1.2 波分復用網絡

雖然WDM技術的應用極大地提升了點到點光纖通信系統的傳輸能力，但由于點到點光纖通信系統并沒有實現光層聯網，多跳傳輸的光信號需要在每個節點都進行“光?電?光”的轉換。也就是每個節點都需要將接收到的光信號變換為電信號，然后再由電信號變為光信號，才能將信號傳輸給路徑上的下一跳節點。由于電域的信號處理速率大大低于光域的傳輸速率，因此，頻繁的“光?電?光”轉換成為限制光網絡傳輸能力的瓶頸，同時還增加了網絡節點設備的復雜度。為了充分利用WDM技術的潛在能力，一種可行的方案為在傳送網內部實現全光數據傳輸，建立全光網絡（All Optical Network，AON）[3]。

隨著光分叉復用器（Optical Add and Drop Multiplexer，OADM）[4]和光交叉連接器（Optical Cross Connector，OXC）[5]的發明，基于WDM技術的全光網絡得以實用化。OADM節點具有光信道（波長）上/下路功能，它可以僅將本地上路或下路需要的光信道，由本地光發送模塊插入（上路）或由本地接收模塊分出（下路），而其他光信道則無阻塞地通過節點。全光型OXC則可以在光域將入口光纖中一個波長上的信號直接交換到出口光纖對應的波長上。同時波長變換器可以將入口的某個波長信號轉變為出口的另一波長上，從而進一步提高波長利用率。由于不需要將本地下路的大量業務在光層直接進行交換，從而減輕網絡節點所要處理的業務量，降低網絡節點的成本。正是由于全光型OXC和OADM具有靈活的可重構特性，光網絡的組網方式得以從點到點光纖通信系統發展到WDM聯網的全光傳送網。

目前WDM網絡中的交換技術包括光波長交換（Optical Circuit Switching，OCS，也稱光路交換）技術、光分組交換（Optical Packet Switching，OPS）技術[6]、光突發交換（Optical Burst Switching，OBS）技術[7–11]。接下來將簡單介紹這3種交換技術。

1.2.1 光波長交換技術

光波長交換技術是指利用OXC和OADM等設備提供的波長交換能力，實現端到端透明的虛波長通道，也稱為波長通道或光路。OCS技術可使光信號直接通過波長通道發送到目的節點，而不需在中間節點經過“光?電?光”的轉換。同時還可利用數字封包技術，將原本需要在SDH/SONET層完成的業務移到光網絡層。這樣在簡化通信網絡分層結構的同時，可以增強各種通信業務的透明性，充分利用WDM光網絡的聯網優勢，進一步提高帶寬利用率[1]。目前OCS技術已經被大規模應用于實際網絡中。

如圖1-1所示，OCS技術在源宿終端設備之間為通信業務建立了一條端到端的波長通道。在波長通道中，信號不需進行“光?電?光”轉換，可直達目的終端設備。同時，通過引入波長變化器，可以將承載于某個波長上的光信號進行轉換，使其承載在另一波長之上，從而提高波長的利用率。如果沒有波長變換器，那么一條波長通道在其所經過的所有鏈路上都需要采用相同的波長，這就是所謂的波長連續性約束。波長連續性約束極大地限制了光網絡的靈活性和擴展性。如圖1-1所示，需要在終端設備B和D之間建立一條波長通道。假設光交換設備E和G之間的鏈路上只有波長λ1未被使用，而光交換設備G和I之間的鏈路上只有波長λ2未被使用，由于波長連續性約束，即使每條鏈路上都有空閑的波長資源，OCS技術也無法在終端設備B和D之間建立波長通道。采用波長變換器后，一條波長通道可以在不同的鏈路上使用不同的波長，從而提高光網絡的靈活性，消除波長沖突。

OCS技術為信號分配的波長通道是端到端的，因此需要以集中控制的方式，預先了解整個網絡的狀態，才能進行路由和波長分配，且波長通道的建立和拆除需要較長時間。同時，OCS技術是以波長通道為單位的粗粒度光交換，單個波長通道的帶寬極寬，即使采用了波長變換器，網絡中所能建立的波長通道數量也是有限的。但是IP業務在時間上呈現突發的特性，即使在核心網中對不同來源的IP業務進行匯聚，也很難完全消除這種突發性。因此以波長通道為粒度的交換方式無法高效地適應IP數據的突發性。

