（通信与信息系统专业论文）全光网适配层技术及阻塞性能研究.pdf

摘要 本文主要研究全光网络的适配层技术和波长路由网络的阻塞性能。首先，介绍 目前国内外的发展状况，跟踪研究全光网络关键技术：其次，结合i p 广域光州络 传输平台，针对当前i p 以太刚w d m 存在的主要问题，深入研究全光网络的适配 层技术，提出使用简化s d h 帧格式来承载以太网数据在物理线路上进行有效的 监控、故障定位和简单网络管理等，以实现以太网的可靠的长距离传输，并且据 此拟制了两种可行的复用解复用方案：最后，在波长路由网络路由固定的情况下 基于链路独立性假设提出了一种分析方法，研究每条链路配置少量波长转换器时 网络的阻塞性能计算机仿真和理论计算表明波长转换器能够降低网络的阻塞概 率，优化配置的部分波 转换和完全波长转换网络性能基本相同，该分析方法具 何良好的通用性。 【关键词】全光网络，以太刚，s d h ，波长转换器，阻塞性能 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sa o n ( a i io p t i c a ln e t w o r k ) a d a p t a t i o nl a y e l t e c l m o l o g y a n db l o c k i n gp r o b a b i l i t yo fw a v e l e n g t h r o u t i n gn e t w o r k sa f t e r b r i e fi n t r o d u c t i o n i n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n t ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e sk e yt e c h n o l o g i e so fa o nt h e na t h o r o u g hs t u d yo fa o na d a p t a t i o nl a y e rt e c h n o l o g yi sm a d et od e a lw i t ht h el l l a i n p r o b l e m so ft h ei p e t h e r n e t w d ma r c h i t e c t u r eu s i n gs i m p l i f i e ds d hf l a m et oc a r i y e t h e r n e td a t a ，t h ep h y s i c a ll a y e rc a nb em o n i t o r e da n dm a n a g e d ，w h i c hm a k e st h e l o n g d i s t a n c er e l i a b l et r a n s m i s s i o ne t h e r n e tf l a m ep o s s i b l e t w of e a s i b l em e t h o d sa r e d e s i g n e di na d d i t i o n ，an e wu n i v e r s a la n a l y s i sm e t h o d ，b a s e do nt h el i n ki n d e p e n d e n c e a s s u m p t i o n ，i sp r e s e n t e d t o s t u d yt h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t yi nw a v e l e n g t h r o u t i n g n e t w o r k sw i t hp a r t i a lw a v e l e n g t hc o n v e r s i o n c o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o ns h o wt h a tw a v e l e n g t hc o n v e r t e rc a nl o w e rt h eb l o c k i n gp r o b a b i l i t yo fa o n o n c er a t i o n a l l yc o n f i g u r e d t h ep e l t b r m a n c eo fp a r t i a lw a v e l e n g t hc o n v e i + s i o ni l e t w o l k a p p r o a c h e st ot h a to fc o m p l e t ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o nn e t w o r k k e y w o r d ：a o n ，e t h e r n e t ，s d h ，w a v e l e n g t hc o n v e r t e r - b l o c k i n gp r o b a b i l i t y 第一章绪论 第一章绪论 摘要本章介绍了w d m 光网络的基本概念、分层模型和特点，并且概括介绍了本文的主要 内容。 