IP 数据网与光网融合的超宽带网络发展演进

彭 巍，唐 宏，谭栋材

（中国电信股份有限公司广东研究院 广州510630）

1 引言

IP数据业务的迅猛增长（每年超过50%）对IP数据网络造成了极大的压力，迫使网络运营商必须在网络容量上持续地进行扩容、投资。三网融合的发展趋势使得IP数据网络要进一步巩固多业务统一载体的地位，同时对网络的接入带宽、传送效率、稳定性提出了更高的要求，因此超宽带网络的发展已提上日程。云计算和物联网的发展对互联网的影响深远，互联网无处不在，各类信息源/服务通过互联网相连，以“云”的方式处理并提供服务，数据网将成为分布计算和全对象（人/物）间通信的基础平台。因此，IP网络一方面要满足互联网流量持续迅猛增长的需要，另一方面要满足全业务综合承载的需要，必须向超宽带化、智能化的方向不断发展；光传送技术同样得到了快速的发展，IP+光已经成为未来网络超宽带化、智能化演进路程的核心模式，得到了业界的认可。对于未来IP网发展，需要分析IP与光网融合超宽带化的主要技术、组网模式、网络演进方向等，以利于未来IP网络朝着网络超宽带化、综合业务承载能力强、高稳定性的下一代互联网演进。

2 IP与光网融合的主要技术

2.1 骨干网层面的主要实现技术

骨干网层面主要实现数据骨干网的传送，基本的要求包括长距离、高可靠性、高安全性、多种速率的支持等，随着网络智能化的发展，对其智能化传送的要求也越来越高，主要的技术包括IP over OTN技术、超宽带100 Gbit/s技术、光器件PID技术。

2.1.1 IP over OTN技术

OTN技术最初主要针对TDM业务，为了应对实际业务需求的变化，OTN在接口、映射、复用等方面不断进行发展和变换，以更好地适应IP数据应用的承载。OTN技术定义了包括光层和电层在内完整的光网络体系结构，各层网络都有相应的OAM运行管理监控机制和网络生存性机制，是未来光网络向更高容量、更高电路带宽演进的一个重要方向。

OTN相比以往光传送网，可实施应用ASON/GMPLS控制平面的智能化技术，可把波长与子波长的交叉调度能力引入传统点对点WDM传输系统中，其目的是通过增加交换、选路能力，构成网络化的WDM系统。因此，OTN具有以下重要特点。

·更大的电路带宽传送能力，更高的传送效率。为了适应承载IP业务的发展，ITU-T对OTN技术的相关标准进行了大量的修订和补充，特别是G.709中增加了 ODU0、ODUflex、ODU4多个容器，增强了对各种速率以太网承载的支持能力，包括承载10GE LAN、100GE以及任意超高速率的业务映射进入OTN帧结构。因此，目前OTN的业务汇聚模式能有效提升传送效率，降低业务传送成本，从而可实现高效率的业务调度以及端到端的业务提供。

·更可靠的业务传送。ASON/GMPLS控制平面使得OTN成为大容量的智能光网络。通过相关控制技术可以有效解决骨干网链路多点失效问题。

·促进了IP层与光层的融合。基于大容量的交叉连接以及ASON/GMPLS控制平面技术，可满足灵活的带宽提供需求，能随时、按需提供带宽资源，这就意味着未来可以实现IP与OTN的统一规划、优化、网络资源分配等功能。

同时，ITU-T还在重点关注OTN控制平面架构的发展、OTN设备支持频率同步和1588v2等方面的研究工作。目前，各主流的光传送厂商的WDM系统都已在线路侧采用了OTN结构，并已在现网中大量应用；客户侧的OTN接口已逐步成熟，目前可提供多种高速率的OTN接口；GE、10GE等以太网业务的封装和故障处理也已实现了标准化。基于OTN的光层ASON在世界范围内也得到了较广泛的商用，因此骨干网的建设模式正在从IP over WDM全面转向IP over OTN模式。

