基于GMPLS协议的ASON试验平台

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    自动交换光网络(ASON)的概念一经提出，就受到广泛的关注，主要原因是：相对传统光传送网络来说，ASON引入了分布式的控制层面的概念，智能的控制平面可以支持网络中动态的邻居发现、业务发现、网络拓扑的动态重构、实时快速的连接指配、连接的动态更改以及快速的光层故障管理(保护、恢复)等功能。在此基础之上，自动交换光网络可以为用户提供诸多业务，像波长出租、带宽运营等，并且具有良好的网络生存性，是下一代智能光网络发展的方向。


    为了实现前述各种功能，各大国际标准化组织提出了相关的建议和草案，如ITU-T提出针对ASON架构的G.807、G.8080、G.7712、G.7713和G.7715等建议，IETF提出了适用于ASON控制平面的通用多协议标签交换(GMPLS)协议。


    从本质上讲，ASON采用了层叠模型[1]，电设备和光网络之间是一种客户、服务者的关系，光网络为电设备提供服务，电设备对光网络内部的情况不需要了解，只需给出必要的信息，接受光网络的服务。GMPLS采用了对等模型[1]，在这种模型中，电设备和光网络节点处于平等的地位，电设备本身对光网络内部的实际状况(例如拓扑、链路资源占用情况等)有切实的了解，并参与到光网络内部的路由、资源分配等操作。两种模型示意图如图1所示。






    虽然ASON和GMPLS分别是基于层叠模型和对等模型的，但两者的体系结构并没有实质性的冲突。ASON控制层面实现了光网络中连接的管理，并给出了一系列接口的定义，包括用户网络接口(UNI)、网络节点接口(NNI)、连接控制接口(CCI)等，但是，这些接口的实现是协议无关的，只要能满足接口规范的协议都可以被选用；GMPLS结构中的协议可以实现ASON控制层面的一些功能，如受限路由-标记分配协议(CR-LDP)可以通过不同接口(如UNI、I-NNI)上的信令消息交换完成通用标签交换路径的管理，所以说，ASON完全可以基于GMPLS协议来实现。事实上，采用GMPLS协议是世界各地科研单位在ASON研究中达成的共识[2—4]。


    中国的第一个ASON项目开始于2001年9月(国家“863”项目“自动交换光网络ASON基础研究”)，该项目的主要任务包括研究建立能够灵活重构和扩展的基础性波分复用(WDM)全光网通信基础实验平台、开展网络结构变换与扩展等基础性实验以及对自动交换光网络节点技术、网络管理和网络自愈功能等方面的研究。依托该项目，清华大学自主开发了中国第一个ASON试验平台，该平台实现的许多功能在国际上也处于领先水平。


1 ASON试验平台的结构
    清华大学ASON试验平台具备8个波长信道，传输速率2.5 Gb/s，各项光指标符合ITU-T的有关建议。平台具有典型、灵活、可扩展的特点，可进行各种光网络基础性研究和实验。试验平台由5个节点(包括4个光交叉互连节点(OXC)和1个光分插复用节点(OADM))组成，如图2所示。




    在ASON试验平台的传送层面，利用5个光节点实现不同的传送网拓扑结构，包括双环、环＋星型以及格状网结构等，如图3所示。




    试验平台的控制层面采用了和传送层面全同(Congruent)的信令网拓扑，对于承载信令网节点间通信的信令网络(DCN)采用两种不同形式的带外信令通道：对支持OSC信道的节点间提供纤内带外的1 510 nm监控信道(OSC)的ECC通道进行信令收发，对不支持OSC信道的节点间提供纤外的以太网接口(图2中带有红色标记的通道)，其好处是不仅验证了混合信令网的可行性，而且可以利用OSC信道的快速故障检测机制加速对于传送层面故障(比如光纤断裂)的反应时间，缩短对业务的保护、恢复时间。


2 控制层面的主要模块组成
    控制层面的模块组成极其关系如图4所示，其中最重要的3个模块分别是链路管理模块、路由计算模块和信令模块，这3个模块是实现一系列ASON功能的基础，以下分别介绍3个模块。



2.1 链路管理模块
    该模块对相邻设备间的链路资源进行管理，包括连接性的验证、地址的确认、客户层设备的类型检测等等。试验平台根据IETF的LMP草案完成模块的实现，包括控制信道管理、链路连接性验证、链路状态同步、故障管理4个功能子模块。

2.2 光层路由模块
    智能光网络中的路由协议可以借鉴IP网络中已有的开放最短路优先算法(OSPF)、路由信息协议(RIP)、边界网关协议(BGP)、互联系统－互联系统(IS-IS)协议，然后根据光网络的特殊性进行一定的扩展。


    在光网络中需要考虑到波长连续性、光纤色散、非线性、掺铒光纤放大器(EDFA)噪声以及全光传输距离等因素的限制，因此，光网络选路算法要比IP网复杂的多，应该是基于限制条件的，并且应该支持显式路由的选路方法。


    在具体协议的选取上，路由信息协议比较适合于简单的小型网络；OSPF可以用于大规模的网络，并适宜在同一管理域之内运行；BGP与IS-IS则属于适用于不同管理域之间的路由协议。
试验平台选用OSPF协议进行光层扩展，即采用流量工程扩展的开放最短路优先算法(OSPF-TE)，并试图将光层路由OSPF协议与信令网络路由OSPF模块结合在同一模块中，通过OSPF的链路状态广告消息(Opaque LSA)实现与光网络路由有关的拓扑信息传递，进而为光网络中的节点建立与维护路由表，以供控制层面其他协议模块查询。

