何建吾
1、傳統光網絡面臨的挑戰
以IP為主的數據業務的指數式增長已經削弱了話音業務和專線業務的優勢，可以期望這些數據業務在未來還將以較快的速度增加，因此傳統的以環網為主的光網絡（如SDH網絡和WDM網絡）在應對這樣高速增加的業務時，會面臨一些問題和挑戰。
（1）環網的建設周期較長，使得在競爭激烈的市場上往往失去最好的投資機會。
（2）可擴展性問題。在擴展網絡容量時，有時某些節點之間并不需要太大的容量，但是建設環網時通常要求所有相鄰節點之間都要配置相同的資源，這樣勢必造成擴容后環網某些資源的閑置。
（3）連接配置時間較長。傳統的光網絡中的連接配置和拆除都是采用集中式的網絡管理系統來進行的，連接建立時間相對都比較長，一般需要幾天到幾個月的時間，這種連接建立時間對于不需要頻繁更改連接狀態的永久連接來說還是可以忍受的。但是隨著以IP為主的數據業務的不斷增長，這樣長的連接建立時間以及這樣的連接管理系統已經不能滿足用戶新的需求，用戶需要能在較短的時間內建立連接。
（4）業務的服務質量（QoS）單一。傳統的光網絡為用戶提供多種QoS服務的能力是有限的，以環網為主的SDH網絡和WDM網絡可以為建立的連接提供少數幾種保護措施，如1+l或1:1保護等，但是缺少更多的不同的QoS服務。
（5）從網絡可靠性方面來講，傳統的光網絡中的控制和管理方式一般都是集中式的，其中存在一個中央數據庫。很顯然，如果中央控制節點中硬件發生故障，或者計算路由和分配波長的軟件模塊發生故障，都將導致全網性的癱瘓。雖然在設計這樣的集中式網絡控制系統時，可以采取一些備份措施來克服這些問題，但是畢竟不如分布式控制系統在應對這些問題時生存性強。
（6）從業務連接的保護恢復機制上來考慮，以環網為主的傳統光網絡所提供的保護機制主要是環網保護，環網保護雖然能夠快速地保護受保護的連接，但這是以犧牲網絡50%的資源換得的，這些都給運營商帶來了競爭上的壓力。而基于網狀網的光網絡，不僅可提供各種不同的保護措施，如1+1、1:1和n:m鏈路或通道保護，以及（虛）環網保護，而且還可提供靈活的恢復機制，如基于共享風險鏈路組的通道共享恢復等。這些恢復機制不僅能在較短時間內恢復中斷的業務連接，而且能有效節省有限的光網絡資源。
（7）從應用方面來說，以前傳統的光網絡主要應用領域是骨干網，但隨著視頻點播（VOD）等需要較大帶寬的業務發展，用戶對帶寬的需求也變得比以往任何時候都強烈。光網絡將更接近于實際的終端用戶，在為這些用戶提供較大帶寬服務的同時，也承受了來自用戶對動態提供這些服務的需求壓力。
綜上所說，在當前以IP為主的數據業務日益占據主要的發展形勢下，傳統的光網絡已經不能適應用戶和市場的需求，迫切需要一種能提供動態的連接建立的、具有基于網狀網的保護和恢復功能的、具有更強的抗毀能力的、并能為用戶提供不同帶寬和不同類型業務的、以及能提供不同服務質量（QoS）的區分服務的新型的光網絡——智能光網絡（Intelligent Optical Networks：ION）。
2、智能光網絡的功能
根據韋伯新世界大學詞典的定義，智能（Intelligence）是指感知環境變化、據以分析判斷并作出正確反應（調整）的能力。結合通信網絡，簡單來說智能通信網絡至少要具有感知和理解網絡的環境（即拓撲、資源、業務）、根據這些變化的網絡環境做出分析、能有效地配置網絡的資源并做出正確反應（調整）的能力。通信網絡智能（CNI）的不斷提高可使網絡運營商在進行反應之前作出前瞻性的規劃和管理，并能推斷作出不同反應方式的可能結果，這些網絡智能比起傳統網絡將可以更多地為運營商提供競爭上和運營上的優勢。
