TWAREN 光網路與DWDM 系統整合測試

TWAREN 光網路與 DWDM 系統整合測試

劉德隆 王冠超

國家高速網路與計算中心 南部事業群

{tlliu, bobwang}@nchc.org.tw

摘要

為了因應更多元化的網路使用與研究需求，網 路供應者需要提供比以往更大量的頻寬以滿足日 漸擁塞的線路，密集光波分封多工（DWDM）技術 可於單一光纖中同時承載多條傳輸通道，大幅拓展 了現有線路的可用頻寬。TWAREN 身具臺灣學術網 路骨幹維運之任務，為求未來發展之可能性，與相 關業者合作進行TWAREN 光網路與 DWDM 系統整 合測試，以期未來若採用 DWDM 系統時，能有建 置與維運的相關經驗，以提供使用者更完善的服 務。 關鍵詞：臺灣高品質學術研究網路（TWAREN）、 密集光波分封多工網路（DWDM）、光網路（Optical Networks）。

1. 前言

隨著網路的普及，為了滿足不同使用者的需 求，多元化的各項應用如雨後春筍般的誕生，使用 者也接觸到自純文字、圖形化一直邁向多媒體的網 路體驗；在此同時，研發人員也針對各種研究需求 開發了不同的 e-Science 應用軟體，並透過格網 （Grid）等網路架構傳輸更大量的研究數據與資料 庫備援等應用。為此，網路提供者面臨來自比以往 更大頻寬的需求，骨幹頻寬的拓展將是不可避免的 挑戰。密集光波分封多工網路（dense wavelength division multiplexing，DWDM）[3][4]技術將單一光 纖依據不同的光波長（wavelength）進行同步傳輸， 大幅增加了現有網路頻寬，並提供富彈性的規劃方 式；因此，國內外的網路供應者已紛紛著手佈建 DWDM 骨幹網路。 國家高速網路與計算中心於 1998 年負起建置 國內的研究網路骨幹－台灣研究網路（TANet2）之 任務，並提供與Internet2 網路連結之服務。初期設 計為以臺北與新竹的雙心oc-3 ATM 架構，之後改 與線路廠商租用 Gigabit Ethernet 都會網（MAN） 作為核心骨幹，然而都會網架構非專屬頻寬，且無 法掌控骨幹內之實體路徑，對於需要特定服務品質 的應用無法保證其所需求之效能。因此於 2003 年 規劃新一代臺灣高品質學術網路時，骨幹以租用兩 條非分封交換之專屬 10Gbps 線路為考量，並設計 成工作網路、研究網路與光網路三個架構，提供各 種不同的連線與研究需求使用。 為了尋求未來拓展頻寬的可能性，TWAREN 與相關線路與設備業者合作進行 DWDM 系統與 TWAREN 光網路的整合測試。本文將闡述 DWDM 系 統 整 合 測 試 之 相 關 步 驟 與 內 容 ， 第 二 章 簡 介 TWAREN 光網路之架構，第三章描述此次測試相關 之架構設定與儀器測試，維運與管理之機制則於第 四章內討論，最後的結論中我們將建議整合多種網 路層的規劃方式供未來骨幹設計參考。

2. TWAREN 光網路架構

TWAREN 光網路架構如圖 1 所示，將台北、 新竹、台南與台中四主節點間之一路STM-64 非分 封交換線路配合光設備構成骨幹網路；除東華大學 以兩條STM-16 線路連結至台北主節點外，其餘之 GigaPOP 均由暗光纖（dark fiber）以 SDH[5][6]傳 輸STM-64 訊框信號連結至主節點。由於台北、新 竹與台南三個主節點之頻寬需求較高，故採用背版 頻寬高達320G 之 ONS 15600 MSSP（Multi-Service Switching Platform）系統，台中主節點與 GigaPOP 採 用 背 版 頻 寬 為 40G 之 ONS 15454 MSPP （Multi-Service Provisioning Platform）系統。1

