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智能交换光网络技术

2/14/2005来源:光纤通信人气:7595


北京邮电大学 徐荣 徐云斌 韦

 

  传统的电路交换电话网和分组交换数据网都是为各自的业务专门设计的。而且网络呈现多种接入方式并存的状况,语音用TDM网络、ip用以太网或ATM、视频用HFC网络。在这种情况下,针对某一种业务的通信连接在逻辑上就构成了一种独立的网络结构,任何一种网络都不能很好地同时适用于其它的业务类型,于是就形成了分别面向单一业务的多种业务网络相互重叠的结构形式,从而导致整体通信网络架构呈现业务专门化、结构重叠和功能重复等特点。
  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,已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的光联网节点,如光交叉连接器(OXC)和光分插复用器(OADM)的开发成功,使得由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和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,使之能够支持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(MultiPRo-tocol 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。

在光层引入信令机制
  目前的光网络大部分是固定的光链路连接模式,在业务到来之前就分配好固定的波长和带宽资源,无法根据网络业务的波动和网络拓扑的实时变化进行动态的资源分配。为了满足数据业务的发展,未来的光网络应该可以根据业务需求进行动态的波长分配,实时地反映网络拓扑和业务的需求。利用MPLS标签分发、流量管理等机制解决光网中的动态波长选路,利用MPLS的信令协议LDP(标签分发协议)建立端到端的虚波长通道,并将网络功能向边缘节点转移,边缘节点负责业务流的分类、汇聚、以及业务流与虚波长通道的映射等功能,中间节点只作简单转发,实现具有动态波长选择和带宽分配的光网智能化,满足网络业务实时变化需求。
  MPLS实质上类似于信元或面向连接网络的分组交换,如ATM或X.25,但MPLS是基于网络层或OSI第三层的电路交换系统。标签交换路由器的标签信息库(LIB)中的标签与转发等价类(FEC)一一对应,因此通过查看分组中的标签,LSR可确定对其进行的特定处理及转发。
  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)来处理光网络的链路管理,扩展适配的OSPF/IS-IS协议来公告可用的光网络资源,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的优点之一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同传统的MPLS有所区别,它支持多种类型的交换粒度,如时分复用(TDM)、波长和光纤交换等。相应地定义了以下几种类型的接口:
  * 数据分组交换(PSC)接口:该接口可以识别数据包或者信元的边界,基于数据包或者信元中运载的信息作出转发决定,如路由器接口或者ATM的VPI/VCI接口。
  * 时分复用接口:基于时隙作出转发决定。如SONET/SDH接口。
  * 波长交换(LSC)接口:基于接收到的波长数据作出转发决定。光交叉连接设备可以基于波长作出转发决定。
  * 光纤交换(FSC)接口:转发数据基于物理空间的光纤,如光子交叉连接器(PXC)。
  这种可支持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。

智能自动交换光网络
  为了实现自动光交换、动态带宽分配的智能光网络,就需要有全球性的标准化体系结构和协议。正在发展的智能光纤网络支持大量的关键网络功能,如服务开通、恢复和性能监视。运营商可以实现各种新应用,包括波长服务、光纤层网络互连、光纤虚拟专用网(OVPN)以及增加收入的带宽贸易和分销服务。这些新服务是新型智能光纤层的主要推动因素。光纤层网络互连允许在广域网中、在大型核心交换机/路由器之间实现大容量互连。尤其是MPLS技术的出现,使得我们能够通过基于分组/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(ODSI:Optical Domain Service Interconnect)组织也在进行相关标准的制订工作。
  ITU-T主要负责国际电信标准的制定。在过去的多年里,ITU-T致力于称为光传送网(OTN)的下一代光网络协议的研究,其结构在G.872中定义。G.872建议在光物理层上定义三个子层,并描述了OTN运行于各种不同上层协议之下所需要的子层之间的接口和信令。在2000年3月日本京都召开的会议上,Q19/13研究组决定开始有关ASON的研究,将形成的协议称为G.ason(自动交换光网络的体系结构)。
  智能光网络要求能够对网络流量进行更加智能化的配置,根据数据流量类型实现数据业务的分类,对网络的强大保护和故障回恢复能力,以及能够为完成上述任务所需的完善的网络管理功能,而这正是智能网络的研究重点,也就是说,未来的智能光网络应该实现在高效率的光传输层面之上的标准的智能化。当前提出ASON和ASTN(自动交换传输网)就是为了满足这个要求,ASON的结构模型如图2所示。ASON网络采用动态的叠加式组网模型,主要由四类构件组成:
  1)请求代理(RA):它可通过光连接控制器(OCC)协商请求接入传送平面内的资源;
  2)光连接控制器(OCC):其功能是负责完成连接请求的接受、发现、选路和连接功能;
  3)管理域:所包含的实体示例不仅包含在管理域,而且也分布在传送平面和管理平面;
  4)接口:由内部网络节点接口(I-NNI)、外部网络节点接口(E-NNI)、用户网络接口(UNI)、连接控制接口(CCI)、网管接口(NMI)、物理接口(PI)组成。
  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。它具有如下几个重要特征:
  1)实现对光通路的动态分配;
  2)实现端到端的保护和恢复;
  3)实现数据网元和光层网元的协调控制,将光网络资源和数据业务的分布自动地联系起来。
  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软件功能和控制特性以提供信令支持。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软件管理、控制功能以及先进的快速硬件处理能力。新型波长路由器(图3)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。
  关键技术
  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,我们不可避免地要迎接一系列的挑战,其中有些关键技术是关于WDM网络自身必须支持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。

