[Sonet/SDH] 智能光网络技术及发展 [复制链接]

tian7163

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少将

发表于 2006-5-18 23:18:00 |显示全部楼层

1　网络业务与光网络的发展

　　互联网对信息通信业务的巨大影响，已使人们意识到必须十分重视互联网的创新动力。互联网应用的普遍性，对网络运营者来说，正是其业务来源和发展潜力所在。然而，从网络建设与业务发展出发，它更应考虑到的是：互联网每时每刻都在消耗网络的带宽资源，并且还潜伏着对其网络突然施以超常负荷的压力。
　　网络运营者所面临的现实是较为复杂的：从发展历史来看，信息通信业务和市场的发展总是远超出预测；从竞争来看，随着市场的开放，信息通信业的竞争愈来愈剧烈。于是，既要求运营商具有满足市场需要的容量，同时又要特别注意投资的效率、运维成本、市场反应等，使之能以具有竞争力的价格、服务与质量，按需及时提供业务。显然，这两方面的实现，都要求运营商建有一个有效的网络基础设施。
　　网络运营商在动态的e时代成功的关键是构筑如图1所示的一种网络。频带超宽的透明核心传送平台足以满足各种业务对带宽的要求，而且可以做到随网络业务的增长而逐步投资。从现有的条件来看，必须采用WDM或总称光技术才能胜任。具有多种服务接口的边缘设备能接纳各种业务而使运营商具有适应多种用户的服务能力。显然，这样的网络基础设施是最为经济有效的。据目前所知，足以形成这种边缘设备的技术手段主要是IP技术。

图1中的核心平台，即是一种光网络。那么究竟应建设什么样的光网络？

　　大家先来考察一下现有的核心光网络结构，如图2所示，它是以SDH环形网为基础形成的。为了扩大传送容量，后又引入了点对点传输的波分复用系统。在多数情况下，IP和ATM业务还要经过路由器或ATM交换机才能接入SDH，再经DWDM设备传送出去。相对2.5 Gbit/s和10 Gbit/s的路由器接口来说，SDH的分插容量已成为瓶颈。SDH环的50%的预留保护容量的利用率，以及多个环之间漫长而复杂的电路配置都不能令人满意。此外，没有智能的DWDM设备不利于充分利用网络资源。显然，现有核心光网结构不符合"经济有效"的基本要求，需要发展提高才能为网络运营商提供在竞争中制胜的基础。

　　大家再从光传送网的发展来分析。光传送网有三个发展阶段，初期即是指图2中的情况。它的WDM系统功能比较简单，只是起到增加虚光纤的作用。

　　随着OADM和OXC的出现，一些网络运营者和设备制造者开始考虑如何利用DWDM系统来建设光网络并管理好它。这样做的好处是很明显的，因为极具宽带潜力的DWDM系统，联网以后可以比单个系统发挥更大的作用。而有效地管理好这些网络资源，其经济效益更是十分可观。于是，相对以解决带宽为主要目标的起始阶段来说，这时光联网技术的发展已进入它的第二阶段--着眼于光网络的建设和管理。
　　国内多数传统的电信网络和业务运营商（TSP）现正处于向第二阶段迈进的时刻。对于新兴的运营商（ESP）是否也分两步走？没有必要。否则ESP永远落后于TSP。
　　为了经济有效地提供服务，争得更多的用户，一些先行的人士开始考虑对光传送网（OTN）的自动化，或说给OTN赋予智能。现今的网络和服务运营商已不会简单地增加网络容量，他们更关心的是如何以网络基础设施来创收，使之既能加速服务又能降低对维护人员的技能要求。国内有运营商提出要建设一种“傻瓜网络”，其用意即在于此。随着光联网技术向网络的边缘发展，有的研究人员甚至不再仅仅把光联网看作一种“通信”技术，而视其为计算、存储和多种应用的“使能”技术（enable technology）。这种视野的扩大不仅利于扩大网络的业务，也会促使光联网技术上一个新台阶。为此，有专家将光传送网的自动化称之为传送网概念的大突破，有的则将上述这些统称为光联网技术的第三次革命。总之，不管如何称呼，光联网技术已进入自动化、智能化的新阶段。

