下一代光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的新模型

William Szeto 著 趙鋒 譯

　　在過去的十年里，光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的兩項(xiàng)突破已經(jīng)成為了滿足業(yè)務(wù)提供商對容量的日益增長的需求的關(guān)鍵因素。第一項(xiàng)是DWDM，它可以將一根光纖分解為多個通道從而提高了現(xiàn)有光纖的可用帶寬。第二項(xiàng)是通過使用像波長路由器和交叉連接系統(tǒng)這樣的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了帶寬的智能化管理，這些設(shè)備能夠支持具有智能配置和恢復(fù)功能的日益動態(tài)化的網(wǎng)絡(luò)。

　　那么下一步是什么呢？目前擺在人們面前的主要有兩個挑戰(zhàn)。其一是在需求以超乎想象的速度增長的情況下，對以數(shù)據(jù)為核心的網(wǎng)絡(luò)不斷地進(jìn)行擴(kuò)充，從用戶接入點(diǎn)到城域網(wǎng)乃至整個長途核心網(wǎng)。另一個挑戰(zhàn)是有效地創(chuàng)建并管理將在上述網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的以數(shù)據(jù)為核心的光業(yè)務(wù)（例如，虛擬專用網(wǎng)上的互聯(lián)網(wǎng)接入、內(nèi)部網(wǎng)/外部網(wǎng)連接、視頻會議等）。

　　 未來的目標(biāo)當(dāng)然是使業(yè)務(wù)提供商能夠提供一套豐富、靈活并且在價格之外還有其它特色的服務(wù)，為此應(yīng)當(dāng)建立一個經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)施。在網(wǎng)絡(luò)邊緣，企業(yè)用戶需要一些速率極高的光數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，運(yùn)營商必須要能在不犧牲現(xiàn)有應(yīng)用的同時支持像千兆以太網(wǎng)這樣的新業(yè)務(wù)。為了確保資源的有效利用，在網(wǎng)絡(luò)中必須廣泛采用分組處理技術(shù)。

　　 在核心網(wǎng)絡(luò)中，擴(kuò)充和管理帶寬容量是十分關(guān)鍵的。由于路由器端口數(shù)和波長數(shù)量的增加，最新的10Gb/s傳輸技術(shù)已經(jīng)不足以創(chuàng)建一個有效的、可管理的網(wǎng)絡(luò)。高比特率的連接必須要超越單個波長的限制，這將導(dǎo)致核心路由器端口數(shù)的減少并使光信號的傳輸速率超過單個光波長或通道的粒度。

　　 盡管在分組處理、傳輸和光技術(shù)領(lǐng)域都取得了巨大的進(jìn)步，但是這些技術(shù)的發(fā)展是相互獨(dú)立的，并沒有同步進(jìn)行，這使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者無法提供一個全面的集成方案。目前需要一個新型的體系結(jié)構(gòu)，以便利用當(dāng)前最好的和隨時可用的光、數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)來創(chuàng)建或擴(kuò)展從接入網(wǎng)到核心網(wǎng)的一套系統(tǒng)。這種體系結(jié)構(gòu)應(yīng)包括多個層次的數(shù)據(jù)匯聚、路由選擇和光設(shè)備，以便滿足不斷增長的速率和容量需求。這一平臺系統(tǒng)應(yīng)受網(wǎng)管系統(tǒng)的控制，后者能對所有的網(wǎng)元進(jìn)行控制，并允許網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者有效地向他們的客戶提供端到端業(yè)務(wù)。

　　 更快的管道，而不是更多的管道

　　 分組傳輸是當(dāng)前骨干路由器需面對的主要任務(wù)。隨著分組業(yè)務(wù)量的增長，在網(wǎng)絡(luò)中的光節(jié)點(diǎn)和核心分組交換機(jī)這兩個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)必須要管理大量的波長。但是即便是最大的電信網(wǎng)絡(luò)也沒有非常多的業(yè)務(wù)提供點(diǎn)（由集線器和路由器組成），可能最大的網(wǎng)絡(luò)中也只有80個這樣的匯聚點(diǎn)，這樣業(yè)務(wù)量就只能被傳送到數(shù)量相當(dāng)有限的目的地。

　　換句話說，為了達(dá)到多太比特的容量，在相對少的并行路由中就必須要部署大量的光通道。在終接這些并行通道的集中器上使用大型的、復(fù)雜的交叉連接系統(tǒng)，在不遠(yuǎn)的將來，一個擁有12000個端口的交叉連接系統(tǒng)將會十分普及。

