ASON（自动交换光网络）控制平面的研究

2019-11-05 01:34:08

字体：大中小

来源：转载

供稿：网友

　　1 引言
　　自动交换光网络（ASON）的出现是传送网发展的历史性突破。ASON是一种利用独立的控制平面来实施动态配置连接治理的网络。ASON控制平面体系结构的核心技术包括信令技术，路由技术和链路资源治理技术等。其中信令技术用于完成自动交换连接功能、实现快速的端到端光通路保护监控和恢复、快速地建立，拆除和维护一条跨于全光网络的光路径；路由技术执行路由操作以及网络拓扑和资源的信息发现,传递链路状态信息并计算点到另—个节点的最佳路由通路；链路资源治理用于控制信道治理和维护、传送链路的连通性验证和故障隔离／定位等。从目前来说，开发应用新一代智能光网络在核心网或城域网的网络演进和融合方面是十分重要的，而其要害是设计一个良好的标准化的光控制平面。
　　
　　2 ASON体系结构及其控制平面协议标准化规范
　　ITU-T提出的ASON重叠模型，IOF提出的InterDomain域间模型和IETF提出的GMPLS集成对等模型都是实现智能光网络控制平面的参考模型。如图1所示，从功能层面上看ASON是由三大平面，即控制平面CP，治理平面MP和传送平面TP所组成的。其控制平面由一组通信实体组成，负责完成呼叫控制和连接控制功能，主要是连接的建立释放、监测和维护，并在发生故障时恢复连接，由信令网支撑。而治理平面完成传送平台、控制平面和整个系统的维护功能，它负责所有平面间的协调和配合，能够进行配置和治理端到端连接，是控制平面的一个补充，包括网元治理系统EMS和网络治理系统NMS，它将继续在集中控制的点击式光通道配置中发挥重要作用，它具有M.3010所规范的治理功能，即性能治理，故障治理、配置治理、计费治理和安全治理功能，此外，它还包含内置式网络规划工具。ASON的传送平台为用户提供从端到端双向或单向信息传送，同时，还要传送一些控制和网络治理信息（带内方式），它按ITU-T G.805建议进行分层，为了能够实现ASON的各项功能，传送平台必须具有较强的信号质量检测功能及多粒度交叉连接技术。其中ASON控制平面不是一个或一套协议，而是一个光网络控制平面组件以及这些组件之间接口的结构模型，并采用了可划分为多个域的概念性结构，这种结构可以答应设计者根据运营商具体条件和运营策略限制来构建一个重叠网络，不同域之间是通过参考点来完成相互作用的。用户同ASON网络之间的接口是UNI，而ASON网络中不同治理域之间的参考点是E-NNI，而同一个治理域之间不同路由寻径域或不同控制元件之间的参考点是I-NNI。并且三大平面之间的交互通过连接控制接口CCI（CP和TP之间）和网络治理接口NMI（MP和TP之间）来实现。ASON由于是重叠模型使网络的客户层和传送层相分离，分别拥有两个独立的控制平面，两者之间的相互作用被最小化，一个运行在核心光网络之中，另一个运行在核心网和边缘设备之间，边缘设备支持动态实施光核心网络的光通道，但不了解内部核心拓扑结构的静态配置，从而隐藏了光网络的内部结构，形成了独立的光域，为处于网络边缘的客户（如ADM、ATM交换等）提供波长服务和链路级抽象，在核心和边缘设备之间加强了治理控制边界。
　　　

　　图1 ASON重叠模型体系结构（分层模型和接口模型）
　　
　　分布式的控制平面是智能光网络的最大特色，很多国际标准化组织致力于这项工作的研究。ASON由ITU-T提出、研究并进行标准化，它秉承了ITU的风格，如图2所示ASON标准化采用自顶向下的方式，从一套完整清楚的需求开始ASTN（G.8070），到高层结构设计ASON（G.8080），最后是单元结构（一批规范）。任何满足单元结构需求的协议都可能成为实现ASON控制平面的选择。主要有：用于数据通信网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）；用于邻居发现和服务发现的G.7714（主要针对SDH/SONET/DWDM设备的资源发现G.7714.1）；用于路由协议的G.7715；用于链路资源治理方面的G.7716等等建议草案系列。
　　　

