CN1372400A - 集成智能光电混合路由器 - Google Patents

Abstract

一种集成智能光电混合路由器,采用分布式模块化的软硬件体系结构,包括5个功能单元和6个接口,波长交换单元完成大粒度波长一级的业务交换,旁路无须逐包处理的IP业务,包交换单元完成IP包的线速转发,同时与波长交换单元在基于SNMP/CORBA的统一网络管理平面单元和基于多协议标记交换GMPLS技术的统一控制平面单元的协调控制下完成多粒度的业务交换与传送。本发明结合了电层包交换的灵活性、智能化及光层波长交换的大容量优点,能满足下一代IP Over WDM光因特网的组网功能需求,并且同时可以减少网络层面,显著提高网络的可用性和鲁棒性能,降低骨干宽带网络的建设和维护成本。

Description

集成智能光电混合路由器

技术领域：

本发明涉及的是一种具有新型体系结构的大容量集成智能光电混合路由器(简称光路由器)，结合传统电路由器和光波长路由器的技术优点，解决下一代光因特网(IP OverWDM网络)对网络核心节点设备的大容量(超过T比特)、智能化(基于通用多协议标记交换(GMPLS)技术的控制平面)、鲁棒性和保证多业务服务质量(QoS)的需求问题，属于宽带网络技术领域。

背景技术：

下一代因特网(NGI)的基础架构将从目前的电主导的四层网络演进到光主导的IPOver WDM网络(称光因特网)，骨干网络的扁平化趋势愈加明显，在该体系结构下的新型大容量、智能化的交换路由设备正成为目前国外各研究机构所关注的焦点。与此同时波分复用技术(WDM)光传输系统的容量爆炸性增长和IP业务每6-9个月翻一番，给通信网络中核心交换路由(业务节点设备)系统造成了极大的处理压力和性能挑战，目前已经成为宽带网络迈向T比特级别的主要瓶颈。传统基于电层处理技术的路由器由于面临电子瓶颈等技术极限和成本问题，同时由于其体系结构的内在缺陷，将难以应付大容量IP包交换(超过T比特)和多种服务质量(QoS)业务的需求。现有的光/电交换路由类产品(如：光交叉连接设备(OXC)、数字交叉连接设备(DXC)、ATM交换机、IP Router等)在实际网络应用中的缺陷表现在：业务接口密度和容量无法满足IP业务数据每6-9个月翻一番的需求；业务提供周期长(一般以小时计算，有的甚至长达几个月)；业务调度和带宽管理能力弱；网络资源利用率低；业务服务质量(QoS)难以有效保证；网络生存性差；网络管理维护复杂；网络和节点设备的扩展能力有限等。总之，目前节点设备的不足集中体现在：智能化水平低和大容量处理能力不足等两个方面。

由于上面所叙述的缺点，传统网络节点设备不可能成为下一代光因特网的主流设备，因此新型的基于光交换技术的节点设备技术的研究在国际上已受到越来越多的重视。一种研究比较多而且也比较可行的是在光交换设备中(如：OXC)引入基于IP的控制平面技术，从而提高网络的智能化控制能力。如AT&T研究实验室的Greenberg，G.Hjálmt

sson and J.Yates等人在Optical Fiber Commun.Conf.，2000上发表的题为“SmartRouters-Simle Optics，The Future Architecture for the Optical Internet”的文章报道了一种新型基于WDM传输技术的路由器体系结构技术，该类型节点设备的优点是智能化程度得到了提高，如动态提供光路、实现网络业务量工程(TE)、网络生存性好等，但不足是在转发平面(交换网络)只支持波长交换一种方式，从本质上说，该类型设备的业务疏导粒度(grooming granularity)和能力仍显不足(因为无包交换转发能力)。另有许多机构研究基于光分组交换(OPS)技术或光突发交换(OBS)技术的光路由器技术，如C.Guillemot，M.Renaud等人在Journal of lightwave and Technology，special issue onPhotonic Packet Switching Systems，Technologies and Techniques 1998上发表的题为“Transparent opticai packet switching：the European ACTS KEOPS project approach”的文章，报道了一种广播选择型大容量光分组交换节点设备结构，该结构大量采用光分路器、可调波长变换器、半导体光开关(SOA)、光纤延迟线(FDL)等新型光/电器件实现了小粒度光分组(IP包、ATM信元等)大容量交换技术(达到T比特)，该节点设备结构的优点是可以进行大容量小粒度的分组交换，但缺点是QoS、业务量工程(TE)、保护/恢复能力等网络智能化水平没有得到体现或者说没有得到很好解决，另外该类型结构的节点设备在理论技术是可行的，但在实际研制过程中，由于无法得到可以商用的器件/芯片的支持，可以说在10年内是无法实现其商业用途的。

