新一代光网络组网技术

2019-11-03 18:11:59

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供稿：网友

鸿联九五信息产业股份有限公司陈锦章

　　近年来，通信网络技术因与以因特网为代表的计算机网络技术的结合而飞速发展，其中通信、计算机、广电三网融合的基础—光通信技术更为世人所瞩目。光网络专家、鸿联九五总工程师陈锦章先生对新一代光网络技术进行了阐述。

　　DWDM、全光网的发展，使传输容量每12～18个月翻番。然而，光网络的管理与控制当前仍然采用传统模式，光网络只作为传输介质，支持通信业务的发展。这种传统的传输业务与通信业务分别控制与管理的模式，使当前宽带通道的提供仍然采用静态配置方式，不能及时提供各类业务所需要的带宽。另外，它也不能动态利用包括PDH、SDH/SONET、 DWDM等多种网络资源，影响了网络组织的灵活性、网络的有效性及新业务的拓展。为此，ITU-T、OIF、ODST及IETF等国际标准化机构分别提出自动交换传输网络(ASTN)/自动交换光网络(ASON)及通用多协议标记交换(GMPLS)标准或标准草案。

　　两种互联模型

　　一个网络在总体功能上，可以由数据(或传送)平面、控制平面、管理平面组成。控制平面主要涉及连接的建立以及支持这种连接所需要的处理，例如路由域内邻居的发现/链路管理、信令、路由、寻址以及网络通道的提供和保护等。通常，控制平面是采用ip技术实施，管理平面为网络提供商与管理部门提供对网络与设备的管理。数据(或传送)平面用于传送与转发网内、外客户的数据。显然，这三个平面是相互关联的。IP over Optical网络结构本质上是由控制平面的组织来规定的，IP和光传输网络的控制平面可以松散地耦合，也可以紧密地结合在一起。这种结合决定了光网络通过用户网络接口(UNI)通道的拓扑和路由信息的详细程度；IP路由器在光网络中选择特殊的连结通道的控制级别，以及在路由器之间动态提供光通道的有关策略，这包括接入控制和安全的问题等。由此有两种互联模型，即重叠模型和对等(或集成)模型。

　　重叠模型的基本特点是光传输层面的信令、寻址、路由建立等与其上层所提供业务的交换层面所需要的信令、寻址和路由建立等所用协议是不同而且相互独立的。它有上、下层之分，上层是下层的客户，下层是上层的提供者，两者之间必要的信息交流可通过光网络的用户网络接口(UNI)进行。ASTN/ASON是智能化的光网络结构，属于重叠模型。它提供包括SDH/SONET、波长和未来的光纤连接的动态连接能力，并能按实际需要安排带宽。IP业务可以在SDH/SONET、波长、光纤连接的基础上实施。它能提供多种业务、便于发展新业务(包括虚拟专用网)，有较好的组网灵活性。发展这种模型是基于这样一个事实：当前很多电信运营商的光传输网部分与业务交换网部分是分属于两个或多个不同运营商，并且光传输网运营商可能要为多个业务交换网运营商服务，它们愿意与业务交换网运营商在设备与功能划分上有明确的界限，不希望把自己内部网络信息提供给其他人共享。这种职责分明、具有层次性的特点，是重叠模型的主要特征。

　　对等模型把光传输网层面与业务交换网层面的控制平面统一起来，采用统一的控制平面，从控制角度来看，它们是对等的，不分上、下层次，其寻址、信令、路由的建立等所用的协议也是相同的。在这种模型下，光层与业务层面所用的设备也是对等的，例如光交叉连接设备(OXC)与路由器也看做对等的，当前极为热门，而且正在发展的GMPLS就采用这种模型。GMPLS是在已成功运用于IP通信网的MPLS基础上展起来的，GMPLS使组网更为灵活，各种网络资源可有效利用(包括控制平面资源)，促进光传输网与业务交换网的集成，为发展新业务创造良好条件。

