22、部署和管理基于WDM网络的IP：技术解析与测试实践

部署和管理基于WDM网络的IP：技术解析与测试实践

1. 网络管理系统中的路径可见性

在网络管理中，不同类型的路径在不同系统中的可见性有所不同。软永久和交换路径在自动交换传送网（ASTN）管理系统中可见，而永久路径仅在传输网络管理系统（NMS）中可见。在传输NMS里，支持软永久或交换连接的传输网络路径也能被看到。通过查看这些路径中指向光连接（OLC）的指针，传输NMS可以识别这些路径归属于网络节点接口（NNI）或用户网络接口（UNI），并用于OLC。

ASTN管理系统只能看到软永久和交换的OLC。若传输网络的端口被永久路径预留，这在ASTN管理系统中同样可见。ASTN管理系统被允许获取OLC的信息，并且可以独立修改或拆除它们，无论这些OLC是由管理系统创建（软永久）还是通过UNI创建（交换）。与之相反，UNI只能访问其自身创建的OLC。

2. 测试平台概述

为了评估IP/MPLS在自动交换光网络（ASON）/通用多协议标签交换（GMPLS）场景中的创新功能，开发了一个测试平台。该测试平台基于ASON/GMPLS网络，划分为三个供应商域，分别是西门子、TILAB和泰立能（Tellium）域。TILAB域包含一个由三个光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）组成的环网，并与包含两个OXC的西门子域相连。第三个域基于泰立能的OXC。客户端网络则基于思科（Cisco）的IP路由器。两个通过基于公共对象请求代理体系结构（CORBA）接口进行互操作的NMS（由T-Systems Nova和TILAB开发）提供端到端的连接管理。

测试平台分析了所使用的设备以及为实现项目目标而引入的新功能，例如不同网络层（IP和光层）的快速高效恢复机制以及自动交换（控制平面CP和信令）。最后，给出了一些测试示例，展示了如何评估这些创新特性。

3. 测试平台设备

测试平台中使用了多种设备，并且安装了两个应用程序：一个具有集中库和数据库的计算机辅助设计应用程序，可从不同工作站访问；一个基于IP的视频分发应用程序，用于将IEEE1394流（例如来自数字摄像机）实时转换为IP流。这两个应用程序展示了该环境对带宽消耗型应用的潜在优势。

以下是测试平台中各类设备的详细信息：
|设备供应商|设备名称|设备特点|
| ---- | ---- | ---- |
|TILAB|提供的设备|利用波分复用（WDM）技术，在物理层提供光通道插入、提取和交换等传输功能。还能处理操作、管理、维护和供应（OAM&P）信号，用于网络保护程序、故障识别和跟踪以及链路配置等信息的交换。设备包括OADM和OXC，配备不同的线路接口（最多八个WDM通道）和支流端口（对客户端设备数字透明，最高可达2.5 Gbps）。线路接口基于插入和提取光监控通道（OSC）的卡，支流接口基于将客户端信号适配到传输层的转发器卡。有两种不同类型的支流端口：2R转发器（数字透明，最高2.5 Gbps）和具有G.709帧（数字封装）的3R转发器（适用于最高2.5 Gbps的客户端信号）。设备在先前项目基础上进行了增强，添加了G.709接口以及ASON/GMPLS CP和NNI信令。|
|西门子|TransXpress OSN管理的光分配框架（MODIF）/OXC|基于微机电系统（MEMS）技术的OXC平台，OXC嵌入在MODIF中。该组合概念使OXC的配置、调试和供应更加简便、快速和易于管理。OXC是透明系统，适用于任何类型的网络架构，对任何比特率的光信号（如同步数字体系/同步光网络（SDH/SONET）、异步传输模式（ATM）、IP和以太网信号）在1.3和1.5 µm波长范围内具有比特率和协议透明性。OXC借助基于MEMS的光学镜切换光信号，MEMS开关是高速、低损耗的光学开关（硅芯片上的微机械镜）。OXC的切换由ASON控制器控制，该控制器提供简单网络管理协议（SNMP）接口到电信管理网（TMN），还有一个Q3管理接口，可通过本地维护终端（LCT）在不使用ASON功能的情况下直接管理OXC。西门子提供两个配置为透明OXC的设备，每个OXC具有16×16的交换矩阵，提供两个线路接口，每个接口有三个单光纤通道。为连接客户端，有两个支流接口，配备单独的2R转发器。由于测试平台位于单个房间，无需额外的光放大器，使用多光纤连接代替WDM设备。每个连接到OXC的光纤都配有信号丢失检测器，可向OXC的ASON控制器报警。|
|泰立能|Aurora 128|是泰立能Aurora光交换机的较小版本，支持320 Gbps的双向流量，相当于128个2.5 Gbps端口或32个10 Gbps端口。具有与Aurora光交换机相同的五种不同机架类型，安装在两个EIA标准的7英尺机架中，配置包含一个发送器（TR）机架和一个接收器（SR）机架。支持单模光纤上的两种类型的收发器：2.5 Gbps和10 Gbps，均符合SONET SR规范，可配置为SONET或SDH格式，采用通道化或级联模式。使用宽带接收器（1,280 nm至1,600 nm）和标准发射激光器，使波长转换极为灵活和简单。STM - 16发送器（TR）在1,310 nm输出，STM - 64 TR在1,550 nm输出。具有严格无阻塞的128×128三级CLOS矩阵，粒度为2.5 Gbps，整个矩阵使用四个光纤传输系统（FTS）和四个多服务交换（MSS）模块实现。工作和保护交换矩阵位于同一交换矩阵机架中。提供设备保护切换，工作交换矩阵由保护交换矩阵进行1 + 1保护，入口收发器将传入信号桥接到工作和保护交换矩阵，两个信号独立切换后到达出口收发器，出口收发器选择较好的信号。|
|思科|Cisco 12000互联网路由器系列|为服务提供商提供运营商级、行业领先的可扩展性、高性能、可靠性和有保证的数据包交付，采用创新的分布式架构设计。模块化、多千兆位交叉开关交换结构提供40 Gbps的无阻塞交换能力。测试平台集成了五台GSR Cisco 12008，该型号有八个插槽用于线路卡和一个或两个（用于冗余）千兆位路由处理器（GRP）。测试平台中采用的线路卡具有分组-over - SDH（POS）OC48/STM16、POS OC3/STM1、千兆以太网（GbE）和快速以太网接口。最近在多协议标签交换流量工程（MPLS - TE）实现中引入的一个关键特性是快速重路由（FRR）保护。|

