IP与光融合的骨干网演进趋势

王伯剑

（思科系统中国网络技术有限公司 北京100022）

1 前言

互联网的繁荣发展离不开稳定且具有高度可扩展能力的网络基础架构，其中骨干网承担的作用至关重要，作为运营商网络流量汇聚及转发的中心，大型运营商骨干网的流量增速通常会达到45%～60%的年复合增长率，用户流量经过骨干网的比率也超过了60%。所以骨干网既是运营商提供互联网服务的核心基础，也是运营商网络投资的重点。

目前运营商的骨干网普遍采用网络分层架构，每个网络层面的运维和业务开通是相互独立的，这种分离的现状来自于传输和IP在技术专业上的差异性以及内部组织管理的独立性。然而，网络层次分离导致的问题也是显而易见的：业务的开通需要不同专业在不同网络层面间进行大量的协调，网络的扩容和流量疏导缺乏有效的同步机制，导致流量预测和有效转发变得非常困难。传输设备与IP设备间存在大量“背靠背”链路和光接口，也造成网络投资成本的增加。展望未来网络演进发展策略，运营商需要更具创新性、更体系化、多维度的解决方案，帮助规划骨干网的演进策略。

本文通过对骨干网架构面临问题的分析以及业内诸多演进思路的对比，介绍思科针对IP与光融合方面的一系列创新技术及对未来骨干网架构演进的愿景。

2 互联网流量发展趋势及运营商面临的挑战

随着数据业务的不断发展及用户数量的飞速增长，我国互联网尤其是骨干网流量增速十分迅猛。流量的强劲增长趋势存在两个显著的特征：首先，流量大部分以IP分组数据为主，传统的TDM业务向分组迁移趋势明显，根据统计估算，骨干网上超过95%的流量是分组流量，TDM流量的比率将越来越低；其次，流量模型的预测将愈发困难，随着云计算业务的发展，运营商、内容提供商和企业都在建设超大型数据中心，流量向云端聚集的效应越发明显。流量的动态变化性相比从前将更加频繁和密集，需要运营商骨干网能够迅速做出响应。

目前运营商普遍采用的分层模型不能适应这种趋势的变化，模型架构如图1所示。从专业分工的管理角度看，分层架构存在合理性，但随着数据分组和TDM流量的此消彼长，SDH/SONET网络的规模开始逐渐萎缩，一些运营商甚至明确叫停了新建SDH/SONET网络的项目。大颗粒的分组业务由分组层传送，并直接承载在波分链路上。流量类型和模式的变化造成传统分层网络架构存在的弊端也日益凸显。

同时，在骨干网中，路由器建网成本高于TDM（SDH/SONET以及OTN），更高于DWDM。因此从降低网络扩容的成本角度，运营商期望能够利用底层的网络帮助上层的网络卸载流量。但由于骨干网平面95%以上都是IP分组流量，且流量调度的颗粒度都很高（达到上百Gbit/s）。因此，在骨干网平面，最为经济有效的流量卸载方式是IP+DWDM，即路由器流量直接进入DWDM系统，通过波长的交换实现最低成本的流量疏导。在这种场景下，无论是SDH/SONET还是OTN电交叉，都无法有效、低成本地帮助分组层卸载流量。

在DWDM层，目前的波分设备通常在波长可调度方向的数量以及不同颜色波长之间的交叉变换上存在一些限制，导致在长途骨干网组建网状网或部分网状网具有一定的难度和成本压力，所以目前电信运营商在长途传输上仍然以链状或者线型组网为主。流量的传送需求要跟随传输线路的方向，链状或线型组网显然不是流量调度最优的拓扑结构。

此外，目前波分网络的业务配置仍然以静态手工配置为主，电路的开通、波长的映射、端口的配置都完全依赖网管人员的手工配置。显然这不能满足运营商业务快速发展的需要，不能有效支持流量模型日趋动态化和复杂化的趋势。因此，运营商需要波分设备更加智能，提供更好的灵活性，并且支持与IP分组层更紧密的协作能力。

图1 骨干网典型的分层模型

3 业内对于骨干网架构演进的观点

骨干网架构未来如何演进？如何实现IP分组和传输系统在控制平面的协同？这些问题一直以来都是业内讨论的热点。对于这些热点问题的分析，将有助于更好地理解运营商骨干网的业务需求，从而明确未来架构的演进方向。目前主要有3种主流的架构体系：Full IP Core、Hollow Core和Lean Core。

