光网络评估及案例分析(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:王健 张敏锋 周晓 李永嫚 揭水平 黄柳山 等

出版社:人民邮电出版社

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光网络评估及案例分析

光网络评估及案例分析试读:

前言

近几年来,电信行业竞争不断加剧,竞争主体日益多元化,竞争层次日趋多样化;通信业务宽带化、IP化和多媒体化发展,单一业务经营的电信企业朝着全业务经营的方向转变;光网络技术迅速发展,SDH/MSTP与传统WDM广泛应用,PTN和OTN规模化部署,PON网络建设不断推进,各种光传输技术将长期并存,共同组网。

光网络作为通信业务提供承载的基础网络,承担着通信网络中80%以上的流通信息量,其质量对承载的通信业务起着至关重要的作用。以往,在一个传输网络建成之后,根据业务需求和发展,要经历多次的升级改造。在这个过程中,网络结构的安全性、资源利用等诸多方面都会发生较大的变化,如安全性下降、资源利用率和配置不成比例等问题日趋突出。另外,在维护过程中,由于缺乏对传输网络性能/质量的全面详细了解,始终维持的是一种简单的维护模式,造成的结果就是传输网络维护效率低下。因此,积极探索光网络的评估模式,是我们解决上述问题的一个有效途径。

目前通信行业关于光网络如何评估方面还鲜有系统论述、有效指导的著作,本书可以弥补这一空白,通过理论介绍与案例分析,形成一套相对完整的评估体系与方法,根据作者在工作过程中积累的光网络评估与优化经验,图文并茂,表格化、流程化梳理,对于光通信专业的从业者极有参考价值。

全书分为3个部分共6章,此外还有一个附录,各个部分及附录的内容介绍如下。

第一部分:第1章光网络现状及分析,这部分主要讲述光网络的发展及关键技术,介绍了光网络的发展历程、光网络关键技术、光网络现状及分析,从而引出光网络评估的作用及评估的必要性。

第二部分:包括第2至第4章,这部分首先介绍评估的概念及分类,光网络评估的范围及内容、光网络评估的流程与方法,然后提出光网络评估的指标体系。

第2章首先介绍评估的概念,评估的国内外发展动态,研究通信网常用的评估类型,提出光网络评估的总体架构,阐述光网络评估的范围及内容。第3章介绍光网络评估的思路,光网络评估的流程以及光网络评估常用方法。第4章详细介绍了光网络评估的指标体系。

第三部分:包括第5至第6章,第5章讲述了光网络中长途传输网、本地传输网、接入网的评估案例,这部分有助于加深对前面章节的理解,对准备参与光网络评估的人员也是一个较好的实际参考。第6章讲述下一代光网络的特征、下一代光网络的规划内容及其评估思路和评估重点。

附录部分为国家/行业标准/规范表。

本书作者基于多年来光网络规划、设计、建设、评估的经验总结,参考了行业内其他单位的技术成果,编写了本书,希望能起到抛砖引玉的作用。

本书由江苏省邮电规划设计院有限责任公司副总经理王健策划、主编,江苏省邮电规划设计院网络院院长张敏锋负责全书的结构安排及内容的掌控。负责相关章节编写的同志有王健、张敏锋、周晓、李永嫚、揭水平、黄柳山等,此外,参与本书编写和整理工作的还有叶春、王睿、何晓卉、李龙、马晓亮、周楠、江建方等。

在本书的编写过程中,得到了中国电信江苏公司、中国移动通信集团甘肃公司的大力支持和帮助,在此谨向各位专家表示衷心的感谢。

由于水平所限,编写时间仓促,书中难免有疏漏和不妥之处,欢迎广大读者批评指正!作者2015年8月于南京第1章光网络现状及分析

全业务运营、三网融合、云计算、物联网、智能管道和LTE新业务的需求,驱动传输网络迅速发展。整个光网络将向宽带化、分组化、融合化、智能化、低碳化方向发展,因此对光网络的端到端业务承载、可靠性和稳定性、网络可扩展性、可管可控性提出了新的挑战。

本章首先介绍了光网络的发展历程,包括光网络的概念、分类、特点、发展历程,并指出目前光网络面临的机遇和挑战,然后对 SDH、MSTP、ASON、WDM 等 9 种光网络关键技术,从概念、产生背景、功能、主要特点等方面进行介绍,并对光网络目前的网络现状进行详细分析,从而阐明光网络评估的作用及评估的必要性。1.1 光网络的发展历程

随着经济的不断发展,人们对通信业务的需求也不断增强,电信业务市场仍然继续保持增长。为了适应业务的增长和变化,光网络也不断地演进,以促进和保障业务的增长。1.1.1 光网络概念和分类

光网络(Optical Network)包含的内容十分广泛。从字面意思上理解,光网络具备“光”和“网络”两层含义,光网络指使用光纤传输的网络结构,它是由光纤及光信号处理设备组成的网络,在光层上完成通信数据的传输、交换、汇聚、接入等网络功能。由于光纤媒质所具有的传输带宽大、传输损耗低、抗干扰能力强等特点,光网络始终在通信基础网络建设中占据着主导地位,并承载着通信网络中大部分的信息流量。

我们可以从功能、区域等不同的参数和维度对光网络进行分类,具体分类详见表1-1。表1-1 光网络分类表续表

本书中涉及的光网络主要是指由光纤和光传输设备组成的网络,主要功能包括光传输网和光接入网。1.1.2 光网络的特点

与传统的由铜缆或电缆构成的通信网络相比,光网络有许多技术上和经济上的优点,主要为以下几点:

①通信容量大、传输距离远;

②高效的网络管理和保护技术;

③信号串扰小、保密性能好;

④光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输;

⑤材料来源丰富,环境保护好,有利于节约有色金属铜;

⑥光缆适应性强,寿命长;

⑦降低运营成本,增加了利润增长点。1.1.3 光网络的发展历程

光网络是当前最活跃的领域,由于光网络是通信业务的承载网络,所以随着通信行业的繁荣,光网络也日渐繁荣。光网络可以分为以下几个发展阶段。

1.第一代光网络

第一代光网络较为简单,光纤纯粹作为传输媒介,只是用来实现大容量传输,主要实现点到点的传输。所有的交换、选路、比特处理和其他功能都在电层面上实现。SONET(同步光网络)和SDH(同步数字体系)网络是第一代光网络的代表,它们分别构成北美、欧洲和亚洲通信基础设施的核心。