从检索到的已公开发表的技术文献和研究成果来看，不管是哪种类型的路由器/交换机，其体系结构都不完全具有下列能力：大容量且可平滑扩展的能力；多种粒度的交换能力；基于GMPLS的光电层面统一控制能力；基于简单网管协议(SNMP)的光电统一网络管理能力；组网的高度灵活和网络功能的弹性指派能力等。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有光层和电层处理技术的不足，提供一种新型体系结构的集成智能光电混合路由器，简称为光路由器，使之能够满足下一代光因特网对节点设备的大容量多粒度交换能力、多种QoS保证能力、单元模块化的强扩展能力和管理、维护与控制的智能化能力等功能需求。

为实现这样的目的，本发明将电层包交换的灵活性和智能化优点与光层波长交换的大容量优点结合起来，在传统的路由器体系结构基础上设计一种新型体系结构的集成智能光电混合路由器，主要采用了DWDM光传输技术，加上高速线路接口技术(如：OC-192/STM-64等)以及超过T比特的大容量光电混合交换网络技术以实现大容量和多粒度(波长和包交换等粒度)的业务交换与传送；同时引入基于多协议标记交换(GMPLS)技术的光层/电层统一控制平面，该控制平面主要包括统一路由和统一信令协议处理两大部分，路由协议部分完成网络拓扑和资源信息的实时更新，形成网络统一的路由选择表用于包转发和通道选择；信令协议部分完成标记交换通道(LSP)的建立、维护与拆除等操作，该控制平面同时还具有较强的网络的保护与恢复能力，基于GMPLS的控制平面是实现网络智能化的关键。同时光路由器的结构还包括了其它多种具有标准接口(物理和逻辑接口)的功能处理单元，所有功能处理单元通过内部通信网络单元(CNU)实现全双工通信，该单元相当于电背板，这样系统的模块化能力和扩展性就非常强。

本发明的技术方案中采用了分布式模块化的软硬件体系结构，主要包括五个功能单元和六个接口(包括内部和外部接口)，其中：

光路由器的主要功能单元包括：(1)波长交换单元，该单元主要是完成大粒度波长一级的业务交换，旁路无须逐包处理的IP业务，该单元线路物理接口主要采用DWDM接口，链路接口主要为OC-192/STM-64(可以扩展到OC-768/STM-256)；(2)光适配单元，该单元将传统网络线路接口(如：POS/GE/10GE等)和相关接口根据网管配置信息连接到波长交换单元或者包交换单元，或者将传统线路接口经过该单元适配到波长交换单元；(3)包交换单元，该单元完成IP包的线速转发，线路接口主要是传统网络接口如：ATM、POS、以太网(ETHERNET)等，同时该单元与波长交换单元在管理平面单元和控制平面单元的协调控制下完成大容量多粒度的业务交换与传送；(4)统一管理平面单元，完成多个光/电单元的统一管理功能，是基于SNMP/CORBA的统一网管单元；(5)统一控制平面单元，该单元是基于GMPLS的统一网络控制技术，完成光层和电层的路由和信令协议处理，形成集成统一的网络拓扑和资源信息列表，最终根据网络拓扑表和资源列表形成网络统一的路由选择表用于包转发和光路由选择；同时该单元还包括相关信令处理功能以完成标记交换通道(LSP)的建立、维护与拆除等操作，同时该单元还包括网络的保护与恢复功能，由于集成了物理层/链路层/网络层(L1/L2/L3)的控制平面，光路由器的L1物理层拓扑对于L3的IP层是可见的，因此在物理联路发生故障时，网络可以在IP/GMPLS层直接快速恢复，加快了恢复速度。

光路由器的主要功能接口包括：(1)控制平面接口，将共路信令信息和路由信息以及随路的路由信息送到一个集中的统一控制平面单元进行统一汇总，集中处理，物理接口可以为多种形式，如：GE、100FE、POS等；(2)管理平面接口，将各个单元模块的告警信息、配置信息、性能统计信息等管理类信息传送到一个集中的统一管理平面单元处理，物理接口一般为千兆以太网(GE)和100兆快速以太网(100FE)；(3)外部群路接口(WDM)，该WDM接口主要互联骨干网络，在每个WDM接口有一个单独的波长用于控制通道(传送信令和路由处理信息)，选择第一路波长做共路控制通道；(4)外部支路接口，主要互联传统IP网络或者接入波长业务，如：10GE、POS等，还包括随路信令/路由信息；(5)内部波长接口，为透明的业务波长光接口，可以直接通过光纤连接或者光背板互联；(6)内部光纤接口，为透明的业务光接口，可以直接通过光纤连接或者光背板互联。

