智能光网络的关键协议和关键技术

2019-11-03 18:16:54

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供稿：网友

韦烜林立刘剑广东省电信公司科学技术研究院 1 概述　　目前，ip数据业务不可逆转的"井喷"式飞速增长对光传送网络提出更高的带宽需求和服务质量要求，驱使光网络从传统的仅提供原始固定带宽的方式向更易于管理和控制、更加灵活和智能化的可运营方向发展。智能光网络体系结构正是基于这样的技术、需求背景而提出的，它通过对业务进行分类，依据网络、资源、业务流量进行智能化的配置，并且在网络出现故障时提供强大的网络生存能力，由此赋予了光传送网实时的提供可配置带宽和动态的端到端连接管理能力。

　　智能光网络的核心在于明确的提出了光传送网的控制平面，通过控制平面的方式并引入信令控制的交换能力来实现连接配置的管理，因此控制平面的信令协议对于智能光网络的尤为重要；（另一方面，智能光网络的真正实现还需要一系列光网络相关的配套关键技术，如可调谐激光器和光包交换等）。下面针对智能光网络的关键控制协议和关键技术进行详细的介绍，其中关键控制协议部分以ITU-T、IETF目前正在规范的通用多协议标签交换（GMPLS）协议集为主要内容，这是由GMPLS所具备的强大优势决定的，而利用GMPLS来构建统一的智能光网络控制平面将是今后网络的必然选择。

2 智能光网络的关键控制协议

　　为了使智能光网络能够适应于不同的分组和电路交换技术，并且能够在不同技术区域、行政管理区域和商业区域的网络之间互联互通，目前电信界各大标准化组织基本达成共识，即采用基于IP/MPLS的控制协议GMPLS来构建一个通用的智能光网络控制平面以实现光交换通道的自动建立。

　　MPLS作为当今数据网络领域内最有前途的网络解决方案之一，为IP更有效的传送做出了很大的贡献，因此在数据和光网络融合的趋势下，结合现有的网络技术和发展现状，将IP有关灵活控制的基本思想和相关协议引入光域并进行适当的扩展来构建新一代更灵活更智能的光网络具有很重要的现实意义。基于MPLS扩展的GMPLS的智能控制平面可以支持任何类型网络连接的建立，并且能够很好的实现智能光网络的功能要求和网络互联所需外部接口，同时GMPLS控制平面还支持多种流量工程能力、实施QoS保证，并具备故障情况下的多种保护和恢复能力。因此，随着光传送网络逐步向智能化迈进以及智能光网络体系结构的出台，GMPLS协议集作为构建智能光网络控制平面的首选方案以实现光网络的实时智能化控制和连接的灵活动态配置将成为一种必然趋势。

2.1 智能光网络控制平面的基本模块

　　智能光网络的控制平面主要处理端到端的连接业务，根据功能划分，控制平面又分为几个模块：网元层资源发现，状态信息分发，通道选择和通道控制模块，这些功能组件协同工作相互补充形成一个整体，他们的结构和他们之间的关系构成了整个控制平面的体系结构：

　　（1）网元层资源发现：定义为为传送平面所进行的建立、验证、更新和维护网元邻接关系及其端口对关联关系等的操作。基本功能是地址发现、业务发现、信息通道连接发现、确认和管理；

　　（2）状态信息分发：主要解决网元级的资源信息穿过网络进行分发并形成网络层资源数据库的问题；

　　（3）通道选择：一般采用显式路由，某些特定情形下也可采用逐跳路由。在交换传送网络中，一条通道（连接）请求通常具有某种约束性，应采用基于约束的路由算法；

　　（4）通道（连接）控制：通道控制处理一些与通道相关的操作如通道创建、拆除和更改（自动重选路和保护倒换）以及通道状态咨询等。

　　在基于GMPLS的智能光网络控制平面中，前三个基本模块主要由经光域扩展后的路由协议来完成，最后一个基本模块主要由信令协议来完成，而链路管理协议在各个模块中都有部分的应用和体现。

