光核心网演进策略

2019-11-03 18:18:10

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供稿：网友

许宗幸
(上海贝尔阿尔卡特股份公司上海)

　　摘要为了更富竞争力，运营商必须削减骨干网总体成本，包括建设成本（CAPEX）和维护成本（OPEX）。如何有效降低光骨干传送网的CAPEX和OPEX已经成为一个很重要的研究课题。本文试图阐明不同网络结构对CAPEX/OPEX成本的影响。

　　关键词光网络建设成本维护成本网状网环网

1 前言

　　过去，运营商主要侧重于控制CAPEX以获得简化且投资最低的网络解决方案，而现在他们开始意识到OPEX作为网络总体成本（TCO）的一部分同样非常重要。一般运营商会花费20%~40%在设备投资上，而长期的业务运营　　网络维护和人力成本上将占总成本的60%~80%。减少OPEX成本同样是短期内达到ROI(投资回报)的关键。

网格状网络结构能够最大化带宽利用率和网络灵活性。结合动态路由技术，能够使网络效率改善40%以上，意味着CAPEX减少。同时，更高的网络可用性意味着更高的电信网络质量。通常短的平均故障修复时间（MTTR）会带来很高的OPEX成本。本文比较了不同的建网方案，跟环网结构相比，网状网结构方案具备固有的鲁棒性和生存性。这种体系结构能够允许更长的MTTR及更好的网络可用性。基于这种模型可以显著降低OPEX和维护工作强度。因此，从环网结构演进到网格状网络结构是降低网络CAPEX/OPEX的有效途径，网格状网能提供一个面向未来、高质量的传送平台。

2 什么是CAPEX成本

　　减少网络CAPEX永远是建网的主要目标。从设备角度，避免使用复杂的多层技术会更经济有效，这将简化映射/复用/解复用过程并减少整网成本。这是将来网络两层体系结构的主要驱动力：一层是多业务汇聚（业务层），另一层是光传送网提供通用传送平台。同时，光接口通常是设备中最昂贵的部件，尤其是SDH/SONET 10Gb/s光接口，路由器POS接口和DWDM系统中波长转发器。有时这些接口会占设备总成本的50%。因此，可以考虑使用更便宜的接口如VSR接口或以太网接口以节省成本，或者发展超长距离传输技术和光子网络来最小化不必要的O/E/O变换部件，即改进信号的处理效率来减少设备总体成本。

2.1 采用互补业务模型和动态路由技术

　　通用平台体系可以极大地提高网络利用率。据报道家庭和商业用户的数据业务模型是互补的，而语音网中也呈现相同的特性)。当家庭和商业客户的业务一起进入同一传送平台，则传输网在任何时候都能以最小的总体成本提供连续的高质量业务。同一传送平台承载所有业务可以节省40％的带宽容量。这意味着有效地节省了CAPEX。

　　同时，即使不使用这种业务互补方案，新的网络应用（如动态路由）同样可以应用于通用核心平台以降低CAPEX成本。由于单独业务流的峰值可以和其他业务流的谷值相抵，这样就允许网络只需提供平均带宽而不是各个业务流的峰值之和。根据各种业务的时间特性使用动态路由技术安排带宽，可以提供灵活的租用线业务。这样既可以节省人工和时间，且可以提供如带宽按需分配（Bandwidth-On-Demand）等新业务，使网络利用率可以改进40％。

　　业务层(e.g. ATM/ip)和传送层(SONET/SDH/Optical)不但能够使用通常的业务接口互操作，而且可以通过UNI(用户网络接口)信令和/或管理接口协同工作。在这个客户/服务器体系中，业务层请求带宽而传送层动态地提供带宽。动态路由基于为客户层网络灵活地安排传输容量。

　　现在，业界在考虑移植IP MPLS 控制技术来建立通用的信令控制平面。通过这种方式可以在两层之间构建垂直的集成控制平面。许多实体在发展这种通用信令方案：OIF/UNI, IETF GMPLS 和 ITU-T G.ason。参照这种体系，网络在功能上分为数据/传送平面（物理网络），控制平面（GMPLS 信令）和管理平面（现在广泛使用的网管系统）。第一步可以通过管理接口建立集中控制平面和信令以方便地实现动态路由。除了以上提到的在单层环境中大约节省40％带宽以外，考虑到两层之间分段/复用，两层体系动态路由更有用。固定路由WDM/TDM网络所需的总带宽比动态路由高出40％。

