DWDM 与宽带IP技术

近几年来， IP网络通信业务量的爆炸式增长已成为世界注目的焦点和推动全球信息业发展的主要力量。世界各国都把宽带IP 网络作为21世纪国家基础设施建设的重点，并使它加速发展，以争取在未来激烈的竞争中占据优势。

　　宽带IP网络必须建立在现有的网络技术基础上，建立在当前最先进的网络传输技术基础上。目前典型的相关传输技术有IP over ATM、IP over SDH、IP over DWDM等。IP over ATM利用ATM的速度快、容量大、多业务支持能力强的优点，以及IP简单、灵活、易扩充和统一性的特点，可以达到优势互补的目的。但当IP业务繁忙时或出现大量不均衡、突发性业务时，会发生ATM降载。另外，IP over ATM还具有网络体系结构比较复杂、传输效率低、开销损失大等缺点，这就使人们把眼光转向了IP over SDH。IP over SDH是将IP分组通过PPP协议直接映射到SDH帧，可简化了网络体系结构，提高了传输效率，降低成本，方便地实现网间互连。但目前尚不适于多业务平台，不能完全保证业务的服务质量以及拥塞控制能力较弱等缺点，这使人们努力寻找一种新的网络体系结构，最终替代上述两种IP传送技术。随着波分复用设备、吉比特、太比特路由交换机的相继问世，IP over DWDM技术应运而生。

　　IP over DWDM也叫光因特网或IP优化光互连网，是指直接在光网上运行的因特网。它是由高性能DWDM设备、吉比特、太比特路由交换机组成的数据通信网络，综合利用了IP技术和基于DWDM的光网络技术。IP over DWDM由于省掉了中间的ATM层和SDH层，简化了层次，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；传输效率最高，额外的开销最低，并且简化了网管，可以与IP的不对称业务量特性相匹配，充分利用带宽，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。它能够极大地拓展现有的网络带宽，最大限度地提高线路利用率，并且在外围网络以千兆以太网成为主流的情况下，这种技术能真正地实现无缝隙连接。所以，从长远发展来看，IP over DWDM更具有竞争实力，可能成为未来宽带IP网络通信的首选解决方案。显然，这是一种最直接、最简单、最经济的IP网络体系结构，非常适用于超大型IP骨干网。

　　2. IP over DWDM的基本组成和特点

　　2.1 IP over DWDM的基本组成

　　IP over DWDM的组成器件包括：光纤、激光器、掺饵光纤放大器（EDFA）、光耦合器、电再生中继器、光转发器、光分插复用器、光交叉连接器与光交换机。非零色散位移光纤（G.655光纤）因其色散的非线性效应小，最适合于DWDM系统。高性能激光器是DWDM系统中最贵的器件。光放大器主要采用 EDFA，它能同时放大DWDM所有波长，但对平坦增益的要求较高。光耦合器是用来把各波长组合在一起和分解开来的，起到复用和解复用的作用。在长途 DWDM系统有电再生中继器，再生分三类：R1、R2和R3。R1再生是数据透明的，并对脉冲重新成形；R2再生对脉冲重新成形，对时钟重新定位；R3再生对数据分组重新形成格式。光转发器用来变换来自路由器或其它设备的光信号，并产生要插入光耦合器的正确波长光信号。光分插复用器、光交叉连接设备在长途DWDM系统中被广泛使用。光交换机可以使ADM和交叉连接设备作动态配置。

　　IP over DWDM的基本工作原理是光纤直接连着光耦合器，耦合器把各波长分开或组合，其输入和输出端都是简单的光纤连接器。在发送端，将不同波长的光信号组合（复用）送入一根光纤中传输，在接收端，又将组合光信号分开（解复用）并送入不同终端。因此IP over DWDM是一个真正的链路层数据网，可以通过指定波长作旁路或直通连接，网络的业务工程可以只在IP层完成。由于使用了指定的波长，在结构上更灵活，并具有向光交换和全光选路结构转移的可能。

　　2.2 IP over DWDM的主要特点

　　从以上原理分析可以看出，IP over DWDM具有以下特点：

　　 ⑴优点

　　①充分利用光纤的带宽资源，极大地提高了带宽和相对的传输速率。

　　②对传输码率、数据格式及调制方式透明。可以传送不同码率的ATM、SDH和千兆以太网格式的业务。

　　③不仅可以与现有通信网络兼容，还可以支持未来的宽带业务网及网络升级，并具有可推广性、高度生存性等特点。

　　⑵缺点

　　①目前，对于波长标准化还没有实现。一般取193。1THz为参考频率，频率间隔取100GHz。

　　②DWDM系统的网络管理应与其传输的信号的网管分离。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DWDM系统的网络管理还不成熟。

　　③目前，DWDM系统的网络拓扑结构只是基于点对点的方式，还没有形成光网。

　　3． IP over DWDM的协议规范和帧结构

　　3.1 IP over DWDM的协议规范 IP over DWDM的分层模型如图1所示。它包括数据网络层、光网络层以及适配和管理功能。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网络层交换机、路由器等，光网络层的组成设备主要是 DWDM终端、光放大器以及光纤等。在IP over DWDM光因特网中，高性能的数据互连设备（如交换机和路由器等）即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。

　　IP over DWDM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DWDM光复用段和DWDM光传输段等。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QoS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。

　　3.2 IP over DWDM的帧结构

　　在光纤上直接传输IP数据包需要选择一种帧格式，即选择一种分帧方法。目前可用的IP over DWDM帧结构有两种形式：SDH帧格式和千兆以太网帧格式,即IP/SDH/DWDM和IP/GBE/DWDM。

