CN104904144A - 多波长光网络中的安全 - Google Patents

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Abstract

一种光网络，包括至少一个光网络节点，其接收用于传输或接收的光信号。光网络节点分析所述光信号并且应用将所述光信号光学传输到所述光网络或从所述光网络光学接收所述光信号所必需的通信协议。至少一个通信模块耦接到所述至少一个光网络节点，其通过识别至少一个波长或将至少一个波长插入所述光信号以用于安全来对所述光信号进行解码或编码。

Description

多波长光网络中的安全
优先权信息
本申请要求于2012年10月3日提交的美国实用新型专利申请第13/644,121号的优先权，本文中通过引用并入了该申请全文。
背景技术
本发明涉及光网络的领域，并且特别地涉及保留至少一个波长明确用于安全的新技术，由此允许在光网络中容易地进行编码和解码。
通信系统已经成为如今电子社会的重要部分。一般来说，这些网络和系统提供根据期望和/或需要传递巨量信息的能力。如众所周知的，这些通信系统的示例包括互联网、以太网系统、独立系统(机动车、飞机等)内的网络、家庭网络和无线网络。而且，移动电话、20WiFi、卫星通信、IEEE 802.11等系统也被认为是其他类型的通信网络。
由于光通信的众所周知的优势，光纤通信广泛地用于各种系统中。也就是说，光通信网络和系统随着科技变得越来越先进而不断地发展。光学部件的进一步发展允许涉及光信号的新的应用和选择。系统设计者直接地具有了更多的工具供他们使用，由此给予了他们更多的选择。
作为满足对高传输容量的需求的显著增长的解决方案，波分复用(WDM)光传输技术正在兴起。WDM光传输技术可以在一根光纤中同时传输多个波长信道。例如，当一个波长信道具有10Gb/s的传输速度并且同时传输50个波长时，WDM光传输技术可以具有500Gb/s的传输速度，因此WDM光传输技术在大容量传输中非常有效。
在使用WDM光传输技术的光网络中，需要在网络节点中插入或分出波长信道，以便增加光网络的效率和变化性。通过使用固定光分插复用器(F-OADM)技术可以在预定的节点中插入/分出预定的波长信道。可重构光分插复用器(ROADM)技术对于光网络的效率和为了经济地使用网络资源来说是需要的。当使用ROADM技术时，在预定节点中可以插入/分出预定信道，因此高效的网络操作是可能的。
但是，缺少一种可集成的安全平台，其允许跨越不同协议容易地对安全信息进行编码和解码而不会导致光网络中的过度延迟和性能下降。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种光网络。所述光网络包括至少一个光网络节点，其接收用于传输或接收的光信号。光网络节点分析所述光信号并且应用将所述光信号光学传输到所述光网络或从所述光网络光学接收所述光信号所必需的通信协议。至少一个通信模块耦接到所述至少一个光网络节点，其通过识别至少一个波长或将至少一个波长插入所述光信号以用于安全来解码或编码所述光信号。
根据本发明的另一方面，提供了一种ROADM结构。所述ROADM结构包括接收用于传输或接收的光信号的光网络节点。光网络节点分析所述光信号并且应用将所述光信号光学传输到所述光网络或从所述光网络光学接收所述光信号所必需的通信协议。通信模块被耦接到光网络节点，其通过识别至少一个波长或将至少一个波长插入所述光信号以用于安全来对所述光信号进行解码或编码。
根据本发明的另一方面，提供了一种管理光网络的安全的方法。该方法包括利用光网络节点接收用于传输或接收的光信号。光网络节点分析所述光信号并且应用将所述光信号光学传输到所述光网络或从所述光网络光学接收所述光信号所必需的通信协议。同样地，所述方法包括利用通信模块通过识别至少一个波长或将至少一个波长插入所述光信号以用于安全来对所述光信号进行解码或编码。
附图说明
