浅谈智能光网络ION

                  张磊   范忠礼 
   （1南京邮电学院计算机应用技术系210003  2南京邮电学院光信息技术系210003）
摘要：本文首先介绍目前光传送网的现状，并提出了智能光网络的概念，接着以ASON作为智能光网络的解决方案来分析其网络结构，功能结构和三种连接类型，同时也探讨了智能光网络控制平面的特色和协议体系结构，最后描述了智能光网络的应用。
关键词：自动交换光网络ASON，硬永久性连接PC，交换连接SC，软永久性连SPC，控制平面
Brief Discussion on Intelligent Optical Network
                      ZHANG Lei   FAN Zhong-Li 
  1 Department of Computer Application and Technology, Nanjing 
University of Posts and Telecommunitions,210003
   2 Department of Optical Information and Technology, Nanjing 
University of Posts and Telecommunication,210003）
Abstract: This article firstly introduces the current situation
 of Optical Transport Network, and what is more the concept of 
Intelligent Optical Network is mentioned. Then the Network 
Architecture, Function Architecture and three connections type 
are analyzed by ASON-based Intelligent Optical Network solution,
furthermore the protocol architecture and feature of Control 
Plane in Intelligent Optical Network are discussed. At last the
paper describes the application of Intelligent Optical Network.
Key words: Automatic Switch Optical Network, Permanent
Connection, Switched Connection, Soft Permanent Connection,
Control Plane
1  目前光传送网OTN的现状
    目前光传送网OTN智能性很低，大部分采用的都是固定的光链路连接模式，对高速带宽的指配基本上是静态的，现有的光网络结构如图1所示，光层对上层业务提供静态的端到端连接（图中的A、B端），这种静态连接所形成的网络逻辑拓扑不能根据当前业务分布状况进行调整，不能满足可预见的客户层需求。这种不足主要体现在：
1）不能快速、高质量地为用户提供各种带宽服务与应用，满足不了正在悄然兴起的”波长批发”、”波长出租”及”光VPN”等各种增值业务的要求。
2）无法进行实时的流量工程控制，现有的光网络不能根据数据业务的需求，实时、动态地调整网络的逻辑拓扑结构以避免拥塞，实现资源的最佳配置
3）光网络的保护和恢复功能有待加强，如在网络失效或发生故障之后，网络呈现慢收敛现象，特别是在系统要求手工干预的情况下，网络恢复要以小时或者天，甚至星期来计算
4）设备的互操作性和网络可扩展性差，不同运营商的网络管理系统之间缺乏统一的标准接口，使得不同网间互联复杂化。
        
                    图1  现有的光网络结构 
2  智能光网络概念的提出
    针对以上提出的问题，自动交换传送网ASTN应运而生。以OTN为基础的ASTN也称为自动交换光网络ASON（常被称为智能光网络），智能光网络ION（Intelligence Optical Networks）也是指在光路由和信令控制下完成自动交换连接功能的新一代的光网络，是一种具备标准化智能的光传送网，近几年随着IP业务的快速增长，对网络带宽的需求不仅变得越来越大，而且由于IP业务量本身的突发性、不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配要求也越来越迫切。传统的主要靠人工配置网络连接的原始方法耗时费力并易出错，不仅难以适应现代网络和新业务提供拓展的需要，也难以适应市场竞争的需要。