1 1 波分复用技术的发展和应用 随着互联网在世界各国的迅速普及，与之相关的i p 业务迅猛增长。据统计， 目前互联网骨干网上的业务量每6 - 9 个月左右就翻一番，d 业务正在成为通信网 络上的主导业务，通信业务需求的迅速增长对通信容量提出越来越高的耍求。光 纤近3 0 t h z 的巨大潜在带宽容量，使光纤通信成为高速通信网络的必然选择。 预计未来十年中，光纤传输系统速率还可能提高1 0 0 倍。在这种超高速传输的 网络中，如果网络结点处仍以电信号处理信息的速度进行交换，就会受到所谓“电 子瓶颈”的限制，结点将变得庞大而复杂，超高速传输所带来的经济一h 的好处将 被昂贵的光电和电光转换费用所抵销。波分复用技术w d m ( w a v e l e n g t hd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 可以很好的解决这一问题，它充分利用石英单模光纤巨大的带宽资 源，打破单个波长系统带宽的限制，无须铺设新的光纤就可以将原有光纤设施的 容量提高很多倍，还可以用光纤放大器代替电中继器，通过更换或增加终端设备 可以迅速而方便地使系统升级，这不仅在技术上切实可行、有发展潜力而且有巨 大的经济效益。 光波分复用技术是利用光纤在1 2 8 0 - - - 1 6 2 0 n m 波段内的低损耗特性，在一根光 纤中同时传输多波长的技术，基本原理是在发送端将不同波长的光信号复用，并 耦合到光缆线路上的同一根光纤中传输，在接收端又将复用波长的光信号解复用， 并作进一步处理，恢复出原信号后送入不同的终端。由于目前一些光器件与技术 还不成熟，因此要实现光信道的光频分复用十分困难，在这种情况下人们把同一 窗口中信道间隔较小的波分复用称为密集波分复用d w d m ( d e n s ew a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) ，该系统工作于1 5 5 0 n m 。w d m 与d w d m 的主耍区分是： w d m 采用1 3 1 0 1 5 5 0 n m 简单复用，而d w d m 采用1 5 5 0r i m 波段内密集波分复用。 下文统一用w d m 这个更广义的名称代替d w d m 。 现在w d m 技术主要应用于长途干线和海底光缆系统，在城域网和接入网中也 开始考虑使用w d m 技术。据预测，今后几年里w d m 设备市场需求每年将增长 6 5 。从1 9 9 5 年以来，美国的主要长途电话公司已经在其网络中采用了、v d m 设 备，线路容量在2 0 到8 0 g b s ，波长数目可以达到1 6 路，而制造商则己发布了3 2 2 全光网适配层技术及阻塞性能研究 路到9 6 路的w d m 系统产品信息。在实验室，已经成功地进行了2 6 4 t b s ( 调制 速率为2 0 g b s 的1 3 2 个波长信号复用) 传输1 2 0 k m 的验证实验。1 9 9 7 年w d m 技 术开始进入中国市场，国家电信总局1 9 9 8 年一1 9 9 9 年采用w d m 技术对1 9 条跨 省的一级光缆干线进行大规模扩容，而全国省内二级干线也将于近年大规模使用 波分复用设备。 1 2 全光w d d 传送网 随着w d m 技术和光器件如光交叉连接o x c 、光分插复用器o a d m 的成熟 和实用化，“全光”w d m 传送网成为通信发展的主要趋势。它是这样一种网络，信 号从用户端接入到该网络后，始终以光的形式经由各个网络结点，最后到达用户 端。国际电信联盟( i t u t ) 对光学网络的描述如下：光学网络由一些功能块组成， 完全在光域中实现对业务信号的传输、复用、路由、监控管理和自愈保护。光网 络的概念示意图如图1 1 所示。在接入结点汇聚了高达数十或数百千兆比特每秒的 光信息流，透明地以光的形式在光网络传输，并在目的接入结点处下路，进行光 电转换，因此全光并非指整个网络的全部光学化，而是指光信息在传输和交换过 程中的光化。光网并不排斥有电路控制的部分，并且从当前光电子元器件的现状 祀发展趋势来看，实现整个网络的全光化是不现实也是不必要的，因此目前所指 的全光网是一种对传统的光通信网和理想全光化的通信网络的一种折衷。 电结点或电终端 接入结点 电信号 光信号 图1 1 光网络概念示意图 为了实现s d h 到w d m 的平滑过渡，i t u tq 8 7 2 建议( 草案) 在光传送网络 中加入光层，提出了如图l2 所示的分层结构。 第一章绪论 电路层电路层电路层 p d h 通道层s d h 通道层虚通道 电复用段电复用段( 没有) 光信道层 光复用段层 光传输段层 物理层( 光纤) 阁12 光通信网络的分层结构 光信道层：主要负责为来自鱼复旦避星塑查皇焦：垦垄量堕虫塑坌堡些鐾，安排 网络选路的光信道连接，处理光信道开销，对光信道层进行检测、管理。当发 生故障时，通过重新选路或直接把工作业务切换到预定的保护路由来实现保护 倒换和网络恢复。 