混合交换的概述和应用情况介绍

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：在此情况下多业务的发展对MSTP的接入及传送容量造成了巨大的压力，因此，迫切需要一个统一的平台完成全业务承载，进而降低成本，IP RAN的出现解决了这一系列问题。POTN是指具有分组交换、光通路交叉、虚容器以及光通路单元交叉等数据处理和分析能力的一种新型复合数据传送技术。当接入业务量不大时，可采用MPLS-TP的数据协议封装，这时应采用MPLS-TP和OTN的OAM机制。POTN和IP RAN都可以实现混合业务的承载和交换，只是技术路线不同。

交换技术是通信网的一项关键技术，目的是实现通信网中任意节点数据的转发、共享。随着人们通信需求的增长，交换技术经历了电路交换、报文交换、分组交换，X.25、帧中继、ATM（异步传递模式）、光交换等发展阶段，网络形式也从电路交换网、分组交换网、X.25网、帧中继网、ISDN、B-ISDN发展直到光交换网，其承载的业务包括了话音、数据、图像、视频以及多媒体等形式。这些网络依据当时业务需求建立，功能较为单一，而随着社会的发展和网络的普及，用户希望从单个网络中获得全媒体服务，但是这些业务速率不同，颗粒度不同，对服务质量的要求差异较大，如何通过一种统一的交换技术实现网络融合，就成为未来通信网络的一个技术难点。需求的推动促使学者、研究机构以及各运营商进行了多种交换方式混合实现的尝试。

1）MSTP（多业务传送节点）技术

基于时隙结构的SDH具有网络管理突出、实时业务监控、动态网络维护等优点，但是它不具备无级动态带宽分配能力，易造成网络效率低下，且对数据业务的突发性与速率可变性特点难以适应。而Ethernet具有速度快，易于组网、升级和维护，成本较低等优点，但其QoS和CoS功能较弱，无网络可靠保护机制。随着数据业务的增多，融合两者优点的MSTP由此而生。MSTP能够实现技术优势互补，有效利用网络资源，保护运营商投资。综上，MSTP是指基于SDH平台，能同时完成TDM、ATM、以太网等业务的接入、处理和传送，提供统一网管的多业务技术。

但随着通信技术的迅猛发展，图像、视频等业务种类不断增多。而MSTP技术只是端口级的IP化技术，提供的多种业务仍然由不同的以太网交换机、SDH／MSTP、路由器等网元承载，这样导致了运营商的维护、运营成本较高。在此情况下多业务的发展对MSTP的接入及传送容量造成了巨大的压力，因此，迫切需要一个统一的平台完成全业务承载，进而降低成本，IP RAN的出现解决了这一系列问题。

2）无线接入网的IP化传送方案（IP RAN）

IP RAN以路由器为主，采用动态IP技术构建承载网络。以该技术构建的网络是多种业务融合的扁平网络。相比于MSTP，IP RAN提升了网络容量，增加了OAM能力、链路承载、网络管理能力。IP RAN基于IP／MPLS（多协议标记交换）技术标准体系，支持MPLSTP（传送多协议标记交换）标准协议，可应用于承载网、骨干网和城域网等网络中。其关键技术主要包括分区域和多进程技术、网络保护技术、QoS（服务质量）技术、OAM技术（操作、管理和维护）、时钟同步技术等。

IP RAN网络可实现动态路由的3层功能，其3层网络结构为核心层、汇聚层和接入层，其网络分层如图8-29所示。

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图8-29　IP RAN网络分层

图8-29中，由较小容量A类设备组成接入层，以环型、链型或双上行方式组网，将基站和末端接入，该层节点多、带宽压力小，可充分利用现有网络资源。

汇聚层由B类设备组成，容量较大，组网采用环型或双上行方式，将A类设备接入并汇集其流量，为接入层提供数据的汇集、传输、管理和分发处理。该层节点较多，有较大带宽压力，可与现有的IP承载网无缝融合。

核心层接入汇聚层流量，以双上行或MESH方式组网，相当于业务系统的网关，该层节点少，带宽压力大。

目前，基于IP RAN技术的产品在发达国家已经得到规模部署，在国内运营商的小规模实验网运行也取得了良好效果。

3）分组增强型光传输网（POTN）

POTN技术最早在2011年开始制定。POTN是指具有分组交换、光通路交叉、虚容器以及光通路单元交叉等数据处理和分析能力的一种新型复合数据传送技术。该技术可以实现时分复用和分组的统一传送能力，大大降低了传送设备的繁杂性，提高了网络工作效率，且能实现多业务、大容量、长距离的信息承载能力。

（1）POTN层网络结构。POTN的层网络结构分为客户业务层、分组传送层、SDH传送层（可选）、OTN电传送层、OTN光波长传送和物理层，如图8-30所示。

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图8-30　POTN的层网络结构

（2）POTN关键技术。

（A）统一交换技术。分组业务及ODU子波长业务通过切片成信元进行统一交换，可实现分组业务和ODU子波长业务的无阻交叉；通过统一的调度算法实现ODUk和Packet交换资源的分配；满足多种比例ODUk和分组业务交换容量的任意搭配，运用灵活。

（B）多层网络保护之间的协调。POTN涉及OTN和MPLS-TP／以太网的两种网络层面，而其不同层的网络保护机制相互独立，故POTN网络保护方案实行分层保护和分段保护的原则。对于一种类型的端到端业务，仅配置单层的网络保护机制；对于可靠性要求很高的重要业务，或者在不同层有嵌套的组网场景下实现对多故障点的保护时，可配置两层的网络保护机制。