2.第二代光网络

随着技术的发展,在第二代光网络中,部分交换和路由功能从电层进入光层。它的主要优点是,一旦光通路建立,电路交换光通路服务对发送到上面的实际数据是透明的;相比第一代光网络,它能够以光形式交换分组,在光域执行更多功能,比如路由和交换波长功能。

3.第三代光网络

第三代网络借助于动态可管理的全光 DWDM 技术,支持以波长为单位的分级式业务。为了满足用户对服务速度的要求,可结合使用动态可管理的OADM和WXC节点、可调激光器、可调滤波器、光性能监测、波长级的保护机制和网络管理软件,既削减了运营成本,又可方便地提供增加收益的新业务。

4.下一代光网络

近年来,随着云计算、流媒体、移动宽带等新业务的不断涌现,需要网络变得更宽、更智能,于是提出了下一代光网络的理念——软件定义的弹性光网络,它是新时期光网络架构的新理念,由三大核心部件组成,是可实现弹性、协同、开放的新一代光网络。

首先是弹性的超大管道,用以承载未来多变的海量的业务,包括光层弹性、电层弹性、容量弹性三大技术。光层弹性是 Flex Grid,激活光层,提升频谱效率;电层弹性是基于N×100Gbit/s的弹性帧架构Flex OTN,可实现高速管道的交叉复用;容量弹性是通过强大的信号调制处理技术,实现容量和距离的弹性转换。

其次是高效的多层协同,包括跨层IP和光的协同,跨域多网元组大网管理,以及单网元波长、OTN、以太,即L0/L1/L2的流量协同。每层管道每比特的成本是不一样的,通过管道间的协同,打造智能的策略引擎,实现流量成本的最优化,提升管道整体的效率。

最后是软件可定义实现的网络开放。一方面,通过软件定义网络(SDN,Software-Defined Network)技术提升了系统的硬能力,实现上述的弹性管道和高效协同;另一方面,SDN 技术实现了网络能力的开放,实现带宽的货币化。SDN简化网络的运营和维护,有效降低每比特的成本。1.1.4 光网络面临的机遇和挑战

光网络面临以下机遇和挑战。(1)互联网、视频等新兴业务层出不穷,业务的剧烈变化迫使光网络随之而变

随着居民收入逐渐提高,内需消费引导逐步增强,产业结构调整优化,有利于通信行业继续快速发展。生活方式、消费结构、需求层次的多元化,促使在线互动娱乐业务成为人们首选的娱乐休闲方式;人们对PC、手机和网络的接受度和使用度日益提高,更多人通过更多类型的终端和方式交流,这必然加速推进通信业务的宽带化、IP化和多媒体化的发展。

从全球看,移动宽带和固定宽带用户增速分别达到34.7%和9.2%,远远超过移动电话用户增速(6.6%)和固定电话用户增速(−1.2%)。数据业务的增速远高于语音业务。

以往的光网络上承载的业务以语音业务为主,随着互联网、视频、云计算、流媒体、移动宽带等新业务的不断涌现,数据业务已渐占主流。以往适应流量、流向单一的语音业务的光网络需要随着业务需求的改变而变化,需要网络变得更宽、更智能。(2)光网络发展的速度已大大落后于互联网流量增速,现有光层功能和性能难以满足业务发展的需求

过去10年,光通信容量的增速已经从超摩尔定律的78%降到现在的20%,大大落后于近些年全球互联网流量的增速(40%),预计2020年将现容量危机。

在光网络上,近几年缺乏突破性的技术,以带来容量的大幅提升。网络上现有的光层功能和性能缺少低速信号的灵活调度能力,缺少保护恢复,需要提高信号传输的透明性。(3)可持续发展的挑战

经过多年的建设,各大通信运营商的光网络都具备一定的规模。对于通信行业发生的变化,现有的光网络如何调整、优化,以适应业务的发展和社会的需求,如何既能适应行业形势的变化,又能最大限度地保护投资,实现光网络的可持续发展,是行业从业人员不得不面临的问题。1.2 光网络关键技术1.2.1 同步数字体系(SDH)

1.概念及产生背景(1)产生背景

在SDH技术出现前,传输网大都采用PDH技术。但PDH系统不仅复用结构复杂,也缺乏灵活性,硬件数量大,上下业务费用高,数字交叉连接功能的实现也十分复杂。这些缺陷制约了其速率等级的进一步提高,因而已不能满足信息社会的需要。这就迫切需要采用一种全新的体制来替代PDH。

为了解决PDH技术的先天劣势,高速大容量光纤传输技术和智能网络技术出现,新一代同步数字系列SDH技术应运而生。(2)SDH的概念

SDH(Synchronous Digital Hierarchy,同步数字体系)是为不同速率的数字信号的传输提供相应等级的信息结构,包括复用方法和映射方法,以及相关的同步方法组成的一个技术体制。SDH的特性使其得到了广泛应用,中国各大运营商都已经大规模建设了基于SDH的光网络。

2.主要技术特点(1)具备统一的光接口标准和帧结构

SDH具备统一的光接口,标准速率见表1-2。表1-2 SDH标准速率表

SDH具备统一的帧结构,它是实现数字同步时分复用、保证网络可靠有效运行的关键。一个STM-N帧有9行,每行由270×N个字节组成。每帧共有9×270×N个字节,每字节为8bit。帧周期为 125μs,即每秒传输 8000 帧。对于 STM-1 而言,传输速率为 9×270×8×8000=155.520Mbit/s。字节发送顺序为:由上往下逐行发送,每行先左后右。(2)SDH具有灵活的保护和恢复机制

SDH的保护主要分为两种,即路径保护和子网连接保护。SDH路径保护主要分为线性复用段保护倒换(1+1和1∶N)、复用段共用保护环(二纤环和四纤环)、复用段专用保护环(二纤环)和线性VC路径保护等几大类。图1-1 SDH的组网应用1.2.2 多业务传输平台(MSTP)

1.概念及产生背景(1)产生背景

不断增长的IP数据、话音、图像等多种数据业务传送需求,使得宽带化技术迅速普及。原先以承载话音为主要目的的 SDH 在容量以及接口能力上都已经无法满足业务传输与汇聚的要求。SDH的固定带宽分配,也不适应数据业务面向统计复用的动态连接。于是,以SDH技术为基础,继承SDH优点的MSTP(Multi-Service Transport Platform,多业务传送平台)技术应运而生。(2)概念

