分組增強型OTN技術現狀及其在城域網中的應用*

程 明 ，蔣 銘 ，朱 俊 ，楊煒杰

（1.中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122；2.中國電信股份有限公司上海分公司 上海 200120）

1 引言

近年來，隨著寬帶、移動數據、專線、IPTV、OTT等業務的快速發展，城域網承受著流量高速增長帶來的巨大壓力。根據Cisco的研究報告，2012-2017年亞太地區公眾用戶互聯網流量的CAGR（compound annual growth rate，年均復合增長率）為27%，移動數據流量增長最快，CAGR將達到76%，而商業用戶流量的CAGR也將有23%。為了更好地適應流量的快速增長和多業務承載的差異化需求，一些主流運營商在對數據網絡進行擴容和對網絡架構進行優化的同時，開始探索傳輸網技術的演進及其對整體網絡架構的影響。分組增強型OTN（optical transport network，光傳送網）技術通過整合OTN、以太網、MPLS-TP（multi-protocol label switching transport profile，多協議標記交換傳送子集）和SDH（synchronous digital hierarchy，同步數字體系）等技術，增加層間適配，形成層次化的結構，成為傳輸方向的研究熱點。

2 分組增強型OTN技術發展現狀

目前，分組增強型OTN技術的國內標準研究進展較快，主要由CCSA TC6 WG1傳輸網組研究和制定相關標準，現已發布行業標準YD/T 2484-2013《分組增強型光傳送網（OTN）設備技術要求》和技術報告YDB 076-2012《光傳送網（OTN）多業務承載技術要求》。主流運營商和傳輸廠商均參與了相關標準的制定和討論。

分組增強型OTN技術的國際標準進展較慢。2011年，多家運營商和設備商向ITU-T提出OTN分組交換功能的應用場景及多層融合網絡的研究需求，IEEE進行了OTN與以太網融合技術（E-OTN）可行性的討論。2012年，ITU-T同意在G.798.1（OTN設備類型及功能）中引入分組增強型OTN等OTN融合技術的相關內容，并邀請更多文稿進行討論。

根據行業標準定義，分組增強型OTN設備是指具有ODUk（optical channel data unit-k，光通路數據單元k）交叉、分組交換、VC（virtual container，虛容器）交叉和 OCh（optical channel，光通路）交叉等處理能力，可實現對TDM和分組等業務統一傳送的設備。

分組增強型OTN設備由傳送平面模塊、控制平面模塊、管理平面模塊和 DCN（data communication network，數據通信網）模塊組成，其系統架構如圖1所示。相比OTN設備，分組增強型OTN設備主要增加了以下功能。

·層間適配功能:提供VC、分組到ODUk的適配功能。

·分組處理功能:包括以太網處理或/和MPLS-TP處理功能，提供分組業務的適配、QoS和OAM處理等功能。

·分組交換功能:提供基于以太網端口、VLAN和MAC地址的交換能力，或者基于MPLS-TP LSP和PW的交換能力。

·VC交叉功能:支持高階通道VC4級別的調度功能，并提供級聯條件下的VC通道交叉處理能力。

·保護功能:提供基于以太網、MPLS-TP的分組業務保護功能和基于VC4、ODUk、OCh的通道層保護功能以及層間保護協調能力。

根據傳送平面不同的具體實現，分組增強型OTN設備可分為兩種類型:板卡式和集中交叉式。

板卡式分組增強型OTN設備的邏輯功能模型如圖2(a)所示。相較于OTN設備邏輯功能模型，板卡式分組增強型OTN設備在支路側增加了VC適配/交叉、分組處理、分組交換和層間適配等功能模塊，提升了設備對SDH和以太網業務進行精細調度和處理的能力。由于板卡式分組增強型OTN設備基本不涉及對現有OTN設備背板總線架構、交叉板卡和線路板卡的調整，因此OTN設備可以通過加載支持分組處理、交換、適配功能或VC適配、交叉功能的支路板卡，實現向板卡式分組增強型OTN設備的平滑演進（部分設備需要進行軟件升級）。

