构建宽带IP城域网技术综述

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来源：谢铁兵 高纪明 李颖华   

　　1 技术背景
　　随着光传输技术（DWDM）和宽带IP技术的逐渐成熟，太位路由交换机和DWDM系统已进入商品化，这使得传输骨干通信网络速度大幅度提高，已经达到Tbps的量级。同时各种宽带接入技术（xDSL，Cable modem,HFC等）也有了相对迅猛发展，个人用户10M/100M的接入带宽要求已不见鲜。这样利用SDH、PSTN等传统电信网构建城域数据通信网络以及接入Internet的方式成为新的网络发展瓶颈。
　　传统SDH,TDM城域网不能满足人们对高速、低价网络服务的需求，其固有的局限性主要表现在：1） 进一步扩展带宽能力的受限。2）严格的定时要求等导致设备的复杂性和高成本。3）原来为话音业务设计，不适应数据业务的突发性和不对称，导致效率降低。4）主要为环型网，结点数有限不适合网状网结构。5）提供业务准备时间长（数周以上），不适应数据业务传输多变的要求。6）自愈恢复备用环路浪费资源。因此对城域网的变革已成为必然。
　　目前，城域网构建主要分为两种，一种是Metro-DWDM方案，另一种是MSPP方案。
　　2 Metro-DWDM
　　2.1 DWDM在城域网的现状
　　DWDM（波分复用）技术是就是在光域内的时分复用技术，通过在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增。它充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源。在人口众多的城市，铺设新光纤的费用是很昂贵的，将DWDM设备引入城域网，可以节省大量的铺纤成本。
　　目前适合城域网的DWDM大多继承了长途骨干网的特点大多是端到端的逻辑连接，拓扑结构不灵活，不支持网状结构。不适应城域网内复杂机动的多逻辑拓扑。在长途骨干网DWDM设备的成本远低于铺设新光纤及增加光放的成本，所以经济。但在城域网范围内，网络成本主要来源于接入端设备的成本（而不是传输线路上），所以DWDM在价格方面不具备很大的优势。于是出现了各种CWDM（Coarse WDM），通过降低对波长的窗口要求而实现全波长范围内（1260~1620）的波分复用，并降低光器件的成本。CWDM可实现在0~20km内较高性能价格比。
　　另一个发展城域网的DWDM方案是：应用波长路由交换机，全光交换机。Monterey Networks 和 Sycamore Networks是其中的代表，他们主张基于波长路由器的网状拓扑提供的光层保护功能优于环网结构，是下一代光城域网的理想架构。全光波长路由交换机可以避免目前城域网的DWDM存在着的大量电路交换设备的浪费，具有快速布设，灵活的光层自愈恢复能力。但由于光交换产品成本偏高，以及城域网基于GE分帧网络的不完备等问题，这类解决方案还有待进一步的考察。
　　2.2 在城域网构建IP over DWDM系统
　　目前IP over DWDM成为广域骨干网的主流地位已成定局，将骨干网的IP over DWDM技术移植到MAN存在各种障碍（如成本过高、业务提供灵活性等）。发展城域网的骨干光传输平台迫切需要解决如下问题。
　　2.2.1 IP业务的优化
　　当在广域网上只能使用SDH提供的租用专线时，IP over SDH是最优选择。但是当IP over DWDM成为广域骨干网主流，城域网内具有裸光缆时，就需要以IP业务的需求对网络进行优化设计。不使用SDH层需要解决两个关键问题：传输的分帧方法和自愈恢复方法。
　　
　　GE分帧