1.2.2 光分組交換技術

為了適應IP數據的突發性，光分組交換技術試圖直接在光層上實現細粒度的分組交換。如圖1-2所示，與OCS技術以波長通道為交換單元不同，OPS技術是以光分組為交換單元。如圖1-3所示，在OPS技術中，一個光分組包括光分組頭、凈荷和保護時間3個部分。其中，固定長度的光分組頭攜帶路由信息；凈荷是要傳遞的數據；保護時間是為了應對同步的不準確性，主要根據交換時間、節點內的凈荷抖動等情況確定。當一個光分組到達交換節點時，交換節點在光域或者電域對光分組頭進行處理，同時在轉發分組前，利用光纖延遲線（Fiber Delay-Line，FDL）緩存凈荷。

相比OCS技術，OPS技術能利用統計復用特性來應對IP業務的突發性，其帶寬利用率較高。已有多個研究項目針對OPS技術進行研究，包括歐洲的ATM光交換（ATM Optical Switching，ATMOS）項目和光分組交換關鍵（Keys to Optical Packet Switching，KEOPS）項目，美國的分組交換光網絡示范（Packet-switched Optical Networking Demonstration，POND）項目以及英國的波長交換光分組網（Wavelength Switch Optical Packet Network，WASPNET）項目等。這些實驗性光網絡，能夠對帶有路由信息的光分組頭進行高速處理，同時能夠為光分組提供透明路徑，從而實現高速、大吞吐量、低時延的數據遞交服務。

近年來，OPS技術涉及的光分組的產生、同步、再生以及光分組頭重寫等關鍵技術取得一些進展。但由于一些關鍵性的光器件，如高速光開關、光緩存器、光邏輯器件等，沒有取得重大技術突破，因此，光分組交換的控制部分依然需要由電信號實現。即交換節點可以在光域完成傳輸和交換，但需要將控制信號（光分組頭）轉換成電信號進行處理，性能上還有待提高。另外，和電域中的分組交換一樣，屬于同一數據流的光分組可能會經過不同的鏈路，分組所遭遇的時延差異較大，可能導致亂序，甚至分組丟失。

1.2.3 光突發交換技術

如前面所述，雖然OCS技術成熟且已得到大規模應用，但其仍難以應對IP業務的突發性。OPS技術雖然能夠適用于突發的IP業務并提供高的帶寬利用率，但其受限于關鍵光器件技術，因此未能投入使用。在這種情況下，研究人員提出了光突發交換技術[12]。其核心思想為在光網絡邊緣將細粒度的IP分組組裝成一個大的突發數據分組（Burst Data Packet，BDP）。在電域上為該突發數據分組建立交換通路后，利用已建立好的交換通路在光域傳輸要傳遞的數據。由于突發數據分組的長度要大于IP分組，光突發交換對交換矩陣中的光開關要求為毫秒級，大大低于光分組交換對光開關的納秒級要求。

如圖1-4所示，在OBS技術中，位于光網絡邊緣的設備收到來自用戶的電IP分組后，根據IP分組的目的地以及服務質量（Quality of Service，QoS）特性對其進行分類，然后由突發數據分組組裝器根據一定的規則將IP分組匯聚成突發數據分組。此后，資源調度器為突發數據分組分配合適的波長通道，而控制單元發送相應的突發控制分組（Burst Header Packet，BHP）來提前預約光網絡中的資源。突發數據分組在經過一段延遲/時間偏移后進入OBS網絡。突發數據分組在到達出口邊緣的交換機后，突發數據分組分解器根據突發數據分組頭的信息對突發數據分組進行分解，轉換為IP分組。

OBS技術除了將IP分組匯聚成突發分組，還將突發數據分組和突發控制分組分開傳輸。每個突發數據分組對應一個突發控制分組，突發控制分組先于突發數據分組發送，并為其預留網絡資源。這樣就可以保證核心光交換設備在突發數據分組到達之前，根據突發控制分組中的信息為突發數據分組預留資源，確保突發數據分組直接通過核心節點，不需經過光緩存及“光?電?光”變換。同時，突發控制分組在預留資源的時候是單向的，不需等待收發端之間的交互就可以發送突發數據分組，因此，能夠得到更好的時延特性。

1.2.4 光交換技術的比較

表1-1所列為3種典型光交換技術的比較。光波長交換技術以波長通道為交換粒度。由于交換粒度大，在承載高突發性的數據業務時，光波長交換技術的帶寬利用率相對較低，同時接續時延相對較高（需要建立波長通道）。光波長交換技術的實現難度較低，已大規模投入使用。光分組交換技術以光分組為交換粒度，是理想的細粒度交換形式，其帶寬利用率高，接續時間低（不需建立波長通道），能適應數據業務的突發性。但是由于相關器件的不成熟，光分組交換技術還未得到大規模使用。光突發交換技術是在光波長交換和光分組交換之間的一種折中技術。