电子科技大学毕业设计－IP OVER WDM(完整版)[下载]
前 言
近年来，传统话音业务的年增长率只有5%-10%，而以Internet为代表的数据业务的年增工率达到20%-30%。数据通信业务量持续高速增长最直接的动力来自Internet业务量的持续指数级增长。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，加速发展，以争取在未来激烈的竞争中占据优势。
近年来，宽带IP网络技术发展迅速。当前，ATM和SDH都能支持IP，分别称之为基于ATM的IP网（IP over ATM）和基于SDH的IP网（IP over SDH），两者各有特点。随着波分复用设备、吉比特和太比特路由交换机相继问世，IP over WDM技术应运而生。
本论文介绍IP over WDM的基本原理和特点、IP over WDM的分层模型和协议模型以及IP over WDM的应用和发展。
PREFACE
In recent years, the rate of increase per years about the traditional voice business is just from 5 to 10 percent. But the rate of increase per years on Internet data business is from 20 percent to 30 percent. The most direct power of the data business continued developing is the business about Internet made great progress in exponent. The explosive increase of IP Net Communication has been focused by all over the world, which is the main power of promoting the increase of IT. Every country think WIDE BAND IP Net work as emphasis about state base construction in 21 century. To keep the superiority on intense competition in the future.
Recently, the WIDE BAND IP NET technology has made progress rapidly. Nowadays, both SDH and ATM can support IP. They are looked as IP OVER ATM or IP OVER SDH. Of course both has theirselves feature. Because WDM ,GBIT and TBIT router has appeared, IP OVER WDM technology arised.
The thesis main introduced the base principle and characterized of IP OVER WDM. The protocol, apply and increase about IP OVER WDM.
目 录
第一章 绪论
1.1 光通信和电通信
1.2 光纤通信的优点
1.3 IP传输技术现状
第二章 基本技术
2.1 IP的承载技术
2.2 面向IP的WDM光网络
2.3 IP over WDM的特点
2.4 IP over WDM协议规范
2.5 IP OVER WDM技术中的关键问题
2.5.1 IP OVER WDM的网络设计
2.5.2 IP数据层与WDM光网络层的帧适配
2.5.2.1.帧格式的选择
2.5.2.2.形成光通路开销的数字包封技术
2.5.3 光层路由和IP层路由的协议协调
2.5.4 光网络层的支持
2.5.5 IP OVER WDM 网络的服务质量
2.5.6 IP OVER WDM 网络安全
2.5.7 IP OVER WDM中的光纤色散效应和损耗效应
2.6 IP OVER WDM的设备介绍
2.6.1 光源
2.6.2 光波分复用器/解复用器技术
2.6.3 光转发器(OTU)
2.6.4 光纤
2.6.5 光放大器
2.7 IP OVER WDM的网络控制与管理
2.7.1 IP OVER WDM网络控制
2.7.2 故障管理
2.7.3 光组播技术
2.8 IP OVER WDM工程设计
2.8.1、设备选型
2.8.2、网络结构与传输累统组织
2.8.3、站段配置
2.8.4、网管、公务与传输指标
2.8.5、小结
2.9 IP OVER WDM算法设计
2.9.1 IP网络路由技术
2.9.1.1.基本地址格式
2.9.1.2.保留地址的分配
2.9.2 IP OVER WDM 路由计算
2.9.2.1 分离路由方式
2.9.2.2 整合路由方式
第三章 实用技术
3.1 IP over ATM，IP over SDH , IP over WDM 的比较：
3.2 IP OVER WDM的国际发展动态
第四章 结束语
第五章 参考文献
第六章 本文关键字
基于WDM的IP传输技术
第一章 绪论
1.1 光通信和电通信
任何通信系统追求的最终技术目标都是要可靠地实现最大可能的信息传输容量和传输距离。通信系统的传输容量取决于对载波调制的频带宽度，载波频率越高，频带宽度越宽。通信技术的发展历史实际上是一个不断提高载波频率和增加传输容量的历史。
电缆通信和微波通信的载波是电波，光纤通信的载波是光波。虽然严格的说光波和电波都属于电磁波，但它们的频率差异很大。光纤通信用的是近红外光(波长约1um)的频率(约300THz)比微波的频率(3-300GHz)高3个数量级以上。而光纤通信用的近红外光的频带宽度约为200THz以上，在常用的1330nm和1550nm两个波长窗口频带宽度也在20THz以上。由于光源和光纤特性的限制，目前，光强度调制的带宽一般只有20GHz，因此可以说还有3个数量级以上的带宽潜力可以挖掘。
1.2 光纤通信的优点
在光纤通信系统中，作为载波的光波频率比电波频率高的多，而且作为传输介质的光纤
又比同轴电缆或波导管的损耗低的多，因此相对于电缆通信，光纤通信具有如下优势：
(1)容许频带很宽，传输容量很大
(2)损耗小，中继距离很长且误码率和小
(3)抗电磁干扰性能好
(4)泄漏小，保密性能好
(5)节约有色金属，有利于合理利用资源
(6)重量轻，体积小
总之，光纤通信不仅在技术上具有很大的优越性，而且在经济上具有巨大的竞争力，因此其在信息社会中将发挥越来越重要的作用。
1.3 IP传输技术现状
近年来,Internet的迅猛发展，促使IP 技术获得以往通信和信息技术从未有过的高速发展。近几年来，IP技术无论从网络结构上，传输能力上还是业务开拓上都取得巨大的进展。
TCP/IP是70年代作为网间互联协议提出来的，在将近二十年的时间内，除了在美国局域网互联中起到作用外，一直没引起外部世界的重视。ITU-T 在很长一个时期内没有接纳这个标准。近年来，传统话音业务的年增长率只有5%-10%，90年代初Web的出现从根本上改变了这种状态，IP网获得了急速的发展，相应的IP技术也获得了急速的发展。以Internet为代表的数据业务的年增长率达到20%-30%。数据通信业务量持续高速增长最直接的动力来自Internet业务量的持续指数级增长。IP网络通信业务量的爆炸式增长已成为世界注目的集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，加速发展，以争取在未来激烈的竞争中占据优势。
IP是网络层协议，SDH、WDM是物理层传送技术，在两层之间需要一个数据链路层，数据链路层负责把物理层提供的信号转换成网络层所需要的信号，目前最流行的IP传送技术有三种，即IP over ATM，IP over SDH 或 IP over WDM。
传统的扩容方法是采用TDM（时分复用）方式，即对电信号进行时间分隔复用。无论是PDH的34 Mbit/s－140 Mbit/s－565 Mbit/s，还是SDH的155 Mbit/s－622 Mbit/s－2 488 Mbit/s－9 952 Mbit/s，都是按照这一原则进行的。据统计，当系统速率低于2．5 Gbit/s（含2.5Gbit/s），系统每升级一次，每比特的传输成本下降30％左右。因此，在过去的系统升级中，人们首先想到并采用的是TDM技术。采用时分复用（TDM）方式是数字通信提高传输效率、降低传输成本的有效措施。但是随着现代电信网对传输容量要求的急剧提高，利用TDM方式已日益接近硅和镓砷技术的极限，例如对于现在的10 Gbit／s，TDM已没有太多的潜力可挖，并且传输设备的价格也很高，光纤色度色散和极化模色散的影响也日益加重。人们正越来越多地把兴趣从电复用转移到光复用，即从光域上用各种复用方式来改进传输效率，提高复用速率。
