ASON（自動交換光網絡）控制平面的研究

2019-11-05 01:34:08

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　　1 引言
　　自動交換光網絡（ASON）的出現是傳送網發展的歷史性突破。ASON是一種利用獨立的控制平面來實施動態配置連接治理的網絡。ASON控制平面體系結構的核心技術包括信令技術，路由技術和鏈路資源治理技術等。其中信令技術用于完成自動交換連接功能、實現快速的端到端光通路保護監控和恢復、快速地建立，拆除和維護一條跨于全光網絡的光路徑；路由技術執行路由操作以及網絡拓撲和資源的信息發現,傳遞鏈路狀態信息并計算點到另—個節點的最佳路由通路；鏈路資源治理用于控制信道治理和維護、傳送鏈路的連通性驗證和故障隔離／定位等。從目前來說，開發應用新一代智能光網絡在核心網或城域網的網絡演進和融合方面是十分重要的，而其要害是設計一個良好的標準化的光控制平面。
　　
　　2 ASON體系結構及其控制平面協議標準化規范
　　ITU-T提出的ASON重疊模型，IOF提出的InterDomain域間模型和IETF提出的GMPLS集成對等模型都是實現智能光網絡控制平面的參考模型。如圖1所示，從功能層面上看ASON是由三大平面，即控制平面CP，治理平面MP和傳送平面TP所組成的。其控制平面由一組通信實體組成，負責完成呼叫控制和連接控制功能，主要是連接的建立釋放、監測和維護，并在發生故障時恢復連接，由信令網支撐。而治理平面完成傳送平臺、控制平面和整個系統的維護功能，它負責所有平面間的協調和配合，能夠進行配置和治理端到端連接，是控制平面的一個補充，包括網元治理系統EMS和網絡治理系統NMS，它將繼續在集中控制的點擊式光通道配置中發揮重要作用，它具有M.3010所規范的治理功能，即性能治理，故障治理、配置治理、計費治理和安全治理功能，此外，它還包含內置式網絡規劃工具。ASON的傳送平臺為用戶提供從端到端雙向或單向信息傳送，同時，還要傳送一些控制和網絡治理信息（帶內方式），它按ITU-T G.805建議進行分層，為了能夠實現ASON的各項功能，傳送平臺必須具有較強的信號質量檢測功能及多粒度交叉連接技術。其中ASON控制平面不是一個或一套協議，而是一個光網絡控制平面組件以及這些組件之間接口的結構模型，并采用了可劃分為多個域的概念性結構，這種結構可以答應設計者根據運營商具體條件和運營策略限制來構建一個重疊網絡，不同域之間是通過參考點來完成相互作用的。用戶同ASON網絡之間的接口是UNI，而ASON網絡中不同治理域之間的參考點是E-NNI，而同一個治理域之間不同路由尋徑域或不同控制元件之間的參考點是I-NNI。并且三大平面之間的交互通過連接控制接口CCI（CP和TP之間）和網絡治理接口NMI（MP和TP之間）來實現。ASON由于是重疊模型使網絡的客戶層和傳送層相分離，分別擁有兩個獨立的控制平面，兩者之間的相互作用被最小化，一個運行在核心光網絡之中，另一個運行在核心網和邊緣設備之間，邊緣設備支持動態實施光核心網絡的光通道，但不了解內部核心拓撲結構的靜態配置，從而隱藏了光網絡的內部結構，形成了獨立的光域，為處于網絡邊緣的客戶（如ADM、ATM交換等）提供波長服務和鏈路級抽象，在核心和邊緣設備之間加強了治理控制邊界。
　　　

