智能光网络浅析

1、传统光网络面临的挑战

以IP为主的数据业务的指数式增长已经削弱了话音业务和专线业务的优势，可以期望这些数据业务在未来还将以较快的速度增加，因此传统的以环网为主的光网络（如SDH网络和WDM网络）在应对这样高速增加的业务时，会面临一些问题和挑战。

（1）环网的建设周期较长，使得在竞争激烈的市场上往往失去最好的投资机会。

（2）可扩展性问题。在扩展网络容量时，有时某些节点之间并不需要太大的容量，但是建设环网时通常要求所有相邻节点之间都要配置相同的资源，这样势必造成扩容后环网某些资源的闲置。

（3）连接配置时间较长。传统的光网络中的连接配置和拆除都是采用集中式的网络管理系统来进行的，连接建立时间相对都比较长，一般需要几天到几个月的时间，这种连接建立时间对于不需要频繁更改连接状态的永久连接来说还是可以忍受的。但是随着以IP为主的数据业务的不断增长，这样长的连接建立时间以及这样的连接管理系统已经不能满足用户新的需求，用户需要能在较短的时间内建立连接。

（4）业务的服务质量（QoS）单一。传统的光网络为用户提供多种QoS服务的能力是有限的，以环网为主的SDH网络和WDM网络可以为建立的连接提供少数几种保护措施，如1+l或1:1保护等，但是缺少更多的不同的QoS服务。

（5）从网络可靠性方面来讲，传统的光网络中的控制和管理方式一般都是集中式的，其中存在一个中央数据库。很显然，如果中央控制节点中硬件发生故障，或者计算路由和分配波长的软件模块发生故障，都将导致全网性的瘫痪。虽然在设计这样的集中式网络控制系统时，可以采取一些备份措施来克服这些问题，但是毕竟不如分布式控制系统在应对这些问题时生存性强。

（6）从业务连接的保护恢复机制上来考虑，以环网为主的传统光网络所提供的保护机制主要是环网保护，环网保护虽然能够快速地保护受保护的连接，但这是以牺牲网络50%的资源换得的，这些都给运营商带来了竞争上的压力。而基于网状网的光网络，不仅可提供各种不同的保护措施，如1+1、1:1和n:m链路或通道保护，以及（虚）环网保护，而且还可提供灵活的恢复机制，如基于共享风险链路组的通道共享恢复等。这些恢复机制不仅能在较短时间内恢复中断的业务连接，而且能有效节省有限的光网络资源。

（7）从应用方面来说，以前传统的光网络主要应用领域是骨干网，但随着视频点播（VOD）等需要较大带宽的业务发展，用户对带宽的需求也变得比以往任何时候都强烈。光网络将更接近于实际的终端用户，在为这些用户提供较大带宽服务的同时，也承受了来自用户对动态提供这些服务的需求压力。

综上所说，在当前以IP为主的数据业务日益占据主要的发展形势下，传统的光网络已经不能适应用户和市场的需求，迫切需要一种能提供动态的连接建立的、具有基于网状网的保护和恢复功能的、具有更强的抗毁能力的、并能为用户提供不同带宽和不同类型业务的、以及能提供不同服务质量（QoS）的区分服务的新型的光网络——智能光网络（Intelligent Optical Networks：ION）。

2、智能光网络的功能

根据韦伯新世界大学词典的定义，智能（Intelligence）是指感知环境变化、据以分析判断并作出正确反应（调整）的能力。结合通信网络，简单来说智能通信网络至少要具有感知和理解网络的环境（即拓扑、资源、业务）、根据这些变化的网络环境做出分析、能有效地配置网络的资源并做出正确反应（调整）的能力。通信网络智能（CNI）的不断提高可使网络运营商在进行反应之前作出前瞻性的规划和管理，并能推断作出不同反应方式的可能结果，这些网络智能比起传统网络将可以更多地为运营商提供竞争上和运营上的优势。

简单来说，智能光网络就是符合上述要求的下一代光网络，具有自动发现功能，包括能够自动地发现业务、拓扑、资源的变化；具有强大的计算功能，能够根据网络环境的这些变化，进行计算、分析、推理和判断，根据资源有效配置这一原则最终做出决定；具有快速的动态的连接建立能力，并能为需要的业务提供保护和恢复功能；能够提供不同类型的、不同优先级的服务等。

自动发现技术包括自动资源、拓扑发现和自动业务发现。自动资源、拓扑发现技术的功能是使网元和/或终端系统确定其彼此间的连接关系及连接链路上的有效资源，并根据这些信息确定全网络的资源和拓扑信息。而自动业务发现的功能是使网元和/或终端系统确定在这些连接上能传送业务的类型、带宽和优先级等等。事实上自动发现技术是实现智能光网络所需最基本的前提条件。

