自動光交換網絡的組網應用研究*

鄭 秋

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

自動光交換網絡的組網應用研究*

鄭 秋

(中國電子科技集團公司第二十八研究所 南京 210007)

介紹了自動光交換網絡(ASON)的原理和技術特點,運用ASON組網需要考慮的相關問題,以及組網的技術選擇和接入網方式,描述了軍用ASON網絡的特點,最后展望了ASON技術應用前景。

自動光交換網絡; 接入網; 組網; 軍用光網絡

Class Number TP393

1 引言

伴隨著科技的迅猛發展,現代戰爭對通信服務的要求和種類也在慢慢發生變化,其用以傳輸數據信息,進行數據交換,要求具有迅速、準確、可靠、自動化程度高等特點,使得對網絡帶寬的要求越來越高,原本被認為資源足夠的SDH成為了制約因素。隨著光通信技術的迅速發展,SDH城域網結構將會逐步變成邊緣網絡,而光網狀網(optical mesh)將逐步成為下一代核心網或城域網絡的主要結構。自動交換光網絡(Automatic Switch Optical Netword,ASON)的出現是傳送網發展的歷史性突破。ASON是一種利用獨立的控制平面來實施動態配置連接管理的網絡。ASON控制平面體系結構的核心技術包括信令技術、路由技術和鏈路資源管理技術等。其中信令技術用于完成自動交換連接功能、實現快速的端到端光通路保護監控和恢復,快速地建立、拆除和維護一條跨于全光網絡的光路徑;路由技術執行路由操作以及網絡拓撲和資源的信息發現,傳遞鏈路狀態信息并計算點到另—個節點的最佳路由通路;鏈路資源管理用于控制信道管理和維護、傳送鏈路的連通性驗證和故障隔離/定位等[1]。

2 ASON技術簡介

2.1 ASON的原理與特點

ASON由智能化的光網絡節點所構建的光傳輸網,以及對光傳輸網進行控制管理的光信令控制網絡構成。從發展的角度看,網絡資源管理的智能化將集中在業務層上,而光學資源的管理將通過一個由業務層和光傳輸層所共享的集成控制平面提供。ASON的實現依賴于通用多協議標簽交換(GMPLS)等控制協議所構建的控制平面的完善,以及對智能化光層網絡節點,包括光交叉連接(OXC),光分插復用(OADM)和波長路由器的真正實現。

自動光交換網絡具有以下特點:

1) 一套設備即可替代原有多套設備,網絡清晰。

2) 大容量、多粒度的交換,實現靈活調度。

3) 靈活的網狀(MESH)組網,自愈性強,易擴展性、高帶寬利用率。

4) 網絡拓撲自動發現。

5) 網絡鏈路負載自動均衡和優化,帶寬的動態分配,提高了帶寬利用率。

6) 基于信令請求快速靈活的開通業務。

7) 提供端到端(跨環)業務的保護及差異化服務。

8) 簡化了網絡管理并縮短業務建立時間。

ASON是一種標準化的智能光傳輸網,代表未來光網絡發展的主流方向,被廣泛認為是下一代光傳輸網絡的主流技術.

ASON的發展趨勢:

1) 采用網狀網結構;

2) 開發控制平面的性能;

3) 提高網管平面的性能;

4) 改善傳輸平面的性能。

為了實現ASON網絡的高生存性、高擴展性、靈活性和智能性,ASON傳輸平面在組網能力、硬件能力和軟件能力等方面與傳統的SDH設備完全不同,ASON必須同時具有數字交叉連接(DXC)和多路分插復用器(MADM)的功能,支持不同的網絡拓撲,包括網狀網、多環套接,環網、鏈等。為了實現ASON功能,傳送平面必須具備配合控制平面完成業務和鄰居的自動發現能力、傳送平面鏈路和網元的狀態通告能力、信號監控和故障檢測能力、光層的故障保護恢復能力,以及路徑的動態配置和拆除能力[2]。

2.2 ASON的體系結構和接口規范

圖1 ASON體系架構

ASON的接口定義了不同平面之間的通信規則,是網絡中不同功能實體之間的連接渠道。不同平面通過不同的接口相連接,同一平面內部的不同功能區域也使用不同類型的接口相通。ASON網絡邏輯上分為UNI(用戶-網絡接口),I-NNI(內部網絡-網絡接口)和E-NNI(外部網絡-網絡接口)三個部分[3]。

