第10章-光交换(交换原理与技术)课件.ppt

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1、教学大纲要求教学大纲要求1.基本要求基本要求（1）了解光波分复用原理和光网络结构。）了解光波分复用原理和光网络结构。（2）掌握光分插复用设备和光交叉连接设备的组成及）掌握光分插复用设备和光交叉连接设备的组成及 工作原理。工作原理。（3）了解光的分组交换与突发交换原理。）了解光的分组交换与突发交换原理。2.重点、难点重点、难点 重点：基于光波分复用和波长选路的光网络及光交叉重点：基于光波分复用和波长选路的光网络及光交叉 连接设备。连接设备。难点：光交换器件。难点：光交换器件。3.说明说明 以讲述光交换的概念和原理为主，适当介绍相关器件。以讲述光交换的概念和原理为主，适当介绍相关器件。第第10章章

2、 光交换光交换12 目目前前广广泛泛应应用用的的光光网网络络是是基基于于波波分分复复用用(WDM)与与波波长长选选路路(WR)的的光光承承载载网网络络(OTN)。OTN中中采采用用的的交交换换技技术术为为光光路路交交换换。光光分分插插复复用用设设备备(OADM)和和光光交交叉叉连连接接设设备备(OXC)是是两两种种光光路路交交换换设设备备。本本章章将将在在讲讲述述WDM和和OTN的的基基本本原原理理之之后后，着着重重讨讨论论OADM和和OXC的的工工作作原原理理与与关关键键技技术术。最最后后介介绍绍光光分组交换和突发交换的概念。分组交换和突发交换的概念。内容：内容：10.1 光波分复用原理光波

3、分复用原理 10.2 基于波分复用和波长选路的光承载网基于波分复用和波长选路的光承载网 10.3 光分插复用设备（光分插复用设备（OADM）10.4 光交叉连接设备（光交叉连接设备（OXC）10.5 光的分组交换与突发交换光的分组交换与突发交换关于光交换关于光交换310.1 光波分复用原理光波分复用原理 光光波波分分复复用用(WDM)是是在在一一条条光光波波信信道道中中用用多多个个载载波波同同时时传传输输光光信信号号的的技技术术，波波分分复复用用传传输输系系统统的的工工作作波波段段，目目前前位位于于1.501.60m的范围内。下图给出了光载波配置示意图的范围内。下图给出了光载波配置示意图。sv

4、12iw业务承载信道业务承载信道监控信道监控信道19N270列列N 261列列SOHLOH载荷域载荷域AUAU指针指针SDHSTM-N载波频率间隔：200/100/50GHz；波长间隔约为：1.6/0.8/0.4nm4光波分复用原理（续）光波分复用原理（续）光光纤纤波波分分复复用用系系统统的的基基本本组组成成如如下下图图所所示示。在在发发送送端端，各各路路电电信信号号经经过过接接口口电电路路调调制制到到工工作作于于不不同同载载波波频频率率的的光光发发射射机机上上，光光复复用用器器（OMUX）组组合合各各发发射射机机输输出出的的光光信信号号，并并耦耦合合到到同同一一光光纤纤上上传传输输。复复合合

5、光光信信号号在在光光纤纤线线路路上上传传输输一一段段距距离离后后，要用光放大器（要用光放大器（OA）对光信号进行中继放大。）对光信号进行中继放大。WDM系统的基本组成系统的基本组成光纤光纤光发射机光发射机光放大器光放大器接口接口l l1光接收机光接收机接口接口l l2l lWl l1l l2l lW光域光域OMUXODMX在在接接收收端端，光光解解复复用用器器（ODMX）分分离离不不同同波波长长的的光光信信号号，分分别别送送给给光光接接收收机机，并并将将光光信信号号转转换换为为电电信信号号，作作进进一一步步的的处处理理后从不同的接口输出。后从不同的接口输出。6 10.2 基于基于WDM和和WR

