IP和OTN聯(lián)合組網(wǎng)技術探討

荊瑞泉

（中國電信股份有限公司北京研究院 北京100035）

1 引言

隨著Internet帶寬和設備容量向海量化發(fā)展，IP網(wǎng)已經(jīng)成為傳送網(wǎng)最大的客戶網(wǎng)絡，在骨干網(wǎng)層面，95%以上的傳送網(wǎng)帶寬都是服務于IP網(wǎng)絡。路由器端口速率也同步向高速化發(fā)展，IP骨干網(wǎng)路由器中已經(jīng)開始規(guī)模應用40 Gbit/s POS接口，并已具備提供100GE接口的能力。目前IP網(wǎng)絡普遍采用IP over WDM的組網(wǎng)方式，采用POS接口互聯(lián)，在IP層進行保護，傳輸網(wǎng)不提供保護。這種組網(wǎng)方式存在承載鏈路調整不靈活、組網(wǎng)成本高、網(wǎng)絡可靠性較低等問題。

針對目前IP組網(wǎng)存在的問題，本文將對IP和OTN聯(lián)合組網(wǎng)的相關技術進行分析探討，包括100GE/40GE&OTN接口的發(fā)展現(xiàn)狀和設備支持情況、IP+OTN的聯(lián)合保護策略以及路由器引入通道化接口和GMPLS的可行性等問題。

2 IP+OTN聯(lián)合組網(wǎng)技術發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 IP旁路與IP網(wǎng)絡的扁平化

通過對IP骨干網(wǎng)絡流量分析，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過P路由器的業(yè)務流量中，大約有50%以上屬于“過境”的中轉流量，這些“過境”流量大大加重了P路由器的負擔，導致路由器的容量擴展受到嚴重挑戰(zhàn)。中轉業(yè)務實際上不需要3層IP功能，卻占用了昂貴的路由器線卡，造成了網(wǎng)絡成本的快速增長。

基于上述原因，業(yè)界提出了IP Offloading/IP Bypass的概念，可稱為“IP旁路”。即在網(wǎng)絡邊緣的PE節(jié)點之間建立傳輸層直達鏈路，從而節(jié)約核心路由器的接口數(shù)量，降低對其容量的要求，提升業(yè)務轉發(fā)效率，如圖1所示。

隨著互聯(lián)網(wǎng)流量的持續(xù)增長，IP網(wǎng)絡組網(wǎng)時已經(jīng)在有業(yè)務需求的節(jié)點之間逐步引入了直達路由，即實施IP網(wǎng)絡的扁平化。因此，IP旁路實際上就是IP網(wǎng)絡的扁平化，只是從不同專業(yè)角度提出的兩種概念。

IP旁路有以下兩種方式。

·波長級旁路：在路由器之間建立點到點直達波長通道。

·子波長級旁路：在路由器之間建立直達ODUk子波長通道，可采用低速接口或高速通道化子接口（cOTN/以太網(wǎng) VLAN），此時需引入 OTN網(wǎng)絡來提供ODUk子波長通道。

當路由器引入40GE/100GE高速化接口后，波長級別的旁路由于無法分流其中多個方向流量，導致配置不靈活、浪費帶寬資源等問題。如何實現(xiàn)路由器子波長級別業(yè)務流量旁路成為當前研究的一個熱點。

2.2 主要廠商和運營商的思路

綜合性的通信設備廠商傾向于采用IP+OTN的統(tǒng)一組網(wǎng)方案，以降低整體建網(wǎng)成本，優(yōu)化網(wǎng)絡運行。統(tǒng)一組網(wǎng)的思路主要體現(xiàn)在傳送平面、控制平面和管理平面3個方面。

·傳送平面：采用40GE/100GE&OTN等高速通道化接口，實現(xiàn)波長和子波長級的IP旁路，促進IP網(wǎng)絡的扁平化，降低網(wǎng)絡的總體建設成本。

·控制平面：采用統(tǒng)一的基于GMPLS的控制平面技術實現(xiàn)IP與OTN的協(xié)同控制和保護，為IP網(wǎng)絡提供按需自動配置連接的能力。

·管理平面：目前運營商的網(wǎng)絡運營維護通常是按照不同專業(yè)進行分別管理，不同專業(yè)的網(wǎng)管之間完全通過人工協(xié)調。隨著IP網(wǎng)和光網(wǎng)絡在傳送平面的逐漸融合和控制平面的逐步互通乃至集成控制，下一代承載網(wǎng)管理系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是IP和OTN實現(xiàn)集中管理，大幅簡化網(wǎng)絡運維難度，提高維護效率，降低CAPEX。

IP設備廠商傾向于采用IP/MPLS over DWDM的組網(wǎng)方案，并致力于優(yōu)化核心路由器的轉發(fā)能力和效率，以降低建網(wǎng)成本。一方面是在核心層采用大容量的MPLS交換機代替P路由器，并采用優(yōu)化的MPLS LSP連接IP/MPLS PE路由器，路由器內置彩色接口以降低成本。另一方面是減少核心路由器接口板卡不必要的處理功能以提高轉發(fā)能力，降低成本。