2.2 利用网格状网结构开发网络资源

　　很显然，同一个网络中使用较少的网络容量来支持同样端到端业务需求更经济，而提高带宽效率有助于节省资源。所以另外一种减少CAPEX成本的方法是构建正确的网络结构，更有效地开发网络资源。

2.2.1 CAPEX 成本案例研究: 网络结构分析

　　一般地，网络结构依照拓扑结构可以分为两类:网状网（MESH）环网（RING）。为了比较两类网络结构，我们用一个简单的例子来说明，如图1所示。

　　如果两个节点间一条链路断掉，所有受影响的业务会通过网络中其他链路恢复，即空闲资源能够在整网中共享。对MESH网而言，99个工作业务单元需安排79个备用业务单元，即要保留178个业务单元。而对MS-SPRING保护，由于环结构容量取决于环中最大容量段，且50％的总容量须保留作备份。其中136个业务单元保留为工作，而136个业务单元保留为保护，总共需要保留272个业务单元。所以在这个例子中，在相同的业务要求条件下，基于网格状网的网络比基于环网的网络少使用53％的网络资源。这意味着在光接口上可以节省大量的CAPEX成本。

2.2.2 网络升级 CAPEX 研究

　　以前升级网络的成本并未被重点考虑，但是现在人们开始意识到这个因素并不能忽略不计，特别是对于光核心网尤其如此。所有的运营商都希望他们的业务得到巨大的提高，但面临的问题是如何预计何时、何地在何种程度来扩展网络。大量的网络重叠建设只能暂时解决问题且成本过高，已不再适应现在的市场形势。

　　为了比较基于MESH和基于环的网络结构的升级成本，我们重用前面的例子。假设节点C-F和E-F间的业务要求从1个业务单元增加到3个业务单元(e.g. STM-16)，仍然是100％业务保护。通过使用恢复算法网状网需要增加10个业务单元而环网需要增加24个业务单元。在这个例子中，环网增加的业务段是网状网的2.4倍！这表明网状网较之环网在升级扩容时具有明显的成本优势，网状网在增加容量时灵活经济得多。基于环的结构在网络中某段需要更多带宽时必须增加多个并行的环，但事实上在网络其它段带宽需求很小从而造成资源浪费，这在MS-SPRING网络中比较明显。

通过此例成本分析，我们可以看出：

¨ 网状网配置永远比环网所需容量小；

¨ 网状网配置更容易扩容升级。

　　通常，网状网方案只要求小于30％的总容量保留作备份。比较环网需要50％的容量用于备份，运营商从环网演进到网状网能够相对减少40％的备份容量。这意味着较之传统环网方案提高20％的带宽利用率！另外网状网能够对重要业务提供保护，对低等级业务和尽力传送业务的应用不提供保护，这种按需提供保护（protection-on-demand）的模型同样能帮助运营商显著节省CAPEX支出。

　　在以前，环网因为具有快速保护和易于管理的特点而得到广泛应用。随着光开关和光网络智能控制面技术的发展，网状网已经已经成为运营商优化网络，向未来智能光网络演进的首选。

3．降低网络运行维护成本

3.1 光核心网络运行成本支出的研究

　　光核心网络的运行主要包括日常的维护、业务的提供和性能的验证（例如SLA验证）。根据阿尔卡特的内部用户调查，大多数网络情况是80%的网络运行资源用于网络日常维护，同时15%的资源用于业务提供，其余5%用于性能验证。当然，得益于网络设备越来越完善的保护机制、标准化程度、设备集成度以及处理不断增长的用户响应时间和业务方面需求的网络级/子网级管理器，整个网络运行维护的工作重点正从故障管理向配置管理转变。

　　然而，随着高度智能先进的集中控制网络级管理系统的应用，配置管理可以通过简单的鼠标点击方式进行。同时，得益于SDH/SONET提供的强壮的性能管理功能，业务性能的验证可以通过低成本的集中控制方式实现。而且，随着新的先进的增值网络管理系统的应用，最终用户可以通过Web界面看到他们的专网电路。先进的网络管理系统将有助于近一步提高网络效率和大幅度的降低运行成本。此外，人们正在考虑赋予网络本身更多的智能，在这样的方式下，业务的提供甚至可以按照SLAs（业务等级合同）自动和动态地实现。这种解决方案结合强大的管理系统将近一步削减网络运行中业务提供和性能监控相关部分的成本。所以，为了降低网络运行成本，主要的目标仍然是使网络维护成本最小化。