6、的的OTN 光承载网光承载网(OTN)N1N2N3N4N5N6111111122OTN单波长网络单波长网络单波长网络单波长网络SDHSDHIPIP基于基于WDM的光纤的光纤传输链路传输链路与光与光交换结点交换结点可以构成如下图可以构成如下图所示的所示的光承载网光承载网OTN。交换结点交换结点 核心结点核心结点CN(N2、N3、N4、N5)，中继转发，中继转发 边缘结点边缘结点EN(N1、N6)，中继转发、对外接口，中继转发、对外接口 光纤链路光纤链路 多纤链路、单纤链路、波长链路多纤链路、单纤链路、波长链路（每纤多波长）（每纤多波长）7 基于基于WDM和和WR的的OTN（续）（续）光承载网光承

7、载网(OTN)N1N2N3N4N5N6111111122OTN单波长网络单波长网络单波长网络单波长网络SDHSDHIPIP光波长通道（光路）光波长通道（光路）对外承载业务，由多段波长对外承载业务，由多段波长链路串接而成，如图中的红、紫色细实线及红色链路串接而成，如图中的红、紫色细实线及红色虚线所示虚线所示。若交换结点无波长转换能力，则构成。若交换结点无波长转换能力，则构成光路的各波长链路的波长必须一致（这一约束称光路的各波长链路的波长必须一致（这一约束称为为“波长一致性限制波长一致性限制”）；否则，不受此约束。）；否则，不受此约束。8 10.3 光分插复用设备光分插复用设备(OADM)OADM

8、的的主主要要应应用用场场合合是是环环形形或或线线形形的的WDM光光网络，如下图所示。网络，如下图所示。OADM的的基基本本功功能能是是：在在实实现现光光域域透透明明中中继继转转发发的的同同时时，从从输输入入光光纤纤链链路路中中分分出出一一个个或或多多个个波波长长的的光光 信号到本地，又从本地信号到本地，又从本地 插入插入 同样数目波长的光信号同样数目波长的光信号到输出光纤链路中到输出光纤链路中去，为本地业务提去，为本地业务提供宽带信道。供宽带信道。本节主要介绍本节主要介绍OADM的几种实现的几种实现方法及工作原理。方法及工作原理。smOADMOADMOLT（a a）线形网线形网OLT：光线路终

9、端光线路终端OADMOADMOADMOADMsmms（b）环形网环形网OLT10OADM的实现方法及其工作原理的实现方法及其工作原理(续续)基于光纤基于光纤MZI和和FBG的的OADM 基基于于光光纤纤马马赫赫曾曾德德尔尔干干涉涉仪仪(MZI)和和光光纤纤布布喇喇格格光栅光栅(FBG)构成的全光纤型构成的全光纤型OADM如下图所示。如下图所示。MZI通通常常使使用用两两个个3dB定定向向耦耦合合器器，通通过过光光波波的的干干涉原理来实现不同波长从不同的端口输出。涉原理来实现不同波长从不同的端口输出。FBG是是一一种种反反射射型型光光纤纤光光栅栅，它它只只对对某某一一个个波波长长为为中中心心的的

10、很很窄窄波波长长范范围围的的光光波波发发生生反反射射，而而不不影影响响其其它它波波长的光波通过。长的光波通过。FBG at sss1 2 N 输入输入输出输出3dB耦合器耦合器1231 2 N 43dB耦合器耦合器11OADM的实现方法及其工作原理的实现方法及其工作原理(续续)基于光纤光栅和光纤环行器的基于光纤光栅和光纤环行器的OADM 基基于于光光纤纤光光栅栅和和光光纤纤环环行行器器的的OADM结结构构如如下下图图所所示示。环环行行器器是是一一种种有有多多个个端端口口的的定定向向耦耦合合器器，如如在在三三端端口口环环行行器器中中，端端口口1输输入入的的光光信信号号只只在在端端口口2输输出出，

