因特網的發展創造了人類嶄新的互聯網經濟,互聯網經濟又成為推動因特網向寬帶、高速發展的動力,而光互聯網和未來的量子互聯網,正是這一需求的因特網。
高速意味著知識經濟蓬勃發展與互聯網的高速分不開,高速的因特網,承載了知識、資本、人才、信息的高速流通,同時又拉動了知識經濟的發展。21世紀將是互聯網和信息時代,互聯網的發展正帶動計算機、微電子、通信和軟件等信息產業的發展,成為21世紀全球經濟的主要動力。
寬帶,從技術上講,是指在同一傳輸介質上,例如光纖,可以同時利用不同的頻分、時分、碼分和波分復用技術傳輸信息,在接入網的速度在吉比特以上,在其骨干網上傳輸速度在太比特以上,在用戶端的則是兆比特以上。與傳統的Modem接入網的最高速率56Kbps相比可達到10Mbps--100Mbps,可提高100倍。
人類總是在科學的幻想和實現幻想中發展,科學家們幻想建立一種新奇網絡,這種網絡能夠傳輸宇宙間最奇特的物質,其傳送速度與“心靈感應”相比美,其計算速度是超常規的,這種網絡叫量子互聯網,這種奇特的物質稱為“纏結”信息。
本文將就光互聯網和量子互聯網的特性、應用、發展概況加以介紹。
一、光互聯網
到目前為止投入商用的還沒發現比光纖更合適的媒體傳送巨量信息。全球范圍內的以承載各種業務的IP數據包為代表的數據業務爆炸式增長,極大地拓展了光通信的發展空間和刺激了光通信自身技術的急速的發展。在過去的20年里,在對光纖上的信息傳輸總速率從每秒2兆比特到每秒數太比特,提高了近100萬倍,預計未來十年里還將提高100倍左右。光纖通信技術也從單純的傳送網技術發展到全速“邁向全光網”技術,包括光交換技術、光接入的全光網絡技術。“光Internet”或“光互聯網”則也應運而生。
(一)光互聯網 隨著波分復用技術WDM的發展和高速路由器中2.5Gbps光接口的引入,從1998年起IP over SONET/SDH開始向IP over WDM發展。“IP over WDM”又稱“光Internet”或“光互聯網”是指IP直接接入到WDM光網上或直接接到光纖上,核心網中間不經過SONET/SDH終端復用設備和ATM設備。這樣光互聯網又稱為光IP網或光DWDM,直接在光上運行的互聯網就是光互聯網。
(二)光互聯網的三種IP傳送技術 在光互聯網中,高性能路由器通過光ADM或WDM耦合器直接連接至WDM光纖,光纖內各波長鏈路層互連。高性能路由器取代傳統的基于電路交換的ATM和SONET/SDH電交換與復用設備,成為關鍵的統計復用設備,用作主要的交換/選路設備,最終由它控制波長接入、交換、選路和保護。因此,光互聯網是一個真正的鏈路層數據網,可以通過指定波長作旁路或直通連接,網絡的流量工程設計可以只在IP層完成。由于可以為不同業務指定波長,在結構上更加靈活,并具有向光交換和全光選路結構轉移的可能。
DWDM系統能對電信業務進行光復用,一部分波長被指定用于高帶寬IP光網,即IP over WDM,它可用于大容量機對機業務；另一部分波長被指定用于ATM光網,即IP over ATM,它可能用來支持虛擬專用網VPN和執行重要任務的IP網；還有一部分波長被指定用于傳統的SONET/SDH業務,即IP over SONET/SDH,它可能用來集中和傳送的IP網業務。光復用的魅力在于向用戶提供特定需求的一整套服務和協議。
光互聯網中,有三種IP傳送技術。IP是網絡層協議,SDH和WDM是物理層傳送技術,在兩者之間有一個數據鏈路層。物理層的作用是負責在通信中傳送光或電信號；數據鏈路層負責把物理層提供的信號轉換成網絡層所需的信號；網絡層則從這些信號中提取分組,進行路由轉換,傳向目的地。目前有IP over ATM、IP over SDH和IP over WDM三種技術。
1、IP over ATM
