第三代Internet——光因特网
深圳市电信局 姚宝富 高红潮
— 介绍了光因特网产生的两大技术基础——WDM技术和高速路由交换机技术，简述了光因特网的协议规范，并对光因特网可能的应用方案进行了分析。
1 光因特网的产业
——随着Internet在世界范围内的增长，以IP业务为主的数据业务是当今世界信息业发展的主要推动力。据有关专家预测，每6～9个月，主要ISP的Internet骨干链路的带宽需求就增长一倍，2005年后，纯语音和数据流量之比将变成1∶99。因而能否有效地支持IP业务已成为某项新技术能否有长远技术寿命的标志。为了适应这种发展趋势，ITU-T、Internet工程任务组（IETF）、光因特网论坛（OIF）以及ATM论坛等国际组织正在联合众多的网络设备开发商、制造商以及网络业务供应商们，共同寻找一种建设、改造Internet骨干网的方案。
——随着波分复用（包括密集波分复用）设备、吉位（1000Mb／s）和太位（1000Gb／s路由交换机的相继问世，光因特网（即第三代Internet网）的概念应运而生。
——光因特网采用IP Over WDM技术，是由高性能WDM设备，吉位（或太位）路由交换机组成的数据通信网络。交换机和路由器之间可通过光纤直接相连，或连至光网络层。光网络层（即服务层）可以为包括SDH网元、网络互联设备等在内的客户层设备提供波长路由。采用IP 0ver WDM技术，可减少网络各层之间的中间冗余部分，减少SDH、ATM、IP等各层之间的功能重叠，减少设备操作、维护和管理费用。同时由于省去了中间的ATM层和SDH层，其传输效率最高，而且可以大大节省网络运营商的成本，从而间接降低用户获得多媒体通信业务的费用。显然，这是一种简单、经济的IP网络体系结构，非常适用于超大型IP骨干网。
2 WDM技术的发展
——单模光纤中的低损耗区大约有400nm（1200～16O0nm），这样产生的带宽约为30THz。目前的单模光纤通信系统的带宽利用率约为1％。为了使新铺设的单模光纤通信系统性能价格比更高，也为了更加经济有效地利用现有网络，满足不断增长的电信和Internet服务的需求，需要经济有效地提高系统容量。
——传统的增加容量的方法是用新的更高速的时分复用（TDM）系统取代原来的TDM系统。基于TDM的高速系统虽然可进一步提高到40Gb／s，然而由于其性能价格比低，需大规模地替换整个系统（包括中继器），不易升级以及在技术上的一些问题，在实用中是否能成功还是个未知因素。目前，能充分利用单模光纤容量的方法是采用波分复用（WDM）技术。
——波分复用是在一根光纤中能同时传输多个波长的光信号的一种技术，其基本原理是：在发送端将不同波长的光信号组合（复用），在接收端又将组合的光信号分开（解复用）并送入不同的终端。WDM技术对网络的扩容升级、发展宽带新业务、充分挖掘和利用光纤带宽能力、实现超高速通信等具有十分重要的意义。
——WDM技术的优点是：①随着传输速率的不断提高，许多光电器件的响应速率已不足，使用WDM技术可降低对一些器件性能上的过高要求；②充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量可以迅速扩大几倍甚至上百倍，节约大量光纤和再生器，降低成本；③与信号速率及电调制方式无关，即各波分复用信道对信息比特和数据格式是透明的，对已经建成的光纤通信系统扩容方便；④可实现单根光纤全双工通信；⑤利用WDM实现网络交换和复用可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。（关于光波分复用的技术内容可参见本刊1999年5期开始的《光波分复用技术讲座》）。
——鉴于应用上的巨大好处以及近几年来技术上的重大突破和市场驱动，WDM系统发展得十分迅速。目前全球实际敷设的WDM系统已超过2000个，其中Nortel的实用化系统最大容量达160Gb／s（16×10Gb／s）。美国朗讯公司将在今年内推出400Gb／s的实用系统。目前实验室的最高水平已达2．6Tb／s（132×20Gb／s）。
3 光因特网的路由器技术
——在因特网的发展中，传统路由器已成为主干网发展中的瓶颈。近年来，由于采用了缓存、硬件（芯片）快速处理、标记交换、以信元交换结构作为路由器内部体系架构的路由交换等技术，路由器技术发展极快。新型吉位（或太位）路由器（线速路由交换机）正成为未来光因特网的核心。
——路由交换机（Routing Switch），也称为第三层交换机，它综合了交换机的速度和路由器的效率，取代了速度较慢、价格较昂贵的传统路由器。为进一步满足Internet业务量增长的需要，1997年下半年后，一些公司又研制成功了线速路由交换机。线速路由交换机由I／O线路卡、交换机构和路由处理机组成。每个端口接一块I／O线路卡，由专用硬件构成，负责数据包的进、出排队和路由识别；交换机构负责数据包的转发；路由处理机负责路由计算、服务质量（QoS）等。该技术的出现使交换机和路由器之间的差别逐步淡化，交换设备具有了集L2／L3／L4（OSI标准模型的第2、3、4层）交换于一体的功能，所以人们也称这种线速路由交换机为L2／L3／L4一体化交换机。
