思科路由产品

用于IP NGN的思科IP over DWDM解决方案

隶属于IP NGN的思科®IP over DWDM解决方案有助于实现电信运营商的核心IP和密集波分多路复用(DWDM)网络的融合,提高服务灵活性和可靠性,降低运营开支(OpEx)和投资开支(CapEx),同时通过Cisco CRS-1运营商级路由系统和Cisco ONS 15454多服务传输平台(MSPP)有效地管理流量增长。

简介

为了满足人们对于融合分组基础设施的需求,越来越多的电信运营商开始将他们的网络转向基于IP下一代网络(IP NGN)的架构。这种转变源自在降低运营开支、投资开支的同时,在一个统一的融合基础设施上提供新的创收服务的需求。IP NGN可以在应用、服务和网络层实现融合。本文着重介绍网络层,特别关注电信运营商的核心网络中的两项重要技术的融合:IP和DWDM。

核心网络基础设施的演变

目前,核心网络的发展趋势就是将多个第二/三层网络整合到一个统一的IP/多协议标签交换(IP/MPLS)基础设施上。但是,除了这种第二/三层融合之外,很多电信运营商核心网络的底层传输层(第一层)仍然继续在使用SONET/SDH――一种在20世纪90年代初面世的,旨在支持基于时分多路复用(TDM)的传统数据和语音服务的基础设施。这种SONET/SDH基础设施主要用于支持三种关键的功能:疏导;保护和恢复;以及全面的运营支持(例如警报和性能监控)。

SONET/SDH基础设施在刚刚推出时可以有效地将多个低速TDM线路(例如T1/E1和T3/E3)复用到高速的OC-3和OC-12中继线路,以便在电信运营商的核心网络中进行传输。因为它们的同步性,低速连接仍然可以在必要时在终端进行独立的交换,而不需要进行基于TDM的数据、语音服务所要求的、复杂的解多路复用。该基础设施不仅支持了速度更快的汇聚连接(例如OC-48)的发展,而且推动了当时新兴的IP网络。这种“疏导”功能可以提供较高的带宽效率和自动化水平,让电信运营商可以利用SONET/SDH分插多路复用器(ADM)和交叉连接设备,在网络核心支持多种交换式TDM服务。SONET/SDH基础设施通常在核心使用一种基于环网的拓扑,它还可以在环网某个部分发生故障时提供保护和快速恢复(50ms),从而最大限度地提高整个网络的可用性。随着SONET/SDH标准的面世,一个单独的、标准化的、基于消息的通道*被用于对连接执行警报、控制、监控和管理等进行集中化的操作。

在20世纪90年代后期,能够在单个物理光纤上传输多个波长的DWDM的出现,大幅度地提高了已有光纤的效率。这种功能在光网层引入了另外一种级别的多路复用和解多路复用,以支持网络核心带宽的快速增长。流量的增长主要是由于基于IP的网络随着万维网(WWW)的快速发展。SONET/SDH层这时处理的IP流量越来越多。它被映射到DWDM传输层的波长,而这些波长接着在跨越多个地区和国家的核心远程**网络中传输。目前全球很多电信运营商网络仍然在采用这种做法。

* DCC-数据通信通道,一个用于SONET/SDH设备间的OAM&P的、基于消息的192kbps通道。

** 远程网络的传输距离通常不超过1000公里(620英里)。

IP的快速发展

但是,这些核心网络上的IP流量一直在稳定增长,目前这些核心长途网络上的主要用途就是传输大量快速的IP流量,它们已经远远超过了传统的语音和数据服务的数据量。仅仅在未来五年中,预计全球每月的IP流量将达到11EB*。随着所有视频、语音和数据应用的流量都融合到IP平台,全球IP流量的年复合增长率(CAGR)将会超过56%。随着传统应用(例如广播电视、视频点播和语音)向基于IP的新型分发模式的融合,以及新型应用(例如音乐和视频播放和点对点[P2P]文件共享)的快速发展,核心IP流量迅速增长的趋势将会进一步持续。