　　密集波分复用技术与吉位，太位线速路由交换机结合产生IP优化光网络技术（IP over DWDM）。对于城域网骨干网，不论单路或多路（DWDM）的IP over OPTICAL系统，GE都是最优选择。首先，城域网到广域网全部采用统一的802.3以太网帧格，无缝连接不需要任何中间转换。这种方法效率高，设备简单，价格低廉。而且由于我国城域网的规模只相当发达国家大企业网的规模，现在已经成熟的吉位以太网企业网设备已经可以满足需要，而价格会低得多。基于GE的IP over xWDM的将成为新一代电信城域网骨干网的技术基础。
　　保证宽带IP网服务质量的重要方法是保持网络硬件资源的可扩展性，一但业务流量增大，要相应增加网络的传输能力以满足需求。值得提出的是，Extreme 公司推出的BlackDiamond 6808配备了4波的DWDM模块，作为与其它路由交换机的trunk连接，在城域网环境中应用效果显著。
　　
　　自愈恢复
　　城域网环境中，针对不同的传输业务，恢复的策略可以是不同的。传统话音业务，需要小于50ms的自愈恢复时间，数据业务在第二层/第三层恢复就可以满足敏感性需要。简单有效的恢复策略是IP优化光网络要解决的重要问题。
　　WDM的光环保护与SDH保护类似，然而，SDH环在整个环上都有一条工作线路和保护线路，而WDM光环结构为了降低线路成本，提高网络处理不可预测业务量增长的能力，往往采用不平衡环结构，即只有保护线路贯穿整个环结构。这样节省了光纤资源，并提高了保护的可选择性。
　　另一方面，采用IP网络层的自愈恢复方法提供恢复路径有很大的灵活性，可以基于应用提供不同的恢复服务等级。网络层的自愈恢复通常是由OSPF 和BGP-4路由协议来实现的。对于的复杂的网络，需要几秒钟来重新计算路由表，造成自愈恢复太慢。MLPS的采用结合了层二和层三的特性，使路由交换机选路的复杂性大为降低。路由交换机存储所有的相邻路由交换机的标记，一但出现路径故障，可以根据存储的标记快速提供另一条路径。目前MPLS的标准正在制定中，可以相信自愈恢复时间可以达到与SDH相当的水平。
　　这样，将IP over xWDM的WDM光环保护和IP网络保护有机的结合起来，将提供多保护策略的高效性。
　　
　　2.2.2 网络的管理
　　在传统电信运营商的环境中，SDH 和光传输层与网络服务层的管理系统是分开的。需要管理的IP和ATM网的管理系统不仅在逻辑上是分开的，有时在地域上也是分开的。光部件与电信令之间没有直接相互作用，光路采用“带外”管理系统，而SDH网的部件是通过SDH帧字头中传送的管理和控制信令来管理控制的。网络层业务如IP业务有它自己的一组管理协议如通常用SNMP。这种缺乏统一管理的平台，增加了诊断故障和网络资源间协调难度。
　　在IP over DWDM优化光网络要求将各层的管理系统集成起来成为统一的网络管理系统，网管系统要求能同时监视物理层的情况，以便于诊断故障。目前，可能最合理的集成网络管理方法是基于MPLS。一个光波长通道可以被看成是一个标记交换路径来处理和管理如实施流量工程，而不管实践的传输协议。MPLS汇聚网络的第1，2，3层，它简化了网络的管理过程，允许在网络的链路上进行相似的选路和流量工程而不管他们是波长通道还是选择的路径。每一种正在运行的传输服务可以被看成是PLS的一个标记交换干线LST。LST可以由多个LSP构成，用来连接两个或多个LSR。每一个LST可以有一组特征用来表示流量优先级，QoS等，网络管理可以有一组公共工具在公共框架内定义这些服务的管理，不管具体的传输机制。特征之一是定义干线的可恢复性，用来决定在网络故障时干线的行为，根据可恢复性的特征可以为不同的干线确定一组不同的自愈策略。
　　
　　2.2.3 服务质量（QoS）保证
　　宽带IP 网要成为未来信息网的基础网就必须解决传输话音，视频等实时业务的服务质量（QoS）问题。对于有集中网络管理的网络，可以通过信令实现以RSVP协议为基础的QoS保证，但在目前城域网的IP骨干网，很难实现统一的管理。最有希望的方法是IETF制定的区分服务DiffServ。采用 802.1p规定的IP包头中的三位TOS场来确定其优先级，在不同的节点提供所需要的QoS，也可以利用不同层支持的标签技术（MPLS）在二层实现区分业务。
