摘要 分析了我国运营商在骨干网普遍采用的IP over WDM网络现状和存在问题，重点从中转业务优化处理和两层保护协调机制出发，探讨了近期和未来IP over OTN的联合组网方案以及在传送平面、控制平面和管理平面的关键技术。
1 我国运营商IP over WDM的网络现状分析
目前，我国运营商的骨干网主要分为两层：由核心路由器组成的IP网（包括IP互联网和IP承载网）和骨干光传送网（光层，包括SDH和WDM），IP是光传送网的主要服务对象。近年来，互联网等数据业务的快速发展导致骨干网流量急剧增长，IP层的路由器面临着巨大的扩容与处理压力，导致其容量、复杂度与功耗不断提高。路由器单机已无法承受这样的增长速度，于是出现了路由器堆叠技术，使骨干路由器成为网络中最昂贵的设备。但是，多年来两层一直分别独立发展，二者的联系仅集中在光层为IP层提供静态配置的物理链路资源，IP层看不到光层的网络拓扑和保护能力；光层也无法了解IP层的动态业务连接需求。这种分离状态带来了两大主要问题：
1.1 中转业务的处理效率问题
在多等级IP网络中，分组从源到目的地要经历多跳，导致大量的中转业务，而且核心网的网状互联程度有限，更增加了IP中转业务，因此IP网络规模越大，中转业务量越大。在IP承载网的核心层，组网模式一般是边缘路由器（PE）双归属到核心节点的P路由器上，P路由器完成PE路由器之间的业务转发和疏导。我们通过对骨干网络流量分析，发现在经过P路由器的业务流量中，大约有50％以上属于“过境”的中转流量，这些“过境”流量更是大大加重了P路由器的负担。一方面导致路由器的容量扩展受到严重挑战；另一方面中转业务实际上不需要三层IP功能，却占用了昂贵的路由器线卡，造成了网络成本和设备功耗的快速增长，网络流量的整体处理效率较低，因此迫切需要考虑如何降低这种不增值的转发成本，而且这些“过境”流量对本地来说是不增值的。实际上，这些“过境”流量完全可以通过下层的光传送网进行旁路，以降低P路由器的处理压力，减少对路由器堆簇的需求，可使整个网络的CAPEX大量节省。但是，在目前传统的IP over WDM组网模式下，IP网和骨干WDM网是相互独立的，无法实现对中转业务的处理，因为目前IP层一直把WDM链路系统的波长视作黑光纤，一个IP链路中承载着不同流向、不同优先级的业务，WDM链路系统仅作为一个刚性的大管道完成点到点的传送功能，不能进行业务源宿节点和业务优先级的识别，因此也无法实现对中转业务的路由优化和组网成本优化。
1.2 网络的可靠性设计问题
为了提高IP承载网的网络可靠性，普遍采用了IP层保护恢复机制和网络轻载方式。这意味着在网络流量不断增长的情况下，骨干路由器只有采用更大的容量来提供网络轻载和业务保护。IP和光网络的联合保护已成为现代电信网至关重要的设计考虑，也成为市场开放环境下不同网络运营商之间的竞争焦点。我国运营商的IP和光传送网的组网方案，有的是基于无保护的IP over WDM技术，如中国电信的CN2，有的是基于有保护的IP over WDM技术，如中国移动的IP专网，两种方案分别有各自发展背景和特点，具体分析如下：
（1）由于中国电信的省际电路业务量大、颗粒大，因此两张IP网：CHINANET和CN2在省际和省内干线主要是基于无保护的点到点WDM系统进行传输，仅有少量几条WDM光缆线路采用了OLP进行1＋1光线路保护。CN2的基本特点是大容量和轻载运行，网络结构比CHINANET有所优化，核心技术是IP／MPLS，在IP层面可以实现小于1s的快速路由收敛，8条等价路径负载分担，ICP／BCP的协议平稳重启，基于DiffServ架构的8个等级的QoS业务，全网组播，具备平稳升级到IPv6的能力；在MPLS层面，核心节点之间50条链路部署了FRR，可实现50ms的保护切换。由于采用无保护的IP over WDM技术，要求IP网具有完善的保护恢复机制，但从目前IP网的保护恢复机制来看，由于FRR存在扩展性差、规划管理难度大等方面问题，该技术只能应用在IP核心层，在汇聚层和接入层采用IGP快速协议收敛，在一定条件下可保证业务的QoS，但是一旦光缆中断，WDM系统中传输的几十个10Gbit/s的IP逻辑链路同时中断，路由器将进行大规模的FRR和IGP协议收敛，这对IP网及其上层业务来说将是灾难性的，因此IP网对于大面积光缆中断的承受能力受到严重挑战。
