从WDM走向OTN和ASON

文章编号：1009－6868(2001)06S－0004－04 文献标识码：A 中图分类号：TN929.11

　　1 新时期的挑战和容量压力

　　近几年来，以因特网为代表的新技术革命正在深刻地改变着传统的电信概念和体系，其 迅猛发展的速度是人类历史上所有工业中最快的，要不了多少年，全球的因特网业务将超过 话音业务。传统的网络无论从业务量设计、容量、组网方式，还是从交换方式上来讲都已无 法适应这一新的发展趋势，开发下一代网络已成为网络界的共同心愿。

　　下一代网络的一个重要挑战是容量问题。近10年来，全世界电话业务的平均年增长率为 6％左右，可数据业务的平均年增长率却高达25％～40％，远高于电话业务，特别是IP业务 正呈现爆炸式增长态势，年增幅高达300％；从核心网角度看，由于网络的高生存性要求， 以数字交叉连接(DXC)选路和自愈环为基础的自愈网分别需要多消耗30％～60％和100％的额 外网络容量，使容量需求增加；从接入网看，由于一系列宽带接入技术的应用，使接入速率 增加了数十至数百倍，导致核心骨干网上的业务流量大幅度增加；在网络业务组成中将占主 导地位的IP业务量的分布模式使未来的网络业务量分布大幅度向核心网转移，这进一步加剧 了骨干网容量需求的压力；IP业务量的高度不确定性使不同路由的负荷会随时发生变化，造 成网络资源利用的高度不平衡；日益廉价的带宽正在刺激大量宽带新业务和新应用的产生， 诸如IP视频业务、高清晰度电视(HDTV)和虚拟现实(VR)等，有些特殊的宽带业务甚至需要高 达太比特每秒以上的数据速率，例如Telepresence业务需要15Tbit/s的速率(24色，30帧/秒 ，2 400点/英寸，104亿个像素)；最后，随着网络IP业务量份额的日益扩大和带宽成本的迅 速降低，在未来骨干网上用带宽换取服务质量的轻载网络策略正赢得越来越多的支持，那将 需要更大、更宽松的网络带宽。

　　综上所述，预计未来10年骨干网所需的容量将至少是今天的数十乃至上百倍，容量问题 将成为21世纪网络的最大挑战，超大容量将成为下一代网络的基本特征。

　　2 从SDH走向WDM

　　目前全球信息基础设施主要是由同步数字体系(SDH)支撑的，这种网络体系结构在传统 电信网中扮演了极其重要的角色，而且在可以预见的未来仍将不断改进以适应电信网转型的 大趋势。然而也必须看到，随着数据业务逐渐成为全网的主要业务，作为支持电路交换方式 的SDH TDM结构，其容量潜力将越来越不适应未来业务的发展，需要探索新的技术和新的更 有效的网络结构。

　　从过去20多年的电信发展史看，光纤通信发展始终在按照电的时分复用(TDM)方式进行 ，高比特率系统的经济效益大致按指数规律增长。目前商用系统的速率已达10Gbit/s并开始 大批量装备网络，不少电信公司实验室已开发出40Gbit/s的系统，预计不久就会开始投入商 用，有些实验室甚至已进行了160Gbit/s乃至320Gbit/s的试验。单路波长的传输速率正趋近 上限，这受限于集成电路硅材料和镓砷材料的电子和空穴的迁移率及受限于传输媒质的色散 和极化模色散，还受限于所开发系统的性能价格比是否有商用经济价值，因而现实的进一步 大规模扩容的出路是转向光的复用方式。目前只有波分复用(WDM)方式已进入大规模商用阶 段，其他方式尚处于试验研究阶段。

　　采用WDM技术后可以使容量迅速扩大几倍至几百倍；电再生距离从传统SDH的60～100km 增加到400～600km，节约了大量光纤和电再生器，大大降低了传输成本。WDM与信号速率及 电调制方式无关，是互连新老系统引入宽带新业务的方便手段。目前WDM系统发展十分迅猛 ，320Gbit/s(32×10Gbit/s) WDM系统已开始大批量装备网络，北电等公司的1.6Tbit/s(160 ×10Gbit/s) WDM系统也已经开始投入商用。近来，日本NEC和法国阿尔卡特公司分别实现了 总容量为 10.9Tbit/s(273×40Gbit/s)和总容量为 10.2Tbit/s(256×40Gbit/s)的传输容量 最新世界记录。从应用场合看，WDM系统正开始从长途网向城域网渗透，最终会进入接入网 领域。总的看，采用WDM后传输链路容量已基本实现突破，网络容量的“瓶颈”将转移到网络节点上。

