《计算机网络》PPT电子课件教案-第九章 光互联网.ppt

第九章 光互联网,9.1 全光网络 9.1.1 概述 全光网（aon,all optical network），原理上讲就是网中直到端用户结点之间的信号通道仍然保持着光的形式，即端到端的全光路，中间没有光电转换器。全光网的基本结构可以分为光网络层和电网络层。光链路相连的部分称为光网络层。,该层引入了wdm技术，可在一个光网络中传送几个波长的光信号。在网络结点之间采用光交叉连接设备（oxc），通过对光信号进行交叉连接，能够灵活有效地管理光纤传输网络。,9.1.2 全光网络的特点,全光网与现有光纤网的区别之一在于其波长路由，通过波长选择性器件实现路由选择。其二是信号传输无电中继，具有信号透明性，即数据速率透明和信号格式透明。全光网络的优点： （1）简单可靠,（2）可扩展性好 （3）透明传输 （4）灵活重组 （5）快速恢复,（6）充分挖掘光纤的带宽潜力，增大传输容量，提供巨大的带宽且与现有的通信网有良好的兼容性。 （7）提供多种业务: 传统数字信号业务 模拟信号业务 用户需要光接口业务，高速数据和多媒体业务,9.1.3 全光网络的体系结构,全光通信网络的结构分为服务层（service layer）和传送层（transport layer），网络传送层分为sdh层、atm层和光传送层。光传送层由光分插复用器（oadm）和光交叉连接（oxc）组成。 利用波分复用技术的全光通信网将采用3级体系结构: 最低一级（0级）是众多单位各自拥有的局域网（lan），它们各自连接若干用户的光终端（ot）,全光网的中间一级（1级）可看作许多城域网（man），它们各自设置波长路由器连接若干个0级网 最高一级（2级）可以看作全国或国际的骨干网，它们利用波长转换器或交换机连接所有的1级网,目前关于全光网络的规范性结构尚未统一，从已提出的这些方案来看，它们的基本结构大体上一致，可以分为光网络层和电网络层: 光网络层是光链路相连的部分，采用了wdm技术，使一个光网络中能传送几个波长的光信号，并在网络各结点之间采用oxc，以实现,多个光信号的交叉连接。光网络层通过光链路与宽带网络用户接口和局域网（lan）相连。 电网络层中的adm为电子分插复用器，它能够把高速stm-n光信号直接分拆成各种pdh支路信号和作为stm1信号的复用器，它的速率可选stm-1、stm-4、或stm-16。,9.1.4 全光网络的关键技术,1 光交叉连接器（oxc） oxc是全光网中的核心器件，它与光纤组成全光网络。oxc交换的是全光信号，它在网络结点处对指定波长进行互联，从而有效利用网络资源，实现波长重用，一般来说，oxc具有下述功能： （1）路由选择和交叉连接,（2）连接和带宽管理 （3）波长指配 （4）保护和恢复功能 （5）波长汇聚/合并功能,（6）通道汇聚功能 （7）上/下路功能 （8）波长变换功能 （9）多播连接功能 （10）信号监控与告警 （11）通信/控制接口功能,2 光分插复用器（oadm） oadm是波分复用（wdm）光网络的关键器件之一，其功能是从传输光路中有选择地上下本地接收和发送某些波长信道，同时不影响其它波长信道的传输。 oadm结点的核心器件是光滤波器件，由滤波器件选择要上/下路的波长，实现波长路由。根据可实现上下波长的灵活性，oadm可分为固定波长oadm、半可重构oadm和完全可重构oadm。,光交换属于全光网络中关键结点技术，主要完成光结点任意光纤端口之间的光信号交换及选路，它所完成的最关键工作就是波长变换。从功能上划分，光交换、oxc（光交叉连接器）、oadm（光分插复用器）是顺序包容的。即oadm是oxc的特例。