ByPass流量旁路技術(shù)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)探析

中興通訊技術(shù),2012,18(6):56~59

鐘秀芳張沛

摘要： ByPass流量旁路組網(wǎng)技術(shù)，可以將業(yè)務(wù)部署中的“過境”流量有效地通過光傳送管道進(jìn)行旁路，以降低核心路由器的處理壓力及對骨干路由器的容量與復(fù)雜度要求，減少核心路由器的成本和功耗。本文根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)中的應(yīng)用部署需求，分析流量旁路技術(shù)（ByPass）的IP層與光層聯(lián)合組網(wǎng)策略，具體闡述了ByPass流量旁路組網(wǎng)技術(shù)的幾種實(shí)現(xiàn)方式，包括光層分組化OTN實(shí)現(xiàn)方式、路由器端口實(shí)現(xiàn)方式等。這種IP層與光層之間的融合與統(tǒng)一調(diào)度將成網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的方向之一。

關(guān)鍵詞： Bypass 流量旁路 OTN IP層光層

Abstract：

Key words :

通過對運(yùn)營商骨干網(wǎng)絡(luò)流量的分析，人們發(fā)現(xiàn)在經(jīng)過核心路由器的業(yè)務(wù)流量中，大約有50％以上屬于“過境”的轉(zhuǎn)發(fā)流量，而這些“過境”流量大大加重了核心路由器的負(fù)擔(dān)。如果使用昂貴的路由器線卡處理這類流量，則會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)成本和功耗的快速增長。而利用光層和IP層的協(xié)同組網(wǎng)調(diào)度機(jī)制，可以在光層旁路IP層的“過境”流量。

文章針對IP層與光層網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)調(diào)技術(shù)，分析流量旁路技術(shù)(ByPass)的聯(lián)合組網(wǎng)策略，并具體闡述了ByPass流量旁路技術(shù)的幾種實(shí)現(xiàn)方式。文章指出不同的應(yīng)用場景可選用不同的ByPass流量旁路技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，從而為不同的網(wǎng)絡(luò)提供靈活的優(yōu)化方案。

1 流量旁路技術(shù)概述

ByPass技術(shù)即指在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)中采取的ByPass^[1]組網(wǎng)技術(shù)，它可以將 “過境”流量有效地通過光傳送管道進(jìn)行旁路，并利用光層大顆粒的調(diào)度、疏導(dǎo)和鏈路保護(hù)能力，降低核心路由器的處理壓力，降低對骨干路由器的容量與復(fù)雜度要求，減少核心路由器的功耗，從而降低投資成本(CAPEX)和運(yùn)營成本(OPEX)。這種IP層與光層之間的融合與統(tǒng)一調(diào)度將成網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的方向之一。

為了實(shí)現(xiàn)由光層分流IP層的ByPass流量，就要引入兩層的協(xié)同機(jī)制。長期以來在對等模式下，IP層和光層相互隔離，因此兩層協(xié)同機(jī)制大致分為3種實(shí)現(xiàn)方式：

● 以光層為主的實(shí)現(xiàn)方式

● 以IP層為主的實(shí)現(xiàn)方式

● 其他實(shí)現(xiàn)方式

以光層為主的實(shí)現(xiàn)方式是在光傳送層進(jìn)行分組化傳送的方式^[2]，該實(shí)現(xiàn)方式由分組化OTN來識別IP層的標(biāo)簽（例如：標(biāo)簽交換路由器的多協(xié)議標(biāo)簽交換標(biāo)簽（LSR MPLS Label）、虛擬局域網(wǎng)(VLAN)等），從而旁路部分IP層核心路由器的轉(zhuǎn)發(fā)流量。這種方式對現(xiàn)有IP層影響較小，在一定程度上依賴于IP層的協(xié)議。

以IP層為主的實(shí)現(xiàn)方式是將部分光層的特性轉(zhuǎn)移到路由器端口上，這樣以來由路由器端口發(fā)出的報(bào)文會(huì)帶有“光層的傳輸標(biāo)記”（例如：波長、集光纖配線單元(ODU)等）并在光層直接進(jìn)行交叉。這種方式實(shí)際上是由IP層替代了部分光傳送層的功能，IP層要預(yù)先獲取光層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