广义的MSTP技术指能够满足多业务传送要求的所有技术或解决方案。狭义的MSTP技术指能够满足多业务传送要求的、基于SDH技术的多业务传送技术。它是基于SDH平台,同时实现TDM、ATM、以太网、IP等业务的接入处理和传送并提供统一网管的多业务平台。本书中的MSTP均指狭义的MSTP技术。

基于SDH的多业务传送平台(MSTP)将SDH的高可靠性、严格的QoS和ATM的统计复用以及IP网络的带宽共享、统计复用特征集于一身,可以针对不同QoS的业务提供最佳的传送方式。基于SDH的 MSTP 最适合作为网络边缘的融合节点支持混合型业务,特别是以 TDM 业务为主的混合业务,可以更有效地支持分组数据业务,有助于实现从电路交换网向分组网的过渡。图1-2 MSTP 系统的基本功能模型

2.MSTP的功能

MSTP的功能如下:

①具有TDM业务、ATM业务或以太网业务的接入功能;

②具有TDM业务、ATM业务或以太网业务的传送功能包括点到点的透明传送功能;

③具有ATM业务或以太网业务的带宽统计复用功能;

④具有ATM业务或以太网业务映射到SDH虚容器的指配功能。

3.主要技术特点(1)级联

VC 级联的概念是在ITU-T G.707中定义的,分为相邻级联和虚级联两种。相邻级联是指SDH中用来承载以太网业务的各个VC在SDH的帧结构中是连续的,共用相同的通道开销(POH);虚级联是指SDH中用来承载以太网业务的各个VC在SDH的帧结构中是独立的,其位置可以灵活处理。(2)通用成帧规程(GFP)

GFP 是ITU-T G.7041定义的一种链路层标准,是一种对于以帧为单位组织的数据业务的简单有效的封装方式,它既可以在字节同步的链路中传送长度可变的数据包,又可以传送固定长度的数据块,是一种简单而又灵活的数据适配方法。GFP 采用了与ATM技术相似的帧定界方式,可以透明地封装各种数据信号,利于多厂商设备互联互通。(3)链路容量调整机制通用成帧规程

LCAS功能应符合ITU-T G.7042标准的要求,它可以在不中断数据流的情况下动态调整虚级联个数,它所提供的是平滑地改变传送网中虚级联信号带宽以自动适应业务带宽需求的方法。LCAS可以将有效净负荷自动映射到可用的VC上,从而实现带宽的连续调整,不仅提高了带宽指配速度、对业务无损伤,而且当系统出现故障时,可以动态调整系统带宽,无需人工介入,在保证服务质量的前提下,使网络利用率得到显著提高。(4)多协议标签交换(MPLS)

MPLS是一种多协议标签交换标准协议,它将第三层技术(如IP路由等)与第二层技术(如 ATM、帧中继等)有机地结合起来,从而使得在同一个网络上既能提供点到点传送,也可以提供多点传送;既能提供原来以太网的服务,又能提供具有很高QoS要求的实时交换服务。MPLS技术使用标签对上层数据进行统一封装,从而实现了用SDH承载不同类型的数据包。基于MPLS的MSTP设备不但能够实现端到端的流量控制,而且还具有公平的接入机制与合理的带宽动态分配机制,能够提供独特的端到端业务QoS功能。通过嵌入二层MPLS技术,允许不同的用户使用同样的VLAN ID,从根本上解决了VLAN地址空间的限制。此外,由于MPLS中采用标签机制,路由的计算可以基于以太网拓扑,减少了路由设备的数量和复杂度,从整体上优化了以太网数据在MSTP中的传输效率,达到了网络资源的最优化配置和最优化使用。1.2.3 自动交换光网络(ASON)

1.概念及产生背景(1)产生背景

传统SDH网络其拓扑结构以线形和环形为主,业务配置时需要逐环、逐点配置业务路径及时隙,网络生存性主要依赖SDH的自愈机制。虽然在这些拓扑结构下实现的保护方式有着快速保护倒换的优点,但其网络扩展性差,并且带宽利用率较低。随着网络规模越来越大,网络结构的日渐复杂,业务流量流向日渐复杂,传统SDH网络正面临着其前所未有的挑战——电路调配繁琐、提供的业务单一、带宽利用率低以及在多点故障灾难面前所表现出的无能为力等等。人们希望借助新技术,实现业务的动态申请、选路、业务自动建立,从而简化网络的业务管理,降低运营成本,在这样的背景下,ASON应运而生。(2)概念

ASON(Automatically Switched Optical Network),即自动交换光网络,是新一代光传送网络,也称智能光网络。ASON 是能够智能化地、自动完成光网络交换连接功能的新一代光传送网。所谓自动交换连接,是指在网络资源和拓扑结构的自动发现的基础上,调用动态智能选路算法,通过分布式信令处理和交互,建立端到端的按需连接,同时提供可行可靠的保护恢复机制,实现故障情况下连接的自动重构。

在定义上,ASON分为狭义和广义两种理解。由于SDH电交叉技术的成熟,ASON技术首先在SDH设备上实现,并得到规模使用。因此,狭义的ASON特指在SDH设备上的ASON。而按照ITU-T的定义,ASON并没有局限在SDH设备上,ROADM、OXC、OTN电交叉技术的成熟,以及光电交叉、汇聚技术和WDM的结合,将极大地推动ASON技术在光传输领域的应用,此为广义的ASON。

ASON 的基本概念包括ASON 的3个平面、LSP(Label Switching Path)和重路由等。ASON分成3个平面:控制平面、传送平面和管理平面,如图1-3所示。图1-3 ASON的3个平面

