第 7 章光网络

第7章光网络

第7章光网络 • 从光纤通信技术本身的发展来看，光网络可以分为三代。 • 第一代光网络中，光只是用来实现大容量传输，所有的交换、路由和其他智能控制都是在电层面上实现的，SONET/SDH就是第一代的光网络。 • 光传送网(OTN)和全光网络(AON)可以分别认为是第二代光网络和第三代光网络。 • 本章首先介绍SONET/SDH作为理解光网络的基础，然后讲解属于第三代网络技术的光突发交换技术和智能光网络。 www.ysu.edu.cn

7.1 SONET / SDH • 1985年，Bellcore提出了同步光纤网(Synchronous Optical Network, SONET)标准，美国国家标准协会(ANSI)通过了一系列有关SONET的标准。 • 1989年，国际电报电话咨询委员会CCITT接受了SONET概念并制定了同步数字系列(Synchronous Digital Hierarchy, SDH)标准，使之成为不仅适合于光纤也适合于微波和卫星传输的通用技术体制。 www.ysu.edu.cn

7.1 SONET / SDH • 与SONET有细微差别，SDH/SONET定义了一组在光纤上传输光信号的速率和格式，通常统称为光同步数字传输网，是宽带综合数字网B-ISDN的基础之一。 • SDH/SONET都采用了时分复用(Time Division Multiplexing, TDM)技术，是同步系统，由主时钟控制。两者都用于骨干网传输，是对沿袭应用的准同步数字系列(Pseudo-synchronous Digital Hierarchy, PDH)的一次革命。 • SDH多用于中国和欧洲，而SONET多用于北美和日本。 www.ysu.edu.cn

7.1.1 SONET的物理配置 • 在SONET标准中，按照设备的功能和它们之间连接的关系，把连接分为了段(Section)、线路(Line)和通道(Path)。 • “段”指的是直接连接相邻设备的连接关系，即点到点的链路，如再生器与同步传输信号(Synchronous Transport Signal, STS)复用器、再生器与再生器、添加/丢弃复用器与再生器之间的连接属于段连接； • “线路”是指连接两个SONET复用器设备之间的连接，如STS复用器与添加/丢弃复用器之间的连接； www.ysu.edu.cn

7.1.1 SONET的物理配置 • 而“通道”则是指两个STS复用器之间的端到端的连接，如图7.1所示。 • 对于只由两个STS复用器直接连接构成的SONET系统，段、线路和通道是相同的。图7.1 SONET系统 www.ysu.edu.cn

7.1.1 SONET的物理配置 • SONET系统主要包括三种设备：再生器(Regenerator)、添加/丢弃复用器(Add-Drop Multilexer, ADM)和STS复用器。 • 其中，再生器就是转发器，接收光信号，整形后转发出去。 • 添加/丢弃复用器也称分插复用器，其主要功能是向通道中添加信号，并可以从通道中提取出需要的信号。 • STS复用器在SONET系统中的位置处于边缘，有两个功能：实现电信号与光信号的相互转换和信号的复用/解复用。 www.ysu.edu.cn

7.1.2 传输格式和速率 • 图7.2给出了SONET的基本帧结构。这是一个由9行、90列字节构成的二维结构。基本SONET帧的周期为125 s，因此基本SONET信号的传输速率为：STS-1 = (90字节/行)×(9行/帧)×(8比特/字节)×(125 s/帧) = 51.84 Mb/s。图7.2 SONET中STS-1的基本帧格式 www.ysu.edu.cn

7.1.2 传输格式和速率 • 该信号称为STS-1信号，所有的SONET信号都是STS-1信号速率的整数倍，STS-N信号的比特速率是51.84 Mb/s的N倍。 • 当采用STS-N信号调制光源时，先对逻辑STS-N信号进行扰码以减少长连0和长连1，便于在接收机中进行时钟恢复。经过电光变换后的物理层光信号称为光载波(Optical Carry, OC-N)。 • 实际上采用OC-N链路表示SONET链路更为普遍。N值在1 ~ 255之间变化的生成算法都已提出，但ANSI T1.105标准认可的N仅为1, 3, 12, 24, 48和192。 www.ysu.edu.cn

