自動交換光網絡

所謂ASON ^[1]  ，是指在ASON信令網控制之下完成光傳送網內光網絡連接自動交換的新型網絡，其基本思想是在光傳送網絡中引入控制平面，以實現網絡資源的實時按需分配，從而實現光網絡的智能化。因此可以説ASON是智能光網絡的具體代表，或者説ASON是一種標準化的智能光網絡。採用自動交換光網絡技術之後，傳統的多層複雜網絡結構變得簡單化和扁平化，光網絡層開始直接承載業務，避免了傳統網絡中業務升級時收到的多重限制，可以滿足用户對資源動態分配、高效保護恢復能力以及波長應用新業務等方面的需求，其優越性是顯而易見的。此外，ASON的概念和思想可以擴展應用於不同的傳送網技術，具有普遍適應性。因此可以説，ASON的概念不僅是傳統傳送網概念的歷史性突破，也是傳送網技術的一次重大突破，被看做是具有自動交換功能的下一代光傳送網。

ASON的總體結構按照分層 ^[2]  分割的思想來描述。

ITU-T的G.8080和G.807定義了ASON的體系結構，總體包括三個平面，分別是傳送平面、控制平面和管理平面。三個平面相互獨立，任意一個平面的工作出現錯誤均不會影響其餘兩個平面的正常工作。

傳送平面由一系列的傳送實體（傳輸數據的硬件和邏輯）組成，在兩個地點之間提供端到端用户信息傳送，也可以提供控制和網絡管理信息的傳送。控制平面是ASON的核心部分，由網絡的基礎結構以及網絡中用來控制建立連接和控制維護連接的分佈式智能組成。控制平面通過使用接口、協議及信令系統，可以動態地交換光網絡的拓撲信息、路由信息以及其他的控制信令，實現光通路的動態建立和拆除，以及網絡資源的動態分配。控制平面具有四大功能，分別是：鄰居發現、路由（拓樸發現、路徑計算）、信令和本地資源管理。管理平面由系統、協議和接口組成，負責對傳送平面和控制平面以及整個系統進行管理，包括性能管理、故障管理、配置管理、安全管理、計費管理。管理平面主要面向網絡運營者的管理需求。相對於傳統的光網絡管理系統，其管理功能部份為控制平面所取代，許多曾經不得不手動配置的業務由控制平面所完成，大大減輕了網絡運營者的負擔。因此，可以説管理平面所要完成的功能，是更為純粹的管理。

三個平面之間運行着數據通信網（DCN）——光網絡中控制代理之間進行通信而使用的通信基礎結構，為三大平面內部以及平面之間的管理信息和控制信息提供通路，主要承載管理信息和分佈式信令消息。

ASON三個平面之間可通過三類接口實現信息的交互，控制平面和傳送平面之間通過連接控制接口CCI相連，管理平面通過網絡管理接口（NMI-A和NMI-T）分別與傳送平面和控制平面相連。通過這些接口實現了三大平面的分離。

網絡結構元件是用來描述網絡功能結構的一些通用基本元件。ASON主要由以下4類網絡結構元件構成：

①請求代理：其主要邏輯功能是通過與光連接控制器協商請求接入傳送平面內的資源。

②光連接控制器：其邏輯功能是負責完成連接請求的接受、發現、選路和連接功能。

③管理域：其邏輯功能包含的實體不僅處於管理域，也分佈在傳送平面和管理平面。

④接口：其主要功能是完成各網絡平面之間和功能實體之間的連接。

從水平方向對ASON進行分割，在控制平面內，ASON由許多管理域（AD）組成，不同管理域之間通過E-NNI連接；每一個管理域內部又包括很多信令網元，這些網元之間通過I-NNI相連。上層用户節點的RA則通過UNI和管理域內的信令網元相連。在傳送平面內，ASON由許多傳送網元組成，傳送網元之間通過PI相連。