　　当前，业界正在开发光控制平面，它把数据平面强大的硬件能力与智能控制平面集成在一起，为此可将IP路由技术与MPLS在光层上结合在一起。

　　GMPLS是由IETF计算机通信网专家为主发展起来的，目前人们对GMPLS一致看好，但还有很多问题有待解决。现在GMPLS只是处于标准草案阶段，要达成广泛共识并形成标准还有很长的路程要走。ASTN/ASON主要由ITU-T通信网专家发展起来的，已初步形成标准，相对于GMPLS较为成熟，我国也正在开发该项目。ASTN/ASON近期会得到发展，从长远来看，ASTN/ASON与GMPLS也不会有较多的矛盾，ASTN/ASON的对外接口已考虑了与GMPLS的接口，有关机构正在着手研究两者进一步的衔接问题。

　　GMPLS是MPLS-TE的扩展

　　前面已指出，GMPLS采用对等模型，是在MPLS基础上发展起来的，更准确地说，GMPLS是MPLS-TE的扩展，MPLS-TE是MPLS支持流量工程的扩展协议，GMPLS最核心的扩展为：

　　MPLS或MPLS-TE的控制平面，只规定了包交换(PSC)和第二层交换(L2SC)接口。GMPLS扩展了这个控制平面的接口，它不只包含PSC、L2SC，还包含时分复用(TDM)、波长交换(LSC)和光纤交换(FSC)。与此接口相对应，GMPLS的传送(或数据)平面应包含PSC、L2SC、TDM、LSC、FSC。

　　GMPLS工作的重点是控制平面的设定。它统一了PSC、L2SC、TDM、LSC和未来的FSC的控制平面，包括利用统一的信令和路径建立方法等。这5种PSC、L2SC、TDM、LSC、FSC交换层面是独立的、对等的。

由此，GMPLS具有如下的特点：

　　GMPLS与MPLS一样，其网络元素为节点与路径，在MPLS中的节点为标记交换路由器(LSR)，包括入端、出端LSR及中间的LSR，通过这些LSR建立标记交换路径(LSP)。在GMPLS中，节点既是LSR路径，也是LSP，但扩展了LSR的接口种类，它不仅包含原MPLS的数据包及信元的接口以适应传送IP包及ATM信元的需要，它还包含SDH/SONET的时分复用接口、波长交换接口、光纤交换接口。MPLS中的LSP是用标记标识的虚电路。标记是用安置在IP包头前面的、一个短的标记实体标识或在ATM信元中用VPI/VCI标识。在GMPLS中，它不仅包含原MPLS的标记形式及LSP表示一条虚电路，它还扩展标记为通用标记，从而还可标识：

　　一组光纤中的某一光纤;

　　一个光纤中的一个波带;

　　一个波带(或光纤)中的一个波长;

　　一个波长(或光纤)中的一个时隙。

　　从而LSP可表示传送IP包的虚电路，由SDH/SONET构成的一条TDM专线、DWDM中的一个波道以及一条光纤。

　　综上所述，GMPLS将LSR(更精确的是LSR上的接口)划分为五个类型，这实际上等效于五种交换类型：

　　数据包交换(PSC);

　　时分复用(TDM);

　　波长交换(LSC);

　　第二层交换(L2SC);

　　光纤交换(FSC)。

　　下面简单介绍在数据(或传送)平面内，PSC、L2SC、TDM、LSC和FSC各交换层面之间的关系。

　　各交换层面也表示了客户/服务者关系，上层是客户，下层是服务者(或提供者)。尽管从传送角度来看，它们有上、下层的区别，但从控制角度来看，GMPLS统一控制与管理各交换层面是对等的，没有上、下层区别，所以GMPLS是对等模型。