2.2 基于GMPLS的智能光网络关键控制协议

　　基于经MPLS扩展后的通用多协议标签交换（GMPLS）协议集的智能光网络控制协议主要包括路由协议、信令协议以及链路管理协议（LMP），其中建议采用的路由协议主要有具有流量工程能力扩展的开放最短路径优先（OSPF-TE）、具有流量工程扩展的中间系统－中间系统路由协议（IS-IS-TE）以及受限最短路径优先路由协议（CSPF），信令协议主要包括具有流量工程扩展的资源预留协议（RSVP-TE）和约束路由标签分发协议（CR-LDP），它们在智能光网络中的应用见图1。

图1 智能光网络中的GMPLS协议

　　路由协议主要完成拓扑发现、传递交换通道建立所必需的链路状态信息、可用的光网络资源信息和策略信息等，并实施路由的计算、选取以及故障情况下的重新路由功能；信令协议基于路由协议选路的结果或所规定的显式通道为通路预留相应的网络资源，实现端到端连接的建立、拆除和修改等工作，同时提供光网络所必须的流量工程能力；而链路管理协议则负责链路所有权的关联、验证，控制信道的管理以及故障的定位隔离等任务；通过GMPLS各种协议集的协同配合，智能光网络的智能化连接管理和控制才能得以完成。

　　智能光网络中不仅有分组交换（PSC）节点，还有TDM节点，波长交换（LSC）节点，甚至光纤交换（FSC）节点，交换节点可以在任何需要的时候通过发起一个GMPLS信令建立一条通达其他交换节点的电路、波长通道甚至光纤通路。因此，为了支持以上多种类型的交换接口，GMPLS体系结构对MPLS进行了扩展，将原有MPLS分组级的交换粒度扩展为囊括了分组交换（PSC）、TDM电路交换（TDM）、波长交换（LSC）以及光纤交换（FSC）等在内的各种业务粒度，见图2，满足了智能光网络建立不同交换粒度光通道的功能要求。

图2 GMPLS的交换粒度

　　（1）信令协议

　　基于GMPLS的信令协议包括RSVP-TE和CR-LDP，但智能光网络并未规定必须使用哪一个信令协议，由厂商和运营商自行决定。以CR-LDP为例，它通过沿着经约束路由算法所选取的通道进行标签分发来实施连接的建立过程，为支持以上不同的交换粒度，相应指示连接建立的标签也必须具备标识各种交换类型的能力，为此GMPLS分别为电路交换（主要是SDH）和光交换（包括LSC和FSC）设计了相应的通用标签格式。在CR-LDP中，完成连接的建立主要包括以下几个信令过程，同时相应规定了各个过程所需要的LDP消息格式和内容：

　　① 对等对的发现，用于通告和维护LDP对等对的存在

　　② 会话管理，用于在LDP对等对之间建立、维护和终止会话连接

　　③ 标签的分发，用于建立、修改、拆除对应于FEC/标签绑定的标签交换通道（LSP）

　　④ 错误通知和建议，用于提供建议性的消息和对错误进行通知报告

　　CR-LDP节点之间通过周期性的发送Hello消息来宣告它们在网络中的存在以实现对等对的发现过程，一旦完成发现过程节点之间就可以开始CR-LDP初始化来建立会话连接。初始化过程成功结束后，两个节点之间就建立起了CR-LDP对等对的关系，并且可以进行标签的分发以及通知消息的交换传送过程。

　　（2）路由协议

　　为了支持链路状态信息的广告，GMPLS的域内路由协议OSPF-TE和ISIS-TE路由协议都进行了扩展，增加了一些对应于光域TDM、LSC和FSC的约束条件，如链路保护类型、接口交换能力（PSC/TDM/LSC/FSC）以及共享风险链路组等，这些约束主要来自于用户的特定要求如物理分开，流量工程政策如首选路由以及网络其他特性。扩展后的路由协议通过统一的编码，承载相应的流量工程所要求的链路信息，包括更多的标签交换通道参数如标签交换通道类型、载荷类型和链路保护方式等，以实现特定约束条件特定类型连接的路由计算和选取。

