智能光交换网络的解决方案及应用

王文生

摘 要：本文首先介绍目前光交换网的技术现状及以太网发展，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技术特点及应用。

关键词：自动交换光网络ASON 光以太网 硬永久性连接PC 交换连接SC 软永久性连SPC

中图分类号：TN929 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（c）-0004-03

1 光交换网络技术概述

密集波分复用技术的进步使得一根光纤上能够承载上百个波长信道，传输带宽最高记录已经达到了T比特级。同时，现有的大部分情况是光纤在传输部分带宽几乎无限——200 Tb/s，窗口200 nm。相反，在交换部分，仅仅只有几个Gb/s，这是因为电子的本征特性制约了它在交换部分的处理能力和交换速度。所以，许多研究机构致力于研究和开发光交换/光路由技术，试图在光子层面上完成网络交换工作，消除电子瓶颈的影响。当全光交换系统成为现实，就足够可以满足飞速增长的带宽和处理速度需求，同时能减少多达75%的网络成本，具有诱人的市场前景。

光信号处理可以是线路级的、分组级的或比特级的。WDM光传输网属于线路级的光信号处理，类似于现存的电路交换网，是粗粒度的信道分割；光时分复用OTDM是比特级的光信号处理，由于对光器件的工作速度要求很高，尽管国内外的研究人员做了很大努力，但离实用还有相当的距离；光分组交换网属于分组级的光信号处理，和OTDM相比对光器件工作速度的要求大大降低，与WDM相比能更加灵活、有效地提高带宽利用率。随着交换和路由技术在处理速度和容量方面的巨大进步，OPS技术已经在一些领域取得了重大进展。

光分组网络的分类：全光分组交换网可分成两大类：时隙和非时隙。在时隙网络中，分组长度是固定的，并在时隙中传输。时隙的长度应大于分组的时限，以便在分组的前后设置保护间隔。在非时隙网络中，分组的大小是可变的，而且在交换之前，不需要排列，异步的，自由地交换每一个分组。这种网络竞争性较大，分组丢失率较高。但是结构简单，不需要同步，分组的分割和重组不需要在输入输出节点进行，更适合于原始IP业务，而且缓存容量较大的非时隙型网络性能良好。

2 光以太网技术发展及其应用

光以太网的出现，绝不是偶然的。伴随着以太网技术的不断进步，光以太网结合了光纤传输和以太网组网模式的最佳性能.其应用的广泛性和发展性，将会给许多设备、服务供应商等开拓了发展空间。本文将对光以太网从技术特点、发展、社会需求和应用领域等方面做一一介绍。

关注光以太网的四大理由：（1）光以太网结合了光纤传输和以太网组网模式的最佳性能。（2）光以太网应用的广泛性和发展性，给许多设备、服务供应商等开拓了发展空间。（3）光以太网产品可以借助以太网设备，用以太网数据包格式实现WAN通信业务，可以适用于任何光传输网络——光纤直接传输、SDH、DWDM（密波分复用）和SONET（同步光纤网络）等。（4）光以太网可以实现10 Mbps、100 Mbps以及1 Gbps等标准以太网速度，而在达到10 Gbps后，它将成为各种业务的增值点。

3 光传送网新技术

在20世纪里，话音通信技术占据了整个电信网的核心地位，为支持话音业务面发展起来的SDH是传统光网络的主流技术，在电信网中得到了大规模的应用。从90年代后期开始，IP业务获得了意想不到的飞速发展，下一代网络的分组化趋势日渐明显，IP技术成为电信网的核心技术已是大势所趋。与传统话音相比，IP有着明显不同的业务特征：大带宽，突发性，流量流向不确定性，随着从话音到IP业务的网络重心转移，对作为基础设施的光传送网技术也提出了新的要求，要求它提供对IP业务更好地优化适配，而传统SDH技术是为话音通信而设计的，存在带宽扩展性、网络资源分配不灵活等问题，较难适应今后网络的发展需求。

为了适应网络发展演进的要求，各种面向数据优化的传送网新技术不断涌现，其中以ASON为代表的光联网技术，MSTP，RPR等为代表的城域传送技术引起了业界的普遍关注。

