下一代光傳送網：自動交換光網絡

奉飛飛　張漢一

1 引言

Internet的迅猛發展帶來了網絡業務量的爆炸性增長，各種新型業務如視頻點播、帶寬租用、VPN等也不斷涌現，這在為服務提供商帶來廣闊的市場前景和新的利潤增長點的同時，也對其傳送網絡提出了更高的要求。新業務的不可預測性使得靜態的網絡資源配置方式無法與動態的業務分布模式相適應，而網絡的動態配置功能可以更有效地利用網絡資源，有利于更迅速地引入各種新的增值業務。為了在光傳送網(OTN)上實現光通道層的自動交換，ITU－T提出了自動交換光網絡(ASON)的概念并對其進行了標準化[1]，基于ASON的下一代光傳送網絡將成為一個更為靈活、可靠、可擴展的智能化光傳送網絡。

ASON的主要特點包括：

(1)業務透明

業務透明是指光傳送網絡可以傳送各種類型的客戶層信息。光傳送網絡按照一定的映射方式將各種不同的客戶信號作為光通道信號的凈負荷進行傳送，在傳送網絡的內部，網絡無需知道也無需處理客戶信號的詳細信息。光傳送網絡的入口和出口成為業務信號透明性的分界處。由于對業務透明，因此可以為各種業務信號使用一個統一的下層結構，而不必專為每種業務單獨建設一個傳送網絡，從而大大降低了光傳送網絡的成本和復雜性。

(2)可以進行實時的光通道指配

目前的傳送網絡提供了 SDH 或 WDM 通道連接服務，但這些服務中的連接都是通過網絡管理協議或人工配置來進行指配的。這種指配過程相對于交換速度來說非常緩慢(以周或月計)。實時的光通道指配能力將為網絡運營商增加巨大的競爭能力，在市場上取得先機。ASON提供了標準化的路由選擇和信令傳輸結構以及用戶網絡接口、網絡網絡接口，可以迅速有效地在傳送層網絡中建立、修改或刪除連接。

(3)光層上的性能監測與故障恢復

盡管可以在網絡的其他層面上對業務進行保護與恢復，但光纖斷裂、光放大器失效等故障將影響到大量的上層業務連接，如果僅僅依靠上層網絡進行恢復，則需要對每一個上層連接分別進行恢復操作，這將帶來巨大的工作量，給網絡帶來負擔。而若在光層上對光通道進行保護恢復，則可以在沒有上層網絡參與的情況下，使該光通道上的所有上層業務連接同時得到恢復，可有效地提高恢復速度、降低操作復雜性與成本。光域上的性能監測可以在對業務透明的條件下保證光傳送質量。

(4)實現光層的業務量工程與光層帶寬管理

ASON是一個具有動態建立連接功能的光傳送網絡，因此可以根據真實業務模式來分配帶寬，使得網絡的性能最優。

2 ASON 網絡結構

ASON網絡結構如圖1所示[1]。圖中包含了ASON網絡中的主要構件，其網絡總體結構共包含了3個層面：

(1)傳送平面(TP)：傳送平面包含攜帶被交換實體的傳送網網元，組網靈活性由封裝在網元內的連接功能提供。

(2)控制平面(CP)：控制平面的引入是ASON不同于傳統OTN的一個根本點，它包括了一系列實時的信令及協議系統，負責快速有效地對網絡中的端到端連接進行動態控制，如連接的建立、刪除及修改等等。

(3)管理層面(MP)：與傳統OTN中的網絡管理系統相當。

在ASON的網絡結構中，根據ASON各種實體之間的邏輯關系以及在這些實體之間所傳遞的信息，ASON定義了不同的網絡接口。網絡接口的規范化有利于在網絡中使用不同廠商設備，構造不同網絡結構或劃分不同的管理域。ASON 定義的網絡接口包括：用戶網絡接口、內部網絡網絡接口、外部網絡網絡接口、連接控制接口、網絡管理接口等。

2.1 用戶網絡接口

用戶網絡接口(UNI)為光網絡客戶與光網絡之間提供了一個申請光網絡服務或操作的接口。它允許ASON的客戶執行以下操作：

(1)創建連接

客戶可以通過信令請求網絡建立一條具有指定屬性的連接。連接的屬性包括帶寬、保護機制、恢復機制等。

(2)刪除連接

客戶可以通過信令請求網絡刪除一條已經建立的連接。

(3)修改連接

客戶可以通過信令請求網絡修改某一條先前已經存在的連接的某些屬性。

(4)狀態查詢

客戶可以查詢某一已經存在的連接的狀態信息。

ASON用戶網絡接口還具有客戶注冊、地址解析、鄰居與業務發現等功能。其中客戶注冊與地址解析功能同光網絡的地址分配方案有緊密的聯系[2]。

UNI的實現需要完成一套滿足UNI功能要求的信令協議。標簽分發協議(LDP) [3] 及具有業務量工程擴展的資源預留協議(RSVP－TE)[4] 均可以在進行一定的擴充之后用作 UNI信令協議。這些擴充包括定義必要的TLV(Type Length Value )或其他對象以用于指定與光層有關的連接屬性。此外還需要定義新的消息以供進行連接狀態的查詢。光互聯網論壇(OIF)在UNI1.0 規范[5]里對這兩種協議均加以了采用。

