光互联网和量子互联网

信息产业部电信科技第四研究所 何淑贞

　　因特网的发展创造了人类崭新的互联网经济,互联网经济又成为推动因特网向宽带、高速发展的动力,而光互联网和未来的量子互联网,正是这一需求的因特网。

　　高速意味着知识经济蓬勃发展与互联网的高速分不开,高速的因特网,承载了知识、资本、人才、信息的高速流通,同时又拉动了知识经济的发展。21世纪将是互联网和信息时代,互联网的发展正带动计算机、微电子、通信和软件等信息产业的发展,成为21世纪全球经济的主要动力。

　　宽带,从技术上讲,是指在同一传输介质上,例如光纤,可以同时利用不同的频分、时分、码分和波分复用技术传输信息,在接入网的速度在吉比特以上,在其骨干网上传输速度在太比特以上,在用户端的则是兆比特以上。与传统的Modem接入网的最高速率56Kbps相比可达到10Mbps--100Mbps,可提高100倍。

　　人类总是在科学的幻想和实现幻想中发展,科学家们幻想建立一种新奇网络,这种网络能够传输宇宙间最奇特的物质,其传送速度与“心灵感应”相比美,其计算速度是超常规的,这种网络叫量子互联网,这种奇特的物质称为“缠结”信息。

　　本文将就光互联网和量子互联网的特性、应用、发展概况加以介绍。

　　一、光互联网

　　到目前为止投入商用的还没发现比光纤更合适的媒体传送巨量信息。全球范围内的以承载各种业务的IP数据包为代表的数据业务爆炸式增长,极大地拓展了光通信的发展空间和刺激了光通信自身技术的急速的发展。在过去的20年里,在对光纤上的信息传输总速率从每秒2兆比特到每秒数太比特,提高了近100万倍,预计未来十年里还将提高100倍左右。光纤通信技术也从单纯的传送网技术发展到全速“迈向全光网”技术,包括光交换技术、光接入的全光网络技术。“光Internet”或“光互联网”则也应运而生。

　　(一)光互联网 随着波分复用技术WDM的发展和高速路由器中2.5Gbps光接口的引入,从1998年起IP over SONET/SDH开始向IP over WDM发展。“IP over WDM”又称“光Internet”或“光互联网”是指IP直接接入到WDM光网上或直接接到光纤上,核心网中间不经过SONET/SDH终端复用设备和ATM设备。这样光互联网又称为光IP网或光DWDM,直接在光上运行的互联网就是光互联网。

　　(二)光互联网的三种IP传送技术 在光互联网中,高性能路由器通过光ADM或WDM耦合器直接连接至WDM光纤,光纤内各波长链路层互连。高性能路由器取代传统的基于电路交换的ATM和SONET/SDH电交换与复用设备,成为关键的统计复用设备,用作主要的交换/选路设备,最终由它控制波长接入、交换、选路和保护。因此,光互联网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,网络的流量工程设计可以只在IP层完成。由于可以为不同业务指定波长,在结构上更加灵活,并具有向光交换和全光选路结构转移的可能。

　　DWDM系统能对电信业务进行光复用,一部分波长被指定用于高带宽IP光网,即IP over WDM,它可用于大容量机对机业务；另一部分波长被指定用于ATM光网,即IP over ATM,它可能用来支持虚拟专用网VPN和执行重要任务的IP网；还有一部分波长被指定用于传统的SONET/SDH业务,即IP over SONET/SDH,它可能用来集中和传送的IP网业务。光复用的魅力在于向用户提供特定需求的一整套服务和协议。

　　光互联网中,有三种IP传送技术。IP是网络层协议,SDH和WDM是物理层传送技术,在两者之间有一个数据链路层。物理层的作用是负责在通信中传送光或电信号；数据链路层负责把物理层提供的信号转换成网络层所需的信号；网络层则从这些信号中提取分组,进行路由转换,传向目的地。目前有IP over ATM、IP over SDH和IP over WDM三种技术。

　　1、IP over ATM

　　这是一种ATM和Internet相结合的方式,从开放系统互联的分层结构来看,IP层在ATM之上,因此这种传递方式叫做IP Over ATM。是选路与交换的优化组合,ATM的优势主要来自可扩展性和灵活性。