2　智能光网络概念的形成

　　面对数据业务的特点（突发、多变、长保持时间、高带宽、对距离不敏感等），网络运营商不仅要解决带宽问题，更需要具有灵活提供带宽的能力。同时，市场的开放和竞争的压力都要求有一种创新的光联网技术，使运营商能更快更高效地提供高速服务。这样的网络至少应具有以下特点：可伸缩的结构，能有效地指配网络资源；可动态地提供带宽和服务；减少运维费用；便于引入新业务。
　　鉴于：以语音为中心的SONET/SDH结构的局限性、以增加虚光纤为目的第一代DWDM系统缺乏智能、简单的IP over DWDM缺少SDH/SONET的保护恢复功能和服务质量(QoS)，于是客观上需要一种更具伸缩性和灵活性的解决方法。同时，考虑到：网内的波长将越来越多，光器件和光系统的复杂性不断增加，光通道互连将更加复杂而多变，随之，"点击"式的通路配置功能变得特别重要。这样，光层管理和控制的重要性显得非常突出。
　　光技术的新进展，例如，物理层的可调光器件、高速光电子元件以及具有智能的大容量光交换设备的出现；服务层技术的新进展，例如，路由技术和感知服务的交换（Service-aware Switching）、服务质量以及有关网络设计、管理、计费的App工具等。以上两个新进展客观上为开发新一代的光网络准备了条件。
　　据智能光网络概念的倡导者的定义，智能光网络是指一种具有灵活性、高可扩展性的，能直接在光层上按需提供服务的光网络基础设施。光联网论坛（OIF）对智能光网络的关键部分——用户网络接口（UNI）定义时称ION能够适应网络拓扑的改变（结构和网元设备的增减），通过公共的控制平面很容易、快速地服务，根据网络和相关服务的需要改变网络大小，提供各种服务等级和保护机制。
　　智能光联网是近年来光联网技术的一个最重要的发展。它使运营商可以直接从光域快速提供业务。智能光联网将SONET/SDH的故障管理、性能监视和恢复功能，DWDM的容量，以IP为基础的联网规约，先进的配置App和创新的系统以及管理App有机地结合在一起，形成一个更具伸缩性、以数据为中心的基础平台。从而把光层从一种静态的传输媒体变成一种智能的光网络结构，并可以直接从光域提供各种灵活的、高速增值业务。
　　智能光网络（ION）及自动交换光网络（ASON）都是从OTN的智能化和自动化发展而来。实际上，它们是同一种努力的两种名称。前者是突出“智能”，后者强调“自动交换”。另外，名称的不同，多少也反映了一点历史进程。
　　图1中的WDM和IP技术，传统上分别属于通信和计算机领域。然而，近年来，传统的电信设备制造商，在继续大力发展他们所擅长的光技术和WDM设备外，还极力引入IP技术。同样，擅长IP和App技术的计算机数据领域的设备制造商则大力向通信领域发展，将IP技术和智能与光技术相结合。智能光网络（ION，Intelligent Optical Network）和自动交换光网络（Automatic Switched Optical Network）概念即在这些努力之中形成。在这些努力下，人们看到给光网络引入智能后可得到的好处以及构成自动交换光网络的巨大潜力。于是，到2000年初，智能光网络（ION）和自动交换光网络（ASON）相继成为国际标准化组织ODSI、ITU-T、OIF、IETF的研究内容。

3　智能光网络的技术要点

　　总的来说，它有两大技术要点：硬光技术和软光技术。硬光技术指物理层的光技术及其硬件设备，软光技术指为控制光通路的建立和提供服务所需的App，即网络智能，这是发挥光层潜能使静态光网变为动态的智能光网络的关键。