2.2 內部網絡網絡接口

內部網絡網絡接口(I－NNI)定義了同一網絡中相鄰光連接控制器(OCC)之間的接口，它存在于運營商的管理域之內，負責支持在網絡中進行連接的建立與控制。內部網絡網絡接口包括兩個主要方面：信令與路由。

在ASON中進行端到端的光通道連接請求時會包含某些限制參數，因此對連接請求的路由選擇應采用帶限制條件的路由算法。路由算法需考慮的目標包括：

(1)符合連接提出的限制條件，如在物理鏈路上的分離等。

(2)平衡網絡的負載以取得網絡資源的最優利用率。

(3)遵循特定的路由策略，如指定路由等。

I－NNI可以基于兩種主要的協議：IP與MPLS。MPLS基于將轉發層面與控制層面相分離的原則，因此很容易進行擴展用于支持I－NNI信令。GMPLS[6]為適應更廣義的標簽交換類型對MPLS進行了擴展。這些交換類型包括時隙交換、波長交換、波帶交換甚至光纖交換等。CR－LDP [7]與 RSVP－TE [8]的擴展均可用于廣義標簽的請求與綁定。

MPLS的流量工程要求路由協議能夠在其數據庫中對鏈路狀態信息進行綜合。在文獻9和文獻10中，為支持GMPLS的鏈路狀態信息對現有的IP路由協議OSPF、IS－IS進行了擴充。

2.3 外部網絡網絡接口

外部網絡網絡接口(E－NNI)定義了不同管理域間ASON控制面的接口。E－NNI在功能上與I－NNI有所區別，兩者在功能上的區分類似于Internet域間模型中的內部網關協議與外部網關協議之間的關系。E－NNI可應用于同一運營商的不同I－NNI區域的邊界，也可應用于不同運營商網絡的邊界。在E－NNI 上交互的信息通常是網絡可到達性、網絡地址概要、認證信息、策略功能等而并非完整的網絡拓撲/路由信息；E－NNI的連接選擇也更多地基于安全、策略考慮而不是如同在I－NNI中所考慮的性能限制。邊際網關協議(BGP)是一種目前廣泛應用于IP網絡的外部網關協議，它可以用來在不同的ASON域之間交換網絡的可到達信息。

2.4 連接控制接口

連接控制接口(CCI)定義了ASON信令網元與傳送網絡網元之間的接口。連接控制信息通過該接口下發到傳送網絡網元，以供在光傳送交換設備的端口間建立連接。CCI使得各種不同容量、不同內部結構的交換設備成為ASON節點的一部分，因此CCI也被歸入ASON的控制平面。CCI上運行的協議必須執行兩個基本功能：添加和刪除連接、查詢交換設備各端口的狀態。

通用交換管理協議(GSMP)[11] 可以滿足實現CCI所需的要求。GSMP是一個允許控制器在交換設備間建立和釋放連接的協議，它非常適合于在轉發平面中采用標簽交換的網絡結構，如ATM、FR、MPLS等。GSMP為GMPLS所需進行的擴展還正在研究之中。

2.5 網絡管理接口

網絡管理接口包含NMI－A及NMI－T。NMI－A定義了網絡管理系統與ASON控制平面網管之間的接口；NMI－T則定義了網絡管理系統與傳送網絡之間的接口。

3 ASON的控制平面

一個設計良好的控制平面可以快速準確地建立電路連接，令服務提供商能夠更好地控制他們的網絡。控制平面本身必須是可靠、可擴展和高效的。

控制平面結構應足夠普遍適應地支持不同的技術手段、不同的業務要求和不同的設備提供商所提供的功能。

控制平面應當適用于各種不同的傳送網絡技術(如SONET/SDH、OTN、PXC)。為實現這個目標，需要將技術有關方面與技術無關方面隔離開來。控制平面應該足夠靈活，以適用于不同的組網應用。為此可以將控制平面劃分為不同的部件，設備制造商和服務運營商可以決定這些元件的具體位置，也允許服務運營商決定這些元件的安全和策略控制。

