城域網的發(fā)展與技術選擇

城域網面臨的首要問題是帶寬“瓶頸”。在其用戶側，由于低成本千兆比以太網的出現(xiàn)和發(fā)展，局域網的速率上了一個大臺階;在其長途網側，由于WDM技術的發(fā)展，傳輸容量擴展了幾個數(shù)量級。因而使得中間的城域網/接入網成為全網的帶寬“瓶頸”。 　　

1 城域網面臨的問題及下一代城域網的基本要求

城域網面臨的首要問題是帶寬“瓶頸”。在其用戶側，由于低成本千兆比以太網的出現(xiàn)和發(fā)展，局域網的速率上了一個大臺階;在其長途網側，由于WDM技術的發(fā)展，傳輸容量擴展了幾個數(shù)量級。因而使得中間的城域網/接入網成為全網的帶寬“瓶頸”。

城域網面臨的另一個問題是其仍然存在多個重疊的網絡。首先，目前多數(shù)電信運營公司通過SDH和電路交換機提供語聲和專線業(yè)務，通過SDH和分離的幀中繼、ATM和IP網提供各種數(shù)據(jù)業(yè)務，造成分離的網絡和網絡技術需要分離的網管系統(tǒng)和人員、不同的網絡配置和計費系統(tǒng)甚至不同的終端。而出于慣性思維、組織架構的限制，以及每次升級的初始成本考慮，這種分離的網絡發(fā)展模式仍在繼續(xù)。但從整體和長遠看，隨著網絡規(guī)模越來越大，無論初始成本還是運行成本都將快速增加，業(yè)務提供也將更加費時耗力。其次，通過不同的接入技術和線路獲取不同的業(yè)務，用戶不僅麻煩，而且使用費高。第三，企業(yè)用戶正從簡單的原始帶寬連接要求轉向更加個性化的業(yè)務剪裁要求以適應特定的應用，使得網絡需要支持復雜的2層和3層功能，因而單一業(yè)務模式將會減少收入且無法鎖定用戶。最后，目前城域網底層多數(shù)采用傳統(tǒng)SDH作傳送平臺，在傳送突發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務時，利用為電話業(yè)務設計的固定帶寬的SDH進行數(shù)據(jù)傳送不僅效率低下，而且改變帶寬往往意味著改變物理接口甚至改變了業(yè)務類型。使企事業(yè)用戶改變業(yè)務時常常不得不重新設計和重新建設網絡。

目前，城域網不僅成為電信網的容量“瓶頸”，而且也成為電信網進一步全面發(fā)展的“瓶頸”。

要解決城域網面臨的問題，下一代城域網必須能有效地處理混合的第1層、第2層和第3層業(yè)務。在混合業(yè)務中，每種業(yè)務的比例是不確定的，而且隨時間而異，因此基礎傳送網不僅要能在目前有效地支撐第1層業(yè)務并具有足夠的容量擴展性以滿足業(yè)務增長的需要，還要能提供第2層和第3層業(yè)務，并確保向支撐第3層業(yè)務的網絡平滑過渡。

