光传输网路效能升级OTN实现全光化高速联网

  全光化通讯(All-optical Communications)网路的时代已经来临。在2010年以前，光纤通讯技术早已被视为电信与网际网路的主干。2011∼2013年间，Google、Facebook和Amazon等接连推出云端服务，带动云端运算(Cloud Computing)和云端资料中心(Cloud Data Center)蒸蒸日上，而这些大型资料中心正运作着最受欢迎的各类线年后，巨量资料(Big Data)时代来临，更为云端资料中心注入新的发展动力。

  云端运算除大众耳熟能详的虚拟主机、储存装置、应用程序等资源外，由于资讯工程和电信/网路工程领域的差异，导致网路成为最常被资料中心管理者轻忽的关键资源。

  许多不同的产业调查显示，网际网路的频宽需求正以每年超越40%的速度增长，背后成长动力不外乎智慧手机和平板电脑的快速渗透，加上3G/4G高速行动整合网路服务的推波助澜，使得行动用户能随时且快速造访丰富的网际网路内容，当然，该内容的供给也仰赖高效率的云端资料中心。一般网路服务品质(QoS)需求依应用服务的型态，可分为频宽敏感(Bandwidth Sensitive)及延迟敏感(Delay Sensitive)两大类，前者如影音视讯；后者如即时通讯，或者是对两者同时敏感的应用也不少见，如线上游戏等，上述这些关于花了钱的人网路服务的需求，皆是目前当红的线上服务。

  另一方面，4G行动通讯正引领高速行动演进封包核心网路(Evolved Packet Core, EPC)建置风潮，目的是满足电信业专属资料中心网路的巨大频宽需求，而这些需求也带动资料中心网路的热门研究，目前资料中心主要是采用以乙太网路(Ethernet)为主的有线Gbit/s甚至100Gbit/s等不同世代的演进，随每一世代以十倍速的传输速度成长，铜线也开始面临易受干扰等物理挑战。

  此外，光收发装置和光纤传输技术从发明至今受广泛采用仍不到30年；发展初期主要是以长距离电信传输为主，之后由于成本降低和频宽需求提高等因素，公司开始采用做为建筑内的垂直网路主干线，进而应用到水平主干线甚至大楼间的串连干线，至今已是稀松平常的技术；目前在电信产业更拓展到接取网路技术，如光纤到建筑(FTTB)、光纤到府(FTTH)，企业网路也一路推展光纤到桌面(FTTD)等概念，部署成本问题预计不大。

  如今，2000年后一度淡出市场的高速光通讯技术，预期将重新站上舞台，短期内大众便有机会见到以全光通讯网路为基础的资料中心，抑或电信核心网路。

  2000年以前，为提高光缆的利用效率和降低部署的成本，科学家们便发明更精进的波长分波多工(Wavelength Division Multiplexing, WDM)技术，常称为密集分波多工(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)技术，指的是一种不同于传统单一光波长基频(Baseband)的多波长宽频(Broadband)光传输技术，其在单一光纤芯内承载多个不同波长的雷射光，可同时在同一条光纤内传送资料，读者可理解为在单一空间内允许多重频率的无线电波存在，而不致相互干扰的概念。

  透过DWDM技术，能使原本单一光纤增加至少四倍，甚至二百五十六倍以上的资料传输量，同时也可在单芯光纤内承载双向资料传输，增加网路可靠度。现行支配区域网路市场的乙太网路技术，采取实体传输媒体与传输控制层分离的设计，因此相同的传输速度可有多样性的实体传输媒体选择。

  早在采用10M版本的1980年代，乙太网路可以再一次进行选择10BASE-F的光传输技术；1990年代100M版本的Fast Ethernet也可选择100BASE-FX的光介面；到了1998年推出1G版本的Gigabit Ethernet(GBE)时代，选择性就更多了，如1000BASE-CX/SC/LX/ZX的光介面，主要不同来自搭配的光纤材质单模抑或多模、传输功率及波长等参数，因此应用主要差异在于最大传输距离的性能表现。

