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新一代光网络的关键技术
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摘要：
本文首先对全球光网络的发展态势进行了简要介绍，然后详细阐述了新一代光网络的几种形态和相应的关键技术。
关键词：
城域光网络；长途光网络；多业务传送平台（MSTP）；弹性分组环(RPR)；多协议标记交换(MPLS)、波分复用(WDM)；拉曼放大器（Raman Amplifier）；自动交换光网络（ASON）；通用多协议标记交换（GMPLS）
1. 概述
上个世纪末、新世纪以来，全球电信市场产生了泡沫，光网络市场发生了严重的衰退，运营商也不再盲目追求大容量和高带宽，而是更为注重资金支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）以及投资回报（ROI）等财务指标，更为看重系统设备的性能价格比，更为重视多业务解决方案，更为关注能够节省人工费用的智能化配置和调度功能。经过几年的磨砺和震荡，2004年以来，光网络市场复苏的迹象尤为明显。
光网络毕竟是基础网络，一旦业务有所增长，光网络的承载压力就会相应增大。如果说长途光网络追求高带宽、大容量的话，那么城域光网络则追求多业务和灵活性。迄今为止，全球长途光网络的带宽趋于饱和甚至过剩，运营商在长途光网络上的投资比例逐渐减少或保持稳定。然而，由于实际工程的紧迫需要，超长距离传输引起了各方面的强烈关注，一些技术瓶颈也得到了解决，商用化步伐正在加快。此外，包括存储网（SAN）业务在内的数据业务正在兴起，图像和多媒体业务颇具潜力、必成气候。众多运营商正朝多业务运营商（MSO）方向演进，语音、数据和图像的齐头并进使得“Triple Play”这个字眼非常炫目。运营商如火如荼建设城域网，真正目的是为了实现网络优化，是为了在长途骨干网与用户接入网之间消除“断层”现象。我们知道，城域光网络是城域业务网络的承载体，如果光网络（比如传统的SDH和WDM）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。现在，老牌运营商正在修正他们的建网思路，新兴运营商更是一步到位，均采用新一代的光网络设备跟业务层设备进行联合组网。
2. 关于新一代光网络
这里不提下一代光网络，就是为了不让大家认为是遥远的事情。换言之，新一代光网络的说法更实用、更贴切。
由于话音业务和TDM业务不可能即刻消失得无影无踪，“新一代SDH”尽管被归为过渡技术，但的确具备顽强的生命力，那种“SDH从一种系统退化到一种接口”的说法为时尚早，尤其是针对第三世界和次发达地区得运营商。新一代SDH的两大特性就是多业务和智能化，多业务表现在从SDH演化为MSTP，智能化表现为引入GMPLS/ASON控制平面来实现带宽的灵活分配、业务的端到端调度以及动态的保护和恢复功能。
一直以来，业界对WDM的要求就是大容量和透明传送。但新一代WDM设备除能提供大容量、高带宽、长距离传输的同时，还能提供对多业务的快速接入和自身的光层保护能力。
3. 关于新一代WDM网络
长距离传输是新一代WDM网络的关键技术之一。目前，全世界范围内的知名光通信系统厂商均提供超大容量、超长距离传输的DWDM系统，支持SDH/SONET/GE等多种业务接口，容量可以平滑扩展到T比特级别，波长范围覆盖C＋L波段，可在G.652、G.655光纤上实现几千公里的无电中继传输。其关键技术包括：分布式Raman与EDFA的混合放大技术、超强带外FEC技术、NRZ及RZ调制码型、动态功率均衡、分布式色散管理技术等。其中，分布式Raman放大器具备大增益带宽、增益平坦、可根据信号分布自动调整增益频谱等特点。目前，针对Raman放大器的新标准G.665已经在ITU-T SG15获准通过。
新一代WDM网络的亮点之一就是针对城域网有诸多独特的设计，包括多业务OTU、T-MUX、光层保护等。举例来说，城域WDM可以不依赖于客户层（比如SDH）的保护倒换设施，而具备自身的光复用段共享保护和光通道共享保护能力。部分城域OADM设备采用串行/并行光开关综合设计方式，利用独特的“升级接口”真正保证“在线升级”而不会中断现有业务。此外，针对城域接入网络的应用场合，运营商可以选购紧凑型、高性价比的CWDM设备，从而实现快速的容量扩展和网络优化。