　　（3）链路管理协议（LMP）

　　光域中DWDM的使用意味着在两个相邻的节点间具有数目非常巨大的平行链路，为了对这些邻接的链路拓扑状态信息进行维护和管理，并获得可扩展性，引入了链路管理协议（LMP）。LMP运行于邻接节点之间的数据平面上，用于进行链路的提供和故障的隔离，并管理节点间的双向控制信道。它包括四个核心的功能：控制信道管理、链路连接性验证、链路所有权关联以及故障定位/隔离：

　　控制信道用于在两个节点之间交流控制平面的信息如信令，路由和管理信息，其重要性不言而喻，而LMP的控制信道管理功能就是为了保证控制信道能够正常工作而实施的；

　　链路所有权关联功能用于将多条数据链路集成到一条流量工程链路上并同步该链路的属性，在链路属性发生改变时能够实时的做出反应和进行修正；

　　链路连接性验证用于验证数据链路的物理连接性以及交流可能使用于RSVP-TE和CR-LDP信令中的链路标识，可通过在特定捆绑链路的每条数据链路上发送测验消息来逐一验证所有数据链路的连接性；

　　故障定位/隔离对于网络运营非常重要，它是实现快速自愈的前提。LMP故障定位过程基于信道状态信息的交流，为此定义了多个信道状态相关消息。一旦故障被定位，可用相应的信令协议激发链路或通道保护/恢复过程。

　　3 智能光网络的关键技术

　　在目前，关于未来智能光网络中应用技术的讨论非常之多。在许多讨论中，涉及的技术还仅仅停留在理论和实验室的水平。下面，我们将试图从一个更贴近现实的角度来探讨其中一些技术实现的方法和可行性。

3.1 可调谐激光器

　　在目前的光网络中，在需要改变波长时往往采用O－E－O的方法，对于不同的波长需要采用不同的器件，这种方法的成本太高，且对于运营商来说需要存储大量的备件，显然是令人难以接受的。这样，可调谐激光器便成了必不可少的器件。

　　当前，完善的可调谐激光器的技术还不成熟，仅仅停留在实验室的水平。主要的问题是其体积太大，无法将整个器件集成到一个单独的芯片中。

　　现在采取的一种方法是改变半导体激光器的谐振腔设计结构，将原有的水平腔体该为垂直腔体。即采用VCSEL（Vertical cavity surface emitting laser）技术，这样可以显著的提高耦合效率。VCSEL目前在850 nm广泛使用，但在我们最关心的1 550 nm的应用却困难较大，主要是需要增加谐振腔的长度。

　　但Bandwidth9已经实现VCSEL技术在1 550 nm（C-band和L-band）的应用。在他们的设计中，使用MEMS技术来改变谐振腔的体积，从而改变发出的波长的频率。这种设计时的可调谐激光器的体积很小，但也导致了功率不足的缺陷。目前，他们的功率只能达到1 mV（0 dBm），在实验室里也只达到5 mV。加上他们的产品实用直接调制的方式，所以目前主要集中在城域中应用。

　　在Long－haul的应用上，iolon公司的产品具有很强的优势。他们可以设定的波长间隔比较窄，为25 GHz，并可以在高达10 G的速率上应用在C波带和L波带，并可以设定超过最大200信道的波长（其它公司产品的波长间隔多半在50 GHz或100 GHz）。其光输出功率较高，使用CW（连续可调谐）激光器时的输出功率为20 mW（13 dBm），可以使用于长途通信。他们采用的技术是先采用衍射光栅将波长变换，然后在采用MEMS技术选择需要的波长。具体结构如下图所示：

