（范忠禮 南京郵電學院 南京 210003 ）
摘 要 本文介紹了一種標準化的光控制平面，
新一代智能城域光網絡
。光控制平面被分解成鄰居發現、服務發現、連接控制和拓撲/資源發現等幾個基本的過程。不同的網絡組織和分割導致了幾個不同的自動配置模型：軟性持久鏈路模型、用戶接口模型和對等模型。最后還介紹了基于SDH光交換的新一代CIENA公司智能光網絡，它具有大容量光交換能力和網絡拓撲結構自動發現、端對端電路配置、帶寬動態分配等功能及特點，將大大提高數據、電路業務的服務質量。關鍵詞 控制平面 自動配置 路由協議 分布式網絡智能 DWDM 城域網
1 引言
在基于分組化的NGN（下一代網絡）中，電路交換網的危機是顯而易見的。對于各大運營商來說，對NGN的期望并非推倒現有網絡去新建一個理想的NGN模型，而是如何由現有網絡演進到NGN，力爭在競爭日益激烈的業務市場中繼續保持主導地位。顯然一種標準化的光控制平面是ASON的控制平面的基礎。
一個設計良好的控制平面可以快速準確地建立電路連接，令服務提供商能夠更好地控制它們的網絡。控制平面本身必須是可靠、可擴展和高效的。控制平面結構應能夠普遍適應支持不同的技術手段、不同的業務要求和不同的設備提供商所提供的功能。
控制平面應適用于各種不同的傳送網絡技術（如SONET/SDH、OTN、PXC）。為實現這個目標，需要將技術有關方面與技術無關方面隔離開來。控制平面應該足夠靈活，以適用于不同的網絡應用。為此可以將控制平面劃分為不同的部件，設備制造商和服務運營商可以決定這些元件的具體位置，也允許服務運營商決定這些元件的安全和策略控制。
控制平面應該能夠支持傳送網絡中交換連接（SC）或軟永久性連接（SPC）的基本連接功能。這些連接功能的類型包括：單向點對點連接、雙向點對點連接、雙向點對多點連接。不同的網絡組織和分割導致了幾個不同的自動配置模型。
2 自動配置
電信業已經認識到對高帶寬鏈路自動配置的需要，基于運營商現有的基礎設施、開發新產品的潛能和今后的策略，可選取三種不同的模型。
（1）軟性持久鏈路模型
該模型中，終端系統（客戶）和網絡之間沒有網管或控制的互操作。居于控制平面上方的網管系統用于連接兩端的節點通信。因此，SPC模型對于將遺留下來的設備連接到光核心中去是十分重要的，如圖1所示， ATM和FR交換接口通過網管系統連接到光核心。這一模型已經用于ATM的永久虛電路（SPVC）服務中，也為MPLS網絡所建議。
圖1 光網絡中不同的配置模型
（2）用戶網絡接口模型
用戶網絡接口模型（The User Network Interface Model）與ISDN相類似。在這些網絡中，服務是由終端系統發起的。圖1中描述了一個路由器網絡通過UNI從光網絡中請求高帶寬連接。在UNI模型中，終端系統并不了解光網絡的拓撲和資源狀況，只能簡單地要求建立或刪除連接。在一些網絡應用中，客戶端為不同的連接請求不同的路由[1]。由于網絡與終端系統不共享拓撲信息，為了滿足終端系統的多樣性需求，UNI就必須支持“多樣化路由”。
（3）對等模型
在對等模型中，發起者的連接請求總是針對對等網元的，也就是說，請求者需要完全了解拓撲信息。通過這些信息，連接發起者可以按照一系列規則選取通過光網絡的路由，如按照路由的多樣性、最小時延、最高可靠性，或最少跳數。
對等模型受到IP網的很大影響。在IP網中，路由器可以看作是光層交叉連接(OLXC)的對等實體，在OLXC和路由器之間共享全部的信息。這與IETF的MPLambdaS是保持一致的[2]。圖1中描述的對等模型中分開的子網中的路由器扮演了光網的對等實體。然而，對所有的節點來說，并不是全部的信息都是必需的，比如說IP路由表，哪個范圍的信息是需要共享的還在研究當中。