光复用段层；保i 正相邻两个波长复用传输设备间多波长复用光信号n 勺完整传 输，为多波长信号提供网路功能；为灵活的多波长网络选路重新安排光复用段 为保证多波氏光复用段适配信启、的完整性处理光复用段开销：为网络的运行利 维护提供光复用段检测和管理功能。 光传输段层：为光信号奄丕旦耋型曲光挂输蠖厦( 如g 6 5 2 ，g 6 5 3 ，g 6 5 5 光 纤等) 上提供传箍功能，刚时实现对光放大器或中继器的检测和控制功能等。 这里主要涉及功率、掺铒光纤放大器增益控制、色散的积累和补偿问题。 w d m 光传送网为未来的网络提供了个经济、大容量、高生存性和灵活性的传 输基础设施，具有极诱人的前景。它的主要特点有： 1 、高容量 利用_ i i r d m 技术，一根光纤可以用3 2 个或更多的波长承载不同类型的业务，每 个波长可以支持高达2 5 ( ；b p s 、1 0 g b p s 甚至更高的速率，总的容量高达8 0 ( ；b p s 到 数百6 b p s ，实验室己经实现了2 6 4 t b p s 的传输容量。既解决了网络中光纤传输容 量即将耗尽的难题，又可以支持服务层网络单元之间的高容量干线连接。 2 、解决电子“瓶颈”问题 全光网络利用波长路由技术解决了电子瓶颈问题。全光网络以波长作为标识通 过波长选择性器件进行路由选择，信号上下路不再需要将所有光波长信道转换为 电信号，各结点只要对属于本结点的业务上下路或交叉互连信道进行处理，而其 余大部分波长信道均可直通传输，从而大大减小业务工作量和对设备的需求，避 免了不必要的光电光转换和电交换，解决了电子“瓶颈”问题。 3 、透明性 4 全光网适配层技术及阻塞性能研究 w d m 光传送网提供比s d h s o n q ! t 更好的新透明性。目前使用的s d h s o n e t 技术就具有一定的透明性，它可以支持许多客户层，如通过p d h 传输的话音、a t m 、 帧中继、i p 等，但是其带宽有限，而且帧长固定为1 2 5us ，不适合许多新的业务。 而光网络中o , m 3 m 和o x c 结点不对光信号进行光电、电光处理，因此它的工作 与光信号的内容无关，实现了信息的调制方式、传送制式和传输速率的透明性 使各种信号得以在透明的光结点通过或上下路，保证了光传送网可以在光信道上 传输任何协议，出可以传输各种比特率的信号。 4 、可重构性 w d m 光传送网通过0 x c 和0 a d m 可以实现光波长信道的动态重构功能，即根据 传送网中业务流量的变化和需要动态地调整光路层中的波长资源和光纤路径资源 分配，使网络资源得到最有效的利用。同时在发生器件失效、线路中断及结点故 障时，可以通过波长信道的重新配置或保护倒换，为发生故障的信道重新寻找路 由，使网络迅速实现自愈或恢复，保证上层业务不受影响。这一特性使w d m 光传 送网在光信道层上具有很强的生存能力。 5 、兼容性 w d m 光传送网不仅提供了一组新的网络单元，包括w d m 终端，w d m 分插复用器 和光信道交叉连接设备，还支持新的数据网络设备，而且能够兼容原有传送网技 术，与现有传送网相连允许现有技术继续发挥作用，从而维护用户原来的投资。 1 3 本文的主要工作 本丈工作来源于8 6 3 3 0 0 课题“i p d w d m 技术体制的跟踪研究”，该课题是 中国高速信息示范网项目的予课题。根据课题的研究目标和任务，本文主要研究 w d m 全光通信网中的部分关键技术，分为三大部分：跟踪研究国内外i p w d m 的 最新发展状况；对比研究全光通信网中的适配层技术，针对i p 千兆以太网w i ) m 技术路线存在的主要问题，结合8 6 3 3 1 7 “i p 在广域光网络传输平台”关键课题 研究，提出使用简化s d h 技术实现以太网的长距离可靠传输：研究波长路由网络 中波长转换器对网络阻塞概率的影响。主要内容安排如下： 1 ) 第二章明确指出了光网络中的各种关键技术，介绍了国内外光网络领域的 发展趋势。 2 ) 第三章介绍了i p 在广域光网络传输的平台框架，并着重研究了平台中光接 口侧模块的设计，通过比较目前流行的适配层技术，设计出平台的物理层帧，据 此提出两种可行的复用解复用方案。 3 ) 第四章研究波长路由网络中固定路由情况下链路上配置不同数量的波长转 换器对网络阻塞性能的影响，提出了一种基于链路独立性假设的分析方法，并进 第一章绪论 行了计算机仿真，数据表明本文的分析方法能够很好的用于网络研究中。 本文已经完成了全部上述工作，并且通过了8 6 3 专家组的验收。 6 全光网适配层技术及阻塞性能研究 第二章w d m 全光网络 摘要本章主要介绍了全光通信网对i p 业务的支持，并分析了仝光网的关键技术 2 1w d m 光网络上支持的i p 业务 盈翼至 2 1 1s d h 技术 s d 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 ) 是在s o n e t ( s y n c h r o n o u so p t i c a l n e t w o r k ) 的基础上提出的，被i t u t 采纳并成为不仅适用于光纤传输，同时也适 用于微波和卫星传输的通用技术。