面向IP的分组传送网发展思路

基金项目：国家自然科学基金资助项目(6052013029、60572006、2006AA01Z252、2006AA01Z249)

    回顾世纪之交前后20年整个世界的发展变化，可谓是波澜壮阔。信息通信技术的个人化、移动化、数字化、分组化、多媒体化趋势十分明显，“创新”、“融合”和“转型”成为全球电信业发展的主旋律。融合提供了更大的发展空间，创新带动了业务量的增长。固定和移动业务的融合是运营商进行全业务运营、实施差异化竞争的重要手段，进而推动传统运营商向综合信息服务提供商转型。

    传统通信网络为每种业务建设专用的业务平台，业务资源难以融合、共享，运营商必须同时维护多个业务平台，造成建网成本和维护资源的双重浪费。随着IP类应用的不断推广，特别是客户终端的IP化以及多种基于以太网的业务的出现，目前传送网中承载的流量绝大多数是分组业务，这为运营商提供了技术转型和发展的战略机遇。业务发展驱动网络转型与融合的态势如图1所示，光网络如何发展以及适应网络IP演进成为业界讨论焦点。

    支撑高可信网络体系的是基于光纤的传送网络。随着数据业务的迅猛发展，宽带多业务传送、端到端的带宽提供等新模式不断出现，传统的同步数字体系(SDH)技术、IP技术和以太网技术都不能适应下一代网络对传送和承载的全方位需求，迫切需要建立一种更高效率、更加灵活的面向分组的传送网络形态，充当未来大容量信息传送与交换的基础平台，实现IP与光传送网的完美结合。面向IP的高性能的分组传送技术就提供了满足上述要求的、极具应用前景的解决方案[1-2]。

1 业务IP化对传送网的挑战
    电信运营商为了适应电信业务的迅速发展，纷纷提出了战略转型，从“网络、通信运营商”转变到“综合信息服务提供商”，为客户提供多样化的信息服务。这些转型计划都有一个非常重要的目标，就是要完成网络融合和业务融合，在融合的网络上实现对全业务的支持。

    电信技术的飞速发展，在融合的统一业务平台上为提供多样化的信息提供了可能，这个统一的协议就是IP，业务IP化也推动着网络的IP化发展。传统的IP/以太网over SDH+WDM的网络组织架构无法构筑一个面向数据业务的、可靠的、具有端到端动态业务调度功能的传送网络，无法满足IP承载网的传送需求和提供电信级以太网业务的要求，发展下一代分组传送技术成为光网络发展的必然。

    随着以Internet为代表的数据业务和多媒体业务的不断发展，电信运营格局的变化，业务的传送环境发生了很大变化。传送网以2 Mb/s或SDH的155 Mb/s为颗粒的基本单位将不再成为最常用的用户接口来使用。新业务的接口主要是针对数据应用，同时一些传统的业务也转移到IP的承载方式，如VoIP语音业务。业务的接口形式也变成了以太网接口、POS接口以及少数的异步传输模式(ATM)接口。随着时分复用(TDM)业务的相对萎缩及“全IP环境”的逐渐成熟，传送设备要从“多业务的接口适应性”转变为“多业务的内核适应性”。

    从现状来看，IP业务在传输系统和传送网络上的承载和传送方式根据传输层面的不同配置模式具体可以有很多种方式，如图2所示。承载方式有光纤直驱型和密集波分复用(DWDM)波道直驱型，传送方式有光层点到点方式和透明传送方式，还有光层通过光传送网(OTN)和可重构光分插复用设备(ROADM)进行联网的传送方式等。

    从国际主流运营商对IP 承载网络的发展思路来看，可以归纳出比较一致的技术观点：

• 以IP/MPLS＋DWDM为核心技术建设骨干网，利用IP虚拟专用网(VPN)业务平台承载多种业务；
• 采用区分服务(Diffserv)和MPLS流量工程(TE)相结合的技术提高IP网络服务质量(QoS)性能；
• 引入控制平面，提高控制力度和增加网络智能；
• 大力推进IPTV、家庭网络等新型IP业务。
  

    但基于IP/MPLS的承载网技术还面临很多的挑战，主要体现在对IP网的扩展性、生存性、业务QoS和安全性提出了严峻的挑战。影响IP网扩展性的关键问题就是路由表庞大的N平方问题；影响网络生存性的关键技术有路由快速收敛技术、快速重路由技术(FRR)；影响可靠性的关键技术有软硬件在线升级技术、协议平稳重启技术和设备自身的可靠性技术等。

