仇英辉
北京邮电大学电子工程学院
摘要：自动交换光网络（ASON）是下一代智能光网络。本文分析了传统光网络的缺点，并分析了自动交换光网络的特点，对ASON的体系结构、网络结构模型和标准化进程进行了描述。
关键词：自动交换光网络，控制平面，传送平面，管理平面
1、引言：
迅速增长并日趋普及的全球互联网成为了当今通讯发展的最主要驱动力。甚至可以保守的估计，互联网的流量还将会在今后的若干年中以每六个月翻一番的速度扩张，这个速度远远超过了集成电路规模增长的摩尔定律。互联网业务量爆炸式的增长速度造成了在全球范围内以互联网为主的数据传输业务量早已超过传统的语音传输业务量，并且这个差距还会继续以指数级增大。
利用波分复用(WDM )技术，目前已经可以在实验室中做到单根光纤10Tbps的传输速度。很明显互联网上的数据传输流量限制不是由于传输线路造成的，而是由于数据在网络节点交换时进行光-电-光转换过程中的“电子瓶颈”造成的。归根结底，造成这一结果的原因是在引入了WDM 技术后，光通信带宽的增长速度比按照摩尔定律增长的集成电路规模的增长速度要快。
与此同时，光网络的成本结构也在不断的发生变化。在过去，WDM 技术出现之前，光网络的成本主要集中在光纤、放大器和信号再生器上，而节点上电子交换设备的成本相比之下非常小。但是在WDM 技术出现之后，巨大的传输带宽使传输成本大大降低，相比之下节点上电子交换设备的成本显得十分突出。因此引入节点数据的全光交换以降低成本就显得十分必要了。
在网络节点处将光信号转化为电信号在绝大多数情况下是没有必要的。这是因为这种转换只有当光信号到达目的节点时才有意义，而这只是少数情况。对于绝大多数情况来说，光信号只是经过这个节点，不需要进行光电转换。因此在这些节点采用全光交换不但可以消除光电转换中的“电子瓶颈”，还可以省去很多节点处的电子交换设备，降低了节点上的成本。这就是建设全光网络的初衷。为了实现全光交换，光网络的节点必须具有像IP 路由器一样的“智能”， 因而我们需要一个自动交换光网络(ASON: Automatic Switched Optical Network)。本文将对建立ASON 的一些基本问题进行概述。
2、传统光网络的缺点
在过去，网络的光层仅仅被看作是一个简单的传输工具。它的主要功能就是为各个电层设备(例如IP 路由器、ATM交换设备和SDH 数字交叉设备等)提供静态高容量的连接(例如2.5Gbps,10Gbps等)。这种光传输网络被用于提供带宽服务(PBS: Provisioned Bandwidth Service)。而对于网络管理员来说，这是一个费时且辛苦的工作，它需要耗费大量人工进行资源的配置。同时在很多情况下，还需要对光网络的结构进行重新设计。在传统光网络中，“智能”完全体现在电层，而光层仅仅好比是一些固定的大粗管道，为数据传输提供通道。总而言之，传统光网络的控制平面是通过网络管理实现的，这种结构必然会带来下述一些局限： 联互通困难，往往需要花费大量时间进行联调和测试。
传统光网络实行的是集中式网管，由中心网管来统一管理网络的所有资源。当网络的规模扩大时，中心网管的负担会越来越重，难以对网络状态变化做出快速、准确的反应。此外采用集中式网管的系统生存性也有问题，一旦中心网管出故障或者遭到恶意的攻击，可能会造成全网瘫痪。同时网络的故障恢复时间非常长——一般需要花费几分钟、几小时或者甚至几天、几星期,且故障恢复需要人工干预。
传统光网络中光通道的配置需要网络管理员人工干预，而网络中的业务需求则是不断变化的，这样就不能实时的、动态的改变光网络的逻辑拓扑结构以适应不断变化的业务需求。
传统光网络中网络设备的互操作性差，不同网络运营商设备的互联互通困难，往往需要花费大量时间进行联调和测试。
传统光网络限制了网络的可扩展性，同时它使信息服务种类的增加变得非常困难。
3、自动交换光网络(ASON)的特点
