第九章_光交换

第九章光交换 9 1概述9 2光交换基本器件9 3光交换原理9 4GMPLS9 5ASON 本章重点 光交换原理 GMPLS与MPLS的区别及GMPLS的技术优势 本章难点 光交换原理 本章课时 9学时学习本章达到的目的和要求 1 了解光交换的基本概念 特点及基本器件 2 了解各种光交换的基本概念 特点及原理 掌握OCS OPS和OBS的特点与区别 3 了解GMPLS的基本概念 掌握GMPLS与MPLS的区别及GMPLS的技术优势 4 了解ASON的基本概念 特点及其基本组成 掌握ASON与GMPLS之间的关系 9 1概述 9 1 1光交换基本概念一 光交换的发展光交换指不经过任何光电转换 在光域直接将输入光信号交换到不同的输出端 光交换也是一种光纤通信技术 是全光网络AON的核心技术之一 AON是指信号只在进出网络时才进行电 光 E O 和光 电 O E 转换 而在网络中传输和交换的过程中始终以光的形式存在 1960年 第一台红宝石激光器的问世标志着人类开始步入激光技术时代 1970年 第一根光纤揭开了光纤通信发展的新篇章 光纤通信的诞生是电子通信到光电子通信的一次质的飞跃 1990年以来 光纤通信技术发展异常迅速 光纤传输系统的容量已经从Mbit s发展到Tbit s 光纤的巨大频带资源和优异的传输性能 使它成为高速大容量传输的理想媒质 极大的满足了人们对信息传递速度 质量和容量的要求 从单信道的同步数字系列SDH发展到多信道的波分复用WDM 又发展到可重构的光传输网络TON 仅仅用了20几年的时间 2000年 为了适应光网络的优化 路由 保护和自愈功能发展的需求 又提出了自动交换光网络ASON的概念 ASON是智能化的光网络 是下一代光网络的发展方向 WDM点亮了光网络层 单信道系统代表技术 SDH 1980S 多信道系统代表技术 WDM 1990S 可重构网络代表技术 OTN 当前 考虑全光交换网络的理由 1 历史的观点 模拟传输产生了机电制交换 PCM数字传输有了数字程控交换 当前光传输已成主角 因此下一代网络将是全光交换 2 速度极限 由于电子器件的极限速度为几个G 10Gb s 使得电子交换设备可能成为未来网络的瓶颈 3 成本降低 采用光传输的电子交换系统 必须有光 电和电 光转换 全光交换则不用 4 速度匹配 光传输 光交换 全光网络 二 光交换特点光信息流在网络中传输及交换时始终以光的形式存在 不必经过光 电和电 光转换 消除了节点处的电子瓶颈 并且信息从源节点到目的节点的传输过程始终在光域内 不受监测器和调制器等光电器件响应速度的限制 光交换的比特率和调制方式透明 可大大提高交换单元的吞吐量 充分发挥光信号的高速 宽带和无电磁感应等优点 光交换与高速的光纤传输速率匹配 可以实现网络的高速率 光交换根据波长来对信号进行路由和选路 与通信采用的协议 数据格式和传输速率无关 光交换可以保证网络的稳定性 提供灵活的信息路由手段 9 1 2光交换技术分类 按照复用方式分类 光交换可分为 光空分交换技术 多点间建立光信息传送物理通道的交换技术 光波分交换技术 利用光波分复用和波长变换技术 将信息从一个波长转移到另一波长上 光时分交换技术 在时间轴上将光波长分成多个时段 互换时间位置来交换承载的信息 光码分交换技术 不同用户信号用不同码序列填充 利用码序列转换来交换信息 按承载和交换信息的光域粒度划分 可分为 光路交换 OCS 技术 最小交换单元是一个波长通道 光分组交换 OPS 技术 光域分组包作为最小交换颗粒 光突发交换 OBS 技术 多个分组构成更大分组 以突发方式在光域传输和交换 光标记分组交换 OMPLS 技术 MPLS和光网络结合 MPLS控制标记分发和控制光开关 建立交换式光通道 9 2光交换基本器件 9 2 1光开关光开关是完成光交换最基本的功能器件 光开关主要用来实现光层面上的路由选择 波长选择 光分插复用 光交叉连接和自愈保护等功能 光开关的关键参数 1 光开关的开关速度或称开关时间是一个重要的性能指标 不同的应用场合对开关时间的要求是不一样的 如光通道的设置开关时间为1 10ms 保护倒换的开关时间为1 10us 分组交换的开关时间为lns 外调制器的开关时间为10ps 除了开关时间外还有一些参数来衡量光开关的性能 光开关的关键参数 1 通断消光比 是指光开关处于通 开 状态时输出的光功率和处于断 关 状态时的输出光功率之比 通断消光比越大光开关性能越好 这对外调制器尤为重要 机械开关的通断消光比较大约40 50dB 2 插入损耗 简称插损 是指由于光开关的使用导致光路上的能量损耗 常以dB表示 越小越好 当开关处于不同的输入输出连接状态时 插入损耗有可能不一致即插入损耗的一致性差 这对于实际的应用是不希望的 光开关的关键参数 3 串扰 是指某输出瑞的功率除了来自希望的输入端口外还有来自不希望的输入端口的功率 二者光功率之比称为串扰 4 偏振依赖损耗 由于偏振引起的光功率的损耗 微机械光开关耦合波导开关热光开关硅衬底平面光波导开关液晶光开关全息光开关 