城域网新解决方案及比较

刘学 吴重庆 陶滢 张广思

北方交通大学
　摘要：首先给出对下一代城域网的要求，接着重点阐述了城域网的三种新方案：Gbit以太网，基于标签的光突发交换（LOBS）及弹性分组环（RPR）；并分析各种技术的优缺点。

　 关键词：以太网，光分组交换，LOBS，RPR。

1． 概述

　 目前城域网的主要问题首先是带宽瓶颈。在用户侧,由于低成本吉比特以太网的出现和发展,局域网的速率上了一个大台阶。在长途网侧,由于DWDM技术的发展,商用化系统的容量已达Ｔｂｉｔ／ｓ。而中间的城域网／接入网成为全网的带宽瓶颈。其次是城域网存在多个重叠的网络。一方面,目前多数运营公司通过ＳＤＨ和电路交换机提供语声和专线业务,而通过ＳＤＨ和分离的帧中继、ＡＴＭ和ＩＰ网提供数据业务,分离的网络和网络技术往往需要分离的网管系统和人员,以及不同的配置和计费系统,导致高设备成本和高运行成本以及费时耗力的业务提供。另一方面,用户必须通过不同的接入技术和线路获取不同的业务,不仅麻烦,而且费用高。再有,目前城域网底层多数采用ＳＤＨ作传送平台,利用这种为电话业务设计的ＳＤＨ固定带宽来传送突发数据业务时不仅效率低下,而且改变带宽往往意味着改变物理接口甚至改变了业务类型。这样企事业用户需要改变业务时常常不得不重新设计和重新建设网络。

　 对下一代城域网的基本要求可以总结为:

　·希望采用单一公共平台支持多协议多业务,中间层最少;

　·目前应该有效支持从电路交换网向分组网的过渡,将来应该对ＩＰ传送最佳;

　·希望网络的链路容量和节点数可以不受限扩展;

　·具有光的透明性,适应各种现有和将来可能出现的协议和业务;

　·具有拓扑灵活性,可快速扩展业务;

　·可以实现快速业务指配;

　·集成的、标准的、易用的网管系统;

　·支持以传统语声业务为代表的实时业务;

　·价格低（包括初建和维护）。

2． Gbit以太网

　 事实上,以太网并不是一种纯粹的新技术,而是一种"老的新技术",主要用于企事业网络。采用以太网作为企事业用户接入手段的主要原因是已有巨大的网络基础和长期的经验知识、目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的、性能价格比好、初始成本和运营成本均较低、扩展性好、容易安装开通以及高可靠性等。以太网接入采用异步工作方式,很适于处理ＩＰ突发数据流,技术已有重要变化和突破（ＬＡＮ交换，星形布线,大容量ＭＡＣ地址存储等）,与传统的以太网相比,其面貌已大为改观。特别是从共享媒质转向了枢纽或星型结构并采用ＬＡＮ交换后,在相当程度上实现了计算机间的信息隔离。更重要的是使以太网从此转向全双工传输,消除了链路带宽的竞争和潜在的碰撞机会。由于采用专用的无碰撞全双工光纤连接,还可以使以太网的传输距离也大为扩展。近来以太网最重要的动向是向城域网乃至广域网的扩展。从技术上看,以太网是一种很简单的解决方案,只需要最少量的规划、设计和测试工作。应用多年,为用户熟悉,业务指配时间可以减少到几个小时或几天。其次,以太网是标准技术,互换互操作性好,具有广泛的软硬件支持,成本低。有人预测,在城域网和广域网上,以太网成本可能只有ＳＤＨ和ＡＴＭ的２５%和１０%。最后,以太网是与媒体无关的承载技术,可以透明地与铜线对、电缆和各种光纤等不同传输媒体接口,避免了重新布线的成本。从结构上看,以太网正以前所未有的端到端解决方案面目出现,消去了其他解决方案所必不可少的网络边界处的格式变换,减少了网络的复杂性。其次,以太网是具有很好扩展性的解决方案,其速率可以从１０Ｍｂｉｔ／ｓ，１００Ｍｂｉｔ／ｓ，１Ｇｂｉｔ／ｓ一直扩展到１０Ｇｂｉｔ／ｓ。从管理上看,由于同样的系统可以应用在网络的各个层面上,因此,网络管理可以大大简化。此外,由于很多用户已经熟悉了以太网,因此培训工作简化,新业务可以拓展得更快。近来,１０Ｇｂｉｔ／ｓ以太网的出现和发展使以太网技术能在基本保持传统以太网帧结构的基础上使容量又有了大幅度提升。而且还能与现有的ＳＤＨ网在１０Ｇｂｉｔ／ｓ速率上实现互操作,在历史上首次提供了跨越局域网、城域网和广域网的统一的开放的标准平台。