　　⑴ 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分组必须放在SDH帧内。此种格式下报头载有信令和足够的网络管理信息，以便于网络管理；在不同的层次上安排了误码监视，实现网络服务高可靠性和高可用性；安排保护倒换字节，增强自愈能力。但由于SDH在初始设计时主要针对语音业务，因此它对于目前以IP业务为主的突发数据的提取存在许多问题；其次IP分组不定长，将其映射进固定帧长的SDH帧中，在路由器接口上SDH帧的分段装拆（SAR）处理是非常耗时的，降低了吞吐量和性能。

　　⑵ 千兆比以太网帧格式

　　目前，在局域网中主要采用千兆比以太网帧结构，适合承载突发的IP数据；千兆比以太网的帧长是变化的，可以比较灵活地承载IP业务；IP网中以太网入网的比例很大，如采用以太网的帧结构，路由器接口无需任何映射、分段组装和比特插入操作，利用局域网的桥接功能就可以实现低成本传输，传输效率也会大大提高；10Gbit/s以太网技术的出现和发展，将使以太网技术从边缘网向核心网渗透，因此千兆比以太网帧格式具有很大的发展潜力。但是由于以太网帧是个异步的协议，对抖动和定时敏感；目前千兆比以太网采用10B/8B编码，封装效率低；以太网帧格式中不含有管理信息，造成对DWDM系统的性能监测困难；传送距离也不如SDH帧格式方式。

　　4 IP over DWDM的应用方案

　　目前，国际上对IP over DWDM技术的研究十分活跃，主要体现在建立实验网络与研究标准化等方面。与此同时，国外已有多家营运公司宣布建设自己的IP over DWDM网络。

　　1998年8月，美国Sprint宣布建设第一条OC -48的“IP over DWDM”线路，其方式是采用Cisco12000GSR的2.5Gbit/s接口直接接入Ciena的长途DWDM系统，该系统与Sprint实现的基于ATM综合点播网（ION）属并行的、可相互补充的网络建设方案。

　　1998年8月，加拿大宣布建设第三代全国性光因特网（CAnet 3）计划，总投资达1.2亿美元，它取消了ATM与SONET层，将IP直接在光网上运行，可以大大提高传输效率，降低网络建设和运营成本。CAnet 3计划是采用32波长的40Gbit/sDWDM，在全国范围内有13个千兆比骨干汇接点，各接入网络分别以155，622Mbit/s和 2.5Gbit/s的速率通过就近的汇接点接入骨干网，骨干网之间直接通过DWDM传送IP业务。CAnet 3的主要目的是支持加拿大研究机构和大学，对下一代因特网技术和未来宽带网络应用进行研究。因此，CAnet 3被视为加拿大下一世纪发展“数字经济”的重要基础。

　　1999年2月，GTS组建欧洲第一个IP over DWDM网络平台，首先在欧洲的六个国家展开，将对其50个商业中心提供IP服务，并使这些城市与纽约相连。在以后的三年内，在欧洲12个城市之间开展本地交换传送(CLECs)，从而提供通过光纤的桌面到桌面的IP服务。

　　1999年3月，日本KDD公司利用美国和日本之间的跨太平洋海底光缆进行了IP over DWDM的试验。我国在拟实现的几个试验网络中也将采用IP over DWDM技术，目前一些高校与研究机构正在积极开展研究。中国网络通信有限公司计划实施中国高速互联网络示范工程，将采用IP over DWDM技术，构建新一代高速宽带网络，迈出了中国宽带IP网络建设的第一步，其主要业务旨在提供宽带批发业务、宽带接入业务、IP电话业务及各种IP业务。

　　另外，1998年4月，Cisco、Ciena、 Lucent、NTT、AT＆T、3Com、Bellcore、HP、Qwest、Sprint、WorldCom等网络通信设备公司和运营公司成立了光互连网论坛OIF，并正和ITU—T、IETF、ATM论坛等标准化组织合作制定光互连网的技术规范，其中OIF的工作重点是解决光互连网方面的问题，它并不涉及数据网和光网络内部的问题，主要解决其间的互连与互操作。目前OIF已确定了用于描述光互连网的多协议参考模型，即光互连网重叠模型，如图3所示。此外ITU—T也在对IP over DWDM进行各种标准化研究。

　　图4是未来的IP over DWDM网络应用方案。在核心网中，几个千兆比特骨干网路由器之间通过OADM系统和OWDM终端复用器互连。OADM允许不同光网络的不同波长的信号在不同的地点分插复用。当然，OXC（光交叉连接）可以取代OADM的作用，在更大规模的网络中应用。

　　随着将来越来越多的实时业务（例如话音业务）在IP网络中传输，QoS和在失败的情况下的快速恢复，将成为未来IP网络的中心问题。另外，光网络中复用设备和交叉连接设备的发展和应用，在光层，小于1s的时间内恢复将成为可能，这将允许IP路由器集中处理服务质量和多业务综合问题。

　　5 结束语

　　IP技术和DWDM技术结合，IP数据流直接进入颗粒度很粗的光通道，可充分综合DWDM技术大容量和IP技术统计复用的优势，真正达到IP优化的目的。目前，以IP over DWDM为核心的光互连网技术正由ITU-T TG15和光互连网络论坛进行标准化。无论是接入标准还是适配标准都未成熟，一些技术细节尚未明确规定，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来看，以IP over DWDM技术为核心的第三代Internet必将成为技术发展的主流。因此，IP over DWDM适用于未来的城域网、高容量普通IP业务和未来大型IP骨干网的核心汇接。

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