交换设备的发展

2019-11-05 01:29:31

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

　——光纤和光互联技术的进步使网络带宽容量扩大了10000倍，而电子技术的发展没有跟上光技术的发展步伐，交换机／路由器的带宽只增加了10倍。光层现在运行在OC-48和O C-192速率上，而原有的交换设备无法提供相应的接口速率和端口密度，不能有效利用光纤的DWDM技术所创造的巨大带宽。采用高速交换选路设备作为网络节点，可以把大量的原始带宽转换成可用带宽，解决骨干网络潜在的瓶颈问题，并确保现在ip、ATM、FR网络之间的互通。

——以数据为中心的通信业务大量增加和DWDM技术的快速增长需要更可靠和更灵活的网络治理，当网络向全光网发展时，在光层进行数据优化、选路和提供保护对整个网络来说是非常重要的。光交换机能够较好地保持网络生存性，为信号选路提供灵活的平台。虽然今天通信系统中的绝大部分交换机是电的，但未来的光网络需要交换机能够在纯光层面上选路，实现比特率和协议透明的网络。目前商用的光交换机有很多类型，其中最通用的是电光和光机械两种。

——电光交换机由具有电光晶体材料的波导组成。通常由两个波导通路连接组成Mach-Z ehnder干涉仪结构，实现1×2和2×2交换。两个波导通路间的不同相位由电压来控制，当驱动电压作用于干涉仪的一个或两个通路，改变它们之间的相位，干涉结果将信号送到所希望的输出端上。

——电光交换机的主要优点是交换速度诀，能够达到ns级。但是，这种交换机具有高介入损耗、高偏振损耗、高串扰，对电信号的漂移也非常敏感，所以需要很高的控制电压，而且，电光交换机是非闭锁的，这限制了其在网络保护和重新配置时的使用；电光交换机的制造成本很高。

——光机械交换机基于成熟的光技术，是目前使用最广泛的交换机类型。其原理简单：通过移动光纤末端或镜子，把光直接送到或反射到交换机的不同输出端。光机械交换机只能达到ms级的交换速度，但其低成本、简单的设计和良好的光学性能使其应用广泛。光机械交换机具有较低的介入损耗（几十分贝）、低的串扰、很好的消光比、偏振和基于波长的损耗非常低、对不同的环境有良好的适应能力、较低的功率和控制电压、具有闭锁功能。大部分光机械交换机的核心交换机构都是采用1×2和2×2的光开关通过多级级联而构成，如图2所示。交换矩阵规模较小的无阻塞M×N光交换机很轻易实现，较大规模的（如64×64）部分阻塞交换机可以使用多级结构来实现，但是要构造完全无阻塞的大规模交换矩阵却十分困难。

——光交换机的基本组成结构如图3所示，主要由复用／解复用器和交换矩阵组成。它可将输入端的任何光纤上的任何波长交叉连接到使用相同波长的任何输出端口的光纤上。假如给该交换机的输入和／或输出端引入波长转换功能，则它既可以完成空间交换又可以进行波长转换，可将任何光纤上的任何波长交叉连接到其它任何光纤上的任何不同波长上。

——目前还有一些正在研究的光交换机，采用热、液体结晶、声和微电子机械（MEM）技术等。其中比较有吸引力的方案是基于MEM技术的光交换机，目前可用电压80V，交换速度400ms的MEM光交换机已经问世。其受人瞩目的原因是它具有小型化、案成度高和便于大批量制造的优点。

——随着光网络持续扩展，网络速度超过多吉比特级后，电交换机就不能实现有效的治理了，全光网能够实现高效的信号治理，而光交换机是未来高容量光网络的重要器件。光波长将是下世纪网络的基本组块，21世纪，全光网络将真正以光的速度传送大量的信息，贝尔实验室、Monterey Network、Sycamore Network等公司正在开发一种叫作波长路由器（Wavelength Router）的设备，以组成智能化的光传送网。

——贝尔实验室使用显微镜面（microscopic mirror）技术的新型全光路由器（WaveSt ar Lambda Router）使用一系列微镜面，可以在光纤之间直接引导（directing）和选择光信号的路由，而不必先把它们转换成电信号，故可以节省25％的运行费用，比电交换设备快16倍。PSINet已经公布要在其网络中使用这种全光路由器。