　　由于WDM系统对业务的透明性，使得在同一波长内不能实现不同业务的复用，必须通过SDH的复用才能在同一个波长传输多业务。未来的城域网是以多业务驱动的服务平台，所以，城域网WDM系统必须具备在任意结点，按业务（而不仅是波长）分/插复用，按业务提供SLA和QoS的能力。这样才能保证其高效和灵活性。
　　
　　3 MSPP 多业务提供平台
　　3.1 MSPP的多业务性
　　目前的传统电信城域网多业务传输平台大量存在的是ATM+SDH结构，运营商强烈支持ATM的主要原因是它能够把不同的服务(FR、DDN、Voice、D1）集中在一个管道中，并提供分类管理，根据对PVC、VP流量监测建立显式路径，为流量负荷提供不同的连接来化网络上出现的拥塞点，实现传输的高效率。但ATM在传输IP业务时存在分帧内部开销，信元税等导致传输效率下降。SVC的建立时间比网络传输时延要长几个数量级，带宽利用率低，其多层的管理体制使得管理系统很复杂。更大的问题是在路由器线路卡中要设置包分拆重装SAR装置，存在排队延迟，链路层复杂问题。这都限制了ATM成为以IP业务为主导的综合业务平台。
　　在城域网方面，用户使用多种不同的网际协议。为了兼顾各种用户的不同需求，电信运营商在发展网络时要求支持多协议多业务。所以在城域网建设中需要具有明显支持IP数据业务的高效、高带宽、灵活管理的多业务平台来与ATM系统抗衡。
　　从国情分析，目前尽管因特网数据流量已经超过话音，但是话音业务收入仍然是电信业务收入的主体。所以MSPP平台首先要具有较好的TDM业务传输QOS保证。为了在竞争中取胜,CLEC必须尽量增加在其网络上提供的新增值业务。在传统的电信网上要增加新业务需要增加设备，其安装，测试，维护，需要大量投资和创立时间。CLEC在传统电信网上采用与ILEC同样的设备是没有竞争优势的。这就需要MSPP系统提供服务的高度灵活性和快速性。
　　目前，SDH的世界标准性使其市场销售额在北美还是保持了50%的高增长势头，已成为公认的未来信息高速公路的主要物理传送平台。这样骨干网和城域网的SDH会对下一代的传输交换系统选择产生影响。现在，在光传输市场出现了各种或基于SDH的过渡产品解决方案。它们的共性就是建立统一的多业务平台（MSPP）系统来迎合来自企业集团用户日益增长的快速宽带多业务要求。
　　3.2基于SDH的城域网
　　SDH技术作为多种业务网的基础传输平台有着许多明显的优点。其全世界统一的网络节点接口，标准化的信息结构等级，同步字节复用结构，横向兼容性，使它在传输网络占有很大的比重。SDH强大的网络管理性能来源于其SDH帧结构。帧结构中丰富的网管开销字节可提供满足各种要求的能力。所以无论从兼容性、有效性、厂商芯片情况，还是技术先进方面，SDH帧结构值得新技术应用的借鉴。
　　3.2.1 POS方案
　　Packet over SDH（POS），更准确地说，是IP/PPP/HDLC over SDH/SONET。PPP（Point-to-Point Protocol）按RFC1661的要求实现多协议封装、错误控制和链路初始化控制，PPP把IP分组封装以后，再按RFC1662的要求形成HDLC（High-Level Data link Control）的帧以便定界，然后把该帧交给SDH/SONET处理后进行传输。POS技术的优点是传输速
　　度和效率都很高。它支持OC-3(STM-1) 155Mbps、OC12(STM-4)622Mbps、OC-48(STM-16)2.5Gbps，结合传输设备可达到OC-192(STM-64) 10Gbps。POS的传输开销约为2%，比ATM的25%要少很多。
　　Packet over SDH（POS）由于省去了ATM层而简化了网络体系结构，基本保证了QOS，使得SDH系统有能力直接支持基于IP的话音、视频传输。并在网络环境易于兼容不同技术体系和实现网间互联。吞吐量达60Gb/s，端口密度和端口费用也可与ATM相比，转发分组延时则已降至几十毫秒量级，不再是大问题。