为了适应当今网络高速发展的要求，人们已经对“智能”的实现需要从电层转变到光层这一趋势达成了共识。近些年来，在光网络领域中出现的两大技术使电子交换设备动态向光网络申请宽带宽资源成为了可能，也使人们渐渐看到了光网络光明的发展前景。首先，经过多年的广泛研究，WDM 技术在光网络中日趋成熟，全光交叉连接设备(OXC: Optical Cross Connects)和全光分插复用设备(OADM: Optical Add-Drop Multiplexer)已经达到了实用的程度。随着OXC 和OADM 的发展，光信号可以根据其波长直接在光网络中路由，而不需要进行光-电-光的转换，这样便省去了节点处的电子交换设备。其次，效仿IP 路由器和ATM 交换设备的工作方式，并考虑到在光网络中，路由的选择与光传输距离、备用路由和原路由分集等因素有着直接关系，对其进行了改进，使客户终端可以在任何时间任何地点动态申请占用或申请撤销一个带宽资源。这种智能光传输网络被用于提供带宽服务(BODS: Bandwidth on Demand Service)。之所以称这种光传输网络具有“智能”，是因为它利用了现有的Internet 网络控制协议 (例如GMPLS: Generalized Multiple Protocol Label Switching 和OSPF: Open Shortest Path First)控制光信息通道的建立和拆除，而不需要人工的参与。
自动交换光网络(ASON)存在以下几方面优势：
能够快速、高质量的为用户提供各种带宽服务与应用：自动交换光网络使得业务供应商可以在几分钟甚至几秒钟内迅速的为用户提供一个波长通道，实现“光拨号”。还可以基于ASON 技术开发“波长批发”、“波长出租”及“光VPN”(虚拟专用网：Virtual Private Network) 等各种业务，有效的将光纤的物理带宽转化为最终用户带宽，从而使得网络运营商能够迅速开通各种增值业务。
更好的网络性能：由于OXC 和OADM 的引入，光信号可以在光层进行路由，这样可以最大限度的降低由IP 路由器带来的信号延时和信号抖动。这有利于保证服务质量(QoS: Quality of Service) 。
实时、动态的流量工程控制：这是ASON 的一个主要特性，它允许网络根据当前客户层的业务需求，实时、动态的调整网络的逻辑拓扑结构以避免拥塞，实现资源的“按需分配”(Bandwidth on Demand)。
快速、有效的网络保护和恢复机制：当网络发生故障时，ASON的管理平面和控制平面相配合以保证故障信息能够及时、准确的在网络中传播，备用或恢复路由可以快速启动，从而增强了网络的生存性。
良好的设备互操作性和网络可扩展性：通过定义统一的、标准的网络接口，不同网络运营商的设备可以很容易的实现互联互通；如果进一步在网络接口中配备自动资源发现、自动业务发现等各种功能，可进一步减轻设备互连时所需要的人工干预和手工配置，理想情况下能够达到类似于计算机设备“即插即用” 的功能。
ASON 这种能够根据网络中光层拓扑情况动态改变路由的能力造就了一个高效和高响应的传输网络，它为新型宽带网络服务铺平了道路。
4、ASON的体系结构
ASON中第一次引入了单独的控制面从而使光网络具备了智能。其体系结构主要表现在ASON的3种平面和3种连接类型上[2]。
4.1 ASON的3种平面
从功能平面讲，ASON由控制平面、传送平面、和管理平面组成。ASON引入了控制平面，使整个光网络发生了根本性的变化。图1是ASON的体系结构图。
控制平面：完成对连接的建立和删除以及其他操作的控制功能。控制平面包括一系列实现路由和信令等特定功能组件，用于连接的建立和释放等。控制平面可以在管理平面的控制下实现连接的建立，也可以独立与控制平面自己完成连接的建立和释放等功能。
传送平面：负责数据业务的传送。传送平面与控制平面和管理平面都有通信接口，通过这些接口，管理平面和控制平面就可对传送资源进行控制和管理。传送平面还可以提供控制平面和管理平面的通信信道。
