基于OSU的OTN智能管控技術研究

譚艷霞，段致巖，滿祥錕，張賀，劉雅承，周彥韜，董姍

工程與應用

基于OSU的OTN智能管控技術研究

譚艷霞1，段致巖2，滿祥錕1，張賀1，劉雅承2，周彥韜1，董姍1

（1. 中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100048；2.中國聯合網絡通信集團有限公司，北京 100033）

隨著信息化和云化技術的發展，光傳送網絡（optical transport network，OTN）承載業務動態性逐步增強。光業務單元（optical service unit，OSU）作為下一代的OTN交換技術，要為高品質的企業專線和精品家庭寬帶業務提供組網專線和入云專線服務?；贠SU的OTN需要能夠通過端到端的管控能力，提供一體化服務及自動化快速業務開通，支持業務一跳入云。首先介紹了OSU技術產生背景、技術特征及標準化進展情況；然后提出了面向OSU-OTN的業務感知控制框架，滿足政企專線高效承載的需求；最后對接入型OSU-OTN控制器系統端到端管控能力進行了實驗驗證。

OSU；OTN；業務感知；無損帶寬調整

0 引言

從業務發展需求上看，伴隨信息化和云化技術的發展，政務、金融、大企業客戶的需求正在發生快速變化，業務匯聚比要求更高，帶寬隨選能力需求強烈，傳統光傳送網絡（optical transport network，OTN）技術的靈活性面臨挑戰[1]。從業務增速上看，2～10 Mbit/s專線的需求增速減緩，但增量和存量仍然較大，10 Mbit/s以上的專線增速加快，增量業務95%以上小于100 Mbit/s。通過對現網中電路帶寬的分布情況調研，發現1 Gbit/s以下帶寬占90%以上，小顆粒業務仍然是主流[2]。從現網設備應用現狀上看，同步數字系列（synchronous digital hierarchy，SDH）/多業務傳送平臺（multi-service transport platform，MSTP）技術的業務接入能力、傳輸能力和開通時間已經無法滿足現在復雜多變的業務需求，逐步進入生命周期末期，面臨退網壓力和長期演進問題[3]。為了保證存量SDH政企專線的業務品質，并提升專線的業務體驗，引入了分組增強型 OTN（packet enhanced optical transport network，PeOTN）技術。PeOTN技術可以在一定程度上解決帶寬資源利用率的問題，但是PeOTN在承載小顆粒業務時需要引入額外的虛容器（virtual container，VC）或者分組管道[4]，這使得PeOTN設備架構及實現較復雜，PeOTN多層技術疊加與封裝同樣導致管理維護復雜。

傳統OTN技術基于時隙實現業務硬隔離，天然支持切片，但切片顆粒度較大，主要用于承載大于1 Gbit/s速率業務。面對專線、視頻等新業務對靈活帶寬承載的需求，光業務單元（optical service unit，OSU）技術應運而生。OSU在保留傳統OTN硬管道、豐富的操作維護管理（operation administration and maintenance，OAM）等優勢的前提下，引入以2.6 Mbit/s為顆粒的OSUflex容器，采用定長幀靈活復接，提供更細的時隙顆粒度、更簡潔的帶寬無損調整機制，支持2 Mbit/s～100 Gbit/s速率客戶業務的高效承載，使得OTN具備了從骨干核心下沉到接入末端的能力，更加貼近業務的終端用戶，包括政府、企業及家庭，助力企業一點接入、靈活入云[5-7]。

圖1 基于OSU的OTN設備在網絡中的參考位置

1 OSU應用場景與技術特征

基于OSU的OTN設備是現有OTN設備的優化和擴展，通過新引入光業務單元、OTU0接口、IP及控制面信令協議等技術，提供業務感知增強、高效靈活承載、低成本低時延、以本地應用為主的綜合業務承載方案。根據本地網的機房分類，基于OSU的OTN設備在網絡中的參考位置如圖1所示，包括二干出省節點、本地OTN的核心節點、匯聚節點、綜合業務接入點、客戶節點。同時，OTN專線入云通過OTN云節點與云池網關（gateway，GW）直連。

