（光学工程专业论文）光突发交换与光多播关键技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 光交换是光纤通信技术向更高、更快、更经济方向发展的必然趋势，也是 下一代网络( n g n ， n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ) 中光网络的关键技术。随着密 集波分复用( d w d m ，d e n s ew a v e l e n g t hd i v i d e dm u l t i p l e x i n g ) 光传输技术的成 熟并广泛应用，直接在光层实现业务交换的需求越来越迫切，光交换替代传统 的电交换受到人们关注，亦被认为是克服电交换速率瓶颈的有效途径。光交换 经历了从光波长路由( o c s ，o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ) 、光突发交换( o b s ，o p t i c a l b u r s ts w i t c h i n g ) 到光分组交换( o p s ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 的发展和演进。 无论是o c s ，还是o b s 和o p s 系统，光交换的关键技术均包括：d w d m 技术、光放大技术、突发模式光传输技术、控制信道与信息信道的设计技术、 光交换拓扑结构设计技术和光多播交换技术，以及基于服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 设计光纤延时线( f d l ，f i b e rd e l a yl i n e ) 、波长变换器( w c ，w a v e l e n g t h c o n v e r t o r ) 和偏射路由的调度算法等方面。 光突发交换结构是光交换节点设计的关键，对于d w d m 光交换网络，在不 同波长数、不同信道数、不同的业务等级、不同丢包率、不同延时及不同的粒 度等条件下，光交换节点的波长、缓存、波长变换等相关设计成为最重要的技 术。论文针对o b s 系统设计了一种新颖的光路与光波长设计方案，这一光路设 计的创新点在于选择1 3 1 0n m 波段传输突发包头( b h p s ，b u r s th e a dp a c k e t s ) ， 采用1 5 5 0n m 波段传输突发包( b p s ，b u r s tp a c k e t s ) 。这一设计与传统设计的 b p s 和b h p s 均采用1 5 5 0n m 波段比较的有如下优点：节约了d w d m 信道资源 并降低了o b s 系统的价格，同时保证了o b s 的性能。在此基础之上，完成了4 端口8 波长光突发交换核心节点结构的设计，并进行了仿真优化。 突发模式光传输是光交换网络物理层光信号传送的必备技术手段。针对光 分组或突发分组，光发射机和接收机都有别于传统的连续流数据光收发器。突 发模式光传输系统的主要技术指标为：接收灵敏度和动态范围、保护带、前导 码和传输速率等，其中，突发模式光接收机是该传输系统的难点。设计了直接 调制和间接调制两种突发模式光发射机，在1 2 5 g b s 速率两种方案均满足系统 的技术要求。设计了一种新型的突发模式光接收机，其特征是：具有前馈式复 位脉冲信号产生电路、采用可变二极管电容的顶部探测电路、内部延时电路、 中文摘要 消除噪声电路，提升了突发模式光接收机的性能。在1 2 5 g b s 速率下，仿真实 现了接收灵敏度优于2 6 0 d b m 、动态范围大于2 5 4 d b 、保护带1 4 0 n s 和前导码 2 0 n s 的传输技术指标。 光多播交换是光网络业务多样化和i p 化的关键技术，光网络已经成为网络 游戏、远程教育、电子商务、视频会议等业务的重要承载实体，这些新业务对 光网络提出了光多播交换的应用需求，它是提高光网络q o s 和效率的有力途径。 论文提出了基于空分的扇出数可变的光分路器的结构，并由此构建了光多播交 换结构，该结构具有损耗低、易于控制、利于实用化的特点。还提出了基于时 分复用的光信号复制结构，并由此构建了光多播交换结构，该结构具有光信号 时延和幅度可调、易于控制、利于实用化的特点。基于光多播交换技术，提出 了两种应用方案。 设计完成了4 端口8 波长光突发交换实验系统，该系统包括：一个核心交 换节点、3 个边缘节点和d w d m 传输系统。在核心交换节点，交换矩阵由8 个 4 4 光开关组成，具有3 2 x 3 2 的光交换能力，同时运用光纤延迟线( f d l ) 解决 o b s 的拥塞。采用外调制的突发模式光发射机和交流耦合快速锁相的突发模 式光接收机，实现了1 2 5 g b s 的突发数据包的传输，主要技术参数为：发 射平均光功率优于2 d b m 、接收灵敏度优于2 4d b m 、动态范围大于1 8 d b 、 突发同步时i 甸小于6 p s ，前导码和保护带均设为6 f s 。实验结果证明该设计 是成功的，实现了o b s 系统的功能。 