——Cisco GSR-12000路由器，其吞吐量达6OGb／s，转发速度达2750kms（260byte／packet）； Packet Engines公司生产的PowerRail 5200吉位线速路由器中继的包转发速度达37000kpps，该种路由器能提供CoS（业务分级）和基本保证服务质量。
——为了达到太位的速度，一般公司采用并行或大规模并行计算技术。Avici公司的TSR特位路由器由20块交换路由器卡组成，每块卡采用专用硬件构成，其交换机构的交换速度为7OGb／s，总体交换速度为1．4Tb／s。Pluris INC公司的TNS特位路由器，采用大规模并行技术，共16×1024个处理机节点，每个处理机节点支持STM-1的端口，采用通用器件构成，总交换速度为5Tb／s。它可以支持1000个2．5Gb／s的STM-16（622Mb／s）端口。Neo公司的Stream Processor 24O0，采用1000个RISC（精简指令集计算机）处理机大规模并行构成，其交换速度为512Gb／s，包转发速度可以达到400Mpps。
——以上这些吉位、太位路由器的出现，及其价格的大幅度下降，使得它足以与ATM技术相抗衡。目前，新型路由器系列在转发每个包时的时延也已降至0．4～3ms以下，进入或离开所有设备的时延限制在50～75ms范围以内，所以路由器转发时延已不再成为问题。
4 光因特网的协议规范
——光因特网的分层模型如图1所示。它包括数据网络层、光网络层以及层间适配和管理功能。数据网络层提供数据的处理和传送；光网络层负责提供通道；层间适配和管理功能用于适配数据网络和光网络，使数据网络和光网络相互独立。数据网络层的组成设备主要是ATM交换机、路由器等，光网络层的组成设备主要是WDM终端、光放大器以及光纤等。在光因特网中，高性能的数据互连设备（如交换机和路由器等）既可以直接连接在光纤上，也可以连接在向各类客户（如ATM交换机、路由器或SDH网元设备等）提供光波长路由的光网络层上。
——光因特网的协议模型如图2所示，包括客户层（IP层）协议、IP适配协议、光通路协议以及WDM光复用段协议和WDM光传输段协议等。客户层协议包括IPv4、IPv6等；IP适配层协议用于IP多协议封装、分组定界、差错检测以及服务质量控制等功能；光通路协议包括数字客户适配和带宽管理（比特率和数字格式透明）、连接性证实等功能；光复用段功能包括带宽复用、线路故障分段和保护切换以及其他传送网维护功能；光传输段功能包括高速传输（色散补偿）、光放大器故障分段等功能。
——为了加快光因特网的实用化进程，1998年4月，Cicso、Ciena、Lucent、AT＆T、NTT、3Com、Bellcore、HP、Sprint、WorldCom等网络通信设备制造公司和运营公司成立了光因特网论坛。考虑对IP over SDH、IP over ATM以及传统IP网的兼容性和延续性，光因特网论坛确定了用于描述光因特网的多协议参考模型，即光因特网重叠模型，如图3所示。
5 光因特网的应用方案
——波分复用技术是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插复用功能和交叉连接功能，IP就能直接在光网络上跑。根据这一基本思想，光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）均已在实验室研制成功，其中OADM已进入商用阶段。
——考虑到对IP 0ver SDH网络、IP over ATM网络以及传统IP数据网络的兼容性，OIF确定了一种可能的光因特网应用方案，如图4所示。
——在核心网中（光因特网），几个吉位（太位）骨干网路由器之间通过0ADM系统或WDM终端复用器互联。OADM允许不同光网络的不同波长的信号可以在不同的地点分叉复用。当然，OXC可以取代OADM的作用，在更大规模的网络中应用。在次核心网中（SDH环网），几个吉位或（太位）骨干网路由器之间通过ADM（也可能用到ATM交换机）互联。核心网和次核心网可通过高速、单信道的专线相连。
——随着IP业务的不断增长和光因特网系统设备（主要是WDM终端复用器、光分插复用器和光交叉连接设备等）性能价格比的进一步提高，光因特网的主干网将可能完全放弃SDH网络，成为全光通信网。目前，正在建设的加拿大CANET3网是世界上第一个直接在DWDM光缆网上建设的宽带IP网。该网以IP业务为主进行优化设计，不用SDH和ATM设备，其同等带宽的造价仅仅是传统电信网的1／8。国内由中科院牵头，联合广播电视总局、铁道部、上海市组建的运营公司，利用基于IP协议的高速路由器和DWDM技术，首先在全国15个城市进行了“高速因特网示范工程”的建设和运营。
6 结束语
——目前，以IP over WDM为核心的光因特网技术正由ITU-T SG15和光因特网论坛进行标准化工作。无论是接口标准还是适配标准都尚未成熟，一些技术细节也尚未有明确规定，许多技术还处于发展和研究阶段。但从数据通信业务的发展以及光通信技术发展的趋势看，以IP over WDM技术为核心的第三代Internet——光因特网，必将成为技术发展的主流。可以相信，第三代Internet必将是多种IP技术的混合体，是一个多协议光因特网，并在不久的将来，逐步过渡到全光因特网络。