　　GMPLS的路由与编址

　　在讨论GMPLS的路由与编址之前，我们首先注意GMPLS网络环境与MPLS网络环境的差异：

　　GMPLS的路由与编址要考虑适应五个交换层面的需要，特别是LSC、TDM、FSC三个交换层面与MPLS的PSC、L2SC两个交换层面，其结构有很大的差异。

　　GMPLS的网络规模通常要比MPLS的网络规模大很多，特别是GMPLS的两个LSR之间的链路数在DWDM情况下，一条光缆的波长数可达几十甚至几百、几千。若按MPLS的方式，每一个物理端口都分配一个IP地址，数百个波长的物理端口要分配数百个IP地址，另外一个LSR在实施拓扑信息分发时，若要把几百个链路状态信息分发出去，其所占用的带宽较大，而且有大量冗余信息。

　　为此，GMPLS在选用路由协议、路径选择方法、编址方式等方面都在MPLS的基础上进行了扩展。

　　1. 路由协议与路由

　　GMPLS使用OSPE-TE及IS-IS-TE路由协议，作为自治系统(AS)内部路由协议，而自治域间路由协议是准备用BGP-4扩展，该扩展工作尚在进行之中。通过路由协议，在路由域内可获得拓扑的发现及全部链路的资源情况。

　　GMPLS把5种交换层面归并为两种交换模式，即包交换模式(PSC)和非包交换模式(non-PSC)，前者包含PSC和L2SC，后者包含LSC、TDM和FSC。实际上，这两种模式分别对应包交换方式和电路交换方式。GMPLS为了路由与编址的需要把GMPLS划分为两个层面，即PSC层面和非PSC层面，根据需要，非PSC层面还可进一步划分。

　　由于非PSC层面的特殊性，每一非PSC层面可视为一组以任何方式互连的自治域(AS)。这里AS的概念与OSPF路由协议中的AS概念是类似的。例如，一个AS可以是一个SDH/SONET网络。

　　每一个AS可进一步划分为不同的路由域，并可运行不同的内部路由协议。同理，每个路由域还可进一步分为多个区域。

　　一个路由域由GMPLS节点组成，节点可以是边缘节点(主机、入端LSR、出端LSR)，也可以是内部的LSR。在SDH/SONET环境下，SDH/SONET终端复用器(TM)是非PSC的主机，IP路由器中的SDH/SONET接口卡或ATM交换机的SDH/SONET接口卡也可以是非PSC主机。

　　GMPLS控制平面路由的主要功能包括GMPLS网络拓扑信息的分发和传送(数据)平面LSP路径选择。拓扑信息的分发主要是为了让LSR了解足够有效的信息，以便选择最优路径。但对于典型的传送核心网可以包含成千上万的物理端口，一个LSR详细的链路状态信息数量巨大，为此要设法精简以减少所需的传播信息。GMPLS采用下述两种方法：

　　在LSR层面上，当一对LSR由多个平行链路连结时，可以把这些链路看做是OSPF或IS-IS路由协议的单一链路，并向全网通告，这就是链路捆绑。使用它可以只分发一些摘要信息，而把大量的信息细节隐藏起来。这些捆绑的链路可以共享路径选择过程时所需要的公共的逻辑或物理属性，在分发到其他子网时还要进行精练及抽象化工作。

　　在网络层面上，GMPLS路由协议要支持层次化的路由结构。在传统的MPLS中，一条LSP的起始点和终结点应是同一类型的设备(例如路由器)， GMPLS也遵循这一规定，一条LSC自治域内的LSP必须起始并终止于支持LSC的设备，同样，一条TDM自治域内的LSP也必须起始并终止于支持TDM的设备，当LSP在低层中创建后，它们就可用于创建高层的LSP。这种层次化的路由结构可简化LSP的建立过程。子网的拓扑信息要根据本地策略对信息进行过滤。