這是一種ATM和Internet相結合的方式,從開放系統互聯的分層結構來看,IP層在ATM之上,因此這種傳遞方式叫做IP Over ATM。是選路與交換的優化組合,ATM的優勢主要來自可擴展性和靈活性。
IP Over ATM的優點：
（1）在所有包交換技術中,ATM的QoS是最好的,它可以做到電路仿真,可利用ATM的QoS特性,保證網絡的服務質量；
（2）網絡具有很好的可擴展性和靈活性；
（3）支持多種業務,可從傳統的數據到對延時敏感的語音和視頻匯集到一個網絡上,并為不同業務類型提供不同的服務質量QoS；
（4）有很好的網絡流量管理和控制性能,表現在ATM流量控制方面非常精細,這一點對帶寬是非常寶貴的,對線路費用非常高的廣域網來說就顯得十分重要,也是目前ATM能在廣域網中被廣泛采用的原因之一。
IP Over ATM的缺點：
（1）傳輸效率低是IP Over ATM的致命缺點,造成傳輸效率低的原因是IP數據包須映射成ATM信元,由此形成的傳輸開銷稱為“信元稅”達25%左右,故造成傳輸效率低；
（2）網絡管理比較復雜,因為要解決諸多矛盾,如需要解決IP地址與ATM地址多重映射的矛盾,IP網絡的非連接特點與ATM面向連接之間的矛盾,隨著接口速率的增加其速率不易提高；
（3）主要適用于網絡邊緣多業務的匯合和一般容量的骨干網,不太適用于超大型IP骨干網。 目前,ATM與IP的重點研究課題是多協議標記交換MPLS,MPLS將把一些面向連接的組網優點帶到路由器組建的網絡上去,如QoS、業務流工程設計、VPN和大型路由表的計算等問題都可望得到解決。
2、IP Over SDH IP Over
SDH是IP數據包通過采用點到點協議PPP,映射到SDH幀上, 按各次群相應的線速進行連續傳輸。IP Over SDH省去了ATM層,簡化了網絡結構,提高了傳輸效率百分之二十到三十,降低了成本是一種高效、實用的IP傳送技術；可以充分利用SDH技術的各種優點,如SDH使國際電信互通成為可能,SDH幀結構中安排了豐富的開銷比特,可以加強網絡的運行、管理和維護能力,網絡有很好的兼容性等；適用于經營IP業務的ISP、以IP業務量為主的電信網,或者在電信骨干網上疏導高速數據流。其缺點是不能提供較好的服務質量QoS, 對大規模的網絡須處理龐大、復雜的路由表,而且查找困難,路由信息占用較大的帶寬。
3、IP Over WDM IP Over
WDM通俗的說法就是讓IP數據包直接在光路上跑,減少網絡層之間的冗余部分。由于省去了中間的ATM和SDH層,其傳輸效率最高,節省了網絡運營商的成本,同時也降低了用戶獲得多媒體通信業務的費用,是一種最直接、最經濟的IP網絡體系結構,非常適用于超大型IP骨干網。
一種新技術的提出是由于市場的迫切需要所系。Internet骨干網的帶寬如果不采用WDM,那么僅Internet的數據流就可以占滿整個單波長光纖系統的容量（目前,單波長光纖系統的最大傳輸速率為10Gbps,潛力已盡）。此時,再用SDH設備來將Internet業務和別的業務進行時分復用(TDM)既沒有必要,也不可能了。因此,IP Over WDM閃亮登場。IP over WDM即省去了ATM層,又省去了中間層SDH,顯然是一種最直接的結構體系,讓IP直接在光路上傳送,減少了網絡設備、簡化了網絡管理、降低了額外開銷、提高了傳輸效率、降低了成本,通過業務量工程設計,可以與IP的不對稱業務特性相匹配。適用于城域網、高容量普通IP網和未來大型骨干網的核心匯接。
IP Over WDM的主要特點：
(1)充分利用光纖的低損耗波段,增加光纖的傳輸容量,目前準商用化的DWDM的速率已將達到1.6Tbps,效率最高,成本最低；
(2)可同時在一根光纖中實現雙向多媒體通信傳輸,可以有上百個波道,每個波道之間可以相互隔離,因而可以很容易地兼容不同性質和不同協議的業務；
