张春蕾 金耀辉 胡卫生
上海交通大学电子信息与电气工程学院
摘 要 首先概述了ASON的基本概念、体系结构和功能特征,介绍了3个国际组织关于ASON及其控制平面协议GMPLS的标准化工作进展,特别分析了三者之间的关系。然后,扼要而重点地讨论了ASON作为新的运营网所面临的、与动态交换相关联的新问题,最后分析了现有网络向ASON演进的方案和策略问题。
关键词 ASON ASTN GMPLS
波分复用技术(WDM)和SDH技术的发展和应用使运营商彻底摆脱了“带宽饥渴”瓶颈,未来将需要采用更有效、更经济的手段来管理和提供带宽,实现“带宽小康”目标,ASON便是其中最有效的手段之一。
1 ASON的体系结构
按照ITU-T G.8080(G.ason)建议,ASON分为传送平面、控制平面和管理平面3个独立的平面,其中,与底层无关的标准智能光网络称为自动交换传送网(ASTN),底层为光传送网(OTN)的ASTN称为ASON。ASON是ASTN的主要发展方向,本文将不严格区分和界定ASON和ASTN。
此前,光传送网只有传送平面和管理平面,没有分布式智能化的“控制平面”,因此,有人认为,ASON概念的提出,第一次将传输、交换和数据网络结合在一起,实现了真正意义上的路由设置、端到端业务调度和网络自动恢复,是光传送网的一次具有里程碑意义的重大突破。
传送平面包括提供子网络连接(SNC)的网元(NE)。它具有各种粒度的交换和疏导结构,如光纤交叉连接、波带和波长交叉连接;具有各种速率和多业务的物理接口(PI),如SDH(STM-N)、POS(OC-Nc)、以太网接口、ATM接口以及其它特殊接口等;具有与控制平面交互的连接控制接口(CCI)。
控制平面(Control Plane)实现对传送平面的灵活控制,相当于NE的“大脑”。因此,ASON主要是关于控制平面的解决方案,它基于通用标记交换协议(GMPLS)族,包括信令协议、路由协议和链路资源管理协议等。其中信令协议用于分布式连接的建立、维护和拆除等;路由协议为连接的建立提供选路服务;链路资源管理用于链路管理,包括控制信道和传送链路的验证和维护。控制平面提供网络节点接口(I-NNI和E-NNI)以及用户网络接口(UNI)。
管理平面同时对传送平面(通过NMI-T接口)和控制平面(通过NMI-A接口)进行管理。
从GMPLS的角度来看,网络节点相当于是LSR(标记交换路由器),建立的光通道等物理连接是LSP(标记交换通路)。
顺便指出,“客户”是指各种路由器、交换机、服务器以及终端等,这些设备在享受A?鄄SON提供的智能带宽服务时,需要装备提供UNI接口的用户代理(RA)。
ASON除继承了传送网的优点外,还具有以下特点:
(1) 流量工程允许将网络资源动态地分配给路由;
(2) 恢复和复原能力使网络在出现问题时仍能维持一定质量的业务,特别是分布式恢复能力,可以实现快速业务恢复;
(3) 形成一个响应快、成本低的光传输网;
(4) 可以提供新的业务类型,例如按需带宽业务(BOD)和光层虚拟专用网(OVPN)等。
2 ASON的标准化进展
到目前为止,有5个标准化组织进行了ASTN/ASON的标准化工作,包括ITU-T、T1X1、ODSI、OIF、IETF。T1X1的标准化工作与ITU-T的标准化工作比较相似,ODSI的标准化工作实际上已经并入到OIF的标准化工作(为OIF的标准化工作做铺垫)。这样,共有三大标准化组织在进行与ASON(但不限于ASON)有关的标准化工作,他们之间有相同或相近的目标,但技术出发点和描述有所区别或侧重,甚至于有所分歧。其中ITU-T主要集中于网络框架体系结构、总体需求以及控制面的特性方面的建议;IETF侧重于控制平面协议,试图扩展已经广泛使用的基于IP的路由和信令协议;OIF光互联网论坛主要从UNI和NNI接口方面提出业务和相关信令的要求。