11、端端口口2输输入入的的光光信信号号只只由由端端口口3输输出出，端端口口3输输入入的的光光信信号号只只由由端端口口1输输出出。在在两两个个环环行行器器之之间间插插入入多多个个不不同同参参数数的的 FBG，用以反射多个波长的光信号，在两个环行，用以反射多个波长的光信号，在两个环行环行器环行器环行器环行器123123多波长输入多波长输入多波长输出多波长输出DropAddODMXOMUXFBG器器的的端端口口3分分别别接接上上波波分分复复用用器器/解解复复用用器器，就就可可以以分分下下和和插插入相应波长的光信号。入相应波长的光信号。1310.4 光交叉连接设备光交叉连接设备(OXC)光光交交叉叉连连接

12、接设设备备(OXC)是是光光网网络络的的重重要要部部件件，主主要要用用于于边边缘缘结点和核心结点的光交换机中。结点和核心结点的光交换机中。光光交交叉叉连连接接通通常常分分为为三三类类，即即光光纤纤交交叉叉连连接接(FXC)、波波长长选选择交叉连接择交叉连接(WSXC)、波长变换交叉连接、波长变换交叉连接(WIXC)。空分光交换空分光交换 空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间发生改变。空分光交换的功能是使光信号的传输通路在空间发生改变。实实现现空空分分光光交交换换的的关关键键器器件件是是光光开开关关。光光开开关关有有机机械械型型、电电光光型型、磁磁光光型型和和声声光光型型等等多种类型。多种

13、类型。基基本本的的光光开开关关有有11的的通通断断型型和和12的的传传导导型型两两种种。基基本本的的空空分分光光交交换换单单元元是是12和和22光开关。光开关。11123VSOA11V123(a)1 1(b)1 21231 11 1(c)121 21423(d)2215 OXC不不仅仅要要实实现现输输入入光光纤纤链链路路与与输输出出光光纤纤链链路路之之间间的的(空空分分)交交叉叉连连接接，而而且且要要实实现现输输入入波波长长链链路路与与输输出出波波长长链链路路之之间间的的(波波分分)交交叉叉连连接接。波波分分交交叉叉连连接接又又分分为为波波长长选选择择交交叉叉连连接接(WSXC)和和波波长变换

14、交叉连接长变换交叉连接(WIXC)。光交叉连接设备光交叉连接设备(OXC)（续）（续）WSXC原理框图原理框图 WIXC原理框图原理框图 波分光交换波分光交换空分交换空分交换12W1,2,W1,2,W1,2,W输入输入输出输出1122NNAddDrop本地本地业务业务DMXMUX输入输入输出输出空分交换空分交换DMXMUXNWNW1122NN111111WWWWWW波长变换器波长变换器AddDrop本地本地业务业务1,2,W1,2,W1,2,W1,2,W1,2,W1,2,W1,2,W1,2,W1,2,W16 WSXC中中每每个个空空分分交交换换器器提提供供的的点点对对点点连连接接数数为为NN，

15、整整个个WSXC提提供供的的点点对对点点连连接接数数为为N2W。WIXC的的NWNW空空分分交交换换器器实实现现所所有有NW路路光光信信号号的的交交叉叉连连接接，可可能能提提供供的的点点对对点点连连接接数数达达到到N2W2，从从而而改改善善了了阻阻塞塞性性能。能。光交叉连接设备光交叉连接设备(OXC)（续）（续）WSXC与与WIXC的比较的比较 波波长长变变换换器器的的功功能能是是将将信信息息从从承承载载它它的的一一个个波波长长转转移移到到另另一一个个波波长长上上。在在OXC中中采采用用波波长长变变换换器器可可以以增增加加光光网网络络波波长长选选路路的的灵灵活活性性，即即不不受受“波波长长一一