3 40GE/100GE和OTN接口技術發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 40GE/100GE和OTN接口的標準化

IEEE關于40GE/100GE的標準化工作具體由802.3ba工作組承擔，2010年6月18日已正式發(fā)布了定義40GE和100GE接口的IEEE 802.3ba-2010標準。

IEEE 802.3ba分別定義了4種40GE和100GE接口，其類型和定義見表1。對于骨干網(wǎng)應用，主要需要考慮目標為10 km的單模光纖傳輸?shù)?0GBASE-LR4和100GBASELR4接口。傳輸距離為40 km的100GBASE-ER4可用于城域網(wǎng)中的光纖直連組網(wǎng)。

表1 40GE/100GE接口類型及定義

值得注意的是IEEE 802.3ba定義的40GE和100GE接口均為并行接口，從而降低了技術實現(xiàn)的難度和成本。

為了滿足運營商（AT&T主導）對40GE串行接口的需求，IEEE成立了802.3bg工作組負責開發(fā)40GE串行接口規(guī)范。40GE串行接口的目標是支持在單模光纖（SMF）上傳送2 km距離的信號。開發(fā)原則是利用已有的40 Gbit/s BASE-R PCS、PMA和MAC層以及IEEE P802.3ba已有的電子和邏輯接口，并在光層與運營商已有的40 Gbit/s客戶接口（OTU3/STM-256/OC-768/40G POS）保持兼容。

ITU-T關于OTN支持40GE/100GE和OTU3/OTU4的相關標準已經(jīng)完成，并列入最新修訂的G.709標準中。G.709定義了40GE到ODU3、100GE到ODU4的映射方式均采用GMP（通用映射規(guī)程），可實現(xiàn)業(yè)務信號的透明傳送。在OTU3/OTU4串行接口的基礎上，還定義了OTU3/OTU4并行接口 （OTL3.4，OTL4.4），并行接口使用與40GE/100GE接口相同的光器件，以便降低成本。

3.2 40 Gbit/s POS和40GE OTN封裝協(xié)議的比較

路由器的40 Gbit/s POS和40GE OTN接口封裝協(xié)議的比較如圖2所示。

40GE與40GEOTN接口的主要區(qū)別是增加了將64B/66B編碼轉換為513B編碼并映射到OPU3/ODU3/OTU3的過程，兩種接口可使用相同的光器件。

3.3 路由器40GE/100GE&OTN接口支持情況

主流路由器廠商均宣布其路由器產(chǎn)品已支持100GE接口，但國內尚未進行大規(guī)模的測試，預計2011年各運營商將會進行相關測試。而傳輸設備大部分在2011年可以支持100GE接口，但考慮到100G WDM系統(tǒng)的成熟度，估計2012年才可以進行路由器與傳輸設備100GE接口的互通性測試。

另外，主流路由器和傳輸設備都將在2011年支持40GE和40GE OTN接口。調研結果表明，路由器40GE OTN和40GE并行接口成本相當，低于40 Gbit/s POS成本約30%。而傳輸設備40GE/OTU3并行接口成本是40 Gbit/s SDH/OTN串行接口的1/2左右。因此，與40 Gbit/s POS相比，40GE OTN和40GE并行接口具有較大的成本優(yōu)勢，且具有傳輸距離長的優(yōu)勢 （10 km vs.2 km）。40GE OTN和40GE兩種接口類型的選擇需要考慮價格和OAM能力等因素。

路由器40GE/100GE和OTN接口的OAM能力比較見表2。

與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)相比，40GE/100GE技術在OAM方面的主要特點是增加了BIP-8誤碼檢測能力，從而可以提供與OTN類似的性能監(jiān)測能力，可以實現(xiàn)基于SD的路由保護。

表2 路由器40GE/100GE和OTN接口OAM能力比較

4 路由器引入通道化接口的可行性

4.1 通道化接口的類型

路由器通道化接口也可稱為子接口。早期的路由器支持通道化的cSTM-1接口，主要用于客戶設備的2 Mbit/s接入。支持VLAN的以太網(wǎng)接口也是一種常用的通道化接口。對于10 Gbit/s及以上速率的通道化接口，目前主要有兩種實現(xiàn)方式。

·支持VLAN的以太網(wǎng)接口：基于VLAN區(qū)分不同的業(yè)務流，OTN設備將不同的VLAN映射封裝到不同的ODUk通道。路由器只需要提供支持VLAN的以太網(wǎng)接口即可，OTN設備需要支持以太網(wǎng)接口。

·通道化OTN接口 （cOTN）：路由器完成IP業(yè)務到ODUk的封裝，可以基于VLAN、MPLS LSP區(qū)分不同的業(yè)務流，也可以采用如4×10GE→ 1×ODU3→OTU3的方式，目前還沒有統(tǒng)一的封裝標準。OTN設備采用標準的OTN接口即可。

