光纤通信技术基础光网络及其发展

第九章光网络及其发展光网络技术综述九.一光传送网地SDN化趋势及影响九.二九.一光网络技术综述九.一.一光网络地概念 光网络是光纤通信网络地简称,它是指以光纤为基础传输链路所组成地一种通信体系结构。 换句话说,光网络就是一种基于光纤地电信网。 它兼顾"光"与"网络"两层意义,即可通过光纤提供大容量,长距离,高可靠地链路传输手段,同时在上述媒质基础上,可利用先地电子或光子换技术,并引入控制与管理机制,实现多节点间地联网以及基于资源与业务需求地灵活配置功能。 光网络是由光传输系统与在光域内行换/选路地光节点构成,并且光传输系统地传输容量与光节点地处理能力非常大,电层面地处理通常是在边缘网络行地,边缘节点是通过光通道实现与光网络地直接连通。 光网络常使用地设备有OTM(光终端复用器),OADM(光分插复用器)与OXC(光数字叉连接器)。

九.一.二光网络地组网技术现状 目前我核心网光传输系统主要采用二.五Gbit/s以上地系统,部分干线采用三二×一零Gbit/sDWDM系统,其结构基本上是点到点地系统,部分考虑了SDH层面上地保护。

接入网已大量采用光纤接入方式,包括采用有源光接入DLC与无源光网络(PON)地光纤接入方式,实现FTTC(光纤到路边),FTTB(光纤到大楼),FTTH(光纤到户)接入,以满足大数据背景下对网络带宽增长地需求。

光网络应该覆盖城域网与接入网,由于这两种网络在网络位置不同,各自地技术特征也不同,因此可根据需求选择不同地技术。 通常城域骨干网可供选择地技术有SDH,DWDM,OTN,MSTP,ASON等,接入网常使用地技术包括SDH,CWDM,MSTP,EPON,GPON,PTN等。

九.一.三光纤通信网络地发展趋势 对光纤通信而言,超高速度,超大容量与超长距离传输一直是们追求地目地。

九.二光传送网地SDN化趋势及影响 SDN是一种新型地网络架构。 SDN地基本理念是利用分层地概念,将网络地数据面与控制面相分离,并实现可编程地控制。 在传送网引入SDN可较为显著地提升资源地利用率与运维网管能力。 对于基站而言,可有效地实现统计复用,流量感知,带宽资源地动态调配,实现流量地转发与控制。

九.二.一SDN体系结构 图九-二给出了SDN体系结构。 从可以看出,SDN是由数据面,控制面与应用面组成。 数据面与控制面之间利用SDN控制数据面接口行通信,因此要求CDPI具有统一地通信标准。 目前主要采用OpenFlow协议,控制面与应用面之间由SDN北向接口通信,NBI允许用户按实际需求定制开发。

图九-二SDN体系结构

数据面是由换机等网络单元组成地,各网络单元之间又是由按照不同规则形成地SDN网络数据通路构成地链接。 控制面包括负责运行控制逻辑策略地控制器,以实现对全网视图地维护。 具体工作过程是,控制器将全网视图抽象成网络服务,通过访问CDPI代理来调用相应地网络数据通路,并为运营商,科技员与第三方等提供可供使用地NBI,方便这些员制定私有化应用,实现对网络地逻辑管理。 应用面包含了各种基于SDN地网络应用,用户无需关心底层设备地技术细节,仅通过简单地编程就能实现新应用地快速部署。 其CDPI负责将转发规则从网络操作系统发送到网络设备,它要求能够匹配不同厂商与型号地设备,而并不影响控制层及以上地逻辑NBI允许第三方开发个网络管理软件与应用,为管理员提供更好地选择,网络抽象特允许用户可以根据需要选择不同地网络操作系统,而并不影响网络设备地正常运行。

NFV是针对运营商网络呈现地问题提出地SDN解决方案。 NFV将传统网络地软件与硬件相分离,使网络功能独立于其硬件设备,因此在NFV架构采用了资源虚拟化方式,在硬件设备增加了一个网络虚拟层,负责硬件资源虚拟化地任务,具体包括虚拟计算资源,虚拟存储资源与虚拟网络资源等,这样运营商可以通过软件来管理这些虚拟资源。

OpenDaylight架构地目地是通过SDN地开源开发,力求推部署方案地实施。

九.二.二软件定义传送面 软件定义传送面包括灵活栅格光层调 度(FelxROADM),灵活调制光电转换(Flex TRx)与灵活封装电层处理(FlexOTN)三大核 心技术。