圖 1 TWAREN 光網路架構

目前TWAREN 光網路採用 SDH 標準，可於任

1 _{MSSP 與 MSTP 除了背版頻寬之差異外，MSSP 僅有}

STM 卡版，MSTP 除了 STM 卡版外尚有 Gigabit Ethernet 介面作為光通道之終端節點；兩者均為SDH 系統。

兩個 GigaPOP 間切割 STM-1、STM-4c、STM-8c 或STM-16c 等點對點專屬之光頻道（lightpath）供 研究計劃使用。光頻道可由光設備所提供的控制軟 體進行調配與移除外，國網中心並與加拿大Canarie 的UCLP（User Controlled LightPath）計劃[8]合作， 將UCLP 軟體由北美之 SONET 標準移植至 SDH 標 準，提供光頻道更具彈性與安全性之控制方式，並 多次進行國際會議上進行合作展示。

3. DWDM 網路架構與儀器測試

3.1 暗光纖與 DWDM 設備

本 次 測 試 的 線 路 為 由 亞 太 固 網 公 司 所 提 供 TWAREN 臺北與新竹主節點間之長程暗光纖，並經 安立知公司之光時域反射儀（OTDR）實際測量衰 減值為25.8db；DWDM 設備採用與目前 TWAREN 光網路相同之Cisco 15454 安裝 DWDM 卡版設定成 MSTP（Multi-Service Transport Platform）模式，與 目前TWAREN SDH 系統之 MSPP 模式不同，MSTP 為支援DWDM 之平台，主要組成元件如下所述：

(from www.cisco.com)

圖 2 15454 MSTP 終端節點光元件連接示意圖

 DCU（Dispersion Compensation Module）色散補 償元件：將輸入的光訊號進行色散補償。  OPT-PRE（Optical Preamplifier）光前置放大器：

在處理輸入的光訊號之前預先將其放大。  OPT-BST（Optical Booster）光功率放大器：放

大即將送出的光訊號。

 OSC-CSM（Optical Service Channel-Combiner / Splitter Module）光監視通道結合/分岐模組：將 控制層訊號送往光訊號或自光訊號中擷取。  AD-4C-58.1（Optical Add-drop Multiplexer）光塞

取多工機：將各波長送入/擷取自光訊號中，此 型號可送入/擷取四個光波長，使用標準 ITU-T Grid 100 GHz 間隙，可運作於 1558.17、1558.98、 1559.79 以及 1560.61 四個光波。  10T-58.1（Transponder）光波長轉換器：將客戶 端波長轉換成標準ITU-T 的波長。 圖2 為 DWDM 元件連接示意圖，OPT-BST 直 接 連 結 至 暗 光 纖 ， 輸 入 之 訊 號 分 岐 後 傳 遞 給 OSC-CSM 擷取光監視通道與 OPT-PRE，OPT-PRE 再將訊號交由DCU 處理後放大，接著送入 OADM 將光依波長送至各 Transponder，Transponder 負責 將 其 轉 換 為 客 戶 端 設 備 的 波 長 後 送 至 客 戶 端 設 備。當客戶端送出資料時，先由 Transponder 轉換 至特定ITU-T Grid 波長後交由 OADM 與其他波長 之訊號耦合，之後送往 OPT-BST 放大並與來自 OSC-CSM 的光監視通道結合後送往暗光纖至遠端 設備。 D C U - 7 5 0 - E D C U - 7 5 0 - E 圖 3 卡版配置 圖3 為目前 MSTP 卡版配置方式，除了 DCU 元件需要額外的15216 機殼外，其餘卡版均可插入 15454 機殻中。