　　圖1 ASON重疊模型體系結構（分層模型和接口模型）
　　
　　分布式的控制平面是智能光網絡的最大特色，很多國際標準化組織致力于這項工作的研究。ASON由ITU-T提出、研究并進行標準化，它秉承了ITU的風格，如圖2所示ASON標準化采用自頂向下的方式，從一套完整清楚的需求開始ASTN（G.8070），到高層結構設計ASON（G.8080），最后是單元結構（一批規范）。任何滿足單元結構需求的協議都可能成為實現ASON控制平面的選擇。主要有：用于數據通信網DCN方面的G.7712；用于信令方面的G.7713（基于PNNI/Q.2931的G.7713.1、基于RSVP-TE的G.7713.2和基于CR-LDP的G.7713.3）；用于鄰居發現和服務發現的G.7714（主要針對SDH/SONET/DWDM設備的資源發現G.7714.1）；用于路由協議的G.7715；用于鏈路資源治理方面的G.7716等等建議草案系列。
　　　

　　圖2 ITU-T ASON 自頂向下的控制平面協議標準
　　
　　3 ASON控制平面的一般要求
　　ASON控制平面在支持更快更精確的光電路建立的同時，本身應該具備可靠性、可擴充性和高效性，而且還應該具備足夠的通用性，以支持不同的技術、不同的商業需求以及業務提供商提供對于其網絡更好的控制。概括而言，控制平面體系結構應該滿足下列要求：
　　
　　● 可用于多種不同的傳輸網技術（例如SDH/SONET，DWDM，PXC），因為目前ASON主要是建立在傳統的光傳送網OTN和自動交換傳輸網G.ASTN基礎上，并使之智能化。
　　
　　● 具有足夠的靈活性以適應不同的網絡狀況，通過將控制平面分割成不同構件控制域可實現這一要求，并答應業務提供商來決定這些構件的位置及其安全性和策略控制的考慮。
　　
　　● 對于控制平面的故障的處理能力應滿足電信級的要求，在故障恢復的過程中要能夠靈活的與治理平面和傳送平面協調處理，從而使控制平面在錯誤發生時具有一定的彈性。
　　
　　● 能夠支持光傳送網絡中交換連接（SC）和軟永久性連接（SPC）的基本功能。這些連接功能的類型包括：單向點對點連接、雙向點對點連接、雙向點對多點連接。
　　
　　● 支持不同的網絡組織和分割導致的不同自動配置模型：軟永久連接SPC模型、用戶網絡接口UNI模型、對等模型PeerModel。
　　
　　4 ASON控制平面功能分析
　　ASON控制平面從功能上主要被分解為三大部分：發現機制、信令技術和路由技術。發現機制主要涉及到鄰居之間節點和鏈路的相互檢測，并且節點和鏈路的屬性應該被共享和協商，從而要求對網絡資源進行治理和配置（自動和手工）；信令技術用于ASON的信令網，同傳統的7號信令網一樣用于呼叫的建立、拆除和維護，但是ASON的信令消息可以是帶內傳送，也可以是帶外傳送，并且在控制平面發生故障時能快速的保護和恢復；由于ASON將網絡劃分為多個控制域，傳統的基于流量工程的域內路由協議（OSPF-TE/IS-IS-TE）和域間路由（BGP）協議加以擴展得以應用，但是也出現了富有特色的ASON分級路由機制。
　　
　　4.1 發現機制
　　
　　為了滿足用戶對設備“即插即用”功能的需求，相鄰對等網元設備之間自動發現機制顯得非常重要。通過一組鏈路連接的對等網元必須發現鄰居網元的ID，并確定各自端口的相互映射關系和協商它們的鏈路上能夠支持的服務。此外物理線路沖突（如光纖連接錯誤）也能被自動檢測到。ASON控制平面主要支持以下幾種自動發現過程：
　　
　?、?鄰居發現：自動鄰居發現過程答應直連的相鄰網元設備確認彼此的身份端口ID和對所連接的遠端接口進行認證。假如鄰居發現過程在網元設備中沒有被實現，那么鄰居和遠程端口ID必須被手工配置到相應的設備信令實體中。用于自動鄰居發現過程的消息交換在ipCC（IP Control Channel）中進行，而IPCC的實現方式有“帶內或光纖內”（承載信令的通道被嵌在挾帶數據的光鏈路中，一般在SONET/SDH的線路或段數據通信通道DCC中傳送）和“帶外或光纖外”（專用信令鏈路與承載數據的光鏈路分離，如外部IP傳送網和專用雙向SONET/SDH連接凈荷中傳送，其組幀方式為IP over PPP over SONET/SDH）兩種。如圖3所示，N1和N2網元設備通過三對雙向光纖相連，圖中T表示激光發送器，R表示光檢測接收器。N1端口3發送包含自己IP地址標志和端口ID（被稱為控制通道ID：CCID）的配置消息給N2的端口12，N2接收到后保存起來并復制，發送確認消息（含有自身以及剛剛從鄰居那里學習到的IP地址標志和端口ID）給N1，從而完成鄰居之間的端口映射關系。自動鄰居發現過程避免了因手工配置鄰居和端口連接信息帶來的潛在錯誤，而且提供了一種自動檢測物理線路沖突的方法。圖中N1端口1，2和N2端口10，11的物理連接關系就是一個物理線路錯誤案例，（N1,1）發送配置消息給（N2,11），同樣（N1,2）→（N2,10）；而（N1,1）從（N2,10）接收到的確認消息中沒有看見自己的信息，發現的卻是（N1,2）的信息，（N1,2）←（N2,11）也同樣如此。因此立即就可以發現N1和N2端口之間物理線路配置有問題。
　　　

