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组播光网络中的可调接收机和波长路由研究 摘要 摘要 随着光电技术的进步，波分复用( w d m ) 技术及由此构成的w d m 光网络 实现了比传统的点到点传输更多的功能。近年来，随着网络技术的不断发展和用 户需求的不断变化，组播业务日益成为一种重要的业务模式。发展各种动态光交 换器件和提供动态波长路由技术，在光网络中实现高速有效的组播交换，成为光 网络的重要研究领域。 光组播交换需要通过各类动态交换器件提供点到多点传输，组播光网络需要 有效的动态路由来合理地利用网络中的组播交换资源，实现组播业务的高效交换 传送。本文对组播光网络可调接收机和波长路由问题进行了研究，主要包括新型 高速可调接收机、低成本注入锁定可调接收机设计、共享波长转换节点结构及其 对网络动态路由算法的影响，受光网络限制的动态组播树构建和动态路由等。 第一章绪论，对相关背景作了回顾和分析。 第二章实验演示和理论分析了一种亚纳秒外差相干可调接收机。这种超快速 信道切换的接收机，对于高速组播光网络中以时隙为单位的波长信道交换具有重 要意义。本论文通过在外差相干接收机中采用具有超快频率稳定性的交换本振 源，实现了具有小于o 7 一n s 交换时间的可调相干光接收机。就我们所知，这是迄 今为止实验报道的交换速度最快的可调接收机。为了理解这种外差接收机的交换 性能，我们进一步理论分析了接收机交换速度的基本限制，分析表明基本的交换 速度被外差接收机的中频滤波带宽限制，在通常的外差接收机结构中通过合适的 设计中频滤波器，仍可确保比特量级的交换时间。 实现可调接收机的方案有很多种，但是通常结构复杂且成本较高，限制了组 播交换在接入网等成本敏感的场合应用。第三章实验演示了一种基于f p 半导体 激光器双注入锁定效应设计的可调接收机。f p 激光器注入锁定可调接收机结构 简单，成本较低，适用于波长通道较少的接入网等应用场合。实验演示了2 5 g b s 速率下该接收机的波长通道选择接收的能力，测量了两波长通道选择接收的误码 特性，显示了该接收机对光信号的放大接收作用，这种效应对于无放大中继的低 成本接入网络有重要意义。我们进一步分析了该可调接收的调节时间，实验观察 指出其失锁到锁定时间小于2 5 n s ，这一交换时间允许e p o n 等网络在包问保护 时间内完成交换。 第四章研究了受光网络限制的光树构建和动态组播路由问题。光网络组播受 到光层性能的限制，两个重要的限制是：光层传输功率限制和网络中有限的可组 播节点数目限制。针对前一问题，建议了一种采用动态配置可调光功率分配器的 方法，它通过在分路时调节分路器的各分支间的光功率分配比，使即使不平衡的 组播光网络中的可调接收机和波长路由研究摘要 光组播树，其光功率仍得到平衡分配，分析给出了光树中各分路器分配比调节公 式。针对网络可组播节点有限的限制，建议了一种重叠结构的组播树( o v e r l a p p e d t r e e ) ，它允许一个子节点有多个父节点，它们在逻辑上仍构成树的结构。并提 出了相应启发式算法用于在上述嘲络中计算重叠树路由，网络仿真结果表明重叠 树降低了低负载时网络组播树的阻塞概率，适用于在网络组播能力受限时来改善 网络组播性能。 第五章研究了波长路由网络中共享波长转换节点结构及其阻塞性能对网络 动态路由算法的影响。文中首先研究了一种波长共享波长转换节点结构的模块化 设计及其相应的性能，波长共享的组播节点通过采用频率分路器来提供不同波长 间的组播。通过对波长分组，使节点可以以分组波长数为单位随网络扩容需要扩 展，共享波长转换节点和组播节点仿真结果表明，合理的分组方案不会降低节点 的交换阻塞性能。考虑到节点阻塞性能对网络动态路由的影响，我们建议了一种 新的动态路由算法来改善具有有阻塞节点的网络性能。该算法通过将节点阻塞性 能考虑到动态路由中，使路由尽量避免经过阻塞率高的节点来降低网络阻塞概 率。节点的阻塞概率被作为参数来设置网络中链路权重，使得路由计算时包括节 点阻塞状态，仿真结果表明，通过合理设置权重函数降低了网络的阻塞概率。 附录a 中介绍了我们研发制造的基于机械光开关原理的动态光分插复用单 元及样机。 关键词：波分复用网，光组播，可调光接收机，光功率分配器，光交叉连接， 光组播路由，动态路由 组播光嘲络中的可调接收机和波长路由研究 摘要 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fp h o t o n i c a n de l e c t r i c a l t e c h n o l o g i e s ，w 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 ( w d m ) t e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o n si no p t i c a ln e t w o r k s ， w d m o p t i c a ln e t w o r k s ，h a v eb e e nu s e dt or e a l i z em o r ef u n c t i o n st h a nt h et r a d i t i o n a l p o i n t t o p o i n tt r a n s m i s s i o n i nt h ep a s td e c a d e ，w i t ht h ee v o l u t i o no fn e t w o r k i n g t e c h n o l o g ya n ds e r v i c ed e m a n d ，m u l t i c a s th a sb e c o m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s e r v i c e s