3.2 網路架構測試

圖 4 TWAREN 光網路拓樸圖

TWAREN 光網路於 Cisco Transport Controller （CTC）圖形化管理軟體之設定如圖 4，臺北與新 竹 主 節 點 之 15600 MSSP 間 目 前 已 存 在 一 條 STM-64 線路。為測試不同的 DWDM 架構，我們 將針對15454 MSTP 與 15600 MSSP 間 DWDM 和 SDH 連結進行實驗，此外並規劃 15454 MSTP/MSPP 整合之系統架構。  15454 MSTP-15600 MSSP 連結 2Over 100km Fiber 2Over 100km Fiber ONS15454E MSTP ONS15454E MSTP TP-12816 _HC-12816 HsinChu ONS15600 Taipei ONS15600 STM-64 or 10GE STM-64 or 10GE STM-64 STM-64 Span Loss = 25 ~ 30db Taipei _HsinChu 圖 5 MSTP-15600 MSSP 連結架構 如圖5 所示，兩部 15454 MSTP 擷取一條光波 轉成 STM-64 介面連結到 15600 MSSP，在此架構 下，兩部15600 透過 SDH 網管所用之 DCC（Data Communication Channel）頻道設定直接背對背相 連，並無法得知中間有 MSTP 之存在，即 SDH 層 位於DWDM 層之上，圖 6 為 CTC 中所觀測到的結 果，TP-15600 與 HC-15600 現除了本來骨幹 STM-64 連線外新增一條由MSTP 所提供之 STM-64 共兩條 連線，而無論是何種 STM-64 線路，15600 均無法 偵測到 DWDM 層之訊息，而畫面左方兩部 15454 MSTP 所組成之 DWDM 網路亦與現有 TWAREN SDH 網路在架構上是分離的。DWDM 設備間之線 路代表實體的暗光纖，任兩點間一進一出共兩條暗 光纖；SDH 設備間之線路代表 STM 連結，兩者意 義不同。 圖 6 DWDM 與 TWAREN 光網路連結拓樸圖  15454 MSTP/MSPP 整合 除了DWDM 與 SDH 連結外，我們擬將 15454 MSTP DWDM 與 MSPP SDH 系統整合於同一機櫃 之中。此架構如圖7 所示，將一個波長以 MSTP 的 Transponder 連接至同一機櫃的 MSPP 之 STM-64 卡 版，經過SDH 背版交換至另一 STM-64 卡版至現有 TWAREN MSPP。 2Over 100km Fiber MSTP ONS15454E MSTP+MSPP HsinChu ONS15600 Taipei ONS15600 STM-64 STM-64 Span Loss = 25 ~ 30db Taipei _HsinChu STM-64 STM-64 ONS15454E MSTP+MSPP MSTP

MSPP MSTP 2Over 100km Fiber2Over 100km Fiber MSPP

ONS15454E MSTP+MSPP HsinChu ONS15600 Taipei ONS15600 STM-64 STM-64 Span Loss = 25 ~ 30db Taipei _HsinChu STM-64 STM-64 ONS15454E MSTP+MSPP MSTP MSPP MSPP 圖 7 MSTP/MSPP 整合架構 此架構於CTC 的網路拓樸圖如圖 8，TP-15600 與HC-15600 間透過兩部整合系統之 MSPP 之功能 建 立 起 STM-64 線 路 ， 即 【 TP-15600 】 － 【TP-15454-DWDM】－【HC-15454-DWDM】－ 【HC-15600】，而此時左方兩部15454 MSTP/MSPP 間的三條線路分別為兩條 DWDM 暗光纖與一條 STM-64 線路。 圖 8 MSTP/MSPP 整合拓樸圖

3.3 測試儀器實測

DWDM 系統之設計除了卡版規劃外，需要計 算相關線路與設備的色散與衰減值等因素。本次實 驗由設備商提供專用軟體進行整體架構安排，為了 進一步檢證相關 DWDM 參數，我們使用安立知公 司光頻譜分析儀（optical spectrum analyzer，OSA），