（C）多层网络的OAM协调和联动机制。POTN网络的各层均具有相对独立和完善的OAM功能，可根据业务的封装协议和转发路径决定采取哪种OAM。当接入业务量不大时，可采用MPLS-TP的数据协议封装，这时应采用MPLS-TP和OTN的OAM机制。当接入业务量变大时，可采用ODUk的封装格式，这时应采用OTN的OAM机制。在多层OAM机制同时运行的情况下，可提供基于客户／服务者的层间OAM告警传递和告警压制功能，以提高多层网络的运维效率。

（D）多层网络统一管理和规划技术。POTN能实现多种业务统一交换承载，其中涉及多种业务粒度，如L0波长、L1的ODUk／SDH、L2的MPLS-TP、LSP／PW或VLAN／MAC，因此如何实现统一、便捷、高效的管理POTN网络是一项重要技术。

（E）封装效率优化。POTN通过电层封装映射的优化，提升业务承载效率。在映射路径上，取消ETH层，减少映射，提升承载效率。如对于64 B的业务，POTN比PTN封装承载效率提升20%。

POTN和IP RAN都可以实现混合业务的承载和交换，只是技术路线不同。两者基本相同地方在于复用能力、带宽灵活调整能力、点到点业务支持能力、时钟同步支持能力和网管能力等方面。IP RAN在标准化、多点间业务通信能力和IP／MPLS VPN支持能力方面有一定优势，而POTN在保护能力（保护时间）方面有一定优势。两种技术的对比如表8-2所示。

表8-2　POTN和IP RAN技术对比

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在数据网中，同样出现了交换技术的融合现象。首先是GMPLS（通用多协议标签交换）。然后是由于光交换技术的发展，出现了对2种不同光交换方式进行混合交换的研究。

4）GMPLS

MPLS（多协议标签交换）实现了ATM和IP的技术融合，但仅针对包交换网络。随着数据流量的快速增长，光网络成为人们关注的焦点。为增加对光网络控制的支持，IETF（因特网工程任务组）在MPLS的基础上进行了扩展和标准化，以实现多层设备、多家厂商的协同工作，这就是通用MPLS（GMPLS）协议。扩展之后的GMPLS能够完成包交换接口和非包交换接口数据平面的连接管理功能。GMPLS是ASON（自动交换光网络）的控制面协议，目的是实现光传送网的智能化。在其发展过程中，多个国际标准化组织制定了相关的模型，包括对等模型、重叠模型等。IETF设计的网络模型称为对等模型（见图8-31），在该模型中，GMPLS应用于从入口路由器到出口路由器的整个网络，包括中间的核心光交换网络。

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图8-31　GMPLS对等模型

重叠模型由ITU-T，OIF，ODSI等组织制定，定义了相关智能光交换体系结构和接口标准，如图8-32所示。在该模型中，核心网络和边缘网络属于不同的管理域，可以使用不同的协议（图8-32中画出的是核心网络使用GMPLS、边缘网络使用MPLS）。但是，重叠模型缺点在于各层之间存在部分功能重复，路由的可扩展性能不足。

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图8-32　OIFUNI重叠模型

5）混合光交换

2003年美国纽约州立大学乔春明教授研究组首次提出了将光突发交换和光电路交换混合的方法，突发交换模块负责尽力而为的较小流量，电路交换模块负责较大流量。2005年，韩国信息通信大学Lee等人进一步从理论上计算了这种网络的性能。同年，澳大利亚墨尔本大学Tucker教授研究组针对Lee的模型过于复杂的问题，进一步提出了一种更具可扩展性的计算模型。2006年，日本东京大学Morikawa教授实验室提出了一种混合电路与多波长光分组的混合光网络架构，设计并实现了一种光分组交换和光电路交换混合的交换节点结构原型。2013年，Raimena Veisllari在一个集成的实验平台上演示了光电路和光分组融合交换，并实现了10 Gb／s链路下超过99%的光路资源利用率。

国内电子科技大学王晟团队提出了一种基于环路的混合交换光网络（CHSON）。该网络结合了光电路交换（OCS）和光突发交换（OBS）两种交换技术，不仅可以有效地降低网络节点的分组转发压力，而且能够较好地承载突发性数据业务。西安电子科技大学的邱智亮团队在Clos交换网络的基础上提出了电路与分组的混合交换网络及调度机制。在混合交换网络中，调度机制为电路业务分配专用通路，同时利用剩余带宽为分组业务提供尽力而为的转发服务。北京邮电大学设计了一种基于业务平面对不同交换方式自适应的混合交换光网络模型，业务平面根据业务类型选择不同的交换方式，提高了光网络的自适应能力，从而提高网络的资源利用率。

2010年至今，将混合交换应用于数据中心网络成为研究热点。多项研究表明，运用混合交换可将一个中等规模的数据中心的网络成本降低至原来的1／2，将网络能耗降低为原来的1／5。因此现阶段，实现低成本、低能耗、大规模可扩展网络的必经之路是研究混合交换技术、研制相关设备、建设混合交换网络。

国内POTN主流生产厂家有中兴、华为、烽火。2014年1月，中兴通讯发布了首个PTN向POTN平滑演进解决方案。该方案在ZXCTN 6500产品平台上采用统一交换实现了PTN和OTN的有机融合，支持L1／L2／L3业务的统一高效承载和面向SDN的控制架构，并在2013年12月18日已经完成了中国移动POTN初步技术验证性测试。

目前，中国移动已确定将POTN（分组传送网）技术作为移动承载网技术的唯一选择，并已在网络中大量部署了POTN设备。中国电信和中国联通自2010年开始进行了大量的IP RAN试点建设。国际上，AT&T，Verizon，Sprint，DT，NTT等世界一流运营商都已采用IP RAN建设移动承载网。

混合交换的概述和应用情况介绍

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