t h er e s e a r c h e si nv a r i o u sd y n a m i c a l l yo p t i c a l l y s w i t c h e dc o m p o n e n t sa n d d y n a m i c a lw a v e l e n g t hr o u t i n gf o rh i g h - s p e e da n dh i g h - e f f i c i e n tm u l t i c a s t i n gs e r v i c e p r o v i s i o nh a v eb e e no n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf i e l d si no p t i c a ln e t w o r k s t h r o u g hm a n yk i n d so fd ) m a m i cs w i t c h i n gc o m p o n e n t s ，o p t i c a l l y s w i t c h e d m u l t i c a s t i n gn e t w o r k sp r o v i d ep o i n t - t o m u l t i p o i n tt r a n s m i s s i o n i nt h eo t h e rs i d e ， o p t i c a lm u l t i c a s t i n gn e t w o r k sn e e de f f i c i e n td y n a m i cr o u t i n gt op r o p e r l yu t i l i z et h e s e m u l t i c a s ts w i t c h i n gr e s o u r c e sf o rh i g hp e r f o r m a n c em u l t i c a s t i n gs e r v i c e t h e r e f o r e ， t h i sd i s s e r t a t i o nf o c u s e so nt h ei n v e s t i g a t i o no fn o v e lt u n a b l er e c e i v e ra n dw a v e l e n g t h r o u t i n gi no p t i c a lm u l t i c a s t i n gn e t w o r k s ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fu l t r a - f a s tt u n a b l e r e c e i v e r ，t h ed e s i g no fl o w c o s tt u n a b l er e c e i v e r ，t h es t r u c t u r ed e s i g no fo p t i c a l c r o s s c o n n e c t ( o x c ) ，e f f i c i e n to p t i c a lm u l t i c a s td y n a m i cr o u t i n ga p p l i c a b l ef o rt h e c o m p o n e n t sa n dd e v i c e si nn e t w o r k s t h ef i r s t c h a p t e ro ft h e d i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sa n d a n a l y s e s t h er e l a t e d b a c k g r o u n d as u b - n a n o s e c o n d h e t e r o d y n eo p t i c a l t u n a b l er e c e i v e ri sd e m o n s t r a t e d e x p e r i m e n t a l l ya n da n a l y z e dt h e o r e t i c a l l yi nc h a p t e r2 t h i su l t r a f a s tc h a n n e l s w i t c h i n gt u n a b l er e c e i v e ri sv e r yu s e f u lf o rt h eh i g h s p e e dt i m e - s l o ts w i t c h i n gi n o p t i c a lm u l t i c a s t i n gn e t w o r k sw h i c hr e q u i r et h eo p t i c a ls w i t c h i n go nap e r t i m e s l o t b a s i s t h et u n a b l er e c e i v e rr e a l i z e sa o 7 - n ss w i t c h i n gt i m eb ye m p l o y i n gaf a s t s w i t c h i n gl o c a lo s c i l l a t o r ( l o ) w i t hu l t r a - f a s tf r e q u e n c ys t a b i l i z a t i o n t ot h eb e s to f o u rk n o w l e d g e ，i ti st h ef a s t e s tt u n a b l eo p t i c a lr e c e