2.1 ITU-T
ITU-T新的工作进展如下。
(1) G.8080/Y.1304在2003年1月进行了修订,增加的内容主要有对连接的监视和修改、新的控制组件、多层次的控制平面的协调、对控制平面失效的处理、ASON保护和恢复等。
(2) G.7712发展到了1.1版本,原先的建议只支持无连接的服务,现在加入了对面向连接网络服务的支持,采用的是基于MPLS的机制。
(3) G.7713发展最为迅速(信令协议),已经衍生了3个基于具体协议实现DCM(Distributed call and Connection Management)的新建议,即G.7713.1基于PNNI的DCM、G.7713.2基于GMPLS RSVP-TE的DCM以及G.7713.3基于GMPLS CR-LDP的DCM。其中,G.7713.1目前只支持SPC,包括消息格式和控制处理流程;G.7713.2目前只适用于UNI和E-NNI,支持软永久连接(SPC)和永久连接(PC),用于呼叫控制器、连接控制器和链路资源管理器。G.7713.3可在UNI、I-NNI和E-NNI进行自动呼叫和连接操作,但不涉及选路、DCN使用和自动发现。
(4) G.7714发展出了G.7714.1———SDH网络和OTN中自动发现协议。G.7714.1将基于OIF UNI 1.0的邻居和服务发现,并增加UNI1.0不包括的一些内容。
(5) G.7715/Y.1706 (G.rtg)———ASTN选路,定义了在ASON中建立SC和SPC连接选路功能的结构和需求。
(6) G.7716/Y.1707(G.lcs)也有了最初的版本,但主要是重复G.8080中的链路资源管理器(LRM)的部分内容。
(7) G.7717/Y.1708定义了ASTN的连接接入控制。
2.2 IETF
IETF发挥其在IP方面的优势,继承IP路由协议和多协议标记交换(MPLS)的信令体系,使IP设备与ASON设备在路由、拓扑、信令等方面实现互通;边缘IP设备能发起ASON的链路和通道连接;以IP为中心,客户层(网络层)是纯IP,而服务层则涵盖所有主流传输和链路层技术,包括光纤连接、ASON、SDH、FR、ATM等,这与ITU-T有很大的区别。起初,IETF的信令要求主要基于对等模型,无明确的UNI和NNI概念,近来也覆盖客户/服务器关系,即重叠模型,但其基本倾向仍然是对等模型。
IETF与ASON有关的工作组包括CCAMP、MPLS和IPO等,提出了通用多协议标记交换(GMPLS)扩展的一系列标准草案,它包含诸多相关的子协议系统,主要有LMP、OSPF-TE、RSVP-TE以及CR-LDP等,是目前比较完善和详尽的A?鄄SON控制平面技术建议草案。
CCAMP工作组在2003年1月形成了3个关于GMPLS信令方面的RFC文档,即RFC3471(GMPLS Signaling Functional Description)、RFC3472 (GM?鄄PLS Signaling-CR-LDP Extensions)以及RFC3473 (GMPLS Signaling-RSVP-TE Extensions)。CCAMP工作组目前的工作主要集中在3个方面:GMPLS对SONET和SDH控制的扩展;基于GMPLS的恢复(包括保护和恢复)机制,包括多条LSP(Label Switch Path)的恢复和REVERSION(复原);LMP的讨论。
IPO工作组提出了几个草案,其中在光网络业务需求方面,从端用户和运营商的角度描述了ASON对光业务的需求,主要描述了业务组成模块和业务相关的控制平面功能需求。而“IP over Optical Networks:A Framework”提出了关于IP over Optical Networks的框架结构。新一代Internet正在向高速路由器通过光核心网互联的模型发展。IP和光网络层之间的结构的选择特别是路由和信令方面已日渐成熟。业界已基本达成共识:光网络的控制平面应该采用基于IP的协议来实现,为IP流量工程开发的信令和路由机制可以重新在光网络中应用,不过光网络的特定的需求要求必须对原有的协议进行改进。