关键词光交换：光突发交换结构；突发模式光传输；光多播交换 a b s t r a c t a b s t r a c t o p t i c a ls w i t c h i n gi s a ni n e v i t a b l et r e n df o rt h eo p f i c a lf i b o rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt ob e m o r eb r o a d b a n d ，m o r ei n t e l l i g e n ta n dm o r ei n e x p e n s i v e ，a l s oi ti sak e yt e c h n o l o g yo fo p t i c a l n e t w o r k si nn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) a sd w d m ( d e n s ew a v e l e n g t hd i v i d e d m u l t i p l e x i n g ) t e c h n o l o g yh a sb e c o m e m a t u r ea n di sa p p l i e dw i d e l y , i no p t i c a ll a y e r , i ti sm o r ea n d m o r es e r v i c et os w i t c hd i r e c t l yo nd e m a n d t h ea t t e n t i o ni sp a i dt oo p t i c a ls w i t c h i n gi n s t e a do f e l e c t r o n i cs w i t c h i n g , w h i c hh a sb e e nr e g a r d e da sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht oo v e r c o m ee l e c t r o n i c b o t t l e n e c k o p t i c a ls w i t c h i n ge v o l v e so p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ( o b s ) a n do p t i c a l p a c k e t s w i t c h i n g ( o p s ) f r o mo p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g ( o c s ) w h e t h e ro c s ，o ro b sa n do p s ，t h ea l la n dt h eo n ei n c l u d es o m ek e yt e c h n o l o g i e s ，s u c ha s d w d m t e c h n o l o g y , o p t i c a la m p l i f i e rt e c h n o l o g y , b u r s tm o d et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g y , d e s i g no f c o n t r o lc h a n n e la n di n f o r m a t i o nc h a n n e l ，d e s i g no ff a b r i co fo p t i c a ls w i t c h i n g ，m u l t i c a s to p t i c a l s w i c h i n g ，a n db a s e do nq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) d e s i g no ff d l ( f i b e rd e l a yl i n e ) a n dw c ( w a v e l e n g t hc o n v e a o oa n dd e f l e c t i o nr o u t e ra n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n ds oo n f a b r i co fo p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gi sak e yt e c h n i q u eo fo p t i c a ls w i t c h i n gn o d e f o rd w d m o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k ，t h ec o n d i t i o n s o fw a v e l e n g t h sa n dc h a n n e l s ，l e v e l so fs e r v i c e ， p a c k e t - l o s s r a t i o ，d e l a yt i m ea n dp a c k e c ts i z e ，d e s i g n so fw a v e l e n g t ha n db u f f e ra n dw a v e l e n g t h c o n v e n t o ra l ev e r yi m p o r t a n tt e c h n i q u e sj nt h es y s t e m i nt h ed i s s e r t a t i o n ，ah o v e lc e n t r e l w a v e l e n g t ha n do p t i c a lp a t h sa r ed e s i g n e df o ro b ss y s t e m t h ei n n o v a t i o ni st h a t 1310 n m w a v e l e n g t hi s u s e dt ot r a n s f e rb h p s ( b u r s th e a d e rp a c k e o ，a n db p s ( b u r s tp a c k e 0a r e t r a n s f e f r e db yl5 5 0 n mb a n d t h en o v e ls c h e m eh a st h ea d v a n t a