光传送网的智能化技术及应用

第五讲光传送网的智能化一、光网络的智能化趋势二、智能光网络及其特征三、智能光网络的演进模型2一、光网络的智能化趋势光网络应用现状DWDM技术的应用，使光传输链路的容量得到了大幅度地提高，1.6Tbit/sWDM系统已开始商用，实验室水平已达到10.9Tbit/s传输链路的带宽利用率较低（还不到10%），所使用的波长主要集中在C波段，只使用了可用波长25THz中的4THz传输链路上看，随着可用波长从C波段向L和S波段的扩展，短期内传输链路的带宽将不再是光网络发展中最主要的矛盾3光网络的智能化趋势近两年传输容量未取得突破，研究重点转移到：全光互联网提高带宽资源的利用率光网络的智能化资源配置的灵活性（自动配置）带宽的自动分配4网络的智能化趋势随着各种新型数据业务出现，对传统光传送网提出了新的需求：对交换的需求多业务要求提高传送质量的要求管理和配置的要求传统的光传输技术已不能满足分组化、快速化、多业务化等传输业务需求，而解决这些问题的最终出路在于发展光网络的智能化5对交换的需求随着网络覆盖面的扩大，网络结构越来越复杂，需要在传送网中引入自动交换功能面对越来越大的网络覆盖面，利用自愈环进行组网时带宽利用率较低，环间互联管理较为复杂。因而网络组网将逐步从环网转向格状网，需要引入交换功能传统WDM设备设计的最初目标是用于网络的扩容，但在发展到以波长为单位的交叉连接或交换机以后，必须实施全网对交换/交叉连接的控制，才能充分满足带宽调度、保护或恢复等需要为进一步提高带宽的利用率，近年来在节点设备上采用了grooming（集散）技术，而集散功能在自动交换中更能充分发挥其作用6业务集散举例例如：在各个VC-4中，1到1’只占用4号VC-4，2－2’是占用1，2，3，4号VC-4，3－3’只占用1号VC-4，4－4’只占用14～16号VC-4。总共9个VC-4却占用了4个STM-16线路如果我们在A、B两点各放一个具有集散功能的节点设备，设备通过复接和交叉连接功能可以将9个VC-4放置在AB之间的一个STM-16线路上，在B点再将它们分散到四个STM-16光口，根据数量、编号将9个VC-4对应地传送到1’，2’，3’，4’。从而大大节省了A，B间的带宽资源为了实现这种集散功能，节点设备应该：具有充足的线路口，图（b）需要有5个STM-16口具有充足的交叉容量，图（b）中最低限度要有5×16＝80的VC-4交叉容量网管要专门进行设计，传统的SDH不易做到，如果集散的颗粒不是VC-4而是VC-12，此时对设备的交叉和网管的要求将会更高7多业务要求SDH的最初设计是为了满足基于电路交换业务，其特点是固定划分工作和保护带宽，通路一旦建立即专门为某一业务对象进行服务随着以IP为代表的分组交换发展起来以后，光传输链路上传送分组的任务将日益繁重。虽然分组传送也可以用固定带宽的方式以解决，但带宽的分配与分组的实际大小很难匹配，将造成带宽的巨大浪费新一代SDH多业务传送平台是一种针对基于上述两种业务的传送技术，具有PDH、SDH、ATM以及以太等多种业务接口，可以很好地解决不同业务进入SDH的接入问题当利用多业务平台设备组建一个较大的网络运行时，只有将多业务能力同全网可控制、可管理的交换功能结合起来，才能进一步地发挥多业务平台的工作效率，提高带宽的利用率8提高传送质量的要求传统SDH设备和一般基于WDM的多波长设备都只能平等地对待来自不同接口、不同类型的业务由于多业务的引入、网络服务对象的多样化、不同用户对实时性要求的不同，以及对付费的重要性等方面存在着明显差异，因而要求传送网能够对不同业务采取不同QoS的传输机制由于多业务平台通过网管系统来解决此问题，因而受到了网管处理能力的限制，只能初步地在网络覆盖面不大的情况下解决，进一步的发展需要建立一个独立的控制平面9管理和配置的要求传统SDH设备和WDM设备主要依靠网管来管理网络的性能、安全、配置、维护、计费、告警等，随着网络的复杂化，网管任务将日益繁重在配置管理方面，需求和能力之间存在着较大矛盾：当需要在网络中建立一条通路时，在SDH环内是通过主站逐站地在网管上