智能光网络的关键技术及发展策略

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摘要　在市场和网络建设的驱动下，智能光网络ASON作为一种新型的智能光传送网，得到了迅速的发展。本文首先介绍ASON的总体结构及其构件，重点介绍ASON中涉及到的关键技术，包含传送平面、控制平面和管理平面。并且提出电信运营商在构建新一代光传输网络时可以采取的相应策略。
0、引言
　　近年来，以因特网业务为主的数据业务飞速增长，因特网业务的激增导致对电信网扩容的迫切需求，而且由于IP业务量本身的突发性、自相似性和非对称性，对网络带宽动态分配的要求也越来越迫切。因此，以光传送网OTN为基础的自动交换光网络ASON被提出，并得到各大电信设备商、大学、研究机构的积极跟进与研究。
　　智能光网络（ASON）指的是在ASON信令网控制之下完成光传送网内光通道连接自动交换功能的新型网络，对网络资源是按需自动分配，它已被认为是具有自动交换功能的新一代的光网络，代表未来网络技术的发展方向。
1、ASON的体系结构
　　可以从两个不同的角度对自动交换光网络划分为层次结构和功能性结构，从水平方向对全球ASON网络进行分割，是ASON的层次结构；从垂直方向对网络进行分解，是ASON的功能结构。
　　1.1　ASON的层次结构
　　在ASON网络的整体结构中，层次模型关系是非常重要的方面参见图1。

图1　ASON的层次结构

　　ASON网络设计的目的是为实现大范围全局性整体网络。因此，ASON网络在结构上采用了层次上可划分为多个自治域的概念性结构。这种结构可允许设计者根据多种具体条件限制和策略要求来构建一个ASON网络。在不同自治域之间的互作用是通过标准抽象接口来完成的，而把一个抽象接口映射到具体协议中就可以实现物理接口，并且多个抽象接口可以同时复用在一个物理接口上。
　　通过引入自治域的概念，使ASON网络具备了良好的规模性和可扩展性，这保证了将来网络平稳升级。通过标准接口的引入，使多厂商设备的互联互通成为可能。因此，标准的接口就成为ASON网络中一个非常关键的方面。另外通过E-NNI，I-NNI的引入，使得ASON具备良好的层次性结构：通过E-NNI接口来传递网络消息，可以满足不同自治域之间的消息互通的要求；通过对外引入I-NNI，就能屏蔽了网络内部的具体消息，保证了网络安全性需求，而标准的UNI接口的引入，使得用户具备统一的网络接入方式。
　　1.2　ASON的功能结构
　　在此结构中，传统的光传送网管理体系被基于管理平面、控制平面和信令网络的新型多层面管理结构所替代，其总体结构由传送平面（TP）、控制平面（CP）、管理平面（MP）组成。传送平面负责业务的传送，但这时传送层的动作却是在管理平面和控制平面的作用之下进行的；管理平面在结构中是作为高层管理者的作用出现的，在管理平面中存在着三个管理器，分别是控制平面管理器、传送平面管理器和资源管理器，这三个管理器是实现管理平面同其它平面之间实现管理功能的代理；控制平面通过信令的交互完成对用户平面的控制。用户平面用于转发和传递用户数据。这就构成了一个集成化管理与分布式智能相结合、面向运营者（管理平面）的维护管理需求与面向客户层（控制平面）动态服务需求相结合的综合化光网络管理方案。