3 信令及路由協議和分布式網絡智能
信令系統的本質是可以請求的動作、與連接相關的特征、用來在網絡中傳遞動作的協議和攜帶信令消息的通道。
按照需求建立或刪除連接，狀態查詢和屬性修改[3]，這些是鑒別光網絡的四個基本動作。這些特征是請求連接所必需的，還有客戶和連接認證，源地址和目的地址及端口，以及安全對象。
圖2 信令及路由協議和分布式網絡智能
許多設備/服務提供商認識到智能光路由的重要性，聯合制定了一些信令及路由標準，例如IETF (Internet Engineering Task Force)的GMPLS（Generalized MultiProtocol Label Switching），在功能上主要完成相鄰節點的發現、鏈路狀態的廣播、計算和維護整個網絡的拓撲結構、路徑的管理和控制、計算路由指標值、保護和恢復等。ITU-T于2002年2月提出了基于PNNI的G.7713.1，這是第一個關于ASON的草案。光網絡的分布式智能完全依賴于光路由和信令協議，以替代傳統采用集中網絡管理實現的智能，網絡拓撲發現、電路自動配置等是分布式智能的主要體現。和IP路由不同的是，光路由不是路由和轉發包的，主要是起到電路的配置作用，當電路形成以后，只是路徑的管理和控制。
光路由信令協議是IP網絡中的OSPF協議的擴展，使每一個網元上保留了全網的拓撲結構圖，這些信息為光網絡實現分布式智能提供了基礎，能提供的網絡智能和功能為：
*通過單個網元可以看到全網的拓撲結構，可以監視網絡的情況；
*網元和網元之間可以通過協議建立電路，也可以通過配置單個網元，實現端對端電路的配置；
*在端對端電路恢復中實現路徑查找，一旦需要對端對端的電路實現恢復時，網元根據拓撲結構和帶寬情況查找路徑實現恢復；
*提供虛擬容量，通過拓撲結構和計算，可以實現任意級聯、波長捆綁，形成非標準的帶寬，對不連續，甚至不在同一光纖或光波中帶寬也可以級聯，當容量超過光波的帶寬容量，也可以采用光波捆綁的方式提供更大的帶寬容量（如40Gbit/s的容量）。
分布式智能是把網絡智能分布到網元上，而不是采用網絡管理系統集中對網元配置形成的智能。和網絡管理形成的智能相比，分布式智能具有下列優勢：
*網元能直接知道網絡物理情況，分布式智能實施速度快、迅速，網絡生存能力強；
*當出現帶內、帶外網絡管理故障時，基于網管的智能就無法實施，而分布式智能不受影響。
4 鄰居發現
所有模型都有一個非常相似的要求，即至少要了解何種終端系統連接到網絡上，哪種網元（如OLXC）是鄰居，和端口互通時網元是如何連接的。我們稱這個過程為鄰居發現，它應該是自動實現的。在圖2中，我們用一個簡單的例子描述了鄰居發現的過程。
鄰居發現過程用來確定節點和端口標識。節點標識用來統一標識網絡中的節點，通常是某種類型的地址，如IP地址。端口標識用來統一標識相鄰接口兩端的傳輸端口。例如，在圖2中，節點 200要知道他的節點/端口對（200, 3）是連接到節點2112的節點/端口對（2112, 1）的；類似的，（200, 4）連接到（2112, 5），（200, 62）連接到（1701, 3）。
圖3 SONET/WDM鄰居發現示例
以下是發現鄰居的幾種方法。
（1）同層發現
當鄰居設備共享復用結構的共同的級別，例如SONET接入復用器與SONET路徑交換機接口連接，時，自動鄰居發現選項是由復用結構該層的功能決定的。