g e so fs a v i n gr e s o u r c eo fd w d m w a v e l e n g t hc h a n n e l sa n dr e d u c i n gc o s to fo b ss y s t e mb a s e do na s s u r i n gt h ec a p a b i l i t ya n d q u a l i t yo f o b ss y s t e m ，c o m p a r i n gw i t ht h ec l a s s i c a ls c h e m e b a s e do nh e r e i n b e f o r ew o r k s ，f a b r i c o f4 p o r ta n d8 - w a v e l e n g t ho p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gn e t w o r ki sd e s i g n e d ，i na d d i t i o ns i m u l a t e da n d o p t i m i s e d t h eb u r s tm o d eo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mi st h en e c e s s a r yt e c h n o l o g yo fp h y s i c a ll a y e ro ft h e o p t i c a ls w i t c h i n gn e t w o r k f o ro p t i c a lp a c k e t so rb u r s tm o d ep a c k e t s ，b u r s tm o d et r a n s m i t t e ra n d r e c e i v e ra r ed i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a lc o n t i n u o u sd i g i t a ls i g n a l st r a n s c e i v e r p a r a m e t e r so fb u r s t m o d et r a n s p o n d e ri n c l u d es e n s i t i v i t yo fr e c e i v e r , d y n a m i cr a n g e ，p r e c o d ea n dg u a r db a n do f b u r s t - m o d ep a c k e t t r a n s m i s s i o nb i tr a t e n eb u r s tm o d er e c e i v e ri sk e ya n dd i f f i c u l t y i nt h e d i s s e r t a t i o n d i r e c ta n di n d i r e c tm o d u l a t i o nb u r s tm o d et r a n s m i t t e r sa r ed e s i g n e d ，a t1 ，2 5g b sb i t r a t e 也et a n s m i t t e r sf i tf o ro b ss y s t e m an o v e lb u r s t m o d eo p t i c a lr e c e i v e ri sp r e s e n t e d ，t h e f e a t u r e so ft h er e c e i v e ra r et h a taf e e d - f o r w a r dr e s e t - s i g n a lg e n e r a t i o nc i r c u i ti se m p l o y e d ，a v a r a c t o ri se m p l o y e di nt h et o p h o l dc i r c u i t ，ad e l a yc i r c u i ta n de l i m i n a t i n gn o i s ec i r c u i ta r e e m p l o y e d ，a l lo fw h i c hd e v e l o pt h ep e r f o r m a n c e so ft h e r e c e i v e r a t1 2 5g b sb i tr a t e t r a n s p o r t i n gp a c k e t s ，t h es e n s i t i v e t yo ft h er e c e i v e ri sl e s st h a n 一2 6d b m ，t h ed y n a m i cr a n g ei s 1 1 1 a b s t r a c t m o r et h a n2 4 6d b ，t h ep r e - c o d ei s2 0n s ，a n dt h eg u a r db a n di s14 0n sb ys i m u l a t i o n m u l t i c a s to p t i c a ls w i t c h i n gi sak e yt e c h n i q u ei no p t i c a ln e t w o r kf o rd i v e r s i f i e ds e v i c ea n d e x t e n s i v ei po p e r a t i o n s o p t i c a ln e t w o r k sb e a rw e i g h to fn e t w o r kg a m e s ，l o n g - d i s t a n c ee d u c a t i o n ， e l e c t r o n i cc o m m e r c e ，v i d e oc o n f e r e n c i n g ，a n ds oo n m u l t i c a s to p t i c a ls w i t c h i n gi sap r o m i s i n g c a n d i d a t ef o rt h e s en e ws e v i c e sa n dt h et e c h n o l o g yi su s e f u lt o o t h e df o ri m p r o v i n gq o sa n d e f f i c i e n c y i nt h ed i s s e r t a t i o n ，av a r i a b l ef a n o u ts p l i t t e ri sp r e s e n t e d ，b a s e do nt h es p l i t t e r , af a b r i c o fm u t i c a s to p t i c a ls w i t c h i n gi sd e s i g n e d ，w h i c hh a st h ef e a t u r e so fl o wl o s s ，e a s yc o n t r o l ，a n d b e n e f i c a la p p l i c a t i o n s at i m ed i v i d e dm u l t i p l e x i n gc o p y n e s si sp r e s e n t e d ，b a s e do nt h ec o p y n e e s ， af a b r i co fm u t i c a s to p t i c a ls w i t c h i n gi sd e s i g n e d ，w h i c hh a st h ef e a t u r e so fa d j u s t a b l ed e l a ya n d m a g n i t u d eo fo p t i c a ls i g n a l ，e a s yc o n t r o l ，a n db e n e f i c a la p p l i c a t i o n s b a s e do nh e r e i n b e f o r e t e c h n o l o g i s e ，t o wv a l u a b l es c h e m e sa r ep r e s e n t e df o ra p l l i c a t i o n s a ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo f4 一p o r ta n d8 - w a v e l e n g t ho p t i c a lb u r s ts w i t c h i n gn e t w o r ki sd e s i g n e d t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi n c l u d e so n ec o r es w i t c h i n gn o d e ，t h r e ee d g en o d e sa n dd w d m t r a n s m i s s i o ns y s t e m s a to b sc o r es w i t c h i n gn o d e ，as w i t c h i n gm a t r i xi sm a d ef r o me i g h t4 x 4 o p t i c a ls w i t c h e sa n dh a s t h ec a p a b i l i t yo f3 2 x 3 2o p t i c a ls w i t c h i n g a tt h es a m et i m e ，t h ef d l b u f f e r sa r ea p p l i e dt ot h ec o r en o d ea n ds o l v et r a f f i cc o n g e s t i o no ft h eo b sn e t w o r k i n d i r e c t m o d u l a t i o ni se m p l o y e df o rb u r s tm o d et r a n s m i t t e ra n da cc o u p l i n g & f a s tp h a s el o c kl o o p ( p l l ) a r ee m p l o y e df o rb u r s tm o d er e c e i v e r t h et r a n s p o n d e ra c h i e v e s1 2 5g b sb u r s tm o d ep a c k e t s t r a n s p o r t i n g m a i nf e a t u r e so f t h et r a n s p o d e ra r e ：m o r et h a n - 2d b mo f o u t p u to p t i c a lp o w e r o f t h e t r a n s m i t t e r , l e s st h a n 一2 4d b mo ft h es e n s i t i v e t yo ft h er e c e i v e r , m o r et h a n18 d bo ft h ed y n a m i c r a n g e ，l e s st h a n6it so ft h eb u r s