传输网和承载网的融合趋势

韩国舞族

   

　　随着通信技术的快速发展，各种新技术、新业务的不断涌现，给人们的生活带来了越来越多的便利，人们的工作和生活已经从不断发展的通信网络和业务方面得到很多的方便。但人们并不满足于目前通信网络所能提供的业务，对通信网络和通信业务提出了新的要求。由于现有通信网络技术的局限性，目前还没有一种通信网络可以用户能接受的价格为用户提供包括多媒体业务在内的各种新业务。为了灵活地提供多种业务，必须要有新的网络来支撑，这种新的网络就是下一代网络（NGN）。对NGN的研究得到了业界的高度重视，用户也开始期盼NGN及其相关业务的早日到来。

一、下一代网络功能模型

　　ITU-T根据NGN的特点和基本功能描述，将NGN分为业务层、承载层和传送层三个层次，其功能模型如图1所示。根据ITU-T对下一代网络NGN功能模型的基本描述，结合实践和经验，下一代网络的功能模型可以进行扩充和细化。

　　在此功能模型中，将网络分为传送层、承载层、业务层三个层次，其中每个层次又可以细分为三个子层。

　　1.传送层

　　传送层由管理维护层、控制层和传输层三个子层组成。

　　传输层作为传送层最基本的组成部分，负责通过具体的传输通道，将用户数据流从源端传输到目的端。在骨干网，传输层主要指基于SDH或DWDM等技术组建的光网络；在城域网，传输层可以由城域SDH网络、CWDM网络或者RPR网络实现；在接入和驻地网，传输层的实现手段和范围就更加广泛，无线通信（固定无线和移动无线）的WLAN、移动IP技术、同轴电缆/HFC（混合光纤同轴电缆）、双绞线/xDSL（各种数字环路技术）、五类线/以太网等，都是目前应用很广泛的有效传输接入手段。

　　随着网络业务的不断发展，对现代传输光网络不仅提出了大交换容量的要求，更要求光网络能够快速、高质量地为用户提供各种带宽服务和应用，要求光网络能够进行实时的流量工程控制，根据数据业务的需求实时、动态地调整网络的逻辑拓扑结构，以避免拥塞，实现资源的最佳配置；同时要求光网络具有更加完善的保护和恢复能力；要求光网络设备具有更强的互操作性和网络的可扩展性，等等。这些功能要求的实质是希翼光传输网络具有更强的控制能力和对网络的管理能力。

　　控制层将根据业务的需求，动态地实现传输资源的最佳配置，通过流量工程等控制手段，快速、高质量地为用户提供各种粒度的带宽传输服务。

　　而管理维护层则通过网络的实时监控和检测，随时发现故障并排除故障，实现光网络的自我保护和自我恢复。

　　2.承载层

　　承载层由业务元传递层、控制/路由层、管理层三个子层组成。承载层起到承上启下的作用，对它的基本要求是：

　　按照业务层的要求把每个业务信息流从源端引导到目的端；

　　按照每种业务的属性要求调度网络资源确保业务的功能和性能；

　　实现多媒体业务对通信形态的特殊要求；

　　它将适应各种类型数据流的非固定速率特性，并提供统计复用功能；

　　通过在承载层组建不同的承载VPN，可以为不同类型和性质的通信提供其所需要的QoS保证和网络安全保证。

　　承载层主要通过路由交换完成用户端到端的连接，并且通过提高共享网络资源的合理配置与管理，实现端到端的QoS以及灵活高效的连接。

　　承载层是分组网络，普通路由器可以实现第一个要求，但对第二个要求却无能为力，而对第三个要求，尽管有多播等功能可以完成部分要求，但是尚没有在大网上大规模实现。ATM/FR交换可以比较好地实现第一、二个要求，但是也无法实现第三个要求。

　　随着IP技术的迅猛发展，承载层将主要由以IP网络为主的分组网络实现。但是，目前信息化需求已从单纯的数据信息向交互式多媒体信息发展，从分别服务向数据、语音、图像统一服务和一网传输发展。传统IP网络已无法满足新业务的需求，新型的基于IP的承载网要求不仅有大的交换和存储转发容量，同时要求能够为多媒体业务等多种业务提供可靠的、有质量保障的服务。此外，还要求网络具有结构简单、安全、可扩展等特点。这样就对承载层的控制和路由交换的功能以及管理功能提出了很高的要求。

　　MPLS（多协议标签交换）技术的发展为IP核心网中的路由转发技术带来了革命性的变革。MPLS技术将IP路由控制与第二层的简单性无缝地结合起来，是ATM技术和IP技术的有机结合，能够在不改变用户现有网络的情况下提供高速、安全、多业务统一的网络平台，在下一代网络的选路、交换和分组转发中扮演着非常重要的作用，满足用户丰富多样的需求。