為了滿足業務高質量傳輸，OSU應支持以下主要功能[7]。

? 支持恒定比特率（constant bit rate，CBR）業務時鐘透傳功能；

? 支持多路OSU復用到光凈荷單元（optical payload unit，OPU）功能；

? 支持OSU的通道監控（path monitoring，PM）/串聯連接監視（tandem connection monitoring，TCM）功能，以及告警指示信號（alarm indication signal，AIS）/開放連接指示（open connection indication，OCI）/ 鎖定（locked，LCK）維護信號下插功能；

? 支持OSU延時測量功能；

? 支持OSU子網連接保護（subnet work connection protection，SNCP）倒換功能；

? 支持OSU帶寬無損調整功能。

1.1 OSU技術特征

傳統OTN采用時隙的方式進行幀結構劃分，最大支持80個時隙，最小的時隙顆粒度為1.25 Gbit/s[8]。而OSU技術改變了傳統OTN采用時隙劃分幀結構的特性，采用更加靈活的凈荷塊（payload block，PB）劃分方式，光通路數據單元（optical channel data unit，ODU）幀被劃分為若干個PB，一個OSU連接占用一個或多個PB。每個PB中包含了一個支路端口號（tributary port number，TPN），用來指示該PB中所承載的OSU連接。OSU兼顧現有的OTN架構體系，OSU可直接映射復用到ODU，或者先將OSU映射到ODU再復用到ODU/Cn[9]。OSU是基于OTN技術的平滑演進，繼承了OTN硬管道特性，可高效承載低速率業務，屬于光傳送網的重大技術革新，是潛在的下一代OTN技術。OSU技術優勢如下。

表1 EoS和EoOSU業務封裝方式下承載業務條數對比

（1）靈活的業務顆粒，增加連接數量

融合借鑒了IP技術思想，引入靈活的OSUflex容器，提供更細的時隙顆粒度，使得業務顆粒由OTN的Gbit/s級別變為Mbit/s級別，支持2 Mbit/s～100 Gbit/s速率客戶業務的高效承載，支持K（千）級別的連接數量[7]。以10 Gbit/s OTN端口為例，EoS和EoOSU業務封裝方式下承載業務對比見表1，業務封裝方式分別為SDH 承載以太網（Ethernet over SDH，EoS）和EoOSU（Ethernet over OSU）的情況下，可以承載的不同速率業務條數差別較大。實測在不同的業務帶寬條件下，業務帶寬為10～100 Mbit/s時EoS/ EoOSU承載業務條數比是1:1.2～1:2。EoOSU模式承載效率為96%以上，與以太網業務帶寬基本無關。

（2）簡化映射路徑，降低業務時延

相較于EoS承載方式的6級映射復用路徑（如客戶業務-VC12-VC4-STM16-ODU1-ODU2- OTU2）[8]，EoOSU承載方式簡化了業務映射機制，減少了處理層級，最少只需要3級映射路徑（如客戶業務-OSU-ODU2-OTU2），可大大降低業務處理時延，為品質專線業務提供可保障的超低時延。OSU技術特點示意圖如圖2所示。

圖2 OSU技術特點示意圖

（3）簡潔的無損帶寬調整機制

不同于傳統OTN基于G.HAO協議進行帶寬調整[10-11]，OSU具備適用于開放接口的無損帶寬調整協議，支持OSU無損帶寬調整，操作包括帶寬增大、帶寬減小和回退。OSU技術采用隨路攜帶TPN的方式，源端調整PB數量后，宿端可以自動跟隨適配源端進行調整，從而完成整體鏈路的調整流程，無須逐點下發。簡化的帶寬無損調整機制能夠更好地滿足客戶業務帶寬靈活可變的需求且管控模型相對簡潔，有助于設備開放解耦。