  待2002年推出10G版本的10Gigabit Ethernet，可搭配的光介面更多，有10 GBASE-SR/LR/ER/SW/LW/EW等选择，这代虽然还有电介面铜双绞线等选择，但由于距离太短，所以不常被产业界使用。

  10G世代在产业应用上的另一革命性突破，在于不再自我设限小范围区域网路(LAN)的应用，而能被长程广域网路(WAN)采用，因此媒体控制层可以直接连接广域网路实体层(WAN PHY)，亦即其能直接跟美规电信网路的SONET OC-192和欧规的SDN STM-64系统连接，促使全球光纤传输网路技术合流，不再严格区分电信(Telecom)/数据(Datacom)使用目的，因此得以在不同应用场合自由选择使用连接介面。

  自2006年开始定义的40G/100G版本，在今年将已完工，为达成高速需求，该乙太网路技术首度引进DWDM的概念，自传输控制层连接实体层，可采用多组传输通道(Lane)设计，并能在实体层平行接收多组Lane的讯号，再各自耦合多个不同波长传递；此外，40G速率是分成可各自传递10Gbit/s波长的四组Lane以传输；100G则是分成四组25G或是十组10G传递，以实现40G/100G的速率(图1)。

  xPON技术名为被动的原因，是因为其在局端称为OLT(Optical Line Terminal)设备，在下行方向可透过不须供电的分配器，将数据封包以一对多(Point-To-Multipoint)的方式，分配到每一个用户端的光网路单元(Optical Network Unit, ONU)；在上行方向则透过特殊的端点控制协议(Multi-Point Control Protocol, MPCP)完成上传使用权的协调与排程机制，正因上下行采用不一样波长，因此可达到全双工传输的要求；至于下行频宽需求较大，能透过DWDM方式合并多个波长提供更大频宽，实现非对称的上下行传输。

  此外，xPON封包格式系参考乙太网路的设计，只加上一个实体层表头(PHY.Header)，这种特殊类型的光网路称为光纤分布网路(Optical Distribution Network, ODN)。综上所述，由于xPON能节省光纤与主动元件，以及部署和维运容易等优点，所以即便如台湾中华电信的光世代服务采用另一种ITU的GPON标准，但运作原理大同小异，预期这些乙太网路家族可成为下一代全光化云端资料中心、含4G/5G的全光化电信核心网路，以及全光化电信传输网路(Optical Transport Network, OTN)的基础。

  不同于由IEEE主导的Ethernet标准，OTN起源2001年ITU成立的G.709标准委员会，原先欲设计融合多种不同光纤用户终端装置的多工光传输网路，不过目前OTN主要的运作方式系采用DWDM技术，使每芯光纤皆能承载八十个波长，而每一波长可提供2.7/10.7/43G等三种速率选项(OTU1/2/3)，经过高弹性层级多工，可让总频宽达到1T，提供用户端网路介面(User To Network Interface, UNI)可透通(Transparent)传送至各种用户端电路，如SONET/SDH、ATM、IP、10GbE、光纤通道(Fiber Channel)、ESCON、通用射频介面(CPRI)，甚至OTN讯号本身。

  该讯号被加上表头后可做为光通道汇入光多工器，藉由光纤网路传递，沿路可置入新加入的光通道讯号，或将讯号落地(Drop)，透过解多工器将数据送至用户端网路介面，其大容量频宽电路调度能力非常优越；此外，G.709规范定义UNI及网路节点介面(Network Node Interface, NNI)两种形式；一般用户多采取UNI方式连接入网为主，服务供应商或专业用户可采用NNI方式接入。

  另外定义管理网域间介面(Inter-Domain Interface, IrDI)为不同电信营运商光传输网路间的互连介面；管理网域内介面(Intra-Domain Interface, IaDI)则为同一营运商内部网路设备间的互连介面。无论IrDI或IaDI，不同厂牌设备间都可采用IrVI介面；而相同厂牌则可选择采用IaVI介面，意即开放厂商自行定义独家连接方式，可不必考虑跨厂牌之间的互连性。此外，每一介面同时皆具有三类不同性质(图3)。