7.1.2 传输格式和速率 • 在SDH中基本速率等于STS-3，即155.22 Mb/s，称为同步传输模式(Synchronous Transport Mode, STM-1)，更高的速率表示为STM-M。 • ITU-T建议支持的M值为1, 4, 14和64，它们相当于SONET的OC-N信号。 • 类似于SONET，SDH也先对逻辑信号进行扰码，但不同的是，SDH不区分逻辑电信号（如SONET中的STS-N）和物理光信号（如OC-N），这些信号都标记为STM-M。 www.ysu.edu.cn

7.1.2 传输格式和速率 • 表7.1给出了常用的OC-N与STM-M值和对应关系。表7.1 常用的SONET和SDH传输速率 www.ysu.edu.cn

7.1.2 传输格式和速率 • 如图7.2所示，帧结构中的前3列传输的开销字节承载了网管信息，剩下的87列承载了用户数据，称为同步有效载荷封装(Synchronous Payload Envelope, SPE)和9个字节的通道开销(Path OverHead, POH)。POH支持性能监视、统计、信号标记、寻迹功能和一个用户通道。 • 这9个通道开销字节总是排成1列，它们可以出现在SPE中的任何位置。 • 值得注意的是，SONET/SDH的同步字节间插复用特性，可以实现光网络中信息通道的分插复用。 www.ysu.edu.cn

7.1.2 传输格式和速率 • 当N值大于1时，帧结构的列数是原来的N倍，而行数仍然为9行，如图7.3所示。图7.3 SONET的STS-N帧的基本结构 www.ysu.edu.cn

7.1.3 光接口 • 为了保证不同制造商的设备能够互联，SONET和SDH规范提出了光源特性、接收灵敏度以及不同类型光纤传输距离的特征。表7.2给出了标准定义的6种传输距离，它们在SONET和SDH中所用的称谓各不相同。表7.2 SONET和SDH规范和称谓 www.ysu.edu.cn

7.1.3 光接口 • SONET和SDH规范提出了光源特性、接收灵敏度以及不同类型光纤传输距离的特征。标准定义的6种传输距离，它们在SONET和SDH中所用的称谓各不相同。（续）表7.2 SONET和SDH规范和称谓 www.ysu.edu.cn

7.1.3 光接口 • 针对于表7.3中不同等级的损耗和色散特性，可以采用的光源包括发光二极管(LED)、多横纵模(Multiple Longitudinal Mode, MLM)激光器和单纵模(Single Longitudinal Mode, SLM)激光器。在ANSI T1.105.06和ITU-T G.957中给出了光源的各种谱参数。表7.3 波长范围和光纤损耗 www.ysu.edu.cn

7.1.3 光接口 • 表7.4给出了传输速率从基群到OC-48或STM-16（传输速率为2.5Gb/s）的光功率。 • 系统的误码率指标在速率低于1 Gb/s时不超过10-10，而当速率更高或系统性能要求更高时不超过10-12，该性能的链路功率损伤不大于1dB。 • 具体表7.4见书中134页给出的数值。 www.ysu.edu.cn

7.1.4 SONET/SDH环网络 • SONET和SDH通常配置成环状拓扑。当设备或链路发生故障时，可以采用环回分集实现不中断业务保护。SONET/SDH环也称为自愈环(Self Healing Ring)。 • SONET/SDH环可以分为8种可能的类型，而每一种类型均有两种可以互换的结构。它们具有三个主要特征：（1）环上连接结点的光纤可以是二纤，也可以是四纤；（2）数据流可以沿顺时针单方向传输，也可以沿两个方向传输；（3）保护切换既可以采用线路切换，也可以采用通道切换方案。 • 在8种可能的环类型组合中，SONET和SDH网络中最普遍的两种结构是：二纤单向线路切换环(UPSR)和二纤/四纤双向线路切换环(BLSR) www.ysu.edu.cn