2.3 OIF
OIF一直在进行UNI协议的研究和讨论,于2001年10月推出了“用户网络接口信令规范1.0(UNI 1.0)”。UNI 1.0从信令、地址、自动发现等方面详细讨论了具体的设计方案,如信令方面给出了基于LDP扩展和基于RSVP扩展的两种建议。OIF得到了众多制造商和运营商的支持,在2001年进行了有多家通信公司参予的UNI 1.0互操作性演示。2002年6月,OIF发布了UNI 2.0草稿,U?鄄NI2.0除支持SDH/SONET客户信号外,还计划加入对以太网信号的支持,并支持带宽调整。在2003年3月的OFC上,OIF进行了UNI/NNI的互操作性测试,目的是验证域间E-NNI的概念和UNI/NNI互操作方案,证明UNI 1.0的成熟性。Nortel、Ciena、NEC、Alcata等众多厂商参加了这次测试。
2003年5月OIF颁布了UNI/NNI安全性规范。新的规范定义了用于目前正在开发的UNI 1.0 IA和UNI2.0以及NNI实现协定的安全性通用扩展。NNI信令协议(NNI 1.0)的功能要求草案已提交给了ITU-T,该草案主要包括网络参考模型、运营商业务、控制平面调用、连接管理需求、编址方案、生存性、可扩展性、域间互连、路由收敛和安全性等方面的内容。相关的文档包括:E-NNI requirements(Draft 2002.11),OIF Intra-Carrier E-NNI Signaling Specification (E-NNI 1.0)以及NNI Implementation Agreement for OFC 2003(2003 3/10)。
2.4 3个标准组织之间的合作
各标准组织都有各自的侧重点和针对性,但是它们之间也越来越注重合作。ITU-T的优势主要在网络结构和特性方面,IETF的主要优势在路由信令部分,这两种标准体系开始相互借鉴和采用,大大加快了ASON标准化的进程。例如,ITU-T G.7713是基于IETF的ATM PNNI、GMPLS RSVP-TE和 GMPLS CR-LDP信令协议而制定的。IETF CCAMP工作组的专家受ITU-T SG 15的邀请,参加了2003年6月的ITU会议。ITU-T SG15和IETF合作的主要内容在ASON路由、自动发现、恢复/重路由等方面。G.7714是基于OIF的UNI 1.0标准的而制定的。IETF在OVPN方面工作组PPVPN可能要与ITU-T合作提出相关的草案。各个标准组织间的合作必将促进ASON标准制定的进程,有利于提高ASON标准体系的完整性、互操作性和可实现性。
3 动态关联问题
目前,运营商非常关注ASON的发展,他们一方面希望运营网能够具有类似于ASON的智能化功能,另一方面更加关注ASON所带来的新问题,特别是与网络的动态性有关的规划设计、路由和资源分配(RWA)、保护和恢复(P&R)、新增值业务等。
3.1 规划设计
网络规划设计中用到两种拓扑结构:物理拓扑和逻辑拓扑。物理拓扑表征网络节点的物理结构,即网络节点的物理连接关系;逻辑拓扑又称为虚拓扑,表征网络节点间业务的分布情况。逻辑拓扑与物理拓扑是紧密联系的。
基本的物理拓扑包括:线型、星型、环型、树型和网孔性。其中网孔型的可靠性最高,但是结构以及相关的控制和管理复杂,一般仅适用于可靠性要求高的骨干网;环型拓扑实现简单、生存性强,在各种场合都有应用。在具体选用时,应根据建设成本、站点分布、业务需求以及网络的可扩展性等方面的因素综合考虑。