图2　ASON的功能结构

　　ASON 由请求代理（RA）、光连接控制器（OCC）、管理域（AD）和接口这4类基本网络结构元件构成。其中RA通过OCC协商请求接入TP内的资源；OCC的逻辑功能是负责完成连接请求的接受、发现、选路和连接；管理域所包含的实体不仅包含在管理域，而且也分布在传送平面和管理平面；接口主要完成各网络平面和功能实体之间的连接。
　　1.3　ASON控制平面的功能元件
　　ASON是具有动态连接能力的光传输网络，其关键之处就在于相对于现有的传输网络，ASON增加了一个控制平面。控制平面由资源发现、状态信息传播、信道选择和信道管理等功能模块以及传送信令信息和其他控制信息的信令网络组成。功能模块通过ASON信令系统协同工作形成一个完整的ASON控制平面。一个具有可靠性、可扩展和高效率特点的控制应能支持不同的业务需求和不同厂商的功能元件；应能将技术相关方面和技术无关方面分离开来，以支持不同的传送网络技术；并可根据设备制造商和业务提供商决定的元件安全和策略控制将CP的功能置于不同的元件之中，以使控制面适应不同的网络环境。
　　为了实现上述要求，需要有一系列的功能元件来支持。控制平面内的功能元件有：连接控制功能、路由表功能、路由表更新功能、连接许可控制功能、链路资源管理功能、连接点状态、策略代理和协议控制器功能。
2、ASON的关键技术
　　ASON由智能化光网络节点所构建的光传送网及对光传送网进行控制管理的光信令控制网络构成，即所谓的硬光技术和软光技术。硬光技术指物理层的光技术和硬件设备；软光技术指控制光通道的建立、删除、查询等操作和提供服务所需的软件，即智能化。
　　2.1　传送平面的技术
　　传送平面由作为交换实体的传送网网元（NE）组成，主要完成连接建立/删除、交换（选路）和传送等功能，为用户提供从一个端点到另一端点的双向或单向信息传送，同时，还要传送一些控制和网络管理信息。ASON的传送平面具备了高度的智能，这些智能主要通过智能化的网元光节点来体现。
　　ASON的总体需求框架标准G.8080明确指出ASON节点应具有多粒度交叉、多业务接入的能力，实际上应是一种具有疏导交叉功能的节点。如果把智能光网络看成是可运营的网络，那么必须能够灵活地为用户提供业务服务。因此在未来相当长的一段时间内，ASON节点不可能是全光的（以波长为粒度提供给用户实在是太大了），业务接入、汇聚最好由电的交叉连接来完成（业务汇聚层）。对于ASON的传送平面的核心交换结构，全光方式和光电光方式各有其优缺点。
　　●全光方式　全光方式的优点是对业务透明，不需要进行大量的光电、电光转换。光节点具有容量大，结构简单，透明性好，易于实现，成本低的优点。但它本身只能完成波长以上级的交换，全光结构要想具有疏导的能力，必须增加对子波长进行处理的能力，即核心交叉在光域完成，同时增加电层的交叉以完成子波长的处理。
　　●光电光方式　光电光方式具有交叉颗粒度小，电性能监测完备以及强大的业务汇聚能力等特点。但它对信号格式不透明，在多业务情况下，必须有统一的承载层。对于光电光结构，大量的实现方案是走高速背板互连。电交叉卡受单板尺寸，单个芯片交叉容量以及高速接口数量的限制，比较先进的单板可以实现160 Gbits/s的交叉连接，容量扩展采用3级Clos矩阵。
　　2.2　管理平面的技术
　　管理平面对控制平面和传送平面进行管理，在提供对光传送网及网元设备的管理的同时，实现网络操作系统与网元之间更加高效的通信功能。管理平面的主要功能是建立、确认和监视光通道，并在需要时对其进行保护和恢复。由于ASON在传统光网络的基础上新增了一个功能强大的控制平面，这给智能光网络的管理带来了新的需求。
　　网管系统对控制平面的管理需求主要分为以下几个方面：
　　（1）网管系统对控制平面初始网络资源的配置，包括配置控制模式和传输资源的绑定模式（如控制代理和传送网元的关系）。
　　（2）网管系统对控制平面的控制模块的初始参数配置，包括控制模块路由功能的命名和地址参数的配置、信令控制模式和初始参数的配置、资源管理模块初始网络资源参数的配置、用户网络接口和网络节点接口的参数配置。
　　（3）三种连接的管理过程中控制平面和管理平面间的信息交互，包括软永久连接SPC建立过程中管理平面和控制平面之间的信息交互，交换连接SC建立完成后控制平面对管理平面的信息上报过程，控制平面和管理平面协同完成对SC以及SPC的管理过程。
　　（4）控制平面本身的性能和故障管理，使用定期上报的机制，如果规定时间内没有收到控制平面的上报信息，就认为控制节点或者节点内部的控制模块发生了故障。
　　（5）实现对支撑控制平面数据通信网络（DCN）的管理和对控制通道的管理和维护。
　　传送平面的管理与传统的光网络管理的内容类似，主要完成传送网络资源的配置管理、性能管理、以及故障管理等内容。
　　传送网络单元管理主要包括以下操作：
　　（1）初始传送网络资源的配置，如配置网络拓扑、各种传送网元的性能参数等；
　　（2）配置、删除、调整一条永久连接；
　　（3）传送网络资源性能监测和故障管理。
　　2.3　控制平面的技术
　　ASON控制平面主要实现两类功能：基本功能和核心功能。其中基本功能包括路由功能、信令功能、链路管理功能和单元接口技术等，而核心功能则包括网络连接控制、网络生存性、新型业务等。控制面中的功能块之间的通信将通过标准的接口信令方式来实现。可以说，智能光网络的具体实施的关键是对接口的定义和具体接口之间的协议方案。图3中显示了不同接口在网络中所处的位置。这些接口可以灵活的支持不同的网络模型和网络连接。