  电信传输网尤以强固性(Robustness)、扩展性(Scalability)、低延迟(Low Latency)为重要；OTN为汲取SONET/SDH多工传输网路营运经验及优点所发展出的全新设计，提供建立下世代光传输网路的途径，定义包含阶层式架构、效能监控、自我保护、时间同步(±20ppm)、前向纠错(Forward Error Correction, FEC)、光通道管理、故障分析及其他营运支援管理(OAM)功能，此外OTN更具备自我优化网路管理功能，能实现用户高频宽/低延迟的服务需求。

  传统电信骨干网通常采取树状、星状或环状的拓扑设计，不过性能仍有不足之处，但OTN的网路特性则很适合用来建立网状(Mesh)拓扑的骨干网路。电信营运商期望拥有99.999%的绝佳网路服务品质，并降低建置与维运成本，因为一旦成本能降低至电信营运商接受范围内，前述特性都将促使OTN成为建置下一代骨干网路的首选。

  从字面上来看，全光通讯有两种意义，其中广义定义是端对端间(End-To-End)全透过光的介质通讯，该技术在今日早已不成问题；另一种狭义定义则是交换节点内部，考虑光电转换机制会引进大量的传输延迟，设计便完全不采取电子形式处理讯号，而是让所有交换动作全以光的形式(Optical Domain)完成。

  除了插入、删改光讯号的难度外，封包交换尚须倚靠暂存与等待的机制，但目前仍缺乏有效的光讯号储存器，因此这种“全光交换”的定义，在今天即便不是不可能达成，成本却未能降低至为商业大范围的应用的程度。

  换言之，现阶段所有光交换/光通讯装置，内部运作仍采取先将接受到的光讯号转为电子讯号，处理后再转回光形式传送的模式(Optical-Electrical-Optical)，至于此世代产品又通称为混合光交换(Hybrid Optical Switching)，如典型的光塞取多工器(Optical Add-Drop Multiplexer)，内部采用的光交叉连接结构(图4)，较适合电路交换(Circuit Switching)的服务模式。

  值得注意的是，这类交换结构拥有两种特性，首先是控制信令(Signaling)与承载(Payload)分离，该控制信令有可能预先设置好固定转送路径，因此不常更动，或者讯号会从独立的光通道/时槽中提取出来；再者是所有到达的光封包必须先经过光电转换后才能进入交换中枢处理，待确定路径后再经过一次电光转换送出。

  此外较复杂的案例是传统支援光介面的路由器/交换器(图5)，由于其以封包交换方式运行，而路由/转送资讯是摆放在封包表头中，所以必须先转至电讯号，让表头进行绕径处理程序，接着承载部分进行交换处理程序，之后才合并表头与承载，因此表头部分往往已经改变，最后才再转回光的形式送出。

  上述过程历时延迟很可能高达毫秒(ms)等级，然而，DRAM的读写动作将引进更多的时间延迟，这也就是实际测量的效能数据往往远低于理论交换速率的根本原因。

  近10年来，相关领域的科学家首先提出一种折衷的光突发交换(Optical Burst Switching, OBS)方案，其结合OPS(Optical Packet Switching)及OCS(Optical Circuit Switching)的优点，并避免两者缺点，有助克服目前光网路元件的瓶颈，不需光随机存取记忆体，便能达到提升光学传输之频宽使用效益，成为下一代光学网路的重要候选技术。

  OBS交换技术运作方式，首先在入口路由器(Ingress Router)收到光突发封包，计算抵达目的地的最短路径，并采用单向资源预留方式，以专门突发控制封包(Burst Header Packet, BHP)做为快速资源配置的控制信令，再请求路径上每一个OBS转送节点，提供该突发封包保留传输及交换所需资源(图6)。

  该BHP的传送必须在光突发封包之前，以确认沿路的OBS交换节点完成路径切换动作，最后光突发封包便沿着已建立好的路径直达目的地，过程中在每一节点毋须进行前述光电转换的动作，即以全光交换一次完成传送动作，并且OBS拥有高频宽使用率及高传输速度的优点，同时也有封包冲突、遗失的隐忧。

