分组增强型OTN技术现状及其在城域网中的应用*

2013-03-12杨炜杰

电信科学 2013年9期

程明，蒋铭，朱俊，杨炜杰

（1.中国电信股份有限公司上海研究院上海 200122；2.中国电信股份有限公司上海分公司上海 200120）

1 引言

近年来，随着宽带、移动数据、专线、IPTV、OTT等业务的快速发展，城域网承受着流量高速增长带来的巨大压力。根据Cisco的研究报告，2012-2017年亚太地区公众用户互联网流量的CAGR（compound annual growth rate，年均复合增长率）为27%，移动数据流量增长最快，CAGR将达到76%，而商业用户流量的CAGR也将有23%。为了更好地适应流量的快速增长和多业务承载的差异化需求，一些主流运营商在对数据网络进行扩容和对网络架构进行优化的同时，开始探索传输网技术的演进及其对整体网络架构的影响。分组增强型OTN（optical transport network，光传送网）技术通过整合OTN、以太网、MPLS-TP（multi-protocol label switching transport profile，多协议标记交换传送子集）和SDH（synchronous digital hierarchy，同步数字体系）等技术，增加层间适配，形成层次化的结构，成为传输方向的研究热点。

2 分组增强型OTN技术发展现状

目前，分组增强型OTN技术的国内标准研究进展较快，主要由CCSA TC6 WG1传输网组研究和制定相关标准，现已发布行业标准YD/T 2484-2013《分组增强型光传送网（OTN）设备技术要求》和技术报告YDB 076-2012《光传送网（OTN）多业务承载技术要求》。主流运营商和传输厂商均参与了相关标准的制定和讨论。

分组增强型OTN技术的国际标准进展较慢。2011年，多家运营商和设备商向ITU-T提出OTN分组交换功能的应用场景及多层融合网络的研究需求，IEEE进行了OTN与以太网融合技术（E-OTN）可行性的讨论。2012年，ITU-T同意在G.798.1（OTN设备类型及功能）中引入分组增强型OTN等OTN融合技术的相关内容，并邀请更多文稿进行讨论。

根据行业标准定义，分组增强型OTN设备是指具有ODUk（optical channel data unit-k，光通路数据单元k）交叉、分组交换、VC（virtual container，虚容器）交叉和 OCh（optical channel，光通路）交叉等处理能力，可实现对TDM和分组等业务统一传送的设备。

分组增强型OTN设备由传送平面模块、控制平面模块、管理平面模块和 DCN（data communication network，数据通信网）模块组成，其系统架构如图1所示。相比OTN设备，分组增强型OTN设备主要增加了以下功能。

·层间适配功能:提供VC、分组到ODUk的适配功能。

·分组处理功能:包括以太网处理或/和MPLS-TP处理功能，提供分组业务的适配、QoS和OAM处理等功能。

·分组交换功能:提供基于以太网端口、VLAN和MAC地址的交换能力，或者基于MPLS-TP LSP和PW的交换能力。

·VC交叉功能:支持高阶通道VC4级别的调度功能，并提供级联条件下的VC通道交叉处理能力。

·保护功能:提供基于以太网、MPLS-TP的分组业务保护功能和基于VC4、ODUk、OCh的通道层保护功能以及层间保护协调能力。

根据传送平面不同的具体实现，分组增强型OTN设备可分为两种类型:板卡式和集中交叉式。

板卡式分组增强型OTN设备的逻辑功能模型如图2(a)所示。相较于OTN设备逻辑功能模型，板卡式分组增强型OTN设备在支路侧增加了VC适配/交叉、分组处理、分组交换和层间适配等功能模块，提升了设备对SDH和以太网业务进行精细调度和处理的能力。由于板卡式分组增强型OTN设备基本不涉及对现有OTN设备背板总线架构、交叉板卡和线路板卡的调整，因此OTN设备可以通过加载支持分组处理、交换、适配功能或VC适配、交叉功能的支路板卡，实现向板卡式分组增强型OTN设备的平滑演进（部分设备需要进行软件升级）。

主流传输厂商基本都能提供支持以太网处理、分组交换和层间适配的支路板卡。支持分组功能的支路板卡对以太网QoS的支持能力较好，但对以太网OAM的支持能力有待加强。受限于分组交换芯片的集成度，相关支路板卡的分组交换能力基本小于100 Gbit/s，背板总线不大于40 Gbit/s。部分厂商支持板内LAG（link aggregation group，链路聚合组）保护，支持通过设定时延实现对不同层次保护的协调。

图1 分组增强型OTN设备系统架构

图2 两种分组增强型OTN设备功能模型

集中交叉式分组增强型OTN设备的逻辑功能模型如图2(b)所示。其主要特点在于ODUk交叉、VC交叉和分组交换功能集中在交叉板上完成。相较于板卡式设备，集中交叉式设备在功能和性能方面更加强大，业务调度更加灵活。根据交叉功能的不同实现方式，集中交叉式分组增强型OTN设备可分为两种类型:一种采用多核交换结构，即分组交换、ODUk交叉和VC交叉由不同的交换芯片完成，是对现有交换技术的整合；另一种采用基于切片的统一交换结构，对TDM业务和分组业务进行统一的切片处理，然后根据控制管理信息实现交换，其特点是分组交换和TDM交叉的容量比例可以任意调整，具有良好的组网灵活性，能较好地适应业务的发展。

