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IP over WDM的演进之路

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Internet流量的指数级增长和波分复用(WDM)在传送网中的主导地位，使得直接利用WDM技术承载IP业务的IP over WDM光网络成为理想的选择.通过对其三个发展阶段的介绍和分析，文章旨在探讨IP over WDM光网络的演进思路.

作者：中国IT实验室 2007年9月6日

关键字： IP over WDM；多标签波长交换；数字包封；光分组交换；光因特网

IP over WDM；多标签波长交换；数字包封；光分组交换；光因特网

1 概述

IP业务的爆炸式增长对通信网的传送承载能力提出了越来越高的要求.因此，利用波分复用(WDM)系统承载IP业务的IP over WDM光网络成为一种必然选择，其关键是如何利用WDM提供的巨大的“原始带宽”（Raw Bandwidth），高效、灵活、经济地为IP业务提供传送服务.

目前，光网络尚不具备智能，IP over WDM只能利用各种成熟的网路和传输技术，以多层协议栈的方式来实现.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，多层协议栈也会逐渐坍塌.最终，IP over WDM光网络将向着紧凑的集成模型演进.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.

2 IP over点到点WDM光链路

刚开始，由于光联网技术远未成熟，WDM系统仅作为路由器间的点到点传输系统而存在.IP over 点到点WDM系统网络结构如图1所示.WDM系统仅是相邻路由器间的带宽通道，光层基本不具备智能，其控制由管理系统承担，网络通过多层协议栈来承载IP业务，如图2所示。

2.1IP/ ATM/SDH/WDM

这是当前最成熟，并广泛应用的承载方式.其设计思想是：ATM层完成流量控制和QoS；SDH层负责网络性能监测、IP层与光层间的带宽适配；WDM层提供传送通道.这种承载方式可提供完善的系统功能，但其协议栈过于复杂，导致网络各层功能重叠，带宽利用率低，层间控制和管理困难.另外，ATM适配层复杂的拆装功能（SAR）也将限制系统速率的进一步提高.

2.2IP/PPP/HDLC/SDH/WDM

这种承载方式也称为PoS（Packet over SDH），其中点到点协议（PPP）负责多协议封装，高速数据链路控制规程（HDLC）实现定界组帧，带宽适配和数据传送仍然由SDH和WDM来完成PoS技术成熟，传输效率较高，通过SDH设备可获得完善的网络管理和保护功能.不足之处在于HDLC协议需要监测帧同步字节来实现帧定界，为防止伪同步，发送端需要通过比特填充来解决用户数据与定帧字节编码相同的问题，接收端则需要进行去填充操作.这种比特级的填充和去填充操作会限制系统速率的提高.为解决这一问题，Lucent提出了一种新型的成帧协议—简化数据链路协议（SDL）.SDL借鉴了ATM信元定界的思想，在帧头添加净荷长度指示字节和帧头循环冗余校验(CRC)校验字节，在预同步阶段可利用CRC校验识别帧头，同步后通过长度指示字节即可快速地实现帧定界.基于以上改进，SDL可将PoS的速率提高到2.5 Gbit/s.

武汉邮电科学研究院进一步提出了一种更简洁的、针对IP业务的帧结构—LAPS，与SDH帧相比，LAPS需要的开销较少，因而可获得更高的传输效率.

2.3IP/GE（Gigabit Ethernet）/WDM

该方案在纯计算机网络环境中具有很大优势：(1) 与SDH相比，以太网更适合承载突发性的IP业务；(2) 全网都采用一致的以太网帧格式，不需要路由器完成任何的映射或分段重组操作，因此网络接口简单，工作效率很高；(3) 通过局域网即可实现IP业务的接入和支路传输，成本低.

该方案的不足之处在于：以太网的帧结构中缺乏必要的管理与维护开销，在长距离传输时不能提供与SDH一样的性能监测和故障定位能力.而且，以太网采用异步传输，当传输距离较长时，网络对抖动和定时敏感，传输质量难以保证.

IP over点到点WDM系统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，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，网络流量的中继需要高吞吐量的核心路由器来完成.由于处理负担重，核心路由器往往技术复杂、成本很高.但是，由于电器件的集成度受限于Moore定理，随着光层传输带宽的不断增加，核心路由器必将成为制约系统发展的电子瓶颈.其次，由于光层无联网功能，完善的系统功能需要由多层协议栈来实现，因此协议栈中的任何一层都可能限制整个系统的发展.另外，多层协议栈结构也是造成系统功能冗余、运营维护成本高的主要原因.最后，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.