主流傳輸廠商基本都能提供支持以太網處理、分組交換和層間適配的支路板卡。支持分組功能的支路板卡對以太網QoS的支持能力較好，但對以太網OAM的支持能力有待加強。受限于分組交換芯片的集成度，相關支路板卡的分組交換能力基本小于100 Gbit/s，背板總線不大于40 Gbit/s。部分廠商支持板內LAG（link aggregation group，鏈路聚合組）保護，支持通過設定時延實現對不同層次保護的協調。

圖1 分組增強型OTN設備系統架構

圖2 兩種分組增強型OTN設備功能模型

集中交叉式分組增強型OTN設備的邏輯功能模型如圖2(b)所示。其主要特點在于ODUk交叉、VC交叉和分組交換功能集中在交叉板上完成。相較于板卡式設備，集中交叉式設備在功能和性能方面更加強大，業務調度更加靈活。根據交叉功能的不同實現方式，集中交叉式分組增強型OTN設備可分為兩種類型:一種采用多核交換結構，即分組交換、ODUk交叉和VC交叉由不同的交換芯片完成，是對現有交換技術的整合；另一種采用基于切片的統一交換結構，對TDM業務和分組業務進行統一的切片處理，然后根據控制管理信息實現交換，其特點是分組交換和TDM交叉的容量比例可以任意調整，具有良好的組網靈活性，能較好地適應業務的發展。

基于多核交換結構的集中交叉式分組增強型OTN設備僅有個別廠商能夠提供商用版本，基本繼承了原有OTN設備架構，主要對背板總線和交叉板進行了改造，交叉板卡同時支持ODUk交叉、VC交叉和分組交換功能，能夠兼容原有OTN設備的支路、線路板卡。經過實驗室驗證，該型設備支持以太網和MPLS-TP處理，對以太網及MPLS-TP的OAM和QoS功能支持較好。由于該型設備在線路板卡上實現分組與ODUk的層間適配功能，其對分組業務進行分組處理和交換后不能直接通過背板總線進入交叉板卡進行ODUk交叉，故在承載需要進行分組處理的業務時，只能使用特定的分組支、線路板卡。該型設備現有的分組支路、線路板卡類型較少，受限于支路板卡的分組業務接入能力，其實際有效處理分組交換的能力小于1 Tbit/s。雖然該型設備支持VC交叉，但并無實現VC與ODUk層間適配的線路板卡，因此在進行VC處理時并不完全符合標準定義的架構。

基于切片的統一交換結構的集中交叉式分組增強型OTN設備已有部分廠商能夠提供商用設備，但支持分組處理的相關板卡仍處于研發階段，現有商用的支路、線路板卡只支持傳統OTN功能。

目前，板卡式分組增強型OTN設備在整體架構和以太網QoS處理方面已經比較成熟，后續將主要提升板卡的分組交換容量，完善對以太網OAM的處理，并根據實際業務需求實現對MPLS-TP功能的支持。集中交叉式分組增強型OTN設備的整體架構已基本成熟，但相關支路、線路板卡類型需要進一步豐富，其分組處理能力也有待加強。

3 分組增強型OTN在城域網中的應用

分組增強型OTN技術重點增加了分組處理、分組交換和層間適配等特性，能夠同時滿足精細化的業務調度和大帶寬的業務承載及保護需求，能夠滿足城域網業務分組化和IP網絡扁平化的發展趨勢，其在城域網中的主要應用場景包括以太網專線業務承載、IP城域網承載和基站回傳承載。

3.1 以太網專線業務承載

近年來，以太網專線業務需求在數量和帶寬上均呈現快速增長的趨勢。目前，城域網內GE以下帶寬的專線業務多采用 MSTP（multi service transport platform，多業務傳送平臺）、PTN（packet transport network，分組傳送網）或路由器承載；而GE及以上帶寬的專線業務則主要采用光纖出租或WDM/OTN承載。現有承載方式面臨的主要問題包括:MSTP和PTN設備容量有限，難以滿足大帶寬專線業務的快速發展要求；路由器承載成本較高，大帶寬專線業務承載對網絡的沖擊較大；光纖出租使得運營商對出租電路難以進行有效的管控和保護；WDM/OTN調度顆粒較大，業務開通和調整不靈活。