i v e rr e p o r t e dt od a t e f u r t h e r m o r e ， w ep e r f o r ma na n a l y t i c a li n v e s t i g a t i o nc o m b i n e dw i t he x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n st o c h a r a c t e r i z et h er e c e i v e ra n du n d e r s t a n dt h et r a n s i e n tp r o c e s si ns w i t c h i n g o u rs t u d y r e v e a l st h a tt h ef u n d a m e n t a ls w i t c h i n gs p e e di sl i m i t e db yt h eb a n d w i d t ho ft h e i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y ( i f ) f i l t e ra n dt h el os w i t c h i n gt i m e o ft h eh e t e r o d y n e r e c e i v e r ，w h i c hw o u l de n s u r eb i t - l e v e ls w i t c h i n gi f t h ef i l t e ri sp r o p e r l yd e s i g n e d t h e r ea r em a n ym e t h o d st oi m p l e m e n tf lt u n a b l er e c e i v e r ，b u tm o s to ft h e ma r e t o o c o m p l i c a t e d a n dh i g h c o s t , w h i c hl i m i tm u l t i c a s ts e r v i c e a p p l i c a t i o n i n c o s t s e n s i t i v eo c c a s i o n s ，s u c ha sp a s s i v eo p t i c a la c c e s sn e t w o r k s i nc h a p t e r3 ， a n o t h e rt u n a b l eo p t i c a lr e c e i v e rb a s e do nt h ee f f e c to ft w o m o d ei n j e c t i o nl o c k i n go f t h ef ps e m i c o n d u c t o rl a s e r ( f p i lt u n a b l er e c e i v e r ) i sd e s i g n e da n dd e m o n s t r a t e d 匀l 播光网络中的可调接收机和波长路由研究 e x p e r i m e n t a l l y t h ef p i lt u n a b l er e c e i v e re m p l o y sf ps e m i c o n d u c t o r 】a s e r ，a n dh a s t h ea d v a n t a g e so fs i m p l es t r u c t u r ea n dl o w c o s t ，w h i c hi sa p p l i c a b l ef o rt h eo c c a s i o n s w i t hs e v e r a lw a v e l e n g t h s ，f o re x a m p l ep a s s i v eo p t i c a la c c e s sn e t w o r k i n gs y s t e m t h e c h a n n e ls e l e c t i o nf u n c t i o no ft h er e c e i v e ri sd e m o n s t r a t e di nt h ed a t ar a t eo f2 5 g b s t h eb i t - e r r o r r a t ep e r f o r m a n c eo ft w ow a v e l e t i g t hc h a n n e l sa r em e a s u r e d ，i nw h i c hi t s h o w st h e p r e a m p l i f i e r f u n c t i o nb e f o r er e c e i v i n gw h i c hp r o v i d e sa ni m p o r t a n t a p p l i c a t i o ni nt h er e p e a t e r l e s sl o w c o s to p t i c a la c c e s sn e t w o r k s w ef u r t h e ra n a l y z e d t h et u n i n gt i m eo ft h er e c e i v e r ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e sa 2 5 - n st i m ef r o m t h es t a t eo fl o s i n gl o c k i n gt oi n j e c t i o nl o c k i n gw h i c hi sf a s te n o u g ht os w