　　3 从WDM走向OTN和ASON

　　传统的点到点WDM系统在结构上十分简单，可以提供大量的原始带宽。然而，传统WDM系 统每隔400～600km仍然需要电再生，随着用户电路长度的增加，必须配置大量背靠背的电再 生器，系统成本迅速上升。据初步统计，在不少实际大型电信网络中大约有30％的用户电路 长度超过2 400km，随着IP业务的继续增加，长用户电路的比例会继续增加，这些长用户电 路的成本很高；其次，每隔几百公里就需要安装和开通电再生器，使端到端用户电路的指配 供给速度很慢，需要一个月以上；另外大量电再生器的运行维护和供电成本以及消耗的机房 空间使运营成本大幅攀升；而且，网络的扩容也十分复杂，在大型网络节点中，往往需要互 连多个点到点系统，涉及几百乃至几千个波长通路的互连。传统WDM结构要求每一个方向的 每一个WDM通路都实施物理终结，靠手工进行大量光纤跳线的互连，造成高额终结成本和运 行成本。简言之，传统点到点WDM系统的主要问题是：

　　(1)点到点WDM系统只提供了大量原始的传输带宽，需要有大型、灵活的网络节点才能实现高效的灵活组网能力；
　　(2)需要在枢纽节点实现WDM通路的物理终结和手工互连，因此不能迅速提供端到端的新电路；
　　(3)在下一代网络的大型节点处，高容量的光纤配线架的管理操作将十分复杂，手工互连不仅慢，而且易出错，扩容成本高，难度大；
　　(4)需要增加物理终结大量通路和附加大量接口卡的成本，特别对于工作和保护通路可延伸到数千公里的长距离传输系统影响更大。

　　显然，为了将传统的点到点WDM系统所提供的巨大原始带宽转化为实际组网可以灵活应用的带宽，需要在传输节点处引入灵活光节点，实现光层联网，构筑所谓的光传送网(OTN)乃至自动交换光网络(ASON)，即实现从传统WDM走向OTN和ASON的转变和升级。当然，这种转 变从网络视角看不应也不会是革命性的，而是长期的、自然的演进过程，是网络可持续发展 战略的必然结果。

　　3.1 向点到点超长WDM演进

　　向全光网络的演进可以从敷设点到点超长WDM系统开始，即将典型的干线网电再生中继 距离从目前的几百公里扩展到几千公里，从而大量减少电的再生中继器，传送节点仍然可以 继续应用电的DXC设备。此时，城域网和接入网所产生的较低速率的TDM业务和ATM/IP业务仍 然通过标准接口利用ADM、DXC、IP路由器和ATM交换机实现传送和疏导功能，然后，汇集成 高速STM－16/64信号流送给超长WDM系统。完成这一步演进的主要好处有：
　　(1)由于大量电再生中继器的消除，简化和加快了高速电路的指配和业务供给速度；
　　(2)由于业务量的疏导在核心网边缘处实现，核心网可以确保有最大带宽效率；
　　(3)由于大量电再生中继器的消除，大大降低了网络的维护运营成本。

　　然而，仅仅实现点到点超长传输仍然是不够的，此时由于DXC还需要物理上终结所有电 路，使得系统仍难以快速指配和提供端到端电路，运营复杂、成本高、容量扩展性差的缺点 仍然存在。

　　3.2 中间站节点引入OADM

　　随着光节点波长数的迅速增长和光节点间传输距离的扩展，中间站节点上下业务量的需 要将会增加，于是可以重配置的光分插复用器(OADM)成为灵活组网的必须，构成WDM网的一 部分。此时的WDM网开始具有简单的光层联网功能，在中间站，节点可以根据组网的需要插 入或分路一组选择的波长。此外，由于消除了光电变换，网络成本降低。通常多于50％的用 户电路是直达电路，无需在中间站终结。完成这一步演进的主要好处有：

　　(1)由于高速直达电路的指配只需要在电路的端点加线路卡即可，因而可以进一步加快 直达电路的指配和业务提供速度；
　　(2)减少了大量中间站节点的背靠背终端及相应的收发机线路卡，降低了网络成本，增 强了透明性并进一步减低了运营成本；
　　(3)由于仅仅落地业务量需要在OADM终结，可以大大减少数字交叉连接的规模和成本， 同时也减轻了路由器或ATM交换机等业务层节点所要处理的业务量，降低了对业务节点规模 的要求。
　　
　　3.3 在枢纽节点引入OXC和智能光交换机

