OFweek光通訊網(wǎng)消息，自電信網(wǎng)絡產(chǎn)生開始，骨干傳送網(wǎng)便隨之產(chǎn)生。1877年，在貝爾發(fā)明電話后的第二年，波士頓和紐約架設的第一條電話線路開通了，兩地相距300公里。1901年，在“馬可尼無線電報有限公司”成立后4年，在英國與紐芬蘭之間，實現(xiàn)橫跨大西洋的無線電通訊，距離超過3000公里。經(jīng)過100多年的網(wǎng)絡變遷，骨干傳送網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)到一個新的高度，線路速率從64Kb/s提升至8Tb/s，傳送距離從數(shù)百公路提升至上萬公里，成為連接全球通信網(wǎng)絡的紐帶。本文將從業(yè)務變化角度分析骨干網(wǎng)的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢。

　　1、業(yè)務和網(wǎng)絡的變遷

　　從傳統(tǒng)意義上看，通信網(wǎng)承載的業(yè)務主要包括固定電話業(yè)務、無線電話業(yè)務及數(shù)據(jù)業(yè)務。20世紀60~80年代，得益于數(shù)字通信、計算機技術等的發(fā)展，通信業(yè)務和網(wǎng)絡完成了第一次變革，逐步從軍用擴大到民用。進入90年代后，以PSTN、GSM為核心業(yè)務的通信網(wǎng)，取得了飛速的發(fā)展。這個階段，業(yè)務速率以2Mb/s等低速為主，業(yè)務接口多元化，網(wǎng)絡模型為逐級匯聚交換的層次化結構，并同時表現(xiàn)為一種業(yè)務一個網(wǎng)絡的煙囪結構。骨干傳送網(wǎng)在網(wǎng)絡中的主要作用是提供長途交換局之間的連接。由于業(yè)務模型決定了長途局之間的流量流向是可規(guī)劃、可控的，因此骨干傳送網(wǎng)主要承載基于規(guī)劃的P2P流量，并在網(wǎng)絡上對這些流量進行匯聚和分插復用。此時，PDH、SDH技術順應了業(yè)務發(fā)展的要求。

　　進入2000年，以ALL IP和移動業(yè)務為核心的第二次通信業(yè)務變革，在新的10年中逐步完成。在此期間，網(wǎng)絡架構逐步完成了IP化，從而實現(xiàn)了煙囪網(wǎng)絡的融合和網(wǎng)絡層次的扁平化。同時，在3G的帶動下，移動業(yè)務快速崛起，固定話音業(yè)務逐漸衰退?；ヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務在ALL IP的推動下迅速發(fā)展，并歷經(jīng)了從FTP到Web、P2P等業(yè)務模式的變遷。這個階段，業(yè)務速率逐步提升到10M、100M，業(yè)務接口逐步統(tǒng)一到Ethernet/IP，網(wǎng)絡模型演變?yōu)镃lient-Server的結構。骨干承載網(wǎng)由多種核心網(wǎng)業(yè)務承載至PDH、SDH開始轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一的IP承載。由于互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務流量占比的快速提升，骨干網(wǎng)流量流向趨于離散，并受IP技術影響轉(zhuǎn)為不可控。此時，IP承載成為骨干網(wǎng)的主要承載技術，骨干傳送網(wǎng)轉(zhuǎn)為解決大帶寬、長距離的底層物理組網(wǎng)問題，DWDM技術逐步成為骨干傳送網(wǎng)的主要選擇。

　　21世紀第二個10年，我們開始經(jīng)歷通信業(yè)務的第三次變革。以視頻、云計算驅(qū)動的業(yè)務和網(wǎng)絡架構變化正在醞釀，去電信化、IT化成為新的方向。首先，以OTT為主的視頻流量成為網(wǎng)絡的主導流量，帶來了低收斂、扁平化的網(wǎng)絡需求，致使帶寬增長數(shù)十倍，驅(qū)動業(yè)務速率向Gb/s演進，流量大型化成為趨勢。其次，網(wǎng)絡模型開始向云數(shù)據(jù)中心－本地/前端數(shù)據(jù)中心&CDN－用戶的架構轉(zhuǎn)變，一定程度上緩解了骨干網(wǎng)的流量壓力，流量開始重新集中化。第三，計算機技術進一步發(fā)展，軟件定義網(wǎng)絡（SDN）等前沿技術不斷涌現(xiàn)。軟件的作用也被提升到前所未有的高度。目前，這些正在發(fā)生的變革對骨干傳送網(wǎng)的沖擊還沒有完全明確。但一個架構融合的、可重構的、擁有超級帶寬和強大軟件功能的骨干傳送網(wǎng)應該是我們目前可以看到的方向。

