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1、傳統(tǒng)光網(wǎng)絡面臨的挑戰(zhàn)
以IP為主的數(shù)據(jù)業(yè)務的指數(shù)式增長已經(jīng)削弱了話音業(yè)務和專線業(yè)務的優(yōu)勢，可以期望這些數(shù)據(jù)業(yè)務在未來還將以較快的速度增加，因此傳統(tǒng)的以環(huán)網(wǎng)為主的光網(wǎng)絡（如SDH網(wǎng)絡和WDM網(wǎng)絡）在應對這樣高速增加的業(yè)務時，會面臨一些問題和挑戰(zhàn)。
（1）環(huán)網(wǎng)的建設周期較長，使得在競爭激烈的市場上往往失去最好的投資機會。
（2）可擴展性問題。在擴展網(wǎng)絡容量時，有時某些節(jié)點之間并不需要太大的容量，但是建設環(huán)網(wǎng)時通常要求所有相鄰節(jié)點之間都要配置相同的資源，這樣勢必造成擴容后環(huán)網(wǎng)某些資源的閑置。
（3）連接配置時間較長。傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡中的連接配置和拆除都是采用集中式的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)來進行的，連接建立時間相對都比較長，一般需要幾天到幾個月的時間，這種連接建立時間對于不需要頻繁更改連接狀態(tài)的永久連接來說還是可以忍受的。但是隨著以IP為主的數(shù)據(jù)業(yè)務的不斷增長，這樣長的連接建立時間以及這樣的連接管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足用戶新的需求，用戶需要能在較短的時間內(nèi)建立連接。
（4）業(yè)務的服務質(zhì)量（QoS）單一。傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡為用戶提供多種QoS服務的能力是有限的，以環(huán)網(wǎng)為主的SDH網(wǎng)絡和WDM網(wǎng)絡可以為建立的連接提供少數(shù)幾種保護措施，如1+l或1:1保護等，但是缺少更多的不同的QoS服務。
（5）從網(wǎng)絡可靠性方面來講，傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡中的控制和管理方式一般都是集中式的，其中存在一個中央數(shù)據(jù)庫。很顯然，如果中央控制節(jié)點中硬件發(fā)生故障，或者計算路由和分配波長的軟件模塊發(fā)生故障，都將導致全網(wǎng)性的癱瘓。雖然在設計這樣的集中式網(wǎng)絡控制系統(tǒng)時，可以采取一些備份措施來克服這些問題，但是畢竟不如分布式控制系統(tǒng)在應對這些問題時生存性強。
（6）從業(yè)務連接的保護恢復機制上來考慮，以環(huán)網(wǎng)為主的傳統(tǒng)光網(wǎng)絡所提供的保護機制主要是環(huán)網(wǎng)保護，環(huán)網(wǎng)保護雖然能夠快速地保護受保護的連接，但這是以犧牲網(wǎng)絡50%的資源換得的，這些都給運營商帶來了競爭上的壓力。而基于網(wǎng)狀網(wǎng)的光網(wǎng)絡，不僅可提供各種不同的保護措施，如1+1、1:1和n:m鏈路或通道保護，以及（虛）環(huán)網(wǎng)保護，而且還可提供靈活的恢復機制，如基于共享風險鏈路組的通道共享恢復等。這些恢復機制不僅能在較短時間內(nèi)恢復中斷的業(yè)務連接，而且能有效節(jié)省有限的光網(wǎng)絡資源。
（7）從應用方面來說，以前傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡主要應用領域是骨干網(wǎng)，但隨著視頻點播（VOD）等需要較大帶寬的業(yè)務發(fā)展，用戶對帶寬的需求也變得比以往任何時候都強烈。光網(wǎng)絡將更接近于實際的終端用戶，在為這些用戶提供較大帶寬服務的同時，也承受了來自用戶對動態(tài)提供這些服務的需求壓力。