　 然而,原来以太网是用于局域网的,ＱｏＳ不是个问题,当试图扩展应用到公用电信网时需要提供随用户而异的ＱｏＳ,而目前以太网还没有机制能保证端到端性能,无法提供实时业务所需要的ＱｏＳ和多用户共享节点和网络所必需的计费统计能力。其次,以太网原来是为局域网企事业用户内部应用设计的,缺乏安全机制保证。即便有需求也是由高层协议来处理。当扩展到ＭＡＮ和ＷＡＮ以后,上述利用高层协议的处理方法就无法接受了,需要开发新的安全机制。第三,以太网主要用于小型局域网络环境,网管能力很弱,且目前只有网元级的管理系统。而在公用电信网中,必须有效地运行和维护大规模的地理分散的网络,需要有很强的ＯＡＭ&Ｐ能力和网络级的管理能力和视野。第四,以太网交换机的光口是以点到点方式直接相连的,省掉了传输设备,无法提供故障定位和性能监视,不支持环回测试方式,保护功能也难以实现,光纤线路成本随节点数增加而迅速增长。最后,尽管以太网作为局域网应用是一项久经考验的技术,但是用于公用电信网特别是广域网环境仍然是一项未经测试的新技术,其设备是否能提供大型电信级公用网所必须的硬件和软件可靠性也需要实践和时间的验证。总的看,只有妥善地解决了上述主要问题后,传统以太网才能顺利地应用于大型公用电信网环境。

3． 基于标签的光突发交换（LOBS）

　 基于波长选路的光网络仍然没有摆脱电路交换方式的羁绊，交换粒度太粗（一般为波长级）。如果用它来承载以包为代表的呈爆炸式增长的数据业务，则缺乏灵活性且对光学带宽的利用率极低。相反，虽然分组交换技术在灵活性和带宽利用率方面表现出独有的优势，而且能够以非常细的交换粒度按需地共享一切可用的带宽资源，但又由于光的分组+包交换一直面临成本和一些难以克服的技术障碍，如分组同步技术、分组+包冲突（对资源的竞争）问题以及合理高效的交换结构和分组格式，因而一时也不能进入实用阶段。过去对分组交换技术的研究主要集中在对长度固定的分组+包的交换技术上，但鉴于目前光信号处理技术尚未足够成熟，因而无法实现全光分组交换的实际情况，同时为了克服交换中的电子瓶颈问题和提高带宽利用率，目的在于传输和交换在光域里完成，路由和转发在电域内对低速率控制信息进行处理。这时，一种基于标签的光突发交换技术凸现出来，这种技术集光的"电路交换"和光的分组交换之优点于一体，同时又有效克服和避免了二者的不足之处。

　 基于标签的光突发交换技术仍是一种IP via MPLS over WDM技术。使用光突发交换技术的网络中的基本数据交换/传输单元是由大量分组所构成的突发数据流。在这种网络结构中有两种光分组数据流：包含路由信息的控制分组和承载业务的数据分组。控制分组中的控制信息要通过网络节点的电子处理，而数据分组不需光电/电光转换和中间节点的电子转发，直接在端到端的透明传输信道中传输和交换。控制分组在WDM传输链路中的某一特定信道中传送，每一个突发的数据分组对应于一个控制分组，并且控制分组先于数据分组传送，节点通过"数据报"或"虚电路"路由模式来为突发数据流指配空闲光信道，实现数据信道的带宽资源动态分配。先一步传输的控制分组在中间节点为要传输的突发数据流预定好了必要的网络资源，并在不等待目的节点的确认信息（就像在EFA中的虚电路的建立过程）的情况下就立即发送该突发数据流。

　 这种将控制分组数据信道与控制信道隔离的方法简化了突发数据交换的处理，且控制分组长度非常短，因此使高速处理得以实现。光突发交换技术只需要很少的处理和比纯粹分组交换（由于是逐个分组地进行交换，所以对同步要求非常严格）低得多的同步开销处理水平，就可以最充分地利用网络的带宽资源，因此在突发交换网络中，节点的处理负荷相对于分组交换来说得到了大幅度的降低。

