自动光交换网络的组网应用研究*

郑 秋

(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007)

自动光交换网络的组网应用研究*

郑 秋

(中国电子科技集团公司第二十八研究所 南京 210007)

介绍了自动光交换网络(ASON)的原理和技术特点,运用ASON组网需要考虑的相关问题,以及组网的技术选择和接入网方式,描述了军用ASON网络的特点,最后展望了ASON技术应用前景。

自动光交换网络; 接入网; 组网; 军用光网络

Class Number TP393

1 引言

伴随着科技的迅猛发展,现代战争对通信服务的要求和种类也在慢慢发生变化,其用以传输数据信息,进行数据交换,要求具有迅速、准确、可靠、自动化程度高等特点,使得对网络带宽的要求越来越高,原本被认为资源足够的SDH成为了制约因素。随着光通信技术的迅速发展,SDH城域网结构将会逐步变成边缘网络,而光网状网(optical mesh)将逐步成为下一代核心网或城域网络的主要结构。自动交换光网络(Automatic Switch Optical Netword,ASON)的出现是传送网发展的历史性突破。ASON是一种利用独立的控制平面来实施动态配置连接管理的网络。ASON控制平面体系结构的核心技术包括信令技术、路由技术和链路资源管理技术等。其中信令技术用于完成自动交换连接功能、实现快速的端到端光通路保护监控和恢复,快速地建立、拆除和维护一条跨于全光网络的光路径;路由技术执行路由操作以及网络拓扑和资源的信息发现,传递链路状态信息并计算点到另—个节点的最佳路由通路;链路资源管理用于控制信道管理和维护、传送链路的连通性验证和故障隔离/定位等[1]。

2 ASON技术简介

2.1 ASON的原理与特点

ASON由智能化的光网络节点所构建的光传输网,以及对光传输网进行控制管理的光信令控制网络构成。从发展的角度看,网络资源管理的智能化将集中在业务层上,而光学资源的管理将通过一个由业务层和光传输层所共享的集成控制平面提供。ASON的实现依赖于通用多协议标签交换(GMPLS)等控制协议所构建的控制平面的完善,以及对智能化光层网络节点,包括光交叉连接(OXC),光分插复用(OADM)和波长路由器的真正实现。

自动光交换网络具有以下特点:

1) 一套设备即可替代原有多套设备,网络清晰。

2) 大容量、多粒度的交换,实现灵活调度。

3) 灵活的网状(MESH)组网,自愈性强,易扩展性、高带宽利用率。

4) 网络拓扑自动发现。

5) 网络链路负载自动均衡和优化,带宽的动态分配,提高了带宽利用率。

6) 基于信令请求快速灵活的开通业务。

7) 提供端到端(跨环)业务的保护及差异化服务。

8) 简化了网络管理并缩短业务建立时间。

ASON是一种标准化的智能光传输网,代表未来光网络发展的主流方向,被广泛认为是下一代光传输网络的主流技术.

ASON的发展趋势:

1) 采用网状网结构;

2) 开发控制平面的性能;

3) 提高网管平面的性能;

4) 改善传输平面的性能。

为了实现ASON网络的高生存性、高扩展性、灵活性和智能性,ASON传输平面在组网能力、硬件能力和软件能力等方面与传统的SDH设备完全不同,ASON必须同时具有数字交叉连接(DXC)和多路分插复用器(MADM)的功能,支持不同的网络拓扑,包括网状网、多环套接,环网、链等。为了实现ASON功能,传送平面必须具备配合控制平面完成业务和邻居的自动发现能力、传送平面链路和网元的状态通告能力、信号监控和故障检测能力、光层的故障保护恢复能力,以及路径的动态配置和拆除能力[2]。

2.2 ASON的体系结构和接口规范

图1 ASON体系架构

ASON的接口定义了不同平面之间的通信规则,是网络中不同功能实体之间的连接渠道。不同平面通过不同的接口相连接,同一平面内部的不同功能区域也使用不同类型的接口相通。ASON网络逻辑上分为UNI(用户-网络接口),I-NNI(内部网络-网络接口)和E-NNI(外部网络-网络接口)三个部分[3]。