假定我們有SONET線路（SDH復用段）終接設備，并且鏈路的兩端都支持線路DCC通道高級別數據鏈路控制（high-level data link control，HDLC）包進程。在Internet上，PPP協議提供了通用的交流協議。PPP需要全雙工的通信，因此不能用于單向鏈路中。但是，在PPP上傳輸的數據不一定是對稱的。ODSI的鄰居發現和地址注冊草案[8]詳細介紹了PPP這種應用的用法和拓展。更進一步的PPP鏈路控制協議（Link Control Protocol，LCP）拓展、認證信息，可以用來調試連接錯誤的輸入/輸出光纖。
（2）錯層和單向發現
如果鏈路的兩端運行在復用層次的不同級別，如一端執行復用功能或提供傳輸服務，本質上來說這是和單向鄰居發現相同的問題。
在圖3中給出了一個SONET設備（用戶）連接到基于UNI的WDM設備（網絡）上去的示例。在這種情況下，WDM設備扮演物理層再生器的角色，也就是說，執行光電轉換，再生電波形，再執行電光轉換。WDM設備對SONET開銷是透明的，但是可以被動地監控SDH/SONET段級的開銷。并不是所有的開銷都能插入信息，如J0、B1。這就使得從SONET系統到WDM設備的拓撲信息只能是一次性的。
在圖3的示例中，拓撲信息(節點號，端口號)可以在每根SONET和WDM設備的鏈路之間帶內傳輸。主要靠段開銷比特J0。信息傳輸后，網絡的UNI側就有了隨后的連接映射：(1701，1) *(2112, 3)，（1701，3）?（2112，7），（1701，4）?（2112，1）和（1701，12）?（2112，2），
電腦資料
《新一代智能城域光網絡》(http://www.solarmaxlimited.com)。對相反的方向來說，即從網絡到用戶，唯一的選擇就是建立一個帶外通信通道。如果用戶的拓撲信息包含了IP地址，網絡隨后就可以啟動一套程序來建立帶外通信通道。
（3）服務發現
服務發現的概念與鄰居發現是非常接近的。通過服務發現，相鄰網元能夠了解每個網元提供的“服務”和確定可選的接口。舉個例子來說，在兩個SONET/SDH網元間建立了一條OC-48連接，鄰居也“發現”了。就如在ODSI服務發現和地址注冊草案[8]中建議的，服務發現可以用來確定信號接口是否為其中一個網元所提供的。注意這一消息也為UNI模型和對等模型（如OLXC到OLXC）中的網元交流所使用。
服務發現的另一個重要功能是得到接口限制的詳細信息。再次考慮OC-48的例子，假定一個網元是路由器，另一個是SONET/SDH交換機。現在，路由器的接口只支持STS-48c信號，但今后通道化的接口可能支持更多，例如，一個STS-48c或四個STS-12c，使相鄰網元知道局限性或容量是很重要的。
5 路由
路由包括單個連接的路由計算、拓撲信息發現和分發、資源狀況信息發現和可達性信息。
（1）路由計算
代表性的是使用最短路徑算法[10]。通過調整鏈路權重的設置可以優化不同的網絡性能。舉個例子，鏈路權重可以被設成：
a) 鏈路長度；
b) 1；
c) ln(Pi)，Pi是指鏈路i失效的可能性；
d) 有些測量標準與鏈路的帶寬和/或通信流量有關。
在情況a)下，我們獲得長度最短的一條路徑；在情況b)下，我們最小化跳數；在情況c)下，我們得到最小的失效概率；在情況d)下，我們嘗試以某種方式對網絡資源做出優化。
各種不同的服務需求導致了不同的路由算法，路由計算不是一個需要標準化的領域。
（2）拓撲發現和資源狀況