　　控制平面必須要維護(hù)涉及所有這些連接的路由表和鏈路。此外，從管理的角度來看，必須要能獨(dú)立地配置和管理每一個這樣的并行鏈路。甚至在正在從2.5Gb/s向10Gb/s基礎(chǔ)設(shè)施過渡的核心網(wǎng)絡(luò)中，由于路由器端口和波長數(shù)量的持續(xù)增長，傳輸技術(shù)的能力已不足以創(chuàng)建一個有效的、可管理的網(wǎng)絡(luò)，

　　為了解決上面的問題，我們再回到沿著少量的路由并行傳送大量波長的實(shí)例中來。我們可能并不需要對這些波長進(jìn)行交叉連接。與創(chuàng)建大量的管道和端口相比，創(chuàng)建更大和更快的管道和端口將會更加有效。

　　然而，加大管道不僅僅是增加激光器的傳輸速率。從歷史上看，這種增長非常緩慢，從光纖網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)開始到現(xiàn)在的20年里，傳輸速率也不過從1Gb/s發(fā)展到了10Gb/s。許多現(xiàn)有光纖的傳輸速率將很難升到40Gb/s。速率的每一次跳躍都需要更加精密的激光器、調(diào)制和糾錯技術(shù)。就算是有了更快的傳輸技術(shù)，在容量、距離和成本上的折衷也將會是很大的挑戰(zhàn)。

　　另一方面，路由器和交換機(jī)端口速率也在不斷穩(wěn)步地增長，這為構(gòu)建當(dāng)前所需的大管道創(chuàng)造了條件。這樣的管道將會減少核心路由器端口數(shù)量和對光信號路由選擇的需求，這使得電信業(yè)能夠向真正可擴(kuò)充的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)而不必等待傳輸技術(shù)的進(jìn)一步改善。此外，所使用的網(wǎng)元和網(wǎng)絡(luò)對象越少，網(wǎng)絡(luò)也就越容易管理。運(yùn)營商所希望的結(jié)構(gòu)簡化將體現(xiàn)于可能的最高速率和最少的端口數(shù)。

　　但是當(dāng)分組路由器端口不能以超過WDM通道的傳輸速率運(yùn)行時，如何來創(chuàng)建這些大的管道呢？答案就是采用一個新的設(shè)備體系結(jié)構(gòu)（所有的設(shè)備由一個統(tǒng)一的平臺管理），當(dāng)業(yè)務(wù)量通過網(wǎng)絡(luò)時，這種體系結(jié)構(gòu)采用逐步提高速率和容量的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)聚合和路由選擇。這種體系結(jié)構(gòu)稱為光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)體系（ODNH），它允許比特速率沿著兩個方向擴(kuò)展，一個方向是使用多個時分復(fù)用（TDM）片段的單一時間串聯(lián)光通道，另一個是沿著光通道本身。

　　要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)就會涉及到一種新的技術(shù)——光通道串聯(lián)（見圖1），即將多個波長的容量合并為一個高速管道（稱為“超級信道”）。這種技術(shù)包括了一種新的成幀協(xié)議，打破波長間的壁壘，從而能在多個光通道中同時傳送比特流。

　　這種方案允許獨(dú)立開發(fā)分組交換與傳輸技術(shù)，即兩種技術(shù)能夠獨(dú)立地發(fā)展。其好處是：能夠利用現(xiàn)有的業(yè)務(wù)提供商的光纖基礎(chǔ)設(shè)施傳輸串聯(lián)的OC-768通道和串聯(lián)的OC-3072通道。這樣，今后不必再安裝大量的交叉連接系統(tǒng)就能支持復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜碗娐贩植濉?/p>

　　五個網(wǎng)絡(luò)元素

　　ODNH規(guī)定了五個高度集成的結(jié)構(gòu)化元素，這些元素的分布范圍從城域網(wǎng)一直延伸到核心網(wǎng)（見圖2）。這五個設(shè)備類型在一個統(tǒng)一的網(wǎng)管平臺下相互協(xié)作，負(fù)責(zé)傳送合適的帶寬和新的光數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。ODNH核心設(shè)備（圖中的類型4、5）負(fù)責(zé)完成大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的恢復(fù)和傳輸。ODNH城域/接入設(shè)備（圖中的類型1、2、3）在最后一公里復(fù)用數(shù)據(jù)，在端局內(nèi)將數(shù)據(jù)流匯合到更快的城域骨干管道中，并在城域環(huán)中完成對業(yè)務(wù)量和帶寬的管理。

