基于标签的光分 交换网络

隋志成　姜希军　吴志坚
　　摘要：先进的光分组交换（OPS）技术和多协议标签交换（MPLS）的强大控制能力的结合产生了一种灵活紧凑的IP/DWDM集成模型LOPS。它充分发挥了OPS的灵活性和OXC大容量优势，是未来核心光交换网络的理想解决方案。从OPS节点结构开始，分析了LOPS的网络结构和功能模型，简述了MPLS的控制能力。

　　关键词　光分组交换　核心交换　边缘交换　网络结构　功能模型

　　1　前言

　　当前，密集波分复用（DWDM）光传送网络充分利用光纤的巨大带宽资源来满足IP数据业务爆炸式增长的需要，然而，高质量的数据业务的传输与交换仍然采用如IP over ATM over SDH over WDM的多层网络结构方案。功能重叠的多层协议结构不仅开销巨大，而且中间的SDH接口必须在中转节点经过光电转换，这种电路级同步时分复用技术，更无法充分利用底层DWDM带宽资源和强大的波长路由能力。为了克服未来光网络中的电子瓶颈，需要引入全新的网络模型，即IP层直接运行于DWDM之上，同时通过上层协议，改变现有网络电子处理的速率限制，尽可能的在络引入更加灵活、多功能和细粒度的全光子分组交换技术。其中一种很有发展前景的交换光网络是将大部分的交换流量在光域内完成，把光交换传输和路由转发功能分开，前者利用光纤的巨大带宽资源在光域内完成，后者在电域内只对很少量的分组头信息进行处理。

　　网络结构分两个功能层：外层是电层，完成业务汇聚和主要的包路由功能；内层基于光技术，称为交换光网络，完成传输和底层的交换功能。边缘交换单元（ES）位于两层的边界外，完成业务的汇聚和基本路由功能，确定输入的IP包转发到哪一个ES。并把IP包组装到目的ES的一个光包里，进入交换光网络。交换光网络把光包从源ES传送到目的ES，在目的ES，业务进行分解并分发到目的网络，交换光网络中的交换单元称为核心单元（CS），通过WDM光传输网络连接。CS在光域完成光包的转转发，同时完成到WDM链路的统计复用。ES和ES均采用MPLS技术。

　　交换光网络实现有两种传输模式：一种是光透明包网络（OTPN），基于定长和同步节点操作的光分组交换传输技术，它减小了带宽分配中的时标，即从长持续时间的电路到数据包。然而，光分组交换技术面临着很高的费用和技术上的难题还亟待突破。一种介于电子处理和全光交换之间的近期方案为光电混合交换技术，即传输和交换在光域完成，路由和转发在电域内对低速率光分组头信息进行处理，它提高了整个光网络的吞吐量和传输速率。另一种是光突发交换（OBS），基于可变长度的包和异步节点操作，这里主要讨论基于标签的IP via MPLS over DWDM的光分组交换网络（LOPS）。

　　2　OPS网络简介及LOPS分层模型

　　2.1　光同步分组交换网络需要比特级同步和快速时钟恢复，它对应于固定长度的光分组，包含一个固定长度的数据包头、保护时间和净荷。网络内的光缓存由光纤环路和光纤延迟线实现，它们能产生包时隙间隔整数倍的固定时延。任何到达输入交换端口的光分组都具有固定长度并且经过本地时钟相位对准后才可进入核心交换单元。

　　光分组交换网络节点由4部分组成：输入接口、光交换矩阵、输出接口和控制单元。输入接口执行光分组读取和同步功能，对来自不同输入端口的光分组进行时间和相位对准，同时必须保持数据净荷的透明传输。输入光链路通过解复用器分成单路光通道，然后光纤分束器将一小部分光功率分出用于一系列如光分组头识别、恢复和净荷定位等功能。最后经过光输入同步器完成载荷实时对准。光交换矩阵为经过同步的光分组选择路由，并解决输出端口竞争。一般光核心交换单元内部包含光分组缓存功能，对于本地交换节点，光交换单元同时完成上下路的功能。输出接口通过输出同步和再生模块，降低内部不同路径的光分组的相位抖动和功率均衡，同时完成光分组头的重写和光分组再生来补偿交换矩阵所带来的消光比和信噪比恶化。控制单元利用光包头信息控制核心交换。

　　光分组交换数据包在交换节点同步控制下插入固定时隙中。

　　光分组交换数据包格式包括固定长度的光分组头、净荷和保护时间三部分。其中光分组头在交换节点进行电子处理，光包净荷占有固定持续时间但速率可变，保护时间主要根据具体器件的交换时间、节点内的净荷抖动及同步接口的不理想程度来具体定义。

　　光数据包长度是网络设计的一个重要指标，数据包短则包头和保护时间占有较多带宽影响网络吞吐性能，光包较长则需要更深的光缓冲而且不能提供合适的粒度的交换传输。与包长密切相关的误包率（Packet Error Rate）用来衡量包头和净荷的传输质量，一般而言，光包载荷的数据容量比包头大得多，相应的数据传输速率也大得多，为了均衡处理节点处的包头和净荷的误包率就必须选择适当的光功率和包长传送数据包。