1.2 OSU技術標準化情況

在標準化方面，OSU技術在國內國際均已立項。其中，在2015年提出OTN小顆粒技術概念，后續國內運營商及設備商展開多輪討論。2019年12月，中國通信標準化協會（China Communications Standards Association，CCSA）立項《光業務網（OSU）技術要求》和《基于光業務網（OSU）的光傳送網（OTN）設備技術要求》行業標準，技術方案和標準文本已經基本穩定。CCSA行業標準中定義了OSU(00)和OSU(01)兩種相近的幀結構，對用戶實現的功能和實現方案略有差異。在OSU管控技術方面，2021年12月，CCSA立項《基于光業務單元（OSU）的光傳送網（OTN）管控技術要求》行業標準，預計最快2023年12月發布。2020年2月，ITU-T立項G.OSU標準，經過多次討論在2022年9月對標準范圍進行更新，2023年4月討論將標準名稱修改為G.fgOTN，關鍵技術點達成共識，細節有待進一步規范，預計2023年年底主標準定稿。

2 基于OSU的業務感知與智能管控技術

隨著靈活入云/入算業務的發展，OTN承載業務動態性逐步增強[12]，OTN需要具備精確感知、靈活匹配業務需求的能力。OSU作為下一代的OTN交換技術，要為高品質的企業專線和精品家庭寬帶業務提供組網專線和入云專線服務，對基于OSU的OTN，需要能夠通過端到端的管控能力，提供一體化服務及自動化快速業務開通功能，支持業務一跳入云[5,13]。

目前，中國聯通制定了基于Netconf協議的接入型光業務網設備南向接口規范企業標準和YANG（yet another next generation）模型，并自研接入型OSU-OTN控制器系統[14]?？刂破鞑捎肂rowser/Service的微服務架構進行設計，納管多廠商OSU-用戶駐地設備（customer premises equipment，CPE）。接入型OSU-OTN控制器系統除了支持資源管理、配置管理、性能管理與告警管理等基本的管控功能，還支持設備用戶網絡接口（user network interface，UNI）業務流量感知及地址學習，將業務自動映射進OSU連接，進行業務自動建立與業務帶寬自動調整等操作，靈活匹配用戶業務需求。具體地，制定了基于業務感知的管控接口模型，定義流監控規則模型，廠商設備根據流監控規則模型將監測到的業務流量數據上報至控制器系統，控制器系統再根據接收到的流量變化進行業務自動創建與業務實時帶寬調整。

2.1 業務感知控制框架

面向OSU-OTN的業務感知控制框架如圖3所示，包括OSU-CPE內部的流量監控模塊和OSU-CPE控制器中的流量管理模塊和業務管理模塊。其中，控制器中的業務管理模塊用于流量驅動的網絡控制應用。

（1）流量管理模塊

流量管理模塊用于配置流量監控策略并下發到廠商設備，設備根據流監控策略，在識別到流量越限時主動上報通知控制器。流量監控策略基于一定的流規則，由源/目的IP地址、源/目的MAC地址、VLAN ID或其任意組合定義。如圖3所示，控制面還需要維護一個客戶-UNI映射數據庫，記錄客戶側地址與廠商設備UNI之間的關聯，以便業務管理模塊將感知到的客戶側業務映射到相應的OSU連接。該映射關系通過收集和分析UNI的廣播流量生成，支撐業務動態管控。

（2）業務管理模塊

業務管理模塊旨在支持流量驅動的網絡管控應用，包括業務自動建立和帶寬自動調整，如圖3所示。當控制器監測到與配置下發的流規則匹配的新流量時，業務自動建立模塊將根據客戶-UNI映射數據庫將客戶側業務映射到相應的OSU連接并根據業務模板自動創建連接。當控制器監測到流量帶寬變化時，帶寬自動調整模塊將重新計算所需帶寬并進行實時帶寬調整，從而實現業務精確感知、靈活匹配業務需求的能力。

（3）流量監控模塊

OSU-CPE中的流量監控模塊根據控制器下發的流規則對客戶側業務流量進行感知、監測與上報。圖3對流規則的關鍵參數進行了說明。OSU-CPE定期收集統計周期內的統計數據，指定OSU-CPE對業務流量的監測采樣間隔，有效時間定義了流量變化的持續時間。在一個統計周期內，如果流量超過上升門限一段時間，且該時長大于有效時間，OSU-CPE會上報流量增長通知；如果流量低于下降門限，且持續時長超過有效時間，OSU-CPE會上報流量減少通知。當監測到匹配流規則的新流量到達時，OSU-CPE會立即上報新業務需求的通知。

