24、IP over WDM网络的发展挑战与部署方案

IP over WDM网络的发展挑战与部署方案

1. IP/WDM网络控制与管理挑战

为简化和降低网络运营成本，对更智能、自主网络的需求给网络控制和管理的各个领域带来了新的架构和运营问题。下面将从端到端路由、光域动态路由与波长转换、故障管理和性能管理几个方面进行分析。

1.1 端到端路由

端到端路由的实现依赖于所选的架构互连模型，主要有以下三种模型：
- 覆盖路由方法（Overlay Routing） ：支持覆盖互连模型。光网络维护一个注册表，允许边界路由器注册其IP地址。边界路由器可以查询外部地址，以获取到达外部目的地的出口光端口地址。不过，该模型需要对跨越光网络的IP路由邻接关系进行复杂管理，还需开发额外协议来映射IP地址和WDM地址，如WDM地址解析协议（WDM - ARL）和IETF的下一跳解析协议（NHRP）。
- 增强互连模型（Augmented Interconnection Model） ：支持特定域路由。光域和IP域的路由分开，可采用边界路由协议（BGP）来桥接两个域。路由器可向光网络通告其网络的IP前缀，并从光网络接收外部IP地址前缀。边界OXC接收外部IP前缀后，负责维护外部IP地址和出口OXC地址的关联。
- 对等互连模型（Peer - Interconnection Model） ：支持集成路由。在IP和光域运行同一个IP路由协议实例，如带有合适光扩展的OSPF协议。通过集成的基于MPLS的控制平面可提供统一的IP寻址方案。但该方法中每个路由器需维护大量光域信息，且光路径恢复可能对所有节点可见，网络管理开销较大，适合长期部署在快速交换或分组交换的WDM网络中。

无论采用哪种互连模型，IP网络虚拟拓扑的可扩展性都是一个问题。若无法支持全网状虚拟拓扑，覆盖模型下可能需要多跳IP路由方案，增强和对等模型下则需要两层IP MPLS over WDM MPλS堆叠，还可部署通用MPLS（GMPLS）架构。

下面用表格对比三种模型的特点：
| 互连模型 | 路由方式 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 覆盖路由 | 光网络维护注册表，边界路由器查询外部地址 | 近期较实用 | 需复杂的IP路由邻接管理，需额外协议 |
| 增强互连 | 光域和IP域路由分开，用BGP桥接 | 可分开管理不同域 | 需确定特殊的BGP机制 |
| 对等互连 | 同一IP路由协议实例在两域运行 | 可提供统一寻址方案 | 网络管理开销大 |

1.2 光域动态路由与波长转换

光路径的动态路由可通过扩展链路状态路由协议（如OSPF或IS - IS）实现。与IP层的流量无关路由不同，波长路由需考虑流量负载变化，以减少最拥塞链路中因无可用空闲波长导致的路径阻塞。

光域的最优路由问题被称为RWA问题，虽然该问题是NP完全问题，但一些特殊启发式算法（如首次适配、最少使用或最多使用分配）可显著提高阻塞概率方面的性能。路由协议需支持RWA计算方案，并扩展以在链路状态通告更新中表示波长负载信息。

波长转换能力也会影响RWA性能。虽然它可降低光路径阻塞概率，但目前技术不成熟且成本高，因此更可能采用有限波长转换，将少量转换器优化放置以最小化阻塞。根据部署的交叉连接能力，路由算法可能需明确管理波长连续性约束，链路状态通告更新应支持更详细的RWA信息。

下面是光域动态路由与波长转换的流程：

graph LR
    A[开始] --> B[扩展链路状态路由协议]
    B --> C[考虑流量负载进行波长路由]
    C --> D[解决RWA问题]
    D --> E[采用特殊启发式算法]
    E --> F[支持RWA计算方案]
    F --> G[扩展链路状态通告更新]
    G --> H[考虑波长转换能力]
    H --> I[有限波长转换优化放置]
    I --> J[管理波长连续性约束]
    J --> K[结束]

1.3 IP/WDM故障管理

未来每条光路径预计传输数百吉比特的数据，因此IP/WDM网络的生存性是成功部署的关键因素。故障管理主要包括故障定位和故障恢复两个方面。
- 故障定位 ：对于具有可重构光核心的IP/WDM网络，故障定位是难题。需不断测量光信号功率和光信噪比等低电平模拟信号参数，但难以将这些参数定量映射到IP层的可观测属性，如丢包率。此外，阈值管理复杂，不同WDM设备的信号处理和故障传播特性也增加了故障定位的难度。目前建议将WDM性能参数和物理损伤纳入RWA过程。
- 故障恢复 ：负责在网络资源故障（如链路或节点故障）时维护端到端IP服务。目前大多数IP/WDM系统使用SONET/SDH层进行故障管理，当该层被淘汰时，需实施新的故障恢复模型。覆盖互连模型可直接支持光域的保护和恢复架构；增强和对等模型下，基于统一GMPLS的控制平面可采用基于MPLS的保护和恢复方案；IP层自身的分布式路由算法也可用于故障恢复，但存在响应时间慢、可扩展性差和无法保证WDM层路径多样性等问题。