雖然基于SONET/SDH的傳輸網在性能監控和失效管理方面的協同能力是非常好的。但是在拓撲發現和資源狀況信息共享方面并不是很好。鏈路狀態路由協議，如OSPF、IS-IS和PNNI[11]提供了在網元間交換拓撲信息的標準途徑，這樣每個網元都會對網絡的其他部分有一個大概的了解。
鏈路狀態路由協議可以用來進行信息的協同分發。但是，鏈路狀態路由協議需要針對傳輸網進行拓展，包括資源利用（路由計算所需的帶寬可用性）、交換容量、對多層交換的支持[12]，保護和多樣化路由支持。值得注意的是，鏈路狀態路由協議以前被修正用來分發資源利用信息[11]。
（3）多樣化路由支持
多樣化路由[1]是達到傳輸層所要求的可靠性和存活率的非常重要的技術。共享風險鏈路組（shared risk link group, SRLG）[4]是一種新的支持多樣化路由的鏈路屬性。它被用來將所有的鏈路主題描述成某一相似的失效類型。
如果可能的話，我們總是希望工作纖和保護纖為不同的光纖。通常在同一個管道中有多條光纖通道，而在通路（right-of-way）又有多條管道。這些光纖靠得太近了，這使得它們會同時受到外界物理手段的影響。因此，這些在相同的管道、通路中的光纖通道實際上是相關聯的SRLG，只能允許考慮真正物理上多樣化的路由。
（4）保護
保護和恢復特性是區分傳輸網服務等級的重要途徑。在現代傳輸網中，它用可靠性、健壯性和恢復時間證明了其重要性。通常，可靠性的目標總是標準的一部分，因此，我們也希望向鏈路狀態公告中加入可選的特性，以降低鏈路失效的概率。鏈路失效概率只是其中的一部分，因為也許會被像線性1+1，1: N或環路等保護和恢復機制所保護。環路保護在線性保護機制的基礎上賦予了額外的健壯性，所以，知道保護的類型在路由選擇上很重要，這些信息必須在鏈路狀態路由協議中得到分發。保護可以在網絡中的許多層發生作用：WDM、SONET、MPLS等等。典型的看法是認為首先讓最底層嘗試恢復比較好，因為在單次操作中我們可以恢復更多的高層連接，同時，在高層的恢復也更加健壯。因為多層保護需要相互協調，所以在鏈路狀態協議中公告保護信息是非常值得的。
（5）可達性
路由的一個重要功能是分發遍及全網的可達性信息[13]。考慮一個由光網元和光網客戶端（如IP路由器、ATM交換機）所組成的網絡。首先來考慮在客戶網元間交換可達性信息的問題。目標是找到一種協議，通過它客戶網元可以發現網絡中其他可以到達的網元。舉個例子，假設這個網元是IP路由器，并且它是直接連接到光網元邊緣路由器（border router）和邊緣OLXC（border OLXC）所連接的OLXC。有三種途徑得到必需的可達性信息：
在客戶端設備中設定，如每個邊緣路由器可以設定它可以通過光網絡達到的其他邊緣路由器的地址。
通過有限可達性協議，經由UNI獲得，也就是說，當他們連接起來的時侯，邊緣路由器可以在邊緣OLXC上進行登記，并獲得其它連到光網絡上的邊緣路由器的地址。
通過越過客戶端和光網絡的路由協議獲得。在這個例子中，每個邊緣器與相應的邊緣OLXC之間運行路由協議。與上面一條相反的是，邊緣路由器可以在網絡中公告所有可達的目標，并且可以從其他邊緣路由器獲得可達目標的可達性信息。第一個選項只能適合做一個中間的解決方案。第二個選項為邊緣路由器發現其它可達的邊緣路由器的提供了一種自動化機制。第三個選項允許客戶網元發現光網絡上其它的可達客戶網元。在這個例子中，邊緣路由器和它連接到的邊緣OLXC建立一種對等關系，并交換完整的可達性信息。對于由同一個實體管理的光網絡來說，基于鏈路狀態的域間路由協議，如OSPF或IS-IS，是分發可達性和拓撲信息的好選擇。對由不同實體管理的光網絡來說，交換可達性信息可以使用邊緣網關協議（Border Gateway Protocol, BGP）。
