宽带IP组网技术的城域传输网的研究

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作者： 欧阳旭华


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1 宽带城域网的概念及特点

　　城域网（MAN）是由计算机网络演化而来，但以往的许多经验不能原封不动地应用于城域网。

　　城域传输网是数据骨干网和长途电话网在城域范围内的业务延伸和区域覆盖，它以宽带光传输为开放平台，通过各类网关实现话音、数据、图像、多媒体、IP和各种增值业务及智能业务的接入，并与各运营商的长途网和PSTN互通的本地综合业务网络。因此可以认为城域传输网最大的特点是宽带。

　　城域网指有别于普通窄带话音网络、能在城市范围内提供宽带数据及多媒体业务的网络。另外，城域传输网和长途干线网有所不同，城域传输网连接着低速接入网、高速长途干线网及局间网，其特点是互联程度高、传送的业务种类多、距离则比长途干线网短得多。由于各种形式的业务量急剧增长，促使传统的基于电路交换的电信网向基于IP技术的下一代通信网演进。而波分复用（WDM）和光纤通信技术的飞速发展，网络的传输带宽迅速增大，加之高速路由器的开发，推动了IP技术的发展，随之而来的是宽带IP组网模式的不断演进。

　　为了缓解城域通信网络的拥挤状况、增加网络的灵活性及适应数据业务的需要，人们开始考虑在城域传输网中采用密集波分复用（DWDM）技术。

2 城域网的宽带IP传送技术

　　城域网具有组网协议和信道速率种类繁多的特点，目前，实现城域传输网的宽带IP传送的技术主要是IP over SDH（POS）。

　　业务提供者已经在城域网中采用了SDH技术。POS通常采用的是互联网工程任务组（IETF）定义的IP／PPP／HDLC／SDH结构（RFC 2615、RFC 1662）。其基本设计是将IP数据报通过点到点协议（PPP）进行封装，然后使用高级数据链路控制（HDLC）定界组帧，再将其映射到基于字节的SDH虚容器中。但HDSL在高速（如2.5Gbit/s）应用中难以实现。

　　SDH是用来承载基于电路交换的话音业务的，但对于进入网络的巨大的突发数据流，SDH作用有限。SDH需要复杂的映射以疏通、复用较低速率的业务，不具备下一代网络所必需的网络速率。也就是说，以话音为中心的TDM结构已无法满足需要，必须开发能够适应不断发展变化的市场需求的新一代城域网。

　　考虑到POS存在的问题，提出了没有SDH介入的IP over WDM设备，虽然不采用SDH设备，但SDH提供的一些必要或有效的功能宜予保留，因此，要设一个适配层，千兆比以太网（GE）是选择之一。

　　承载IP业务最好的是以太网，以太帧采用IEEE802.3协议，在路由器接口无需任何映射、分段组装和比特塞入以及扰码操作，与两端主机的帧格式也相同。因此，在相对于骨干网传输距离较短的城域网采用GE路由交换和DWDM技术直接在光缆网架构宽带IP网时，采用GE格式较SDH格式更为经济、高效。因此，GE over DWDM是目前最适合IP over WDM的方案，将GE与WDM技术结合在光纤网上直接架构成宽带IP城域网，现在采用GE，以后可能将采用速度更快10Gbit/s、传输容量更大的GE。

3 GE over DWDM实现的技术分析

　　在城域网中采用DWDM技术，可以一种灵活、渐进的方式向用户提供多种类型的业务。DWDM的业务透明性可以承载诸如以太网、ATM、POS等数据，用不同的波长来支持不同类型的数据。光层提供了独立于业务类型的传送结构，同样，DWDM提供了在一根光纤上可传输不同速率的数据通道。这一点在城域环境中非常重要，因为城域网中有许多不同的业务和不同的速率。DWDM的透明性和分插复用功能可以允许业务提供者直接上下某一个波道，而不用转换原始信号的格式。

　　GE数据在DWDM系统上如何进行传输呢？其基本工作方式如下：在发送端将数据交换机、路由器等设备发出的GE光信号送给波长转换板进行光／电转换，变为电信号。此电信号分为两路，一路送给媒介访问控制（MAC）芯片，一路去调制具有特定波长的激光器。通过MAC芯片可以获取网上的传输情况（如数据包流量和错误的数据包数量），可以很方便地在传输网管设备上观察到网络的运行情况，及时查找传输线路故障。经过波长激光器调制的GE光信号同其他波长的光信号复用送入一根光纤中传输。在接收端通过分波器将各个波长的光信号从一根光纤分出，送给不同终端。分出的GE光信号同样送给波长转换板进行光／电／光转换，并在电层用MAC芯片监视传输情况，最后将GE光信号送到交换机、路由器等设备，完成GE over DWDM的全过程。

