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智能光网络技术白皮书华为
智能光网络技术白皮书
第1章智能光网络的背景
1.1智能光网络的起源
传统SDH光网络主要为语音业务而设计,如图1-1,其拓扑结构以线形和环形为主,业务配置时,需要逐环、逐点配置业务路径及时隙,难以实时管理,网络拓扑的变化不能实时反映到网管。
虽然在这些拓扑结构下实现的保护方式有着快速保护倒换的优点,但其网络扩展性差,并且带宽利用率较低(由于环网保护需要预留一半带宽)。
随着网络规模越来越大,网络结构的日渐复杂,管理、维护的压力也越来越大,这种配置业务的方式风险较高;同时,由于业务从申请到真正开通,都是人工进行,尤其当牵涉到多厂家的设备互连时,需要人工协调,效率很低,通常需要花费几周甚至几个月的时间。
人们希望借助新技术,实现业务的动态申请、选路、业务自动建立,从而简化网络的业务管理,降低运营成本。
这样智能光网络就应运而生。
图1-1传统网络结构图
在传统的光网络中引入动态交换的概念不仅是十几年来传送网概念的重大历史性突破,也是传送技术的一次重要突破。
总的看来,在光网络中引入智能特性的主要好处有:
●灵活的Mesh组网
●网络拓扑自动发现
●缩短业务建立时间,带宽的动态申请和释放
●网络链路负载自动均衡和优化
●简化网络管理
●最终实现不同网络互连、互通
●提供新的增值业务:
按需带宽、带宽出租、批发、贸易、光虚拟专用网(OVPN)、业务等级协定(SLA)等,使传统的传送网向业务网演进
1.2智能光网络的成本分析
对于传统传输网络来讲,运营者面对着如下的问题:
●网络缺少实时的业务供给能力,业务配置时间过长,主要原因是人工操作,所需时间按月计算
●带宽利用率过低,网络不能满负荷运转
●网络中备用容量过大,缺少先进保护、恢复和路由选择功能
●不能提供可个性化的多项服务以供选择所损失的利润
●送达服务到用户手中需要长时间的计划和分配周期所损失的利润
●不能按照服务水平协议满足客户的要求所损失的利润
发展智能光网络对于运营商的机会在于:
●智能光网络网元集成了MADM和DCS设备的功能,简化了网络结构,降低了投资费用
●智能化充分优化并挖掘了现在网络带宽及线路的潜力,提高了网络资源的利用率,从而提高了经济效益
●分布式智能在新型光网络中推行个性化光通信服务的经济的效果,它是服务供应商网络运行和管理的焦点所在。
智能光网络使服务供应商能够低成本的在光网络中提供个性化光通信服务
●分布式智能使光网络提供自动化的快速的点对点配置能力,增强了运营商快速提供优质服务的能力,降低了网络的操作费用,使之成为有效运行、能够赢利的网络
●光网络的可扩展性也是节省费用的主要因素,智能光网络的灵活组网和扩展能力,为电信运行商节约网络扩展的费用
但是运营商希望网络尽量保持稳定,对于全网范围内的业务配置、保护恢复等有全面的管理,因此,如果网络动态程度过高,对运营机制会是一个挑战。
1.3传统网元和智能网元的比较
在智能光网络中网元和非智能光网络中网元相比不同之处在于:
●对信令通道的支持
在智能光网络中各网元间需要进行路由和信令的协调,需要相应的物理通道承载这些信息;无论这些通道的物理形式是什么,都有相应的字节表示路由或者信令,并且在网元间生成、传送和解释,这些工作在智能光网络的网元中相应的智能软件包完成的,但现有光网络中就不存在这些功能,如图1-2。
●CPU、内存等的支持
和非智能网元相比,智能网元不但需要原有的处理功能,而且增加了对智能软件包的处理功能,这意味着智能网元需要更好的配置,如更快的CPU,更大的内存等。
图1-1非智能网元和智能网元的比较
第2章智能光网络的网络模型
在智能光网络概念诞生之初,对其最终要实现的网络模型和演进结构,业界有较为热烈的争论,争论的焦点是网络的融合到底以什么结构来实现。
目前主要有两种网络模型:
重迭模型(OverlayModel)和对等模型(PeerModel)。