控制平面由一组通信实体组成,负责完成呼叫控制和连接控制功能。通过信令完成连接的建立、释放、监测和维护,并在发生故障时自动恢复连接。

传送平面就是传统的SDH网络,它完成光信号传输、复用、配置保护倒换和交叉连接等功能,并确保所传光信号的可靠性。

管理平面完成传送平面、控制平面和整个系统的维护功能,能够进行端到端的配置,是控制平面的一个补充,包括性能管理、故障管理、配置管理和安全管理功能。

ASON 由智能网元、TE 链路、ASON 域和SPC(Soft Permanent Connection)组成,如图1-4所示。图1-4 ASON网络的组成

智能网元是ASON的拓扑元件。相对于传统网元,智能网元增加了链路管理功能、信令功能和路由功能,如图1-5所示。

TE(Traffic Engineering)链路就是流量工程链路。智能网元将自己的带宽等信息以 TE链路的形式向网络中的其他智能网元发送,为路由计算提供数据支持。一根站间光纤只包含一条TE链路。图1-5 智能网元与传统网元的区别

ASON域是为了选路由和管理的目的对网络进行功能分割产生的子集。它由多个智能网元和多条TE链路组成。一个智能网元只能归属于一个智能域。

SPC(Soft Permanent Connection)是介于 PC(Permanent Connection)和 SC(Soft Connection)之间的业务连接。用户到传送网络部分由网管配置,而传送网络内部的连接由网管向网元控制平面发起请求,由智能网元的控制平面通过信令完成配置。通常所说的智能电路或者智能业务就是指SPC。

PC(Permanent Connection)就是永久连接。它是经过预先计算,然后通过网管分别向各个网元下发命令而建立的连接。通常所说的传统业务就是指PC。

SC(Switched Connection)就是交换连接。它是由终端用户(如路由器)向ASON 控制平面发起呼叫,在控制平面内通过信令建立起的业务连接。

2.技术优势(1)灵活、动态的网络结构:Mesh组网,可实现网络的无极扩展。(2)快速的业务提供:电路自动配置,大大加快了业务提供时间。(3)点播带宽(BOD,Bandwidth On-line Demand):在线秒级申请带宽,满足用户快速多变的需求。(4)可靠的网络保护:Mesh网的多路径搜索使得网络相比传统的环网更安全。(5)增值的业务平台:快速响应新增业务,比如SLA/OVPN。(6)更高的资源利用率:动态带宽分配,资源利用率更高。

3.主要技术特点(1)能够快速、高质量地为用户提供各种带宽服务与应用

ASON使得业务供应商可以在几分钟甚至几秒钟内迅速的为用户提供一个波长通道,实现“光拨号”;还可以基于ASON 技术开发“波长批发”、“波长出租”及“光VPN(虚拟专用网,Virtual Private Network)”等各种业务,有效地将光纤的物理带宽转化为最终用户带宽,从而使得网络运营商能够迅速开通各种增值业务,更好地适应了运营商战略转型的需求。(2)更好的网络性能

由于 OXC 和 OADM 的引入,光信号可以在光层进行路由,这样可以最大限度地降低由IP 路由器带来的信号延时和信号抖动,有利于保证QoS。(3)实时、动态的流量工程控制

ASON允许网络根据当前客户层的业务需求,实时、动态地调整网络的逻辑拓扑结构以避免拥塞,实现资源的“按需分配”(Bandwidth on Demand)。(4)快速、有效的网络保护和恢复机制

当网络发生故障时,ASON的管理平面和控制平面相配合以保证故障信息能够及时、准确地在网络中传播,备用或恢复路由可以快速启动,从而增强了网络的生存性。(5)良好的设备互操作性和网络可扩展性

通过定义统一的、标准的网络接口,不同网络运营商的设备可以很容易地实现互联互通;如果进一步在网络接口中配备自动资源发现、自动业务发现等各种功能,可进一步减轻设备互联时所需要的人工干预和手工配置,理想情况下能够达到类似于计算机设备“即插即用”的功能。

综上所述,ASON这种能够根据网络中光层拓扑情况动态改变路由的能力造就了一个高效、高响应的传输网络,它为新型宽带网络服务铺平了道路。1.2.4 波分(WDM)

1.概念及产生背景(1)产生背景

在光纤通信系统中常采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量,即在同一根光缆中同时传输若干个频率不同的信号,接收端根据频率的不同利用带通滤波器滤出每一个信道的信号。而随着业务颗粒的增大,频分复用也遇到了瓶颈,此时以WDM技术为代表的波分复用开始崭露头角。与通用的单信道系统相比,密集WDM(DWDM)不仅极大地提高了网络系统的通信容量,充分利用了光纤的带宽,而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点。(2)概念

把不同波长的光信号复用到一根光纤中进行传送的方式统称为波分复用(WDM)。

所谓WDM系统,就是在一根光纤上同时传输多波长光信号,基本原理是在发送端将不同波长的光信号组合起来(复用),并耦合到同一根光纤中进行传输(彩色光),在接收端又将组合波长的光信号分开(解复用),并作波长转换处理,恢复原信号后送入不同终端,因此将此项技术称为光波长分割复用,即光波分复用技术。

ITU-T G.692建议,DWDM系统的绝对参考频率为 193.1THz(对应的波长为 1552.52nm),不同波长的频率间隔应为100GHz的整数倍(对应波长间隔约为0.8nm的整数倍)。图1-6 WDM系统的定义

按照通道间隔的差异,WDM可以细分为:

WWDM(Wide-WDM,通道间隔等于或者大于25nm);

MWDM(Mid-WDM,通道间隔小于25nm,而大于3.2nm);

DWDM(Dense-WDM,通道间隔小于或者等于3.2nm)。

一般在现网得到广泛使用的是DWDM技术。

2.主要技术特点(1)超大容量

使用 DWDM技术可以使一根光纤的传输容量比单波长传输容量增加几倍、几十倍乃至几百倍。(2)数据的“透明”传输

由于DWDM系统按光波长的不同进行复用和解复用,而与信号的速率和电调制方式无关,即对数据是“透明”的。一个WDM系统的业务可以承载多种格式的业务信号,如ATM、IP或者将来有可能出现的信号。WDM系统完成的是透明传输,对于业务层信号来说,WDM系统中的各个光波长通道就像“虚拟”的光纤一样。(3)可扩展性强

系统升级时能最大限度地保护已有投资,在网络扩充和发展中,无需对光缆线路进行改造,是理想的扩容手段,也是引入宽带业务的方便手段。(4)高度的组网灵活性、经济性和可靠性

相比用传统的电时分复用技术组成的网络结构,利用WDM技术构成的新型通信网络层次分明,各种业务的调度只需调整相应光信号的波长即可实现。由于网络结构简化、层次分明以及业务调度方便,由此而带来的网络的灵活性、经济性和可靠性是显而易见的。1.2.5 光传送网(OTN)

