[圖]【國內】光網絡組網技術對比分析
訊石光通訊網
2005/12/28 9:45:05
一、引言
傳統的光網絡以環(huán)或線性拓撲為主，可提供復用段環(huán)保護、通道環(huán)保護、線性1:1復用段保護、線性1＋1復用段保護及端到端的SNCP保護等一系列保護措施，這些保護措施為業(yè)務提供了高度的可靠性和快速的保護恢復能力，使得SDH環(huán)網在過去的很長時間內在本地網、城域網、骨干網上得到了廣泛的應用。 但是，隨著數據業(yè)務量的快速增長，SDH環(huán)網也不斷暴露出其固有的缺點，特別是在業(yè)務量比較大且復雜的骨干網、城域網上。因此，采用網狀網進行組網這一想法日益引起人們的興趣。本文將會對環(huán)形網絡和網狀網進行一般性的對比分析，雖然對比分析主要以SDH網絡為主進行，但分析過程很少涉及SDH所特有的技術，因而其基本原理和結論也完全適用于WDM網絡。
二、環(huán)形網與網狀網的分析對比
本文主要從網絡成本和資源利用情況、網絡生存性、擴展性以及網絡配置的難度、節(jié)點復雜度等幾個方面對光網絡中常用的兩種網絡結構環(huán)形網和網狀網進行對比分析。
1．網絡成本及資源利用率
所謂環(huán)形網絡，是指網絡中每個節(jié)點通過兩個鏈路首尾連接起來，這樣就會構成一個封閉的環(huán)，環(huán)上每個節(jié)點的度都是2，一個節(jié)點數目為N的環(huán)形網絡所具有的鏈路數目也為N。在環(huán)形網絡中，任何兩個節(jié)點之間都有長短兩條傳輸方向相反的路由，這就為網絡的保護提供了有力的物理基礎。
所謂網狀網，一般是指每個節(jié)點至少具有兩條鏈路同其他節(jié)點連接起來。網狀網的結構是復雜多變的，連通度要比環(huán)形網高。一個節(jié)點數目為N的網狀網所具有的鏈路數可能在N+1和N*(N-1)/2之間變化。特別是，當節(jié)點之間兩兩都有鏈路相互連接的時候，就成為全連通網狀網，鏈路的數目將達到N*(N-1)/2。
在構建一個通信網絡時，通常業(yè)務需求應該是已知的，這樣網絡中的節(jié)點就可以確定下來，如何選擇鏈路將節(jié)點相互連接起來就成為確定網絡拓撲結構的關鍵。
網絡的成本主要由節(jié)點成本和鏈路成本構成，其中節(jié)點成本主要包括光接口、光收發(fā)器、交叉處理板、業(yè)務板卡等的成本，鏈路成本主要包括光放大器、光纖等的成本。對于相同的電路需求，采用環(huán)形網絡和網狀網所需的業(yè)務板卡基本是一致的。因此，對網絡成本的比較，應該主要從光接口、光收發(fā)器、光放大器、光纖的成本來進行考慮，而這幾個都是與節(jié)點之間的鏈路一一對應、基本成正比的。所以考察網絡的成本可以主要從網絡中的鏈路數目來進行比較。
圖1環(huán)形和網狀網拓撲結構
下面用一個例子來說明環(huán)形網絡和網狀網的成本情況。
如圖1所示，網絡中有6個節(jié)點A、B、C、D、E和F，假設網絡中每條鏈路的容量為STM-16，為簡化起見，假定環(huán)上每段鏈路的16個STM-1通道中只有8個STM-1通道可以用做工作通道，鏈路另外一半容量留做保護資源。表1給出了兩種不同的業(yè)務需求。
對于表1（a）中的電路需求，易知圖1（a）所示的環(huán)形網絡可以滿足，但業(yè)務已經幾乎占滿了整個環(huán)形網絡的容量。而對于圖1（b）所示的網狀網，由于結構比較復雜，不容易看出，為方便討論，可以將其劃分為兩個環(huán)形網絡A－B－D－E－A和A－C－D－F－A，如圖2所示。同時，將表1（a）中的電路也根據劃分后的兩個環(huán)形網絡進行分攤，如表2所示?？梢钥闯觯W狀網進行分割后的兩個環(huán)上的容量都只用到了50％左右，仍有很大擴容空間。環(huán)形網絡所需鏈路數目為6，網狀網所需鏈路數目為10，其資源利用率要比環(huán)形網絡低。