,3 掺铒光纤放大器（edfa） 掺饵光纤放大器（edfa，erbium-doped optical fiber amplifier）的研制成功，打破了光纤通信传输距离受光纤损耗的限制，给光纤通信带来了革命性的变化。,edfa工作在1.55m窗口，该窗口光纤损耗系数比1.31m窗口低（仅0.2dbkm）。掺饵光纤放大器使长距离、大容量、高速率的光纤通信成为可能，是dwdm系统及未来高速系统、全光网络不可缺少的重要器件。,（1）掺铒光纤的放大原理 edfa的放大作用是通过1550nm波段的信号光在掺铒光纤中传输与er3+离子相互作用产生的。 光可以被看作由光子组成的粒子束，每个光子的能量为： =hv,其中： 为光子的能量， v为光的频率，h为普朗克常数。 掺铒光纤中的er3+离子所处的能量状态是不能连续取值的，它只能处在一系列分立的能量状态上，这些能量状态称为能级。当在掺铒光纤中传输的光子能量与er3+离子的某两个能级之间的能量差相等时，er3+离子就会与光子发生相互作用，产生受激辐射和受激吸收效应。,铒离子能带图,掺铒光纤放大器（edfa）的组成，是一段不长的石英光纤，在纤芯中掺铒离子。1.55m波长窗口的光信号输入至这段光纤的一端，而在另一端输出。当这段光纤受到波长0.98m或1.48m的半导体激光管输出足够大的功率抽引时，传输经过一定波段宽度，1.55m信号得到有用的功率增益和平坦的增益特性，也就是得到放大作用。,（2）掺铒光纤放大器的特点与应用 edfa具有高增益、低噪声、宽频带、增益特性与编振无关，以及对数据速率与格式透明等特点。edfa可以大大减少对信号再生光信号转化为电信号，放大后还原为光信号的过程）的需要。 edfa不但结构简单，与光纤耦合方便，而且连接损耗小。,edfa是目前光放大技术的主流，它能简化系统、降低传输成本、增加中继距离、提高光信号传输的透明性，是实现全光网的关键器件。 edfa技术成熟，但带宽有限 edfa本身还存在着因增益不平坦和交叉饱和带来的级联受限问题,根据edfa在光传送网络中的位置，可以分为后置功率放大器(ba)、线路放大器(la)、前置放大器(pa):,后置放大器在中继段中的位置,线路放大器在中继段中的位置,前置放大器在中继段中的位置,9.1.5 全光网络的管理和控制,1 全光网的体系结构设计 结构设计包含两层含义：一是物理拓扑结构设计，二是逻辑拓扑结构的设计，其实质是这两层在彼此限制与支持条件下的优化问题。 逻辑拓扑结构设计可分为两类：一种是对流量矩阵的优化，平衡流量分布，降低拥塞率等，设计较为理想化；一种是考虑光网络在不同分层限制情况下，如波长数目限制、有无波长转换器，时延限制等流量矩阵的多目标优化。,前者侧重于网络的传输特性，后者更侧重于网络的应用特性，因而更具有实际意义。 光网络的主要网络单元为oadm和oxc，它们的结构与性能直接影响网络的性能，需要对oadm和oxc结点结构和功能进行优化设计。,2 全光网络性能检测与控制 dwdm通道性能检测仪是监测光路性能的较好方法，可以监测dwdm光复用层各波长通道的波长、功率和信噪比，藉此可以客观的评价光网络段的性能。,数字包封（dw，digital wrapper）技术是一种带外的特定波长的信令解决方案，它提供有关波长的信息，可以用于性能监视、路由和保护/恢复，同时提供强有力的前向纠错fec功能，需要加强研究。,3 网络管理 光网络管理包括以下3个方面的内容： 结构管理：波长路由和波长转换，即在光波长层次上提供和重构网络。 物理性质管理：包括光功率、噪声、色散和波长对准等的管理，的是维持连接的性能。 差错管理：包括局部或全部的保护倒换，如对光纤的折断和结点的损坏做出反应。