1) UNI:UNI主要運行在光網絡客戶端和光網絡設備之間,是業務請求者和業務提供者控制平面實體間的雙向信令接口,也是不同域、不同層面之間的信令接口。通過這個接口,可以實現光網絡客戶端和光網絡設備的連通。UNI的主要功能是完成二者間的連接建立、連接拆除、連接修改、狀態查詢,可選的功能有鄰居發現、服務發現等。目前在業界標準協議制定得最為完善和成熟的是OIF的UNI協議。它不僅制定了一整套切實可行的UNI信令協議(RSVP或LDP)、控制信道的實現(隨路信令、非隨路信令和準隨路信令)和維護,以及相應幀封裝標準,而且還提供了一套業務發現和拓撲發現機制。

2) I-NNI:I-NNI它是同一網絡內部或網絡與可信網絡實體控制層的通信接口,用于實現統一管理域內部OCS的相互通信。由于在域內運行的一般是同一個廠商的設備,因此沒有建議標準化,每個設備廠商可以使用專有的接口協議,也可以使用眾所周知的接口協議。

3) E-NNI:E-NNI是網絡與外部網絡之間的控制層雙向信令接口,網絡與外部不可信網絡實體的控制層的通信接口。這種情況通常發生在不同運營商網絡之間的互聯上,E-NNI接口信令將屏蔽網絡內部的拓撲等信息。支持呼叫控制、資源發現、連接控制、連接選擇、連接路由選擇。與I-NNI不同,它是在不同域間交換路由可達性信息,屏蔽了網絡內部的拓撲信息。對多層拓撲結構間的E-NNI信息交互尤其是標準化的難點和重點。

在ASON中,各層平面間的接口連接如下:控制平面和傳輸平面之間通過連接控制接口(CCI)相連,建立光交換機端口之間的連接;管理平面則通過網絡管理接口A(NMI-A)和網絡管理接口T(NMI-T)分別與控制平面及傳輸平面相連,NMI-A和NMI-T的作用是實現管理平面對控制平面和傳輸平面的管理,接口中的信息主要是相應的網絡管理信息。

3 ASON的組網應用

隨著ASON技術的逐步發展,國內外的運營商開始在其網絡中逐步部署ASON或者構建實驗網。ASON設備首先由CIENA在北美AT&T網絡中進行部署,共有100多個節點,主要應用于骨干網。隨后,Sycamore在日本NTT骨干網絡部署了40個節點的ASON網絡,以承載語音和數據業務。國內則從2004年開始,首次在省內干線網和城域層面引入了ASON技術,如CIENA在吉林鐵通,LUCENT在江蘇電信,ALCATEL在北京通信的城域傳送網核心層采用了ASON技術。

3.1 ASON組網技術的選擇

1) 組網應用網絡模型的選擇

ASON的網絡模型有兩種:重疊模型和對等模型。重疊模型將光傳送層特定的控制智能完全放在光傳送層獨立實施,無須客戶層干預,有兩個獨立的控制面,一個在核心光傳輸網絡中,而另一個在客戶網絡層,具體體現在用戶網絡接口處,即客戶層設備與核心光傳輸網絡之間不交換路由信息,各自獨立選路,都有獨立的拓撲。對等模型是將光傳送層的控制智能轉移到客戶層,由客戶層來實現端到端的控制。對等模型的復雜度高于重疊模型。

2) 業務調用方式的選擇

ASON網絡用戶網絡接口上的調用模型根據客戶端是否與UNI-C(靠近用戶端的用戶網絡接口)分離分為直接調用和間接調用兩種,直接調用方式由客戶端設備直接進行網路業務的調用,即由客戶端本身實現UNI-C功能。間接調用則是通過代理UNI-C替代一個甚至多個客戶端實現UNI功能。

3) 信令傳送方式的選擇

在信令的傳送方式上,纖內控制由于控制信道和數據信道在物理傳輸上不分離,物理鏈路的損毀會同時影響控制平面和已建立的數據傳送連接。如果利用外部IP網絡進行纖外控制有可能產生安全隱患和其他不確定因素,為兼顧安全性和魯棒性,ASON的信令傳送方式采用專用信道實現纖外控制。

