IP over OTN的聯(lián)合優(yōu)化組網(wǎng)方案探討

摘要  分析了我國運營商在骨干網(wǎng)普遍采用的IP over WDM網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和存在問題，重點從中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)優(yōu)化處理和兩層保護協(xié)調(diào)機制出發(fā)，探討了近期和未來IP over OTN的聯(lián)合組網(wǎng)方案以及在傳送平面、控制平面和管理平面的關(guān)鍵技術(shù)。

1  我國運營商IP over WDM的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析

目前，我國運營商的骨干網(wǎng)主要分為兩層：由核心路由器組成的IP網(wǎng)（包括IP互聯(lián)網(wǎng)和IP承載網(wǎng)）和骨干光傳送網(wǎng)（光層，包括SDH和WDM），IP是光傳送網(wǎng)的主要服務(wù)對象。近年來，互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展導(dǎo)致骨干網(wǎng)流量急劇增長，IP層的路由器面臨著巨大的擴容與處理壓力，導(dǎo)致其容量、復(fù)雜度與功耗不斷提高。路由器單機已無法承受這樣的增長速度，于是出現(xiàn)了路由器堆疊技術(shù)，使骨干路由器成為網(wǎng)絡(luò)中最昂貴的設(shè)備。但是，多年來兩層一直分別獨立發(fā)展，二者的聯(lián)系僅集中在光層為IP層提供靜態(tài)配置的物理鏈路資源，IP層看不到光層的網(wǎng)絡(luò)拓撲和保護能力；光層也無法了解IP層的動態(tài)業(yè)務(wù)連接需求。這種分離狀態(tài)帶來了兩大主要問題：

1.1  中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)的處理效率問題

在多等級IP網(wǎng)絡(luò)中，分組從源到目的地要經(jīng)歷多跳，導(dǎo)致大量的中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)，而且核心網(wǎng)的網(wǎng)狀互聯(lián)程度有限，更增加了IP中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)，因此IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)量越大。在IP承載網(wǎng)的核心層，組網(wǎng)模式一般是邊緣路由器（PE）雙歸屬到核心節(jié)點的P路由器上，P路由器完成PE路由器之間的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)和疏導(dǎo)。我們通過對骨干網(wǎng)絡(luò)流量分析，發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過P路由器的業(yè)務(wù)流量中，大約有50％以上屬于“過境”的中轉(zhuǎn)流量，這些“過境”流量更是大大加重了P路由器的負擔(dān)。一方面導(dǎo)致路由器的容量擴展受到嚴重挑戰(zhàn)；另一方面中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)實際上不需要三層IP功能，卻占用了昂貴的路由器線卡，造成了網(wǎng)絡(luò)成本和設(shè)備功耗的快速增長，網(wǎng)絡(luò)流量的整體處理效率較低，因此迫切需要考慮如何降低這種不增值的轉(zhuǎn)發(fā)成本，而且這些“過境”流量對本地來說是不增值的。實際上，這些“過境”流量完全可以通過下層的光傳送網(wǎng)進行旁路，以降低P路由器的處理壓力，減少對路由器堆簇的需求，可使整個網(wǎng)絡(luò)的CAPEX大量節(jié)省。但是，在目前傳統(tǒng)的IP over WDM組網(wǎng)模式下，IP網(wǎng)和骨干WDM網(wǎng)是相互獨立的，無法實現(xiàn)對中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)的處理，因為目前IP層一直把WDM鏈路系統(tǒng)的波長視作黑光纖，一個IP鏈路中承載著不同流向、不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)，WDM鏈路系統(tǒng)僅作為一個剛性的大管道完成點到點的傳送功能，不能進行業(yè)務(wù)源宿節(jié)點和業(yè)務(wù)優(yōu)先級的識別，因此也無法實現(xiàn)對中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)的路由優(yōu)化和組網(wǎng)成本優(yōu)化。