作为一种物理层的技术，s d h 负责在物理层上 传送字节数据，提供了统一的传输和复用方案，传输速率可达g b p s 数量级。它是 由一整套分等级的标准数字传送结构组成，最基本的模块是s t m 1 ( s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e ) ，适于在物理媒质上传送各种经适配处理的净负荷。 s d h 支持i p 业务的主要形式就是利用h d l c 技术，原理如图2 2 所示，i p 数 据报首先按r f c l 6 6 1 的要求封装进p p p ( p o i n tt op o i n tp r o t o c 0 1 ) 分组中，它是一 个十分简单的协议，只有两个字节的协议域，没有地址信息，只支持点到点的无 连接传输，将过长的p 包分段并分别封装进p p p 帧以适应映射到s d h 帧的夏求， 提供了多协议封装、差错控制和链路初始化控制的特性；为了解决定界问题，利 用高级数据链路控制( h d l c ) 按照r f c l 6 6 2 的规定组帧再将字节同步映射进 s d h 的包封器中；最后加上相应的s d h 开销置入s t m n 帧中。 第二章w d m 全光网络 i p 包 p p p 帧 s d h 帧 图2 2 l povers 【) h 的0 s 1 模型 h d l c 的主要功能是为p p p 封装的i p 数据报提供定界。该功能是通过字节填 充来完成的，当没有数据报被传送时，h d l c 的标志模式被作为帧间填充传输。 p p p 协议在( ) s il 层模型中位于网络层之下，定义了点到点链路上传输多协议 数据包的标准方法，将s o n e t b d i i 传输通路视为面向字节的同步链路，提供链路 层的数据报封装机制。p p p 协议向物理层提供个字节型接口，p ”帧作为字节流 映射进s o n e t s d h 的净负荷中。由丁f ) p p 封装开销低，所以相对其他s o x e7 i h d i i 净负荷映射力法而言，能提供更大的吞吐量，并且充分利用现有设备，夫大降低 线路终端设备的费用。 基于h d l c 的运作机制不能直接轻易地用于s t m - 1 6 及其以上速率，目前朗讯公 司提出了采用简化的数据链路s d l ( s i m p li f i e dd a t al i n k ) 支持i f 业务。它是 i po v e rs d t t 高速化的核心，能够给异步到达的、可变长的数据报提供更高的速率。 s 叭帧类似于a t m 信元，但长度可变包括净荷长度指示、帧头循环冗余校骋，净 荷循环冗余校验，o o s 指示字段。基于s i l 的描述能够工作在物理层而不管物理 层是否提供比特或字节的校正，如果没有提供校正，s d l 将在搜索状态下通过逐比 特计算来寻求c r c 的有效性。与h d l c 基十标志的描述不同，s d l 是基于k 度的描 述，它利用帧头的循环冗余校验，进行帧定界。s 】l 的帧结构更适合应用于高速链 路能够提供链路层的q o s 和复用。 目前国际上大规模铺设的s d h 骨干网的单波长信道速率大部分己达到州m 一1 6 ( 2 5 g b p s ) ，部分甚至达到s t m6 4 ( 1 0 g h p s ) ，可支持s i m 1 6 的千兆路由器 也已商品化。 2l2 i po v e r w d m i po v e rw d m 是利用w d m 的大容量和易操作特性在光层上传输数据包的一种技 术。今天的光网络层己具有许多原先只能在高层实现的一些功能，这就产生了一 种在光层执行所有管理功能的全光网络技术。如果直接在w d m 上传输i p 业务，则 可获得0 c 一1 9 2 的高速传输，因此它是实现海量带宽和迈向太比特因特网的关键。 随着w d m 传送网的发展和完善，作为物理层技术的w d m 网络最终会直接面 对业务网( 如i p 网) ，不再需要s d h 。由于i p 是第三层技术，w d m 只提供了第 一层下半部分的功能，因此原本由s o n e t s d h , n 或a t m 提供的中间层功能( 例 全光网适配层技术及阻塞性能研究 如网络管理、链路保护和恢复以及业务量管理等) 必须通过适当的业务流设计 ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 来完成。 从帧结构和线路编码的角度，需对i p 传送的最佳方案进行研究。这里，要考 虑的问题包括：便于i p 分组的装取，具有合适的控制和管理用码( 网络中也可采 用控制和管理i p 分组) ，以及有利于线路的传输。一种方案是使用千兆以太网的 帧结构。它虽没有s 【) h s ( ) n e t 那样多的网络状态信息，但成本低得多。另外，它 与两端主机的帧结构相同，不需要把数据重新映射到其它传送协议也无须在路由 器接口通过s a r ( s e g m e n t t t i o na n dr e a s s e m b l y ) 和比特塞入操作把数据帧与传 送帧对准。