下一代光传送网：自动交换光网络

奉飞飞　张汉一

1 引言

Internet的迅猛发展带来了网络业务量的爆炸性增长，各种新型业务如视频点播、带宽租用、VPN等也不断涌现，这在为服务提供商带来广阔的市场前景和新的利润增长点的同时，也对其传送网络提出了更高的要求。新业务的不可预测性使得静态的网络资源配置方式无法与动态的业务分布模式相适应，而网络的动态配置功能可以更有效地利用网络资源，有利于更迅速地引入各种新的增值业务。为了在光传送网(OTN)上实现光通道层的自动交换，ITU－T提出了自动交换光网络(ASON)的概念并对其进行了标准化[1]，基于ASON的下一代光传送网络将成为一个更为灵活、可靠、可扩展的智能化光传送网络。

ASON的主要特点包括：

(1)业务透明

业务透明是指光传送网络可以传送各种类型的客户层信息。光传送网络按照一定的映射方式将各种不同的客户信号作为光通道信号的净负荷进行传送，在传送网络的内部，网络无需知道也无需处理客户信号的详细信息。光传送网络的入口和出口成为业务信号透明性的分界处。由于对业务透明，因此可以为各种业务信号使用一个统一的下层结构，而不必专为每种业务单独建设一个传送网络，从而大大降低了光传送网络的成本和复杂性。

(2)可以进行实时的光通道指配

目前的传送网络提供了 SDH 或 WDM 通道连接服务，但这些服务中的连接都是通过网络管理协议或人工配置来进行指配的。这种指配过程相对于交换速度来说非常缓慢(以周或月计)。实时的光通道指配能力将为网络运营商增加巨大的竞争能力，在市场上取得先机。ASON提供了标准化的路由选择和信令传输结构以及用户网络接口、网络网络接口，可以迅速有效地在传送层网络中建立、修改或删除连接。

(3)光层上的性能监测与故障恢复

尽管可以在网络的其他层面上对业务进行保护与恢复，但光纤断裂、光放大器失效等故障将影响到大量的上层业务连接，如果仅仅依靠上层网络进行恢复，则需要对每一个上层连接分别进行恢复操作，这将带来巨大的工作量，给网络带来负担。而若在光层上对光通道进行保护恢复，则可以在没有上层网络参与的情况下，使该光通道上的所有上层业务连接同时得到恢复，可有效地提高恢复速度、降低操作复杂性与成本。光域上的性能监测可以在对业务透明的条件下保证光传送质量。

(4)实现光层的业务量工程与光层带宽管理

ASON是一个具有动态建立连接功能的光传送网络，因此可以根据真实业务模式来分配带宽，使得网络的性能最优。

2 ASON 网络结构

ASON网络结构如图1所示[1]。图中包含了ASON网络中的主要构件，其网络总体结构共包含了3个层面：

(1)传送平面(TP)：传送平面包含携带被交换实体的传送网网元，组网灵活性由封装在网元内的连接功能提供。

(2)控制平面(CP)：控制平面的引入是ASON不同于传统OTN的一个根本点，它包括了一系列实时的信令及协议系统，负责快速有效地对网络中的端到端连接进行动态控制，如连接的建立、删除及修改等等。

(3)管理层面(MP)：与传统OTN中的网络管理系统相当。

在ASON的网络结构中，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。

2.1 用户网络接口

用户网络接口(UNI)为光网络客户与光网络之间提供了一个申请光网络服务或操作的接口。它允许ASON的客户执行以下操作：

(1)创建连接

客户可以通过信令请求网络建立一条具有指定属性的连接。连接的属性包括带宽、保护机制、恢复机制等。

(2)删除连接

客户可以通过信令请求网络删除一条已经建立的连接。

(3)修改连接

客户可以通过信令请求网络修改某一条先前已经存在的连接的某些属性。

(4)状态查询

客户可以查询某一已经存在的连接的状态信息。

ASON用户网络接口还具有客户注册、地址解析、邻居与业务发现等功能。其中客户注册与地址解析功能同光网络的地址分配方案有紧密的联系[2]。

UNI的实现需要完成一套满足UNI功能要求的信令协议。标签分发协议(LDP) [3] 及具有业务量工程扩展的资源预留协议(RSVP－TE)[4] 均可以在进行一定的扩充之后用作 UNI信令协议。这些扩充包括定义必要的TLV(Type Length Value )或其他对象以用于指定与光层有关的连接属性。此外还需要定义新的消息以供进行连接状态的查询。光互联网论坛(OIF)在UNI1.0 规范[5]里对这两种协议均加以了采用。