4) 控制平面上信令協議的選擇

目前ITU-T建議的信令協議有三個:

(1)G7713.1:專用網絡-網絡接口協議(PNNI)。

(2)G7713.2:資源預留協議流量工程擴展協議(RSVP-TE)。

(3)G7713.3:路由受限-標志分配協議(CR-LDP)。

其中,PNNI基于ATM的協議,復雜性高,適用范圍窄,主要在RSVP和LDP之間選擇,二者均是基于LMP消息的信令協議,由于RSVP的“軟狀態”特性要求在所建立的連接上周期性地傳送信令消息,進行狀態刷新,通常認為并不適合在傳送網中應用。因此,一種觀點認為光網絡應該在傳送網中利用LDP協議實現跨越傳送網的連接建立,在兩端UNI-C和UNI-N之間則采取RSVP信令協議。端到端的連接將由兩個RSVP協議負責建立兩端的“單跳”連接和采用LDP協議的傳送網建立的連接共同組成。

5) 保護策略的選擇

根據COS(服務質量等級)所區分的各種業務等級,將選擇相應的保護/恢復方式,保護策略基于網狀網的模型,業務等級劃分為五種:

(1)“platinum”級:具有鏈路級和端到端路徑級的雙重保護,采用1+1或1:1方式,由網絡提供專用鏈路和路徑加以保護,保護時間達到50ms以下。

(2)“Gold”級:業務利用1:n方式,具有鏈路級和路徑級的共享保護。第一個失效連接的保護時間在50ms以下,之后失效的連接保護時間在200ms以內。

(3)“Silver”級:業務采取路徑恢復的方式,在網狀網中加以動態保護,恢復時間一般在2到5s之內;

(4)“Bronze”級:業務不提供任何保護方式。

(5)“Lead”級:業務優先級最低,通常情況下使用保護路徑進行傳輸,在保護路徑需要提供保護時,此類業務會馬上停止[4]。

3.2 ASON的光纖接入網

同傳統的傳輸網絡相比,智能光網絡的網絡結構將由環網為主轉變為網狀網為主,附以部分環網和鏈路,同時網絡的節點具有智能性。ASON網絡通常在核心網絡中使用,終端接入核心網盡管有多種方式,但是光纖接入是其中的重要組成部分,特別是無源光纖網絡(PON)應用較廣,由接入網和核心網共同組成了整個智能光網格網。

1) 接入網在整個網絡中的位置

圖2 光纖接入網在ASON網絡中的位置

2) 常用無源光接入

無源接入基于某種技術的無源光網路(PON),目前常見有基于ATM的APON,基于以太網的EPON或GPON,基于WDM(密集型波分復用)的PON稱為WDM-PON。

(1)APON

APON以ATM為承載協議,支持時延小及可變速率的業務,多業務接入能力強,其典型的主干下行速率達到622Mbit/s,但分路后給各個用戶的帶寬很小。

(2)EPON和GPON

基于以太網的無源光網絡稱為EPON或GPON,GPON又稱為千兆無源光網絡,與APON相比,其上下行速率有所提高,具有較低的用戶設備成本,除幀結構不同外所用技術與APON相同。EPON的上下行速率為1.25Gbit/s,對于IP業務具有較好的支持能力及效率,并且實現技術簡單。相對EPON,GPON更注重對多業務的支持能力,業務接口更為豐富,一般具有GE、FE、STM_1和E1等接口,能非常有效地支持分組數據業務和TDM業務。GPON可提供1.244Gbit/s和2.488Gbit/s的下行速率和ITU規定的多種標準上行速率,傳輸距離至少達到20km[5]。

(3)WDM-PON

基于WDM的PON稱為WDM-PON。WDM-PON可以利用WDM技術給每個用戶提供一路波長,因此不需要對光信號進行分路,在WDM-PON中可采用不同的波長支持不同的業務。在本質上,WDM-PON更為簡單,是一種基于波長、虛擬架構的點對點網絡。但WDM-PON采用的器件成本高、初期建設投資大[6]。