（1）智能光网络的要素

　　最初，智能光网络的开发者，为其定义了四个组成要素：传输平台、交换平台、联网智能和网管App。
　　光纤传输设备是ION的基本传输载体，通常以线形或环形的组网结构提供波长或端到端的光路。光路是从源点到终点的一条光通路，它可由经过一个或多个节点的几个波长串接而成。
　　光交叉连接设备（OXC）为智能光网络形成了交换平台。光交换设备的引入，可以使组网拓扑从环形、线形结构演进成高效的网状拓扑，从而可为寻找最优化的光路由，或在网络故障时，快速寻找保护路由提供了可能，同时也便于在全网共享备用资源。光交换平台是ION的智能光核心，其自身的伸缩性与网络App的结合可提供全网的伸缩性，各种直接向用户提供的特色服务也都要通过交换平台实施。
　　若将智能光网络分成传送、控制和管理三个平面，则上述传输平台和交换平台共同构成ION中的传送平面。而联网智能和网管App则分属控制平面和管理平面。这就是ITU-T G.ASON V.O.5.0版规定的ASON的主要组成结构（如图3所示）。

　　ION的智能首先反映在联网的自动化，这主要是通过一套先进的网络设备互联协议实现。通常，这种互联系统是基于分布控制原理，将控制功能分布到每个网元之中，使全网各个节点都具有“智能”，于是各个网元间能实时、动态地交换相关路由和节点的信息，每个网元能从动态路由协议中了解到整个网络的拓扑结构和相关链路的状态。如此，网元知道各自的可达性以及通过什么途径可达以后，不仅可以自动地实现选路和交换，还简化网络管理系统。使得通过一个网管系统就可实现对全网的有效管理，实现端到端的配置、故障和性能等管理功能。
　　智能光网络的实现也使得网络管理的重点从传统的保护管理，提升为注重高效服务的管理。

（2）智能光网络的创新

　　智能光网络的创新首先在于它为静态的光传送网(OTN)引入智能，使之变成动态的光网络。智能光网络将IP的灵活和效率、SDH/SONET的保护能力、DWDM的容量，通过创新的分布式网管系统有机地结合在一起，形成以App为核心的能感知网络和用户服务要求，并能按需直接从光层提供服务的新一代光网络。
　　在光层上直接提供服务，对于运营商来说，其意义在于可将光纤中几乎无限的原始传输容量直接变成可增收的带宽，它拥有的不再仅仅是一个一般的光网络，而是一个极具竞争潜力的业务提供平台。
　　从设计上，智能光网络致力于克服IP over DWDM模式的限制，同时再加入新的特性和功能。新加特性包括完善的服务和管理功能，传送运营商级的千兆和10 Gbit/s的以太网能力，以及以App为中心的系统结构。
　　智能光网络的基石是智能光交换。智能光交换的出现使得光网络的核心开始从以环为基础的结构向以网状网为基础的智能结构发展。
　　当复杂的光通道路功能和交换功能引入到智能光网络，以及光纤网络从环形过渡到网状结构以后，提供端到端的特色波长服务的关键将是嵌在光网络中的智能。智能的光交换使服务提供商能够马上提供光通路，同时，通过各种等级的保护恢复还可以增强服务的特色。
　　智能光网络中采用的先进的基于IP的光路由和控制算法使得光路的配置、选路和恢复成为可能。具有智能决策和动态调节能力的智能光交换设备可以使传统上复杂而耗时的操作自动化，并且还能为构建一种具高度弹性和伸缩性的网络基础设施打下基础。
　　在基于硬件的光联网技术的发展过程中，SDH/SONET和DWDM技术代表了重要的历史性进展，在各种创新的硬光器件的推动下，它们继续在发展着，特别是DWDM，它仍在不断地开拓光网的传送能力。然而，DWDM只代表了智能光网络的物理层。而且，只有硬件的进展还不足以创造出有竞争力的、可增收的服务及其网络，也不能使服务提供商将他们的光网络从简单的“虚光纤倍增”发展成新一代的动态网络结构。

