下一代光数据网络的新模型

William Szeto 著 赵锋 译

　　在过去的十年里，光网络技术的两项突破已经成为了满足业务提供商对容量的日益增长的需求的关键因素。第一项是DWDM，它可以将一根光纤分解为多个通道从而提高了现有光纤的可用带宽。第二项是通过使用像波长路由器和交叉连接系统这样的设备实现了带宽的智能化管理，这些设备能够支持具有智能配置和恢复功能的日益动态化的网络。

　　那么下一步是什么呢？目前摆在人们面前的主要有两个挑战。其一是在需求以超乎想象的速度增长的情况下，对以数据为核心的网络不断地进行扩充，从用户接入点到城域网乃至整个长途核心网。另一个挑战是有效地创建并管理将在上述网络中运行的以数据为核心的光业务（例如，虚拟专用网上的互联网接入、内部网/外部网连接、视频会议等）。

　　 未来的目标当然是使业务提供商能够提供一套丰富、灵活并且在价格之外还有其它特色的服务，为此应当建立一个经过精心设计的基础设施。在网络边缘，企业用户需要一些速率极高的光数据业务，运营商必须要能在不牺牲现有应用的同时支持像千兆以太网这样的新业务。为了确保资源的有效利用，在网络中必须广泛采用分组处理技术。

　　 在核心网络中，扩充和管理带宽容量是十分关键的。由于路由器端口数和波长数量的增加，最新的10Gb/s传输技术已经不足以创建一个有效的、可管理的网络。高比特率的连接必须要超越单个波长的限制，这将导致核心路由器端口数的减少并使光信号的传输速率超过单个光波长或通道的粒度。

　　 尽管在分组处理、传输和光技术领域都取得了巨大的进步，但是这些技术的发展是相互独立的，并没有同步进行，这使得网络设计者无法提供一个全面的集成方案。目前需要一个新型的体系结构，以便利用当前最好的和随时可用的光、数据和网络管理技术来创建或扩展从接入网到核心网的一套系统。这种体系结构应包括多个层次的数据汇聚、路由选择和光设备，以便满足不断增长的速率和容量需求。这一平台系统应受网管系统的控制，后者能对所有的网元进行控制，并允许网络运营者有效地向他们的客户提供端到端业务。

　　 更快的管道，而不是更多的管道

　　 分组传输是当前骨干路由器需面对的主要任务。随着分组业务量的增长，在网络中的光节点和核心分组交换机这两个关键节点必须要管理大量的波长。但是即便是最大的电信网络也没有非常多的业务提供点（由集线器和路由器组成），可能最大的网络中也只有80个这样的汇聚点，这样业务量就只能被传送到数量相当有限的目的地。

　　换句话说，为了达到多太比特的容量，在相对少的并行路由中就必须要部署大量的光通道。在终接这些并行通道的集中器上使用大型的、复杂的交叉连接系统，在不远的将来，一个拥有12000个端口的交叉连接系统将会十分普及。

　　控制平面必须要维护涉及所有这些连接的路由表和链路。此外，从管理的角度来看，必须要能独立地配置和管理每一个这样的并行链路。甚至在正在从2.5Gb/s向10Gb/s基础设施过渡的核心网络中，由于路由器端口和波长数量的持续增长，传输技术的能力已不足以创建一个有效的、可管理的网络，

　　为了解决上面的问题，我们再回到沿着少量的路由并行传送大量波长的实例中来。我们可能并不需要对这些波长进行交叉连接。与创建大量的管道和端口相比，创建更大和更快的管道和端口将会更加有效。

　　然而，加大管道不仅仅是增加激光器的传输速率。从历史上看，这种增长非常缓慢，从光纤网络出现开始到现在的20年里，传输速率也不过从1Gb/s发展到了10Gb/s。许多现有光纤的传输速率将很难升到40Gb/s。速率的每一次跳跃都需要更加精密的激光器、调制和纠错技术。就算是有了更快的传输技术，在容量、距离和成本上的折衷也将会是很大的挑战。

　　另一方面，路由器和交换机端口速率也在不断稳步地增长，这为构建当前所需的大管道创造了条件。这样的管道将会减少核心路由器端口数量和对光信号路由选择的需求，这使得电信业能够向真正可扩充的网络演进而不必等待传输技术的进一步改善。此外，所使用的网元和网络对象越少，网络也就越容易管理。运营商所希望的结构简化将体现于可能的最高速率和最少的端口数。

　　但是当分组路由器端口不能以超过WDM通道的传输速率运行时，如何来创建这些大的管道呢？答案就是采用一个新的设备体系结构（所有的设备由一个统一的平台管理），当业务量通过网络时，这种体系结构采用逐步提高速率和容量的方法来实现数据聚合和路由选择。这种体系结构称为光数据网络体系（ODNH），它允许比特速率沿着两个方向扩展，一个方向是使用多个时分复用（TDM）片段的单一时间串联光通道，另一个是沿着光通道本身。