核心网络基础设施面临的挑战

尽管出现了第二/三层网络向IP平台融合的趋势,多个用以支持核心长途网络的设备层仍然存在,导致电信运营商开始担心运营开支、投资开支的增长,以及在盈利水平、投资回报方面所面临的严峻挑战。而且,随着客户对服务水平协议(SLA)的要求的日益提高,电信运营商必须在保持更高可靠性的同时,拥有很高的灵活性或者“服务提供速度”,以适应服务需求或者网络核心流量增长方式的改变。为了满足这些要求,电信运营商必须简化他们的核心网络,采用更加有效的方式处理日益增多的IP流量负载――然而,他们必须解决网络中多个层面的问题,才能实现这个目标。

多个传输层组件

网络的有些低效环节源自于人们目前在扩建核心传输网络时采用的方法:在底层DWDM基础设施上建立SONET/SDH层,再在其基础上支持IP层。设想一下两种类型的流量进入、流出一个典型的电信运营商接入点(POP)的路径。第一种情况是IP流量需要在POP进行一次第三层搜索,因而采用了一个在路由器上终止的波长。第二种情况是所谓的“直通式”(或者暂态)流量,这些流量位于传输域,绕过路由器到达电信运营商的核心网络上的某个相邻POP。

在路由器终止的流量

目前,这种IP流量通常经由10Gbps SONET/SDH OC-192/STM-64线路进入POP,这些线路包含了多个通过DWDM复用到一个物理光纤中的彩色波长。这条光纤连接到一个DWDM解多路复用器,由其分解出各个彩色波长。这些在路由器上终止的波长随后被发送到收发器,由其将它们从光(彩色)信号转换为电信号,再转换为一个标准的短距离波长(“灰光”)。进行这种光-电-光(OEO)转换的原因是过去在POP环境内主要用短距离光纤进行内部连接。灰光随后通常被输入一个SONETS/SDH交叉连接**的一个短距离接口,它会恢复SONET/SDH时钟,进行必要的疏导,检查错误,以及监控信号损失(LOS),以便进行必要的SONET/SDH级恢复。但是,在目前的大部分情况下,实际上并不需要任何疏导操作,因为通常是完整的10Gbps被连接到路由器(而不是过去的2.5Gbps或者速度更低的连接),因此从连接的角度来说,这种交叉连接实际上就相当于一个插线板。SONET/SDH交叉连接随后将10Gbps输入路由器,由其在第一层到第三层进行性能监控,根据LOS情况进行必要的MPLS快速重新路由(FRR)恢复,以及进行第三层或者更高层次的路由,以便将分组发送到目的地。在汇聚方面,核心路由器通常会汇聚多个低速连接,将IP流量分流到得到有效利用的10Gbps连接,再发回到核心传输网络。

* 1 Exabyte(EB)=1千兆兆字节:思科估计,Ovum,Bernstein,以及公开企业数据

** 交叉连接一词是指任何配有一个电子背板,可以进行OEO转换的设备,例如一个宽带数字接入和交叉连接系统(DACS)。

直通式流量

随着核心中的流量模式变得越来越分散,直接通过某个完全位于传输层的指定POP的流量(而不是终止于一个IP路由器)将会不断增加,有时甚至会占到POP处理的全部流量的70%到80%。在这种情况下,输入的DWDM连接会通过一种类似的互联方式,通过DWDM解多路复用器和收发器,经由短距离光纤到达SONET/SDH交叉连接。它会检查错误,根据LOS情况采取必要的SONET/SDH恢复。同样,这里不再需要过去使用的疏导功能,因为通常会有完整的10Gbps直接通过POP。因此,从连接的角度来说,交叉连接仍然相当于一个插线板。对于从POP输出的流量,则需要进行类似的互联流程。

这些OEO转换和相关的电子处理会产生额外的空间成本,因为在一个电信运营商POP中可能需要多个机架;另外也会产生额外的供电和冷却成本,因为它们包含了很多有源电子器件。而且,在这种核心网络中,SONET/SDH功能是多余的,因为这些功能已经被集成到路由器中。

  • 疏导-因为大部分流量都转向IP,路由器现在可以通过汇聚IP流量和将其输入到得到有效利用的10Gbps连接中的核心传输层,执行疏导功能。
  • 运营支持-路由器和它的相关接口可以在第一到第三层测量误差,搜集性能统计数据,生成相应的警报等。
  • 保护和恢复-利用MPLS FRR,路由器可以提供不到50ms的保护时间,因而比传统的SONET/SDH保护机制(例如BLSR*)有效的多――后者需要为实现保护而浪费多达50%的带宽。