物理拓扑的设计是在保证网络传输能力的前提下,选择节点位置和可用部件时建设费用最少的方案;而逻辑拓扑的设计是在物理拓扑的基础上,结合节点的业务分布情况,选择通道构成方案使信息传送性能达到最佳。
3.2 动态性
物理拓扑与实际的光缆线路敷设直接相关,不能随业务改变而随时改变;而基于LSP的逻辑拓扑是与节点之间的业务分布情况紧密联系的,可以通过对控制平面或管理平面的软件配置来进行改变。这称为网络的可重构性,即网络逻辑拓扑是动态变化的。
在用户业务量发生变化时,光网络应该可以在不改变实际光缆敷设的情况下,改变网络的连接关系,调整光网络中波长资源对上层用户的分配,从而最大限度地利用网络波长资源,这样可以大大提高网络的灵活性和生存性。与传统的网络相比,ASON可以大大增加动态性、缩短配置时间、降低运营成本,这也是ASON的主要特点。
3.3 路由和波长分配原理
对于给定的光网络,物理资源总是有限的,因此如何有效地分配网络资源显得非常重要。为了解决这个问题,通常有静态和动态波长路由两种方法。在静态或准静态的路由波长算法中,网络各节点对之间的业务请求矩阵是预先知道的,网络中所有节点对之间的路由和波长分配(RWA)是离线的,可以通过线性规划得到。
但是,实际中客户的连接请求是经常发生变化的,所以静态的路由波长算法对网络资源的利用率较低。光网络的动态RWA会受到许多因素的限制,例如网络的拓扑、路由和波长分配策略、业务模式、节点结构以及网络的控制和管理模式等。
3.4 保护和恢复(P&R)
网络的生存性是运营网络的主要指标之一。目前的SDH网络都是采用自动保护倒换(APS)技术,它最大的优点在于原理简单、可靠性高、50 ms 的快速恢复时间,但是这种方式对网络带宽的冗余要求很高(如100%),而且一般只适用于环网和线网等简单的网络拓扑形态。
真正的核心网上的业务流量巨大、网络拓扑复杂。由于光网络中建立的宽带连接通常用于承载重要的用户数据,因此网络的可靠性对于运营商和客户都很重要。一般而言,ASON的恢复是指对数据平面的故障进行基于控制平面的恢复,并且要求控制平面的故障不能导致任何数据平面的中断。
基于GMPLS的故障恢复方案包括保护(pro?鄄tection)和恢复(restoration)两种。保护方式(P)可以提供有效的恢复,业务间断时间很短,但网络资源的冗余度高,所以成本很高。恢复方式(R)能有效地利用网络资源,一个完整的恢复方案应包括采用保护或恢复方式、故障检测、通告(notifi?鄄cation)机制和协议。但恢复方式可能会因业务中断时间较长而对业务的影响要大一些。因此,网络恢复是在网络资源的利用率和服务间断时间之间的一种折衷,不同的恢复方案是在网络冗余资源需求和业务间断时间之间不同的权衡。
恢复可被用于网络的不同级别,一般分为以下3种:
(1) 本地或跨段(span)恢复:恢复LSP的两个节点之间的一条链路(link)。
(2) 段(segment)恢复:恢复LSP段。
(3) 端到端(end-to-end)恢复:从源点到目的点,恢复整条LSP。
端到端的恢复不需要提前分配资源,修复后的LSP需要的网络资源与故障前相同,不需要对信令协议进行改动。端到端的恢复适合于任何情况下,而且恢复满足流量工程的目的。缺点是速度比较慢,需执行故障定位,并且故障通告穿越网络要花费时间。只有故障发生时才进行LSP的重新选路。
LSP、LSP Segment以及span这3种恢复的主要区别在于信令消息穿越的中间节点个数的不同。因为在LSP(或LSP 段)恢复情况下,节点不必是邻接的,信令消息从汇报实体到决定/恢复实体只能穿过若干中间节点,特别是这些信息将应用于通告信息,这将导致额外的传播和转发时延。此外,应用于端到端的LSP和段(可能包括一条端到端的LSP)的恢复机制可能是完全相同的,因为有可能故障通告消息的目的节点是这些段的入口。