1.2  網(wǎng)絡(luò)的可靠性設(shè)計問題

為了提高IP承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)可靠性，普遍采用了IP層保護恢復(fù)機制和網(wǎng)絡(luò)輕載方式。這意味著在網(wǎng)絡(luò)流量不斷增長的情況下，骨干路由器只有采用更大的容量來提供網(wǎng)絡(luò)輕載和業(yè)務(wù)保護。IP和光網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合保護已成為現(xiàn)代電信網(wǎng)至關(guān)重要的設(shè)計考慮，也成為市場開放環(huán)境下不同網(wǎng)絡(luò)運營商之間的競爭焦點。我國運營商的IP和光傳送網(wǎng)的組網(wǎng)方案，有的是基于無保護的IP over WDM技術(shù)，如中國電信的CN2，有的是基于有保護的IP over WDM技術(shù)，如中國移動的IP專網(wǎng)，兩種方案分別有各自發(fā)展背景和特點，具體分析如下：

（1）由于中國電信的省際電路業(yè)務(wù)量大、顆粒大，因此兩張IP網(wǎng)：CHINANET和CN2在省際和省內(nèi)干線主要是基于無保護的點到點WDM系統(tǒng)進行傳輸，僅有少量幾條WDM光纜線路采用了OLP進行1＋1光線路保護。CN2的基本特點是大容量和輕載運行，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比CHINANET有所優(yōu)化，核心技術(shù)是IP／MPLS，在IP層面可以實現(xiàn)小于1s的快速路由收斂，8條等價路徑負載分擔(dān)，ICP／BCP的協(xié)議平穩(wěn)重啟，基于DiffServ架構(gòu)的8個等級的QoS業(yè)務(wù)，全網(wǎng)組播，具備平穩(wěn)升級到IPv6的能力；在MPLS層面，核心節(jié)點之間50條鏈路部署了FRR，可實現(xiàn)50ms的保護切換。由于采用無保護的IP over WDM技術(shù)，要求IP網(wǎng)具有完善的保護恢復(fù)機制，但從目前IP網(wǎng)的保護恢復(fù)機制來看，由于FRR存在擴展性差、規(guī)劃管理難度大等方面問題，該技術(shù)只能應(yīng)用在IP核心層，在匯聚層和接入層采用IGP快速協(xié)議收斂，在一定條件下可保證業(yè)務(wù)的QoS，但是一旦光纜中斷，WDM系統(tǒng)中傳輸?shù)膸资畟�10Gbit/s的IP邏輯鏈路同時中斷，路由器將進行大規(guī)模的FRR和IGP協(xié)議收斂，這對IP網(wǎng)及其上層業(yè)務(wù)來說將是災(zāi)難性的，因此IP網(wǎng)對于大面積光纜中斷的承受能力受到嚴重挑戰(zhàn)。

（2）從2007年至今，中國移動在省際干線廣泛采用了WDM系統(tǒng)的1+1光波長保護方案來傳送IP專網(wǎng)業(yè)務(wù)，為移動軟交換等重點業(yè)務(wù)提供了高可靠的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)保障，避免了底層光纜故障對上層IP專網(wǎng)業(yè)務(wù)的大規(guī)模影響，是當時技術(shù)和業(yè)務(wù)發(fā)展背景下的較優(yōu)方案選擇。今后，隨著中國移動重點發(fā)展移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)以及逐步開展全業(yè)務(wù)運營，IP骨干網(wǎng)的業(yè)務(wù)量也將成倍增長，現(xiàn)有的IP over WDM組網(wǎng)方案將逐步顯現(xiàn)一些問題。由于中國地域廣大且采用了多廠家的WDM設(shè)備，多廠家干線WDM系統(tǒng)的1+1保護方式為純?nèi)斯づ渲茫�靈活性差，運維管理復(fù)雜，且網(wǎng)絡(luò)成本（主要是OTU的投資）隨著業(yè)務(wù)量增長線性提升，因此需要尋求更優(yōu)的聯(lián)合組網(wǎng)方案來解決。