　　 ODNH核心設(shè)備。下一代路由器和交換機(jī)將以比單個波長通道的傳輸速率更高的速率生成負(fù)載。因此傳輸系統(tǒng)必須要使用新的技術(shù)來支持這些負(fù)載。

　　光數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)（ODNH方案中的第5類）能夠在核心網(wǎng)中完成超高容量傳輸，它能長距離傳輸信號而不需要信號再生。一種稱為“波段”的新調(diào)制原理使這些成為可能，這種技術(shù)是通過前面提到的光通道串聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

　　波段是光譜中與數(shù)據(jù)無關(guān)的一個分段，它支持多個物理上成組的光載荷并視為一個單一的單元，它能在源宿之間提供一個靈活、可擴(kuò)充的高帶寬連接（見圖3）。波段是生成超級信道的基礎(chǔ)，它能在接入節(jié)點(diǎn)上根據(jù)需要獨(dú)立地進(jìn)行光分插，并能在光節(jié)點(diǎn)上選擇路由。波段的高粒度能支持更高的傳輸容量（負(fù)載的速率可能會高于任何單個波長的速率），此外由于路由器端口數(shù)量和管理對象的大大減少，網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)也得到簡化。

　　第5類設(shè)備支持三種基本的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型。其中最簡單的是線路放大器（ILA: Inline Amplifier），它能激勵傳輸信號的能量從而提高信號的傳輸距離。長途傳輸意味著在波段需要再生之前部署盡量多的ILA。

　　在每一個ILA節(jié)點(diǎn)上，通過將其轉(zhuǎn)換為第二種節(jié)點(diǎn)即波段分插復(fù)用器（WB-OADM），就能夠?qū)崿F(xiàn)波段的生成或分插。波段能夠根據(jù)需要在這些節(jié)點(diǎn)上終接或再生，而不影響其它的波段，后者通過這些節(jié)點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行光傳輸。

　　 第三種節(jié)點(diǎn)是多路集線器，它位于有三根以上光纜的匯聚點(diǎn)（一般是在主要的交換局）。在這些節(jié)點(diǎn)上可生成波段而在遠(yuǎn)端終接這些波段，必要時可進(jìn)行波段的再生，其它波段則通過這些節(jié)點(diǎn)到達(dá)它們的最終目的地。

　　 最具可擴(kuò)充性、最簡單并且最經(jīng)濟(jì)的核心基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)使用好幾年了。隨著需求的增長，設(shè)備的端口速度也在不斷增長。目前太比特路由器使用了大量低速率（OC-192）端口的辦法來滿足這個需求，而光數(shù)據(jù)核心節(jié)點(diǎn)（ODNH體系結(jié)構(gòu)中的第4類設(shè)備）則可以與一個包含4個、16個或更多的10Gb/s（甚至40Gb/s）業(yè)務(wù)流的超級信道連接，這些業(yè)務(wù)流匯合為一個40Gb/s或160Gb/s（分別為OC-768cc和OC-3072cc）業(yè)務(wù)流。超級信道交換機(jī)端口提供強(qiáng)大的保護(hù)和恢復(fù)機(jī)制。它是真正高容量的端口，它通過使用多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）技術(shù)避免了其它高速方案的局限性和復(fù)雜性。利用光串聯(lián)技術(shù)使得光交叉連接的規(guī)模得以降低十幾倍（例如，對于OC-3072cc來說，n=16）。

　　超級信道通過第5類設(shè)備可在長途網(wǎng)絡(luò)的波段中進(jìn)行傳輸。此外，可使用標(biāo)準(zhǔn)的接口將信號映射到波段，確保與現(xiàn)有系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的兼容性。

　　恢復(fù)功能是通過在兩個不同的路徑中智能地發(fā)送分組流而實(shí)現(xiàn)，而不是利用傳送層中處于備用狀態(tài)的空閑路徑。為了保護(hù)物理層，采用適當(dāng)?shù)慕蒂|(zhì)機(jī)制對物理層的變化做出反應(yīng)，同時它還將即時地利用流量工程進(jìn)行恢復(fù)。第4類設(shè)備的設(shè)計(jì)具有電信級的可靠性，因此它適用于一個能處理最敏感負(fù)載的分組網(wǎng)絡(luò)中。這減少了對光層波長粒度恢復(fù)的需求。