4. 关于新一代SDH网络
谈到新一代SDH，大家理所当然地想到MSTP设备，它可以基于SDH的多种线路速率实现，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固有的交叉能力和传统的SDH/PDH业务接口，继续满足TDM业务的需求；另一方面，MSTP提供ATM处理、以太网透传、以太网L2交换、RPR处理、MPLS处理等功能来满足对数据业务的汇聚、梳理和整合的需求。当前，多数MSTP首选GFP用以提供优良的封装规程，而虚级联和LCAS则适应了不同的带宽颗粒需要并且可以在一定范围内进行链路容量调整。除以太网功能外，MSTP的RPR功能模块克服了原有以太网倒换速度慢的缺点，可以实现50ms之内的迅捷的保护倒换，此外，RPR还提供了公平算法来保证链路带宽的合理利用，最大程度防止链路拥塞的情况。而利用MPLS功能可以将MSTP的组网能力从环网延伸到格型网，可以通过伪线（PW）方式将客户端的多种业务（包括以太网、ATM和帧中继）进行接入和汇聚，再通过隧道（Tunnel）方式汇聚到核心数据网络，最终形成“全程全网”的MPLS，将MPLS的优势发挥到极致。长期以来，大客户数据专线/专网业务是部分运营商的重要收入来源，采用MSTP设备可实现数据业务的点对点、点对多点以及多点对多点的组网，可以开展EPL、EVPL、EPLAN、EVPLAN等VPN业务，并根据客户的具体需要提供相应的CoS以及QoS能力，尤其是利用MPLS功能组建的L2 VPN（比如VPLS）相对传统的TDM专线，性价比要高得多。
5. 关于智能光网络
多年以来，在电信界人士的心目中，光网络只涉及客户层信号的传送、复用、交叉连接、管理和生存性处理，通常不含交换功能。而且，光网络跟“智能网”挂不上钩，或者说只具备在网管强行干预下的低级智能。然而，我们放眼业务层网络，无论是固定网络还是移动网络，均有“交换”做基础，所以没有“动态交换”的概念，智能无从谈起。因此，在光网络中引入“动态交换”的概念是本领域技术的一次重大变革。但是，光网络自身没有固有的信令和路由协议来支持智能化，只能借鉴其它领域的相关协议（比如数据领域的MPLS）。
不管是固定交换网、移动交换网、固定数据网还是光传送网，要实现智能化，都需要引入一个控制平面或控制实体，这个控制平面/控制实体的核心构件务必依托于软件，务必依赖多种信令和路由协议来实现的。无疑，设备制造商可以采用私有协议来实现这个控制平面，但私有协议难以实现多厂家、多子网、多运营域、多管理域之间的互连互通，所以有必要对智能光网络进行标准化。众所周知，如果没有世界统一的标准，任何智能网都不可能规模商用，PSTN、GSM、GPRS以及CDMA、CDMA1x正是依靠标准化的协议实现了智能网的规模商用。现在，我们高兴地看到，在智能光网络领域，ITU-T正在大力制定、完善和推动ASON标准，IETF组织正在全力推进GMPLS标准，而OIF也不遗余力地在光互连（比如O-UNI）方面做文章。
业务层的智能网可以直接面向老百姓和终端用户开展业务，比如网上银行、自动记账卡、语音信箱、预付费等。在新形势下，如果说智能光网络提供业务的话，那么其业务就是带宽，可以提供带宽的租赁、批发等，当然，也可以根据客户的需要实现O-VPN和BOD等业务形式。鉴于光网络的特殊性，这样的业务不会直接面向终端用户，但是老牌运营商可以向新兴运营商提供这样的业务、大型运营商可以向小型运营商提供这样的业务、长途运营商可以向城域运营商提供这样的业务。尽管如此，我们仍要清醒地看到，智能光网络的初期应用目标并非直接面向业务，而是在故障情况下提供快速的保护和恢复，并采用标准的信令和协议实现“端到端业务配置”。
