浅谈下一代光传送网ASON技术及其应用
摘要：提出当今解决光传送网所面临问题的方法，是采用既能低成本建网又能智能化完成交换连接的自动交换光网络(ASON)；介绍回顾了光传送网ASON技术的产生和取得的成果，以及ASON中几种关键控制平面技术的发展情况；阐述了ASON控制平面与传统传送网的本质区别、管理平面智能化管理特点所带来的3种优点，以及传送平面中光交叉连接(OXC)的6种主要交换结构、发展方向和存在的主要问题；最后综述了新1代基于数字同步系列(SDH)提供多种业务、集成传输、交换和路由功能的多业务传送平台(MSTP)技术，并描述其新功能和远期目标。
引言
近年来，随着骨干网上IP等数据业务的爆炸性增长，波分多路复用(WDM)技术广泛应用于网络中，并提出了“IPoverWDM”组网模型，这种模型省去ATM甚至SDH/SONET层面，同时只须“过度建设(overbuild)”超大容量的光传送网，就可以保证IP业务的服务质量(QoS)。然而，这种网络模型的建网方式价格昂贵，其主要原因是SDH传送分组(POS)接口和WDM系统的波长转换器(OTU)价格较昂贵，过度建设的策略会使网络成本居高不下。因此，有必要建立一种新的网络体系结构，以便更经济有效地支持未来的大容量数据业务。IP数据业务也具有突发性和不确定性，这为通过对光网络带宽实行动态分配和调度、实现有效的网络优化提供了契机。一种既能大规模降低建网成本，又能提高带宽利用率的新型网络体系结构----自动交换光网络(ASON)应运而生。
1 光传送网ASON技术的发展
2000年3月，国际电信联盟标准部(ITU-T)SGl3会议正式提出并开始规范ASON。它的诞生是为了适应光传送网在发展过程中对智能化和自动化的迫切需求，其目标是实现高效率光传送层面上的智能标准化。ITU-T的智能光网络标准称为G.ason/G.astn。目前，ITU-T的工作停留在定义和制定体系结构阶段。
2000年7月，朗讯采用贝尔实验室的1项革命性成果----基于微电子机械系统(MEMS)技术的256×256矩阵光开关，推出全球第1个真正意义的光波长路由器(WaveStarLambdaRouter)，以此为标志业界拉开ASON设备研制的序幕，但不久在全球电信市场低迷的背景下，大部分产品停止开发，ASON产品的推出进程戛然而止。然而，关于ASON的重大研究计划并没有停止。欧洲电信研究和战略研究所支持几项关于ASON的重大研究计划，我国的“863”计划也支持ASON项目。
基于电交叉的自动交换传输网已投入商用，美国AT&T公司在全国范围敷设了连接100个城市的智能光网络，由100台CIENA光交换机和800多台SONET多业务平台构成。前者完成以45Mbit/s为基础带宽颗粒的实时交换和动态调配，后者在网络边缘把低速业务汇聚至2.5Gbit/s或10Gbit/s速率。新网络降低成本、提高带宽利用率、简化网络结构层次，使全网的恢复时间缩短到数百毫秒。
2 ASON的分层体系结构
ASON是可智能化完成光网络交换连接功能的下一代光传送网。它通过自动邻居发现、自动业务发现、选路算法、光通路管理和端到端保护等功能的相互协调，建立一种可行、可靠的保护恢复机制，实现网络资源和拓扑结构的自动发现，提供智能光路由，并提供分布式智能恢复算法[2]，是一种具有高灵活性、高可扩展性的基础光网络设施。它能在光层上直接提供服务，快速满足用户需求，有效解决网络可扩展性、可管理性、快速配置用户带宽、对用户带宽提供端到端保护等问题，便于开展波长批发、波长出租、带宽贸易、按使用量付费、光VPN和动态路由分配等业务。
从功能层面来讲，ASON由控制平面、管理平面和传送平面3大平面组成[3]。
与传统光传送网相比较，ASON的一个明显不同就是引入控制平面，使整个光网络出现前所未有的变化，ASON的3个平面分别完成不同功能。与传统网络类似，传送平面仍负责传送业务，但这时传送平面的动作却是在控制和管理平面的作用下进行的；控制和管理平面能对传送平面的资源进行操作，这些操作是通过传送平面与控制和管理平面之间的接口完成的[3]。同时，管理平面起到高层管理者的作用。管理平面中有3个管理器：控制平面管理器、传送平面管理器和资源管理器，这3个管理器是管理平面与其他平面之间实现管理功能的代理。此外，从图1还可看出，在控制平面与其他平面之间也存在平面之间功能的协调和对传送平面资源的管理操作。