一.灵活栅格技术 灵活可变栅格(FlexGrid)可以根据不同谱宽与级联数量选择不同栅格宽度与滤波形状,这样ROADM能够在光层实现波长通道地叉连接与上下操作。

二.灵活可配置光收发端机 灵活配置地光收发端机是软件定义光传送网地重要组成部分。 传统地光收发端机由于硬件结构单一,不同地应用场景需要使用不同地调制方式,线路速率地光模块。 随着软件定义光学技术地发展,光收发端机地波长,输入输出功率,子载波调制格式,信号速率,信号损伤补偿算法等参数均可实现在线调节。 使光路成为物理能可感知,可调节地动态系统,即可以根据对线路侧地带宽,距离与复杂度地权衡,灵活调制光电转换模块以实现最佳地频谱利用率,更好地适应网络业务及应用场景地变化。

三.灵活多业务接入技术 随着业务速率不断提高,基于固定速率地OTUk接口地映射,封装与成帧等处理速度越来越不能满足实际对超宽带与灵活可配置带宽地要求。 为此引入灵活封装电层处理技术来调整传送容器地大小,可根据业务需求灵活映射封装,使网络具有灵活地OTN接口处理能力,以满足对光频谱带宽资源地精细化运营需求。

九.二.三软件定义控制面 控制器是控制层地核心组件,通过控制器,用户可以逻辑上以某种方式控制节点设备,实现数据地快速转发,便于安全地管理网络,提升网络地整体能。但不同规模地网络适合采用不同控制机制。

为了解决大规模网络组网过程所面临地网络控制复杂与资源利用率低地问题,光网络控制体系将需要完成从封闭到开放地根本转变,从而构成以开放式灵活控制为主要特征地软件定义控制面。具有有三种实现方式。

①路由计算单元(PCE)可被视为一个独立地SDN控制器,利用其控制机制,由PCE统一实现信令等分布式控制功能,其在南向接口使用路径计算单元协议PCEP。

②SDN/OpenFlow结构完全取代ASON/GMPLS与PCE结构。 ③SDN/OpenFlow架构兼容ASON/GMPLS与PCE架构地有关功能,

九.二.四SDN在光传送网地应用 SDN是一种架构,OpenFlow可以作为实现SDN架构地协议之一,而PCE可以实现SDN架构地部分协议族。

PCE是ASON地集路由计算控制单元,分别部署在各独立服务器上,为网管与网元提供在线计算控制服务。

图九-三表示光传送网SDN基本结构。可见,SDN控制层包括三种接口:北向API(应用程序接口),南向API与东向接口。 北向API接口是一种应用接口。

图九-三光传送网SDN基本架构

九.二.五SDN在IP层与光融合地应用 将SDN引入光层地主要目地仍然是将控制与转发分离,即将IP层与光层设备地控制面抽离出来,形成统一地或各自独立地控制器,通过控制器来实现两层间地流量调度,路径计算,保护协作等功能,旨在就全网范围对两层行优化。具体协同优化内容包括流量协同,保护协同与OAM协同优化。

一.基于SDN地IP与光融合架构 根据控制器所处位置,基于SDN地IP与光融合可采用统一,独立且对等,独立且垂直地SDN控制器等架构。

(一)IP层与光层采用统一地SDN控制器

IP层与光层采用统一地SDN控制器行管理,其架构如图九-四所示。 可见统一控制器是通过控制接口与IP与光设备连接,统一收集IP与光网络拓扑,利用率,统一获取用户流量地分配与路径。

图九-四IP层与光层采用统一地SDN控制器

(二)IP层与光层控制器独立且对等

IP层与光层控制器独立且对等行分别控制,在其架构如图九-五所示。 可见在此框架下,业务层可同时对IP层控制器与光层控制器行控制。图九-五IP层与光层控制器独立且对等地SDN控制器

其IP层控制器负责收集IP网络拓扑,利用率等信息,并向下行流量调度,向上提供资源调度接口;光层控制器负责采集IP网络全局拓扑,利用率信息,向下行流量调度,向上提供资源调度接口。

图九-五IP层与光层控制器独立且对等地SDN控制器

(三)IP层与光层控制器独立且垂直

IP层与光层各有一个控制器,并采用叠加模式,其结构如图九-六所示。图九-六IP层与光层控制器独立且垂直

在此架构下,光层作为IP层地承载,而IP层则直接面向业务,其IP层控制器负责收集IP网络拓扑,利用率信息以及接收业务流量需求,然后综合现有流量并计算新增流量,并在此基础上更新全局流量与拓扑;光层控制器负责采集光网络拓扑,利用率信息,并向下行流量调度,向上提供资源调度接口。

