城域光网络的关键技术

袁飞

　　摘要：文章描述了城域光网络的定位和基本功能，介绍了基于SDH的多业务传送平台的几种关键技术，对城域智能光网络的发展进行了展望，最后介绍了中兴通讯向ITU-T SG15提交的相关提案。

　　关键词：城域网；多业务传送平台；弹性分组环；波分复用；自动交换光网络

　　目前中国电信运营商均提出了各自的城域网建设计划，有些已经开展。建设城域网的目的是为了实现网络优化，在长途骨干网与用户接入网之间消除“断层”现象。城域网将分布在城市不同地点(企业、机关、商住楼、宾馆、学校、智能小区等)的用户业务进行优化处理后，再送往骨干网络，从而使网络层次变得清晰，效率也得到极大提升。

　　城域光网络是城域业务的承载体，如果光网络只是“傻瓜式”地传送业务信号，那么业务层的压力就非常巨大。这一点，老牌运营商体会非常深刻，因为以往数据设备主要依靠光纤直连方式组网，传送设备爱莫能助，现在他们正在修正建网思路。新兴运营商则在城域接入和汇聚层直接采用多业务传送设备来分担业务层的压力，这在某种程度上，可以减少运营商设备投资和提高网络的性价比。

　　采用城域光网络分担业务层的压力主要有如下好处：可以节省光纤资源，因为纯粹数据设备的光纤直连组网方式浪费光纤资源(部分运营商的城域光纤资源非常丰富，但并非取之不尽、用之不竭)，并且每增加1个数据节点，其他节点的配置均要改动；另一方面，除能提供业务信号的透明传送功能外，城域光网络设备还可以提供动态带宽分配能力，即在设备内部直接对数据业务进行汇聚、梳理以及整合。

　　传统的SDH设备在业务侧提供低速的STM-N接口以及PDH接口，对时分复用(TDM)业务具备最佳的承载能力。但为了适应数据业务的接入，SDH必须对自身进行改造，演变成为基于SDH的多业务传送平台(MSTP)；此外，波分复用(WDM)设备也要进行改进，演变成为基于WDM的多业务传送平台。一般说来，城域网可以分为3个层次：骨干层、汇聚层和接入层。与之相对应，根据容量大小，城域光网络的接入层和汇聚层可以采用基于SDH(2.5 Gb/s及以下速率)的MSTP；骨干层可以选用基于SDH(10 Gb/s速率)的MSTP，经济发达地区可以采用城域WDM系统。

1 多业务传送平台的关键技术

　　目前，运营商的城域光网络应从采用单纯的SDH设备转向采用基于SDH的多业务传送平台(MSTP)。MSTP可以基于多种线路速率实现，包括155 Mb/s、622 Mb/s、2.5 Gb/s和10 Gb/s等。一方面，MSTP保留了SDH的交叉能力和传统的SDH/PDH业务接口，继续满足话音业务需求；另一方面，MSTP提供ATM处理、以太网(Ethernet)透传以及Ethernet(或RPR)的2层交换功能来满足对数据业务进行汇聚、梳理和整合的需求。

1.1 ATM处理

　　MSTP可以提供ATM处理模块。针对ATM业务接入，如多点ADSL接入复用器(DSLAM)接入到宽带接入服务器的应用场合，以及未来3G的基站接入到NodeB、或NodeB接入到RNC的应用场合，通过虚通路/虚通道信元交换和统计复用功能，将在若干节点分别接入的多个155 Mb/s时隙收敛到SDH环的1个155 Mb/s时隙，实现1：N业务收敛功能，节省了带宽资源，同时所有业务可以共享ATM的VP-Ring保护。此外，ATM处理模块还可以提供永久型虚电路(PVC)专线和ATM组播业务。

1.2 以太网透传和桥接

　　MSTP可以提供Ethernet的透明传送功能，将来自用户的以太网信号不经过2层(L2)交换，直接映射到SDH的虚通道(VC)中，然后通过SDH网络进行点到点传送。除透传功能外，MSTP还提供桥接功能，即通常所说的L2交换功能，该功能可在1个或多个用户的以太网接口与1个或多个独立的基于SDH VCN的链路之间提供基于以太网的媒体访问控制(MAC)交换。SDH的VC-N链路可以供多个用户端口，实现带宽共享或提供端口汇聚能力。交换模式可以分为3种，第1种为常规的网桥交换模式，即在进行数据交换时，屏蔽掉虚拟局域网(VLAN)，仅仅按照MAC地址进行数据包的转发。该方式的优点是当业务包括大量的VLAN时，可以减少配置的工作量。VLAN业务的安全性由外部数据设备保证。第2种为虚拟网桥(VB)模式，即在进行数据交换时，同时按照MAC地址和VLAN进行数据包的转发，这是一种最常用的配置方式。第3种为虚拟通道模式，即在进行数据交换时，屏蔽掉MAC地址，由VLAN决定转发端口。允许从不同端口输入源地址相同的数据包，同时对各种协议实现透明传输，并可按照VLAN对业务进行汇聚。