　　圖3 基于帶內IPCC實現方式（承載于SDH/SONET DCC）的自動鄰居發現過程
　　
　?、?服務發現：服務自發現過程是與鄰居發現過程相關聯的（在其完成之后被激活），消息交換也是基于IIPCC的。此過程主要存在于相鄰網元對等實體之間，用于描繪設備的能力以及從鄰居獲得相關的傳送網服務信息。其另一個重要功能就是得到相鄰網元接口的限制信息，并且此過程也是是可選的（否則此過程提供的信息必須手工配置在相應網元設備對等實體中），其具體消息交換序列如圖4所示。3種消息類型用于服務發現：ServiceConfig, ServiceConfig Ack 和ServiceConfig Nack消息（在LMP對象格式中定義，因此可以認為服務發現消息交換是基于LMP Config消息的交換過程）。先在對等實體間進行1＃消息過程，3＃消息過程由N1發送到N2，必須先完成2＃消息過程后才執行。而且ServiceConfig必須被周期發送直到接收到ServiceConfigAck/Nack消息為止，或者接收ServiceConfigAck/Nack超時。其中重傳間隔和超時參數的定義由本地配置（在LMP中明確指定）實現。
　　　

　　圖4 自動服務發現過程圖5 SDH/SONET網絡的分層結構
　　
　　③ 同層和錯層鄰居發現：此過程屬于鄰居發現過程的擴充部分，由于ASON是在ASTN和OTN的基礎上發展的，因此ASON的傳送平面趨向于一種分層結構，在不同傳輸技術（密集波分復用DWDM/時分復用TDM/SDH/SONET）共存的情況下，以SDH/SONET網絡的分層結構為例（如圖5所示），目的在于清楚的描繪復用結構和提供高性能的監控/故障治理功能（如警告指示信令和遠程檢測指示信令被插入到每一層中，用于每層明確定位網絡傳送信令的中斷位置）。正因為傳送網分層結構導致了光網絡自動鄰居檢測的復雜性，圖6描述了基于SDH/SONET/DWDM傳輸系統的智能光網絡中同層和錯層（即不同層之間）鄰居發現過程。當鄰居設備共享復用結構的共同級別時，自動鄰居發現選項由復用結構該層的功能決定的。假如鏈路的兩端運行在復用層次的不同級別，本質上來說這是一種單向鄰居發現過程。
　　　