綜上所說，在當前以IP為主的數(shù)據(jù)業(yè)務日益占據(jù)主要的發(fā)展形勢下，傳統(tǒng)的光網(wǎng)絡已經(jīng)不能適應用戶和市場的需求，迫切需要一種能提供動態(tài)的連接建立的、具有基于網(wǎng)狀網(wǎng)的保護和恢復功能的、具有更強的抗毀能力的、并能為用戶提供不同帶寬和不同類型業(yè)務的、以及能提供不同服務質(zhì)量（QoS）的區(qū)分服務的新型的光網(wǎng)絡——智能光網(wǎng)絡（Intelligent Optical Networks：ION）。
2、智能光網(wǎng)絡的功能
根據(jù)韋伯新世界大學詞典的定義，智能（Intelligence）是指感知環(huán)境變化、據(jù)以分析判斷并作出正確反應（調(diào)整）的能力。結(jié)合通信網(wǎng)絡，簡單來說智能通信網(wǎng)絡至少要具有感知和理解網(wǎng)絡的環(huán)境（即拓撲、資源、業(yè)務）、根據(jù)這些變化的網(wǎng)絡環(huán)境做出分析、能有效地配置網(wǎng)絡的資源并做出正確反應（調(diào)整）的能力。通信網(wǎng)絡智能（CNI）的不斷提高可使網(wǎng)絡運營商在進行反應之前作出前瞻性的規(guī)劃和管理，并能推斷作出不同反應方式的可能結(jié)果，這些網(wǎng)絡智能比起傳統(tǒng)網(wǎng)絡將可以更多地為運營商提供競爭上和運營上的優(yōu)勢。
簡單來說，智能光網(wǎng)絡就是符合上述要求的下一代光網(wǎng)絡，具有自動發(fā)現(xiàn)功能，包括能夠自動地發(fā)現(xiàn)業(yè)務、拓撲、資源的變化；具有強大的計算功能，能夠根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境的這些變化，進行計算、分析、推理和判斷，根據(jù)資源有效配置這一原則最終做出決定；具有快速的動態(tài)的連接建立能力，并能為需要的業(yè)務提供保護和恢復功能；能夠提供不同類型的、不同優(yōu)先級的服務等。
自動發(fā)現(xiàn)技術包括自動資源、拓撲發(fā)現(xiàn)和自動業(yè)務發(fā)現(xiàn)。自動資源、拓撲發(fā)現(xiàn)技術的功能是使網(wǎng)元和/或終端系統(tǒng)確定其彼此間的連接關系及連接鏈路上的有效資源，并根據(jù)這些信息確定全網(wǎng)絡的資源和拓撲信息。而自動業(yè)務發(fā)現(xiàn)的功能是使網(wǎng)元和/或終端系統(tǒng)確定在這些連接上能傳送業(yè)務的類型、帶寬和優(yōu)先級等等。事實上自動發(fā)現(xiàn)技術是實現(xiàn)智能光網(wǎng)絡所需最基本的前提條件。
智能光網(wǎng)絡及其網(wǎng)元的分析判斷功能依賴其強大的計算能力、網(wǎng)絡系統(tǒng)使用算法的先進性及系統(tǒng)所存儲和訪問的信息數(shù)據(jù)量。
快速和動態(tài)的連接建立能力是智能光網(wǎng)絡的核心功能，其他功能都服務于這個核心功能，同時也對其他功能模塊提出了挑戰(zhàn)。例如，為了降低新到達連接的阻塞概率，網(wǎng)絡系統(tǒng)需盡可能地利用當前最新的網(wǎng)絡資源信息，因此如何在連接動態(tài)變化的網(wǎng)絡環(huán)境下有效地分發(fā)網(wǎng)絡資源信息就是智能光網(wǎng)絡中路由分發(fā)模塊必須解決的問題之一。此外在建立連接時，如何快速地在相關的鏈路上預留資源，并盡可能少地減小來自不同連接對相同鏈路上的資源的競爭，從而避免不必要的沖突所帶來的連接的重新建立也是智能光網(wǎng)絡中的信令模塊需要解決的問題之一。
