IP 數據網與光網融合的超寬帶網絡發展演進

彭 巍，唐 宏，譚棟材

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630）

1 引言

IP數據業務的迅猛增長（每年超過50%）對IP數據網絡造成了極大的壓力，迫使網絡運營商必須在網絡容量上持續地進行擴容、投資。三網融合的發展趨勢使得IP數據網絡要進一步鞏固多業務統一載體的地位，同時對網絡的接入帶寬、傳送效率、穩定性提出了更高的要求，因此超寬帶網絡的發展已提上日程。云計算和物聯網的發展對互聯網的影響深遠，互聯網無處不在，各類信息源/服務通過互聯網相連，以“云”的方式處理并提供服務，數據網將成為分布計算和全對象（人/物）間通信的基礎平臺。因此，IP網絡一方面要滿足互聯網流量持續迅猛增長的需要，另一方面要滿足全業務綜合承載的需要，必須向超寬帶化、智能化的方向不斷發展；光傳送技術同樣得到了快速的發展，IP+光已經成為未來網絡超寬帶化、智能化演進路程的核心模式，得到了業界的認可。對于未來IP網發展，需要分析IP與光網融合超寬帶化的主要技術、組網模式、網絡演進方向等，以利于未來IP網絡朝著網絡超寬帶化、綜合業務承載能力強、高穩定性的下一代互聯網演進。

2 IP與光網融合的主要技術

2.1 骨干網層面的主要實現技術

骨干網層面主要實現數據骨干網的傳送，基本的要求包括長距離、高可靠性、高安全性、多種速率的支持等，隨著網絡智能化的發展，對其智能化傳送的要求也越來越高，主要的技術包括IP over OTN技術、超寬帶100 Gbit/s技術、光器件PID技術。

2.1.1 IP over OTN技術

OTN技術最初主要針對TDM業務，為了應對實際業務需求的變化，OTN在接口、映射、復用等方面不斷進行發展和變換，以更好地適應IP數據應用的承載。OTN技術定義了包括光層和電層在內完整的光網絡體系結構，各層網絡都有相應的OAM運行管理監控機制和網絡生存性機制，是未來光網絡向更高容量、更高電路帶寬演進的一個重要方向。

OTN相比以往光傳送網，可實施應用ASON/GMPLS控制平面的智能化技術，可把波長與子波長的交叉調度能力引入傳統點對點WDM傳輸系統中，其目的是通過增加交換、選路能力，構成網絡化的WDM系統。因此，OTN具有以下重要特點。

·更大的電路帶寬傳送能力，更高的傳送效率。為了適應承載IP業務的發展，ITU-T對OTN技術的相關標準進行了大量的修訂和補充，特別是G.709中增加了 ODU0、ODUflex、ODU4多個容器，增強了對各種速率以太網承載的支持能力，包括承載10GE LAN、100GE以及任意超高速率的業務映射進入OTN幀結構。因此，目前OTN的業務匯聚模式能有效提升傳送效率，降低業務傳送成本，從而可實現高效率的業務調度以及端到端的業務提供。

·更可靠的業務傳送。ASON/GMPLS控制平面使得OTN成為大容量的智能光網絡。通過相關控制技術可以有效解決骨干網鏈路多點失效問題。

·促進了IP層與光層的融合。基于大容量的交叉連接以及ASON/GMPLS控制平面技術，可滿足靈活的帶寬提供需求，能隨時、按需提供帶寬資源，這就意味著未來可以實現IP與OTN的統一規劃、優化、網絡資源分配等功能。

同時，ITU-T還在重點關注OTN控制平面架構的發展、OTN設備支持頻率同步和1588v2等方面的研究工作。目前，各主流的光傳送廠商的WDM系統都已在線路側采用了OTN結構，并已在現網中大量應用；客戶側的OTN接口已逐步成熟，目前可提供多種高速率的OTN接口；GE、10GE等以太網業務的封裝和故障處理也已實現了標準化。基于OTN的光層ASON在世界范圍內也得到了較廣泛的商用，因此骨干網的建設模式正在從IP over WDM全面轉向IP over OTN模式。

