第0章 引言

本章导读

光网络技术作为电信业务网络的支撑技术，在因特网的飞速发展和各种业务需求高速增长的推动下，不断推陈出新，但数据交换的瓶颈一直是网络技术一道无法逾越的鸿沟，光交换技术普遍认为是解决交换技术瓶颈的终极解决方案。本章将介绍光网络技术和光交换技术的发展历程，详细阐述光开关和光开关矩阵等光交换技术的基本单元技术的性能参数。

0.1 光交换网络及其发展历程

电信业务尤其是数据业务（比如Internet）的飞速发展对当前的电信网络提出了更高的要求，一方面，要求传输链路具有足够的传输容量及良好的扩容升级性能；另一方面，又要求网络节点具有灵活的高速数据处理能力，以实现大批量数据的无阻塞、无延迟的交换与路由。

在信息社会巨大需求的推动下，以光纤通信技术为基础构建的通信网络得到了巨大的发展。光纤通信系统的容量，更准确地说是光通信系统的传输容量，从最初的几十Mbps发展到目前商用系统超过10 Tbps，提高了接近一百万倍。然而，仔细审视通信网络的两大支撑技术——传输及路由和交换——可以发现，由于“电子瓶颈”的限制，网络节点信息处理能力的增长速度远落后于网络传输能力的增长速度，从而导致这两大支撑技术的发展极不平衡：网络节点的路由交换的容量远小于网络的传输容量。以目前的商用技术水平为例，单根光纤承载的信息容量超过10 Tbps，单根光缆超过500 Tbps，而最高端路由器单端口的电子信息处理能力为10 Gbps（极限不超过100 Gbps），路由交换容量小于1 Tbps（一般为640 Gbps），因此信息传输能力和处理能力之间相差100～1000倍，传输容量和路由交换容量之间相差约500倍，就如同具有500个车道的高速公路，而在交叉路口却只有1个车道。这种情况导致了在目前的网络中，为迎合网络节点处路由器或交换机的处理能力，实际只能使用光缆或光纤的一小部分传输容量。若要将一根光缆的传输容量全部利用起来，网络的节点处就需要有近500台交换机或路由器来处理这一根光缆承载的信息，平均每台交换机或路由器分不到一根光纤，实际中这是不可承受的。因此，光网络节点的信息处理（路由和交换）能力，实际已成为提升整个信息通信网络性能的限制性因素。

在光交换方面的研究首次出现在20世纪70年代，90年代初，已经有相当多的研究人员致力于光交换的研究工作。科学工作者在电子开关、光电子器件、光计算和光通信领域的研究成果对光交换都起到了极大的促进作用。光开关是光交换技术的核心器件，其按功能分为关联器件和逻辑器件两大类，关联器件在输入/输出端口间建立映射关系，这种映射关系由外部电路控制。逻辑器件是通过控制信息来控制器件本身开关状态的数字器件，逻辑器件主要针对光学逻辑应用和光学计算机，以及构建电信中使用的光数字交换机。

到了20世纪90年代，随着导波电光开关（主要是钛波导铌酸锂晶体）、光学机械开关、空间光调制器（液晶）和半导体光放大器等开关器件的成熟，使光交换机不只是停留在概念上，已经可以搭建较小规模的光交换机了。

互联网的巨大增长，使波分复用（WDM）得到广泛的部署和应用。WDM提供了一个解决传输瓶颈的方案，但同时带来了挑战，大量的光波长通道需要交换，而在运营商网络中使用的交换机目前仍然是电交换机，交换中心和交叉连接节点仍然需要进行光-电-光转换。多个波长的数据流必须在每个节点终结，转换成电信号后进行交换，再转换为光信号传送到下一个节点。这种做法，显然缺乏灵活性和可扩展性，而且价格昂贵，并且成为整个网络的瓶颈，因此，光交换被认为是解决这些问题的关键。

