在融合和优化中演进的统一承载网

日期:2016-02-16 / 人气: / 来源:

21世纪的前10 年,电信市场格局发生了巨大变化:随着市场竞争的日益激烈,电信管制政策的变化,电信市场上出现了提供固定业务和移动业务的综合大型电信运营商;运营商业务范围也日益扩大,逐渐覆盖了数据、语音和视频等多种基本业务。这些均给运营商的网络建设和网络运维带来了极大的压力和挑战。

在网络的发展过程中,IP 方式承载和以太网业务逐渐成为整个网络承载的主流方式,IP 数据流量已经占到承载网流量的绝大部分。据一些咨询机构提供的数据表明:IP 业务平均每年都以40~50% 速度不断递增。这些流量给网络来了巨大的压力,主要表现在:路由器扩容压力越来越大,并且IP 网络运营面临增量不增收的尴尬处境。

一些大型运营商和服务商研究发现:经过核心路由器的IP 流量中,大约60~70% 流量只需要路由器流量中转而无需IP 层处理,逐跳转发将浪费大量路由器资源。此,将中转流量旁路核心路由器可以有效降低IP 网络的投入。与传输设备和以太网交换设备相比,路由器的端口十分昂贵。解决该问题的一个思路是通过流量下沉,将中转流量移交给光传输网络,减少昂贵端口的消耗,同时节省传输中的单位比特能耗;另外通过融合设备加强二层处理功能,支持处理不需经过IP 转发的流量,这样也能实现降低设备成本和节能减排的作用。从长远的需求角度看,当进行网络实施流量工程提升网络性能之际,软件厂商提供更加全面和优化的算法,进行业务流量规划和分布,寻找业务连接的全局最优路径,可以使得网络运行在一个高效和合理的状态。

由于当前数据网络和光网络规划和运营分别隶属于不同部门,流量优化一般采用单独的规划和调度,部门之间通过静态的工单进行联系和沟通。数据网络是负责数据分组的转发和调度,而光传输网络负责大容量数据传输;一般是IP/多协议标签交换(MPLS)网络规划流量和路径后,下工单要求传输部门建立光通道来连接各路由器,光网络通过静态配置或者动态连接操作提供物理链路资源。但这样分层运营和独立优化的方法很难获得全局优化的效果。

因此,要想获得较好的优化效果,运营商需要整合其部门管理职能、优化业务流程并使用先进的优化技术。如果使用光网络来旁路数据网络的中转流量,那么需要通过数据网络和光网络的统一调度,并在合适位置将分组流量引导到相应的光通道上,之后直接传输到对端的路由器,从而节省中间网络路由器的端口,减轻传输压力。对于一些纯交换的以太网业务,则可以通过边缘的增强传输设备直接接入,无需通过IP 路由器逐跳转发,光网络直接将流量导向目的地。为了协助运营商实现运营效率提升,设备和软件提供商需要进行一系列的技术创新和改进,文章从融合和优化两个角度提出了对运营商分组和光传输网络的改进方法。


1 网络和设备的融合

1.1 组网方式的融合

1.1.1 数据网络的融合与黑链路

随着IP 承载多业务时代的到来,路由器在数据网络中的地位日益突出,相应的网络边缘设备能力不断提升,路由器与光网络的边界和接口也出现了新的界定和融合。路由器设备发展集成了光收发模块,减少了相关光传输设备收发模块的数量。同时,路由器光模块具备G.709 的成帧能力和前向纠错编码(FEC) 能力,通过加强运维、管理和维护(OAM) 能力和编码增益,降低了光传输再生时候的光电光(OEO) 转化和电交叉的成本。如图1 所示,路由器通过收发模块发送或者接收光传输设备的彩光,即连接链路是满足G.698.2 规范要求的黑链路。数据网络边界的接口从而把传统的光传输部分功能纳入进来,优化设备配置。根据集成程度不同,还出现另一种技术,如图2 所示,路由器进一步集成合分波器,网络的边界成为合波后的多通道波分复用链路。