　　2、骨干傳送網(wǎng)的發(fā)展本質(zhì)上是光、電產(chǎn)業(yè)鏈的更迭和鐘擺式上升

　　自2000年以后，骨干傳送網(wǎng)的發(fā)展開始聚焦到DWDM技術的發(fā)展上來。1990年代中期，DWDM單波以2.5G速率為主；2000年左右演進至10G；2008~09年，40G開始規(guī)模部署；而當前100G時代已經(jīng)到來。這個過程中，決定性的因素其實是每bit傳送成本。事實上，骨干網(wǎng)流量對帶寬的訴求一直成指數(shù)增展，近年需求還有不斷增加的趨勢。而我們看到骨干網(wǎng)速率提升卻不是線性發(fā)展的，可以說在整個21世紀前10年，骨干網(wǎng)速率的提升是較慢的，我們可以看到運營商在部署一個又一個完全重疊的N*10G DWDM骨干平面。直到100G的到來，骨干傳送網(wǎng)才重新獲得了騰飛的動力。歸根到底，這和DWDM產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展有不可分割的關系。

　　在2.5G、 10G、40G波長時代，技術的進步主要取決于光技術的更新。到了40G時代，由于編碼、調(diào)制等技術的不統(tǒng)一，以及光器件自身的高技術門檻和發(fā)展周期，導致整個成本的下降趨緩，產(chǎn)業(yè)鏈的投入也比較發(fā)散。因此，我們可以看到40G的應用一直比較遲緩。

　　然而業(yè)務的對流量的渴望無法允許技術的停滯。為解決光技術突破周期長的問題，引入電處理就成了一個解決辦法。100G時代最大的突破，是引入了相干光技術和DSP技術，而這兩者又是相輔相成的。相干光使100G調(diào)制技術統(tǒng)一到QPSK，并徹底解決了色散和PMD的物理限制。而這一切都得益于DSP的強大的信號處理能力，也就是借助電產(chǎn)業(yè)鏈去提升光產(chǎn)業(yè)鏈的能力。并使業(yè)界原本發(fā)散的研究方向，集中到相干DSP芯片和FEC算法等領域的投入上來。所以，我們看到，DWDM在100G時代的性能、成本改善非常迅速，并促進運營商網(wǎng)絡快速切換到100G平臺。

　　當然，我們現(xiàn)在再回顧骨干傳送網(wǎng)的發(fā)展歷史，才會發(fā)現(xiàn)這個“鐘擺”式上升的規(guī)律。也就是光－電－光循環(huán)演進的規(guī)律。這個8~9年的周期目前已到了一個新的轉(zhuǎn)變階段。隨著超100G的發(fā)展和流量對成本的苛刻訴求，光技術又面臨新一輪的突破。如Super Channel、硅光等新技術的興起，代表下一個光時代即將到來。

　　在交換領域也遵循著類似線路領域的規(guī)律。早在2000年通信泡沫階段，光交叉的概念就已經(jīng)被熱炒，當時主要是基于MEMS的OXC方案。由于其應用場景、技術實現(xiàn)都沒有完全理清，加之泡沫破滅導致需求回歸理性，因此，在21世紀早期，仍由SDH/DXC完成該網(wǎng)絡部件的功能。自SDH骨干網(wǎng)發(fā)展為IP+DWDM骨干網(wǎng)后，DWDM曾一度淪為純線路技術，也就是不參與組網(wǎng)，僅提供P2P連接。但這也帶來了業(yè)務疏導、承載效率和管理的問題，因此骨干傳送網(wǎng)的交換技術在DWDM系統(tǒng)上也應運而生。2004~06年，以FOADM、ROADM為代表的光交換技術在DWDM系統(tǒng)上商用。受業(yè)務模型影響，具備交換能力的DWDM系統(tǒng)首先在城域應用，然后逐步延伸到干線領域。