ts y n c h r o n i z a t i o n ，t h ep r e - c o d ea n dt h eg u a r db a n dj u s ta s6 烨 t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h ed e s i g ni ss u c c e s s f u la n dr e a l i z e sf u n c t i o n so fo b s n e t 、 ，o r k k e y w o r d so p t i c a ls w i t c h i n g ，f a b r i co fo p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ，b u r s tm o d eo p t i c a lt r a n s m i s s i o n ， m u l t i c a s to p t i c a ls w i t c h i n g i v a s o n a t m 斟c n n g b h p b p c d r d w d m e d f a f d l g m p l s i b t i t u j e t j i t l a 简略字表 a u t o m a t i c s w i t c h e d o p i c a l 自动交换光网络 n e t w o r k a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步转移模式 a c t i v ev e r t i c a lc o u p l e r a r r a yw a v e g u i d eg r a t i n g b u r s th e a d e rp a c k e t b u r s tp a c k e t c l o c ka n dd a t ar e c o v e r y d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g e r b i u m - d o p e df i b e ra m p l i f i e r f i b e rd e l a yl i n e 有源垂直耦合器 阵列波导光栅 突发包头 突发包 时钟和数据恢复电路 密集波分复用技术 掺铒光纤放大器 光纤延迟线 g e n e r a l i z e dm u l t i p r o t o c o l l a b e l 通用多协议标记交换 s w i t c h i n g 1 1 1 b 锄d t e r m i n a t o r ) 带内终结 i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i c a t i o n s 国际电信联盟 u n i o n j u s te n g o u g ht i m e j u s ti n t i m e “时间足够”协议 “时间刚好”协议 l i m i t i n ga m p l i f i e r 限幅放大器 m c o x c m u l t i c a s t o x c多播交叉连接 m q w - e a m m p l s m p 九s m u l t i p l eq u a n t u m w e l l 多量子阱电吸收调制器 e l e c t r o n i ca b s o r p t i o nm o d u l a t o r 。 m u l t i p r o t o c 0 1l a b e ls w i t c h i n g 多协议标记交换 m u l t i p r o t o c 0 1l 锄d as w i t c h i n g多协议波长交换 i v o a d m o c s o l s o p s o t n o x c q o s r n b r f d s a d s d h s o n e t s p c s p l s p n t a g t i a t i r t w c w s n b o p f i c ma d d d r o pm u l t i p l e x e s o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a l l a b e ls w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a lt r a n s p o r t n e t w o r k o p t i c a lc r o s sc o n n e c t q u a l i t yo fs e r v i c e s r e a r r a n g e a b l en o n - b l o c k i n g r e s e r v e a f i x e d d u r a t i o n ) s p l i t t e r - a n d - d e l i v e r ys w i t c h s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y s y n c h r o n o u so p t i c a l n e t w o r k s i n g l ep e rc h a n n e l s h a r e dp e rl i n k s h a r e dp e rn o d e t e l l a n d g o t r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r t b t a li n t e m a lr e f l e c t i o n t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t