MPLS - TE快速重路由概述

MPLS流量工程FRR是一种高效强大的技术，当链路/节点发生故障时，允许在50 ms内重新路由一组流量工程标签交换路径（LSP）。FRR是一种本地保护机制，即流量工程LSP在网络组件故障的上游节点处通过单个备份隧道进行本地重路由（利用标签堆叠特性）。

当首次信令一个流量工程LSP时，每个本地修复点会选择在链路/节点故障时使用的合适备份隧道。值得注意的是，这个选择过程在任何故障发生之前就已完成。

当故障发生并被检测到时，本地修复点会在50 ms内将受影响的所有可快速重路由的流量工程LSP通过备份隧道进行重路由。本地修复点还会使用资源预留协议（RSVP）路径错误消息通知各个头端标签交换路由器（LSR），其流量工程LSP已被本地修复，以便这些头端LSR可以触发重新优化，以可能使用最优路径。重新优化过程是非流量中断的（先建后拆特性）：流量工程LSP在不中断流量的情况下进行重新优化，这是使用RSVP作为信令协议的流量工程LSP的一个重要且有趣的特性。

MPLS TE FRR的主要优点如下：
- 效率高（50 ms恢复时间）；
- 可扩展性强（单个备份隧道用于重新路由一组可快速重路由的流量工程LSP）；
- 故障范围广（可防止链路和三层节点故障）；
- 粒度细（恢复特性按每个流量工程LSP定义）；
- 精细的服务质量（QoS）控制（备份隧道属性允许对重路由的流量工程LSP的QoS进行精细控制）；
- 结合流量工程LSP重新优化的优势以实现资源优化。

4. 控制平面架构

在传输网络中引入控制平面（CP）可能会带来一些新的优势：
- 流量工程，实现资源到路由的动态分配；
- 在多供应商环境/多域中进行连接控制；
- 快速灵活的服务提供；
- 引入补充和灵活的光传输服务；
- 自动光重路由和恢复。

国际电信联盟电信标准化部门（ITU - T）建议G.8080描述了一组用于操作传输网络资源的CP组件，以提供建立、维护和释放连接的功能。

CP架构通过代表抽象实体的组件来描述。通常，每个组件都有一组接口，以支持指定该组件提供或使用的服务的一系列操作。

以下是CP架构中各组件的简要描述：
- CC（连接控制器组件） ：管理和监督连接的建立、释放以及现有连接参数的修改。负责协调链路资源管理器、路由控制器以及对等和下级连接控制器。
- RC（路由控制器组件） ：响应连接控制器对建立连接所需路径信息的请求，以及对网络管理目的的拓扑信息请求。
- LRM（链路资源管理器组件） ：负责管理子网点池（SNPP）链路，包括链路连接的分配和释放、拓扑和状态信息的提供。
- TP（流量监管组件） ：负责检查传入的用户连接是否按照参数发送流量。
- NetCallC（网络呼叫控制器组件） ：在验证用户权限和资源策略后，接受并处理来自客户端网络的传入呼叫请求，处理并生成向客户端网络的呼叫终止请求，验证呼叫参数。
- PC（协议控制器组件） ：提供将控制组件的抽象接口参数映射到由协议承载的消息的功能，以支持通过接口进行互连。