2.2 管理接口模型

為了支撐面向OSU-OTN的業務感知控制框架，定義了一套基于Netconf協議的管控接口及YANG模型，對OSU相關模型進行定義，與業務感知功能強相關的接口包含3個遠程過程調用接口和2個通知接口模型。其中，流規則配置接口用于配置廠商設備UNI側流監控策略，該接口的YANG Tree視圖如圖4（a）所示，包括目標UNI、客戶端地址、上升門限和下降門限等信息；創建連接接口攜帶配置交叉的參數，包括業務帶寬、支路端口號、信號類型、適配類型等；帶寬調整接口用于配置調整連接帶寬的參數，包括源節點客戶側OSU連接端口標識符和目標帶寬等信息。通知接口包含流量變化通知接口和帶寬調整通知，YANG Tree視圖如圖4（b）所示，其中流量變化通知包含監測到新流量事件和監測到流量帶寬變化事件，OSU-OTN控制器收到通知后分別觸發業務自動建立和帶寬自動調整操作，滿足用戶需求。

圖4 YANG Tree視圖

3 實驗驗證

為了對接入型OSU-OTN控制器系統的業務感知與智能管控功能進行驗證，中國聯通在實驗室展開與多家OSU-CPE廠商的對接驗證工作，通過與多廠商對接測試，在推動廠商完善OSU-CPE開發的同時，完善管控接口標準制定和接入型OSU-OTN控制器系統開發。

在實驗驗證中，各廠商的測試環境至少包含兩臺OSU-CPE接入OSU控制器系統，其中至少一臺盒式OSU設備（A設備）、一臺插板式OSU設備（U設備）。其中，插板式OSU設備需要人工配置至OSU-OTN控制器系統的靜態路由或默認路由，在控制器上手動添加并完成納管。盒式OSU設備默認啟用開放最短路徑優先（open shortest path first，OSPF）協議，主動發起動態主機配置協議（dynamic host configuration protocol，DHCP）請求[15]，OSU-OTN控制器通過DHCP方式修改A設備的管理IP并納管，盒式設備通過DHCP上線納管示意圖如圖5所示。A設備和U設備之間通過帶內通用通信通路（general communication channel，GCC）進行通信，GCC采用PPP in HDLC封裝方式，U設備通過帶外數據通信網絡（data communication network，DCN）完成與管控系統之間的信令通信。廠商設備上線后的拓撲如圖6（a）所示，包含兩個A設備、一個U設備，A設備通過網絡間接口（network- network interface，NNI）分別與同廠商U設備對接。

圖5 盒式設備通過DHCP上線納管示意圖

本實驗對業務智能管控及業務感知功能進行了驗證。在實驗驗證中，控制器配置了一個基于虛擬局域網（virtual local area network，VLAN）的流規則下發到204設備來監控VLANID為100的業務，并在控制器上為該業務啟用了業務自動建立和帶寬自動調整功能。通過數據網絡分析儀將業務流量從0逐步動態增加到200 Mbit/s，之后再降低到0，當204設備UNI監測到VLANID為100的業務時，將流量信息上報到控制器系統，控制器將根據流量的源/目的IP地址、帶寬等信息自動建立一條端到端OSU業務，如圖6（c）所示，源網元為204，宿網元為206。如圖6（b）所示，可以看到使用數據儀表打流后業務表正常，業務列表和部分流量變化通知如圖6（c）所示，當控制器監測到新流量到達時，控制器自動建立連接并根據流量變化情況，實時調整帶寬以滿足用戶流量變化需求。在后續測試驗證中將組建跨廠商的環境繼續對所提出的控制器框架及端到端管控能力進行驗證。