7.1.4 SONET/SDH环网络 • 如图 7.4(a)所示，在双纤单向自愈环配置中包括两个通道，即主用通道（简称主通道，图 7.4(a)中用实线表示）和保护通道（也称为副通道或备用通道，图 7.4(a)中用虚线表示）。 • 一般情况下，单向环中数据流沿主通道顺时针方向传输。例如，从结点1到结点 3的连接使用了链路 1和链路 2，而从结点 3到结点 1的数据流则通过链路 3和链路 4传输。因此，两个结点间的通信利用了环的整个周长方向上特定的带宽容量。若结点 1和结点 3在 OC-12环上以 OC-3速率交换信息，则它们只使用了环中主通道容量的 1/4。在单向环中，逆时针通道作为可变路由，以便在链路或结点出现故障时保护通道。 www.ysu.edu.cn

7.1.4 SONET/SDH环网络 • 为了实现保护，从发送结点发出的光信号同时输入主通道光纤和副通道光纤，这样就建立了一个指定的保护通道，数据流在保护通道中逆时针传输，如图 7.4(b)所示，称为通过链路 5和链路 6的1, 3结点之间通道保护。 • 如图 7.4(b)所示，从某个结点发出的同样的信号以不同的方向和传输延时到达目的地。接收机通常选择来自主通道的信号，当然它也在不断比较两个方向信号的正确性，在出现一个通道信号丢失或性能劣化时马上选择另一路信号。因此，每一个通道都是基于信号性能而独立切换的。例如，一旦链路 2中断或是结点 2出现设备故障，则结点 3将切换到保护通道，以接收来自结点 1的信号。 www.ysu.edu.cn

7.1.4 SONET/SDH环网络 • (a) 双纤单向通道与逆向保护通道 (b) 结点1到结点3主副通道数据流图7.4 双纤单向自愈环原理图 www.ysu.edu.cn

7.1.4 SONET/SDH环网络 • 图7.5 给出了四纤双向自愈环原理图。 • 其中，两个主用光纤环（标注为1 p 到 8 p）用于常规双向通信，而另外两个辅助光纤环用于保护的备用环路（标注为1 s 到 8 s）。 • 与二纤单向自愈环不同，四纤双向自愈环在容量上占有优势，因为它使用了两倍于前者的光纤，而且两个结点之间的业务仅在环的一部分中传输。 www.ysu.edu.cn

7.1.4 SONET/SDH环网络 • 首先看一下结点1和结点3之间的连接情况，从结点1到结点3的数据流按顺时针方向沿链路1p和2p传输，而从结点3到结点1的返回路径上，数据流是按逆时针方向沿链路7p和8p传输的。因此，结点1和结点3之间的信息交换不会占用另一半环中的主用通道的带宽资源，从而提高了带宽利用率。图7.5 四纤双向自愈环原理图 www.ysu.edu.cn

7.1.4 SONET/SDH环网络 • 为了了解四纤双向自愈环中备用链路的功能及其通用性，首先考虑一下主环上结点3与结点4中某个发送或接收电路板失效的情况。此时，受影响的结点检测到无光后，将与之相连的两根主通道光纤切换到备用通道光纤，如图7.6所示。因此，结点3与结点4之间的保护段也成为了主用双向环的一部分。图7.6 收发器或线路故障时四纤双向自愈环再配置过程 www.ysu.edu.cn

7.1.4 SONET/SDH环网络 • 现在假设一个结点完全失效，或是某一路中所有的主通道光纤都失效，这是有可能发生在两个结点之间所有光纤位于相同的光缆护套中的情况。此时，失效段两端的结点都将其收发设备从主通道切换到备用通道，从而将数据流反向传输到目的地，结果再一次形成封闭的环，而不会影响正常的数据传输，但此时主通道和备用通道的光纤都使用了，如图7.7所示。图7.7 在结点失效或光缆故障时四纤双向自愈环再配置 www.ysu.edu.cn

7.1.5 SONET/SDH网络 • 利用SONET/SDH设备可以构成不同的网络结构，如图7.8所示。例如，配置成点对点链路、总线型拓扑、单向自愈环、双向自愈环和环际互联。图7.8 SONET/SDH网络结构原理图 www.ysu.edu.cn