常见的光开关种类 1 半导体光开关半导体光放大器 当偏置信号为零时 输入信号将被器件完全吸收 输出端没有任何光信号输出 2耦合波导开关 耦合波导开关 利用铌酸锂 LiNbO3 材料制作 在控制电极上施加一定电压可改变波导的折射率和相位 从而可构成2 2交换开关 激励电压约5V 最大传信速率达Gb s 3硅衬底平面光波导开关 特点 是插入损耗小 0 5dB 稳定性高 可靠性好 成本低 适合大规模集成 不足点是响应速度较慢 1 2ms 9 2 2波长转换器全光波长转换器是波分复用光网络及全光交换网络中的关键部件 它把带有信号的光波从一个波长转换成另一个波长输出 波长转换是解决相同波长争用同一个端口时发生阻塞的关键 9 2 3光存储器光存储器是时分光交换系统的关键器件 它可实现光信号的存储 以进行光信号的时隙交换 目前常用的光存储器有双稳态激光二极管和光纤延迟线 FDL 两种 双稳态激光二极管 双稳态激光二极管 双稳态激光二极管和光纤延迟线 FDL 比较 9 2 4光调制器光调制器是高速 长距离光通信的关键器件 也是最重要的集成光学器件之一 国内外光调制器已取得很大进展 其性能不断提高 不仅大大提高了速率和带宽 还增加了集成密度 此外 随着光调制器技术的不断提高 还开发出不少新型光调制器件和集成模块 目前 10Gbit s速率的光调制器已成熟 40Gbit s的光调制器已成为主流技术 电光效应的LiNbO3调制器 空间光调制器 9 2 5光滤波器光滤波器在WDM系统中是一种重要元器件 与波分复用有着密切关系 用来进行波长选择 它可以从众多的波长中挑选出所需的波长 而除此波长以外的光将会被拒绝通过 它可以用于波长选择 光放大器的噪声滤除 增益均衡 光复用 解复用等 9 3光交换原理9 3 1光电路交换一 空分光交换 空分光交换基本单元 空分光交换可以构成纵横式 crossbar 网络 双纵横式 double crossbar 网络 Banyan网络和扩展的Banyan网络 Benes网络和扩展的Benes网络等 空分光交换基本单元 光电路交换网络 交换平面 控制平面 端到端信令 波长光通路 routing 光交叉连接节点 GMPLS控制器 空分光交换网络 二 时分光交换时分光交换与程控交换中的时分交换系统概念相同 也是以时分复用为基础 用时隙交换原理实现光交换功能 它采用光存储器实现 把光时分复用信号按一种顺序写入光存储器 然后再按另一种顺序读出来 以便完成时隙交换 光时分复用和电时分复用类似 也是把一条复用信道划分成若干个时隙 每个基带数据光脉冲流占用一个时隙 N个基带信道复用成高速光数据流信号进行传输 目前光存储器主要是使用光纤延迟线实现 时分光交换网络 三 波分 频分光交换在光纤通信系统中 波分复用 WDM 或频分复用 FDM 都是利用一根光纤来传输多个不同光波长或不同光频率的载波信号来携带信息的 波分复用是指把N个波长互不相同的信道复用在一起 得到一个N路的波分复用信号 一般说来 在光波复用系统中其源端和目的端都采用相同波长来传递信号 波分光交换可以采用波长选择或波长转换两种方法来实现交换功能 波分光交换原理 波长选择法交换 波长转换法交换 波分光交换优点 1 各个波长信道比特率具有独立性 容易交换各种速率的宽带信号 2 交换控制电路的运行速度不要求很高 用一般电路就可以 四 混合型光交换常用的混合型光交换主要有 空分 时分光交换系统 波分 空分光交换系统 频分 时分光交换系统 时分 波分 空分光交换系统 波分空分混合型光交换 五 ATM光交换ATM光交换遵循电领域ATM交换的基本原理 以ATM信元为交换对象 采用波分复用 电或光缓存技术 由信元波长进行选路 依照信元的波长 信元被选路到输出端口的光缓存器中 然后将选路到同一输出端口的信元存储于输入公用的光缓存器内 完成交换的目的 目前 ATM光交换系统主要有两种结构 一是采用广播选择方式的超短光脉冲星形网络 具有结构简单 可靠性高和成本较低等优点 二是采用光矩阵开关的超立方体网络 具有模块化结构 可扩展性 路由算法简单 高可靠的路由选择等优点 六 多维光交换利用电时分交换 光波分交换和光空间交换技术组合成三维交换空间来解决超大容量的交换问题 所构成的网络叫做多维光网络MONET 多维光网络的结构 多维光网络的原理 9 3 2光分组交换 一 光分组交换基本概念光分组交换OPS是电分组交换在光域的延伸 交换单位是高速光分组 OPS沿用电分组交换的 存储 转发 方式 是无连接的 在进行数据传输前不需要建立路由和分配资源 采用单向预约机制 分组净荷紧跟分组头后 在相同光路中传输 网络节点需要缓存分组净荷 等待分组头处理 以确定路由 与OCS相比 OPS有着很高的资源利用率和很强的适应突发数据的能力 光分组交换网络 交换平面 控制平面 光分组交换节点 OPS控制器 光分组交换完成以下功能 11 30 1 选路 分组在分布网络中从开关的输入到开关输出或从源到目的地需要选路 2 流量控制与竞争解决方案 开关网络中分组不能相互碰撞 争用资源 常用的解决方案有 缓存 