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(可称为“硬连接”或“永久性连接”)，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)、总体效率低下，即使电路配置成功也难以更改。而智能化的需求是：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，应该向光网络发起申请，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。
开发和使用以ASON为代表的智能光网络设备，目标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)，使得客户设备根据自身的需要，通过用户网络接口(UNI)发起带宽申请。智能光网络设备的控制单元内部设置了多种功能件，包括呼叫控制器、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等，各种控制器件严格分工并协同工作，共同完成智能化控制功能。分布在各站点的控制单元之间通过I-NNI或E-NNI协议通信，迅捷地建立连接通道，实时地为业务层网络建立承载通路。毋庸置疑，对已经建立的通路可以随时释放和拆除，或在故障情况下倒换到新的连接通路。对于网管系统来讲，两个平面都要管理。举例来说，光网络传送平面的传输损伤(误码、抖动、漂移等)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。智能光网络设备的主流协议均来源于GMPLS，只是在原MPLS的体系结构基础上进行了针对光网络特性的功能扩展，其中，信令协议首选RSVP-TE，路由协议首选OSPF-TE、DDRP等。
此外，网上现有的客户设备已经成熟、稳定地运行，要让这些设备为智能光网络的引入而大动干戈是不切实际的，解决办法是采用“智能代理”策略。比如客户设备通过一个简单易行的接口接入UNI-C，而UNI-C再通过标准的UNI-N接口接入到智能光网络，这样，对现有客户设备的改动就降到了最低。同理，传统光网络跟智能光网络之间的衔接也可以采用这种方式。总体说来，从现有光网络演进到智能光网络是一个长期的过程，绝非一蹴而就。
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。
----《当代通信》
本文首先对全球光网络的发展态势进行了简要介绍，然后详细阐述了新一代光网络的几种形态和相应的关键技术。
关键词：
城域光网络；长途光网络；多业务传送平台（MSTP）；弹性分组环(RPR)；多协议标记交换(MPLS)、波分复用(WDM)；拉曼放大器（Raman Amplifier）；自动交换光网络（ASON）；通用多协议标记交换（GMPLS）
1. 概述
上个世纪末、新世纪以来，全球电信市场产生了泡沫，光网络市场发生了严重的衰退，运营商也不再盲目追求大容量和高带宽，而是更为注重资金支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）以及投资回报（ROI）等财务指标，更为看重系统设备的性能价格比，更为重视多业务解决方案，更为关注能够节省人工费用的智能化配置和调度功能。经过几年的磨砺和震荡，2004年以来，光网络市场复苏的迹象尤为明显。
光网络毕竟是基础网络，一旦业务有所增长，光网络的承载压力就会相应增大。如果说长途光网络追求高带宽、大容量的话，那么城域光网络则追求多业务和灵活性。迄今为止，全球长途光网络的带宽趋于饱和甚至过剩，运营商在长途光网络上的投资比例逐渐减少或保持稳定。然而，由于实际工程的紧迫需要，超长距离传输引起了各方面的强烈关注，一些技术瓶颈也得到了解决，商用化步伐正在加快。此外，包括存储网（SAN）业务在内的数据业务正在兴起，图像和多媒体业务颇具潜力、必成气候。众多运营商正朝多业务运营商（MSO）方向演进，语音、数据和图像的齐头并进使得“Triple Play”这个字眼非常炫目。运营商如火如荼建设城域网，真正目的是为了实现网络优化，是为了在长途骨干网与用户接入网之间消除“断层”现象。我们知道，城域光网络是城域业务网络的承载体，如果光网络（比如传统的SDH和WDM）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。现在，老牌运营商正在修正他们的建网思路，新兴运营商更是一步到位，均采用新一代的光网络设备跟业务层设备进行联合组网。