从1996年起， 最具代表性的就是波分复用（WDM）系统出现了。所谓WDM技术就是为了充分利用单模光纤低损耗区带来的巨大带宽资源，采用波分复用器（合波器），在发送端将不同波长的光载波合并起来并送入一根光纤进行传输。在接收端，再由一波分复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开的复用方式。由于不同波长的光载波信号可以看作互相独立（不考虑光纤非线性时），因而双向传输的问题很容易解决，只需将两个方向的信号分别安排在不同波长传输即可。根据波分复用器的不同，可以复用的波长数也不同，从2个至几十个不等，这取决于所允许的光载波波长的间隔大小。
波分复用(WDM)系统的基本结构形式
WDM系统基本构成主要有双纤单向、单纤双向两种形式。一般说来，WDM系统主要由以下五部份组成：光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统(如图1.1所示)
波分复用(WDM)技术主要有以下特点：
(1) 可以充分利用光纤的巨大带宽资源，使一根光纤的传输容量比单波长传输增加几倍至几十倍。现在人们所利用的只是光纤低损耗频谱（1 310 nm～1 550
图2.1 WDM系统总体结构示意图
nm）极少的一部分。即使全部利用掺饵光纤放大器（EDFA）的放大区域带宽（1 530 nm～1 565 nm），也只是占用它带宽1/6左右。WDM技术可以充分利用单模光纤的巨大带宽（约25 THz）。
(2) 使N个波长复用起来在单模光纤中传输，在大容量长途传输时可以节约大量光纤。
(3) 由于同一光纤中传输的信号波长彼此独立，因而可以传输特性完全不同的信号，完成各种电信业务信号的综合和分离，包括数字信号和模拟信号，以及PDH信号和SDH信号的综合与分离。
(4) 波分复用通道对数据格式是透明的，即与信号速率及电调制方式无关。在网络扩充和发展中，是理想的扩容手段，也是引入宽带新业务的方便手段。
利用WDM技术选路来实现网络交换和恢复从而可能实现未来透明的、具有高度生存性的光网络。
第二章 基本技术
IP OVER WDM(也叫光因特网，或IP优化光互联)，是指直接在光网上运行的因特网。在这种新一代网络中，高性能路由器通过光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC)直接接入WDM网络中，实现IP数据包直接在多波长光路上的传输。本论文将主要讲述IP OVER WDM的基本原理,主要特点与发展现状及前景展望。
2.1 IP的承载技术
近几年来，全球向信息化社会迈进的步伐明显加快，电信网、计算机网、有限电视网的业务员与市场开始融合。在其网络融合过程中，IP将扮演十分重要的角色，随着IP业务量的日益膨胀，IP需要更高的带宽、更有效的新传输技术来支持其发展。
根据网络分层模型结构，物理层的作用是负责在通信信道中传送光或电信号；数据链路层负责把物理层提供的信号转换成网络层所需要的信号；网路层则从这些信号中提取分组，进行路由转换，传向目的地。关于未来高速信息网络的模型，目前一致的看法是：物理层采用光纤作为传输介质，并采用WDM技术，尤其是在骨干网上尤其如此；在网络层不光是传统的数据业务，还是话音，视频业务都可以归结到IP数据包的格式进行传输。因此问题的焦点是数据链路层采用何种技术，即如何实现IP层与WDM光网络层的融合。根据光互联网论坛(OIF)确定的光互联网多协议参考模型（如图2.2所示），目前IP传送的承载方式主要有IP OVER ATM、IP OVER SDH、IP OVER WDM以及以太网承载。
和传统的话音业务量相比，ip有三个明显的业务量特征：自相似性、收发数据的不对称性和服务器的拥塞。因而要根据其业务进行设计。在IP局域网中，千兆以太网（GBE）是一种非常重要的技术。他是在10M/100M以太网的基础上发展起来的，因此和传统的以太网有相同的帧格式、流量控制等机制，千兆比以太网能实现与原有以太网的无缝连接和平滑升级。由于全世界80％以上的局域网都采用以太网或快速以太网技术，再加上千兆比以太网设备成本相对低廉，技术简单高效，很快成为高速局域网的首选技术。
在广域网上，传统的IP传送方案依靠ATM与SDH完成骨干网络的交换与传输，及IP OVER ATM和IP OVER SDH 技术。这两种方式虽然有着自身的优势，但同时也存在一定缺陷，尤其是他们不是为传送IP业务而设计的，当承载IP流量时性能不时最佳，主要存在以下缺点：
(1)组网和维护成本高；需要同时组建IP,ATM，SDH,甚至WDM网络，其中尤其是ATM和SDH的设备与端口特别昂贵，组网和维护成本高
(2)网络功能重叠;个层之间存在着功能重叠，如IP层的路由功能和ATM的交换选路功能；
SDH与WDM层的传输质量监控和保护倒换等。功能重叠不仅意味着设备功能与成本的浪费，还带来了网络互通与综合管理的困难。
(3)带宽利用率较低：ATM承载IP数据报时由于AA15适配和信头开销，带来了20％以上的带宽损失，而SDH是一种时分复用技术，每一通道所占的带宽是固定的，而数据网络业务具有很大的突发性，两者并不匹配，带宽浪费在所难免。
2.2 面向IP的WDM光网络
IP OVER WDM技术，其内涵是指以光纤为传输媒体，以WDM为传输技术，以IP为网络通信协议，并在此基础上承载各种业务。从广义上讲，它是使用了WDM传输技术的IP网，即IP数据包在WDM系统网络上来进行传输和交换。从狭义上看，只有IP设备(路由器)与WDM组成的网络。指采用新型帧格式将IP包直接封装到WDM光层上的一种IP传送方式，它完全不采用SDH,ATM等设备。
从发展看，IP OVER WDM 光互联网由高性能WDM设备和吉比特、太比特路由交换机组成，是综合利用IP技术和基于WDM的光网络技术各自特长的一种优化网络。它的上层是数据网络。底层是采用WDM技术的物理传输网络。网络层综合现有和未来的所有业务，通过适当的数据链路层格式把IP包直接映射到光层，用高速新型的路由器作为网络核心建成一个能够体现先进性、开放性，创新性和可持续发展性的宽带综合信息网络。其特点是：让IP数据包直接在光路上传送，减少网络层之间的冗余部分。由于节省了中间的ATM层和SDH层，其传输速率最高，节省了网络运营商的成本，同时也节省了用户获得多媒体通信业务的费用，是一种最直接，最经济的IP网络体系结构，非常适合超大型IP骨干网。
IP OVER WDM光互联网的分层模型如图2.3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与传送；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)，而光网络层的组成设备主要是WDM终端，光放大器以及光纤等。
2.3 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。
2.4 IP over WDM协议规范
IP over WDM的分层模型，主要有数据网络层、光网络层及适配和管理功能组成。数据网络层提供数据的处理和传送；光网络层负丽提供网络，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包括ATM网络层交换机和路由
器等，光网络层的组成设备主要是WDM终端、光放大器及光纤等。在IP over WDM光因特网中，高性能的数据互连设备（如交换机和路由器等）可直接与光纤相连，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。其协议发展如图2.4所示：
IP over WDM的协议模型，包括客户导（IP层）协议、IP适配协议、光传输段协议、WDM光复用段协议和WDM光传输段协议等。客户层协议包括IPv4和IPv6等。IP适配层协义用于进行IP多协议封装、分组定界、差错检测以及服务质量控制等。光通路协议包括数字客户适配、带宽管理（比特率和数字格式透明）和连接性证实等功能。光复用段功能包括带宽复用、线路故障分段、保护切换及其它传送网维护功能。光传输段功能包括高速传输（色散补偿）和光放大器故障分段等功能。
2.5 IP OVER WDM技术中的关键问题
虽然采用IP OVER WDM光互联网技术有诸多优点，而且是网络的一个必然发展方向，但是在目前的技术条件下，IP over WDM 系统及其网络技术本身还不是十分成熟，大规模采用IP OVER WDM光互联网技术还需要考虑很多技术问题。
2.5.1 IP OVER WDM的网络设计
设计基于IP的光网络相对于传统的传输网是完全不同的。并不是简单的结合，光因特网网络设计中有几个特有的问题：
。如何采用网络波长分配以实现光网络容量的优化和网络的灵活性；
。与异步分组业务和波长重用有关的拓扑和机构问题；
。如何进行保护、重构以及拥塞控制设计，实现业务质量(QOS)保证和业务恢复；