2.1.2 超高速100 Gbit/s链路技术

随着IP网络容量的持续高速增长，数据网络接口速率已经逐渐向超高速100 Gbit/s发展，100GE的标准化工作是由IEEE P802.3ba工作组推动，目前主流数据设备厂商（包括Cisco、Juniper、华为等）均推出了支持100GE接口的商用路由器设备和100GE接口板卡。100GE的传输封装相关标准由ITU-T SG15工作组制定，G.709v3已经完成了封装100GE的OTU4/ODU4帧结构定义的工作；与100 Gbit/s DWDM传输相关的调制码型、模块接口等技术规范则由OIF PLL工作组制定。目前，ITU-T、IEEE和OIF（光互连论坛）等国际标准化组织制定的各项100 Gbit/s相关技术标准均已顺利完成。根据各厂商提供的设备发展进度，国内主要传输设备供应商也将在2012年陆续推出100 Gbit/s WDM设备。

100GE在数据设备方面的技术难度主要体现为物理介质层的封装、路由器设备的交换处理能力等；在传送层面的主要技术难度则为偏振复用技术、相干接收技术、高速模数转换技术、高速信号处理技术和高增益FEC纠错技术等。预计未来3～4年会产生100 Gbit/s超高速率的带宽需求，有利于超高速IP+光层骨干网的建设。

2.1.3 光器件PID技术

PID（photonics integeration device）主要提供了混合集成的光器件方案，多组PID可叠加在一对光纤中传输，提供更高带宽及容量的传送，从而提高了光纤资源的应用效率。在OTN架构下应用PID技术，支路侧可配置不同的支路卡，适配话音、数据、专线等各种业务，主要面向城域骨干范围的光传送应用，提升电路带宽能力，提高网络资源应用效率，降低能耗。

2.2 接入层面的主要实现技术

在接入范围内，IP网与光网融合的主要实现方式是综合业务的光纤网接入汇聚、承载，以适应不同业务的需求，包括速率、稳定性、可靠性、高效率等。目前的主要技术包括PTN、PON技术。

2.2.1 PTN技术

PTN是基于分组交换、面向连接的高带宽多业务光传送技术，不仅能承载电信级以太网业务，而且还可支持承载TDM和其他类型业务，满足网络高可靠性、完善的OAM、网络扩展性、严格QoS等传送网属性需求。PTN继承了SDH传送网的优点，如良好的可扩展性、丰富的OAM机制、快速的保护倒换、面向连接的特性、利用NMS（网管系统）建立连接。本文主要研究采用MPLS-TP技术的PTN。

MPLS-TP是传送和数据技术融合发展的技术，是适应业务IP化发展、网络向PTN演进的主流技术，继承了MPLS的技术优点。ITU-T和IETF成立联合工作组合作开发MPLS-TP技术，IETF主导协议开发，ITU-T负责输入和确认传送需求。

国内外主要的设备厂商均已推出了基于MPLS-TP的PTN设备产品，MPLS-TP的基本数据格式和转发机制基本与MPLS相同。目前PTN设备的带宽、业务能力、QoS、保护、同步、网管和OAM等功能已经趋于完善，可以满足应用的需求。同时，PTN核心层设备L3功能基本成熟可用，可满足LTE承载需求。不同厂商PTN设备可以通过NNI实现互通，包括业务、保护、OAM的互通，可满足多厂商组网的需求。

PTN要求满足时间同步、VPN组网、网络倒换保护等技术要求。目前PTN中均采用IEEE 1588v2实现时间同步；PTN内的保护包括单向/双向1+1路径保护等，网络内保护和接入链路保护相配合，实现接入链路或PTN接入节点失效情况下的端到端业务保护。