1) UNI:UNI主要运行在光网络客户端和光网络设备之间,是业务请求者和业务提供者控制平面实体间的双向信令接口,也是不同域、不同层面之间的信令接口。通过这个接口,可以实现光网络客户端和光网络设备的连通。UNI的主要功能是完成二者间的连接建立、连接拆除、连接修改、状态查询,可选的功能有邻居发现、服务发现等。目前在业界标准协议制定得最为完善和成熟的是OIF的UNI协议。它不仅制定了一整套切实可行的UNI信令协议(RSVP或LDP)、控制信道的实现(随路信令、非随路信令和准随路信令)和维护,以及相应帧封装标准,而且还提供了一套业务发现和拓扑发现机制。

2) I-NNI:I-NNI它是同一网络内部或网络与可信网络实体控制层的通信接口,用于实现统一管理域内部OCS的相互通信。由于在域内运行的一般是同一个厂商的设备,因此没有建议标准化,每个设备厂商可以使用专有的接口协议,也可以使用众所周知的接口协议。

3) E-NNI:E-NNI是网络与外部网络之间的控制层双向信令接口,网络与外部不可信网络实体的控制层的通信接口。这种情况通常发生在不同运营商网络之间的互联上,E-NNI接口信令将屏蔽网络内部的拓扑等信息。支持呼叫控制、资源发现、连接控制、连接选择、连接路由选择。与I-NNI不同,它是在不同域间交换路由可达性信息,屏蔽了网络内部的拓扑信息。对多层拓扑结构间的E-NNI信息交互尤其是标准化的难点和重点。

在ASON中,各层平面间的接口连接如下:控制平面和传输平面之间通过连接控制接口(CCI)相连,建立光交换机端口之间的连接;管理平面则通过网络管理接口A(NMI-A)和网络管理接口T(NMI-T)分别与控制平面及传输平面相连,NMI-A和NMI-T的作用是实现管理平面对控制平面和传输平面的管理,接口中的信息主要是相应的网络管理信息。

3 ASON的组网应用

随着ASON技术的逐步发展,国内外的运营商开始在其网络中逐步部署ASON或者构建实验网。ASON设备首先由CIENA在北美AT&T网络中进行部署,共有100多个节点,主要应用于骨干网。随后,Sycamore在日本NTT骨干网络部署了40个节点的ASON网络,以承载语音和数据业务。国内则从2004年开始,首次在省内干线网和城域层面引入了ASON技术,如CIENA在吉林铁通,LUCENT在江苏电信,ALCATEL在北京通信的城域传送网核心层采用了ASON技术。

3.1 ASON组网技术的选择

1) 组网应用网络模型的选择

ASON的网络模型有两种:重叠模型和对等模型。重叠模型将光传送层特定的控制智能完全放在光传送层独立实施,无须客户层干预,有两个独立的控制面,一个在核心光传输网络中,而另一个在客户网络层,具体体现在用户网络接口处,即客户层设备与核心光传输网络之间不交换路由信息,各自独立选路,都有独立的拓扑。对等模型是将光传送层的控制智能转移到客户层,由客户层来实现端到端的控制。对等模型的复杂度高于重叠模型。

2) 业务调用方式的选择

ASON网络用户网络接口上的调用模型根据客户端是否与UNI-C(靠近用户端的用户网络接口)分离分为直接调用和间接调用两种,直接调用方式由客户端设备直接进行网路业务的调用,即由客户端本身实现UNI-C功能。间接调用则是通过代理UNI-C替代一个甚至多个客户端实现UNI功能。

3) 信令传送方式的选择

在信令的传送方式上,纤内控制由于控制信道和数据信道在物理传输上不分离,物理链路的损毁会同时影响控制平面和已建立的数据传送连接。如果利用外部IP网络进行纤外控制有可能产生安全隐患和其他不确定因素,为兼顾安全性和鲁棒性,ASON的信令传送方式采用专用信道实现纤外控制。