WDM网络管理
  监控和管理技术是网络的基本问题,它要求在各个不同管理层次上控制和管理光网络。根据这一要求,透明光网络对控制和管理提出了新问题:第一、由于说明网络状况的正常数字信号不能从透明的光网络中取得,必须使用新的监控方法;第二、现有的传输系统都有自己定义的表示故障状态监控的协议,光网络层必须与传输层一致,因此,作为交换节点,必须与传输系统兼容,而不能对其有影响;第三、光传输网由不同厂家生产的节点设备混合组网,按照网络管理的要求,网络节点之间的互通不仅需要从管理功能上互通,还应该从管理的物理通道、通信协议和上层管理功能上都做出统一的规定。 MPLS控制板需要使用网络物理层的状态信息。目前,虽然使用SDH可以对波长通道进行监控和调度,但用户设备(例如LSR)与DWDM传送系统的接口并未标准化。因此现在需要对SDH协议的头字节(开销字节)和数据通信通路(DCC)进行标准化;而且,如果光通道中的净荷不是SDH帧(例如是千兆以太网帧),则需要重新定义各种开销字节。
  管理信息的传送
  要进行有效的管理,OTN必须提供传送管理信息的通道。目前对管理信息的传送方式有随路和共路两种,各有优缺点。而提供管理开销的方法有三种:副载波调制(SCM)、光监控信道(OSC)和数字封装(Digital Wrapper)。从目前可实现性和技术的成熟性考虑,采用共路传送方式,不是将管理开销与相应的通路信息一起传送,而是将OCH层、OMS层和OTS层的维护和管理信息用一个单独的OSC传送。这种方式可以节省网络投资,以传送较大的开销信息量。

带宽的自动分配
  目前WDM链路和光通道的配置是人工的,配置时间很长(几个星期或几个月)。当网络从点到点和环形网向格形拓扑结构发展时,则需要一个能够自动提供带宽分配的机制来有效地管理网络,特别是当业务提供者想要按需为用户提供带宽或光通道时尤为重要。
  动态波长分配
  为了支持流量工程和自动保护恢复机制,网络必须能够进行波长的动态分配,并将MPLS标签与波长相关联。在静态波长分配光通路的网络中,基于图着色的启发式算法可减少支持给定业务所需的波长数。如果波长能够动态配置,则在负荷很重的网络中所需要的波长数将比静态配置情况下所需的波长更多,这是因为要为光通路请求分配波长在很大程度上是非理想的。为现存的光通路重新分配波长(波长重用)是克服该效应的一种方法,同时将要求OXC能够相应地重新设置其标签信息库,并通知其相邻节点所发生的改变。