　　隨著IP化的深入發(fā)展，傳統(tǒng)的FOADM、ROADM越來越不適應業(yè)務的變化。其較大的交換粒度和較高的器件成本，決定了應用場景相對受限。與此同時，基于OTN的電交換技術開始飛速發(fā)展。網(wǎng)絡化的DWDM系統(tǒng)需求和分組技術的引入，使基于電交換的OTN價值凸顯。目前，正是OTN部署的黃金時代，其與分組交換技術的融合也成為行業(yè)的共識。

　　交換技術的未來發(fā)展，也不可避免的將回到“鐘擺”模式。目前，大家都在等待光技術的突破。電交換在容量和功耗上會遇到電子瓶頸，必須依賴光技術來解決。PPXC等前沿技術，有可能是下一個周期內(nèi)全光交換的主導者。

　　縱觀骨干傳送網(wǎng)架構的發(fā)展，是一系列技術進步的組合，而不是單點的演進。光領域技術更迭的長周期特性，導致了必須依賴電領域的快速技術進步來促進整體技術的發(fā)展。這也就是我們前面提到的 “鐘擺”模式。在可以看到的未來，這個趨勢還會更加明顯。下文，我們再進一步闡述骨干傳送網(wǎng)在線路技術、交換技術和軟件技術等領域的發(fā)展。

　　3、線路技術的發(fā)展，超100G和香農(nóng)極限

　　骨干網(wǎng)線路技術一度沿著SDH 155M→622M→2.5G→10G，DWDM 2.5G→10G→40G→100G的規(guī)律發(fā)展。當單波速率超過100G后，規(guī)則開始改變。近20年來，業(yè)界一直致力于提升單波速率和縮小單波譜寬，以換取在光纖可用頻譜內(nèi)最大的傳送帶寬，并通過編碼、調(diào)制、補償?shù)燃夹g的進步來克服衰耗、色散、PMD、OSNR等的物理層性能影響。

　　實際上，拋開錯綜復雜的技術，骨干傳送網(wǎng)的本質(zhì)是在指定的頻譜和距離內(nèi)傳送更多的信息。而這受香農(nóng)定理的制約?！鞠戕r(nóng)定理：描述了有限帶寬、有隨機熱噪聲信道的最大傳輸速率與信道帶寬、信號噪聲功率比之間的關系。在有隨機熱噪聲的信道上傳輸數(shù)據(jù)信號時，數(shù)據(jù)傳輸率Rmax與信道帶寬B，信噪比S/N關系為： Rmax=B*Log2(1+S/N)。】因此，要提升傳送容量，要么使用更多的頻譜，要么降低對噪聲的容忍程度。在光纖傳送系統(tǒng)內(nèi)，當前100G系統(tǒng)使用50GHz的譜寬，采用PDM-QPSK調(diào)制，在2000km傳送距離上的頻譜效率約2b/Hz。如果要提升至200G，在同樣譜寬的效率就需要達到4b/Hz，需采用更高階的調(diào)制如16QAM，傳送距離相應會縮短至約1500km以滿足OSNR的要求，這也符合香農(nóng)定理的約束。在當前商用的技術條件下，4b/Hz的傳送效率已經(jīng)開始逼近香農(nóng)極限。要傳送更高的速率，要么用更寬的頻譜，要么傳更近的距離，最終取得一個平衡。當前我們已經(jīng)看到運營商在進行單波長2T的傳送實驗，在375GHz的譜寬內(nèi)傳送2T信號，采用16QAM的編碼，在約1500km光纖內(nèi)獲得了C波段21T的容量。

　　因此，從100G時代開始，傳送的規(guī)則已經(jīng)開始改變。從追求頻譜效率的提升開始向追求系統(tǒng)總容量改變，F(xiàn)lex Grid將成為速率提升的關鍵。此外，從香農(nóng)定理可以看到，OSNR成為另一個決定因素。基于軟判決的FEC成為業(yè)界研究的主要方向，用以改善系統(tǒng)對噪聲的容忍程度，以獲得更長距離的傳送性能。因此，軟件算法也成了光領域的追逐對象。