2.1.2 超高速100 Gbit/s鏈路技術

隨著IP網絡容量的持續高速增長，數據網絡接口速率已經逐漸向超高速100 Gbit/s發展，100GE的標準化工作是由IEEE P802.3ba工作組推動，目前主流數據設備廠商（包括Cisco、Juniper、華為等）均推出了支持100GE接口的商用路由器設備和100GE接口板卡。100GE的傳輸封裝相關標準由ITU-T SG15工作組制定，G.709v3已經完成了封裝100GE的OTU4/ODU4幀結構定義的工作；與100 Gbit/s DWDM傳輸相關的調制碼型、模塊接口等技術規范則由OIF PLL工作組制定。目前，ITU-T、IEEE和OIF（光互連論壇）等國際標準化組織制定的各項100 Gbit/s相關技術標準均已順利完成。根據各廠商提供的設備發展進度，國內主要傳輸設備供應商也將在2012年陸續推出100 Gbit/s WDM設備。

100GE在數據設備方面的技術難度主要體現為物理介質層的封裝、路由器設備的交換處理能力等；在傳送層面的主要技術難度則為偏振復用技術、相干接收技術、高速模數轉換技術、高速信號處理技術和高增益FEC糾錯技術等。預計未來3～4年會產生100 Gbit/s超高速率的帶寬需求，有利于超高速IP+光層骨干網的建設。

2.1.3 光器件PID技術

PID（photonics integeration device）主要提供了混合集成的光器件方案，多組PID可疊加在一對光纖中傳輸，提供更高帶寬及容量的傳送，從而提高了光纖資源的應用效率。在OTN架構下應用PID技術，支路側可配置不同的支路卡，適配話音、數據、專線等各種業務，主要面向城域骨干范圍的光傳送應用，提升電路帶寬能力，提高網絡資源應用效率，降低能耗。

2.2 接入層面的主要實現技術

在接入范圍內，IP網與光網融合的主要實現方式是綜合業務的光纖網接入匯聚、承載，以適應不同業務的需求，包括速率、穩定性、可靠性、高效率等。目前的主要技術包括PTN、PON技術。

2.2.1 PTN技術

PTN是基于分組交換、面向連接的高帶寬多業務光傳送技術，不僅能承載電信級以太網業務，而且還可支持承載TDM和其他類型業務，滿足網絡高可靠性、完善的OAM、網絡擴展性、嚴格QoS等傳送網屬性需求。PTN繼承了SDH傳送網的優點，如良好的可擴展性、豐富的OAM機制、快速的保護倒換、面向連接的特性、利用NMS（網管系統）建立連接。本文主要研究采用MPLS-TP技術的PTN。

MPLS-TP是傳送和數據技術融合發展的技術，是適應業務IP化發展、網絡向PTN演進的主流技術，繼承了MPLS的技術優點。ITU-T和IETF成立聯合工作組合作開發MPLS-TP技術，IETF主導協議開發，ITU-T負責輸入和確認傳送需求。

國內外主要的設備廠商均已推出了基于MPLS-TP的PTN設備產品，MPLS-TP的基本數據格式和轉發機制基本與MPLS相同。目前PTN設備的帶寬、業務能力、QoS、保護、同步、網管和OAM等功能已經趨于完善，可以滿足應用的需求。同時，PTN核心層設備L3功能基本成熟可用，可滿足LTE承載需求。不同廠商PTN設備可以通過NNI實現互通，包括業務、保護、OAM的互通，可滿足多廠商組網的需求。

PTN要求滿足時間同步、VPN組網、網絡倒換保護等技術要求。目前PTN中均采用IEEE 1588v2實現時間同步；PTN內的保護包括單向/雙向1+1路徑保護等，網絡內保護和接入鏈路保護相配合，實現接入鏈路或PTN接入節點失效情況下的端到端業務保護。

