IP over WDM

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近年来，传统话音业务的年增长率只有5%-10%，而以Internet为代表的数据业务的年增工率达到20%-30%。数据通信业务量持续高速增长最直接的动力来自Internet业务量的持续指数级增长。IP网络通信业务量的爆炸式增长已成为世界注目的集点和推动全球信息业发展的主要力量。世界各国都把宽带IP网络作为21世纪国家基础设施建设的重点，加速发展，以争取在未来激烈的竞争中占据优势。

      近年来，宽带IP网络技术发展迅速。当前，ATM和SDH都能支撑IP，分别称之为基于ATM的IP网（IP over ATM）和基于SDH的IP网（IP over SDH），两者各有特点。IP over ATM利用ATM速度快、容量大、多业务支撑能力强的优点及IP简单、灵活、易扩充和统一性的特点，可以达到优势互补的目的。但当IP业务繁忙时或出现大量不均衡、突发性业务时，会产生ATM降载。另外，IP over ATM还具有网络体系结构复杂、传输效率低和开销损失大等缺点，这就使人们把眼光转向IP over SDH。IP over SDH是直接在SDH上传送IP业务，它提高了传输效率，易于实现IP多路广播。但它不适于多业务平台，不能完全保证业务的服务质量（QoS），这又促使人们努力寻找另一种新的网络体系结构来替代上述两种IP传送技术。随着波分复用设备、吉比特和太比特路由交换机相继问世，IP over WDM技术应运而生。

     IP over WDM也叫光因特网或IP优化光互连网，是指直接在光网上运行的因特网。它是一种由高性能WDM设备、吉比特和太比特路由交换组成的数据通信网络，综合利用IP技术和基于WDM的光网络技术，交换机与路由器之间可通过光纤直接相连或连至光网络层。IP over WDM充分利用WDM技术所带来的巨大传送带宽和高速路由交换机的强大交换能力，合理地在IP层与光学层之间实现流量工程、保护恢复、QoS和网络管理等的优化配置，形成一种简单高效的网络体系结构。这里，高性能网络路由器替代了传统的提供控制波长接入、交换、选路和保护倒换等功能的ATM和SDH交换和复用设备。光网络层（即服务层）可为包括SDH网元和网络互联设备在内的客户层设备提供波长路由。采用IP over WDM技术，可减少网络各层间的中间冗余部分，减少SDH、ATM和IP等各层间的功能重叠，减少设备操作、维护和管理费用。同时，由于省去了ATM层和SDH层，所以传输效率高，额外开销低，简化了网管，并可与IP的不对称业务量特性相匹配，充分利用带宽，节省网络运营商的成本，从而间接地降低了用户获得多媒体通信业务的费用。显然，这是一种最直接、最简单、最经济的IP网络体系结构，非常适用于超大型IP骨干网。

      1 IP over WDM的原理和特点
      1.1 IP over WDM的原理
      IP over WDM的基本工作原理是光纤直接与光耦合器相连，耦合器把各波长分开或组合，输入和输出端都用简单的光纤连接器。在发送端，将不同波长的光信号组合（复用）送入一根光纤中传输；在接收端，又将组合光信号分开（解复用）并送入不同的终端。因此，IP over WDM是一个真正的链路层数据网，可以通过指定波长作旁路或直通连接，网络的业务工程可以只在IP层完成。由于使用了指定的波长，结构更灵活，并具有向光交换和全光选路结构转移的可能。
      IP over WDM网络的主要部件除了激光器、光纤、光放大器和光耦合器外，还包括光再生器、光转发器、光分插复用器（OADM）、光交叉连接器（OXC）和高速路由交换机。G.655光纤因其色散的非线性效应小，最适合于WDM系统。高性能激光器是WDM系统中最昂贵的器件。光放大器主要采用EDFA，它能同时放大WDM所有波长，但对平坦增益的要求较高。光耦合器用于将各波长组合在一起或分解开来，起复用和解复用作用。长途WDM系统中有电再生中继器，再生分R1、R2和R3三类。光转发器用于变换来自路由器或其它设备的光信号，并产生要插入光耦合器的正确波长光信号。光分插复用器和光交叉连接设备在长途WDM系统中运用较广泛。光交换机可使ADM和交叉连接设备作动态配置。
      在不纤上直接传输IP数据包需要选择帧格式（即分帧方法），目前主要使用的两种帧格式是SDH帧格式和以太网帧格式（即IP/SDH/WDM和IP/Ethernet/WDM）。IP over WDM的重叠模型和封装。采用SDH帧格式时，报头载有信令和足够的网络管理信息，便于网络管理。但在路由器接口上，针对SDH帧的拆装分害割（SAR）处理比较耗时，影响网络吞吐量和性能，且价格也较昂贵。采用吉比特以太网帧格式（即直接在光纤上运行吉比特以太网）是一种经济有效的方法。此种格式下，报头包含的网络状态信息并不多，但由于没有使用造价昂贵的再生设备，成本相对较低。由于使用了异步协议，对抖动和时延并不敏感。同时，由于与主机的帧结构相同，在路由器接口上无需对帧进行拆装分割操作和为了使数据帧同步的比特塞入操作。