阻塞 分流 缺陷选路等 以防止分组在开关网络链路上阻塞和开关输出端口的争用 3 同步 在开关的输入端口分组之间必须同步以便分组之间正确地进行选路 交换 4 头的产生 插入 新的分组头的产生并在合适的输出端口插入到负荷中去 在多跳网中分组头的产生与插入应与分组在网络中的时间无关 光域分组交换与电域分组交换的最大区别是 电分组交换的数据在缓存区中静止存储 而光域分组交换的数据必须实时处理或动态存储 OPS优点OPS属于分组级的光信号处理 和OTDM相比对光器件工作速度的要求大大降低 与WDM相比更加灵活 可有效地提高带宽利用率 交换粒度小 能与IP分组很好地兼容 容量大 可配置 数据率和格式透明 可支持未来不同类型数据 能提供端到端的光通道或者无连接传输 带宽利用效率高 适应性好 能提供各种服务 将大量的交换业务转移到光域 交换容量与WDM传输容量匹配 同时与OXC MPLS等新技术结合 实现网络优化与资源的合理利用 有很高的资源利用率和很强的适应突发数据的能力 OPS缺点实现复杂 光逻辑器件不成熟 对光部件的性能要求更高 相对于成熟的硅工业而言 OPS的集成度很低 这是由于光分组本身固有的限制以及这方面工作的不足造成的 缺乏深度和快速光记忆器件 在光域难以实现与电路由器相同的光路由器 由于突发数据分组需要在中间节点存储转发 需要有效的光随机存储器 ORAM 在OPS交换节点处 难以实现多个输入分组的精确同步 需要灵活高效的光域同步技术 二 光分组交换体系结构 最高层对应于已普遍使用的接入网和核心网的标准 如ATM PDH和SDH及其它常用的标准分组和基于帧的业务最低层为透明光传输层 对应于地域上更广阔的WDM光传输网 由于在相对低速的电交换层和大粒度的信道分割的WDM光传输层之间存在代沟 需要在低速信道和高速信道之间进行适配 所以在这两层中间引入第二层 即比特率和传输方式透明的OPS网络层 也称光透明分组层OTP 它在WDM光传输网中的高速波长信道和电交换网之间架起一座桥梁 三 光分组交换分组格式 光分组头和光分组净荷都占有固定持续时间但速率可变 保护时间主要根据具体器件的交换时间 节点内的净荷抖动等情况来定义 光分组头在交换节点进行电子处理 光分组头包含 同步比特 信源标记 表示入口边缘的节点地址 目的地标记 表示出口边缘的节点地址 分组形式 表示业务性质和优先次序 分组序列号码 以辨别分组有没有按规定序列到达 运行 管理和维护 信头纠错码 四 光分组交换机组成 OPS节点结构 输入接口 对来自不同输入端口的光分组进行时间和相位对准 完成光分组读取和同步功能 并保持数据净荷的透明传输 光交换矩阵单元 OPS节点的关键部分 它为同步的光分组选择路由并解决输出端口竞争问题 光交换矩阵单元具有光分组缓存功能 对于本地交换节点 光交换矩阵单元同时完成上下路功能 根据使用交换开关类型的不同 OPS结构有空间光开关结构 广播选择交换结构 波长路由交换结构等 控制单元 利用光分组头信息控制核心交换 控制部分要处理信头信息 并发出必要的指示 为此 它要参考在每一节点中保持的转发表 其内容借助网络管理系统不断更新 控制单元还要进行信头更新 或标记交换 将新的信头传给输出接口 新的信头指出分组前进路程的下一节点 目前这些控制功能都是用电子器件操作的 输出接口 通过输出同步和再生模块 降低交换机内部不同路径光分组的相位抖动 进行功率均衡 同时完成光分组头的重写和光分组再生 以补偿光交换矩阵所带来的消光比和信噪比恶化 光分组交换网络组成 OPS网络由核心交换节点 边缘节点和客户接入网络组成 边缘节点主要完成光标记链路的建立 光分组的产生和光标记的加载 核心交换节点主要完成OPS 光标记更新 解决输出端口竞争 光分组再生等功能 与已有的协议相结合 如网络可以使用已有的MPLS MPS协议 路由信息分布 可以使用IP路由协议 对全光分组交换 不需要额外的协议层 受广义MPLS支持的全光分组交换网络可以支持不同粒度 电路 分组和突发 及不同的用户数据格式 MPLS加速了Internet的速度 全光分组交换非常适合MPLS的观点 它具有灵活性 高比特率 消除潜在的电子瓶颈等优点 光标记技术是实现简单的 可升级的光信道路由的关键 无需高速的电终端 在光传输网 OTN 上 MPLS能提供端到端的透明性 但是需要接入比特流 因而需要把光信道的光信号转换为电信号 9 3 3光突发交换 一 基本概念光突发交换技术OBS OpticalBurstSwitching 采用单向资源预留机制 以光突发作为交换网中的基本交换单位 突发是多个分组的集合 由具有相同出口边缘路由器地址和相同QoS要求的IP分组组成 分为突发控制分组BCP与突发分组BP两部分 光突发交换网络 交换平面 控制平面 光突发交换节点 OBS控制器 光突发交换网络数据和控制分离 OBS基本思想是数据分组与控制分组的传输相分离 提前发送控制分组 为随后的数据分组预留资源和建立传输通路 OBS边缘路由器负责数据分组的汇集和分发 检测数据分组的源 目的地址和服务等级 分类组装成突发分组BDP 