　　目前，QoS、流量工程、自愈恢复等完全靠路由器通过多协议标签交换（MPLS）等协议完成。这对路由器构成很大的压力，限制了性能的进一步提高。发展趋势是：采用由波长路由器和DWDM系统构成的光核心网和设置在边缘的以太网路由器构成的宽带城域网，边缘则为GE或10GE，在城域DWDM系统中每一路GE数据流安排在一个波长上进行传输。采用多协议波长交换（MPλS）等协议提供QoS，这样可以减少对路由器性能要求的压力，提供更高的性能。

4 IP over WDM的自愈保护

　　GE over DWDM不用SDH层，当光缆环路被切断时如何能够像SDH一样在50ms内完成自愈恢复是需要解决的问题。目前在网络的第1～3层均有解决方案。

　　SDH网以冗余备份来增加生存性，在传输网络的核心建立故障容错系统需要大量地增加冗余。GE over DWDM也可采用与SDH类似的自愈恢复方法，如进行通道保护，将GE光信号经两个波长转换板沿不同路径传输，在接收端采用两个接收板，根据业务情况选择其一接收，此方式的保护倒换时间小于50ms。

　　WDM网络自愈机制可以对诸如光缆断裂、光交叉连接设备（OXC）损坏这样的大容量失效进行有效恢复，并且恢复速度很快。构造WDM自愈网络有两个主要方案：在物理层网状网拓扑结构中应用OXC构造自愈网；在物理层环网拓扑结构中应用光分插复用设备（OADM）构造自愈网。

　　环网结构的WDM自愈网络与网状网结构的WDM自愈网络相比，具有以下优势：

① 由于OADM节点要求非常简单的倒换功能，比OXC更加经济；

② 由于OADM具备相对较少的倒换步骤，OADM简单的功能结构使得网络的透明性增加，因此网络的光损耗降低，跨距增加；

③ 由于环网结构简单，环网采用共享备用资源的保护方式可简洁快速地进行保护。通过环网的互联，若干个环网可以组成一个规模较大的网络。

　　与SDH系统相类似，WDM环网存在线路保护倒换环和波长通道保护倒换环两种保护模式。线路保护环主要有2纤单向线路保护环和4纤（2纤）双向线路保护环。在线路倒换中，故障的恢复是在故障出现处的相邻节点之间进行。波长通道保护倒换是基于逐个波长的保护，因为光纤上的各个光通路（波长通路）具有不同的源节点和终节点，该保护不可能同时对所有由于光纤的切断而受损的波长信号进行处理。在通道倒换中，光通路故障的恢复是在这个光通路的源节点和终节点之间进行。

　　WDM网络自愈机制存在的局限性是无法恢复IP网络的失效（如IP路由器失效）。而IP网可以利用其特有的容错、自愈能力，在网络设计中就已经考虑了网络状态的动态变化，并设计了完整的动态路由协议。通常认为，完全依靠路由协议实现IP网络自愈恢复所花费的时间为秒级，这样低速的切换在超高速网络上会导致网络数据的大量丢失。但是，目前已经提出了多种第3层自愈恢复方法，例如采用MPLS后，也可以做到恢复时间小于50ms（参见www.cisco.com中关于12016 GSR的说明），这样，使IP over WDM的自愈恢复性能更前进了一步。

5 结束语

　　对于城域传输网，不论单路或多路DWDM的IP over WDM系统，GE都是比较好的选择，具有成本低、性能高的优势。而采用POS实行SDH分帧的方法是一种高成本、低效率的方案，采用155Mbit/s或622Mbit/s速率不仅传输速率比GE低，且设备成本高很多，采用2.5Gbit/s接口，价格也高得令人无法接受。

　　随着WDM技术的发展、10GE标准和产品的即将面世，10GE over DWDM对于构建宽带城域传输网是最具发展潜力的技术，其应用将不断增加。未来的网络将基于分组的协议，数据交换机和高速路由器直接通过光网络的DWDM设备相连接，以1.25Gbit/s或10Gbit/s的速率进入网络，应用于话音和低速数据的SDH复接设备就不再需要。但这是长远的目标，在目前技术条件下，大规模在城域网中采用IP over DWDM技术还需要全盘考虑，GE不是多业务技术，它缺乏时分复用（TDM）能力，因此SDH会在一个很长的时期内继续存在，特别是对于数据量不算太大、以电路交换为主的城市，这就需要采用多业务混合传输网的方案，让一部分波长运载10GE，另一部分波长运载其他业务流量，比如SDH、ATM以及多个GE数据流。