黑链路接口方式可以给网络融合带来很多益处,在一定范围内对投资成本(CAPEX)的优化带来了明显效果,如减少OEO 转化次数、节省光层发射模块、减少网元数量和电层交叉处理成本。在运营成本(OPEX)方面,通过集成的模块,将光层OAM 信息自然带到数据层,从而实现信息互通,便于端到端的管理。但是这种应用是有局限性的,例如在大型和长距离光传输中,由于没有电层再生能力,一些色散、非线性效应难以补偿,对于40G/100G 传输系统码型、色散容限等参数多厂商难以统一等。此外,当多种类型的数据网络承载到统一的光网络上,光网络的运维能力也会显得不足。所以在范围不大的区域进行传输时,如在城域网或者互联网数据中心(IDC)中心之间流量旁路,这种组网方式更有发展前途。而对于传统大型运营商,还会寻求其他更为有效的网络方式组网。

1.1.2 光网络的融合与传统GE 接口发展

网络融合另外一个发展趋势是把重点改造放在光传输网络上,而使数据网络保持最小改动。数据设备仍保留千兆以太网(GE)/同步数字体系(SDH) 承载分组(POS) 接口,并通过电路或者灰光接口连接到传输设备上。光传输设备在电交叉处理能力上集成分组处理功能,并首先在传输业务处理线卡上增加基于虚拟局域网(VLAN)封装和交换功能,再进行单板级别的数据流量汇聚和疏导;然后进一步发展设备增强业务处理单板和背板能力,实现设备级别的流量汇聚和交换;最后设备集成MPLS 或者的标签交换路径(LSP)功能,进行更加细致的通道调度和交换。


如图3 所示,光传输设备不仅保留了电层处理功能,还融合了大量的二层甚至部分三层处理功能。

通过保持原有网络接口形式的一致,可以实现在光传输设备的升级改造,这符合运营商兼容已有网络、逐渐演进的发展思路。光传输设备通过增加不太复杂的二层汇聚和交换功能,提升传输网络流量、调度灵活性的同时,仍然保持了传统的传输网络传输可靠、OAM&P 能力强、运维水平高的特点。同时,网络仍然可以把IP 的中转流量下沉到光传输设备中并实现传输,此时传输设备具备从到ODU3 粒度以及ODUflex 的调度能力,

1.1.3 两层改造和通道化OTN 接口

运营商还曾考虑过数据设备和光传输设备都保留光传送网(OTN)接口能力的方案,这样以来光传输可以为分组承载建立通道化的OTN 接口,并可以将IP 流量下沉到传输设备进行旁路。但是该方案和设备在业界影响较小,因为无论从设备简化还是网络兼容性角度,优势都不明显。如果光网络侧要保留ODU0 调度能力,网络两侧设备都需要具有光通道数据单元(ODUk) 的封装和解封装处理能力,综合来看该方案反而增加了设备成本。

设备功能的融合业务的融合客观要求网络构成的融合以及组织的融合,而网络的融合又以设备的融合为基础。在数据网络和光传输网络融合的过程中,二者相互渗透、学习,并相互兼容。承载网在融合过程中出现了具备分组、时隙和波长综合交换能力的设备—。设备融合的一种方案是从网络上层向下层集成和融合,并在以分组为交换内核的统一架构下,单平面具备IP/MPL,VLAN,虚容器(VC),,λ接口能力,并支持多种交换粒度的调度架构;另一种方案是从网络下层传输向上层交换能力集成和融合,存在分组和时隙交叉综合交换架构,并且不同交换矩阵之间通道电路连接,双平面同样具备IP/MPLS,,VC,ODUk,λ接口能力。如表所示,各个交换平面架构都有各自的优缺点。根据网络承载的业务特点,这些融合的程度和具备的能力可以是一个逐步演进的过程。