    从目前IP网的保护恢复机制来看，FRR的保护时间在50 ms，但由于其扩展性、规划管理难度非常大等方面的问题，该技术只能应用在小范围的IP核心层，在汇聚层和接入层采用内部网关协议(IGP)快速协议收敛，在一定条件下可保证业务的QoS；但是一旦光缆中断，WDM系统中传输的几十个乃至上百个10 Gb/s的IP逻辑链路同时中断，路由器将进行大规模的FRR和IGP协议收敛，这对IP网及其上层业务来说将是灾难性的，因此IP网对于大面积光缆中断的承受能力受到严重挑战。

    对IP业务的传送并不意味着传送要IP化，仅意味着传送内容的IP化，而并不是某些人所说的承载实体的IP化。也就是说IP承载层离不开也无法代替光传输层，这是因为IP网主要采用路由器节点技术，其大规模、长距离的互连离不开光传输层的链路传输控制技术。同时，IP路由器带宽容量仍然无法与光传输层的超大带宽容量相比，IP承载层缺乏广泛、有效的保护恢复机制，难以提供电信级QoS保证以及安全机制。而传输层可以在一定程度上弥补这一不足，传输层的特点就是能提供电信级的强大的网络保护和恢复能力。

    综上可知，在对新业务支持中，路由器/交换机技术去实现网络的承载仍然面临建设资金、投资回报等经济压力；在大规模组网时，也存在可扩展性、可靠性、安全性等方面的缺陷。在实际网络建设中，可以考虑通过与现有成熟的传输技术进行融合，用性价比更高的方式去实现下一代分组传送网络。

2 分组传送网技术定位
    可以这样说，网络业务的分组化，促使传送网向分组交换传送网演进。但IP网和传送网的融合并不意味着光层就退化为点到点的传输系统，而是要提供更加灵活的、更适应于IP业务需求的新一代传送网。光传送网业务的分组化趋势并不意味着传送网的完全IP化，在经济有效的使用光层的长距离传送的同时，仍然需要一个智能的传送层面将各类业务高效、灵活地填充到光纤巨大的带宽通道中去，实现带宽复用和光层调度技术。

    理想的分组传送网络应该是一个融合的网络，即使用统一的传送网来承载不同的应用，而建立这样的融合网络的关键在于一个理想的传送平台。该平台应具有以下的特性：有效支持从电路交换网向分组交换网的过渡，特别是IP传送；集数据、电路和光层传送功能于一体；提供快速多业务交换功能；具有光的透明性，适应各种将来可能出现的协议和业务；具有拓扑灵活性，可快速扩展业务，符合网络转型的趋势；网络的链路容量和节点数可以不受限扩展；采用统一的交换层面管理，可实现与与现有的传送网络互联互通；统一的操作管理和维护，提高网络可用性，实现快速故障定位。

    未来光网络将是以传送数据内容为核心业务的网络架构。在核心传送层，将统一传送TDM、IP和波长业务，同一个平台上既可以处理端到端的IP/MPLS业务，也可以同时处理传统的固定比特速率(CBR)业务。在业务汇聚层面，可实现多业务的接入(包括移动业务)，而且应该具有可操作管理的能力、QoS保障能力、组播能力以及波长交换能力等。下一代分组传送网络的协议栈层次结构如图3所示，上层业务由IP层统一吸收、汇聚和疏导，下层由光层直接提供长距离传送和交叉调度，并针对不同业务流带宽粒度的需求，在中间层相应地可以分别采用或组合使用分组级、子波长级和波长级等不同的交叉调度组网功能来实现高效组网。

    目前较合适的策略是IP网与传送网同步地发展并逐渐融合，引入针对分组传送而优化的网络层面光传送体系(OTH)或分组传送网(PTN)来降低网络的整体成本。在传送骨干网中首先引入光/电层控制平面，提高网络业务动态智能调度、业务保护恢复和新业务提供的能力，然后向着更大颗粒度和分组化智能的方向发展，逐步引入光信道数据单元(ODU)以及ROADM技术[3]，利用OTN的复用和监控功能提升光层的可管理型，在此过程中传送层面将逐步完成向着PTN方向的升级和改造。在城域汇聚网可以率先采用支持完全分组能力的PTN传送节点，彻底打破传统传输网和二层数据网的界限，构建融合的统一网络，承载网络中现有业务和将来可能出现的各种新业务，所有业务都在同一平台上传送，从而形成最佳性能价格比的演进方案。

    面向IP的传送网的发展思路依然是承载效率和业务的可靠性、可管理性和可扩展性。分组交换传送网不仅继承了传送网的基本特征：操作、管理、维护(OAM)和高生存性，还吸收了分组交换对突发业务高效的统计复用和动态控制面的优点。