图1为示出了根据本发明而使用的光网络的示意图；
图2为示出了根据本发明在光通信中使用的SONET协议栈的示例的示意图；
图3为示出了根据本发明而使用的复用模块的示意图；
图4为示出了根据本发明而使用的解复用模块的示意图；和
图5A-5B为示出了根据本发明而使用的编码和解码技术的示意图。
具体实施方式
本发明涉及用于在光网络中提供安全的新技术。通过保留至少一个波长用于安全，该新技术允许容易地对光信号进行编码和解码，而不会产生对光通信中使用的协议或光网络的不必要的实施。
图1为示出了根据本发明而使用的光网络2的示例性实施例的示意图。光网络2包括具有光网络节点(ONN)6的可重构光分插复用器(ROADM)4。ONN6可以接收提供给ROADM 4的光信号，并且ONN6可以格式化待传输到远程ROADM 10的光信号。注意到，ONN6执行并且格式化待由Rx/Tx模块8接收的光信号。Rx/Tx模块8包括光接收器12、光发射器14、接收器RP1和发射器TP1。光发射器12将由发射器TP1提供的电信号转换为光信号，以发送到ONN 6用于传输。ONN6接收光信号并且将信息格式化为适当的通信协议以通过可以穿过地下管路和建筑物所布线的光纤链路40、和多种光纤放大器(OFA)被发送。
ROADM 10还包括具有光接收器30的Rx/Tx模块46，以将该信号转换为电信号。传输的信息通常是由计算机、电话系统、和有线电视公司生成的数字信息。
ROADM是在光纤网络中插入、阻塞、使通过或重定向各种波长的调制红外(IR)和可见光束的装置。ROADM被用在采用波分复用(WDM)的系统中。
在光复用装置(例如ROADM)的开发以前，光纤网络中的信号路由通过将IR或可见光束转换为电信号并且利用常规电子开关路由那些信号来实现。然后重新路由的电信号被转换回IR或可见光束。
在ROADM中，切换在没有称为插入、分出和通过的三个操作的光-电或电-光转换的情况下实现。可以生成传出的IR或可见光束(插入操作)或终止传入的光束(分出操作)。光束还可以没有改变地通过该装置(通过操作)。在结合情况下，这些功能实现了相当复杂的光信号路由。可以远程地改变系统的配置。
目前使用两个主要的ROADM技术。它们是波长阻塞(WB)和平面光波电路(PLC)。也被称为第一代ROADM技术的波长阻塞是两者中较旧的一个。当对于特定信道来说有必要改变波长时，原始波长的IR或可见光束被过滤掉并且其数据被提取。然后数据被印记到另一波长的光束上。PLC或第二代ROADM技术实际上结合了这些步骤，简化了过程并且减少了成本。
WB和PLC ROADM两者的设计都不促进真正的光分路，在光分路中任何波长的光束都可以直接路由到任何期望的端口，而不需要执行多个中间操作。光分路能力在被设计为提供高级服务(例如视频会议和视频点播(VoD))的高效、可靠、高容量的光网络的部署中是重要的。
光发射器14可以是半导体装置，例如发光二极管(LED)和激光二极管。LED和激光二极管之间的不同在于LED产生非相干光，而激光二极管产生相干光。为了在光通信中使用，半导体光发射器必须设计为小型、高效且可靠的，同时在最佳波长范围内操作，并且在高频处直接调制。
光接收器12接收来自ONN 6的相应的光信号，并且将该光信号转换为电信号。在光信号的全部波长被转换之前，Rx/Tx模块8选择至少相应的与安全相关联的波长，并且利用光接收器12将这些波长转换为待发送到接收器RP1的电信号以确定信息是否具有适当的凭证。光接收器12可以是光电检测器，其利用光电效应将光转换为电。光电检测器通常是基于半导体的光电二极管。几种类型的光电二极管包括p-n光电二极管、p-i-n光电二极管、和雪崩光电二极管。金属-半导体-金属(MSM)光电二极管由于其适合于再生器和波分复用器中的电路集成也被使用。
光-电转换器通常与跨阻放大器和限幅放大器耦接，以从传入的光信号生成电领域中的数字信号，所述光信号可能在通过信道时衰减或失真。还可以在传递数据之前应用进一步的信号处理，例如由锁相环执行的数据时钟恢复。
