IP和光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合組網(wǎng)技術(shù)策略研究

基于IP和光網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀和聯(lián)合組網(wǎng)需求，針對IP over WDM和IP+OTN/WDM兩種組網(wǎng)模型，從流量協(xié)同規(guī)劃、告警聯(lián)動、保護協(xié)調(diào)3個方面提出IP+OTN/WDM聯(lián)合組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)化策略。優(yōu)化策略將優(yōu)化IP+OTN/WDM的聯(lián)合組網(wǎng)方案，提高全網(wǎng)資源利用率，并最終降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和運維成本。

因特網(wǎng)協(xié)議/多協(xié)議標(biāo)簽交換；波分復(fù)用；光傳送網(wǎng)；多協(xié)議標(biāo)簽交換的傳送子集；通用多協(xié)議標(biāo)簽交換

In this paper， we analyze the requirements for optimizing a combined IP and optical network. There are different models for such a combined network， including IP over dense wavelength division multiplexing （WDM） and IP+OTN/WDM. We describe optimization strategies for the IP+OTN/WDM model； in particular， we describe traffic synergic planning， alarm linkage， and protection coordination. In optimizing the IP+OTN/WDM combined network， we seek to increase efficiency of all network resources and network capex and opex.

IP/multi-protocol label switching； wavelength division multiplexing； optical transport network； MPLS-TP； generalized multi-protocol label switching

1 IP和光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合組網(wǎng)

需求分析

中國運營商的干線基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)一直分為兩層分別進行建設(shè)和運維：上層是由路由器組成的因特網(wǎng)協(xié)議（IP）或因特網(wǎng)協(xié)議/多協(xié)議標(biāo)簽交換（IP/MPLS）承載網(wǎng)，下層先后由SDH或波分復(fù)用（WDM）、光傳送網(wǎng)（OTN）等組成的光傳送網(wǎng)絡(luò)（簡稱光層）。IP層向光層提出各節(jié)點間的光鏈路連接需求，光層負(fù)責(zé)為IP層提供靜態(tài)配置的光物理鏈路（包括STM-N鏈路、WDM波長等），解決大容量、長距離傳輸和不同帶寬電路的匯聚調(diào)度需求；IP層不感知光層的物理拓?fù)浜唾Y源信息，也不知道光層所提供的網(wǎng)絡(luò)保護信息，只能根據(jù)IP層面自身邏輯拓?fù)溥M行路由和流量優(yōu)化；光網(wǎng)絡(luò)不了解IP層動態(tài)連接和流量變化等需求，因此不能快速為其提供更經(jīng)濟的直達鏈路。

IP/MPLS已發(fā)展為下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）統(tǒng)一承載技術(shù)，IP和光網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系日益密切，共同承擔(dān)著多業(yè)務(wù)綜合承載和傳送的角色，并且互聯(lián)網(wǎng)海量視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展驅(qū)動著IP網(wǎng)核心路由器的擴容周期日益縮短，出現(xiàn)了幾十太比特每秒量級的路由器集群；互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)已成為光網(wǎng)絡(luò)帶寬的主要占用者，需要光網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模建設(shè)40波、80波的40 Gb/s和100 Gb/s WDM系統(tǒng)來滿足爆炸性的帶寬增長。據(jù)相關(guān)研究預(yù)測[1]，運營商的網(wǎng)絡(luò)投資和收益之間將出現(xiàn)“入不敷出”的剪刀差（如圖1所示），從而興起“智能管道”應(yīng)用研究熱點。隨著業(yè)務(wù)IP化和網(wǎng)絡(luò)扁平化的發(fā)展趨勢，業(yè)內(nèi)越來越關(guān)注IP承載和光網(wǎng)絡(luò)的分工融合，并且路由器100GE高速接口的不斷應(yīng)用更向光網(wǎng)絡(luò)提出一些新需求和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。運營商的基礎(chǔ)承載網(wǎng)面臨著一些問題：如何規(guī)劃100G子電路的匯聚調(diào)度，怎樣根據(jù)流量增長來降低過境轉(zhuǎn)發(fā)流量對核心路由器的擴容壓力，從而提高網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率和降低綜合成本？這些均需研究并應(yīng)用IP和光網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合組網(wǎng)來實現(xiàn)。全球一些科研單位和通信設(shè)備商已開展了相關(guān)研究和應(yīng)用試點，本文在中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）研究報告[2]的基礎(chǔ)上，進一步總結(jié)提煉相關(guān)應(yīng)用策略，希望進一步推動IP+光聯(lián)合組網(wǎng)的應(yīng)用實踐。