1.概念及产生背景(1)产生背景

随着IP业务的快速增长,业务对承载网络的要求也发生了改变。业务宽带化要求大流量业务的调度和传递;流量突发性要求光网络能够进行动态带宽调整;接口种类减少要求简化网络结构并提高承载效率;网络智能化要求网络提升业务感知能力;网络安全性要求网络具备电信级的OAM和可靠性;利润最大化要求降低CAPEX/OPEX。

对于业务需求的变化,传统WDM网络无波长/子波长业务调度能力、组网能力弱、保护能力弱等问题逐渐暴露,OTN技术很好地解决了这一系列问题。(2)概念

OTN(光传送网,Optical Transport Network)是以波分复用技术为基础、在光层组织网络的传送网,是下一代的骨干传送网。

OTN通过ROADM技术、OTH技术、G.709封装和控制平面的引入,将解决传统WDM网络无波长/子波长业务调度能力、组网能力弱、保护能力弱等问题。可以说,OTN 将是未来最主要的光传送网技术,同时随着近年来ULH(超长跨距DWDM)技术的发展,DWDM系统的无电中继传输距离已达几千公里。

在 OTN 的功能描述中,光信号是由波长(或中心波长)来表征的。光信号的处理可以基于单个波长,或基于一个波分复用组。OTN在光域内可以实现业务信号的传递、复用、路由选择、监控,并保证其性能要求和生存性。OTN 可以支持多种上层业务或协议,如SONET/SDH、ATM、Ethernet、IP、PDH、Fiber Channel、GFP、MPLS、OTN虚级联、ODU复用等,是未来网络演进的理想基础。全球范围内越来越多的运营商开始构造基于 OTN 的新一代传送网络,系统制造商们也推出具有更多 OTN 功能的产品来支持下一代传送网络的构建。

OTN 跨越了传统的电域(数字传送)和光域(模拟传送),是管理电域和光域的统一标准。OTN概念涵盖了光层和电层两层网络,其技术继承了SDH和WDM的双重优势。OTN处理的基本对象是波长级业务,它将传送网推进到真正的多波长光网络阶段。由于结合了光域和电域处理的优势,OTN 可以提供巨大的传送容量、完全透明的端到端波长/子波长连接以及电信级的保护,是传送宽带大颗粒业务的最优技术。

OTN的主要优点是完全向后兼容,它可以建立在现有的SONET/SDH管理功能基础上,不仅提供了存在的通信协议的完全透明,而且还为 WDM 提供端到端的连接和组网能力,它为ROADM提供光层互联的规范,并补充了子波长汇聚和疏导能力。图1-7 OTN复用结构图

2.主要技术特点(1)多种客户信号封装和透明传输

基于 ITU-T G.709 的 OTN 帧结构可以支持多种客户信号的映射和透明传输,如 SDH、ATM、以太网等。目前对于SDH和ATM可实现标准封装和透明传送,但对于不同速率以太网的支持有所差异。(2)大颗粒的带宽复用、交叉和配置

OTN 目前定义的电层带宽颗粒为光通路数据单元(ODUk,k=0,1,2,3,4),光层的带宽颗粒为波长,相对于SDH的VC-12/VC-4的调度颗粒,OTN复用、交叉和配置的颗粒明显要大很多,能够显著提升高带宽数据客户业务的适配能力和传送效率。(3)强大的开销和维护管理能力

OTN提供了和SDH类似的开销管理能力,OTN光通路(OCh)层的OTN帧结构大大增强了该层的数字监视能力。另外,OTN还提供6层嵌套串联连接监视(TCM)功能,这样使得 OTN 组网时,采取端到端和多个分段同时进行性能监视的方式成为可能,为跨运营商传输提供了合适的管理手段。(4)增强了组网和保护能力

通过OTN帧结构、ODUk交叉和多维度可重构光分插复用器(ROADM)的引入,大大增强了光传送网的组网能力;前向纠错(FEC)技术的采用,显著增加了光层传输的距离。另外,OTN将提供更为灵活的基于电层和光层的业务保护功能,如基于ODUk层的光子网连接保护(SNCP)和共享环网保护、基于光层的光通道或复用段保护等。1.2.6 波长交换光网络(WSON)

1.概念及产生背景(1)产生背景

随着互联网业务发展及3G/LTE的部署,大量IP化业务需要通过DWDM承载,因此对承载网提出了更高要求。传统 DWDM 网络业务配置步骤复杂、业务开通周期较长、带宽利用率低、网络自愈保护性能差,不能满足网络运营和业务调度维护的需求。WSON 技术使DWDM系统支持端到端业务自动配置,支持Mesh组网等功能,极大地提升了网络的可靠性、灵活性,运维变得简单,因此WSON技术及应用策略研究已然成为国内外研究的热点。(2)概念

波长交换光网络(WSON,Wavelength Switched Optical Network)是基于WDM传输网的 ASON,采用 GMPLS(通用多协议标签交换)技术和 PCE(路径计算单元)技术等控制平面技术,实现波长路由的动态调度,提高WDM网络调度的灵活性和网络管理的效率。除了传统ASON的功能外,它主要解决波分网络中光纤/波长自动发现、在线波长路由选择、基于损伤模型的路由选择等问题。

2.关键技术(1)GMPLS控制平面技术

GMPLS是MPLS的扩展和延伸,更准确地说,是MPLS-TE的扩展。由于GMPLS主要是扩展了对传输网络的管理,而传输网的主要业务为点到点业务,这与 MPLS-TE 的业务模型非常相似,因此GMPLS主要借助MPLS-TE协议栈将其加以扩展而形成。GMPLS网络由两个主要元素即标签交换路由器(LSR,Label Switch Router)和标签交换路径(LSP,Label Switch Path)组成。但 GMPLS 的 LSR 包括所有类型的节点,可以是 PSC、TDM、LSC 或FSC;LSP则既可以是一条传递IP分组的虚通路,也可以是一条TDM专线,或是一条DWDM的波道。

GMPLS结构中包含的协议族分别用于实现控制平面的各个功能:链路管理协议(LMP)、信令协议(RSVP-TE)、域内路由协议(OSPF-TE)、域间路由协议(BGP)等。这些协议实现了WSON控制层面的资源发现、路由计算、连接管理等功能。OIF定义了控制域接口UNI和NNI。