2.2 内部网络网络接口

内部网络网络接口(I－NNI)定义了同一网络中相邻光连接控制器(OCC)之间的接口，它存在于运营商的管理域之内，负责支持在网络中进行连接的建立与控制。内部网络网络接口包括两个主要方面：信令与路由。

在ASON中进行端到端的光通道连接请求时会包含某些限制参数，因此对连接请求的路由选择应采用带限制条件的路由算法。路由算法需考虑的目标包括：

(1)符合连接提出的限制条件，如在物理链路上的分离等。

(2)平衡网络的负载以取得网络资源的最优利用率。

(3)遵循特定的路由策略，如指定路由等。

I－NNI可以基于两种主要的协议：IP与MPLS。MPLS基于将转发层面与控制层面相分离的原则，因此很容易进行扩展用于支持I－NNI信令。GMPLS[6]为适应更广义的标签交换类型对MPLS进行了扩展。这些交换类型包括时隙交换、波长交换、波带交换甚至光纤交换等。CR－LDP [7]与 RSVP－TE [8]的扩展均可用于广义标签的请求与绑定。

MPLS的流量工程要求路由协议能够在其数据库中对链路状态信息进行综合。在文献9和文献10中，为支持GMPLS的链路状态信息对现有的IP路由协议OSPF、IS－IS进行了扩充。

2.3 外部网络网络接口

外部网络网络接口(E－NNI)定义了不同管理域间ASON控制面的接口。E－NNI在功能上与I－NNI有所区别，两者在功能上的区分类似于Internet域间模型中的内部网关协议与外部网关协议之间的关系。E－NNI可应用于同一运营商的不同I－NNI区域的边界，也可应用于不同运营商网络的边界。在E－NNI 上交互的信息通常是网络可到达性、网络地址概要、认证信息、策略功能等而并非完整的网络拓扑/路由信息；E－NNI的连接选择也更多地基于安全、策略考虑而不是如同在I－NNI中所考虑的性能限制。边际网关协议(BGP)是一种目前广泛应用于IP网络的外部网关协议，它可以用来在不同的ASON域之间交换网络的可到达信息。

2.4 连接控制接口

连接控制接口(CCI)定义了ASON信令网元与传送网络网元之间的接口。连接控制信息通过该接口下发到传送网络网元，以供在光传送交换设备的端口间建立连接。CCI使得各种不同容量、不同内部结构的交换设备成为ASON节点的一部分，因此CCI也被归入ASON的控制平面。CCI上运行的协议必须执行两个基本功能：添加和删除连接、查询交换设备各端口的状态。

通用交换管理协议(GSMP)[11] 可以满足实现CCI所需的要求。GSMP是一个允许控制器在交换设备间建立和释放连接的协议，它非常适合于在转发平面中采用标签交换的网络结构，如ATM、FR、MPLS等。GSMP为GMPLS所需进行的扩展还正在研究之中。

2.5 网络管理接口

网络管理接口包含NMI－A及NMI－T。NMI－A定义了网络管理系统与ASON控制平面网管之间的接口；NMI－T则定义了网络管理系统与传送网络之间的接口。

3 ASON的控制平面

一个设计良好的控制平面可以快速准确地建立电路连接，令服务提供商能够更好地控制他们的网络。控制平面本身必须是可靠、可扩展和高效的。

控制平面结构应足够普遍适应地支持不同的技术手段、不同的业务要求和不同的设备提供商所提供的功能。

控制平面应当适用于各种不同的传送网络技术(如SONET/SDH、OTN、PXC)。为实现这个目标，需要将技术有关方面与技术无关方面隔离开来。控制平面应该足够灵活，以适用于不同的组网应用。为此可以将控制平面划分为不同的部件，设备制造商和服务运营商可以决定这些元件的具体位置，也允许服务运营商决定这些元件的安全和策略控制。