Rx/Tx模块8包括对由光信号提供的安全凭证进行编码和解码的能力。特别地，Rx/Tx模块8使用明确用于安全的至少一个波长。利用光发射器，Rx/Tx模块8可以出于安全目的将至少一个波长插入传出光信号，从而在另一光学ROADM处提供适当的凭证。
使用其相应Rx/Tx模块8，ROADM 8可以通过搜索光信号寻找与安全相关联的至少一个波长来执行解码。利用光接收器12，Rx/Tx模块8将与安全相关联的至少一个波长转换为相应的与安全相关联的至少一个电信号，接收器RP1将其提供给网络过程模块16以确定传入的光信号的安全凭证，以便确定是否能够与路由器18建立通信链路。
Rx/Tx模块8可以利用企业可以预订的“过滤权限”。过滤权限在适当的情况下提供过滤、格式化和编码/解码机制。过滤权限可以在ROADM本地或远程。
网络过程模块16通过接收器RP1接收来自Rx/Tx模块8的相应的与安全相关联的至少一个电信号，并且与外部安全机构通信或者在本地确定至少一个电信号是否具有合适的凭证。如果提供了合适的凭证，则网络过程模块16向路由器18提供通信链路。否则，终止通信，并且终止对连接到路由器18的请求。
ROADM 10与本文中描述的ROADM 4相似。ROADM 4、10两者都利用通过光纤链路40发送的传入的和传出的光信号彼此进行通信。为了防止传入的和传出的光信号衰减，光纤放大器(OFA)20、22、24、26在光纤链路40上选择性的光纤部分38内使用。同样地，ROADM 4、10利用SONET协议进行通信。
ROADM 10包括光网络节点(ONN)。ONN 28可以接收提供给ROADM 10的光信号，并且ONN 28可以格式化待传输到远程ROADM 4的光信号。注意到，ONN 28执行并且格式化待由Rx/Tx模块46接收的光信号。Rx/Tx模块46包括光接收器30、光发射器32、接收器RP2和发射器TP2。光发射器32将由发射器TP2提供的电信号转换为光信号，以发送到ONN 28。ONN 28接收光信号并且将信息格式化为适当的通信协议以通过被穿过地下管路和建筑物布线的光纤链路40、多种光纤放大器(OFA)20、22、24、26和ROADM 4被发送。光接收器30接收来自ONN 28的相应的光信号，并且将其转换为电信号，以发送到RP1来确定信号中的信息是否具有适当的凭证。
Rx/Tx模块46包括对由传入和传出光信号提供的安全凭证进行编码和解码的能力。特别地，Rx/Tx模块46可以使用明确用于安全的至少一个波长。利用光发射器，Rx/Tx模块46可以通过将用于安全的至少一个波长插入传出光信号中来对传出电信号进行编码。使用其相应的Rx/Tx模块46，ROADM 10以如本文中对于Rx/Tx模块8所描述的方式相同的方式对由传出光信号接收的用于安全的至少一个波长进行解码。利用光接收器30，Rx/Tx模块46取回传入光信号的用于安全的至少一个波长，并将该用于安全的至少一个波长转换为相应的至少一个电安全信号，接收器RP2将其发送到网络过程模块34以确定传入信号的安全凭证，以便确定是否能够与路由器36建立通信链路。
在Rx/Tx模块8的光发射器14和光接收器12与Rx/Tx模块46的光发射器30和光接收器32之间形成波长信道42。此外，在Rx/Tx模块8的发射器TP1和接收器TP1与Rx/Tx模块46的发射器TP2和接收器TP2之间形成光学连接。
Rx/Tx模块46可以利用企业预订的“过滤权限”。过滤权限可以用于在适当的情况下提供过滤、格式化和编码/解码机制。过滤权限可以在ROADM本地或远程位置。
图2为示出了在光通信中使用的协议栈60、74、81的示意图。考虑到本发明使用光通信和网络通信两种，以太网、GFP和SONET通信协议被使用。以太网是对于各种紧密相关的网络标准的共同名称。作为网络标准，以太网的每个版本都包含对物理网络层的规范：将如何发送和接收信号。相比之下，如IP或NetWare之类的协议定义了与物理传输介质无关的通信。