基于多核交换结构的集中交叉式分组增强型OTN设备仅有个别厂商能够提供商用版本，基本继承了原有OTN设备架构，主要对背板总线和交叉板进行了改造，交叉板卡同时支持ODUk交叉、VC交叉和分组交换功能，能够兼容原有OTN设备的支路、线路板卡。经过实验室验证，该型设备支持以太网和MPLS-TP处理，对以太网及MPLS-TP的OAM和QoS功能支持较好。由于该型设备在线路板卡上实现分组与ODUk的层间适配功能，其对分组业务进行分组处理和交换后不能直接通过背板总线进入交叉板卡进行ODUk交叉，故在承载需要进行分组处理的业务时，只能使用特定的分组支、线路板卡。该型设备现有的分组支路、线路板卡类型较少，受限于支路板卡的分组业务接入能力，其实际有效处理分组交换的能力小于1 Tbit/s。虽然该型设备支持VC交叉，但并无实现VC与ODUk层间适配的线路板卡，因此在进行VC处理时并不完全符合标准定义的架构。

基于切片的统一交换结构的集中交叉式分组增强型OTN设备已有部分厂商能够提供商用设备，但支持分组处理的相关板卡仍处于研发阶段，现有商用的支路、线路板卡只支持传统OTN功能。

目前，板卡式分组增强型OTN设备在整体架构和以太网QoS处理方面已经比较成熟，后续将主要提升板卡的分组交换容量，完善对以太网OAM的处理，并根据实际业务需求实现对MPLS-TP功能的支持。集中交叉式分组增强型OTN设备的整体架构已基本成熟，但相关支路、线路板卡类型需要进一步丰富，其分组处理能力也有待加强。

3 分组增强型OTN在城域网中的应用

分组增强型OTN技术重点增加了分组处理、分组交换和层间适配等特性，能够同时满足精细化的业务调度和大带宽的业务承载及保护需求，能够满足城域网业务分组化和IP网络扁平化的发展趋势，其在城域网中的主要应用场景包括以太网专线业务承载、IP城域网承载和基站回传承载。

3.1 以太网专线业务承载

近年来，以太网专线业务需求在数量和带宽上均呈现快速增长的趋势。目前，城域网内GE以下带宽的专线业务多采用 MSTP（multi service transport platform，多业务传送平台）、PTN（packet transport network，分组传送网）或路由器承载；而GE及以上带宽的专线业务则主要采用光纤出租或WDM/OTN承载。现有承载方式面临的主要问题包括:MSTP和PTN设备容量有限，难以满足大带宽专线业务的快速发展要求；路由器承载成本较高，大带宽专线业务承载对网络的冲击较大；光纤出租使得运营商对出租电路难以进行有效的管控和保护；WDM/OTN调度颗粒较大，业务开通和调整不灵活。

分组增强型OTN技术同时具备了OTN技术对大带宽业务的端到端传送能力以及以太网和MPLS-TP技术对分组业务的精细化调度和QoS处理功能，比较适用于FE及以上以太网专线业务的承载。在承载以太网专线业务时，可根据业务发展和网络现状采用以下不同模式。

（1）对现有OTN设备进行改造

OTN设备通过增加分组支路板卡，平滑升级成为板卡式分组增强型OTN设备。其中，分组处理支路板卡进行以太网交换、QoS和OAM处理，主要用于以太网专线业务接入，对用户接入带宽进行限速或升速调整，线路侧采用ODUk封装、调度和保护。该模式可以为用户提供更丰富的带宽业务选择，并能提升OTN承载以太网业务的传送效率。

（2）引入集中交叉式分组增强型OTN设备

在用户接入的OTN节点引入支持MPLS-TP处理功能的分组板卡或小容量集中交叉式分组增强型OTN设备，主要用于MPLS-TP的QoS和OAM处理。在核心调度节点引入大容量的集中交叉式OTN设备，主要进行LSP或PW交换处理。该模式通过在核心调度节点进行分组处理，可以有效提升网络传送效率。通过设置保护拖延时间，能够实现PW、LSP、ODUk或OCh等不同层次的保护协同。

3.2 IP城域网承载

分组增强型OTN技术在IP城域网中的主要应用场景包括:承载 OLT（optical line terminal，光线路终端）上联BRAS（broadband remote access server，宽带远程接入服务器）/SR（service router，业务路由器）链路和承载 BRAS/SR上联CR（core router，核心路由器）链路。分组增强型OTN承载IP城域网相关链路后的总体网络架构如图3所示。

