智能光网络的概念、体系和演进

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一、智能光网络的基本概念和发展
     
     近几年来，随着IP业务的快速增长，对网络带宽的需求不仅变得越来越大，而且由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切。传统的主要靠人工配置网络连接的原始方法耗时费力易出错，不仅难以适应现代网络和新业务提供拓展的需要，也难以适应市场竞争的需要。一种能够自动完成网络连接的新型网络概念--自动交换传送网（ITU-T SG13命名为ASTN）或自动交换光网络（ITU-T SG15命名为ASON）应运而生。这是一种利用独立的ASTN/ASON控制面通过各种传送网（包括SDH或OTN）来实施自动连接管理的网络，这种具有独立控制面的光网络称为智能光传送网，简称智能光网络。
     
     在网络中引入ASTN/ASON的主要好处有：允许将网络资源动态地分配给路由，缩短了业务层升级扩容时间，明显增加业务层节点的业务量负荷；具有可扩展的信令能力集；快速的业务提供和拓展；降低维护管理运营费用；光层的快速业务恢复能力；减少了用于新技术配置管理的运行支撑系统App的需要，只需维护一个动态数据库，也减少了人工出错机会；还可以引入新的业务类型，诸如按需带宽业务、波长批发、波长出租、分级的带宽业务、动态波长分配租用业务、带宽交易、光拨号业务、动态路由分配、光层虚拟专用网(VPN)等，使传统的传送网向业务网方向演进。
     
     作为网络敷设实例，美国AT&T企业已经率先在全国范围内敷设了连接约100个城市的智能光网络，由约100台智能光交换机和800多台SONET多业务平台构成。前者主要完成以45Mbit/s为基础带宽颗粒的实时交换和动态指配，后者主要在网络边缘汇聚低速业务至2.5Gbit/s或10Gbit/s速率再经光交换选路通过网络，基于实时的信令和选路算法。新网络不仅减少了成本和指配出错机会，使运作流畅，增加了容量，也简化了网络结构层次，极大地缩短了企事业用户的高速电路指配时间，能有效对付网络大故障，快速恢复业务。
     
     按照Frost & Sullivan企业最近的预测，尽管全球电信设备市场总体呈低迷状态，但为了降低成本，增加收入，全球光交换的市场将仍然从2001年的3.36亿美圆增加到2006年的60亿美圆，智能光网络将成为未来几年传送网发展的重要方向和市场机遇。
     
     二、智能光网络的标准化框架和进展
     
     目前涉及智能光网络标准工作的国际标准组织和准标准组织有国际电信联盟标准部(ITU-T)，光互联论坛(OIF)和互联网工程任务组(IETF)，每一个组织都有自己的一套结构原理和要求，并由此开发控制面机制。
     
     ITU-T作为唯一的全球电信标准的权威制定组织，正在全力推进这一重要领域的标准化进程。ITU-T采用的是传统的从上往下设计方法，主要负责网络体系结构、网络性能和设备功能要求以及物理层规范等，已经完成了一系列标准。IETF则重在规范具体协议和信令，正在利用现有信令协议的扩展和修改来开发ASON控制面，包括RSVP-TE和CR-LDP，它倾向前者。起初，IETF的信令要求主要基于对等模型，即全平面结构，无明确的UNI和NNI概念，近来也覆盖客户-服务者关系结构，即重叠网模型，但其基本倾向仍然是对等模型。而OIF的位置处于两者之间，其规范试图结合两者，但更多地基于结构式方法，即重叠网模型，从ASTN/ASON控制面的结构原理和要求开始，主要规范UNI和NNI，目前已经完成UNI 1.0版本并演示了多厂家的互操作性，正在开发2.0版本，计划增强接口功能，NNI的规范工作也有进展。
     
     在理论上三者的工作领域没有冲突，但实际上由于技术、学问和政治的差异，导致具体问题上的冲突，特别是ITU-T和IETF之间还有不少冲突的地方，正在协调解决。下面主要先容ITU-T的标准工作状态。
     
     目前，ITU有关智能光传送网的建议内容有：
     
     *网络结构：G.871定义了光传送网建议框架结构，G.872定义了光传送网结构。
     
     *传送面：G.709定义了光网络的网络节点接口，包括帧结构和开销规定，G.959.1定义了光网络域间物理接口，G.693定义了光网络的局内物理接口，G.798定义了传输网络设备功能描述，G.8251定义了OTN NNI的抖动和漂移要求，G.7041定义了通用组帧规程，G.7042定义了虚级联信号的自动链路容量调整方案，G.664定义了光传送网安全要求。
     