(3)可在不改變原光纜設施的條件下,改變通信系統的組態,在網絡設計中有很大的靈活性和自由度,擴容更方便；
(4)使用WDM技術可降低對一些器件性能上的過高要求；
(5)WDM系統中主要器件波分復用器是無源器件,省電,可靠性高,故障率低,便于維護,降低了成本。
(三) 三種方案的比較
現將上述三種方案作一比較,列表如下： 從表中可以看出：三種IP傳輸技術都將長期共存,相互補充。但是IP over DWDM是未來的網絡發展方向之一,最具有生命力和發展前途。光傳送網在我國應用十分普遍,大多采用DWDM。新成立的網通公司幾乎以“光速”建成20Gbps的IP骨干網,連接包括北京、上海、廣州在內的15個國內主要城市。
二、量子互聯網
微觀世界的某些物理量不能連續變化而只能取某些分立值,相鄰兩分立值之差稱為該物理量的一個量子。普朗克在1900年研究黑體輻射時,首先發現了自然現象中的這種不連續的量子性質。他發現物質吸收或發射的輻射能量量子,能量分化為量子的現象,只是普遍自然規律中的一個例子,有時也將同某種場聯系在一起的基本粒子稱為這一場的量子。例如電磁場的量子就是光子。 量子通信技術即將從實驗室走向網絡世界,量子Internet或量子互聯網將以驚人的計算和超快速通信能力邁入21世紀,展現其新的魅力。
(一)量子互聯網 科學家們科學的幻想建成一個量子網絡,在網絡上傳送宇宙間最奇特的物質,這種物質就是“纏結”信息。科學家認為,建立一個產生、儲存和傳送纏結信息的網絡,是向開發一種科學幻想家虛構的遠距離傳物系統邁出的第一步。利用這種纏結信息還能制造超快速量子計算機,并把它們連接成量子Internet網,為因特網發展開辟新途徑。
1、纏結信息 所謂“纏結”是指具有交互作用的粒子之間幾乎是“心靈感應”的神奇連接,即使粒子位于宇宙空間的兩邊,這種連接都能以極快的速度連接。纏結信息已經用于量子密碼翻譯、極小規模的量子計算和遠距傳物。
2、量子互聯網引發認識宇宙的新革命 根據“纏結”的原理,可以將量子計算機連接起來,構成功能強大的量子Internet網,進行極其強大的數字處理,其計算速度超過當前任何的理論計算速度,試想,如果纏結的信息能夠通過量子Internet被瞬間傳送到全球各個角落,那量子互聯網將引發計算、通信和人類認識宇宙的新革命。 (二)實現量子互聯網的理論與實驗
1、需要香濃理論的新突破
所謂香濃理論是指貝爾實驗室的香濃在1940年奠定的經典信息論的基礎。香濃理論解決了任何通信信道的理論容量,即是說沿著通信信道能夠可靠傳送最大數量信息,并闡述了有效傳送信息的壓縮技術。但是,香濃理論只應用于經典信息論。量子纏結信息的出現,使香濃理論面臨新問題,要求香濃理論的新突破,為量子互聯網的發展開辟道路。
(1)量子信息奇特的脆弱性：建立量子Internet面臨的一個問題是量子粒子的脆弱性,容易丟失信息,也就是說,只要能看到量子粒子,它就有了被破壞的可能性。這個問題不僅涉及能夠存儲的信息數量,而且涉及能夠檢索的信息數量。解決這個問題的辦法是測量量子,通過測量,掌握量子的變化特性。
(2)量子纏結信息古怪的特性：經典信息論是0和1組成的序列,通過改變導線上的電壓可以實現這種序列編碼。在一定的電壓電平之上是1,反之則是0。然而,量子粒子(如光子)中的部分信息的編碼則具有完全不同的特點。光子在同一時間有兩種或多種存在狀態。例如,能夠將光子的電場加以濾波,這樣它就在一個特定的平面產生極化振蕩。當振蕩平面變成垂直極化時,此平面稱為0,當振蕩平面變成水平極化時,此平面稱為1。然而,由于“量子疊加”,光子可能同時垂直和水平極化,可能同時為0和1。
但是,纏結使得這一切都發生了改變。纏結粒子的奇妙之處在于測量一對粒子中的一個,便能確定另一個的測量結果,而不管這兩個粒子相距多遠。這種在時間和空間內魔術般地連接兩點,充分說明了纏結信息的含意,也充分的意味著纏結將會給未來的網絡通信帶來巨大的變化。