,根据光网络的特点，器网络管理有其特殊要求： 光网络的网管系统管理网络的光域状态，如光交叉连接oxc、光分插复用oadm、光放大器、可调波长的光源和接收器。, 光网络是一个对传输透明的网络，因此光网络的网管必须不依赖于传输信息所用的协议，即它需要自己独立的管理信息结构和开 销方案。 wdm光网的管理必须考虑与现有的sdh/atm传输网管理的配合问题。,4 生存性问题 网络生存性泛指网络遭受各种故障仍能维持可接受的业务质量的能力。网络生存性策略包括恢复技术、控制管理技术等。恢复技术包括保护切换、重选路由、自愈等。通常将恢复技术统称为自愈技术。自愈技术的性能有：恢复率、恢复时间、冗余度（常指空闲容量率）、开销及复杂度等。完善的性能监测和波长分配与路由算法是光网络高生存性能的保证,5 选路与波长分配（rwa, routing wavelength assignment） 它解决怎样通过光交叉连接或其他设备构成业务信号的光通道，并合理的分配通道所使用的波长，使有限资源能提供尽量大的通信容量。rwa问题由两部分组成：为每个源结点寻找到达目的结点的路径；在这些路径上分配波长。,rwa问题分为动态rwa和静态rwa。动态rwa一般是考虑建立光连接的请求随机到达，静态rwa则是考虑在进行路由和波长分配前已知所有的希望建立的光连接。,6 光网络安全防护 攻击光网络的主要手段有： 使用单个的高能发射机插入到链路，进行带内干扰攻击。, 利用光器件的非理想隔离或交叉相位调制效应，利用带外干扰源， 干扰攻击业务信道。 通过监听邻近信道的泄漏功率获得有关邻近信号的信息。应研究相应的防护措施。,7 标准化问题 网络的运行、管理和控制还没有成熟的方案和统一的标准，这可能是未来全光网发展中的重大障碍。协议体系有待建立和完善。 另一方面，光器件还远未像电子器件那样，在性能、封装上形成一套标准，有时各器件厂商的同类器件虽然性能相当，但因为封装不同而难以互换。,9.2 光交换路由技术,光交换技术可以分成光路交换技术和分组交换技术。 光路交换又可分成三种类型，即空分（sd）、时分（td）和波分/频分（wd/fd）光交换，以及由这些交换组合而成的结合型。,其中空分交换按光矩阵开关所使用的技术又分成两类，一是基于波导技术的波导空分，另一个是使用自由空间光传播技术的自由空分光交换。 日本开发了两种空分光交换系统：多媒体交换系统和模块光互连器。,9.2.1 光交换/光路由的作用,全光网络主要由核心网、城域网和接入网三层组成，三者的基本结构相类似，由dwdm系统、光放大器、oadm(光分插复用器)和oxc(光交叉连接设备)等设备组成。全光网络的相关技术主要包括光交换/光路由（全光交换）、光交叉连接、全光中继和光分插复用等。,光交换光路由属于全光网络中关键光结点技术，主要完成光结点处任意光纤端口之间的光信号交换及选路。 通常oxc有3种实现方式：光纤交叉连接、波长交叉连接和波长变换交叉连接。,波长交叉连接示意图,波长变换交叉连接示意图,9.2.2 光交换/光路由的技术原理,和电交换技术类似，光交换技术按交换方式可分为电路交换和包交换。电路交换又含有空分（sd）、时分（td）、波分/频分（wd/fd）等方式；包交换则有atm光交换等方式。其原理、结构特点和研究进展状况如下: 1 空分光交换,空分光交换是由开关矩阵实现的，开关矩阵结点可由机械、电或光进行控制，按要求建立物理通道，使输入端任一个信道与输出端任一个信道相连，完成信息的交换。 2 时分光交换 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。,3 波分/频分光交换 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,4 atm光交换 atm光交换遵循电领域atm交换的基本原理，采用波分复用、电或光缓冲技术，由信元波长进行选路。