图3　智能光网络中的接口类型

　　ASON的控制平面的关键技术很多，包括信令、路由和呼叫、连接的控制，网络的生存性，接口技术等。本文主要论述分布式呼叫和连接的管理（DCM），接口技术。
　　2.3.1　分布式呼叫和连接的管理
　　呼叫和连接是由ASON提出的，呼叫是在终点与提供接入网络服务节点之间的协商。除了传输呼叫管理请求，呼叫并不涉及传输节点，呼叫可以独立连接而建立、维护。连接需要数据链路上的节点维持状态，承担数据的传输。
　　对于呼叫和连接控制的关系，在G.8080中提到在一个呼叫中可以包含多个连接，或存在多方呼叫的情况。在这两种情况下，需要多个连接之间或多方之间的协调。实际上在G.7713建议中，只考虑一个呼叫只包含一个连接，且仅有一个呼叫方和一个被呼叫方的情况。实践中一个呼叫包含多个连接，涉及到多方的情况是存在的。G.7713.3中也提到一个呼叫包含多个连接的情况。
　　呼叫和连接控制可以分离，也可以合并。在G.8080中规范了呼叫和连接控制之间的三种共存方式：
　　（1）实现呼叫、连接的协议中，通过参数的不同分离出呼叫控制信息
　　（2）分离呼叫控制和连接控制的状态机，但呼叫控制和连接控制的信令信息在同一个实现呼叫、连接的协议中。
　　（3）呼叫控制和连接控制采用不同的信令协议，以分离呼叫控制和连接控制的信息和状态机。
　　在具体实现DCM功能时，可选择不同的信令协议。G.7713.1规定的PNNI，G.7713.2规定的RSCP-TE，G.7713.3规定的CR-LDP。
　　2.3.2　接口技术
　　控制面中的功能块之间的通信是通过标准的接口信令方式实现的。这些接口代表了控制面实体间的逻辑关系并且由跨越这些实体间的信息流来规定。因此可以说，ASON的具体实施的关键是对接口的定义和具体接口之间的协议方案。这些接口可以灵活地支持不同的网络模型和网络连接。具体包括：
　　●用户网络接口（UNI）
　　UNI是用户与网络间的接口，是不同域、不同层面之间的信令接口。通常在这个接口传递的信息包括：呼叫控制、资源发现、连接控制和连接选择。UNI不支持选路功能，其所完成的主要任务包括：连接的建立、连接的拆除、状态信息交换、自动发现和实现用户业务传送。
　　●外部网络节点接口（E-NNI）
　　E-NNI是属于不同管理域且无托管关系的控制面实体之间的双向信令接口。E-NNI接口信令将屏蔽网络内部的拓扑等信息，它支持选路功能。通过这个接口信令，ASON可以被划分为几个子网管理域，E-NNI可以实现这几个域间的端到端的连接控制。
　　●内部网络节点接口（I-NNI）
　　I-NNI是属于同一管理域或多个具有托管关系的管理域的控制面实体之间的双向信令接口。该接口需要重点规范的是信令与选路，它将提供网络内部的拓扑等信息，其所传递的信息将被用来进行选路和确定路由。通过这个接口信令，ASON可以实现域内的端到端的连接控制。
　　●控制连接接口（CCI）
　　控制连接接口（CCI）工作在控制平面和传送平面之间。一般情况下，这是一个私有接口。接口必须支持两个基本功能：（1）从控制平面接收命令，翻译以后下发到传送平面，对传送平面的光开关、功率均衡等实体进行控制。（2）搜集传送平面实体当前状态，包括开关状态、告警等信息，翻译以后发送到控制平面，即主动上报和支持查询的功能。
3、构建新一代智能光网络的策略
　　智能光网络是构建新一代光网络的核心技术之一，这种先进的技术和组网思路所能带来的好处也是非常明显的。但是，也应该看到这种技术目前还在发展中，特别是该技术的协议标准和接口规范等的制定工作还在进行中，相应协议的成熟度和可靠度还有待检验，因此对如何看待这种新技术应该有一个清醒的认识和明确的策略。目前，运营商通过宣布采用了某种新的技术来推动投资市场的时代早已经过去，市场已经趋于理性，将更加关注于运营商本身的经营状况和赢利能力。因此，作为网络运营商，对智能光网络技术可以采取以下发展策略：