（3）软光技术（Soft-optics）

　　软光技术在此指光网络的智能组网App，这已成为光联网领域中与硬光技术同样重要的创新源。对于要将硬光技术创造出的内在好处转变成可享用的价值和可创收的新服务机会来说，智能的App平台是基本条件。硬光技术起了创造和传送光的作用，软光技术则带来了为有效封装、联网和管理光所需的功能。软光技术可以利用由硬光技术所能提供的容量优势，它为光联网带来了一系列的创新性能，并且帮助将光纤中的原始容量转换成增值和增收的新业务。具体来说，软光技术是一些智能App算法，硬光器件产生的光即由这些算法封装和控制。所以，光层的自动化是由软光技术提供的。
　　随着网络变得越来越复杂，光网络的自动化会变得越来越重要，不仅对起始的投入运营，而且对服务的维护和恢复也如此。
　　就像App与静态的集成电路（IC）结合并使之成为功能强大的微处理器一样，软光技术也可以为光网络带来许多好处。除了前面提到的外，还包括：消除许多繁琐的传统上由人工实行的工作，将服务范围从只管本地扩大到端至端的全网；软光技术可以“看到”整个光网的拓扑并将各个子网的性能和所用的恢复机制等情况拼成一张网络总图，于是使智能光联网设备具有提供优越的端到端的服务优势。
　　在光网络规模伸缩时，或波长数增加时，由软光技术提供的智能光网络的App平台会变得更加重要。管理业务流和连接及互联会成为一种复杂程度不断增加的任务。系统App以及自动发现节点和网元的能力是智能光网络的另一关键特性。

（4）智能光网的管理

　　随着光网络的任务从处理网络事务发展成提供服务，光网络的管理也必须发展。在SDH网中，管理着重于基础设施要求，例如，可靠性、保护和性能监视。在智能光网中，管理的重心移到提供服务。相对SDH网的分片管理造成对整个网的可用容量的估算既困难又耗时，ION的管理却给予服务提供商以“点击”功能——马上估算出整个网络的容量并快速提供端到端的服务。ION将TMN所有网管功能延伸到光域，确保端到端的服务受到很好的监视和管理。并且，计费所需的统计数据和信息都可以收集起来。
　　智能光网络中的网管App和软光部分、光器件间的关系如图4所示。

　　如图4所示，Soft-optics主要由4个功能部分组成：光器件驱动、系统Soft-optics、路由Soft-optics和NMS Soft-optics。光器件驱动是App/固件模块，用于控制相关的光器件并提取相关数据供系统Soft-optics分析。后者负责收集和分析光路完整状态和性能监视数据。路由Soft-optics负责向路由App提供光通路的相关参数，包括通道类型、FEC、传送格式等，路由App据此计算路由。NMS Soft-optics负责端到端的性能监视和报告、故障分析、光器件运行状态检测等。NMS则根据这些信息管理网络。

（5）新型的波长服务

　　智能光网络的好处是它可从光域(波长)提供多种新型的高速、增收业务。直接从光域提供波长服务的能力使得用户可以他们的交换机、路由器或SDH复用器，经济地通过光网络基础设施来延伸光接口。
　　依靠ION固有的灵活性和以App为中心的特性，服务提供商能开发多种以波长为基础的服务，这些服务都能根据现有的和将来以数据为中心的组网应用而扩展。服务范围从基本的波长服务到更为增强的增值服务，例如，新型的波长交换、按需提供带宽（BoD）、光虚拟专网（OVPN）、用户网络管理（CNM）、分级保护、吉比特以太网（GE）等。对于提供STM-N光管导那样的基本波长服务，其关键是“恰时”（just-in-time）地提供服务，而不像传统SDH结构那样需数月。市场开放、竞争加剧需要靠有竞争力的区别/特色服务，而不是以价格战来取胜。智能光网络正是具有将基本的波长服务转变成各种特色服务的能力。
　　通过将以太网信号直接映射到联网的光通道，ION使服务提供商可经济有效地将网络的光层对传送数据业务优化。于是，广域网（WAN）的接口将不再仅是SDH一种。由于将SDH的保护恢复和WDM的容量潜力和管理综合在一起，ION保证了与SDH一样的可靠性以及电信运营级WAN传送所需的特性和功能。这意味着，运营商有能力以电信级的以太网波长服务来扩展他们的业务，或使之与众不同。

（6）智能光网络与SDH网的关系

　　从前面已可看出，ION是从SDH等原有的网络技术发展而来。它是一种创新的发展而不是革命。运营商在采用智能光联网设备开发新业务平台时，可以继续利用他们已有的网络基础设施。在新的网络体系中，传统上作为网络物理层的SDH将成为智能光联网设备的一种业务接口。
　　在多数情况下，智能光网络产品会先引入现有的网络系统，用来解决网络带宽或提供新业务。随着智能联网技术的不断引入，网络将成为具有极大带宽、智能的、可提供多种光路服务的平台。