产生相应的控制分组BCP OBS核心节点由交叉连接和控制机构两部分组成 控制机构负责收发BCP消息 依照BCP内容协同交叉连接机构预留资源为随后将至的BDP建立光突发连接通路 BCP和BP在物理信道上是分离的 每个BCP对应一个BP BCP长度较之于BP要短得多 在节点内BCP经过O E O的变换和电处理 而BP从源节点到目的节点始终在光域内传输 OBS节点有两种 核心节点与边缘节点 核心路由器的任务是完成突发数据的转发与交换 边缘路由器负责重组数据 将接入网中的用户分组数据封装成突发数据 或进行反向的拆封工作 OBS系统的BDP和BCP传输示意 1OBS优点粒度适中 OBS的粒度介于OCS和OPS之间 它比OCS粒度细 比OPS粒度粗 BCP与BP在信道上分离 BCP与BP在时间和空间上分离 空间上分离指在物理信道上采用同一光纤中的不同波长 时间上分离是指BCP提前于BP一段时间发送 无光缓存 突发数据在中间节点不需要任何光RAM存储 而是通过相应的BCP预留资源进行直通传输 因此在经过中间节点时无时延 偏置时间远远小于波长路由中的波长通道建立时间 单向预留 BCP提前于BP一段时间发送 为BP预留资源 源节点在发送突发数据之前 不需要等待目的节点的响应 因此端到端时延相对较小透明传输 OBS网对突发包的数据是完全透明的统计复用 网络数据颗粒度 网络数据颗粒度的基本尺寸一般用帧长表示 例如 假定在1000公里光纤传输中 在10Gbit s传输速率条件下 基于波长的OCS以SDH作为基本单元 以125微秒为基本颗粒度 帧长为160K字节 OBS的平均颗粒度为50微秒 平均帧长为64K字节 而OPS的平均颗粒度为100纳秒 平均帧长为125字节 显然在上述平均帧下 对帧间的间隙远比帧长要小 2OBS缺点技术不完善 突发封装 突发偏置时间的设置 数据和控制信道的分配 QoS的支持 光存储问题尚未解决 由于光纤延迟线的限制 为了降低丢包率 OBS网络必须通过波分复用网络信道成组来实现统计复用 OBS网络中实现组播功能 难以支持流量工程 而且网络在保护与恢复方面也存在着很多问题 OBS网络主要应用于不断发展的大型城域网和广域网 支持传统业务 如电话 SDH IP FDDI和ATM等 也可以支持未来具有较高突发性和多样性的业务 如数据文件传输 网页浏览 视频点播 视频会议等业务 OBS的支持QoS特征也符合下一代Internet的要求 二 光突发交换体系结构 光突发交换体系结构包括核心交换层 汇聚层和接入层 核心交换层主要任务是突发数据的全光域透明传送和路由 该层由核心节点 即光核心路由器构成 汇聚层主要任务是将接入层的数据汇聚到光层 该层由边缘节点 即光边缘路由器构成 接入层对应于不同的用户网络 可以是目前存在的各种网络如IP FR ATM和SDH等 也可以是终端用户 三 光突发交换分组格式 标记 类似于MPLS中的标记 控制分组与突发数据的标记一致 波长ID 指示其突发数据所在的波长 CoS 服务类别 偏置时间 控制分组与突发数据的时间偏差 突发大小 突发分组持续时间的长度 CRC 控制分组的校检和 四 光突发交换网络节点结构 五 光突发交换网络组成 由于光网络在光纤到户上的瓶颈问题 目前主要用于主干网和城域网 用户端仍是传统的电IP网络 OBS网络主要由光的核心节点和电的边缘节点组成 边缘节点主要负责IP分组的接入 分类 组装和调度 及反向突发数据的接收与拆帧 六 OBS关键技术OBS关键技术主要包括组装算法 信令协议 冲突处理 波长分配和生存性等组装算法OBS的边缘接入节点要按照一定规则对进入OBS网络的突发数据进行汇聚组装 如何将来自不同网络的数据适配组装成合适的突发包是OBS网络的关键技术之一 突发包的组装一般需要考虑两个参数 一个是组装时间 另一个是突发包的最大长度 此外 还要考虑突发包的长度是固定的还是变化的 固定组装时间FAT固定组装长度FAS最大突发长度最大组装时间MSMAT自适应组装长度AAS 突发组装算法 固定组装时间FAT FixedAssemblyTime 在该算法中 突发包按照固定的组装时间进行组装 这种方法比较简单 但当网络流量较大时 突发包可能过长 影响整个网络的性能 固定组装长度FAS FixedAssemblySize 按照固定的突发包长度进行组装 对未达到固定长度的突发包需要填充一些字节 使其达到固定的组装长度 这种方法也比较简单 但当网络流量比较小时 采用这种算法的组装时间会很长 会增加网络的时延 降低网络的性能 突发组装算法 最大突发长度最大组装时间MSMAT Maxburst SizeMaxAssemblyTime 同时考虑组装时间和组装长度 当组装时间达到允许的最大时间或组装长度达到组装门限时 产生突发包 这种算法比较常用 也比较简单 但在网络流量较小时 利用率较低 并有可能在核心节点产生连续竞争冲突 自适应组装长度AAS AdaptiveAssemblySize 这种算法可以部分地解决竞争问题 且突发数据包大小变化比较缓慢 但控制比较复杂 