　　要实现这一目标就会涉及到一种新的技术——光通道串联（见图1），即将多个波长的容量合并为一个高速管道（称为“超级信道”）。这种技术包括了一种新的成帧协议，打破波长间的壁垒，从而能在多个光通道中同时传送比特流。

　　这种方案允许独立开发分组交换与传输技术，即两种技术能够独立地发展。其好处是：能够利用现有的业务提供商的光纤基础设施传输串联的OC-768通道和串联的OC-3072通道。这样，今后不必再安装大量的交叉连接系统就能支持复杂的网络拓扑和电路分插。

　　五个网络元素

　　ODNH规定了五个高度集成的结构化元素，这些元素的分布范围从城域网一直延伸到核心网（见图2）。这五个设备类型在一个统一的网管平台下相互协作，负责传送合适的带宽和新的光数据业务。ODNH核心设备（图中的类型4、5）负责完成大数据业务量的恢复和传输。ODNH城域/接入设备（图中的类型1、2、3）在最后一公里复用数据，在端局内将数据流汇合到更快的城域骨干管道中，并在城域环中完成对业务量和带宽的管理。

　　 ODNH核心设备。下一代路由器和交换机将以比单个波长通道的传输速率更高的速率生成负载。因此传输系统必须要使用新的技术来支持这些负载。

　　光数据传输节点（ODNH方案中的第5类）能够在核心网中完成超高容量传输，它能长距离传输信号而不需要信号再生。一种称为“波段”的新调制原理使这些成为可能，这种技术是通过前面提到的光通道串联技术实现的。

　　波段是光谱中与数据无关的一个分段，它支持多个物理上成组的光载荷并视为一个单一的单元，它能在源宿之间提供一个灵活、可扩充的高带宽连接（见图3）。波段是生成超级信道的基础，它能在接入节点上根据需要独立地进行光分插，并能在光节点上选择路由。波段的高粒度能支持更高的传输容量（负载的速率可能会高于任何单个波长的速率），此外由于路由器端口数量和管理对象的大大减少，网络的体系结构也得到简化。

　　第5类设备支持三种基本的网络节点类型。其中最简单的是线路放大器（ILA: Inline Amplifier），它能激励传输信号的能量从而提高信号的传输距离。长途传输意味着在波段需要再生之前部署尽量多的ILA。

　　在每一个ILA节点上，通过将其转换为第二种节点即波段分插复用器（WB-OADM），就能够实现波段的生成或分插。波段能够根据需要在这些节点上终接或再生，而不影响其它的波段，后者通过这些节点继续进行光传输。

　　 第三种节点是多路集线器，它位于有三根以上光缆的汇聚点（一般是在主要的交换局）。在这些节点上可生成波段而在远端终接这些波段，必要时可进行波段的再生，其它波段则通过这些节点到达它们的最终目的地。

　　 最具可扩充性、最简单并且最经济的核心基础设施已经使用好几年了。随着需求的增长，设备的端口速度也在不断增长。目前太比特路由器使用了大量低速率（OC-192）端口的办法来满足这个需求，而光数据核心节点（ODNH体系结构中的第4类设备）则可以与一个包含4个、16个或更多的10Gb/s（甚至40Gb/s）业务流的超级信道连接，这些业务流汇合为一个40Gb/s或160Gb/s（分别为OC-768cc和OC-3072cc）业务流。超级信道交换机端口提供强大的保护和恢复机制。它是真正高容量的端口，它通过使用多协议标签交换（MPLS）技术避免了其它高速方案的局限性和复杂性。利用光串联技术使得光交叉连接的规模得以降低十几倍（例如，对于OC-3072cc来说，n=16）。

　　超级信道通过第5类设备可在长途网络的波段中进行传输。此外，可使用标准的接口将信号映射到波段，确保与现有系统和网络的兼容性。

　　恢复功能是通过在两个不同的路径中智能地发送分组流而实现，而不是利用传送层中处于备用状态的空闲路径。为了保护物理层，采用适当的降质机制对物理层的变化做出反应，同时它还将即时地利用流量工程进行恢复。第4类设备的设计具有电信级的可靠性，因此它适用于一个能处理最敏感负载的分组网络中。这减少了对光层波长粒度恢复的需求。

　　ODNH接入/城域设备。直到目前为止，客户业务量的聚合还是在端局或终端站上完成的，这会导致本地环路过长，效率不高，存在多个并行连接和有限的连接。像千兆以太网、专用波长业务或虚拟专用网这样的特殊业务是很少见的，并且向用户提供的速率也常常很慢。汇聚设备没有与用户驻地设备集成，并且往往无法进行互通。

　　光业务线路接入复用器（OSLAM，即ODNH体系中的第2类设备）能够将端局中的数据、TDM和波长业务有效地集中到更快的骨干管道。OSLAM可以位于本地终端或远端，它支持IP以太网，速率可达10Gb/s，并能为TDM或基于波长的网络提供集线功能。

