北京邮电大学光通信中心 季伟
摘要：叙述了当前用于WDM网络中，传送IP的各种技术。具体分析了各种技术存在的优缺点。指出了IP over WDM即光互联网技术将是未来互联网技术的发展方向。
关键词：IP， WDM， 光分组交换，ATM，SDH， MPLS
Abstract: In this paper, we described all kinds of technologies used in transmitting IP in WDM networks. Analysed the merit and defect of each technology. We draw the conclusion that IP over WDM is the developing direction of the Internet network.
Key words: IP, WDM, Optical Packet Switching, ATM, SDH, MPLS
一、概述
当今通信领域有两大显著发展趋势：第一、IP业务流量激剧增长, 基于IP网络和基于IP业务的增长势如破竹、如火如荼，已成为世界瞩目的焦点和推动全球信息业发展的主要力量，并给整个网络的技术模式、整体架构及业务节点的实现方式、组网形态、业务能力等诸多方面带来了深远的影响。目前世界各国都把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，“Everything on IP”正逐渐成为现实。随着基于IP的语音、视频和其它多媒体应用业务的发展，到2005年IP业务量可望达到280Tb/s。第二、WDM技术的成熟使得以较低成本提供巨大的网络容量成为现实，在此基础上形成了WDM光层。特别是DWDM技术对网络的升级扩容、发展宽带新业务、充分挖掘和利用光纤带宽能力、提高通信系统的性价比和经济有效性、满足不断增长的电信和因特网业务的需求实现超高速通信具有十分重要的意义。在越来越多的光传输系统升级为WDM或DWDM系统，以及在DWDM技术逐渐从骨干网向城域网和接入网渗透的过程中，人们发现DWDM技术在提高传输能力的同时，还具有无可比拟的联网优势。如何将这两大趋势结合发展，即如何实现IP分组在WDM光网上的优化传输成为当今研究热点。
本文较详尽地讨论了目前实现IP分组到WDM光通道映射的各种方案。分析了正在研究中的各种基于传统协议分层结构的IP over WDM方案。最后介绍了多协议波长交换和光分组交换这两种新方案，指出了光互联网的发展方向。
二、用于WDM光网络上传送IP业务的适配技术
如何将IP业务适配到WDM光层上进行传输，截止到目前，被提出使用的技术方案如图1所示：
下面对上图列出的几种主要适配技术进行详细介绍。
（1） IP /千兆路由器（GE）/WDM技术。这种技术是以主要的IP网络提供商和IP路由器生产厂家为代表，利用最新的吉比特路由器技术升级现有路由器，使其具有更高吞吐量和更高的业务质量管理能力。主要是通过软件硬件化、采用并行或大规模并行计算技术、增加具有业务质量保证的新协议和提供带宽管理能力等方法来实现。这种技术的最大缺点是受“电子瓶颈”限制,不提供QoS保证,而且高效率的块编码方案、路由更新时间、长距离传输的抖动(jitter)和定时(timing)等问题还有待解决。
（2） IP/ATM/WDM技术。IP数据包在ATM层封装为ATM信元，数据以ATM信元的形式在信道中传输。当网络中的交换机接收到一个IP数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址进行处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚电路VC，以后的数据包将在此VC上以直通方式传输而不再经过路由器的地址解析处理。从而有效地解决了IP路由器的“瓶颈”问题，提高了IP数据包的交换速度。
（3） IP/ATM/SDH/WDM技术。这种技术的适配过程分3步：1.使用多协议逻辑链路控制LLC(multi-protocol logical link control)协议或子网接入点SNAP(sub network attachment point)协议将IP包封装在AAL5适配层中；2.由通用段汇聚子层CPCS(common part convergence sub-layer)协议数据单元PDU(protocol data unit)将AAL5中数据分段成48bytes的ATM信元；3.将ATM信元映射进SDH帧中。在这种适配方式中，IP层提供了简单的数据封装格式；ATM层重点提供了端到端QoS；SDH层重点提供了强大的网管和保护倒换功能；光层主要实现波分复用和为上一层的呼叫选择路由和分配波长。这种方案可提供155Mb/ｓ和622Mb/ｓ的坚固的传输。由SDH层提供通路保护、性能管理能力及保护倒换功能,而ATM提供虚通路的灵活的带宽分配功能。