2.3 信令模块
    信令模块负责在网络中对端到端的连接进行管理，包括链路的动态建立、删除、修改等。
在基于GMPLS的控制层面中，对链路连接的管理也就是对标签交换路径(LSP)的管理；对链路连接的操作对应于GMPLS网络中标签的分发、映射、删除等。


    在标签交换路径管理的协议选取中，受限路由－标记分配协议(CR-LDP)与流量工程扩展资源预留协议(RSVP-TE)是目前呼声最高的两种解决方案，CR-LDP与RSVP-TE都是由IETF提出并发展起来的，考虑到CR-LDP基于TCP硬状态维持功能相对来说更加可靠，试验平台中选用基于CR-LDP的扩展来完成光层的连接管理。


3 现场实验

3.1 拓扑自动发现功能
    ASON控制平面的引入使得我们可以不需要静态配置而仅仅借助动态资源和邻居发现功能来完成网络拓扑结构的初始化。


    节点在启动时，通过本地控制平面链路管理模块和邻居节点的链路管理模块的消息通信，完成对链路的动态发现和链路属性的协商，如果这一过程成功，则将发现的链路信息添加到路由信息数据库中；另一方面，当网络发生故障时，比如光纤断裂或者节点瘫痪，都将导致相关节点对之间的通信失效，此时受影响节点可以发现这些状况，并根据故障类型的不同分别以不同的方式更新路由信息数据库。

3.2 流媒体实时点播业务演示
    流媒体实时点播业务如图5所示，图5在ASON试验网络中加入了两个接入节点，其中服务器提供视频点播功能，客户根据需要随时可以提出视频点播请求。






    当用户希望连接到服务器时，通过UNI接口向ASON网络提出一个连接请求，通过传送网分配地址(TNA)解析、路由计算以及信令等过程在ASON网络中建立起一条从光分插复用器(OADM)到OXC2的双向光连接，再通过两端的媒质转换器，用户和服务器之间建立起了以光连接作为隧道的以太网连接，此时可以进行正常的流媒体传输，即在用户处实现视频点播。


    为了验证从用户到服务器的连接确实由ASON动态建立，我们首先通过网管系统的网元管理配置相关节点的光开关连接状态，使得用户无法访问到服务器；然后在用户处提交视频点播的请求，一段时间(几百毫秒)之后，用户处可以得到流畅的画面。此时再通过网管系统查询相关节点的状态，可以发现节点的光开关状态已经改变，鉴于其间没有通过网管去配置节点的状态，各节点的状态改变确实是通过ASON控制平面的信令系统来分布式完成的，由此可以验证ASON的动态、快速的连接指配和业务提供能力。

3.3 ASON网络的生存性测试
    ASON网络不仅可以完成实时的连接指配，而且可以实现对连接的光层保护或恢复，并且ASON中对于业务的保护和恢复是基于格状网拓扑结构而不是仅依赖于功能受限的SONET/SDH自动保护倒换(APS)，使得ASON的灵活性要远远高于传统光传送网络。


    为了测试网络生存性这部分的功能，我们更改了网络的配置，如图6所示。






    首先建立从OADM到OXC2的单向连接，误码仪发端发出的信号可以顺利到达误码仪的接收端。此时如果切断从OXC3到OXC2的光纤连接，则光通道被中断，OXC3和OXC2之间的1 510 nm监控信道(OSC)将监测到这一故障，并触发控制层面的故障管理功能。


    具体来说，先由发现故障的节点(OXC2)检测本地受故障影响的连接，然后通知连接的源节点(本例中为OADM节点)，源节点收到信息后先释放受影响的工作路径，再根据原来连接的属性触发连接的保护或者恢复过程(具体是那个过程取决于受影响连接的服务等级属性)。在保护的策略下，随着工作路径的建立，保护路径也同时被建立起来，只是没有在源宿节点处完成光开关的配置，当故障发生时，通过信令机制完成在源宿节点的光开关配置，完成对工作路径的保护；在恢复的策略下，当故障发生时，源节点光层路由模块根据更新后的网络拓扑计算出恢复路径，再触发信令过程开始建立恢复路径，完成对工作路径的恢复。


    值得注意的是在图6中，由于从OXC1到OADM的是单向光纤链路，所以保护/恢复路径如图所示，而不是OADM→OXC1→OXC4→OXC2这样的路径。随着受故障影响的工作路径被保护或者恢复，我们可以读取到误码仪上的业务中断时间，在实验中，在保护的情况下，业务中断时间平均为80 ms，在恢复的情况下，业务的中断时间平均为360 ms[5]，性能参数比优于国际上其他试验平台[4]。


4 结论
    本文介绍了清华大学自主开发的自动交换光网络(ASON)试验平台，平台包括：由4个OXC节点和1个OADM节点组成的传送层面、基于


    IETF的GMPLS协议的控制层面以及支持一些配置和故障管理功能的管理层面。除此之外，该试验平台还具有如下特点：
    (1)由5个光节点构成的传送网络的拓扑可以灵活地动态重构，支持多种拓扑结构，包括双环型、环＋星型以及格状网型。
    (2)控制平面各个模块符合GMPLS标准，并对有些细节方面进行改进，同时模块化的设计方法有利于各个模块的更新和升级以及对协议、算法的测试。


    在ASON试验平台上，进行了ASON功能的验证和演示，比如自动邻居和业务的发现、连接的实时动态配置，同时也对ASON的生存性进行了验证，实现了光层的保护恢复。