3.1 Full IP Core架构

采用路由器+ROADM波分系统组网方式，在路由转发平面通过IP技术实现用户流量的寻址和疏导。BGP被用来在所有路由器之间同步转发状态信息。骨干网路由器之间通过长途波分系统进行连接：路由器提供白光接口，连接到传输的波长变换器，波长变换器进行彩光调制后进入ROADM波分系统,Full IP Core的网络架构如图2所示。核心路由器之间通过部分网状连接实现拓扑扁平化。路由器与波分平面之间独立管理和运维，彼此之间通过OAM机制实现网管和故障诊断的协同。

这种架构的优势是完全利用了IP层动态路由协议的灵活性和分组交换技术统计复用的经济性，能够在一定程度上实现动态的流量调度和宽带利用率的提升。但存在如下两个问题：

·需要支持全IP业务的核心路由器，建网成本较高；

·路由器层面与波分ROADM层面缺乏控制平面的协同，依然存在效率和投资成本较高的挑战。

图2 Full IP Core的网络架构

3.2 Hollow Core架构

采用路由器+OTN电交叉+ROADM波分系统组网，由全网状的OTN电交叉替代核心路由器，网络中的边缘路由器负责用户侧流量的终结以及核心侧不同方向的流量与OTN电路的映射。骨干核心流量的转发完全由OTN电交叉根据电路映射进行疏导。ROADM提供OTN电交叉设备在长途的连接，网络架构如图3所示。

图3 Hollow Core网络架构

这种架构的目标是通过成本更低的OTN电交叉设备代替核心路由器，以实现整网建设成本的降低。但由于OTN的TDM技术本质，意味着在这种架构下，需要引入N×N连接问题，即为了实现网络的全连通，路由器之间必须建立全网状的逻辑连接。边缘路由器的核心方向接口需提供大量的子接口能力，增加了边缘路由器成本；同时OTN需要为所有逻辑连接按照最大峰值带宽要求预配置电路连接以及对应的保护电路连接，使得这种组网架构在带宽利用率、网络弹性以及故障保护效率方面，都存在明显的劣势，难以实现最初替代核心路由器实现整网投资成本降低的目标。

3.3 Lean Core架构

采用路由器+LSR（标签交换路由器）+ROADM波分系统组网方式，这种架构完全利用MPLS技术实现全网转发状态的动态同步，核心转发使用仅支持标签交换的LSR替代价格昂贵的全IP业务核心路由器，由于LSR仅根据标签表进行转发，因而无需维护庞大的路由转发表项，并且降低了端口对于硬件队列数和内存容量的需求，所以相比核心路由器能实现成本较大幅度的降低。Lean Core的网络架构如图4所示。

图4 Lean Core架构

这种架构的优势在于利用MPLS技术实现多业务融合承载，运营商无需为单独业务建设独立的网络，从而实现整体骨干网投资成本的降低。但在这种架构下，一方面，引入了纯粹的LSR设备，网络层必须从扁平化倒退回层次化，增加了边缘路由器与LSR之间的“背靠背”链路和接口的数量；另一方面，对边缘路由器的功能需求提高，所有的路由转发决定都要完全依赖边缘路由器。这两方面因素在一定程度上抵消了引入LSR所带来的成本优势。

更为重要的是，Lean Core的架构同样没有解决Full IP Core架构中，分组层与传输层之间缺乏控制平面协作的问题。因而，同样不能从根本上解决骨干网架构演进中降低整网建设成本、提升网络效率的核心诉求。

4 思科IP与光融合的创新架构

为了全面应对这些挑战，运营商需要更为系统化和更具创新性的解决方案，能够在多个维度并行满足骨干网演进的需求：容量的扩展、建网成本的降低和网络运营效率的提升。容量的扩展不能以牺牲灵活性为代价，灵活性的增强也不能导致建网投资成本的增加。为了平衡多维度的需求，思科针对骨干网架构演进开发了面向IP和光融合的全新解决方案——nLight。nLight的目标是实现从应用层、分组层到光传送层的多层网络优化，集成了最新的光传送技术、控制平面技术以及SDN所提供的可编程API能力，使得网络的建设和演进能够适应运营商快速增长的业务需求。

4.1 智能ROADM系统

智能波分系统是思科IP与光融合架构的基础，骨干网的长途传送离不开波分系统的参与，因此波分系统的灵活性对于骨干网架构演进具有深远的影响。对于未来的骨干网演进，波分传输系统需要哪些新的技术？思科认为，应当包括以下内容：

