ＩＰ　ｏｖｅｒ　ＷＤＭ技術

徐云斌　牟春波　顧畹儀

1 引言

互網的用戶數呈現指數增長規律，互聯網上多媒體應用日益增多，在不久的將來，IP協議最終將在互聯網、有線電視網和公用電話網中成為業務的主導模式。

波分復用(WDM)技術提供了巨大的帶寬，已經無可爭議地成為骨干網絡中最為主要的傳輸技術，因此，如何在WDM之上高效地承載IP業務就成為最熱門的重點研究課題，國際上很多標準化組織和論壇都在致力于此項技術的研究。對如何將IP適配到光層現在有很多不同的觀點，但是大家都一致認為，簡化IP層到WDM層的適配過程是未來的發展趨勢。

WDM網絡雖然具有巨大的帶寬，但目前網絡帶寬的利用率不是很高。如何充分利用網絡帶寬，根據業務需求動態地提供網絡資源，降低網絡建設和運營成本，也是目前光傳送網的研究重點。

另外，光網絡向智能化、自動化方面發展已經成為光傳送網的發展方向。

2 IP在WDM上的適配技術

如何將IP業務適配到WDM光層上進行傳輸，歷史上曾出現過多種不同的方案，如圖1所示。從圖中可以看出，由于IP是網絡層協議，而WDM是物理層技術，IP業務不能夠直接在WDM網絡中進行傳輸，而需要經過中間的數據鏈路層進行適配，再放到WDM上面進行傳輸，從而構成了從IP到WDM的多層協議棧。構成多層協議棧的原因主要為：

(1)IP業務同WDM光波長相比，其線路速率很低，必須經過一定的速率適配才能充分地利用波長帶寬。

(2)多層協議棧的產生還有一定的歷史原因，網絡發展初期，各個運營商發展了各自的協議體系以及網絡結構，在各個運營商網絡之間進行信息交換需要一定的協議轉換過程。

(3)像ATM、SDH這樣的技術，它們都有自己的最合適的應用場合，利用它們來傳輸IP業務不是最佳選擇，采用多層協議棧一方面可以兼容現有技術，另一方面可以發揮各協議層的優點。

不同的協議棧實現的功能有所不同，但它們的實現難易、復雜性和運營維護方式有很大區別，這里我們介紹幾種主要的適配技術。

2.1IP over ATM

90年代中期，一些因特網業務提供商在他們的核心網絡中引入IP over ATM的模式，以滿足帶寬的需求，適應網絡業務的爆炸性增長。ATM采用第三層的交換和第二層的轉發相分離的技術，在網絡邊緣采用第三層的路由功能，而在網絡核心采用簡單、高速率的ATM交換，增大了網絡的吞吐量。同時，ATM本身可以提供QoS保證以及流量工程等功能，因此受到電信運營商的歡迎。

IP over ATM的基本原理為：將IP數據包在ATM層封裝為ATM信元，數據以ATM信元的形式在信道中傳輸。當網絡中的交換機接收到一個IP數據包時，它首先根據IP數據包的IP地址進行處理，按路由轉發。隨后，按已計算的路由在ATM網上建立虛電路(VC)。以后的數據包將在此VC上以直通方式傳輸而不再經過路由器的地址解析處理，從而有效地解決了IP路由器的“瓶頸”問題，提高了IP數據包的交換速度。

IP和ATM的結合是面向連接的ATM與無連接IP的統一，也是選路與交換的優化組合。但其網絡結構復雜，功能重復，開銷損失達20％以上，網絡擴展性也差。

2.2IP over SDH/SONET

SDH/SONET是目前網絡中應用最為廣泛的傳輸技術，能夠提供多種不同速率的復用和業務整合功能，具有強大的故障恢復和保護功能。IP與SDH/SONET的結合是將IP數據報通過PPP協議直接映射到SDH/SONET幀，去除了中間的ATM層，從而保留了Internet的無連接特征，簡化了網絡體系結構，提高了傳輸效率。IP與SDH/SONET的結合易于兼容不同技術體系和實現網間互連，是一種較現實而較高效的IP傳送方式，目前已在實際應用中獲得較大的成功。

在IP over SONET/SDH中的SONET/SDH是以鏈路方式來支持IP網的，沒有從本質上提高IP網的性能。目前這種方式尚不適于多業務平臺，可擴展性不理想；對連續性業務比較適合，但不適合突發性業務；只有服務分組，但無優先級的服務質量，尚不支持虛擬專用網(VPN)。

2.3IP over GE

以太網占據了全世界LAN的85％以上，新的吉比特以太網標準可用來把大容量的LAN擴展成為MAN，甚至可擴展成為WAN。使用路由器中的吉比特線路卡提供與SDH相當的容量，花費只是其六分之一左右。由于這個原因，吉比特以太網成為在城域WDM環網上傳送IP或是更長距離連接的一種頗有吸引力的手段，如加拿大CA＊Net3就是以這種方式構建的。圖2給出了一個基于吉比特以太網接口的網絡的示例。