在電路需求有了一定增長，成為如表1（b）所示的電路需求之后，對于圖1（a）所示的環(huán)形網絡，就必須新建一個環(huán)，此時所需的鏈路數達到了2x6＝12個。對于圖1（b）所示的網狀網，類似的對表1（b）中的電路進行分割后，如表3所示，可以看出，分割后的兩個環(huán)上仍有足夠的容量承載新增的電路，網狀網所需鏈路數目仍為10個。此時，網狀網要比環(huán)形網資源利用率高。
表3對表1（b）中電路需求的分攤
從上面的例子可以看出，在電路需求比較小時，網絡上有足夠的空余容量，因此需要鏈路資源比較少的環(huán)形網絡在成本上具有優(yōu)勢。而在電路需求比較大時，網狀網相比環(huán)形網絡具有更大的成本優(yōu)勢，資源利用率更高。這主要是因為在環(huán)形網絡上，業(yè)務沒有捷徑可走，業(yè)務的工作路徑和保護路徑相加至少可以覆蓋一個完整的環(huán)網。而在網狀網中，可以在業(yè)務量比較大的節(jié)點之間建立“直達”通路，縮短了業(yè)務的工作和保護路徑，在上面的例子中，就體現為縮小了環(huán)的規(guī)模，包括環(huán)的總長和環(huán)上節(jié)點的數量。
圖3保護業(yè)務進行負荷分擔的情況
在上面的例子中，我們是按照所有鏈路都留出50％的容量作為保護資源來考慮的。對于環(huán)形網絡，網絡中每個節(jié)點的度為2，工作和保護業(yè)務分別從節(jié)點的兩個方向流通，鏈路上必須有一半的容量留做保護通道。而對于網狀網，由于網絡中節(jié)點的度可能大于2，保護業(yè)務可以在除工作路徑外的其他不只一個保護路徑上進行負荷分擔，如圖3所示。這樣，鏈路中的備用資源比例就可以進一步降低，能夠承載的電路數量就得到了增加，鏈路的資源利用率也得到了進一步的提高，網絡的成本可以進一步降低。
需要指出的是，以上的分析雖然是在SDH網絡的基礎上進行的，但主要是基于網絡拓撲結構進行的，并不涉及SDH網絡中的特定技術，因此所得出的結論也同樣適用于WDM光網絡。只是在SDH網絡中，鏈路資源是指光纖、光放大器及光收發(fā)器等；在WDM光網絡中，鏈路資源指的是光纖、光放大器、合波/分波器、波長轉換器等，成本要更高，而波道則對應于SDH網絡中端到端的業(yè)務通道。
2．網絡生存性
網絡生存性是指在發(fā)生故障的情況下，網絡仍能維持業(yè)務連續(xù)性的能力。網絡生存性技術包括網絡保護和恢復技術，相應地，網絡從故障中恢復采用兩種機制，即保護機制和恢復機制。保護機制是指采用預先規(guī)劃的方法分配網絡資源，用硬件冗余來保證網絡對故障的恢復；恢復機制是指網絡失效后，動態(tài)尋找可用資源并采用重選路由的方法繞過失效部件。
在環(huán)形網絡中，SDH自愈環(huán)提供兩纖單向通道倒換環(huán)UPSR、四纖雙向復用段倒換環(huán)BLSR/4以及兩纖雙向復用段倒換環(huán)BLSR/2等保護方法，使得網絡具有了快速的保護恢復能力，能夠實現50ms的業(yè)務恢復時間要求，表4對這幾種自愈環(huán)的性能進行了比較。圖4給出了環(huán)形網絡中通道保護和復用段保護的基本原理。SDH網絡中的幾種自愈環(huán)技術也可以推廣到WDM環(huán)網中應用，而且其特征基本上是一樣的。