o r w i d es e n s en o n b l o c k i n g v 光分插复用器 光路交换 光标记交换 光分组交换 光传送网络 光交叉连接器 服务质量 可重排无阻塞 预留固定周期 分光传送开关 同步数字系列 同步光网络 基于信道共享 基于连接共享 基于节点共享 告知即发送 跨阻抗放大器 全内部反射 可调谐波长变换器 广义无阻塞 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：砸 墩腓砷年嗍多日 i 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢t 了嫩 嗍：年l2 ，月弓日 第一章绪论 1 1 光交换研究概况 第一章绪论 1 1 1 光交换光纤通信发展的必然 光纤通信技术经过近3 0 年的迅猛发展，经历了从第一代g 6 5 1 多模光纤通 信系统( 1 9 8 0 1 9 9 0 年) ，到第二代g 6 5 2 单模光纤1 3 1 0 n m 波段的光纤通信系 统( 1 9 9 0 1 9 9 5 年) ，再到第三代g 6 5 2 单模光纤1 5 5 0 n m 波段的光纤通信系统 ( 其特征是采用了波分复用技术，1 9 9 5 - - 1 9 9 9 年) ，至今发展成为g 6 5 5 单模 光纤波分复用传输的第四代光纤通信系统( 其特征是采用密集波分复用和光放 大技术，2 0 0 0 今) ，目前正在大量建设的就是这一系统。纵观光纤通信发展的 历史，即是不断追求光纤通信容量和光纤传输距离的过程，人们针对这两方面 技术的研发推动了光纤通信产业的高速发展，并对现今的宽带网络建设与发展 起到了举足轻重的作用。图1 1 描述了光纤通信发展的历程。 1 9 7 01 9 8 0，嬲田2 0 0 02 0 1 1 ) 图1 1 光纤通信发展的过程 过去十年光纤通信经过疾风暴雨式的发展创造了奇迹，使得光纤通信的容 量和距离呈几何级数增长，有透支市场需求潜力的嫌疑，但不可否认的是光纤 通信技术无论在骨干网，还是在接入网都是物理层传输的关键技术，是宽带通 信网发展的重要支柱之一。通过近些年的研究和开发，已经初步形成了下一代 光纤通信的雏形，即第五代光纤通信系统。 它主要具有以下特征：( 1 ) 超宽带单根光纤传输容量达到t b i t s 1 1 ；( 2 ) 超长距离光放大传输距离达到1 0 0 0 1 0 0 0 0k m 2 l ；( 3 ) 光交换克服电交 l 电子科技大学博士学位论文 换的瓶颈【3 1 ；( 4 ) 智能化智能光网络技术【4 】。掌握了下一代光纤通信的关键 技术，也就占领了光纤通信发展的制高点。 在这些关键技术中，智能化和光交换是下一代光纤通信技术最为显著的特 征。特别是光交换技术既是克服电交换瓶颈的有力技术，又是智能光网络的技 术保障，受到国内外广泛重视，已经成为光纤通信领域的研究热点。 1 1 2 光交换下一代光网络的关键技术 步入2 1 世纪后，光纤通信系统向着智能化全光网络迈进。其中在密集波分 复用( d w d m ，d e n s ew a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术【l j 中有了长足的进 步，采用5 0 g h z 和2 5 g h z 波长间隔的超密集波分复用，可达到1 0 0 多个波长信 道，而单个波长4 0 g b s 的s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a c h y ) 高速传输系统已 经商用化，已经初步形成了在单根光纤中传输大于1 t b i t s 的超高速骨干网络。 同时在超长距离传输系统中，在普遍采用掺铒光纤放大器进行光放大中继的基 础上，又出现了新型的非线性拉曼光纤放大器和波导放大器，目前已实现了超 长距离的d w d m 传输系统。 在智能化全光网络中起着举足轻重作用的光交换技术，由于光电器件和系 统技术的原因制约了它的发展，目前离实用化还有相当的距离。在骨于网中t b s 的高速传输对网络的交换节点产生了巨大的压力，如果在中间交换节点采用光 电转换将光信号变换到电域进行交换的传统方法，会产生系统的速率瓶颈，不 能满足高速通信的要求，因此要求数据在光域进行透明的光交换。从这个角度 来看，可以认为光交换是下一代光纤通信发展的关键技术。 自动交换光网络( a s o n ，a u t o m a t i cs w i t c h e do p t i c a ln e t w o r k ) 【4 j 在光网络 中引入了智能控制技术，具有智能特性的光网络也称为智能光网络。智能光网 络可以实现流量控制，允许将网络资源动态地分配给路由，具有快速提供业务 和光层业务恢复能力，降低了维护、管理、运营费用，提高了光网络性能。且 支持新的业务类型，如按需带宽业务、波长出租、分级的带宽业务、动态路由 分配、光虚拟专用网等，使传统的传送网向业务网方向演进。 传统意义的交换可以分为电路交换和分组交换两种交换模式。随着d w d m 光传输技术的成熟并广泛应用，直接在光层实现业务交换的需求越来越大，光 网络中的光交换技术可以概括为三大类：光路交换( o c s ，o p t i c a lc i r c u i t 2 第章绪论 s w i t c h i n g ) 、光分组交换( o p s ，o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) 和光突发交换( o b s ， o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g ) 。全光实现的“电路”交换( 即光路交换) 和光分组交换 受到广泛关注，被认为是克服电交换速率瓶颈的有效途径。但是，这两种交换 方式都存在各自的不足。