依照信元的波长，信元被选路到输出端口的光缓冲存储器中，然后将选路到同一输出端口的信元存储于输入公用的光缓冲存储器内，完成交换的目的。,9.2.3 光交换/光路由的关键器件技术 光交换器件是光交换/光路由的基础。光交换器件根据其功能分为2类： 相关无源器件 :在输入和输出之间建立某种映射关系，与输入信号无关，仅与控制信号有关系。 有源光逻辑器件:通过待处理信号本身的信息控制器件的状态，在输入端完成某种逻辑功能。,光开关是各种光通信系统实现高功能、高可靠性、提高维护和使用效率必不可少的光器件。光开关大致可分为采用linbo3、聚合物、半导体材料的光开关和具有可移动机理的机械光开关。今后光开关研究的方向是改善其性能，并将光开关集成以便增大光开关阵列的规模。 光存储器可以实现光信号的存储，进行光域时隙交换。常用的,光存储器有双稳态激光二极管光存储器和光纤延迟线。原理是利用双稳态激光二极管对输入光信号的响应和保持特性存储光信号。 光纤延迟线光存储器的原理是利用光信号在光纤中的传输延时特性达到存储光信号的目的。由于它是无源器件，比双稳态存储器稳定。缺陷是由于长度固定导致灵活性差。,1 光开关在光网络中的作用 光开关不仅构成了波分复用光网络中关键设备（如oadm/oxc）的交换核心，本身也是光网络中的关键器件。其应用范围主要有： 保护倒换功能,网络监视功能 光器件的测试 构建oadm设备核心 构建oxc设备的交换核心,2 光开关技术分类与性能比较 依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械光开关、热光开关、电光开关和声光开关。依据光开关的交换介质来分，光开关可分为：自由空间交换光开关和波导交换光开关。,目前常用的光开关有以下几种：mems光开关、喷墨气泡光开关、热 光效应光开关、液晶光开关、全息光开关、声光开关、液体光栅光开关、soa光开关等,（1）光开关的主要性能参数 交换矩阵的大小 交换速度 损耗, 交换粒度 无阻塞特性 升级能力 可靠性,（1）喷墨气泡光开关 （6）全息光开关 （2）液晶光开关 （7）液体光栅开关 （3）热光效应开关 （8）声光开关 （4）数字型光开关 （9）半导体光放大器开关 （5）干涉仪型光开关 （10）微机电系统（mems）的光开关,9.2.4 光交换/光路由的发展现状与前景,oxc的交换带宽粒度可以是线路级的光纤或光纤束、波长级的波长或波长束、分组级的光分组、比特级的光比特。目前商用技术水平达到了波长级。oxc今后的发展方向应该是实现分组级交换和比特级的交换。 构成oxc结构的方式很多，但其中的关键在于开发先进的光器件，其,中包括光交换器件和光波长转换器件。 oxc最典型的结构有：基于空间光开关矩阵和波分复用/解复用器的oxc结构；基于空间光开关矩阵和可调谐滤波器的oxc结构；基于分送、耦合开关的oxc结构以及基于awg复用器的多级波长交换的oxc结构和完全基于波长交换的oxc结构等。,功能强大的网络管理系统也是光传送网络的重要组成部分，实用化的oadm和oxc设备需要具有能够控制波长组合以及处理故障的管理单元，以便在组网时实现光传送网的可靠性和灵活性。 目前oxc技术存在的主要问题有以下三点：,一是:系统的完全透明性无法保证 二是:由于受光器件的制约，特别是大规模的光交叉矩阵开关的制约，系统的规模和灵活性不够理想。 三是:在网络管理方面,今后的高速宽带网络一定是全光网络加ip业务网的格局。 oxc和oadm是全光网络中至观关重要的产品。它们既具备光互连的功能，又是全光网络中的交换结点。