　　所有的网络运营商网络都对他们的用户提供网络支持和管理。他们都承诺7天 x 24小时的故障管理支持。同时，运营商也对用户承诺MTTR (平均故障修理时间)。为了确保这些承诺的实现，运营商不得不分配足够的人力资源和按照网络结构建立数个维护中心。一般而言，运营商会建立1～2个国家级的网络运行中心，同时会建立几个地区维护中心覆盖所有的区域网络。这种模式包括人力资源、设备备件、场地的租用或建造以及物流成本。这些都属于网络维护成本。

　　显然，如果我们能够使区域网络维护中心的数量尽量减少，响应的维护成本也会降低。每一个维护中心的大小根据网络的大小和网络MTTR的要求而不同。MTTR一般包括单站点的修理时间和物流时间。而且，人力和设备备件的准备时间也应该被考虑在内。一般每一个区域维护中心会配置足够的备件以防设备发生故障。为了评估MTTR和维护成本的关系，我们可以做如下假设：

¨ 一个泛欧光传送网络(注1: 这种模式也适用于城域光传送网络)

¨ 一个国家级的运行中心配备15名工程师

¨ 区域维护中心配备3名工程师（注2：为了提供7 天 x 24 小时服务，至少需要配置5名工程师）

¨ 2类备件中心：在每一个区域维护中心分别有重要级和非重要级2类备件库

¨ 1人/每中心费用为每年US$100,000

¨ 一个中心将配置平均价值US$300,000 的备件

　　为了保证MTTR的指标，区域维护中心的数量应该在合理的前提下覆盖所有的网络区域，如图3。在图中，基本的区域被定义为对应的MTTR为2小时，同时我们假设R（网络范围）为100Km。MTTR和维护成本的关系如图3所示。这是一个模拟的结果，从图中我们可以明显地看到MTTR越长，维护成本越低。这是一个很有意思的结果，因为如果网络可以容忍较长的MTTR，那么运营商只需要建设较少的维护中心。按照图2，当MTTR要求为2小时，同时网络范围为350Km (R=350km)，整个需要大约19个基本区域，从而意味着需建立19个维护中心。然而，如果MTTR只要求为5小时，一个维护中心就可以满足整个区域的维护要求。在这个案例中，每年大约可以节约 US$5Million的人力成本和 US$5Million的备件费用。所以总共每年可以节省US$10Million的支出。

3.2 MTTR 和网络可用性的矛盾: 网络结构的研究

　　通过以上的研究，人们似乎发现运营商降低MTTR的指标可以显著的降低网络运行成本，但潜在的问题是MTTR直接和网络的可用性有关。两者的关系如下所示：

　　网络的可用性一般被认为是一个至关重要的指标，往往用来衡量是否是“电信级”的服务。如果一条承载320Gb/s业务的光缆被中断几个小时，那将是一个灾难性的故障。研究表明，如果发生类似这样的故障，贸易/投资公司的损失估计将高于US$6 Million。随着电子商务和数据中心等新业务的兴起，商业用户不希望在网络中损失重要的数据。所以对于将来以数据为中心的光核心网络而言，网络可用性已经成为最重要的需求。传统的语音网络可以提供99.999%的网络可用性，但网络可用性对于IP数据网仍然是一个问题。而用户只会对高质量的服务支付高的使用费用。总而言之，将来网络可用性对运营商意味着丰厚的收入。

　　参照前文提到的网络可用性的计算公式，由于MTBF对于光网络可以看作为一个固定的常量，所以保证网络高可用性的唯一途径就是使MTTR最小。对于运营商势必面对这样一个两难的问题：较长的MTTR意味着降低网络维护费用，但是为了获得网络高可用性，又希望将MTTR最小化。那么，我们究竟应该怎样解决这个两难的问题呢？