7.1.5 SONET/SDH网络 • 分插复用器是一个重要的SONET/SDH网络设备。它是一个完全同步的、面向字节的复用器，可以分接和插入OC-N信号中的子信道。图7.9从概念上阐述了ADM的功能。若干个OC-12和OC-3信道复用到一个OC-48信道。图7.9 ADM的功能 www.ysu.edu.cn

7.1.5 SONET/SDH网络 • ONET/SDH结构也可以采用WDM。如图7.10所示，一个DWDM系统由n个不同波长的OC-192主干环构成。从每一个OC-192发送机输出的不同波长光波，首先通过衰减器进行功率均衡，然后送入WDM复用器，通过可选的后置光放大器进行放大后，送入光纤传输。图7.10 由n个波长的OC-192主干环构成的DWDM设备 www.ysu.edu.cn

7.2 光交换系统 • 光交换技术的发展在某种程度上也决定了全光通信的发展。 • 光交换技术也是一种光纤通信技术，它是指不经过任何光/电转换，在光域直接将输入的光信号交换到不同的输出端。 • 光交换技术可分成光路光交换和分组光交换两种类型。 • 随着光器件技术的发展，光交换技术的最终发展趋势将是光控光交换。 www.ysu.edu.cn

7.2.1 成熟的光交换技术 • 研究得最多、最成熟的是光路交换(Optical Circuit Switching, OCS)，它是一种面向连接的交换技术，网络需要为每一个连接请求建立从源端到目的端的光路（每一个链路上均需要分配一个专用波长）。 • 交换过程共分三个阶段：(1) 链路建立阶段 (2) 链路保持阶段(3) 链路拆除阶段。 • 光路交换系统所涉及的技术可分为:交换技术(TDPS)、空分交换技术(SDPS)、波分/频分交换技术(W/FDPS)、码分交换技术(CDPS)和复合型交换技术。 www.ysu.edu.cn

7.2.1 成熟的光交换技术 1．时分光交换技术 • 时分光交换系统采用光器件或光电器件作为时隙交换器，通过光读/写门对光存储器的受控有序读/写操作完成交换动作，如图7.11所示。图7.11 时分光交换原理图 www.ysu.edu.cn

7.2.1 成熟的光交换技术 2．空分光交换技术 • 空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵结点可以由机械、电或光进行控制，按要求建立物理通道，使输入端任一信道与输出端任一信道相连，完成信息的交换。 • 各种机械、电或光控制的相关器件均可以构成空分光交换。构成光矩阵的开关有铌酸锂定向耦合器、微机电系统MEMS等。 • SDPS的基本原理是：将光交换组成门阵列开关，并适当控制门阵列开关，即可在任一路输入光纤和任一路输出光纤之间构成通路，如图7.12所示为两路输入、两路输出的空分光交换。 www.ysu.edu.cn

7.2.1 成熟的光交换技术 • 在铌酸锂交换单元中，以铌酸锂为基片，在基片上进行钛扩散，形成折射率逐渐增加的光波导，即光通路，再焊上电极后便可以将它作为光交换元件使用了。 • 通过控制电极上的电压，就可以得到平行和交叉两种交换状态。图7.12 空分光交换原理图 www.ysu.edu.cn

7.2.1 成熟的光交换技术 3．波分光交换 • 波分交换即信号通过不同的波长，选择不同的网络通路来实现，由波长开关进行交换。波分光交换网络由波长复用器/去复用器、波长选择空间开关和波长互换器（波长开关）组成，其原理如图7.13所示。图7.13 波分光交换原理图 www.ysu.edu.cn

7.2.2 光分组交换 • 从长远来看，全光的分组交换OPS是光交换的发展方向。 • OPS是一种面向非连接的交换方式，采用单向预约机制，在进行数据传输前不需要建立路由、分配资源。相比OCS，OPS有着很高的资源利用率和很强的适应突发数据的能力。 • 光分组交换系统根据对控制包头处理及交换粒度的不同，又可以分为光分组交换技术、光突发交换技术和光标记分组交换技术。 www.ysu.edu.cn