針對DWDM 中所使用之光波進行驗證測試。

圖 9 光頻譜分析儀量測

圖9 為光頻譜分析儀之量測結果，可看出系統 使 用 中 兩 個 光 波 之 各 項 參 數 ， 如 光 波 頻 段 （wavelength）、頻道間距（channel spacing）、增益 偏差（gain tilt）與功率位準 （power level）等。

4. 維運與網管機制

在維運與管理方面，通常須由設備所提供之網 管軟體來與現有網管軟體整合，而目前 TWAREN 所使用之 HP Openview 可接收設備所傳送出來的 SNMP Trap 供進一步的分析與告警，因此透過 SNMP 整合將是最為簡便之作法，然需要進一步分 析與DWDM 和 SDH 相關之光設備告警之內容與所 代表發生之事件，方能供第一線之操作員與維運工 程師進行錯誤判別與除錯。 圖形化界面 告警與錯誤辨識系統 頻寬管理系統 效能偵測系統 光通道修復系統 控制層 更新 觸發 啟動 修復要求 光設備 告警 查詢 圖形化界面 圖形化界面 告警與錯誤辨識系統 告警與錯誤辨識系統 頻寬管理系統 頻寬管理系統 效能偵測系統 效能偵測系統 光通道修復系統 光通道修復系統 控制層 控制層 更新 觸發 啟動 修復要求 光設備 光設備 告警 查詢 管理層 圖 10 光通訊管理層運作 未來可將相關之管理元件整合於單一之管理 層軟體，如圖10，配合相關之控制層軟體進行全自 動化之即時光通道修復，並考慮與更高層網路應用 之整合[1][2][7]。

5. 結論

對於網路提供者而言，骨幹頻寬的擴展將是不 可避免的趨勢，而在可預見的未來裡，網際網路通 訊也將逐漸與電信網路技術整合以達到頻寬擴充 與提高交換效率之目的，因此對未來的網路規劃者 而言，如何有效的整合網路第一層至第三層服務將 是一大挑戰，本次測試嘗試整合DWDM 層與 SDH 層間不同之設定，再由 SDH 層切頻寬供第二層與 第三層使用。在未來骨幹的規劃中，我們建議採用 由上而下的設計方式，如圖11 所示，先根據使用者 的需求定義所需提供的網路服務以架構第三層的 路由，之後再進行第二層交換環境之設計，再計算 出所需建置的SDH 交換電路，最後再評估 DWDM 層所需佈建之實體暗光纖之路徑與光波的安排。 Layer 3 Routing Layer 3 Routing Layer 2 Switching Layer 2 Switching SDH Cross-connects SDH Cross-connects DWDM/Fiber Footprints DWDM/Fiber Footprints 圖 11 由上而下之網路規劃示意

致謝

感謝亞太固網公司、思科公司以及安立知公司 對於本次測試所提供的線路、設備與技術支援。

參考文獻

[1] B. St-Arnaud, et al., “Web services architecture for user control and management of optical Internet networks,”vol. 12, issue 9, Proceedings of the IEEE, September 2004.

[2] Cees de Laat, “Optical/Photonic Networking and Grid Integration,”

http://staff.science.uva.nl/~delaat/talks/cdl-2005-0 6-21.pdf

[3] ITU-T Recommendation G.692, “ Optical Interfaces for Multichannel Systems with Optical Amplifiers”.

[4] ITU-T Recommendation G.694.1, “ Spectral Grids for WDM Applications: DWDM Frequency Grid”.

[5] ITU-T Recommendation G.707, “Network Node Interface for the Synchronous Digital Hierarchy (SDH)”.

[6] ITU-T Recommendation G.783, “Characteristics of synchronous digital hierarchy (SDH) equipment functional blocks”.

[7] Te-Lung Liu, “On the Management Issues over Lambda Networks,”Network Research Workshop, 20th APAN meetings, August 2005.

[8] User-controlled LightPath Project,