i t c hw i t h i n g u a r dg a pt i m ei nt h en e t w o r k sl i k ee p o n c h a p t e r4i n v e s t i g a t e st h el i g h t - t r e es e t u pa n dd y n a m i cm u l t i c a s tr o u t i n gp r o b l e m u n d e rt h ec o n s t r a i n to fo p t i c a ln e t w o r k s 1 1 1 et w om a i nc o n s t r a i n t so nt h eo p t i c a l m u l t i c a s to r i g i n a lf r o mo p t i c a lc o m p o n e n t sa r eo p t i c a lp o w e rb u d g e ta n dn o d e s p l i t t i n gc a p a b i l i t i e s f o rt h ef o r m e rp r o b l e m ，w ep r o p o s eas o l u t i o nw h i c he m p l o y sa d y n a m i c a l l yc o n f i g u r a b l et u n a b l eo p t i c a lp o w e rs p l i t t e r i tc a nt u n et h es p l i t t i n gr m i o o ft h eo p t i c a lp o w e rb e t w e e nt h eo u t p u tp o r t so ft h es p l i t t e r ，s ot h a tab a l a n c eo f p o w e rb u d g e tc a nb er e a l i z e de v e ni nt h et r e ew i t hu n b a l a n c es t r u c t u r e n ef o r m u l a s o ft u n i n gr a t i oo ft h es p l i t t e ra r ed e r i v e d f o rt h ep r o b l e mo fn o d es p l i t t i n g - c a p a b i l i t y c o n s t r a i n t ，am u l t i c a s tt r e ew i t ho v e r l a p p e ds t r u c t u r e ( o v e r l a p p e dt r e e ) i sp r o p o s e d w h e r eac h i l dn o d ec a l lh a v em o r et h a no n ef a t h e rn o d e sb u tt i l e ys t i l ll o g i c a l l yf o r ma t r e es t r u c t u r e ah e u r i s t i ca l g o r i t h mi sp r o v i d e df o rd y n a m i co v e r l a p p e d - t r e er o u t i n g i nn e t w o r k s n e t w o r k i n gs i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to v e r l a p p e d - t r e eh a sm o r e e f f i c i e n ta n df l e x i b l ep e r f o r m a n c ei nt h ec a s eo fl i g h tl o a d sa n dc a nb eu s e dt o i m p r o v et h en e t w o r k i n gp e r f o r m a n c ew h e r et h em u l t i c a s t c a p a b l en o d e sa r el i m i t e d c h a p t e r5s t u d i e so x c n o d es t r u c t u r eo fs h a r ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o na n dt h e i n f l u e n c e so fi t sb l o c k i n gp e r f o r m a n c eo nt h ed y n a m i cr o u t i n gi nw a v e l e n g t h - r o u t e d o p t i c a ln e t w o r k s f i r s t l y ，w ep r o p o s e da n e ws c h e m et oi m p r o v et h em o d u l a r i t yo f t h e k i n do fs h a r e - p e r - w a v e l e n g t hw a v e l e n g t h c o n v e r s i o no x c t h em u l t i c a s t - c a p a b l e o x cp r o v i d e sm u l t i c a s t i n gc o n n e c t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tw a v e