4.2 通道化接口的優(yōu)勢

路由器引入通道化接口后可以保護設備投資，解決接口速率提升后低速接口的浪費問題。例如目前骨干路由器已經(jīng)開始引入40 Gbit/s接口，如何避免原有10 Gbit/s接口的浪費是運營商需要考慮的問題。當高速通道化接口的單位比特成本小于低速接口時，如100GE<10×10GE時，采用通道化接口還可以降低網(wǎng)絡建設成本。

引入通道化接口后，路由器之間可以采用不同速率物理接口進行組網(wǎng)，從而提高組網(wǎng)的靈活性，如圖3所示。這種組網(wǎng)方式可以減少大的業(yè)務節(jié)點的物理接口數(shù)量，降低物理故障點和尾纖維護工作量。

圖3 路由器之間采用不同速率接口組網(wǎng)

在路由器采用40 Gbit/s/100 Gbit/s等高速接口的情況下，可通過在OTN網(wǎng)絡引入子波長通道傳送IP網(wǎng)的穿通流量，加速IP網(wǎng)絡的扁平化，降低網(wǎng)絡建設成本。

綜上所述，路由器引入通道化接口具有提供組網(wǎng)靈活性、減少接口數(shù)量、便于維護、降低網(wǎng)絡成本等優(yōu)勢，建議積極探索其在網(wǎng)絡中的應用方式。

5 路由器引入GMPLS的可行性

在路由器中引入GMPLS的主要目的是按需自動配置連接，滿足IP網(wǎng)絡的突發(fā)性和臨時性的業(yè)務需求。上述應用方式的前提是OTN網(wǎng)絡中需要具備額外的帶寬資源。該資源可以是特定配置的專用資源，也可以利用用于網(wǎng)絡恢復的備用資源。由于目前的IP網(wǎng)絡一般不要求傳送網(wǎng)提供保護恢復能力，因此只能配置專用資源。

由于IP網(wǎng)絡已經(jīng)是傳送網(wǎng)的主要客戶層網(wǎng)絡，因此所配置的專用資源將很難用于其他用途，正常情況下的利用率會很低，因此還不如直接將其納入IP網(wǎng)絡常規(guī)的承載鏈路，以提高鏈路資源的利用率。

基于上述分析，目前在IP+OTN聯(lián)合組網(wǎng)中引入GMPLS控制協(xié)議的需求還不顯著。咨詢公司Infonetics Research進行的調研也表明運營商近期對在路由器上部署GMPLS的興趣不大。

6 IP+OTN聯(lián)合保護策略

在目前的IP網(wǎng)絡組網(wǎng)方式中，兩個路由器節(jié)點之間采用物理路由分離的雙路由方式組網(wǎng)，傳送網(wǎng)不提供保護。這種組網(wǎng)方式可以抵御單鏈路故障，但當兩條路由同時發(fā)生故障時，業(yè)務將被中斷。如圖4中，假定傳輸鏈路A-B、C’-D’故障率較高，則R1-R2之間業(yè)務中斷的可能性將比較大。

圖4 目前IP網(wǎng)絡的保護方式

圖5 OTN網(wǎng)絡提供分段保護示意

如果引入 OTN網(wǎng)絡，并對鏈路 A-B、C’-D’在 OTN中提供保護，或者是采用基于ASON的動態(tài)恢復，則可以降低兩條路由同時中斷的概率，提高R1-R2之間業(yè)務的可靠性，如圖5所示。

基于上述分析，可根據(jù)IP網(wǎng)絡對可靠性的需求，對部分IP承載鏈路采用OTN層保護恢復，以提高IP網(wǎng)絡的可靠性。

7 結束語

雖然路由器已經(jīng)開始提供100GE接口，100 Gbit/s WDM也正在研制之中，但是距離100 Gbit/s的規(guī)模商用還有一段時間。因此40 Gbit/s系統(tǒng)還將有較長的市場窗口期，即使100 Gbit/s出現(xiàn)也不意味著40 Gbit/s的迅速消亡，100 Gbit/s的性價比短期內還無法趕上40 Gbit/s系統(tǒng)，兩者將共存相當長時間。而與40 Gbit/s POS相比，40GE和OTN并行接口具有明顯的成本優(yōu)勢，且具有傳輸距離長的優(yōu)勢。建議積極推進40GE和OTN接口在現(xiàn)網(wǎng)中的應用。以太網(wǎng)和OTN兩種接口的選擇需要綜合考慮成本、OAM能力和設備支持情況等因素。

路由器40GE/100GE和OTN接口的應用需要WDM系統(tǒng)采用OTN互聯(lián)接口，而通道化接口的應用則需要傳送網(wǎng)支持OTN交叉功能，因此需要積極推進OTN技術在傳送網(wǎng)中的應用，滿足IP網(wǎng)絡發(fā)展的需求。

1 CCSA研究報告.光傳送網(wǎng)絡（OTN）組網(wǎng)應用研究，2010

2 IEEE 802.3ba.40 Gbit/s/100 Gbit/s以太網(wǎng)技術規(guī)范，2010

3 ITU-T G.709.Interfaces for the optical transport network(OTN),2009