由于这些原因,电信运营商已经开始通过用手动分插取代交叉连接来节约成本。

图1 当今网络中的IP-over-DWDM互联模式

当今网络中的IP-over-DWDM互联模式

* BLSR-双向线路交换环。它是一种SONET传输网络配置,其中的网络连接被连接到一个环网中,如果线缆中断或者光信号的性能降低,流量可以重新沿着环路的另外一个方向发送,从而绕过故障点。

手动分插

手动分插可以消除网络中的交叉连接,但是仍然需要在路径中的每一跳使用收发器。即使对于迅速的或者直通POP地点的流量,也必须对每个波长执行一次OEO转换,因为传统DWDM系统在环网和网格式配置中的能力极为有限。这种情况仍然需要通过解多路复用操作,将DWDM信号分解为单独的波长,再通过收发器将其转换为灰光。这些灰色信号随后必须经由手动分插,通过一个插线板发送到它们在POP中的最终目的地,而后再通过多路复用发回到DWDM系统。在今天的DWDM网络中,手动分插已经成为一种经常性的操作,因为路由器会完全使用的10Gbps连接的情况已经很普遍。这些连接不需要在次波长级别进行疏导,就可以直接映射到DWDM波长。但是,如果在位于快速连接上的中间POP中进行手动分插,那么一旦核心网络需要进行添加或者改动操作,一位运维人员就需要在从起点到目的地之间的每个中间地点对波长进行分插。这个过程极为繁琐,而且容易出错――它大幅度地降低了进行网络改动的速度,一些大型的国内或者国际网络可能需要几周的时间才能完成。

对于交叉连接的持续投资

因为语音开支负担的加重,交叉连接供应商开始升级他们的系统,以便在一个由G.709标准定义的扩展多路复用结构的基础上交换10Gbps信号。尽管这种方法表面上似乎可以解决自动交换问题,但是当电信运营商为适应流量增长而部署更多带宽时,它需要安装额外的短距离接口和收发器(或者交叉连接上的集成化DWDM接口)来为直通流量提供互联。每个波长仍然需要在交叉连接设备中进行一次昂贵的OEO转换。因为这些设备非常昂贵,电信运营商不大可能预先部署它们――这使得电信运营商必须随着流量的增长而在多个中间地点进行必要的设备升级和投入人力。更加严重的是,随着核心中的IP流量对连接容量的需求从10Gbps增长到40Gbps,这些交叉连接平台和它们的相关电开关矩阵也必须进行升级,以适应这种转变,这意味着电信运营商必须增加他们的投资开支和运营开支。即使交叉连接拥有足够的多余容量来适应流量的增长,这通常对电信运营商来说意味着成本负担――即在真正需要使用这些多余的闲置带宽容量之前,这些投资并不会带来回报。

图2  今天的核心IP和传输网络基础设施

今天的核心IP和传输网络基础设施

分割的控制平面

随着传输和IP网络的发展,为了满足不同的需求和适应不同的阶段,逐渐出现了很多各不相同、互不兼容的控制机制,这些机制的作用是在终端之间传输流量。如前所述,今天的传输网络主要依靠通过插线板物理配置的或者通过交叉连接中预先手动配置的固定路径来将一个输入端口连接到一个输出端口。在后一种情况下,有些控制通道通信被用于在中间节点之间提供半自动的路径设置,但是网络拓扑并不会在管理系统上实时更新,从而导致了过期的数据库和过长的网络改动完成时间。大型网络可能需要好几周时间,因为需要在不同的地点之间配置新的波长,而这些网络通常需要操作人员之间进行语音通信。IP/MPLS网络采用了一种为大部分基于分组的网络技术所共有的、更加自动化的模式,因而需要在路由器之间通过协议――例如边界网关协议(BGP)和标签分发协议(LDP)――来交换控制信息,从而确定终端之间的最佳路径。这些控制协议在IP/MPLS网络中的使用让网络可以根据不同的条件,智能、动态地自动优化和自动路由流量,而这种智能正是目前的传输层网络所缺乏的。由于今天的IP网络的流量的动态特征,这种在传输层和IP层采用不同的、互不兼容的控制机制,同时两者之间又互相依靠的做法,必将导致电信运营商的运营开支随着网络规模的不断扩大而增加。