在網狀網中，由于網絡結構復雜，生存性問題比環(huán)形網要復雜得多，一般是采用保護和恢復相結合的方法來保證其生存性，這樣一方面可以保證故障情況下的保護時間，同時又可以保證資源的合理利用，如圖4所示。根據重選路由的類型，又可以分為基于通道的通道保護恢復和基于鏈路的復用段保護恢復。根據保護資源是否可以有多個工作通道共享，又分為專用保護恢復和共享保護恢復方式。一般來說，預選路由的專用保護方法具有保護速度快的優(yōu)點，但因為其保護通道專用，導致資源利用率相對比較低。采用共享保護方式能夠提高網絡的性能，降低網絡阻塞率，提高資源利用率。
從整體上來說，網狀網在生存性上與環(huán)形網絡相比，有如下優(yōu)點；
Ø 提供更多的保護恢復方式（1+1，1:1，動態(tài)恢復等），可以滿足不同業(yè)務等級的需要；
Ø 更適用于共享保護恢復方式，所需的備用資源比較少，網絡資源利用率高；
Ø 節(jié)點間路徑的增多，使得網絡具有較強的抗多點失效能力，網絡生存性更高。
3．網絡擴展性
在環(huán)形網絡中，當需要加入一個新節(jié)點到網絡中時，必須斷開環(huán)上業(yè)務，對全網業(yè)務造成影響。而在網狀網中，新節(jié)點的加入只對新節(jié)點所連接的節(jié)點有影響，不需要中斷網絡上的現有業(yè)務，可以很方便的進行網絡擴展。
從上述的例子可以看出，當網絡上容量不足需要擴容時，環(huán)形網絡需要對整個環(huán)進行擴容，而在網狀網中，只需要對相應的跨段鏈路進行擴容就可以了，大大節(jié)約了網絡的擴容成本。
此外，網狀網可以分區(qū)域、分步驟的采用新技術，逐步向新一代的網絡演進，而環(huán)形網必須以整個環(huán)為單位，限制了網絡的升級。
4．網絡配置和節(jié)點復雜程度
環(huán)形網網絡結構單一，主要有通道倒換環(huán)和復用段倒換環(huán)兩種方式，在鏈路中對工作通道有足夠的保護資源預留，網絡規(guī)劃和故障后的倒換機制都比較簡單，而且對節(jié)點的交叉能力要求比較低。
在網狀網中，網絡結構復雜多樣，不具有統一性，網絡規(guī)劃、工作路徑和保護路徑的選擇等都需要復雜的算法，特別在WDM光網絡中，還涉及到波長轉換和分配的問題。另外，在網絡中還需要一整套復雜的信令機制以實現網絡中大量的控制功能，這對節(jié)點的智能性也提出了要求。而且，在網狀網中，一個節(jié)點可能同時與其他多個節(jié)點相連接，對節(jié)點的交叉能力要求也比環(huán)形網中要高。
三、總結
從網絡成本和資源利用情況、網絡生存性、擴展升級來看，網狀網具有比環(huán)形網絡不可比擬的優(yōu)勢。這主要是由于環(huán)形網絡是以環(huán)為單位，整個環(huán)作為一個不可分割的整體，任何兩個節(jié)點之間的業(yè)務（工作業(yè)務和保護業(yè)務）都會跨越整個環(huán)，環(huán)上任何一段鏈路都會對網絡上的業(yè)務造成影響。而在網狀網中，打破了這種捆綁，雖然在工作路徑和保護路徑之間仍有聯系，也可能還采用類似環(huán)形網絡中的保護恢復方式，但由于網絡中控制機制的根本不同，這些聯系不像環(huán)形網絡中是捆綁在一起不可改變的，而可以根據需要進行靈活的變更，當然這需要豐富的底層物理資源作保證。
另一方面，網狀網的這些優(yōu)勢是通過復雜的網絡規(guī)劃算法、路徑選擇算法、信令控制機制和節(jié)點的智能性、大交叉能力來取得的。令人欣喜的是，硬件技術的發(fā)展和以GMPLS信令為基礎的控制平面技術的發(fā)展，已經為此提供了可靠的保證。
因此，在擁有功能完善的控制平面的智能光網絡中，可以采用網狀網技術進行組網而不必擔心網絡配置的復雜多樣，也只有采用網狀網技術進行組網，才能在網絡中提供更多的資源，實現網絡控制平面靈活快速提供多樣性業(yè)務的目的。