上述以时间和最大突发包长度控制的突发组装算法简单 易于实现 但它们没有针对IP业务的突发流量特性进行相应的优化设置 当网络流量较低时 组装算法的包长大小与高负荷网络相比有很大的变化 这会带来额外的网络时延 同时造成突发数据包的传输效率降低 此外 多个边缘节点路由器在基于时间计数的组装算法机制下极易形成突发发射同步 引发持续的资源竞争问题 信令协议光突发技术的难点是寻找合适的带宽接入控制协议 协调控制分组与突发数据流 用于OBS的控制信令提法很多 可以归纳为三大类 第一类 预留固定周期RFD Reserve a Fixed Duration 该协议由控制分组中的偏置时间来决定带宽预留时间的长短 到时立即拆除连接 优点是无信令开销 易实现带宽资源的动态分配 资源利用率高 其改进的变形协议有TAW Tell And Wait JET JIT SCDT LAUC和LAUC VF等 信令协议第二类 TAG Tell And Go 该协议是源节点先发送控制分组来预留带宽 即成功建立了整个通信链路 然后发送相应的突发数据 中间节点需FDL缓存突发数据 当发送完突发数据流后 源节点再发送用于释放连接的分组来拆除连接 TAG技术类似于快速电路交换 它无需确认所有带宽已经预留而直接发送突发数据 因而其带宽利用率不高 第三类 带内终结器IBT In Band Terminator 该方式是在突发数据流后紧跟IBT标识 整个过程由控制分组来预留带宽 由IBT标识拆除连接 即当检测到IBT标识后释放带宽 OBS应用IBT技术拆除通信连接的关键是光域识别IBT标识 光信号处理 因此该技术最大的挑战是IBT OBS信令协议特点 三种OBS协议中 带宽预留是突发数据层上的单向过程 即在没有目的节点确认信息的情况下 突发数据流即可通过中间节点 它们是根据带宽释放的方式加以区分的 TAG和IBT都涉及了额外的信令开销 而在RFD中 控制分组利用特定的时长预留带宽 这样不但取消了额外的信令开销 而且与IBT和TAG相比能更有效的利用带宽和缓存资源 TAG和IBT基于开放式终结 open ended 资源预留和分布式控制 RFD基于关闭式终结 close ended 资源预留和分布式控制 是公认的最适合OBS的协议 冲突处理在OBS网络中 当多个分组同时到达同一个输出端口时就会产生竞争 目前解决竞争的方法主要有光缓存 波长转换 偏射路由 组合式突发包 突发包分段以及其中多种技术的组合 FDL配置 应用FDL缓存器 可以使突发包延迟到竞争结束后 波长转换 采用波长转换器 在发生竞争时可以将突发包在与指定输出线不同的波长上发送出去 偏射路由 利用空闲链路解决冲突组合式突发包 突发包分段 组合式突发包与突发包分段的思想是一致的 在竞争发生时 都是将突发包分为几部分 在转发时将突发包尽可能多的部分转发出去 从而尽量减少数据的丢弃 多种技术的组合 4 波长分配 在波长路由网络 波长分配问题是网络设计中的一个关键问题 在OBS中 控制分组在每一个突发数据分组发送之前发送 虽然克服了波长一致性原则 波长资源是统计复用的 利用率也远远高于波长路由网络 但是在没有全光波长变换的情况下 波长分配问题仍是制约网络性能的一个重要问题 它通知该数据分组要通过的中间节点在预定的时段内为该分组预留资源 分配带宽 如果预留失败 该数据分组被丢弃或使用反射路由送到其它节点 带宽的动态分配技术是OBS的一项关键技术 带宽分配技术的好坏直接影响网络的效率和性能 5 生存性 目前 单根光纤的业务容量已经达到Tbit s的量级 当链路发生故障时 势必会造成数据的大量丢失 因此应采取适当的保护措施来尽量减少故障发生时的数据丢失 OBS网络的生存性包括控制信道和数据信道的保护与恢复 它与传统的光网络有许多相似的地方 可以借鉴传统光网络的保护和恢复机制 但OBS网络有自身的特性 如控制信道要经过O E O处理 数据信息在光域中透明传输 所以OBS网络的生存性在许多方面有待进一步研究 OBS既综合了OCS和OPS的优点 又避免了它们的缺点 是一种很有前途的光交换技术 9 3 4OBS与OCS和OPS技术的比较 传统电路交换的要点是面向连接 优点是实时性高 时延和时延抖动小 缺点是线路利用率低 灵活性差 OCS继承了传统电路交换的面向连接的特点 优点也是实时性好 而且由于电路交换应用经验的积累 OCS还有简单 易于实现 技术成熟的优点 缺点是带宽利用率低 灵活性差 不适合数据业务网络 不能处理突发性强和业务变化频繁的IP业务 不能适应数据业务高速增长的需要 传统分组交换的要点是信息分组 存储 转发和共享信道 优点是传输灵活 信道利用率高 缺点是实时性差 协议和设备复杂 OPS继承了传统分组交换的信息分组 存储 转发和共享信道的特点 优点也是资源利用率高和突发数据适应能力强 缺点是由于光缓存器等技术还不够成熟 目前缺乏相关的支撑技术暂时无法实用化 OBS的要点是单向资源预留 交换粒度适中 控制分组与数据信道分离 不需要存储 转发 对于OCS而言 OBS采用单向资源预留 控制分组先于数据分组在控制信道上传送 