　　1）充分利用好现有网络资源，在保证现有投资的前提下，逐步引入新技术、新业务，做到少投入，多收益；
　　2）坚持技术标准性和网络兼容性：标准的信令协议是智能光网络最重要的技术前提。因此，厂商所采用的是标准的协议还是专有的协议是评价方案优劣的基本尺度。同时，厂商的设备与现有网络的兼容程度也是评判的重要标准。例如，采用了SDH帧结构中的DCC通道作为信令通道的系统应该保证与现有网络中SDH设备的互通和兼容；
　　3）根据自身业务和网络发展需要，合理的引入和开展新业务新运营模式，逐步向智能光网络演进。
　　在考虑如何向智能光网络演进时，需要弄清楚以下问题：
　　1）如何引入网络智能：
　　控制面是作为新一代光网络的智能提供者，尽管在现有网络中的网元设备无法提供控制面信息处理能力，但这并不等于说现有的网络中不存在网络智能。其实从能够实现的功能上来看，目前在中国广泛采用的光网络相应网络集中管理系统可以实现控制面计划要实现的绝大部分功能。可以说，在目前网络标准的控制面还没有正式建立之前，控制面的工作可由现有的集中网络管理面来承担，而其所管辖的区域将成为在未来网络中的一个子网，将来控制面的信令传送可以通过相应网络管理系统的接口来实现。所以，可以利用现有网络中的集中智能系统（网管系统）作为引入网络智能的第一步，然后待标准成熟后再建设控制面。这种方法可以将现有的网络平滑的纳入未来智能光网络的范畴，既保护了现有投资，又实现网络平稳演进，是目前最经济有效、方便可行的方法。
　　2）如何构建网络结构：
　　控制面的实现通常被认为就是采用了分布式的信令技术，甚至有人认为提供分布式信息处理能力的网元设备就是智能光网络，这是有失偏颇的。其实，智能光网络技术的先进性在于它建立起来的利用控制面使不同层面设备协同工作的创新网络模型。未来的网络结构很有可能是基于混合型的模型，但是作为建设的步骤来看，重迭模型将是运营商首先会采用的结构。因此，考虑到中国的运营商的网络现状，可以先建设控制面UNI接口，使业务层和传送层能首先实现协同工作，然后建设控制面NNI接口（I-NNI，E-NNI），最终实现光网络本身的自动化。
　　3）如何构建网络运营：
　　智能光网络技术的引入可以带来众多的新业务模式，例如波长/子波长出租、批发、转售，光拨号业务，带宽贸易（Bandwidth Trading），光虚拟专用网（0-VPN）等。如何在运营机制上来适应这些新的商业模式也是一个值得深思的问题。目前，采用SDH技术的运营商普遍都拥有一个较为强大的网络管理系统，已经可以实现对光网络业务的集中控制和调度，这在SONET世界仍没有实现，为此，应该在充分发挥现有网络集中控制的基础上，逐步引入标准信令，实现多厂家、多技术和多运营商环境下的无缝互联。同时，智能光网络将实现光网络的自动化，使网络趋向动态化，这给网络的管理和维护带来了新课题。特别是数据设备和光网设备之间的自动互操作与现有运营体制存在着一定矛盾，因此，在可预测的未来，利用一个政策服务器（Policy Server）集中式的管理和监控业务的调度和配置是必要的。有鉴于此，在技术实现上采用先集中后分布的策略是较为适合的。
　　基于以上考虑，在构建新一代光网络的策略方面，可以采取分两步走的方式：
　　第一步：在现有网络中引入智能光网络集中控制系统，向外提供标准的UNI接口，实现流量工程和带宽按需自动配置。图4显示了第一步实现的智能光网络体系结构。可以在现有光传输网的层面选择几个核心大节点配置大型交叉连接系统，这种方式可以首先屏蔽现有网络的多厂商环境，构建一个基于网格状网的灵活、强大的智能核心层，或者保持现有传输网不做变动。通过在集中的管理系统上配置智能控制系统（例如阿尔卡特的1355BonD），借助其所提供的标准OIF-UNI接口，可以实现与数据业务层的自动互联，构建重迭结构的智能光网络。