簡單來說，智能光網絡就是符合上述要求的下一代光網絡，具有自動發現功能，包括能夠自動地發現業務、拓撲、資源的變化；具有強大的計算功能，能夠根據網絡環境的這些變化，進行計算、分析、推理和判斷，根據資源有效配置這一原則最終做出決定；具有快速的動態的連接建立能力，并能為需要的業務提供保護和恢復功能；能夠提供不同類型的、不同優先級的服務等。
自動發現技術包括自動資源、拓撲發現和自動業務發現。自動資源、拓撲發現技術的功能是使網元和/或終端系統確定其彼此間的連接關系及連接鏈路上的有效資源，并根據這些信息確定全網絡的資源和拓撲信息。而自動業務發現的功能是使網元和/或終端系統確定在這些連接上能傳送業務的類型、帶寬和優先級等等。事實上自動發現技術是實現智能光網絡所需最基本的前提條件。
智能光網絡及其網元的分析判斷功能依賴其強大的計算能力、網絡系統使用算法的先進性及系統所存儲和訪問的信息數據量。
快速和動態的連接建立能力是智能光網絡的核心功能，其他功能都服務于這個核心功能，同時也對其他功能模塊提出了挑戰。例如，為了降低新到達連接的阻塞概率，網絡系統需盡可能地利用當前最新的網絡資源信息，因此如何在連接動態變化的網絡環境下有效地分發網絡資源信息就是智能光網絡中路由分發模塊必須解決的問題之一。此外在建立連接時，如何快速地在相關的鏈路上預留資源，并盡可能少地減小來自不同連接對相同鏈路上的資源的競爭，從而避免不必要的沖突所帶來的連接的重新建立也是智能光網絡中的信令模塊需要解決的問題之一。
保護和恢復功能是智能光網絡中最基本的功能之一，在智能光網絡中，由于引入了基于網狀網的保護恢復機制，所以能采用更加靈活的方式來保護和恢復中斷的業務。如基于共享風險鏈路組（SRLG）的通道共享保護、在其基礎上加以改進的分段通道共享保護、跨環網和網狀網的保護恢復及虛擬環網保護等等，這些保護恢復機制不僅具有更大的靈活性，而且具有更有效的資源使用率。
智能光網絡另一個重要的特征是能夠為用戶提供更新型、更多帶寬的服務，如按需帶寬業務、波長批發、波長出租、帶寬交易、光虛擬專用網（OVPN）等。同傳統的IP虛擬專用網（VPN）業務相類似，OVPN業務使得用戶能在減少通信費用的情況下在公眾網絡內部靈活地組建自己的網絡拓撲，并允許服務提供商對物理網絡資源進行劃分，提供給終端用戶全面安全地使用并管理他們各自OVPN的能力。這既滿足了用戶不想背負上建設專用網絡的沉重費用、又能根據通信需求靈活地改變通信方式的要求。
由于未來的數據業務仍將以IP為主，那么智能光網絡服務的最主要客戶層信號就是IP業務，對于這樣的網絡架構，IP層和智能光網絡之間的互聯模型主要存在三種方式，即對等模型（Peer Model）、疊加模型（Overlay Model）和擴展模型（Augmented Model）。
在疊加模型下，IP層中的路由、拓撲、鏈路信息分發和信令協議與光網絡中的機制相互獨立，這種模型在概念上類似于傳統的IP over ATM模型。在這種模型下，需要為光網絡定義與IP層相獨立的拓撲和鏈路資源分發協議、路由和波長分配算法以及信令協議，此時IP層并不了解光網絡層的拓撲和資源信息，IP層和光網絡層是經由用戶網絡接口（UNI）相連接的。如果IP層想要建立一條連接，IP路由器首先通過UNI接口向光網絡發送連接請求，具體的連接建立過程由光網絡層完成之后再通過UNI接口反饋給該IP路由器。由國際電聯（ITU-T）制定的自動交換傳送網（ASTN）和自動交換光網絡（ASON）都是屬于疊加模型，同時由國際眾多重要設備制造商組成的光互聯論壇（OIF）提出的用戶網絡和智能光網絡之間的接口——用戶網絡接口（UNI 1.0）也是基于疊加模型的。