2 城域網解決方案之一：SDH多業(yè)務平臺

SDH多業(yè)務平臺(MSTP)能夠在SDH設施上支持數(shù)據(jù)業(yè)務的傳送，終結多種數(shù)據(jù)協(xié)議，實施數(shù)據(jù)透傳或2層交換和本地匯聚。其中點到點透傳方式直接將數(shù)據(jù)封裝到虛容器中傳送，簡單，成本低，具有較好的用戶帶寬保證和安全隔離功能，適合有較高QoS要求的數(shù)據(jù)租線業(yè)務，但帶寬利用率較低，網絡硬件資源消耗較大，不支持端口匯聚等應用，缺乏靈活性，而且需要手工配置每一個物理通道，耗時費力。而2層交換和匯聚方式用戶以多點到單點匯聚方式進入網絡，用戶數(shù)據(jù)根據(jù)媒體訪問控制(MAC)地址完成用戶側不同以太網端口與網絡側不同虛容器間的包交換，具有帶寬共享、端口匯聚能力;通過虛擬局域網(VLAN)方式可以實現(xiàn)用戶隔離和速率限制;利用SDH環(huán)或快速生成樹保護(RSTP)實現(xiàn)2層保護和環(huán)上的帶寬共享，節(jié)省網絡資源和端口。但由于2層交換有競爭帶寬的特性，難以確保用戶實際帶寬，安全性稍差。帶有2層交換和匯聚功能的SDH多業(yè)務平臺可以明顯減少節(jié)點的業(yè)務端口，降低網絡成本，減輕3層交換機/路由器負擔，組網靈活，適合于匯聚層和接入層應用，適合安全性要求較低的網絡瀏覽和視頻點播(VoD)類業(yè)務。當然還可以進一步利用集成的路由器功能將數(shù)據(jù)業(yè)務在3層上處理，以享受更豐富靈活的數(shù)據(jù)聯(lián)網功能。

MSTP的出現(xiàn)不僅減少了大量獨立的業(yè)務節(jié)點和傳送節(jié)點設備，簡化了節(jié)點結構，降低了設備成本，減少了機架數(shù)、機房占地、功耗和架間互連，簡化了電路指配，加快了業(yè)務提供速度，改進了網絡擴展性，節(jié)省了運營維護和培訓成本，還可以支持各種數(shù)據(jù)業(yè)務。特別是集成了以太網、幀中繼、ATM乃至IP選路功能后，可以通過統(tǒng)計復用和超額訂購業(yè)務來提高TDM通路的帶寬利用率和減少局端設備的端口數(shù)使現(xiàn)有SDH基礎設施最佳化。另外，MSTP可以為任何端口提供1層、2層乃至3層業(yè)務的任意結合而不管物理接口類型是什么。隨著網絡中數(shù)據(jù)業(yè)務份量的加大，MSTP正從簡單的支持數(shù)據(jù)業(yè)務的透傳方式向更加靈活有效支持數(shù)據(jù)業(yè)務的新一代系統(tǒng)演進和發(fā)展。最新的發(fā)展是支持通用組幀程序(GFP)、鏈路容量調節(jié)方案(LCAS)、彈性分組環(huán)(RPR)和自動交換光網絡(ASON)標準。特別是實現(xiàn)了在協(xié)議層面上的多廠家設備互連互通后，可以避免支路口互連帶來的網管復雜性和成本開銷，有利于MSTP的廣泛應用。

若下一代的MSTP能將GFP、LCAS和RPR幾種標準功能集成在一起，再配合核心智能光網絡的自動選路和指配功能，則不僅能大大增強自身靈活有效支持數(shù)據(jù)業(yè)務的能力，而且可以將核心智能光網絡的智能擴展到網絡邊緣，增強整個網絡的智能范圍。總的來看，SDH多業(yè)務平臺最適合作為網絡邊緣的融合節(jié)點來支持混合型業(yè)務量特別是以TDM業(yè)務量為主的混合型業(yè)務量。不僅適合缺乏網絡基礎設施的新運營者應用于局間乃至大企事業(yè)用戶駐地，對于已敷設了大量SDH網的運營公司，SDH多業(yè)務平臺也可以更靈活有效地支持分組數(shù)據(jù)業(yè)務，增強業(yè)務拓展能力，降低成本，有助于實現(xiàn)從電路交換網向分組網的過渡。

這種方案的缺點在于網絡基于同步工作，抖動要求嚴，設備成本較高;難以靈活地生成業(yè)務;用固定時隙來支持數(shù)據(jù)業(yè)務的帶寬效率較低，目前數(shù)據(jù)業(yè)務功能也還不夠靈活豐富;同時管理多個面向連接和無連接網比較困難，管理成本偏高。從長遠看，當數(shù)據(jù)業(yè)務成為網絡的絕對主導業(yè)務類型后，這種解決方案不是一種最有效的方法，將會被更有效的方案所替代。