2. 关于新一代光网络
这里不提下一代光网络，就是为了不让大家认为是遥远的事情。换言之，新一代光网络的说法更实用、更贴切。
由于话音业务和TDM业务不可能即刻消失得无影无踪，“新一代SDH”尽管被归为过渡技术，但的确具备顽强的生命力，那种“SDH从一种系统退化到一种接口”的说法为时尚早，尤其是针对第三世界和次发达地区得运营商。新一代SDH的两大特性就是多业务和智能化，多业务表现在从SDH演化为MSTP，智能化表现为引入GMPLS/ASON控制平面来实现带宽的灵活分配、业务的端到端调度以及动态的保护和恢复功能。
一直以来，业界对WDM的要求就是大容量和透明传送。但新一代WDM设备除能提供大容量、高带宽、长距离传输的同时，还能提供对多业务的快速接入和自身的光层保护能力。
3. 关于新一代WDM网络
长距离传输是新一代WDM网络的关键技术之一。目前，全世界范围内的知名光通信系统厂商均提供超大容量、超长距离传输的DWDM系统，支持SDH/SONET/GE等多种业务接口，容量可以平滑扩展到T比特级别，波长范围覆盖C＋L波段，可在G.652、G.655光纤上实现几千公里的无电中继传输。其关键技术包括：分布式Raman与EDFA的混合放大技术、超强带外FEC技术、NRZ及RZ调制码型、动态功率均衡、分布式色散管理技术等。其中，分布式Raman放大器具备大增益带宽、增益平坦、可根据信号分布自动调整增益频谱等特点。目前，针对Raman放大器的新标准G.665已经在ITU-T SG15获准通过。
新一代WDM网络的亮点之一就是针对城域网有诸多独特的设计，包括多业务OTU、T-MUX、光层保护等。举例来说，城域WDM可以不依赖于客户层（比如SDH）的保护倒换设施，而具备自身的光复用段共享保护和光通道共享保护能力。部分城域OADM设备采用串行/并行光开关综合设计方式，利用独特的“升级接口”真正保证“在线升级”而不会中断现有业务。此外，针对城域接入网络的应用场合，运营商可以选购紧凑型、高性价比的CWDM设备，从而实现快速的容量扩展和网络优化。
4. 关于新一代SDH网络
谈到新一代SDH，大家理所当然地想到MSTP设备，它可以基于SDH的多种线路速率实现，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固有的交叉能力和传统的SDH/PDH业务接口，继续满足TDM业务的需求；另一方面，MSTP提供ATM处理、以太网透传、以太网L2交换、RPR处理、MPLS处理等功能来满足对数据业务的汇聚、梳理和整合的需求。当前，多数MSTP首选GFP用以提供优良的封装规程，而虚级联和LCAS则适应了不同的带宽颗粒需要并且可以在一定范围内进行链路容量调整。除以太网功能外，MSTP的RPR功能模块克服了原有以太网倒换速度慢的缺点，可以实现50ms之内的迅捷的保护倒换，此外，RPR还提供了公平算法来保证链路带宽的合理利用，最大程度防止链路拥塞的情况。而利用MPLS功能可以将MSTP的组网能力从环网延伸到格型网，可以通过伪线（PW）方式将客户端的多种业务（包括以太网、ATM和帧中继）进行接入和汇聚，再通过隧道（Tunnel）方式汇聚到核心数据网络，最终形成“全程全网”的MPLS，将MPLS的优势发挥到极致。长期以来，大客户数据专线/专网业务是部分运营商的重要收入来源，采用MSTP设备可实现数据业务的点对点、点对多点以及多点对多点的组网，可以开展EPL、EVPL、EPLAN、EVPLAN等VPN业务，并根据客户的具体需要提供相应的CoS以及QoS能力，尤其是利用MPLS功能组建的L2 VPN（比如VPLS）相对传统的TDM专线，性价比要高得多。
5. 关于智能光网络
多年以来，在电信界人士的心目中，光网络只涉及客户层信号的传送、复用、交叉连接、管理和生存性处理，通常不含交换功能。而且，光网络跟“智能网”挂不上钩，或者说只具备在网管强行干预下的低级智能。然而，我们放眼业务层网络，无论是固定网络还是移动网络，均有“交换”做基础，所以没有“动态交换”的概念，智能无从谈起。因此，在光网络中引入“动态交换”的概念是本领域技术的一次重大变革。但是，光网络自身没有固有的信令和路由协议来支持智能化，只能借鉴其它领域的相关协议（比如数据领域的MPLS）。