本发明所说的光路由器是基于IP Over WDM的集成智能光电混合路由器，其技术含义和体系结构与现有国外研究的光路由器在多个方面不同，结合了现有的光层和电层交换路由设备的优点，具有显著的特点和进步。具体表现在：

■超大容量：超过T比特的处理能力，由于波长交换单元的线路物理接口主要采

  用DWDM接口，链路接口主要为OC-192/STM-64(可以扩展到OC-768/STM-

  256)，系统弹性交换网络支持混合多粒度交换，因此可以达到和超过目前所有

  路由器规模且无电子瓶颈。

■高性能：可以根据配置提供不同等级、不同交换粒度的具有QoS保证的线速IP

  包转发功能。在转发平面上(交换网络)内在支持包交换、第二层交换(如ATM、

  以太网等交换)、TDM交换、波长交换、光纤交换等五种业务颗粒度(可以根

  据实际配置调整)。

■完全的模块化：分布式模块化的软硬件体系结构，内部接口为标准的光/电总线

  互联，非常容易扩展，可以平滑过度到基于全光分组交换(OPS)的光路由器。

■引入基于GMPLS的控制平面技术：通过智能化的统一网络控制技术，降低网

  络层面开销，提高网络资源的利用率，同时该统一控制平面将共路和随路信令

  和路由协议信息统一汇总处理、集中分发网络拓扑和资源信息，统一了通路建

  立和包转发的路由选择表。

■鲁棒性，网络生存能力强，由于集成了L1/L2/L3的控制平面，光路由器的L1

  物理层拓扑对于L3的IP层是可见的，因此在物理联路发生故障时，网络可以

  直接在IP/GMPLS层直接快速恢复，加快了恢复速度。

■简化的网络管理：通过统一的光电单元管理，降低了运营商的管理复杂度和维

  护管理开销。性能价格比高。

■弹性多服务平台：能够在多种网络环境下、多种用途下满足运营商组网需求，

  具备复合的网络功能角色，该光路由器可以作为多种类型节点设备(如：作为

  OXC、IP路由器、光路由器等)在多种类型骨干网络上(如光传送网(OTN)、

  IP骨干网、多业务城域骨干网等)使用，可以满足运营商对节点设备的多种复

  合功能要求。

利用了本发明所设计出来的光路由器能够满足下一代IP Over WDM光因特网的组网功能需求，并且同时可以显著提高网络性能、降低骨干宽带网络的建设成本。

附图说明及具体实施方式：

为更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例作进一步描述。

附图1是本发明的原理框图。

如图1所示，本发明包括五个主要功能单元和包括内部和外部接口的六个接口：波长交换单元(1)；光适配单元(2)；包交换单元(3)；统一管理平面单元(4)；统一控制平面单元(5)；控制平面接口(6)；管理平面接口(7)；外部群路接口(WDM)(8)；外部支路接口(9)；内部波长接口(10)；内部光纤接口(11)等。

波长交换单元(1)通过外部群路接口(8)连接WDM光群路信号，同时通过内部波长接口(10)连接到光适配单元(2)，光适配单元(2)连接外部支路接口(传统网络线路接口信号)(9)，同时根据管理配置，通过内部光纤接口(11)将一部分信号路由到包交换单元(3)进行包交换，或者通过内部波长接口(10)上/下路到波长交换单元(1)进行波长交换，统一管理平面单元(4)通过管理平面接口(7)与各单元相连，统一控制平面单元(5)通过控制平面接口(6)与除光适配单元(2)外的其它各单元相连。

