵根据控制单元的指令来完成净负荷的交换操作。
输出接口的功能包括:(1)3R再叶二,以便在由于交换矩阵中元件不完善和串话引起失真之后重新恢复信号质量,(2)把新报头附加在相关的净负荷上,(3)分组描述和再同步;(4)把内部波长变换为外部波长;(5)输出功率均衡(因为信号功率电平随不同路径和交换矩阵插入损牦而变)。
_8.图1一个通用oPs核心节点的结构H2示出通用的光分组格式,说明它是如何放在交换时隙中的。
保护带用来对付定时的不定性。
净负荷是用户数据,占有分组比度的大部分。
报大长短是一个最优化问题,因为它一方面要服务于所需的那么多控制功能,另一方面它是一种开销,一定不能太长。
报头由如下儿个宁段组成:(1)描述和同步比特;(2)识别入口边缘节点地址的源标记;(3)识别出口边缘节点地址的日的地标记;(4)识别业务性质和优先权的分组犁字段;(5)如果发生分组不按序到达的情况,id录数据用的分组序列号,(6)运行管理维护(OAM)字段;(7)报头纠错字段。
图2在同步OPs网中的分组格式在控制路径或数据路径中可能发生争用的情况。
在控制单元中的争用特别重要,因为它可能导致报火丢失或时延过大使净负荷跑到报头前面。
不管是哪种情况,都必须放弃净负荷。
不过,由于控制功能是南电子电路完成的,有许多现存的技术可用于解决争用问题。
电缓存器即是可用的技术之一,但缓存器大小必须合适,管理必须有效。
当处在两个不同输入端几的两个不同分组要同时被送往同一输出端口时,就会在数据路径中发生争用。
任内部交换路径或网络路径中也可能发生若干分组的争川。
M存提H{r3种解决争用问题方案。
它们是使用光纤延迟线(FDL)的虚拟光缓存、渡长变换和偏转选踏。
上述3种技术也可组弁使I}|,使系统设计和性能最优。
偏转选路是把争用的儿个分组偏转到若干迂同路由上去。
优先仪低的分组选离目的地较长的路径,优先权高的分组J互之。
这一方法有两个主要缺点。
一个是被偏转的分组nf能造成州络拥塞,尤其在高收务负荷时。
另-个是让分组不按序列到达它”J的曰的地,报头必须载有序列信息。
另外两种争用解决方案下面另有l寸论。
3OPS使能技术的研究现状3R再生:光信号对衰耗、噪声、色散、串i舌、抖动和非线性效成造成的损伤是十分敏感的。
由于传输距离、每光纤波长数、每波长比特率的提高,传输损伤变得更加严重,导致明显的幅度下降、脉冲形状畸变和定时漂移。
为了在网络中连续传输和交换,通常要求恢复原信号形状和清除所有损伤。
这一过程就叫3R再生。
光放大jL放大信号幅度,并不纠正畸变的脉冲形状。
色散补偿叮以弥补因色散造成的脉冲宽度展开,从而减小脉冲成形问题。
再定时则通过时钟提取和同步来完成。
对同步网需分组级同步,对异步网需比特级同步。
为了对信号进行再定时,必须让再生器知道数据速率和格式,再生器必须能够按比特率灵活操作。
用得最多的3R再生技术涉及光电(0/E)转换.再生是在电域进行的。
全光3R再生是简化OPs的一个重要使能技术。
有些再生操作,如再定时迄今难以在光域上进行。
因此,全光3R再生目前仅限于实验。
图3是垒光3R再生器的一个简化框图。
它主要由放大器、时钟恢复系统和阈值检测单元组成。
先把时钟从被放大的信号中提取出来,然后再与信号混合,产生时间重对脉冲(Lime—realignedpulSes),在闽值检测单元的输出端形成再生信号。
迄今大多数垒光3R再生器都是在基于半导体光放大器(sOA)的Mach—Zehnder干涉仪(MzI)的基础j.开展研究的。
固3全光孙再生器的功能框圉分组描述和I—J步:到达OPS节点的分组求自小同源头,它们通过辑种光纤路径和不同波长。
困温度变化、色散和路径不I—J,它们必然有不『爿的传播时廷。
存光纤跨度较长叶,温度变化的影响相对较小。
因光纤巾群速度色散((;V【))引起的时延变化町以用色散补偿技术来补偿。
但是因光纤路径变化造成的变化可能较大,分组将异步到达OPs节点。
造成定时问题的另一个原因是抖动。
抖动发生存交换矩阵中。
通过fji:『面节.-l累计的抖动必须住OPs输八端加以处理。
由于存在所有这些定时的小定性,分组格式要留有保护带,每一节点应装备分组描述和同步电路。
现在提出的几种描述和同步方案都是住电域内进行的。
有的是利用标准的报头等错控制(HFc)检验机理;有的是在报头里交替使刚两个关键词。
目前都处在实验室研究阶段。
分组报头处理:分组报头含存在OPs嘲中交换和转发净负荷所必需的信息。
现令实用的方法都是先经过O/E转换再在电域内对报头进行处理。
早期的报头处理技术都使用比特率低于净负荷的串行报头。
这种方法虽然比较容易实现,但处理速度较慢。
另一种方法使刖副载波复用(scM),对报头进行副载波调制再与净负荷复用,报头在频谱E处于高于净负荷带宽的位置。
两者虽然部在同一时隙予以处理,但报头的提取较快,处理速度高于串行报头法。
不过,随着比特率的提高,相关的射频分量可能碰上高的报头频率,使此法受到限制。
报头的电处理,其速度限于每秒几十吉比特。
因此,为了满足今天OPs的需要和未来的期望,必须要变为光的报头处理。
自20世纪90年代初以来,全光报头处理一直是研究热点,但至今仍处在早期阶段。
全光报头处理需要光校正器,目前研究中有使用光纤延迟线的,也有基于光半导体放大器的。
光缓存:为了解决OPs网中的争用问题,需要某些光缓存手段。
光子不能像电子一样予以捕捉与存储,目前的研究方向是设法把它们延迟一个固定的时间周期。
实际上,这相当于某种形式的虚拟缓存。
现一般都用FDL作为缓存工具,但FDL比较笨重且不能扩展。
把一组FDL与光交换结合在一起,可以形成一个时延ur变组件,能使用的FDL数量最多为几十个。
对缓存器进行再循环可以减少光纤数。
此时,时延是坏路长度与循环次数的乘积。
但是,为了补偿凶过多循环引起的损耗.需要另外使用光放大。
这将产生自发辐射噪声被放大的问题。
最近有人在研究另一种可变时延电路,它在一个光纤环路中采用・系列波长变换器和两个阵列波导栅(Aw(:)。
・个分组被延迟的时间取决于它的初始波长,此初始波长被变换为与所希望时延相对应的特定波长。
与日前分组刚巾使用的电子缓存器相比,FDL为OPS网只能提供有限的缓存能力。
光空分交换技术:在OPs中,交换矩阵必须把分组一个个地从任一输入端口送到任一输出端口,故迅速的重新配置和非常高的交换速度是十分关键的。
例如,住一个lOG、五L/s系统中,分组长度为125Byte(1kbit),・个分组晏完全离开输入端口到达交换矩阵需要大约10011s。