3.1 光联网技术

在IP业务提供方面，目前的电信网由多个不同功能类型的网络层叠加而成，由上至下依次为：IP、ATM、SDH、DWDM，各层网络之间存在着一定的功能重叠，这种层层重叠的网络结构使业务的提供很不灵活。随着IP逐步成为下一代网络的核心，人们正在重新考虑网络的体系结构安排，新的体系结构最终将省掉ATM和SDH层，只保留IP和光网络层，这将使网络结构更加简洁，业务提供更加灵活。在新的体系结构中，IP层提供业务的连接，光网络层提供业务的传送，由于IP业务具有流量流向不确定性，因此，要求光网络层能够为其提供动态的资源分配，并提供流量工程、保护恢复等功能以满足其不同的QoS要求。

以ASON为代表的光联网技术就是为适应以上网络发展需求而产生的。ASON突出了光网络的一体化控制功能，新增的标准化控制协议使光网络具有了高度的智能，使其能够动态控制全网资源分配，从而快速响应网络业务的需求变化。

3.1.1 技术现状

总体来讲，ASON技术主要由硬件平台和控制平面两部分构成。

硬件平台：ASON的硬件平台主要是OXC，是ASON传送平面的主要载体。目前主要有三种OXC：光电型OXC，纯光型OXC，混合型OXC。

光电型OXC采用成熟的SDH交叉矩阵，具有业务疏导功能，灵活性高，可提供各种等级速率业务调度，各项软硬件功能和标准成熟等特点，已经在网上大量使用。但由于需要光电转换，当业务提供单位以波长颗粒为主时经济性较差。

纯光型OXC一般采用MEMS为交叉矩阵，可实现业务速率格式透明传送，无须光电转换，但只能提供波长级业务交换，在波长级业务调度方面具有显著的成本优势，是组建未来全光网的核心网元。由于目前MEMS技术本身及全光网组网技术的限制，使纯光型OXC在组网时无论在设备硬件还是软件控制方面都还很不完善，加上需求方面的原因，限制了它的推广使用。

混合型OXC由光电型和纯光型OXC组合而成，同时具有业务疏导和波长交换功能，是以上两种设备的折中，可同时为波长/子波长级的业务交换提供经济的集成解决方案，但由于设备需要同时处理电和光的交换，实现较复杂，目前尚未大量商用。

在全球目前的电信市场环境下，各运营商和设备商都面临很大的经济压力，投资纯光型OXC在短期内难以得到很好的回报，而光电型OXC由于技术比较成熟，并且与现有的网络设施结合比较紧密，因此受到业界普遍看好。

3.1.2 控制平面

与传统光网络技术相比，控制平面是ASON的创新所在，是ASON智能得以实现的前提。控制平面的引入可以实现网络资源的动态控制，使光网络从传统的静态带宽网转变为动态交换网，从而更好地支持原有业务以及BOD、OVPN等光网络新业务。

控制平面的网络资源动态控制功能主要是通过路由、信令系统实现的。路由系统的主要作用是发布网络资源和拓扑状态，通过路由系统的状态发布，每个节点将生成一张全网链路拓扑图，根据具体的连接请求条件，结合已经生成的拓扑图，节点可以计算出符合要求的最佳路径，最后，借助信令系统，这条最佳路径连接被网络自动建立起来。路由、信令系统借鉴了IP网的成功经验，并结合光网络的特点进行相应功能扩充，使其可以控制光网络时隙、波长资源的动态分配。

3.2 城域传送网技术

随着数据业务的高速发展和城市信息化步伐的推进，构建一个大容量、多业务、可扩展、可运营的宽带城域传送网，成为各运营商竞争的焦点。城域传送网是开譬辟新的业务领域、建立新的盈利模式的基础，它的目标是构建统一的城域传输平台，一方面要能承载传统的电信业务，同时还必须提供对IP业务的传输，并能针对不同用户的实际需求提供差别化的服务方式。当前城域传输技术的研究和应用热点主要集在中在：多业务传送平台（MSTP）、弹性分组环（RPR），这些技术有各自的技术特点和适用领域。