当这种具备多种能力的强大设备成熟之际,网络的组网和应用方式将会出现改变,它既可以充当数据设备,进行部分的分组业务的调度和疏导,也可以作为光网络的发起点,创建底层的光传输通道,完成端到端的连接管理和维护。作为一个跨越两张网络的边缘节点,统一流量调度工作大部分在该设备完成,其承担的处理能力和管理控制能力要求非常高。由于需要具备多种层次的交换能力和接口能力,这种设备的技术复杂度和设备体积也是一个挑战。随着芯片处理能力、光电集成度、控制传送高速协同、光缓存技术的发展和成熟,光突发交换(OBS) 甚至光分组交换(OPS) 的融合交换将是更长远的演进目标和解决技术。


2 网络优化调度的关键技术

2.1 网络优化与统一调度的概念

网络优化通常是指通过各种硬件或软件统计、分析、约束求解技术的调整,使网络性能达到既定目标的最佳平衡点。硬件方面是指在合理分析系统需要后,在性能和价格方面做出最优解;软件方面指通过对软件参数的设置以期取得在软件承受范围内达到最高性能负载。

在电信承载网中的网络优化是指给定网络拓扑、节点资源、链路资源、交换能力、物理通道参数等基本参数条件下,根据用户制订流量均衡、端口消耗、最短路径、能耗合理等优化目标,进行业务流量的多层多域网络优化求解,完成通道路径分配、拼接、匹配,从而获得整个网络业务流量端到端分配的优化路径。在分组和光传输融合的承载网中,统一调度就是完成IP 网络的LSP、虚拟以太网连接和光网络的光通道统一匹配,流量路径优化。这对分组网络有一个要求,即IP 流量的通道化传输。

网采用MPLS-TE,流量通过LSP 传输,以太网流量也采用类似的以太网虚拟连接通道进行流量传输。

2.2 网路优化和统一调度的要求

织模型有利于保证网络的可管可控,既能满足优化所需的信息,又能符合信息的管理要求。在一定组网条件下,利用分布和集中相配合的协同计算组件,是优化和调度的基础。

大规模组网LSPs 规划和计算多层多域网络的路径计算和分配是一个基于图论的多约束问题,如何在时间、空间效率和最优效果之间获得平衡,需要在算法上改进以获得一个理想的优化计算结果。

网络和光网络的控制面信令互通在网络完成优化之后,需要有合适的智能软件完成LSP 自动连接以及各种连接的拼接、嵌套,这需要有合适的协议满足异构网络自动连接,以完成配合统一调度和全局优化。

多层多域和多自治域的路由互通优化计算需要自动获取网络拓扑、节点资源、链路资源、交换能力、物理通道参数等基本参数条件,这些扩展的链路信息需要跨越多个层面和区域,并在不同自治域之间自动扩散,从而使得计算节点动态准备获得信息。

异构网络链路自动发现不同类型的网络设备之间通过协议和接口不断改进,从而可以获取对端的端口速率、接口类型和链路连通性,异构网络的信令通道的通信建立。

2.2.1 统一控制面的关键技术

分组网络和光网络的控制信息互通需要协议支持,目前业界一致看好的协议是IETF 主导的通用多协议标记交换(GMPLS) [1]。GMPLS 是基于MPLS-TE 的扩展,首先应用在SDH/同步光纤网络(SONET)产品的自动交换光网络(ASON)控制面上,后来发展成为可以用在各种网络上的通用控制面技术。

当前GMPLS 技术可以支持的通用标签交换方式包括光纤/端口交换、波长交换(WSON)、时隙交换, OTN)、二层交换,ATM,Frame Relay,和分组交换(MPLS,MPLS-TP)等。

GMPLS 的主要协议包括用于路由扩散和管理的基于流量工程的中间系统到中间系统协议基于流量工程的中间系统到中间系统协议、基于流量工程的开发最短路径优先协议(OSPF-TE)[3], 用于信令连接的基于流量工程的资源预留协议(RSVP-TE)[4] 和链路管理的链路管理协议(LMP)[5]。这些协议是对原有MPLS 协议的扩展,除了保留流量工程特性以外,主要是能够针对多种交换粒度的节点能力和链路能力进行扩展。