16、致致性性限限制制”。实现波长变换的方法有两种：光实现波长变换的方法有两种：光/电电/光法和全光法。光法和全光法。波长变换器波长变换器18讨论（讨论（2）从从硬硬件件方方面面看看，两两者者是是基基本本相相同同的的，都都由由三三大大部部分分组组成成。按按照照连连接接变变动动的的时时间间尺尺度度，信信道道资资源源的的分分配配分分为为“永永久久”、“半半永永久久”和和“即即时时”三三种种方方式式。一一般般说说来来，交交叉叉连连接接设设备备只只实实现现信信道道的的永永久久、半半永永久久分分配配。而而交交换换机机则则要要求求实实现现所所有有三三种种信信道道分分配配方方式式，其其中中“即即时时”分分配配方方

17、式式要要求求交交换换机机具具有有信信令令处处理理功功能能。因因此此，光光交交叉叉连连接接设设备备与与光光交交换换机机的的主主要要区区别别是是看看它它是是否否能能实实现现控控制制面面协协议议。能能自自动动实实现现控控制制面面协协议议的的光光交交换换机机称称为为自自动动光光交交换换机机。相相应应的的，由由自自动动光光交交换换机机构构成成的的光光网网络络称称为为自自动动交换光网络交换光网络(ASON)。光交叉连接设备与光交换机的联系和区别光交叉连接设备与光交换机的联系和区别 1910.5 光的分组交换与突发交换光的分组交换与突发交换 光分组交换光分组交换 由由于于光光路路交交换换在在信信道道容容量量

18、的的分分配配方方面面缺缺乏乏灵灵活活性性，从从发发展展的的角角度度看看，未未来来互互联联网网的的骨骨干干网网应应该该采采用用光光的的分分组组交交换换。光光分分组组完完全全在在光光域域中中进进行行存存储储转转发发处处理理，彻彻底底消消除除了了电电子子瓶瓶颈颈，因因此此光光分分组交换被认为是未来宽带组交换被认为是未来宽带IP骨干网的主要支撑技术之一。骨干网的主要支撑技术之一。与与电电分分组组交交换换相相似似，光光分分组组交交换换也也是是一一种种存存储储转转发发式式的的交交换换，不不过过存存储储转转发发的的基基本本数数据据单单元元是是光光分分组组(Optical Packet)。光光分分组组由分组首

19、部、载荷域和保护时间三部分组成。由分组首部、载荷域和保护时间三部分组成。在在光光分分组组交交换换结结点点中中必必须须设设有有光光分分组组的的缓缓冲冲存存储储器器，用用以以解解决决两两个个或或两两个个以以上上的的分分组组同同时时或或接接近近同同时时到到达达同同一一输输出出端端口口而而引引起的起的“输出冲突输出冲突”问题。问题。光光分分组组交交换换目目前前还还有有许许多多技技术术难难题题有有待待解解决决，其其中中最最突突出出的的问题是光分组的随机存储器件和光逻辑处理器件。问题是光分组的随机存储器件和光逻辑处理器件。20光的分组交换与突发交换光的分组交换与突发交换(续续)光突发交换光突发交换 鉴鉴于

20、于光光路路交交换换和和光光分分组组交交换换当当前前所所存存在在的的问问题题，1999年年乔乔春春明明博博士士等等提提出出了了光光突突发发交交换换的的思思想想。光光突突发发交交换换(OBS)是是一一种种介介于于光光路路交交换换和和光光分分组组交交换换之之间间的的交交换换方方式式。采采用用光光突突发发交交换换的的光光网网络络称称为为光光突突发发交交换换网网络络(OBSN)，主主要要用用作作光光互互联联网网的的骨骨干干网网络络。OBSN由由边缘结点边缘结点(EN)和和核心结点核心结点(CN)通过通过WDM光纤链路连接而光纤链路连接而成成，如如右右图图所所示示。EN的的主主要要功功能能是是实实现现业业