工作时，光群路信号(WDM)首先通过外部群路接口(WDM)接口(8)进入波长交换单元(1)，该单元完成大粒度波长一级的业务交换，旁路无须逐包处理的IP业务，根据网管配置通过内部波长接口(10)信号再进入光适配单元(2)，该单元根据网管配置信息将通过传统网络线路接口外部支路接口(9)(如：POS/GE/10GE等)连接到波长交换单元(1)或者包交换单元(3)，该单元同时还完成光变换(OTU)和光上下路等功能；然后信号经内部光纤接口(11)输出到包交换单元(3)，该单元完成IP包的线速转发功能。通过波长交换单元(1)、光适配单元(2)、包交换单元(3)等单元协同工作，最后完成多种粒度业务信号的交换与传送。同时波长交换单元(1)和包交换单元(3)通过控制平面接口(电接口)(6)和统一控制平面单元(5)连接，用于随路和共路的路由、信令等协议等信息的处理、更新和拓扑和资源信息发布；每个单元均通过管理平面接口(电接口)(7)和统一管理平面单元(4)连接，用于每个单元配置类信息、告警类信息和性能统计类等信息的传送、处理和更新等操作。图1中与统一控制平面单元(5)连接的线表示控制通道(双向)，用于传送路由、信令等控制类信息；与统一管理平面单元(4)连接的线为管理通道(双向)，用于传送配置、统计等管理类信息。

附图2为本发明一个实施例的原理框图。

图2所示的实施例以1.6T的光路由器的原理为设计实例，其主要设计指标为：

◆无阻塞、模块化和易扩展的弹性光电混合多交换网络架构，可以逐步过

  渡到单一的光分组交换网络，系统等效交换网络容量为1.6T(光/电交

  换网络弹性配置)，体系结构支持扩展到P比特的全光分组交换。

◆丰富的群路和支路接口类型：WDM接口、SDH、GE/10GE等，等效I/O

  接口为4个WDM(40波/10G)的线路接口。

◆统一的控制平面系统，可以实现基于GMPLS等协议的统一信令、统一

  路由等功能；

◆支持多优先级别(＞8)的线速包转发技术，IP包转发速率不小于

  200Mpps，包转发平均延迟《100微秒，包转发延迟最大1ms，80％线路

  负载下掉包率PLR《10^-10。

◆可以容纳的统一路由表项数目1M

◆统一网络管理，实现基于SNMP的光电一体化网络管理；

◆具备复合的网络功能角色，组网支持多种拓扑结构。

◆满足电信级使用要求，支持多种自愈保护恢复算法等。

如图2所示，该T比特光路由器主要有10个单元(或子系统)组成：光放大单元OAU(12)；复用/解复用单元(具有功率均衡功能)MDU(13)；波长交换网络单元WSU(14)；光适配单元OCU(2)；  线路卡单元LCU(15)；包交换网络单元PSU(16)；内部通信网络单元CNU(17)；共路信令接口卡单元SIU(18)；控制平面处理单元CPU(19)；管理平面处理单元MPU(4)。业务接口包括：4个40波/10G WDM接口(8)；等效32个10G线路接口(10G POS或10GE)(9)等。同时以四个虚线框为界有四个主要功能单元，他们是系统的核心单元。

本实施例中，图1的光放大单元(1)分解为光放大单元OAU(12)、复用/解复用单元MDU(13)和波长交换网络单元WSU(14)，包交换单元(3)分解为线路卡单元LCU(15)和包交换网络单元PSU(16)，统一控制平面单元(5)分解为共路信令接口卡单元SIU(18)和控制平面处理单元CPU(19)。统一管理平面单元(4)与统一控制平面单元(5)与其它单元的逻辑连接关系被内部通信网络单元CNU(17)所代替，即统一管理平面单元(4)与统一控制平面单元(5)通过GE接口和内部通信网络单元(17)连接，并通过内部通信网络单元(17)互联功能单元。内部通信网络单元(17)相当于一个物理的电背板，用来代替图1中的逻辑连接关系。

4个40波/10G WDM群路接口信号(8)直接进入光放大单元(OAU)(12)，光放大单元(OAU)(12)与复用/解复用单元(MDU)(13)以及波长交换网络单元(WSU)(14)均通过光背板连接；同时波长交换网络单元(WSU)(14)通过光纤连接到光适配单元(OCU)(2)，等效32个10G线路接口(10G POS或10GE)(9)等也连接到光适配单元(OCU)(2)；线路卡单元(LCU)(15)通过光纤连接光适配单元(OCU)(2)；线路卡单元(LCU)(15)与包交换网络单元(PSU)(16)通过32芯扁平光缆连接；另外波长交换网络单元(WSU)(14)通过光纤连接共路信令接口卡单元(SIU)(18)。所有单元与内部通信网络单元(17)均通过基于以太网的电背板连接。