通用成帧规程(GFP)是由ITU-T G.7041定义的复用技术。其允许通过电路交换传输网络(如OTN、SDH/SONET、或PDH)映射可变长度、较高层的客户端信号。客户端信号可以面向协议数据单元(PDU)(如IP/PPP或以太网媒体访问控制)或可以面向分组码(如光纤信道)。
同步光纤网络(SONET)和同步数字体系(SDH)为标准化的复用协议，它们利用来自发光二极管(LED)的激光或高相干光通过光纤来传送多个数字位流。在低传输率下，数据还可以通过电接口来传递。已经开发出方法来替代准同步数字体系(PDH)系统，以用于通过相同的光纤传输大量电话呼叫和数据业务，而没有同步问题。
以太网协议栈60包括层2首部62、多协议标签交换(MPLS)首部64、IP首部66、传输控制协议(TCP)TCP/用户数据报协议(UDP)首部68、数据/净荷区域70和帧校验序列(FCS)72。层2首部62定义了层2地址，而MPLS首部64定义了多协议标签交换信息。IP首部66定义了用于通信的IP地址。TCP/UDP首部68包含关于在TCP/UDP协议中通信的信息。数据/净荷区域70包含与站点相关联的全部信息，包括图片、视频、音乐、文本等。帧校验序列(FCS)72包含添加到以太网通信协议中的帧中用于检错的额外校验和特征。
GFP协议栈74包括核心首部76、净荷首部78、GFP净荷80以及FCS82。核心首部76包含指示净荷区域的长度和核心首部差错控制的信息。净荷首部78包括标识净荷的类型、指示净荷FCS的存在、标识用户净荷的类型和首部差错控制类型的信息。GFP净荷80包含以太网协议栈60的内容。FCS 82包含当前GFP净荷的FCS。
SONET协议栈81包括开销首部86、净荷开销(POH)首部84、和NS-SONET/SDH净荷包封88。开销首部86包含用于发信号通知和测量传输差错率的信息。POH首部84包含关于端到端发信号通知和差错测量的信息。NS-SONET/SDH净荷包封88包含来自GFP 74的信息。
一旦已经根据所使用的协议适当地处理了数据，就可以将数据发送到其他光学系统以供取回。本发明使用这些协议来在网络和光学域两者中通信。同样地，本发明可以合并至少一个波长以定义关于光信号的凭证的安全信息。这可以在没有繁复的改变的情况下在以上描述的通信协议内完成。
图3为示出了根据本发明而使用的复用模块92的示意图。Rx/Tx模块8、46包括复用模块92以帮助准备用于传输的光信号。特别地，复用模块92用于将光的不同信道复用和路由到单模光纤(SMF)中或将其从中复用和路由出。此外，复用模块92包括将一个或多个新的波长信道插入到现存的多波长WDM信号中、和/或分出(去掉)一个或多个信道的能力，将那些信号传递到另一网络路径。在这种情况下，复用模块92接收来自光发射器14、32的光信号λ1-λk，并且将光信号λ1-λk与用于安全的至少一个波长λn一起进行编码以生成输出信号λ1..n。Rx/Tx模块8、46向ONN 6、28提供输出信号λ1..n以用于光传输。编码可以和滤光器结合使用。标准数据加密技术可以用于向安全数据流提供保密。可以使用过滤权限来正式化用于安全信道(一个或多个)的滤光器。
图4为示出了根据本发明而使用的解复用模块98的示意图。Rx/Tx模块8、46包括解复用模块98以帮助准备对传入光信号的解码。解复用模块98的主要功能是接收来自Rx/Tx模块8、46的具有多个光波长λ1..k..n的传入光信号，并且将该信号分解为其频率分量λ1…λk和被保留用于安全的波长λn，所述频率分量和用于安全的波长耦接在与存在的波长一样多的单独光纤中。被保留用于安全的波长λn通过接收器RP1、RP2转发到滤光器100或网络过程模块16、34，以用于进一步进行格式化和解码。
