如何实现IP over WDM

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如何实现IP over WDM
  　　因特网业务的巨大增长对数据传输的容量要求增加，尤其对主干网络提出更
高的要求，这客观上要求建立一个超高速的传输、交换主干网络。WDM技术支撑同一光纤
中的多个同步信道，该项技术的快速发展，将影响未来网络建设中的发展方向。
　　Internet网业务的巨大增长对数据传输的容量要求增加，尤其是对主干网络，
提出更高的要求，这客观上要求建立一个超高速的传输、交换主干网络。WDM技术支撑同
一光纤中的多个同步信道，该项技术的快速发展，将是将来网络建设中的发展方向。目
前，超Terabit的传输演示系统已出现，几百Gigabit的系统已逐步商业化。现行的基础
网络大多仍为语音传送所建，按照目前技术的发展，话音通信也可通过分组网络来传送
，且承载多业务的能力是电路交换网络所无法比拟的。
　　现在大部分数据网络是基于IP协议的，有理由相信，IP仍将是末来主要的网络层技
术，然而IP协议如何来利用低层的巨大传送能力，却仍面临不少问题。按现行的几种IP
融合协议，如硬件路由、IP Switching仍将由于电子交换的限制，而无法真正利用WDM传
输系统的巨大容量优势。
　　旨在取消IP和WDM之间的电子层的众多研究，是当前的一个热门话题，探讨IP网络如
何能利用WDM层的优势意义重大。WDM分组网络通常可分为LAN和WAN网络两大类，前者是
共享广播媒体，后者是利用交换技术而相互连接的多个光纤链路网，其网络交换应在光
领域内完成。不幸的是，光分组交换技术在目前仍未成熟。所以，比较现实的方案是利
用电子交换来实现不同WDM信道间的连接，故在WDM分组网中对电子层和光层联合设计是
一热门的技术。
　　电子层和光层的联合设计
　　光分组交换的目的之一是取消笨拙的电子层，当电子处理速度再往上增加时，理论
上即可达到光网络系统的速度。因此不可避免地，传统网络容量将被电子层的瓶颈所限
制，所以网络设计的目标是逐步取消电子层。通过对电子层和光层的联合设计，可达到
网络协议间的最佳匹配。
　　减少协议栈层次
　　在目前的Internet网络中，IP协议是通过系统电子复用和交换设备来实现的。一个
典型的网络可能会包括三至四层不同的电子复用和交换层。例如，Internet协议可通过
FR来传输，IP分组包封装在FR帧中，有时映射于ATM信元中，通过SONET网络来传输。众
多的层次显然降低了带宽的利用率，增加了时延，不利于QoS的保证。更糟的是由于各层
之间的独立性，导致某些网络业务的复用无法实现。新的电子层将融合现行各种电子层
的功能，如帧和恢复。
　　光流交换
　　IP层的路由已成为现行网络中的主要瓶颈之一，通过在低层长时间的流交换可以有
效地解决这一问题。标记交换利用路由协议对网络中的路由进行预定义，从而避免了频
繁的路由表查找，IP交换动态地对时间长的连接设立第二层的虚电路（如ATM等）。
　　
　　这种低层的交换原理可被延伸到光层中，即大容量、长时间的流可在光层交换，同
时对传送大数据量或高带宽的流可建立光路来完成。为了将这些流和普通的流一起交换
，光流的交换协议需要保持和普通流IP协议有相通的地方。与IP交换不同，ATM流只对一
个可预知的流来建立虚通道；一个光流交换协议必须能更加慎重判定何时设立这样的流
，因为网络中的光路是稀有资源，一般情况下不应随意分配。对于光流交换，一般由应
用层来通知IP层是否有大容量交换数据流的到来。在某种意义上来讲，光流交换只是迈
向全光分组交换的第一步，只用于处理巨额数据流量，全光分组交换可对所有分组大小
进行交换，从而进行更快速的交换分组。
　　光突发交换
　　和光流交换相类似的另一概念是光突发交换OBS（optical burst switching）。通
过OBS，一控制分组通过带外信道来传送，并判定一个即将到来的突发流。每个节点处理
控制消息，一个时延后，随之传来一串突发数据流，等待建立连接。由于在突发流传送
前，连接并不建立。在控制信息分组经过的节点中，有可能无法保持资源，此时突发流
可能被丢弃。为了减少掉串，光时延线路可被用来临时贮藏突发串，直至资源可被重新
利用。
　　在某些情形下，这些方式类似于全光网络的的分组交换。在全光网络分组交换中，
目的是为了跟电子层分组网络具有同样的功能。网络交换根据分组头信息，利用光原理
传送分组。光分组交换显然可使网络在一个较高量级的速率来运行，在光分组网络中所
有的功能必需在光领域中进行。目前还有一些挑战性的问题存在，如高速交换、光缓冲