目前PTN的应用范围包括移动业务、专线用户业务等的承载。国内外运营商纷纷针对PTN承载3G移动回传进行了现网应用，说明PTN将进入大规模应用的时期。

2.2.2 PON技术

包括EPON、GPON光纤接入技术。

EPON技术是在以太网技术基础上发展起来的，由IEEE进行标准化 （IEEE 802.3ah，2004年发布，2005年合并进IEEE 802.3），目前已实现芯片级和系统级互通，得到了规模商用。EPON的发展趋势是向10 Gbit/s速率演进，IEEE已经完成了10 Gbit/s EPON的标准化工作（IEEE 802.3av，2009年9月发布）。标准定义了对称（下行10 Gbit/s、上行 10 Gbit/s）和非对称（下行 10 Gbit/s、上行 1 Gbit/s）两种速率模式。目前10 Gbit/s EPON的芯片级互通已经实现。

GPON技术由ITU-T提出并进行标准化 （ITU-T G.984系列）。GPON标准规定比较详细，是目前欧美主流运营商的选择。2006年后GPON发展迅速，在技术标准、设备功能与性能、芯片与光模块、互通性等方面取得了明显进步，基本具备了规模应用的条件。

随着接入速率的提升，超高带宽10 Gbit/s PON已经进入了人们的视野。目前10 Gbit/s EPON和10 Gbit/s GPON的标准组织都在制定统一的管理和互通标准，10 Gbit/s EPON的互通标准SIEPON在IEEE已经立项，预计在2012年将完成标准化；ITU-T则在继承GPON互通标准的基础上，通过了10 Gbit/s GPON的管理和互通标准G.988，为统一的北向接口及互通奠定了基础。

PON的应用主要体现于光纤接入网，用于高速率宽带业务的接入承载，具体应用为FTTx+PON的光纤接入模式，体现了从用户端开始的超宽带全光网络承载发展趋势。

3 IP与光网融合的组网模式

网络运营商的IP网络基本都分为接入层、骨干网两个层面。城域网也分为城域骨干和城域接入网，负责不同的承载功能。城域骨干也属于IP骨干层，接入层面实现用户及多业务的接入，它们的承载技术有较大的区别。因此IP网与光传送网的融合发展，也需要在接入、骨干层面分别实现。

在接入层面，主要应用宽带PON、PTN等主要技术组网。宽带接入网络的超宽带光网化，是以PON技术为主导，面向家庭接入实现公众高宽带业务；PTN通常主要用于组建高带宽、高质量城域分组传送网络，提供高质量分组业务的传送能力，承载的主要业务类型包括移动基站回传业务、大客户以太网专线业务以及MPLS VPN接入业务等。PON和PTN所构成的IP+光传送组网架构如图1所示。

图1 汇聚接入层面的IP+光网组网模式

目前的应用情况表明，PON设备集成度及性能大幅提升，已形成满足多种应用场景的一系列设备形态，能够满足目前高宽带接入IP光网化部署的需求，设备的稳定性也得到了广泛的验证。因此，今后宽带接入网的IP+光网融合的组网将依托PON、PTN模式，完善其关键技术（包括同步、电路保护、多带宽的支持等），实现全方位的IP+光网的宽带多业务综合承载。

在IP骨干层面，IP与光传送网的融合协同发展主要体现于IP over OTN的组网模式，IP设备和OTN设备之间形成良好的被承载与承载的关系，从结构上看和以往的物理体系基本一致，如图2所示。路由器为IP层的设备，中间的传送网为OTN，IP网与OTN的边缘设备为P路由器，P路由器设备之间为长途骨干电路互连，因此其长途电路通过OTN光网来做承载。

在传统的组网模式下，IP网与传送网为上下层承载的关系，各自进行网络的优化。而未来的IP over OTN的双网协同优化与传统模式有所不同，将进一步在网络逻辑架构、网络优化、保护、管理等方面进行融合，实现逐步一体化的演进发展。相关的协同运作主要体现为以下几个构件。

（1）统一的流量管理系统

IP over OTN统一流量管理（多层流量工程）在提升网络能力的同时，还可降低网络的扩容压力。例如，任意两台路由器之间的流量如果超过事先预设的阈值，路由器就可以通过UNI接口向OTN提出资源请求，OTN在接到路由器的带宽请求信令之后，通过波长路由算法，在两台路由器之间快速搭建一条光层直达路由通道。这样，路由器间超出阈值的流量可以通过OTN层直达，有效地降低了这两台路由器间的带宽成本。

