新一代智能城域光网络

2019-11-03 19:12:49

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供稿：网友

范忠礼
（南京邮电学院南京 210003 ）　　摘要本文介绍了一种标准化的光控制平面。光控制平面被分解成邻居发现、服务发现、连接控制和拓扑/资源发现等几个基本的过程。不同的网络组织和分割导致了几个不同的自动配置模型：软性持久链路模型、用户接口模型和对等模型。最后还介绍了基于SDH光交换的新一代CIENA公司智能光网络，它具有大容量光交换能力和网络拓扑结构自动发现、端对端电路配置、带宽动态分配等功能及特点，将大大提高数据、电路业务的服务质量。

　　关键词控制平面自动配置路由协议分布式网络智能 DWDM 城域网

　　1 引言

　　在基于分组化的NGN（下一代网络）中，电路交换网的危机是显而易见的。对于各大运营商来说，对NGN的期望并非推倒现有网络去新建一个理想的NGN模型，而是如何由现有网络演进到NGN，力争在竞争日益激烈的业务市场中继续保持主导地位。显然一种标准化的光控制平面是ASON的控制平面的基础。

　　一个设计良好的控制平面可以快速准确地建立电路连接，令服务提供商能够更好地控制它们的网络。控制平面本身必须是可靠、可扩展和高效的。控制平面结构应能够普遍适应支持不同的技术手段、不同的业务要求和不同的设备提供商所提供的功能。

　　控制平面应适用于各种不同的传送网络技术（如SONET/SDH、OTN、PXC）。为实现这个目标，需要将技术有关方面与技术无关方面隔离开来。控制平面应该足够灵活，以适用于不同的网络应用。为此可以将控制平面划分为不同的部件，设备制造商和服务运营商可以决定这些元件的具体位置，也允许服务运营商决定这些元件的安全和策略控制。

　　控制平面应该能够支持传送网络中交换连接（SC）或软永久性连接（SPC）的基本连接功能。这些连接功能的类型包括：单向点对点连接、双向点对点连接、双向点对多点连接。不同的网络组织和分割导致了几个不同的自动配置模型。

　　2 自动配置

　　电信业已经认识到对高带宽链路自动配置的需要，基于运营商现有的基础设施、开发新产品的潜能和今后的策略，可选取三种不同的模型。

　　（1）软性持久链路模型

　　该模型中，终端系统（客户）和网络之间没有网管或控制的互操作。居于控制平面上方的网管系统用于连接两端的节点通信。因此，SPC模型对于将遗留下来的设备连接到光核心中去是十分重要的，如图1所示， ATM和FR交换接口通过网管系统连接到光核心。这一模型已经用于ATM的永久虚电路（SPVC）服务中，也为MPLS网络所建议。

图1 光网络中不同的配置模型

　　（2）用户网络接口模型

　　用户网络接口模型（The User Network Interface Model）与ISDN相类似。在这些网络中，服务是由终端系统发起的。图1中描述了一个路由器网络通过UNI从光网络中请求高带宽连接。在UNI模型中，终端系统并不了解光网络的拓扑和资源状况，只能简单地要求建立或删除连接。在一些网络应用中，客户端为不同的连接请求不同的路由[1]。由于网络与终端系统不共享拓扑信息，为了满足终端系统的多样性需求，UNI就必须支持“多样化路由”。

　　（3）对等模型

　　在对等模型中，发起者的连接请求总是针对对等网元的，也就是说，请求者需要完全了解拓扑信息。通过这些信息，连接发起者可以按照一系列规则选取通过光网络的路由，如按照路由的多样性、最小时延、最高可靠性，或最少跳数。

　　对等模型受到ip网的很大影响。在IP网中，路由器可以看作是光层交叉连接(OLXC)的对等实体，在OLXC和路由器之间共享全部的信息。这与IETF的MPLambdaS是保持一致的[2]。图1中描述的对等模型中分开的子网中的路由器扮演了光网的对等实体。然而，对所有的节点来说，并不是全部的信息都是必需的，比如说IP路由表，哪个范围的信息是需要共享的还在研究当中。

　　3 信令及路由协议和分布式网络智能

　　信令系统的本质是可以请求的动作、与连接相关的特征、用来在网络中传递动作的协议和携带信令消息的通道。

　　按照需求建立或删除连接，状态查询和属性修改[3]，这些是鉴别光网络的四个基本动作。这些特征是请求连接所必需的，还有客户和连接认证，源地址和目的地址及端口，以及安全对象。