。有波长转换和无波长转换对网络容量和结构的影响；
。多光纤DWDM网络在拓扑和结构上对网络生存性的影响；
。信道串话和噪声积累对传输系统的限制和质量恶化；
。如何利用光技术实现多协议标签交换(MPLS)并进行头处理；
。如何在光因特网中实现广播、多播或任意播送功能等；
。光网络的管理问题与设备兼容性问题；
2.5.2 IP数据层与WDM光网络层的帧适配
2.5.2.1.帧格式的选择
IP OVER WDM光互联网包括数据网络层、光网络层以及这两层之间适配和管理功能。从长远看，IP OVER WDM，IP OVER SDH都将最终发展成为IP OVER WDM/OPTICAL,因此对于以后的长期应用来说，为了实现在光纤上直接传输IP数据，最关键的问题之一是需要设计出一种合理的帧格式（物理层接口），即规范出一种新的最佳的IP对光路的适配接口，但是在目前要考虑道多种因素，主要使用以下两种帧格式来实现两种不同的技术路线：SDH帧格式(或简化)和千兆比以太网帧结构。即IP/SDH/WDM和IP/ETHERNET/WDM。下面分别讨论：
(1) 基于SDH帧的分析
由于在SDH/SONET帧的开销内已装有网管信息，因而实现传输性能监视、故障管理、网络保护与恢复等优势明显，这一点对于长途WDM来说是很重要的，特别是当线路种有多个电中继器，光放大器时，它可以快速诊断出故障点，反映系统与网络性能。同时易于实现IP组播，兼容不同技术体系，实现网间互联。由于长途WDM系统每600KM左右需进行一次电再生，而目前广域网上已装配了大量的SDH设备，因此该种帧格式易于兼容，并可充分利用现有的网络资源，节省投资。
同时采用SDH帧结构也具有其局限性：
。在传送数据业务时有很多不必要的开销，造成带宽浪费；
。SDH帧是基于8KHZ语音同步定时采样设计的，其块状帧结构与IP数据包帧格式不同，导致在路由器的SDH线路卡中要装备分拆重组(SAR：Segmentation Assembly and Reassembly)电路，处理耗时;
。尚不适合多业务平台，传输非对称业务流并非最佳；
。电路相对复杂，设备成本高，效率低；
由于IP网时统计复用的，在对以IP数据业务为主的网络进行优化设计时，从原理上该网络不需要SDH层，但必须要解决传输的分帧、性能监测和自愈恢复等问题。
(2)基于千兆以太网帧格式的分析
千兆以太网帧格式与IP数据包相似，而且千兆以太网使用与传统以太网同样的底层协议，所以它很容易纳入道现有的LAN之中，而不需要把数据重新映射道其它传输协议，因此能够实现广域网、城域网和局域网的无缝连接。另外只要在IP层采用比较合理的分帧技术，就可以在封装时免去SAR操作，从而可以大大简化设备，降低成本。此外，大多数计算机局域网都使用这样的帧，其抖动与定时较好，且采用GBE帧格式后，这种系统不使用电再生器，因为节点的路由交换机可以同时起电再生器的作用。
采用GBE帧结构的局限性为：
。GBE帧采用8B/10B码型，效率损失20％，当带宽越大时，这种浪费越是严重；
。第二层没有误码监视和故障定位等功能；
。对于大规模网的保护恢复时间过长；
。与现有电信网的互联互通困难；
实际上，以上两类帧格式或物理接口都只是一段时间内的过渡方案，各有优劣，最终将采用一种适合于IP对光路的帧结构，同时也要充分考虑到对现有网络的影响。
2.5.2.2.形成光通路开销的数字包封技术
光联网有两各基本要点：一个就是在光层上进行传送组网，如图2.5所示。在光信道(OCH)层上作OCH的路由和交换，而不再只是简单的点到点WDM系统；另一个就是管理频(率)隙，而不再是管理时隙。这里，一个频隙就时一个光信道。为了以光信道组网，就需要具有管理频隙的能力，正像在现有的网络中管理时隙一样，为了支持各种光联网的应用，必然要设置光信道开销(OCH-OH),以实现必要的操作、管理、维护功能。
数字包封器是指提供OCH-OH的一种方法，因其利用一种数字的包封将OCH客户信息包围起来，以支持随路OCH-OH而得名。包括FEC和OCH-PE(净荷封套)在内与OCH-OH一起形成得帧结构，总称为OCH容器。客户信号在OCH-PE内浮动，不受OCH容器格式得限制，而只要是在3R再生器带宽内得恒定比特率的数字信号。OCH-PE可看作一种与格式无关的、恒定比特率的通路。与SDH不同，OCH-PE不需要指针来指示客户信号在封套内的位置。目前ITU-T已经明确数字包封器技术是在OTN中进行随路OCH-OH传送的实现方案，但还未就与数字包封的实现有关的帧结构作出规定。
2.5.3 光层路由和IP层路由的协议协调
利用WDM网元(如OADM、OXC)可以实现IP路由器之间的互连，从而在两个IP路由器之间建立起一条光通道，这些路由器就互连成为“邻居”，并且改变了网络的拓扑形式，这就意味着原来由IP路由协议(如开放式最短路径协议OSPF,RIP协议)决定的拓扑形式，随着业务条件的改变是可以改变的。这样我们可以设想利用一种光网控制软件用来监视任意两个IP路由器之间的业务量，并且对路由器所看见的拓扑("虚拓扑")形式做出必要的改变。于是跟那些几乎不变化的物理拓扑比起来，IP柔性网络效率就高多了。为了获得网络使用效益，必须要由光网控制软件来使光层路由协议协调工作。
解决光层路由和IP层路由协议协调问题，一种方法是将WDM网络中的选路和波长分配(RWA:ROUTING and WAVELENGTH ASSIGMENT)问题与IP选路问题分开处理。WDM光网络节点监测光信道上的业务流量，根据使用情况增加或减少光信道数量和提高或降低光信道数据数率；另一种方法是综合IP层和光层选路方案的集成型IP OVER WDM选路。
2.5.4 光网络层的支持
IP OVER WDM技术的基础是WDM网络技术，因此必须由光交叉连接器(OXC)、光分插复用器(OADM)等重要的光节点设备的支持才行。同时，为了适应各种业务信号日益严格的要求，IP OVER WDM光互联网必须具有较强的可生存性，如当1条或多条光通道(OCH:Optical Channel)失效，或者光纤断裂时，WDM光网络必须具有较强的生存能力，这就要求其必须采用保护倒换体系和网络恢复技术。IP OVER WDM网络可依靠两个协议层完成自愈保护：WDM层和IP层。
如果只在IP层进行保护与恢复，虽然可以体现第3层恢复的诸多优点。然而，IP层恢复是靠普通的路由协议(OSPF和BGP)完成。在大规模的网中，可能需要几秒钟的时间才能完成新网络配置后的路由表重算，不如物理层恢复的快。目前已经有不少方法可以改进第三层恢复的速度，但是都未经在网络上运行实验。此外，如果将保护恢复功能分别在IP层和物理层完成，如何分工和协调这两层的保护与恢复功能将是正在研究的课题。
2.5.5 IP OVER WDM 网络的服务质量
关于服务质量(QOS)问题，IP OVER WDM 的一种解决思路是靠WDM的高带宽和简单的优先级方案来解决。按排队理论，只有网络利用率低于70％时，队列很短或者根本不存在排队，常常只需要简单的优先级方案(如IP报头的3个优先位)即可，于是将高质量实时业务放在队列前面即可保证QOS。从目前对实际业务的预测表明，业务量中真正高质量的实时业务仍是少数，90%的业务属于“尽力传送(Best effort)”业务。因而从目前阶段来看采用简单的优先级方案和高带宽WDM来处理QOS问题是一种简单易行的方法。
2.5.6 IP OVER WDM 网络安全
由于全光网络与全电网络、电光网络相比具有本质的区别，全光网络部件和结构的独有特性给网络安全带来了新的、未知的脆弱性。全光网络的透明性也带来了许多在前两代网络中不存在的安全性问题。由于波长选择交换器为不同波长的信号选择不同的输出路由，它的基本部件是波长复用/解复用器，OXC,波长转换器和波长路由器，以及为补偿器件引起的损耗而加入的光放大器。尽管串话电平已足够小(-30到40DB)，但是攻击者仍然可以利用它向波长选择交换器注入一个非常强的光信号，即使仅有一小部分泄漏到其它信道上，也会对全光网络传输的业务员产生极大的破坏。另外，光纤的非线性效应、EDFA的增益竞争现象也会被攻击者用来对业务进行破坏。
2.5.7 IP OVER WDM中的光纤色散效应和损耗效应
采用EDFA后，衰减限制的问题得以解决，传输距离大大增加，因为随着传输光波长的增大，损耗就越来越小，所以简单的增加光波长就可以避免传输种的损耗限制。但是总色散也随之增加，因为仅在1310nm窗口，光波取得零色散，原来的色散限制系统变成了色散限制系统，这就要求再解决色散问题，否则对于全光网通信而言，长距离传输还是无法实现。因此再WDM系统中，色散效应的影响是一个主要的限制因素，尤其对于高速系统来说更为明显。例如：再G.652光纤上2.5Gbit/s 的色散受限距离为928KM左右，但10GBit/S系统的受限距离仅为58Km,而40Gbit/s系统色散受限距离仅为3.6Km，见下表:
表2.1 受色散限制的无中继距离
速 率 1550 nm(G.652) 1550 nm(G.655) 1310 nm(G.652)