但是，千兆以太网的8 b 1 0 b 线路编码对线路速率提出了更高的要求。 另一种方案借鉴s d h ，不过可能耍作一些修改，包括开销设置以及i p 分组的装取 等。目前许多公司正在制定称为“f a s t - i p ”或“s l i ms o n e t s d h ”的成帧标准。 它提供s o n e t s d h 帧的许多功能，但在报头位置如何使帧大小与分组大小匹配方 面使用了更新的技术。 i p w i t h m p l s 适配层 望堡尘坐 图2 胛l s 的协议结构 在基于s d h 技术的协议结构中为了提高传输容量，只是将w d m 技术作为点到 点的传输系统来使用，光层只具有复用和传输功能。这样在每一个网络结点都要 在i p 层进行基于电的逐包选路操作，大大降低了结点处理和转发数据的速度。而 目前最新的网络协议i pw i t hm p l sd i r e c t ly 。v e rw i ) m ，如图2 3 所示，试图将 类似于a t m 交换、s d h s o n e t 复用解复用和i f j 层寻址等多项功能归并到一层中， 集成i p 寻址、标签交换和波长路由三大技术，将m p l s 的控制技术和光网络结点 的路由控制技术集成为相对简单的适配层。从而形成了新型基于i pw i t hm p l so v 8 r w d m 协议模型的多协议波长交换( m u lt i d r o t n c o ll a m b d a l a h e ls w i t c h i n g ) 网络 结构( 或称为光的m p l s ) 。该技术有助于光信道层的带宽管理、动态维护，在光域 支持各种流量工程并且提供多种多样的保护恢复能力。可以在i p 层和光层实现单 一的网络管理和操作控制模式，简化了网络管理，为最终在i p 路由器上提供w i n 复用功能铺平了道路。 2 2 光网络的关键技术 只有在光域上实现端到端的服务，i po v e rw d m 才能真正实现。这时就要求光 网络必须能够在光层执行错误探测及纠错、故障恢复、网络管理、选路由和交换 第二章w d m 全光网络 等功能。 l 、纠错 s d h s o n e t 通过帧内丰富的开销执行纠错、监视网络故障等功能。当 s d h s o n e t 充当更高层时，它的这个功能可以在w d m 系统中实现。此时，在任 意的s d h s o n e t 设备、w d m 终端、s d h s o n e t 再生器，或其他能支持s o n e t 帧的接口卡上都可完成纠错功能。 对于那些非s d h s o n e t 格式的数据，系统变得有点复杂。在波分复用层上直 接传输信号可以提高协议的透明性却限制了误码的检测，因此阻碍了网络的故障 检测，同时无误码的最大传输距离也受到限制。这时可在全光的w d m 系统中执 行前向纠错( f e c ) 功能。提高了传输速率使系统性能得到了明显的改善。 2 、链路保护与恢复 在i po v e r w d m 广域网中，逻辑拓扑中的一条光路往往承载了大量的i p 业务， 光路途经的物理链路出现故障可能导致大量的损失，因此适当的保护和恢复机制 是必要的。虽然用于i n t e r n e t 的路由协议都具有动态重路由等自愈功能但是高层 自愈恢复时间较长，只能依赖逻辑拓扑给出光路预先选择替代路由，无法考虑波 长的分配情况，有可能导致替代路由和主路由分享同一物理链路，无法保证替代 路由和主路由的独立性。另一方面，单纯地依赖光层的链路保护和恢复功能而 不考虑高层，可能导致资源分配冲突或空闲资源的浪费。因此，一个高效、完整 的链路保护和恢复机制应该以光层自愈机制为主，充分考虑i p 重路由机制的特点， 具有恰当的层间协调功能。 3 、波长路由选择 光网络是以波长为单位进行路由选择，在结点实现上下路或交叉连接功能。 网络中的信号路径由波长、网络交换的状态信息以及选路中的波长改变信息等来 共同决定。目前已有的成熟的路由和波长分配算法有最短路径算法、最少负荷算 法和交替固定选路法，目前国内外对该问题十分重视，主要集中在路由选择的实 现以及配置不同波长转换器对网络性能影响这两个问题上，本文将在第四章深入 研究后一个问题。 4 、网络控制与管理 在光网络进行演变的过程中对现有不同结构网络的管理系统提出了更大的挑 战，这是网络演进最重要、最艰难的一步。需要在i p w d m 系统中考虑诸如故障 恢复、结构重组、性能管理、速度、坚固性等因素，新系统降低了口骨干网中控 制和管理的复杂性。对于现有的系统，可以通过把口骨干路由器与s o n e t w d m 设备直接连接而实现这种管理整合。 5 、业务透明性 业务透明即网络有一个光网络平台，能够以与客户层信号完全独立的方式支持 o 全光网适配层技术及阻塞性能研究 不同的协议，传输时不需要考虑信号的具体内容，仅仅在入口结点和出口结点才 处理客户的具体信息。实现业务透明的关键问题就是选择合适的适配层技术。 6 、互操作性 任何新技术的应用都需要发展相应的标准以方便多个设备问的互操作。主要的 方法就是全部定义与光结点相关的信息( 例如；在网络元素问承载光上下复用器 数据的监控信道的格式标准) 。光信号的物理属性也需要专门说明。 