智能光网络及其网元的分析判断功能依赖其强大的计算能力、网络系统使用算法的先进性及系统所存储和访问的信息数据量。

快速和动态的连接建立能力是智能光网络的核心功能，其他功能都服务于这个核心功能，同时也对其他功能模块提出了挑战。例如，为了降低新到达连接的阻塞概率，网络系统需尽可能地利用当前最新的网络资源信息，因此如何在连接动态变化的网络环境下有效地分发网络资源信息就是智能光网络中路由分发模块必须解决的问题之一。此外在建立连接时，如何快速地在相关的链路上预留资源，并尽可能少地减小来自不同连接对相同链路上的资源的竞争，从而避免不必要的冲突所带来的连接的重新建立也是智能光网络中的信令模块需要解决的问题之一。

保护和恢复功能是智能光网络中最基本的功能之一，在智能光网络中，由于引入了基于网状网的保护恢复机制，所以能采用更加灵活的方式来保护和恢复中断的业务。如基于共享风险链路组（SRLG）的通道共享保护、在其基础上加以改进的分段通道共享保护、跨环网和网状网的保护恢复及虚拟环网保护等等，这些保护恢复机制不仅具有更大的灵活性，而且具有更有效的资源使用率。

智能光网络另一个重要的特征是能够为用户提供更新型、更多带宽的服务，如按需带宽业务、波长批发、波长出租、带宽交易、光虚拟专用网（OVPN）等。同传统的IP虚拟专用网（VPN）业务相类似，OVPN业务使得用户能在减少通信费用的情况下在公众网络内部灵活地组建自己的网络拓扑，并允许服务提供商对物理网络资源进行划分，提供给终端用户全面安全地使用并管理他们各自OVPN的能力。这既满足了用户不想背负上建设专用网络的沉重费用、又能根据通信需求灵活地改变通信方式的要求。

由于未来的数据业务仍将以IP为主，那么智能光网络服务的最主要客户层信号就是IP业务，对于这样的网络架构，IP层和智能光网络之间的互联模型主要存在三种方式，即对等模型（Peer Model）、叠加模型（Overlay Model）和扩展模型（Augmented Model）。

在叠加模型下，IP层中的路由、拓扑、链路信息分发和信令协议与光网络中的机制相互独立，这种模型在概念上类似于传统的IP over ATM模型。在这种模型下，需要为光网络定义与IP层相独立的拓扑和链路资源分发协议、路由和波长分配算法以及信令协议，此时IP层并不了解光网络层的拓扑和资源信息，IP层和光网络层是经由用户网络接口（UNI）相连接的。如果IP层想要建立一条连接，IP路由器首先通过UNI接口向光网络发送连接请求，具体的连接建立过程由光网络层完成之后再通过UNI接口反馈给该IP路由器。由国际电联（ITU-T）制定的自动交换传送网（ASTN）和自动交换光网络（ASON）都是属于叠加模型，同时由国际众多重要设备制造商组成的光互联论坛（OIF）提出的用户网络和智能光网络之间的接口——用户网络接口（UNI 1.0）也是基于叠加模型的。

无论是由IETF提出的基于GMPLS的光网络还是由ITU-T提出的自动交换光网络都可以认为是具有一定智能的光网络。在本文中如果不是特别声明，智能光网络都是指自动交换光网络。

3、智能光网络的结构

从功能方面可以把智能光网络划分为三个部分，即控制平面、传送（数据）平面和管理平面，如图1所示，分别实现路由和信令信息的传送、用户数据的传送和对控制平面和传送平面的管理。能够动态地为用户提供连接，包括交换式连接、永久式连接和软永久式（半永久）连接，其中交换式连接是指用户的连接（包括用户网络与智能光网络之间的连接和跨智能光网络内部的连接）都是由控制平面利用信令方式来建立的这种连接；而永久式连接是指用户的连接完全是由网络管理系统来控制传送平面上的网元进而建立的连接；对软永久式连接则是指用户连接部分由控制平面实现部分由管理平面实现的这种连接，就是用户网络与智能光网络之间的连接由管理平面实现，而在智能光网络内部的连接还是由控制平面来实现的这种连接。

控制平面是要实现交换式连接和软永久连接所需的信令和路由功能，是智能光网络中的核心，包括自动发现技术、路由和波长分配算法、路由信息的分发、信令方式等等；管理平面除了实现永久连接以外，还要实现对控制平面及其传送网络、传送平面及其网元的管理，包括网络管理系统和网元管理系统，涉及配置管理、连接管理、故障管理、性能管理、安全管理和计费管理等；传送平面是要传输用户业务数据，为此需要实现客户信号的适配、随路开销信息的插入和提取、传输链路上的功率均衡、色散补偿以及链路和通道性能的监测等等。通过三个平面功能的有机结合和相互作用，共同实现光层业务的自动交换功能。