　　圖6 同層和錯層鄰居發現
　　
　　ASON控制平面的發現功能主要由ITU-T的G.7714（通用的自動發現機制）建議來制定，目前在G.7714.1中描述了SDH/OTN中的發現技術。GMPLS體系中本身缺少自動發現協議，但是其鏈路治理協議LMP可作為一種替代的方案，它提供鏈路連通性驗證和故障治理。鏈路連通性驗證在鄰居信息配置好之后檢查光纖的連接，故障治理功能被用于設計成一類光交換機（光交叉連接器OXC）部署到光網絡中，具有快速故障定位和隔離的能力。而且光互聯網論壇OIF的UNI 1.0信令技術草案也利用了LMP的子集來實現UNI對等信令實體間控制通信鏈路的連通性驗證。
　　
　　4.2 基于分布式呼叫和連接治理DCM的信令技術
　　
　　ASON控制平面提出的DCM基本信令功能就是快速實施呼叫連接的建立和拆除。對于一般的控制平面所支持的基于DCM的信令操作過程（交換連接SC和軟永久連接SPC的建立）需要ASON控制平面相應的功能組件來支持，它們主要是:
　　
　　1) 呼叫接納控制器CAC：負責基于呼叫參數確認、用戶權力和網絡資源接入策略的呼叫接納控制。
　　
　　2) 呼叫控制器CallC：治理呼叫連接；產生、接受或拒絕的呼叫請求；產生和處理呼叫終止請求；呼叫狀態治理。
　　
　　3) 連接控制器CC：負責協調鏈路資源治理器、路由控制器以及對等或者下層連接控制器以便達到治理和監測連接的建立、釋放和修改已建立連接參數的目的。
　　
　　4) 鏈路資源治理器LRM：負責對子網節點緩沖池SNPP鏈路進行治理，包括對子網節點SNP鏈路連接進行分配和撤消分配，提供拓撲和狀態信息。
　　　