2實現量子互聯網的艱苦的實驗
(1)1992年IBM公司和TelAviv大學的研究人員研究認為,纏結對量子信道的容量有極大的影響,目前發現至少可將信道容量提高一倍。這是因為在量子信道中傳送的每個光子都可能有水平和垂直兩種狀態,所以把一對光子連接在一起,就可能變成4種狀態。利用纏結技術,一個光子可以發送2位信息,從而使信道容量提高一倍。這種現象稱為量子超密集編碼。
(2)最近,應用纏結技術又有新進展,研究人員開始研究粒子3重纏結和4重纏結,使粒子實現更多的組合狀態,可以使量子信息以極快的速度通過網絡。
(3)只有速度沒有質量也不行。這種極快的信息傳送速度要建立在糾正可能出現的錯誤上。由于上述所說的量子纏結狀態是脆弱的,任何外力都可能產生破壞作用。以致許多物理學家誤認為不可能可靠的傳送量子信息。但是在最近,IBM和微軟的兩位研究人員對量子纏結狀態的脆弱性問題提出了完善的解決方案。其解決方案是利用執行量子計算的軟件保護量子信息,使量子信息不約產生錯誤。
(三)量子Internet將指日可待
1、1997年奧地利的因斯布魯克大學的研究人員提出了第一個量子Internet計劃。
2、2000年3月美國麻省理工學院和馬薩諸塞州林肯空軍研究室的研究人員提出了更加接近實現量子互聯網的設想。他們的設 想是生成一對光子，并沿著2條光纖傳送,即一個光子傳送給甲地的研究人員,另一個傳送給乙地的研究人員。甲乙兩地的研究人員都擁有包含超冷卻原子的激光俘獲器,而原子能吸收光子。研究人員可以確定原子何時吸收光子而不會干擾它,并在原子吸收纏結的一對光子時檢查甲乙兩地研究人員能夠發現同時吸收的光子。當確定原子確實吸收光子時,原子本身也就變成了纏結的粒子。當原子沒有電荷時,它們不受電場和磁場的影響,這樣就容易保護纏結的粒子不受外力的影響。在Internet發展史上,第一次成為利用纏結的極其珍貴的網絡資源。 3、最近,美國陸軍向麻省理工學院的一項研究計劃投資數百萬美元加速量子Internet的研究開發。麻省理工學院發布了建立量子Internet的詳細計劃,并宣布現在已具備建立量子Internet技術,該計劃打算在3年內建成量子Internet,并首先在麻省理工學院建立3個節點。因此,業界人士分析,全球量子Internet的實現將指日可待。
三、結語
Internet誕生于“二次世界大戰和冷戰”的急風雷電之中,成長于和風細雨的和平年代,我們珍惜這一全球億萬人擁有的財富。互聯網已成為我們日常生活中的一種越來越離不開的新工具,它極大的改變了人們的工作方式和生活方式；互聯網又是一種神奇的力量,它是一種創新的、對舊世界具有摧毀的力量,不管你愿不愿意,你都躲不過它的摧毀之力,它善于建設一個新世界,不是嗎,互聯網已成為一種產業,電子商務正在蓬勃發展,正在促成各產業以互聯網為基礎重新構建核心競爭力,它將改變人和企業的命運；互聯網更厲害的是它已成為社會資源重新分配的工具,這是百年才遇到的事情,以互聯網發源地美國為例,最近五年,互聯網創造的百萬富翁,比過去50年所有工業創造的百萬富翁還要多。也就是說,在短短的幾年內(僅是歷史長河的一瞬間),通過互聯網,美國的社會資源急劇的轉移到一大批富有活力的年輕人和年輕的公司身上,使整個社會來一次重新洗牌,吐故納新,激發了國家新的活力和動力,美國近十年的發展也說明了這一點。這種新陳代謝是社會全局的聯動,也將勢必波及中國。正是互聯網這種摧枯拉朽不可一世的力量,才促使互聯網本身在技術上神速的發展,從互聯網到光互聯網,從光互聯網到量子互聯網,從麻省理工學院最近發布的建立量子Internet的詳細計劃,看到了量子Internet的曙光,三年后我們將迎來麻省理工學院量子Internet的三個節點.