分組增強型OTN技術同時具備了OTN技術對大帶寬業務的端到端傳送能力以及以太網和MPLS-TP技術對分組業務的精細化調度和QoS處理功能，比較適用于FE及以上以太網專線業務的承載。在承載以太網專線業務時，可根據業務發展和網絡現狀采用以下不同模式。

（1）對現有OTN設備進行改造

OTN設備通過增加分組支路板卡，平滑升級成為板卡式分組增強型OTN設備。其中，分組處理支路板卡進行以太網交換、QoS和OAM處理，主要用于以太網專線業務接入，對用戶接入帶寬進行限速或升速調整，線路側采用ODUk封裝、調度和保護。該模式可以為用戶提供更豐富的帶寬業務選擇，并能提升OTN承載以太網業務的傳送效率。

（2）引入集中交叉式分組增強型OTN設備

在用戶接入的OTN節點引入支持MPLS-TP處理功能的分組板卡或小容量集中交叉式分組增強型OTN設備，主要用于MPLS-TP的QoS和OAM處理。在核心調度節點引入大容量的集中交叉式OTN設備，主要進行LSP或PW交換處理。該模式通過在核心調度節點進行分組處理，可以有效提升網絡傳送效率。通過設置保護拖延時間，能夠實現PW、LSP、ODUk或OCh等不同層次的保護協同。

3.2 IP城域網承載

分組增強型OTN技術在IP城域網中的主要應用場景包括:承載 OLT（optical line terminal，光線路終端）上聯BRAS（broadband remote access server，寬帶遠程接入服務器）/SR（service router，業務路由器）鏈路和承載 BRAS/SR上聯CR（core router，核心路由器）鏈路。分組增強型OTN承載IP城域網相關鏈路后的總體網絡架構如圖3所示。

圖3 分組增強型OTN承載IP城域網

3.2.1 分組增強型OTN承載OLT上聯BRAS/SR

IP城域網內OLT上聯BRAS/SR主要有如下兩種模式。

（1）OLT 直連 BRAS/SR

OLT通過上聯端口區分到達不同BRAS/SR的業務。該模式主要適用于單臺OLT流量較大、上聯的BRAS/SR數量較少的應用場景。

OLT直連BRAS/SR存在的問題包括:占用大量光纖資源，無法進行帶寬收斂；占用大量BRAS/SR的端口資源，上聯鏈路擴容周期長，鏈路保護困難。

（2）OLT通過匯聚交換機上聯BRAS/SR

OLT通過VLAN區分不同業務，匯聚交換機進行VLAN分流、多播復制和流量匯聚。該模式適用于單臺OLT帶寬收斂比較大、承載業務類型較復雜、上聯的BRAS/SR數量較多的應用場景。

OLT通過交換機上聯BRAS/SR存在的問題包括:占用大量光纖資源 （當OLT與交換機不在同一局點時），上聯鏈路擴容周期長，增加IP城域網網絡層次和故障點。

分組增強型OTN能夠快速提供OLT上聯鏈路，實現對相關鏈路的監控和保護。通過分組交換，可以節省BRAS/SR端口資源的消耗，并能夠完成端口匹配（如OLT上聯GE端口，而BRAS/SR下聯可以采用10GE端口）。

對于OLT直連BRAS/SR的模式，分組增強型OTN可以在靠近BRAS/SR側進行分組處理，通過流量匯聚減少BRAS/SR的端口占用，通過端口匯聚實現端口匹配。

對于OLT通過交換機上聯BRAS/SR的模式，分組增強型OTN可以在靠近OLT側進行VLAN分流和統計復用，以提升網絡傳送效率，在靠近BRAS/SR側進行端口匯聚實現端口匹配。

由于板卡式分組增強型OTN設備交換容量較小，不支持板間LAG保護，難以在中間節點進行分組處理和有效帶寬收斂，在承載OLT上聯BRAS/SR鏈路時宜采用集中交叉式分組增強型OTN設備。