3 IP over波长交换光网络

随着光器件和光节点技术的飞速发展，为解决IP over点到点WDM系统的诸多不足，人们提出了IP over波长交换光网络的概念.

IP over波长交换光网络也称为IP over可重构WDM网络，其网络结构如图3所示.光网络由光交叉连接器(OXC)或光分插复用器(OADM)组成，在分布式控制平面的控制下，具有波长交换功能，可为边缘路由器动态提供端到端的光通道（Lightpath）；边缘路由器通过光接口直接与OXC相连，负责汇聚流量、实现IP层与光层之间的带宽适配.

波长交换光网络的关键问题是引入智能化的控制平面，使网络能够根据业务的波动和网络拓扑的实时变化动态调整和分配网络资源，从而提高效率和可靠性.一般而言，智能化的控制平面有两种实现方式：集中控制和分布控制.前者便于实现网络资源的统一调度，收敛快，但灵活性差、扩展性不好；后者则具备更好的灵活性、扩展性和可靠性.波长交换光网络倾向采用分布式控制平面，主要因为：首先，以MPLS为代表的分布式控制技术日趋完善，光网络通过重用成熟的功能实体，可以缩短研发周期.其次，用一套统一的语法和语义实现对IP层和光层的跨层控制，可使光网络的资源调度与IP业务的分布相关联，从而实现两层网络的有机结合.当然，将MPLS应用于光层必须充分考虑光层与IP层不同的特点，做必要的修改和增强.

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.这种方法可以使边缘路由器动态地要求光网络提供所需波长，实现统一的网络控制和快速的业务供给，使网络资源得到最佳利用；同时，它也简化了跨层的网络管理和控制，降低了网络运行和业务拓展成本，利于网络的扩展.

在IP over WDM波长交换光网络中，随着MPλS和波长交换技术的应用，传统的IP overWDM多层协议栈将逐渐坍塌，网络结构也会得到很大程度的简化.然而，多层协议栈的坍塌并不是简单地丢弃某些层，而是通过引入MPLS和MPλS等技术，对原来ATM、SDH等每一层的功能进行了重新分解与整合：在IP层，由MPLS来支持标签交换，执行流量工程；在光层，由MPλS控制光节点为承载IP业务提供波长路由，由光层开销整合SDH的网络管理和性能监测能力.这种更加紧密的IP到WDM的集成网络结构简化了层间管理与控制，提高了操作效率，增加了节点吞吐量，并使光层能够快速响应IP层的带宽需求.

4 IP over光分组交换网

从近期看，为了缓解Internet爆炸式增长带来的带宽压力，利用高性能的路由器和成熟的WDM技术，以多层协议栈方式承载IP业务，确实是一种简单实用的解决方案.在引入了MPλS和波长交换等概念后，IP over WDM的网络层次得以简化，光层的灵活性、可靠性以及承载IP业务的效率都得到了很大的提高.但是，随着光传送技术的不断发展，光网络的传送波长会越来越多，单信道速率也将越来越高.这时，为了实现带宽适配，边缘路由器往往需要进行大量的复用和解复用操作，以便把高速光信号变换成可处理的低速电信号.这不仅增加了设备的复杂性和成本，而且使边缘路由器成为新的电子瓶颈.另外，波长交换本质上是一种光层的电路交换，其处理颗粒和带宽分配策略并不适合承载突发性的IP业务.所以，IP over WDM波长交换光网络也不是理想的承载方案. 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.光分组交换网络参考模型如图4所示，共3层，第1层对应IP层，也被称为电交换层.第3层为光传输层，对应由DWDM、OTDM技术构成的透明、可重构的光传送网络，具有波长交换功能，可按需提供高速率的波长通道.由于光传送层和电交换层的带宽不匹配，所以需要在两层之间引入第2层—光分组交换层来完成流量汇聚和带宽适配，以提高光传送网的带宽利用率和资源分配的灵活性.从这一角度看，光分组交换可被看作是电业务层（IP层）与光传送层之间的适配层.