4) 控制平面上信令协议的选择

目前ITU-T建议的信令协议有三个:

(1)G7713.1:专用网络-网络接口协议(PNNI)。

(2)G7713.2:资源预留协议流量工程扩展协议(RSVP-TE)。

(3)G7713.3:路由受限-标志分配协议(CR-LDP)。

其中,PNNI基于ATM的协议,复杂性高,适用范围窄,主要在RSVP和LDP之间选择,二者均是基于LMP消息的信令协议,由于RSVP的“软状态”特性要求在所建立的连接上周期性地传送信令消息,进行状态刷新,通常认为并不适合在传送网中应用。因此,一种观点认为光网络应该在传送网中利用LDP协议实现跨越传送网的连接建立,在两端UNI-C和UNI-N之间则采取RSVP信令协议。端到端的连接将由两个RSVP协议负责建立两端的“单跳”连接和采用LDP协议的传送网建立的连接共同组成。

5) 保护策略的选择

根据COS(服务质量等级)所区分的各种业务等级,将选择相应的保护/恢复方式,保护策略基于网状网的模型,业务等级划分为五种:

(1)“platinum”级:具有链路级和端到端路径级的双重保护,采用1+1或1:1方式,由网络提供专用链路和路径加以保护,保护时间达到50ms以下。

(2)“Gold”级:业务利用1:n方式,具有链路级和路径级的共享保护。第一个失效连接的保护时间在50ms以下,之后失效的连接保护时间在200ms以内。

(3)“Silver”级:业务采取路径恢复的方式,在网状网中加以动态保护,恢复时间一般在2到5s之内;

(4)“Bronze”级:业务不提供任何保护方式。

(5)“Lead”级:业务优先级最低,通常情况下使用保护路径进行传输,在保护路径需要提供保护时,此类业务会马上停止[4]。

3.2 ASON的光纤接入网

同传统的传输网络相比,智能光网络的网络结构将由环网为主转变为网状网为主,附以部分环网和链路,同时网络的节点具有智能性。ASON网络通常在核心网络中使用,终端接入核心网尽管有多种方式,但是光纤接入是其中的重要组成部分,特别是无源光纤网络(PON)应用较广,由接入网和核心网共同组成了整个智能光网格网。

1) 接入网在整个网络中的位置

图2 光纤接入网在ASON网络中的位置

2) 常用无源光接入

无源接入基于某种技术的无源光网路(PON),目前常见有基于ATM的APON,基于以太网的EPON或GPON,基于WDM(密集型波分复用)的PON称为WDM-PON。

(1)APON

APON以ATM为承载协议,支持时延小及可变速率的业务,多业务接入能力强,其典型的主干下行速率达到622Mbit/s,但分路后给各个用户的带宽很小。

(2)EPON和GPON

基于以太网的无源光网络称为EPON或GPON,GPON又称为千兆无源光网络,与APON相比,其上下行速率有所提高,具有较低的用户设备成本,除帧结构不同外所用技术与APON相同。EPON的上下行速率为1.25Gbit/s,对于IP业务具有较好的支持能力及效率,并且实现技术简单。相对EPON,GPON更注重对多业务的支持能力,业务接口更为丰富,一般具有GE、FE、STM_1和E1等接口,能非常有效地支持分组数据业务和TDM业务。GPON可提供1.244Gbit/s和2.488Gbit/s的下行速率和ITU规定的多种标准上行速率,传输距离至少达到20km[5]。

(3)WDM-PON

基于WDM的PON称为WDM-PON。WDM-PON可以利用WDM技术给每个用户提供一路波长,因此不需要对光信号进行分路,在WDM-PON中可采用不同的波长支持不同的业务。在本质上,WDM-PON更为简单,是一种基于波长、虚拟架构的点对点网络。但WDM-PON采用的器件成本高、初期建设投资大[6]。