7.2.2 光分组交换 1．光分组交换技术 • 它以光分组作为最小的交换颗粒，数据包的格式为固定长度的光分组头、净荷（用户数据部分）和保护时间三部分。 2．光突发交换技术 • 它的特点是数据分组和控制分组独立传送，在时间上和信道上都是分离的，它采用单向资源预留机制，以光突发作为最小的交换单元。 3．光标记分组交换技术 • 光标记分组交换技术也称为多协议波长交换(MPλS或MPLmS)，它是MPLS技术与光网络技术的结合。 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 • 光分组交换技术与电分组技术相比，光分组交换技术经历了近十年的研究，却还没有达到实用化，主要有两大原因： (1) 缺乏深度和快速光记忆器件，在光域难以实现与电路由器相同的光路由器； (2) 相对于成熟的硅工业而言，光分组交换的集成度很低， • 1997年，由Chunming Qiao和J.S Tunnor分别提出的一种新的光交换技术——光突发交换，作为由电路交换到分组交换技术的过渡技术，通过增加信令的复杂性来避开光同步和光存储的困难，并且结合了电路交换和分组交换两者的优点且克服了两者的部分缺点。 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 1．光突发交换基本概念 • 突发(Burst)的最初定义是指语音的一次进发或者一段数据信息。突发交换就是交换粒度介于电路交换和分组交换之间的一种交机制。 • 1997年提出的一种光交换方式，既结合了光电路交换和光分组交换的优点，又克服了两者的不足，并且易于实现，能很好地支持突发数据流。 • 在光突发交换中，突发为一些IP包组成的超长IP包，这些IP包可以来自传统IP网中不同的电IP路由器。 • 光突发交换中的突发控制分组(Burst Control Packet, BCP)作用相当于分组交换的分组头，但网络对该头信息的传递路径与对净荷数据的传送路径在物理信道上是相互分离的，每一个突发对应一个控制分组。 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 • 在OBS中，突发数据从源结点到目的结点始终在光域内传输，而控制信息在每一个结点都需要光/电/光的变换以及电处理。 • 另外，OBS可以通过合理设置突发数据流与控制分组之间的偏置时间(Offset Time)，而执行QoS功能。控制分组和数据流都不需要执行光同步和光存储。 • 可以看出，这种突发交换技术充分发挥了现有的光子技术和电子技术的特长，实现成本相对较低，非常适合于在承载未来的具有高突发性的数据流的局域网(LAN)中应用。 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 2．光突发交换系统结构和网络模型 (1) 光突发交换系统结构 • OBS的概念起源于以前的电子突发交换网。 • OBS的主要特点包括： • 采用带外信令方式，即数据信道与控制信道在物理上分离； • 数据在OBS网中保持为光信号，而控制信号必须采用电子方式处理，即经过每一个结点控制信号都必须经历光/电/光的转换； • 通常采用单向无应答的预约方式；突发长度可变； • 在交换结点上并非一定要使用光缓存器等。 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 • 图7.14示出了光突发交换系统中的结点和网络结构。图7.14 光突发交换系统的结构和各结点单元的功能 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 • OBS体系结构包含三层：核心光突发交换层（核心光层）、光突发聚集层（边缘分配光层）和接入层。 • 核心光层由全光核心路由器构成，完成光分组数据的传送、路由和OBS网络管理，核心网络的核心OBS结点无需任何处理，就可以进行突发数据的透明交换。 • 边缘分配光层由光/电的边缘路由器构成，负责来自或发送接入层数据的分发服务，它们之间由WDM链路相连；在边缘结点收集来自接入网的数据流，并汇聚成较大的数据单元（即突发包）。 • 接入层是OBS层的用户层，可以为目前存在的各种网络，如IP, ATM, SDH等，也可以是终端用户。 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 (2) 光突发交换网络的分层参考模型 • OBS网络的分层参考模型如图7.15所示。光突发交换网络的分层参考模型分为电接入层、OBS层和物理层。 • OBS层可以分为数据汇聚子层、网络子层、链路子层和波长汇聚子层。