智能交换光网络技术的发展

zjol

摘要　本文描述了智能交换光网络技术的现状及其未来的发展趋势，分别讲述了几大热点技术的发展情况和应用定位，展示了光传输网络技术和产品的发展给电信运营商和产品提供商带来的商机。
关键词　DWDM OXC ASON MPLS over WDM
一、网络技术发展的背景
　　从光传输设备的发展过程来看，在短短的20年历史中，性能已经历了三代的变化：PDH→SDH→DWDM。从世界范围来看，光传输设备以其诸多的优越特性在近二十年中取得了迅猛发展，大约每5年的时间传输速率提高4倍。近年来，中国电信业也全速追赶世界电信发展的潮流，大约每3年的时间传输速率提高4倍，光纤总长度已达140万公里，国家骨干网已形成八纵八横的格局，IP业务的迅速发展使骨干网的宽带化具有广阔的发展前景，各省市也积极推进网络的光纤化进程，中国正逐渐成为世界上最大的光通信产品市场，巨大的市场需求使国内光传输产业面临前所未有的市场机遇。
　　近年来，光传输网络有了长足的进步，无论是从光传输技术还是光传输网络的部署和应用都日趋成熟。光传输市场在经历了2001年比较低迷的状态之后，又露出了日渐复苏的势头。根据不断出现的各种新兴网络业务以及新技术，大家可以展望新一代可持续发展的光传输网络。
　　原先只为语音业务而设计的骨干通信网络由于功能重叠，网络层次结构复杂，缺乏互通性，极大地降低了网络的效能和可靠性，并增加了网络运营的成本和管理的难度，己不能适应当前数据业务的发展需求。因此，为了释放光传送网巨大的带宽资源，以便更高效、更经济地传送IP数据业务，IP网与光传送网的无缝融合势在必行。尤其是当前数据业务不可预测的流量模式要求一个更加智能化的光纤核心网络，以提供良好的网络扩展能力、灵活的选路和链路配置能力、经济有效的保护恢复机制和高效的网络管理能力。为了满足今天高速组网应用的需求，光网络层的自动化和智能化不仅很实用而且对实现新的高质量的宽带业务是非常必要的。最近，在组网技术方面的两项技术的进展使得对光网络带宽的动态分配成为可能。首先是由于可重构型光联网节点，如光交叉连接器(OXC)和光分插复用器(OADM)的开发成功，使得网络提供商动态分配带宽成为现实。
　　在这些新型可重构的光网络节点设备的控制通路中，使用了现有的数据网络控制协议(如多协议标签交换MPLS、开放式最短路径优先OSPF)来决定路由。另外，由于在IP路由器、ATM交换机等设备中强化了流量工程(Traffic Engineering)和基于约束的路由(constraint-based routing)技术，从而允许这些设备动态决定什么时候在什么位置需要增加或减少多少带宽。这两种技术的使用，为传统的光网络引入了智能控制和管理信令，从而使得光网络具备了智能化和自动化的特点，它为发展按需分配带宽和买卖带宽的新型商业模式创造了条件。
　　动态的智能光网络能够有效地连接光网络资源和数据业务，提供高性价比的传送网，而且为发展新型宽带网络业务铺平了道路。
　　网络带宽的巨大增长促使各种组织致力于传统IP网络协议的修改，使之能够支撑QoS，特别是语音和实时图像传输对QoS的迫切要求。在提供QoS保证和优化组网模式的可用技术方案方面，MPLS(Multi-protocol label switching)是一种被广泛接纳的技术，它使无连接的IP协议具有了面向连接的特性。WDM传输设备的波长数飞速增长以及OXC的实用化，使得第三层的交换或MPLS直接运行在波长级上成为可能，因此，基于MPLS控制平台的IP光网络技术近来发展十分迅速，相关的标准正在加速制定。
　　对于网络运营商所要建设的光传输网络，首先要考虑建设一个经济高效的网络基础架构，即充分利用光层的技术，提高系统的容量，降低系统的成本；其次提供多业务的城域接入平台，扩展用户范围，增强业务收入能力；然后发展智能光传输网络，增强网络的适应能力，提供全新的网络业务，提高市场竞争能力。智能城域光网络随着城域网业务和应用的不断发展，其接口呈多样性，流量具有不确定性，这都要求网络具有智能化，能动态分配资源，自动建立连接。自动交换光网络(ASON/ASTN)是智能光网发展的主流方向，目前国际电信联盟(ITU-T)、IETF、OIF等国际性标准化组织和论坛都在研究智能光网技术，并提出了一些相关的建议或草案。ASON网络结构最核心的特点就是支撑电子交换设备动态向光网络申请带宽资源，可以根据网络中业务特性动态变化的需求，通过信令系统或者管理平面自动建立或者拆除光通道，不需要人工干预。