2.5 Gbit/s 928 Km 4528 Km 6400 Km
10 Gbit/s 58 Km 283 Km 400 Km
20 Gbit/s 14.5 Km 70 Km 100 Km
40 Gbit/s 3.6 Km 18 Km 25 Km
因此光纤色散效应的影响对于WDM光网络而言将是一个主要的限制因素,其中的色度色散可通过色散补偿管理技术予以解决。其最主要方法包括：
(1)采用色散补偿光纤(DCF),它在1550nm波段有很大的负色散，可以补偿常规光纤的色散；
(2)采用周秋光纤光栅，这种方法器件紧凑、插入损耗小，其色散斜率可以控制为与传输光纤相同；
(3)采用色散管理,利用＋/-色散系数的光纤交错连接，保证总的净色散为零，不过这种方法不适合已铺设的光纤系统
(4)在发射机引入色散预补偿；
对单个信道的色散问题，必须考虑的因素有发射机、接收机的色散容许量、色散补偿技术和补偿元件的位置，还需要精确测量已铺设光纤的色散。
2.6 IP OVER WDM的设备介绍
2.6.1 光源
密集波分复用WDM的光源，一般应具备光谱范围宽，信道光谱窄，复用信道数多以及信道波长及其间隔高度稳定等特点。目前的光源基本有三类：
(1)分立器件：一般应为动态单纵模激光器，常用的多为分布反馈(DFB)激光器、分布布拉格反射(DBR)激光器或是量子阱(QW)激光器；
(2)集成式光源：其中多数为阵列式的或DFB+EAM式的；
(3)超连续光源：超连续光源准确的说是限制幅度光谱超连续光源(Spectrum Sliced Supercontinum Source)。近来发现，当具有很高峰值功率的短脉冲注入光纤时，由于非线性传播会在光纤中产生超连续(SC)宽光谱，生成许多波长，并适合于作波分复用的光源，这就是所谓的限幅光谱超连续光源；
而波长可调协单模激光器是WDM系统的关键器件，它的主要性能指标是调协速度和波长调协范围。常用的有超周期结构衍射栅激光器、外腔可调协半导体激光器、双极DFB激光器、三极DBR激光器、多波长光纤环形激光器等。
2.6.2 光波分复用器/解复用器技术
光波分复用器和解复用器是WDM系统中的关键部件，将不同光源波长信号结合在一起经一根传输光纤输出的部件称为复用器，反之，经同一光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称为解复用器，从原理上说该器件是互易的，即只需将解复用器的输出端和输入端反过来使用就是波分复用器，因此可以说复用器和解复用器是相同的(除非有特殊的要求)。
光波分复用器和解复用器在超高速、大容量波分复用系统中起着关键的作用，其行性能的优劣对系统的传输质量有决定性影响。其性能指标主要有插入损耗和串扰。因此，WDM系统对光波分复用器和解复用器的特殊要求是：损耗和偏差小；信道间的串扰小；通道损耗平坦；低的偏振相关性等。
WDM系统中用的光波分复用器和解复用器主要有介质膜滤波器、各种光栅、星型耦合器等形式(如上图2.6所示)。
2.6.3 光转发器(OTU)
WDM系统可以分为集成式WDM系统和开放式WDM系统两类。
集成式系统是指SDH终端必须满足G.692的光接口，包括标准的光波长和满足长距离传输的光源。这两项指标都是当前SDH系统(G.957接口)所不要求的，即需把标准的光波长和长色散受限距离的光源集成在SDH系统中。整个系统的构造比较简单，没有增加多余设备。而对于开放式波分复用系统来说，在发送端设有光波长转换器(OTU),它的作用是在不改变光信号数据格式的情况下(例如：SDH帧结构)，把光波长按照一定的要求重新转换，以满足WDM系统的设计要求。相应的系统如图所示：
在现有的商用产品中，目前使用的依然是O/E/O的变换方式。即先用光电二极管PIN或APD把接收到的光信号转换为电信号，经定时再生(3R)后，产生再生的电信号和时钟信号，再用该电信号对标准波长的激光器重新调制，从而得到新的合乎要求的标准光波长信号(G.692要求的标准波长)。在调制上一般采用外调制技术。其工作原理如图2.9所示：
2.6.4 光纤
在WDM系统中采用何种光纤最为适益，一直是人们关心的问题。由于G.653光纤(DSF)在1550nm处的优良性质而成为光纤系统的首选。但进一步研究发现：虽然DSF在单波长、长距离通信中有很大优势，但一旦用于WDM系统时，在零色散波长区将出现严重的非线性问题，即为了在DSF线路中为了增加传输距离而加大了输入光功率，而产生的四波混频(FWM:Four Wave Mixing)效应。所以在WDM系统中最佳的光纤是非零色散位移光纤(NZ-DSF G.655)。G.655在1310nm波长处具有零色散，而在1550nm波长处的色散值仍然较高，可有效避免FWM现象。
2.6.5 光放大器
WDM技术之所以发展如此迅速，得益于掺铒光纤放大器(EDFA)的研制成功和应用。迄今为止，几乎是所有的WDM系统都使用了掺铒放大器。
WDM系统信号在光纤中传输时，不可避免存在着损耗和色散，损耗导致光信号能量的降低。色散导致光脉冲展宽。以前的做法是没隔一定距离加入一个电中继器，使用O/E/O的形式处理，但转换效率低，该处理方式对于现在的高速系统而言，已不能满足现代电信传输的要求了。
随着光纤放大器的实用化，愈来愈多地用在数字光纤传输系统中，它给原来的数字光纤传输系统带来了新的发展。
在石英光纤的芯层中，掺入一些三价稀土金属元素，如Er(铒)、Pr(镨)、Nd(铷)等，即形成了一种特殊的光纤。其中含Er的光纤即为EDFA放大器。相对于电中继器，其特点是：高增益、高输出、宽频带、低噪声、增益特性与偏振无关，对数据速率与格式透明等一系列优点。为WDM系统带来了深远的影响。
掺铒光纤放大器（EDFA）是波分复用系统实现商用化的关键。EDFA的增益、平坦谱线宽度、噪声系数、饱和特性对该系统有很大的影响。目前使用的放大器的增益一般可以达到30dB，平坦谱线宽度在25-30nm左右，可以满足整个C波段的波分复用要求。但随着系统不断发展，系统的工作波长已开始拓展到L和S波段。目前主要有两种新型的光放大器件可以满足系统的这个要求，一种是可以将平坦增益谱线扩展到整个L波段的新型EDFA，一般是利用分布式泵浦，同时在掺铒光纤中添加其他元素实现的。另一种是利用光纤中的非线性喇曼效应进行光放大的喇曼放大器。喇曼放大器可以对L和S波段的信号实现非常平坦的放大，相对于普通的EDFA，喇曼放大器噪声系数较小，放大性能比较好，不足之处是增益较小，但这可以利用分布式结构加以改进。综上所述，结合宽带掺铒光纤放大器和喇曼放大器的光放大器组合将是下一步大容量高速率密集波分复用系统的必然选择。 新型的复用/解复用器技术
在目前波分复用特别是密集波分复用系统中应用的复用/解复用器主要采用多层介质膜技术，采用多层介质膜技术的复用/解复用器可以满足系统在信道带宽、隔离度、偏振敏感性和介入损耗方面的要求，特别是在少于32波的系统中有比较好的表现。但在信道数特别多的系统中，成本较高，而且性能也不能完全满足用户的要求。但随着AWG（阵列波导光栅）波分复用/解复用器和Interleaver器件的发展，则可以在信道数大于32信道时满足系统的要求。利用AWG可以比较方便地实现40波以上的复用/解复用功能，介损、隔离度和多层介质膜的器件相比也基本一样，成本上和相同波长的多层介质膜器件相比也较有优势，而且使用更为灵活方便。目前存在的问题主要是AWG的温度敏感特性，但已有报道，通过良好的温控电路，可以使AWG的温度特性稳定在20GHz的偏差左右。而Interleaver器件的推出可以说是密集波分复用系统中复用/解复用器技术的一个重大突破。
2.7 IP OVER WDM的网络控制与管理
2.7.1 IP OVER WDM网络控制
现存传送网向光传送网的演进给电信网的网络管理系统带来了更大的挑战。需要对网络层和网元层进行有效的管理，并建立能实施故障管理、配置管理、性能管理和安全管理的管理网络。光网络的控制与管理系统是实现光网络的重要组成部分，它通过用于光层处理的开销通道和光层控制信令与管理信息对光网络进行有效的控制和管理，如：边缘节点的带宽请求；网络拓扑、带宽资源、路由信息的传递；动态路由选择和波长分配；网络保护、恢复、重新配置；以及对光设备和光通道进行性能监测，完成各种管理功能等。
光通道的选路和波长分配算法（RWA）是光网络的核心问题之一。它解决如何寻找一条合适的光通道并合理地分配通道所使用的波长，使有限的资源充分发挥作用，以提供尽可能大的通信容量。当获得了路由信息后在波长路由光网络里就需要网络控制机制来建立和拆除网络连接（即光通道），收到连接建立请求后，控制与管理机制就须选择合适路由、分配波长、并配置网络中相关的OXC交换机构，此外还要提供网络状态更新信息。网络控制与管理的目标是：
1、 使连接请求的阻塞概率最小化；
2、 使连接建立时间最小化；
3、 使控制开销的带宽最小化；
4、 使网络可升级性最大化。
控制与管理机制分为集中式和分布式，其中分布式网络控制机制更健壮，所以应用得更多些。分布式机制又可分为基于链路状态和基于分布式路由两种。基于链路状态的机制通常采用开放式最短路径优先（OSPF）算法。基于分布式路由的机制通常采用Bellman－Ford选路算法。