（4） IP /PPP /HDLC/ SDH/WDM技术。这种技术将IP包映射到SDH的方法是使用PPP(point to point)协议(IETF RFC1661)和HDLC(high level data link control)协议(IETF RFC1619)(ITU-T建议Ｇ.707)。它的映射过程是：IP包先被封装到PPP包中,PPP协议提供多协议封装、错误控制和链路初始控制。然后封装在PPP中的IP包按照IETF RFC 1662使用HDLC协议成帧和将映射的字节排列到SDH的SPE(synchronous payload envelope)中。HDLC的主要功能是划分通过同步传输链路的PPP封装的IP包。
（5） IP / SDL/WDM技术。SDL是为弥补HDLC协议在高速传输（1Gb/S以上）时的不足设计的。它可对同期到达的可变长度报文提供高速分帧功能。SDL的帧是可变长的，其结构由净荷长度标识、分别对头和冗余校验CRC构成。当接收端一旦获得了一个SDL帧,则后续的SDL帧能够通过使用净荷长度域来划分出来。在帧的划分过程中,每一个SDL帧头的CRC都被验证。如果CRC无效,而且净荷长度域也无效时,则一个类似于ATM的头错误控制HEC(header error control)的搜索(hunt)被启动直到获得一定量连续有效的CRC校验码。所以，采用SDL帧结构可提供高速、可靠的传输。
（6） IP / MPLS/WDM技术。多协议标签交换MPLS(Multi-protocol Label Switching)技术被业界认为是当今数据网络领域内最有前途的网络解决方案之一。它可有效解决传统Internet网络所面临的问题并提高其灵活性、传输速率和节点吞吐量。MPLS网络采用标准分组处理方式对第三层的分组进行转发,采用标签交换对第二层分组进行交换,从而实现了快速有效的转发。MPLS的实用价值在于它能够在像IP这样的无连接型网络中创建连接型业务,并提供完善的流量工程TE(Traffic engineering)能力。专家指出，MPLS有助于简化复杂的网络结构，使网络的总体成本降低50%。目前MPLS的标准正在制定中,但是理论研究表明，它的自愈恢复时间能够达到与SDH相当的水平。
三、光互联网技术的发展趋势
以上介绍的目前几种常用的IP over点到点WDM系统，它们在很大程度上缓解了IP业务的迅速发展对带宽的渴求.但是,随着Internet流量的迅速膨胀,这类技术的固有缺陷也逐渐凸现出来。首先, 多层协议结构造成大量系统冗余开销，下表列出了了不同映射方式对应的不同开销水平。
系统功能冗余、运营维护成本高。WDM系统仅充当点到点的高带宽传输通道,IP分组的交换和路由仍依赖于路由器，成为严重制约系统发展的电子瓶颈。光层不具备智能,其资源调度策略不能与IP业务的统计特点相匹配,网络资源利用率低.。随着各种新技术和新思路的不断涌现,尤其是多协议标签交换(MPLS)向光层的渗透,网络各层的功能将重新整合,多层协议栈会逐渐坍塌。最终,IP over WDM光网络将向着紧凑的集成模型演进，如下图所示。
具体来说,演进过程可分成3个阶段：IP over点到点WDM光链路、IP over波长交换光网络和IP over光分组交换网。由IETF提出的多协议波长标签交换(MPλS)，就是一种将MPLS流量工程控制与波长交换光网络相结合的新技术，它将标签交换的概念扩展至包括波长选路和波长交换的光通道.MPλS的交换颗粒是波长,标签是信道或者波长，利用IP选路协议来发现和广播网络拓扑，利用MPLS信令协议来实现波长通道的自动指配。
为了彻底解决电子瓶颈问题,高效地承载数据业务,我们需要一种能够直接在光域复用、交换和传送IP分组的光网络技术——分组交换光网络。光分组交换是指在光域实现分组交换的智能光网络技术，其概念与电的分组交换类似，只不过交换单位是高速传输的光分组。由于光逻辑器件和光缓存器件至今还未实用化，光分组交换一般采用光电混合的办法实现:光分组净荷承载用户数据，在光域实现高速的传输和交换，光分组头由低速控制信号构成,在网络节点经光电变换后在电域处理,实现复杂的路由和控制。另外，采用光突发交换（OBS）技术，也可降低系统对光缓存器性能的要求，成为光互联网向光分组交换网发展过程中，一种较为有效的过渡技术。
四、结论
纵观IP与光网络的发展与融合过程，建立基于IP和WDM技术的全球网络,具有健全的互连互通体制,这一点将是非常关键的。目前，以IP over WDM为核心的光互联网技术正由ITU-TTG15和光互联网络论坛进行标准化工作。IP over点到点WDM光链路解决了IP业务对带宽的渴求，但电子瓶颈和复杂的网络结构限制了它的进一步发展；IP over波长交换WDM光网络将智能和光交换引入光网络，使其经历了历史性的变革，但波长交换光网络交换颗粒太粗,其资源分配策略适于面向连接的业务，与IP业务的统计特性不相符。而且同样存在电子瓶颈问题，IP over光分组交换网是电分组交换技术向光层的延伸,既有分组交换高效灵活的特点,又绕开了电子瓶颈,对于未来承载IP业务来说是理想的光网络技术。相信随着光子技术的不断发展，IP over光分组交换网必将成为未来全光互联网的主要形式。
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