　　IP Over ATM的优点：

　　（1）在所有包交换技术中,ATM的QoS是最好的,它可以做到电路仿真,可利用ATM的QoS特性,保证网络的服务质量；

　　（2）网络具有很好的可扩展性和灵活性；

　　（3）支持多种业务,可从传统的数据到对延时敏感的语音和视频汇集到一个网络上,并为不同业务类型提供不同的服务质量QoS；

　　（4）有很好的网络流量管理和控制性能,表现在ATM流量控制方面非常精细,这一点对带宽是非常宝贵的,对线路费用非常高的广域网来说就显得十分重要,也是目前ATM能在广域网中被广泛采用的原因之一。

　　IP Over ATM的缺点：

　　（1）传输效率低是IP Over ATM的致命缺点,造成传输效率低的原因是IP数据包须映射成ATM信元,由此形成的传输开销称为“信元税”达25%左右,故造成传输效率低；

　　（2）网络管理比较复杂,因为要解决诸多矛盾,如需要解决IP地址与ATM地址多重映射的矛盾,IP网络的非连接特点与ATM面向连接之间的矛盾,随着接口速率的增加其速率不易提高；

　　（3）主要适用于网络边缘多业务的汇合和一般容量的骨干网,不太适用于超大型IP骨干网。 目前,ATM与IP的重点研究课题是多协议标记交换MPLS,MPLS将把一些面向连接的组网优点带到路由器组建的网络上去,如QoS、业务流工程设计、VPN和大型路由表的计算等问题都可望得到解决。

　　2、IP Over SDH IP Over

　　SDH是IP数据包通过采用点到点协议PPP,映射到SDH帧上, 按各次群相应的线速进行连续传输。IP Over SDH省去了ATM层,简化了网络结构,提高了传输效率百分之二十到三十,降低了成本是一种高效、实用的IP传送技术；可以充分利用SDH技术的各种优点,如SDH使国际电信互通成为可能,SDH帧结构中安排了丰富的开销比特,可以加强网络的运行、管理和维护能力,网络有很好的兼容性等；适用于经营IP业务的ISP、以IP业务量为主的电信网,或者在电信骨干网上疏导高速数据流。其缺点是不能提供较好的服务质量QoS, 对大规模的网络须处理庞大、复杂的路由表,而且查找困难,路由信息占用较大的带宽。

　　3、IP Over WDM IP Over

　　WDM通俗的说法就是让IP数据包直接在光路上跑,减少网络层之间的冗余部分。由于省去了中间的ATM和SDH层,其传输效率最高,节省了网络运营商的成本,同时也降低了用户获得多媒体通信业务的费用,是一种最直接、最经济的IP网络体系结构,非常适用于超大型IP骨干网。

　　一种新技术的提出是由于市场的迫切需要所系。Internet骨干网的带宽如果不采用WDM,那么仅Internet的数据流就可以占满整个单波长光纤系统的容量（目前,单波长光纤系统的最大传输速率为10Gbps,潜力已尽）。此时,再用SDH设备来将Internet业务和别的业务进行时分复用(TDM)既没有必要,也不可能了。因此,IP Over WDM闪亮登场。IP over WDM即省去了ATM层,又省去了中间层SDH,显然是一种最直接的结构体系,让IP直接在光路上传送,减少了网络设备、简化了网络管理、降低了额外开销、提高了传输效率、降低了成本,通过业务量工程设计,可以与IP的不对称业务特性相匹配。适用于城域网、高容量普通IP网和未来大型骨干网的核心汇接。


