全光网络的前世今生

序

每日下班夜归，挤地铁挤破了头，于是自寻一条新路，走路到上海火车站，坐新嘉专线到家门口，全程1小时多一点，比地铁转来转去快多了，有时做实施技术支持也经常打车回家，和新嘉专线路线一样，都是南北高架转入中环再转入沪嘉高速开到底...车上不能看书了就只能想像，每有不解之处却忘了自己还有个每月都用不完流量的iPhone，顿悟时却已开窍，刚开屏的iPhone便又锁上了...疾驰在高架高速道路，心里当然也是天马行空，对网络的兴趣保持了这么多年确实不易，实际上自己做的工作跟网络关系有一点却不是很大，自以为所谓的光网络就是FDDI，SDH，却发现如今早就有了光层，就好像我舅舅只知道80年代末的互通式立交，却不知道如今到处都是高架道路一样，都是全立交，然而后者的容量却大了很多，好似光层...突然发现全立交道理的发展和光网络的发展是如此的类似，今天终于闲下来一些，便总结了此文。
----癸巳年丁巳/乙亥 亥时 银行排错完毕的士上 司机同我都是夜归人
光的优势在于光波的传输性能，其短板在于其控制能力。光可以轻而易举的实现数Tb/s的带宽，然而问题是如此神速的超高速公路上如何实现控制逻辑？！典型的控制逻辑比如路由，比如交换等。而我们知道，电子计算机可以实现复杂的控制逻辑，三态电子门可以组合成任意复杂的控制逻辑，能否实现光域传输电域控制呢？理想是好的，然而二者努力的并不是一个方向，在同一个方向，二者工作能力相差何止一个数量级！全电网络我们已经遇到了带宽与QoS瓶颈，不得不引入复杂至极的流量工程，于是就进入了下一个大胆的设想，全光网络！
全光网络，多么美好的憧憬啊！以往的网络都是基于计算机的，而计算机又是基于电子的，总体来讲，能实现这一切的最伟大的东西就是所谓的三态门，如果真的实现全光控制，学界，商界等纷纷上阵，起初希望要在光域搞定三态门，而实际上这条路偏了些，光域本身自有更好玩的，最重要的，光的波粒二象性导致它不可能表现的完全像电子那样。基于电子的控制平面实现是目前光网络的一个效率短板，如果实现全光网络，网络的全立交化将成为现实，我们来看一下网络的全立交化。
上海的南北高架进内环或者进中环不需要任何的由于信号灯而引发的等待，只需要将车依照路标开入对应匝道即可上路，我们看到，立交化的道路是一个三维的道路网，而车流的运行范围(基于源和目标的经纬度，不考虑将车开上环球金融中心高层的展厅...)却在一个二维的平面，其实就是三位立体空间复用，然而地面道路就不好了，要么是等信号灯变绿，要么绕大转盘，总之等待的几率会大大增加，这是因为所有的车流都在一个二维平面内，而车流的运动范围也在这个二维平面，因此就会有冲突。有了以上的形象化描述，我们可以把立交道路看成是光网络，而地面道路看作是电网络，如果考虑一下光电的本质，我们能更好的理解上述描述背后的深意！
光是一种波，电是粒子，而波的性质是可叠加，可干涉，可衍射(改变传输方向)...两列波相遇后即分开，还是那两列波，不会受到对方的影响；而电子就不一样，所有的经典物理学的粒子行为以及量子效应都会在电子身上发生，比如两个电子对撞，比如正负电荷对撞...全光网络就是旨在打造一个全立交的网络，唯一需要做的就是如何实现路标，即光的路由！简单的讲，通过衍射就可以改变光波的传输方向，细节一点说，需要简单的放置耦合器，偏振部件之类的器件。正如高架道路不让随意停车一样，光网络的立定缓存也是一个亟待解决的问题，我们可以简单的通过电子门实现一个存储器，然而对于光，由于没有三态门就只能靠原地绕圈子来模拟缓存，因为光是停不下来的。总之，基于电子的网络是靠三态门而不是电子流本身处理数据的(实现控制平面)，而基于光的网络却只能靠光波脉冲本身来处理数据，光波本身有什么？它是波，自然所有波的特性它都可以有和可以用，诸如干涉，衍射，偏振，叠加...正如地面道路需要信号灯，转盘等基础设施，而高架高速却只需要一个匝道，司机自行进入一样。研究一个光网络，最终就会变成研究一部光学物理。