多个管理层

电信运营商通常还依靠多个不同的网络管理平台、协议和应用对两个网络进行运营、管理、维护和配置(OAM&P)。传输网络通常使用管理协议,例如传输层一(TL-1)和通用对象请求代理架构(CORBA),它们与SONET/SDH标准的结合非常紧密,但是,IP网络则依靠简单网络管理协议(SNMP)和新的可扩展标记语言(XML)机制来管理设备。很少有管理应用可以提供管理和操作IP和传输网络中的两种设备类型的全套协议和机制。而且,在今天的大部分电信运营商网络中,运营和管理部门在这两种网络上的组织边界通常是不同的和独立的,因而必须依靠良好的人际交流和协调机制――在某些情况下需要在远程地点之间进行这种协调,以确保在必要时可以在两个网络之间进行适当的改动。这个流程可能很容易出错,而且通常非常费时。

用于核心融合的思科IP-over-DWDM战略

思科IP-over-DWDM战略可以帮助电信运营商克服他们目前面临的所有挑战――降低投资开支和运营开支,提高总体可靠性,加快推出服务的速度――同时还让他们可以提高网络的总体规模和性能,满足人们在10年甚至更长时间内不断增长的IP流量需求。这可以通过IP和DWDM网络之间的三个关键的集成点实现,如图3所示。

图3 IP和DWDM网络之间的三个集成点

IP和DWDM网络之间的三个集成点

组件集成

组件集成指的是能够将当今网络中使用的多个独立的组件整合到同一个设备之中,同时不会中断任何持续运行所需要的功能。思科系统公司最近推出了一款用于Cisco CRS-1运营商级路由系统的物理线路接口卡(PLIM),它集成了40Gbps(OC-768c/STM-256c)和10Gbs(万兆以太网)速度的收发器功能。这些新型接口,以及Cisco CRS-1单端口OC-768c/STM-256c可调WDMPOS接口模块和Cisco CRS-1 四端口10GE可调WDMPHY接口模块,将让Cisco CRS-1可以直接互联现有的DWDM系统,消除在典型的电信运营商POP配置中投资购买外部收发器机架的需要。这可以为电信运营商节约大量的投资开支和运营开支,因为它可以将DWDM设备互联所需要的短距离光纤减少50%。通过消除网络中额外的有源设备,永续性也可以得到提升。而且,Cisco CRS-1现在能够获取DWDM层的信息,主动地、端到端地监控光路的传输性能。这意味着即使波长路径的性能因为环境、组件或者物理光纤上的其他因素而逐渐降低,路由器也可以通过监控前向纠错(FEC)代码,判断是否需要根据纠错情况在IP/MPLS层采取补救措施。因此,它能够在FEC的纠错功能中断(导致完全的LOS)之前触发FRR备份路径――从而在流量中断之前实现几乎无缝的切换。这种机制不亚于或者优于基于SONET/SDH的传统故障切换机制。故障响应速度将会立即得到提高,网络集成的总体端到端永续性也可以得到加强――这在今天的采用不同收发器的、更加离散的配置中是无法实现的。

图4  利用Cisco CRS-1集成的DWDM PLIM消除对收发器机架的需求

利用Cisco CRS-1集成的DWDM PLIM消除对收发器机架的需求

Cisco CRS-1单端口OC-768c/STM-256c可调WDMPOS接口模块采用了一种兼容电信运营商已有的10Gbps DWDM系统和放大器的调制方法,这意味着电信运营商可以在将核心中继连接速度提升四倍的同时,继续保持他们对于10Gbps DWDM系统的大部分投资的价值。而且,PLIM接口在ITU C频段能够以50Ghz间隔为单位进行全面的调节,从而最大限度地提高与现有系统兼容的灵活性,同时支持增强前向纠错(EFEC)。EFEC让DWDM信号可以在不需要光再生设备的情况下传输到大约1000公里(621英里)之外(具体取决于光纤的质量)――这远远超出了市场上的其他路由器。Cisco CRS-1单端口OC-768c/STM-256c可调WDMPOS接口模块还配备了典型的SONET/SDH式OAM&P G.709成帧功能,可以全面地支持过去的SONET/SDH型接口的管理功能,同时直接与DWDM层交互。