（7）典型的智能光网络的实现

　　下面以一个典型的已实际运营的智能光网络产品为例，扼要先容它的路由控制。
　　图5是智能光网络的倡导者--Sycamore企业典型的智能光网络产品，SN16000为智能交换平台，SN10000和SN3000为传输平台，Silver Manager和Silvx Source形成分布式的智能网管理系统Silvx ONMS。

智能光网络的网管系统

　　Silvx Source驻留在网元内，负责向网元发送指令、存储元数据、与Silvx Manager通信、与其它网元交换信息等（经由TL1、HTML或SNMP接口）。它使网元具有了智能并适时掌握整个网络的拓扑结构和相关的链路状态。
　　Silvx Manager是基于元数据驱动的客户/服务器型网管系统，由一系列可分散于不同服务器上的功能App模块构成。它与Silvx Source合作，可完成端到端的网络故障、性能和配置管理。
　　Silvx ONMS提供基于Web的鼠标点击的图形界面，支撑多种保护机制。传统网关需要数天完成的配置Silvx仅需几分钟。Silvx的CNM（用户网络管理）功能使用户可以通过客户端的界面察看自己租用的线路情况。

·智能光网络的路由协议

　　SN产品支撑OSPF（开放最短路径优先）动态路由协议，网元具有智能，光路的建立采用标准的MPLS CR-LDP协议。
　　智能光网络的网元具有智能性是指网元间能主动地交换链路和容量信息，从而掌握全网状态。网络状态时刻在变，网内节点可多达数千个，波长和中继线可达数万条。因此，网元间交换信息时，信息数据库必须具有实时动态性、可扩展性和收敛性。
　　SN系列的传输和交换设备使用基于IP的、标准的LSR（链路状态路由）协议和MPLS相结合来决定如何优化配置光路和选择传送网管信息的路径。SN产品的每个网元具有路由表和标记交换表。
　　每个SN节点的路由表中存有各自的路由走向，为减少广播信息和加速路由表的收敛和同步，每个节点仅掌握与邻节点间的链路状态，定期向邻节点发出握手信号以判断链路状态。为了减少广播信息和管理更多的网元，SN产品支撑多个OSPF域。同时，为了更适于光路，Sycamore拓展了标准的OSPF协议（但仍与标准的OSPF兼容和互通）。

·智能光网络的信令协议

　　在智能光网络中每个网元的动态路由表掌握着网元的可达性和最佳路由。而用户的光路是通过标准的MPLS信令协议，即CR-LDP（受限路由-标记分配路径）来建立的。
　　据MPLS(多协议标记交换)，每个IP分组前有一个20 bit的标签，每个LSR（标签交换路由器）都有标签交换表，标签和LSR的每个链路一一对应，标签交换表在<入标签、入口；出标签、出口>之间映射。在MPLS中，为了保证所需的QoS，在标记交换路径建立的过程中，可通过RSVP(资源保留)或CR-LDP信令完成。
　　在智能光网络中，如果将波长或物理光口和一个标记绑定，波长/物理光口就被抽象而可用逻辑来表示。如此，从某光口进入网络，再从某光口出网络的用户业务线路，其在网内经过的光路就变成一个具标记的通道。物理线路逻辑化之后，就可方便地对他们进行各种动态的处理。

4　智能光网络的发展现状和趋势

　　由于智能光网络和ASON是光传送网（OTN）概念的重大突破，代表了光网络的发展方向，它一提出就迅速受到业界的重视和响应。国际上一些重要的电信运营商和设备制造商在2000年初相继成立了从事智能光网络（ION）的标准化工作的机构：2000年1月，Sycamore发起组成有50多个成员的光域业务互联组织（ODSI，Optical Domain Service Interconnect）；至今已有360多成员的光联网论坛（OIF，Optical Internetworking Forum），在2000年2月成立一个工作组；在2000年3月专门讨论了与ION相关的IP over Optical以及总结了将MPLS扩展至光层的努力。ITU-T几乎在同时正式确立了开展自动交换光网络G.ASON建议的研究。基于其在电信和光联网标准化方面的经验和已做的工作，ITU-T已将此方面的标准化扩大，确定了开发包括新定义的G.ASTN（自动交换传送网）在内的共计四大类（框架/结构、指配和管理、生存性、传送）约20个建议。
　　所以，对于智能光网络，无论是其组网产品或相关的标准化都正在快速发展。