保護和恢復功能是智能光網(wǎng)絡中最基本的功能之一，在智能光網(wǎng)絡中，由于引入了基于網(wǎng)狀網(wǎng)的保護恢復機制，所以能采用更加靈活的方式來保護和恢復中斷的業(yè)務。如基于共享風險鏈路組（SRLG）的通道共享保護、在其基礎上加以改進的分段通道共享保護、跨環(huán)網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)的保護恢復及虛擬環(huán)網(wǎng)保護等等，這些保護恢復機制不僅具有更大的靈活性，而且具有更有效的資源使用率。
智能光網(wǎng)絡另一個重要的特征是能夠為用戶提供更新型、更多帶寬的服務，如按需帶寬業(yè)務、波長批發(fā)、波長出租、帶寬交易、光虛擬專用網(wǎng)（OVPN）等。同傳統(tǒng)的IP虛擬專用網(wǎng)（VPN）業(yè)務相類似，OVPN業(yè)務使得用戶能在減少通信費用的情況下在公眾網(wǎng)絡內(nèi)部靈活地組建自己的網(wǎng)絡拓撲，并允許服務提供商對物理網(wǎng)絡資源進行劃分，提供給終端用戶全面安全地使用并管理他們各自OVPN的能力。這既滿足了用戶不想背負上建設專用網(wǎng)絡的沉重費用、又能根據(jù)通信需求靈活地改變通信方式的要求。
由于未來的數(shù)據(jù)業(yè)務仍將以IP為主，那么智能光網(wǎng)絡服務的最主要客戶層信號就是IP業(yè)務，對于這樣的網(wǎng)絡架構，IP層和智能光網(wǎng)絡之間的互聯(lián)模型主要存在三種方式，即對等模型（Peer Model）、疊加模型（Overlay Model）和擴展模型（Augmented Model）。
在疊加模型下，IP層中的路由、拓撲、鏈路信息分發(fā)和信令協(xié)議與光網(wǎng)絡中的機制相互獨立，這種模型在概念上類似于傳統(tǒng)的IP over ATM模型。在這種模型下，需要為光網(wǎng)絡定義與IP層相獨立的拓撲和鏈路資源分發(fā)協(xié)議、路由和波長分配算法以及信令協(xié)議，此時IP層并不了解光網(wǎng)絡層的拓撲和資源信息，IP層和光網(wǎng)絡層是經(jīng)由用戶網(wǎng)絡接口（UNI）相連接的。如果IP層想要建立一條連接，IP路由器首先通過UNI接口向光網(wǎng)絡發(fā)送連接請求，具體的連接建立過程由光網(wǎng)絡層完成之后再通過UNI接口反饋給該IP路由器。由國際電聯(lián)（ITU-T）制定的自動交換傳送網(wǎng)（ASTN）和自動交換光網(wǎng)絡（ASON）都是屬于疊加模型，同時由國際眾多重要設備制造商組成的光互聯(lián)論壇（OIF）提出的用戶網(wǎng)絡和智能光網(wǎng)絡之間的接口——用戶網(wǎng)絡接口（UNI 1.0）也是基于疊加模型的。
無論是由IETF提出的基于GMPLS的光網(wǎng)絡還是由ITU-T提出的自動交換光網(wǎng)絡都可以認為是具有一定智能的光網(wǎng)絡。在本文中如果不是特別聲明，智能光網(wǎng)絡都是指自動交換光網(wǎng)絡。
3、智能光網(wǎng)絡的結(jié)構
從功能方面可以把智能光網(wǎng)絡劃分為三個部分，即控制平面、傳送（數(shù)據(jù)）平面和管理平面，如圖1所示，分別實現(xiàn)路由和信令信息的傳送、用戶數(shù)據(jù)的傳送和對控制平面和傳送平面的管理。能夠動態(tài)地為用戶提供連接，包括交換式連接、永久式連接和軟永久式（半永久）連接，其中交換式連接是指用戶的連接（包括用戶網(wǎng)絡與智能光網(wǎng)絡之間的連接和跨智能光網(wǎng)絡內(nèi)部的連接）都是由控制平面利用信令方式來建立的這種連接；而永久式連接是指用戶的連接完全是由網(wǎng)絡管理系統(tǒng)來控制傳送平面上的網(wǎng)元進而建立的連接；對軟永久式連接則是指用戶連接部分由控制平面實現(xiàn)部分由管理平面實現(xiàn)的這種連接，就是用戶網(wǎng)絡與智能光網(wǎng)絡之間的連接由管理平面實現(xiàn)，而在智能光網(wǎng)絡內(nèi)部的連接還是由控制平面來實現(xiàn)的這種連接。