（2）统一的业务保护模式

在IP over OTN骨干网中，光传送层实现对物理光纤的保护，而IP层主要实现节点、端口和逻辑链路故障保护。光层和IP层的统一保护机制可以显著提高网络的安全性和保护效率。由于大量光层直达路由的建立，IP骨干网的链路跳数可显著减少，甚至仅为一跳，从而充分简化了网络路由协议、服务质量保证的部署。且IP over OTN的特性使得在采用统一优化的网络架构后，即使是底层光网络发生故障，也不会影响上层IP网络数据流量的有效传送，不会导致IP网络的路由震荡。该方案大大提高了网络的可靠性，减少了冗余的网络资源配置。

（3）统一的网络管理体系

通过IP over OTN统一的管理可实现统一的告警机制、故障诊断和端到端业务指配。融合协同的网络采用告警相关性分析原则，实现底层告警抑制，屏蔽次生告警，便于快速排查故障点，降低运维的难度。而统一的网络管理系统、多层路径计算和GMPLS UNI接口，改变了IP和OTN以往单独的各自管理与配置的模式，实现了统一端到端的业务提供。

（4）100 Gbit/s超高速电路的良好协同运作

支持10 Gbit/s、40 Gbit/s高速电路的IP与OTN的互连，构建超宽带IP+光融合网络；在网络不断演进的过程中，100 Gbit/s超高速电路的应用将有效地提升IP层与光传送层的统一。从需求上看，未来100 Gbit/s的传送主要是大容量路由器间的端口互连，可包括同城互连、长途骨干互连，因此100 Gbit/s的应用需要路由器设备与传送设备间的良好协作互通。目前主流路由器设备厂商已经具有支持100 Gbit/s端口线卡的路由器集群设备，并且可支持OTN接口，用于长途骨干的连接，具体应用为路由器选择100 Gbit/s速率端口，接入OTN，实现IP over OTN的光网融合的高速电路互连。

4 IP与光网融合的超宽带网络演进探讨

IP与光传送网实现融合统一是网络演进的目标，在此演进路径上，宽带接入层、骨干层将逐步实现全光化的体系架构，使得从用户侧至骨干网全程实现了IP光网通道，提升了网络速率、容量、效率等。从目前来看，上述技术在网络运营商方面已得到一定的应用，但还处于发展的初步阶段，因此为了能够较快地向IP与光传送网融合协同的目标网络演进，还需要在关键技术的应用突破、网络架构建设、网络优化、网络推进步骤等方面统一考虑。

在网络架构优化建设方面，需要在宽带接入侧通过发展光纤接入与汇聚技术，应用PON、PTN等技术实现对不同类别的综合业务的接入与承载，并提高网络管理能力，从网络的整体架构上实现接入层面的IP与光传送网的逐步融合。在骨干侧，可以考虑按IP over OTN的目标架构方案进行IP层与光传送层的优化建设，逐步优化调整两层网络的节点设置、网络结构、组织结构，采取逐步演进的方式，不断地试用、推进相关技术的实施，最终实现IP+光传送融合的目标网络体系。

在技术应用突破方面，接入层需要推进并提高网络管理、业务开通等方面的能力，同时发展10 Gbit/s PON逐渐应用的技术能力，支持向未来10 Gbit/s PON的平滑演进，实现10 Gbit/s PON在现网已有PON上的逐步叠加扩容。骨干层面，在统一考虑优化IP层、光传送层的同时，逐步推进OTN ODU-flex、MCLB（多通道负载均衡）、光器件PID等技术的应用实施，从而进一步提升网络架构的优化空间，提高骨干层面的高带宽传送能力，逐步推进100 Gbit/s超高速电路的应用，提高网络的可靠性和组网的效率，同时加强网络的OAM能力，从整体上向IP+光传送网融合的超宽带目标网络演进。