对MPLS-TE 的一个很重要的改进是支持控制通道和数据通道分离。光网络一般都是控制通道和数据通道分离的,而IP 数据网络是控制通道和数据通道合一的,此外它还支持呼叫与连接过程的分别建立。在协议发展过程的信令协议基于路由受限标签分发协议和专用网网间接口(PNNI) 逐渐边缘化,支持厂商不多。

需要指出的是,GMPLS 协议可以辅助提升多层优化和统一调度的能力,并非优化必须的前提条件。在网管配合下,核心的优化组件和算法组件计算是可以获得优化路径,并且通过手工配置得以实现。有了协议和相应的智能控制技术,将提升网络规划和优化能力和实现速度。

2.2.2统一控制平面的网络模型

为了实现多层融合的统一控制和调度,可以采用3 种网络组成控制模型:重叠模型、对等模型和边界对等模型。

重叠模型重叠模型把分组网作为客户域,把光传送网作为服务域,两个网络的拓扑信息不相互扩散,只通过光互联论坛(OIF) 用户节点接口(UNI)[6] 或者交互业务请求、资源发现等信息,各自的网络控制和传输技术独立发展。

重叠模型保持了现网层次架构和网络管理运营模式,用户可以在较少的改动条件实现网络优化。传统的源路由计算方式不能获得全局优化的路径和流量控制,需要其他方式如路径计算单元(PCE)、网管等增强计算进行优化。

对等模型在对等模型中,所有分组网络设备和光网络设备都在一个控制域中并互换拓扑信息和TE 链路信息、节点能力信息。这和现有网络架构不一样。对等模型需要对光网络和分组网络统一管理。对控制平面要求比较高,控制管理信息比较复杂,任何一个节点都可以进行优化计算。

目前只是在光网络的时隙和波长交换两个网络域中实现了对等模型。

对于多层多域控制技术而言,这是一个长远的发展目标。

边界对等模型边界对等模型是一个介于重叠模式和对等模式之间的统一控制模型,边界路由器或者P-OTN 既是分组网络节点,也是光网络节点。拓扑信息和TE 链路信息、节点能力信息只是在边界节点进行交换,其他节点只知道本域信息。在该模型中,IP 网络和光网络的统一网络管理好于分别管理,这也意味着想要改变现有的承载网管理模式。

统一控制模型的选择,决定了统一调度的基本框架和模式,是统一调度方案的核心问题。光网络融合数据能力比较适合使用重叠模型,这也是当前运营商的承载网运营模式。

数据网络扩展光传输能力一般采用边界对等或者对等模型。

2.2.3 统一优化调度的关键技术

随着网络规模的不断扩大,目前嵌入式单元源路由计算能力已经难以满足统一调度和全局优化的路径计算能力。多层多域网络采用重叠模型后,路由信息的隔离也使得全局优化的难以实现。因此,PCE [8] 应运而生,其主要功能是基于网络拓扑、流量工程数据库(TED),按带宽和其他约束条件,计算出LSP 路径。

的分布可以是内置、外置或者与网管结合,目前最多应用的PCE 是作为外置式布置的一个计算单元,灵活地避免各个控制域信息隔离的缺陷,在第三方(或者运营商定制)开发的单元同步各个域的TED,并通过在不同域中都布置PCE 协同完成跨越多个域的路径计算。PCE 使用逐域计算、反向递归算法(BRPC)等算法完成端到端优化计算。

尤其是在多层多域和多自治域的大型网络优化中,PCE 的优点更加突出,可以在每个域配置一个强大的外置PCE 单元,通过多PCE 分工协作,共同完成一个端到端的最优路径计算。甚至可以引入等级PCE,在多个域之上设置一个父PCE(H-PCE),由父PCE 完成域序列的选择,子PCE 进行各个域的优化路径计算。例如在图4 中通过协同计算完成一条基于流量工程标签交换路径(TE-LSP)穿越多个自治域(AS),域内经过的标签交换路由器(LSR)由子PCE 计算,域选择和自治域边界路由器ASBR 选择则由父PCE 负责。