另外，一些兩層協(xié)同的組網(wǎng)方式依賴于控制平面，或者是引進(jìn)了一些新的設(shè)備形態(tài)。例如：協(xié)同的流量管理、路徑集中計(jì)算(PCE)、多通道負(fù)載均衡(MC-LB)、通用多協(xié)議標(biāo)志交換協(xié)議用戶節(jié)點(diǎn)接口（GMPLS-UNI）方式、基于子接口的多層網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、ByPass服務(wù)器等等。

在IP層與光層聯(lián)合組網(wǎng)中引入Bypass機(jī)制后，整網(wǎng)可得到如下優(yōu)化：

● 減輕了核心路由器的轉(zhuǎn)發(fā)流量和轉(zhuǎn)發(fā)壓力。

● 減少了核心路由器的端口，或是降低了核心路由器的端口速率，節(jié)約了端口擴(kuò)容成本。

● 減少了業(yè)務(wù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)，有助于提升業(yè)務(wù)指標(biāo)、保證業(yè)務(wù)承載質(zhì)量。

2 ByPass聯(lián)合組網(wǎng)策略分析

目前各大運(yùn)營商均采用兩層組網(wǎng)聯(lián)合組網(wǎng)方案，既上層為IP數(shù)據(jù)網(wǎng)，下層為光傳輸網(wǎng)，兩層網(wǎng)絡(luò)之間通過特定光接口進(jìn)行連接。光接口根據(jù)接口類型可以分為彩光接口和白光接口；根據(jù)速率可以分為2.5G、10G和40G，未來可能會(huì)出現(xiàn)100G速率的需求；根據(jù)業(yè)務(wù)可以分為以太網(wǎng)接口、光傳送網(wǎng)(OTN)接口和SONET/SDH上的包傳輸(POS)接口。

根據(jù)運(yùn)營商的實(shí)際需求，現(xiàn)階段IP層數(shù)據(jù)網(wǎng)和光層傳輸網(wǎng)主要可以分為兩種組網(wǎng)模型：一種為傳統(tǒng)白光組網(wǎng)，另外一種則為彩光組網(wǎng)模型。其中白光組網(wǎng)是目前運(yùn)營商普遍采用的方案，路由器廠商和波分傳輸廠商所推出的大部分設(shè)備也均是支持白光接口；而彩光組網(wǎng)則代表著未來網(wǎng)絡(luò)扁平化發(fā)展的一種趨勢。路由器設(shè)備集成光轉(zhuǎn)化單元(OTU)并提供彩光接口，該接口直接與波分設(shè)備的彩光口相連，從而節(jié)省了組網(wǎng)過程中OTU的配置。目前業(yè)內(nèi)Juniper和思科已推出了包含彩光接口的路由器設(shè)備，而德天翔則推出了包含彩光接口的OTN光交叉設(shè)備。

2.1 白光接口組網(wǎng)模型

白光接口組網(wǎng)模型，實(shí)質(zhì)上是一種客戶層和服務(wù)層關(guān)系。當(dāng)OTN 作為IP 網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)層，IP 網(wǎng)絡(luò)作為OTN 的客戶信號，兩者則構(gòu)成客戶—服務(wù)關(guān)系，并通過路由器提供白光接口支持10GE/40GE/100GE over OTN 進(jìn)行組網(wǎng)。OTN 主要進(jìn)行大顆粒的業(yè)務(wù)調(diào)度、業(yè)務(wù)在物理層的快速開通以及線路側(cè)故障的保護(hù)，以提高整個(gè)傳送網(wǎng)的鏈路資源的利用率和增強(qiáng)傳送網(wǎng)的生存性，是目前IP 網(wǎng)絡(luò)和OTN 網(wǎng)絡(luò)互存的主要形態(tài)。