控制平面應該能支持傳送網絡中交換連接(SC)或者軟永久性連接(SPC)的基本連接功能。這些連接功能的類型包括：單向點到點連接、雙向點到點連接、雙向點到多點連接。

控制平面中的各功能元素如圖2所示[1]。該圖例闡明了控制平面的各項功能及其之間的關系。各功能的實體可以以不同的方式進行封裝，這取決于所需要的具體功能。

3.1 連接控制功能

控制平面(CP)的連接控制功能包括：

監測與管理連接的建立；

監測與管理連接的拆除；

對已經建立的連接參數進行必要修改。

在連接請求到達時，該功能模塊需要對路由表進行路由查詢、向呼叫接納控制功能提出申請并對連接點的狀態進行更新。

3.2 路由表功能

路由表的內容包括可到達的目的地及該目的地的推薦輸出鏈路。路由表的一個功能是響應連接控制對某特定目的地的輸出鏈路的查詢請求。

3.3 路由表更新功能

在靜態路由中，路由表是由人工建立與修改的。而在動態路由網絡中，需要自動對路由表進行更新并進行分發。路由表更新功能包括：將本地路由表的內容傳播給各鄰居節點，從鄰居節點那里接收路由表信息并對本地路由表作出相應的更新。

3.4 連接接納控制功能

該功能負責確定鏈路上是否有足夠的資源來接納新的連接請求。如有足夠資源，則允許處理該連接請求，否則連接接納控制將通知連接控制去尋找一條新的路由。如不存在新的路由則通知連接請求的發起者該連接被拒絕。連接接納控制可以根據優先級或者各種策略決定是否接納連接請求。該功能需要與連接控制及鏈路資源管理功能交換信息。

3.5 鏈路資源管理功能

該功能對分配給連接的鏈路資源的狀況進行跟蹤。它需要與連接接納控制功能、策略功能、連接控制功能相交互。

3.6 連接點狀態功能

該功能為連接控制功能提供與子網邊界上所有連接的點的狀態相關信息。

3.7 策略代理功能

該功能根據在連接建立時或連接修改后所確定的連接參數對連接流量進行驗證。當某連接違反了協議商定的參數時，策略代理功能將試圖進行糾正。

3.8 協議控制功能

協議控制功能負責控制信息在網絡中的可靠傳輸。它允許對控制信息進行跟蹤以保證能接收到預期的響應或是返回給發起者一個異常。協議控制功能傳送的信息主要包括：

路由表更新信息

鏈路資源管理信息

連接控制信息

圖3表示一個連接的建立過程中各功能元素之間的交互過程[1]。

4 ASON控制平面傳送網絡(信令網絡、控制網絡)

信令網絡是專門用來傳送控制信息的網絡結構。對于電路交換形式的網絡而言，為控制信息采用一個單獨的傳送網絡是非常必要的。信令網絡既可以使用帶內方式也可以采用帶外方式。這也暗示著信令網絡可以與傳送平面網絡使用不同的物理拓撲結構。控制網絡必須保證能夠可靠、有效地傳送控制平面數據。在控制平面發生故障時(如通信信道故障或者控制實體故障)，已經存在的連接不能被丟棄，而且這些故障信息應該能通知到網管系統以便進行維護。對于控制平面的故障恢復需要有相應的處理機制，而且信令網絡本身不應該需要復雜的維護操作。

對信令網絡的基本要求包括：

(1)安全性

在信令網絡中傳遞的控制平面信息通常與服務提供商的具體細節、安全策略相關，因此保證控制信息的安全傳送是至關重要的。

(2)可靠性

在任何情況下(例如自然災害引起故障時)均須保證控制信息的可靠傳送。

(3)服務質量

連接服務的性能在很大情況下依賴于控制信息的傳送。對像保護倒換等對時間敏感的操作，需要一定程度的QoS保證。對信令網絡應提供一定的生存性。

(4)可擴展性

為達到控制平面的可擴展性，信令網絡應該既可以向上擴展也可以向下擴展。(5)通用性

控制平面中的協議不應該要求信令網絡的拓撲結構與傳送網絡相同，這些協議必須保證能在各種拓撲結構的信令網絡中正常運行。

5 ASON控制平面與GMPLS結構

文獻12 給出了一種GMPLS結構。GMPLS的網絡結構與ITU－T G.ason建議中的網絡結構并沒有實質性的沖突。從文獻中可以看到，GMPLS體系中的不同協議均可以用于實現ASON的各種接口功能。ASON是為在光網絡中建立光通道連接提供一個控制平面的功能結構，它定義了自動交換網絡所需要的一系列接口功能，但這些功能的具體實現是與協議無關的。文獻中的GMPLS結構更多地關注GMPLS體系中具體相關協議的應用，如在網絡的不同接口(如 I－NNI、UNI)間建立廣義標簽交換通道(GLSP)的CR－LDP協議等，實際上，GMPLS結構給出了一個更實際化的、更易于理解的具體實施方案。