2 IP和光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合組網(wǎng)模型

要實現(xiàn)IP和光網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合優(yōu)化組網(wǎng)，首先需研究運營商的IP和光網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和業(yè)務(wù)分工，從而確定一個優(yōu)化的組網(wǎng)模型。目前，全球運營商的干線網(wǎng)絡(luò)普遍采用IP over WDM的組網(wǎng)模型（如圖2（1）所示）。圖中本地和過境流量的轉(zhuǎn)發(fā)處理完全由IP路由器負(fù)責(zé)，密集波分復(fù)用（DWDM）系統(tǒng)負(fù)責(zé)為IP路由器之間提供10 Gb/s、40 Gb/s乃至100 Gb/s的光波長通道，光層（WDM終端和可重構(gòu)的光分插復(fù)用器（ROADM））根據(jù)網(wǎng)絡(luò)預(yù)先規(guī)劃來實現(xiàn)光波長級傳輸調(diào)度，不能隨著流量增長而實現(xiàn)對本地和過境流量的智能識別以及子波長級的疏導(dǎo)調(diào)度。

近兩年來，大容量太比特OTN電交叉調(diào)度設(shè)備的推出，為有效旁路IP層過境流量、降低路由器擴容壓力提供了前提條件。圖2（2）和圖2（3）給出了兩種IP+OTN/WDM組網(wǎng)模型，主要差異在路由器部署和業(yè)務(wù)承載分工方面，IP+OTN/WDM模型I是由OTN/WDM和邊緣路由器組成，OTN負(fù)責(zé)為IP邊緣路由器之間建立直達路由，在模型II中IP核心路由器僅負(fù)責(zé)本地流量處理，OTN負(fù)責(zé)為核心路由器的過境流量提供直達路由。運營商可根據(jù)自身的干線網(wǎng)絡(luò)物理拓?fù)?、?jié)點規(guī)模和分層情況來選擇合適的組網(wǎng)模型。

IP和光網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合組網(wǎng)有兩種實施路徑，一種是傳送網(wǎng)路徑，通過增強OTN的基于傳送的多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS-TP）和以太網(wǎng)分組功能，通過標(biāo)簽交換通道/虛擬局域網(wǎng)（LSP/VLAN）作為子波長顆粒進行靜態(tài)路由規(guī)劃，或基于通用多協(xié)議標(biāo)簽交換（GMPLS）用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）實現(xiàn)動態(tài)帶寬請求和連接建立，實現(xiàn)對核心路由器大量過境流量的光層旁路轉(zhuǎn)發(fā)；另一種是數(shù)據(jù)網(wǎng)路徑，將IP核心路由器替換為新一代的多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）路由器，基于MPLS的標(biāo)簽交換路徑（LSP）進行交換和轉(zhuǎn)發(fā)，支持光通路傳送單元-k（OTUk）線路接口來增強IP層運行、管理和維護（OAM）和快速保護功能，光層僅配置WDM和可重構(gòu)光分插復(fù)用器（ROADM）系統(tǒng)來實現(xiàn)大容量和長距離傳輸。目前，這兩種方案各有利弊，運營商需結(jié)合干線業(yè)務(wù)模型（如全部是IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還是IP+TDM/L2 VPN專線的混合業(yè)務(wù)？）、網(wǎng)絡(luò)成本和運維體制進行綜合分析選擇。

3 IP和光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同組網(wǎng)

策略研究

3.1 IP和光網(wǎng)絡(luò)的流量協(xié)同策略

IP和光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合組網(wǎng)，首先需要進行統(tǒng)一路由規(guī)劃和流量協(xié)同。IP層的路由規(guī)劃需結(jié)合光網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)溥M行科學(xué)設(shè)計，光網(wǎng)絡(luò)需根據(jù)IP層的邏輯連接需求完善光層鏈路連接。流量協(xié)同是在流量較大的邊緣節(jié)點之間增加光層直達路由，即把核心路由器的過境轉(zhuǎn)發(fā)流量分流到光層，使整個IP網(wǎng)絡(luò)達到接近邊緣路由器直連的效果，區(qū)域間流量以直達為主、轉(zhuǎn)發(fā)為輔。由于光傳送網(wǎng)設(shè)備的每比特成本和功耗約為IP層路由器的1/5～1/3，因此采用OTN旁路IP層核心路由器的過境流量后，可有效降低對路由器的擴容壓力，解決IP網(wǎng)絡(luò)容量“瓶頸”，從而提升整個基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)的資源使用率。據(jù)國際某知名運營商的現(xiàn)網(wǎng)模型研究，流量協(xié)同可降低對核心路由器容量需求的25%～50%。