调出各站的配置表，并向它们发出指令以开通这条通路途经各站相应的交叉连接；在OADM、OXC组成的WDM网络中波长配置也需要采用相似的开通方式由于波长、通路、VPN、带宽都成为电信服务的交易颗粒，在用户需要时要求网管能够快速地开通和提供这些颗粒的配置，在较为复杂的网络中完成这种配置的时间将会很长，因而光传送网中需要具备快速配置和提供业务的能力10二、智能光网络及其特征1、智能光网络的概念2、智能光网络的主要特征3、智能光网络的优势4、智能光网络的控制平面111、智能光网络的概念智能光网络目前还没有公认的定义，因此有许多不同的解释，归纳起来有以下特点：强大而灵活的传送和交换能力，支持复杂拓扑的网状网络自动完成光通路端到端的连接根据业务量和不同用户的QoS要求自动进行带宽分配分布式的控制开放的网络管理以业务为中心，支持多业务122、智能光网络的主要特征（1）智能化的自动配置（2）智能化的网元自动发现（3）智能化的分等级传输（4）智能化的分布式智能13（1）智能化的自动配置SDH的出现使网络的远程配置成为可能虽然从PDH到SDH，设备具备远程配置能力是一大进步，但在传统SDH或WDM网络中，配置是一项繁烦而又细致的操作尽管网络拓扑较为简单时，尚可忍受每一个站点各项配置所要花费的时间，但是在网络覆盖面更大，途经的节点更多时，人工配置时间将会更长，通常需要几个小时甚至几天、几个月才能完成采用网络的自动配置，情况则大不相同。目前所开发的智能光网络产品中，只需要操作人员告诉以下三个因素：起于何处，止于何处，所需的速率多少，便可由网络自动完成配置过程，在几分钟或几小时内即可完成网络的配置14智能化的自动配置最近开发的部分多业务平台（MSTP）设备已经采用了自动配置，只是没有专门的控制平面目前还没有利用MSTP进行大覆盖面的组网的先例，现有MSTP设备在较大网络中，特别是在格状网中的自动配置性能还有待进一步的研究但是目前具有控制平面能力的产品，经使用验证自动配置可以较好地进行实施观点：在网络比较复杂时，智能配置功能如果还是由网管系统来完成，自动配置的工作效率依然将会很低虽然实现了自动配置，但配置时间会很长在智能光网络中，节点设备的自动配置应该由专门的控制平面来完成15（2）智能化的网元自动发现网元自动发现：指在网络中新增一个节点，或者一个节点从网络中退出时，网络能够自动发现这些情况，并相应地采取一些处理措施网元的变化可以是因业务原因由操作者加入或退出一些节点或网元设备，也可以是因节点发生故障，导致部分节点不能再承担其中的工作16智能化的网元自动发现节点的自动发现有必要吗？提出此疑问基于以下几点：通常我们所接触到的网络节点数比较少，节点的加入和退出很容易被人为发现目前还没有开展较多诸如电路出租的长期业务，常用的短期业务（如会展、赛事、应急等）临时增加节点的情况很少出现大部分网络没有实行分布式的管理和控制，除网管中心外，各节点对其它节点的情况并不关心17智能化的网元自动发现在覆盖面较大的网络中节点数将大大增加，而且由于网络组织结构的临时或长期变动，或者是由于业务的需要，经常会引起节点的变动，这时便有必要引入自动发现技术通常，节点的自动发现是通过发生事件节点的邻居节点对此进行检测，并向全网进行广播，因而又将其称为邻居自动发现18（3）智能化的分等级传输电信网的发展态势必然将映射到传送网中，电信业务的种类、服务对象、每种服务的要求，以及收费水平等都随着电信业的发展呈多样化、细致化的发展趋势根据传送网的“映射”现象，以上差别可以归纳为服务质量QoS的差别，根据QoS的不同要求进行传输，这是电信发展对传送网的新要求19智能化的分等级传输20智能化的分等级传输新一代光传送网采取了分级的办法，根据用户对QoS的要求、用户付费的差别、用户业务在政治、经济等方面的重要性差别等，将不同业务分别纳入到不同的级别：首先是网络生存性方面，在网络发生故障时应先保证高优先级的传送然后是通信质量，如传输时延、误码率、采用通信质量高低不同的线路路由等21（4）智能化的分布式智能分布式智能：将网络智能分布到不同的网元上，而不是采用网管系统集中式对网元配置形