l e n g t h su s i n gs o c a l l e d f r e q u e n c ys p l i t t e r w i t hw a v e l e n g t hg r o u p i n g t h eo x cc a nb ee x p a n d e db yt h e n u m b e ro fw a v e l e n g t h si nas u b - g r o u pa st h eu n i t t h eb l o c k i n gp e r f o r m a n c e s i m u l a t i o no ft h eg r o u p e ds h a r ew a v e l e n g t hc o n v e r s i o na n dm u l t i c a s t i n go x c s i n d i c a t e st h a t p r o p e rg r o u p i n g m e t h o dw i l ln o td e g r a d et h eo x cs w i t c h i n g p e r f o r m a n c e t oi m p r o v et h er o u t i n gp e r f o r m a n c eo ft h en e t w o r k sw i t hb l o c k i n g n o d e s ，w ep r o p o s ean e wd y n a m i cr o u t i n ga l g o r i t h mw h i c ht a k e st h eb l o c k i n gs t a t eo f n o d e si n t oc o n s i d e r a t i o ni nt h er o u t i n gp r o c e s s a sar e s u l t ，t h eo b t a i n e dr o u t i n gw i l l t r yt ob y p a s st h o s en o d e sw i t hh i g hb l o c k i n gp r o b a b i l i t y t o i m p r o v er o u t i n g p e r f o r m a n c ei n t h en e t w o r k s i nr o u t i n gc a l c u l a t i o n ，t h en o d eb l o c k i n gs t a t ei sa p a r a m e t e ro ft h el i n kw e i g h tf u n c t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h e b l o c k i n gp r o b a b i l i t i e sc a nb er e d u c e db yp r o p e r l ys e t t i n gt h ew e i g h tf u n c t i o n 卦i 播光网络中的可调接收机和波长路由研究 摘要 l a s t l y ，b a s e d0 i lt h ep r i n c i p l eo fm e c h a n i c a lo p t i c a ls w i t c h ，ad y n a m i co a d m u n i ta n dad e m om o d u l ed e s i g n e da n df a b r i c a t e db yu sa r ed e m o n s t r a t e di na p p e n d i x a k e y w o r d s ：w 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 gn e t w o r k s ，o p t i c a l m u l t i c a s t ， t u n a b l er e c e i v e r ，o p t i c a lp o w e rs p l i t t e r ，o p t i c a lc r o s s - c o n n e c t ，o p t i c a lm u l t i c a s t r o u t i n g ，d y n a m i c a lr o u t i n g 组播光网络中的叫调接收机和波长路由研究中请上海交通大学博 4 学位论文 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 我佩铜 日期：b - , - - 6 年7 月；日 日期：年月 5 0 t b s ) 、低损耗、信号畸变小和费用低 等特点，促进了大容量的光网络技术的迅速发展，已成为网络交换传输的关键技 术。光纤能提供比铜缆大得多的带宽和小得多的损耗，i j 时不容易受n # i - 界电磁 等因素干扰，早期的光网络中，光主要用于网络信号传输目的。在传输领域，光 技术的发展主要为了实现光信号以越来越高的速率传送越来越远的距离。在这些 网络中，光纤纯粹用作传输媒质来代替铜缆，所有的比特交换和处理都由电子器 件完成。这种光网络的一个例子是同步数字光网络( s d h 和s o n e t ) ，它们目 前常被用于组成电信基础核心网。 近些年来，光通信的发展已经在光网络中实现了比点到点传输更多的功能。 随着通信速率的不断提高，电子的信号处理和交换的负担越来越繁重，一些光交 换技术应运而生，使数据可以透明地在光域上实现交换和路由，大大减轻了电子 处理的负担【2 】。近年来，随着网络业务由话音业务为主向数据交换、多媒体等 多类型业务演变，光网络也由原来的静态配置网络向具有动态交换和路由功能的 光交换网络发展，并且随着语音、数据、广播等多种网络业务的发展，使得光网 络向综合业务交换网演进【3 ，4 】。