無論是由IETF提出的基于GMPLS的光網絡還是由ITU-T提出的自動交換光網絡都可以認為是具有一定智能的光網絡。在本文中如果不是特別聲明，智能光網絡都是指自動交換光網絡。
3、智能光網絡的結構
從功能方面可以把智能光網絡劃分為三個部分，即控制平面、傳送（數據）平面和管理平面，如圖1所示，分別實現路由和信令信息的傳送、用戶數據的傳送和對控制平面和傳送平面的管理。能夠動態地為用戶提供連接，包括交換式連接、永久式連接和軟永久式（半永久）連接，其中交換式連接是指用戶的連接（包括用戶網絡與智能光網絡之間的連接和跨智能光網絡內部的連接）都是由控制平面利用信令方式來建立的這種連接；而永久式連接是指用戶的連接完全是由網絡管理系統來控制傳送平面上的網元進而建立的連接；對軟永久式連接則是指用戶連接部分由控制平面實現部分由管理平面實現的這種連接，就是用戶網絡與智能光網絡之間的連接由管理平面實現，而在智能光網絡內部的連接還是由控制平面來實現的這種連接。
控制平面是要實現交換式連接和軟永久連接所需的信令和路由功能，是智能光網絡中的核心，包括自動發現技術、路由和波長分配算法、路由信息的分發、信令方式等等；管理平面除了實現永久連接以外，還要實現對控制平面及其傳送網絡、傳送平面及其網元的管理，包括網絡管理系統和網元管理系統，涉及配置管理、連接管理、故障管理、性能管理、安全管理和計費管理等；傳送平面是要傳輸用戶業務數據，為此需要實現客戶信號的適配、隨路開銷信息的插入和提取、傳輸鏈路上的功率均衡、色散補償以及鏈路和通道性能的監測等等。通過三個平面功能的有機結合和相互作用，共同實現光層業務的自動交換功能。
圖1 智能光網絡的功能結構
為實現這些功能需求、滿足各個平面之間和各個平面內部的信息交互，智能光網絡規定了多種邏輯接口：用戶網絡與智能光網絡之間的用戶網絡接口（UNI）、智能光網絡中不同管理域之間的外部網絡-網絡接口（E-NNI）、智能光網絡中單個管理域內的內部網絡-網絡接口（I-NNI）、管理平面與控制平面之間的接口（NMI-A）和管理平面與傳送平面之間的接口（NMI-T）。從水平方向來說，一般可以將整個網絡劃分成不同的管理域，每個管理域中可劃分為不同的路由域，每個路由域又可分為不同的子網。不同管理域之間的信息交互是通過外部網絡-網絡接口（E-NNI）實現的，比如跨越不同管理域的一條交換式連接的建立過程，就需經由E-NNI接口來傳遞連接建立消息。在單個管理域內部，信息交互可能通過內部網絡-網絡接口（I-NNI）來實現，也可能通過E-NNI接口來實現。用戶網絡和智能光網絡之間的控制信息交互是通過用戶網絡接口（UNI）來實現的，而用戶的數據業務則通過與智能光網絡的傳送平面之間的物理接口（PI）接口進行傳送。
在這里呼叫與連接是分離的，通過呼叫用戶可把要求創建連接的要求通知給網絡和被呼叫用戶，呼叫并不是傳送數據的實體，而連接才真正承擔數據的傳送，一個呼叫可對應于多個連接。通過呼叫和連接的分離，增強了網絡提供業務的靈活性，比如只在呼叫處理部分作更改，連接處理部分保持不變。