     *管理面：G.874定义了OTN网元的管理，G.8741定义了光传送网网元信息模型，G.7710定义了公用设备管理功能。
     
     *控制面：G.8070定义了自动交换传送网总体要求，G.8080定义了自动交换光网络结构，G.7713定义了协议独立的分布式呼叫和连接管理信令，G.7713.1定义了基于PNNI 的DCM 信令，G.7713.2定义了使用GMPLS RSVP-TE.的DCM 信令，G.7713.3定义了使用GMPLS CR-LDP的DCM信令，G.7714定义了ASTN/ASON中的自动发现技术，G.7715定义了在ASON 网络中建立SC和SPC 连接选路功能的结构和要求，G.7716 定义ASON链路管理。
     
     *数据通信网：G.7712定义了数据通信网的体系结构与规范。
     
     三、控制面功能要求
     
     1．控制面基本功能和功能结构
     
     ASTN/ASON控制面的基本功能有：呼叫控制、呼叫许可控制、连接管理、连接控制、连接许可控制、支撑UNI与网管系统的联系、多归属环境中的连接管理、支撑路由分集连接的连接管理和补充业务的支撑等。
     
     ASON控制面的主要目的可以重点归纳为：
     
     *简化在传送网内的快速和有效的连接指配以支撑交换连接和软永久交换连接。
     
     *支撑对已建立呼叫的连接的重配置或修改。
     
     *实施恢复功能。
     
     从总体来看，一个设计良好的控制面结构应该使业务提供者在提供快速和可靠呼叫建立的同时，能有效控制网络。控制面原则上能适用于不同技术（例如SDH和OTN），不同业务需要不同的功能分布，同时可以将控制面划分为不同的元件，允许厂家和业务提供者决定这些元件的具体位置，也允许业务提供者决定这些元件的安全和策略控制。
     
     2．呼叫控制和连接控制
     
     在ASTN/ASON中，呼叫控制和连接控制可以分开处理，这样做的好处是可以减少中间连接控制节点过多的呼叫控制信息，去掉解码和说明全部消息及其参数的沉重负担。于是呼叫控制可以仅仅在网络的入口或网关和网络边界处提供，中间节点只需提供必要的规程来支撑交换连接即可。
     
     3. 连接控制和连接类型
     
     在ASTN/ASON中，目前定义有三种连接类型如下：
     
     （1）指配型：即将沿通道的每一个网元都按需要配置从而建立端到端连接。指配过程由网管系统或人工干预来完成。这种连接类型又称为永久连接(PC)或硬永久连接。
     
     （2）信令型：即由控制面的通信终端点直接按需利用以信令消息形式实现的动态协议消息交换所建立的连接。这类连接称为交换连接(SC)，涉及控制面内信令元件间动态交换信令信息，需要有统一的标准网络命名和寻址方案以及控制面协议，是一种实时的传送交换连接过程。
     
     （3）混合型：这种连接形式由网络提供在网络边缘的永久连接，而利用网络内部的交换连接在网络边缘的永久连接之间提供端到端的连接。连接是通过网络产生的选路和信令协议来建立的。建立这样的连接取决于NNI，不能由用户建立，因此指配过程只是在边缘连接才需要。这类连接看似介于交换连接和永久连接之间，称为软永久连接（SPC）。
     
     四、信令及相关接口
     
     1．用户网络接口（UNI）
     
     它是指用户和网络间的接口，是有效沟通两者的桥梁，必须有明确规范。该接口需要规范的主要内容有每个用户端点的连接建立请求速率、连接请求参数、光通路端点的寻址方案、光通路客户的命名方案、保护要求的规定、安全参数和响应时间等。
     
     从功能角度看，跨越UNI参考点的信息流应该至少支撑呼叫控制、资源发现、连接控制和连接选择等四项基本功能，通常不支撑选路功能。此外，像呼叫安全和认证，增强的号码业务等功能也可以加到这个接口参考点上。
     
     2．外部网络节点接口（E-NNI）
     
     它是指属于不同管理域且无信任关系的控制面实体间的双向信令接口。有了标准化接口就可以将ASTN/ASON进一步划分为多个子网，而每个子网可以独立管理而仍然能跨过多个管理域建立端到端连接，这对于复杂的网络环境下实施ASTN/ASON十分必要。
     