3 分组传送技术发展历程
    光传送网接入IP/以太网业务、适配与交换IP/以太网业务的传送和交换需求已经成为光通信下一步发展的一个重要议题之一。光传送网从多种角度和多个方面提供了相应的解决方案。

    在兼容现有技术的前提下，由于SDH设备大量应用，为了解决数据业务的处理和传送，在SDH技术的基础上研发了多业务传送平台(MSTP)设备，并已经在网络中大量应用，很好地兼容了现有技术，同时也满足了数据业务的传送功能。但是随着数据业务颗粒的增大和对处理能力更细化的要求，上层业务对传送网提出了两方面的新需求：一方面传送网要提供大的管道，这时的广义的OTN技术[4](在电域为OTH，在光域为ROADM)提供了新的解决方案，它解决了SDH基于VC-12/VC4的交叉颗粒偏小、调度较复杂、不适应大颗粒业务传送需求的问题，也部分克服了WDM系统故障定位困难、以点到点连接为主的组网方式、组网能力较弱、提供的网络生存性手段和能力较弱等缺点。另一方面多业务承载和传送需求对光传送网提出了更加细致的处理要求，业界也提出了分组传送网的解决方案。分组的传送网是建立端到端面向连接的分组的传送管道，将面向无连接的数据网改造成面向连接的网络，该管道可以通过网络管理系统或智能的控制面建立，该分组的传送通道具有良好的操作维护性和保护恢复。

    分组传送概念在不同发展阶段和不同网络层次所表现的形式不尽相同，既包括了以MSTP为代表的数据业务的电路型传送平台技术，也包括了以运营商骨干网传送(PBT)和弹性分组环(RPR)为代表的电信级以太网技术[5-7]，同时也包括了基于MPLS增强功能的分组传送技术[8-9]，甚至还包括了IP over WDM/OTN/ROADM等主要定位于干线和城域网核心层的分组传送技术。图4总结了不同网络领域分组传送网的各种技术演进路线。新一代传送网将全面面向IP业务，在干线传送网采用IP over WDM技术适应业务IP化的需求；在城域传送网也将逐步引入新的PTN技术适应分组传送的需要，并且由表层分组化(MSTP的接口适应性)向内核分组化(PTN的内核适应性)演进。

    主要定位于城域网应用的分组传送网的技术分类也有多种不同的分类方法。如图4所示，如果从实现分组传送网的核心技术来分类，主要有基于以太网的分组传送技术(也有人称其为“电信级以太网”)和基于“传送MPLS”的分组传送技术。以太网技术具有成本低、具有本征的多播支持能力和较好的管理能力，以太网分组传送技术基本上是在现有以太网技术基础上进行改进，通过添加标签或帧头，增加OAM开销等手段来满足可扩展性、可管理、高服务质量和可靠性的分组传送需求的。而传送MPLS技术则是基于成熟的简化了的标签交换协议和伪线仿真(MPLS/PW)的多业务支撑技术，具有较为成熟的TE和保护机制。

4 分组传送网络发展愿景
    业务的IP化将直接影响传送网的演进策略和技术发展。这可以从两个层面来分析：骨干传送层和城域传送层。由于业务的IP化，导致核心层骨干路由器之间的流量大幅度增加，带宽需求较大。此时最有效的传送网建设方案是采用集SDH与WDM优点于一身的OTN技术体制设备组网，能够分别实现电层和光层的交叉连接，并且可以组成自动交换光网络(ASON)，能够提供业务的自动多路径保护。对于本地网核心层，业务量较大，节点较多的超大城市，也可以采用OTN设备。除此之外，城域传送网为符合IP化的业务发展需求，传送网应该是基于100%内核的分组传送网。

    另外，由于MSTP设备已经大量应用，并且第三代的MSTP设备已经较好地实现了对数据业务的传送和二层处理，因此现阶段，为了保护已有投资，估计运营商还是会以MSTP设备为主建设，并随着数据业务发展趋势，逐渐向由分组设备替换MSTP设备的方向演进。

    技术可以是革命的，但网络的演进是渐进的，对拥有完善的SDH/同步光纤网(SONET)网络的运营商来说，充分利用SDH/SONET技术完善的、面向传送的OAM来承载现有业务和即将出现的新业务，也是不错的选择，这时他们就可以选择MSTP来实现对TDM进行传送的同时兼顾一些数据业务的传送。MSTP提供以太网业务所使用的是SDH网络承载以太网(EOS)技术，其他基于传输设备OTN和WDM的数据传送技术为传送网承载以太网(EOT)技术。这类以太网传送解决方案，因为其内核SDH是基于TDM的，仍无法适应包交换传送的需求，必须接合其他的技术。于是ITU-T将MPLS引入到传送网中，提出了的分组传送概念，其实质是简化MPLS、学习传送网的静态配置思想并结合传送网的电信级网络特性。基于以上分析，我们认为下一代分组传送网的发展愿景[10]如图5所示，其中包含以下几种主要组网场景。