一方面，随着分组业务( 尤其是i p 业务) 的爆炸式增 长，使得人们普遍认为未来的通信网络设计应以优化支持分组业务为主要目标， 而波长路由的交换方式本身的特点决定了它不适于支持突发性强、业务变化频 繁的i p 业务；另一方面，全光的分组交换在实现上存在若干难点，许多关键技 术的突破仍有待于光器件技术的成熟( 如灵活有效的光逻辑器件、光存储器件， 以及光域的同步技术等) 。因此，近年来提出的o b s 技术日益受到人们的重点关 注。o b s 技术在支持分组业务的性能上高于波长路由方式，而实现难度( 尤其 是对光器件技术的要求) 低于光分组交换。如图1 2 所示，无论是o b s 还是o p s ， 光交换系统由三部分组成：核心节点、边缘节点和光传输系统。其中核心节点 是光交换系统实现的难点和要点，也是新技术和新思维的集中体现瞄j 。 图1 - 2 光交换不恿图 1 1 3 光交换的关键技术 无论是o b s 还是o p s 系统，光交换的关键技术均包括：d w d m 技术、光 放大技术、突发模式光传输技术，控制信道与信息信道的设计技术、光交换拓 扑结构设计技术和光多播交换技术，以及光纤延时线( f d l ，f i b e rd e l a yl i n e ) ， 波长变换器( w c ，w a v e l e n g t hc o n v e r t o r ) 、偏射路由和调度算法等方面。 ( 1 ) 光交换的技术体系 i 光路交换技术( o c s ) 3 电子科技大学博士学位论文 光路交换，又称为波长路由( w a v e l e n g t hr o u t i n g ) ，目前其研究已经比较成 熟，并逐步得到应用。波长路由利用动态路由和波长分配、并通过光交叉连接 设备( o x c ，o p t i c a lc r o s sc o n n e c t ) 和光分插复用器( o a d m ，o p t i c a la d d d r o p m u l t i p l e x e s ) ，实现了端到端信号直接通过透明的“虚波长通道 ( v i r t u a l w a v e l e n g t hp a t h ) 光路到达目的节点。并把一些业务功能移到光层上来完成， 充分发挥d w d m 光网络的优势，简化通信网络的分层结构，增强对各种通信业 务的开放透明性，提高光网络的效率和可靠性 6 1 。 由于o c s 给信号分配的波长通道是端到端的，因而在动态路由和分配波长 时一般必须获得整个网络的状态，因此其控制系统通常是集中式的，同时网络 动态路由和波长分配所需时间相对较长。基于上述原因，在o c s 网络中，将多 协议标记交换( m p l s ，m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 在光域中扩展后得到多 协议波长交换1 7 】( m p 九s ，m u l t i p r o t o c o ll a m d as w i t c h i n g ) 。m p l s 的核心思想就 是将波长信道作为标记，路由设备以此为业务寻径，进行网络控制和管理，在 网络中建立合适标记交换路径( l s p ，l a b e ls w i t c h i n gp a t h ) ，即光路。在该路径 上，无须复杂的路由处理就能快速交换数据。在基于m p l s 的光波长标记交换网 络中，光路由器有两种：边缘路由器和核心路由器。边缘路由器用于与速率较 低的网络进行业务接入，同时电子处理功能模块完成m p l s 中较复杂的标记处理 功能，而核心路由器利用波长变换技术和光交换矩阵实现波长标记交换功能。 它可以更灵活地管理和分配网络资源，并能较有效地实现业务管理及网络的保 护、恢复。为了能适应未来智能光网络动态地提供网络资源和传送信令的要求， 现在对m p l s 和m p ) 。s 在路由协议、信令协议等上做了修改和扩展，将两者在 控制面上进行统一，形成了通用多协议标记交换技术i s 9 】( g m p l s ，g e n e r a l i z e d m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) 。 o c s 是以波长为单位的粗粒度光交换，因此能够应用的光波长数目受到限 制。即使在网络中配置有波长变换器( w c ，w a v e l e n g t hc o n v e r t e r ) ，所能建立 的虚光路数目也会受到的制约。这种粗粒度的光交换网络不适合突发性较强的 i p 业务【1 0 】。正是由于o c s 的带宽利用率低、灵活性差、不能适应数据业务高 速增长的需要，人们才引入了光分组交换。 光分组交换技术( o p s ) 与波长路由正好相反，光分组交换技术则试图直接在光层上实现细小粒度 4 第一章绪论 的分组交换，以适合突发性较强的业务，并通过统计复用，提高带宽的利用率【l 。 光分组交换可以看作是电分组交换在光域的延伸，交换单位是高速传输的 光分组，由光分组头和净荷组成。其中光分组头在交换节点进行处理得到路由 信息，光分组的净荷被传输的信息占有。另外光分组之间的最小间隔称为保护 时间主要根据光子器件的性能和交换协议等情况来决定。 光分组交换可分成两大类：时隙型和非时隙型2 1 。时隙型光分组交换的分 组长度是固定的，并在时隙中传输。时隙的长度应足以容纳下一个完整的分组， 同时它还应包括分组之间的保护时间。非时隙型光分组交换的分组大小是可变 的，而且在交换之前，不需要排列，它可以异步、自由地交换每一个分组。两 者相比较：非时隙型的缺点就是竞争性较大，分组丢失率较高，但是它结构简 单，不需要同步，分组的分割和重组不需要在输入输出节点进行，更适合于i p 业务，而且缓存容量较大的非时隙型网络性能良好。因此，光分组交换多采用 非时隙型 1 3 , 1 4 。 一个光分组交换节点由三部分组成：输入输出单元、光交换矩阵单元和控 制单元。光分组交换涉及诸多关键技术，如光分组的产生、同步、缓存、再生、 光分组头读出与写入等方面【i5 1 。虽然这些关键技术在近年来取得了一些进展， 但是