ASON除集成了傳統光傳送網的主要特點外，還具備以下突出優點：

（1）直接在光層上按需提供服務，能夠適應網絡拓撲的改變，通過公共的控制平面加速服務，根據網絡和相關服務的需要改變網絡大小，提供各種服務等級和保護機制。

（2）具備實時的流量工程控制，允許將網絡資源動態地分配給路由，能夠對網絡資源、業務流量進行更加智能化的配置，根據數據流量類型實現數據業務的分類。

（3）具有智能化控制特點，能夠動態、自動地完成端到端光通道的建立、拆除和修改，具備鏈路管理、連接進入控制和業務優先級管理等功能，具備不同粒度的快速交換能力。

（4）具備自動資源發現功能，為網絡的高效和快速提供了方便。

（5）具備優良的網絡生存性，實現對網絡的強大保護和故障修復 ^[3]  能力。

（6）將光網資源與數據業務分佈自動聯繫在一起，可以形成一個響應快和成本相對較低的光傳送網，並與所傳送客户層信號的比特率和協議相對獨立，可支持多種客户層信號。

（7）可以提供新的業務類型。

（8）具有優良的網絡可擴展性和設備互連互通性。

MPLS是加快IP網絡傳送速度的一種有效方式。傳統IP網中，每一個路由器都要將IP包頭的地址信息剝離並查詢自身的IP路由表，這個過程的數據處理量是很大的，路由表越為龐大，傳送時經過的路由器越多，包頭的總計處理時間就會越長；MPLS則避免了中間節點對IP包頭的地址分析，不經過第三層網絡層。MPLS協議中採用了“下游賦值”的標籤賦值機制，即上游向下遊發出請求，下游以一個標籤應答上游。IP數據包進入MPLS網絡中，入口標籤交換路由器（LSR）分析IP包頭中源宿地址信息，查詢路由表，在IP數據包前方加上一個MPLS網絡的標籤，將帶有標籤的IP數據包傳送到第二節點，第二節點只需找到匹配的標籤，用下一跳的標籤替代原有的標籤，再發送到下一跳，直至出口LSR，剝離標籤後發到宿點。

MPLS網絡中除了入口LSR外，只需查找簡短的標籤表，不用分析冗長的IP地址，從而隨着網絡規模的不斷擴大，速度和價格優勢日益明顯。標籤棧還允許虛擬專用網VPN的實現，此外，MPLS的一個有用特性是它適用於流量工程。流量工程（TE）着重於運營網絡的性能優化，它一般通過處理度量、建模、特性和流量控制來獲得特定的性能目標，其中一個主要目標就是在優化網絡資源利用和流量性能的同時可以使網絡更加有效、可靠地運轉。

MPLS原來是用於分組交換網絡的，GMPLS對MPLS做了擴展。GMLPS的接口交換能力支持分組交換、時分交換、波長交換和端口或光纖交換。不同的交換方式具有不同類型的標籤，分組網絡中使用顯式的標籤，其它交換類型網絡使用隱式標籤，時分交換網絡以時隙為標籤，波長交換網絡已波長為標籤，端口或光纖交換網絡中則以端口號為標籤。在GMPLS中，定義了一套分佈式控制協議，包括鏈路管理、拓撲和資源發現及信令三大功能。

鄰居發現指的是一個光網絡網元自動獲得與其相鄰的網元（鄰居）間連通性的過程。鄰居發現使得在同一層的網元和鄰居能互相確定對方的標識，以及與局部端口相鄰的遠端口的標識。鄰居發現是控制平面 ^[4]  的一項重要功能，傳統的網元管理系統沒有鄰居發現功能，網絡管理者必須在指配系統中手動地配置網員間的互聯信息，既費時又費力，且容易出錯。將自動鄰居發現過程和網元管理系統（EMS）合用，可以自動得到完整的網絡拓樸信息。EMS擁有該網絡中至少一個節點的管理接口，從該節點獲得其發現的所有鄰居的地址和端口映射，如有新加入的網元，EMS可以繼續向已發現的網元發送消息來查詢未被發現的新網元。

鄰居發現的協議機制如下：

1、 網元在每條鏈路上週期性的發送含有本端a標識符的“Hello”消息。

2、假設該網元從某條鏈路上收到了另一端b所發的含有標識符的“Hello”消息，則該網元之後將發送含有本端a標識符和另一端b的標識符的“Hello”消息。

STS-1的蹤跡字節J0用來實現鄰居發現有兩種方式，第一種是使用帶外控制通道，第二種是使用帶內控制通道；DCC開銷字節也可以用來實現OXC間的分組通道。

存在帶外控制通道時，J0的使用規則為：

1、發送時：網元把節點ID字段用IP地址的十六進制格式（8個字節）表示，把端口ID字段用端口標識符的十六進制格式（4個字節）表示。此外沒有其它的字段。

2、接收時：網元將接收到的節點ID和端口ID字段中的十六進制值分別轉換為遠端節點的IP地址和端口號。隨後，它會卻確定控制通道，用以聯繫那個發來節點ID的鄰居。

網元在控制通道中向迴應鄰居發送的消息包括：

1、鄰居發來的J0字節中的節點ID和端口ID

2、它自己的節點ID和那個收到J0消息的本地ID

由此可以檢測出錯聯的情況。

不存在帶外通道時，鄰居發現過程分成兩輪執行。假設A、B直接相連，A的節點號大於B。在第一輪中，A發送本端的鏈路標識給B，B回送所收到的消息。在第二輪中，B發送本端的鏈路標識給A，A回送所收到的消息。兩輪完全對稱。發送端在發送時標記字段由“R”填充，接收端在回送時標記字段由“D”填充，發送端接收到回送的消息後，把標記段設為“O”。