　　IP Over WDM的主要特点：

　　(1)充分利用光纤的低损耗波段,增加光纤的传输容量,目前准商用化的DWDM的速率已将达到1.6Tbps,效率最高,成本最低；

　　(2)可同时在一根光纤中实现双向多媒体通信传输,可以有上百个波道,每个波道之间可以相互隔离,因而可以很容易地兼容不同性质和不同协议的业务；

　　(3)可在不改变原光缆设施的条件下,改变通信系统的组态,在网络设计中有很大的灵活性和自由度,扩容更方便；

　　(4)使用WDM技术可降低对一些器件性能上的过高要求；

　　(5)WDM系统中主要器件波分复用器是无源器件,省电,可靠性高,故障率低,便于维护,降低了成本。

　　(三) 三种方案的比较

　　现将上述三种方案作一比较,列表如下： 从表中可以看出：三种IP传输技术都将长期共存,相互补充。但是IP over DWDM是未来的网络发展方向之一,最具有生命力和发展前途。光传送网在我国应用十分普遍,大多采用DWDM。新成立的网通公司几乎以“光速”建成20Gbps的IP骨干网,连接包括北京、上海、广州在内的15个国内主要城市。


　　二、量子互联网

　　微观世界的某些物理量不能连续变化而只能取某些分立值,相邻两分立值之差称为该物理量的一个量子。普朗克在1900年研究黑体辐射时,首先发现了自然现象中的这种不连续的量子性质。他发现物质吸收或发射的辐射能量量子,能量分化为量子的现象,只是普遍自然规律中的一个例子,有时也将同某种场联系在一起的基本粒子称为这一场的量子。例如电磁场的量子就是光子。 量子通信技术即将从实验室走向网络世界,量子Internet或量子互联网将以惊人的计算和超快速通信能力迈入21世纪,展现其新的魅力。

　　(一)量子互联网 科学家们科学的幻想建成一个量子网络,在网络上传送宇宙间最奇特的物质,这种物质就是“缠结”信息。科学家认为,建立一个产生、储存和传送缠结信息的网络,是向开发一种科学幻想家虚构的远距离传物系统迈出的第一步。利用这种缠结信息还能制造超快速量子计算机,并把它们连接成量子Internet网,为因特网发展开辟新途径。

　　1、缠结信息 所谓“缠结”是指具有交互作用的粒子之间几乎是“心灵感应”的神奇连接,即使粒子位于宇宙空间的两边,这种连接都能以极快的速度连接。缠结信息已经用于量子密码翻译、极小规模的量子计算和远距传物。

　　2、量子互联网引发认识宇宙的新革命 根据“缠结”的原理,可以将量子计算机连接起来,构成功能强大的量子Internet网,进行极其强大的数字处理,其计算速度超过当前任何的理论计算速度,试想,如果缠结的信息能够通过量子Internet被瞬间传送到全球各个角落,那量子互联网将引发计算、通信和人类认识宇宙的新革命。
　　(二)实现量子互联网的理论与实验

　　1、需要香浓理论的新突破

　　所谓香浓理论是指贝尔实验室的香浓在1940年奠定的经典信息论的基础。香浓理论解决了任何通信信道的理论容量,即是说沿着通信信道能够可靠传送最大数量信息,并阐述了有效传送信息的压缩技术。但是,香浓理论只应用于经典信息论。量子缠结信息的出现,使香浓理论面临新问题,要求香浓理论的新突破,为量子互联网的发展开辟道路。

　　(1)量子信息奇特的脆弱性：建立量子Internet面临的一个问题是量子粒子的脆弱性,容易丢失信息,也就是说,只要能看到量子粒子,它就有了被破坏的可能性。这个问题不仅涉及能够存储的信息数量,而且涉及能够检索的信息数量。解决这个问题的办法是测量量子,通过测量,掌握量子的变化特性。

　　(2)量子缠结信息古怪的特性：经典信息论是0和1组成的序列,通过改变导线上的电压可以实现这种序列编码。在一定的电压电平之上是1,反之则是0。然而,量子粒子(如光子)中的部分信息的编码则具有完全不同的特点。光子在同一时间有两种或多种存在状态。例如,能够将光子的电场加以滤波,这样它就在一个特定的平面产生极化振荡。当振荡平面变成垂直极化时,此平面称为0,当振荡平面变成水平极化时,此平面称为1。然而,由于“量子叠加”,光子可能同时垂直和水平极化,可能同时为0和1。

　　但是,缠结使得这一切都发生了改变。缠结粒子的奇妙之处在于测量一对粒子中的一个,便能确定另一个的测量结果,而不管这两个粒子相距多远。这种在时间和空间内魔术般地连接两点,充分说明了缠结信息的含意,也充分的意味着缠结将会给未来的网络通信带来巨大的变化。