对于WDM网络，由于其模拟网络的本质，其处理的对象是光频率和光信号，与之相关的光域参数很难获得。因此无法在光域上对客户信号进行有效的监视，更无法像SDH网络那样将这一过程进行标准化。
除了光网络的性能监视和测量之外,另外一个重要问题是在网络节点到底需要哪些运行、管理和维护(OAM)信息，以及这些信息是如何传送的。网络节点所需的信息可以分为两类，一种是与特定光通道相联系的且必须与该光通道随路传送的信息；另外一类是与具体光通道无关，不需要随路传送的信息。前一类信息的传送方式是主要问题，而后一类信息的传送可以通过使用监控信道波长进行传送。
光网络的控制与管理开销通道主要有：共路方式，主要采用光监控信道（OSC）实现；随路方式，有多种实现技术，如副载波调制（SCM）、数字封装（Digital Wrapper）等；综合方式，用不同方式解决不同的问题，如在OCH层采用随路方式，而在OMS层和OTS层采用共路方式，以解决对光放大器的监控。WDM网络中的管理和控制开销可以在专门的控制信道上传递，控制信道要维护信令协议、网络拓扑协议、状态更新协议和故障恢复协议等。此外，也可以像MPLS那样采用带内信令，这就是所谓的多协议波长交换（MPLmS）。
光网络控制与管理平台主要负责提供和维护连接，管理网络资源，对路由选择、提供、连接请求进行计算，以及在网络中沿选择的路由请求和建立连接的信令机制。一旦成功地建立了连接，就必须根据业务级别合同进行连接的维护。光网络的控制与管理配置模式有以下几种： ＊软永久电路模式（SPC）：SPC模式对于传统设备与光核心网相连接特别重要。ATM、FR可以通过管理系统（SPC模式）把接口交换到光网络。
＊用户网络接口模式（UNI）：也称客户机－服务器（client-server）模式，这种模式使终端系统和光网络之间的相互作用仅限于建立和拆除连接的简单请求。
＊对等（peer）模式：此模式应用于IP网络比较有利，路由器可与OXC具有同等地位，共享路由信息和控制智能。目前正在研究在对等模式中共享信息的程度。
2.7.2 故障管理
WDM技术虽然大大提高了光纤的使用带宽，但同时也使断纤所影响的业务量增大。因此WDM光网络的保护恢复至关重要。波长路由光网络和其他网络一样，当网络元素（例如光纤、交叉连接器等）发生故障时，会导致多条光信道失效，从而导致大量的数据丢失。以前关于光网络故障管理的研究工作主要集中在环形拓扑网络中的单根光纤链路故障的保护策略的研究，现在已逐渐转移到格形网拓扑结构的网络上来了。
网络的生存策略有很多，既可以是基于专用的资源备份，也可以是基于动态恢复策略。专用的资源备份型生存策略包括自动保护倒换和自愈环，他们是通过专用网络资源来恢复失效的业务。通常，动态恢复能够更有效地利用网络资源，而且能够使网络从各种各样的故障中恢复过来；相反专用容量的恢复策略却能够提供更快速的、更可靠的恢复。
2.7.3 光组播技术
组播技术是通信网络将发起端的信息复制多份同时传递给多个接收端的一种信息传递技术。将点到点的光连接方式扩展为点到多点的光连接，就形成了组播，我们也可以将其称作“光树”。光树技术的应用能够使一个节点中的一个发射机同时具有多个逻辑上的邻居节点，从而使原本物理连接关系十分简单的一个网络的逻辑互联图变得复杂多样，而且使得原有的一些物理连接的跳数大大降低。如果在一个WDM光网络中嵌入一套光树连接，则可以增强该网络的单播、组播和广播能力，但是相应地就需要网络具有支持组播的光交换机和更高的功率阈值以弥补由于信号分割而造成的功率损耗。
需要组播技术支持的一些业务类型有：视频会议、软件/文件的传递和镜像站点的文件复制、虚拟现实游戏、互联网新闻信息的传播和电子邮件列表等。尽管对需要组播技术支持的业务需求很大，但由于现有的网络都是主要面向点到点通信而设计的，所以并不能有效地支持组播功能。随着技术的进步，组播应用将越来越流行和对带宽需求越来越强烈，势必需要下层通信网络提供组播通信能力。具有组播能力的WDM广域网不仅能够对组播业务提供有效的选路支持，同时由于组播技术的引入使得网络具有更丰富的逻辑连接拓扑，因此它同时也会大大增强网络对单播业务选路的灵活性。要建立提供组播功能的新型光网络，就必须开发支持组播功能的新型波长路由交换机和研究组播选路与波长分配算法。
支持组播功能的波长路由交换机结构：使用光分波器就可以将一路输入光信号分割成多路输出信号，而且各路光信号的功率大小可以通过分波器的分波比来控制和管理。图1就给出了一种2×2组播波长路由交换机的结构，其中每一条链路支持4路波长信号。从每一条输入光纤链路上输入的光信号首先被解复用器（DEMUX）解复用成分立的波长信号，然后各路波长信号被光交换机进行交换，其中单播信号直接被交换到相应的输出光纤链路上，而其中需要执行组播功能的那些信号被交换输出到与该交换机相连的分波器背板上（光交换机中的分波器背板也可以提供光信号放大、波长转换、组播信号再生等高级功能，当然也可以提供更灵活的单播连接）。例如在图1中假设λa是单播信号而λb是组播信号，分波器的输出端与一个小型光交换机相连，该小交换机可以将组播信号分别交换到不同的输出光纤链路上，从而实现组播功能。由于分波器是一种无源器件，则具有n路等功率分波能力的分波器输出端的信号功率是输入信号功率的1/n。为了能够使每一路信号都能够被正确检测，则要求每一路分光信号的功率必须不小于一个功率阈值，因此就限制了光交换机提供组播功能的能力。
组播路由和波长分配技术：通信网络中的组播问题常常通过网络中的Steiner树问题（SPN：Steiner tree problem in networks）来描述。值得注意的是SPN也是一个NP-Complete问题，在实际中要解决这个问题仍然需要使用启发式算法。
2.8 IP OVER WDM工程设计
光纤传输技术发展很快，经过了PDH、SDH现已进入了密集波分复用（DWDM）阶段。DWDM系统具有传输距离长、容量大、波道多，实施全透明传输，能组成全光层网络和相对工程造价较低等技术经济优势，在国内外得到了广泛应用。下面对DWDM光纤传输系统工程设计中的设备选型、网络结构与传输系统组织、站段配置、网管、公务及传输指标等主要问题的处理提供一些参考意见。常用的IP OVER WDM 系统结构如图2.10所示：
2.8.1、设备选型
DWDM光纤传输系统的组成如图1所示，线路传输部分由DWDM设备构成，终端部分由传统的SDH设备构成。DWDM设备的选型主要应从设备制式、波道数量、波道系统速率以及胜能技术指标等方面考虑。DWDM设备有开放式和集成式两种制式。开放式组成的系统如图所示，终端接人符合ITU-T G.957接口的SDH终端设备（TM），通过波长转换器（OUT）接人合波器（OM）。合波器将接入N个波道的信息集合起来送人光纤，经过多个光线路放大器（LA）传输至电再生器站的分波器。分波器将始端输人的川个波道分开，各波道的信号通过具有3R功能的波长转换器进行再生、定时和整形后，再输入到下一个电再生段，以此过程一直传输到复用段或链路的终端，按始端的波道序号接至所对应的终端设备。开放式系统有两个主要特点：一是在系统中采用了波长转换器，使之能够兼容不同工作波长、不同厂商生产的SDH设备；一是利用波长转换器替代了SDH的电再生器，使一条光纤通信链路的线路传输系统，全部由DWDM设备组成，只在链路的终端接人SDH设备，这对于网络的组织、扩容、管理、维护等均非常有利。集成式组成的系统如图3所示。集成式系统也有两个主要特点，一是不采用波长转换器；二是仍使用SDH的电再生器。因此它必须终接规定工作波长的SDH设备，在线路传输系统中因接人有SDH的再生器，所以这种系统就不具备上述开放式系统的优点，故在工程设计中宜选用开放式系统的设备。
DWDM系统的波道基础速率，目前可商用的有2.5 Gbit/s和10 Gbit／s两种设备，开发实验成功的有20 Gbit／s和40 Gbit／s等更高速率的设备。工程中选定波道的基础速率，除与传输容量需求有关之外．尚与所使用的光纤种类密切相关。因为高速率的DWDM系统，除要求光纤需具有低的衰减之外，还要求光纤具有小的色度色散、小的偏振模色散和工作波长区的色度色散不能为零。我国已建的近百万公里光缆线路采用的光纤，基本上全力ITU-T G.652单模光纤，这种光纤在：550 nm波长的衰减很低，工作波长区的色散也不为零，但它在1550 nm波长的色度色散高达18 ps／（m·km）一20 ps／（nm·km），另外，偏振模色散没有指标要求，由于制造工艺的原因，有些光纤的偏振模色散值还相当高。因此，G.652光纤适合传输波道基础速率为2.5 Gbit／s的DWDM系统。如欲用来传输10 Gbit／s的DWDM系统，则需采取色度色散补偿措施，另外，还需测试光纤的偏振模色散是否满足系统的指标要求。关于偏振模色散，目前尚无商用的补偿措施。 在我国的光缆网中，有极少量的6，653色散位移单模光纤，这种光纤可以传输单波道时分复用的2.5 Gbit／s、10 Gbit／s系统。当用来传输多波道的波分复用系统时，由于光纤工作波长区的色度色散为零，会产生四波混频非线性影响，所以G.653光纤不适合用于光波道较多的DWDM系统。