SDH是一種非常成熟而嚴密的傳送網體制，它一誕生就獲得了廣泛的應用支持，目前已成為世界各國核心網的主要傳送技術。我國從1995年就在干線上開始全面轉向SDH網絡，目前的城域網、接入網也大都采用SDH體制。但SDH也面臨時分復用、固定帶寬分配帶來的效率低下、成本高、技術相對復雜等問題，因此基于SDH體制的光網絡如何向以IP為基礎的光網絡演進是運營商、設備制造商十分關注的問題。下一代網絡是一個以軟交換為中心，以智能的ＯＴＮ為基礎的傳送光網絡，因此從目前來說開發新一代智能網即支持大容量、小粒度光交換，也兼容目前的ＳＤＨ網絡演進和融合是十分重要的。
ＧＭＰＬＳ反映了下一代光網絡在接口上兼容了電路交換、分組交換、光波長交換和光交換及融合。目前從事智能光網絡產品研發的有CIENA、Lucent、Nortel、Sycmore、 Alcatel、Marconi、NEC等，據RHK、Aberdeen等公司的調查， CIENA公司開發出的新一代智能光網絡在技術上、市場應用中都處于領先地位。
CIENA公司開發出的新一代智能光網絡是ASON自動交換光網絡的前奏曲。其智能光交換機Core Director已在北美、歐洲、亞洲的近３０家大型運營商得到廣泛的應用。以下簡要介紹CIENA公司智能光網絡設備和組網特點。
6 CIENA智能光網絡設備和組網介紹
CIENA光網絡的功能如下：
*大容量、小粒度光交換。CIENA的CoreDirector，單個主機支持640Gbit/s的光交換，交換粒度為51Mbit/s，適合SDH交換，最多可提供64個10Gbit/s的端口或256個2.5Gbit/s的端口，多主機可支持7.7Tbit/s的光交換，支持從STM-1到STM-64的多種接口。
*支持VC-3/VC-4顆粒的任意級聯，支持非標準的容量（如STS-6），能滿足不同的數據速率需求，提高帶寬的利用率。
*支持線型、環型和網狀組網，支持線、環保護和網狀恢復功能，提供7個優先級的區分服務等級。
*CoreDirector是分布式智能的，它的路由信令協議稱為OSRP（Optical Signaling and Routing Protocol），能處理像GMPLS一樣的協議，是GMPLS的前期實現，并支持OIF UNI版本的GMPLS，有拓撲結構自動發現能力，有動態、自動、快速電路配置功能，網絡配置采用端對端配置。
CIENA光網絡設備的組網特點是：
*CoreDirector 替代了多個ADM和數字交叉連接，直接和DWDM設備等連接，建網方便靈活。
*支持網狀組網，在需要增加帶寬的區域增加光纖或光波，采用軟件定義環交換也可滿足要求。
*提供綜合業務接口，支持吉比特以太、快速以太、ATM、SDH、PDH等接口。
*支持虛擬線交換環（VLSR, Virtual Line Switching Ring），軟件可定義BLSR等。
圖4為CIENA組網舉例，圖中采用7個CoreDirector形成一個網狀網絡，其中在左下方軟件定義一個VLSR，增加三個點之間的帶寬，VLSR的容量可以是一個光波，也可以是光波中的一個2.5Gbit/s的帶寬容量。電路配置方式采用端對端配置，即在網管軟件中指出入口、出口及電路帶寬，網元自動形成相應的電路。電路的恢復采用網狀恢復，即由網元自己尋找路徑恢復，而不需要網管配置。