　　ODNH接入/城域設(shè)備。直到目前為止，客戶業(yè)務(wù)量的聚合還是在端局或終端站上完成的，這會導(dǎo)致本地環(huán)路過長，效率不高，存在多個并行連接和有限的連接。像千兆以太網(wǎng)、專用波長業(yè)務(wù)或虛擬專用網(wǎng)這樣的特殊業(yè)務(wù)是很少見的，并且向用戶提供的速率也常常很慢。匯聚設(shè)備沒有與用戶駐地設(shè)備集成，并且往往無法進(jìn)行互通。

　　光業(yè)務(wù)線路接入復(fù)用器（OSLAM，即ODNH體系中的第2類設(shè)備）能夠?qū)⒍司种械臄?shù)據(jù)、TDM和波長業(yè)務(wù)有效地集中到更快的骨干管道。OSLAM可以位于本地終端或遠(yuǎn)端，它支持IP以太網(wǎng)，速率可達(dá)10Gb/s，并能為TDM或基于波長的網(wǎng)絡(luò)提供集線功能。

　　目前，中小型企業(yè)需要多個并行設(shè)備來支持不同的通信需求。他們有些需要銅纜、光纖或多根光纖。有些需要多條線路用于視頻會議，一條T1用于本地話音，另一條T1或DSL用于數(shù)據(jù)，此外還可能需要其它的專用線路用于連接企業(yè)網(wǎng)。業(yè)務(wù)可能來自于多個提供商，各個業(yè)務(wù)不能共享鏈路上的可用容量。

　　光業(yè)務(wù)線路終接器（OSLT，即ODNH中的第1類設(shè)備）是一種用戶駐地設(shè)備平臺，它能經(jīng)濟(jì)而有效地與現(xiàn)有的千兆以太網(wǎng)和OC-x設(shè)備相連，并將它們復(fù)用到一根光纖中。它能為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供大的帶寬和服務(wù)類別（CoS）/服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證，同時還能支持現(xiàn)有的業(yè)務(wù)和設(shè)備。此外，OSLT還能靈活地支持?jǐn)U展，并以合理的價格提供足夠的帶寬以便支持運(yùn)營商級的QoS。這樣，OSLT就能同時允許在容量和新的寬帶業(yè)務(wù)方面的增長。

　　對于業(yè)務(wù)提供商的特定用戶而言，OSLAM可做為一個業(yè)務(wù)管理點(diǎn)，它能分別支持千兆以太網(wǎng)接口，而光數(shù)據(jù)分送節(jié)點(diǎn)（ODDN，即ODNH中的第3類設(shè)備）則能夠與城域環(huán)互連。ODDN的容量大、端口速度高，能集中整個城域網(wǎng)的業(yè)務(wù)量。安裝在端局的ODDN與OSLAM相連，它在接入網(wǎng)和干線之間擔(dān)任集中與傳送業(yè)務(wù)量的角色，并具備業(yè)務(wù)配置和帶寬管理功能。最后，ODDN將業(yè)務(wù)量傳送給第4類設(shè)備或其它的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

　　對于第3類設(shè)備而言，支持超級信道是很重要的，這樣當(dāng)接入/城域網(wǎng)的業(yè)務(wù)量增長時，城域核心環(huán)就能利用為第4、5類設(shè)備開發(fā)的串聯(lián)光通道幀封裝。

　　ODNH業(yè)務(wù)

　　由上述五種ODNH設(shè)備構(gòu)成的基礎(chǔ)設(shè)施是為提高業(yè)務(wù)提供商的收益而設(shè)計(jì)的。光數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)管理器（ODSM）處理業(yè)務(wù)生成、資源分配、公平保證以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，這種管理控制系統(tǒng)是由一套豐富的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)控制軟件組成的。由于采用了一套有特色的傳輸平臺和分組業(yè)務(wù)平臺以及智能管理系統(tǒng)，業(yè)務(wù)的快捷生成和服務(wù)提供都得到了保證。

　　 ODSM由一套精心設(shè)計(jì)的功能塊構(gòu)建而成，它的核心是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂葡到y(tǒng)。ODSM能夠同時支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)和多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信方式，它能適應(yīng)運(yùn)營商對多種拓?fù)浞桨傅牟粩嘧兓�的需求�?/p>