工作原理：首先4路40波/10G的光群路信号(8)通过光放大单元(12)将光信号进行补偿前置放大后进入复用/解复用单元(13)将波长解复用，根据网管配置，信号被分成两路，第一路信号是将业务信道波长信号(最大160个波长)送到波长交换网络单元(14)，该单元支持256×256波长交换，完成大粒度波长一级的业务交换，波长交换后的业务信号又分成两路，一路是旁路的无须逐包处理的IP业务，该部分大粒度业务信号直接进入复用/解复用单元(13)将波长复用后输出到光放大单元(12)将光信号进行功率放大后输出；另一路信号是将一部分波长信号(最大160个波长)送到光适配单元(2)，该单元根据网管配置信息将支路传统网络线路接口信号(如：POS/GE/10GE等)(9)连接到波长交换网络单元(14)或者线路卡单元(15)，该单元主要完成光变换、光适配和光上下路等功能。第二路信号是将4路共路信令信道波长信号(每个WDM接口有一路波长信号用做控制信道用)送到共路信令接口卡单元(18)处理后送到控制平面处理单元(19)进行路由、信令等协议等信息的集中统一处理、更新和发布等。光适配单元(2)输出多路信号(最多32路)到线路卡单元(15)进行链路处理后送到包交换网络单元(16)，该单元完成IP包的线速转发与交换功能，同时线路卡单元(15)将每一路的随路路由协议等信息送到控制平面处理单元(19)进行路由、信令等协议等信息的集中统一处理、更新和发布等。本T比特光路由器系统通过内部通信网络单元(17)互联所有的功能单元，所有功能单元均可通过内部通信网络单元进行全双工的单播和组播通信，单元管理平面处理单元(4)通过GE接口和内部通信网络单元(17)连接用于对每个单元配置类信息、告警类信息和性能统计类等信息的传送、处理和更新等操作，控制平面处理单元(19)通过GE接口和内部通信网络单元(17)连接对随路和共路的信令、路由等协议信息进行集中统一处理、更新和发布等操作。图2中各单元与内部通信网络单元(17)连接的线表示控制通道或者管理通道(双向)，用于传送路由、信令等控制类信息；或者用于传送配置、统计等管理类信息。粗线为千兆以太网接口，细线为100兆快速以太网接口。

Claims (6)

1、一种集成智能光电混合路由器，其特征在于采用分布式模块化的软硬件体系结构，主要包括五个功能单元和六个内部/外部接口：波长交换单元(1)、光适配单元(2)、包交换单元(3)、统一管理平面单元(4)、统一控制平面单元(5)、控制平面接口(6)、管理平面接口(7)、外部群路接口WDM(8)、外部支路接口(9)、内部波长接口(10)和内部光纤接口(11)，波长交换单元(1)通过外部群路接口(8)连接WDM光群路信号，同时通过内部波长接口(10)连接到光适配单元(2)，光适配单元(2)连接外部支路接口(9)，同时根据管理配置，通过内部光纤接口(11)将一部分信号路由到包交换单元(3)进行包交换，或者通过内部波长接口(10)上/下路到波长交换单元(1)进行波长交换，统一管理平面单元(4)通过管理平面接口(7)与各单元相连，统一控制平面单元(5)通过控制平面接口(6)与除光适配单元(2)外的其它各单元相连。

2、如权利要求1所说的集成智能光电混合路由器，其特征在于波长交换单元(1)完成大粒度波长一级的业务交换，旁路无须逐包处理的IP业务，其线路物理接口采用DWDM接口，链路接口为OC-192/STM-64，可扩展到OC-768/STM-256，包交换单元(3)完成IP包的线速转发，同时与波长交换单元(1)在统一管理平面单元(4)和统一控制平面单元(5)的协调控制下完成大容量多粒度的业务交换与传送。

3、如权利要求1所说的集成智能光电混合路由器，其特征在于统一管理平面单元(4)是基于SNMP/CORBA的统一网络管理单元，实现网络不同层次的光/电统一管理。

4、如权利要求1所说的集成智能光电混合路由器，其特征在于统一控制平面单元(5)是基于多协议标记交换GMPLS技术的光层/电层统一控制平面，包括统一路由和统一信令协议处理两大部分。

5、如权利要求1、3或4所说的集成智能光电混合路由器，其特征在于统一管理平面单元(4)与统一控制平面单元(5)通过GE接口和相当于电背板的内部通信网络单元(17)相连接，并通过内部通信网络单元(17)互联功能单元。

6、如权利要求1所说的集成智能光电混合路由器，其特征在于外部群路接口WDM(8)采用单独的波长用于传送信令和路由信息的控制通道，并选择第一路波长做共路控制通道。

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