     从功能角度看，跨越E-NNI参考点的信息流应该至少支撑呼叫控制、资源发现、连接控制、连接选择和连接选路等五项基本功能。
     
     3．内部网络节点接口（I-NNI）
     
     它是指属于同一管理域或多个具有信任关系的管理域的控制面实体间的双向信令接口。该接口需要重点规范的是信令与选路，此外，还需要有一种手段允许信令为特定的正在建立的连接进行选路，这将涉及选路信息交换协议。其次，还需要能为路由选择提供可用的初步拓朴概述。
     
     从功能角度看，跨越I-NNI参考点的信息流应该至少支撑资源发现、连接控制、连接选择和连接选路等四项基本功能。
     
     五、选路
     
     选路属于控制面功能，主要用来为跨越一个或多个运营网络的连接的建立选择通道，因此需要全面掌握传送面的拓扑和链路状态的信息。
     
     按照ASTN/ASON的设计思路，控制面功能应该能自动发现交换机之间的拓扑（链路和链路连接），发现的个别链路连接信息应该汇集进链路信息并按需分配以支撑选路功能。
     
     六、信令网
     
     信令网借助在用户与网络之间以及不同网络实体之间传递与业务相关信息的方式来支撑控制面。从现有网络情况看，信令主要是由客户层网络携带的，即ASTN/ASON信令网也应该基于共路信令，允许网络运营者开发分离的信令网。共路信令方式的主要优点是具有很高的扩展性，信令链路的规模可以在经济上最佳化，可以实现高度的弹性以及信令消息栈的扩展比较容易等。
     
     七、控制面结构
     
     1．概述
     
     ASON的控制面结构应该具备以下特征：
     
     * 能支撑不同的传送基础设施，诸如SDH传送网和光传送网。
     
     * 控制结构独立于所选用的特定连接控制协议。
     
     * 无论控制面怎样细分成域和选路区以及传送资源怎样细分成子网，控制结构均可适用。
     
     * 无论连接控制的实施方法是全分布结构还是集中控制结构，控制结构均可适用。
     
     2．结构元件
     
     按照所需的功能，元件可以有不同的结合方式，而每一个元件是按其在参考结构中的主要功能来描述的。在ASON中主要有5种结构元件，即连接控制器（CC），路由控制器（RC），链路资源管理者（LRM），业务量策略（TP），呼叫控制器。
     
     八、网络性能要求和特点
     
     ASTN/ASON的网络性能要求和特点大体上有下述几个方面：
     
     1．可用性和误码性能
     
     可用性和误码性能的概念既适用于单个连接和长观察时间的永久连接，又适用于多个连接和短观察时间的永久连接。然而，由于交换连接可能仅仅存在几分钟或几个小时，不是一个长期的稳态过程，不适用可用性和误码性能的概念。同样，传统的误块秒、严重误块秒和背景误块比等指标是针对一个月的观察时间规范的，因而原则上也不适用于交换连接。
     
     2．呼叫性能
     
     客户/用户应该具备在中断或性能劣化的情况下恢复业务的能力。因此，衡量成功呼叫对发起呼叫比例的呼叫性能指标对自动交换网是一个重要参数，必须科学规范。
     
     3．传输延时
     
     通常，恒定比特率信号通过设备的传输延时很小，网络的传输延时主要是由光信号通过光缆传输所经历的延时所主宰。在正常工作情况下，自动交换网总是选择最短路径，因此对整个网络的传输延时的影响很小。
     
     九、IP层与光传送层的融合及网络的演进结构
     
     1．IP层与光传送层的融合
     
     在网络的演进过程中，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。再进一步则可能需要将MPLS扩展到光传送层。所谓GMPLS就是一种将MPLS流量控制面技术与光交换技术相结合的新思路，将标记交换的概念扩展至包括波长选路和交换的光通道，让业务流来控制连接，使之不仅支撑分组交换，而且还支撑时分交换（时隙是标记 ，例SDH）、频分交换（频率或波长是标记,例WDM）和空分交换（端口是标记，例OXC）。
     
     目前ITU-T倾向规范通用要求，并未特别规定采用某一种协议。例如就信令协议而言，ITU-T同时接纳了三种信令，即受限的路由标记分配协议（CR-LDP），资源保留协议（RSVP），专用网络节点接口(PNNI)。具体实施时则多数制造商选择了RSVP，也有少数制造商选择了CR-LDP，PNNI和修改的MSPRing。这种规范结果实际上将选择的压力转移到了制造商和网络运营商身上。
     