　　在2003年1月于瑞士日内瓦举行的ITU-T SG15会上，中兴通讯针对虚拟网桥模式向ITU-T提供了有价值的文稿，并得到了采纳。

1.3 虚级联

　　目前，数据业务可以通过多种途径在MSTP网络中传送，比如采用连续级联和虚级联的方式。相对于连续级联而言，虚级联可以走不同的路由，带宽指配更为灵活。在发送端，数据包按照字节拆分的方式映射到不同的VC-N中，由于包到达接收端的顺序不一样，因而所有的包必须缓存起来，通过延时补偿恢复出原来的数据。如10 Mb/s和FE业务可采用VC-12或VC-3的虚级联方式来承载，而GE业务则采用VC-4或VC-3的虚级联方式来承载。因为虚级联要采用开销字节H4或K4来进行复帧的搜索和处理，所以发生保护倒换时，虚级联引起的业务受损时间有可能超过50 ms。在不同厂家的MSTP进行互通测试时，虚级联开销的处理是一个重要的判别因素。中兴通讯向ITU-T提交的文稿“虚级联对业务受损时间的影响”得到了认可和吸纳。

1.4 通用成帧规程

　　通用成帧规程(GFP)属于ITU-T G.7041规范，是一种新的封装规程。除传统的点到点协议/高速数据链路协议(PPP/HDLC)、SDH上的链路接入规程(LAPS)外，Ethernet over SDH的封装协议可转向GFP。其他数据业务，如ESCON、FICON、Fiber Channel等，如果要映射到SDH甚至OTN的帧结构中，同样可采取GFP的方式。

　　GFP可灵活采用成帧映射和透明映射两种方式。成帧映射需要将客户数据缓存下来再封装到GFP帧结构中，此方式只适用于对时延、抖动不敏感的业务；对于那些需要更小时延以及更高传输效率的业务，如ESCON、FICON、Fiber Channel等，需要采用透明映射方式，即直接将数据从客户数据块中取出，再映射进周期性的、长度固定的GFP帧结构中。

　　同ATM的信元定界类似，GFP在核心帧头中设置了PLI(2字节)和cHEC(2字节)，通过“帧长度判别”以及“搜索态”、“预同步态”、“同步态”3种状态的迁移来完成帧定界。GFP的帧复用指将来自客户端的数据帧复用成“一帧接一帧”的形式，并通过插入空闲帧(长度4字节)来完成到物理层的速率适配。帧解复用是帧复用的相反过程。

　　GFP提供多种扰码机制，最大限度地抑制了伪数据帧的出现。GFP提供优良的纠错机制，可保证在物理链路发生误码时依然能正常工作。值得关注的是，G.7041修订版对将多协议标签交换(MPLS)映射进GFP作了规定，对弹性分组环(RPR)用户信息分配了用户净负荷标识(UPI代码)“00001010”，使得今后在多厂家的MSTP进行互连互通时，GFP是一个重要环节。因此GFP将获得越来越广泛的支持和应用。

1.5 链路容量自动调整策略

　　MSTP的新亮点是LCAS，即链路容量自动调整策略，属于ITU-T G.7042规范，适用于SDH和OTN的链路容量动态调节。以SDH为例：如果承载数据业务的VC组(VCG)中的一些VC通道发生故障或出现告警指示信号(AIS)时，可以利用SDH的通道开销H4和K4字节的控制字段进行握手协议处理，将这些VC成员暂时删除，从而自动地降低承载带宽，保证所承载的数据业务无损伤；如果告警消失或故障恢复，所承载的数据业务则恢复到应有的带宽。这种自动调整适合VCG中的每一个成员。需要提醒的是LCAS的操作进程是单向的，这意味着要双向增加或减少VCG的成员数目，该操作进程在两个方向都必须进行。两个方向的操作可以相互独立，并不要求同步。

　　在VC成员失效时，VCG链路的末端节点首先检测出故障并向首端节点发送成员失效的消息(MST=FAIL)，指出失效成员(设为成员i)；首端节点将成员i的控制字段CTRL设置为“不可用（DNU）”，发往末端节点；末端节点仅采用仍能够正常传送的VC重组VCG(即将失效的VC从VCG中暂时删除)，此时首端节点亦将失效VC从VCG中暂时删除，仅仅采用正常的VC发送数据；首端节点将动作情况上报给网管系统。

