GMPLS、光子业务交换和网络的未来

　　消费者通信带宽和服务的需求一直在增长，并且越来越关心服务的最终价值。这种巨大的压力迫使电信运营商不断地提高网络的效率和灵活性。在产业的前沿，许多以改进网络为目的创新正在有效地缓解这些压力。目前正在研发或者已经实现的创新包括：简化网络结构来更好地利用资源和提供服务；采用新的交换技术来提高网络的可扩展性和灵活性；采用新协议将IP控制平面的能力扩展到其他类型的业务中，从而构建更加智能和灵活的网络。本文重点介绍通用多协议标签交换（GMPLS）和一种新的快速不透明交换技术光子业务交换（PSS）,以及它们对网络的设计和效率产生的影响。

　　分层结构存在的问题

　　现阶段的网络是分层的。分层结构产生于新业务和扩容带来的压力，体现了一种“分而治之”的思想方法。网络中每增加一层都是为了处理特定的业务类型和提供一些特定的服务而。随着时间的推移，人们开始用某一层或某一类型业务的专用设备来粗略的代表这一层：IP路由器代表分组服务；ATM交换机代表完善的业务流量控制能力；SONET/SDH设备代表快速可恢复的点对点的传输；DWDM交换机代表高效传送。

　　多种多样的专用设备的每一种只提供有限的网络功能，结果设备的设计虽然更简单了，却产生了复杂的分层网络。另外，由于每一层的管理和控制方法是在不同的应用环境下发展起来的，因此各层的控制方法存在着很大的差异，这使整个网络的管理变得非常复杂而昂贵。

　　为解决这些问题，电信业一直在尝试通过合并分层以及减少设备的种类来控制建设和管理网络的成本。然而，一些层并不能够简单地去掉，它们的功能必须集成到保留下来的层中。

　　例如，从IP-over-ATM到IP-over-MPLS的过渡就是最近一次减少网络层次的尝试。这样，可以无需对单独的ATM技术进行管理，因此使IP标签交换路由器（LSR）最终可以代替ATM交换机。然而，要使这种简化具有使用价值，就必须将ATM的主要优势例，如建立连接以及面向连接的流量控制等，集成到MPLS中的IP协议中，所以IP协议的功能需要显著加强。

　　同样的，最近开始了一场有关光传输发展的争论，争论的主题是：是否应去掉SONET/SDH层以支持IPLSR直接和光交叉连接设备（OXC）相连。虽然SONET/SDH层可以去掉，但是诸如流量管理和保护/恢复等SONET/SDH的优势还是要保留的。如果不能产生收入的话，再高效的网络也没有价值。对于许多电信运营商来说，SONET/SDH服务是一个巨大的市场，不能要求他们放弃这些服务带来的收益而只换来更高效网络的承诺。

　　当采用IPoverWDM网络时，为了保持市场和收益，IP层或是光层再或是两层都需要有保护和恢复功能。要求基于MPLS的网络提供SONET服务意味着MPLS和LSR必须具有复杂的仿真能力。而符合这个要求的新的协议还需要经过很多年的发展、成熟，才能像今天的SONET这样被大家信任。

　　很明显，解决分层存在的问题不是简单的去掉某些层。而是减少网络中个别设备的数量同时简化层间的控制体系。令人欣慰的是，这个解决方案无需开发一种新的协议。但是，它需要一个可以支持不同层接口的设备，同时在不减少层的前提下提供纵向集成。

　　从重叠模型到对等模型

　　由于历史的原因，控制和管理不同的网络层使用完全不同的方法。分层网络的发展很自然的形成了“重叠网络”。一个重叠网络分成IP(或称为服务)和SONET/光（或称为传输）两部分。这个模型的典型的特点是在业务层和传输层之间不交换拓扑和资源信息。这种结构使分层的物理网络管理起来昂贵同时导致带宽利用率低。

