智能光网络及其发展方向

hszhangtao

在市场和网络建设的驱动下，1998年，以美国Sycamore企业为代表的一批创业型小企业率先提出了智能光网（ION）的概念，将ATM和IP路由功能引入到光网中，使得以WDM为基础的光层组网技术和以IP为基础的网络智能化技术迅速发展并结合起来，形成了自动交换光网络ASON（Automatic Switched Optical Network）——一种用户发出请求，由信令网控制实现光传送网内链路的连接/拆线、交换、传送等一系列功能的新一代光网络。可见，自动交换光网络即“光传送网+智能化“，是在传送网的光层网络基础上演进而来的，其着眼点是要把富有潜力的光网络发展成能高度自主地应对业务需要的、经济有效的、可在光层上直接为全网提供端到端服务的智能网。
　　智能光网络是以App为核心的，其优势集中表现在组网应用的动态、灵活、高效和智能方面。它的出现使光网络从传统的“管道网络”向“服务网络”演变，从被动的网络管理（监控）向主动地控制网络演变。这种演变一方面不是对以前所建网络的抛弃，而是一个无缝融合的革新过程，在很大程度上保护了用户原有的投资。（随着DWDM的广泛应用，波长数目的不断增加，对网络带宽资源的有效管理和利用显得尤为重要）。另一方面，通过智能光网络，电信运营商可以依据与用户达成的服务水平协议，随时随地、快速地在光层直接提供/撤消用户所需求的各种特殊服务，如可用性、时延、抖动、吞吐量、约定信息速率（CIR）、超越信息速率（EIR）、误码率/丢包率、业务级别等，有助于其增加收入及增强竞争力。由此可见，智能光网络可以提供多样化、个性化的服务，将在提高网络的效率、充分调动网络资源、提供新的业务能力和解决网络传输的安全问题等多个方面对运营商产生吸引力。
　　智能光网络采用分层体系结构，由3个逻辑平面构成，即传送平面（TP）、控制平面（CP）和管理平面（MP）。
　　1．传送平面
　　传送平面由作为交换实体的传送网网元（NE）组成，主要完成连接/拆线、交换（选路）和传送等功能，为用户提供从一个端点到另一个端点的双向或单向信息传送，同时，还要传送一些控制和网络管理信息。目前，传送网中的“智能”只集中在统一的网管上，而构成传送网主体的网元则只是一些被动的调度单元。与之迥异的是智能光网络的传送平面具备了高度的智能，这些智能主要通过智能化的网元光节点来体现。现在研究倾向认为，这些网元是一些具有OXC结构的波长路由器，并具备MPLS信令功能。这种结合了第三层IP路由与第一层光交换功能的网元，可对路由功能和转发功能进行分离。
　　目前，Ciena、Sycamore和Tellium等一些企业推出了基于传统ASIC技术的电子交换核心的OXC，这类OXC的显著优点是可以处理比波长粒度更小的带宽单元，适合目前的市场需求，相比以全光交换技术构成的OXC更易于管理。但是电子交换核心难以应付波长带宽的爆炸性增长，不适合目前和将来的电信网络中将广泛采用的WDM技术，目前的ASIC技术水平最多只能支撑512×512端口的电子交换核心，但潜在的市场却要求至少2倍于这样的容量。若采用全光交换，则可以减少网络中的光-电-光转换，节省大量的投资，透明的光交换使得用户速率更容易升级到更高的传输速率。
　　可重构型的光连网节点如OXC和OADM的开发成功，使网络提供商动态指配带宽成为现实。由于在IP路由器、ATM交换机等设备中强化了流量工程和基于约束的路由技术，因此这些设备能够动态调整带宽。传统的光网络引入了智能控制和管理信令，使光网络具有了一定的智能性和自动性。这些组网技术的进展使大家依稀看到了对光网络节点带宽进行动态指配的曙光。
　　2．控制平面
　　光网络智能化的关键之处就在于同现有的传送网络相比，引入了一个控制平面。智能光网络内的呼叫控制和连接控制的功能都是由控制平面完成的。控制平面由信令网络支撑，由多种功能部件组成，包括一组通信实体和控制单元及相应的接口。这些功能部件主要用来调用传送网的资源，以提供与连接的建立、维持和拆除（释放网络资源）有关的功能。这些功能中最主要的就是信令功能和路由功能。
　　控制平面接口的主要功能是用于实现控制平面与上层用户之间、控制平面内部各功能实体之间以及控制平面与传送平面、管理平面之间的连接。控制平面涉及到的接口主要有5种：用户网络接口（UNI）、外部网络节点接口（E-NNI）、内部网络节点接口（I-NNI）、连接控制接口（CCI）和管理平面与控制平面之间的接口（NMI-A）。
　　控制平面的核心功能是连接控制功能，它实际上是控制平面对传送平面的智能化操作。光网络连接的方式有以下3种：
　　（1）指配方式。这种方式由管理平面通过网管系统或人工手段对端到端连接通道上的每个网元进行配置。在由网管系统实现连接时，需要利用接入网络的数据库，由管理平面发送计算路由，找出最适宜的路由并分配波长后，直接向传送平面发送连接建立消息来实现各网元的连接。由于这种连接建立后的服务时间相对较长，不能频繁地更改连接状态，所以，这种连接方式又称为硬永久性连接（PC）。该连接方式不与控制平面发生任何关系。目前的传送网就是采用这种“交叉“连接的方式，其特点是静态的。
　　（2）信令方式。这种方式的连接过程是由通信的终端系统（或连接端点）通过UNI向控制平面发出请求命令，再由控制平面通过信令和协议来控制传送平面建立端到端的电路连接。这种方式类似于PSTN基于交换的动态连接方式，因此又称为交换连接方式（SC）。这种方式是实现光网络智能化的重要手段。