　　在IP over SDH中，SDH是以链路方式来支持IP网的，没有从本质上提高IP网的性能。这种技术的核心是千兆比线速交换路由器，可实现第2层交换与第3层选路的一体化，但是与以太网口相比，由于需要在路由器的SDH线路卡中要装分拆重组SAR电路而，价格高昂。
　　一个622Mbps(STM-4)口的价格是吉位以太网口的七倍。而一个2.5Gbps(STM-16)口的价格要高十几倍。总的看，IP over SDH适用于经营IP业务的ISP，以IP业务量为主的电信网或在电信骨干网上疏导高速率数据流。
　　3.2.2 DPT方案
　　DPT（DynamicPacketTransport）是Cisco 公司提出的包优化的光传输解决方案。DPT将IP路由的带宽效率、业务能力与光纤环丰富的带宽、自愈能力相结合，可支持多种业务类型和基于LAN、MAN、WAN的低成本应用。因此，它的优势主要体现在网络建设与应用的经济核算中。
　　DPT在双环结构一个环传送数据，另一环在相反方向上传送回送的控制包。这样，DPT可以同时利用两根光纤，使包传送带宽最大化，加速自适应带宽利用和自愈控制信号的传播。
　　DPT引入了一个新的MAC层协议，即空间再利用协议（SRP），同时还有两个专利算法，即SRP公平算法（SRP-fa）和智能保护切换（IPS），从而构成了新一代的环形光传输技术。
　　动态IP光纤传输技术DPT具有如下特点：
　　空间复用。一根光纤环可以分段传输数据，所以至少可以提供两倍的带宽提升因子。
　　双环结构。两根光纤同时传输数据，使带宽得到两倍的提高。
　　公平机制。所有节点对带宽具有同等的控制权，从而为带宽的统计复用提供了最佳的保障。
　　统计复用。网络带宽分段使用，且任意节点间富余的带宽可以被其他节点所使用，以成倍提高可用带宽。如下图所示：
　　扩展性。一个环上的节点数可以最高至128，单端口速率可以最高至10Gbps，地理范围可以像SDH一样扩展到足够的程度。
　　可靠性。可以提供比SDH的自动保护交换(APS)更好的网络自愈功能。不仅可以在50ms内切换光纤，而且由于它是IP-Aware的，可以在50ms内恢复IP业务，不需要路由表的重新收敛。
　　IP业务映射。可以直接映射和支持IP包的优先级，直接支持IP包的广播以及其他IP业务控制功能。
　　即插即用。简单的环形结构和自动发现机制使网络设备的配置变得十分简单。例如，在一个网状网中，增加一个节点需配置2N个端口，而在一个环形网中，增加一个节点最多只需要配置一对端口。
　　统一网管。从物理层到链路层到网络层全部三层的网络管理不再需要不同的网管系统。
　　高性能价格比。一个SRP环上的每个设备永远只需要一对SRP端口(而点对点网状网中，每节点需N2个端口)，从而使网络扩容时不再需要增加端口，降低了网络成本。同时，DPT的高可靠性还降低了运行维护成本，并提高了生产效率。
　　DPT采用了SONET/SDH帧结构，因此可在所有主要的光纤传输网络中运转，包括：
　　暗光纤、波分复用（WDM）、SONET/SDH点对点和环。这种结构的透明性允许DPT在一种混合的环境中应用。例如，一个DPT环可以有几个节点用暗光纤连接，同时又有几个节点通过SONET/SDH和/或WDM设备相连接。DPT也可完全工作在SONET/SDH或WDM传输中，在这种情况下，DPT功能将使带宽效率达到最高，使传输设备的IP功能发挥得淋漓尽致。
　　---- 由于DPT采用专门的方法实现第三层的快速自愈恢复，目前不是国际标准，只有独家产品支持。DPT用于可控制的网络内部，如城域网，而不能用于跨自治域的大网。因此DPT的发展前途是不明朗的，很难说会成为标准。对于运营的宽带城域网来说，考虑到未来的发展，开放性是必须要满足的。
　　3.2.3 集成方案