　　随着更多的波长在网中应用，网络变得越来越复杂，逻辑上更趋向于完全的网状拓扑， 需要在大型传送节点中在光通路等级上管理业务容量和处理网络间的信号，此时具有更大波 长处理能力和灵活组网能力的光交叉连接设备(OXC)成为必要，WDM网开始演变为光联网，IT U－T称之为光传送网。所谓光传送网就是在光层面上实现类似SDH在电层面上的联网功能，由一组可以为客户层信号提供主要在光域上进行传送、复用、选路、监控和生存性处理的功 能实体所构成，其中OXC是光层联网的核心。在枢纽节点引入OXC的主要好处与在中间站节点 引入OADM相同，只是由于网络逻辑拓扑的完全网状化，光层互连程度的大大增加，从而可以 在更大程度上享受光层联网的一系列好处并能实现光层恢复功能。

　　然而，OXC尽管具有灵活的组网能力，但传统意义上的OXC仅仅具有静态网络配置的能力 ，主要靠网管系统进行调配，无法适应日益动态的网络和业务环境，特别是随着IP业务成为 网络的主要业务量后，由于IP业务量本身的不确定性和不可预见性，对网络带宽的动态分配 要求将越来越迫切，网络急需实时动态配置能力，即智能光交换能力。为了将传统的OXC升 级为智能光交换机，一种能够自动完成光网络连接的新型网络概念——自动交换光网络(ASO N)应运而生，这是几十年来传送网概念的重大历史性突破，也是传送网技术的一次重要突破 ，使传送网具备了更高智能。ASON允许将网络资源动态地分配给路由， 具有恢复和复原能 力，使网络在出问题时仍能维持一定水准的业务，特别是具备分布式恢复能力，可以实现快 速业务恢复；ASON还可以将光网络资源与数据业务分布自动联系在一起，形成一个响应快和 成本低的光传送网；最后， ASON还可以提供大量新的业务类型，诸如按需带宽业务、波长 批发、波长出租、带宽交易、按使用量付费、光拨号业务、动态路由分配、光层虚拟专用网 (VPN)等。

　　可以预计，随着全网业务的迅速数据化，特别是宽带IP业务的快速发展，ASON将不仅可 以提供巨大的网络带宽，而且可以提供可持续发展的动态网络结构、保证的性能以及廉价的 成本来支持当前和未来的任何业务和信号，成为支持下一代电信网的最灵活有效的基础设施 和新的波长业务的直接提供者。显然，从可以预见的未来看，ASON将最终成为光网络演进发 展的最高阶段。

　　4 光交叉连接设备

　　光交叉连接设备(OXC)是OTN的核心，在传送网中的主要功能有：提供以波长为基础的连 接功能，提供光通路的波长分插功能，对波长通路进行疏导以实现对光纤基础设施的最大利 用率，实现在波长、波长组和光纤级上的保护和恢复。当OXC能够实现动态波长选路功能时 ，常称为波长路由器。

　　OXC的研究工作已进行了很多年，但目前仍处于现场试验和小规模商用阶段，只有美国 朗讯公司和Corvis公司的设备开始了实际应用。主要问题之一是尚未有性能价格比好、容量 可扩展、稳定可靠的光交换矩阵。光交换矩阵的核心是光开关。原理上，光开关有3类：电 光开关、热光开关以及光机械开关。尽管光机械开关是最成熟的技术，性能优良、设计配置 简单、成本较低、对环境要求不高，并已获得广泛的应用，但由于体积庞大、开关速度慢、可靠性不理想、矩阵规模小，因此不适于大规模OXC应用。热光开关和电光开关速度较快，可达毫秒和亚毫秒级，结构紧凑，但插入损耗和串音大。从总趋势看，光开关正从光机械开 关向热光开关和电光开关方向发展，开关速度也从100ms减少到5ms乃至数百微秒量级，结构 变得紧凑，开关矩阵规模得到扩大，但性能不够理想，矩阵规模仍不够大。近来，一种称为 微电子机械开关(MEMS)的新型光开关已显示了巨大的发展前景，这是一种将自由空间互连与 硅基单片集成技术相结合的新技术，这种机电一体化的开关器件结合了机械光开关和固体波 导开关的特点，结构紧凑、集成度高、性能优良、矩阵规模大、便于批量生产，正成为实用 化大型OXC的主要开关技术之一。美国朗讯公司采用三维MEMS矩阵技术实现了256×256的全 光交叉连接器，称为波长路由器，可节约25％的运行费用和99％的能耗。加拿大北电公司利 用两个相对放置的三维MEMS矩阵技术实现了1 008×1 008的大型OXC，容量上和端口上都有 重大突破，其总容量比传统电交叉连接器提高了约两个量级。