目前PTN的應用范圍包括移動業務、專線用戶業務等的承載。國內外運營商紛紛針對PTN承載3G移動回傳進行了現網應用，說明PTN將進入大規模應用的時期。

2.2.2 PON技術

包括EPON、GPON光纖接入技術。

EPON技術是在以太網技術基礎上發展起來的，由IEEE進行標準化 （IEEE 802.3ah，2004年發布，2005年合并進IEEE 802.3），目前已實現芯片級和系統級互通，得到了規模商用。EPON的發展趨勢是向10 Gbit/s速率演進，IEEE已經完成了10 Gbit/s EPON的標準化工作（IEEE 802.3av，2009年9月發布）。標準定義了對稱（下行10 Gbit/s、上行 10 Gbit/s）和非對稱（下行 10 Gbit/s、上行 1 Gbit/s）兩種速率模式。目前10 Gbit/s EPON的芯片級互通已經實現。

GPON技術由ITU-T提出并進行標準化 （ITU-T G.984系列）。GPON標準規定比較詳細，是目前歐美主流運營商的選擇。2006年后GPON發展迅速，在技術標準、設備功能與性能、芯片與光模塊、互通性等方面取得了明顯進步，基本具備了規模應用的條件。

隨著接入速率的提升，超高帶寬10 Gbit/s PON已經進入了人們的視野。目前10 Gbit/s EPON和10 Gbit/s GPON的標準組織都在制定統一的管理和互通標準，10 Gbit/s EPON的互通標準SIEPON在IEEE已經立項，預計在2012年將完成標準化；ITU-T則在繼承GPON互通標準的基礎上，通過了10 Gbit/s GPON的管理和互通標準G.988，為統一的北向接口及互通奠定了基礎。

PON的應用主要體現于光纖接入網，用于高速率寬帶業務的接入承載，具體應用為FTTx+PON的光纖接入模式，體現了從用戶端開始的超寬帶全光網絡承載發展趨勢。

3 IP與光網融合的組網模式

網絡運營商的IP網絡基本都分為接入層、骨干網兩個層面。城域網也分為城域骨干和城域接入網，負責不同的承載功能。城域骨干也屬于IP骨干層，接入層面實現用戶及多業務的接入，它們的承載技術有較大的區別。因此IP網與光傳送網的融合發展，也需要在接入、骨干層面分別實現。

在接入層面，主要應用寬帶PON、PTN等主要技術組網。寬帶接入網絡的超寬帶光網化，是以PON技術為主導，面向家庭接入實現公眾高寬帶業務；PTN通常主要用于組建高帶寬、高質量城域分組傳送網絡，提供高質量分組業務的傳送能力，承載的主要業務類型包括移動基站回傳業務、大客戶以太網專線業務以及MPLS VPN接入業務等。PON和PTN所構成的IP+光傳送組網架構如圖1所示。

圖1 匯聚接入層面的IP+光網組網模式

目前的應用情況表明，PON設備集成度及性能大幅提升，已形成滿足多種應用場景的一系列設備形態，能夠滿足目前高寬帶接入IP光網化部署的需求，設備的穩定性也得到了廣泛的驗證。因此，今后寬帶接入網的IP+光網融合的組網將依托PON、PTN模式，完善其關鍵技術（包括同步、電路保護、多帶寬的支持等），實現全方位的IP+光網的寬帶多業務綜合承載。

在IP骨干層面，IP與光傳送網的融合協同發展主要體現于IP over OTN的組網模式，IP設備和OTN設備之間形成良好的被承載與承載的關系，從結構上看和以往的物理體系基本一致，如圖2所示。路由器為IP層的設備，中間的傳送網為OTN，IP網與OTN的邊緣設備為P路由器，P路由器設備之間為長途骨干電路互連，因此其長途電路通過OTN光網來做承載。

在傳統的組網模式下，IP網與傳送網為上下層承載的關系，各自進行網絡的優化。而未來的IP over OTN的雙網協同優化與傳統模式有所不同，將進一步在網絡邏輯架構、網絡優化、保護、管理等方面進行融合，實現逐步一體化的演進發展。相關的協同運作主要體現為以下幾個構件。

（1）統一的流量管理系統

IP over OTN統一流量管理（多層流量工程）在提升網絡能力的同時，還可降低網絡的擴容壓力。例如，任意兩臺路由器之間的流量如果超過事先預設的閾值，路由器就可以通過UNI接口向OTN提出資源請求，OTN在接到路由器的帶寬請求信令之后，通過波長路由算法，在兩臺路由器之間快速搭建一條光層直達路由通道。這樣，路由器間超出閾值的流量可以通過OTN層直達，有效地降低了這兩臺路由器間的帶寬成本。