尤其是流媒体点播、网络会议与教学、存储网络、 虚拟专用网等这些新的网络组播应用业务的兴起，为光网络技术的发展带来了新 的机遇和挑战。通过动态光交换器件在光网络中实现有效的组播交换功能，成为 光网络研究的重要内容，给光交换器件和建立其上的网络的动态路由问题的研究 带来新的挑战。 1 1 光网络技术 1 1 1 波分复用技术 单模光纤有近5 0 t b p s 的町利用带宽，这比目前的电数据处理速率高j l 个数 量级。所以光通信技术的。个重要问题是如何解决光电带宽的这一巨大失配。关 组播光网络中的可调接收机和波长路由研究第一章绪论 键问题是设计某种光通信网络，使得那些低速率的众多用户可以共享网络中的巨 大光纤链路带宽，实现他们之间的同时传输和互连。另一方面，9 0 年代初以来， 随着个人电脑的普及和i n t e r n e t 的飞速发展，以及多媒体通信业务的出现，信息 爆炸刺激了全球通信业务的迅猛增长。而光纤通信系统的初期投资非常大主要 原因是光缆线路的敷设费用很高，如何利用现有光缆系统以最小的成本实现最大 限度的扩容是光通信网发展所需解决的关键问题。 实现带宽共享和网络扩容的传统方法是采用时分复用( ) m ) 方式，即每 个终端用户按时隙划分，不同的时隙分配给不同的用户，通过时隙分割实现带宽 共享。然而，时分复用信道的比特率是所有共享用户的比特率之和，由于电子处 理速率的限制，这种方法无法充分利用整个光纤的巨大带宽，同时随着信道速率 的提高，光传输的物理损伤影响将迅速增加，导致通信成本大幅提高。然而，如 果采用波分复用( w 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 ，w d m ) 技术则不存在这些影 响。w d m 技术在一根光纤中同时传输多个波长，整个光纤通信带宽在波长维度 上被分割为一个个互不重叠的小波长带宽。每个波长作为一个独立的通信信道可 以在相对较低的速率下传输数据。这样，通过允许多个w d m 信道共存在单根光 纤中，可以充分利用光纤的巨大带宽。每个波长可以独立操作，提供了实现网络 的高效动态带宽共享的可能。波长信道对所承载的格式是透明的，这对于简化网 络的结构和设计新的网络架构有重要意义。在w d m 网络中，实现网络扩容变得 非常方便，只需增加波长个数而不需再铺设新的光纤，同时也不会给电子处理带 来根本性的困难。而且，非常重要的一点是w d m 器件的设计开发从技术上来说 比较容易实现。迄今为止，随着w d m 技术的成熟，已有大量新类型的w d m 器 件被发明，而更多的新器件还正在出现 5 】。 从2 0 世纪9 0 年代中期开始，w d m 技术首先在北美开始了飞速发展，并向 密集波分复用系统( d w d m ) 方向发展。随着可用波长数的不断增加，和光放 大、光交换等技术的发展。波分复用技术不再仪仅被用来充分利用光纤中的带宽， 由于其多波长特性具有无可比拟的光通道直接联网的优势，因此为进一步组成以 光予交换为交换体的多波长光纤网络提供了基础，促使了波分复用系统从传统的 点到点传输系统向光传送联网的方向发展，形成了多波长波分复用光网络，也叫 光传送网( o p t i c a lt r a n s p o r tn e t w o r k ，o t n ) 2 0 1 。原来的点对点多波长光纤链路 通过光节点设备，如光分插复用器( o p t i c a la d d d r o pm u l t i p l e x e r ，o a d m ) 和光 交叉连接器( o p t i c a lc r o s s c o n n e c t o r ，o x c ) 互连组成任意拓扑的光网络。通过 o a d m 和o x c 可实现任意链路中任意波长= 的上卜，可以灵活地使一个节点与其 他节点形成连接，从而形成w d m 光网络【2 ，如图1 1 所示。 纽播光网络中的町调接收机和波长路由研究 第一章绪论 图1 1w d m 光网络 2 l o a d m 1 1 2 自动交换光网络 随着信息技术的飞速发展，通信业务对光网络提出了越来越高的要求。新的 业务已不仅要求光网络提供的光通道带宽成倍增长，还要求下一代光网络能够提 供更高的服务质量( q o s ) 。正是为了适应新的业务需求，作为一种新型光网络 体系的自动交换光网络传送网( a s o n a s t n ) 应运而生【6 ，7 ，它主要是在原有 的网络管理平面和数据平面之间加入运行网络协议的控制平面，从而利用控制平 面分布式的计算、处理和协商达到增加网络智能的目的。 原有的传统光传送网基本上是建立在s d h s o n e t 和全光网技术基础之上 【8 】8 ，其运行依赖于传送网的集中式网管系统，任何线路配置和监督都依赖于人 工参与的网管系统操作，而路径的选择和优化依赖于线性规划等分析工具。随着 近年来网络业务的快速增长和网络多业务开展的需求的提升，传统传送网已经暴 露出业务提供慢，服务质量低和新业务增加困难的问题。为解决这些问题，一些 公司提出了自动交换传送网光网技术的概念，通过多个国际标准组织、企业界 和研究机构的努力，近年来a s t n a s o n 正逐步走向成熟规范。各国也对自动 交换传送网技术给予了高度重视，世界范围内已经出现多个a s t n a s o n 技术 试验床 9 1 l 】，其中的部分技术已经投入商用。国内清华大学和上海交通大学都 报道了a s o n 实验床的工作，在国家8 6 3 计划的大力支持下，华为和烽火等均 研制出商用设备，并开通多个试验局 1 2 】。 为了解决原有传送网的问题，a s o n 在原有传送网传送平面和管理平面两平 面的基础上增加运行协议的控制平面，利用控制平面将智能引入光传送网。因此， 控制平面及其运行的通用多协议标记交换( g m p l s ) 协议是a s t n 技术的核心。 