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自动交换光网络的体系架构和演进路线
自动交换光网络的体系架构和演进路线
韦乐平
摘要：
自动交换光网络的出现是传送网概念的重大历史性突破，本文首先介绍这种新型传送体制的基本概念和发展，然后介绍其标准化框架和进展，接下来简要介绍其控制面的功能要求，信令及相关接口，选路和信令网，控制面结构，网络性能要求等总体问题的规范和考虑，最后论述IP层与光层的融合以及两种基本网络演进结构的特点。
关键词：
光网络智能光网络自动交换光网络
一、自动交换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-TSG13命名为ASTN，主要从高层描述）或自动交换光网络（ITU-TSG15命名为ASON，主要从更详细的结构描述）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又称为智能光传送网，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持系统软件的需要，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。
自动交换光网络将成为未来传送网发展的重要方向和市场机遇。
二、自动交换光网络的标准化框架和进展
目前涉及自动交换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电信标准部（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，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，即重叠网模型，但基本倾向和内核仍然是对等模型。
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UNI1.0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。
从理论上三者的工作领域没有冲突，但实际上由于技术、文化和政治的差异，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。
下面主要介绍ITU-T的标准工作状态。
目前，ITU有关自动交换光网络的建议分为五类，即网络结构、传送面、管理面、数据通信网和控制面，四个功能平面间的关系如图1所示，其中传送面负责提供用户信息的传送手段；管理面负责监视传送面上所传业务的性能以及传送面本身功能的管理；控制面负责各种交换连接的建立、重配置或修改以及实施恢复功能，由传送网承载；数据通信网负责传送管理面和控制面的消息。
在传统传送网中，网络仅仅由传送面、管理面和数据通信网组成，而自动交换光网络除了上述三部分外，还多了一个控制面。
ITU有关自动交换光网络的建议，共有五类，其内容为：
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，
图1传统传送网和自动交换光网络
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OTNNNI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GMPLSRSVP-TE.的DCM信令，G.7713.3定义了使用GMPLSCR-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。
IETF方面有关自动交换光网络的工作分布在几个工作组，但主要进展集中在GMPLS工作组，已经达到建议标准阶段和作为信息目的的文件有：
RFC3471定义了GMPLS信令的功能描述,RFC3472定义了GMPLS信令的CR-LDP扩展功能要求,RFC3473定义了GMPLS信令的RSVP-TE扩展功能要求,RFC3474定义了GMPLS信令的RSVP-TE用于ASON的使用和扩展功能要求,RFC3475定义了GMPLS信令的CR-LDP用于ASON的使用和扩展功能要求,RFC3476定义了LDP,RSVP,RSVP-TE用于光UNI信令的扩展功能要求,RFC3477定义了在RSVP-TE中信令的无编号链路要求。
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、支持UNI与网管系统的联系、多归属环境中的连接管理、支持路由分集连接的连接管理和补充业务的支持等。
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持交换连接和软永久交换连接；
-支持对已建立呼叫的连接的重配置或修改；
-实施恢复功能。
总的看，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），不同业务需要和不同的功能分布，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，这样作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，去掉解码和解释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（例如UNI）或域间网关处（例如E-NNI）提供，中间节点只需提供必要的规程来支持交换连接即可。
3.连接控制和连接类型
在ASTN/ASON中，目前定义有以下三种连接类型：
（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
通过网络控制面的所有实体通信都需要有信令，而接口代表了控制面实体间的逻辑关系并且由跨越这些实体间的信息流来规定，这种逻辑关系允许灵活地将这些实体按分布式部署以便支持不同的设备实施和网络结构。
1.用户网络接口（UNI）
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持呼叫控制、资源发现、连接控制和连接选择等四项基本功能，通常不支持选路功能。
此外，象呼叫安全和认证，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）
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持呼叫控制、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）