图1-8所示为GMPLS控制平面与动态光学层之间的逻辑关系。GMPLS通过路由协议、信令协议和链路管理协议控制波长通道的建立和拆除。用户—网络接口(UNI)实现用户设备自动资源申请,外部和内部网络—网络接口(NNI)允许不同的网络域之间互通路由和信令。图1-8 GMPLS 控制下的光网络(2)RWA技术

在不具备全光交换能力的波长交换光网络中,任何两条光路在它们共同经过的光纤链路上,不能使用相同的波长,这种约束称为波长一致性约束。通常,在有限波长转换器和缺乏波长转换器的波长交换光网络中的路径计算问题被称为路由和波长分配问题(RWA)。

针对不同的业务特性和连接请求方,RWA算法可以分为动态RWA和静态RWA两种。动态RWA是指在实时业务情况下光通路的路由选择和波长分配的优化问题。静态RWA是指如果网络中的连接请求是预先知道的,只需为这些连接计算路由和分配波长。

传统的GMPLS为分布式控制平面架构,由源节点运行RWA算法进行路径计算。集中式控制平面架构随着PCE(路径计算单元)的提出而产生,将路径计算功能从传统的ASON控制平面剥离出来,构建成一个PCE平面,提供集中式的路径计算。分布控制平面R+WA 方案的示意图如图1-9所示。图1-9 分布控制平面R+WA示意图

分布式控制平面的R+WA方案采用源路由+宿波长分配,由两个实体分别执行路由计算和波长分配。第一个实体提供给第二个实体需要进行波长分配的一条或多条路径以及可能的最终的路径选择信息。执行路由分配的实体只需要了解网络的拓扑信息,而执行波长分配的实体则需要网络可用资源以及网络节点能力信息。方案中波长分配在宿节点完成,因此连接请求的源节点不需要了解全网的流量工程信息,减少了全网泛洪的信息量,通常只需要发Hello消息维护邻居关系。它的阻塞主要来自于后向波长通道预留失败,通过在宿节点的一些波长选择策略可以降低这种阻塞。

3.应用分析

随着网络的发展,一些业务发达地区的 DWDM 网络结构已经由原来的点对点或环网结构向Mesh化方向演进,网络结构复杂,运维难度加大。在DWDM网络中引入ASON技术,可以抵抗多次断纤故障,以相对较少的资源提供更好的保护恢复能力。

对于干线网络,承载的业务量大,业务流向相对固定,业务波长需要提前规划,引入ASON后一旦网络发生故障,业务将进行不规则重路由,对其他业务及网络造成冲击。

对于已经组建 Mesh 网的城域波分,网络承载业务量较小,业务流向多样,网络资源丰富,引入ASON后,能够提供钻石级、银级、铜级等多种 SLA 等级的业务。网络发生故障后能够提供拓扑自动发现、自动连接、自动修复的网络能力,提升了网络维护以及保护恢复的便捷性。1.2.7 分组传送网(PTN)

1.概念及产生背景(1)产生背景

近年来,许多客户的业务需求正在发生明显的转变,单一的语音或者数据业务已经不能满足客户日益增长的需求。随着智能化移动终端的普及,视频通话、多点互动等需求高QoS、低网络时延的业务不断增多;尤其是一些集团客户,实时视频电话会议、企业专网、专有数据网络中心等新业务需求层出不穷。这对当今的运营商提出了考验,不仅要有提供单项服务的能力,还要具备提供融合多种业务的能力。一个全业务运营时代已经到来。

同时,交换技术从电路交换向分组交换迁移,带宽需求也从窄带向宽带过渡。在这样的背景下,PTN 技术很好地满足了业务IP 化、ATM、SDH、SAN、Frame Relay、Ethernet网络融合的需求。(2)概念

PTN(分组传送网,Packet Transport Network)在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面。PTN是一种面向连接的分组交换网络技术,它针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计,利用MPLS标签交换路径,省去了MPLS信令和IP复杂功能,支持多业务承载,独立于客户层和控制面,并可运行于各种物理层技术,具有强大的传送能力,包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩展、较高的安全性等。

PTN支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通道,具有适合各种粗细颗粒业务、端到端的组网能力,提供了更加适合于IP业务特性的“弹性”传输管道;具备丰富的保护方式,遇到网络故障时能够实现基于 50ms 的电信级业务保护倒换,实现传输级别的业务保护和恢复;继承了SDH技术的操作、管理和维护机制(OAM),具有点对点连接的完美OAM体系,保证网络具备保护切换、错误检测和通道监控能力;完成了与IP/MPLS多种方式的互联互通,无缝承载核心IP业务;网管系统可以控制连接信道的建立和设置,实现了业务QoS的区分和保证,灵活提供SLA等优点。

PTN设备的基本功能包括管理平面、控制平面和传送平面:传送平面实现各种业务的传送处理功能,如封装、转发、流控、交换等,并实现保护和OAM开销处理;管理平面完成设备拓扑管理、配置管理、告警性能管理、安全管理;控制平面通过信令和路由协议实现业务的建立、保护恢复,如图1-10所示。图1-10 PTN设备基本功能

2.主要技术特点

就实现方案而言,在目前的网络和技术条件下,PTN分为以太网增强技术和传输技术结合MPLS两大类,前者以PBB-TE为代表,后者以T-MPLS为代表。

PTN产品为分组传送而设计,其主要特征体现在如下方面:灵活的组网调度能力、多业务传送能力、全面的电信级安全性、电信级的OAM能力、具备业务感知和端到端业务开通管理能力、传送单位比特成本低。(1)TDM业务的支持方式

在对TDM业务的支持上,目前一般采用PWE3(Pseudo Wire Emulation Edge-to-Edge,端到端伪线仿真)的方式,目前 TDM PWE3 支持非结构化和结构化两种模式,封装格式支持MPLS格式。(2)分组时钟同步

分组时钟同步需求是 3G 等分组业务对于组网的客观需求,时钟同步包括时间同步、频率同步两类。在实现方式上,目前主要有如下3种:同步以太网、TOP(Timing Over Packet)方式、IEEE 1588v2。(3)互联互通问题