3 ASON的控制平面
智能光网络的特征在于能根据用户的需求动态分配光通道。由于控制平面的引入，使光网络中原本固定静态的连接逐步演变成3种类型：永久性连接(PC)、软永久性连接(SPC)和交换连接(SC)[5]。PC和SC都可由控制平面中的信令和路由技术来实现，唯一的差别在于SPC是在网络边缘存在永久连接，利用网络内部的SC来提供网络边缘PC之间的端到端连接。
在未来的智能光网络中，将由控制平面快速有效地配置SPC和SC。正是由于SC的引入，才有了根据用户需求产生恰当光通道的能力。这种能力与ASON中控制平面的作用息息相关，如果没有控制平面，ASON就不具备自动交换能力，就没有智能化的灵魂。控制平面由信令网络支持，它由多种功能部件组成，包括一组通信实体和控制单元(光连接控制器(OCC))及相应接口。这些功能部件主要用于调用传送平面的资源，以提供与连接的建立、维持和拆除(释放网络资源)有关的功能。
目前，涉及智能光网络标准工作的国际标准组织和准标准组织有ITU-T、光互联网论坛(OIF)和因特网工程任务组(IETF)，每个组织都有1整套自己的结构原理和要求，并据此开发控制平面机制[6]。
ITU-T采用传统的从上往下设计方法，主要负责网络体系结构、网络性能、设备功能要求和物理层规范等，已完成1系列标准，称为G.ason/G.astn。例如：G.8070定义自动交换传送网(ASTN)总体要求；G.8080定义ASON结构；G.7713定义协议独立的分布式呼叫和连接管理信令；G.7713.1定义基于专用网口间接(PNNI)的DCM信令；G.771.3.2定义使用通用多协议标签交换(GMPLS)RSVP-TE的DCM信令；G.7713.3定义使用GMPLSCR-LDP的DCM信令；G.7714定义ASON/ASTN中的自动发现技术；G.7715定义在ASON中建立SC和SPC选路功能的结构和要求；G.7716定义ASON链路管理。
IETF着重规范具体协议和信令，正利用现有信令协议的扩展和修改来开发ASON控制平面，该组织于1999年提出多协议波长交换(MPLambdaS)，并于2001年正式提出开发面向光网络的GMPLS协议。GMPLS协议拓展了传统的MPLS协议和MPLambdaS协议，支持多种类型的交换，包括时分复用(TDM，如SDH时分交换)、波长和空间交换(如端口{学}交换和光纤交换等)，网络节点所作出的转发决定是基于时隙、波长或物理端口和光纤编号的最初，IETF的信令要求主要基于对等模型(peermodel)，即全平面结构，无明确的用户网络接口(UNI)和网络间接口(NNI)概念。
OIF的位置处于两者之间，其规范试图结合两者，但更多地基于结构式方法，即重叠网模型。从ASON/ASTN控制面的结构原理和要求开始，主要规范UNI和NNI，目前已完成UNI1.O版本，并演示了多厂家的互操作性，正在开发2.O版本，旨在增强接口功能，NNI的规范工作也有进展。
从理论上说，三者的工作领域没有冲突，但实际上由于技术、文化和政治的差异，导致具体问题上的冲突，特别是ITU-T与IETF之间有不少冲突的地方，正在协调解决。在智能光网络的研究工作中，我国主要依据ITU-T的相关建议，同时兼顾IETF和OIF的相关文档。
上面的介绍中有1种技术不可不提，它就是IETF提出的对等模型网络结构----GMPLS。在开放系统互连参考模型(OSI)中，传输层、链路层和网络层相互独立，各自用自己的语言在本层内的设备间沟通，形成各自的标准体系。在GMPLS的体系结构中，没有语言的差异，只有分工不同，GMPLS就是各层设备的共同语言。GMPLS虽然统一了信令，但并没有抹杀网络设备的功能差异，也就是说，GMPLS承认并接受网络设备用户平面的差异[7]。GMPLS把交换划分为分组交换(PSC)、时分复用、波长交换(LSC)和光纤交换(FSC)四种类型。一个网络节点可以只完成其中一种或几种交换功能，人们仍习惯地把GMPLS网络简单地划分为路由网络和光网络两层结构，这两个网络间不再重叠，而是对等的，它们平等地用相同的信令进行沟通。