、分组头处理等等。
　　由于在光领域中实现网络功能具有相当的复杂性，大多数对全光网络的研究仍基于
用有限的功能来完成网络处理能力，如头标记处理只限于地址的认可，分组路由也是预
定义的。光分组网络目前尚在实验阶段，离商业化尚有较大的距离。
　　基于WDM的局域网
　　电子层和光层的联合设计，本质上是因为电子交换和复用层无法取消，这在当今的
广域网建设中确实如此。在广域网中，分组交换和复用在灵活连接和有效利用稀有带宽
是必需的，但光分组交换和缓冲技术并不是成熟的技术，因此在一定的时期内，WAN网络
仍需由电子交换来提供连接。
　　由于LAN网覆盖距离短，一般在几米到几千米的范围，而且是永久的共享媒体，光分
组网络在LAN中的发展则显得比较明朗。在LAN中网络并不需要交换和缓冲，有可能在LA
N中取消电子层而在光层中直接发送分组。
　　常规WDM分组LAN网的网络结构是广播星形，一个光星形耦合器用来连接所有节点，
每节点提供一对光纤连接到星状网，一条接收，一条发射，星形耦合器是一被动型的设
备，简单连接所有出入光纤。为了便于同节点通信，发射和接收波长必需调节到合适波
长。
　　基于星形结构的WDM LAN网络，理论上可轻易提供＞100Gb／s的速率，但WDM发射器
的成本非常昂贵，为允许WDM LAN网络可实现灵活带宽共享，发射器和接收器在可利用波
长上迅速调节。为了有效利用带宽，调谐时间应比分组传送时间短，一般分组为几千个
比特长，这要求调谐时间为几个毫秒的时长甚至更小些。目前激光快速调制技术处于实
验室阶段，一个WDM LAN网络的成本主要取决于可调节设备的成本。
　　由于固定波长发射器在节点发射之前不用进行协调的工作，因此是方便的，在该种
情况下，波长应按一定的规则分配给节点。在N个节点和W个波长的网络中，对每个波长
可分配N／W个节点。这将引起另外一些问题，如波长间负荷不均，使网络管理不便；加
入一个新节点时，应判断波长大小，并决定哪个波长对应于哪个发射卡。
　　为充分利用WDM带宽的优势，某些形式的发射调节是必要的：1．如果两个节点在同
一个波长上同步发射，将产生相互干扰；2．当两个以上的节点向同一节点发射（虽然在
不同波长上），由于节点只有一个收信设备，它只能接收其中一个信号；3．接收节点需
预先知道发送过来的信号波长，以便调节接收。
　　大多数WDM LAN网络利用一个分立的控制信道，以获得发射之前的一些信息，大多数
系统采用一个固定的发射器用于控制信道，当然控制信道和数据信道也可利用同一个发
射器。一个节点向另外一个节占用发送分组，必须先选择一个发送波长，然后利用控制
信道通知接收节点，这些是通过MAC协议完成。显然，这比单个信道的媒体MAC协议要复
杂得多，因为它必需在数据信道、控制信道、接收器上作仲裁。早期，对于WDM广播网络
的MAC协议是利用ALOPHA技术来共享信道的。通过ALOPHA技术，节点在发射之前无需协商
，如果没有其它节点在同一时刻发射，发射应成功；如果两个节点同时发射，则产生碰
撞，此时必须增加一随机时延。当网络负荷轻时，碰撞概率低，ALOPHA单信道的情形最
大的流量约为18％，Slotted ALOPHA协议在slot边界同步和发射，能获得大约36％的效
率。
　　在WDM系统中，在控制和数据信道中均采用MAC协议。在发射成功时，首先在控制信
道中无碰撞，接收信道无碰撞，无数据信道碰撞，这导致总体流量非常小。
　　由于以上的因素，必须寻求更好的MAC层协议来协调发射机制。由于WDM可调节发射
设备的昂贵价格，目前WDM LAN网络在市场应用仍不多，但100Gb／s以上的速率无疑有非
常大的吸引力。
　　突破从联合设计开始
　　光网络的优势在于消除电子交换的瓶颈，然而全光网络并不像人们想像的，马上成
为电子网络的替代品。这一方面是因为电子交换机和路由器速率在容量上的飞速增长，
而全光网络仍在实验室阶段，某些昂贵的设备价格确实让人望而却步。不管如何，WDM网
络的巨大容量和WDM的可重构特点可地减少网络成本和电子设备的复杂性。
　　为节省成本，须对电子层和光层进行联合设计，以便它们之间相互利用各自的优点
，其重要目标是在不减少网络功能的同时，相应减少网络层次。
　　在今后很长一段时期内，光网络还是只能在电子层下的物理层作铺垫。关于全光网
络的研究进展日新月异，最可能取得突破的将是局域网，因为在广播和共享媒体的框架
下，比较容易实现WDM分组交换。最近几年内，基于LAN的WDM简单网络星形结构将迅速成
熟，速率超过100Gb／s，在网络中可不利用任何高速的电子交换，这个速率在普通的电
子交换网络是无法达到的。