鑒于IP承載網(wǎng)普遍采用MPLS靜態(tài)流量工程來解決服務(wù)質(zhì)量（QoS）和網(wǎng)絡(luò)保護問題，新一代分組增強型OTN設(shè)備已集成融合了MPLS-TP分組交換和轉(zhuǎn)發(fā)功能，因此建議采用MPLS標(biāo)簽作為路由器和OTN均能識別處理的子波長調(diào)度顆粒，從而使基于LSP標(biāo)簽實現(xiàn)過境流量的識別和轉(zhuǎn)發(fā)。

隨著干線IP層流量的快速增長，對光層支持動態(tài)連接建立的需求也將日益迫切，在GMPLS UNI、多層多域控制、實現(xiàn)集中路由計算的路徑計算單元（PCE）等一系列智能控制平面技術(shù)發(fā)展成熟和性能滿足要求的前提下，建議流量協(xié)同逐漸從網(wǎng)管靜態(tài)配置方式向智能控制平面協(xié)同方式演進。GMPLS UNI在IP+光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用如圖3所示。圖3中路由器實現(xiàn)通用多協(xié)議標(biāo)簽交換用戶網(wǎng)絡(luò)接口-客戶側(cè)（GMPLS-UNI-C）功能，光網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通用多協(xié)議標(biāo)簽交換用戶網(wǎng)絡(luò)接口-網(wǎng)絡(luò)側(cè)（GMPLS-UNI-N）功能，全網(wǎng)傳送和管理效率可進一步提升，網(wǎng)絡(luò)綜合成本也可大幅降低。路由器通過GMPLS-UNI接口向光網(wǎng)絡(luò)層發(fā)起鏈路連接建立請求，并攜帶鏈路帶寬、QoS，鏈路節(jié)點和鏈路節(jié)點風(fēng)險組等信息，光網(wǎng)絡(luò)通過UNI-N響應(yīng)后能快速建立滿足其要求的直通鏈路。

3.2 IP和光網(wǎng)絡(luò)的告警聯(lián)動策略

IP和光網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合組網(wǎng)應(yīng)實現(xiàn)光層故障到IP層故障的快速傳遞，消除IP層故障感知的盲區(qū)。在路由器和WDM/OTN設(shè)備對接采用的各種類型物理接口以及邏輯子接口上，實現(xiàn)光層故障告警到路由器接口的聯(lián)動，把光層快速故障傳遞的能力延伸到路由器，實現(xiàn)IP層保護恢復(fù)機制對底層故障的快速檢測和響應(yīng)。完善路由器對故障告警的定位機制，配合光層告警聯(lián)合實現(xiàn)快速的跨層故障定位。

10GE以太網(wǎng)接口遵循IEEE 802.3-2008[3]標(biāo)準(zhǔn)，40GE/100GE以太網(wǎng)接口遵循IEEE 802.3ba-2010[4]標(biāo)準(zhǔn)。這兩個標(biāo)準(zhǔn)中均新增了以太網(wǎng)PCS層的本地故障（LF）和遠端故障（RF）碼流，能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)接口的故障狀態(tài)通告。在ITU-T G.709V3[5]標(biāo)準(zhǔn)中，也增加了OTN告警到以太網(wǎng)接口LF的轉(zhuǎn)換定義。因此，利用本地故障/遠端故障（LF/RF）和OTN告警的聯(lián)動，能夠快速實現(xiàn)以太網(wǎng)接口跨光層連接時的端到端故障快速通告，對網(wǎng)絡(luò)運維有了重大提升。OTN和路由器的OAM故障聯(lián)動如圖4所示。圖4中在路由器和OTN/WDM設(shè)備聯(lián)合組網(wǎng)時，采用支持LF/RF的10GE/40GE/100GE接口，兩端路由器在任何故障點發(fā)生單向中斷時，都會立即收到LF或RF故障通告。經(jīng)測試，該故障聯(lián)動方式的端到端故障傳遞時間小于10 ms。