重迭模型(OverlayModel)即客户-服务模型,将业务层和传送层之间的关系明确地定义为客户层/服务层结构。
对等模型(PeerModel)也称为集成模型,网络中所有的网元(路由器、光网络网元)都处于对等的关系,网元都清楚全网的资源状况。
在对这两种模型进行描述前先介绍两个相关概念:
UNI和NNI。
UNI(UserNetworkInterface)即用户与网络间的接口,是不同域、不同层面之间的信令接口。
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。
目前在业界标准协议制定得最为完善和成熟的是OIF的UNI协议,它不仅制定了一整套切实可行的UNI信令协议(RSVP或LDP)、控制信道的实现和维护以及相应帧封装标准,而且还提供了一套业务发现和拓扑发现机制。
NNI(Network-to-NetworkInterface)即网络节点接口,可分为两种类型:
外部网络节点接口(E-NNI)和内部网络节点接口(I-NNI)。
●E-NNI:
外部网络节点接口
E-NNI是网络与外部网络之间的控制面双向信令接口。
这种情况通常发生在不同运营商网络之间的互联上。
E-NNI接口信令将屏蔽网络内部的拓扑等信息,其传送的主要信息包括呼叫控制、资源发现、连接控制、连接选择和连接选路。
通过这个接口信令,智能光网络可以被划分成几个子网管理域,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是指同一网络内部的控制面双向信令接口。
这种情况通常发生在同一运营商网络内部的互联上。
I-NNI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路由。
其传送的主要信息包括资源发现、连接控制、连接选择和连接选路。
通过这个接口信令,智能光网可以实现域内的端到端的连接控制。
2.1重叠模型(OverlayModel)
重迭模型又称客户-服务者模型,如图2-1,这种模型的基本思路是将光网络层的控制功能(如路由和信令)完全在本层独立完成,此时光网络层作为服务层,成为一个开放的通信传送平台,可以为包括IP业务层在内的所有客户层提供动态互联。
因此这种模型有两个独立的控制平面:
光网络层(服务层)和IP业务层(客户层),它们的关系集中体现在用户-网络接口(UNI)处,即边缘客户设备(客户层)与光网络设备(服务层)之间,两者之间不交换路由信息,独立选路,边缘客户层设备(客户层)看不到光网络的内部拓扑。
每个边缘客户层设备利用标准UNI接口直接与光网络通信,而光网络由子网组成,子网之间的互联利用标准的网络节点接口(NNI)。
图2-1重叠模型
这种模型的最大好处首先是可以实现统一透明的光传送层平台,支持多客户层信号,不限定于IP路由器。
其次,让客户层特定要求通过接口送给光服务层,由光网络层来完成客户的连接要求,可以屏蔽光传送层的网络拓扑细节,维护了光网络拥有者的秘密和知识产权。
第三,这种模型允许光传送层和客户层独立演进,也允许光传送层和客户层传送层可以继续以所为的光定律速度快速演进,不会受限制于由摩尔定律所限定的IP层发展速度。
第四,采用了网分割后,运营者既可以充分利用原有基础设施,又可以在网络其他部分引入新技术,不为原有基础设施所累。
最后,这种模型可以利用成熟的标准化的UNI和NNI,比较容易在近期实现多厂家光网络中的互操作性,为迅速实施网络商用化做铺设。
这种模型的缺点是为了实现数据转发,需要在边缘设备间建立点到点的网状连接,即存在N2问题,限制了容许联网的边缘客户层设备数量,导致扩展性受限。
这种模型还会引入附加的集成复杂性和运行成本。
2.2对等模型(PeerModel)
对等模型又称集成模型,基本思路是IP业务层和光网络层是对等的,两个层面上运行同一个路由协议,采用统一集成的控制面,该控制平面称为GMPLS(GeneralizedMPLS)。