圖6 實驗驗證結果

4 OSU技術挑戰與發展

OSU技術具備靈活顆粒、超低時延、極簡調整等技術優勢，是小顆粒承載技術的演進方向。目前國際標準未成熟，行業標準存在分歧，各運營商及設備商面臨標準選擇的難題。由于多個標準版本之間存在一些差異，不同版本之間的貫通需要進一步研究。在網OTN設備目前只有部分設備支持OSU功能，需要對現網OSU部署設備升級方式以及演進方案進行研究。通過對在網設備無損升級引入OSU能力，最大限度地保護已有網絡投資，降低OSU技術引入門檻。在網OSU部署設備通用的升級方案有3種，如圖7所示。方案一是升級公共平臺軟件，新增板卡。具體地，對主控、交叉板卡進行軟件升級，同時新增線路側OSU板卡和支路側OSU板卡。方案二是升級公共平臺硬件。具體地，機框、支線路側板卡可以利舊，對主控進行軟件升級，同時新增OSU交叉板卡。方案三是升級公共平臺及板卡。具體地，對主控、交叉板卡進行軟件升級，對線路側板卡和支路側板卡進行FPGA升級。不同廠商升級方案以及升級對業務的影響略有差異，以實際需求及應用場景為準。

圖7 在網OSU部署設備通用的升級方案

5 結束語

業務需求的快速增長對網絡提出靈活、高效、智能的升級要求，隨著OTN逐步下沉到城域網和客戶側，需要能滿足1 Gbit/s以下小顆粒高等級專線、算力業務接入需求。OSU技術的產生是為了高效率承載sub 1 Gbit/s速率業務，具備網絡架構簡單、靈活顆粒、超低時延、業務感知增強等特性，是推進CUBE-Net3.0云光/光算協同的最佳技術載體?；贠SU智能管控技術引入業務感知與帶寬無損調整功能，可以高質量承載時分復用（time-division multiplexing，TDM）和分組等業務，增強業務調度靈活性，實現企業一點接入、靈活入云，助力算力網絡能力提升，為算力網絡演進等高品質業務持續發展做好技術儲備。

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Research on intelligent control technology for OSU-based OTN

TAN Yanxia1, DUAN Zhiyan2, MAN Xiangkun1, ZHANG He1, LIU Yacheng2, ZHOU Yantao1, DONG Shan1

1. Research Institute of China United Network Communications Co., Ltd., Beijing 100048, China 2. China United Network Communications Group Co., Ltd., Beijing 100033, China

With the development of information and cloud technology, the dynamic demand for OTN service is gradually increasing. As a next generation OTN switching technology, OSU needs to provide network and cloud services for high-quality enterprise leased lines and boutique home broadband services. The OSU-based OTN needs to be able to provide integrated services and automated service provisioning through end-to-end management and control capabilities to support one-hop service into the cloud. Firstly, the background, technical characteristics, and standardization progress of OSU technology were introduced. Then, a service-aware control framework for OSU-OTN was proposed to meet the demand for efficient bearer of government and enterprise leased lines. Finally, an experimental validation of the end-to-end management and control capability of the access OSU-OTN controller system was carried out.

OSU, OTN, service awareness, hitless bandwidth adjustment

The National Key Research and Development Program of China (No.2022YFB2903300)

TN915.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2023196

2023?07?28；

2023?10?15

國家重點研發計劃項目（No.2022YFB2903300）

譚艷霞（1991? ），女，博士，中國聯合網絡通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為傳輸網管控技術、光電協同等。

段致巖（1978? ），男，中國聯合網絡通信集團有限公司高級工程師，主要研究方向為傳輸網及同步網的數字化轉型、管控技術等。

滿祥錕（1983? ），男，中國聯合網絡通信有限公司研究院高級工程師，主要研究方向為光通信網絡。

張賀（1971? ），男，中國聯合網絡通信有限公司研究院正高級工程師，主要研究方向為光纖傳輸、同步網新技術等。

劉雅承（1989? ），女，中國聯合網絡通信集團有限公司高級工程師，主要研究方向為光傳輸網絡、網絡智能等。

周彥韜（1992? ），男，中國聯合網絡通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為光傳輸網絡。

董姍（1997? ），女，中國聯合網絡通信有限公司研究院助理工程師，主要研究方向為光傳輸網絡。