3 城域網解決方案之二：以太網多業(yè)務平臺

以太網技術源自局域網，十分簡單，應用多年，為用戶熟悉，業(yè)務指配時間可以減少到幾小時或幾天;以太網是標準技術，互換互操作性好，具有廣泛的軟硬件支持，成本低;以太網是與媒體無關的承載技術，可以透明地與銅線對、電纜及各種光纖等不同傳輸媒體接口，避免了重新布線的成本。從結構上看，以太網是一種端到端的解決方案，在網絡各個部分統(tǒng)一處理2層交換、流量工程和業(yè)務配置，省去了其他方案所必不可少的網絡邊界處的格式變換，減少了網絡的復雜性;以太網的擴展性很好，容量分為10 Mb/s、100 Mb/s、1 000 Mb/s 3級，在網絡邊緣，通過改變流量策略參數(shù)即可迅速地按需要以64 Kb/s至1 Mb/s的帶寬顆粒逐步提供所需的帶寬，直至1 Gb/s。目前10 Gb/s以太網系統(tǒng)也已經問世。從管理上看，由于同樣的系統(tǒng)可以應用在網絡的各個層面上，網絡管理可以大大簡化。此外，由于很多用戶已經熟悉了以太網，新業(yè)務可以拓展得更快。因此，將以太網擴展至城域網可以使業(yè)務提供商迅速經濟地提供用戶所需的高速數(shù)據(jù)傳送和應用業(yè)務。

總的看，以太網多業(yè)務平臺最適合IP業(yè)務量占據(jù)絕對主導的網絡應用場合，也可以在IP業(yè)務量足夠大的中、小城市作為獨立的IP城域網應用，還可以在IP業(yè)務量很大的大、中城市作為IP城域網的匯聚和接入層應用。以太網多業(yè)務平臺的核心為高端路由器。隨著網絡中IP業(yè)務量的日益增加，以太網多業(yè)務平臺在城域網中的應用將會越來越多。

然而也不是沒有問題，首先，歷史上以太網用于局域網時QoS不是個問題，但當試圖擴展應用到公用電信網時則需要提供隨用戶而異的QoS和服務等級合同(SLA)機制。目前以太網還沒有機制能保證端到端的抖動和延時性能，無法提供實時業(yè)務所需要的全網范圍的標準QoS指配能力，無法提供多用戶共享節(jié)點和網絡所必須的計費統(tǒng)計能力。其次，以太網原來是為局域網企事業(yè)用戶內部應用設計的，缺乏安全保證機制，當擴展到城域網(MAN)和廣域網(WAN)以后，在大量的終端用戶由同一個基礎設施提供服務時，需要開發(fā)新的安全機制。第三，以太網原來主要用于小型局域網絡環(huán)境，操作、管理、維護和配置(OAMP)能力很弱。而在公用電信網中，必須有效地運行和維護大規(guī)模的地理分散的網絡，需要有很強的OAMP能力、網絡級的管理能力及商務贏利模式。第四，以太網交換機的光口是以點到點方式直接相連的，省掉了傳輸設備，不具備內置的故障定位和性能監(jiān)視能力，使以太網中發(fā)生的故障難以診斷和修復，花費很大，特別是對復雜的大網很難診斷和修復。以太網沒有內置保護功能，主要靠路由器來實施保護，需要至少大約1 s的時間才能使數(shù)據(jù)流重新定向，使以太網無法傳送電信級的語音數(shù)據(jù)流。第五，以太網中光纖線路成本隨網絡規(guī)模的擴大和節(jié)點數(shù)的增加而迅速增長，其網絡成本對于復雜的大型電信級網絡是否合算是個未知數(shù)。最后，盡管以太網作為局域網應用是一項久經考驗的技術，但是否能提供大型電信級公用網所必須的硬件和軟件可靠性需要實踐和時間的驗證。只有妥善地解決了上述問題，以太網才能作為真正的多業(yè)務平臺應用于大型公用電信網環(huán)境，提供電信級的業(yè)務。