這兩大問題的解決都必須要求實現(xiàn)IP層和光網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合互動。一方面利用光層的大顆粒調(diào)度、疏導(dǎo)能力在光層上“直通”P路由器上的中轉(zhuǎn)流量，另一方面利用光層的鏈路保護能力提高IP層的網(wǎng)絡(luò)可靠性，以此來降低對骨干路由器的容量和復(fù)雜度要求，減少骨干路由器功耗，從而降低整個基礎(chǔ)承載網(wǎng)的CAPEX和OPEX。目前，IP層與光網(wǎng)絡(luò)之間的聯(lián)合組網(wǎng)已成為電信網(wǎng)的發(fā)展趨勢和研究熱點。

2  IP和OTN的聯(lián)合組網(wǎng)方案探討

2.1  中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)的優(yōu)化處理方案

圖1（a）給出了傳統(tǒng)IP over WDM組網(wǎng)的流量規(guī)劃示意圖，由于傳統(tǒng)WDM線路系統(tǒng)不具備靈活的波長和子波長交換能力，而且路由器普遍采用STM-64或STM-256 POS接口，在A-C的業(yè)務(wù)流量（3Gbit/s）小于單波長容量（10Gbit/s）時，通常將A-B和A-C的業(yè)務(wù)流量配置在一個路由器線路接口，并通過WDM系統(tǒng)適配到一路波長信號中，因此無法在B節(jié)點的WDM層面實現(xiàn)A-C業(yè)務(wù)的中轉(zhuǎn)優(yōu)化，仍由B節(jié)點的路由器實現(xiàn)A-C業(yè)務(wù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1  IP Over WDM和IP Over OTN組網(wǎng)的中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)處理

如圖1（b）所示，為了實現(xiàn)中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)的路由優(yōu)化，必須借助支持子波長（ODUk）交叉的光傳送網(wǎng)（OTN）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及路由器和OTN之間的業(yè)務(wù)識別和適配映射等關(guān)鍵技術(shù)來實現(xiàn)。在A節(jié)點，雖然路由器將A-B和A-C的業(yè)務(wù)流量統(tǒng)一封裝在一個STM-64 POS接口中，OTN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可通過采用MPLS-TP技術(shù)來識別路由器POS接口中的IP/MPLS標簽，區(qū)分A-B和A-C的業(yè)務(wù)，并分別適配映射到不同的ODUk中傳送（未來OTN支持ODUflex技術(shù)后，將進一步提高復(fù)用映射效率），在B節(jié)點將A-C流量通過ODUk交叉功能在光層直通，由此降低對B節(jié)點路由器容量和線卡的配置要求。

新一代的OTN是適應(yīng)IP業(yè)務(wù)傳送的光聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以更好地透明傳送10GE，40GE乃至100GE以太網(wǎng)業(yè)務(wù)，不僅能提高光層的業(yè)務(wù)調(diào)度、組網(wǎng)保護和智能控制能力，在集成MPLS-TP技術(shù)后可進一步實現(xiàn)IP over OTN的聯(lián)合組網(wǎng)優(yōu)化，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源利用率的提高和綜合成本的降低。特別是在今后核心路由器大量采用高速高成本的STM-256 POS接口或40GE/100GE以太網(wǎng)接口技術(shù)后，在光層實現(xiàn)中轉(zhuǎn)業(yè)務(wù)識別和分流的價值將顯著提高。

在網(wǎng)絡(luò)實際部署中，可通過對IP層和光層的資源進行統(tǒng)一規(guī)劃，使得整個網(wǎng)絡(luò)達到逼近路由器直連的效果。由于OTN設(shè)備的每比特成本和功耗約為IP層路由器的1/3~1/5。用OTN節(jié)點旁路掉IP層路由器的中轉(zhuǎn)流量后，可有效降低對核心路由的容量需求，解決網(wǎng)絡(luò)容量的瓶頸，從而提升整個網(wǎng)絡(luò)的容量使用效率。根據(jù)國外某知名運營商的現(xiàn)網(wǎng)流量研究分析，采用該方式可以降低對核心路由器容量需求的25%~50%。