　　目前，中小型企业需要多个并行设备来支持不同的通信需求。他们有些需要铜缆、光纤或多根光纤。有些需要多条线路用于视频会议，一条T1用于本地话音，另一条T1或DSL用于数据，此外还可能需要其它的专用线路用于连接企业网。业务可能来自于多个提供商，各个业务不能共享链路上的可用容量。

　　光业务线路终接器（OSLT，即ODNH中的第1类设备）是一种用户驻地设备平台，它能经济而有效地与现有的千兆以太网和OC-x设备相连，并将它们复用到一根光纤中。它能为数据业务提供大的带宽和服务类别（CoS）/服务质量（QoS）保证，同时还能支持现有的业务和设备。此外，OSLT还能灵活地支持扩展，并以合理的价格提供足够的带宽以便支持运营商级的QoS。这样，OSLT就能同时允许在容量和新的宽带业务方面的增长。

　　对于业务提供商的特定用户而言，OSLAM可做为一个业务管理点，它能分别支持千兆以太网接口，而光数据分送节点（ODDN，即ODNH中的第3类设备）则能够与城域环互连。ODDN的容量大、端口速度高，能集中整个城域网的业务量。安装在端局的ODDN与OSLAM相连，它在接入网和干线之间担任集中与传送业务量的角色，并具备业务配置和带宽管理功能。最后，ODDN将业务量传送给第4类设备或其它的网络设备。

　　对于第3类设备而言，支持超级信道是很重要的，这样当接入/城域网的业务量增长时，城域核心环就能利用为第4、5类设备开发的串联光通道帧封装。

　　ODNH业务

　　由上述五种ODNH设备构成的基础设施是为提高业务提供商的收益而设计的。光数据业务管理器（ODSM）处理业务生成、资源分配、公平保证以及网络优化，这种管理控制系统是由一套丰富的业务和网络控制软件组成的。由于采用了一套有特色的传输平台和分组业务平台以及智能管理系统，业务的快捷生成和服务提供都得到了保证。

　　 ODSM由一套精心设计的功能块构建而成，它的核心是网络拓扑控制系统。ODSM能够同时支持点到点、点到多点和多点到多点的通信方式，它能适应运营商对多种拓扑方案的不断变化的需求。

　　ODSM的任务是管理整个网络和相关的控制平面。ODSM消除了第二层的分段管理从而简化了操作；它使用了网络层的功能，消除了第2/3层人工管理操作上的复杂性从而简化了控制和管理平面。目前的作法是：业务和网络管理、控制、数据路由选择、链路管理和传输都是相互独立的。ODSM则不同，其网络拓扑控制把所有这些功能都集成在一起。

　　服务可靠性可以通过不同的拓扑来选择。拓扑越复杂，所能提供的可靠性也就越高。在整个网络中，通过对物理和逻辑路径进行分集控制，业务提供商能够确保不同档次的可靠性。

　　在每一个用户驻地设备连接中均根据用户参数，包括业务分类、带宽业务量速率策略以及其它的一些QoS因子，所有的参数都在业务创建时确定。创建合适的QoS的能力是提供特色服务的一个关键。

　　业务管理也十分关键。ODSM的高度集成允许运营商控制网络管理的每一个方面，包括业务、链路和网元，这使得网络操作得以统一、集中和简化。业务管理包括多项任务：策略管理提供了配置业务指标的能力。服务保证机制确定业务量速率策略、基于数据流为单位的计量、输出报表和确保网络的可用率。客户网络管理工具提供多层支持、业务配置、服务保证、故障管理和接入控制。管理工具负责监测业务量，执行有特色的功能、网络优化和修改以及将业务量转移到新的通道中。

　　在业务格式和传递方面都最大程度地体现了数据业务的灵活性（例如能同时提供光路径、可调TDM以及数据）以及可通过光来传递业务，一个物理端口能支持多个大小不一样的虚拟专用网。

　　管理和控制系统已包含业务安全机制，它可以为每个用户定义不同的权限，用户信息自动地在所有网元中进行复制。网络为每一个用户和第三方安全服务器提供请求/认证机制，此外它还能为互联网基础设施提供商、虚拟业务提供商和最终用户提供不同级别的资源控制。

　　当网络中的业务增加时，所有的链路容量可能不够用。这时网络会自动地收集和分析实时业务量的统计数据，并向运营商提出有关业务量优化的改进建议。

　　这些业务生成机制允许运营商任意选择CoS、多个分叉电路的优先级、多个拓扑、管道服务等级保证（SLA）模型和保护方式。资源分配机制允许运营商定义SLA指标、连接认可、带宽的重新划分以及流量工程。公平保证机制包括有特色的业务和多层次的分类、入口策略和出口整形、改进排队机制和进度表以及服务保证。网络优化机制允许在一个接口上部署多个业务并为每一个业务流提供性能保证。

译自《Lightwave》2001.6期《New model for building next-generation optical data networks》