波长转换器也是全光网络中的关键器件。借助它可以广域地互连不同的光子网。这3种产品不但是未来全光网络的关键组成部分，也是当前dwdm光传送网的关键设备,市场前景十分广阔。,9.3 ip over wdm,9.3.1 概述 ip over wdm也称光因特网，简言之，就是直接在光纤上运行的因特网。其基本原理和工作方式是：在发送端，将不同波长的光信号组合(复用)送到一根光纤中传输，在接收端，又将组合光信号分开(解复用)并送入不同终端。,ip over wdm是一个真正的链路层数据网。其中，高性能路由器取代传统的基于电路交换概念的atm和sdh电交换与复用设备，成为关键的统计复用设备。高性能路由器通过光adm或wdm耦合器直接连至wdm光纤，由它控制波长接入、交换、选路和保护。,9.3.2 ip over wdm的帧结构,ip over wdm的帧结构有两种形式： 1 sdh帧格式 目前，主要网络再生设备大多采用sdh帧格式。在使用sdh再生设备和转发器的网络内，来自路由器的ip分组必须装放在sdh帧内。 。,在此种格式下，报头载有信令和足够的网络管理信息，便于网络管理;但比较而言，由于路由器接口在拆装分割(sar)处理时较耗时，会影响网络吞吐量和性能，且采用sdh帧格式的转发器和再生器造价昂贵。 许多公司现正在制定一种新的帧结构标准，称作“fast ip”或“slimsdh”，它在报头位置和如何使帧大小与分组大小匹配方面使用了更新的技术,2 千兆比特以太网帧格式 目前，在局域网中主要采用千兆比特以太网帧结构，此种格式的报头包含的网络状态信息不多，但由于没有使用造价昂贵的再生设备，因而成本相对较低。又因为使用的是异步协议，故抖动和定时不像sdh那样敏,感;这种报头由于与主机的帧结构相同，因而在路由器接口上需对帧进行拆装分割操作和比特塞入操作(使数据帧和传输帧同步)。另外，千兆比特以太网的分路设备成本也较低。,9.3.3 ip over wdm系统组成,ip over wdm系统由光纤、激光器、edfa、光耦合器、电再生中继器、转发器、光分插复用器、交叉连接器与交换机等器件和设备组成。 在ip over wdm基本系统中，光纤直接连光耦合器，耦合器把各波长分开或组合，其输入输出都是简单的光纤连接器，把原波长内的数据送给sdh设备或高性能路由器。,ip over wdm最大的优点之一就是可以适应ip数据业务的不对称性，不同波长上的数据速率可以不同。另一特点是光纤环的两侧都能使用，使路由可获得全部带宽，在传送大突发数据时就不需要缓存，也不会有分组丢失，只有当光纤断裂时才会发生分组丢失。,9.3.4 ip over wdm的特点,ip over wdm具有如下特点： （1）充分利用光纤的带宽资源，极大提高了带宽和相对传输速率； （2）对传输码率、数据格式及调制方式透明，可传送不同码率的atm、sdh和千兆以太网格式的业务； （3）不仅可与现有通信网络兼容，还可以支持未来宽带业务网及进行网络升级，具有可推广性和高度生存性等特点；,（4）目前尚未实现波长标准化，一般取193.1thz为参考频率，间隔为100ghz； （5）wdm系统的网络管理应与所传输信号的网管分离，但在光域上加上开销 和光信号的处理技术还不完善，从而导致wdm系统的网络管理尚不成熟； （6）目前，wdm系统的网络拓扑结构只基于点对点方式，还未形成光网。,9.3.5 ip over wdm与ip over sdh的比较,atm网在综合传送各种业务时是最优的，但对ip业务而言，atm不是最优的。与tbit/s路由器相比，atm过于复杂，在吞吐量方面又没有特别改善，那么在大型骨干网中ip over atm、ip over wdm就没有优势