图4　智能光网演进第一步

　　尽管这种方案还没有全面解决多厂商互联的问题，但OIF-UNI接口信令也为多厂商、多运营商环境下的互操作提供了可能。图5显示了可能的信令互通的方案。

图5　多厂商、多运营商环境下的互操作

　　第二步：待智能光网络技术，特别是NNI信令协议最终实现标准化，例如GMPLS/G.ason等技术的进一步成熟，可以在网络中建立信令机智，这样一来带宽配置的工作可以最终由信令网来实现。但对于现存网络的带宽配置仍可以继续由集中控制系统这样才可能保证全网的端到端配置。如果最终全网实现了GMPLS/G.ason，网管系统将演来实现。可以说未来两种方式将并存，只有变成网络资源的管理监控系统和业务的政策服务器，提供诸如网络性能，故障处理和资源监控等功能，将继续在未来智能光网络中发挥必不可少的重要作用（参见图6）。

图6　智能光网络演进第二步

4、结论
　　智能光网络技术是构建下一代通信网络中的核心技术之一，其创新的网络体系结构将对通信网络技术带来深远的积极影响，也描绘了一个美好未来。目前困扰智能光网络技术得到广泛应用的主要原因是其协议的标准化工作仍在进行中，产品成熟程度还有待检验。在回顾分析了该技术的产生原因、技术背景和业界动态后，本文提出了分步走的网络演进策略：
　　（1）网络智能先集中后分布；
　　（2）利用集中控制系统先建设UNI接口，建立智能光网络体系结构，然后逐步引入标准NNI接口协议构建控制面。这种策略可以帮助运营商通过一个最经济有效、灵活先进和安全稳妥的方式向最终实现智能光网络挺进。