　　圖 7 基于DCM跨于全光網的呼叫建立（Call Set-up）過程
　　
　　圖7描述了基于DCM跨于全光網的呼叫建立過程，為了支持交換連接服務，呼叫請求通過A端用戶請求代理ARA發送“呼叫建立請求”消息給主叫方呼叫控制器而被初始化，呼叫請求指定了與用戶請求呼叫關聯的信息（包括與服務相關的服務水平協議SLA，安全性方面和策略相關的信息等等）。而對于軟永久連接服務的支持是通過治理平面來處理的，運營商在網元設備系統和網絡治理系統中預先設置治理參數來要求連接控制器CC建立連接來支持呼叫請求，這和ATM中的PVC以及電話網中的電路出租治理類似。用于呼叫建立的資源主要有子網節點SNP，子網節點緩沖池SNPP，鏈路連接LC等等。為了建立端到端的跨于全光網的呼叫連接，必須涉及到呼叫請求過程，連接請求過程，以及不同類型資源連接的創建過程。由于ASON重疊網絡模型的多域結構導致了整個連接通路的建立由鏈路連接LC和子網連接SNC分別創建和相互串聯構成。
　　
　　控制平面的故障主要有信令通道失效和控制平面節點故障。ASON的控制平面需要信令協議支持適當的措施從故障中恢復過來,最初嘗試是基于本地控制平面機制及其與傳輸平面的相互作用,隨后是基于控制平面與外部構件的相互作用。故障處理的基本方法是：控制平面的失效將通知治理平面，治理平面將根據故障指導控制平面采取相應的措施。這些措施包括進入自我刷新狀態，清除和釋放部分連接或者狀態維持信息；控制平面節點可以持久的儲存呼叫和連接狀態信息，配置信息和控制平面鄰居信息等；經恢復本地連接/呼叫狀態信息仍然丟失，控制平面節點將與外部構件（鄰居節點或者集中提供持久存儲信息的節點）通信嘗試恢復狀態信息；控制平面節點在不能恢復某些信息（如不能同步連接狀態）時，需要治理平面的干預（釋放連接）。注重：控制平面的故障不一定導致連接釋放，從控制平面看，連接已經不同步，而連接仍是有效的，此時TE鏈路就會處于退化狀態。
　　
　　4.3 ASON控制平面的分級路由機制
　　
　　ITU-T G.7715/Y.1706草案定義了在ASON中建立交換連接SC和軟永久連接SPC路徑選路功能的結構和要求以及ASON路由結構，路徑選擇、路由屬性、抽象信息和狀態轉移圖等功能組件。其中ASON路由結構支持G.8080中定義的不同的路由方式，如分級路由（Hierarchical Routing），逐跳路由（step-by-step Routing）和源路由（source-based Routing）。并且也對路由信息表達方式的不同進行了抽象，如鏈路狀態，距離矢量等。G.7715的目的是提供一種與協議無關的方法，用來描述用于ASON的路由技術。路由消息是通過數據通信網絡（DCN）進行傳送，G.7712規范了DCN的一種可能的實現方式。ASON路由體系結構在網絡中被分割為多個路由域，為了提供路由服務，需要事先了解網絡資源的情況，并對網絡資源進行分配后再使用。這些網絡資源可以通過人工配置，也可以是基于ITU-T G.7714/Y.1705草案中定義的自動發現機制來配置。
　　
　　運營商對網絡進行分割是基于特定的策略，如地理因素，治理范圍，技術特點等。運營商將細分后的網絡看作是提供路由服務的不同路由域RA（Routing Area）。路由域提供路由信息的抽象，從而使得路由信息的表達具有可擴展性。這些單個路由域的服務是通過路由執行器RP（Routing Performer）來提供的，而RP可以看作是路由控制器RC（Routing Controller）的聯合體，RP能支持多種路由方式（ITU-T G.8080草案中規定的路由方式：源路由、分級路由和逐跳路由）的路徑計算。所支持的路徑計算功能是基于路由信息數據庫有效的信息類型來實現的。
　　
　　路由域可以分級包含，在分級路由中每個路由域與一個獨立的RP相關聯，而服務接入點扮演RP的角色。路由等級中的每一層面可以使用支持不同路由方式的RP，RP的實現是基于實例化的分布式RC。RC提供在一個給定層面的NNI參考點提供路由服務的接口，同時負責路由信息的協調和分布。不同的RC實例由于不同的運營策略受到影響，而這些策略取決于其服務提供商所屬的組織，策略的執行可以通過不同的協議機制來完成。RC的實現可以是一組分布式的實體，這組實體被稱為一個路由控制域RCD（Routing Control Domain）。RCD是一個抽象的實體，它隱藏了路由控制域的內部細節，而提供與RC分布式接口相同特征的接口。RCD之間交換的路由信息的本質是捕捉RC分布式接口之間交換路由信息的語義，并答應每個路由控制域內可以使用不同的表達方式。RCD的實現依靠于具體的實施方式。RA, RP, RC和RCD之間的關系如圖8所示，RA包含RA，遞歸的定義了連續的分級路由等級。一個獨立的RP與一個路由域相關聯。這樣RPRA和路由域RA關聯，而RPRA.1和RPRA.2各自與路由域RA.1和RA.2關聯。依此類推，RP自身是由分布式的RC來實現的，RC1由RPRA而來，RC2由RPRA.1 和RPRA.2而來。可見RCD分布式接口與RC分布式接口的特征是一致的。
　　

　　圖8 RA, RP, RC和RCD之間的關系（分級路由體系結構）
　　
　　5 結束語
　　智能光網絡控制平面被分解成：鄰居發現，信令連接控制和路由拓撲/資源發現等幾個基本的過程，不同的網絡組織導致了幾個不同的網絡模型，這是構成以IP為中心的光傳輸網的控制和治理基礎。目前從事智能光網絡產品研發的CIENA公司開發出的新一代智能光網絡是下一代網絡NGN ASON自動交換光網絡的前奏曲，其核心網和城域網的要害設備智能光交換機Core Director已在北美歐洲亞洲的近30家大型運營商得到廣泛的應用，在技術和市場上應用中都處于領先地位。

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