OFweek光通訊網消息，自電信網絡產生開始，骨干傳送網便隨之產生。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，實現橫跨大西洋的無線電通訊，距離超過3000公里。經過100多年的網絡變遷，骨干傳送網的發(fā)展已經到一個新的高度，線路速率從64Kb/s提升至8Tb/s，傳送距離從數百公路提升至上萬公里，成為連接全球通信網絡的紐帶。本文將從業(yè)務變化角度分析骨干網的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢。

　　1、業(yè)務和網絡的變遷

　　從傳統(tǒng)意義上看，通信網承載的業(yè)務主要包括固定電話業(yè)務、無線電話業(yè)務及數據業(yè)務。20世紀60~80年代，得益于數字通信、計算機技術等的發(fā)展，通信業(yè)務和網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，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，網絡模型為逐級匯聚交換的層次化結構，并同時表現為一種業(yè)務一個網絡的煙囪結構。骨干傳送網在網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，因此骨干傳送網主要承載基于規(guī)劃的P2P流量，并在網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，網絡架構逐步完成了IP化，從而實現了煙囪網絡的融合和網絡層次的扁平化。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?；ヂ摼W業(yè)務在ALL IP的推動下迅速發(fā)展，并歷經了從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，網絡模型演變?yōu)镃lient-Server的結構。骨干承載網由多種核心網業(yè)務承載至PDH、SDH開始轉變?yōu)榻y(tǒng)一的IP承載。由于互聯網數據業(yè)務流量占比的快速提升，骨干網流量流向趨于離散，并受IP技術影響轉為不可控。此時，IP承載成為骨干網的主要承載技術，骨干傳送網轉為解決大帶寬、長距離的底層物理組網問題，DWDM技術逐步成為骨干傳送網的主要選擇。

　　21世紀第二個10年，我們開始經歷通信業(yè)務的第三次變革。以視頻、云計算驅動的業(yè)務和網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絡的主導流量，帶來了低收斂、扁平化的網絡需求，致使帶寬增長數十倍，驅動業(yè)務速率向Gb/s演進，流量大型化成為趨勢。其次，網絡模型開始向云數據中心－本地/前端數據中心&CDN－用戶的架構轉變，一定程度上緩解了骨干網的流量壓力，流量開始重新集中化。第三，計算機技術進一步發(fā)展，軟件定義網絡（SDN）等前沿技術不斷涌現。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應該是我們目前可以看到的方向。

　　2、骨干傳送網的發(fā)展本質上是光、電產業(yè)鏈的更迭和鐘擺式上升

　　自2000年以后，骨干傳送網的發(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，骨干網流量對帶寬的訴求一直成指數增展，近年需求還有不斷增加的趨勢。而我們看到骨干網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，骨干傳送網才重新獲得了騰飛的動力。歸根到底，這和DWDM產業(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，也就是借助電產業(yè)鏈去提升光產業(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，并促進運營商網絡快速切換到100G平臺。

　　當然，我們現在再回顧骨干傳送網的發(fā)展歷史，才會發(fā)現這個“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完成該網絡部件的功能。自SDH骨干網發(fā)展為IP+DWDM骨干網后，DWDM曾一度淪為純線路技術，也就是不參與組網，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全光交換的主導者。

　　縱觀骨干傳送網架構的發(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和香農極限

　　骨干網線路技術一度沿著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最大的傳送帶寬，并通過編碼、調制、補償等技術的進步來克服衰耗、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，骨干傳送網的本質是在指定的頻譜和距離內傳送更多的信息。而這受香農定理的制約?！鞠戕r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據信號時，數據傳輸率Rmax與信道帶寬B，信噪比S/N關系為： Rmax=B*Log2(1+S/N)?！恳虼耍嵘齻魉腿萘?，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，當前100G系統(tǒng)使用50GHz的譜寬，采用PDM-QPSK調制，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的傳送效率已經開始逼近香農極限。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。當前我們已經看到運營商在進行單波長2T的傳送實驗，在375GHz的譜寬內傳送2T信號，采用16QAM的編碼，在約1500km光纖內獲得了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，Flex Grid將成為速率提升的關鍵。此外，從香農定理可以看到，OSNR成為另一個決定因素?；谲浥袥Q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，自由網絡

　　骨干網交換技術發(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，都是骨干傳送網的核心組成。只要骨干網業(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，用以實現業(yè)務的疏導、調度、整合、復用/解復用等。其目的是構建一個對業(yè)務自由的網絡。

　　早期骨干傳送網的交換是基于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，極大的增加了網絡的成本。FOADM技術出現，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)務調整和變化時限制很大。因此，ROADM隨之產生?？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作為骨干傳送網的電交換架構，前后經歷了近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，網絡的自覺

　　在談到軟件對于骨干傳送網的價值時，我們不得不去面對這個網絡自覺的命題。當前骨干網最新、最熱的網絡自覺，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絡復雜、封閉的問題，推進網絡的開放和標準化。但事實上，這是一次網絡徹底自覺的開始。SDN帶來標準化的底層網元、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絡的智能化。對于骨干傳送網而言，在ASON時代打下的良好基礎有助于傳送網快速走向SDN。預計基于PCE的技術在1年內將商用，并成為傳送SDN的基礎部件，給骨干傳送網帶來網絡虛擬化、應用層與網絡層協同等全新的功能。

　　骨干傳送網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）