新建的光缆线路工程，已改用G.655非零色散位移单模光纤。这种光纤既保持了G.652、G.653光纤的优点，又克服了两种光纤的上述缺点，所以G.655光纤既适合传输波道基础速率为2.5 Gbit／s。10 Gbit／s的DWDM系统也适合传输高速率的时分复用系统。
DWDM系统已有8波、16波和32波的商用设备，开发实验成功的已高达132波。DWDM系统中的光放大器，采取了增益自动控制措施，当系统中波道数量增减变化时，对整个系统和对已开通业务的波道均不产生影响。例如工程中采用了16波的DWDM系统，其合波器、分波器和光放大器均按16波设备配置，初装的波道数可按工程初期需要配置SDH终端设备，以后根据业务量增长的需要，在空余的波道上进行扩容。由于DWDM系统的扩容非常简便，在工程中选定波道数量时，满足业务增长的年限可适当放长一点，即系统的波道数量可适当取多一点，当然需通过技术经济比较后确定。DWDM系统的每个波道都有一个中心波长或中心频率。8波、16波和32波各波的中心波长、中心波长间隔与中心波长偏差，ITU-T建议中均有统一的规定。设备制造厂商由于技术开发方面的
原因，相同波道数量的DWDM设备所用的中心波长位置并不一致，在工程设计时应按我国的技术体制，选用体制所规定的中心波长，为实现在光波道层面上进行互通，组建光交叉连接的光网络创造条件。
2.8.2、网络结构与传输累统组织
由于光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）尚未达到商用，还不能用DWDM组成全光网层面。目前只能将DWDM系统用作线路传输设备，与SDH终端设备结合起来，在SDH层面上组织传输网。
DWDM系统可以在线形、格形。树干形和环形等网络结构中应用，因为DWDM系统中的波道数量很多，在工程设计中可以使用不同的波道，同时分别组织不同的网络结构。例如用其中的3个波道组织线形网，用其中的另外2个波道组织环形网，还可以用其中的另4个波道与别的SDH系统组织格形网。用DWDM系统组织点到点的线形网络如图4(a)所示，以波道为单元可以组成终端。转接和直通，配上SDH终端及复用设备，可以在SDH复用结构层面上，安排各种速率的通路组织。DWDM系统的传输容量巨大，一个系统能承载几十万条话路，提高传输系统的可靠性应是工程设计中的首要问题。当前光纤通信设备的故障率很低，通信故障多来自光缆线路。统计资料表明，光缆线路故障约每100 km每年0.1次，每次故障历时平均6 h。光缆线路故障多为外部机械损伤所致，并且多为整条光缆的纤芯全部阻断，利用光缆自身光纤组成的传输系统作为保护措施很难有效地提高传输网的可靠性。最近在儿个DWDM系统的工程设计中，在点到点间采用了双光缆、双路由（l＋l）的组网方式，如图4（b）所示。因为两条不同物理路由上的光缆同时阻断的概率很小，所以这种传输网的可靠性非常高，受到建设与维护部门的欢迎。如在多节点之间组织高可靠性的传输通道，可采用图4（c）环形自愈网方式，利用DWDM系统的光波道，在传输节点上安装SDH分插复用设备（ADM），组成通道或复用段保护环。光缆干线工程设计中，常设置省际干线和省内干线两种传输系统，在SDH 工程中是利用光缆中不同的光纤对，分别组成不同用途的传输系统。在DWDM 工程中可利用DWDM系统中不同的光波道，分别组成省际干线、省内干线和其他专业网的传输系统。
DWDM系统的再生段距离可长达600 km，复用段的距离一般比再生段还长。省内干线传输系统主要组织省会到地（市）、地（市）到地（市）城市的通信，其间的距离多在100 km左右，DWDM系统若按此距离设置再生段或复用段，势必提高DWDM工程的造价。所以在具体工程中，如用干线的DWDM波道组织省内传输系统感到不经济时，也可单设SDH系统组织短程的省内或其他专业传输系统。
2.8.3、站段配置
DWDM传输系统设有终端站、转接站、再生站和光放站，由此组成了复用段、再生段与光放段，如图1所示。终端站和转接站根据网络结构和通路组织的安排配置。在该两种站内配置DWDM的合波器、分波器、波长转换器以及SDH的终端复用器或分插复用器等设备。再生站和光放站根据DWDM设备的传输技术要求与所用光纤的技术性能配置。在再生站内配置合波器、分波器、具有3R功能的波长转换器（开放式系统）或SDH的再生器（集成式系统）。在光放站内配置符合增益要求的光放大器。DWDM系统的光放段配置，多数厂商均按等增益进行设计。以再生段为单元，再生段内各个光线路放大器均设计为等增益工作方式，各光线路放大器的输出功率电平及其接收灵敏度均相同，如某光放段的光纤衰减小于放大器的增益数值，则用光衰减器进行补齐。
光放段的长度按光线路放大器设定的增益种类配置。目前8波、16波DWDM的光放大器的增益有22 dB、30 dB、33 dB、44dB等多种。一个再生段内只选用一种增益类型的光放大器，这样有利于系统的调测和维护。结合工程的具体条件，在一个再生段内也可选用不同增益类型的放大器混合配置，这种混合配置的再生段，光波道信噪比的计算比较复杂，系统调测也比较困难，所以目前工程中，多按一个再生段内选用一种增益的放大器进行设计。放大器的增益类型可通过下式计算确定：
G=L（αr＋αc＋αs）＋Ac （1） 式中：
G棗光放段放大器增益（dB）
L棗光放段光缆长度（km）
αr一一光缆的光纤衰减系数（dB／km）
αc棗光缆维修余量（dB／km）
αs棗光纤接头平均衰减（dB／km）
A c棗光纤连接器衰减（dB）
工程中如使用G.652单模光纤，工作波长为1550 nm时，式（1）中的各项参数可取定为：αr =0.22dB／km、αc =0.04 dB／km、αs =0.04 dB／km、A c按1个连接器为0.5 dB。若为利用已建光缆进行扩容时，上述参数可用实测数值。工程设计中再生段的长度及其光放段数量需按再生段容许的总色散和信噪比指标要求配置。
再生段容许的总色散，对于波道基础速率为2.5 Gbit／s的DWDM系统，分为6400 ps／（nm·km）和12800 ps／（nm·km）两档。工程设计中如用G.652单模光纤，1550 nm波长的色散系数可取定为20ps／（nm·km），上述两档总色散所容许的再生段长度分别为320 km和640 km。再生段的长度需符合总色散的要求，再生段内容许的光放段数量及光放大器的增益，需满足光波道信噪比的要求。光波道信噪比随光放段数量的增多和光放大器增益的提高而降低，即短距离的光放段容许的段数可多一些；长距离的光放段容许的段数就少一些。再生段单波光波道的信噪比一般要求大于或等于20 dB。信噪比的计算与模拟载波通信系统类似，工程设计中可
用下式计算：
OSNR=58+P0-Nf-G-10lgN （2）
式中：
OSNR棗光波道信噪比（dB）
58棗综合系数
P0－－单波道光功率（dBm）
Nf一一光线路放大器噪声系数（dB）
G棗光放段增益（dB）
N一一光放段数
为了简化工程设计，DWDM 8波、16波的2.5Gbit／s系统，再生段内光放段的数量其增益设计为：8×22 dB、5×30 dB、3×33 dB和l×44 dB等典型配置。这是等增益的配置方法，按此配置一般可不再进行信噪比计算。加工程中受客观条件限制，也可不用此典型配置方法，但需在设备招标技术规范书写清楚，波道信噪比按非等增益配置计算。
2.8.4、网管、公务与传输指标
DWDM系统中设置了许多光放站，SDH的业务信号不在光放站上下，它只对光信号放大，没有电接口接人，在SDH的业务信号开销中，也未设对光放大器进行监控的字节，故目前的DWDM系统均设有用于监控光放大器的专用监控通道（OSC）。光监控通道的工作波长设在DWDM系统波道工作波长之外，目前多为1510 nm或1480 nm，传输速率为2 Mbit／s。光监控通道传输的监控信息不通过光放大器，在光放大器输入端静面将信息取出，在光放大器输出端后面将信息加入，在光放站。再生站和终端站均可从网管接口取出网管信息。
DWDM系统中包括DWDM设备和SDH设备，DWDM的信号处于光网络层，SDH的信号处于业务层，故DWDM和SDH宜分别单设各自的网管系统。尤其是省际光缆干线，将来要形成一个以DWDM为基础光网络层，要建立全国的DWDM网管系统，当前建设的DWDM光缆干线就宜将DWDM和SDH的网管系统分别设置。但对于不会纳入全国网的局部DWDM传输系统工程，DWDM与SDH的设备为同一厂商供货，SDH的网管能力又容许时，为了节省工程投资和简化维护环节，也可将DWDM系统的设备作为网元纳入SDH的网管系统。光监控通道能够提供64 kbit／s的公务通信支路，工程设计中可利用此通信支路组织光放站、再生站和终端站间的公务通信。同时还可以利用SDH系统的公务通信支路组织装有SDH设备的转接站、终端站间的公务通信。DWDM光纤传输系统尚无一套完整的衡量其传输质量的标准。光信噪比是可以作为衡量传输质量的标准，但还不够全面。DWDM系统承载的是SDH信号，所以在衡量DWDM系统的传输质量时，尚应测试SDH接口的误码和抖动指标。DWDM光纤传输系统工程设计中应提出DWDM系统的光信噪比指标和SDH系统的误码与抖动指标。