傳統的光網絡以環(huán)或線性拓撲為主，可提供復用段環(huán)保護、通道環(huán)保護、線性1:1復用段保護、線性1＋1復用段保護及端到端的SNCP保護等一系列保護措施，這些保護措施為業(yè)務提供了高度的可靠性和快速的保護恢復能力，使得SDH環(huán)網在過去的很長時間內在本地網、城域網、骨干網上得到了廣泛的應用。 但是，隨著數據業(yè)務量的快速增長，SDH環(huán)網也不斷暴露出其固有的缺點，特別是在業(yè)務量比較大且復雜的骨干網、城域網上。因此，采用網狀網進行組網這一想法日益引起人們的興趣。本文將會對環(huán)形網絡和網狀網進行一般性的對比分析，雖然對比分析主要以SDH網絡為主進行，但分析過程很少涉及SDH所特有的技術，因而其基本原理和結論也完全適用于WDM網絡。
二、環(huán)形網與網狀網的分析對比
本文主要從網絡成本和資源利用情況、網絡生存性、擴展性以及網絡配置的難度、節(jié)點復雜度等幾個方面對光網絡中常用的兩種網絡結構環(huán)形網和網狀網進行對比分析。
1．網絡成本及資源利用率
所謂環(huán)形網絡，是指網絡中每個節(jié)點通過兩個鏈路首尾連接起來，這樣就會構成一個封閉的環(huán)，環(huán)上每個節(jié)點的度都是2，一個節(jié)點數目為N的環(huán)形網絡所具有的鏈路數目也為N。在環(huán)形網絡中，任何兩個節(jié)點之間都有長短兩條傳輸方向相反的路由，這就為網絡的保護提供了有力的物理基礎。
所謂網狀網，一般是指每個節(jié)點至少具有兩條鏈路同其他節(jié)點連接起來。網狀網的結構是復雜多變的，連通度要比環(huán)形網高。一個節(jié)點數目為N的網狀網所具有的鏈路數可能在N+1和N*(N-1)/2之間變化。特別是，當節(jié)點之間兩兩都有鏈路相互連接的時候，就成為全連通網狀網，鏈路的數目將達到N*(N-1)/2。
在構建一個通信網絡時，通常業(yè)務需求應該是已知的，這樣網絡中的節(jié)點就可以確定下來，如何選擇鏈路將節(jié)點相互連接起來就成為確定網絡拓撲結構的關鍵。
網絡的成本主要由節(jié)點成本和鏈路成本構成，其中節(jié)點成本主要包括光接口、光收發(fā)器、交叉處理板、業(yè)務板卡等的成本，鏈路成本主要包括光放大器、光纖等的成本。對于相同的電路需求，采用環(huán)形網絡和網狀網所需的業(yè)務板卡基本是一致的。因此，對網絡成本的比較，應該主要從光接口、光收發(fā)器、光放大器、光纖的成本來進行考慮，而這幾個都是與節(jié)點之間的鏈路一一對應、基本成正比的。所以考察網絡的成本可以主要從網絡中的鏈路數目來進行比較。
下面用一個例子來說明環(huán)形網絡和網狀網的成本情況。
如圖1所示，網絡中有6個節(jié)點A、B、C、D、E和F，假設網絡中每條鏈路的容量為STM-16，為簡化起見，假定環(huán)上每段鏈路的16個STM-1通道中只有8個STM-1通道可以用做工作通道，鏈路另外一半容量留做保護資源。表1給出了兩種不同的業(yè)務需求。
對于表1（a）中的電路需求，易知圖1（a）所示的環(huán)形網絡可以滿足，但業(yè)務已經幾乎占滿了整個環(huán)形網絡的容量。而對于圖1（b）所示的網狀網，由于結構比較復雜，不容易看出，為方便討論，可以將其劃分為兩個環(huán)形網絡A－B－D－E－A和A－C－D－F－A，如圖2所示。同時，將表1（a）中的電路也根據劃分后的兩個環(huán)形網絡進行分攤，如表2所示?？梢钥闯觯W狀網進行分割后的兩個環(huán)上的容量都只用到了50％左右，仍有很大擴容空間。環(huán)形網絡所需鏈路數目為6，網狀網所需鏈路數目為10，其資源利用率要比環(huán)形網絡低。