管理平面完成传送平台、控制平面和整个系统的维护功能，主要面向网络管理者，着重对网络运行情况的掌握和网络资源的优化配置，负责所有平面间的协调和配合。管理平面对于整个网络拥有比控制平面更高的权限，管理平面可以划分管理平面和控制平面个子使用的网络资源。在某些情况下，管理平面可以强制拆除控制平面简历的连接。
4.2 ASON的3种连接
在ASON中存在着3种不同类型的连接：永久连接(provisioned connection)、软永久连接(soft-permanent connection)、交换连接(switched connection)。不同类型的连接是为了在不同的应用条件下提供不同类型的连接的目的。
永久性连接是从管理面直接配置传送面资源来建立连接的，这种连接的发起者和配置者都是管理平面，一旦建立连接，在没有管理平面的相应拆除命令情况下连接就一直存在。
和永久性连接相反，交换式连接的建立是由控制平面的请求来产生的，对传送平面资源的配置也是由控制平面来完成的。这种连接是应用户的请求而建立的，一旦用户拆除请求，那么这条连接就在控制面的控制下自动拆除了。
软永久性连接是介于这两种连接之间，这种连接建立的请求也是从管理平面发出的，但对传送网资源的配置却是由控制平面完成的。这种连接的拆除也是在管理平面的命令下完成的。
交换式连接的引入是整个ASON 的核心所在。正是由于有了交换式连接的引入，光网络才有了智能，从而可以根据用户的要求自动提供所需的光通道。而交换式连接是在控制平面的控制之下实现的。
5、ASON的网络结构模型
根据底层光传输网络与电子交换设备相互关系的不同，ASON中定义了两种网络模型，分别是层叠模型(Overlay Model) 和对等模型(Peer Model)。
5.1层叠模型
层叠模型也被称作客户-服务者模型(Client-Server model)。在这个模型中，底层光传输网络作为一个独立的“智能”网络层，起到一个服务者的作用。而电子交换设备被看作是客户。光网络层和客户层被明确的区分开来，它们相互独立，分别选用不同的路由、信令方案及地址空间。客户层和光网络层之间只能通过UNI 接口交换非常有限的控制信息。光网络内部的拓扑状态信息对客户层是不可见的。对于更高层的网络服务来说，底层光传输网络就好比一个有着若干接口(UNI接口)的黑箱子。通过这些接口，多种业务接入设备(如IP 路由器、ATM 交换设备和SDH 数字交叉设备等)可以动态向光网络申请带宽资源。
从本质上说，目前很多对客户-服务者模型所做的工作就是要确定一个在光网络层和客户层之间的接口协议，为多种业务接入设备提供数据传输服务。
客户-服务者模型的建立要求客户-网络接口(UNI: User-to-Network Interface)与网络-网络接口(NNI: Network-to-Network Interface)分开。其典型的光通道带宽通常可以提供2.5Gb/s 以上的传输容量，这个带宽足够在WDM 上进行IP 数据传输。客户-服务者模型的主要优势在于它可以很容易的投入到商用，使网络运营商可以拥有自己的UNI 和NNI，参与市场竞争。
5.2对等模型
在对等模型中，IP、ATM、SDH等电层设备和光层设备的地位是平等的。在这个模型中，为电层设备和光层设备建立了一个统一的控制平面。产生这个想法的原因是希望将现有在Internet 网络中使用的成熟的电层控制平面技术扩展到光层控制平面中。同时这个扩展需体现光层控制平面的特有特性。由于同时作用于电层设备和光层设备的统一控制平面的引入，电层设备和光层设备之间不存在明显的界限。因此层叠模型中的UNI 接口在对等模型中没有存在的必要。
在对等模型中，对于每一个电层设备(例如IP 路由器、ATM 交换设备和SDH 数字交叉设备等)都清楚的了解全网中所有设备的拓扑情况。通过这种机制允许一个电层设备独立计算一个贯穿整个网络的完整的端到端路由。这种对等模型通过开放设备市场以增加网络运营商之间的竞争。通过设置一个统一的控制平面，每个网络运营商可以使用其它网络运营商的基站设备。它的好处是可以避免用不同的方法管理一个不统一的光网络带来的复杂性。