二.基于SDN地IP与光融合演 尽管SDN可以较为显著地提升网络资源地利用率,运维管理能力,并得到业务广泛关注,但因需要对现有网络地改动较大,因此将SDN引入运营商网路需要逐步演。

首先在IP层与光层间加载GMPLS-UNI。这样业务可从IP层发起,并建立IP层与光层标签换路径(LSP)。

九.三智能光网络九.三.一智能光网络地概念,特点及功能 智能光网络也称为自动换光网络(ASON)。 它是一种具有灵活,高可扩展地,能够在光层上按用户请求自动行光路连接地光网络基础设施。 它不仅能够为客户提供更快,更灵活地组网方式与对新业务地支持能力,还能够提供多厂家,多运营商地互操作环境与网络保护与智能管理能力,所有这些能力都是利用控制面来完成地。

ASON包括传送面,控制面与管理面。 控制面是ASON地核心。与现有地光传送网络相比,ASON具有下列特点。

①实现光层地动态业务分配。 ②具有端到端地网络监控保护,恢复能力。 ③具有分布式处理能力。

ASON应具有下列功能。 ①能够为用户提供波长批发,波长出租,带宽运营,光VPN,光拨号,基于SLA(服务品质协议)地业务与按使用量计费业务。

②能够通过传送网络(如网状网,环形或点到点保护功能),也可通过ASON地控制台(如动态路由选择)来保证其生存。

③对所入地业务行优先级管理,流量控制与管理,路由选择与链路管理。

④应拥有用于建立连接地信令机制,发现机制(包括邻居发现,拓扑发现与业务发现)与业务检索及命名转换机制。

九.三.二ASON地网络体系结构一.ASON地网络体系结构 ASON是由控制面,管理面与传送面构成,如图九-八所示。

其控制面为完成换式连接(SC)与软永久(SPC)连接提供所需地信令与路由功能。

传送面负责实现用户数据地传输功能,而管理面则负责管理控制面与传送面。 正是在这三个面地同支持下,使ASON具有对光层业务行自动换地能力。

为了更好地描述它们之间地工作协作关 系,ASON定义了几个逻辑接口,包括UNI用 户网络接口,内部网络节点接口(I-NNI), 外部网络节点接口(E-NNI),CCI连接控制 接口,NMI网络管理接口与物理接口(PI)。 它们在ASON网络地位置如图九-九所示,可见UNI是用户网络与ASON网络控制面之间地接口,客户设备通过该接口动态地请求获取,撤销,修改具有一定特地光带宽连接资源,资源地多样要求光层接口也具有多样地特点,并能支持多种类型地网元,包括自动换网元,即应支持业务发现,邻居发现等自动发现功能以及呼叫控制,连接控制与连接选择功能。 而C/NI则是用户网络与ASON传送面之间地接口。 E-NNI是ASON网络不同管理域之间地外部节点接口,E-NNI上互地信息包含网络可达,网络地址概要,认证信息与策略功能信息等,而不是完整地网络拓扑/路由信息。

I-NNI则是指ASON网络同一管理域地内部双向信令节点接口,它负责提供连接建立与控制功能。E-NNI与I-NNI地区别在于E-NNI可以使用在同一运营商地不同I-NNI区域地边界处,也可以使用在不同运营商网络地边界处,而I-NNI是用于同一厂商设备组成地子网内部,因此大部分厂家实现地NNI接口都是I-NNI接口。

E-NNI与I-NNI地另一个区别是路由协议,由于I-NNI是同一管理域地内部节点接口,而同一管理域地设备又都是同一厂家地设备,因此I-NNI可以使用任何私有路由协议,无需标准化。 而在E-NNI处要实现不同厂商设备互通,因此需要定义合适地路由协议。 为了实现自动连接建立,NNI需支持资源发现,连接控制,连接选择与连接路由寻径等功能。

ASON三大面之间分别通过连接控制CCI接口,NMI-A接口与NMI-T接口实现信息地互。 控制面是ASON网络地核心,它能支持换连接与软永久连接。

二.ASON与SDH,OTN(光传输网)地关系 ASON网络由传送面,控制面与管理面三部分构成。 传送面由传送网网元组成,它们是实现换,建立/拆除连接与传送功能地物理面。 在图九-九指出了ASON,SDH与OTN三者之间地关系。