3.2.1 技术现状

（1）MSTP（多业务传送平台）技术：基于SDH的多业务传送平台（MSTP）是指以SDH技术为基础，在提供TDM业务的同时还能实现10 M/100 M/GE以太网和ATM业务的接入、处理和传送的技术。目前实现的主要功能包括：传统的SDH功能；以太网业务透传功能，以太网二层交换功能；ATM业务处理技术功能。随着技术和需求的进一步发展，MSTP还将集成RPR功能和MPLS机制，以进一步优化对数据业务的传送能力。MSTP主要具有以下优点。

它基于传统的SDH技术，可以利用传统的SDH网络体系，增加对多种业务的支持，并充分保证新业务的性能。

简化网络结构，降低网络建设成本。避免了在现有网络上增加网络层次来支持数据业务，同时通过协议与传送分离以实现对各种业务的支持。

传输的高可靠性和自动保护恢复功能。它充分继承了SDH传输特性，实现对业务的保护恢复功能，对以太网和ATM业务可以提供更安全的分层保护。

网元功能高度集成，有利于实现有效的带宽管理。可在任意节点提供业务处理功能，从而提高带宽的有效利用率，降低了运营成本。

3.2.2 RPR技术

RPR技术是一种新的MAC层协议，是为优化数据业务的传送而提出的。它同时借鉴了SDH的可生存性、以太网的简洁性、ATM的QOS机制，极大地优化了数据业务的传送性能。RPR技术的优点如下。

带宽利用率高。RPR技术利用空间重用机制，可以在目的节点释放出带宽资源，大大提高了数据业务带宽利用率。

业务安全性高。它以环形组网，有类似于SDH的保护机制，可以完成业务的快速恢复。

支持多种服务级别。支持全局的公平算法，实现动态带宽管理，支持快速转发-Expedited Forwarding（EF），保障转发-Assured Forwarding和尽力而为Best Effort（BE）等。

支持广播和组播。对于单播业务，RPR上的节点需判断是剥离还是转发数据包，而对于广播和组播业务，节点只需接收并转发数据包，直到源节点将数据包从弹性分组环上剥离。不需要复制大量的数据包以传送到不同的目的地，大大地节省了带宽。

但是RPR技术的标准尚不成熟，不能提供多厂家的互通机制，因此，尚无大规模的商用。目前只支持环网拓扑，难以适应电信大网的应用需求。因此，RPR技术的应用定位于城域汇聚和接入层，用于提供IP分组拉灵敏度一定的TDM专线业务，为大客户提供差别化的以太网专线以及专用LAN业务。

4 城域传送网的发展趋势

城域网所承载的业务种类繁多，除了传统的话音业务外，还有飞速增长的IP数据业务、VPN、各种专线业务等。业务性质、种类的差异，使得其对传统网的传送方式、QoS要求等都不相同，这就要求传送网能针对不同的业务种类能提供不同的服务。

SDH技术成熟、可靠边，有规模庞大的应用基础，因此，基于SDH的MSTP技术的引入、数据特性的不断加强，MSTP在相当长的时期里仍将是发展城域传送网的主要技术手段。随着RPR技术标准的成熟，联网功能的增强，以及宽带业务进一步的发展，RPR将逐渐在城域传送网中得到应用，长远来看，有可能会逐渐发展为城域传送网的主要业务提供手段。

从光层面来看，目前城域传送网只有少量点对点WDM线路，这些WDM系统还没有互联形成一个光层面的网络，MSTP等电层网络基本是直接组建在光缆网之上，这在当前业务容量相对较波折状况下是适宜的。随着业务带宽需求的不断增长，以及波长出租、OVPN等新业务的出现，在光层面组建波长路由的ASON网将成为发展的必然。

因此，从发展趋势来看，城域传送网将由传统SDH网向ASON智能化光网络方向发展，在城域ASON传送技术中，MSTP（包括OXC）和DWDM（包括PXC）分别在电层和光层网络中扮演重要角色，而RPR网络则成为承载于城域ASON之上的一个重要业务提供网。