·可调激光器（tunable laser）；

·与波长无关的接口（colorless interface）；

·100 Gbit/s可调相干光检测接口（tunable coherent receiver）；

·全向接口（omni interface）；

·持续可配置的动态频宽分配能力；

·波长连续无关性（contentionless）；

·WSON的G-MPLS动态控制平面。

智能ROADM系统彻底改变了传统波分系统的业务配置复杂、维护工作量巨大、组网限制、业务开通低效等诸多问题。利用前面提到的新技术，波长上下路、不同方向之间的波长交换、波长颜色的重新配置等都可完全通过软件方式实现，简化了网络运维，提升了业务开通效率。WSON动态控制平面的引入，为未来与分组层在控制平面的协同奠定了技术。简而言之，智能ROADM系统是运营商未来向全光组网演进的重要基础。

表1 各融合技术适合应用的场景

4.2 灵活的设备形态融合

从40 Gbit/s时代思科创新地提出在路由器上支持IPoDWDM彩光接口以来，分组设备与传输设备之间从设备形态的角度实现融合，成为业内广受关注的话题和研发方向，设备形态的融合降低了网络端口及链路的数量，减少了昂贵的波长变换器件数量，节省了设备所占空间和功耗，具有极强的经济动力。同时技术的进步也能够推动组织架构的变革，设备形态的融合使得运营商能够促进专业之间更加紧密和高效地合作，从而降低整个网络的运维开销。

在推动设备形态融合的过程中，由于用户自身情况及网络设计上的差异，并不是所有用户都能够采用相同的融合技术，因此要求设备形态的融合技术具有足够的灵活性，以适应不同用户的融合需求。在思科nLight解决方案中，思科提供了多种融合技术，满足用户从物理形态、网管、协议控制等多个角度进行融合的需求。各融合技术适合应用的场景见表1。

4.3 思科：Overlay控制平面协议

引入智能ROADM系统后，波分层变得更加动态和灵活，任何接口和波长的重新配置及选路都可通过软件方式完成，从而使得利用控制协议实现IP和光层的融合成为可能。为了解决IP与光传输控制平面的协作问题，业界提出了GMPLS协议，利用通用的转发信息标识与MPLS标签的映射实现不同层面的转发状态信息共享。GMPLS协议提出的10多年间，已有不少IP和传输设备厂商支持GMPLS的功能，但由于缺乏互通性和GMPLS本身工作模型存在的问题，没有实现规模的实际部署。因此思科在GMPLS的基础上提出了新的工作模式iOverlay（informational overlay），工作模型如图5所示。

iOverlay扩展了GMPLS协议对于客户侧接口UNI的定义，利用这种增强的UNI，IP和光传输层之间可以共享拓扑与路径属性信息，但又同时保持两个路由域的相互隔离。在iOverlay的工作模型中，波分层的DWDM系统可以向IP层的路由器系统提供有关光路的诸多信息，如光路标识符、可用路径、时延、误码率、路径开销、共享风险链路组（SRLG）、光路的保护属性等，利用这些信息，IP层的路由器系统能够计算端到端的最优路径，并根据最优路径的选择，向DWDM层发起光路连接的建立和拆除请求。iOverlay解决了许多传统网络设计中，由于IP与光层之间缺乏沟通而导致的低效和非最佳路由的问题。

利用iOverlay功能，从IP层路由选路到光层传送路径的建立，仅需数秒即可完成，相比之前动辄需要数十小时甚至数周的时间，iOverlay极大地提高了业务开通和故障恢复的效率。从经济性角度，iOverlay能够提高网络链路的有效带宽利用率，通过更加动态和实时的路径选择，降低了对冗余的网络接口、波长变换器及链路的需求。图6对比了传统保护模式与iOverlay保护模式的差异。可以看出，使用iOverlay之后，链路和接口数量得到降低，通过链路的平均带宽利用率从47%提升到70%。

图5 iOverlay工作模型

图6 两种保护模式的带宽利用率对比

4.4 基于SDN的开放可编程接口

SDN是当前业内的热点话题，人们期望通过SDN带来新一轮的技术变革，更好地解决网络设计和业务提供方面的困难。思科已经针对SDN发布了完整的ONE——开放网络环境的解决方案，目标是利用SDN在网络与应用层之间建立正循环的控制体系，一方面，通过SDN进一步开放网络能力，提供给上层应用，实现数据分析并开发新型业务；另一方面，上层应用可以利用开放接口对网络进行精细化的策略控制。