2 3 国内外光网络的研究概况及发展趋势 近年来，w d m 光传送网的研究已成为国际上的研究热点，尤为突出的是美国、 欧洲和日本的研究。美国在国家先进研究项目署( d a r p a ) 资助下，组成一系列胁、 作集团，建设国家规模的光传送网，即有n t o n 、m o n e t 、w e s t 、1 c o n 、a o n 、 s e c u r e a o n 、t b o n e 等；欧洲早在8 8 9 4 年期间在先进通信技术研究开发计划 ( r a c e ) 中就把多波长传送网( m u l t i w a v e l e n g t ht r a n s p o r tn e t w o r k ) 歹0 为重点，并在 9 4 9 8 年问过渡到a c t s 计划中。在欧洲的各个地区和国家又有一系列容量较低 的w d m 光传送网建设，如o p e n 网( 分两部分一部分由比利时和法国合建另 一部分由挪威和丹麦合建) 、p h o t o n 网( 德国、奥地利合建) 以及i e o p s 、m e t o n 和w o t a n 及法国的a l c a t e l 网等。日本则以大公司为主，如n t t 建设的光路网 ( o p n ) 等。我国的一些研究机构，如北大、清华和北京邮电大学以及上海交通大学 等，此开展了全光通信网的研究工作。从以上国内外研究进展情况可以看出，基 于w d m 技术的全光通信网络已经引起了人们的关注在未来的一段时问里人们 将继续建设各种实验网络，并在验证有关概念和方案的同时，对全光传送网的关 键技术进行全面、深入地研究，包括业务接入和综合技术波长路由技术等。为 了充分适应全光通信网络的高速、可扩展、业务透明以及高生存性的发展要求， 高速化( o t d m 和w d m 技术的结合) 、集成化( 光电集成、功能模块集成) 、模 块化与业务综合化将成未来一段时间的发展趋势。 从目前技术和器件的发展水平来看，直接将i p 业务放到w d m 上传输是不可 行的，现阶段还需要研究各种业务在光纤上传输的适配技术。而广泛通用的以太 网已经成为接入网的主流，因此它的适配问题显得尤为重要，具有很强的现实意 义。本文将在第三章结合以太网广域传输平台对该问题做深入研究。 至三圣垄堡呈堡垫墼丝些 第三章光接口模块设计 摘要本章主要通过对比研究光旧络中的适配层技术s d h ，叭g i t a lw r ap p er ，提出了平台 光接口侧的物理层帧结构并且拟制了不同的复用解复用方案。 ：j 1 系统结构 以太网标准己经建立多年，设备便宦，组网简单，得到了极为广泛的应用。 从目前i n t e r n e t 的数据流龟分析可以看出局域刚接入的比例最大，进行远程的高速 局域网互联和将局域网、l k 务聚合在一起接入因特网的需求也日益提高。千兆以太 i i j c | 的异步传输技术及其刮变的帧k 使它承载突发的i p 业务时具有很大的优势。如 果使用i p g e 技术，令网采用统的以太网帧格式，在路由器接口处无需实现任 何映射、分段重装年比特插入操作，极大的提高了效率。由此可以看出，通过千 兆以太网帧将i p 适配刘光叫络这个技术具有很强的实用价值和现实的可行性，将 有利于推动i po v e l - w d m 技术的发展。 千兆以太网技术是摹f 局域网这样的小型网络发展起来的，在局域网和城域 网范围内已经比较成熟但是在1 城网传输上存在很多问题，没有组建人倒的经 验缺少误码指示定位，对物理线路无保护作用，网管较弱等，这都是以太网广 域传输的缺陷和4 i 足之处。 本课题所作的工作就是针对以爪网广域传输的各种问题，建立平台，提出一，行 的解决方案。如图3i 所示平台叫以看作是基十广域网的以太网适配器，它的 侧是两个千兆以太1 卅接口，另一例为25 g b p s 的光传输接口，其功能是实现干兆以 太网传输的电中继，以期解决以太网的长距离传输问题另外在此平台的基础之 上研究解决包括同步复用、保护与倒换、网管等方面的问题。 25 0 光接口 图 1 if 1 广域网传输平台 1 2 全光网适配层技术及阻塞性能研究 本平台按照背对背的方式连接，实现数据的点到点双向广域传输。它可以用在 两个路由器之间，也可以用在两个网桥、交换机之间，在网络中相当于一个物理 协议的转换器，本身不具备任何路由计算或二层交换的能力，只是将来自于千兆 以太网的帧处理成适合于长距离传输的格式投递到对端相应的千兆以太网接口。 该平台可以通过长距离物理光纤直接相连，也可以通过分别接入全光网达到相连 的目的。如图3 2 所示，此外该平台的各个千兆以太网接口也可以各自与路由器、 网桥或交换机相连。 图3 2 该平台在网络中的作用和位置 该平台一方面接收来自于路由器( 网桥、交换机) 的汇聚业务，这些业务流量 应该经由路由器( 网桥、交换机) 计算保汪是去往同一个路由器( 网桥、交换机) 的，它们通过千兆以太网接口进入本平台，经过复用、定时等处理从该平台的25 g 光接口发往远端；另一方面，将来自于远端的流量经过分接等处理后形成以太网 的m a c 帧分发到几个以太网端口上。 