为数据分组预留资源 建立连接 而且在发出预留资源的信令后 不需要得到确认信息就可以在数据信道上发送突发数据 与OCS相比节约了信令开销时间 提高了带宽利用率 能够实现带宽的灵活管理 同时 OBS吸取了OCS不需要缓冲区的特点 易于与光技术融合 另外OBS享用了OCS积累的应用经验 实现简单且价格低廉 易于用硬件高速实现 技术相对成熟 对于OPS而言 OBS吸取了OPS传输灵活 信道利用率高的优点 它将多个具有相同目的地址和相同特性的分组集合在一起组成突发 提高了节点对数据的处理能力 突发数据通过相应的控制分组预留资源进行直通传输 无需O E O处理 不需要进行光存储 克服了OPS光缓存器技术不成熟的缺点 且OBS的控制分组很小 需要O E O变换和电处理的数据大为减小 缩短了处理时延 大大提高了交换速度 光交换技术比较 光电路交换 光突发交换 光分组交换 从上分析可见 OBS交换粒度界于大粒度的OCS和细粒度的OPS之间 技术实现较OPS简单 但组网能力又比OCS灵活高效 OBS支持分组业务性能比OCS好 实现难度低于OPS OBS比OPS更贴近实用化 通过OBS可以使现有的IP骨干网的协议层次扁平化 更加充分的利用DWDM技术的带宽潜力 光路交换也就是光的波长路由交换方案 目前研究的比较多 相对比较成熟 光分组交换由于缺乏高速光逻辑器件 光缓冲存储器等 因此还处于研究阶段 光突发交换是一种居中的方案 融合了OPS和OCS的优点 又克服了缺点 是一种很有发展潜力的交换模式 几种光交换方式对比分析结论 today IPover ATM SONET overWDMtrend IntegratedIP WDM withopticalswitching goal ubiquitous scalableandfuture proof NetworkArchitectures trend IntegratedIP WDM withopticalswitching goal ubiquitous scalableandfuture proof NetworkArchitectures ProgressinOpticalNetworks Capacity Function Ring Mesh Dynamic Static OpticalPacket Pt to Pt SingleChannel WDM OpticallyAmplified OpticalAdd Drop Topology ProgressinOpticalNetworks WirelineO CDMALAN LegacyMAN FreeSpaceandWirelineO CDMALAN OpticalCoreNetwork Edgerouter Edgerouter OLSrouters OLSswitches StarCoupler MAN StarCoupler MAN Edgerouter LegacyLAN OLSswitches SENSORNetworks NextGenerationNetworkTopology 9 4GMPLS9 4 1GMPLS基本概念 一 GMPLS发展背景通用多协议标记交换GMPLS也称光标记分组交换OMPLS或多协议波长交换MP S 于2001年由IETF提出的可用于光层的一种通用MPLS技术 GMPLS技术的提出 是MPLS向光网络扩展的必然产物 使用GMPLS可以为用户动态的提供网络资源以及实现网络的保护和恢复功能 GMPLS技术的出现 使得IP与WDM之间传统的多层网络结构趋于扁平化 为光网络层传输与交换功能的结合迈出了非常关键的一步 实现了IP与WDM的理想结合 从而使网络层次由MPLS组网的三层减少到两层 在WDM光网络中引入GMPLS技术 将最大可能的实现网络资源的最佳利用 从而保证光网络以最佳的性能和最廉价的费用来支持当前和未来的各种业务 二 GMPLS的主要优点GMPLS对开放标准的支持允许运营商和业务供应商来选择最佳的设备以满足持续增长的网络性能需求 对等模型允许传输网络的拓扑向IP路由器全面开放 从而使IP路由器在为LSP计算通路时可以充分利用光层的资源 消除了叠加模型中使用n 个光信道的全链路来交换路由信息的需要 对等模型使得IP路由网络具有拓展性 GMPLS可以使现有的运营商和服务供应商能充分利用传统的MPLS流量工程 GMPLS消除了重新开发 测试和量化新型控制协议的必要性 开放式的标准使得UNI和NNI标准能够并行发展 因此能不断地满足运营商和服务供应商的需求 三 GMPLS与MPLS的区别在MPLS中 网络由单纯的分组交换节点组成 传输网络只能被看作是一条预先配置好的物理线路 分组交换节点不能按照资源的需求情况调节传输网络内部的物理线路资源 传输网络内部的电路分配只能通过人工的方式进行配置 GMPLS则可以彻底改变这种状态 实现了快速的配置并能够实现按需分配 这种全新的光Internet能在数秒钟内分配带宽资源 提供新的增值业务和为业务提供商节约大量的运营费用 