　　网络的管理和维护在公众电信网中十分重要，它可以简化网络操作、检测网络性能、降低网络运行成本，在提供服务质量保障的网络中，网络维护和管理的功能尤为重要。与传统SDH/SONET以及ATM中的管理维护功能不同，承载层的维护管理与控制/路由层的功能密切相关，MPLS作为可扩展的下一代网络关键承载技术，提供具有QoS保障的多业务能力，因而基于MPLS的维护管理功能就显得尤为关键和重要。

　　3.业务层

　　业务层由媒体处理与会晤、呼叫控制以及应用服务三个子层构成。

　　由于传统的PSTN网的交换机采用垂直、封闭和专用的系统结构，其业务提供模式单一、周期长、成本高，而且实现方式封闭，无法对外提供开放的业务平台和接口，因此软交换的概念应运而生，通过实现呼叫控制、媒体承载及业务相分离，从而使系统具有基于标准的、开放的系统结构。

　　NGN功能模型的业务层中，其媒体处理与会晤层主要负责对不同媒体进行适配、调整等处理以及对会话类型业务的组织与配置，而呼叫控制子层则负责对业务呼叫进行逻辑和信令控制，应用服务子层完成对业务创建、实现和实施。

　　NGN的业务层应该对运营商、ISP、ICP、ASP和用户完全开放，他们都可以在业务层上创建业务、经营业务。最典型的是IP电话业务，网络运营商可以提供IP电话业务，ISP、ICP，甚至用户也有可能开展PC到PC的IP电话服务。

　　由于各种业务特点不同、业务属性不同，业务在NGN业务层的实现有两种主要的解决方式：一是把业务的特点、属性等映射成承载层的各种参数，如带宽、QoS、通信形态、路由限定、保护、安全等，同时将源和目的地址解析确定，交给承载层处理，完成业务通信；二是对于不能由承载层很好支撑的、覆盖面广、处理特殊、网络安全性要求高的业务，可以通过组建业务网或者业务系统，利用承载层的业务层承载VPN来实现业务通信。

　　目前，因特网业务可以通过第一种方式在NGN中实现，但高质量话音业务、视听多媒体业务等还要通过第二种办法来实现，因为目前承载层还无法完成承担如此高质量的业务要求。随着技术的发展，如果承载层能够很好地支撑各种业务的不同业务属性，即能够承载又能够交换各种端到端的业务，同时又能使网络的安全性得到充分的保障，那么就可以将各种业务完全地交由承载层，由承载层来满足不同业务对网络的要求，业务层主要负责对业务逻辑的控制、提供和管理。

二、下一代网络中传输网和承载网融合趋势

　　下一代网络可以分为两个部分：

　　●业务功能部分，将业务与控制分离，同时业务控制与承载层也各自独立，从而使系统具有基于标准的、开放的体系结构，上层业务与底层网络无关，可以灵活、有效地满足多样的、不断发展的业务需求；

　　●传送功能部分，承载网和传输网将共同实现下一代网络的传输功能，上层的业务功能与底层的承载网和传输网无关。

　　随着网络的发展，承载网和传输网相互渗透、融合的趋势明显，主要表现在以下几个方面：信令的融合，功能的融合和QoS的保证。

　　1.信令融合趋势

　　承载网的发展趋势是从电路交换网络向分组交换网络演进，承载层将主要由IP网络为主的分组网络实现。传统IP网难以满足新业务的需求，由于没有流量工程，通常IP流按照最短路径走，这样会导致重负荷链路产生瓶颈。利用MPLS和流量工程可以保证网络负荷均衡，使路由器间链路的使用最佳化。因此，MPLS技术将成为构建IP承载网的主流首选方案。

　　作为下一代传输网的ASON网络，其控制平面主要采用了GMPLS协议族中的协议实现光网络的智能自动交换，其中的GMPLS即扩展的MPLS协议族对MPLS进行了扩充，将分组标签交换扩展到了时隙标签交换、光纤标签交换以及波长标签交换，其核心思想同样来自MPLS。同样重要的是，OIF-UNI接口或IETF的GMPLS接口以信令的方式直接将承载层的路由器/交换机与传输层的智能光交换设备无缝连接起来，做到从IP层到光层直接的动态资源调度，真正做到端到端高效交换和传输。目前，主流的路由器厂家如Cisco和Juniper已经支撑OIF-UNI接口或IETF的GMPLS接口。由此可见，由承载网和传输网共同组成的基础网络，其网络建设和运维是相辅相成、相互依存、密不可分的。ASON传输网的建设需要承载网的配合；IP承载网更是需要传输网超大容量传输及健全的保护/恢复机制的支撑。由于技术背景不同、计算机界和电信界管理、运维模式的不同，目前ASON存在的几种网络模型基本反映了在这一背景下，承载网和传输网融合有三种不同的模式。

　　重叠模型：又称客户-服务层模型，是ITU和光互联论坛(OIF)等国际标准组织所支撑的网络演进结构，在这里客户层指承载层，服务层则指传输层。这种模型最适合那些传统的已具有大量SDH网络基础设施而同时又需要支撑分组化数据的网络运营商。