21、务务的的汇汇聚聚/解解汇汇聚聚，CN的的主主要要任任务务是是实实现现数数据据以以突突发发为为单单位位的的转转发发。结结点点之之间间包包含含多多个个波波长长信信道道，用用于于传传输输控控制制信信息息的的称称为为控控制制波波长长；用用于于传传输输业业务务信信息息的称为数据波长。的称为数据波长。控制控制OXCCNCNCNCNDB组装组装ENENENENENENENENENoffsetoffset控制波长控制波长数据波长数据波长DB拆分拆分BCPDBDB21光的分组交换与突发交换光的分组交换与突发交换(续续)光突发交换光突发交换-BCP与与DB转发过程转发过程 入入口口EN首首先先对对输输入入的的IP

22、分分组组进进行行分分类类汇汇聚聚，即即将将多多个个IP分分组组汇汇聚聚并并组组装装成成数数据据突突发发(DB)。然然后后，EN生生成成与与该该DB对对应应的的突突发发控制分组控制分组(BCP)，通过控制波长信道传输给与之相邻的，通过控制波长信道传输给与之相邻的CN。CN接接收收BCP，对对其其在在电电域域进进行行处处理理。BCP中中包包含含与与之之对对应应的的DB的的相相关关信信息息(出出发发时时刻刻、长长度度、优优先先级级、路路由由信信息息等等)。CN根根据据这这些些信信息息为为随随后后到到达达的的DB预预留留资资源源，并并将将BCP向向下下一一跳跳转转发发，直直至至BCP到到达达出出口口E

23、N。这这样样，通通过过BCP在在入入口口EN到到出出口口EN之之间间的的转转移移，就就为为相相应应的的DB“预预留留”了了一一条条临临时时的的虚虚拟拟光光路路。这这一一光光路路的的保保持持时时间间就就是是该该DB的的长长度度。入入口口EN在在发发出出BCP后后，经经过过一一段段偏偏移时间移时间(Offset)，就将相应的，就将相应的DB发送到预定的数据波长信道。发送到预定的数据波长信道。DB无无需需经经过过任任何何的的光光电电转转换换和和存存储储，直直接接在在光光域域穿穿越越CN，到到达达出出口口EN。出出口口EN将将DB解解汇汇聚聚，拆拆分分为为原原来来的的IP分分组组，再再送送给外围的给外

24、围的IP子网。子网。22光的分组交换与突发交换光的分组交换与突发交换(续续)资源预留问题资源预留问题 资资源源预预留留有有“单单向向预预留留”和和“双双向向预预留留”。在在OBSN中中一一般般采采用用单单向向预预留留协协议议，而而不不采采用用双双向向预预留留协协议议，其其根根本本原原因因是是偏偏移移时时间间的的限限制制。采采用用单单向向预预留留协协议议，偏偏移移时时间间只只要要大大于于沿沿途途各各核核心心结点处理结点处理BCP的时间之和即可，一般为几十微秒。的时间之和即可，一般为几十微秒。光光突突发发交交换换与与光光路路交交换换相相比比，在在传传送送突突发发性性业业务务的的条条件件下下，OBS显显著著提提高高了了信信道道带带宽宽的的利利用用率率；与与光光分分组组交交换换相相比比，OBS在在电电域域实实现现复复杂杂的的交交换换控控制制功功能能，在在光光域域实实现现数数据据突突发发的的传传送送。因因此此OBS很很可可能能成成为为近近中中期期光光互联网的核心技术。互联网的核心技术。OBS采采用用单单向向预预留留协协议议必必然然存存在在由由资资源源冲冲突突引引起起的的数数据据突突发发丢丢失失问问题题。当当前前，正正在在研研究究从从多多方方面面解解决决数数据据突突发发丢丢失失问问题题，以以达达到到实实用用要求。要求。光突发交换的优点光突发交换的优点OBS存在的问题存在的问题