　　智能光网络具有以下特点：
　　(1)根据业务特性的变化，动态地自动建立连接；
　　(2)多粒度交换，充分利用网络资源，为用户快速、高质量地提供各种带宽服务：
　　(3)支撑业务流量工程，适合波长、带宽出租业务，支撑灵活VPN的组网；
　　(4)具有很强的互操作性和可扩展性；
　　(5)较低的成本和增强的网络功能迎合了城域网的发展方向。
二、主要实现技术
　　采用MPLS over WDM技术为光层引入了控制信令，从而形成了智能光网络技术。它利用传统的IP选路协议来发现拓扑，并对现有的BGP(边缘网关协议)、IGP(内部网关协议)、OSPF(开放式最短路径优先协议)、IS-IS(中间系统到中间系统协议)等路由协议进行扩展来传递计算标签交换通道(LSP)时所需要的链路状态拓扑、资源可用信息和策略信息：同时利用LDP、RSVP(资源预留协议)等信令协议及其扩展协议(如CR-LDP、RSVP-TE)，为LSP通过网络预留资源或规定相应的显式通道。为了将MPLS选路协议和信令协议与光交换机相适配，构造智能型波长路由器/光交换机，就必须对传统MPLS协议作相应的扩展和修改：建立新的链路管理协议(LMP)，以处理光网络的链路管理；扩展适配的OSPF/IS-IS协议，以便公告可用的光网络资源；通过扩展适配的RSVP来提供光网络所必须的流量工程能力，使得LSP可以在整个光核心网络上实现显式标记。
　　使用MPLS的主要优点就是它可提供可变长度的标签栈功能，从而使得MPLS具有多级LSP体制。向光网络进行扩展的MPLS与传统的MPLS有所不同，它支撑多种类型的交换粒度，如时分复用(TDM)、波长和光纤交换等。这种可支撑多种类型交换的光网络信令允许大量的LSP在交汇点进行汇集，从而透明地穿过更高一级的LSP隧道，然后再在远端节点进行分离。这种操作模式非常有用，它可以将骨干网络中部分第二层的大型业务隧道加以汇聚，或者将它们归并和疏导到更高一级的LSP中，以更大的粒度穿过骨干光网络。通过MPLS控制平面可以动态地要求传送层提供所需带宽、配置波长等网络资源，并通过保护恢复技术提供更强的网络生存能力，从而使光网络能够像面向连接的电路交换一样实现面向连接的光路交换。
　　MPLS技术的出现，使得大家能够通过基于分组，信元的网络实现动态互连和流量工程并在光纤层实现动态连接。这些技术的出现为网络向更加简化和更加智能化的方向迈进创造了条件。因此，目前许多国际标准化组织和行业论坛已经开始开展有关智能光网络的相关标准的制定工作，其目标是拿出一个开放式的通用光网络模型和相关标准接口。例如ITU-T提出的自动交换光网络(ASON)草案、IETF的自动交换传输网络的标签请求规范和基于通用多协议标签交换(GMPLS：Generalized MPLS)的自动交换网络控制平面的草案，还有光联网论坛(OIF： Optical Internetworking Forum)和光域业务互联(0DSI： Optical Domain Service Interconnect)组织也在进行相关标准的制定工作。
　　基于ASON的智能光网络可以实现光通路的永久性连接(PC)、软永久性连接(SPC)和交换型连接(SC)，从而实现对光链路的快速、灵活配置，以满足流量工程和服务质量的要求。
智能交换网络的节点不仅要求具有很高的业务吞吐量，而且还要具备丰富的App功能和控制特性，以提供信令支撑。它要具备IP路由器的选路功能、光交换的快速交换功能，以及动态波长带宽分配能力和带宽管理能力，并提供网络故障时的保护恢复能力，具有网络拓扑识别能力和丰富的App管理、控制功能以及先进的快速硬件处理能力。新型波长路由器主要由具有MPLS信令功能的路由控制模块和OXC光交换模块构成。路由控制模块负责进行具有QoS保证和流量工程能力的波长路由选择，并向交换模块OXC下达相应的交换指令。OXC交换模块在MPLS信令的控制下实现光开关矩阵的倒换连接，完成波长通道的建立。OXC光交换模块利用波长变换器进行波长变换，实现虚波长通道，提高光通道建立的成功率。路由控制模块利用MPLS的LMP模块对链路状态进行收集和分发，同时完成光通道的故障检测功能。