成的智能分布式智能具有下列优势：随着网络日趋复杂、节点越来越多，集中式通讯方式的速度将越来越慢，而分布式控制可以使控制速度和准确性等得到大幅度的提高由于控制功能不再集中，每个节点中的网元设备必须要存储其它节点与网元的状态，并能够智能地保持相互之间的协调光网络的分布式智能依赖于光路由和信令协议，以替代传统采用集中网络管理实现的智能22智能化的分布式智能通过分布式智能可提供的网络智能化功能主要有：网络监测：通过单个网元获取全网的拓扑结构信息，对网络进行监测端到端电路配置：可以通过协议为网元之间建立电路，也可以通过对单个网元的操作实现网络中端到端电路的配置端到端恢复路径查找：当需要对端到端的电路进行恢复时，网元将根据网络的拓扑结构和带宽使用情况查找一条合适的路径，对端到端电路进行恢复提供虚拟容量：通过计算可以实现任意带宽大小的相邻级联或虚级联，组成非标准的带宽容量（如“STM-2”的容量）。当容量超过波长的带宽容量时，可以采用波长捆绑的方式提供更大的带宽容量233、智能光网络的优势（1）Mesh拓扑的应用（2）网络生存性上的优势24（1）Mesh拓扑的应用Mesh拓扑的应用为光互联网的实现打下了基础目前的大多数骨干网都已具有Mesh的物理拓扑，在网络组网时之所以采用环网而非Mesh网，主要是考虑了网络生存性，只有在智能光网络下Mesh拓扑才能更好地发挥其优势Mesh网络的保护与恢复需要执行复杂的恢复算法，时间延迟比较大，一般情况下难以做到50ms内实现网络的保护与恢复传统传送网中的保护与恢复是依靠网管功能来执行的，而当前的网管能力有限、运行速度慢，在网络故障或繁忙时便不堪重负，更不要说处理复杂的网络恢复算法25Mesh拓扑的应用智能光网络对Mesh网的支持主要表现在以下方面：恢复算法的支持：格状网络需要采用较为复杂的恢复运算，且只有在一个强大的控制平面支持下才能实施格状网的恢复算法最初主要借助于网管系统的计算能力，如果网络恢复功能由网管来执行，在节点数和网元数量较大时，网管系统既要管理，又要进行恢复运算，将难堪重负传统DXC已推出多年，它具有基于SDH的交叉连接功能，并且采用网管来进行恢复运算，使得其网管系统软硬件平台相对于ADM而言很复杂，进而导致DXC成本很高，影响了格状网的推广与应用只有独立出一个控制平面，格状网的大覆盖面应用才有可能得以实施

26Mesh拓扑的应用新算法的支持：在一个较大的格状网络中，各区域的负载需要保持一定的平衡，而此过程需要引入新的算法考虑到各区段资源的不平衡会对恢复过程带来影响，通过运算不仅要使故障能够得到快速恢复，而且还要使网络中不会出现一些区段资源占用较多，一些区段占用较少的情况通常为了达到这种平衡，恢复所采用的迂回路由将不完全遵守路径最短的原则。这也会给控制功能带来更多、更复杂的要求27Mesh拓扑的应用分布式控制的支持：为执行大量的恢复运算以及其他一些控制功能，Mesh网需要采取分布式的控制方法，将网络的控制机能分布在多个节点的控制单元协作完成（分布式智能），而这一点只有在智能光网络中才能做到28Mesh子拓扑的应用子拓扑定义：目前，一些节点设备可以提供以下能力：利用设备的传输媒介组成格状网、环网的物理拓扑，并借助于系统中的波长，或VC-n、VC-n-Xc组成一个个独立的子系统，我们将其称为子拓扑子拓扑可以是一个子链、一个子环或者一个子格状网实际物理拓扑中每一个子拓扑可以通过人机界面进行定义29Mesh子拓扑的应用利用子拓扑将某些重要的站点用环连接后，对它们备有50％的保护容量，可以保证站点的高可靠运行，而且还可以用格状网对某些站点进行连接，充分利用网络拓扑的优势例如：假设Ｂ、E、Ｆ、Ｃ四点用一个ＶＣ-４构成１＋１的通道保护环；A、B、E、H、G、D组成容量为VC-4-4c的环；B、C、F、I、H、E组成容量为VC-４分插VC-12的复用段共享保护环；其余的VC-４（每两个节点间的VC-4数目不等）构成格状网，执行网络的恢复机制在环状子拓扑中，如果EB光纤发生中断，BEFC子环中原来由B-E之间构成的业务在50ms内经F-C-B重新构成。