（2）从2007年至今，中国移动在省际干线广泛采用了WDM系统的1+1光波长保护方案来传送IP专网业务，为移动软交换等重点业务提供了高可靠的基础网络保障，避免了底层光缆故障对上层IP专网业务的大规模影响，是当时技术和业务发展背景下的较优方案选择。今后，随着中国移动重点发展移动互联网业务以及逐步开展全业务运营，IP骨干网的业务量也将成倍增长，现有的IP over WDM组网方案将逐步显现一些问题。由于中国地域广大且采用了多厂家的WDM设备，多厂家干线WDM系统的1+1保护方式为纯人工配置，灵活性差，运维管理复杂，且网络成本（主要是OTU的投资）随着业务量增长线性提升，因此需要寻求更优的联合组网方案来解决。
这两大问题的解决都必须要求实现IP层和光网络的联合互动。一方面利用光层的大颗粒调度、疏导能力在光层上“直通”P路由器上的中转流量，另一方面利用光层的链路保护能力提高IP层的网络可靠性，以此来降低对骨干路由器的容量和复杂度要求，减少骨干路由器功耗，从而降低整个基础承载网的CAPEX和OPEX。目前，IP层与光网络之间的联合组网已成为电信网的发展趋势和研究热点。
2 IP和OTN的联合组网方案探讨
2.1 中转业务的优化处理方案
图1（a）给出了传统IP over WDM组网的流量规划示意图，由于传统WDM线路系统不具备灵活的波长和子波长交换能力，而且路由器普遍采用STM-64或STM-256 POS接口，在A-C的业务流量（3Gbit/s）小于单波长容量（10Gbit/s）时，通常将A-B和A-C的业务流量配置在一个路由器线路接口，并通过WDM系统适配到一路波长信号中，因此无法在B节点的WDM层面实现A-C业务的中转优化，仍由B节点的路由器实现A-C业务流量的转发。
图1 IP Over WDM和IP Over OTN组网的中转业务处理
如图1（b）所示，为了实现中转业务的路由优化，必须借助支持子波长（ODUk）交叉的光传送网（OTN）网络节点以及路由器和OTN之间的业务识别和适配映射等关键技术来实现。在A节点，虽然路由器将A-B和A-C的业务流量统一封装在一个STM-64 POS接口中，OTN网络节点可通过采用MPLS-TP技术来识别路由器POS接口中的IP/MPLS标签，区分A-B和A-C的业务，并分别适配映射到不同的ODUk中传送（未来OTN支持ODUflex技术后，将进一步提高复用映射效率），在B节点将A-C流量通过ODUk交叉功能在光层直通，由此降低对B节点路由器容量和线卡的配置要求。
新一代的OTN是适应IP业务传送的光联网技术，可以更好地透明传送10GE，40GE乃至100GE以太网业务，不仅能提高光层的业务调度、组网保护和智能控制能力，在集成MPLS-TP技术后可进一步实现IP over OTN的联合组网优化，实现网络资源利用率的提高和综合成本的降低。特别是在今后核心路由器大量采用高速高成本的STM-256 POS接口或40GE/100GE以太网接口技术后，在光层实现中转业务识别和分流的价值将显著提高。
在网络实际部署中，可通过对IP层和光层的资源进行统一规划，使得整个网络达到逼近路由器直连的效果。由于OTN设备的每比特成本和功耗约为IP层路由器的1/3~1/5。用OTN节点旁路掉IP层路由器的中转流量后，可有效降低对核心路由的容量需求，解决网络容量的瓶颈，从而提升整个网络的容量使用效率。根据国外某知名运营商的现网流量研究分析，采用该方式可以降低对核心路由器容量需求的25%~50%。
2.2 IP层和光层的保护路由规划和协调机制
在目前IP over WDM的组网模型中，为了保护各自网络内的线卡和节点故障，获得较高的网络可靠性，需要分别部署IP层的保护恢复机制和WDM层的保护机制来实现高层业务的高可靠承载。如图2所示，当IP层采用矩形双归结构时，为了避免WDM系统单点故障导致双归路由同时失效，双归路由应选择不同的WDM系统进行保护；对于存在多个矩形双归结构的IP层节点，双归路由尽量选择不同的WDM系统进行保护，这要求进行完善的两层保护路由联合规划，并为重要节点建设更多WDM线路系统。
图2 IP网典型的双矩形连接的保护路由规划
WDM网络可实现小于50ms的保护倒换，而IP/MPLS的核心层也部署了FRR，若IP层的FRR和WDM层的保护同时发生时，则会引起保护倒换的振荡，导致高层业务受损时间增加，进而影响到网络的稳定性。因此，在网络实际部署时，IP层和WDM网络之间的保护恢复稳定性需要一定的协同机制来保障。目前是通过在IP层将故障检测延迟（Hold Off）50或100ms左右，当光层出现故障时仅WDM层发生保护倒换，避免了IP层和WDM层之间的保护恢复振荡。但由于固定设置了该Hold Off时间后，故障延迟检测机制对IP层的线卡失效或节点失效同样生效，当光层无故障而仅IP层故障时，也延迟了业务的保护恢复时间，因此需要研究比端口Hold Off机制更智能的两层保护协调机制。