• 城域接入可使用MSTP接入、以太无缘光网络(EPON)/以太环网协议(ERP)等电信级以太网(CE)接入，甚至可使用RPR/粗波分复用(CWDM)/PTN等多种手段来接入多业务；这涉及多种接入技术与MSTP、CE、PTN和 OTN的混合组网；
• 城域汇聚/城域核心可使用SDH/MSTP环/RPR、CE/PTN网络(例如PBT和T-MPLS)，甚至在业务颗粒非常大有必要时可直接使用WDM，甚至引入OTN(OTH＋ROADM)技术作为实现IP over WDM/OTN/ROADM的手段；
• 在区域干线和国家干线使用WDM和OTN(OTH＋ROADM)作为IP over WDM/OTN/ROADM的手段，这涉及到点到点DWDM向基于OTH和ROADM的OTN网络的演进。
  

5 结束语
    根据运营商当前的业务模式、业务提供及以前的网络基础，有各种各样的网络技术可供选择。那些关注宽带接入、三重播放，以及商用以太网业务的运营商会考虑建设有WDM支持的以太网网络以实现灵活可升级的业务提供。而对于提供传统多业务的固网或移动运营商来说，需要优化利用已有的网络基础来传送现有业务和新型业务，让现有的SDH/SONET网络全面支持以太网传送OAM，这时他们就可以选择基于SDH的MSTP技术。而分组传送网一方面继承了电信网络在多业务、高可靠、高质量、可管理和时钟等方面的优势，另一方面又具备IP/以太网的低成本和统计复用的特点，必将成为下一代多业务、分组化传送的核心技术。

6 参考文献
[1] 龚倩, 徐荣, 李允博, 等. 分组传送网[M]. 北京:人民邮电出版社, 2008.
[2] 徐荣, 龚倩, 邓春胜, 等. 电信级以太网[M]. 北京:人民邮电出版社, 2008.
[3] 李允博, 徐荣. 数据业务承载技术应用分析[J].电信网技术，2007(8):9-12.
[4] 李允博. 光传送网(OTN)技术发展和网络应用[J]. 中国电信建设，2007,19(4).
[5] 韦乐平. 城域电信级以太网的特征与新发展
[J]. 电信科学, 2007,23(2):1-5.
[6] 刘洁. 电信级以太网技术PBT和T-MPLS的分析和比较[J]. 电信科学, 2007,23(2):24-29.
[7] 刘智勇. 电信级以太网的可靠性及实现[J]. 通讯世界, 2007(6):46-47.
[8] 李健, 顾畹仪, 张杰, 等. T-MPLS分组传送技术[J]. 电信科学, 2007,23(1):85-88.
[9] 毛谦. 传送MPLS(T-MPLS)体系的接口[J]. 光通信研究, 2006(3) :1-5.
[10] 王磊. 新一代光传送网演进[C]//中国通信学会信息通信网络技术委员会2007年年会论文集, 2007,青岛.

收稿日期：2008-05-09

[摘要] 业务IP化触发了新一代光传送网——分组传送网的兴起，业务IP化对光传送网提出了更大带宽传送、更加灵活组网等新挑战。实现IP与传送融合的分组传送网定位于满足IP业务的高效传送、灵活组网、高可扩展性和高可靠性等方面。分组传送概念在不同发展阶段和不同网络层次所表现的形式不尽相同，在骨干网主要表现为IP over 波分复用(WDM)/光传送网(OTN)/ 可重构光分插复用(ROADM)的大带宽传送，而在城域网范围主要表现为以传送多协议标签交换(T-MPLS)和电信级以太网(CE)为代表的分组交换和传送技术。

[关键词] 演进；光传送网；分组传送网

[Abstract] The requirements of IP-based services bring a new generation technology of Optical Transport Network (OTN), which named packet transport networks. The IP-based services need the OTN to provide bigger bandwidth, more flexible networking, much higher scalability and resiliency. The packet transport has different concepts in different network developing periods and different network levels. In backbone networks, it is presented as big bandwidth transport in IP over Wavelength Division Multiplexing (WDM)/OTN/Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer (ROADM), while in metro networks, it is presented as some major packet switch and transport technologies, such as Transport Multi-Protocol Label Switching (T-MPLS) and Carrier Ethernet (CE).

[Keywords] evolution; optical transport network; packet transport network