　　2实现量子互联网的艰苦的实验

　　(1)1992年IBM公司和TelAviv大学的研究人员研究认为,缠结对量子信道的容量有极大的影响,目前发现至少可将信道容量提高一倍。这是因为在量子信道中传送的每个光子都可能有水平和垂直两种状态,所以把一对光子连接在一起,就可能变成4种状态。利用缠结技术,一个光子可以发送2位信息,从而使信道容量提高一倍。这种现象称为量子超密集编码。

　　(2)最近,应用缠结技术又有新进展,研究人员开始研究粒子3重缠结和4重缠结,使粒子实现更多的组合状态,可以使量子信息以极快的速度通过网络。

　　(3)只有速度没有质量也不行。这种极快的信息传送速度要建立在纠正可能出现的错误上。由于上述所说的量子缠结状态是脆弱的,任何外力都可能产生破坏作用。以致许多物理学家误认为不可能可靠的传送量子信息。但是在最近,IBM和微软的两位研究人员对量子缠结状态的脆弱性问题提出了完善的解决方案。其解决方案是利用执行量子计算的软件保护量子信息,使量子信息不约产生错误。

　　(三)量子Internet将指日可待

　　1、1997年奥地利的因斯布鲁克大学的研究人员提出了第一个量子Internet计划。

　　2、2000年3月美国麻省理工学院和马萨诸塞州林肯空军研究室的研究人员提出了更加接近实现量子互联网的设想。他们的设 想是生成一对光子，并沿着2条光纤传送,即一个光子传送给甲地的研究人员,另一个传送给乙地的研究人员。甲乙两地的研究人员都拥有包含超冷却原子的激光俘获器,而原子能吸收光子。研究人员可以确定原子何时吸收光子而不会干扰它,并在原子吸收缠结的一对光子时检查甲乙两地研究人员能够发现同时吸收的光子。当确定原子确实吸收光子时,原子本身也就变成了缠结的粒子。当原子没有电荷时,它们不受电场和磁场的影响,这样就容易保护缠结的粒子不受外力的影响。在Internet发展史上,第一次成为利用缠结的极其珍贵的网络资源。 　　3、最近,美国陆军向麻省理工学院的一项研究计划投资数百万美元加速量子Internet的研究开发。麻省理工学院发布了建立量子Internet的详细计划,并宣布现在已具备建立量子Internet技术,该计划打算在3年内建成量子Internet,并首先在麻省理工学院建立3个节点。因此,业界人士分析,全球量子Internet的实现将指日可待。


　　三、结语


　　Internet诞生于“二次世界大战和冷战”的急风雷电之中,成长于和风细雨的和平年代,我们珍惜这一全球亿万人拥有的财富。互联网已成为我们日常生活中的一种越来越离不开的新工具,它极大的改变了人们的工作方式和生活方式；互联网又是一种神奇的力量,它是一种创新的、对旧世界具有摧毁的力量,不管你愿不愿意,你都躲不过它的摧毁之力,它善于建设一个新世界,不是吗,互联网已成为一种产业,电子商务正在蓬勃发展,正在促成各产业以互联网为基础重新构建核心竞争力,它将改变人和企业的命运；互联网更厉害的是它已成为社会资源重新分配的工具,这是百年才遇到的事情,以互联网发源地美国为例,最近五年,互联网创造的百万富翁,比过去50年所有工业创造的百万富翁还要多。也就是说,在短短的几年内(仅是历史长河的一瞬间),通过互联网,美国的社会资源急剧的转移到一大批富有活力的年轻人和年轻的公司身上,使整个社会来一次重新洗牌,吐故纳新,激发了国家新的活力和动力,美国近十年的发展也说明了这一点。这种新陈代谢是社会全局的联动,也将势必波及中国。正是互联网这种摧枯拉朽不可一世的力量,才促使互联网本身在技术上神速的发展,从互联网到光互联网,从光互联网到量子互联网,从麻省理工学院最近发布的建立量子Internet的详细计划,看到了量子Internet的曙光,三年后我们将迎来麻省理工学院量子Internet的三个节点。


摘自《光电产品世界》