基于波长的复用技术已经使光网络容量增加了何止几倍，然则一碰到控制平面的设计，电子技术就趾高气扬了，问题是如何在一个全光网络的中间节点根据波长来将特定波长的光数据流导入到一个输出端口从而被带上一条特定的光路，如果依靠电子技术，很简单，然而很罗嗦，首先光电转换，然后把数据依靠门电路暂存在一个存储单元，然后复杂的运算逻辑，其实也是门电路针对存储单元的数据进行复杂的运算，此谓路由/交换寻址，然后将存储单元的数据通过交换矩阵，其实依然是门电路，输出到对应的出口存储单元，经过电光转换送上光路，经过一系列的门电路这么一折腾，数据转发几乎永远都达不到线速！电子处理技术的角色就好像早高峰时路口那忙碌的交警，可敬，然而十分可怜，疏导了交换却不被看好...如果依靠光技术，那么事先根据路由计算结果配置波长相关的光耦合器，再次我们看到了路由表和转发表分离带来的好处，路由表可以用电子技术来计算，然而转发表就可以让SDN或者信令系统将路由结果转换到光域概念后配置到耦合器中，一束波分复用光到来，携带着不同的波长的光波，经过耦合器，就将特定波长的光束分离到特定的光路了，绝对线速啊，一切开销就是南北高架转入中环时那个大弯道。在那个弯道上你可以看见下面的地面道路，等红灯的司机在排队，等待门电路放行，因为时间还没有到。
光域本身的内敛性就没有电域高，如果是电域是内省其身的话，光域就是外诸取物；电域的三态门可以组成一切，充分利用了二进制这个周易意义的概念，而光域却没有什么基本的原子，它拥有的仅仅是一些外在的属性，因此很难在光域内实现复杂的控制，鉴于此，分组交换的很多东西在光域都很难实现，比如统计意义的复用技术等，那么最终还是回归到了固定复用技术，也就是电路交换，然而从电路交换到分组交换的发展正是由于统计复用技术可以支持多种类应用以及数据突发而演变的，因此光网络到电路交换的回归引出了一个权衡点，基于这个权衡点来分层，光层十分适合于置于权衡点下层来实现传输承载网络，而权衡点的上层依然是基于IP的分组交换网。如此一来，OSI的下三层就扁平化了！依然用一个实例来阐述这种分层理念。
骨干运输网是使用铁路还是公路？众所周知，铁路上货物的路由和交换更加简单，效率也更高，吞吐量更大，因为它是固定的复用，而城市快速路或者高速公路虽然灵活，但是控制逻辑远比铁路复杂，由于公路对汽车提供统计意义的复用，带来的优势就是随到随服务，另一方面由于车辆的承载量参差不齐，总的吞吐量也会较铁路运输有所下降。所以我们经常看到，一般都是把货物从城市通过公路运抵火车站进行货物分拣，然后集中复用到火车来运输，而这种复用基本是固定的，比如特定时间特定地点有一列专列在另一个特定时间抵达另一个特定地点，这就是电路交换和分组交换的区别。公路运输就是分组交换，铁路运输就是电路交换，公路带来灵活性的同时也带了效率降低，而铁路效率很高，然后灵活性却有所欠缺。
那么如何组建光网络，当然不能指望家家户户都直接上路光网络，最后一公里的业务种类繁多，绝不仅仅是承载就了事，因此还是需要传统的基于电子计算机的接入技术，所谓的光纤到户并不是针对路由和交换而言的，它只是传输意义上的。最终，在纵向上，全光网络可以承载以往的半光网络比如SDH/SONET等，也可以承载IP，在横向上，全光网络旨在提供骨干自愈性大环上的路由和交换，虽然半光网络数据可以直接上路，可是其它的基于电子计算机的网络数据流量是需要在大环的某个分拣点做电光转换后再上路的，然后全光网会尽其所能复用数据流，利用全光路由交换技术将数据传输至特定地点解复用某个波长的光束，经由下路逻辑和光电转换完成数据的传输。
回归，这是一个朴实的真理！全光网络回归了电路交换，只是在另一个层面上；SDN回归了带外信令网络。如果说一件事从简单走向了复杂，最终它会回归简单，起初的简单是因为它没有内容和内涵，之后的复杂说明它获得了发展，最终的简单是因为它理顺了杂乱的脉络，复杂的东西理顺了就是简单，一种宿命意义的简单，或曰简洁。

后记：

买了两本书，一本是赵凯华的《光学》，另一本是《光网络》。使我想起了高中和大学时的三位刘老师，三位都是物理老师！大学期间，大一下班学期，我一头扎进光学，写了几大本的笔迹，还和老师一起写了几篇关于偏振光的论文，那段时间是我收获最多的，由于专业是机械设计，光学只是基础课，深入些的东西只能靠泡图书馆了。幸亏有老师的指导，才没有放弃。最终，我还是放弃了，老师去美国了，我感到很失落，女朋友又在很远的地方，机械设计专业又不感兴趣，颓然间放弃了未完成的本科学习，回到家报考了一个两年制大专想赶紧毕业，那时根本不想学历竟然这么重要(虽然我现在不这么认为了)，大学实在太无聊了，面对无数的考试，压力也很大！如今看到光网络，总有一种很特别的感觉，虽然平时工作不做这个，也可能永远没机会做这个，也可能仅仅买了书而永远没有机会看，仅就为了回忆那段美好时光吧...