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况。
从功能角度看，跨越I-NNI参考点的信息流应该至少支持资源发现、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持选路功能。
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持控制面。
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：
－能支持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、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，最初在核心IP层，没有流量工程时通常IP流按照最短路径走，会导致重负荷链路产生瓶颈。
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，使之不仅支持分组交换，而且还支持时分交换（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，即重迭模型和对等模型。
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）重迭模型
重迭模型又称客户-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持的网络演进结构。
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。
这种模型从结构上看是直接了当和简单的，最大好处是可以实现统一透明的光传送层平台，支持多客户层信号，不限定于IP路由器。
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，这样光传送层可以继续快速演进，不会受制于由摩尔定律所限定的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，这种模型可以利用成熟的标准化的UNI和NNI，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（例如都有选路功能）。
其次是扩展性受限。
为了实现数据转发，需要在边缘设备间建立点到点的网状连接，即存在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持分组化数据的网络运营商。
（2）对等模型
对等模型又称集成模型或混合模型，是IETF所支持的网络演进结构。
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持单一的客户-IP业务，难以支持传统的非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，采用对等模型后，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。
总的看，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，支持重叠模型所需的功能是支持对等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对等模型导出重叠模型。
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持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。
除了上述两种最典型的基本模型外，还可以有中间形式，例如所谓的扩充模型采纳了客户-服务者模型的独立客户层和光传送层控制面的作法，又允许层间交换有限的路由信息，也不失为一种可行的过渡方案。
还有一种称为纵向集成的方案也是可行的过渡方案，基本思路是开发一种可以支持不同层接口的单一设备，在不减少层次的前提下提供设备的纵向集成，并利用GMPLS实现对网元的统一控制和管理，使所有业务都能实现快速自动指配。
从垂直逻辑功能上看，这种方案继续保留了各层功能，似乎类似重叠模型。
但从控制和管理上看，这种方案却更类似于对等模型。
3.将MPLS应用于光层后的特点和适配
将MPLS应用于光层必须充分考虑光层与IP层不同的特点，作必要的修改和增强。
下面举例说明若干不同点：
-在IP网中，只要没有数据包在在沿通道的链路中交换，MPLS标记交换通道（LSP）的建立可以无须消耗带宽。
而光网络连接是通过沿光通道的一系列OXC内的交叉连接通路完成指配的，因此无法预先建立零带宽通道，这一差别在分配恢复容量时必须仔细考虑；
-多数分组网中连接是单向的，而光网络中，WDM终端通常按双向配置，这就有可能在光恢复过程中引起潜在的问题，因此将MPLS扩展到光层必须能可靠保证双向连接的建立；
-在目前的一对IP节点间的链路数很少超过10对，而未来的光网络的链路数比普通MPLS网多几个量级，不仅使本来就很稀缺的IP地址更加紧张，而且也造成管理上的巨大负担；
-目前IP层的恢复时间较长，不利于应付影响面大很大的物理层故障，光层面需要有快速故障检测和隔离以及快速保护恢复；
总的看，将普通MPLS应用于光层还需要作很多工作，主要集中在下述几个大的方面：
-需要有新的链路管理协议（LMP）来处理使用光交换机的光网络层的链路管理问题；
-增强OSPF和IS-IS选路协议以便实施网络中可用光资源的公告（例如不同链路类型，波长内的带宽，链路保护类型和光纤识别等）；
-增强RSVP和CR-LDP信令协议以便在光核心网对标记交换通道（LSP）实施显式标记用于流量工程；
-增强扩展性，例如采用分级的标记交换通道结构，链路捆绑和无编号链路等解决方法。
作者简介：
中国电信集团公司总工程师兼北京研究院院长。
国家863信息技术领域专家委员会委员，信息产业部邮电科技委常委，中国通信标准化协会理事、传送网与接入网标准研究组主席，中国通信学会常务理事兼信息通信网络委员会主任、光通信委员会副主任，清华大学、北京大学、北京邮电大学、电子科技大学兼职教授。
主要研究领域是光纤通信、SDH、宽带网、接入网和网络发展战略。
曾获部科技进步一等奖1项、二等奖7项、三等奖10项。
在国内外发表论文100余篇、技术专著8部。
作为两届国家863通信主题的副组长、四届光通信专家组组长，连续10年参与领导我国863通信高科技攻关工作，还直接领导了中国高速信息示范网的攻关和实施工作。
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