动态路径控制有三种方法：
- 分层路由 ：基于将层网络分解为子网层次结构，每个子网都有自己的动态连接控制。一个节点包含一个路由控制器、连接控制器和链路资源管理器，用于子网层次结构中的单个级别。
- 源路由 ：连接的路由在源节点确定。分布式连接和路由控制器的联合实现连接控制过程。运营商可以为流量工程目的指定路径的确切路由。
- 逐步路由 ：与源路由不同，它减少了路由信息，每个路由控制器组件仅提供关于下一步的信息。在这种情况下，运营商在执行路径建立命令之前无法知道路径的路由，但可以轻松建立新路径以避免复杂的路径配置。

mermaid格式流程图展示动态路径控制方法：

graph LR
    A[动态路径控制] --> B[分层路由]
    A --> C[源路由]
    A --> D[逐步路由]
    B --> B1[子网层次结构动态连接控制]
    C --> C1[源节点确定路由]
    C --> C2[分布式控制器联合控制]
    C --> C3[运营商指定确切路由]
    D --> D1[减少路由信息]
    D --> D2[仅提供下一步信息]
    D --> D3[轻松建立新路径]

5. NNI信令用于软永久连接的建立和拆除

当前项目中开发的NNI信令规范利用了其他组织或先前内部文档中已有的标准和规范，并已作为贡献提交给光互联论坛（OIF），以推动标准NNI的发展。

在测试平台内，信令消息通过数据通信网络（DCN）使用带外光纤方法进行交换。该网络不应处理OXC之间发送的信令消息，可通过以下几种方式实现：
- 使用不支持RSVP的DCN路由器；
- 在DCN路由器中禁用RSVP协议；
- 使用禁用路由器警报标志的NNI消息；
- 使用不处理此类消息的RSVP实现的DCN路由器；
- 在OXC之间使用隧道技术。

传输平面数据接口被分组为捆绑链路。捆绑链路和组件链路均根据相关规范建模为未编号接口。

对于软永久连接，标签交换路径（LSP）的建立由NMS向入口节点发送适当信息触发，例如源和目的节点ID、端口ID和有效负载类型。NMS还可以指定到目的地的显式路由。

入口节点直接从NMS接收这些参数，而出口节点通过NNI信令消息获取此信息。路径（PATH）消息中显式路由对象（ERO）的最后一个子对象用于此目的，它包含要连接到客户端节点的节点标识符和端口ID。

拆除过程由NMS发起，而不是由节点独立发起。有两种不同的情况：
- 拆除命令发送到源节点 ：当源节点从NMS接收到此类消息时，它会向目的节点发送PathTear消息，沿途释放预留资源和已建立的交叉连接。
- 拆除命令发送到目的节点 ：如果目的节点从NMS接收到“拆除软永久LSP”消息，它会向源节点发送ResvTear消息，沿途释放已建立的交叉连接，但不释放预留资源。当源节点收到ResvTear消息时，它会向目的节点发送PathTear消息，释放预留资源。

mermaid格式流程图展示软永久连接拆除过程：

graph LR
    A[NMS发起拆除] --> B{拆除命令发送到}
    B -->|源节点| C[源节点发送PathTear消息]
    B -->|目的节点| D[目的节点发送ResvTear消息]
    C --> E[沿途释放资源和交叉连接]
    D --> F[沿途释放交叉连接]
    F --> G[源节点收到ResvTear消息]
    G --> H[源节点发送PathTear消息]
    H --> I[释放预留资源]

部署和管理基于WDM网络的IP：技术解析与测试实践

6. 网络保护机制

网络保护在当今高可用性核心网络的有效设计和利用中至关重要，尤其是在光层的恢复技术。光层恢复是目前最快的恢复技术，通常IP层的恢复速度比光层恢复慢几个数量级。

泰立能Aurora交换机的保护机制

泰立能的Aurora交换机在客户端（接入）侧处理复用段保护（MSP），在网络侧采用新兴标准（利用未使用和未分配的SONET/SDH开销字节）实现网状恢复方案。交换机内置智能以实现亚秒级恢复，并且在网状恢复算法中还考虑了连接优先级。

保护切换性能取决于所使用的保护切换算法：
- 接入侧 ：Aurora交换机基于G.841（或每GR - 253 - CORE的1 + 1）支持MSP，可实现50 ms的恢复时间。
- 网络侧 ：支持StarNet专用网状保护（具有路由多样性的1 + 1），恢复时间为50 ms；还支持StarNet共享网状恢复，恢复目标小于200 ms。