3.5 新增值业务(如OVPN、BOD等)
要在物理层上建立一个基于SDH/SONET的光纤服务连接,过去一般需要几个月的时间,而现在根据网络的可用资源,ASON可以在几分钟内开通一个OVPN或提供BOD业务。因此,通过智能光纤网络可以构建一个利润非常大的市场,通过在带宽贸易群集点上把销售方和购买方连接起来,智能光纤网络可以实现带宽贸易。这在目前尽管执行起来还存在着一定的难度,但广阔的应用前景和迅猛的技术发展已经明确了光网络的这一发展方向。
LSP的动态性和新增值业务需要ASON提供可靠的计费系统。OIF就制定了UNI在有关计费方面的规范。
4 网络演进
传统的和现有的网络都需要“与时俱进”,向下一代支持多信道、高容量、可配置、智能型的网络演进。在这种演进过程中,点到点的WDM系统和大规模的SDH设施是必须利用的基础资源,通过ASON/ASTN实现“光联网”。网络的演进之路不会是惟一的,以下是笔者的预见。
4.1 现有设施的约束
运营商满意的网络演进方案应该是在现有基础设施的基础上进行,而不是完全另起炉灶。在目前的网络中,SONET/SDH设施占绝对优势,WDM占部分优势,所以应该将现有的基于SONET/SDH和WDM的网络转变为更动态、更智能的多业务光网络,这是最基本的立足点。
对于SDH,需要进行两方面的发展:(1)对于传送平面,ITU-T提出了通用成帧协议(G.7401 GFP)和链路容量调整方案(LCAS,G.7402)的建议,并且目前已经有很多设备商可以提供产品。运营商可以在现有设备的基础上增加这两种模块。(2)对于控制平面,设备商和运营商可以通过配置基于GMPLS的控制平面来实现向ASON的平滑过渡。
对于WDM,也需要进行两方面的发展:(1)对于传送平面,可重构型的光联网节点如光交叉连接器(OXC)和光分插复用器(OADM)已经开发成功,从而使由网络提供商动态波长指配成为现实。(2)对于控制平面,通过在新型可重构的光网络节点设备中增用GMPLS协议族,使之成为自动交换的光节点设备。未来可直接基于WDM部署自动交换的OXC和OADM。
4.2 光交换与电交换
此前,业内热衷于发展光交换的OXC和OADM,大力宣传其透明性,并对大容量的微机械光开关(MEMS)寄予厚望。然而,2002年,对光交换的热衷骤然冷却,甚至于冻结。原因之一是依赖于WDM而兴起的“光摩尔定律”大大趋缓,暂时没有必要进行光交换(波长路由);原因之二是光交换成本太高,不具有实用性;原因之三是光交换本身的固有缺陷(与透明性有关,常被人忽视)。
不妨做一个比喻:在经济不十分发达的年代,价格标示到“分”,然后标示到“角”(除了超市,现在难见分币),未来经济更发达了,价格可能标示到“元”,甚至“十元”、“百元”,相应地,币值将出现“千元”。“千元”相当于“波长”。现在的网络需要交换的粒度是“元”(SDH),还没有到“千元”(波长)的时代。我们既不能否认光交换技术的优势,也不能不面对现实,基于SDH的电交换方案是目前最合理的选择。事实上,设备商目前基本上停止了光交换设备的开发,转而发展电交换设备(名称上仍称为光交换)。
4.3 MPLS与GMPLS
GMPLS的目标是为多类型的交换网络提供统一的控制平面,包括信令和路由部分。与传统的MPLS相比,GMPLS能够支持多种类型的交换方式。为了实现这些能力,GMPLS必须扩展原有的MPLS协议功能。
将MPLS应用于光层扩展成GMPLS时,必须充分考虑光层与IP层不同的特点,需要做较多的扩展,主要集中在下述几个方面:
(1) 需要有新的链路管理协议(LMP)来处理光网络层的链路管理问题;
(2) 扩展OSPF和IS-IS路由协议来实现网络中可用光资源的通告,如不同链路类型、波长内的带宽、链路保护类型和光纤识别等;
(3) 增强RSVP和CR-LDP信令协议,以便在光核心网对标记交换通道(LSP)实施显式标记用于流量工程;