MPLS通过在IP包头添加32bit的 shim 标记 使原来面向无连接的IP传输具有了面向连接的特性 极大加快了IP包的转发速度 GMPLS则对标记进行了更大的扩展 将TDM时隙 光波长 光纤等也用标记进行统一标记 使得GMPLS不但可以支持IP数据包和ATM信元 而且可以支持面向话音的TDM网络和提供大容量传输带宽的WDM光网络 从而实现了IP数据交换 TDM电路交换 主要是SDH 和WDM光交换的归一化标记 MPLS需要在两端路由器之间建立LSP 而GMPLS扩展了LSP的建立概念 可以在任何类型相似的两端标记交换路由器之间建立LSP MPLS主要关注于数据平面 控制平面的功能则由GMPLS来完成 为了统一光控制平面 实现光网络的智能化 GMPLS在MPLS TE的基础上进行了相应的扩展和加强 为分组交换设备 时域交换设备 波长交换设备和光交换设备提供了一个基于IP的通用控制平面 从而使得各个层面的交换设备都可以使用同样的信令完成对用户平面的控制 但GMPLS统一的仅仅是控制平面 用户平面则仍然保持多样化特性 为了充分利用WDM光网络的资源 满足未来一些新业务的开展 如VPN 光波长租用等 实现光网络的智能化 GMPLS还对信令和路由协议进行了修改和补充 为了解决光网络中各种链路的管理问题 GMPLS设计了一个全新的链路管理协议 为了保障光网络运营的可靠 GMPLS还对光网络的保护和恢复机制进行了改进 9 4 2GMPLS接口 分组交换接口PSC 进行分组交换 通过识别分组边界 根据分组头部的信息转发分组 例如MPLS的标记交换路由器LSR基于 shim 标记转发数据 第二层交换接口L2SC 进行信元交换 通过识别信元的边界 根据信元头部的信息转发信元 例如以太网基于MAC的内容交换数据 而ATMLSR则基于ATM的VPI VCI转发信元 时隙交换接口TDMC 根据TDM时隙进行业务转发 如SDHDXC设备的电接口 可根据时隙交换SDH帧 光纤交换接口FSC 根据业务 光纤 在物理空间中的实际位置对其转发 例如OXC设备可对一根或多根光纤进行连接操作 波长交换接口LSC 根据承载业务的光波长或光波段转发业务 例如OXC设备是一种基于光波长级别的设备 可以基于光波长作出转发决定 还可以基于光波段作出转发决定 光波段交换是光波长交换的进一步扩展 它将一系列连续的光波长当作一个交换单元 使用光波段交换可以有效减少单波长交换所带来的波形失真 减少设备的光开关数量 还可以使光波长之间的间隔减小 GMPLS接口 GMPLS 9 4 3GMPLS通用标记 GMPLS定义了分组交换标记 对应PSC和L2SC 电路交换标记 对应TDMC 和光交换标记 对应LSC和FSC 其中 分组交换标记与传统MPLS标记相同 这里不再复述 电路交换标记和光交换标记则为GMPLS新定义 包括请求标记 通用标记 建议标记及设定标记 请求标记 LSP封装类型 8bit 指示LSP的类型 例如 LSP 1表示是PSC分组传输 LSP 5表示是TDMC的SDH LSP 9对应FSC的光纤 保留 8bit 保留字节 必须设为全 0 接收时忽略其数值 G PID 16bit 指示LSP对应的载荷类型 如 G PID 14 表示字节同步映射的SDHEi载荷 G PID 17 表示比特同步映射的SDHDS1 TI载荷 G PID 32 表示数字包封帧 通用标记 电路交换 S 16bit 指示SDH SONET的信号速率等级 S N即表示STM N STS N信号 U 4bit 指示一个STM 1中的某个高阶虚容器VC U只对SDH有效 K 4bit 只对SDH有效 表示一个VC 4含有的C 4或TUG 3的数目 L 4bit 指示TUG 3 VC 3或STS 1的SPE是否还含有低阶虚容器 M 4bit 指示TUG 2 VT的低阶虚容器的数目 通用标记 光交换 波段ID 32bit 用于识别某个波段 其数值由发送端OXC设备设定 开始标记 32bit 用于表示组成波段的最短波长的数值 结束标记 32bit 用于表示组成波段的最长波长的数值 建议标记建议标记是一种优化标记 可以和请求标记同时发出 建议标记可采用与请求标记类似的格式 本文不再复述 设定标记 保留 16bit 保留字节 标记类型 8bit 希望下游节点接收的通用标记类型 行为 8bit 0 表示希望接收以下子信道定义的标记 1 不希望接收以下子信道定义的标记 子信道 32比特 用于表示某个子信道标记的类型 子信道标记的格式与通用标记的格式相同 9 4 4通用标记交换路径LSP 一 LSP分级LSP分级是指低等级的LSP可以嵌套在高等级的LSP中 从而将较小粒度的业务整合成较大粒度的业务 二 LSP分级技术的实现LSP分级技术是通过GMPLS标记栈技术实现的 从入口LSR1来的分组到达入口LSR2后 就进入了下一级LSP 入口LSR2先将原来的MPLS标记1压栈 再由入口LSR2分配一个新的标记2到标记栈的栈顶 新的标记2在这个嵌套的LSP里用于交换 利用GMPLS标记栈实现LSP 9 5ASON9 5 