圖1白光組網(wǎng)模型

如圖1所示，在白光組網(wǎng)中，路由器直接提供白光信號，該白光信號通過光纖直接連接到OTN設(shè)備的OTU客戶側(cè)接口中，然后通過OTN設(shè)備的OTU單板，將輸入的白光信號調(diào)制到C波段某一個(gè)波長上，并最終送入OTN設(shè)備的合波器中，和其他波長信號捆綁在一起，在線路側(cè)接口上傳送。

在白光組網(wǎng)中，OTN網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維和管理主要在光層OTN設(shè)備上通過段監(jiān)控（SM）開銷、通道監(jiān)控（PM）開銷和串行連接監(jiān)控（TCM）開銷而實(shí)現(xiàn)。路由器網(wǎng)管對路由器所提供的白光信號除了有功率檢測等物理信號監(jiān)測功能之外，不具備其他任何開銷、運(yùn)維、管理功能。

在白光組網(wǎng)模式中，也分為3種接口類型，分別為：POS接口、OTN接口和以太網(wǎng)接口。其中POS接口是目前中國聯(lián)通現(xiàn)網(wǎng)上普遍采用的接口類型，在路由器和OTN設(shè)備對接中可以實(shí)現(xiàn)基于同步數(shù)字體系(SDH)開銷的監(jiān)控功能，但其成本是最高的。

以太網(wǎng)接口和OTN接口是近幾年來新推出的接口類型，相對于POS接口而言，成本較低。以太網(wǎng)接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3工作組所制訂，從速率角度分為GE、10GE、40GE，未來會(huì)出現(xiàn)100GE需求。

2.2 彩光接口組網(wǎng)模型

彩光接口組網(wǎng)模型是將路由器和OTN設(shè)備通過彩光接口對接，并將路由器內(nèi)置OTU功能模塊；它所提供的彩光信號已經(jīng)被調(diào)制到C波段某一個(gè)波長上，并直接連接到OTN設(shè)備的波分側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)扁平化發(fā)展的要求。目前，已有思科、Juniper等公司已經(jīng)開發(fā)了彩光接口路由器。但對于傳輸廠商，僅有個(gè)別廠商開發(fā)了具有彩光接口的OTN設(shè)備。

圖2彩光接口組網(wǎng)模型

如圖2所示，在彩光接口組網(wǎng)中，將OTU的轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)置到路由器中，使得路由器直接提供彩光接口；輸出的彩光信號已經(jīng)被調(diào)制到某一特定波長上，直接與OTN設(shè)備的線路側(cè)接口連接，然后與其他路由器輸出的彩光信號一起輸入到合波器中，合為一路信號在線路側(cè)進(jìn)行傳輸。

彩光接口遵從ITU-T G.709標(biāo)準(zhǔn)。通過彩光接口互聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)可以節(jié)省路由器與密集波分復(fù)用(WDM)/OTN傳輸系統(tǒng)之間的白光接口。WDM傳輸系統(tǒng)不需要OTU單元進(jìn)行波長轉(zhuǎn)換，從而簡化了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，方便故障定位，降低管理難度并降低CAPEX和OPEX。

對于彩光接口組網(wǎng)模式，目前仍然存在一些問題：

● 網(wǎng)管界面分工不明確，傳輸廠家網(wǎng)管系統(tǒng)需要根據(jù)不同彩光路由器廠家設(shè)備進(jìn)行定制化開發(fā)。

● OTN開銷、維護(hù)及管理由路由器設(shè)備負(fù)責(zé)，路由器廠家對于SM/PM/TCM段開銷管理的理解與傳輸廠家存在差異。

● 彩光接口組網(wǎng)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在較大差異。

3 ByPass流量旁路組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式

3.1光層分組化OTN實(shí)現(xiàn)方式

在光層分組化OTN實(shí)現(xiàn)方式中，光傳送層引入分組化OTN設(shè)備，其核心交換矩陣除了支持ODU、VC以外，還支持MPLS-TP協(xié)議^[3]，接口也支持MPLS-TP功能。