光复用器完全以相反的方式运行。其接收来自多条光纤的多个光波长，并且将它们聚合为耦接在单根光纤中的一条光束。有两种分类的光解复用器装置，无源的和有源的。无源的解复用器基于棱镜、衍射光栅和光谱(频率)滤波器。有源解复用器基于无源部件和可调谐检测器的结合，每个检测器被调谐到特定频率。解码可以和标准滤光器结合使用。标准数据加密技术可以用于向安全数据流提供保密。可以使用过滤权限来正式化用于安全信道(一个或多个)的滤光器。
图5A示出了根据本发明的用于编码的示例性实施例。对激光信号108进行编码需要使用接收激光信号108和非激光信号110的声学调制器102，其中声学调制器输出编码的激光信号112，所述编码的激光信号穿过雪崩光电二极管(APD)106的孔109。声学调制器102接收允许编码的激光信号112穿过孔109的声信号107。编码的激光信号112被转发以用于通过光纤104传输。注意到，编码的激光信号112包括结合激光信号108和非数据激光信号110的数据。非数据激光信号110可以用作安全机制以检查编码的激光信号112的真实性。图5B示出了根据本发明对光信号112进行解码的实现。第二声学调制器118接收由光纤104提供的编码的激光信号112。利用声信号126，声学调制器118将激光信号112解码为两个部分：如图5A中提到的激光信号108和非激光信号110。声信号126迫使非激光信号110向APD 120的孔122的外部偏转，但是激光信号108不偏转而是穿过孔122。APD 106、120是允许穿过APD 106、120的孔的光信号的滤光器。注意到，可以根据本文中描述的本发明来使用其他类型的调制器。
本发明提供了高效的实现安全的技术，而不用对用于通信的整个光网络和通信协议产生不需要的改变。本发明利用用于安全的至少一个额外的波长，所述波长可以被编码到光信号中或从其中解码，而不增加光网络的延迟。考虑到光通信已经提供的固有优势，本发明实现了一种可以利用普遍已知的光学装置来应用的新的光学安全布置。因此，本发明不需要特别设计的装置来允许使用本发明。本发明可以容易地用在如今市售的任何光网络中。编码和解码可以与标准光纤结合使用。此外，标准数据加密技术可以用于对安全数据流提供保密，以及可以利用过滤权限来正式化用于安全信道(一个或多个)的滤光器。
虽然根据本发明的几个优选实施例已经示出和描述了本发明，在不背离本发明的精神和范围的情况下，在此处可以做出对其形式和细节的各种变化、省略和增加。

Claims (30)

1.一种光网络，包括：
至少一个光网络节点，其接收用于传输或接收的光信号，所述光网络节点分析所述光信号，并且应用将所述光信号光学传输到所述光网络或从所述光网络光学接收所述光信号所必需的通信协议；和
耦接到所述至少一个光网络节点的至少一个通信模块，其通过识别至少一个波长或将至少一个波长插入所述光信号以用于安全来对所述光信号进行解码或编码。
2.权利要求1所述的光网络，其中，所述至少一个通信模块包括接收电信号并且将所述电信号转换为所述光信号的光发射器。
3.权利要求2所述的光网络，其中，所述至少一个通信模块包括接收所述电信号、将所述电信号提供给所述光发射器以用于传输的发射器。
4.权利要求1所述的光网络，其中，所述至少一个通信模块包括接收来自所述光网络节点网络的所述光信号并且将所述光信号转换为电信号的光接收器。
5.权利要求4所述的光网络，其中，所述至少一个通信模块包括接收所述电信号、将所述电信号提供给网络过程模块以进行处理的接收器。
6.权利要求1所述的光网络，其中，所述至少一个通信模块包括复用器模块，其将与所述光信号相关联的所述多个波长和所述用于安全的至少一个波长结合以形成编码的光信号。
7.权利要求1所述的光网络，其中，所述至少一个通信模块包括解复用器模块，其将与所述光信号相关联的所述多个波长和所述用于安全的至少一个波长分离以对所述光信号进行解码，所述通信模块发送所述用于安全的至少一个波长以进行进一步的处理，以确定其凭证。