g m p l s 协议是一系列嘲络协议的结合，包括以扩展的开放最短路径优先协议 ( o s p f ) 为代表的路由协议，扩展的资源预留协议( r s v p ) 和扩展的约束路由 的标签分发协议( c r l d p ) 的信令协议以及链路管理协议( l m p ) 1 3 。对于 a s o n 控制平面的g m p l s 协泌，业界和学术界己经进行了广泛深入的研究，相 组播光网络巾的可峒接收机和波长路由研究 第一章绪论 关的基础标准也已经基本制定完成，丰要有三个国际组织进行标准化t 作，各有 侧重，但也有交叠，i t u t 主要在体系结构方面，a s o n 或a s t n 是i t u t 的术 语：i e t f 主要在具体协议规范方面，扩展了i p 的路由m 议和信令协议，形成通 用多防议标记交换协议( g m p l s ) ；o i f 主要在互操作方面，制定了用户网络接口 规范。 传送、 图1 2 自动交换光网体系结构 图1 2 显示了由传送平面、控制平面和管理平面构成的a s o n 体系结构。传 送平面包括提供子网络连接( s n c ) 的网元( n e ) 。它具有各种粒度的交换和 疏导结构，如光纤交叉连接、波带和波长交叉连接，具有各种速率和多业务的物 理接口( p i ) ，如s d h ( s t m - n ) ，p o s ( o c - n c ) 、以太网接口、a t m 接口 以及其它特殊接口等：具有与控制平面交互的连接控制接口( c c i ) 。控制平面 完成对传送平面的灵活控制，具有较高程度的智能化，因此，a s o n 的实现主要 在于控制平面。控制平面基于g m p l s 协议栈，包括信令协议、路由协议、链路 资源管理协议等。其中信令协议用于分布式连接的建立、维护和拆除等，路由协 议为连接的建立提供选路服务，链路资源管理用于链路管理，包括控制信道和传 送链路的验证和维护。控制平面实现网络节点接口( 1 一n n i 和e n n i ) 以及用户 网络接u ( u n i ) 。管理平面同时与传送平面( 通过n m i t 接口) 和控制平面 ( 通过n m i a 接口) 进行管理。图1 2 中的“客户”是指各种路由器、交换机、 服务器以及终端等，这些设备在接受a s o n 提供的智能带宽服务时需要配置u n i 接r 的用户代坪( r a ) 。 随着组播性质的业务需求的增k = ，在网络中提供动态组播交换成为重要要 求。为了在m p l s g m p l s 协议管理的网络中支持组播通信，提供点到多点 ( p o i n t t o m u t t i p o i n t ，p 2 m p ) 交换连接，i e t f 扩展了点到点标记交换路径( l s p ) 的 4 组播光网络中的可调接收机和波长路由研究第一章绪论 概念，定义了点到多点l s p 建立和维护的信令要求 5 9 1 ，并扩展j - r s v p t e 协 议以建立包括波长光路在内的p 2 m p l s p 6 0 。它允许网络的一个非l s p 入口节 , 点( i n g r e s sn o d e ) 成为复制或分支节点，从而可以在中间节点将输入数据复制到两 个或多个输出接口。一个p 2 m pl s p 包含多个源到叶子节点的子l s p ( s u b l s p s ) ， 这些s u b l s p 建立在源节点和各出口节点间，并由分支节点适当地合并。 1 2 光交换技术 w d m 光网络技术的发展和g m p l s 等网络控制平面技术的出现，对各种网 络设备和单元的交换性能提出了更高的要求。伴随着网络业务需求的变化，促进 了各种光交换技术的产生和发展，包括各种光交换体系结构，各类光交换器件等， 这些技术的研究和进步是网络实现信息交换的基础。 1 2 1 光交换技术分类 光网络中的交换技术按技术架构可以分为三类：光线路交换( o p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n go c s ) 、光分组( 包) 交换( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n go p s ) 和光突发 交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n go b s ) 。 研究得最早的是光线路交换。在这种交换中，基本交换单元是一次呼叫，其 交换过程分为连接建立，连接保持和连接拆除三个阶段。光线路交换系统在进行 信息传输前，必须在网络中建立起从源节点到目的节点的光通道连接，传送业务 时在输入端和输出端建立一条物理通道。光线路交换可以由空分光开关矩阵实 现，各种机械、电光、磁光的空间光开关都可以构成空分光交换中的开关矩阵。 典型的光线路交换网是波长路由光网络( w a v e l e n g t h r o u t e do p t i c a ln e t w o r k s w r o n ) 【1 4 】，它采用波长交换方式，以光波长建立光通道，由波长光交叉连接 ( o p t i c a lc r o s s c o n n e c to x c ) 实现交换。在源和目的节点由光分插复用器 ( o p t i c a l a d d d r o p m u l t i p l e x e r o a d m ) 实现波长的上下路。在波长光路建立后， 该连接始终占用该波长连接带宽直至连接拆除，连接的带宽是独占的，光信号交 换传递时不需要光缓存。 光分组交换( o p s ) 是光交换的一种理想模式【1 5 ，1 6 ，以较小的光分组作为 交换单位，每个光分组由若干个电层的i p 包组成。它的交换粒度小，能与电层 粒度很好地匹配起来，充分利用带宽资源。每个分组除了有效载荷外，还包含有 标志比特、分组序列号、持续时问、同步信号和路由信息等。这种交换模式是无 连接方式，信息发送前不必等待，直接发送，在中间节点处对分组头处理并存贮 转发，在目标节点