　　在VC成员故障恢复时，VCG链路的末端节点首先检测出失效VC已经恢复，向首端节点发送成员恢复消息(MST=OK)；首端节点将该成员的控制字段CTRL设置为“正常（NORM）”，并发往末端节点；首端节点将恢复正常的VC重新纳入VCG，末端节点亦将恢复正常的VC纳入VCG；首端节点将动作情况上报给网管系统。

　　虽然LCAS的进程无须网管系统的干预，但LCAS不能自动发起业务容量请求，即VCG的初始带宽仍需网管系统指定，这一定程度上降低了LCAS的智能化程度。如果结合未来智能光网络的控制平面，对VCG的总带宽做到可以进行任意指配，那么，LCAS的效率会得到进一步提升，应用范围也可以进一步拓展。另外，LCAS跟SDH的通道保护和复用段保护之间的协调问题也需要重视。相信随着相关技术的不断完善，新的建议和规范会逐步出台解决这些问题。

1.6 内嵌弹性分组环

　　RPR基于IEEE 802.17体制，吸收了SDH、ATM、以太网几大技术体制的优势，避免了它们的劣势。从本质上讲，RPR是跟SDH或现行MSTP全面竞争的一种技术，但MSTP可以在一定程度上融合RPR技术。如将RPR设计成为MSTP的一种嵌入式功能模块，可以实现带宽的统计复用、带宽的公平分配、严格的业务分级、服务质量保障以及真正意义上的用户隔离功能。

　　RPR提供的接口主要是基于802.3 MAC的传统以太网接口，可以进行802.3 MAC到802.17 MAC的映射和转换，实现“MAC in MAC”。基于802.3 MAC或802.17 MAC的L2交换(或桥接中继功能)可以在模块中灵活选用。RPR的MAC可以通过GFP封装规程映射到SDH的VC-N中去。

　　RPR采用了类似于SDH的分插复用方式，设置直通通道来保证业务传递的快速性，并且保证插入到环上的业务包不被丢弃，广播包可以进行复制。在数据通道设置方面，灵活采取双缓存或单缓存的方式，来保证高等级直通业务、低等级直通业务、高等级上传业务和低等级上传业务的优先次序，同时将接入侧的上传业务严格分为A0、A1、B和C4个等级以便采用相应的策略控制器来实施接入侧的流量控制。

　　RPR采用公平算法来保证全网带宽的合理利用(即在接入侧、链路侧均保证公平)。公平算法是依靠相邻站点之间的及时通信来实现的，各站点自身会产生一个“公平速率参数”，接着和上游站点传来的参数比较，进行调整后再发往相邻的下游节点，这样经过逐站传递和调整，最终使得全网的带宽分配达到一个公平的“稳态”。值得注意的是，大量的突发业务会破坏这样一个“稳态”(在一定的“公平响应时间”之后，又会重新达到另一个“稳态”)。另外，公平算法对A类和B类业务都不起作用，只对C类业务起作用，被A类策略控制器拒绝的数据包会直接被丢弃，被B类策略控制器拒绝的数据包会转移到C类队列中。

　　RPR吸收了SDH保护策略的优势，采取了环回和导向两种保护方式，其中，环回方式类似于SDH的常规复用段保护方式，需要同时占用内环和外环的容量，而导向方式类似于SDH的越洋保护方式，只占用保护环的容量。在启用导向方式的情况下，由于故障节点要向全网其他节点公告故障信息，其他节点可能因此调整自身的业务流向，所以在网络规模较大的情况下，保护倒换时间可能会超过50 ms，另外，RPR的保护如果跟SDH保护协同工作，需要设置拖延时间。

2 城域智能光网络展望

　　目前，客户层网络(包括传统PSTN交换机、ATM交换机、IP路由器甚至图像处理设备等)和光网络之间只有物理上的连接(或称为“硬连接”)，光网络只是机械地将客户信号从一端传送到另一端。这样的承载通道一旦建立，几个月、半年、一年甚至更长时间内不会轻易改变。以SDH网络为例，传统的SDH电路配置实际上是在网管系统的强行干预下实现永久性连接的，耗时(可能需要若干天)、耗力(需要一定数量而富有经验的机房维护开通人员)，而且效率不高，配置成功后还有难以更改的缺点。而智能化的含义是：客户层网络和光网络之间应存在“软连接”，客户层网络需要多大的带宽，应该向光网络提起申请，光网络迅速响应申请，并及时地提供一条最佳的连接通道，而且这样的连接通道可以根据需要改变路由，也可以随时被拆除和重建。随着电信运营思路的变革，尤其是在城域光网络中，一些新兴的运营商希望从老牌运营商处租用一些带宽，比如适量的SDH电路或波长通道。那么，相对于老牌运营商，新兴运营商就是客户，而相对于新兴运营商，老牌运营商就是一个光网络的管理者。他们之间同样需要一个智能化的带宽分配过程。智能光网络的具体应用场合有带宽(包括电路和波长)租赁、带宽批发以及光虚拟专网。