4 城域網解決方案之三：彈性分組環(huán)多業(yè)務平臺

為了將以太網擴展到電信級的核心網，需要解決以太網固有的一系列問題，RPR就是解決方案之一。這是一種基于以太網或SDH的分組交換機制，屬于中間層增強技術，采用一種新的MAC層和共享接入方式，將IP包通過新的MAC層送入1層數(shù)據(jù)幀內或裸光纖上，無須進行包的拆分重組，提高了交換處理能力，改進了性能和靈活性。RPR既可以工作在1層的SDH和千兆以太網上，也可以直接工作在裸光纖上作為路由器的線路接口板。早期的獨立RPR設備架構在以太網上，目前的趨勢是架構在SDH上，成為新一代MSTP的內嵌功能，從而可以充分利用兩者的優(yōu)勢。

RPR簡化了數(shù)據(jù)包處理過程，不必像以太網那樣讓業(yè)務流在網絡中的每一個節(jié)點進行IP包的拆分重組，實施排隊、整形和處理，而可以將非落地IP包直接前轉，明顯提高了交換處理能力，較適合分組業(yè)務;RPR又能確保電路交換業(yè)務和專線業(yè)務的服務質量(能做到50 ms的保護倒換時間);RPR具有自動拓撲發(fā)現(xiàn)能力，可以自動識別任何2層拓撲變化，增強了自愈能力，支持即插即用，避免了人工配置帶來的耗時費力易出錯的毛病;RPR可以有效支持兩纖雙向環(huán)拓撲結構，可以在環(huán)的兩個方向上動態(tài)地統(tǒng)計復用各種業(yè)務，同時還能按每個用戶每種業(yè)務為基礎保留帶寬和服務質量，從而最大限度地利用光纖的帶寬，簡化網絡配置和運行，加快業(yè)務部署;RPR還具有較好的帶寬公平機制和擁塞控制機制。

彈性分組環(huán)的最大特點是采用了一個嵌入控制層，從而可以提供很多新的功能。從成本上看，RPR成本介于SDH和千兆以太網技術之間，數(shù)據(jù)接口越多，其成本越接近千兆以太網，反之則趨近SDH?？偟目矗摷夹g最適合數(shù)據(jù)業(yè)務量占主導，而TDM業(yè)務量也需要可靠有效支持的應用場合。

鑒于RPR具有很好的匯聚特性和優(yōu)化的數(shù)據(jù)接入能力，因此最適合于城域網的接入層應用，特別是以太網業(yè)務帶寬需求占絕對優(yōu)勢的場合。

然而，RPR需要新增一個MAC層，系統(tǒng)成本將增加。由于RPR沒有跨環(huán)標準，單個環(huán)的RPR信息無法跨環(huán)傳遞，獨立組大網的能力較弱，無法實現(xiàn)相切環(huán)、相交環(huán)、環(huán)帶鏈等復雜的網路拓撲，不能提供端到端業(yè)務，但利用與MPLS相結合的方法可以使跨環(huán)業(yè)務流配置成同一個MPLS標記交換通道，從而實現(xiàn)多個RPR環(huán)業(yè)務的互通。RPR使用共享接入方法，擴展性受限。