——1999年2月，Monterey Network（已被Cisco并购）公布了一种用于DWDM的点到点长途光通道的波长路由器，这种路由器可以跨接非环形的光核心网，进行IP路由器和交换机的互连，提供端到端通路的快速配置和恢复。业务提供者可以用波长路由器进行流量工程设计、快速组成具有强大的生存能力的格形光核心网，这样避免了SONET／SDH环形网中有一半的带宽用于保护的现象，并且不必使用中间的ATM交换机、SONET／SDH复用器和交叉连接设备。该设备终接大量的OC-48（2.5Gb／s）和OC-192（10Gb／s）光纤，可以把光纤中的信息灵活地送到目的地，输出信号可以是ATM、IP或任何时分复用形式的信号。在核心，Monterey采用光格形拓扑和波长选路协议（Warp）。使用这种技术，可以把配置一个OC-48电路所用的时间从目前的几天或几周，缩短到只需几秒的时间。在发生故障时，该波长路由器可以使业务在50ms内恢复。

MPLS开始进入光领域 ——近来备受瞩目的并被业界认为是当今数据网络领域内最有前途的网络解决方案的技术就是多协议标签交换（MPLS）技术。传统Internet所面临的某些问题正在由IETF（In ternt Engineering Task Force）开发的MPLS技术逐步获得解决。MPLS网络具有支持不同网络业务的能力，MPLS网络采用标准分组处理方式对第三层的分组进行转发、采用标签交换对第二层分组进行交换，改善了选路的性能和成本，从而实现了快速有效的转发。MPLS有助于简化复杂的网络结构，使网络的总体成本降低50％。MPLS的实用价值在于它能够在像IP这样的无连接型网络中创建连接型业务，并提供完善的流量工程（TE：Tr affic engineering）能力。

——现在，业界、分析家和市场都看好MPLS，认为它能对Internet产生巨大的影响，因为它将减少网络阻塞和提供更好的端到端服务。将来利用MPLS建成的公众IP数据网，不仅仅是Internet，更主要的是为许多企业提供服务质量和稳定性更好的VPN应用。有分析家认为，将来所有公司内部的业务将由基于MPLS的VPN来承担，而不是Internet。到201 0年，VPN（至少部分基于MPLS）将占全世界所有公众IP业务收入的3／4。目前，AT&T、 MCI WorldCom和Uunet这些大公司都在试验MPLS。MCI在vBNS网的洛杉机到旧金山OC-48链路上利用MPLS来引入流量工程。

——目前国外已有多家研究机构和公司提出了将MPLS业务量工程和光交叉连接技术结合起来的新型MPLmS（MultiPRotocol Lambda／Label Switching）组网技术和使用MPLS技术实现IP over WDM的IETF草案。在光联网技术中综合了先进的MPLS业务量工程控制层技术，可以大大简化网络治理的复杂性，因此非凡适合于由OADM和OXC组成的光互联网络系统。主要优点有：

——*为在光网络中执行带宽治理和实时维护光信道提供了一种全新的网络架构。

——*它在使用目前最高级的MPLS控制层技术的同时也结合了已普遍使用的IP路由协议，能有效协调IP层和光网络层功能；

——*可使用专门为MPLS业务量工程而开发的软件系统而无需重新为光传输网开发新一代的控制协议，因此可迅速开发新型多功能光联网设备，简化了新型联网设备和标签交换路由器的集成和综合过程。

——*可在IP层和光网络层实现单一的网络治理和操作控制模式，为最终在IP路由器上提供WDM复用功能铺平了道路。

——MPLmS方案将光交叉互联设备视为标签交换路由器进行网络控制和治理。在基于MPL mS的光波长标签交换网络中的光路由器有两种：边界路由器和核心路由器。边界路由器用于业务接入，同时处理电子功能模块完成MPLmS中较复杂的标签处理功能；核心路由器利用光互联和波长变换技术实现波长标签交换和上下路等比较简单的光信号处理功能。它可以更灵活地治理和分配网络资源，并能较有效地实现业务治理及网络的保护、恢复。

——基于MPLmS的波长标签网络解决方案，最大的好处就是它在充分发挥现有的光联网技术的基础上，具有适应未来光联网技术发展的潜能，这种多方位的适应性包括了电路交换、分组／包交换，以及各种混合交换。目前，光网络的未来演进仍是不清楚的，最可能的情况如图4所示，是各种交换方式，如光纤的空分交换、波长信道的交换和分组／包／信元交换的综合——即光纤—波长—分组（FWP）漏合交换，为用户同时提供电路型和分组型交换业务。图中由最上层的电的标签交换通路（LSP）来提供分组交换，同时波长级LSP提供波长交换，而交换粒度最大的是由光纤级LSP来执行空分交换。