GMPLS协议族包括3个主要组成部分：链路管理协议(LMP和LMP-WDM)定义链路管理功能；路由扩展协议(OSPF-TE和ISIS-TE)定义域内路由功能；标签分发协议(RSVP-TE和CR-LDP)定义信令功能。这些协议族定义完整的协议状态机制和管理信息库。GMPLS要求所有网络节点都必须运行GMPLS才能实现GMPLS功能。需要说明的是，单独用GMPLS并不能实现ASON的控制平面。
4 ASON的管理平面
在关注网络控制平面的同时，ASON并没有丢弃管理功能，而是把2者放在平等的地位，使两种技术互为补充，实现对网络资源的动态配置、性能监测、故障管理和路由规划等功能。管理平面与控制平面之间通过管理平面与控制平面的接口{学}交换相关信息，实现管理平面与控制平面之间功能的协调。管理平面在对光传送网及网元设备管理的同时，实现网络操作系统与网元之间更高效的通信功能。管理平面的主要功能是建立、确认和监视光通道，并在需要时对其进行保护和恢复[8]。
ASON/ASTN在传统光网络的基础上新增了功能强大的控制平面，这给智能光网络的管理带来了1些新问题，集中表现为：
a)路径管理功能：在多运营商环境下，为了完成网络管理功能，必须统1规范路径建立控制结构，即对控制平面同1管理域(AD)内光通路的建立和不同管理域之间光通路的建立进行统1规范。
b)命名和寻址：涉及到用户域名与业务提供者域名之间及层网络名之间的翻译和转换，在ASON智能光网络环境下，对命名和寻址的要求主要有名的独立性和名的唯1性。
c)网管平面与控制平面的协调：由于ASON智能光网络的3种连接类型有的由网管系统建立，有的由信令系统动态建立，有的则由2者合作建立，所以需要研究网管平面与控制平面之间的结合问题。此外，控制平面和管理平面都要维护1定的网络状态信息，它们之间如何协调和配合电是1个重要的研究课题。
5 覆盖
ASON的传送平面是指光交叉连接(OXC)，可能不含WDM链路或集成WDM链路。OXC典型的结构有：整体交换结构(已用于朗讯公司的波长路由器)、3级Clos网络交换结构、分波交换结构(已用于美国多波长光网(MONET)和中国高速信息示范网)、独立交换结构(已用于欧盟泛欧光网(OPEN))、对称交换结构和自由扩展交换结构(基于分立单元，光纤数和波长数可任意增加，但实用意义不大)。
贝尔实验室开发的基于MEMS的OXC实质上是1个2维镜片阵，当需要转换入射波长时，可改变镜片的角度，把光波反射到相应的光纤中。
这种OXC很容易组成大型光交叉矩阵，同时具有极佳的光学特性。如果组成1个256×256的OXC，其体积只有25×50×50(nm3)，光路转换时间小于5ms，串扰小于-50dB，MEMS技术可以在极小的晶片7排列大规模机械矩阵，响应速率和可靠性大为提高。从目前的情况来看，它极有可能成为今后OXC的发展方向[9]。
目前OXC技术存在的主要问题有：
a)无法保证系统的完全透明性，主要原因在于全光波长转换技术尚未完全成熟；
b)由于受光器件的制约，特别是大规模光交叉矩阵开关的制约，系统的规模和灵活性不够理想：
c)在网络管理方面，按照ITU-T光传送网的分层结构，光传送网的网元管理系统1般按光通道层(OCH)、光复用段层(0MS)、光传送层(OTS)3层设计，具备纠错码(ECC)通信和4大管理功能，但具体细节还不够详细，很多内容有待进1步研究和规范。
6 新一代SDH/SONET技术MSTP
目前，各运营商的城域传送网正从采用单纯的SDH设备，转向采用基于SDH，能同时提供口、TDM和ATM等多种业务，集成传输、交换和路由功能的多业务传送平台(MSTP)。MSTP可以基于多种线路速率(155Mbit/s/622Mbit/s、2.5Gbit/s和10Gbit/s等)实现。1方面，MSTP保留固有的TDM交叉能力和传统的SDH/PDH业务接口，继续满足话音业务的需求；另1方面，MSTP提供ATM处理、以太网透传和以太网L2交换功能，以满足数据业务汇聚、梳理和整合的需求。
目前，国际标准化组织正努力推出促进传统电路交换网向分组网演进的1系列标准。代表性的技术标准有：
b)2001年11月，ITU-T针对SDH的虚级联设计了1种良好的链路容量转换机制(LCAS)协议G.7042.改进了原有SDH因固定带宽难以承载突发性IP业务的不足。
MSTP的远期目标是：采用ASON的体制，在MSTP的传送平面上，引入1个智能化的、通过软交换信令实现的控制平面，借以实现动态的SDH电路配置和最灵活的多级带宽分配[10]。