3.2.2 分組增強型OTN承載BRAS/SR上聯CR

IP城域網內BRAS/SR上聯CR有兩種模式:BRAS/SR通過匯聚路由器上聯CR和BRAS/SR直連CR。

隨著IP城域網流量模型的變化，BRAS/SR上聯帶寬的收斂比越來越小，匯聚路由器的流量匯聚功能不斷減弱，網絡扁平化成為發展趨勢。但網絡扁平化過程中，BRAS/SR的GE上聯端口與CR的10GE下聯端口進行匹配的問題需要解決。與此同時，城域網網絡流量的快速增長，使得40GE/100GE等高速端口開始得到部署。當高速端口用于CR下聯鏈路時，也將面臨端口匹配的問題。

分組增強型OTN用于承載BRAS/SR上聯CR，不僅可以快速開通鏈路并提供鏈路保護，而且可以在靠近CR側進行端口匯聚，實現BRAS/SR上聯端口與CR下聯端口的匹配 （BRAS/SR上聯采用GE/10GE端口，CR下聯可以引入10GE/40GE/100GE端口）。

3.3 基站回傳承載

早期的基站回傳主要采用MSTP技術，其能夠較好地滿足2G時代以語音為主的低帶寬、高質量保障業務要求。隨著智能移動終端的普及和移動互聯網的快速發展，回傳網絡向分組方向快速演進，3G基站回傳帶寬需求達到30～50 Mbit/s。傳統的以MSTP為主的無線回傳網絡難以適應新時期高速帶寬、靈活組網、高效運營等要求。在快速臨近的LTE時代，基站回傳帶寬需求將達到100～300 Mbit/s，這將對基于IP路由器或PTN的回傳網絡造成壓力。

分組增強型OTN能夠通過OTN技術提供大帶寬的鏈路承載，通過以太網技術解決OTN接入分組業務效率低的問題，也可以采用MPLS-TP over OTN模式進行精細化的分組處理。通過設置保護拖延時間，完成PW、LSP或ODUk等不同層次的保護協同。分組增強型OTN具有時鐘集中處理模塊，支持定時輸入和輸出接口，可以通過物理層方式恢復定時信號，完成頻率同步信號的傳遞。同時，可以通過OSC凈荷傳送IEEE 1588-2008報文，完成時間同步信號的傳送。

分組增強型OTN進行基站回傳承載主要有以下模式。

（1）配合承載基站回傳鏈路

由IP路由器或PTN的回傳網絡完成基站回傳流量的接入，分組增強型OTN提供回傳網絡的鏈路承載，并可按需為基站或回傳網絡提供時間/頻率同步信號。其中，對于PTN回傳方案，在完成MPLS-TP互通后，分組增強型OTN也可采用MPLS-TP over OTN的模式進行承載，實現MPLS-TP層的端到端管理、維護與保護。

（2）獨立承載基站回傳信號

當基站采用BBU （base band unit，基帶處理單元）與RRU（remote radio unit，射頻拉遠模塊）分離的架構，RRU部署在基站或天線，BBU集中部署在局站機房時，單局站回傳流量可能突破GE。此時分組增強型OTN可以發揮其端到端、精細化調度、大帶寬傳送的優勢，采用MPLS-TP over OTN的模式進行承載，由MPLS-TP技術解決回傳業務的承載和保護，中間節點可以進行分組處理，OTN層則為MPLS-TP層提供鏈路保護，也可考慮采用Ethernet over OTN的模式進行回傳承載，以太網主要用于回傳業務的接入，OTN層提供線路保護。分組增強型OTN可以直接為基站提供時間/頻率同步信號。

4 結束語

分組增強型OTN技術通過融合OTN、以太網、MPLS-TP和SDH等技術，形成了層次化的結構，能夠適應業務大帶寬和分組化的要求。隨著分組增強型OTN設備功能和性能的不斷完善以及業務需求和應用場景的逐步清晰，分組增強型OTN技術將在城域網內發揮重要作用。

1 Cisco visual networking index:forecast and methodology,2012-2017.http://www.cisco.com/

2 CCSA YD/T 2484-2013.分組增強型光傳送網（OTN）設備技術要求，2013

3 CCSA YD/T 1990-2009.光傳送網(OTN)網絡總體技術要求，2009