（1）智能光网络产品

　　鉴于智能光网络的市场潜力，国际上许多通信设备制造商相继投入力量开发此类产品。先行的厂家已有全套的智能光网络产品，像Sycamore的SN系列产品已先后在Storm、Vodafone、360 networks和BellSouth等多个国际上著名的大运营商的网中投入使用。作为光桥科技企业的合作伙伴及投资者，Sycamore的智能光网络产品已经由光桥科技引入中国市场。一些传统的大电信设备制造商也纷纷宣传智能光网络的概念，新兴的光网络设备制造商则更是全力以赴，这从SuperComm 2001上首次进行的光网络用户网络接口（UNI）演示的参加者及参演的内容可以明显地看出。
　　UNI是ION/ASON中重要的组成部分之一，这是用户通过控制平面向传送平面发命令/请求服务的入口。有了标准的UNI，运营商就可以经由采用多厂家、多种技术的网络提供先进的光层服务。这次共有25家设备制造商参与互操作演示，从这次多厂家的UNI演示成功可看出产品的成熟也可看出工业界的重视和兴奋。分析家评论：“这是一个正在兴起的工业”，“有助于光网络服务的到来”，“运营商可以在光网内点击提供服务”，“动态提供光带宽使运营商可以更快更高效地提供新业务”。

（2）光联网的标准化

　　ITU-T、OIF、IETF和ODSI都在积极开展与ION/ASON相关的标准化工作。由于对这种自动化的具有智能的光网络叫法不一，此处统称光联网(Optical Internetworking)标准化。出于对同一事物的视角不同，上述几个组织各有侧重地在开展工作。至今已形成两大模式：ITU-T为代表的客户/服务者模式，以IETF为代表的对等（Peer）模式（一个管理域），前者又叫“用户-网络开放接口”，相对对等模式又叫“层叠（overlay）”模式。在对等模式中所有节点都在一个平面，互相平等，各个标准化组织的研究侧重方向如图6所示。

　　层叠型将用户协议与网络协议分开，用户把网络看作"黑盒子"，只提服务要求而不管网络的内部情况。这就是现有的PSTN、ISDN模式。ODSI、OIF现在制定的UNI属于其中的一部分。IETF称它的MPLmS(多协议波长交换)或GMPLS(通用多协议标记交换)对层叠型和对等型都支撑。
　　除了网络组成分层不同外，对于具体的选路和信令方面这几个标准化组织都是以一些已经比较成熟的协议为基础进行标准化。如OSPF、IS-IS选路协议，采用MPLS格式的CR-LDP和RSVP信令协议。
　　为了加速标准化的进展，ODSI表示它不单独制定标准，而是致力于将研究成果提供给OIF等其它标准化组织。OIF UNI 1.0的演示成功即是多方协作结果，2001年8月将正式发布UNI 1.0版。
　　ITU-T将于2001年10月正式通过G.ASON以及相关信令等方面的建议。
　　在存有多个标准化组织的情况下，运营商如何选择设备？
　　首先，目前的标准化主要考虑规范通用要求，并没有特别规定采用某一种协议，具体的路由算法可能不会标准化。
　　第二，这几个组织都基于同样有限的几种协议。
　　第三，对于以App为中心的智能光网络，App升级或修改是相当方便的，不能因等统一的标准而丢失业务发展机会。
　　所以，智能光网络在运营商和设备制造商的推动下，将会不断地在网络中得到应用和发展。

5　结束语

　　ION是在SDH、WDM、IP技术基础上发展，并创新地引入智能（软光技术、智能光交换、分布式联网和网管App等）而成为一种以App为核心的动态的可直接在光层上提供服务的光网络。ION与现有的网络可无缝地结合，并逐步使整个网络向全智能光网络发展。智能光网络的主要好处包括：网络结构简单、配置自动化、恰时提供高速服务、实施新的增收服务的能力。运用智能光联网技术，服务提供商将从出租光纤转向出租光通道。智能光联网技术可开创新的业务机会，可将高质量的服务和BoD引入公众网。

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