以下是两种网状保护机制的详细介绍：
|保护机制|特点|
| ---- | ---- |
|StarNet专用网状保护|用于设备和网络保护，通过为每个工作路径提供专用的永久路由多样化备份路径来实现基于路径的1 + 1保护。保护路径在工作路径配置期间自动计算和定义，工作路径和保护路径要么是共享风险光组（SROG）不相交，要么是节点和SROG不相交。|
|StarNet共享网状恢复|同样用于设备和网络保护，通过为每个工作路径提供共享的软预留路由多样化备份路径来实现基于路径的恢复。备份路径在工作路径配置期间自动计算和定义，工作路径和备份路径要么是SROG不相交，要么是节点和SROG不相交。与专用网状保护不同，共享网状恢复允许备份资源共享，因为备份路径是预先计算和软预留的。当工作路径发生故障时，名为StarNet - P的带内信令协议处理恢复并沿备份路径建立交叉连接。|

虚拟节点分区

为了进行多节点测试，泰立能的Aurora设备可以在逻辑上划分为多个虚拟节点。交换机上存在多个处理器（在控制板和每个收发器板上），每个收发器板可以分配给一个特定的虚拟节点。这种虚拟节点概念非常接近现实生活中多个独立设备互连的情况。例如，在网状恢复中，不同的板通过SDH开销中的未使用字节相互交换信令消息。由于这些信令消息由发送器（TR）板处理，同一交换机上TR之间的网状恢复行为与TR板安装在不同交换机上的情况非常相似。

7. 测试平台应用及优势

测试平台中安装的两个应用程序展示了该环境对带宽消耗型应用的潜在优势。

• 计算机辅助设计应用 ：具有集中库和数据库，可从不同工作站访问。这使得多个用户可以同时协作，共享资源，提高设计效率。
• 基于IP的视频分发应用 ：用于将IEEE1394流（例如来自数字摄像机）实时转换为IP流。这种实时转换能力使得视频数据可以在IP网络上高效传输，满足了对实时视频的需求。

8. 总结与展望

通过对测试平台设备、控制平面架构、信令机制和网络保护等方面的介绍，我们可以看到在IP over WDM网络的部署和管理中，各个组件和技术相互协作，共同实现了高效、可靠的网络运行。

从设备角度来看，不同供应商的设备各具特点，如TILAB设备的WDM传输功能、西门子OXC的MEMS技术、泰立能Aurora交换机的高速处理和保护机制以及思科路由器的高性能和FRR保护，它们的组合为网络提供了多样化的功能和强大的性能。

控制平面架构通过各个组件的协同工作，实现了连接的建立、维护和释放，以及动态路径控制，为网络的灵活配置和资源优化提供了支持。

信令机制确保了软永久连接的正确建立和拆除，保障了网络通信的稳定性。

网络保护机制在光层和IP层提供了快速恢复能力，提高了网络的可用性和可靠性。

未来，随着网络技术的不断发展，IP over WDM网络将面临更多的挑战和机遇。例如，如何进一步提高网络的容量和性能，如何更好地实现多供应商环境下的互操作性，以及如何应对日益增长的带宽需求等。我们可以期待在这些方面进行更多的研究和创新，以推动IP over WDM网络的不断发展。

以下是一个总结表格，展示了各部分的关键信息：
|方面|关键信息|
| ---- | ---- |
|网络管理系统|软永久和交换路径在ASTN管理系统可见，永久路径在传输NMS可见；ASTN可管理OLC，UNI只能访问自身创建的OLC|
|测试平台设备|TILAB、西门子、泰立能、思科的设备各具特点，提供不同功能和性能|
|控制平面架构|包含CC、RC、LRM、TP、NetCallC、PC组件，有分层、源路由、逐步路由三种动态路径控制方法|
|NNI信令|利用已有标准，用于软永久连接的建立和拆除|
|网络保护|光层恢复快，Aurora交换机有多种保护机制，设备可虚拟分区|
|测试平台应用|计算机辅助设计和基于IP的视频分发应用展示带宽优势|

mermaid格式流程图展示整个网络系统的主要组成部分和关系：

graph LR
    A[网络管理系统] --> B[测试平台设备]
    B --> C[控制平面架构]
    B --> D[NNI信令]
    B --> E[网络保护]
    B --> F[测试平台应用]
    C --> C1[CC]
    C --> C2[RC]
    C --> C3[LRM]
    C --> C4[TP]
    C --> C5[NetCallC]
    C --> C6[PC]
    E --> E1[Aurora交换机保护机制]
    E --> E2[虚拟节点分区]

综上所述，IP over WDM网络的部署和管理是一个复杂而又充满挑战的领域，需要不断地探索和创新，以满足未来网络发展的需求。