在電路需求有了一定增長，成為如表1（b）所示的電路需求之后，對于圖1（a）所示的環(huán)形網絡，就必須新建一個環(huán)，此時所需的鏈路數達到了2x6＝12個。對于圖1（b）所示的網狀網，類似的對表1（b）中的電路進行分割后，如表3所示，可以看出，分割后的兩個環(huán)上仍有足夠的容量承載新增的電路，網狀網所需鏈路數目仍為10個。此時，網狀網要比環(huán)形網資源利用率高。
從上面的例子可以看出，在電路需求比較小時，網絡上有足夠的空余容量，因此需要鏈路資源比較少的環(huán)形網絡在成本上具有優(yōu)勢。而在電路需求比較大時，網狀網相比環(huán)形網絡具有更大的成本優(yōu)勢，資源利用率更高。這主要是因為在環(huán)形網絡上，業(yè)務沒有捷徑可走，業(yè)務的工作路徑和保護路徑相加至少可以覆蓋一個完整的環(huán)網。而在網狀網中，可以在業(yè)務量比較大的節(jié)點之間建立“直達”通路，縮短了業(yè)務的工作和保護路徑，在上面的例子中，就體現為縮小了環(huán)的規(guī)模，包括環(huán)的總長和環(huán)上節(jié)點的數量。
在上面的例子中，我們是按照所有鏈路都留出50％的容量作為保護資源來考慮的。對于環(huán)形網絡，網絡中每個節(jié)點的度為2，工作和保護業(yè)務分別從節(jié)點的兩個方向流通，鏈路上必須有一半的容量留做保護通道。而對于網狀網，由于網絡中節(jié)點的度可能大于2，保護業(yè)務可以在除工作路徑外的其他不只一個保護路徑上進行負荷分擔，如圖3所示。這樣，鏈路中的備用資源比例就可以進一步降低，能夠承載的電路數量就得到了增加，鏈路的資源利用率也得到了進一步的提高，網絡的成本可以進一步降低。
需要指出的是，以上的分析雖然是在SDH網絡的基礎上進行的，但主要是基于網絡拓撲結構進行的，并不涉及SDH網絡中的特定技術，因此所得出的結論也同樣適用于WDM光網絡。只是在SDH網絡中，鏈路資源是指光纖、光放大器及光收發(fā)器等；在WDM光網絡中，鏈路資源指的是光纖、光放大器、合波/分波器、波長轉換器等，成本要更高，而波道則對應于SDH網絡中端到端的業(yè)務通道。
2．網絡生存性
網絡生存性是指在發(fā)生故障的情況下，網絡仍能維持業(yè)務連續(xù)性的能力。網絡生存性技術包括網絡保護和恢復技術，相應地，網絡從故障中恢復采用兩種機制，即保護機制和恢復機制。保護機制是指采用預先規(guī)劃的方法分配網絡資源，用硬件冗余來保證網絡對故障的恢復；恢復機制是指網絡失效后，動態(tài)尋找可用資源并采用重選路由的方法繞過失效部件。
在環(huán)形網絡中，SDH自愈環(huán)提供兩纖單向通道倒換環(huán)UPSR、四纖雙向復用段倒換環(huán)BLSR/4以及兩纖雙向復用段倒換環(huán)BLSR/2等保護方法，使得網絡具有了快速的保護恢復能力，能夠實現50ms的業(yè)務恢復時間要求，表4對這幾種自愈環(huán)的性能進行了比較。圖4給出了環(huán)形網絡中通道保護和復用段保護的基本原理。SDH網絡中的幾種自愈環(huán)技術也可以推廣到WDM環(huán)網中應用，而且其特征基本上是一樣的。
在網狀網中，由于網絡結構復雜，生存性問題比環(huán)形網要復雜得多，一般是采用保護和恢復相結合的方法來保證其生存性，這樣一方面可以保證故障情況下的保護時間，同時又可以保證資源的合理利用，如圖4所示。根據重選路由的類型，又可以分為基于通道的通道保護恢復和基于鏈路的復用段保護恢復。根據保護資源是否可以有多個工作通道共享，又分為專用保護恢復和共享保護恢復方式。一般來說，預選路由的專用保護方法具有保護速度快的優(yōu)點，但因為其保護通道專用，導致資源利用率相對比較低。采用共享保護方式能夠提高網絡的性能，降低網絡阻塞率，提高資源利用率。