5 智能光网络解决方案

随着电信业进入到一个崭新的发展阶段，光网络技术也从以前一味追求超大容量的光组网方式，逐步转变到构建更经济有效的新一代光联网上来。智能光网络的提出对整个电信网络的规划设计，体系结构和运营机制都会带来深远的影响。智能光网络是构建新一代光网络的核心技术之一，这种先进的技术和组网思路所能带来的好处也是非常明显的。但是，也应该看到这种技术目前还在发展中，因此，对如何看待这种新技术应该有一个清醒的认识和明确的策略。目前，对智能光网络技术可以采取以下发展策略：

（1）充分利用好现有网络资源，在保证现有投资的前提下，逐步引入新技术、新业务，做到少投入，多收益。

（2）坚持技术的标准性和网络的兼容性：标准的信令协议是智能光网络最重要的技术前提。因此，厂商所采用的是标准的协议还是专有的协议是评价方案优劣的基本尺度。同时，厂商的设备与现有网络的兼容程度也是评判的重要标准。

（3）根据自身业务和网络发展需要，合理的引入和开展新业务新运营模式，逐步向智能光网络演进。

6 智能光网络的技术特点及应用

新一代智能光网络作为未来传输网发展的方向已经被业界所公认。作为有着10年发展历史的CIENA公司，在这一领域有着许多独特的研究成果和领先的技术。他们在新一代智能光网络的组成和技术方面已经有比较成熟的思路。

（1）单机集成多个SDH设备新一代智能光网络由DWDM加光交换机组成，它的核心层设备是光交换机。基于光交换机的光网络，一个设备完成了几个设备的功能，组网简单，维护方便。而传统SDH网络有很多ADM和DWDM连接，原因就是单个设备不能完成全部的功能。

（2）动态带宽分配和带宽调整基于小粒度和疏导的大容量光交换：智能光网络的特点是交换粒度小，并具有疏导功能，这两个特点为智能光网络实现任意级联、虚拟容量、虚环保护和网状恢复等提供了基础。光交换机的大容量表现在交换矩阵达到几百兆，设备10 Gbps接口达到几十个，并可扩展到多Tbps。

动态带宽分配和调整：新一代智能光网络中有两个接口是非常重要的，一个是用户-网络接口；另一个是网络-网络接口。用户-网络接口主要是路由器等接入设备和光网络之间的接口，网络-网络接口完成智能光网络电路的配置。

IP网络的流量分布不均匀，且动态变化，QoS难以保证，采用智能光网络能动态分配带宽，并通对网络接口，调整网络带宽的分布，起到帮助IP网络解决QoS的作用。

（3）点对点电路恢复CIENA新一代智能光网络Lightwork解决的方法是：

把用户分成不同的等级，用户优先级低的可以采用保护带宽通信，优先级高的用户随时可以占用优先级低的用户的带宽。

网元采用分布式智能对电路实现点对点的恢复，恢复时间虽然比环保护等要长一点，但对于IP网络来说并不会产生很大的影响，不需要人工恢复就可完成网络电路的全部恢复。

（4）网状（Mesh）组网和虚拟交换环网状组网是新一代智能光网络的主要组网方式，具有灵活、易扩展的特性，和数据网络的组网特点接近。网状网的保护是多样的，除了线性保护外，环交换和保护主要采用虚拟交换环。

虚拟交换环是软件可定义环交换和保护，因为虚拟交换环采用了软件实现，不被物理的容量和配置所限制，所以虚拟交换环能支持电路到达环的全容量的带宽。

（5）信令及路由协议和分布式网络智能光网络的分布式智能完全依赖于光路由和信令协议，以替代传统采用集中网络管理实现的智能，分布式智能达到的网络拓扑发现、电路自动配置等是分布式智能的主要体现。和IP路由不同的是，光路由不是路由和转发包的，主要是起到电路的配置作用，当电路形成以后，只是路径的管理和控制。

（6）虚拟容量使光网络服务应用脱离物理平台的变化和特征的限制，虚拟容量扩展了虚拟内存概念到光网络中，虚拟容量允许光网络服务在任何跨度下利用全部可获得的容量，而不管实际传输的容量。带宽是一个共享池，可优化分配到光服务中，在智能光网络中主要采用疏导等技术实现。

7 结语

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。

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