图2 信令及路由协议和分布式网络智能

　　许多设备/服务提供商认识到智能光路由的重要性，联合制定了一些信令及路由标准，例如IETF (Internet Engineering Task Force)的GMPLS（Generalized MultiPRotocol Label Switching），在功能上主要完成相邻节点的发现、链路状态的广播、计算和维护整个网络的拓扑结构、路径的管理和控制、计算路由指标值、保护和恢复等。ITU-T于2002年2月提出了基于PNNI的G.7713.1，这是第一个关于ASON的草案。光网络的分布式智能完全依赖于光路由和信令协议，以替代传统采用集中网络管理实现的智能，网络拓扑发现、电路自动配置等是分布式智能的主要体现。和IP路由不同的是，光路由不是路由和转发包的，主要是起到电路的配置作用，当电路形成以后，只是路径的管理和控制。

　　光路由信令协议是IP网络中的OSPF协议的扩展，使每一个网元上保留了全网的拓扑结构图，这些信息为光网络实现分布式智能提供了基础，能提供的网络智能和功能为：

　　*通过单个网元可以看到全网的拓扑结构，可以监视网络的情况；

　　*网元和网元之间可以通过协议建立电路，也可以通过配置单个网元，实现端对端电路的配置；

　　*在端对端电路恢复中实现路径查找，一旦需要对端对端的电路实现恢复时，网元根据拓扑结构和带宽情况查找路径实现恢复；

　　*提供虚拟容量，通过拓扑结构和计算，可以实现任意级联、波长捆绑，形成非标准的带宽，对不连续，甚至不在同一光纤或光波中带宽也可以级联，当容量超过光波的带宽容量，也可以采用光波捆绑的方式提供更大的带宽容量（如40Gbit/s的容量）。

　　分布式智能是把网络智能分布到网元上，而不是采用网络管理系统集中对网元配置形成的智能。和网络管理形成的智能相比，分布式智能具有下列优势：

　　*网元能直接知道网络物理情况，分布式智能实施速度快、迅速，网络生存能力强；

　　*当出现带内、带外网络管理故障时，基于网管的智能就无法实施，而分布式智能不受影响。

　　4 邻居发现

　　所有模型都有一个非常相似的要求，即至少要了解何种终端系统连接到网络上，哪种网元（如OLXC）是邻居，和端口互通时网元是如何连接的。我们称这个过程为邻居发现，它应该是自动实现的。在图2中，我们用一个简单的例子描述了邻居发现的过程。

　邻居发现过程用来确定节点和端口标识。节点标识用来统一标识网络中的节点，通常是某种类型的地址，如IP地址。端口标识用来统一标识相邻接口两端的传输端口。例如，在图2中，节点 200要知道他的节点/端口对（200, 3）是连接到节点2112的节点/端口对（2112, 1）的；类似的，（200, 4）连接到（2112, 5），（200, 62）连接到（1701, 3）。

图3 SONET/WDM邻居发现示例

　　以下是发现邻居的几种方法。

　　（1）同层发现

　　当邻居设备共享复用结构的共同的级别，例如SONET接入复用器与SONET路径交换机接口连接，时，自动邻居发现选项是由复用结构该层的功能决定的。

　　假定我们有SONET线路（SDH复用段）终接设备，并且链路的两端都支持线路DCC通道高级别数据链路控制（high-level data link control，HDLC）包进程。在Internet上，PPP协议提供了通用的交流协议。PPP需要全双工的通信，因此不能用于单向链路中。但是，在PPP上传输的数据不一定是对称的。ODSI的邻居发现和地址注册草案[8]详细介绍了PPP这种应用的用法和拓展。更进一步的PPP链路控制协议（Link Control Protocol，LCP）拓展、认证信息，可以用来调试连接错误的输入/输出光纤。

　　（2）错层和单向发现

　　如果链路的两端运行在复用层次的不同级别，如一端执行复用功能或提供传输服务，本质上来说这是和单向邻居发现相同的问题。

　　在图3中给出了一个SONET设备（用户）连接到基于UNI的WDM设备（网络）上去的示例。在这种情况下，WDM设备扮演物理层再生器的角色，也就是说，执行光电转换，再生电波形，再执行电光转换。WDM设备对SONET开销是透明的，但是可以被动地监控SDH/SONET段级的开销。并不是所有的开销都能插入信息，如J0、B1。这就使得从SONET系统到WDM设备的拓扑信息只能是一次性的。

　　在图3的示例中，拓扑信息(节点号，端口号)可以在每根SONET和WDM设备的链路之间带内传输。主要靠段开销比特J0。信息传输后，网络的UNI侧就有了随后的连接映射：(1701，1) *(2112, 3)，（1701，3）?（2112，7），（1701，4）?（2112，1）和（1701，12）?（2112，2）。