  随网路流量增加，此路径的光交换机及光通道将有较高使用率，当过多封包在伫列等待时，进入OBS光突发的数量会快速上升，光突发在OBS散布愈多，经此路径的光突发可能会同时使用同通道，因此造成碰撞的机率便大为提升，而发生碰撞产生突发封包以致被丢弃，将产生可观的代价。除此之外，发生碰撞所造成的封包遗失也必须等到传输端发觉逾时后，才能由End Users重新传送，其易传输延迟的特性较不符合对服务品质敏感的应用。

  事实上，光通讯领域的科学家，目前仍汲汲追求“不折衷”的光封包交换(OPS)技术，或是另一种光标签交换的终极解决方案，如此一来光形式的IP封包，便可进入光交换引擎(Optical Switch Fabric)，并在内容不转换为电的前提下，达到全光交换的目标。

  基于微机电系统(MEMS)的全光交换机在入口光埠/出口光埠之间使用微型分光棱镜、偏光镜阵列，阵列中的分光棱镜元件便可在光纤之间，任意调整角度改变光波长和光束传导方向，达到即时对光讯号进行重新绕境的目的。当一路光讯号照到偏光镜面时，MEMS可控制镜面倾斜角度，以便将其导向到某一特定光出口埠中，实现全光交换的目的。

  MEMS最大的缺点是机械控制动作引进大量时间延迟，约在ms等级，是目前实用性方面有待克服的挑战；至于怎么来控制MEMS元件，同时也在光领域完成，只要设想IP封包在传统路由器的处理过程，便知道这是不易达成的目标。

  首先，IP封包表头中诸多栏位必须经比对或选择后再进行后续控制程式，如版本(Version)、服务型态(ToS)、状态旗号(Flag)等，比对早已不是问题，选择等控制工作也倚靠MEMS元件，这些技术目前在光元件的发展都不成问题。

  其次，部分栏位一定要经过目的位址查表，如来源/目的位址，若要在光领域完成，须有成熟的光随机存取记忆体，如前述目前尚有技术瓶颈，不过业界已开发一种光延迟线(Fiber Delay Line, FDL)元件，但它只能循序暂存光讯号，且容量有限、成本也太高；体积、功耗等也是问题。

  再者，部分表头栏位必须经过计算，如校验和(Checksum)、封包长度、区段偏移(Fragment Offset)等，这部分任务已可透过简单的光逻辑闸进行加减法，但更复杂的乘除法仍待改善时间延迟性；最后，某些栏位计算后还须予以替换，如TTL(Time To Live)，这部分技术目前尚称成熟；综上所述，实现OPS商业应用困难重重。

  如此一来，在光领域内对标签的处理工作就简化到具有可行性，或者即便光标签转回电领域处理，其时间延迟都尚在可接受的范围。

  因此，作者觉得OLS是最有潜力的下一代全光交换技术，虽然OLS理论上运作已不倚靠随机式光记忆体，但其对循序式的光记忆体，亦即FDL元件仍有一定要求，同时也引进光组网复杂度，如光标签的产生、散布与波长分派等。

  OPS和OLS的内部运作结构(图7)，二者交换引擎都已全光化，承载数据也毋须经过光电互转的程序，带来的高速交换效益相当可观，只有极少比例的控制讯号仍旧需要光电转换。

  OTN标准并未规范交换机内的交换引擎形式，目前市售产品，受限于技术成熟度，大多设计仍是电交换引擎的形式，不过笔者相信多家在光通讯领域具主导性的厂商，私下已开始研发光交换引擎形式的OTN产品，只是技术挑战性太高，现在难以看出端倪。

  采用光交换及光传输技术进行高速骨干网路布建，为新一代电信网路提供了优越的技术基础，既可达到Layer 3的灵活性及可扩展性，也能达到Layer 2的快速交换、流量管理、安全性及QoS保障，并整合语音、数据、传真、视讯传输与网路通讯等多样化服务，满足未来云端、4G/5G行动网路高速且大量传输的需求。

  综上所述，全光交换的OTN技术，继上个10年的Wireless Internet风潮后，正在为下一代Optical Internet高速联网世代准备好。