在设计该传输平台时，必须考虑以下几个方面： 1 ) 来自于以太网接i s l 的数据应该尽可能快的传输到对端，并且应该保证投递 到正确的远端以太网接口、低的阻塞概率和低的丢失概率： 2 ) 必须尽可能的保证以太网协议数据的透明性： 3 ) 应该实现数据的长距离传输并且要能够监测光纤的线路质量，在物理层实 现一陕速保护恢复： 4 ) 实现简单，资源需求小； 5 ) 由于存在两个以太网接口，不同接口的m a c 帧的复用应该简单可行。 为了叙述方便，下文将数据从以太网接口侧流向光接口侧称为发送，反方向的 数据流向称为接收。 本平台技术方案的核一t l , 在于两个干兆以太网m a c 帧如何复用到一个2 5 g 光 传输接口? 25 g 光传输接口采用什么样的帧结构? 如何从接收方进行有效的以 太网帧定界? 在接收方如何识别来自不同接口的以太网帧? 釜三雯垄堡呈垡垫塞生 ! i 3i2 方案的总体设计 充分考虑平台需要解决的问题后，我们将平台的设计分为三大模块，如图33 所示，即千兆以太刚 e - q33 平台的模块结构 f 兆以太网模块首先需疆完成数据的接收和处理功能，包括光电转换，数据和 时钟的恢复，帧定界等基本功能：其次需要考虑接收的以太网数据处理到m a c 层 还是【：m i i 层，并且解决错帧和空帧的处理策略：最后就是以太网数据在平台的接 收端的定界问题，在1 - 兆以太网技术中在物理层实现数据的定界，交给高层的是 定界后的单个以太网帧。而在本平台考虑到2 5 g 光线路上要对数据进行误码监视， 差错恢复，所以处理以太网数据时必须要经过p c s 层解码恢复成原有的二_ 进制 数据，速率由1 2 5 c ；帅s 降为l ；帅s 因此无法使用千兆以太网的定帧技术，必须 采取特定的策略实现定界功能，这个功能也是干兆以太网模块设计的个蘑疆部 诗， 缓冲器模块最大的助能是实现速率适配，由于不存在拥塞和数据丢失，所以数 据等待时间短，这里缓冲器的丰耍作用是有效隔离两端相差悬殊的时钟。缓冲器 是本系统的重耍部件缓冲器设置不当将造成系统整体性能的瓶颈，在缓冲器没 计过程中，遵循以下儿个原则： 适当选取缓冲器容量从而保证在数据不丢失或少丢失的前提下合理的传输时 延： 能够有效的隔离到达i n c h 服务侧的物理时钟，允许他们之间较大的差异：同时 最大可能的降低业务时钟提取的复杂度： 缓冲器的控制逻辑应尽量简单： 由于器件技术水平的限制，缓冲器的速度不能过高，这可以通过串并转换和增 加并行数据的宽度实现。 缓冲器的结构框图如图：4 所示。，当发送数据时，经过以太网物理层处理后的 数据按照一定的策略写入缓冲器，缓冲器模块需要完成的功能包括缓冲器的容量 设计、两个以太网接口分配缓冲器的策略、2 5 g 光接口一侧从缓冲器中读取数据 的时机、如何保证机会均等的为两个以太网接口服务以及避免缓冲器取空和取空 后的处理。当接收数据时，光接口侧的数据按照一定的策略写入缓冲器，缓冲器 模块需要完成的功能包括了按照什么原则将数据分发到两个以太网接口上、以太 1 4 全光网适配层技术及阻塞性能研究 = j | _ = t e ! ! = = j _ = _ ! l j - 日e - - - _ e _ _ _ _ _ e - ，_ _ _ _ = 一i - _ - - _ _ - 目- _ - 日e _ _ - _ _ _ _ _ - - _ ，_ _ 日_ - _ _ _ _ _ - 目昌 网接口一侧应该按照什么策略从缓冲器中读出数据并将其封装入以太网的帧格式 发送出去。 g b e l g b e 2 图置4 缓冲区结构框图 光接口模块是该平台设计的一个十分重要的模块，主要解决以太网数据广域传 输的各种问题，完成以太网数据的适配功能。从图3 - 3 中可以看出，光接口模块位 于缓冲器和光纤线路之间，需要完成与缓冲器模块的接v i 设计问题，关键技术是 实现物理层帧结构的选取，物理层的组帧，拆帧和有效地传输业务流。由于本平 台数据速率很高，电处理很难实现，因此平台设计时都采用高速并行处理，降低 时钟频牢。 光接口模块需要实现物理层上两路千兆咀太网数据的发送和接收，功能框图如 图35 。从图中可以看出25 g 光传输接口模块需要完成3 大功能：光电转换，串 并变换以及物理层帧处理。发送端以一定的方式将千兆以太网的业务流从缓冲器 中复用到物理层的帧中，在送到光纤线路前进行1 6 ：l 并串变换，最后以2 5 g 速 率在光纤线路上串行传输。相应地，接收端从光纤上收到数据流后恢复时钟和数 据提取定时，为了便于处理，将串行数据转换成并行数据，从物理层帧中解复用 出有效的千兆以太网帧。 1 啪i 1 6 ：1 1 q p 复用f物理层帧 蚌复用赴理 | 参考时钟卜+ l d a t a 1 ：1 6 时f 蝴据 c l n c 正f r 厂) 。 f 1 。厄 制 恢复 b t l 图3 5 光接口模块功能框图 第三章光接1 ：2 1 模块设计 i5 j _ l = ! = ! j ，e = ，= | = = = j e = = = ! = 自! = = = | | j e = = e = = ，| j = = j e e = e ! = = = = = ! = ! ! ! 一 目前很多芯片厂商如a m c c 、v i t t e s e 都能够提供现成的芯片实现25 g 的光 电转换，1 6 ：1 的并串转换和l ：1 6 的串并转换，因此这两个功能很容易实现。