在性能管理方面，傳輸線路誤碼一直是網(wǎng)絡(luò)運維中較難定位的問題，IEEE 802.3ba標(biāo)準(zhǔn)在40GE和100GE以太網(wǎng)接口中引入了同步頭誤碼檢測和BIP8誤碼檢測，能夠檢測最大10-6的誤碼率。對于路由器支持40GE和100GE接口的應(yīng)用場景，以太網(wǎng)接口在線路誤碼檢測能力上已有所提升。

隨著OTN技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的成熟，OTN已被公認(rèn)為替代SDH的高速信號封裝標(biāo)準(zhǔn)，并且由于100GE接口的傳輸距離有限（目前小于10 km），因此有些路由器已開始支持100G的OTU4客戶接口，如圖5所示。圖5中路由器使用OTN接口與OTN設(shè)備對接，將實現(xiàn)端到端的OTN OAM。

3.3 IP和光網(wǎng)絡(luò)的保護協(xié)調(diào)策略

目前IP over WDM網(wǎng)絡(luò)有兩種保護應(yīng)用策略，一是WDM層不配置保護，完全由IP層配置MPLS-TE快速重路由（FRR）實現(xiàn)100 ms量級快速保護，或通過協(xié)議快速收斂技術(shù)實現(xiàn)秒級恢復(fù)；二是WDM層為重要的IP鏈路配置1+1波長保護或光鏈路保護（OLP）來實現(xiàn)小于50 ms的光層快速保護，IP層配置MPLS-TE FRR或協(xié)議收斂技術(shù)實現(xiàn)本層故障時的保護恢復(fù)。在沒有對兩層網(wǎng)絡(luò)保護進行聯(lián)合規(guī)劃時，通常會出現(xiàn)保護過度（保護資源耗費過多）或保護不足（部分故障的保護失效）問題，影響網(wǎng)絡(luò)成本或整體可靠性。

在IP+OTN/WDM的聯(lián)合組網(wǎng)模型下，適宜自下而上考慮聯(lián)合生存性，并充分發(fā)揮IP層和光層保護恢復(fù)技術(shù)的各自優(yōu)勢，協(xié)同提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，達到資源使用和可靠性要求之間的平衡。光層保護技術(shù)快速和可靠，建議在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)優(yōu)先部署。通過在路由器端口設(shè)置拖延時間（Hold off time）以及雙向快速檢測（BFD）檢測周期，可以使OTN保護倒換產(chǎn)生的瞬斷不傳遞和影響IP層業(yè)務(wù)。運營商可根據(jù)所承載業(yè)務(wù)在可靠性方面需求的不同，進行IP層的網(wǎng)絡(luò)保護和恢復(fù)技術(shù)的選擇，IP層保護恢復(fù)負(fù)責(zé)光層網(wǎng)絡(luò)以外的IP層及其他故障。

IP層因涉及業(yè)務(wù)規(guī)模大，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜，應(yīng)盡量避免在底層鏈路發(fā)生故障時對IP層網(wǎng)絡(luò)造成沖擊。因此，IP層工作路徑和保護路徑的部署要考慮光層物理拓?fù)湟约皩嶋H的共享風(fēng)險鏈路組（SRLG）信息，避免光層一處光纜故障而造成IP層保護失效問題。

4 結(jié)束語

受互聯(lián)網(wǎng)流量爆炸性增長的驅(qū)動，運營商的基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)面臨著網(wǎng)絡(luò)擴容和運維提升的發(fā)展要求，并需重點考慮整體網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本（CAPEX）和維護成本（OPEX），因此IP和光網(wǎng)絡(luò)協(xié)同組網(wǎng)技術(shù)已是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和演進的重要方向。目前數(shù)據(jù)/傳送平面的協(xié)同組網(wǎng)技術(shù)已具備初步可行性，特別是在網(wǎng)絡(luò)流量協(xié)同、OAM告警聯(lián)動和保護協(xié)調(diào)3方面已有一些技術(shù)解決方案和應(yīng)用策略，并已有國際運營商進行了試點應(yīng)用。今后，基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)向著統(tǒng)一管理和運維的方向發(fā)展，智能控制平面技術(shù)進一步成熟應(yīng)用，相信IP和光網(wǎng)絡(luò)將實現(xiàn)更動態(tài)高效的聯(lián)合優(yōu)化組網(wǎng)。

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