以太網的幀是在光載波上以8B/10B編碼方式進行編碼，因此對于1 Gbit/s的吞吐量，線路速率是1.25 Gbit/s，即有一定的編碼冗余。編碼還保證在不傳輸包的空閑周期中填充上一些符號，這些符號有足夠密集的邏輯狀態“1”、“0”跳變以保持時鐘恢復。

吉比特以太網支持在IEEE 802.1Q和802.1P標準中所定義的一些服務等級，通過向“加貼標記”的包加上優先級指示或包所需要的服務等級的方法，使得服務等級在以太網上實現起來更方便、更容易。隨著千兆以太網在城域網甚至廣域網上的廣泛應用，千兆以太網幀格式的適配技術將在IP over WDM的實現中占據重要地位。

2.4IP over WDM

IP over ATM以及IP over SDH都是在已廣泛應用的技術基礎上提供對IP業務的傳輸，但它們的最初設計目標不是針對IP業務。ATM的目標是承載多業務、提高網絡吞吐量和QoS保證，SDH的目標則主要是針對電路交換式業務提供高容量的傳輸，它們都不是很有效的IP到WDM的適配方式。如何將IP和WDM廉價的帶寬很好地結合是我們關心的問題。目前普遍認為簡化IP到WDM的適配過程是未來網絡體系結構的發展趨勢，在IP層和WDM光層之間只需要一個合適的適配層。簡化網絡結構可以得到的好處有：

避免了在SONET/ATM設備上所花費的開銷；

結合光層和IP層的路由功能，提供動態的波長路由；

結合光層和IP層的恢復功能，提供類似于SDH的恢復性能，滿足目前網絡發展的需要。

ATM、SDH技術雖然在現實中已經得到了廣泛的應用，但是也證實它們不是適配層最合適的選擇，需要尋找新的適配層技術，目前比較流行的方案有MPLS和數字包封器兩種。

除了以上介紹的幾種主要的IP over WDM實現方式外，有些公司還提出了一些自己的適配技術，例如Cisco公司提出的動態分組傳輸技術(DPT)和Lucent公司提出的簡單數據鏈路協議(SDL)。動態分組傳輸技術是由Cisco公司提出的一種分組優化的光傳輸解決方案，DPT環由兩根反向傳輸的光纖組成，每一根光纖并行地傳輸數據和控制信息，為數據傳輸提供最大的利用帶寬，同時可以加速控制信號的傳輸，具有很好的自愈能力。簡單數據鏈路協議是對SDH的封裝格式進行簡化，但是它考慮了后向兼容性，既可以直接映射到WDM層進行傳輸，也可以先映射到SDH幀格式中，再到WDM層進行傳輸。這些實現技術目前都得到了一些廠家的支持。

3 IP over WDM的網絡

結構

目前很多論壇定義了IP和光互聯網絡的結構模型，類似于幾年以前的IP versus ATM結構模型。這主要是由于光傳送網(OTN)同ATM類似，都獨立于IP網絡，有自己的操作規范、網絡協議、網絡管理工具等；另外，OTN與ATM都是面向連接的，而IP是無連接的。圖3顯示了兩種基本的模型：重疊模型和對等模型。

在重疊模型中，客戶層網絡和光傳送網(OTN)都有獨立的路由協議、地址結構和網絡拓撲。而在對等模型中，兩個網絡只支持統一的路由協議、地址結構和相同的拓撲結構。

重疊模型有下面的特點：

IP路由器和OTN OXC設備在兩個獨立的管理區域內。

IP路由器通過用戶網絡接口(UNI)連接到最近的光交叉連接器(OXC)上面。一個UNI意味著連接的一端是IP路由器，另一端是OXC。

IP路由器不了解OTN的內部拓撲結構，它通過鄰接OTN節點只能得知整個IP網絡的拓撲信息。

IP網絡和OTN都運行自己的信令和路由協議，保持獨立的拓撲，它們之間只交換很少信息或者不交換拓撲信息。

IP路由器可以請求OTN建立同其他IP路由器的連接。

對等模型有以下的特點：

IP路由器和OTN OXC設備在一個管理區域內。

IP路由器直接作為OXC的鄰接，交換拓撲信息。這種“對等對”到“對等對”的接口稱作網絡到網絡接口(NNI)。

IP路由器對OTN拓撲有著完全的認識，即所有的IP路由器和OXC設備共享一個網絡拓撲。

IP路由器和OXC運行一系列的路由和信令協議，使用單個的地址結構。

IP路由器可以同其他路由器一起請求建立光連接。

業務供應商希望保持OTN和IP網絡的獨立性，客戶也不需要知道它的業務是如何進行傳輸的，因此傾向于選用重疊模型。另外，重疊模型的網絡實現簡單，是近期能夠實現的。在重疊模型中，業務提供者可以在邊緣進行管理控制，通過OTN提供基于電路的連接，以滿足不同的客戶需求。