　　城域光网络的远期目标是：采用自动交换光网络(ASON)的体制，在现有的基于SDH的MSTP以及未来城域OADM/OXC/OTN的传送平面上，引入一个智能化的、通过软交换信令实现的控制平面，实现动态SDH电路配置、光波长路由配置和灵活的多级带宽分配。

　　ASON的本质就是将传统的永久性连接(PC)改造成为软永久性连接(SPC)甚至交换式连接(SC)。业务层设备根据自身的需要，通过用户网络接口(UNI)发起带宽申请，控制层面的各智能网元内部设置呼叫控制器、连接控制器、路由控制器、协议控制器、策略控制器、链路资源管理器、发现代理以及终结适配器等构件，严格分工并协同工作，共同完成智能化控制功能。智能网元间通过I-NNI或E-NNI信令协议处理，采取网络拓扑结构自动识别或自动邻接发现等机制迅捷地建立连接通道，快速地为业务层网络建立承载通路。根据实际需要，对已经建立的通路可以随时释放和拆除，或者倒换到新的连接通路。ASON将使得原来傻瓜式的、静态的网络升华为交换式的、可直接进行带宽租赁和直接进行盈利的智能光网络。

　　对于网管系统来讲，光网络层面的网元硬件故障(单板、子架、光纤接口等)需要上报给网管系统，而控制层面的故障(比如信令网故障、呼叫失败、连接失败、超时等)也需要上报给网管系统。由于增设了智能的控制层面，所以网管系统五大管理功能之一的“配置管理”可以大大弱化。通用多协议标签交换(GMPLS)在原MPLS的体系结构基础上进行了扩展，除了包交换外，还将TDM交换和光空分交换囊括进来，并针对光网络进行了相应改进。GMPLS作为ASON控制层面的信令处理比较合适。而GMPLS的路由受限-标记分配协议(CR-LDP)和资源预留协议－流量工程(RSVP-TE)会成为ASON的两种主流的信令协议。

3 中兴通讯向ITU-T提交的ASON提案

　　目前ITU-T已经制定了ASON的系列标准，有些已经正式发布，但总体说来，ASON的标准体系还需要完善，有些标准的内容还需进一步充实和改进。中兴通讯向ITU-T提交的提案“RSVP-TE信令故障机制的处理”就是改进内容之一，并且得到了ITU-T采纳。

　　原有RSVP-TE标准规范描述是：在采用基于RSVP-TE信令机制的连接管理中，当某个ASON节点发生故障时，应将故障信息报告给网管系统。根据可用信息，网管系统务必对进一步的动作和措施进行建议，比如建议采取“继续更新”的措施，或者同时从连接端点释放可能存在的连接。在原有的标准规范描述中，都假设网管系统是正常运作，并且是可以进行通信的。然而，情况并非如此，一般来说，网管系统的信息交互缓慢，况且在发生故障期间，不能绝对保证ASON控制面和网管系统的通信完好无损。因此，中兴通讯建议开发一种尽可能与网管系统无关的信令恢复机制，具体建议是：对于通道更新信息无法从上游节点显示的任意节点和任意连接，该连接将进入“未知”状态。对于处于“未知”状态的连接，将采取以下措施：

保留其资源

将更新信息发送到下游

　　此外，还需考虑以下情形：

如果接收到来自下游的拆除请求信息，该连接将被释放。

如果接收到来自上游节点的通道更新信息，该连接将从“未知”状态转换到“正常状态”。

如果来自下游的预留信息显示参数变化，请求将被拒绝。

如果来自某些节点的通道信息试图重用相同的资源，需要考虑如果网管系统正常并可进行通信，信息将被发送到网管系统，对资源利用率进行验证，并只能根据来自网管系统的明确指令释放连接；如果和网管系统的通讯中断，请求将被拒绝。

　　鉴于此类问题在软永久性连接(SPC)的情况下发生的概率较大，除原有规范所提出的两种情况外，中兴通讯提出的改进措施还适用于网管系统和控制层面同时发生故障的情况，具备优良的实用价值。

4 参考文献

　　[1] ITU-T G.707, 虚级联技术规范 [S].

　　[2] ITU-T G.7041, 通用成帧规程 [S].

　　[3] ITU-T G.7042, 链路容量自动调整策略 [S].

　　[4] IEEE 802.17, 弹性分组环规范 [S].

作者简介：

　　袁飞，中兴通讯股份有限公司传输系统部光传输产品副总工兼标准研究总监，长期从事光传输产品的研究开发、技术支持、战略策划以及标准研究工作。

摘自　中兴通讯