图3 分组增强型OTN承载IP城域网

3.2.1 分组增强型OTN承载OLT上联BRAS/SR

IP城域网内OLT上联BRAS/SR主要有如下两种模式。

（1）OLT 直连 BRAS/SR

OLT通过上联端口区分到达不同BRAS/SR的业务。该模式主要适用于单台OLT流量较大、上联的BRAS/SR数量较少的应用场景。

OLT直连BRAS/SR存在的问题包括:占用大量光纤资源，无法进行带宽收敛；占用大量BRAS/SR的端口资源，上联链路扩容周期长，链路保护困难。

（2）OLT通过汇聚交换机上联BRAS/SR

OLT通过VLAN区分不同业务，汇聚交换机进行VLAN分流、多播复制和流量汇聚。该模式适用于单台OLT带宽收敛比较大、承载业务类型较复杂、上联的BRAS/SR数量较多的应用场景。

OLT通过交换机上联BRAS/SR存在的问题包括:占用大量光纤资源（当OLT与交换机不在同一局点时），上联链路扩容周期长，增加IP城域网网络层次和故障点。

分组增强型OTN能够快速提供OLT上联链路，实现对相关链路的监控和保护。通过分组交换，可以节省BRAS/SR端口资源的消耗，并能够完成端口匹配（如OLT上联GE端口，而BRAS/SR下联可以采用10GE端口）。

对于OLT直连BRAS/SR的模式，分组增强型OTN可以在靠近BRAS/SR侧进行分组处理，通过流量汇聚减少BRAS/SR的端口占用，通过端口汇聚实现端口匹配。

对于OLT通过交换机上联BRAS/SR的模式，分组增强型OTN可以在靠近OLT侧进行VLAN分流和统计复用，以提升网络传送效率，在靠近BRAS/SR侧进行端口汇聚实现端口匹配。

由于板卡式分组增强型OTN设备交换容量较小，不支持板间LAG保护，难以在中间节点进行分组处理和有效带宽收敛，在承载OLT上联BRAS/SR链路时宜采用集中交叉式分组增强型OTN设备。

3.2.2 分组增强型OTN承载BRAS/SR上联CR

IP城域网内BRAS/SR上联CR有两种模式:BRAS/SR通过汇聚路由器上联CR和BRAS/SR直连CR。

随着IP城域网流量模型的变化，BRAS/SR上联带宽的收敛比越来越小，汇聚路由器的流量汇聚功能不断减弱，网络扁平化成为发展趋势。但网络扁平化过程中，BRAS/SR的GE上联端口与CR的10GE下联端口进行匹配的问题需要解决。与此同时，城域网网络流量的快速增长，使得40GE/100GE等高速端口开始得到部署。当高速端口用于CR下联链路时，也将面临端口匹配的问题。

分组增强型OTN用于承载BRAS/SR上联CR，不仅可以快速开通链路并提供链路保护，而且可以在靠近CR侧进行端口汇聚，实现BRAS/SR上联端口与CR下联端口的匹配（BRAS/SR上联采用GE/10GE端口，CR下联可以引入10GE/40GE/100GE端口）。

3.3 基站回传承载

早期的基站回传主要采用MSTP技术，其能够较好地满足2G时代以语音为主的低带宽、高质量保障业务要求。随着智能移动终端的普及和移动互联网的快速发展，回传网络向分组方向快速演进，3G基站回传带宽需求达到30～50 Mbit/s。传统的以MSTP为主的无线回传网络难以适应新时期高速带宽、灵活组网、高效运营等要求。在快速临近的LTE时代，基站回传带宽需求将达到100～300 Mbit/s，这将对基于IP路由器或PTN的回传网络造成压力。

分组增强型OTN能够通过OTN技术提供大带宽的链路承载，通过以太网技术解决OTN接入分组业务效率低的问题，也可以采用MPLS-TP over OTN模式进行精细化的分组处理。通过设置保护拖延时间，完成PW、LSP或ODUk等不同层次的保护协同。分组增强型OTN具有时钟集中处理模块，支持定时输入和输出接口，可以通过物理层方式恢复定时信号，完成频率同步信号的传递。同时，可以通过OSC净荷传送IEEE 1588-2008报文，完成时间同步信号的传送。

分组增强型OTN进行基站回传承载主要有以下模式。

（1）配合承载基站回传链路

由IP路由器或PTN的回传网络完成基站回传流量的接入，分组增强型OTN提供回传网络的链路承载，并可按需为基站或回传网络提供时间/频率同步信号。其中，对于PTN回传方案，在完成MPLS-TP互通后，分组增强型OTN也可采用MPLS-TP over OTN的模式进行承载，实现MPLS-TP层的端到端管理、维护与保护。

（2）独立承载基站回传信号

当基站采用BBU （base band unit，基带处理单元）与RRU（remote radio unit，射频拉远模块）分离的架构，RRU部署在基站或天线，BBU集中部署在局站机房时，单局站回传流量可能突破GE。此时分组增强型OTN可以发挥其端到端、精细化调度、大带宽传送的优势，采用MPLS-TP over OTN的模式进行承载，由MPLS-TP技术解决回传业务的承载和保护，中间节点可以进行分组处理，OTN层则为MPLS-TP层提供链路保护，也可考虑采用Ethernet over OTN的模式进行回传承载，以太网主要用于回传业务的接入，OTN层提供线路保护。分组增强型OTN可以直接为基站提供时间/频率同步信号。