    这种利用独立的ASTN／ASON控制平面通过各种传送网(包括SDH或OTN)来实现自动连接管理的网络，主要好处有：允许将网络资源动态地分配给路由，缩短了业务层升级扩容时间，明显增加了业务层节点的业务量负荷；具有可扩展的信令能力集；快速的业务提供和拓展；降低了维护管理运营费用；光层的快速业务恢复能力；减少了用于新技术配置管理的运行支持系统软件的需要，只需维护一个动态数据库，也减少了人工出错机会；还可以引入新的业务类型，如按需带宽业务、波长带宽业务、动态波长分配租用业务、带宽交易、光拨号业务、动态路由分配等，使传统的传送网向业务网方向演进。动态的概念是在光层配置智能光交换机在控制层面的支持下对交换路径进行动态配置，如图2所示在光层旁路掉无需本地处理的业务，从而减轻核心路由器需处理的业务量，提高全网性能；更为重要的是根据当前业务分布状况、对网络的逻辑拓扑进行动态调整。传送网中引入动态交换是传送网概念重大突破，是传送网的一次革命。
    

 上层的核心路由器
 底层智能光交换机
 CIENA的智能光交换机
         图2  更适合于传送IP业务的智能光网络拓扑结构
3  智能光网络ASON的体系结构
3.1  ASON网络结构
    ASON网络设计的目的是为了实现全局整体性网络，因此ASON网络采用了可划分为多个域的概念性结构。这种结构可以允许设计者根据多种具体条件限制和策略要求来构建一个ASON网络。不同域之间是通过参考点来完成相互作用的。用户同ASON网络之间的接口是UNI，而ASON网络中不同管理域之间的参考点是E-NNI,而同一个管理域之间不同路由寻径域或不同控制元件之间的参考点是I-NNI。这种结构可用下面的图3来表示。通过引入域的概念，使网络具备了良好的规模性和可扩展性，这保证了将来的网络平稳升级，各个域可以并行发展。通过E-NNI，I-NNI的引入，使得在ASON具备良好的层次性结构；通过E-NNI接口来传递网络消息，可以满足不同域之间的消息互通的要求，这使多厂商设备互联互通成为可能；通过对外引入I-NNI，就能屏蔽了网络内部的具体消息，保证了网络安全性需求，而通过标准的UNI接口，使得用户具备统一的网络接入方式。
       
              图3  ASON网络总体结构图
3.2  ASON功能结构
    同传统的光传送网OTN相比较，一个明显的不同就是控制平面的引入。这一平面的引入给整个光网络带来了前所未有的变化，它使得整个网络的面貌为之一新。基于ASON的下一代光传送网特点包括：在光层实现动态业务分配；具有端到端网络监控保护、恢复能力；具有分布式处理功能；与所传送客户层信号的比特率和协议相独立，可支持多种客户层信号；实现了控制平面与传送平面的相互独立；实现了数据网元和光层网元的协调控制；与所采用的技术相独立；网元具有智能性，可根据客户层信号的业务等级(CoS)来决定所需要的保护等级。ASON功能结构如图4所示。在ASON的功能结构中，根据ASON各种实体之间的逻辑关系以及在这些实体之间所传递的信息，ASON定义了不同的网络接口。网络接口的规范化有利于在网络中使用不同厂商设备，构造不同网络结构或划分不同的管理域。ASON 定义的网络接口包括：用户网络接口、内部网络网络接口、外部网络网络接口、连接控制接口、网络管理接口等。图中包含了ASON网络中的主要功能构件。
    从ASON功能层面上来讲，ASON可被视为是由三大平面，即控制平面，管理平面和传送平面所组成的。ASON的控制平面由一组通信实体组成，负责完成呼叫控制和连接控制功能，主要是连接的建立释放、监测和维护，并在发生故障时恢复连接，由信令网支撑。ASON的管理平面完成传送平面、控制平面和整个系统的维护功能，它负责所有平面间的协调和配合，能够进行配置和管理端到端连接，是控制平面的一个补充，包括网元管理系统和网络管理系统，它将继续在集中控制的点击式光通道配置中发挥重要作用，它具有M.3010所规范的管理功能，即性能管理，故障管理、配置管理、计费管理和安全管理功能，此外，它还包含内置式网络规划工具。ASON的传送平台为用户提供从端到端双向或单向信息传送，同时，还要传送一些控制和网络管理信息，它按ITU-T G.805建议进行分层，为了能够实现ASON的各项功能，传送平台必须具有较强的信号质量检测功能及多粒度交叉连接技术。