2.8.5、小结
通过上面的简析，对DWDM光纤传输系统工程设计中的几个主要问题，提出以下参考意见：
（1）工程设计中，应优先选用具有兼容性能的开放式DWDM设备。当用G.652光纤传输时，波道基础速率宜为2.5 Gbit／s，也可为10 Gbit／s系统；用G.655光纤传输时，波道基础速率可为2.5 Gbit／s或10 Gbit／s及10 Gbit／s以上系统。波道数量满足的年限宜放长一点，尤其是具有公用通道作用的光缆干线，波道数量不宜偏小。
（2） DWDM系统的光波道在光缆中是一种公用资源，可用来组成各种网络结构与传输系统。在工程设计中应将提高传输的可靠性放在首位。
（3） DWDM系统的站段配置与SDH不同，其再生段的长度、再生段内容许的光放段数量及光放大器的增益类型均需按DWDM系统的技术要求进行设计。
（4） DWDM和SDH的设备宜分别设置两个独立的网管系统。传输指标应包括DWDM系统的光信噪比和SDH系统的误码与抖动。
2.9 IP OVER WDM算法设计
2.9.1 IP网络路由技术
近几年来，基于TCP/IP协议的Internet已逐步发展成为当今世界上规模最大、拥有用户和资源最多的一个超大型计算机网络，TCP/IP协议也因此成为事实上的工业标准。IP网络正逐步成为当代乃至未来计算机网络的主流。
IP网络是由通过路由设备互连起来的IP子网构成的，这些路由设备负责在IP子网间寻找路由，并将IP分组转发到下一个IP子网。
IP地址
IP地址是IP网络中数据传输的依据，它标识了IP网络中的一个连接，一台主机可以有多个IP地址。IP分组中的IP地址在网络传输中是保持不变的。
2.9.1.1.基本地址格式
现在的IP网络使用32位地址，以点分十进制表示，如172.16.0.0。地址格式为：IP地址=网络地址＋主机地址或 IP地址=主机地址＋子网地址＋主机地址。
网络地址是由Internet权力机构（InterNIC）统一分配的，目的是为了保证网络地址的全球唯一性。主机地址是由各个网络的系统管理员分配。因此，网络地址的唯一性与网络内主机地址的唯一性确保了IP地址的全球唯一性。
2.9.1.2.保留地址的分配
根据用途和安全性级别的不同，IP地址还可以大致分为两类：公共地址和私有地址。公用地址在Internet中使用，可以在Internet中随意访问。私有地址只能在内部网络中使用，只有通过代理服务器才能与Internet通信。
一个机构或网络要连入Internet，必须申请公用IP地址。但是考虑到网络安全和内部实验等特殊情况，在IP地址中专门保留了三个区域作为私有地址，其地址范围如下：
10.0.0.0/8：10.0.0.0～10.255.255.255
172.16.0.0/12：172.16.0.0～172.31.255.255
192.168.0.0/16：192.168.0.0～192.168.255.255
使用保留地址的网络只能在内部进行通信，而不能与其他网络互连。因为本网络中的保留地址同样也可能被其他网络使用，如果进行网络互连，那么寻找路由时就会因为地址的不唯一而出现问题。但是这些使用保留地址的网络可以通过将本网络内的保留地址翻译转换成公共地址的方式实现与外部网络的互连。这也是保证网络安全的重要方法之一。
无类域间路由（CIDR）
由于每年连入Internet的主机数成倍增长，因此Internet面临B类地址匮乏、路由表爆炸和整个地址耗尽等危机。无类域间路由（CIDR）就是为解决这些问题而开发的一种直接的解决方案，它使Internet得到足够的时间来等待新一代IP协议的产生。
按CIDR策略，可采用申请几个C类地址取代申请一个单独的B类地址的方式来解决B类地址的匮乏问题。所分配的C类地址不是随机的，而是连续的，它们的最高位相同，即具有相同的前缀，因此路由表就只需用一个表项来表示一组网络地址，这种方法称为“路由表聚类”。
另外，除了“路由表聚类”措施外，还可以由每个ISP从InterNIC获得一段地址空间后，再将这些地址分配给用户。
路由选择技术
IP网络中的路由选择是由路由设备完成的。路由器通过执行一定的路由协议，为IP数据报寻找一条到达目的主机或网络的最佳路由，并转发该数据报，实现路由选择。
1. 路由协议
路由协议分为两大类：
路由选择协议（Routing Protocol）
这类协议使用一定的路由算法找出到达目的主机或网络的最佳路径，如RIP（路由信息协议）等。
路由传送协议（Routed Protocol）
这类协议沿已选好的路径传送数据报，如通过IP协议能将物理连接转变成网络连接，实现网络层的主要功能——路由选择。
2.直连路由与非直连路由
IP协议是根据路由来转发数据的。路由器中的路由有两种：直连路由和非直连路由。
路由器各网络接口所直连的网络之间使用直连路由进行通信。直连路由是在配置完路由器网络接口的IP地址后自动生成的，因此，如果没有对这些接口进行特殊的限制，这些接口所直连的网络之间就可以直接通信。
由两个或多个路由器互连的网络之间的通信使用非直连路由。非直连路由是指人工配置的静态路由或通过运行动态路由协议而获得的动态路由。其中静态路由比动态路由具有更高的可操作性和安全性。
IP网络已经逐渐成为现代网络的标准，用IP协议组建网络时，必须使用路由设备将各个IP子网互连起来，并且在IP子网间使用路由机制，通过IP网关互连形成层次性的网际网
2.9.2 IP OVER WDM 路由计算
目前有两种方式解决IP-over-WDM网络的路由问题：
2.9.2.1 分离路由方式（separated routing solution）
IP网络和WDM网络仍使用各自的路由机制，即IP网络使用传统的动态路由协议（OSPF, BGP等）路由IP分组，如果IP网络使用了后面提到的MPLS技术也可以使用与之相关的协议，WDM网络则使用路由和波长分配（routing and wavelength assignment，RWA）算法为光路确定路由和波长，两者互不干扰。虽然现在还没有哪种RWA算法成为国际标准，但是这方面的研究已有很多年，有不少性能不错的静态/动态RWA算法可供选择。这种路由方式是目前比较现实的做法，也是本文论述的重点。
2.9.2.2 整合路由方式（integrated routing solution）
IP网络和WDM网络使用统一的路由机制，IP路由器在确定路由时应能知道WDM网络甚至物理网络的参数信息。使用整合路由方式对OADM、OXC等器件的要求也更苛刻了，因为虚拓扑的改变可能相当频繁，不象目前的WDM传送网，虚拓扑是在相对较长时间内缓慢变化的。整合路由方式目前仍处在研究阶段。
第三章 实用技术
3.1 IP over ATM，IP over SDH , IP over WDM 的比较：
IP与ATM的结合是面向连接的ATM与无连接IP的统一，也是选路与交换的优化组合，但其网络结构复杂，开销损失达25％以上。IP与SDH的结合则是将IP分组通过点到点协议直接映射到SDH帧，省掉了中间的ATM层，从而保留了因特网的无连接特征，简化了网络结构，提高了传输效率，但无优先级业务质量。IP over WDM的优势在于其巨大的带宽潜力，可以满足IP 业务巨大的带宽要求，并解决IP业务的不对称性问题。WDM系统的业务透明性可以兼容不同协议的业务，实现业务会聚。依靠WDM的高带宽和简单的优先级方案，还可以基本解决人们所关心的服务质量（QoS）问题。越来越多的人们认识到：IP over WDM 和IP over SDH 将成为大型IP高速骨干网的主要技术，以疏导高速率数据流。IP over SDH 和IP over WDM 的区别在于承载业务量的大小和适应不对称业务的灵活性上。IP over SDH 传送的颗粒小，更适合我国当前的需要，技术上比较成熟，而且标准化程度高。而IP over WDM 则与光网络相结合，适用于透明城域网内IP的互联或未来大型IP骨干网的核心汇接。从发展来看，IP over WDM 无疑代表着网络发展的方向，它将光网络的发展和IP相结合，可以充分利用光网络的透明传输优越性和光纤的巨大带宽，但是目前它的颗粒太大，没有低于2.5 GBit/s 的接口，但随着低速WDM 接口的出现，它在城域网上应用会越来越多。
IP over WDM 的思路是:不仅省掉了ATM层,也省掉了中间的SDH层，将IP直接放在光路上传输。显然,这是一种最简单直接的体系结构,省掉了中间的ATM层和SDH层,简化了层次,减少了网络设备和功能重叠,减轻了网管复杂性,特别是网络配置的复杂性;额外的开销最低,传输速率
最高;通过业务量工程设计,可以与IP的不对称业务量特性相匹配，还可利用光纤环路的保护光纤吸收突发业务,尽量避免缓存,减少延时;由于省掉了昂贵的ATM交换机和大量普通SDH复用设备,简化了网管,又采用了波分复用,其成本可比传统电路交换网降低一到两个数量级!
