IP和光網絡聯合組網技術策略研究

基于IP和光網絡的現狀和聯合組網需求，針對IP over WDM和IP+OTN/WDM兩種組網模型，從流量協同規劃、告警聯動、保護協調3個方面提出IP+OTN/WDM聯合組網技術的優化策略。優化策略將優化IP+OTN/WDM的聯合組網方案，提高全網資源利用率，并最終降低網絡建設成本和運維成本。

因特網協議/多協議標簽交換；波分復用；光傳送網；多協議標簽交換的傳送子集；通用多協議標簽交換

In this paper， we analyze the requirements for optimizing a combined IP and optical network. There are different models for such a combined network， including IP over dense wavelength division multiplexing （WDM） and IP+OTN/WDM. We describe optimization strategies for the IP+OTN/WDM model； in particular， we describe traffic synergic planning， alarm linkage， and protection coordination. In optimizing the IP+OTN/WDM combined network， we seek to increase efficiency of all network resources and network capex and opex.

IP/multi-protocol label switching； wavelength division multiplexing； optical transport network； MPLS-TP； generalized multi-protocol label switching

1 IP和光網絡聯合組網

需求分析

中國運營商的干線基礎承載網絡一直分為兩層分別進行建設和運維：上層是由路由器組成的因特網協議（IP）或因特網協議/多協議標簽交換（IP/MPLS）承載網，下層先后由SDH或波分復用（WDM）、光傳送網（OTN）等組成的光傳送網絡（簡稱光層）。IP層向光層提出各節點間的光鏈路連接需求，光層負責為IP層提供靜態配置的光物理鏈路（包括STM-N鏈路、WDM波長等），解決大容量、長距離傳輸和不同帶寬電路的匯聚調度需求；IP層不感知光層的物理拓撲和資源信息，也不知道光層所提供的網絡保護信息，只能根據IP層面自身邏輯拓撲進行路由和流量優化；光網絡不了解IP層動態連接和流量變化等需求，因此不能快速為其提供更經濟的直達鏈路。

IP/MPLS已發展為下一代網絡（NGN）統一承載技術，IP和光網絡的關系日益密切，共同承擔著多業務綜合承載和傳送的角色，并且互聯網海量視頻和數據業務發展驅動著IP網核心路由器的擴容周期日益縮短，出現了幾十太比特每秒量級的路由器集群；互聯網業務已成為光網絡帶寬的主要占用者，需要光網絡大規模建設40波、80波的40 Gb/s和100 Gb/s WDM系統來滿足爆炸性的帶寬增長。據相關研究預測[1]，運營商的網絡投資和收益之間將出現“入不敷出”的剪刀差（如圖1所示），從而興起“智能管道”應用研究熱點。隨著業務IP化和網絡扁平化的發展趨勢，業內越來越關注IP承載和光網絡的分工融合，并且路由器100GE高速接口的不斷應用更向光網絡提出一些新需求和嚴峻挑戰。運營商的基礎承載網面臨著一些問題：如何規劃100G子電路的匯聚調度，怎樣根據流量增長來降低過境轉發流量對核心路由器的擴容壓力，從而提高網絡帶寬利用率和降低綜合成本？這些均需研究并應用IP和光網絡的聯合組網來實現。全球一些科研單位和通信設備商已開展了相關研究和應用試點，本文在中國通信標準化協會（CCSA）研究報告[2]的基礎上，進一步總結提煉相關應用策略，希望進一步推動IP+光聯合組網的應用實踐。

2 IP和光網絡聯合組網模型

要實現IP和光網絡的聯合優化組網，首先需研究運營商的IP和光網絡現狀和業務分工，從而確定一個優化的組網模型。目前，全球運營商的干線網絡普遍采用IP over WDM的組網模型（如圖2（1）所示）。圖中本地和過境流量的轉發處理完全由IP路由器負責，密集波分復用（DWDM）系統負責為IP路由器之間提供10 Gb/s、40 Gb/s乃至100 Gb/s的光波長通道，光層（WDM終端和可重構的光分插復用器（ROADM））根據網絡預先規劃來實現光波長級傳輸調度，不能隨著流量增長而實現對本地和過境流量的智能識別以及子波長級的疏導調度。

近兩年來，大容量太比特OTN電交叉調度設備的推出，為有效旁路IP層過境流量、降低路由器擴容壓力提供了前提條件。圖2（2）和圖2（3）給出了兩種IP+OTN/WDM組網模型，主要差異在路由器部署和業務承載分工方面，IP+OTN/WDM模型I是由OTN/WDM和邊緣路由器組成，OTN負責為IP邊緣路由器之間建立直達路由，在模型II中IP核心路由器僅負責本地流量處理，OTN負責為核心路由器的過境流量提供直達路由。運營商可根據自身的干線網絡物理拓撲、節點規模和分層情況來選擇合適的組網模型。