　　ODSM的任務(wù)是管理整個網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)的控制平面。ODSM消除了第二層的分段管理從而簡化了操作；它使用了網(wǎng)絡(luò)層的功能，消除了第2/3層人工管理操作上的復(fù)雜性從而簡化了控制和管理平面。目前的作法是：業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)管理、控制、數(shù)據(jù)路由選擇、鏈路管理和傳輸都是相互獨(dú)立的。ODSM則不同，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂瓢阉�有這些功能都集成在一起。

　　服務(wù)可靠性可以通過不同的拓?fù)鋪磉x擇。拓?fù)湓綇?fù)雜，所能提供的可靠性也就越高。在整個網(wǎng)絡(luò)中，通過對物理和邏輯路徑進(jìn)行分集控制，業(yè)務(wù)提供商能夠確保不同檔次的可靠性。

　　在每一個用戶駐地設(shè)備連接中均根據(jù)用戶參數(shù)，包括業(yè)務(wù)分類、帶寬業(yè)務(wù)量速率策略以及其它的一些QoS因子，所有的參數(shù)都在業(yè)務(wù)創(chuàng)建時確定。創(chuàng)建合適的QoS的能力是提供特色服務(wù)的一個關(guān)鍵。

　　業(yè)務(wù)管理也十分關(guān)鍵。ODSM的高度集成允許運(yùn)營商控制網(wǎng)絡(luò)管理的每一個方面，包括業(yè)務(wù)、鏈路和網(wǎng)元，這使得網(wǎng)絡(luò)操作得以統(tǒng)一、集中和簡化。業(yè)務(wù)管理包括多項(xiàng)任務(wù)：策略管理提供了配置業(yè)務(wù)指標(biāo)的能力。服務(wù)保證機(jī)制確定業(yè)務(wù)量速率策略、基于數(shù)據(jù)流為單位的計(jì)量、輸出報表和確保網(wǎng)絡(luò)的可用率�？蛻艟W(wǎng)絡(luò)管理工具提供多層支持、業(yè)務(wù)配置、服務(wù)保證、故障管理和接入控制。管理工具負(fù)責(zé)監(jiān)測業(yè)務(wù)量，執(zhí)行有特色的功能、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和修改以及將業(yè)務(wù)量轉(zhuǎn)移到新的通道中。

　　在業(yè)務(wù)格式和傳遞方面都最大程度地體現(xiàn)了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的靈活性（例如能同時提供光路徑、可調(diào)TDM以及數(shù)據(jù)）以及可通過光來傳遞業(yè)務(wù)，一個物理端口能支持多個大小不一樣的虛擬專用網(wǎng)。

　　管理和控制系統(tǒng)已包含業(yè)務(wù)安全機(jī)制，它可以為每個用戶定義不同的權(quán)限，用戶信息自動地在所有網(wǎng)元中進(jìn)行復(fù)制。網(wǎng)絡(luò)為每一個用戶和第三方安全服務(wù)器提供請求/認(rèn)證機(jī)制，此外它還能為互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施提供商、虛擬業(yè)務(wù)提供商和最終用戶提供不同級別的資源控制。

　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)增加時，所有的鏈路容量可能不夠用。這時網(wǎng)絡(luò)會自動地收集和分析實(shí)時業(yè)務(wù)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并向運(yùn)營商提出有關(guān)業(yè)務(wù)量優(yōu)化的改進(jìn)建議。

　　這些業(yè)務(wù)生成機(jī)制允許運(yùn)營商任意選擇CoS、多個分叉電路的優(yōu)先級、多個拓?fù)�、管道服�?wù)等級保證（SLA）模型和保護(hù)方式。資源分配機(jī)制允許運(yùn)營商定義SLA指標(biāo)、連接認(rèn)可、帶寬的重新劃分以及流量工程。公平保證機(jī)制包括有特色的業(yè)務(wù)和多層次的分類、入口策略和出口整形、改進(jìn)排隊(duì)機(jī)制和進(jìn)度表以及服務(wù)保證。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化機(jī)制允許在一個接口上部署多個業(yè)務(wù)并為每一個業(yè)務(wù)流提供性能保證。

譯自《Lightwave》2001.6期《New model for building next-generation optical data networks》