控制平面是要實現(xiàn)交換式連接和軟永久連接所需的信令和路由功能，是智能光網(wǎng)絡中的核心，包括自動發(fā)現(xiàn)技術、路由和波長分配算法、路由信息的分發(fā)、信令方式等等；管理平面除了實現(xiàn)永久連接以外，還要實現(xiàn)對控制平面及其傳送網(wǎng)絡、傳送平面及其網(wǎng)元的管理，包括網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和網(wǎng)元管理系統(tǒng)，涉及配置管理、連接管理、故障管理、性能管理、安全管理和計費管理等；傳送平面是要傳輸用戶業(yè)務數(shù)據(jù)，為此需要實現(xiàn)客戶信號的適配、隨路開銷信息的插入和提取、傳輸鏈路上的功率均衡、色散補償以及鏈路和通道性能的監(jiān)測等等。通過三個平面功能的有機結(jié)合和相互作用，共同實現(xiàn)光層業(yè)務的自動交換功能。
圖1 智能光網(wǎng)絡的功能結(jié)構
為實現(xiàn)這些功能需求、滿足各個平面之間和各個平面內(nèi)部的信息交互，智能光網(wǎng)絡規(guī)定了多種邏輯接口：用戶網(wǎng)絡與智能光網(wǎng)絡之間的用戶網(wǎng)絡接口（UNI）、智能光網(wǎng)絡中不同管理域之間的外部網(wǎng)絡-網(wǎng)絡接口（E-NNI）、智能光網(wǎng)絡中單個管理域內(nèi)的內(nèi)部網(wǎng)絡-網(wǎng)絡接口（I-NNI）、管理平面與控制平面之間的接口（NMI-A）和管理平面與傳送平面之間的接口（NMI-T）。從水平方向來說，一般可以將整個網(wǎng)絡劃分成不同的管理域，每個管理域中可劃分為不同的路由域，每個路由域又可分為不同的子網(wǎng)。不同管理域之間的信息交互是通過外部網(wǎng)絡-網(wǎng)絡接口（E-NNI）實現(xiàn)的，比如跨越不同管理域的一條交換式連接的建立過程，就需經(jīng)由E-NNI接口來傳遞連接建立消息。在單個管理域內(nèi)部，信息交互可能通過內(nèi)部網(wǎng)絡-網(wǎng)絡接口（I-NNI）來實現(xiàn)，也可能通過E-NNI接口來實現(xiàn)。用戶網(wǎng)絡和智能光網(wǎng)絡之間的控制信息交互是通過用戶網(wǎng)絡接口（UNI）來實現(xiàn)的，而用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務則通過與智能光網(wǎng)絡的傳送平面之間的物理接口（PI）接口進行傳送。
在這里呼叫與連接是分離的，通過呼叫用戶可把要求創(chuàng)建連接的要求通知給網(wǎng)絡和被呼叫用戶，呼叫并不是傳送數(shù)據(jù)的實體，而連接才真正承擔數(shù)據(jù)的傳送，一個呼叫可對應于多個連接。通過呼叫和連接的分離，增強了網(wǎng)絡提供業(yè)務的靈活性，比如只在呼叫處理部分作更改，連接處理部分保持不變。
4、智能光網(wǎng)絡中的關鍵問題
在智能光網(wǎng)絡的研究中，關鍵問題包括自動發(fā)現(xiàn)技術、路由和波長分配算法、路由信息的分發(fā)、信令以及網(wǎng)絡生存性等。
自動發(fā)現(xiàn)技術。自動發(fā)現(xiàn)技術包括自動業(yè)務發(fā)現(xiàn)和自動資源發(fā)現(xiàn)，而自動資源技術涉及的內(nèi)容包括：1）控制實體間（在控制平面的傳送網(wǎng)絡內(nèi)）的自動發(fā)現(xiàn)。2）利用測試消息或路徑蹤跡實現(xiàn)傳送平面網(wǎng)絡內(nèi)的相鄰網(wǎng)元和/或終端系統(tǒng)間的資源自動發(fā)現(xiàn)。自動業(yè)務發(fā)現(xiàn)。自動業(yè)務發(fā)現(xiàn)是智能光網(wǎng)絡中的邊緣網(wǎng)元通過用戶網(wǎng)絡接口自動發(fā)現(xiàn)用戶網(wǎng)絡需要建立連接的類型、帶寬（粒度）、信息格式等信息。