8.权利要求6所述的光网络，其中，所述至少一个通信模块使用滤光器进行编码。
9.权利要求7所述的光网络，其中，所述至少一个通信模块使用滤光器进行解码。
10.权利要求1所述的光网络，其中，所述至少一个通信协议包括以太网、通用成帧规程和SONET协议。
11.一种在光网络中使用的可重构光分插复用器(ROADM)结构，所述ROADM结构包括：
光网络节点，其接收用于传输或接收的光信号，所述光网络节点分析所述光信号并且应用将所述光信号光学传输到所述光网络或从所述光网络光学接收所述光信号所必需的通信协议；和
耦接到所述光网络节点的通信模块，其通过识别至少一个波长或将至少一个波长插入所述光信号以用于安全来对所述光信号进行解码或编码。
12.权利要求1所述的ROADM结构，其中，所述通信模块包括接收电信号并且将所述电信号转换为所述光信号的光发射器。
13.权利要求12所述的ROADM结构，其中，所述通信模块包括接收所述电信号、将所述电信号提供给所述光发射器以用于传输的发射器。
14.权利要求1所述的ROADM结构，其中，所述通信模块包括接收来自所述ROADM结构节点网络的所述光信号并且将所述光信号转换为电信号的光接收器。
15.权利要求14所述的ROADM结构，其中，所述通信模块包括接收所述电信号、将所述电信号提供给网络过程模块以进行处理的接收器。
16.权利要求11所述的ROADM结构，其中，所述通信模块包括复用器模块，其将与所述光信号相关联的所述多个波长和所述用于安全的至少一个波长结合以形成编码的光信号。
17.权利要求11所述的ROADM结构，其中，所述通信模块包括解复用器模块，其将与所述光信号相关联的所述多个波长和所述用于安全的至少一个波长分离以对所述光信号进行解码，所述通信模块发送所述用于安全的至少一个波长以进行进一步的处理，以确定其凭证。
18.权利要求16所述的ROADM结构，其中，所述通信模块使用滤光器进行编码。
19.权利要求17所述的ROADM结构，其中，所述通信模块使用滤光器进行解码。
20.权利要求11所述的ROADM结构，其中，所述通信协议包括以太网、通用成帧规程和SONET协议。
21.一种管理光网络的安全的方法，所述ROADM结构包括：
利用光网络节点接收用于传输或接收的光信号，所述光网络节点分析所述光信号并且应用将所述光信号光学传输到所述光网络或从所述光网络光学接收所述光信号所必需的通信协议；
利用通信模块通过识别至少一个波长或将至少一个波长插入所述光信号以用于安全来对所述光信号进行解码或编码。
22.权利要求21所述的方法，其中，所述通信模块包括接收电信号并且将所述电信号转换为所述光信号的光发射器。
23.权利要求22所述的方法，其中，所述通信模块包括接收所述电信号、将所述电信号提供给所述光发射器以用于传输的发射器。
24.权利要求21所述的方法，其中，所述通信模块包括接收来自所述方法节点网络的所述光信号并且将所述光信号转换为电信号的光接收器。
25.权利要求24所述的方法，其中，所述通信模块包括接收所述电信号、将所述电信号提供给网络过程模块以进行处理的接收器。
26.权利要求21所述的方法，其中，所述通信模块包括复用器模块，其将与所述光信号相关联的所述多个波长和所述用于安全的至少一个波长结合以形成编码的光信号。
27.权利要求21所述的方法，其中，所述通信模块包括解复用器模块，其将与所述光信号相关联的所述多个波长和所述用于安全的至少一个波长分离以对所述光信号进行解码，所述通信模块发送所述用于安全的至少一个波长以进行进一步的处理，以确定其凭证。
28.权利要求26所述的方法，其中，所述通信模块使用滤光器进行编码。
29.权利要求27所述的方法，其中，所述通信模块使用滤光器进行解码。
30.权利要求21所述的方法，其中，所述通信协议包括以太网、通用成帧规程和SONET协议。
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