4 IP與WDM網絡的控制

如何優化光網絡的管理性能，提高其帶寬利用率，動態地提供波長資源以及提供光網絡的保護恢復性能已經成為研究熱點之一。以MPLS為基礎，IETF和ITU－T分別提出了自己的解決方案：多協議波長交換和自動交換光網絡(ASON)，它們通過為光網絡增加了一個控制平面，將自動化、智能化引入了光網絡。

4.1 多協議標記交換技術在光網絡中的應用

近來，多協議標記交換(MPLS)成為倍受矚目的技術，它被業界認為是當今數據網絡領域內最有前途的網絡解決方案之一。

MPLS網絡采用標準分組處理方式對第三層的分組進行轉發，采用標記交換對第二層分組進行交換，從而實現了快速有效的轉發。MPLS的實用價值在于它能夠在像IP這樣的無連接型網絡中創建連接型業務。同時，MPLS還簡化了選路功能，提供了流量工程解決方案。而光通道的特性是面向連接的，因此應用MPLS建立光路徑是一種非常合適的方案。

MPLS在IP over WDM結構中的應用包括兩種情況，第一種是MPLS與IP層結合，實現IP分組的快速轉發和IP層上的流量管理，其中MPLS并不涉及WDM光層；第二種是MPLS與WDM光網絡層的結合，是將MPLS中流量工程的控制平面的思想應用于WDM光網絡中，用來指配端到端的光通道，其中不同的標記對應于不同的波長，這種應用被稱為多協議波長交換(MPλS或MPLambdaS)。MPLS對L3層數據流進行L2層快速轉發，而MPλS是對 L3層數據流在L1層上實現直接轉發。其網絡結構如圖4所示。

4.2 自動交換光網絡(ASON)

智能光網絡(ASON)就是一種能夠提供動態連接建立能力的光(傳送)網絡，是帶有相當智能的下一代光網絡，期望能提供比目前的光網絡快得多的光通道建立速度，并提供多種粒度的信道服務和靈活的管理功能。

ASON網絡結構如圖5所示，包括控制平面、傳送平面和管理平面。其核心是通用的控制平面。控制平面必須是可靠的，具有動態路由連接、自動的業務和資源發現、狀態信息分發、通道連接建立和通道連接管理等功能，能夠支持交換連接和虛永久連接。控制平面不僅能夠為用戶建立連接，提供服務，而且還要對低層網絡進行控制。同時，此控制平面還應該能夠支持不同的技術和滿足不同的業務需求，不僅用于光傳輸網絡，也可以用于其他的傳輸網絡，包括SDH網絡。

同時，ASON通過定義用戶網絡接口(UNI)以及網絡到網絡接口(NNI)，可以支持多種廠商的設備，支持多種不同的技術。ASON管理平面通過對這些接口的管理，綜合了IP和WDM的網絡管理，并采用分布式的域間網絡管理，實現了綜合的網絡管理方案，體現了網絡管理的新觀念。

5 未來光網絡發展趨勢

從協議層次上來看，目前光網絡的主要發展方向是簡化從IP到WDM的適配過程，其方案為IP層結合MPLS提供流量工程以及QoS保證，將SONET/SDH的一些幀功能在光傳輸層實現。從網絡結構上來看，目前網絡功能正向網絡邊緣轉移，網絡核心功能簡單化，最終實現網絡業務在光網絡中的透明傳輸。未來光網絡應具有如下特點：

開放性和支持多業務的能力；

靈活性和易升級的可擴展能力；

高效而靈活的保護和恢復策略；

簡單有效的網絡控制管理功能；

強大的互聯和互操作能力。□

參考文獻

1 Nasir Ghani. LAMBDA－LABELING：A Framework for IP－over－WDM Using MPLS. Optical Networks,April 2000,1

(收稿日期：2001－10－11)

作者簡介

徐云斌，山東大學光電子信息工程系本科畢業，北京郵電大學碩士畢業，現為北京郵電大學光通信中心博士研究生。主要研究方向為智能光網絡的控制和管理。

牟春波，華北電力大學電子工程系本科畢業，現為北京郵電大學光通信中心碩士研究生。主要研究方向為長距離DWDM傳輸系統、光傳送網的結構和控制以及光交叉連接設備。

顧畹儀，北京郵電大學教授，博士生導師，電信工程學院院長。長期從事光纖通信領域的教學和科研工作。1992年獲國家有突出貢獻的中青年專家稱號，2001年獲全國優秀教師稱號，已發表學術論文百余篇。