4 網路建設的關鍵問題與解決措施

在組建ASON網絡時,需要考慮傳送平面的技術、網絡結構及網絡生存性、路由和連接控制,管理平面及地址空間管理。

1) 傳送平面的技術考慮

在進行傳送層面實際組網時,需要從網絡的延續性和未來數年技術成熟度及演進趨勢等角度進行全面考慮。如果在光層實現聯網,節點必須具有大規模光交換能力,光交叉連接矩陣是其中的關鍵因素,對其的基本要求是無阻塞、低延遲、低損耗、寬帶和電信級的可靠性,需要關注信道間的串擾(CROSS-TALK)問題。網絡有時要求節點具有單向、雙向或廣播功能,這對最大化功能、最低化成本的合理設計光網絡的節點結構提出了挑戰。

2) 網絡結構及網絡生存性

光網絡的組網,首先考慮的是網絡的體系結構。網絡的拓撲實際上與網絡演進、生存性和資源利用率等因素密切相關,ASON可以由高連接度的網狀網構成,也可以在原有SDH和WDM環網的基礎上互聯得到。環狀網絡提供完善的保護倒換能力,網狀網提供了相對高的資源利用率和共享式的保護倒換策略。如果現有光傳輸網路不具有智能,使得網路端到端的連接動態無法實現,就會成為全網智能化的瓶頸,因此,ASON的引入必須解決與現有光網絡的互聯互通,最大限度保護運營商或國家的投資。另外,網絡的生存性是網絡建設和網絡規劃需要考慮的重要因素之一,當發生網絡失效或設備失效后,仍能提供可接受的業務服務等級,保護倒換和恢復是光網絡生存性保證的主要方法,它通過預留或再路由來快速恢復因網絡故障中斷的業務,作為代價,保護的策略會帶來相當的資源耗費。盡管出現這種情況,在ASON中,仍然需要通過相應的策略來保證網絡的高生存性,可以通過虛擬環、共享保護和重新動態路由等方式,在提供網絡所需的保護/恢復能力的同時,實現資源的節省。

3) 呼叫連接控制和路由

呼叫是表示為一個網絡層次的用戶提供的服務,連接是網絡用于提供該服務的一種手段。ASON控制平面規范了呼叫和連接控制的分離,目的是減少中間連接控制節點的冗余呼叫控制信息。根據連接的能力和方向,ASON的呼叫和連接管理應支持單向點到點連接,雙向點到點連接,單向點到多點連接。根據控制連接的主題不同,呼叫和連接管理支持三種基本連接類型:永久連接(PC),交換連接(SC)和軟永久連接(SPC);ASON的連接控制功能包括連接建立、連接釋放、連接狀態維護、連接屬性查詢、連接屬性修改、保護和恢復[7]。

路由功能用于跨越一個或多個運營商網絡的連接建立提供選路服務。路由功能包括可達性信息傳播、網絡拓撲/資源信息發布以及通道計算。ASON路由功能結構包括與協議無關的元件,如路由控制器(RC)和鏈路資源管理器(LRM)以及與協議相關的元件,如協議控制器(PC),路由控制器負責處理路由所必須的抽象信息。協議控制器根據信息交換所經過的參考點(如E-NMI,I-NNI),處理與協議相關的消息,并將路由原語傳遞給路由控制器[8]。圖3給出路由功能結構和元件的示意圖。

圖3 路由功能元件關系圖

4) 管理平面及地址空間管理

ASON對管理的需求不同于傳統的SDH或WDM網絡,因為大量的工作已經轉移到控制層面,通過分布式控制自動完成。ASON在用戶網絡和傳送網絡之間采取獨立的尋址方式和分離的地址空間,使得傳送網絡的升級和變化不會影響到用戶端,同時,新用戶的添加也不會對傳送網絡造成影響。

5 ASON在軍用通信網絡中的應用

ASON組網技術在軍用通信網絡基礎實施建設中的應用,是未來的通信建設發展方向之一,特別是在軍用光通信網格的建設中,具有十分明顯的優勢,具體體現在以下幾個方面:

1) 生存能力強。ASON柵格組網,當網絡出現故障或部分節點被毀時,只要網絡中還有可達的路由就可以對業務實施保護,通過迂回的路由實現互通,網路的生存能力優于SDH網。