2.2.4 全局优化的计算技术

在全局优化和统一调度中,最具有挑战的是多层多域网络的优化算法。当网络叠加多个层次和多个约束条件后,其计算复杂程度成平方级别的增加。单纯的在一个网络增加多层多域网络的多个约束条件,进行多目标的联合优化往往会因为计算的复杂度难以在规定的时间内求解出满意的结果。联合优化较于单层优化具有显着优势,但是由于多层优化规划运算较为复杂,而且多层联合优化层间协调的内容尚未存在标准,因而多层联合规划与优化一直是个较为棘手的问题。而整数线性规划作为规划与优化问题的一种解决方案已经被充分研究,由于对计算机要求过高,ILP 一般仅限制于理论研究。

合适的IP、光层网络统一调度能提供不同层次的网络业务路由优化以及IP 层和光层资源的合理分配。

进行网络优化和调度时候时,运营商通常将IP 层和其他网络层次分离开,上下层网络间构成客户/服务关系。

服务层根据连通性为客户层构建虚拟网络拓扑(VNT),通过虚TE 链路(例如服务层使用FA-LSP 为客户层建立的链路)进行连接。根据服务层的跳数、节点能力、保护特性、传输距离等因素,映射为不同连接权重。规划IP 层网络根据业务需求矩阵,包括节点需求、接口带宽等考虑本层链路权重,并应用基于约束的Dijkstra 算法确定本层传输路径。服务层的路径计算则依靠本次的计算结果进行类似计算(类似递归方法),在每个层次进行不断优化,最终获得端到端的优化路径。通常的最短路径优先计算方法,在IP 层所有业务都要经过中间节点,无法解决Router Bypass 问题。IP 层是统计复用的,而底层传输是空间分割的,计算结果IP 层流量将占用大量的带宽和端口。可以使用统一调度的方法对底层传输空间进行网络化,通过不同约束条件和优化目标找到特定条件服务层捷径,从而实现路径优化的一个特例— 流量。

2.2.5 统一调度的应用

假设某运营商的承载网络由数据、以太网交换机和光传输网络组成。传统的业务都通过IP 边缘路由器接入,然后经过中间路由器逐跳转发。但大部分互联网业务流量只是在两个特定的边缘路由器上下路,逐跳转发会浪费大量而昂贵的路由器端口。通过全局优化,制订边缘路由器为流量汇聚点,光层生成新的虚拟直连链路,直接将流量旁路,如图中的红色路径。对于以太网交换机业务,如果无需IP 转发或者承载,直接通过光层具备以太网业务能力的融合设备,并直接将流量导向对等服务器,则可以减少不必要的IP 转发,如图5 中的蓝色路径。


3.结束语

网络、设备的融合和多层多域网络的联合优化调度,可以减轻IP 网络流量压力和提高承载网运营效率,减少的运营商的资本投资和运维成本,是电信网络发展的长期趋势。传输网和IP 网的管理、运营融合有多种方式和演进技术,无论是从光层向数据融合还是数据层向光层演化,都需要抓住运营商的业务特点,并从网络既有格局和保护投资角度,按照不同应用场景和发展目标灵活运用,最终实现平滑演进。

在网络和设备融合、创新的基础上,要积极发展网络优化和统一调度,充分挖掘网络运行的潜力。通过多层多域联合优化软件的优化算法和智能控制软件,实现流量的优化分布和最小代价传输。

统一调度和管理架构也是非常重要的,构架合适的网络模型,利用强大计算能力是关键,这需要运营商的对已有网络架构和运维管理体系进行调整和革新。在协议方面已有的GMPLS 协议和OIF 测试已经比较成熟,而新的全局优化算法也在不断发展。在未来承载网演进的过程中,融合发展的网络和层出不穷的优化技术必将会推动承载网络不断前进。



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