　　在WDM网络技术和MPLS协议进行集成以实现智能交换光网络时，大家不可避免地要迎接一系列的挑战，其中有些关键技术是要解决有关WDM网络自身必须支撑MPLS功能的问题，其它关键技术是关于两种技术在集成和综合时需要考虑的问题。
三、对不同业务的技术支撑
　　在传输网中采用新一代的传输设备，除了要解决原有的话音业务以外，还需要考虑对数据业务的支撑，针对数据业务的特点，发展适应数据业务发展需要的宽带传输技术对于ATM而言，主要是VP-RING技术，即通过在传输网络上逐点汇聚实现带宽的共享，通过相关的协议实现环网的保护。对于IP业务，可以采用内嵌RPR(弹性分组环)技术，该技术通过相关的协议，实现环网的动态共享和保护。
　　具体而言，对于ATM业务，利用其业务实际流量动态变化大的特点，对环上ATM业务进行统计复用和保护，以提高传输的带宽利用率。
四、下一代的光网络发展策略
　　下一代光网络将使用交换技术提供动态的端到端连接，创建一种智能光网络(ION)。ION能快速地配置和恢复端到端连接。一个连接所占的带宽可从一个STS-1(51Mb/s)一直扩大到整个波长的容量。这种能力对于改变通信业务的现状意义深远，它促进了带宽使用的更快增长。运营成本将会显著降低，使得运营商能以更低的成本提供业务；建立和拆除连接可以在几秒到几分钟内完成，这将提高运营效率。
　　1.从电信号到光信号
　　光联网是实现ION的关键，它能为业务层提供可扩展性、可靠性和最低的成本开销。光层由多个集成的模块构成，这些模块与网络智能相结合，将能支撑光层的动态配置。这些模块包括大容量线路系统、光交换平台和可调设备。大容量线路系统能达到每秒太比特级的传输速率，并能支撑相距数千公里的两个城市之间的全光连接。这些系统只有极少量的电再生器，因此，它相对于传统的较短距离的线路系统在运营成本和业务速度等方面都具有很大的优势。光层中的光交换平台将从不透明交换过渡到全光交换，到那时，它不仅能够交换单条光通路、成束的光通路，甚至整个线路系统的光纤，故其扩展能力是空前的。可调光源、过滤器和接收机将能提供灵活的选择性和降低运营成本。这些边缘设备能支撑高效的波长分配，降低波长阻塞，并通过固有的再生能力消除了距离上的限制。另外，适用于长途传输的可调光源和接收机，还能进一步与客户机接口集成。目前，这些设备可支撑2.5Gbit/s和10Gbit/s的速率。
　　2.从不透明交换到全光交换
　　从业务运营商的角度来说，全光交换机(PXC：Photonic switch)的主要优点在于它具有可扩展性，能降低成本，并能提高业务速度。PXC能够在一个端口上透明地交换一个任意速率和协议的波长，或一束波长，甚至是包括所有波长的整根光纤。从技术观点来看，快速的技术进步正在促进光交换和全光网络技术的实现。传输距离可达3000公里以上的长距离光系统即将投入商用。光交换技术正在不断成熟，并具有更大的扩展性和可靠性，尤其是作为具有电交换模块(EXC)的光交换机的补充时，PBX也更加易于管理。
　　现代电信网络的发展趋势之一是传输与交换相溶合。承担当今信息传输量80%以上的光传送网，其发展的方向是自动交换光网络(ASON)，对网络的结构进行简化，将网络的光层由三层缩减为两层，更具有革命意义的是传统上是静态的光层将具有能够根据实际的业务情况进行灵活业务调度的能力。
　　构建光互联网络所需的基本功能部件已经具备，下一步就是要考虑如何增加智能，以解决所有网元(路由器、DWDM传输系统和光交换机)之间的互连互通问题。MPLS over WDM智能光网络技术的优势吸引了广泛的兴趣和研究热潮，各种实现方案层出不穷，虽然支撑某一观点的组织都宣扬自己方案的优点，但到底哪一种方案最好，则尚待实践检验。