6 ASON與光互聯網

隨著IP業務的主導地位越來越明顯，網絡運營商希望能借助于光傳輸交換技術建設一個能夠有效傳送IP業務的網絡，即光互聯網。光互聯網概念的提出是針對IP業務這種單一業務模型的，而 ASON 試圖為各種上層業務(包括IP、ATM、SDH等)提供一個靈活有效的傳送平臺，這兩種思路造成了兩者在網絡結構上的不同。

ASON是一種基于重疊模型的網絡。重疊模型通過定義一系列的網絡接口，將客戶層面與傳送層面相分離。由此帶來的好處首先是光層的服務對客戶信號透明，而不只是限于傳送IP業務，而且光層與客戶層的技術可以獨立發展，客戶層技術的變革不會給光層帶來限制；其次，客戶/服務模型可以屏蔽光層的拓撲信息、路由機制等，適合于光網絡運營商的安全性及策略考慮；第三，規范化的網絡接口可以方便地進行子網劃分，非常適合于存在多個管理域的情況，而現實的網絡是非常多樣性的，存在著各種廠商設備，標準接口易于實現網絡的互操作性。重疊網絡的缺點也是顯而易見的，由于光層不了解上層業務的情況，而客戶層對光層的拓撲信息也一無所知，因而往往無法實現網絡資源的最優利用；而且，由于客戶層面與光層都有獨自的網絡恢復機制，所以在重疊模型的網絡恢復中對兩層間的協調也需要特別的考慮。

光互聯網則是一種基于對等模型的網絡，IP網絡與光網絡處于同一個控制平面之下，運行同一套路由協議，維護一個共同的拓撲信息庫。IP設備與光網絡設備互相可見，在進行路由選擇時兩者設備共同參與，實現統一的流量工程。對等模型可以針對IP業務的特點實現網絡資源的最優利用；但同時這種模型失去了業務透明性，只支持單一的IP業務，而且將光網絡的內部信息與IP設備共享也并不符合大多數光網絡運營商的安全性考慮。

從目前的網絡實際情況上來看，ASON能較好地符合網絡業務、網絡結構多樣性的特點，能夠得到多數網絡運營商的支持。而對等模型期待一種全網的統一，其實現過程將是一個較為漫長的過程。

7 結束語

Internet以及各種新業務的涌現對網絡的動態化提出了要求。自動交換光網絡(ASON)具有業務透明，能實時光通道指配，可光層恢復和進行流量工程等特點，已成為下一代光傳送網的發展趨勢。□

參考文獻

1 Mayer M, Ed. Architecture for Automatic Switched Optical Networks (ASON). G.ason Draft v0.5.1, June 2001

2 Lazar M, et al. Alternate Addressing Proposal. OIF Contribution, OIF2001, January 2001

3 Aboul－Magd O, et al. LDP Extensions for Optical User Network Interface (O－UNI) Signaling. draft－ietf－mpls－ldp－uni－optical－01.txt, work in progress, July 2001

4 Yu J, et al. RSVP Extensions in Support of OIF Optical UNI Signaling.draft－yu－mpls－rsvp－oif－uni－00.txt, work in progress, Dec 2000

5 Rajagopalan B, Ed. User Network Interface (UNI) 1.0 Signaling Specifications. OIF Contribution, OIF2000, June 2001

6 Ashwood－Smith P, et al. Generalized MPLS－Signaling Functional Description. draft－ietf－mpls－generalized－signaling－04.txt, work in progress, May 2001

7 Ashoowd－Smith P, et al. Generalized MPLS Signaling: CR－LDP Extensions.draft－ietf－mpls－generalized－cr－ldp－03.txt, work in progress, May 2001

8 Ashwood－Smith P, et al. Generalized MPLS Signaling: RSVP－TE Extensions.draft－ietf－mpls－generalized－rsvp－te－03.txt, work in progress, May 2000

9 Kompella K, et al. IS－IS Extensions in Support of Generalized MPLS.draft－ietf－isis－gmpls－extensions－01.txt, work in progress, Nov 2000

10 Kompella K, et al. OSPF Extensions in Support of Generalized MPLS. draft－kompella－ospf－gmpls－extensions－01.txt, work in progress, Nov 2000

11 Doria A, et al. Generalized Switch Management Protocol V3.draft－ietf－gsmp－08.txt, work in progress, Nov 2000

12 Mannie E, Ed. Generalized Multi－Protocol Label Switching (GMPLS) Architecture. draft－ietf－ccamp－gmpls－architecture－00.txt, work in progress, June 2001

(收稿日期：2001－09－05)

作者簡介

奉飛飛，清華大學電子工程系物理電子學專業在讀博士生。研究興趣為WDM光網絡節點設計、網絡控制與管理等。

張漢一，清華大學教授，博士生導師，畢業于清華大學無線電系。目前主要研究WDM 光網絡器件、系統、組網及其運行技術。