使用數據通信通道DCC的鄰居發現過程為：

1、發送時：各個節點將含有自身節點ID以及發送消息端口的ID放入Hello消息中。含有這一消息的IP數據包被髮往組播地址“224.0.0.1”，並通過DCC發出。

2、接收時：各個接收到Hello消息的節點將收到信息與本端邏輯鏈路標識符之間建立映射。隨後，它將接收到的節點ID、端口ID值添加到其發出的Hello消息中。

實際的光網絡中，兩個節點之間的每一條連接都可能是由多條數據鏈路組成的，這些鏈路對於路由協議來説具有相同的屬性，可以把它們合併為一條流量工程鏈路（TE-Link），作為信息處理的對象。在核心光網絡中，隨着網絡擴大會出現例如精確的故障定位、本地同遠端的鏈路資源協商、網絡資源的使用效率等一系列問題，為此IETF提出了LMP協議。為了實現通信，節點之間必須存在一對可以互相訪問的IP接口，這對接口就形成了一條邏輯上的“控制通道”（控制通道分為纖內控制通道和纖外控制通道，前者是用DCC字節來創建一條控制通道，後者是IP數據包被承載在與數據網絡不同的控制網絡上）。這一對互相聯通的節點就稱為LMP鄰居，LMP協議要求在LMP鄰居間運行。

LMP通用頭部為：

LMP對象格式為：

LMP協議包括以下四個功能模塊：

1、 控制通道管理：監測相鄰網元間控制通道的工作狀態，傳遞控制平面的信息

2、 鏈路屬性一致性校驗（鏈路屬性關聯）：支持相鄰網元間的鏈路信息交換，可以將多條數據鏈路匯聚成一條TE鏈路，並同步鏈路屬性

3、 鏈路連通性校驗：支持OXC或PXC間拓樸連接的發現

4、 鏈路故障定位：定位PXC間拓樸連接的故障

前兩項是對TE-Link管理的必要功能模塊，後兩像是可選模塊，主要適用於控制通道與物理通道分開的情況。倘若同時存在纖內和纖外控制通道，或是一個網元與其多個鄰居網元間有不同類型的控制通道，則必須對網元進行配置，標識哪些數據鏈路集實現哪種控制通道。

保護和恢復技術的常規處理思想是：當使用“主用”資源出現故障而不能工作時，利用剩餘的資源來備份。“保護”是指使用某一指定的備用資源來傳送本來由一個已經出現故障的資源所承載的業務。“恢復”（注：Restoration，而不是Reversion）是指備用資源不會被專門用於某一主用資源，但是會有一些資源被保留，在主用資源出現故障時進行備份，主用資源的故障會導致備用資源的動態分配。和使用保護技術相比，使用恢復技術可能會使恢復時間明顯加長，但是在網絡資源的利用率方面會得到一些改進。

能夠及時且準確的報告故障環境是任何保護機制都必須具備的重要功能。光網絡的保護方案可分為線性保護、環網保護和Mesh恢復，線性保護是所有保護機制中最簡單也最快的一種保護機制。線性保護有1+1保護和M：N保護（包括1：N保護），N條工作線路有M條保護線路。1+1保護可分為1+1單向保護和1+1雙向保護（1：1雙向保護）。在1+1單向保護方式下，工作線路只有一根光纖，工作線路和保護線路傳送相同的信號，接收機會選擇質量好的一路信號，發送端和接收端不需要協調。在1+1雙向保護方式下，工作線路由一對光纖組成，此時發送端和接收端需要協調，如果鏈路上一端發生線路倒換時，另一端也要倒換。在M：N保護中，工作線路由一對光纖組成，如果鏈路上一端發生線路倒換時，另一端也要倒換，在故障修復之後，信號應從保護線路倒換回修復好了的工作線路上（稱為“恢復”Reversion），以釋放保護資源。M：N保護遵循收益遞減法則，即隨着保護線路數量M的增加，故障發生平均間隔時間MTBF值增加的速度越慢，M：N保護的優勢並不比1：N保護明顯。假設每條線路的MTBF都為1/Lamda(波長) ，則該系統的MTBF為：

可用性=MTBF/(MTBF+MTTR)

MTBF是故障發生平均間隔時間，MTTR是修復故障所需的平均時間。

在SDH中一般採用線性1：N保護機制，採用APS協議。SDH複用段的K1、K2字節用來控制自動保護倒換（APS）。保護通道的K1、K2字節用作APS組的雙向信令通道，如果這些字節連續三幀都相等，則認為有效。幀時是125微秒，故至少會有375微秒的信令延時。M：N保護在恢復過程中，信號並不是在工作線路故障被修復後立刻倒換回工作線路上，而是要延遲一段時間，稱為恢復等待時間WTR（一般為5分鐘），以防止間歇性的故障致使信號頻繁倒換。在WTR週期中，若有某條線路信號失效或劣化，將會中止WTR週期，立刻倒換予以保護。