光网络层的交叉连接设备(DXC或OXC)装备GMPLS控制面来接管集中网管系统的连接控制权,连接改由光网络层的信令和选路来控制。
图2-1对等模型
这种模型的基本特点是将光网络层的路由控制和IP业务层的路由控制融合,并且由IP业务层来完成端到端的控制。
此时光网络网和IP网可以看作一个集成的网络,两者之间可以自由地交换所有信息并运行同样的选路和信令协议,允许边缘客户层设备看到光网络的内部拓外结构,参与路由计算和决定,没有分离的UNI接口和NNI接口,消除不同网络区域的壁垒。
但是即便对于采用重叠网策略的情况,GMPLS所详细规范的选路和信令在光层局部子网范围内仍然是可用的。
然而采用这种模型时为了实现路由器对光传送层的全面控制,必须对客户层开放光传送层的网络拓扑等细节,从而无法保持光网络拥有者的秘密和知识产权,这在多数情况下是行不通的。
因为即使是支持单一的IP业务,光网络也往往同时为多个互联网业务提供者(ISP)提供连接业务。
网络运营者绝不会对所有客户开放光传送层的网络拓扑等细节信息的。
而且,这种模型必须在IP和光传送层之间有大量的状态和控制信息需要交换,从标准化的角度较难实现光传送层的互操作性。
在某些场合下,有可能将上述两者结合在一起,形成所谓的混合方式。
基本思路是由同一运营者拥有的光网络和IP网部分可以集成在一起,按集成模型管理,而将该光网络与其支持的其他客户层信号(IP信号和其他非IP信号)部分按重迭模型管理。
从上面各种模型来看,都涉及到路由协议和信令协议。
所谓的路由就是指信息由源向目标传递的通道。
沿着路由,信息总会通过至少一个中间节点,如何选择所经过的节点,从而满足信息传输的要求是网络使用者很关心的问题。
路由选择方法按不同的方法可以分为以下几类:
●域内路由或域间路由:
为了提高网络的可扩展性和避免控制信息风暴通常将整个网络分成不同的域。
一些路由方法只能用于域内;另外一些方法则用于域间路由的决定,由于两种路由方法本质上有所不同,因此一个最佳的域内路由选择方法并不一定是最佳的域间路由选择方法,反之亦然。
一般域间路由有以下几种:
⏹BGP(BorderGatewayProtocol):
边界网关协议
⏹DDRP(Domain-To-DomainRoutingProtocol):
域到域路由协议
域内路由有以下几种:
⏹OSPF(OpenShortestPathFirst):
开放最短路径优先协议
⏹PNNI(PrivateNetworkNodeInterface):
专用网络节点接口路由协议
⏹IS-IS(IntermediateSystem-IntermediateSystem):
中间系统到中间系统路由协议
所谓的信令就是用户和服务提供者之间传递的一种对话信息,主要作用包括了业务的建立以及信道状态信息的传递等。
信令协议一般包括…
⏹RSVP-TE:
流量工程扩展的资源预留协议
CR-LDP:
基于约束的标记分发协议
第3章智能光网络相关标准
为了实现自动光交换、带宽按需分配等特性,智能光网络需要有一套通用的标准化网络框架结构和相关标准接口协议。
众多的国际标准化组织和机构都在积极参与智能光网相应体系结构和协议的研究与制定工作。
主要的组织有:
OIF(光互联网论坛)、IETF(因特网工程任务组)、ITU-T(国际电信联盟-电信标准部)下面对这三家组织的工作情况作一些介绍。
3.1OIF(光互联网论坛)
OIF成立于1998年,其将主要工作致力于制定网间信令,例如O-UNI/O-NNI接口协议。
并在2001组织完成了多厂家的互操作性测试。
目前,该组织正在从事OIF-UNI2.0和E-NNI协议的标准化工作。
3.2IETF(因特网工程任务组)
IETF以往的工作主要是TCP/IP的标准化协议,目前其在智能光网络方面的工作主要集中在研究改进现有协议,从而使之能进一步拓展到光传输网络上。