与WDM相比，OTN可提供更灵活完善的网络保护机制：在电层可提供基于ODUk的子网连接保护（SNCP）或共享环网保护，在光层提供基于波长的光通道1+1保护或光通道共享保护。在OTN已提供完善的网络保护机制的条件下，如果IP网络能“知悉”底层链路的保护情况，完全可以优化调整自身的保护设置。这需要通过两层路由联合规划软件或未来的GMPLS/PCE技术来实现。
进行IP over OTN组网时，IP和OTN两层的路由规划要统筹进行，需要综合考虑网络结构、业务路由和业务QoS需求等多种因素。IP层的路由规划应考虑光层物理拓扑和ODUk的共享风险链路组（SRLG）问题。
2.3 IP over OTN的联合组网方案和关键技术
综上所述，IP over OTN联合组网方案的核心思路是通过光网络节点（OTN节点+MPLS-TP接口适配映射技术）实现核心P路由器之间大量中转业务的优化处理功能，从而实现网络资源的优化使用和组网成本的降低，以此来促进IP和光网络在传送、控制和管理3个平面的联合组网，构建面向NGN的下一代传送网络（NGTN）的核心网络架构（见图3）。
图3 IP Over OTN的联合组网方案——NGTN核心网络架构
具体来说，NGTN核心网络架构可通过IP和OTN 3个平面融合的一些关键技术来实现，包括传送平面的MPLS-TP技术、控制平面的GMPLS和PCE（集中路由计算）技术、管理平面的集中管理以及两层联合路由规划技术。
在传送平面，IP/MPLS和OTN之间需要融合互通来共同实现不同QoS业务的差异化传送，实现网络资源和功能的优化配置。在传送平面的优化实现技术如图4所示，根据业务QoS分为3类分别处理：
图4 IP Over OTN在传送平面的联合组网方案
（1）对于承载QoS要求最低的大颗粒、海量互联网数据业务，将直接通过OTN网络节点的光波长调度层（ROADM和OXC等）实现波长级别的传送和调度功能。
（2）对于IP/MPLS承载的高QoS要求的固定比特率（CBR）业务，将适配映射到OTN网络节点的子波长（ODUk）层实现交叉汇聚、组网保护和端到端的OAM等功能。
（3）对于IP/MPLS承载的高QoS要求的可变比特率（VBR）业务，将通过面向连接的MPLS-TP技术实现业务识别，到ODUk的适配和映射，ODUk交叉汇聚，组网保护和端到端OAM等功能。
在控制平面，在未来一段时间内，IP/MPLS路由器还将一直使用基于MPLS的控制平面，未来发展演进为GMPLS控制平面。目前，许多光网络设备已支持基于GMPLS的控制平面，并进一步完善波长/子波长（ODUk）的多粒度统一控制技术，实现多层多域的大规模组网。因此，控制平面的技术发展分为两个模型：近期模型是MPLS控制平面和GMPLS控制平面的互通，远期模型是GMPLS统一控制OTN和IP/MPLS（MPLS-TP），并且实现多层多域的集中控制。还可以采用PCE技术来解决跨层和跨域的端到端路由计算，获得优化程度更高的端到端路由。
在管理平面，目前运营商的网络运营维护通常是按照不同专业进行分别管理的，不同专业的网管之间完全通过人工协调，随着IP网和光网络在传送平面的逐渐融合和控制平面的逐步互通乃至集成控制，下一代传送网（NGTN）网络管理的发展趋势是IP和OTN实现集中管理，大幅简化网络运维难度，提高维护效率，降低CAPEX。此外，IP和OTN路由的联合规划优化工具也是IP和光网络管理集成的一个重要组成部分，可实现IP 和光网络的联合规划、设计和网络仿真，成为整个IP over OTN管理生命周期中重要的辅助工具，在OTN网络中实现一个最优的IP层虚链路拓扑（即下层网络为上层网络提供的逻辑连接）。
3 结束语
IP和光网络的联合组网是一个不断发展和延伸的网络概念，需要分阶段地根据业务需求和技术可行性、成熟性进行网络的构建和应用。目前，与其密切相关的关键技术和新型技术正在进一步发展和完善，如OTN的ODUk复用功能和组网保护功能、IP/MPLS和光传送技术融合的MPLS-TP技术、多种不同层面的网络智能控制与管理集成技术等。近期，建议基于IP over OTN组网模型实现中转业务量的路由优化设计和两层的保护机制协调，降低网络建设和运维成本。未来3~5年，IP和OTN必将以动态、灵活和智能的网络形式共同承载和传送多类型、多粒度和多质量等级的各种综合业务，从而实现IP over OTN的联合优化组网。