4、智能光網絡中的關鍵問題
在智能光網絡的研究中，關鍵問題包括自動發現技術、路由和波長分配算法、路由信息的分發、信令以及網絡生存性等。
自動發現技術。自動發現技術包括自動業務發現和自動資源發現，而自動資源技術涉及的內容包括：1）控制實體間（在控制平面的傳送網絡內）的自動發現。2）利用測試消息或路徑蹤跡實現傳送平面網絡內的相鄰網元和/或終端系統間的資源自動發現。自動業務發現。自動業務發現是智能光網絡中的邊緣網元通過用戶網絡接口自動發現用戶網絡需要建立連接的類型、帶寬（粒度）、信息格式等信息。
網絡資源信息的分發。由于智能光網絡中一般采用分布式連接控制，對源端路由方式來說，所有的網絡邊緣網元（或業務接入網元）都具有一個涵蓋該子網或路由域的拓撲和資源數據庫。通常所獲得的網絡資源信息越多，路由計算的準確性和效率就越高，但這兩者是相互矛盾的，如果在網絡中傳送過多頻繁地傳送這些網絡資源消息，網絡的可擴展性將受到約束。因此需統籌考慮。
路由和波長分配算法。在智能光網絡中為了建立一條連接，需要確定一條路由（即要經過的鏈路和節點），同時要為這條連接分配一個可用的波長，這就是光網絡中路由和波長分配（RWA）問題。在傳統的電路交換網絡中，如果一條連接跨越多條鏈路，每條鏈路上只要有空閑的帶寬資源的話就可以建立起這樣的連接。但是在缺少波長變換器的波長路由光網絡中，如果要建立一條端到端的波長通道，那么不僅要求在經過的鏈路上有空閑的波長，而且在這些鏈路中必須有相同的空閑波長，這種波長連續性限制是缺少波長變換器的波長路由光網絡中一個重要的限制條件。路由和波長算法就是要在光網絡中特定的限制條件下獲得可用的路由和波長。
連接的管理。呼叫的建立、拆除和更改以及連接的建立和拆除等操作是有智能光網絡中的信令協議來實現的。信令協議不是孤立的，是與網絡中的資源信息的分發模式緊密聯系的。如果邊緣網元具有該路由域（或管理域）內所有波長的使用信息，那么就可以采用源端路由的方式確定路由并分配波長；如果邊緣網元只具有該路由域（或管理域）內所有鏈路的可用帶寬信息，而沒有具體的波長占用信息，那么在源端節點就只能獲得路由，而不能同時為該連接的這條路由分配波長，波長的分配就需要采用逐跳方式來進行。在這兩種不同的鏈路狀態信息分發模式下，連接建立的信令協議也是不同的。
控制平面傳送網絡（信令網）的生存性。由于信令網絡的極端重要性，因此在設計時一般要求信令網絡的拓撲和數據傳送網絡的拓撲是相互獨立的，這樣數據傳送網絡中的故障將不會影響信令網絡的運行，同樣信令網絡中的故障也不會對數據傳送網絡產生影響。一般來說，光網絡中信令網絡的實現方式可以分為以下幾種：纖內帶內隨路方式（如數字封包）、纖內帶外方式（如ITU規定的光監控信道）、纖外方式（如獨立于數據傳送鏈路之外的以太網、IP網絡或是類似于7號信令網絡等等）。
傳送平面業務連接的生存性。在發生故障時實現業務的快速保護和恢復是智能光網絡所必須具有的功能之一，這其中涉及到故障的探測、定位和故障信息的分發、自動保護倒換協議、恢復路由的計算和配置等。業務的保護是在連接建立的同時已經配置（對于1+1）或預留（對于1:1）了資源，在實現保護時只是進行倒換或連接配置，不需要實時計算路由。而對于業務的恢復來說，恢復路由的選擇和波長的分配需要依賴于當前的網絡拓撲和資源，因此該算法的復雜性對業務恢復來說是有相當影響的。