　　图2 ITU-T ASON 自顶向下的控制平面协议标准
　　
　　3 ASON控制平面的一般要求
　　ASON控制平面在支持更快更精确的光电路建立的同时，本身应该具备可靠性、可扩充性和高效性，而且还应该具备足够的通用性，以支持不同的技术、不同的商业需求以及业务提供商提供对于其网络更好的控制。概括而言，控制平面体系结构应该满足下列要求：
　　
　　● 可用于多种不同的传输网技术（例如SDH/SONET，DWDM，PXC），因为目前ASON主要是建立在传统的光传送网OTN和自动交换传输网G.ASTN基础上，并使之智能化。
　　
　　● 具有足够的灵活性以适应不同的网络状况，通过将控制平面分割成不同构件控制域可实现这一要求，并答应业务提供商来决定这些构件的位置及其安全性和策略控制的考虑。
　　
　　● 对于控制平面的故障的处理能力应满足电信级的要求，在故障恢复的过程中要能够灵活的与治理平面和传送平面协调处理，从而使控制平面在错误发生时具有一定的弹性。
　　
　　● 能够支持光传送网络中交换连接（SC）和软永久性连接（SPC）的基本功能。这些连接功能的类型包括：单向点对点连接、双向点对点连接、双向点对多点连接。
　　
　　● 支持不同的网络组织和分割导致的不同自动配置模型：软永久连接SPC模型、用户网络接口UNI模型、对等模型PeerModel。
　　
　　4 ASON控制平面功能分析
　　ASON控制平面从功能上主要被分解为三大部分：发现机制、信令技术和路由技术。发现机制主要涉及到邻居之间节点和链路的相互检测，并且节点和链路的属性应该被共享和协商，从而要求对网络资源进行治理和配置（自动和手工）；信令技术用于ASON的信令网，同传统的7号信令网一样用于呼叫的建立、拆除和维护，但是ASON的信令消息可以是带内传送，也可以是带外传送，并且在控制平面发生故障时能快速的保护和恢复；由于ASON将网络划分为多个控制域，传统的基于流量工程的域内路由协议（OSPF-TE/IS-IS-TE）和域间路由（BGP）协议加以扩展得以应用，但是也出现了富有特色的ASON分级路由机制。
　　
　　4.1 发现机制
　　
　　为了满足用户对设备“即插即用”功能的需求，相邻对等网元设备之间自动发现机制显得非常重要。通过一组链路连接的对等网元必须发现邻居网元的ID，并确定各自端口的相互映射关系和协商它们的链路上能够支持的服务。此外物理线路冲突（如光纤连接错误）也能被自动检测到。ASON控制平面主要支持以下几种自动发现过程：
　　
　　① 邻居发现：自动邻居发现过程答应直连的相邻网元设备确认彼此的身份端口ID和对所连接的远端接口进行认证。假如邻居发现过程在网元设备中没有被实现，那么邻居和远程端口ID必须被手工配置到相应的设备信令实体中。用于自动邻居发现过程的消息交换在ipCC（IP Control Channel）中进行，而IPCC的实现方式有“带内或光纤内”（承载信令的通道被嵌在挟带数据的光链路中，一般在SONET/SDH的线路或段数据通信通道DCC中传送）和“带外或光纤外”（专用信令链路与承载数据的光链路分离，如外部IP传送网和专用双向SONET/SDH连接净荷中传送，其组帧方式为IP over PPP over SONET/SDH）两种。如图3所示，N1和N2网元设备通过三对双向光纤相连，图中T表示激光发送器，R表示光检测接收器。N1端口3发送包含自己IP地址标志和端口ID（被称为控制通道ID：CCID）的配置消息给N2的端口12，N2接收到后保存起来并复制，发送确认消息（含有自身以及刚刚从邻居那里学习到的IP地址标志和端口ID）给N1，从而完成邻居之间的端口映射关系。自动邻居发现过程避免了因手工配置邻居和端口连接信息带来的潜在错误，而且提供了一种自动检测物理线路冲突的方法。图中N1端口1，2和N2端口10，11的物理连接关系就是一个物理线路错误案例，（N1,1）发送配置消息给（N2,11），同样（N1,2）→（N2,10）；而（N1,1）从（N2,10）接收到的确认消息中没有看见自己的信息，发现的却是（N1,2）的信息，（N1,2）←（N2,11）也同样如此。因此立即就可以发现N1和N2端口之间物理线路配置有问题。
　　　

　　图3 基于带内IPCC实现方式（承载于SDH/SONET DCC）的自动邻居发现过程
　　
　　② 服务发现：服务自发现过程是与邻居发现过程相关联的（在其完成之后被激活），消息交换也是基于IIPCC的。此过程主要存在于相邻网元对等实体之间，用于描绘设备的能力以及从邻居获得相关的传送网服务信息。其另一个重要功能就是得到相邻网元接口的限制信息，并且此过程也是是可选的（否则此过程提供的信息必须手工配置在相应网元设备对等实体中），其具体消息交换序列如图4所示。3种消息类型用于服务发现：ServiceConfig, ServiceConfig Ack 和ServiceConfig Nack消息（在LMP对象格式中定义，因此可以认为服务发现消息交换是基于LMP Config消息的交换过程）。先在对等实体间进行1＃消息过程，3＃消息过程由N1发送到N2，必须先完成2＃消息过程后才执行。而且ServiceConfig必须被周期发送直到接收到ServiceConfigAck/Nack消息为止，或者接收ServiceConfigAck/Nack超时。其中重传间隔和超时参数的定义由本地配置（在LMP中明确指定）实现。
　　　