该组织提出的GMPLS协议拓展了传统的MPLS,可以支持多种类型的交换,如TDM(例如SDH时分交换)、波长和空间交换(端口交换、光纤交换等)。
IETF最初的智能光网络模型主要基于对等网络模型(PeerModel),并从NNI接口协议入手,其主要包括路由协议(RSVP/CR-LDP)、信令协议(OSPF/IS-IS)以及链路管理协议(LMP)。
由于考虑到运营商和实际网络实现的需求,该组织也正致力于使GMPLS不仅支持对等模型,而且也支持重迭模型。
为此,IETF开始考虑借鉴OIF组织在UNI协议上的工作,使其GMPLS协议族更具完整性。
3.3ITU-T(国际电信联盟-电信标准部)
作为国际电信标准的制定组织,ITU-T多年来致力于光传送网(OTN)的标准制定工作。
该组织在2000年3月的会议上决定开始有关自动交换光网络(ASON)的研究,其目标是实现高效率的光传输层面上的自动交换协议的标准化。
该组织制定相应接口协议的工作才刚开始。
其相应协议已统一在G.807(ASTN)/G.8080(ASON)系列协议族中。
在具体协议的制定工作上,IETF和OIF等组织的工作已经开始被考虑作为其标准协议制定的借鉴基础之一,例如在信令协议方面的G.7713.2(RSVP)、G.7713.3(CR-LDP)就是基于GMPLS中的相应协议。
同时,ATM技术中的PNNI信令也被作为另一种选择(G.7713.1)。
ITU-T在协议方面的标准制定工作预计将在2003年底前完成。
3.4小结
以上组织的相互关系大致如图3-1。
华为技术有限公司积极参加了现有的标准组织对智能光网络标准的制订。
图3-1智能光网络组织框架图
第4章智能光网络的技术介绍
4.1路由协议
在介绍路由协议之前先说明与此紧密相连的概念:
●ControlDomain(控制域)
在协议中控制域(Controldomain)概念是基于ITU建议G.8080中的域概念的,运营商的网络被分割为多个子网,我们称之为“域”。
即控制域为网络分割为子网,可以提高网络的可扩展性和避免域间控制信息的风暴。
网络分割的可能理由:
⏹管理边界
⏹路由或信令的延展性
⏹基于安全或可靠性方面而进行的网络分割
⏹不同域内系统的技术差异
4.1.1域间路由
1.BGP(BorderGateWayProtocol):
边界网关协议
BGP属于外部网关协议,完成域间路由计算的协议。
该协议对于网络的拓扑结构无限制,使用TCP作为传输协议,只对增量路由进行发送,而非周期性的广播所有路由信息;路由信息记录了它经过的自治系统,是一种向量路由,保证无环路。
2.DDRP(Domain-To-DomainRoutingProtocol):
域到域路由协议
DDRP被设计用于单个运营商光网络中的不同控制域之间的拓扑、资源状态和可达信息交换。
该协议不定义控制域内的节点-节点路由协议,也不规定域内使用任何特定的路由协议,是基于链路状态的路由协议。
DDRP是基于OSPF协议的子集的,如启动邻接、同步和分布链路状态数据库;OSPF协议不涉及的光网络内域间互连信息的传递则被扩展支持。
DDRP不关心IP路由并假设支持控制域间的消息传送的IP通信基础已经在位;与PNNI之间没有直接机制上的关系,但借用了PNNI的一些层次和分割支撑结构。
4.1.2域内路由
1.OSPF(开放最短路径优先协议)
开放最短路径优先协议(OSPF)是由网间工程任务组织(IETF)的内部网关协议(IGP)工作组为IP网络而开发的一种路由协议。
OSPF是在80年代中期创立的,当时RIP已不能适应大规模、异构的网络。
顾名思义,OSPF有两个主要特征:
第一是它的开放性,OSPF协议是面向大众的,其协议规范由RFC(RequestforComments)1247规定;第二个特性是它是基于SPF算法的协议,SPF算法又称为Dijkstra算法。
OSPF要求每个路由器将链路状态通告LSA(LinkStatusAdvertisement)发送到相同层次域内的所有其他路由器。