Cisco CRS-1四端口10GE可调WDMPHY接口模块具有类似于单端口OC-768c/STM-256c可调WDMPOS接口模块的功能,例如可以延长传输距离的EFEC和SONET/SDH式OAM&P G.709成帧功能,但是它通过使用一种基于WDMPHY的创新技术,将价位降低到了10Gbps LANPHY的水平,从而大大提高了成本效率。这样,电信运营商可以在流量需求增长时,利用类似10Gbps的核心IP连接的优势拓展他们的网络范围。这些连接可以利用SONET/SDH式的OAM&P 映射到10Gbps DWDM波长。

组件集成还包括将光交换集成到光多路复用设备中,直接在Cisco ONS 15454 MSTP*平台上提供一个可反复配置的光ADM(ROADM)――消除对于昂贵的、复杂的OEO转换的需求。流量只需要直接通过一个站点,而不需要在某个路由器上终止以进行IP处理。在需要终止时,ROADM会传递光波长,将其保持在光域中,而此前不需要在路由器的DWDM接口进行任何电转换。只有在需要进行IP处理时,才使用电转换。ROADM还可以提供自动增益和瞬态控制,避免在需要从某个远程地点添加、分插某个波长时派遣技术人员到现场手动调节系统的开支。

图5  思科的纯光集成化IP-over-DWDM解决方案

思科的纯光集成化IP-over-DWDM解决方案

尽可能将流量完全保留在光域的另外一个好处是让电信运营商的核心传输网络“适应未来的需要”。在未来可能需要提高速率或者使用新型协议的场合,纯光传输从本质上对比特率波动的忍受能力更高,因而也更加强健。这主要是由于光处理与普通的电处理组件不同,它对于协议改动的敏感度较低。

这些重要的组件集成让电信运营商可以利用上述方法降低他们的投资开支和运营开支,同时提高网络的总体永续性。图6显示了在一个实际的电信运营商网络中,使用基于MSTP的ROADM和基于Cisco CRS-1的集成化DWDM PLIM所节约的投资开支(不包括通用组件的成本)。与传统的插线板或者交叉连接方式相比,电信运营商可以利用IP-over-DWDM解决方案节约66%的成本。

* 如需了解更多关于Cisco ONS 15454 MSTP和ROADM技术的信息,请访问:

http://www.cisco.com/en/US/products/hw/optical/ps2006/index.html

图6  IP-over-DWDM所节约的投资开支

IP-over-DWDM所节约的投资开支

控制集成

IP-over-DWDM战略的第二个关键的集成点是两个网络(IP和DWDM)的控制平面的集成。如前所述,在传输层使用不同的手动配置方式可能会导致很高的运营开支和长达数周的服务启用时间――甚至更长。从2000年初以来,思科一直在通过IETF主导一项为期多年的战略,以求将IP/MPLS提供的控制平面智能拓展到电信运营商网络中的传输网络。这样做的目标是让由光设备(例如Cisco ONS 15454)和IP路由器(例如Cisco CRS-1)构成的、基于通用MPLS(GMPLS)的网络可以根据用户流量需求动态地发现和配置最优路径。换句话说,对于一个来自IP网络,通过光网传输,再通过再某个特定的物理光纤上由支持GMPLS的中间光节点经由特定波长交换的数据流,它现在可以由网络的总体智能加以控制。这个目标具有重要的意义,因为它不仅可以让目前的传输网络中的光组件成为IP网络中的路由器组件的对等体,而且还能够自动配置由IP控制平面管理的波长。对于电信运营商而言,他们可以通过实时地在网络之间进行故障关联和端到端地提高推出服务的速度,大幅度地降低整个网络的运营开支。