（2）統一的業務保護模式

在IP over OTN骨干網中，光傳送層實現對物理光纖的保護，而IP層主要實現節點、端口和邏輯鏈路故障保護。光層和IP層的統一保護機制可以顯著提高網絡的安全性和保護效率。由于大量光層直達路由的建立，IP骨干網的鏈路跳數可顯著減少，甚至僅為一跳，從而充分簡化了網絡路由協議、服務質量保證的部署。且IP over OTN的特性使得在采用統一優化的網絡架構后，即使是底層光網絡發生故障，也不會影響上層IP網絡數據流量的有效傳送，不會導致IP網絡的路由震蕩。該方案大大提高了網絡的可靠性，減少了冗余的網絡資源配置。

（3）統一的網絡管理體系

通過IP over OTN統一的管理可實現統一的告警機制、故障診斷和端到端業務指配。融合協同的網絡采用告警相關性分析原則，實現底層告警抑制，屏蔽次生告警，便于快速排查故障點，降低運維的難度。而統一的網絡管理系統、多層路徑計算和GMPLS UNI接口，改變了IP和OTN以往單獨的各自管理與配置的模式，實現了統一端到端的業務提供。

（4）100 Gbit/s超高速電路的良好協同運作

支持10 Gbit/s、40 Gbit/s高速電路的IP與OTN的互連，構建超寬帶IP+光融合網絡；在網絡不斷演進的過程中，100 Gbit/s超高速電路的應用將有效地提升IP層與光傳送層的統一。從需求上看，未來100 Gbit/s的傳送主要是大容量路由器間的端口互連，可包括同城互連、長途骨干互連，因此100 Gbit/s的應用需要路由器設備與傳送設備間的良好協作互通。目前主流路由器設備廠商已經具有支持100 Gbit/s端口線卡的路由器集群設備，并且可支持OTN接口，用于長途骨干的連接，具體應用為路由器選擇100 Gbit/s速率端口，接入OTN，實現IP over OTN的光網融合的高速電路互連。

4 IP與光網融合的超寬帶網絡演進探討

IP與光傳送網實現融合統一是網絡演進的目標，在此演進路徑上，寬帶接入層、骨干層將逐步實現全光化的體系架構，使得從用戶側至骨干網全程實現了IP光網通道，提升了網絡速率、容量、效率等。從目前來看，上述技術在網絡運營商方面已得到一定的應用，但還處于發展的初步階段，因此為了能夠較快地向IP與光傳送網融合協同的目標網絡演進，還需要在關鍵技術的應用突破、網絡架構建設、網絡優化、網絡推進步驟等方面統一考慮。

在網絡架構優化建設方面，需要在寬帶接入側通過發展光纖接入與匯聚技術，應用PON、PTN等技術實現對不同類別的綜合業務的接入與承載，并提高網絡管理能力，從網絡的整體架構上實現接入層面的IP與光傳送網的逐步融合。在骨干側，可以考慮按IP over OTN的目標架構方案進行IP層與光傳送層的優化建設，逐步優化調整兩層網絡的節點設置、網絡結構、組織結構，采取逐步演進的方式，不斷地試用、推進相關技術的實施，最終實現IP+光傳送融合的目標網絡體系。

在技術應用突破方面，接入層需要推進并提高網絡管理、業務開通等方面的能力，同時發展10 Gbit/s PON逐漸應用的技術能力，支持向未來10 Gbit/s PON的平滑演進，實現10 Gbit/s PON在現網已有PON上的逐步疊加擴容。骨干層面，在統一考慮優化IP層、光傳送層的同時，逐步推進OTN ODU-flex、MCLB（多通道負載均衡）、光器件PID等技術的應用實施，從而進一步提升網絡架構的優化空間，提高骨干層面的高帶寬傳送能力，逐步推進100 Gbit/s超高速電路的應用，提高網絡的可靠性和組網的效率，同時加強網絡的OAM能力，從整體上向IP+光傳送網融合的超寬帶目標網絡演進。