如圖3所示，業(yè)務(wù)流在PE1中被標(biāo)上不同的標(biāo)簽；在P-OTN4設(shè)備上根據(jù)不同的標(biāo)簽，業(yè)務(wù)1被下載到客戶側(cè)UNI至核心路由器4，業(yè)務(wù)2和業(yè)務(wù)3被分別交叉到OTN2和OTN3；然后業(yè)務(wù)流量1在P4繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，業(yè)務(wù)2和業(yè)務(wù)3分別到PE2和PE3之后，根據(jù)需求剝?nèi)?biāo)簽，然后下路。

由分組化OTN來識別IP層的標(biāo)簽，有的方案是針對LSR MPLS 標(biāo)簽進(jìn)行識別，還有些是針對VLAN進(jìn)行識別。利用光層分組化OTN這種方式，可以旁路部分IP層核心路由器的轉(zhuǎn)發(fā)流量，對現(xiàn)有IP層影響較小，在一定程度上依賴于IP層的協(xié)議。

光層分組化OTN的實(shí)現(xiàn)方式適用于在光層有條件將傳統(tǒng)OTN設(shè)備轉(zhuǎn)換為分組化OTN設(shè)備或新引入分組化OTN設(shè)備的場景，無需改動(dòng)IP層的路由器設(shè)備。這樣既疏導(dǎo)了過境流量，也對原設(shè)備做了充分的利舊。

圖3光層分組化OTN組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方式

3.2路由器端口實(shí)現(xiàn)方式

路由器端口實(shí)現(xiàn)方式，是將光層的波分特性轉(zhuǎn)移到路由器接口上。如圖4中所示，與分組化OTN方式比較，業(yè)務(wù)流在彩光口路由器P1被分配了不同的波長，也可以配置在不同的ODU中。在IP層感知光層拓?fù)涞那疤嵯拢琁P層把光層作為剛性管道，由不同的波長來決定轉(zhuǎn)發(fā)的途經(jīng)。OTN4設(shè)備可以看作是一個(gè)基于光交叉的可重構(gòu)型分插復(fù)用器(ROADM)設(shè)備。根據(jù)不同的波長，業(yè)務(wù)1被交叉到OTN1設(shè)備中，業(yè)務(wù)2和業(yè)務(wù)3則被分別交叉到OTN2設(shè)備和OTN3設(shè)備中，然后業(yè)務(wù)流量1在P4繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，業(yè)務(wù)2和業(yè)務(wù)3分別到P2和P中轉(zhuǎn)發(fā)。

在路由器端口實(shí)現(xiàn)方式中，路由器端口支持彩光特性^[4]（或是支持ODU的封裝），發(fā)送的報(bào)文帶有某種“光層的傳輸標(biāo)記”（例如：波長、ODU等），并將在光層直接進(jìn)行交叉。這種方式實(shí)際上是由IP層替代了部分光傳送層的功能，因此IP層要預(yù)先獲取光層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

路由器端口實(shí)現(xiàn)方式適用于光層充分利舊，在IP層有條件將傳統(tǒng)路由器設(shè)備轉(zhuǎn)換為彩光接口路由器設(shè)備或新引入彩光接口路由器設(shè)備的場景，無需改動(dòng)光層設(shè)備的組網(wǎng)。由于彩光接口的路由器現(xiàn)僅有少數(shù)幾個(gè)廠商實(shí)現(xiàn)，故改造成本將有所增加。