從整體上來說，網狀網在生存性上與環(huán)形網絡相比，有如下優(yōu)點；
Ø 提供更多的保護恢復方式（1+1，1:1，動態(tài)恢復等），可以滿足不同業(yè)務等級的需要；
Ø 更適用于共享保護恢復方式，所需的備用資源比較少，網絡資源利用率高；
Ø 節(jié)點間路徑的增多，使得網絡具有較強的抗多點失效能力，網絡生存性更高。
3．網絡擴展性
在環(huán)形網絡中，當需要加入一個新節(jié)點到網絡中時，必須斷開環(huán)上業(yè)務，對全網業(yè)務造成影響。而在網狀網中，新節(jié)點的加入只對新節(jié)點所連接的節(jié)點有影響，不需要中斷網絡上的現有業(yè)務，可以很方便的進行網絡擴展。
從上述的例子可以看出，當網絡上容量不足需要擴容時，環(huán)形網絡需要對整個環(huán)進行擴容，而在網狀網中，只需要對相應的跨段鏈路進行擴容就可以了，大大節(jié)約了網絡的擴容成本。
此外，網狀網可以分區(qū)域、分步驟的采用新技術，逐步向新一代的網絡演進，而環(huán)形網必須以整個環(huán)為單位，限制了網絡的升級。
4．網絡配置和節(jié)點復雜程度
環(huán)形網網絡結構單一，主要有通道倒換環(huán)和復用段倒換環(huán)兩種方式，在鏈路中對工作通道有足夠的保護資源預留，網絡規(guī)劃和故障后的倒換機制都比較簡單，而且對節(jié)點的交叉能力要求比較低。
在網狀網中，網絡結構復雜多樣，不具有統一性，網絡規(guī)劃、工作路徑和保護路徑的選擇等都需要復雜的算法，特別在WDM光網絡中，還涉及到波長轉換和分配的問題。另外，在網絡中還需要一整套復雜的信令機制以實現網絡中大量的控制功能，這對節(jié)點的智能性也提出了要求。而且，在網狀網中，一個節(jié)點可能同時與其他多個節(jié)點相連接，對節(jié)點的交叉能力要求也比環(huán)形網中要高。
三、總結
從網絡成本和資源利用情況、網絡生存性、擴展升級來看，網狀網具有比環(huán)形網絡不可比擬的優(yōu)勢。這主要是由于環(huán)形網絡是以環(huán)為單位，整個環(huán)作為一個不可分割的整體，任何兩個節(jié)點之間的業(yè)務（工作業(yè)務和保護業(yè)務）都會跨越整個環(huán)，環(huán)上任何一段鏈路都會對網絡上的業(yè)務造成影響。而在網狀網中，打破了這種捆綁，雖然在工作路徑和保護路徑之間仍有聯系，也可能還采用類似環(huán)形網絡中的保護恢復方式，但由于網絡中控制機制的根本不同，這些聯系不像環(huán)形網絡中是捆綁在一起不可改變的，而可以根據需要進行靈活的變更，當然這需要豐富的底層物理資源作保證。
另一方面，網狀網的這些優(yōu)勢是通過復雜的網絡規(guī)劃算法、路徑選擇算法、信令控制機制和節(jié)點的智能性、大交叉能力來取得的。令人欣喜的是，硬件技術的發(fā)展和以GMPLS信令為基礎的控制平面技術的發(fā)展，已經為此提供了可靠的保證。
因此，在擁有功能完善的控制平面的智能光網絡中，可以采用網狀網技術進行組網而不必擔心網絡配置的復雜多樣，也只有采用網狀網技術進行組網，才能在網絡中提供更多的資源，實現網絡控制平面靈活快速提供多樣性業(yè)務的目的。
來源：《通信世界》
作者：華信郵電咨詢設計研究院有限公司 齊志剛 王梅春 孫月新
新聞來源：本站原創(chuàng)