IP和光網絡的聯合組網有兩種實施路徑，一種是傳送網路徑，通過增強OTN的基于傳送的多協議標簽交換（MPLS-TP）和以太網分組功能，通過標簽交換通道/虛擬局域網（LSP/VLAN）作為子波長顆粒進行靜態路由規劃，或基于通用多協議標簽交換（GMPLS）用戶網絡接口（UNI）實現動態帶寬請求和連接建立，實現對核心路由器大量過境流量的光層旁路轉發；另一種是數據網路徑，將IP核心路由器替換為新一代的多協議標簽交換（MPLS）路由器，基于MPLS的標簽交換路徑（LSP）進行交換和轉發，支持光通路傳送單元-k（OTUk）線路接口來增強IP層運行、管理和維護（OAM）和快速保護功能，光層僅配置WDM和可重構光分插復用器（ROADM）系統來實現大容量和長距離傳輸。目前，這兩種方案各有利弊，運營商需結合干線業務模型（如全部是IP數據業務，還是IP+TDM/L2 VPN專線的混合業務？）、網絡成本和運維體制進行綜合分析選擇。

3 IP和光網絡協同組網

策略研究

3.1 IP和光網絡的流量協同策略

IP和光網絡聯合組網，首先需要進行統一路由規劃和流量協同。IP層的路由規劃需結合光網絡的物理拓撲進行科學設計，光網絡需根據IP層的邏輯連接需求完善光層鏈路連接。流量協同是在流量較大的邊緣節點之間增加光層直達路由，即把核心路由器的過境轉發流量分流到光層，使整個IP網絡達到接近邊緣路由器直連的效果，區域間流量以直達為主、轉發為輔。由于光傳送網設備的每比特成本和功耗約為IP層路由器的1/5～1/3，因此采用OTN旁路IP層核心路由器的過境流量后，可有效降低對路由器的擴容壓力，解決IP網絡容量“瓶頸”，從而提升整個基礎承載網絡的資源使用率。據國際某知名運營商的現網模型研究，流量協同可降低對核心路由器容量需求的25%～50%。

鑒于IP承載網普遍采用MPLS靜態流量工程來解決服務質量（QoS）和網絡保護問題，新一代分組增強型OTN設備已集成融合了MPLS-TP分組交換和轉發功能，因此建議采用MPLS標簽作為路由器和OTN均能識別處理的子波長調度顆粒，從而使基于LSP標簽實現過境流量的識別和轉發。

隨著干線IP層流量的快速增長，對光層支持動態連接建立的需求也將日益迫切，在GMPLS UNI、多層多域控制、實現集中路由計算的路徑計算單元（PCE）等一系列智能控制平面技術發展成熟和性能滿足要求的前提下，建議流量協同逐漸從網管靜態配置方式向智能控制平面協同方式演進。GMPLS UNI在IP+光網絡應用如圖3所示。圖3中路由器實現通用多協議標簽交換用戶網絡接口-客戶側（GMPLS-UNI-C）功能，光網絡實現通用多協議標簽交換用戶網絡接口-網絡側（GMPLS-UNI-N）功能，全網傳送和管理效率可進一步提升，網絡綜合成本也可大幅降低。路由器通過GMPLS-UNI接口向光網絡層發起鏈路連接建立請求，并攜帶鏈路帶寬、QoS，鏈路節點和鏈路節點風險組等信息，光網絡通過UNI-N響應后能快速建立滿足其要求的直通鏈路。

3.2 IP和光網絡的告警聯動策略

IP和光網絡聯合組網應實現光層故障到IP層故障的快速傳遞，消除IP層故障感知的盲區。在路由器和WDM/OTN設備對接采用的各種類型物理接口以及邏輯子接口上，實現光層故障告警到路由器接口的聯動，把光層快速故障傳遞的能力延伸到路由器，實現IP層保護恢復機制對底層故障的快速檢測和響應。完善路由器對故障告警的定位機制，配合光層告警聯合實現快速的跨層故障定位。