如何实现IP直接映射到光网络层，有一种正在研究的新方案――波长分组方案。该方案直接将分组映射到WDM光链路上，将分组定界和物理层结合起来。采用一种新的称之为高速同步帧(HSSF)的结构。HSSF采用SDH125－μs((查资料))帧结构，为链路故障和性能管路提供链路状态标识。HSSF简化了前向纠错(FEC)功能的实现。FEC提高了在WDM系统中的性噪比。简而言之，HSSF实现了于IP over SDH的帧结构，但去除了不必要的SDH功能和开销（如净负荷指针技术）。IP over WDM的最大优势在于巨大的带宽潜力，目前商用化的WDM系统的容量已达到了400GB/S.显然，只有这样的高速率才有可能与未来的巨大的IP业务量相匹配，其他任何技术都不可能与其相比。
WDM的另一个重要特点是有多达数十上百个可用波道，各个波道信号间可以彼此隔离，因而很容易地兼容不同性质和协议的业务，起到业务汇集作用。网络管理者不再需要在同一电路上设法混合各种业务，从而有可能不再需要采用复杂的ATM来汇集种业务，简化了体系结构。至于服务质量问题，IP over WDM的解决思路是靠WDM的高带宽和简单的优先级方案。按排队理论，只有网络利用率超过75％时才需要QoS。当网络利用率低于70%时队列很短或根本不存在排队，常常只需要简单的优先级方案即可,于是将高质量实时业务放在队列前面即可保证QoS。实际业务预测表明，未来业务量中真正高质量的实时业务是少数，因而采用简单的优先级方案和高带宽WDM来处理QoS问题是有一定道理的。
3.2 IP OVER WDM的国际发展动态
近几年来，国际上对IP OVER WDM 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。从国际上的研究与发展来看，一些著名厂商和烟具机构正推出先进产品，建立实验网络，用于展示和验证一些新概念、新方案与新技术，初步形成了IP OVER WDM的体系结构。从标准化研究上看：1984年4月，CISCO,CIENA,LUCENT,NTT,QWEST,SPRINT等网络设备公司和运营公司成立了光互联网论坛OIF(OPTICAL INTERNETWORKING FORUM),并正和ITU-T,ATM论坛等标准化组织合作制定光互联网的技术规范，其中OIF的工作重点是解决光联网方面的问题，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。
1998年，美国开始实施ABILENE计划，建设宽带IP网络，它采用CISCOl2000GSR交换路由器在QWEST公司和NORTEL公司提供的光纤网上建立速率为2.5Gbits/s的IP OVER SONET宽带IP网络，作为美国下一代INTERNET倡议(NGI)和大学的INTERNET 2计划的骨干网。
与此同时，千兆比路由交换机开始进入网络建设，1998年6月，千兆以太网标准获得通过并公布实施，以其优越的性能和较高的性价比表现出了极强的竞争能力，例如：PACKET ENGINES 公司的POWER RAIL 5 200路由交换机已经成功的用于美国华盛顿州建设的教育城域网(EMAN)中。
1998年8月，SPRINT宣布建设第一条采用“IP OVER WDM”的线路(德州 FORT WORTH 至堪萨斯城),其方式是采用CISCOl2000GSR德2.5Gbits/s接口直接接入CIENA的长途WDM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计划－CA*NET3，总投资达1.2亿美元
，它取消了ATM和SONET层，将IP直接在光网上运行，其方式是采用32波长的40Gbits/s的WDM，将全国范围内的10个千兆比入网点(gigapop)之间直接通过WDM传送IP业务，被视为加拿大下一个世纪发展“数字经济”的重要基础。
1998年9月，Frontier Global Center 宣布在旧金山至洛杉机之间的450英里的路由采用
OC-48的“IP OVER WDM”连接，实现数据库更新，IP电话、会议电视及其它WEB应用，在2000年实现了OC-192链路。
1998年，德国的KOMNET计划开始启动，至2002年结束，其目的是“面向正在出现的宽带因特网的光传送和光联网技术(OPTICAL TRANSPORT and TECNOLOGIES for the EMERGING BROADBAND INTERNET)”,整个网络平台将为面向新一代的宽带因特网的光连网接入技术、网元、协议和用户线接入技术提供实验平台。
1999年2月，GTS组建欧洲第一个IP OVER WDM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，并使这些城市和纽约相连。在以后的3年内，在欧洲12个城市之间展开本地交换传送(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跨太平洋海底光缆进行了IP OVER WDM的试验。我国在2001年开通的几个实验网络中(NSFCNET,CAINONET等)，也采用了IP OVER WDM技术，目前一些高校与研究机构也正在积极开展研究。
第四章 结束语
IP技术与WDM技术的结合，使IP数据流直接进入了粒度的光通道，有利于充分综合WDM技术大容量与IP技术统计复用的优势，真正达到IP优化的目的。但对于长期应用，需要规范一种新的最佳的IP对光路的适配功能，即开发一种全新的光线 路接口。这方面尚无统一意见，需要重点考虑的问题包括恒定比特率和突发传输、适配协议和帧结构、物理接口特性、最佳网络结构、生存性策略和网管等。总之，IP over WDM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。
第五章 参考文献：
《光波分复用系统》 纪越峰编著 北京邮电大学出版社
《DWDM 技术原理与应用》 金明晔等编著 电子工业出版社
《光纤通信系统原理与实验教程》 张宝富等编著 电子工业出版社
《光纤通信》 原荣编著 电子工业出版社
《光纤通信》 刘增基等编著 西安电子科技大学出版社
《光纤数字通信技术(修订版)》 解金山等编著 清华大学出版社
第六章 本文关键字
WDM 波分复用 EDFA 掺铒放大器
IP 网际协议 FWM 四波混频
SDH 同步数字网 G.652 常规单模光纤
ATM 异步传输模式 G.653 色散位移光纤
IP OVER WDM 基于波分复用的网际传输协议 G.655 非零色散移位光纤
OSPF 链路状态路有协议（开放最短路径优先） BA 后置放大器
RIP 距离向量路由协议 LA 中继器
QOS 服务质量 PA 前置放大器
SAR 装备分拆重组 DWDM 密集波分复用
OUT 光转发器 LD/LED 半导体激光器/发光二管
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