1ASON基本概念 一 定义自动交换光网络ASPN的概念来源于智能光网络ION 其基本思想是在光传送网OTN中引入控制平面 将信令和选路引入传送网 把交换功能引人光层 通过智能的控制层面建立呼叫和连接 对网络资源进行实时按需动态分配 完成路由设置 端到端业务调度和网络自动恢复 从而实现光网络的智能化 向支持多信道 高容量 可配置 智能型的网络演进 ASON是以OTN为基础的自动交换传送网ASTN的应用子集 ASON在传输中融合了交换技术 在信令网控制之下完成光网络连接和自动交换 是传送与交换在光层的融合 是光传送网的一次具有里程碑意义的重大突破 被广泛认为是下一代光网络的主流技术 二 特点自动动态交换功能多种连接功能灵活完善的端到端保护和恢复功能快速业务配置 为用户提供各种带宽的服务与新型应用支持流量工程支持多厂家环境下的连接控制 具有智能自动发现能力 平滑的网络演进 高效方便的网络管理维护和运行等功能 不足之处有 对设备要求高 不仅需要具备很高的业务吞吐量 丰富的软件功能和控制特性 还要具备IP路由器的选路功能 光交换的快速交换功能以及带宽资源的动态分配和管理能力 同时还要提供网络故障时的保护 恢复能力 智能控制的引入丰富了光网络内涵 三 ASON组成ASON由控制平面CP 传送平面TP和管理平面MP组成 同传统的光传送网相比较 明显的不同就是引入了控制平面 这给整个光网络带来了前所未有的变化 控制平面CP 由路由选择 信令转发及资源管理等功能模块和传送控制信令的信令网组成 完成呼叫控制和连接控制 同时在控制面和其它层面之间存在着不同的接口 完成与管理面之间功能的协调 实现对传送面资源的管理 传送平面TP 由一系列传送实体组成 提供端到端用户信息的传输 负责业务的传送 但此时传送层的动作是在管理面和控制面的作用下进行的 管理平面MP 由CP管理器 TP管理器和资源管理器组成 具有性能管理 故障管理 配置管理 计费管理和安全管理等功能 负责所有平面间的协调和配合 完成传送平面和控制平面及整个系统的维护 ASON扩展框架 四 ASON连接指配连接 也称硬永久性连接PC或硬连接 由网管系统或人工参与实现 通过对端到端连接通道上的每个网元进行配置完成连接 信令连接 也称交换连接SC 由控制平面中的信令和路由技术实现连接 各通信端点以信令的形式进行动态协议消息互换 混合连接 也称软永久性连SPC或软连接 SPC是PC与SC的结合 在网络边缘用PC 由网络提供者提供PC 网络边缘的PC之间连接使用SC 最终实现端到端连接 9 5 2ASON关键技术 一 控制平面技术ASON控制平面又分为基本功能和核心功能 其中基本功能包括 路由功能 信令功能 链路管理功能和单元接口技术等 核心功能则包括网络连接控制 网络生存 新型业务等 用户网络接口UNI 用户与网络间的接口 UNI定义了包括IP路由器 ATM交换机及SDH交叉连接设备等用户与OXC和OADM的ASON设备的接口协议 用户设备通过该接口动态请求获取 撤消及修改有一定特性的光带宽连接资源 可以支持多种网元类型 支持自动业务发现 自动邻居发现等网络功能 具体支持包括接入用户请求 即呼叫控制 资源发现 连接控制 连接选择及呼叫的安全管理和认证管理等功能 ASON控制平面接口 网络一网络接口 NNI NNI是光网络子网之间的接口 主要解决不同供应商光网络设备之间的互联互通问题 在由多个自治网络构成的光网络内部 实现动态光路的建立 维护及释放等功能 内部网络节点接口I NNI 信令网络网元之间的接口 是一个自治域内或有信任关系的多个自治域 控制实体之间的双向信令接口 外部网络节点接口E NNI 属于不同管理域且无托管关系的控制面实体之间的双向信令接口 E NNI用于实现跨域连接的建立 支持呼叫控制 资源发现 连接控制 连接选择和连接路由 连接控制接口CCI 控制平面和传送平面之间的接口 ASON控制平面接口 控制平面的信令协议 控制平面的信令协议包括路由协议 信令协议及链路资源管理协议3部分 在ASON中 使用由互联网工程任务组 IntemetEngineeringTaskForce 简称IETF 提出GMPLS的协议框架 在该协议框架中 不同的协议功能由所对应不同协议模块完成 分别为路由协议 信令协议及链路管理协议等模块 1 路由协议 互联网工程任务组提出的路由协议包括 开放最短路径优先一流量工程和媒介系统一媒介系统一流量工程 IntermediarySystem一IntermediarySystem一TrafficEngineering 简称IS IS TE 两个协议 路由协议基本功能包括资源发现 状态信息传播及信道选择 路由协议模块由路由表管理器 通道计算 开放最短路径优先一流量工程及链路状态通告一数据库 LinkStateAdvertisement一Database 简称LSA DB 构成 因为传送平面和控制平面的拓扑不需要完全相同 所以路由协议需要负责广播它们的拓扑 使得每个节点都能保持网络拓扑视图的一致性 传送平面拓扑用于连接建立时的路径选择 而控制平面拓