向双层网络结构发展 ——随着Internet的发展，新的网络协议和原有协议的不断扩展，除了处理转发分组以外，路由器还应具有一些新的功能，如：集成服务和区分服务、增强的路由能力（包括第三层和第四层的交换技术）、安全功能（例如，虚拟专网〔VPN〕和防火墙）、对现有协议的增强和扩展（例如：类似于随机早期检测RED的阻塞控制算法）以及开发新型的核心协议（例如：IPV6、MPLS等）。在这种情况下，原有的以单一内核路由器操作系统为核心的路由器软件体系结构就不能满足网络协议研究和开发的需要了。新的路由器体系结构，应该包括：

——* 以分布式实时开放路由器操作系统为核心，保证开放性和实时性。

——* 在操作系统内核之上构造支持路由器协议和功能扩展的支撑子系统，井实现有扩展功能的内核以提高路由器的整体性能。

——* 未来能够在路由器软件体系结构的基础上进行进一步的研究和开发工作，如：主动网络体系结构的研究，需要在操作系统之上构造支持多种主动网络结构的主动网络支撑系统。

——另外，随着超大规模集成电路的进一步发展，路由器将最终在容量、速率、性能方面实现本质上的提高。最新发展的波长路由器实现了在光域上的透明传输，它消除了传统的光／电／光的转换，对信号的格式、协议和速率透明。它基于光的交叉连接，可承载各种业务在光层上透明的传输，并可充分利用波长的带宽资源实现动态的带宽分配，它是向来来全光网迈进的一个实质性的突破。因此，路由器最终会向未来光子网络的高性能的波长路由器方向发展，而且它必然具有MPLS的功能。

——为面向语音业务和面向IP业务而设计的传输网络的最要害差别在于地域性方面。数据的传输没有地域的限制，而语音传送却与距离密切相关。因为数据业务在距离上的独立性，所以通过高性能路由器组网的光骨干网比通过SONET网络做得更好。

——随着设计业务的快速发展，目前由业务层、SONET层和物理层所构成的多层网络结构，将不再能够满足今后数据业务的爆炸性增长，而且任何具有SONET复用结构的网络都将导致不必要的光／电转换从而提高了成本，因而通过SONET设备再映射到DWDM系统来传输 IP业务的方法非常麻烦和昂贵。

——当业务层链路直接与传输层连接时，大比特路由器将作为多种业务流的集成平台。高性能的路由器具有高速光接口，不再需要传统的SONET终端的高比特率复用功能。太比特路由器同样可以处理设备的保护和实现其它的类似于SONET的功能，这更减少了对SON ET的需要。

——高性能的路由器与先进的光网络的集成大大提高了网络的可扩展性、保护恢复能力和比特透明性。通过调制结构的改变，可获得网络的可扩展性和灵活的带宽。从结构设计的角度来说，直接的IP over photonics并不要求无阻塞的交叉连接矩阵，这样将完全克服了扩展端口数的限制。从带宽的角度来看，运营商必须提供非常高的比特率以适应快速扩展的数据业务。2.5Gb／s的DWDM信道系统将不再具有生命力，下一代的光网络将运行在10Gb／s上，而40Gb／s系统也开始浮出水面。

——路由器加光子网络在提供丰富的带宽容量的同时还提供强大的保护恢复能力。当带宽有限和昂贵时，优化和有效地使用带宽是一个对成本敏感的长途网络的主要目标，因此，不得不采用复杂的保护恢复方案来获得对恢复通路带宽的最大共享。而新的双层网络提供了充分的价格低廉的带宽。因而可采用快速的保护恢复方法，这样，整个的故障检测和恢复时间将减至毫秒量级。

——最后，双层网络机制还提供了比特率透明性，一个全光网络系统经由波长级的路由器可直接接入任何比特率的数据，无论是OC-12c、OC-48c、OC-192c或更高。 ——双层网络结构、高性能的路由器加上先进的光传输层为光互联网带来了巨大的好处。传输网络将不再需要中间的SONET层，长距离的传输网络将发展为更有效、更强大的网络——全光骨干网。

结束语

——纯粹的光子网络是不存在的，但是多吉比特和太比特路由器的出现使得在光层联网成为可能，这些路由器处于骨干网的核心位置，充分利用了光层联网的优势。光层联网所具有的优势使得网络迫切地向着简化的双层网络体系结构发展，即高性能的路由器加先进的光子传输技术。而SONET在骨干网的接入部分仍然处于核心位置，未来的传输网将不再需要SONET层，长途骨干网将最终进化为一种更有效的网络结构——种纯粹利用光子联网技术实现的光互联网。在欧洲，全球第一个容量为IP级（1000Tb／s）的网络（i-2 1）已经公布于众。

上一篇：笑傲江湖之三层交换篇

下一篇：信息网络案例----温州医学院附属第一医院