10GE以太網接口遵循IEEE 802.3-2008[3]標準，40GE/100GE以太網接口遵循IEEE 802.3ba-2010[4]標準。這兩個標準中均新增了以太網PCS層的本地故障（LF）和遠端故障（RF）碼流，能夠實現以太網接口的故障狀態通告。在ITU-T G.709V3[5]標準中，也增加了OTN告警到以太網接口LF的轉換定義。因此，利用本地故障/遠端故障（LF/RF）和OTN告警的聯動，能夠快速實現以太網接口跨光層連接時的端到端故障快速通告，對網絡運維有了重大提升。OTN和路由器的OAM故障聯動如圖4所示。圖4中在路由器和OTN/WDM設備聯合組網時，采用支持LF/RF的10GE/40GE/100GE接口，兩端路由器在任何故障點發生單向中斷時，都會立即收到LF或RF故障通告。經測試，該故障聯動方式的端到端故障傳遞時間小于10 ms。

在性能管理方面，傳輸線路誤碼一直是網絡運維中較難定位的問題，IEEE 802.3ba標準在40GE和100GE以太網接口中引入了同步頭誤碼檢測和BIP8誤碼檢測，能夠檢測最大10-6的誤碼率。對于路由器支持40GE和100GE接口的應用場景，以太網接口在線路誤碼檢測能力上已有所提升。

隨著OTN技術和產業的成熟，OTN已被公認為替代SDH的高速信號封裝標準，并且由于100GE接口的傳輸距離有限（目前小于10 km），因此有些路由器已開始支持100G的OTU4客戶接口，如圖5所示。圖5中路由器使用OTN接口與OTN設備對接，將實現端到端的OTN OAM。

3.3 IP和光網絡的保護協調策略

目前IP over WDM網絡有兩種保護應用策略，一是WDM層不配置保護，完全由IP層配置MPLS-TE快速重路由（FRR）實現100 ms量級快速保護，或通過協議快速收斂技術實現秒級恢復；二是WDM層為重要的IP鏈路配置1+1波長保護或光鏈路保護（OLP）來實現小于50 ms的光層快速保護，IP層配置MPLS-TE FRR或協議收斂技術實現本層故障時的保護恢復。在沒有對兩層網絡保護進行聯合規劃時，通常會出現保護過度（保護資源耗費過多）或保護不足（部分故障的保護失效）問題，影響網絡成本或整體可靠性。

在IP+OTN/WDM的聯合組網模型下，適宜自下而上考慮聯合生存性，并充分發揮IP層和光層保護恢復技術的各自優勢，協同提高網絡可靠性，達到資源使用和可靠性要求之間的平衡。光層保護技術快速和可靠，建議在網絡中應優先部署。通過在路由器端口設置拖延時間（Hold off time）以及雙向快速檢測（BFD）檢測周期，可以使OTN保護倒換產生的瞬斷不傳遞和影響IP層業務。運營商可根據所承載業務在可靠性方面需求的不同，進行IP層的網絡保護和恢復技術的選擇，IP層保護恢復負責光層網絡以外的IP層及其他故障。

IP層因涉及業務規模大，網絡拓撲復雜，應盡量避免在底層鏈路發生故障時對IP層網絡造成沖擊。因此，IP層工作路徑和保護路徑的部署要考慮光層物理拓撲以及實際的共享風險鏈路組（SRLG）信息，避免光層一處光纜故障而造成IP層保護失效問題。

4 結束語

受互聯網流量爆炸性增長的驅動，運營商的基礎承載網絡面臨著網絡擴容和運維提升的發展要求，并需重點考慮整體網絡的建設成本（CAPEX）和維護成本（OPEX），因此IP和光網絡協同組網技術已是網絡優化和演進的重要方向。目前數據/傳送平面的協同組網技術已具備初步可行性，特別是在網絡流量協同、OAM告警聯動和保護協調3方面已有一些技術解決方案和應用策略，并已有國際運營商進行了試點應用。今后，基礎承載網絡向著統一管理和運維的方向發展，智能控制平面技術進一步成熟應用，相信IP和光網絡將實現更動態高效的聯合優化組網。

參考文獻

[1] Evolving backbone networks with an MPLS super core [R]. White Paper. Sunnyvale， CA，USA： Juniper Networks Inc， 2011.

[2] IP和光網絡協同技術研究 [R]. 2011B30. 北京： 中國通信標準化協會（CCSA）， 2011.

[3] IEEE 802.3—2008. 局域網和城域網標準 第三部分：CSMA/CD接入方式和物理層規范[S]. 2008.

[4] IEEE 802.3ba—2010. 局域和城域網絡標準協議 第三部分：基于沖突檢測的載波偵聽多路接入（CSMA/CD）方案和物理層指標 增補4：40 Gb/s和100 Gb/s操作的媒介接入控制參數、物理層和管理參數 [S]. 2010.

[5] ITU-T G.709—2012. 光傳送網絡接口 [S]. 2012.