　　图4 自动服务发现过程图5 SDH/SONET网络的分层结构
　　
　　③ 同层和错层邻居发现：此过程属于邻居发现过程的扩充部分，由于ASON是在ASTN和OTN的基础上发展的，因此ASON的传送平面趋向于一种分层结构，在不同传输技术（密集波分复用DWDM/时分复用TDM/SDH/SONET）共存的情况下，以SDH/SONET网络的分层结构为例（如图5所示），目的在于清楚的描绘复用结构和提供高性能的监控/故障治理功能（如警告指示信令和远程检测指示信令被插入到每一层中，用于每层明确定位网络传送信令的中断位置）。正因为传送网分层结构导致了光网络自动邻居检测的复杂性，图6描述了基于SDH/SONET/DWDM传输系统的智能光网络中同层和错层（即不同层之间）邻居发现过程。当邻居设备共享复用结构的共同级别时，自动邻居发现选项由复用结构该层的功能决定的。假如链路的两端运行在复用层次的不同级别，本质上来说这是一种单向邻居发现过程。
　　　

　　图6 同层和错层邻居发现
　　
　　ASON控制平面的发现功能主要由ITU-T的G.7714（通用的自动发现机制）建议来制定，目前在G.7714.1中描述了SDH/OTN中的发现技术。GMPLS体系中本身缺少自动发现协议，但是其链路治理协议LMP可作为一种替代的方案，它提供链路连通性验证和故障治理。链路连通性验证在邻居信息配置好之后检查光纤的连接，故障治理功能被用于设计成一类光交换机（光交叉连接器OXC）部署到光网络中，具有快速故障定位和隔离的能力。而且光互联网论坛OIF的UNI 1.0信令技术草案也利用了LMP的子集来实现UNI对等信令实体间控制通信链路的连通性验证。
　　
　　4.2 基于分布式呼叫和连接治理DCM的信令技术
　　
　　ASON控制平面提出的DCM基本信令功能就是快速实施呼叫连接的建立和拆除。对于一般的控制平面所支持的基于DCM的信令操作过程（交换连接SC和软永久连接SPC的建立）需要ASON控制平面相应的功能组件来支持，它们主要是:
　　
　　1) 呼叫接纳控制器CAC：负责基于呼叫参数确认、用户权力和网络资源接入策略的呼叫接纳控制。
　　
　　2) 呼叫控制器CallC：治理呼叫连接；产生、接受或拒绝的呼叫请求；产生和处理呼叫终止请求；呼叫状态治理。
　　
　　3) 连接控制器CC：负责协调链路资源治理器、路由控制器以及对等或者下层连接控制器以便达到治理和监测连接的建立、释放和修改已建立连接参数的目的。
　　
　　4) 链路资源治理器LRM：负责对子网节点缓冲池SNPP链路进行治理，包括对子网节点SNP链路连接进行分配和撤消分配，提供拓扑和状态信息。
　　　