控制平面应该能支持传送网络中交换连接(SC)或者软永久性连接(SPC)的基本连接功能。这些连接功能的类型包括：单向点到点连接、双向点到点连接、双向点到多点连接。

控制平面中的各功能元素如图2所示[1]。该图例阐明了控制平面的各项功能及其之间的关系。各功能的实体可以以不同的方式进行封装，这取决于所需要的具体功能。

3.1 连接控制功能

控制平面(CP)的连接控制功能包括：

监测与管理连接的建立；

监测与管理连接的拆除；

对已经建立的连接参数进行必要修改。

在连接请求到达时，该功能模块需要对路由表进行路由查询、向呼叫接纳控制功能提出申请并对连接点的状态进行更新。

3.2 路由表功能

路由表的内容包括可到达的目的地及该目的地的推荐输出链路。路由表的一个功能是响应连接控制对某特定目的地的输出链路的查询请求。

3.3 路由表更新功能

在静态路由中，路由表是由人工建立与修改的。而在动态路由网络中，需要自动对路由表进行更新并进行分发。路由表更新功能包括：将本地路由表的内容传播给各邻居节点，从邻居节点那里接收路由表信息并对本地路由表作出相应的更新。

3.4 连接接纳控制功能

该功能负责确定链路上是否有足够的资源来接纳新的连接请求。如有足够资源，则允许处理该连接请求，否则连接接纳控制将通知连接控制去寻找一条新的路由。如不存在新的路由则通知连接请求的发起者该连接被拒绝。连接接纳控制可以根据优先级或者各种策略决定是否接纳连接请求。该功能需要与连接控制及链路资源管理功能交换信息。

3.5 链路资源管理功能

该功能对分配给连接的链路资源的状况进行跟踪。它需要与连接接纳控制功能、策略功能、连接控制功能相交互。

3.6 连接点状态功能

该功能为连接控制功能提供与子网边界上所有连接的点的状态相关信息。

3.7 策略代理功能

该功能根据在连接建立时或连接修改后所确定的连接参数对连接流量进行验证。当某连接违反了协议商定的参数时，策略代理功能将试图进行纠正。

3.8 协议控制功能

协议控制功能负责控制信息在网络中的可靠传输。它允许对控制信息进行跟踪以保证能接收到预期的响应或是返回给发起者一个异常。协议控制功能传送的信息主要包括：

路由表更新信息

链路资源管理信息

连接控制信息

图3表示一个连接的建立过程中各功能元素之间的交互过程[1]。

4 ASON控制平面传送网络(信令网络、控制网络)

信令网络是专门用来传送控制信息的网络结构。对于电路交换形式的网络而言，为控制信息采用一个单独的传送网络是非常必要的。信令网络既可以使用带内方式也可以采用带外方式。这也暗示着信令网络可以与传送平面网络使用不同的物理拓扑结构。控制网络必须保证能够可靠、有效地传送控制平面数据。在控制平面发生故障时(如通信信道故障或者控制实体故障)，已经存在的连接不能被丢弃，而且这些故障信息应该能通知到网管系统以便进行维护。对于控制平面的故障恢复需要有相应的处理机制，而且信令网络本身不应该需要复杂的维护操作。

对信令网络的基本要求包括：

(1)安全性

在信令网络中传递的控制平面信息通常与服务提供商的具体细节、安全策略相关，因此保证控制信息的安全传送是至关重要的。

(2)可靠性

在任何情况下(例如自然灾害引起故障时)均须保证控制信息的可靠传送。

(3)服务质量

连接服务的性能在很大情况下依赖于控制信息的传送。对像保护倒换等对时间敏感的操作，需要一定程度的QoS保证。对信令网络应提供一定的生存性。

(4)可扩展性

为达到控制平面的可扩展性，信令网络应该既可以向上扩展也可以向下扩展。(5)通用性

控制平面中的协议不应该要求信令网络的拓扑结构与传送网络相同，这些协议必须保证能在各种拓扑结构的信令网络中正常运行。

5 ASON控制平面与GMPLS结构

文献12 给出了一种GMPLS结构。GMPLS的网络结构与ITU－T G.ason建议中的网络结构并没有实质性的冲突。从文献中可以看到，GMPLS体系中的不同协议均可以用于实现ASON的各种接口功能。ASON是为在光网络中建立光通道连接提供一个控制平面的功能结构，它定义了自动交换网络所需要的一系列接口功能，但这些功能的具体实现是与协议无关的。文献中的GMPLS结构更多地关注GMPLS体系中具体相关协议的应用，如在网络的不同接口(如 I－NNI、UNI)间建立广义标签交换通道(GLSP)的CR－LDP协议等，实际上，GMPLS结构给出了一个更实际化的、更易于理解的具体实施方案。

6 ASON与光互联网

随着IP业务的主导地位越来越明显，网络运营商希望能借助于光传输交换技术建设一个能够有效传送IP业务的网络，即光互联网。光互联网概念的提出是针对IP业务这种单一业务模型的，而 ASON 试图为各种上层业务(包括IP、ATM、SDH等)提供一个灵活有效的传送平台，这两种思路造成了两者在网络结构上的不同。