保护和恢复问题
  由于数据业务的快速增长,对光纤骨干网络的保护恢复能力和QoS能力也提出了更高的要求。光纤骨干网络交换的粒度一般比较大,网络的瞬时失效将引起业务量的严重损失,因此在未来的智能化光骨干网中不能不考虑光网络的保护恢复策略,增强网络的自愈生存能力。网络拓扑和多波长联网技术的应用为保护恢复机制的设计提供了灵活性。重要的问题是如何将这些机制引入MPLS控制平面中,以提高可靠性从而为IP提供QoS保证。同样,在一个底层已经具备保护恢复能力(SONET/SDH)的网络中同时集成网络层上的保护机制,需要考虑他们之间的协调问题。
  终端系统的标识和网络业务的发现
  为了建立IP标签和波长的关联,必须使用资源发现机制,使具有MPLS能力的终端系统和WDM网络能够彼此确认并描述业务提供信息。这些信息包括:终端系统相连的是谁和从哪里(即端口)连接,该连接可提供的带宽有多少(即带宽多大和波长数有多少),及需要提供的资源即目前的使用状态等。进一步地,在MPLS控制和信令信道建立前,必须已经具备传送发现信息的方法。

MPLS控制信道和信令协议
  为了在LSR和WDM网络设备之间分发拓扑状态信息,监测物理层状态和配置带宽,必须在它们之间建立一个或多个用于控制及信令目的的信道。对于控制信道格式、所使用协议的类型的选取等问题,有多种可选方案。控制信道是使用与承载数据完全相同的波长的带内信道随路传送呢,还是采用带外方式而利用一个或多个专用的控制波长?如果使用带内控制方式,那么信令信息是应该承载于帧头如SONET头呢,还是混杂在数据分组中的单独分组上?如果使用带外方式,那么应采用何种组帧机制和帧结构,是SONET、PPP还是其它新型帧结构呢?所建立的控制信道应该对选择的绑定标签到FEC的信令协议具有不敏感性,是采用RSVP还是采用CR-LDP信令协议,两种观点都有其拥护者,他们都宣称其经修改和扩展的新协议能够更好地适应光网络。主张CR-LDP的人称它比RSVP更可靠,因为它是运行于专门的TCP连接上的,而喜欢RSVP的人则说,现已证实有关RSVP的不可靠及缺乏扩容性的缺点已经进行了改进和克服。
RSVP和CR-LDP是可选的信令协议,而IGP、BGP、IS-IS、和OSPF等路由协议也有可能被采用。

信令参数
  以下是为光网络建立MPLS控制平面时所必须使用的一些信令信息。它们的格式和用法可能包含的一些参数:1)终结点标识:是否每个网络元素都必须具有IP地址,其粒度应为多大?2)带宽特性和光通道属性:编码、容量、优先级和保护。3)QoS支持:保护类型、恢复的优先级、抢占参数(pre-emptability)、通路发现、可用速率等。4)带宽行为:创建、拆除和询问。这些信令参数的意义、格式、用法必须要定义准确。

网络安全性
  除了使用数据保护信道以外,所使用的协议必须能够为控制信道建立和保持可信的和安全的链路。如果一些潜在的攻击者能够相对容易地从物理上接入到一个光纤链路,那么就应该采取一些对付攻击的反干扰技术,或网络能够识别攻击者并更新拓扑信息以使业务路由避开受攻击的区域。
  IP路由器与光交换机
  OXC和LSR在功能的执行方面比较相似,未来网络中使用的OXC是“傻瓜”型呢,还是集成了路由器功能的一种“大而全”的设备?这一点目前还不能确定。一种方法可以是将LSR的所有功能都集成到OXC中,这样做就消除了对额外路由器的需求;另一种方法就是仅让OXC作一些简单的光波长交换的工作而将所有的智能功能保留于路由器中。OXC只用来实现业务流(比特流)之间的互联;路由器除了分组处理能力外,还有统计复用的功能。
  UNI与NNI
  LSR相对于核心WDM网络来说是一种边缘设备,必须采用用户网络接口(UNI)和UNI协议规范。但路由器到路由器的连接却是一种真正的网络到网络的接口(NNI),所以有必要在定义UNI的同时也定义NNI规范。

发展展望
  智能光网络的发展前景是美好的。在这样的网络基础之上,根据网络的可用资源,智能光纤网络可以在几分钟内开通一个光网络的虚拟专网(OVPN),相比之下,要在物理上建立一个基于SDH/SONET的光纤服务连接,则需要几个月的时间。通过智能光纤网络可以实现带宽贸易,构建一个利润非常大的市场。这在目前尽管还存在着一定的难度,但广阔的应用前景和迅猛的技术发展已经明确了光网络的这一发展方向。
  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,虽然支持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。
摘自《通讯世界》