不管是固定交换网、移动交换网、固定数据网还是光传送网，要实现智能化，都需要引入一个控制平面或控制实体，这个控制平面/控制实体的核心构件务必依托于软件，务必依赖多种信令和路由协议来实现的。无疑，设备制造商可以采用私有协议来实现这个控制平面，但私有协议难以实现多厂家、多子网、多运营域、多管理域之间的互连互通，所以有必要对智能光网络进行标准化。众所周知，如果没有世界统一的标准，任何智能网都不可能规模商用，PSTN、GSM、GPRS以及CDMA、CDMA1x正是依靠标准化的协议实现了智能网的规模商用。现在，我们高兴地看到，在智能光网络领域，ITU-T正在大力制定、完善和推动ASON标准，IETF组织正在全力推进GMPLS标准，而OIF也不遗余力地在光互连（比如O-UNI）方面做文章。
业务层的智能网可以直接面向老百姓和终端用户开展业务，比如网上银行、自动记账卡、语音信箱、预付费等。在新形势下，如果说智能光网络提供业务的话，那么其业务就是带宽，可以提供带宽的租赁、批发等，当然，也可以根据客户的需要实现O-VPN和BOD等业务形式。鉴于光网络的特殊性，这样的业务不会直接面向终端用户，但是老牌运营商可以向新兴运营商提供这样的业务、大型运营商可以向小型运营商提供这样的业务、长途运营商可以向城域运营商提供这样的业务。尽管如此，我们仍要清醒地看到，智能光网络的初期应用目标并非直接面向业务，而是在故障情况下提供快速的保护和恢复，并采用标准的信令和协议实现“端到端业务配置”。
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(可称为“硬连接”或“永久性连接”)，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)、总体效率低下，即使电路配置成功也难以更改。而智能化的需求是：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，应该向光网络发起申请，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。
开发和使用以ASON为代表的智能光网络设备，目标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)，使得客户设备根据自身的需要，通过用户网络接口(UNI)发起带宽申请。智能光网络设备的控制单元内部设置了多种功能件，包括呼叫控制器、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等，各种控制器件严格分工并协同工作，共同完成智能化控制功能。分布在各站点的控制单元之间通过I-NNI或E-NNI协议通信，迅捷地建立连接通道，实时地为业务层网络建立承载通路。毋庸置疑，对已经建立的通路可以随时释放和拆除，或在故障情况下倒换到新的连接通路。对于网管系统来讲，两个平面都要管理。举例来说，光网络传送平面的传输损伤(误码、抖动、漂移等)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。智能光网络设备的主流协议均来源于GMPLS，只是在原MPLS的体系结构基础上进行了针对光网络特性的功能扩展，其中，信令协议首选RSVP-TE，路由协议首选OSPF-TE、DDRP等。
此外，网上现有的客户设备已经成熟、稳定地运行，要让这些设备为智能光网络的引入而大动干戈是不切实际的，解决办法是采用“智能代理”策略。比如客户设备通过一个简单易行的接口接入UNI-C，而UNI-C再通过标准的UNI-N接口接入到智能光网络，这样，对现有客户设备的改动就降到了最低。同理，传统光网络跟智能光网络之间的衔接也可以采用这种方式。总体说来，从现有光网络演进到智能光网络是一个长期的过程，绝非一蹴而就。
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。
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