2) 可提供多等級的業務。ASON網絡對不同等級的作戰部分可以提供不同的保護恢復方式,為保護單位提供差異化的、可選擇的服務,滿足部隊用戶不同的等級需求。

3) 資源利用率高。ASON網絡可以按照需求為作戰分隊選擇最優的路由,還可以采取保護資源共享的方法,理論上資源利用率不會小于50%。網絡拓撲連通度較傳統基于SDH高,資源的利用率也較傳統的SDH網絡高。

4) 網絡性能高。由于OXC(光交叉連接設備)和OADM(光分插復用設備)的引入,光信號可以在光層進行路由的選擇,這可以最大限度降低由IP路由帶來的信號時延和信號抖動,有力提升了信號的QOS(服務質量)[9]。

5) 網絡的擴展性強。SDH環形網絡中,只要有某一個區段需要擴容,就需要對整個環形網絡擴容,而柵格型ASON網絡擴容只需對那些需要擴容的鏈路進行即可,并且可以根據實際情況,在一些節點之間增加光纖連接,從而改變ASON的網絡拓撲。

6) 維護成本相對較低。ASON網絡設備集成度高,初次建設投資高,但后期擴容與SDH相比具有成本優勢,在網絡規模較大時更為經濟,在網絡接口中配備自動資源發現、自動業務發現等功能,可以進一步減輕設備互聯所需要的人工干預和手工配置,引入網絡智能有利于降低維護成本。

7) 能提供新業務。ASON能夠提供很多新型的業務,如OVPN(光虛擬專網)和BOD(按需提供帶寬),實時動態地調整網絡的邏輯拓撲結構,可以避免擁塞。在GIG-BE計劃中,美軍主要采用的技術和做法有:(1)采用密集波分復用(DWDM)技術,然后升級為ASON技術;(2)采用多協議標簽交換(MPLS技術),然后升級為GMPLS技術;(3)兼容原有的網絡系統,充分利用現有資源[10]。

6 結語

隨著ASON技術的不斷發展,以及ITUT、OIF和IETF等標準組織逐步完成標準的制定,ASON技術已經具備了實現商用的能力。對于軍用通信網而言,ASON技術的引入可以增強網絡業務的快速配置能力,實現業務的快速提供以取得戰場先機,提高業務的生存性、有效抵抗網絡多點故障、真正達到99.999%以上級的電信級業務等級,靈活提供不同的業務等級,滿足目前迅速發展的差異化服務的需要,充分降低維護難度,通過信令實現對業務的快速調配和自動保護,提高運營效率,軍用光網絡正逐步向智能化光網絡演進。

[1] 自動交換光網絡(ASON)技術要求.第一部分.體系結構和總要求[S]. GB/T21645.1-2008.11-18.

[2] 劉玉貴,劉云.全光網通信的實現[J].通信技術,2008(10):174-179.

[3] 劉冬梅.下一代網絡新技術研究-網格、光網絡和ASON[J].電訊工程技術與標準化,2008(3):17-20.

[4] 唐雄燕,左鵬.智能光網絡[M].北京:電子工業出版社,2005:97-105.

[5] 張冬辰,周吉,等.軍事通信[M].北京:國防工業出版社,2007:470-474.

[6] 韋樂平.光網絡技術發展與展望[J].電信科學,2008(3):1-6.

[7] 樂垠.自動交換光網絡ASON技術的引進策略研究[J].移動通信,2010,1(下):11-14.

[8] 吳姍姍.面向信息柵格的異構資源通用管理機制[J].指揮信息系統與技術,2012(2):32-37.

[9] 陳麒,楚國鋒.自動光交換網絡在軍用網絡中的運用[J].中國新通信,2009(6):23-25.

[10] 王琦,任曉明,姜楠.自動光交換網絡與軍事應用[J].數字通信世界,2010(10):68-70.

Application Research of ASON Constructing Network

ZHENG Qiu

(The 28thResearch Institute of China Electronics Group Corporation, Nanjing 210007)

The principle and the technique feature of automatic switch optical network(ASON) are introduced firstly. Utilizing the related issues in the networking for ASON, the technique selection and access way of the networking, the characteristic of ASON is presented for military use. Finally the application prospect of ASON is given.

ASON, access network, networking, military optical network

2013年8月9日,

2013年9月24日

鄭秋,男,碩士,高級工程師,研究方向:指揮所通信專用設備及通信總體技術。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.004