    随着ASON的发展，ASON的网络节点要设备也向下面几个方向发展：有满足用户需要的端口数；要具有严格无阻塞的全连接能力；能够支持多址广播；可提供波长变换能力；采用模块化设计，可根据用户的需求加以调整；设备自身要具有较高的可靠性，关键部件要有1+1冗余设计；具有丰富的软件功能和控制功能，支持ASON控制平面的信令协议、路由选择协议和带宽分配管理协议；可实现保护和恢复。
         
                           图4  ASON的功能结构
3.3  ASON三种连接类型
    智能光网络支持的连接有三种类型：（1）硬永久性连接PC(Permanent Connection )；（2）信令方式连接即交换连接SC(Switched Connection)；（3）软永久性连SPC(Soft Permanent  Connectiont)。
    (1)指配方式又称为硬永久性连接：这种方式的连接，通过对所要求的端到端连接的通道上的每个网元，进行配置来完成。指配是由网管系统或者人工参与实现的，网管系统需要接入网络的数据库，要首先找出最适宜的路由，然后发命令给支持连接的网元实现连接。这种连接又称为硬永久性连接。永久性连接的发起和维护都是由管理平面来完成的，并且传送平面中为具体业务建立通道的路由消息和信令消息也由管理平面发出。
    (2)信令方式交换式连接（SC）：这种方式的连接由通信端点的命令来完成。这些通信端点在控制平面内，以信令消息的形式进行动态协议消息互换。这些消息流通过控制平面内的I-NNI或者E—NNI。这种方式的连接需要网络命名和编址方案，以及控制平面协议，交换式连接与永久性连接恰恰相反，这种连接的发起和维护都由控制平面来完成，控制平面通过用户网络接口（UNI）接收用户方面传来的请求，经过处理后在传送平面为这个请求提供一条具体的可满足用户需求的光通道，并把结果报告给管理平面；管理平面在这种连接的建立过程中并不起直接作用，它只是接收从控制平面传来的连接建立消息。
    (3)混合方式(软永久性连接SPC)：这种方式的连接是在网络的边缘，由网络提供者提供永久性连接，在网络边缘的永久性连接之间，提供交换的连接，以实现总的端到端的连接。连接是通过网络产生的信令和选路协议完成的，并取决于NNI的定义，指配只是完成边缘的连接。这种方式的连接没有定义UNI，所以又称之为软永久性连接(SPC)。从端到端来看，与指配、网管控制、永久性连接没有什么区别。
    SPC软永久性连接则介于上述两种连接之间，它的建立与拆除请求也由管理平面发出，但是对传送平面中具体资源的配置和操作却是由控制平面发出指令来完成的，三种连接的不同之处：对连接建立起主控作用的部件不同。永久性连接的发起和维护都是由管理平面来完成的，并且传送平面中为具体业务建立通道的路由消息和信令消息也由管理平面发出，控制平面在永久性连接中并不起作用。交换式连接与永久性连接恰恰相反，这种连接的发起和维护都由控制平面来完成，控制平面通过用户网络接口（UNI）接收用户方面传来的请求，经过处理后在传送平面为这个请求提供一条具体的可满足用户需求的光通道，并把结果报告给管理平面；管理平面在这种连接的建立过程中并不起直接作用，它只是接收从控制平面传来的连接建立消息。
4  ASON控制层面的特色
    下一代网络是智能的、灵活的光网络，这就意味着要能实现快速的端到端光通路恢复，快速地建立一条通过灵活光网络的光通路，其途径就是要使用路由技术和信令协议。执行路由操作以及网络拓扑和资源的信息发现，传递状态信息并计算点到另—个节点的最佳路由通路，显然信令和路由协议是智能光网络控制平面中的重要协议。具有足够的灵活性以适应不同的网络状况。通过将控制平面分割成不同的构件可实现这一要求，它允许由供货商和业务提供商来决定这些构件的位置，也允许由业务提供商来决定这些构件的安全及策略控制。一个设计良好的控制平面体系结构在支持更快的和更精确的电路建立的同时，还应该给业务提供商提供对于其网络更好的控制。控制平面本身应该具备可靠性、可扩充性和高效性，而且还应该具备足够的通用性，以支持不同的技术、不同的商业需求。通过ASON控制层面几个组件的协调工作，最后由连接控制器来建立连接，业务传送完后，可以自动删除连接，这部分资源可以再给别的用户使用。这种连接的自动建立、自动删除功能可以高效地利用网络资源。而对于物理实体的网络配置是可以做到按需配置的，控制层面可快速建立光通道连接，实现有效的网络控制，因此控制平面是ASON的中枢神经。ASON控制平面还可以分成不同功能构件（资源发现，状态信息分发，路径选择，路径管理），相互补充，形成一个全面的控制平面体系结构。