　　幸运的是，除了重叠模型以外我们还可以有其他的选择。对等网络是管理分层物理网络的另外的选择。通过一个共同的控制平面和一套适合于各个层面的单一的协议如GMPLS，对等模型提高了网络的效率。例如，在一个IPoverDWDM网络中，IP层和光层被看成一个网络，有着统一的管理和流量控制。OXC和路由器被控制平面视为对等实体，所以用户-网络接口（UNI）（在路由器和OXC之间）和网络-网络接口（NNI）（在OXC之间）是没有差别的。对等模型的提出使IP层和光层的无缝连接成为可能。然而，在对等模型中，层之间是可以互相看见的，实际上这种模型保留了传统的分层物理结构以及其特有的网络设备，因此也保留了一些重叠模型所固有的复杂性和低效性的特点。

　　纵向集成或是“统一”网络是除了重叠网络和对等网络的又一个可以选择的网络模型。它摒弃了分层的物理结构，提出了一种由纵向集成的网元构成的网络。图1所示为一个使用PSS交换机的纵向集成网络。请注意，对集成的业务和传输网络，只需要一种类型的网元。

图1

　　如果能够通过一个单一设备对不同层面进行统一的控制和管理，那么这种纵向集成结构的全部优点就能发挥出来了。从这种意义上说，纵向集成网络类似于一个对等网络。所有网元都将GMPLS作为路由和信令协议，每个网元都了解所有其他的网元以及网络拓扑的信息。然而，因为纵向集成网络减少了所需网元的种类并且大大简化了网络的物理结构，所以纵向集成网络的效率是远高于对等网络的。

　　纵向集成网络结构需要一种像PSS交换机这样的新网元，这是一种快速不透明的交换机，可以同时交换IP、TDM以及波长业务。对于纵向集成网络而言，是不需要层专用设备的。

　　表1中给比较了分层结构和纵向集成结构的主要特点。

　　在一个纵向集成网络中，同一个设备必须支持不同的接口，包括IP、TDM和波长业务等。这样就减少了网络中的设备数量，同时使运营商在设计网络时有了更多的选择。纵向集成保留了运营商们所知和所需的不同层的功能和优点，例如IP或MPLS、SONET和光层。运营商既可以充分利用各层特有的性能，如粒度、保护和恢复功能等，又可以保持网络的简单和高效。GMPLS使统一的管理成为可能，在不同的层面管理网络和配给业务是相同的，于是某种服务可以分配给最恰当的网络层面。最后，纵向集成网络无需在某一层中仿真另外一层的功能。

　　PSS和GMPLS

　　构造PSS网络，GMPLS和一种新型网元——PSS交换机——都是必不可少的。PSS交换机包括可靠、快速的光交换背板和电子线路卡，它将光技术和电技术的最优属性结合在一起。图2显示了多业务类型的PSS交换机，图3所示为仅有分组交换接口的PSS交换机。光交换背板使PSS交换机几乎具有无限的可扩展性。不同的线路卡适合于不同的业务类型，因此当应用环境发生变化时，交换机只需更换线路卡。例如，一个在纯IP环境下使用的交换机，通过增加恰当的线路卡就可以交换TDM业务。这种多功能性说明，在从重叠型网络向最终的GMPLSPSS网络发展的过程中，使用PSS交换机是非常合适的。

图2

图3

　　GMPLS使所有类型的业务都能自动配给。从IP经过MPLS（多协议标签交换）和MPλS(多协议波长交换)发展而来，GMPLS是一系列协议的不断扩展，最终可以对分组交换、TDM和波长交换进行统一控制。协议扩展的结果使标签分配、流量控制、保护以及恢复等功能所涉及到的路由和信令协议发生了变化。GMPLS的发展是从下面的前提开始的：

　　用于IP网的路由和信令协议是可以扩展的，并且可以适用于其他类型的业务，如TDM和波长交换。

　　协议的扩展将能够对所有类型的业务的配给进行全面地集成。

　　光交换技术的发展将最终实现波长转换，同时，如果给定适当的协议，可以实现智能光交换。

　　GMPLS具有类似“胶水”的能力，它可以将承载不同类型业务的网络的不同部分粘在一起。图4给出了GMPLS交换接口的体系结构。

图4

　　更快更准确地配给业务，连同更高效的保护和恢复方案，仅仅是GMPLS可以带给未来网络的两个好处。GMPLS利用控制平面可以自动配置资源，发现网络拓扑，简化并加速连接的建立和拆除。这使GMPLS网络非常灵活，且能够迅速地响应用户的要求，同时动态地管理网络。