图3 可调激光器

　　可调谐激光器还可以应用在OEO的交叉设备中实现无阻塞的交叉及波长变换，如Cinta Network已经在其WaveJunction System中应用了该技术，并称将可容纳8 000个端口及10 T的交叉容量。

3.2 OO交叉和OEO交叉

　　在未来的智能网中，光交叉机（ODXC）技术无疑将处于网络的中心地位。但在目前，对于采用OO交叉还是在一定程度上沿用传统的OEO交叉的方式，在业界还存在一定的争议。

　　因为在未来的智能光网络中，交叉机的功能已经不像传统的交叉机那样仅仅满足于信号的重新定向，而需要加入智能化如性能的监测和网络恢复和一些运营商的特殊用途，并能够应用软件进行控制。同时，OEO交叉还能够提供在时隙方面的交叉和会聚功能。在这方面，OEO的设计无疑具有天生的优越性，被如Ciena、Sycamore等公司采用。另外，由于基于成熟的CMOS工艺，OEO交叉机的价钱便宜（仅在过去的三年中，OEO器件的价钱便下降了2倍），体积不断下降，而容量不断上升。这种价格优势在现在10 G VSR（very short range）将广泛使用的情况下，将继续保持（其实，VSR的广泛使用，将同时减少全光器件的价格，但这种减少没有他们对OEO器件价格的减少明显）。同时，OEO交叉机性能远比OO交叉机稳定。但光交叉机对于传输信号的速率和协议具有透明性，而不像电交叉机那样在运营商需要改变业务种类的时候，需要更换网络器件。

　　纯光的智能交叉机在目前看来，还是处于不成熟的阶段。2001年年底，Calient Networks推出了自称全世界第一个采用GMPLS的全光交叉机，并将在日本商用化。采用GMPLS将使以前的IP、ATM、SDH等分开的控制层面可集中管理，从而大大缩短了业务提供时间。另外，在光交叉机中，应该支持UNI的应用，这样在与路由器直接连接时，可以提供带宽的灵活分配。目前，另一种看法认为智能光网络的智能应主要在网络的边缘完成（如在会聚层），而核心光节点的功能将集中在迅速提供可需的带宽上（小于50 ms），而不引入过多的其他功能。这样，OO交叉和OEO交叉各司其职，可能是更好的解决方法。

3.3 光包交换

　　光包交换目前面临的问题还是很多。除了信号均衡和噪声色散控制外，为了在光的领域实现路由功能，还需要解决光存储和处理的问题。目前，一种解决的方法是用OEO的方法处理（如上面讨论的那样），将光交叉和路由器的功能结合。AcceLight Network利用该思路在今年9月份推出他们的Photonic Burst Switch产品（自称是第一台带路由功能的光交叉系统）。和传统的OEO方式不同，其交叉采用光交叉，总的来说是O-E-O-E-O系统。结构如图：

图4 光子突发交换

　　光信号首先通过OEO转换成1 310 nm的信号，接着进入光交叉矩阵进行处理，然后在经过OEO转换成需要的波长送出。这样，光包交换的复杂处理过程转移到电层完成，电层完成包的存储并将连接请求送至队列系统，并由其完成光交叉连接的路由建立。同时，OEO的结构可以完成波长的再生和转换。该系统现在可以支持10 G以下的应用，并将采用GMPLS技术。这种结构，从目前看来具有一定的技术优势和可行性，是一种比较不错的解决方案。

4 总结

　　Internet和光技术的快速发展使通信行业发生了很大的变化，光网络的规模在迅速扩展，光传送网的角色从原来的大容量的带宽传送转变为提供端到端的服务连接，如何支持、管理和维护如此大规模的网络成为我们必须面对的问题，智能光网络就是在这种背景下应运而生的。智能光网络作为未来传输网发展的方向已经被业界所承认，对于智能网的发展而言，还存在一些挑战，在协议和技术方面还有待进一步的完善和提高。

摘自《光纤新闻网》

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