有关连接接口、所用连接标准及其他变量信息都包含在LSA中。
采用OSPF协议的路由器首先必须接收有关的链路状态信息,并通过累加链路状态信息,利用SPF算法计算到达每个节点的最短路径。
2.PNNI(PrivateNetworkNodeInterface):
专用网络节点接口路由协议
PNNI协议包括:
1)相邻结点和链路状态发现
2)网络拓扑数据库同步
3)PTSEs(PNNI拓扑状态分组PNNItopologystatepackets)洪泛式传送(flooding)
4)PGLs(PeerGroupLeaders)选择
5)拓扑状态信息总结
6)路由层次构建
3.IS-IS(IntermediateSystem-IntermediateSystem):
中间系统到中间系统路由协议
IS-IS路由协议是OSI定义的用于支持CLNS(无连接网络服务ConnectionlessNetworkService)的3个网络层协议之一,其它2个是CLNP和ES-IS。
虽然IS-IS被设计用于ISOCLNS网络,但是由它修改而来的集成IS-IS协议可以用于IP环境中。
IS-IS协议主要实现域内IP路由选择。
4.2信令协议
4.2.1RSVP-TE
RSVP是基于IP协议的资源预留协议。
用户通过RSVP协议向网络请求满足特殊服务质量要求的缓存和带宽;中间结点利用RSVP协议在数据传输通路上建立起资源预留并维护该通路,以实现相应的服务质量。
RSVP流量工程扩展(RSVP-TE)针对在MPLS网络中建立具有路由约束的连接而定义。
存在两种基本的RSVP消息类型:
PATH和RESV。
节点通过发送一条指向目的端的PATH消息来发起一个连接建立请求。
在对收到的PATH消息响应时,目的节点向上游连接源节点发送一条预留请求(RESV)消息。
RESV消息在源和目的UNI的每个节点创建“预留状态”。
当源用户节点收到此连接的RESV消息时连接就被建立了。
PATH和RESV状态可以被PATHTEAR和RESVTEAR消息显式地删除。
PATHTEAR消息从源端发给目的端,同时删除连接相关的PATH和RESV状态。
RESVTEAR消息从目的端发向源端,只能删除相关的RESV状态。
4.2.2CR-LDP
CR-LDP信令是基于现有标准的LDP信令,用于建立和维护可保证QoS业务的连接。
CR-LDP通过一套简单有效的硬状态控制与消息机制灵活预留网络资源、建立支持包括分类业务的受限连接。
为符合面向全国的流量工程要求,该连接采用约束路由机制,可提供严格/松散的显式路由、建立/保持优先级、路径挤占、重新优化路径等多种功能。
由于信令基于可靠的TCP传输机制,因而可以确保快速响应节点故障,使网管人员能尽快分析排除故障。
4.3LMP协议
LMP(链路管理协议)用来处理使用光网络网元光层的链路管理问题。
光网络与IP网络不同,IP网络中的所有接口都支持IP报文,而在光网络中数据端口(也即光口)不支持IP(如:
没有带内DCC通道的光口)或有限支持(如:
存在带内DCC通道的光口),使得数据链路无法自动发现邻居,所以引入LMP协议用来自动发现链路对应端口的映射关系。
4.4智能光网络中业务建立的过程
以图4-1说明在智能光网络中建立一条业务的过程:
图4-1业务建立过程图
●根据路由协议,各光网络节点在本地建立一个路由数据库,用以来说明到达其他节点的路由途径;
●ISP向光网络节点提出业务需求及其属性,如建立一条从A到C的业务,属性包括带宽、QoS等;
●接入的光网络节点根据需求计算路由,在图例中就是节点A计算到节点C的路由,最终结果是A->B->C;
●然后根据信令协议建立一条业务路径,过程如1->2->3->4->5->6->7->8。
最终建立一条连接,以后业务就沿着该连接进行传输。
这样一条业务就在智能光网络中建立了。
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