　　GMPLS路由的另一重要内容是路径选择。在GMPLS网络中，路径选择主要是LSP的建立。GMPLS规定了两种路由，即显式LSP路由和逐跳ISP路由（hop by hop）。显式LSP路由一般用于AS之间，逐跳LSP路由用于AS之间。在显式LSP路由中，通常由LSP的入端节点规定好LSP所经过的部分或全部节点，其建立过程比较简单，为了减轻AS内部在建立LSP过程中的处理工作，所以选用它。逐跳LSP路由与因特网上使用的路由方法相似，每个节点独立为LSP选择下一跳。

　　2. 编址

　　GMPLS规定可以用IPv4和IPv6地址。此时，IP地址不仅用于识别IP主机和路由器，也用于识别任何PSC和非PSC接口。它可根据需要使用公用IP地址或专用IP地址。

　　如果在光控制平面中不使用IP地址而改用其他方法标识，那么这些方法将要求扩展信令(RSVP-TE、CR-CDP)和路由(OSPF-TE、IS-IS-TE)协议。

　　GMPLS信令和链路管理

　　信令是GMPLS控制平面的重要组成部分，链路管理是GMPLS为了适应新的网络环境新建立的内容。限于篇幅本文只进行概念介绍，不进一步展开。

　　GMPLS信令的基本功能，包括LSP建立、LSP删除、LSP修改、出现故障后LSP的恢复，以及LSP出现非正常情况时的例外处理方法。它包含三个协议：

　　信令的功能描述(GMPLS-SIG)协议;

　　扩展的RSVP-TE(GMPLS-RSVP-SIG)协议;

　　扩展的CR-LDP(GMPLS-CR-SIG)协议。

　　后面两个协议具有相同的功能，但分别从RSVP-TE及CR-LDP两个支持MPLS流量工程的信令协议扩展而成。GMPLS可允许选其中任何一个，由于两者不能兼容，具有排他性，所以一个网络只能选用其中之一。

　　传统的IP业务，其控制平面所传的信令与数据平面的数据流是在一起传输的，即采用带内信令方式。这种方式在光网络中并不合适。这是因为它要求每一光接口都要有一个控制通道，并对控制通道解码。另外，控制信令应该有比数据平面的数据流更高的可靠性要求，在同一传输通道中传输这两种信号是无法满足上述要求的，为此，GMPLS采用带外信令网络，这种带外通道必须是双向的，另外，这种带外信令网络用于传送控制信息，并且采取特殊措施，以保证传送的可靠性。带外信令也无法利用像OSPF和IS-IS路由协议的发现机制以判定链路的连通性。再有，前面所讲的链路捆绑问题也需要管理(包括捆绑多个链路，增、改捆绑成员等)原因，GMPLS为此新建立了一个链路管理协议(LMP)。

　　链路管理协议是用于在相邻两节点之间提供控制信道管理、链接性管理、链路连接性验证、链路所有权关联和链路故障管理等的实施规程。其中，控制信道管理和链路所有权关联是必须实现的，其他几项是可选的。控制信道管理用于建立和维持节点之间的控制信道。

　　ASON/ASTN与GMPLS标准化的进展

　　发展ASON/ASTN及GMPLS对建设新一代光网络是非常重要的。ITU-T等国际标准化组织对ASON/ASTN已提出自动交换传送网络(ASTN)需求建议G.807/Y.1302，自动交换光网络体系结构建议草案G.ASON，ASON体系结构和有关协议草案等，以及与此课题相关的光传送网(OTN)的网络节点接口建议G.709，光传送网体系结构建议G.872等。虽然还没有提出成套标准，但主体部分已建立或将要建立。

　　GMPLS的发展比ASON/ASTN稍晚，目前还没有建立一个国际标准或RFC级的标准，多数还是标准的讨论稿，另外AS之间的路由协议BGP-4扩展还有待开发，已建的协议还有待完善。但其主体部分已有共识，由于GMPLS涉及面宽，要达成广泛的共识和形成标准还有一段很长的路程要走。

摘自《计算机世界报》

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