　　对等模型：又称集成模型，是IETF支撑的网络演进结构。这种模型较适合那些新兴的同时拥有光网络和IP网的ISP运营商，从长远看，也适合于传统的电信运营商。

　　混合模型：即上述两种模型的混合模型，它采纳了客户-服务者模型的独立客户层和光传送层控制面的做法，又允许层间交换有限的路由信息。运营商可以根据网络演进中的具体情况灵活设置，也是一种可行的过渡方案。

　　2.功能融合趋势

　　在城域网业务的扩展中，数据业务的流量需求超速增长，利用传统POS提供数据接口的方式成本高且传输效率低。MSTP将数据业务经过透传处理或经过二层交换，经GFP的成帧映射、链路容量调整及虚级联处理，映射到SDH层面。实现了数据层功能与传输层功能的有效融合，提高传输效率并降低成本，同时还可提供统一的网络管理，避免了数据网与传输网分别管理的困难。MSTP除了满足各类城域数据业务外，还可提供VPN，满足2G业务及3G城域传输需求的功能。MSTP适应数据业务传输，将部分承载层功能有效映射在传输层，实现这一功能的主要技术有虚级联（VC）、链路容量调整方案（LCAS）、通用成帧规程（GFP）、透传/二层交换/内嵌RPR/内嵌MPLS等。

　　现有的数据业务是无连接的。为了能够在SDH传送数据业务时保证QoS，有必要在以太网、IP网和SDH之间引入一个智能适配层，并通过该智能适配层来处理数据业务的QoS要求。智能适配层的实现技术主要有多协议标签交换(MPLS)和弹性分组环(RPR)两种。另外，需要考虑与SDH保护机制的协调。由于MSTP满足数据业务发展的需要，在城域网应用中显现出强大的生命力；另一方面，技术本身的发展，同样需要管理体制的支撑，MSTP技术的发展和应用离不开传输网和承载网部门的相互配合。

　　3.承载层与传输层在保护/恢复与QoS保证的互补型需求

　　承载层离不开传输层，虽然承载层存在由电路交换到分组交换的演进趋势，但承载层设备的IP层带宽容量仍然无法与光传输层的超大带宽容量相比；IP承载层缺乏有效的保护、恢复机制、难以提供电信级QoS保证以及安全机制等，而传输层可以一定程度上弥补这一不足。

　　如果仅在单一的IP层面进行保护恢复，将导致网络利用率急剧下降，这是因为足够的带宽是保证电信级IP网实现保护恢复的基本前提，为了保证在故障过程中所有业务依然保持原有QoS水平，网络带宽必须有足够的冗余，在现有IP网拓单层保护恢复机制下，全网带宽冗余度最少要达到50％，否则就要损失低等级业务的QoS水平。为了保证网络业务提供的可用率，目前各大运营商网络采用了超额提供网络带宽的方法，造成IP网极度轻载，骨干网链路带宽利用率很低。相反，通过光传送网为IP网链路保护恢复，则可以提高链路带宽资源利用率，实现IP网与传送网综合建设成本的降低。IP网节点的可用率要远高于链路，链路故障是影响全网安全性的薄弱环节，因此，如果链路具备一定的保护恢复能力，则全网的安全性将会大为改善。

　　因此，对于没有必要保障严格QoS的上网业务，不必考虑故障恢复所需的额外带宽，因此其带宽利用率可以达到很高的水平，可以采用IP网内路由协议为主采取保护恢复机制，同时还必须合理设计和优化其网络物理拓扑，保证网内各路由器间链路的物理路由不相关性，以避免光纤中断等单个物理层故障导致IP网发生多处链路故障，从而引起路由剧烈震荡。对于承载有QoS保证的SLA业务，采用光传送网的保护恢复将会提高线路资源的利用率，进而有效地节省综合网络建设成本，在目前采用VC-4（155Mbit/s）颗粒的网络情况下，大约可节省40％的综合成本。其主要的缺点是不能保证路由器故障时的业务全修复，随着骨干路由器可用率的不断提高，再加上MPLS本身具有流量分类QoS机制，这个缺点将不会对全网安全性造成显著的影响。

　　总之，从故障恢复的速度来说，光网络的保护和恢复机制优于IP网络，特别是对于一些点到点的、业务量非常大的场合，采用保护方式优点比较明显，可以在很短的时间(小于50ms)内应对光纤切断等故障，而且无须高层协议和信令的介入，但是对于诸如OXC节点瘫痪等故障。光层的保护和恢复机制无法处理，必须依靠IP层的保护和恢复机制参与。因此，在一个规模大、节点数量多的网状(Mesh)IP光网络中，采用光网络和IP层联合恢复机制是必要的。从面向下一代网络演进的角度出发，在充分考虑当前网络现状的情况下，承载网和传输网有必要作为一个整体来统一考虑规划、设计、建设和运维管理的问题。