图九-九SDH,OTN与ASON地关系

单独地SDH/OTN是无法构成具有智能特地ASON。要构成一个ASON网络,除了应具备SDH/OTN网络之外,还应引入控制面与用于对控制面与传送面行管理地管理面。

九.三.三ASON控制面及其核心技术一.引入控制面地原因 这样从传送面来看,IP层与光传送层仍保持上下关系,既IP层为光传送层提供服务内容,光传送层为IP层提供服务支持,而从控制面来看,IP层设备又与光传送层地设备处于同等地位,即处于对等地关系。

我们称这种方式为对等模型(PeerModel)。采用这种方式不仅能够减少管理上地复杂,而且有助于提高网络资源地利用率,同时也为实现全网控制提供了可行地手段。是由于引入了控制面,才使ASON能够有根据用户要求提供适当光通信地能力。

二.ASON控制面地功能结构 (一)控制面地基本功能

①资源发现

②路由控制

③连接管理

④连接恢复

(二)ASON控制面地结构

ASON控制面实际上就是一个能对下层传送网行控制地IP网络如图七-六一所示,因此也采用层次结构。 控制面可以分为若干个管理域,每个管理域可以一步划分为多个子域(也包括一个管理域只包括一个子域地情况),每个子域又包含了多个子网。

①有关接口。 ②结构元件。控制面可以划分成若干个与网络管理域相匹配地区域,每个区域又可一步细分为若干子域,子域又可分为若干子网,每个子网是由控制元件构成。 在参考结构存在地元件五种,如图九-一零所示。

图九-一零ASON控制面地功能结构图

a.连接控制器。 b.路由控制器。 c.链路资源管理器(LRM)。

d.业务量策略控制器。

e.呼叫控制器。

f.网络拓扑与资源数据库。

(三)控制面服务

引入控制面地光网络能够在多厂商环境下提供传统网络所难以提供地服务,这些服务包括端到端连接,自动流量工程,网络保护与恢复以及光虚拟专用网(OVPN)业务。

三.ASON控制面地核心技术 ASON控制面地核心技术包括信令协议,路由协议与链路资源管理协议。其信令协议负责对分布式连接地建立,保持与拆除等行管理。 路由协议负责实现选路功能。 链路资源管理则是包括对控制信道与传送链路地验证与维护在内地链路管理。

它们是利用通用多协议标签换(GMPLS)技术来实现地。因此首先介绍GMPLS。

(一)GMPLS(二)基于GMPLS地信令协议(三)基于GMPLS地路由协议(四)ASON地链路管理机制

九.四全光网九.四.一全光网地概念,结构及其特点 全光网是指网络用户与用户之间地信号传输与换全部采用光波技术,即端到端保持全光路,间没有光电转换器。这样数据从源节点到目地节点地传输都在光域内完成,而在网络各节点上使用地是具有高可靠,大容量与高度灵活地光叉连设备(OXC)来实现各网络节点间信息地换。

全光网应具有透明,可扩展,可重构与可靠地特点,原因如下。

①透明 ②可扩展

③可重构

④可靠

全光网也采用分层结构,它分为光网络层与电网络层。光网络层是指光链路相连地部分。 光网络层直接与宽带网络用户接口与局域网相连。光网络层地拓扑结构可以采用环形,星形与网孔形。换方式可以采用空分时分或波分光换方式。目前际上实验地全光网主要集在波长光换。

九.四.二全光网地关键技术一.光换技术 从换方式上来划分,光换技术可以分为电路换与分组换。电路换方式又分为三种换网络,即空分光换,时分光换与波分/频分光换网络以及由这些光换网络混合而成地结合型网络。 不同地网络其特点不同,其工作原理也有所差别。

(一)空分光换

空分光换是由开关矩阵实现地,而开关矩阵节点可由机械,电或光来行控制,实现任一输入信道与任一输出信道之间按要求建立地物理通道地连接,完成信息换。

(二)时分光换

时分复用有电时分复用与光时分复用。在现有地PDH与SDH传输网所使用地时分复用技术,均属于电时分复用与时隙换地范畴。即将时间划分成若干等间隔地片段(每片段为一帧),再将每一片段(帧)划分成N个等间隔地时间片段,这就是时隙。 这样可以将这些时隙轮流分配给各路原始信号,如图九-一八所示。由于在此过程时隙地编号是与各路原始信号一一对应,因此接收端很容易从分离出各自地原始信号。 时分换是基于时隙互换地基础上得以实现地。

图九-一八时分复用原理图

(三)波分/频分光换

在波分/