同样，在ABEHGD子环中从H到B之间的VC-n将在50ms之内重新构成E-H-G-D-A-B通路在格状子拓扑中，F-E-B间的业务，HB间的业务经过网络恢复操作都可以找到各自的迂回路由30Mesh子拓扑的应用业务的灵活配置对某些宽带业务，可以沿着宽带业务的路由开设适合于该带宽的子拓扑，如用于数字复用的组网，可以采用VC-4级联的子环或子格状网由于子网的带宽可以设置，可以根据实际网络的需求来选择VC级联的个数，从而可以更充分地利用带宽资源如用于波长组网，可以利用某些设备的波长级联功能组成子拓朴，以满足较大带宽的需求31Mesh子拓扑的应用简化网络结构如果物理路由已确定，可以在每个或部分节点部署具有子拓扑能力的节点设备，使原网络的路由简化、网络的调度更为灵活根据需要和切换时间的要求，可以将原网络中由环覆盖的节点用子环连通，也可以将其纳入到格状网的子拓扑中，从而使原来的跨环业务用新的子环进行连通32Mesh子拓扑的应用将环间互联拓扑转化为格状网中的子网覆盖同样数量的节点，若采用环间互联的方式要求有两个互通节点，且需要运行drop-continue机制，使网络变得更为复杂如果采用格状网的方式便可以用一个子环来进行连接，将环间互联转化为单一的环，从而避免了环间互联中所问题的出现33Mesh子拓扑的应用将边缘环“吸收”到主拓扑，使网络得以扁平化骨干网络和边缘网络分别存在于两个不同的层面，当边缘环放入骨干网络后，网络拓扑便会得到一定的简化34（2）网络生存性优势环网保护倒换的带宽利用率较低，通常需要配置50%的冗余容量，而在Mesh网的光传送网中一般只需留有30%的冗余容量即可（降低保护带宽容量）在环网保护中，所留的保护带宽通常是固定的带宽容量，随着数据业务的发展，这种资源预留方式难以适应数据业务突发、多变的特点（动态保护带宽资源）35自愈环概念单向环两条反向传输的光纤分别称之为内环和外环，其中外环为工作环，内环为备用环，用于外环的保护节点AB之间传送A到B的通信信号，而B到A的通信信号则从余下的工作光纤传送，即从C经D再到AA到B和B到A的信号是通过同一个方向（图中为顺时针方向）传输的。如果AB之间的短路径出现故障，则由保护环中AB之间的长路径代替36自愈环概念双向环外环A到B的短路径用来传A到B的信号，内环的A到B长路径也传A到B的信号，两者之间一个是主用，另一个为备用，发生故障时，通过相应的备用路径对信号进行传输A到B和B到A分别具有两条路径，彼此互为保护，在未发生故障时都采用短路径对信号进行传输，A到B和B到A的传输方向是反向的37SDH自愈环通道保护环

主要思路：并发优收通常通道保护环的倒换只需在接收端进行判决整个倒换过程不需要在网络中传送命令，不需要节点间为倒换信息进行任何通信，只需在倒换完成后向网管报告即可38SDH自愈环复用段共享保护自愈环复用段：SDH的ADM之间的部分共享：保护通道是全环共享的，任一复用段出现中断都可以用其他复用段的保护通道39WDM自愈环WDM自愈环原理与SDH大致相同，其中最重要一点是波长的转换SDH节点将一个VC-n交叉到另一个VC-n通道，是一种时分复用不同时隙间的转化过程，WDM中使用的是光开关交叉，由于开关本身和波长无关，因而就存在着一个问题：使用交叉前的波长，还是使用另一波长？如果是使用另一个波长，则需要通过波长转换来实现在波长转换过程中，首先将波长变换为电信号，再将其调制成另一波长的光载波，从成本和网络的简单性来看，最好是对同波长进行交叉，但波长变换可以更充分地利用波长资源例如：节点A、E间的通路是新加的一条通路，如果没有波长变换，A到E间的通路将无法开通40多环互连自愈网

随着网络拓扑的发展，在利用环网进行扩展时，保护方案随着环的数目增多而变得越来越复杂环环相交是将一个环的两对分插口同另一个环的分插口相连，以保证节点或连线发生故障时还有另一对口可用需要采取drop-continue的方法对它们的交叉连接状态进行配置，后面的环在连向前面的分插口时到底选用哪一个口，需要在网络运行中进行自动调度41Mesh恢复机制分类