但是,思科和业界都已经意识到,GMPLS技术――尤其是目前提出的GMPLS的完全对等模式――还必须克服一些重要的挑战,才有可能在电信运营商核心网络中取得成功。GMPLS的完全对等模式面临的主要挑战之一是路由域和光域的管理边界缺乏隔离,从而导致传输和数据部门之间或者电信运营商与客户之间的传输网络的控制权和拓扑可能会被外界用户所掌握,这会带来安全和运营上的风险。这种模式还需要所有传输节点都能够运行完整的GMPLS协议套件(最短路径优先打开[OSPF],资源预留协议[RSVP]等),以便进行互操作。这对于主要为手动配置而设计的现有传输基础设施而言无疑是一个沉重的负担。因此,控制集成主要采用一种分阶段的移植方式:在一段较长的时间内实现更高的目标,同时又可以在没有全部部署的情况下先实现很多好处。

为了支持这种分阶段的移植方式,思科推出了一种名为分段GMPLS(S-GMPLS)的新型GMPLS模式――它是完全网格模式和当前传输网络常用的覆盖模式的综合(如图7所示)。在S-GMPLS模式中,只有边界路由器可以从光设备和其他路由器接收信息。事实上,边界路由器使用逻辑路由器范例来在IP域和光域之间屏蔽和划分拓扑信息。边界路由器充当两者之间的关守,以实现分段的管理边界和协助确保两个网络之间的管理隔离。这可以提高GMPLS在电信运营商网络中的部署能力,因为网络之间的分段管理可以在需要的情况下进行维护。

图7 分段GMPLS模式(S-GMPLS)

分段GMPLS模式(S-GMPLS)

移植的第一个阶段是通过一个集成化管理系统或者其他任何第三方解决方案,凭借在Cisco ONS 15454 MSTP上使用ROADM技术来实现波长的远程配置。这种配置还可以在两个终端之间实现对中间节点的完全自动分插,同时将传输信号完全留在光域。这有助于消除所有中间节点的升级需要,减少电信运营商的运营开支,以及加快推出服务的速度。接着,可以利用S-GMPLS提升传输网络的智能。ROADM技术的远程配置和自动分插功能,再加上S-GMPLS,可以帮助电信运营商在他们的核心网络中实现动态服务功能。

管理集成

另外一个重要的集成点是IP和DWDM网络之间的管理集成。电信运营商可以通过在IP和传输网络中使用一种集成化管理方法,大幅度简化运营。这可以通过一组思科工具实现。它们有助于在Cisco CRS-1和Cisco ONS 15454 MSTP之间整合OAM&P。这些工具可以将从Cisco CRS-1 DWDM端口,经过光传输层到达对等路由器端口的诊断和波长配置集成到一起,降低运营复杂度和成本。因为电信运营商目前的运营部门通常是按照不同专业进行分段的,这些工具也可以提供一种分段的管理模式,在被管理的IP和传输设备之间划分不同的运营团队和用户。这样,电信运营商就可以获得一个统一的管理平台的成本优势,同时在必要的情况下提供对分段的运营部门的访问。通过支持TL-1、CORBA和针对北向接口的SNMP,这些工具还可以与现有的第三方管理系统或者电信运营商开发的运营支持系统进行互操作。XML、直接命令行界面(CLI)和HTTP/S可以被用于组件之间的直接通信。作为整个IP-over-DWDM管理集成计划的最后一个组成部分,思科可以为整个管理生命周期提供其他一些重要的工具,它们的功能包括简化光传输层设计,规划已知和未知流量,以及为电信运营商网络中的传输和IP网络组件的端到端管理制订操作人员安装指导。

图8  融合式IP-over-DWDM网络解决方案

融合式IP-over-DWDM网络解决方案

用于IP NGN的思科IP over DWDM解决方案

当电信运营商希望降低他们的运营开支和投资开支时,他们应当考虑集成IP和DWDM层。现有的一些技术和手段可以实现这种融合,从而通过加快服务推出的速度和提高可靠性,帮助电信运营商在竞争日益激烈的市场中节约开支和增加收入。在实现这些目标的同时,电信运营商还可以达到处理未来十年中日益增多的IP流量所需要的性能和规模。这些流量主要源自于所有视频、语音和数据应用向IP平台的融合。新的集成化IP-over-DWDM核心网络解决方案如图8所示。为了实现IP和DWMD融合的承诺,电信运营商需要一个了解他们的业务,拥有明确的目标、战略和战略实施计划,以及这个端到端解决方案的所有组件的合作伙伴――思科系统公司。

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