網(wǎng)絡資源信息的分發(fā)。由于智能光網(wǎng)絡中一般采用分布式連接控制，對源端路由方式來說，所有的網(wǎng)絡邊緣網(wǎng)元（或業(yè)務接入網(wǎng)元）都具有一個涵蓋該子網(wǎng)或路由域的拓撲和資源數(shù)據(jù)庫。通常所獲得的網(wǎng)絡資源信息越多，路由計算的準確性和效率就越高，但這兩者是相互矛盾的，如果在網(wǎng)絡中傳送過多頻繁地傳送這些網(wǎng)絡資源消息，網(wǎng)絡的可擴展性將受到約束。因此需統(tǒng)籌考慮。
路由和波長分配算法。在智能光網(wǎng)絡中為了建立一條連接，需要確定一條路由（即要經(jīng)過的鏈路和節(jié)點），同時要為這條連接分配一個可用的波長，這就是光網(wǎng)絡中路由和波長分配（RWA）問題。在傳統(tǒng)的電路交換網(wǎng)絡中，如果一條連接跨越多條鏈路，每條鏈路上只要有空閑的帶寬資源的話就可以建立起這樣的連接。但是在缺少波長變換器的波長路由光網(wǎng)絡中，如果要建立一條端到端的波長通道，那么不僅要求在經(jīng)過的鏈路上有空閑的波長，而且在這些鏈路中必須有相同的空閑波長，這種波長連續(xù)性限制是缺少波長變換器的波長路由光網(wǎng)絡中一個重要的限制條件。路由和波長算法就是要在光網(wǎng)絡中特定的限制條件下獲得可用的路由和波長。
連接的管理。呼叫的建立、拆除和更改以及連接的建立和拆除等操作是有智能光網(wǎng)絡中的信令協(xié)議來實現(xiàn)的。信令協(xié)議不是孤立的，是與網(wǎng)絡中的資源信息的分發(fā)模式緊密聯(lián)系的。如果邊緣網(wǎng)元具有該路由域（或管理域）內(nèi)所有波長的使用信息，那么就可以采用源端路由的方式確定路由并分配波長；如果邊緣網(wǎng)元只具有該路由域（或管理域）內(nèi)所有鏈路的可用帶寬信息，而沒有具體的波長占用信息，那么在源端節(jié)點就只能獲得路由，而不能同時為該連接的這條路由分配波長，波長的分配就需要采用逐跳方式來進行。在這兩種不同的鏈路狀態(tài)信息分發(fā)模式下，連接建立的信令協(xié)議也是不同的。
控制平面?zhèn)魉途W(wǎng)絡（信令網(wǎng)）的生存性。由于信令網(wǎng)絡的極端重要性，因此在設計時一般要求信令網(wǎng)絡的拓撲和數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡的拓撲是相互獨立的，這樣數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡中的故障將不會影響信令網(wǎng)絡的運行，同樣信令網(wǎng)絡中的故障也不會對數(shù)據(jù)傳送網(wǎng)絡產(chǎn)生影響。一般來說，光網(wǎng)絡中信令網(wǎng)絡的實現(xiàn)方式可以分為以下幾種：纖內(nèi)帶內(nèi)隨路方式（如數(shù)字封包）、纖內(nèi)帶外方式（如ITU規(guī)定的光監(jiān)控信道）、纖外方式（如獨立于數(shù)據(jù)傳送鏈路之外的以太網(wǎng)、IP網(wǎng)絡或是類似于7號信令網(wǎng)絡等等）。
傳送平面業(yè)務連接的生存性。在發(fā)生故障時實現(xiàn)業(yè)務的快速保護和恢復是智能光網(wǎng)絡所必須具有的功能之一，這其中涉及到故障的探測、定位和故障信息的分發(fā)、自動保護倒換協(xié)議、恢復路由的計算和配置等。業(yè)務的保護是在連接建立的同時已經(jīng)配置（對于1+1）或預留（對于1:1）了資源，在實現(xiàn)保護時只是進行倒換或連接配置，不需要實時計算路由。而對于業(yè)務的恢復來說，恢復路由的選擇和波長的分配需要依賴于當前的網(wǎng)絡拓撲和資源，因此該算法的復雜性對業(yè)務恢復來說是有相當影響的。