在 下文中，主要是通过对比现行的适配层技术，根据平台的实际要求选择适合本平 台的物理层帧结构，详细阐述了两种复用解复用方案。 ： 2全光网络适配层技术对比研究 1 9 9 8 年4 月成立的光互联网沦坛( 0 【r ，0 p t jc ；t li n t e r n e t w ( ) r k ir i gf o f u m ) ， 正在研究解决数据州和光网之问的接口，其目标是实现低成本且健壮的光互联俐； ( ) i f 给出了光互联网的分层模型，包括数据网络层、光网络层、层间适配层及层间 通道管理几部分。其中数据网络层提供数据的处理和传送，光网络层提供传送通 道二者相互独立。层问适配和通道管理用于适配数据网络和光网络，如图： 6 所示。 数据叫络 层问通道管理卫 适配i 一 - i 适配 1 一7 l _ i 厂 光m 络 h36 光互联网分层模型 光互联网的研究。j 咀分为三个领域： 1 ) 物理接口的规范：对于物理接耍求能够将各种类型的业务通过开放式 光接口接入w d m 传送网中接口应该价格低廉、速率高、数据传输效率 高，因此需璎时物理接r i 的比特率、协议、帧结构、开销字2 声、同步以及 光纤媒质特性等进行恰当的规范。 2 ) 数据网络层和光网络层层间适配：层间适配层用来屏蔽各种不同的物理接 口，向上提供个统一的数据链路层。 ： ) 层间管理功能：层间管理功能是在数据网络层和光网络层之间交换状态和 配置信息通过控制接口对业务和通路进行管理，包括保护和恢复、路由、 故障管理、性能管理、连接管理和会话管理。 本平台光接口模块的设计实质上就是在千兆以太网和光信道层之间选取一个 合适的电适配层。解决以太网广域传输的各种问题。实现干兆以太网的长距离可 靠传输。由于在平台设计的时候考虑到数据透明性和实现复杂度，不将数据提交 高层处理，仅限于物理层的处理，因此选取适配层技术也就是选取物理层帧结构。 1 6全光网适配层技术及阻塞性能研究 为了更好的选取适配层，顺应光网络的发展趋势，下文对比研究了目前大型骨 干网中使用的s d h s o n e t 技术( 包括采用简化s d h 帧结构的1 0 g 以太网) 和 l u c e n t 公司建议的数字封装( d i g i t a lw r a p p e r ) 技术。通过总结光网络中适配层技 术的特点，根据平台的实际耍求选取适合本平台的光接口侧帧结构。 32l s d h s d h 作为一种物理层技术，具有以字节为基础的矩形块状帧结构，每帧长 1 2 5 p s 。帧中包含帧定位字节a l ，a 2 ，误码监视字节b 1 ，b 2 ，自动通路保护倒换 字节k 1 ，k 2 ，误块指示字节m 1 ，还有用来构成s d h 管理网传送链路的数据通信 通路d c c 等，这些字节大大加强了s d h 网络管理功能。由于s d h 采用的特殊的 帧结构和字节间插的同步复用，使s d h 具有以下优点： 1 、信息净负荷的透明性。由于s d h 帧采用了容器和虚容器的概念封装业务流， 网络可以传送各种净负荷及其混合体而不管其具体信息结构如何。一旦净负荷装 入虚容器后，网络内部所有设备只需处理虚容器v c 即可，而不用考虑v c 内封装 的内容，在s d h 网中传输时总是保持完整不变的，净负荷与s d h 网的接口仅仅 在网络边界上才有，因而可作为一个独立的实体在通道中任一点取出或插入，大 大减少了管理实体数量，简化了网络管理。 2 、使用了同步复用技术，便于业务流的提取。s d h 基本单元是s t m 1 ( 15 5 m b p s ) 信号，所有高次群传输信号采用同步复用方法以字节为单位同步交织， 产生s t m n 信号( v s t m 1 - l ，4 ，1 6 ，6 4 ， ) 。由于采用的是同步复用技 术，各种不同等级的码流在帧结构净负荷的排列有规律，因此在s d h 网络中，很 容易利片j 软件通过a d m ( a d d d r o pm u l t i p l e x e r ) 从高次群的数字流中分离出低次 群的数字流，或者将低速率数字流复接进高速数字流，而不需要多路分解整个信 号。总之，s d h 为多种数字流的复用和解复用提供了较灵活、高效的解决方案。 3 、使用分层概念，提高层网络的独立性。每一层网络有不同的开销和传送功 能有独自的运行、诊断和自动失效恢复能力，对某一层网络的增加或修改不会 影响其他层网络。在s d h 网中，物理层失效完全可以由物理层内处理，上面的通 道层和电路层可以与物理层上的失效隔离开，提高了网络的可靠性，缩短了恢复 时间。 4 、强自愈和重组功能，能够提供最佳的路由选择。由于s d h 帧承载了自动保 护倒换通路字节k l 和k 2 ，网络很容易在极短时间内从失效故障中自动恢复所携 带的业务，即网络具备发现替代传输路由并重新确立通信的能力。业务恢复时间 少于5 0 m s 。 5 、s d h 帧结构中安排了丰富的开销字节( 大约占信号的5 ) ，因而使网络的 第三章光接1 2 1 模块设计 1 7 o a m 能力( 如故障检测、区段定位、端到端性能监视等) 大大加强。s d h 将o a m 信息分成通道( p a t h ) 和段