图7.15 OBS网络的分层参考模型 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 • 各层的功能如下： • 数据汇聚子层的功能是电接入层和光层间比特率的适配，包括上层数据的汇聚、分类和整形，以及突发数据分组的组装和拆卸； • 网络子层的功能是突发分组的路由，主要包括控制分组的生成与偏置时间的设置，以及在中间结点通过控制分组的信息和网络的状况（资源、拓扑等）进行路由和通道调度； • 链路子层主要完成电队列的管理和完成电光转换；波长汇聚子层完成波长分配、再分配或波长转换，以及完成波长的复用/解复用； • 物理层实现光比特的透明传输、放大和光交换。 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 (3) 光突发交换网络的工作原理 • 如图7.14所示，典型OBS网络的工作原理可以简单地描述如下：在OBS网络的边缘处，将抵达的IP包封装成突发。光突发的传输和交换资源通常是通过单向预约的方式进行的，即数据比预约请求稍后发出，而无需等待资源成功预约的应答。 • 一方面，在这种预约方式下，即便是网络没有足够的资源突发也会接入，从而引起突发的丢弃；另一方面，由于无需等待应答信号，这种信令方式能使网络时延大大降低。 • 预约请求（即控制包）是在一独立的信道传送，且比相应的突发提前了一个偏置时延。这个偏置时延必须足够大。 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 3．光突发交换网的结点结构和关键技术 (1)边缘结点的关键技术边缘结点中要实现的关键技术主要有以下几项： ① 数据接入、分类和汇聚 • 突发交换网边缘结点的结构如图7.16所示。 • 在这种结构中，主要是通过两个缓冲和一个大型的电交换矩阵来完成数据的速率适配和数据分类。 • 输出缓冲队列的长度确定了突发分组长度的上限，突发分组的长度是影响网络性能的一个重要因素。 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 图7.16 突发交换网边缘结点结构 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 • 为了满足支持实时数据的需要，边缘结点缓冲一般支持突发数据分组的动态生成。 • 突发分组生成后，在发送前必须提前一个偏置时间先发送一个控制分组。控制分组和数据分组发送的偏置时间是保证网络效率的关键因素， • ② 数据的突发接收 • 光突发交换的突发特性不可避免地会引入突发接收和突发同步的问题。 • 边缘结点接收到的各突发帧可能来自不同的其他结点，它们的时钟、相位和振幅都不相同，因此每一帧都要进行时钟相位的快速锁定和判决阈值的快速恢复。 www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 (2) 核心结点关键技术 • 虽然边缘结点负担了突发交换网中的大部分工作，但核心结点仍然起着无可替代的作用。图7.14给出了核心结点的基本结构。 • ① 资源预留策略 • 现在，资源预留方式是根据突发分组结束指示和资源分配时间来区分的，主要有三种方式： • 在第一种方式中，控制分组中不包含突发分组长度，资源的释放由专门的控制分组来决定，JIT(Just In Time)预留机制就属于这一类，这种方式复杂度最低，但效率不高； • 第二种方式叫做RLD(Reserve a Limited Duration)，控制分组中包含有突发数据分组长度信息，这种方式复杂性中等，效率很高； www.ysu.edu.cn

7.2.3 光突发交换技术 • 第三种方式叫做RFD(Reserve a Fixed Duration)，它通过数据分组中的开始预留时间和结束预留时间来预留资源。与RLD不同的是，它可以通过对预留时间的设置实现突发分组的QoS，这种方式复杂性最高。 • 恰量时间(Just Enough Time, JET)协议是基于RFD在光域中的突发交换控制协议。它采用了两种独特的特性，即偏置时间和延迟预留。 • ② 竟争解决方案 • 为了处理当多个分组同时到达同一个输出端口时，竞争解决方案是必需的，这是所有分组交换方式必然会遇到的问题，即所谓的外部阻塞。 • 比较典型的解决方式是通过缓存其他冲突的分组，只允许一个输出。在OBS与OPS中，竞争解决方案有光缓存、波长变换和偏射路由，或者其中多种技术融合。 www.ysu.edu.cn

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