　　通过细致的研究，阿尔卡特发现网络结构是解决这个两难问题的关键。阿尔卡特发现不同的网络结构和网络保护方案提供了不同的网络可用性。尤其是网格型的网络结构提供了天生的网络高可用性，即使采用较长的MTTR，网络仍然可以保证较高的可用性。这个研究结构意味着运营商可以用较低的网络运行支出来实现网络高可用性。为了评估不同网络结构的性能，我们引用图4所示的参考网络模型。

　　我们假设有一个采用40x10Gb/s的DWDM骨干网络。为了确保网络中两个端站的业务连接，可以采用不同的保护方案（如单环/SNCP虚拟环、多环），采用两条保护路由的网络恢复和采用一条保护路由的PRC（保护和恢复）。PRC方案是由阿尔卡特提议的增强性快速恢复方案，可以实现低于50ms的快恢复。同时，我们假设每 x Km单位有一个再生站，在这个网络模型中，共有3个再生站。网络模型中还存在以下网络实体：

¨ 光缆: 假设光缆的MTBF为1次故障/300 km/年;

¨ 设备: WDM线路终端 (故障失效率FIT=22500), 在线放大器(故障失效率FIT=13000), 数据通信网络DCN和恢复管理系统。

　　对于恢复管理系统，我们假设采用热备份，当MTTR为24小时，故障失效率FIT＝10000，同时，对于DCN，我们假设采用并行连接以确保联结。

　　为了简化网络模型以便于分析不同大小网络的可用性，我们还定义了参考单位“Arc”，它包括了线路终端和在线放大器。在线放大器的数量随网络大小成比例的变化，假设每150Km有一个在线放大器。于是网络模型最终被抽象为如图5所示。

　　采用抽象模型，我们开始分析网络可用性。设定Arc为200Km和500Km（Arc 长度为WDM线路终端之间的距离），通过运算我们得到Arc为200Km和500Km时，采用不同保护方案的网络不可用时间和MTTR之间的关系，如图6、7所示。

　　从图6、7可以看到，当Arc增大（即网络范围增大），在相同的MTTR情况下，网络的不可用时间也相应增大。同时对于相同的MTTR，采用单环/SNCP虚拟环和多环网络结构的网络不可用时间大大多于采用基于网格型网络的恢复方式和PRC方式时的网络不可用时间。这就表示网格型网络比环型网络具有更高的网络可用性。

　　此外，通过研究阿尔卡特还发现在采用环型结构组网的情况下，如果不能够保证一个较短的MTTR，是不可能达到将来电子商务网络要求的99.999%高可用性的。而采用网格型网络结构，在保证网络高可用性的同时可以容忍足够长的MTTR，网络维护费用可以大幅度的减少。这完全得益于网格型网络采用恢复方式和PRC方式后天生具有的网络高可用性。

4. 结束语

　　网络运行成本是运营商在最短时间内达到期望的投资回报点的关键。为了降低运行成本，MTTR应该更长一些，然而网络可用性的指标也应该确保。这已经成为运营商进退两难的选择。网格状网络天生就比环状网络具备更高的可靠性，在保证网络高度可用性的同时允许更长的MTTR。尽管环状网络在近期的网络建设中仍然扮演着重要的角色，但是从环状网向网格状网络过渡应该作为光核心网络最有前途的建设策略被运营商所考虑，它可以大幅度削减网络建设和运行的费用。网格状网络的结构在将来的光核心传送网络中将担当至关重要的作用，帮助运营商获得更高的利润。

5 REFERENCE

[1] “A data-aware transmission network”, Alcatel Optics white paper

[2] Kevin Thompson, Gregory J. Miller, and Rick Wilder, “Wide-Area Internet Traffic Patterns and Charactersitics (Extended Version)”, MCI/vBNS

[3] D. Mitra, J.A. Morrison, and K. G. Ramakrishnan, “TALISMAN: An Integrated Set of Tools for ATM Network Design and Optimization” Proc. NETWORKS’96, Sydney, Nov. 25-29, 1996, pp. 483-488

[4] “Dynamic routing in ATM/IP and optical networks”, Alcatel Optics white paper

[5] “Protection on Demand: a new networking architecture”, Alcatel Optics white paper

作者介绍――许宗幸：上海交通大学光通信硕士，目前供职于上海贝尔阿尔卡特公司，从事智能光网络和光波分复用系统相关工作。

摘自　光纤新闻网

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