PTN是从传送角度提出的分组承载解决方案。运营商现网是庞大的MSTP网络,MSTP节点已延伸至本地城域的各个角落。PTN网络必须要考虑与现网MSTP的互通。互通包括业务互通和网管公务互通两个方面。

3.应用场景

分组化是光网络发展的必然方向,未来本地网依然在相当长的时间内面临多种业务共存、承载的业务颗粒多样化、骨干层光纤资源相对丰富等问题,在考虑PTN产品网络引入的过程中,需要注意引入策略和网络承接性的问题。

首先,PTN(Packet Transport Network)的切入应该是在FE 成为主流的业务接口后再逐步实施。

而核心层采用的OTN/WDM技术已经逐步使用,建议现阶段可以考虑引入G.709接口,后期可考虑引入目前基本成熟的 ROADM 设备。在 Packet Timing 标准和产业链成熟后,可以正式切入全业务运营的分组传送网。最终可实现PTN+ OTN+WDM的城域传送网全面分组化演进。

在建设方式上,可以考虑采用业务分担式的二平面方式,通过本地核心汇聚层到接入层的自上而下的引入策略,最终实现网络向扁平化方向发展。

IP化是网络发展的必然趋势,面临技术和网络转型期的通信业正在积极跟进相关技术和产业的发展动向。目前作为分组传送网的代表技术PBT、T-MPLS 还面临着标准、芯片成熟度、产品成熟度和应用模式等多方面的完善问题,同时任何一种技术的网络规模应用都是一个逐步演进的过程,客观地去看待技术的更新和网络的演进是变革时期整个产业链都需要思考的问题。1.2.8 IP 无线接入网(IP RAN)

1.概念及产生背景(1)产生背景

随着3G无线数据流量增长和LTE的发展,传统的MSTP网络由于业务承载扩展性差、不支持流量统计复用、承载效率低,无法有效承载LTE大突发流量及基站间多点到多点业务。IP RAN 网络具有承载效率高,支持点到多点间通信,扩展性好等优点,可纳入城域网网管统一管理,适合作为3G及LTE基站的回传网络。(2)概念

IP RAN 是针对基站回传应用场景进行优化定制的路由器/交换机整体解决方案,具备电路仿真、同步等能力,增加了时钟同步功能,提高了OAM和保护能力。

2.主要技术特点

IP RAN 具有如下特点:

①IP RAN 支持流量统计复用,承载效率较高,能满足大带宽业务的承载需求;

②能提供端到端的 QoS 策略服务,保障关键业务、自营业务的服务质量,并可提供面向政企客户的差异化服务;

③能满足点到点、点到多点及多点到多点的灵活组网互访需求,具备良好的扩展性;

④能提供时钟同步(包括时间同步和频率同步),满足3G 和LTE基站的时钟同步需求;

⑤能提供基于MPLS和以太网的OAM,提升了故障定位的精确度和故障恢复能力。

3.关键技术

IP RAN 是基于IP/MPLS分组交换的无线接入网技术,IP RAN业务部署涉及隧道、VPN等基本技术。(1)MPLS基础隧道技术

MPLS 隧道技术可分为动态隧道和静态隧道两种。静态隧道是指不使用信令协议进行参数协商,不依赖于控制平面,而是通过命令手工配置。动态隧道是指需要通过信令协议建立,需要控制平面。隧道技术具体分类如图1-11所示。图1-11 MPLS隧道技术分类

IP RAN 采用动态隧道技术,常用的动态隧道技术为LDP 和TE。两种隧道技术对比见表1-3。表1-3 LDP/TE隧道技术对比表(2)VPN技术

目前MPLS VPN分为L2 VPN和L3 VPN,常见的VPN技术分类如图1-12所示。

PWE3是指在分组交换网络(PSN,Packet Switched Network)中尽可能真实地模仿以太网、低速TDM电路、ATM、帧中继和SONET/SDH 等业务的基本行为和特征的一种二层业务承载技术,IP RAN 网络中一般在接入层部署。

MPLS L3 VPN是服务提供商VPN解决方案中一种基于PE的L3 VPN技术,它使用BGP在服务提供商骨干网上发布VPN路由,使用MPLS在服务提供商骨干网上转发VPN报文。IP RAN 一般在汇聚、核心层部署。图1-12 MPLS VPN技术分类

L3 VPN 与PW的对比见表1-4。表1-4 L3 VPN/PW对比表(3)路由部署

①IGP 路由设计。IGP是指在一个自治系统内部使用的路由协议(包括动态路由协议和静态路由)。IGP的功能是完成数据分组在AS内部的路由选择。

IGP 部署方案考虑采用多进程+多区域层次化模型,通过 IGP 多进程来划分路由域,实现不同路由域的路由隔离,降低接入环节点上的路由压力,隔离网络故障。同一对B下面所有的接入环使用一个 OSPF 进程,不同接入环采用不同的 Area。汇聚核心层一般采用 IS-IS协议及进程。IGP具体部署方案如图1-13所示。图1-13 IGP 部署方案

②BGP 路由设计。B 设备启用 MP-BGP,与 SR/ER 在同一个 MP-BGP 域内,比照 PE进行部署。所有B类设备及CE 设备只需与RR 设备建立BGP Peer,路由信息通过RR 反射给其他Peer,如图1-14所示。图1-14 BGP 部署方案1.2.9 无源光网络(PON)

1.概念及产生背景(1)产生背景

在众多接入网光技术中,起源于20世纪90年代的PON技术独领风骚,目前成为主流的接入网技术手段。

PON由光线路终端(OLT,Optical Line Terminal)、光分配网络(ODN)、光网络单元(ONU,Optical Network Unit)组成,结构如图1-15所示。图1-15 PON系统组成图

PON的全称为无源光网络(Passive Optical Network),是指光配线网中不含任何电子器件及电源,全部由分光器等无源器件组成,是一种点到多点的光纤接入技术。PON采用无源光器件且共享光纤作为传输介质,具有高宽带、节省光纤资源、低投入及运维成本、覆盖范围广等优点。GPON和EPON是当今技术主流。(2)概念

PON技术还在不断地发展,PON将向着更大复合传输容量(从1Gbit/s增加到1Tbit/s)、更高用户接入带宽(从10Mbit/s增加到1Gbit/s)、更多接入用户(从16个增加到1024个)、更广覆盖范围(半径从20km增加到40km)的方向发展,将解决信息高速公路“最后一公里”的宽带瓶颈,使宽带网络“出门就上高速路”的梦想成为现实。