　　当然，OXC除了硬件技术外还需要解决一系列的软件技术后才能成为智能光节点，真正 发挥动态联网作用，关键是选路协议和控制信令以及与业务层的交互和协调等。

　　5 IP层与光层的融合及演进结构

　　宏观地看，未来整个网络可以粗分为两部分，即光传送网和业务网。光传送网由光交换 机和WDM传输链路组成，业务网依靠光传送层提供波长通路来与对等层节点或网元实现连接 。

　　在网络向两层结构的演进过程中，为了完成两层网络的有机结合，首先需要有一种统一 的资源控制方法，所谓多协议波长标记交换(MPLmS)就是一种将多协议标记交换(MPLS)流量 控制平面技术与光交换技术相结合的新思路，将标记交换的概念扩展至包括波长选路和交换 的光通道，让业务流来控制连接。MPLmS 可以看作是一种简化MPLS，利用IP选路协议来发现 拓扑，利用MPLS信令协议来实现波长通路的自动指配，为实时配置光波长通路提供了基本框 架。这种方法可以使业务节点动态地要求传送网提供所需的波长，实现统一的网络控制和快 速业务供给，简化了IP层与光层的融合以及跨层的网络管理，通过跨层的流量控制改进了资 源利用率，降低了网络运行和业务拓展成本，有利于大规模网络敷设。IP层与光层的融合正 展现出前所未有的前景。

　　目前MPLmS支持两种基本网络结构，即重叠模型和混合模型。尽管两者都是以IP为中心 的控制结构，但在管理应用上有很大的不同，基本反映了计算机界和电信界的不同思路，前 者的基本思路是将光层特定的控制智能完全放在光层独立实施，无须客户层干预，客户层和 光层将成为两个基本独立的智能网络层，而光层将成为一个开放的通用传送平台，可以为包 括IP层在内的所有客户层提供动态互联。为此，这种模型有两个独立的控制平面。后者的基 本思路是将光层的控制智能转移到IP层，由IP层来实施端到端的控制。此时光网络和IP网可 以看作一个集成的网络，光交换机和标记交换路由器之间可以自由地交换所有信息并运行同 样的选路和信令协议，实现一体化的管理和流量工程。

　　采用重叠模型的最大好处首先是可以实现统一透明的光层平台，支持多客户层信号，不 限定于IP路由器；其次是让客户层特定要求通过接口送给光服务层，由光网络层来完成客户 的连接要求，可以屏蔽光层的网络拓扑细节，维护了光网络拥有者的秘密和知识产权；第三 ，这种模型允许光层和客户层独立演进，也允许光层内的每一个子网独立演进，这样光层可 以继续以所谓的光定律速度快速演进，不会受制于由摩尔定律所限定的18个月翻番的IP层发 展速度，即整个网络基础设施的发展不为客户层技术所限；第四，采用子网分割后，运营者 既可以充分利用原有基础设施，又可以在网络其他部分引入新技术，不为原有基础设施所累 ；最后，这种模型可以利用成熟的标准化的UNI和NNI，比较容易在近期实现多厂家光网络中 的互操作性，迅速实施网络商用化敷设，这对网络运营者十分重要。

　　当然，无论采用哪个模型，都还需要解决一系列问题后才能真正实用化，主要待定问题 有IP层与光层间的接口、交换的信息、流量工程、动态指配和快速恢复、选路和信令协议、 光通路端点的全球公用寻址方案等。

　　6 结束语

　　随着业务加速向分组化的转移以及网络加速向下一代电信网的演进，实用化的光联网技 术正开始浮现出“地平线”。让我们在进一步完善电联网和敷设点到点WDM的基础上，开始 准备走向OTN和ASON的时代。

[摘要] 文章从新时期的容量压力开始，阐述了从SDH走向WDM的大趋势，并进一步分析了传统点 到点WDM系统的主要问题，论述了从WDM走向OTN和ASON的历史必然性，并介绍了其典型演进 步骤。文章还介绍了光联网的核心？？光交叉连接设备的主要进展，最后简述了IP层与光层 的融合及演进结构问题。

[关键词] 光传送网 光联网 自动交换光网络

[Abstract] Through the analysis of the present network capacity pressure, this paper po ints out that the technical evolution from SDH to WDM is a general trend. It als o presents major problems in the traditional point－to－point WDM system, and co ncludes that WDM will inevitably evolve to OTN and ASON. The typical evolution s teps are described. Furthermore, the paper introduces the latest developments of OXC, and discusses issues about the convergence of IP layer and optical layer a nd its evolution architectures.

[Keywords] OTN Optical networking ASON