4 网路建设的关键问题与解决措施

在组建ASON网络时,需要考虑传送平面的技术、网络结构及网络生存性、路由和连接控制,管理平面及地址空间管理。

1) 传送平面的技术考虑

在进行传送层面实际组网时,需要从网络的延续性和未来数年技术成熟度及演进趋势等角度进行全面考虑。如果在光层实现联网,节点必须具有大规模光交换能力,光交叉连接矩阵是其中的关键因素,对其的基本要求是无阻塞、低延迟、低损耗、宽带和电信级的可靠性,需要关注信道间的串扰(CROSS-TALK)问题。网络有时要求节点具有单向、双向或广播功能,这对最大化功能、最低化成本的合理设计光网络的节点结构提出了挑战。

2) 网络结构及网络生存性

光网络的组网,首先考虑的是网络的体系结构。网络的拓扑实际上与网络演进、生存性和资源利用率等因素密切相关,ASON可以由高连接度的网状网构成,也可以在原有SDH和WDM环网的基础上互联得到。环状网络提供完善的保护倒换能力,网状网提供了相对高的资源利用率和共享式的保护倒换策略。如果现有光传输网路不具有智能,使得网路端到端的连接动态无法实现,就会成为全网智能化的瓶颈,因此,ASON的引入必须解决与现有光网络的互联互通,最大限度保护运营商或国家的投资。另外,网络的生存性是网络建设和网络规划需要考虑的重要因素之一,当发生网络失效或设备失效后,仍能提供可接受的业务服务等级,保护倒换和恢复是光网络生存性保证的主要方法,它通过预留或再路由来快速恢复因网络故障中断的业务,作为代价,保护的策略会带来相当的资源耗费。尽管出现这种情况,在ASON中,仍然需要通过相应的策略来保证网络的高生存性,可以通过虚拟环、共享保护和重新动态路由等方式,在提供网络所需的保护/恢复能力的同时,实现资源的节省。

3) 呼叫连接控制和路由

呼叫是表示为一个网络层次的用户提供的服务,连接是网络用于提供该服务的一种手段。ASON控制平面规范了呼叫和连接控制的分离,目的是减少中间连接控制节点的冗余呼叫控制信息。根据连接的能力和方向,ASON的呼叫和连接管理应支持单向点到点连接,双向点到点连接,单向点到多点连接。根据控制连接的主题不同,呼叫和连接管理支持三种基本连接类型:永久连接(PC),交换连接(SC)和软永久连接(SPC);ASON的连接控制功能包括连接建立、连接释放、连接状态维护、连接属性查询、连接属性修改、保护和恢复[7]。

路由功能用于跨越一个或多个运营商网络的连接建立提供选路服务。路由功能包括可达性信息传播、网络拓扑/资源信息发布以及通道计算。ASON路由功能结构包括与协议无关的元件,如路由控制器(RC)和链路资源管理器(LRM)以及与协议相关的元件,如协议控制器(PC),路由控制器负责处理路由所必须的抽象信息。协议控制器根据信息交换所经过的参考点(如E-NMI,I-NNI),处理与协议相关的消息,并将路由原语传递给路由控制器[8]。图3给出路由功能结构和元件的示意图。

图3 路由功能元件关系图

4) 管理平面及地址空间管理

ASON对管理的需求不同于传统的SDH或WDM网络,因为大量的工作已经转移到控制层面,通过分布式控制自动完成。ASON在用户网络和传送网络之间采取独立的寻址方式和分离的地址空间,使得传送网络的升级和变化不会影响到用户端,同时,新用户的添加也不会对传送网络造成影响。

5 ASON在军用通信网络中的应用

ASON组网技术在军用通信网络基础实施建设中的应用,是未来的通信建设发展方向之一,特别是在军用光通信网格的建设中,具有十分明显的优势,具体体现在以下几个方面:

1) 生存能力强。ASON栅格组网,当网络出现故障或部分节点被毁时,只要网络中还有可达的路由就可以对业务实施保护,通过迂回的路由实现互通,网路的生存能力优于SDH网。

2) 可提供多等级的业务。ASON网络对不同等级的作战部分可以提供不同的保护恢复方式,为保护单位提供差异化的、可选择的服务,满足部队用户不同的等级需求。

3) 资源利用率高。ASON网络可以按照需求为作战分队选择最优的路由,还可以采取保护资源共享的方法,理论上资源利用率不会小于50%。网络拓扑连通度较传统基于SDH高,资源的利用率也较传统的SDH网络高。