2.主要优势

PON技术的主要优势如下。

①多业务:PON 系统要求提供语音、数据、视频等业务接入,业务透明性好,实现真正意义的全业务接入与“三网合一”。

②高带宽:EPON 目前可以提供上下行对称的1.25Gbit/s的带宽,并且随着以太技术的发展可以升级到10Gbit/s。GPON则是高达2.5Gbit/s的带宽。

③长距离接入:目前PON 标准规定距离为20km。

④成本相对低:无源光网络,容易铺设,建设维护成本低。设备相对简单,系统对局端资源占用很少,系统初期投入低。

⑤扩展性好:PON 一般采用树形网络结构,既节省光纤资源,同时这种共享带宽的网络结构能够提供灵活的带宽分配。另外,系统在设计时增加了动态测距和分配时隙的技术,终端的增加和拆除不影响整个系统的稳定运行,因此,当系统需要扩充时,所需改动的部分最小,为工程实施提供了灵活的解决方案。

⑥良好的QoS保证:PON 系统设计中,用户可根据接入的设备重要性的不同,分别设置不同的服务等级,对重要的用户或重要的应用设备,设置及时、可靠的响应机制,从而实现了多业务、不同服务等级的综合接入系统。

⑦无源光网络是纯介质网络,彻底避免了电磁干扰和雷电影响,极适合在自然条件恶劣的地区使用。

3.主要分类

无源光网络发展至今,已经标准化的TDM-PON类型有 3 种:APON/BPON、EPON和GPON。APON 基于ATM 的无源光接入技术,遵循ITU-T G.983 系列标准,APON 和 BPON等同,基本已被GPON替代;EPON 是基于以太网的无源光接入技术,遵循IEEE 802.3ah系列标准,适宜承载基于以太网的业务,简单、低成本、中等性能,满足公众住宅客户需求,是目前的主流应用,分光比可达 1:64;GPON 是基于 ATM/GEM 的无源光接入技术,遵循ITU-T G.984系列标准,完善支持多业务接入,复杂性稍高,完备性、性能与安全性较好,可满足综合业务接入需求,是APON 的升级,分光比可达1:128。(1)EPON

EPON,即基于以太网的无源光网络,是一种采用点到多点网络结构、无源光纤传输方式、基于高速以太网平台、基于时分复用和媒体接入控制方式、提供多种综合业务的宽带接入技术。

EPON技术的特点和优势主要有以下几点。

①采用单纤波分复用技术(下行 1490nm,上行 1310nm,1550nm 传送 CATV 信号),仅需一个OLT和一根主干光纤,通过ODN分送给多个ONU,传输距离可达20km,大大降低了OLT 和主干光纤的成本。

②OLT 与ONU 之间仅有光纤、光分路器等光无源器件,无需租用机房,无需配备电源,无需设备维护人员。

③EPON采用的以太网传输方式,也是用户局域网或驻地网的主要方式,从而消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素。

④上下行均为吉比特级速率,下行采用加密广播传输的方式共享带宽,上行利用时分多址(TDMA)共享带宽。

⑤EPON具有同时传输TDM、IP数据和视频广播的能力,其中IP数据采用IEEE 802.3 以太网的格式进行传输,辅以电信级的网管系统,足以保证传输质量。(2)GPON

GPON(Gigabit-Capable PON)技术是基于ITU-T G.984.x标准的最新一代宽带无源光综合接入标准,具有高带宽、高效率、大覆盖范围、用户接口丰富等众多优点,被大多数运营商视为实现接入网业务宽带化,综合化改造的理想技术。

GPON的上行通过TDMA(时分复用)的方式传输数据,上行链路被分成不同的时隙,根据下行帧的upstream bandwidth map字段来给每个ONU分配上行时隙,这样所有的ONU就可以按照一定的秩序发送自己的数据了,不会为了争夺时隙而冲突。GPON的下行帧长为固定的125μs,下行为广播方式,所有的ONU 都能收到相同的数据,通过GEM Port ID、ONU来识别、区分和过滤属于自己的数据。

GPON的主要特点如下。

①支持全业务:包括话音(TDM、SONET 和 SDH)、以太网、ATM、租用线与其他业务。

②用同一协议可支持各种对称和不对称比特率:155M/622M/1.25Gbit/s(上行),1.25Gbit/s(下行),以及155M/622M/1.25G/2.5Gbit/s(上行),2.5Gbit/s(下行)。

③物理距离最大支持20km,光纤差分距离最大支持20km;分光比支持1:128。

④GPON 系统最大传输时延为1.5ms;线路码是不归零(NRZ)码。

⑤GEM 封装:把任何业务(TDM 和分组)都通过 GFP 装入125µs 的帧中,封装简单高效。

⑥能提供端到端业务管理的OAM&P 强大功能。

⑦技术设备相对复杂,GPON 承载有QoS 保障的多业务和强大的OAM 能力等优势很大程度上是以技术和设备的复杂性为代价换来的,从而使得相关设备成本相对较高。1.3 光网络现状及分析

经过多年的建设,各大运营商的光网络都已具有一定的网络规模,SDH、DWDM、MSTP、PTN、IP RAN、OTN 等多种技术在光网络中并存,网络较为复杂,对光网络现状的梳理和分析也是一个浩大的系统工程。1.3.1 光网络现状

光网络作为整个通信系统的基础承载网络,其上承载着众多的业务网。在分析光网络现状前,首先要对业务网现状进行分析。

1.业务网现状(1)移动网

随着3G业务的发展,移动通信网络的业务正在由原来单一语音业务逐步地向语音、数据和视频等多媒体业务发展,对于网络容量也提出了更高的需求。然而,随着3G基站流量的迅猛增长,传统的MSTP承载网络存在不支持流量统计复用、承载效率低、无法承载多点到多点业务、业务承载扩展性差等缺点,将无法适应LTE阶段基站回传等多种业务的承载需求。

LTE(Long Term Evolution),一般称为3.9G,具有100Mbit/s的数据下载能力,被视为3G 向 4G 演进的主流技术。LTE 是今后全球最主要的广域宽带移动通信系统,未来所有的2G/3G/3.5G技术都将

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