　　4、交換技術的發(fā)展，自由網(wǎng)絡

　　骨干網(wǎng)交換技術發(fā)展的精彩程度一點也不遜于線路技術。交換技術與線路技術一樣，都是骨干傳送網(wǎng)的核心組成。只要骨干網(wǎng)業(yè)務模型是離散的，業(yè)務速率是不統(tǒng)一的，交換技術就有應用價值，用以實現(xiàn)業(yè)務的疏導、調(diào)度、整合、復用/解復用等。其目的是構建一個對業(yè)務自由的網(wǎng)絡。

　　早期骨干傳送網(wǎng)的交換是基于DXC的電交換，目的是完成多種級別低速信號的調(diào)度，期間OXC曾短暫的興起。在ALL IP時代，IP Router完成了大部份的交換功能，DWDM退縮為線路技術。這種架構很大程度上限制了網(wǎng)絡的自由性，所有業(yè)務必須逐站上下來完成整合，極大的增加了網(wǎng)絡的成本。FOADM技術出現(xiàn)，一定程度上降低了DWDM系統(tǒng)的復雜度。但FOADM的缺點是不靈活，在業(yè)務調(diào)整和變化時限制很大。因此，ROADM隨之產(chǎn)生?？梢哉f，ROADM在很大程度上使DWDM系統(tǒng)和上層業(yè)務設備解耦，業(yè)務傳送不再受限，并讓DWDM從P2P的線型結構重回網(wǎng)絡化的結構。目前無色（colorless）、無方向（directionless）、無阻（contention less）成為研究的熱點，CDC ROADM可以構建一個完全意義上的無阻塞光網(wǎng)絡。未來，PPXC等更大容量的光交換技術也會逐步走向商用。

　　ROADM代表了典型的光層交換網(wǎng)絡，其特點是容量巨大（當前9維ROADM交換容量可達72T）、功耗低，但缺點是成本高、無法處理小顆粒業(yè)務。因此，電交換就成了不可缺少的補充。OTN作為骨干傳送網(wǎng)的電交換架構，前后經(jīng)歷了近10年的坎坷發(fā)展。由于ROADM、SDH、IP分別覆蓋了波長級、155M~2M級別、IP包級別粒度的交換范圍，留給OTN這類子波長級別的交換場景一度較少。隨著40G、100G等線路速率的不斷提升，而客戶側速率仍停留在GE、10GE時代，速率差導致OTN調(diào)度的需求越來越強烈。因此，自2010年開始，OTN在全球的部署進入高速增長階段。同時，OTN技術也在不斷的發(fā)展。ODU flex技術使OTN的粒度更加靈活。同時，OTN交換也開始融合SDH交換和分組交換，極大的增強了OTN的生命力。

　　5、軟件的價值，網(wǎng)絡的自覺

　　在談到軟件對于骨干傳送網(wǎng)的價值時，我們不得不去面對這個網(wǎng)絡自覺的命題。當前骨干網(wǎng)最新、最熱的網(wǎng)絡自覺，就離不開SDN了。自2008年從斯坦福大學提出OpenFlow以來，SDN的原始訴求是解決網(wǎng)絡復雜、封閉的問題，推進網(wǎng)絡的開放和標準化。但事實上，這是一次網(wǎng)絡徹底自覺的開始。SDN帶來標準化的底層網(wǎng)元、獨立和集中的控制器和面向應用開放的API，將軟件能力徹底從設備層面解放出來，獲得與硬件同樣甚至更廣的發(fā)展空間，可以預見將極大的推動網(wǎng)絡的智能化。對于骨干傳送網(wǎng)而言，在ASON時代打下的良好基礎有助于傳送網(wǎng)快速走向SDN。預計基于PCE的技術在1年內(nèi)將商用，并成為傳送SDN的基礎部件，給骨干傳送網(wǎng)帶來網(wǎng)絡虛擬化、應用層與網(wǎng)絡層協(xié)同等全新的功能。

　　骨干傳送網(wǎng)的技術演進已到了一個全新的高度。未來，基于超100G、大容量OTN、全光交換和SDN的技術進步必將推動骨干傳送網(wǎng)持續(xù)發(fā)展。

　　作者1：鄭波（中訊郵電咨詢設計院有限公司高級工程師）

　　作者2：翟麗平（華北水利水電學院講師）