　　对相反的方向来说，即从网络到用户，唯一的选择就是建立一个带外通信通道。如果用户的拓扑信息包含了IP地址，网络随后就可以启动一套程序来建立带外通信通道。

　　（3）服务发现

　　服务发现的概念与邻居发现是非常接近的。通过服务发现，相邻网元能够了解每个网元提供的“服务”和确定可选的接口。举个例子来说，在两个SONET/SDH网元间建立了一条OC-48连接，邻居也“发现”了。就如在ODSI服务发现和地址注册草案[8]中建议的，服务发现可以用来确定信号接口是否为其中一个网元所提供的。注意这一消息也为UNI模型和对等模型（如OLXC到OLXC）中的网元交流所使用。

　　服务发现的另一个重要功能是得到接口限制的详细信息。再次考虑OC-48的例子，假定一个网元是路由器，另一个是SONET/SDH交换机。现在，路由器的接口只支持STS-48c信号，但今后通道化的接口可能支持更多，例如，一个STS-48c或四个STS-12c，使相邻网元知道局限性或容量是很重要的。

5 路由

　　路由包括单个连接的路由计算、拓扑信息发现和分发、资源状况信息发现和可达性信息。

（1）路由计算

　　代表性的是使用最短路径算法[10]。通过调整链路权重的设置可以优化不同的网络性能。举个例子，链路权重可以被设成：

a) 链路长度；

b) 1；

c) ln(Pi)，Pi是指链路i失效的可能性；

d) 有些测量标准与链路的带宽和/或通信流量有关。

　　在情况a)下，我们获得长度最短的一条路径；在情况b)下，我们最小化跳数；在情况c)下，我们得到最小的失效概率；在情况d)下，我们尝试以某种方式对网络资源做出优化。

　　各种不同的服务需求导致了不同的路由算法，路由计算不是一个需要标准化的领域。

　　（2）拓扑发现和资源状况

　　虽然基于SONET/SDH的传输网在性能监控和失效管理方面的协同能力是非常好的。但是在拓扑发现和资源状况信息共享方面并不是很好。链路状态路由协议，如OSPF、IS-IS和PNNI[11]提供了在网元间交换拓扑信息的标准途径，这样每个网元都会对网络的其他部分有一个大概的了解。

　　链路状态路由协议可以用来进行信息的协同分发。但是，链路状态路由协议需要针对传输网进行拓展，包括资源利用（路由计算所需的带宽可用性）、交换容量、对多层交换的支持[12]，保护和多样化路由支持。值得注意的是，链路状态路由协议以前被修正用来分发资源利用信息[11]。

　　（3）多样化路由支持

　　多样化路由[1]是达到传输层所要求的可靠性和存活率的非常重要的技术。共享风险链路组（shared risk link group, SRLG）[4]是一种新的支持多样化路由的链路属性。它被用来将所有的链路主题描述成某一相似的失效类型。

　　如果可能的话，我们总是希望工作纤和保护纤为不同的光纤。通常在同一个管道中有多条光纤通道，而在通路（right-of-way）又有多条管道。这些光纤靠得太近了，这使得它们会同时受到外界物理手段的影响。因此，这些在相同的管道、通路中的光纤通道实际上是相关联的SRLG，只能允许考虑真正物理上多样化的路由。

　　（4）保护

　　保护和恢复特性是区分传输网服务等级的重要途径。在现代传输网中，它用可靠性、健壮性和恢复时间证明了其重要性。通常，可靠性的目标总是标准的一部分，因此，我们也希望向链路状态公告中加入可选的特性，以降低链路失效的概率。链路失效概率只是其中的一部分，因为也许会被像线性1+1，1: N或环路等保护和恢复机制所保护。环路保护在线性保护机制的基础上赋予了额外的健壮性，所以，知道保护的类型在路由选择上很重要，这些信息必须在链路状态路由协议中得到分发。保护可以在网络中的许多层发生作用：WDM、SONET、MPLS等等。典型的看法是认为首先让最底层尝试恢复比较好，因为在单次操作中我们可以恢复更多的高层连接，同时，在高层的恢复也更加健壮。因为多层保护需要相互协调，所以在链路状态协议中公告保护信息是非常值得的。

　　（5）可达性

　　路由的一个重要功能是分发遍及全网的可达性信息[13]。考虑一个由光网元和光网客户端（如IP路由器、ATM交换机）所组成的网络。首先来考虑在客户网元间交换可达性信息的问题。目标是找到一种协议，通过它客户网元可以发现网络中其他可以到达的网元。举个例子，假设这个网元是IP路由器，并且它是直接连接到光网元边缘路由器（border router）和边缘OLXC（border OLXC）所连接的OLXC。有三种途径得到必需的可达性信息：