　　图 7 基于DCM跨于全光网的呼叫建立（Call Set-up）过程
　　
　　图7描述了基于DCM跨于全光网的呼叫建立过程，为了支持交换连接服务，呼叫请求通过A端用户请求代理ARA发送“呼叫建立请求”消息给主叫方呼叫控制器而被初始化，呼叫请求指定了与用户请求呼叫关联的信息（包括与服务相关的服务水平协议SLA，安全性方面和策略相关的信息等等）。而对于软永久连接服务的支持是通过治理平面来处理的，运营商在网元设备系统和网络治理系统中预先设置治理参数来要求连接控制器CC建立连接来支持呼叫请求，这和ATM中的PVC以及电话网中的电路出租治理类似。用于呼叫建立的资源主要有子网节点SNP，子网节点缓冲池SNPP，链路连接LC等等。为了建立端到端的跨于全光网的呼叫连接，必须涉及到呼叫请求过程，连接请求过程，以及不同类型资源连接的创建过程。由于ASON重叠网络模型的多域结构导致了整个连接通路的建立由链路连接LC和子网连接SNC分别创建和相互串联构成。
　　
　　控制平面的故障主要有信令通道失效和控制平面节点故障。ASON的控制平面需要信令协议支持适当的措施从故障中恢复过来,最初尝试是基于本地控制平面机制及其与传输平面的相互作用,随后是基于控制平面与外部构件的相互作用。故障处理的基本方法是：控制平面的失效将通知治理平面，治理平面将根据故障指导控制平面采取相应的措施。这些措施包括进入自我刷新状态，清除和释放部分连接或者状态维持信息；控制平面节点可以持久的储存呼叫和连接状态信息，配置信息和控制平面邻居信息等；经恢复本地连接/呼叫状态信息仍然丢失，控制平面节点将与外部构件（邻居节点或者集中提供持久存储信息的节点）通信尝试恢复状态信息；控制平面节点在不能恢复某些信息（如不能同步连接状态）时，需要治理平面的干预（释放连接）。注重：控制平面的故障不一定导致连接释放，从控制平面看，连接已经不同步，而连接仍是有效的，此时TE链路就会处于退化状态。
　　
　　4.3 ASON控制平面的分级路由机制
　　
　　ITU-T G.7715/Y.1706草案定义了在ASON中建立交换连接SC和软永久连接SPC路径选路功能的结构和要求以及ASON路由结构，路径选择、路由属性、抽象信息和状态转移图等功能组件。其中ASON路由结构支持G.8080中定义的不同的路由方式，如分级路由（Hierarchical Routing），逐跳路由（step-by-step Routing）和源路由（source-based Routing）。并且也对路由信息表达方式的不同进行了抽象，如链路状态，距离矢量等。G.7715的目的是提供一种与协议无关的方法，用来描述用于ASON的路由技术。路由消息是通过数据通信网络（DCN）进行传送，G.7712规范了DCN的一种可能的实现方式。ASON路由体系结构在网络中被分割为多个路由域，为了提供路由服务，需要事先了解网络资源的情况，并对网络资源进行分配后再使用。这些网络资源可以通过人工配置，也可以是基于ITU-T G.7714/Y.1705草案中定义的自动发现机制来配置。
　　
　　运营商对网络进行分割是基于特定的策略，如地理因素，治理范围，技术特点等。运营商将细分后的网络看作是提供路由服务的不同路由域RA（Routing Area）。路由域提供路由信息的抽象，从而使得路由信息的表达具有可扩展性。这些单个路由域的服务是通过路由执行器RP（Routing Performer）来提供的，而RP可以看作是路由控制器RC（Routing Controller）的联合体，RP能支持多种路由方式（ITU-T G.8080草案中规定的路由方式：源路由、分级路由和逐跳路由）的路径计算。所支持的路径计算功能是基于路由信息数据库有效的信息类型来实现的。
　　
　　路由域可以分级包含，在分级路由中每个路由域与一个独立的RP相关联，而服务接入点扮演RP的角色。路由等级中的每一层面可以使用支持不同路由方式的RP，RP的实现是基于实例化的分布式RC。RC提供在一个给定层面的NNI参考点提供路由服务的接口，同时负责路由信息的协调和分布。不同的RC实例由于不同的运营策略受到影响，而这些策略取决于其服务提供商所属的组织，策略的执行可以通过不同的协议机制来完成。RC的实现可以是一组分布式的实体，这组实体被称为一个路由控制域RCD（Routing Control Domain）。RCD是一个抽象的实体，它隐藏了路由控制域的内部细节，而提供与RC分布式接口相同特征的接口。RCD之间交换的路由信息的本质是捕捉RC分布式接口之间交换路由信息的语义，并答应每个路由控制域内可以使用不同的表达方式。RCD的实现依靠于具体的实施方式。RA, RP, RC和RCD之间的关系如图8所示，RA包含RA，递归的定义了连续的分级路由等级。一个独立的RP与一个路由域相关联。这样RPRA和路由域RA关联，而RPRA.1和RPRA.2各自与路由域RA.1和RA.2关联。依此类推，RP自身是由分布式的RC来实现的，RC1由RPRA而来，RC2由RPRA.1 和RPRA.2而来。可见RCD分布式接口与RC分布式接口的特征是一致的。
　　

　　图8 RA, RP, RC和RCD之间的关系（分级路由体系结构）
　　
　　5 结束语
　　智能光网络控制平面被分解成：邻居发现，信令连接控制和路由拓扑/资源发现等几个基本的过程，不同的网络组织导致了几个不同的网络模型，这是构成以IP为中心的光传输网的控制和治理基础。目前从事智能光网络产品研发的CIENA公司开发出的新一代智能光网络是下一代网络NGN ASON自动交换光网络的前奏曲，其核心网和城域网的要害设备智能光交换机Core Director已在北美欧洲亚洲的近30家大型运营商得到广泛的应用，在技术和市场上应用中都处于领先地位。

上一篇：CISCO Catalyst 4000系列交换机产品介绍

下一篇：三大重要因素驱动软交换高速发展