　　（3）混合方式。这种连接方式介于上述两种方式之间，即在网络的边缘，由网络提供者提供永久性连接，该连接由管理平面来实现；在永久性连接的网络边缘之间提供交换的连接，该连接由控制平面来实现，即通过网络产生的信令和选路协议来完成，并取决于NNI的定义。由于这种方式的连接没有定义UNI，所以又称之为软永久性连接（SPC）。
　　这3种连接方式的最主要区别是由谁来发起连接建立的请求。指配方式连接建立的请求是由网络运营者发起的，信令方式连接建立的请求是由终端用户发起的，这时，必须支撑第三方信令通过UNI。另外，这3种方式中，仅SC和SPC与信令和路由有关。
　　涉及智能光网络控制平面的关键技术还包括：网络拓扑和资源的自动发现、智能化的光路由和波长分配（RWA）算法、各种不同业务的接入和整合技术、光管理信息的编码和分发、网络生存性策略和自动保护恢复等。
　　上述关键技术中，就智能光网络的选路和信令而言，各种现有的选路和信令协议都有可能作为基础。目前，业界倾向于对已经比较成熟规范的IP选路协议（例如OSPF和IS-IS）进行修改和扩充来实现拓扑发现，对MPLS信令协议（CR-LDP和RSVP）进行修改和扩充来完成自动连接指配功能。但具体的路由选择算法可能不会标准化。
　　在光网络智能化的过程中，国际标准组织和准标准组织如国际电信联盟标准部（ITU-T）、光互联论坛（OIF）、互联网工程任务组（IETF）和光域业务互连（ODSI）等，都依据自己的一套结构原理和要求来开发相应的控制平面机制。其中ITU-T倾向于采用客户/服务器模型，允许光层和客户层独立演进，光层的发展不会受制于IP层的发展速度；而IETF采用对等模型，让路由器直接接入光网络，直接控制光网络完成自动连接建立工作，其优势是可以利用现有信令协议的扩展和修改来开发UNI接口；OIF则把注意力放到了UNI和NNI的具体实现方面。需要注意的是，目前标准主要考虑的是规范的通用要求，并没有特别倾向采用某一种协议。
　　中国在智能光网络的研究工作中，主要依据的还是ITU-T的相关建议，同时兼顾IETF和OIF的相关文档。对控制平面的有关研究工作，就ITU-T而言，重点放在智能光网络选路的结构和要求、自动拓扑发现以及呼叫和连接管理等建议的规范方面。其中，选路的结构和要求方面的建议是G.7715，该建议定义了在智能光网络中建立SC和SPC连接选路功能的结构和要求，主要内容包括选路结构、路径选择、路由属性等。该建议的目的在于提供一种与协议无关的方法来描述路由技术，但具体的路由协议还需要进一步研究。自动拓扑发现方面的建议包括G.7713、G.7714.1和G.7714.2。G.7713表示分布式连接管理（DCM），该建议主要涉及信令方面，诸如属性规范、消息栈、接口要求、DCM状态图及互通功能。G.7714.1和G.7714.2分别表示自动邻居发现（NDISC）和自动业务发现（SDISC），其目的在于帮助进行网络资源的管理和选路。自动邻居发现是要解决光网络中对节点增减的自动发现以及处理问题；而自动业务发现是要解决对新发现的节点的服务功能的确认问题。目前，有关这方面的具体实现协议还没有实质性内容。呼叫和连接是两个不可分割的概念，怎样对呼叫和连接进行管理是控制平面要解决的一个本质问题，因为，光网络的智能化就是要使光传送网具备按需提供连接的功能。ITU-T对这个问题的研究成果提出了呼叫方面的建议，即G.sig建议（该建议对域内和域间的信令问题进行了详细讨论），并对把G.sig建议映射为具体的应用协议提出了可能的解决方案。ITU-T同时接纳3种具体的信令协议，即受限的路由标记分配协议（CR-LDP）、资源预留协议（RSVP-TE）和专用网络节点接口（PNNI）。
　　综上所述，信令、路由和资源发现是实现具有交换功能的智能光网络的3大关键技术要素，也是实现光网络智能化的重点和难点之所在，一旦这些问题得到解决，光网络智能化的进程将向前迈出关键的一步。
　　3．管理平面
　　管理平面对控制平面和传送平面进行管理，实现网络操作系统与网元之间更加高效的通信功能。管理平面的主要功能是建立、确认和监视光通道，并在需要时对其进行保护和恢复。由于智能光网络在传统光网络的基础上新增了一个功能强大的控制平面，因此带来了一些新的管理问题，集中表现为以下3个方面：
　　（1）路径管理功能。在多运营环境下，为了完成网络管理功能，必须统一规范路径建立控制结构，该项功能即对控制平面的同一管理域（AD）内光通路的建立以及不同管理域之间光通路的建立进行统一的规范。
　　（2）命名和寻址。由于命名和寻址涉及到用户域名和业务提供者域名之间以及层网络名之间的翻译和转换，因此在智能光网络环境下，对命名和寻址的要求主要有名的独立性和名的惟一性。
　　（3）管理平面与控制平面的协调问题。由于智能光网络的3种连接类型有的是由网管系统建立的，有的是由信令系统动态建立的，有的则是由两者共同合作建立的，因此需要研究网管平面和控制平面之间的结合问题。此外，控制平面和管理平面都要维护一定的网络状态信息，它们之间如何协调和配合也是一个重要的研究课题。目前，ITU-T等组织还没有给出任何与网络管理方面相关的内容，但业界倾向于采用基于CORBA的技术实现域间网络管理的方案。