圖4 路由器端口實(shí)現(xiàn)方式

3.3其他實(shí)現(xiàn)方式

3.3.1 協(xié)同的流量管理

IP/OTN協(xié)同流量管理（多層流量工程）在提升網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)，還可降低網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容壓力。任意兩臺路由器之間的流量如果超過事先預(yù)設(shè)的閾值，路由器就可以通過UNI接口向OTN網(wǎng)提出帶寬請求，傳送網(wǎng)絡(luò)在接到路由器的帶寬請求之后，通過波長路由算法，在兩臺路由器之間快速搭建一條光層直達(dá)路由。這時(shí)，路由器的容量不需要增加，因?yàn)檫_(dá)到閾值的流量通過OTN層直達(dá)了。路由器IP端口的成本一般是OTN端口的4～5倍。由于光層智能分流了路由器業(yè)務(wù)，減少了路由跳數(shù)，從而減輕了路由器轉(zhuǎn)發(fā)壓力，減少了骨干IP網(wǎng)絡(luò)中昂貴的IP端口（路由器高速線卡）的投資，從而可顯著降低網(wǎng)絡(luò)的CAPEX。例如，歐洲某主流運(yùn)營商正是通過這種IP/OTN雙層協(xié)同的方式，通過光層自動(dòng)旁路路由器的流量，使網(wǎng)絡(luò)的CAPEX節(jié)省了40％以上。

協(xié)同流量管理的方式適用于路由器與OTN組網(wǎng)的不改變原設(shè)備架構(gòu)的協(xié)同管理，能適當(dāng)減輕過境流量的壓力，但在旁路效率上不如上兩種方式。

3.3.2 MC-LB方案

MC-LB方案^[5]有兩個(gè)技術(shù)要點(diǎn)：一個(gè)方向的數(shù)據(jù)流量可以從多個(gè)物理端口轉(zhuǎn)發(fā)；一個(gè)物理端口可以轉(zhuǎn)發(fā)多個(gè)方向的數(shù)據(jù)流量，如圖5所示。

圖5 MC-LB方案的組網(wǎng)模型

盡管MC-LB方案充分發(fā)揮了IP設(shè)備與光設(shè)備的協(xié)同優(yōu)勢，但卻并不依賴于GMPLS等實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的協(xié)議，同時(shí)，在GMPLS成熟應(yīng)用后，也將會(huì)利用其優(yōu)勢，增強(qiáng)靈活性和易操作性。

3.3.3 路徑集中計(jì)算單元

Internet工程任務(wù)組(IETF) PCE工作組定義的基于PCE的MPLS/GMPLS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)^[6]使得路徑計(jì)算功能從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中獨(dú)立出來成為可能。通過在網(wǎng)絡(luò)中部署獨(dú)立的路徑計(jì)算單元可以解決MPLS/GMPLS網(wǎng)絡(luò)中大量鏈路基于約束的路徑計(jì)算所需的特別資源問題。

在多層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，可能上層是IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)，底層是GMPLS控制的光網(wǎng)絡(luò)，底層網(wǎng)絡(luò)的流量工程LSP為上層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(VNT)。這種情況下的流量工程路徑計(jì)算可以分為下面兩種模式：

單PCE多層路徑計(jì)算。這種模式下的PCE稱為多層PCE，這種PCE收集各層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔⒑土髁抗こ绦畔?，因而可以單?dú)計(jì)算跨網(wǎng)絡(luò)層的流量工程路徑。

多PCE的多層路徑計(jì)算中，每層網(wǎng)絡(luò)都有至少一個(gè)PCE，并且每層網(wǎng)絡(luò)的PCE相互協(xié)調(diào)，來計(jì)算光層的流量工程路徑。

4 結(jié)束語

綜上所述，在核心路由器上，對于一部分流量的轉(zhuǎn)發(fā)，是可以通過光層來直接完成的。通過引入光層和IP層協(xié)同的機(jī)制，在IP層和OTN的雙層協(xié)同的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，由光層OTN設(shè)備代替核心路由器來轉(zhuǎn)發(fā)部分業(yè)務(wù)流量，是解決IP 承載網(wǎng)所面臨的擴(kuò)展性問題的一個(gè)途徑。這些實(shí)現(xiàn)方式能夠有效地配置網(wǎng)路資源，有效分流核心路由器上的流量，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的容量，緩解帶寬擴(kuò)容的壓力，在不同程度上對應(yīng)于IP承載網(wǎng)絡(luò)從重疊模型向?qū)Φ饶Ｐ脱葸M(jìn)的趨勢。

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