5  ASON控制平面的协议体系结构
    ASON由ITU-T提出、研究并进行标准化。它不是一个或一套协议，而是一个光网络控制平面组件以及这些组件之间接口的结构模型。ASON为控制平面定义了用户网络接口（UNI）和网络间接口（NNI）。秉承了ITU的风格，如图5所示ASON标准化采用自顶向下的方式，从一套完整清晰的需求开始ASTN（G.8070），到高层结构设计ASON（G.8080），最后是单元结构（一批规范）。任何满足单元结构需求的协议都可能成为实现ASON控制平面的选择。主要有用于数据通信网DCN方面的G.7712协议系列，用于信令协议的有PNNI G.7713.1，RSVP-TE G.7713.2，CR-LDP G.7713.3，用于邻居（SDH/SONET/DWDM设备）发现协议的G.7714.1，用于路由协议的G.7715.1和用于链路资源管理方面的G.7716协议系列。
    
                 图5  ITU-T ASON 自顶向下的控制平面标准
6  智能光网络的应用
    目前从事智能光网络产品研发的有CIENA、Lucent、Nortel、Sycmore、Alcatel、Marconi、NEC等。已经商用的产品包括CIENA和Sycamore等公司，朗迅和北电的硬件部分已经可以商用，而控制部分将于近期推出，阿尔卡特推出UNI代理，其它厂商正在研制中。在目前IT仍处低迷的情况下，运营商把投入与回报比即减少传送网的投资和运营费用，便于引入新的传送服务并增加收入是首要选择，智能光网络其市场前景非常好，按照Frost&Sullivan公司最近的预测，尽管全球电信设备市场总体呈低迷状态，但全球的智能光交换市场需求将仍然从2001年的3.6亿美元增加至2006年的60亿美元。经RHK、Aberdeen等公司的调查，CIENA公司开发出的新一代智能光网络不但在技术上，在市场应用中都处于领先地位。CIENA的智能光交换机Core Director已在北美、欧洲、亚洲的近50家大型运营商得到广泛的应用。Ciena的智能光网络产品的主要组网特点和功能是：
•大容量、小粒度光交换。CIENA目前得到一年半使用的CoreDirector，单个主机支持640Gbps的光交换，交换粒度为51Mbps，适合SDH交换，最多可提供64个10Gbps的端口或256个2.5G的端口，多主机可支持7.7Tbps的光交换，支持从STM-1到STM-64的多种接口。
•支持VC-3/VC-4颗粒的任意级联，支持非标准的容量（如STS-6），能满足不同的数据速率需求，提高带宽的利用率。
•支持线型、环型和网状（Mesh）组网，支持线、环保护和网状恢复功能，提供7个优先级的区分服务等级。
•CoreDirector是分布式智能的，它的路由信令协议称为OSRP（Optical Signaling and Routing Protocol），能处理象GMPLS一样的协议，是GMPLS的前期实现，并支持OIF UNI版本的GMPLS，有拓扑结构自动发现能力，有动态、自动、快速电路配置功能，网络配置采用端对端配置。
7  结束语
　　基于SDH体制的光传送网如何向以IP为基础的光传送网演进是运营商、设备制造商十分关注的问题。下一代网络（ＮＧＮ）是一个以软交换为中心，以智能的ＯＴＮ为基础的传送光网络。ASON具有大容量光交换能力和网络拓扑结构自动发现、端对端电路配置、带宽动态分配等功能及特点，将大大提高数据、电路业务的服务质量，是新一代智能光传送网交换传输最佳的选择。
参考文献
[1]徐荣 龚倩 编 高速宽带互联网技术 人民邮电出版社 2002
[2]范忠礼  智能光网络控制层面  网络电信   12/2002。
[3]张成良 自动交换光网络（ASON）体系结构及相关协议的研究 2003年3月ITU-T报告 北京