图1　智能光网络的功能结构

为实现这些功能需求、满足各个平面之间和各个平面内部的信息交互，智能光网络规定了多种逻辑接口：用户网络与智能光网络之间的用户网络接口（UNI）、智能光网络中不同管理域之间的外部网络-网络接口（E-NNI）、智能光网络中单个管理域内的内部网络-网络接口（I-NNI）、管理平面与控制平面之间的接口（NMI-A）和管理平面与传送平面之间的接口（NMI-T）。从水平方向来说，一般可以将整个网络划分成不同的管理域，每个管理域中可划分为不同的路由域，每个路由域又可分为不同的子网。不同管理域之间的信息交互是通过外部网络-网络接口（E-NNI）实现的，比如跨越不同管理域的一条交换式连接的建立过程，就需经由E-NNI接口来传递连接建立消息。在单个管理域内部，信息交互可能通过内部网络-网络接口（I-NNI）来实现，也可能通过E-NNI接口来实现。用户网络和智能光网络之间的控制信息交互是通过用户网络接口（UNI）来实现的，而用户的数据业务则通过与智能光网络的传送平面之间的物理接口（PI）接口进行传送。

在这里呼叫与连接是分离的，通过呼叫用户可把要求创建连接的要求通知给网络和被呼叫用户，呼叫并不是传送数据的实体，而连接才真正承担数据的传送，一个呼叫可对应于多个连接。通过呼叫和连接的分离，增强了网络提供业务的灵活性，比如只在呼叫处理部分作更改，连接处理部分保持不变。

4、智能光网络中的关键问题

在智能光网络的研究中，关键问题包括自动发现技术、路由和波长分配算法、路由信息的分发、信令以及网络生存性等。

自动发现技术。自动发现技术包括自动业务发现和自动资源发现，而自动资源技术涉及的内容包括：1）控制实体间（在控制平面的传送网络内）的自动发现。2）利用测试消息或路径踪迹实现传送平面网络内的相邻网元和/或终端系统间的资源自动发现。自动业务发现。自动业务发现是智能光网络中的边缘网元通过用户网络接口自动发现用户网络需要建立连接的类型、带宽（粒度）、信息格式等信息。

网络资源信息的分发。由于智能光网络中一般采用分布式连接控制，对源端路由方式来说，所有的网络边缘网元（或业务接入网元）都具有一个涵盖该子网或路由域的拓扑和资源数据库。通常所获得的网络资源信息越多，路由计算的准确性和效率就越高，但这两者是相互矛盾的，如果在网络中传送过多频繁地传送这些网络资源消息，网络的可扩展性将受到约束。因此需统筹考虑。

路由和波长分配算法。在智能光网络中为了建立一条连接，需要确定一条路由（即要经过的链路和节点），同时要为这条连接分配一个可用的波长，这就是光网络中路由和波长分配（RWA）问题。在传统的电路交换网络中，如果一条连接跨越多条链路，每条链路上只要有空闲的带宽资源的话就可以建立起这样的连接。但是在缺少波长变换器的波长路由光网络中，如果要建立一条端到端的波长通道，那么不仅要求在经过的链路上有空闲的波长，而且在这些链路中必须有相同的空闲波长，这种波长连续性限制是缺少波长变换器的波长路由光网络中一个重要的限制条件。路由和波长算法就是要在光网络中特定的限制条件下获得可用的路由和波长。

连接的管理。呼叫的建立、拆除和更改以及连接的建立和拆除等操作是有智能光网络中的信令协议来实现的。信令协议不是孤立的，是与网络中的资源信息的分发模式紧密联系的。如果边缘网元具有该路由域（或管理域）内所有波长的使用信息，那么就可以采用源端路由的方式确定路由并分配波长；如果边缘网元只具有该路由域（或管理域）内所有链路的可用带宽信息，而没有具体的波长占用信息，那么在源端节点就只能获得路由，而不能同时为该连接的这条路由分配波长，波长的分配就需要采用逐跳方式来进行。在这两种不同的链路状态信息分发模式下，连接建立的信令协议也是不同的。

控制平面传送网络（信令网）的生存性。由于信令网络的极端重要性，因此在设计时一般要求信令网络的拓扑和数据传送网络的拓扑是相互独立的，这样数据传送网络中的故障将不会影响信令网络的运行，同样信令网络中的故障也不会对数据传送网络产生影响。一般来说，光网络中信令网络的实现方式可以分为以下几种：纤内带内随路方式（如数字封包）、纤内带外方式（如ITU规定的光监控信道）、纤外方式（如独立于数据传送链路之外的以太网、IP网络或是类似于7号信令网络等等）。

传送平面业务连接的生存性。在发生故障时实现业务的快速保护和恢复是智能光网络所必须具有的功能之一，这其中涉及到故障的探测、定位和故障信息的分发、自动保护倒换协议、恢复路由的计算和配置等。业务的保护是在连接建立的同时已经配置（对于1+1）或预留（对于1:1）了资源，在实现保护时只是进行倒换或连接配置，不需要实时计算路由。而对于业务的恢复来说，恢复路由的选择和波长的分配需要依赖于当前的网络拓扑和资源，因此该算法的复杂性对业务恢复来说是有相当影响的。