对于对等模型来说，实现它最大的困难就是光网络服务和IP 服务不同，它需要支持诸如“线路出租”之类的服务。因此它较其他网络模型来说需要更长的标准制定期。除此之外，在对等模型中，每个电层设备都需要维护一个巨大的链路状态数据库。而在层叠模型中光层的拓扑信息对电层设备来说是没有任何意义的。
6、ASON的标准化
为了实现数据在光层的智能交换，考虑到规范通用的要求，制定一种全球标准是十分必要的。目前有很多权威组织和产业论坛正着手制定自动交换光网络的一些标准，目的是能够提供一些开放的接口。以下列举的是三个组织目前对自动交换光网络进行的一些工作情况。
6.1 国际电信联盟标准部(ITU-T： International Telecommunication Union)
2000年2月到3月的Q19/13 会议上，应美国和英国电信代表的提议，国际电信联盟开始开展对自动交换光网络的研究，并制定了建议草案G. ason。G. ason可以被归类到上面提到的层叠模型。
在后来的工作中，ITU-T 又将ASON 的概念进行了推广，使之适用于不同的传送网技术，从而制定了新的草案G.8080(智能传输网络－ASTN：Automatic Switched Transport Network)。这种网络为在全网中建立和释放连接通道提供了一系列控制机制。现在ITU-T已经形成了一系列框架标准，包括G.871, G.872, G.874, G.875,G.709, G.798,G.959,G.7719等。
6.2 Internet工程任务组(IETF：Internet Engineering Task Force)
IETF负责GMPLS (Generalized Multiple Protocol Label Switching) 和相关技术的开发。GMPLS 对MPLS 进行扩充，引入了时分复用机制 (例如SONET，TDMs)、波长变换机制 (例如光λ)和空间交换机制 (例如从入端口或光纤到出端口或光纤)。IETF希望GMPLS 能够同时具有对等模型和层叠模型的优点。
6.3 光互联论坛(OIF：Optical Internetworking Forum)
OIF不是一个正式的标准化组织。OIF 的初衷是要定义客户-网络接口(UNI：User-Network Interface)和通过这个接口提供的网络服务，尤其是实现在光层面的IP 数据传输。虽然这个组织最终需要建立一个开放的网络结构以适应更广泛的客户群(例如IP 路由器、SONET、千兆以太网、帧中继等)， 但它们还是决定要将目前的首要任务定位在将IP 路由器作为光网络的客户上。
7. 结束语
随着新一代光网络技术的日趋成熟，光网络正在从静态的、非智能的、需要外控的传输层面向动态的、智能的、自控的传输层面转变。自动交换光网络将IP 传输网的智能性和WDM 光网络的宽带宽有机的结合在了一起。有了WDM 宽带宽，自动交换光网络可以提供巨大的传输容量，同时单位比特信息的传输成本大大降低。有了IP 传输网的智能性，自动交换光网络可以很好的和目前的电层面设备无接缝连接。因此可以毫不夸张的说，自动交换光网络是一个成功的结合。
参考文献
1. ITU-T Recommendation G. 807. Requirements for Automatically Switched Transport Networks (ASTN) [S].
2. ITU-T Recommendation G. 8080/ Y. 1304-2001, Architecture for the automatic switched optical networks (ASON) [ S] .
摘自 光纤新闻网
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