1.4 IP/WDM性能管理

对于支持QoS的流量传输，需要限制丢包率、端到端延迟和数据包抖动等参数。提供高级和关键任务服务对IP/WDM性能管理提出了更高要求。IP流量工程由MPLS支持，可进行基于约束的路由，但LSP重路由可能导致端到端延迟增加和资源利用率低下。因此，应利用WDM层的功能来更好地响应QoS性能变化，如光域的重新配置，还可扩展WDM层功能以管理差异化服务，同时考虑光通道的物理损伤。

1.5 光控制平面（Optical CP）的采用

目前，电信运营商需要将现有设备与新兴网络技术相结合，以快速灵活地提供现有服务并开发新的增值服务。这促使基于控制平面（CP）的新网络管理模型的发展，GMPLS和光UNI被认为是实际采用的领先技术，它们可映射到ASON模型，使用相同的底层信令协议，与经典MPLS和常见路由协议密切相关，有望成为光CP实现的标准。

下面用表格对比ASON/GMPLS部署与现有IP/WDM网络的特点：
| 现有IP/WDM网络 | ASON/GMPLS部署 |
| ---- | ---- |
| 特定供应商的服务提供 | 跨供应商的服务提供 |
| 半手动非实时的逐域提供 | 按需实时端到端提供 |
| 资源和拓扑信息不足 | 维护完整的网络清单 |
| 按端口计费 | 按LSP计费 |
| 仅保护 | 链路/路径保护和动态恢复 |
| 手动配置域 | 自动通告域 |

虽然ASON/GMPLS部署具有自动即时提供运营商间和多供应商域服务、灵活的服务选择以及动态资源分配和恢复等优点，但在进一步广泛部署方面仍面临一些挑战，如标准的进一步完善、说服运营商在CP中采用IP技术以及实现与光信令技术相同的经济效益等。

IP over WDM网络的发展挑战与部署方案

2. 可能的部署场景

从服务提供商的角度来看，向自动交换光网络服务的转变以及支持这些服务的功能开发，取决于能否将光控制平面（Optical CP）与传统管理系统集成。这涉及到在控制平面和管理平面之间分配功能的问题，例如路由和链路管理是由管理平面负责，还是由控制平面完成连接处理等功能。

光控制平面的集成将在不同传输网络层和传输网络分区（不同供应商/运营商域）内进行，以下是几种可能的部署场景：

2.1 多供应商网络的控制平面集成

考虑一个行政区域由多个控制域组成的多供应商网络，光控制平面的集成可以分两步进行：
- 第一步：基于管理的解决方案 ：运营商特定的控制平面通过必要的适配直接与网络管理平面耦合（如图1所示）。这种方法对于小型网络可能可行，但随着网络规模的扩大，其可扩展性可能会受到挑战，因为集成需要多个复杂的接口，而且高度动态的市场业务需求会使维护成本增加。
- 第二步：引入中间层 ：在多个供应商控制域之上提供一个薄的中间层，作为管理平面和供应商特定域之间的中介（如图2所示）。这个中间层代表一个独立于运营商的通用控制平面，通过控制 - 管理接口与管理平面通信。这种方法可以简化新行政域的引入，因为集成过程更简单，维护成本更低。内部NNI标准最有可能用于实现同一行政区域内不同控制域的互通。

下面用流程图展示这两步集成过程：

graph LR
    A[开始] --> B[第一步：运营商特定CP与管理平面耦合]
    B --> C{网络规模小?}
    C -- 是 --> D[可行方案]
    C -- 否 --> E[扩展性困难]
    E --> F[第二步：引入中间层]
    F --> G[独立通用CP与管理平面通信]
    G --> H[简化新域引入]
    H --> I[结束]
    D --> I

2.2 光控制平面与传统系统在不同传输网络分区的集成

新的支持光控制平面的供应商域需要与目前通过传输 - 管理接口直接与管理系统通信的已部署域共存（如图3所示）。同时，新部署的自动交换域将对管理系统隐藏，通过控制平面与管理平面通过控制 - 管理接口进行互通。

2.3 不同行政域之间的互通实现

具有光控制平面的不同行政域和传统非自动交换的多供应商域需要实现互通。这些域仍需要明确适配以与各自行政域的管理平面通信。同时，光控制平面预期实现的外部NNI支持将允许多供应商和运营商间域的顺利互操作（如图4所示）。在这种情况下，控制平面和管理平面需要协作以提供运营商间的端到端服务，路由和链路管理将由它们共同完成。

部署场景	特点	优势	挑战
多供应商网络第一步集成	运营商特定CP与管理平面耦合	适用于小型网络	扩展性差，维护成本高
多供应商网络第二步集成	引入独立通用CP作为中介	简化新域引入	需要确定内部NNI标准
光控制平面与传统系统集成	新域与旧域共存，新域隐藏	实现新旧系统兼容	控制平面与管理平面互通复杂
不同行政域互通	光控制平面支持外部NNI	实现多供应商和运营商间互操作	控制平面和管理平面协作难度大

综上所述，IP over WDM网络在控制与管理方面面临着端到端路由、光域动态路由与波长转换、故障管理和性能管理等诸多挑战。光控制平面的采用为解决这些问题提供了新的思路和方法，如ASON/GMPLS部署具有很多优势，但也面临一些挑战。在部署方面，不同的场景需要不同的集成策略，以实现网络的高效运行和服务的可靠提供。未来，随着技术的不断发展和标准的进一步完善，IP over WDM网络有望在通信领域发挥更大的作用。