　　在客户端设备中设定，如每个边缘路由器可以设定它可以通过光网络达到的其他边缘路由器的地址。

　　通过有限可达性协议，经由UNI获得，也就是说，当他们连接起来的时侯，边缘路由器可以在边缘OLXC上进行登记，并获得其它连到光网络上的边缘路由器的地址。

　　通过越过客户端和光网络的路由协议获得。在这个例子中，每个边缘器与相应的边缘OLXC之间运行路由协议。与上面一条相反的是，边缘路由器可以在网络中公告所有可达的目标，并且可以从其他边缘路由器获得可达目标的可达性信息。第一个选项只能适合做一个中间的解决方案。第二个选项为边缘路由器发现其它可达的边缘路由器的提供了一种自动化机制。第三个选项允许客户网元发现光网络上其它的可达客户网元。在这个例子中，边缘路由器和它连接到的边缘OLXC建立一种对等关系，并交换完整的可达性信息。对于由同一个实体管理的光网络来说，基于链路状态的域间路由协议，如OSPF或IS-IS，是分发可达性和拓扑信息的好选择。对由不同实体管理的光网络来说，交换可达性信息可以使用边缘网关协议（Border Gateway Protocol, BGP）。

　　SDH是一种非常成熟而严密的传送网体制，它一诞生就获得了广泛的应用支持，目前已成为世界各国核心网的主要传送技术。我国从1995年就在干线上开始全面转向SDH网络，目前的城域网、接入网也大都采用SDH体制。但SDH也面临时分复用、固定带宽分配带来的效率低下、成本高、技术相对复杂等问题，因此基于SDH体制的光网络如何向以IP为基础的光网络演进是运营商、设备制造商十分关注的问题。下一代网络是一个以软交换为中心，以智能的ＯＴＮ为基础的传送光网络，因此从目前来说开发新一代智能网即支持大容量、小粒度光交换，也兼容目前的ＳＤＨ网络演进和融合是十分重要的。

　　ＧＭＰＬＳ反映了下一代光网络在接口上兼容了电路交换、分组交换、光波长交换和光交换及融合。目前从事智能光网络产品研发的有CIENA、Lucent、Nortel、Sycmore、 Alcatel、Marconi、NEC等，据RHK、Aberdeen等公司的调查， CIENA公司开发出的新一代智能光网络在技术上、市场应用中都处于领先地位。

　　CIENA公司开发出的新一代智能光网络是ASON自动交换光网络的前奏曲。其智能光交换机Core Director已在北美、欧洲、亚洲的近３０家大型运营商得到广泛的应用。以下简要介绍CIENA公司智能光网络设备和组网特点。

　　6 CIENA智能光网络设备和组网介绍

　　CIENA光网络的功能如下：

　　*大容量、小粒度光交换。CIENA的CoreDirector，单个主机支持640Gbit/s的光交换，交换粒度为51Mbit/s，适合SDH交换，最多可提供64个10Gbit/s的端口或256个2.5Gbit/s的端口，多主机可支持7.7Tbit/s的光交换，支持从STM-1到STM-64的多种接口。

　　*支持VC-3/VC-4颗粒的任意级联，支持非标准的容量（如STS-6），能满足不同的数据速率需求，提高带宽的利用率。

　　*支持线型、环型和网状组网，支持线、环保护和网状恢复功能，提供7个优先级的区分服务等级。

　　*CoreDirector是分布式智能的，它的路由信令协议称为OSRP（Optical Signaling and Routing Protocol），能处理像GMPLS一样的协议，是GMPLS的前期实现，并支持OIF UNI版本的GMPLS，有拓扑结构自动发现能力，有动态、自动、快速电路配置功能，网络配置采用端对端配置。

　　CIENA光网络设备的组网特点是：

　　*CoreDirector 替代了多个ADM和数字交叉连接，直接和DWDM设备等连接，建网方便灵活。

　　*支持网状组网，在需要增加带宽的区域增加光纤或光波，采用软件定义环交换也可满足要求。

　　*提供综合业务接口，支持吉比特以太、快速以太、ATM、SDH、PDH等接口。

　　*支持虚拟线交换环（VLSR, Virtual Line Switching Ring），软件可定义BLSR等。

　　图4为CIENA组网举例，图中采用7个CoreDirector形成一个网状网络，其中在左下方软件定义一个VLSR，增加三个点之间的带宽，VLSR的容量可以是一个光波，也可以是光波中的一个2.5Gbit/s的带宽容量。电路配置方式采用端对端配置，即在网管软件中指出入口、出口及电路带宽，网元自动形成相应的电路。电路的恢复采用网状恢复，即由网元自己寻找路径恢复，而不需要网管配置。

摘自《电信科学》

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