      1.2 IP over WDM的特点
      IP over WDM具有如下特点：
     （1）充分利用光纤的带宽资源，极大提高了带宽和相对传输速率；
     （2）对传输码率、数据格式及调制方式透明，可传送不同码率的ATM、SDH和千兆以太网格式的业务；
     （3）不仅可与现有通信网络兼容，还可以支撑未来宽带业务网及进行网络升级，具有可推广性和高度生存性等特点；
     （4）目前尚未实现波长标准化，一般取193.1THz为参考频率，间隔为100GHz；
     （5）WDM系统的网络管理应与所传输信号的网管分离，但在光域上加上开销和光信号的处理技术还不完善，从而导致WDM系统的网络管理尚不成熟；
     （6）目前，WDM系统的网络拓扑结构只基于点对点方式，还未形成光网。

      2 IP over WDM协议规范
      IP over WDM的分层模型，主要有数据网络层、光网络层及适配和管理功能组成。数据网络层提供数据的处理和传送；光网络层负丽提供网络，使数据网络和光网络相互独立。数据网络层的组成设备主要包括ATM网络层交换机和路由器等，光网络层的组成设备主要是WDM终端、光放大器及光纤等。在IP over WDM光因特网中，高性能的数据互连设备（如交换机和路由器等）可直接与光纤相连，也可以连接在向各类客户（如ATM交换机、路由器或SDH网元设备等）提供光波长路由的光网络层上。
      IP over WDM的协议模型，包括客户导（IP层）协议、IP适配协议、光传输段协议、WDM光复用段协议和WDM光传输段协议等。客户层协议包括IPv4和IPv6等。IP适配层协义用于进行IP多协议封装、分组定界、差错检测以及服务质量控制等。光通路协议包括数字客户适配、带宽管理（比特率和数字格式透明）和连接性证实等功能。光复用段功能包括带宽复用、线路故障分段、保护切换及其它传送网维护功能。光传输段功能包括高速传输（色散补偿）和光放大器故障分段等功能。

      3 IP over WDM的应用方案
      目前，国际上对IP over WDM技术的研究十分活跃，主要体现在建立实验网络和研究标准化等方面。同时，国外已有多家营运企业宣布建设自己的IP over WDM网络。
       1998年8月，美国Sprint宣布建设第一条OC-48的IP over WDM线路，其方式是采用Cisco12000GSR的2.5Gb/s接口，直接接入Ciena的长途WDM系统。该系统与Sprint实现的基于ATM综合点播网（ION）属并行的、可相互补充的网络建设方案。
       1998年8月，加拿大宣布建设第三代全国性光因特网计划CAnet3，总投资达1.2亿美金。它取消了ATM和SONET层，使IP直接在光网上运行，其方式是采用32波长的40Gb/s WDM，在全国范围内的10个千兆比汇接点之间，直接通过WDM传送IP业务，被视为加拿大下一世纪发展数字经济的重要基础。
       1999年2月，GTS组建了欧洲第一个IP over WDM网络平台，首先在六个欧洲国家中展开，对50个商业中心提供IP服务，并使这些城市与纽约相连。在以后的三年内，欧洲12个城市之间开展本地交换传送，提供使用光纤的桌面到桌面的IP服务。
      1999年3月，日本KDD企业利用美国与日本间的跨太平海底光缆，进行了IP over WDM试验。
      我国在拟实现的几个试验网络中，也将采用IP over WDM技术，目前一些高校和研究机构正在积极开展此项研究。中国网络通信有限企业的中国高速互联网络示范工程中，将采用IP over WDM技术构建新一代高速宽带网络，其主要业务旨在提供宽带IP批发业务、宽带接入业务、IP电话业务及各种IP业务。
      另外，1998年4月，Cisco、Ciena、Lucent、NTT、AT&T、3Com、Bellcore、HP、Qwest、Sprint、WorldCom网络通信设备企业和运营企业成立光互连网论坛OIF，并与ITU-T、IETF和ATM讼坛等标准化组织合作制定光互连网的技术规范。OIF的工作重点是解决光互连网方面问题，并不涉及数据网和光网络内部的问题，主要解决其间的互连和互操作。目前，OIF已确定用于描述光互连网的多协议参考模型，即光互连网重叠模型。此外，ITU-T也在对IP over WDM进行各种标准化研究。
      未来IP over WDM网络应方案，几个千兆比骨干网路由器间通过OADM系统和OWDM终端复用器互连。OADM允许不同光网络不同波长的信号在不同地点分叉复用。当然，OXC可以取代OADM，在更大规模的网络中应用。
     随着未来越来越锪实时业务（例如话音业务）在IP网络中传输，QoS和在失败情况下快速恢复将成为未来IP网络的中心问题。

      4 结束语
      IP技术与WDM技术的结合，使IP数据流直接进入了粒度的光通道，有利于充分综合WDM技术大容量与IP技术统计复用的优势，真正达到IP优化的目的。但对于长期应用，需要规范一种新的最佳的IP对光路的适配功能，即开发一种全新的光线路接口。这方面尚无统一意见，需要重点考虑的问题包括恒定比特率和突发传输、适配协议和帧结构、物理接口特性、最佳网络结构、生存性策略和网管等。总之，IP over WDM适用于未来的城域网、高容量普通IP业务和未来大型IP骨干网的核心汇接。