ASON是一种基于重叠模型的网络。重叠模型通过定义一系列的网络接口，将客户层面与传送层面相分离。由此带来的好处首先是光层的服务对客户信号透明，而不只是限于传送IP业务，而且光层与客户层的技术可以独立发展，客户层技术的变革不会给光层带来限制；其次，客户/服务模型可以屏蔽光层的拓扑信息、路由机制等，适合于光网络运营商的安全性及策略考虑；第三，规范化的网络接口可以方便地进行子网划分，非常适合于存在多个管理域的情况，而现实的网络是非常多样性的，存在着各种厂商设备，标准接口易于实现网络的互操作性。重叠网络的缺点也是显而易见的，由于光层不了解上层业务的情况，而客户层对光层的拓扑信息也一无所知，因而往往无法实现网络资源的最优利用；而且，由于客户层面与光层都有独自的网络恢复机制，所以在重叠模型的网络恢复中对两层间的协调也需要特别的考虑。

光互联网则是一种基于对等模型的网络，IP网络与光网络处于同一个控制平面之下，运行同一套路由协议，维护一个共同的拓扑信息库。IP设备与光网络设备互相可见，在进行路由选择时两者设备共同参与，实现统一的流量工程。对等模型可以针对IP业务的特点实现网络资源的最优利用；但同时这种模型失去了业务透明性，只支持单一的IP业务，而且将光网络的内部信息与IP设备共享也并不符合大多数光网络运营商的安全性考虑。

从目前的网络实际情况上来看，ASON能较好地符合网络业务、网络结构多样性的特点，能够得到多数网络运营商的支持。而对等模型期待一种全网的统一，其实现过程将是一个较为漫长的过程。

7 结束语

Internet以及各种新业务的涌现对网络的动态化提出了要求。自动交换光网络(ASON)具有业务透明，能实时光通道指配，可光层恢复和进行流量工程等特点，已成为下一代光传送网的发展趋势。□

参考文献

1 Mayer M, Ed. Architecture for Automatic Switched Optical Networks (ASON). G.ason Draft v0.5.1, June 2001

2 Lazar M, et al. Alternate Addressing Proposal. OIF Contribution, OIF2001, January 2001

3 Aboul－Magd O, et al. LDP Extensions for Optical User Network Interface (O－UNI) Signaling. draft－ietf－mpls－ldp－uni－optical－01.txt, work in progress, July 2001

4 Yu J, et al. RSVP Extensions in Support of OIF Optical UNI Signaling.draft－yu－mpls－rsvp－oif－uni－00.txt, work in progress, Dec 2000

5 Rajagopalan B, Ed. User Network Interface (UNI) 1.0 Signaling Specifications. OIF Contribution, OIF2000, June 2001

6 Ashwood－Smith P, et al. Generalized MPLS－Signaling Functional Description. draft－ietf－mpls－generalized－signaling－04.txt, work in progress, May 2001

7 Ashoowd－Smith P, et al. Generalized MPLS Signaling: CR－LDP Extensions.draft－ietf－mpls－generalized－cr－ldp－03.txt, work in progress, May 2001

8 Ashwood－Smith P, et al. Generalized MPLS Signaling: RSVP－TE Extensions.draft－ietf－mpls－generalized－rsvp－te－03.txt, work in progress, May 2000

9 Kompella K, et al. IS－IS Extensions in Support of Generalized MPLS.draft－ietf－isis－gmpls－extensions－01.txt, work in progress, Nov 2000

10 Kompella K, et al. OSPF Extensions in Support of Generalized MPLS. draft－kompella－ospf－gmpls－extensions－01.txt, work in progress, Nov 2000

11 Doria A, et al. Generalized Switch Management Protocol V3.draft－ietf－gsmp－08.txt, work in progress, Nov 2000

12 Mannie E, Ed. Generalized Multi－Protocol Label Switching (GMPLS) Architecture. draft－ietf－ccamp－gmpls－architecture－00.txt, work in progress, June 2001

(收稿日期：2001－09－05)

作者简介

奉飞飞，清华大学电子工程系物理电子学专业在读博士生。研究兴趣为WDM光网络节点设计、网络控制与管理等。

张汉一，清华大学教授，博士生导师，毕业于清华大学无线电系。目前主要研究WDM 光网络器件、系统、组网及其运行技术。