     2．网络的演进结构
     
     IP层与光传送层的融合由于技术背景的不同所导致的融合思路也不尽相同。目前主要有两种基本网络演进结构，即重叠模型和集成模型。尽管两者都是以IP为中心的控制结构，都将应用简化的MPLS信令和基于下一代光网状网结构，但在管理应用上有很大的不同，基本反映了计算机界和电信界的不同思路。
     
     （1）重叠模型
     
     重叠模型又称客户-服务者模型，是ITU和光互联论坛(OIF)等国际标准组织和准标准组织所支撑的网络演进结构。这种模型的基本思路是将光传送层特定的控制智能完全放在光传送层独立实施，无须客户层干预，客户层和光传送层将成为两个基本独立的智能网络层，而光传送层将成为一个开放的通用传送平台，可以为包括IP层在内的所有客户层提供动态互联。为此，这种模型有两个独立的控制面，一个在核心光网络，即光网络层，而另一个在客户层，具体集中体现在用户-网络接口(UNI)处, 即边缘客户层设备与核心光网络之间，两者之间不交换路由信息，独立选路，各自都有独立的拓扑。核心光网络为网络边缘的客户提供波长业务。
     这种模型的最大好处是可以实现统一透明的光传送层平台，支撑多客户层信号。其次，让客户层特定要求通过接口送给光服务层，由光网络层来完成客户的连接要求可以屏蔽光传送层的网络拓扑细节。第三，这种模型允许光传送层和客户层独立演进，这样光传送层可以不受制于由摩尔定律所限定的18个月翻番的IP层发展速度。第四，采用子网分割后，运营者既可以充分利用原有基础设施，又可以在网络其他部分引入新技术，不为原有基础设施所累。第五，采用这种方式后在网络运营商和客户层信号间有一个清晰的分界点，允许网络运营商按照需要实施灵活的策略控制和提供灵活的SLA。最后，这种模型比较容易在近期实现多厂家光网络中的互操作性，迅速实施网络商用化敷设，这对网络运营者十分重要。
     
     这种模型的缺点是功能重叠，两个层面都需要有网管和控制功能。其次是扩展性受限，存在N2问题。还有，管理两个独立的物理网的成本较高，带宽利用率较低，存在额外的帧开销。最后，由于两个层面存在两个分离的地址空间，因此需要复杂的地址解析。
     
     总的看，目前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。
     
     （2）集成模型
     
     集成模型又称对等模型或混合模型，是IETF所支撑的网络演进结构。这是一种集成的方式，基本思路是将IP层用于MPLS通道的选路和信令略作修改后直接应用于光传送层的连接控制。
     
     这种模型的基本特点是将光传送层的控制智能转移到IP层，由IP层来实施端到端的控制。此时光传送网和IP网可以看作一个集成的网络，维持单个拓扑，光交换机和标记交换路由器具有统一的选路区域，两者之间可以自由地交换所有信息并运行同样的选路和信令协议，实现一体化的管理和流量工程。敷设统一的控制面可以消除管理具有分离的、不同的控制和操作语义的混合光互联系统而带来的复杂性。
     
     然而采用这种模型时光网络层主要支撑单一的客户，难以支撑传统的非IP业务，失去了对业务的透明性。其次，为了实现路由器对光传送层的全面控制，必须对客户层开放光传送层的网络拓扑等细节，这在多数情况下是行不通的。第三，光层面的物理大故障（例如光缆切断）会导致光开关的频繁动作，不仅使路由器选路工作量负担过重，还会影响路由稳定性。第四，采用集成模型后，网络运营商无法提供灵活的策略控制和分级的域管理体制。第五，光层网元在选路和保护恢复方面与IP层有明显的不同限制，对形成统一的选路和保护恢复控制有相当的难度。最后，这种模型使IP和光传送层之间有大量的状态和控制信息需要交换，从标准化的角度较难实现光传送层的互操作性。
     
     从总体来看，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。
     
     从功能上看，支撑重叠模型所需的功能是支撑集成模型所需功能的子集，只要从管理上对对等模型的拓扑共享功能实施止能，同时保持其连接信令功能就可以从集成模型导出重叠模型。因此，与分别为两种模型规范两套不同协议相比，制定一套具有足够灵活性的控制面协议同时支撑两者是更有效的方法。届时可以根据实际情况和运营商的需要使能其中一种协议即可。

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来 源 于 韦乐平
发 布 期 2003-8-15 9:48:02