4) 网络性能高。由于OXC(光交叉连接设备)和OADM(光分插复用设备)的引入,光信号可以在光层进行路由的选择,这可以最大限度降低由IP路由带来的信号时延和信号抖动,有力提升了信号的QOS(服务质量)[9]。

5) 网络的扩展性强。SDH环形网络中,只要有某一个区段需要扩容,就需要对整个环形网络扩容,而栅格型ASON网络扩容只需对那些需要扩容的链路进行即可,并且可以根据实际情况,在一些节点之间增加光纤连接,从而改变ASON的网络拓扑。

6) 维护成本相对较低。ASON网络设备集成度高,初次建设投资高,但后期扩容与SDH相比具有成本优势,在网络规模较大时更为经济,在网络接口中配备自动资源发现、自动业务发现等功能,可以进一步减轻设备互联所需要的人工干预和手工配置,引入网络智能有利于降低维护成本。

7) 能提供新业务。ASON能够提供很多新型的业务,如OVPN(光虚拟专网)和BOD(按需提供带宽),实时动态地调整网络的逻辑拓扑结构,可以避免拥塞。在GIG-BE计划中,美军主要采用的技术和做法有:(1)采用密集波分复用(DWDM)技术,然后升级为ASON技术;(2)采用多协议标签交换(MPLS技术),然后升级为GMPLS技术;(3)兼容原有的网络系统,充分利用现有资源[10]。

6 结语

随着ASON技术的不断发展,以及ITUT、OIF和IETF等标准组织逐步完成标准的制定,ASON技术已经具备了实现商用的能力。对于军用通信网而言,ASON技术的引入可以增强网络业务的快速配置能力,实现业务的快速提供以取得战场先机,提高业务的生存性、有效抵抗网络多点故障、真正达到99.999%以上级的电信级业务等级,灵活提供不同的业务等级,满足目前迅速发展的差异化服务的需要,充分降低维护难度,通过信令实现对业务的快速调配和自动保护,提高运营效率,军用光网络正逐步向智能化光网络演进。

[1] 自动交换光网络(ASON)技术要求.第一部分.体系结构和总要求[S]. GB/T21645.1-2008.11-18.

[2] 刘玉贵,刘云.全光网通信的实现[J].通信技术,2008(10):174-179.

[3] 刘冬梅.下一代网络新技术研究-网格、光网络和ASON[J].电讯工程技术与标准化,2008(3):17-20.

[4] 唐雄燕,左鹏.智能光网络[M].北京:电子工业出版社,2005:97-105.

[5] 张冬辰,周吉,等.军事通信[M].北京:国防工业出版社,2007:470-474.

[6] 韦乐平.光网络技术发展与展望[J].电信科学,2008(3):1-6.

[7] 乐垠.自动交换光网络ASON技术的引进策略研究[J].移动通信,2010,1(下):11-14.

[8] 吴姗姗.面向信息栅格的异构资源通用管理机制[J].指挥信息系统与技术,2012(2):32-37.

[9] 陈麒,楚国锋.自动光交换网络在军用网络中的运用[J].中国新通信,2009(6):23-25.

[10] 王琦,任晓明,姜楠.自动光交换网络与军事应用[J].数字通信世界,2010(10):68-70.

Application Research of ASON Constructing Network

ZHENG Qiu

(The 28thResearch Institute of China Electronics Group Corporation, Nanjing 210007)

The principle and the technique feature of automatic switch optical network(ASON) are introduced firstly. Utilizing the related issues in the networking for ASON, the technique selection and access way of the networking, the characteristic of ASON is presented for military use. Finally the application prospect of ASON is given.

ASON, access network, networking, military optical network

2013年8月9日,

2013年9月24日

郑秋,男,硕士,高级工程师,研究方向:指挥所通信专用设备及通信总体技术。

TP393

10.3969/j.issn1672-9730.2014.02.004