在基于格状网的光传送网中生存性不仅仅限制在保护这个层次，还可以利用网络中的其它资源对故障进行恢复处理，进一步提高了网络生存性的性能在线计算方案优点：不需要配置庞大的保护路由表预计算路由表方案优点：能够更容易地控制保护带宽的使用，支持更多优化的网络设计42多层网络生存性机制在当前的多层网络环境中，仅仅利用单层的网络生存性技术难以在多层网络中获得满意的故障恢复效果，需要引入新的解决方案，即多层网络生存性机制多层网络的生存性：指在多层网络之间可能存在的单层网络生存性方案及这些方案之间的相互作用，通过对单层恢复方案的有效协调，以获得对网络故障的有效恢复多层网络生存性的核心问题之一是如何实现多层网络生存性的协调在当前的网络中由于技术原因实现有效的层间协调还有困难，而智能光网络技术的提出为实现多层网络生存性的协调创造了条件43多层网络生存性机制通常，客户层检测到故障后便立即启动客户层恢复机制，由于客户层检测时间快于光层保护时间，在光层未完全实施保护机制前便可能开始了客户层恢复，这种不同层面生存性的相互作用会导致网络的不稳定光层和客户层之间的协调策略：在客户层中设置一个延迟时间，让客户层在延迟一段时间后才启动保护策略，以便光层有足够的时间完成保护措施在客户层与光层间引进恢复令牌，当故障恢复实施层（光层）不能完成故障恢复时，恢复令牌将转到另一层（客户层），以触发该层的故障恢复动作在多层保护方案的选择上，建议由客户层来处理复杂故障，光层仅对单个链路故障进行处理这种方式（但客户层处理效率相对较低）444、智能光网络的控制平面智能光网络中的自动配置、网元自动发现、分等级传输、分布式智能等特征，以及Mesh拓扑和网络恢复的实现需要一个强大的控制平面来支撑管理平面无力再兼顾控制平面的功能在智能光网络出现之前，简单的控制平面功能是利用网管来执行网络管理系统的工作具有不平衡性，网络故障时网管系统本身可能已不堪重负，难以再执行控制功能分离出一个独立的控制平面是光网络发展的必然趋势，独立控制平面的出现是光网络智能化发展的基础，也是智能光网络最为主要的一个特征45控制平面的形成46控制平面主要功能控制平面主要包括三个基本功能：资源发现：提供网络的可用资源（如端口、带宽和复用能力等）路由控制：提供路由能力、拓扑发现和流量控制等功能连接管理：通过上述管理完成端到端的业务配置，包括连接创建、连接删除、连接修改和连接查询以及连接恢复等子功能47控制平面VS管理平面控制平面的引入将传统光传送网的管理体系演变成基于管理平面、控制平面和传送平面的新型多层面管理结构控制平面的出现并非就减轻了管理平面的负担，只是两者的对象不同而已48管理平面的变化ION的管理平面与传统光网络的网管系统有以下不同：管理范围不同：ION管理平面不仅要管理传送平面，还要对控制平面和新增功能进行管理，管理的范围更广管理方式不同：控制平面的引入将呼叫控制功能从传统网管系统中分离出来，连接的建立通过控制平面中的信令交换来完成，是一种分散式控制系统，而传统网管系统中网络管理与连接控制是一体的，是一种集中式控制系统管理的侧重点不同：传统网管系统的管理主要集中在对设备的管理上，很少涉及对业务的动态管理，而ION管理平面侧重于对业务的动态管理开放性不同：传统网管系统是一个封闭的子网，与其它平面间互操作性较差，而ION中管理平面将传送平面、控制平面以及系统作为一个整体动态地进行管理，不同平面之间用接口相连，不同平面间的互操作较好49三、智能光网络的演进模型传统光网络向自动交换光网络演进主要有两种方式：由ITU、OIF（光互联论坛）和ODSI（光域业务互连）等组织提出的域业务模型（重叠模型）IETF所提出的统一业务模型（对等模型）50重叠（Overlay）模型光网络与客户层网络采用相互独立的控制方式，光网络具有智能，由光网络控制光通道的建立/删除/选路，光网络与路由器网络通过标准的UNI接口交换信息主要特征：有两个独立的控制层面；UNI接口51重叠模型的特点优点：可以实现统一透明的光网络层平台，支持多客户层信号，不限定于IP路由器通过UUI接口将光网络层的网络拓扑细节向用户屏蔽起来，一定程度上有利于光网络的安全和管理允许光网络层技术和IP层技术各自演进