　　针对多业务平台在灵活快速业务提供，高自愈恢复性能的要求，通信市场上出现了许多高集成解决方案， CISCO,Redback、Alidian公司的MSPP代表产品15454、SmartEdge800、OSN4200比较典型。基于SDH技术，都实现以传输数据为主的结构设计。
　　MSPP系统主要依据以下指标进行比较。
　　1) 可以利用传统的网络体系，支持多种物理接口。由于靠近接入网的边缘，MSPP系统必须尽可能多的提供各种物理接口来迎合不同终端接入用户的设备要求。在保证兼容基于传统SDH网业务的同时，能够提供多业务灵活接入可以减少现有SDH设备重新升级的高成本，这对于运营商的设备升级低成本是很重要的。典型的接口有：电路交换接口（DS-1、DS-3），光口（OC-3、OC-12），ATMoc，以太网接口（10/100 Base-T），DSL和GE、FR、E1/T1等。
　　2) 简化网络结构层次，多协议处理支持。新构建的MSPP系统要实现数据业务的高效传输，必须尽可能的减少IP与Optical间的网络层次，而不是在SDH系统上另一层协议的叠加，通过增加可扩展的更细粒度业务交换控制模块，保证多种协议高效的复用传输，有效的利用光纤带宽。同时在MSPP系统中接口与协议相分离，通过可编程ASIC芯片技术，可以实现对新业务的灵活支持，避免营运商对新业务的新设备投资。典型的多业务主要有：IP, ATM,SONET/SDH, Ethernet/Fast thernet/Gigabit Ethernet,TDM,FDDI, ESCON, Fibre Channel。而且，随着新一代宽带接入设备的应用还将会出现许多新业务。
　　3) 光传输的容量，保证低成本的容量提升。接入技术的发展刺激了用户更高的带宽需求，目前城域网核心带宽在240G~400Gbit/sec范围，而边缘典型为6G~50Gbit/sec范围，传统的SDH系统在高带宽提供方面存在重置设备的高成本，而DWDM系统的也存在接入端成本偏高的问题。这样本着带宽有效利用的原则，MSPP系统提供带宽容量从OC-3/OC-12到OC-48/192，波长复用窗口从1310到1550的DWDM的平滑扩容，实现运营商的低成本扩容。
　　4) 传输的高可靠性和自动保护恢复功能。MSPP要继承SDH的保护特性，实现99.999%的工作时间，硬件冗余，小于50ms的自动保护恢复，这对于网络用户的服务满意程度至关重要。
　　5) 高度多网元功能性集成，有效带宽管理。MSPP可集成传统SDH网ADM/DXC/DWDM功能于一体，具有更细粒度的交换和交叉连接模块，网络拓扑结构（线、网，环）逻辑结构与物理结构相分离。实现了线路连接的快速提供，在任意节点提供业务分/插。这避免了大量的手工线路连接和复杂的网络间协调，从而降低了运营商的管理运营成本。若MSPP系统具有细粒度的带宽管理功能，实现有效的统计复用带宽和业务区分控制，对于运营商来说这不仅可以保证话音业务的QOS，而且可以通过不同服务的区分收费达到带宽业务增值目的，实现运营商的低成本，高收入。
　　比较可以看出，MSPP产品明显的优于SDH传输体系主要表现在多端口种类，灵活的服务提供，支持WDM的升级扩容，最大效用的光纤带宽利用，最小粒度的业务带宽粒度管理等方面。在面向多业务的城域网传输领域里，MSPP可适应从接入环到核心骨干环的各个层面的有效而灵活的业务集中复用，从而实现了较高的光纤资源利用率，统一的网络管理，其良好的性能价格比成为从SDH体系向基于IP网络架构过渡的理想产品。由于与WDM的天然结合，MSPP从某种程度上也是Metro-WDM的低成本解决方案之一。
　　今后城域网传输平台建设将集中在基于IP网络的多业务流的分别管理（QoS）和计费策略上。在IP网这种包交换的网上要保证QOS就必须对服务进行分类。首先要实行分类服务（COS），对不同类的业务在占用网络资源时，给予不同的优先级，对不同传输质量的业务给予不同的收费标准。运营商寻找的是统一的解决方案，而不是受限于某一厂家的专有技术。随着RPR标准的推进，基于GE的多业务平台有望成为新的热点。