(4) 增强扩展性,例如采用分级的标记交换通道结构、链路捆绑和无编号链路等解决方法。
4.4 技术的成熟度
ASON的控制协议主要是指GMPLS协议族,是下一代数据和光通信网络不可分割的组成部分,据IETF 2002年12月调查(Generalized MPLS Signaling - Implementation Survey),目前实现GM?鄄PLS协议的厂商有(按字母顺序):AcceLight、Agi?鄄lent、Alcatel、Calient、Ciena、DCL、ECC、Firstwave、HCL、Intel、JT、Juniper、Lumentis、Marconi、Movaz、NEC、NetPlane、NTT、Nortel、Polaris、Sycamore、Tel?鄄lium、Tropic、Wipro等。中国上海交通大学和清华大学也开发了GMPLS族。
上述厂商的实现形式可以分为设备、代码、测试设备3类。一些国际知名的电信设备商,尤其是那些光通信产品的设备商,都宣称推出了ASON或智能光网的节点设备。比较典型的包括:Lucent的WaveStar?誖LambdaRouter,采用MEMS技术的波长级全光交换机,具有256×256的交换能力,可工作于任何光层比特率,包括40 Gbit/s或者超过40 Gbit/s,且可动态地设置容量,是一种无阻塞、模块化和易扩展的产品;Nortel公司的OPTera Con?鄄nect HDX是目前明确说明参照G.astn标准的产品,是大容量(Terabit)、高性能、适用于核心骨干网的光交叉连接设备;Alcatel公司的Optinex 1660 CrossLigh系统采用了全光交叉连接技术,可动态分配带宽、提供多达4 000个透明波长端口、实现光层恢复、单端口支持40 Gbit/s;CIENA公司开发的MultiWave CoreDirector不仅能提供波长级的交换,还具有STS-1的业务疏导能力,可以有效利用网络带宽。
Agilent提供了业内的第一个GMPLS全方位测试解决方案(RouterTester),它可以在实际的测试条件下完成协议的一致性测试、互操作能力测试和强度测试。
调查显示在GMPLS信令协议的实现上多数厂商选择了RSVP-TE,少数厂商选择了CR-LDP。鉴于GMPLS技术的发展特点和复杂度,许多功能还处于草案讨论阶段,没有形成统一的标准,目前各网络设备制造商提供的设备都处于开发阶段。
4.5 城域网与骨干网
从目前的业务类型和运营类型上来看,ASON可能会首先在城域网中得到应用,然后应用于骨干网中。因为,城域网有相当的容量、极高的带宽管理要求、有实时变化的业务流向,是最有可能产生新收入的地方。由于城域网能够将接入网和骨干网连接起来,因此,它必须易于扩展、经济有效,并能够满足越来越多的带宽服务、按需接入和服务供应的需求。城域网已成为运营网络整体迁移到更简化、更灵活、扩展能力更强的体系结构的关键。目前各种新兴技术正在推动着城域网建设的迅猛发展,其中基于SDH的MSTP(新一代)是近期城域网建设的热点技术,它可能在运营商大规模城域网建设中发挥重要作用。ASON是将来城域网建设的最终选择,太比特宽带城域核心网将采用自动交换技术。
在城域网中采用ASON协议,应该采用那种标准?从设备商、运营商以及标准成熟度来看,ITU-T的标准可能更适合一些。
但是,不能排除ASON首先在骨干网中应用。新运营商的出现、国家计划的推动或集团运营商(如ATT和中国电信)的规划等,都会促使骨干网首先采ASON技术。只有在骨干网、城域网(甚至接入网)中实现ASON时,才能标志着ASON时代的到来。
----《电信技术》
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