環網保護比樹形保護的保護成功率高，但是，環越大，節點就越多，兩條線路同時發生故障的概率就越大，穩定性也就越差。最容易實現的環形保護是單向通道倒換環UPSR，實際就是嵌入在環形網絡中的1+1單向保護機制。當一個節點與另一個節點通信的時候，他分別向環中兩個相反的方向發送兩份相同的信號，即通過兩個不同的反向旋轉環傳輸通道來發送信號，因此其中一條通道就是工作通道，另一條就是保護通道。雙向通道倒換環（共享保護環）BLSR的工作機制稍微複雜一些。

假設ABCD組成一個2F-BLSR，鏈路AB預留有一半的帶寬被用作保護之用。若C、D間的鏈路CD出現了故障，則C、D點都將業務轉到CABD路徑，A、B節點默許保護通道業務進行穿通。在該過程中，只有C、D兩個節點需要進行倒換操作，因此倒換速度很快。當2F-BLSR容量不足時，可以採用4F-BLSR。BLSR中的每個節點可以是以下三個主要狀態之一：空閒、倒換、穿通。K1、K2字節的用法在書中82-83頁。

P環是一種用於常規Mesh網的環狀實體。和BLSR類似，P環中也僅有兩個網元會受到保護倒換的影響。P環的倒換粒度為SONET通道（SDH高階虛級聯）級別。除了環上的鏈路以外，任何橫跨環的鏈路都能夠得到保護。P環融合了Mesh和Ring配置的優點，在Mesh上的P環設計恰當，就可以獲得和常規Mesh相似的帶寬利用率！重路由Mesh恢復直接操作用户連接的帶寬粒度，具有最高的帶寬利用率。

Mesh網中常用兩種新的保護機制：區段保護和端到端保護。區段保護與M：N保護類似，由從節點向主節點發送“失效指示”，主節點收到信令後向從節點發送“倒換請求”，從節點倒換線路並回送“倒換響應”，主節點收到信令後倒換線路，完成倒換操作。區段倒換既可以在底層實現也可以在高層實現，在PXC中只能在高層實現。端到端通道保護和恢復指的是網絡中從入口到出口的整條連接的癒合，分為端到端專用Mesh保護和端到端共享Mesh保護。端到端專用Mesh保護是1+1保護（單向或雙向），而在共享Mesh保護中，網絡資源被多條保護線路共享。端到端保護可由GMPLS RSVP-TE實現。

光網絡的路由協議是由IP路由協議擴展而來。IP網絡是基於分組交換的無連接網絡，而光網絡是面向連接的電路交換網絡，因此光網絡的路由功能具有不同於IP網絡路由的特點。IP路由協議包括控制平面和數據平面兩大部分，只有IP路由協議的控制平面才適用於光網絡，IP路由的數據包傳送功能和光網絡並不相關。IP網絡中，路由協議和數據平面的轉發過程關係密切，一旦出現故障，就必會有用户受到影響；光網絡中的控制平面與數據平面是分開的，路由協議出現故障不會影響已經建立的連接，拓樸或資源狀態出現問題時，只會影響新連接的建立。IP網絡中所有節點都必須知道整個網絡的拓樸，而在光網絡中，路由的計算是由源節點完成的，只需要源節點擁有正確的網絡拓樸信息即可。

ASON路由協議使用擴展了的OSPF路由協議，它仍採用OSPF的擴散和同步機制，但提供了更豐富的鏈路狀態信息，如資源的可用性、物理層分離信息等；同時它也提供了對控制網和傳送網分離的支持，使得OSPF協議可以應用於非IP網絡中（ATM、SDH等）。IETF將OSPF協議擴展為GMPLS OSPF-TE協議，用於實現單域路由。擴展OSPF與傳統OSPF的比較見下表。

OSPF採用Dijkstra提出的“最短路徑算法”，用“洪泛法”向域內節點發送路由信息。成員鏈路具有以下屬性：最大帶寬、未預留帶寬、最大最小連接帶寬、鏈路保護類型、共享風險鏈路組（SRLG）信息和接口交換能力描述符。由於OSPF域有可擴展性，某個OSPF域可由多個域組成，單OSPF域路由應當向跨域擴展。一種方案是嚴格的層次配置，每個域（包括骨幹域，骨幹域由所在域的域邊界節點ABN構成）分配一個IP地址，除了經過骨幹域以外，從某域中某節點到另一域中某節點的路徑不會穿過其他中間域。另一種方案是一條骨幹域中的路徑可能包含有多條穿過中間域的路徑。在OSPF協議中，每個節點都會生成LSA，並將其泛洪到域內所有節點。ABN創建它所在域（非骨幹域）的摘要信息，並把摘要信息泛洪到骨幹域中。