随着大量的研究和开发力量的投入，在材料科学和制造方法领域引入了很多新的光交换技术，同时以前的技术也得到了改进。显然，向光交换迁移会带来很大的优势，将几乎无限的光传输系统带宽扩展到交换节点，从而提升了信息网络的承载能力，远远超出电交换的水平。目前，光网络和光交换所代表的系统不一定具有“光”的性质，例如，SDH / SONET的系统被广泛认为是电信网络中的光传输网络，但该网络除了单波长点对点的传输链路以外，其他功能，包括复用、交叉连接、分插和控制都是在电域完成，一些设备厂商声称的光交叉连接设备或光交换系统只不过是基于电交换矩阵并具有光接口的交叉连接光-电-光（OEO）设备。相比之下，基于光开关矩阵的光交换系统才可称为光到光（OOO）系统，该系统通常称为透明系统或全光系统，而OEO系统通常称为不透明系统。

透明网络能够传输由各种协议、数据传输速率、调制技术和编码格式组成的任何类型的信息，并且兼容未来的协议和技术，极大地降低了网络成本，而基于电子设备的网络依赖于信号的类型和参数，且并非透明，与设备的信号处理能力有关。SDH / SONET是典型的非透明设备，该系统需要在所有的节点之间进行电信号再生。透明传输是光网络的固有属性，数据只在光域进行传输和交换。但在今天的光网络中，所谓的透明传输也并非全透明，会受限于光纤、传输距离及其他因素。我们可以把光网络分为以下几种类型。

① SDH / SONET网络：该网络只能进行单波长点对点的光传输，实际上是光电网络。

② 交换和控制完全在电域实现的波分复用（WDM）网络：该网络仍然是光电网络，与第一种网络相比采用了更多的光技术，可以称之为不透明的网络（OEO）。

③ 基于光交换的波分复用网络：交换控制和网络控制仍然在电域完成，根据网络的透明程度可分为不同的类型，如果没有使用光电转换设备，则网络是完全透明，在不透明和完全透明之间的设备称为部分透明设备。

④ 全光网络：所有操作和功能都在光域完成。

只有最后两个类型的网络与光交换有关。由于利用光来控制交换的网络还不现实，目前部分透明和全透明光网络采用波分复用光传输和交换，并结合电子控制，最大限度地利用了光和电各自的优点。

与电交换方法类似，光交换可以采用光电路交换（OCS）和光分组交换（OPS）两种形式。在光电路交换中，交换粒度是单个光通道的带宽，因此光电路交换往往指光波长交换。由于现有网络主要以数据流为主，电路交换技术在处理数据流时优势并不明显，人们的目光逐渐转向光分组交换技术。光分组交换以一个数据包为交换粒度，数据包以全光的方式进行处理，因此具有光电路交换的所有优点。该技术要求数据报文的帧头识别、处理和控制全部在光域进行，这对可扩展的光交换技术、光缓存技术、光分组定界和同步技术提出了新的挑战。

近年来，光突发交换（OBS）作为一种折中的技术被提出来，吸引了大批研究者参与研究和开发。OBS比OCS具有更高的带宽使用率，同时降低了OPS对光器件的苛刻要求。在OBS网络中，数据包被组合成大的突发数据（DB），每个突发包包含一个突发包头（BHP），DB和BHP在OBS边缘节点的入口处产生，每个DB /BHP对通过OBS核心节点交换到目的地（边缘节点出口）。DB通过数据通道传送到下一个节点，而BHP通过一个专用的控制通道传送到相同的节点。根据采用的协议，BHP可能先被传送到相应节点，然后DB才传送，因此他们之间需要一定延时，以便各节点有足够的时间来处理BHP信息，该延时称为偏置时间。DB在各节点间传输时始终保持在光域，而BHP包含了在各节点进行交换的信息，在各节点被转成电信号进行处理并重新生成后传向下一节点。DB在OBS的目的节点处被重新组合，生成原始的分组后传送出OBS网络。

OPS技术面临的最具挑战性的难题是，在一个很小的分组内用光的方法来读/写报头，而在OBS在中，数据信号被封装到很大的突发包中，把数据信号和控制信号分开处理，避免了在光域来处理报头的难题。

光交换技术的核心器件是光开关，光开关的性能和尺寸决定了光交换矩阵的规模和实用性，下面我们先来了解一下光开关及其组成的矩阵的性能参数。