思科基于SDN的多层网络优化架构如图7所示。将SDN引入骨干网的优化设计中，正是利用SDN的理念在应用层与网络层之间提供可编程的开放接口，通过这种可编程的开放接口，网络层面能够将拓扑信息、SLA信息、链路可用性信息、吞吐量带宽信息等实时地提供给上层应用，上层应用通过集中化的全局资源计算以及业务相关的策略控制，实现对流量转发路径的动态调整。为了实现这一目标，思科目前正在IETF等标准组织中推动BGP-LS和PCEP等协议接口的标准化。在思科基于SDN的骨干网优化解决方案中，除了网络层需要支持这些开放可编程接口，上层应用也需要具备集中化流量规划和路径计算的能力，最近思科收购了业内知名的流量规划解决方案的软件提供商Cariden，使得思科能够为客户提供完整的SDN解决方案。

图7 思科基于SDN的多层网络优化架构

5 骨干网架构的演进路线

融合架构所带来的技术和经济性上的优势毋庸置疑，向融合的骨干网架构演进将成为绝大多数运营商网络发展的目标，对于这些运营商而言，更为重要的问题是如何确定网络演进的具体路线。极少运营商会考虑从头建设一张全新的骨干网络，绝大多数运营商面临的问题是如何以最小的代价尽快向目标架构演进，而由于运营商之间的差异性，很难提出一条普适的演进路线。

基本而言，对于提供全业务的电信运营商和正在考虑自建骨干网的内容提供商及新兴的有线电视服务商，需要考虑不同的演进策略。前者已普遍建设了骨干网，并且在网络架构演进过程中非常关注网络的多业务提供能力，因此这些电信运营商最关心的问题是如何保护投资，如何实现多业务提供；而对于后者，通常没有既有网络的负担，组织架构相对简洁，骨干网承载的业务类型也较为单纯，因此演进的路线更为直接。

针对国内电信运营商的现状，三大运营商普遍采取了双骨干网的建网策略：互联网骨干网和MPLS骨干网。这两张骨干网采用了不同的组网技术和架构，有完全不同的业务承载定位，不同的带宽利用率设计目标和SLA服务水平承诺。这种双骨干网的设计已存在多年，成熟稳定地支撑了运营商业务的发展和流量的增长。合并两张网络在投资保护、回报率、网络迁移过程中对业务影响的风险都存在巨大的不确定性。因此，在未来3～5年，思科认为双骨干网仍然会长期并存。

对于互联网骨干网的演进策略，思科认为，100 Gbit/s光传输是演进的第一步，运营商应该借助传输网络升级的良机，考虑建设全新的100 Gbit/s光传输平面，并且引入WSON、ROADM、Coherent、彩光等新技术，同时进行核心路由器的容量升级以及POS接口向高速100GE的迁移，未来逐步考虑核心路由器、OTN、波分系统的纵向融合。

对于MPLS骨干网的演进策略，由于这张骨干网的目标是通过轻载的设计提供精品多业务服务，流量因素并不是骨干网演进的主要动力。因此，思科认为，这张骨干网下一步的演进方向主要是：引入智能ROADM系统、加速POS向10GE/40GE的迁移，通过P与PE路由器的整合推动MPLS网络扁平化。骨干网架构演进路线如图8所示。

图8 骨干网架构演进路线

6 结束语

通过本文的讨论，可以看到思科提出的IP与光融合的全新骨干网演进方案，力图在多个维度上解决骨干网架构演进过程中所遇到的挑战。这些创新的技术和产品设计理念，部分已经在当前的核心产品平台上实现。目前思科正在标准组织中积极推动iOverlay、Stateful PCE等协议的标准化进程。思科在核心网络技术的持续投入和创新，将助力运营商骨干网不断优化和演进，更有效地支持未来业务的发展。

1 思科VNI互联网业务与流量预测报告.http://www.cisco.com/en/US/partner/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/white_paper_c11-481360_ns827_Networking_Solutions_White_Paper.html

2 思科nLight解决方案架构技术白皮书.http://www.cisco.com/en/US/prod/collateral/routers/ps5763/whitepaper_c11-718852.html

3 Cisco first to deliver 100 Gbit/s at 3 000 km distances without need for regeneration.http://newsroom.cisco.com/press-releasecontent?type=webcontent&articleId=677338

4 iOverlay-Multi Layer Control Plane Architecture.Clarence Filsfil,MPLS Congress,2012

5 The value proposition of iOverlay,the multi-layer control-plane for the converged IP+optical core transport architecture.Ori Gerstel and Loukas Paraschis,Cisco,May 2012

6 Cisco Prime Architecture Whitepaper.http://www.cisco.com/en/US/prod/netmgtsw/prime_architecture_wp.pdf