　　在点对点的电路配置中，令人生厌的笨拙的集中式手工配置仍然占统治地位，如果用GMPLS的自动配给取而代之，则不仅能够提高配给速度，而且能够减少错误。

　　在保护和恢复方面也可能取得类似的进展。虽然在一个重叠网络中，每一层对于它所携带的特定类型的业务而言是高效的，但是层与层间经常需要重复保护。一个具有自身保护机制的业务网络也依赖于业务链路，也就是是传输网络的连接。在分层网络中，服务网络无法获得传输网络的信息，也无法知道经过传输网络的连接是否是不同的。业务网络必须明确提出它经过传输网络所要求的保护级别，这样，经常会导致资源的重复分配。

　　在对等网络或者GMPLS纵向集成网络中，业务和传输间的交流障碍消除了，从而使所要求的保护占用最少的资源。如果业务网络确信在经过传输部分时采取多径传输，那么可以选择在传输过程中不加保护。无论业务层要求多少冗余度，多径传输都可以提供足够的保护，而无需近一步重复保护。节省下的资源可以分配给其他的用途，用户也会因此而受益。

　　同样地，由于共享了GMPLS提供的信息，网络传输端的保护也提高了效率。例如，如果传输端知道两条业务链路在业务层保护方案中是不相关的，它就可以使这两个业务在传输层共享备用资源，而无需分配两次资源。

　　既不是全部也不是全不

　　要求对等网络和GMPLS纵向集成网络立刻就全部实施是不现实的。现在不是全部实施还是全不实施的问题，而是先做什么和按什么顺序做的问题。开始时，GMPLS和PSS可以仅仅应用于传统重叠网络中的一层，在提高整体网络效率的要求的促使下，逐步地扩展到其他层面。下面描述了向最终的纵向集成网络过渡中的几个可能的阶段。

　　阶段0：采用现在普遍的重叠网络。IP业务网络运行IP/MPLS协议。传输网络应用网络管理协议或者专有协议简化业务的建立，即网元间点对点的连接。业务配给人员通过电话或者是互联网提出建立或拆除连接的请求。

　　阶段1：提高建立连接的速度和准确性，增加网络的灵活性和效率。业务层提出的建立或拆除连接的请求是自动提交给传输层的。业务层网络通过一个信令接口与传输层网络交换请求。这个接口最初是光互联论坛（OpticalInternetworkingForum）定义的UNI，它主要基于GMPLS的信令协议。

　　阶段2：层间协议标准化，逐步向业务层和传输层集成控制的目标靠近。在这个阶段，GMPLS协议将取代传输层的网络管理和专有控制协议，这样就简化了节点间连接的建立。

　　阶段3：集成化的最终阶段。一旦运营商利用集成网络结构充分提高了效率，在业务网络和传输网络之间交换信息，即控制平面的集成就可以实现了。在一个采用PSS交换机、运行GMPLS协议的网络中，对于所有类型的业务，GMPLS都作为信令协议和路由协议的标准。所有网元都了解无论是携带了何种业务的其他网元的信息。GMPLS路由和信令协议可以用于波长交换、TDM以及分组交换业务。如果交换机将业务负荷所涉及的分组交换、TDM、波长交换的线路卡恰当组合并配置，则可以近一步提高效率。

　　新的可能性

　　很明显，GMPLS和PSS既可以用于重叠网络，又可以用于纵向集成网络。通过信令协议和路由协议的扩展，GMPLS可用于分组交换、TDM以及波长交换业务。它将IP智能，包括各种QoS（服务品质），引入了所有类型的业务，简化业务配给，改进了保护和恢复方案。GMPLS能够提高重叠网络和其他过渡网络的效率，然而它只有在PSS网络中才能最终实现最高的效率。

　　不是在任何情况下，所有层面的集成都是最好的选择。例如，电信运营商也许并不想和他的竞争对手一起分享所有的网络信息。然而，随着人们对带宽和服务的需求日益增加，以及网络拓扑从环形发展到格形带来网络的复杂性不断增加，简化网络结构势在必行。

　　我们已经有了向为未来更高效的网络演进的工具，即GMPLS和PSS。所以，现在摆在运营商面前关于网络层集成的问题，不是是否需要和如何实现的问题，而是何时实施和集成到什么程度的问题。答案是：越快越好，越彻底越好。