5 城域網解決方案之四：WDM多業(yè)務平臺

隨著技術的進展和業(yè)務的發(fā)展，WDM技術正從長途傳輸領域向城域網領域擴展。當然，這種擴展不是直接的，需要對城域網的特定環(huán)境進行改造，其主要特點和要求可以歸納如下：首先，采用WDM后，容量有了大幅度的增加，可以擴大數(shù)十至數(shù)百倍，而且可以提供某種形式的WDM環(huán)保護。其次，應用WDM后容許網絡運營者提供透明的以波長為基礎的業(yè)務。用戶可以靈活地傳送任何協(xié)議和格式的信號而不受限于SDH格式。特別是對于應用在城域網邊緣的系統(tǒng)，直接與用戶接口需要能靈活快速地支持各種速率和信號格式的業(yè)務，因而要求其光接口可以自動接收和適應從10 Mb/s到2.5 Gb/s范圍的所有信號，包括SDH、ATM、IP、千兆比以太網和光纖通路等。而對于應用在城域網核心的系統(tǒng)，將來可能還會要求支持10 Gb/s乃至40 Gb/s的SDH信號和以太網信號。最后，城域WDM系統(tǒng)還應具備波長可擴展性，新的波長應能隨時加上而不會影響原有工作波長，這樣，系統(tǒng)可以通過簡單地增加波長的方式迅速提供新的業(yè)務，極大地增強了網絡擴展性和市場競爭能力。

然而，目前WDM多業(yè)務平臺的成本仍然較高，特別是傳輸距離較長時需要光纖放大器，因此需要開發(fā)低成本光纖放大器。由于當前在網絡邊緣需要整個波長帶寬的用戶和應用畢竟很少，因此WDM多業(yè)務平臺主要適用于核心層，特別適用于擴容需求較大、距離較長的應用場合。為此進一步開發(fā)允許不同業(yè)務量和不同協(xié)議共享同一波長的子速率復用技術，改進容量利用效率是WDM向網絡邊緣擴展的必要手段。

為了降低城域WDM多業(yè)務平臺的成本，出現(xiàn)了粗波分復用(CWDM)的概念。系統(tǒng)的典型波長組合有3種，即4、8和16個，分別覆蓋1 510～1 570 nm、1 470～1 610 nm、1 310～1 610 nm范圍，波長通路間隔達20 nm之寬，濾波器通帶寬度約13 nm，允許波長漂移±6.5 nm，大大降低了對激光器的要求。傳統(tǒng)DWDM系統(tǒng)用激光器的波長精度要求至少有0.1 nm，而CWDM系統(tǒng)用激光器的波長精度要求可以放松到2～3 nm，甚至可以在制造DVD光驅用激光器的生產線上制造出來，因此成本可大大降低。此外，由于CWDM系統(tǒng)對激光器的波長精度要求很低，無須制冷器和波長鎖定器，不僅功耗低、尺寸小，而且其封裝可以用簡單的同軸結構，比傳統(tǒng)碟型封裝成本低(激光器模塊的總成本可以減少2/3)。從濾波器角度看，典型的100 GHz間隔的介質薄膜濾波器需要150層鍍膜，而20 nm間隔的CWDM濾波器只需要50層鍍膜即可，其成品率和成本都可以獲得有效改進，預計成本至少可以降低1/2。

簡言之，CWDM系統(tǒng)無論是對激光器輸出功率要求，還是對溫度的敏感度要求，對色散容忍度的要求以及對封裝的要求都遠低于DWDM激光器，再加上濾波器要求的降低，成本有望大幅度下降。特別由于8波長CWDM系統(tǒng)的光譜安排避開了1 385 nm附近的吸收峰，可以適用于任意一類光纖，將會首先獲得應用。

從業(yè)務應用上看，CWDM收發(fā)器已經應用于吉比特接口轉換器和小型可插拔器件，可以直接插入到吉比特以太網交換機和光纖通路交換機中，并允許用戶選擇波長。其體積、功耗和成本均遠小于對應的DWDM器件。目前100 GHz間隔的吉比特接口轉換器已經問世，50 GHz間隔的吉比特接口轉換器也將很快問世。這樣，用戶可以首先應用CMDM系統(tǒng)應付業(yè)務需求，在業(yè)務量發(fā)展需要更多波長時，直接用DWDM代替CMDM收發(fā)器，其他部分不動，即可平滑升級到數(shù)百個波長通路系統(tǒng)。

總的看，對于光纖資源短缺的城域網或者大型城域網的核心層乃至未來的匯聚和接入層面，城域WDM多業(yè)務平臺都將是一種有長期技術壽命的通用解決方案。CWDM多業(yè)務平臺則最適合城域匯聚和接入網部分。