　　2.2　LOPS分层模型

　　集成ＩＰ／ＤＷＤＭ方案简化了多层网络模型，OPS应用于集成IP/DWDM中进一步减少了资源冗余，增加了网络效率。我们把最先进的MPLS框架与OPS技术结合，产生了基于标签的光分组交换技术。基于多协议标签交换的OPS分层结构是IP over DWDM集成模型的一种。IP层对应于最广泛的接入网和核心网标准，对IP、ATM、SDH、PDH等多种业务进行封装，映射进LOPS层，IP层简化了底层（物理层和LOPS层）的复杂性，为高层多业务接入提供了统一的接口。LOPS层接受来自IP层的光分组，对比特率和底层传输方式透明，提高了WDM光网络的带宽利用率和灵活性。LOPS层完成光分组交换路由、不同链路分组业务的复用和保证底层成功实现端到端的光通路传送，同时LOPS层还提供IP层到WDM的业务适配功能（如流量集中等），支持未来面向连接和无连接网络的大容量和灵活性。物理层通过WDM和OXC（光交叉连接）完成光域内透明路由和传输，目前单波长速率可以是10Gbit/s或更高。

　　3　LOPS的网络结构

　　目前国际范围OPS的研究主要集中在光电混合模型里，即OPS电域控制和电域光包头信号处理，全光的分组数据交换。随着MPLS技术的发展，将标签交换引入OPS，将整个的光交换传输网络划分成交换光网络和边缘交换光网络。光分组包含携带标签的光包头和时间长度固定的净荷，其中光包头采用最普遍的副载波复用（SCM）带外传送方案，光包在网络边缘OPS节点完成包头（标签）识别和路由查找，更新（交换）后的光包头与数据净荷一起进入光网络。这种方式的光标签在电域内完成识别和处理，净荷在整个光网络中透明传输。

　　这种网络结构即可以满足大容量传输交换（SDH），又能保证带宽资源的高利用率（IP路由网）。网中OPS有两种应用：OPS核心交换和OPS边缘交换。OPS核心交换主要完成网络核心节点处光分组数据的选路和标签交换。这种模式下，OPS节点能够最大的利用网络资源和减少数据流量对网络带宽的需求，减轻了网络光交叉连接节点的沉重负担。OPS边缘交换是连接IP数据与光传送网络（OTN）网络接口的OPS边缘交换路由器，它对IP域和光生能发挥着重要作用。

　　4　LOPS的网络功能介绍及控制平面

　　4.1　LOPS的网络功能

　　OPS能够在光路OTN基础上实现光分组业务的高效分配，充分保证波长级光路业务和光包级数据业务的混合传输，基于光包业务的快速交换和波长粒度的慢速交换和路由同时存在。快速交换和光分组流量集中功能及光分组业务的动态快速波长分配均在网络边缘OPS节点完成（IP/ATM--OXC）。OPS路由器是边缘网络器件，业务层与传输层的接口，OPS路由器与OXC直接相连，保证OPS业务的静态波长和光纤可用路由。

　　OXC交换矩阵完成核心光交换和互连。网络管理和控制子系统负责互连控制。OPS模块连接OXC的上下路端口和专门用于光分组交换的波长的接入。外部IP路由器处理与OPS同粒度（光包）的数据，并负责IP域和OPS域的集成控制。OPS维护配置信息、物理结构、OXC传输的拓扑和规模。因此OPS能够从业务层分离OTN，利用集成控制平面接入IP数据域，通过维护网络配置信息和OXC拓扑结构来连接OTN。DWDM网络中引入OPX促进了核心网络粒度的多样化，从而能够更高效的利用网络资源。当前OTN的主要问题是用比波长更精确的粒度建立高效和低成本的网络。

　　OPS在OTN的外部节点提供流量集中机制，接收来自不同源节点（如IP、ATM）类型的业务映射进光分组中。业务集中节点再把光分组映射到适当的波长上，在OTN中传输直到下一个业务整合OTN出口节点或者需要进一步业务映射的新节点。OPS需要运行OXC网络拓扑发现协议并且能够把这种集中机制和OTN中的QoS分配结合起来，OPS光路由器将完成比T级（太级）电子路由器更大规模和更高效的IP流量集中，充分利用电子T级路由器所不具备的光层的巨大容量和增强功能。

　　4.2　LOPS的平面控制能力

　　近期光数据网络可以利用MPLS控制平面能力，建立和维护光通道，如MPLS（多协议波长交换）。将来控制平面必须要有确定、分配和维护光传送网状态信息的能力，并且能够实时更新本地交换节点的控制信息。OXC利用波长或光信道开销的标记信息完成波长级交换。光传送网络中，MPLS统一控制平面能降低不同网络系统管理的复杂性。在未来光网络中，保持拓扑和控制相互独立，同时在光传输层和业务层之间建立有效接口。光、电路由器的差别主要表现在OXC波长路由器比IP路由器有更大的带宽粒度；OTN控制平面要求更多的光通路信息，包括光纤特性、放大器位置、信号数据等。这些信息由OSC（光监控信道）和光信道开销携带，用于建立光信道，目前还不存在满足未来高效传输交换光路和光亿混合业务的OTN路由方案。

　　5　结束语

　　OPS与OXC结合的LOPS是一种新颖、有效的全IP数据光传送网解决方案，这结合了最先进的MPLS技术的强大控制能力，是下一代光因特网的理想光交换方案，并为全光分组交换的实现铺平了道路。LOPS网络简化了网络分层及相关的网管软件，降低了传输开销，具备有效流量粒度的带宽利用率和动态QoS分配策略并保持业务层和传输层域独立。边缘OPS路由器代替T级路由器成为连接业务层和传输层逻辑拓扑接口的主要边界网元，它有很大的发展潜力，能够提供IP、ATM业务集中功能和基于QoS的整合和比T级路由器更有效、更灵活的IP业务集中控制，LOPS这种基于MPLS的边缘、核心光交换网络最终将完全发挥光层的大容量和多功能优势。

摘自《广东通信技术》2001.10