　　 突发交换与分组交换和电路交换技术相比较，有以下优点：交换粒度大于分组交换小于电路交换；带宽建立后无需目的端的确认，时延小；突发数据流直接通过中间的交换节点，而分组交换必须在每一个中间节点上进行存储#转发操作。

　 另外，光突发交换可设置突发数据流与控制分组之间的偏置时间（即数据流的等待时间），也就是在传输过程中可以根据链路的实际状况用电子处理方式对突发数据流相对于控制分组的时延作调整，因而控制分组和数据流都不需要执行光同步和光存储，而且可以执行QoS功能。可以看出，这种突发交换技术充分发挥了现有的光子技术和电子技术的特长，实现成本相对较低、非常适合于在承载未来的具有高突发性数据业务的局域网中应用；超大容量的光突发数据流交换技术同样可用于构建骨干网和城域网。

　 基于标签的光突发交换技术与多协议波长交换技术在吸收MPLS标签交换技术方面的基本思路是一致的，所不同的主要是基于标签的光突发交换使控制信道和数据交换信道分离，标签信息在控制包中；而且这时在波长信道上所承载的数据是由多个IP包组成的突发数据流而不是单个数据包。在基于标签的光突发交换网络中，每一个控制包/分组由控制信息和标签构成，并作为一个普通的IP包在运行了LDP而预先建立起来的一个基于标签的光突发交换通路上被传送，该通路就类似于标签交换通路。在基于标签的光突发交换入口节点将多个IP包组装成突发数据流，然后该突发数据流就在由节点对控制包中的标签进行处理后建立起来的相应波长通道上传输。在数据流的整个转发过程中，都无需进行任何电子操作而完全在光域上执行，其它的标签操作均类似于多协议波长交换实现方案。

　 在基于标签的光突发交换中每一个突发数据流对应一个标签，在每一个交换节点上都对标签信息、波长号、偏置时间等控制信息执行电处理操作，因此不同标签交换通路上的突发数据流无需进行光/电/光变换就完全可以进行业务整合。光突发交换的技术难点是寻找合适的带宽接入控制协议，即控制分组与突发数据流之间的协调问题，也就是拆除一次通信连接的时机问题。目前主要采用以下三种方式：RFD该方式由控制分组中的偏置时间来决定目前带宽所预留时间的长短，到时立即拆除连接，其优点是无信令开销、易实现带宽资源的动态分配、资源利用率高，基于该方法的一个杰出的具有代表性的协议是JET协议；另一种是TAC，该协议是先发送控制分组来预留带宽，当发送完突发数据流后再发送用于释放连接的分组来拆除连接；还有一种协议是IBT，该方式是在突发数据流之后紧跟着IBT标识，整个过程是由控制分组来预留带宽，由IBT标识来拆除连接，因此最大的技术挑战是IBT标识的全光再生技术。

4． 弹性分组环（RPR）

　 RPR(Resilient Packet Rings) 是由IEEE 802.17工作组正在开发的一个标准，以优化在MAN拓扑环上数据包的传输。该技术结合IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率和可靠性。利用空间重利用技术、统计复用和保护环提高了带宽的利用率；充分简化了网络层次，消除了网络功能上的重复性，使得协议开销最小；同时还支持业务分级（SLA）以及即插即用等特性，实现了节点对网络资源的公平利用。

　 网络拓扑基于两个反向传输的环，相邻节点通过一对光纤、一对自WDM链路分插出的波长、一个SONET/SDH可拆卸OC-n电路以及其它双向连接媒介连接并可采用WDM进行扩容。以该拓扑结构为基础，每个RPR节点支持两个环端口：一个支持与左边邻近节点的连接，另一个支持与右边节点的连接，节点仅需掌握两个端口的光路状态。RPR的内环和外环都做为工作通道来传送RPR协议封装的数据帧和控制帧。控制帧可与数据帧在同一环传输，也可在另一环传输。但仿真结果表明：后一种更可靠。从网络结构可以看出，RPR支持单播、多播和广播传输，因此更利于数据业务的传送。此外，当发现节点网元或光纤传输失效时，RPR执行快速自动保护倒换机制，数据会在50ms内转换到无故障的通道，这样就提高了网络的健壮性。

　 RPR的基本结构是一个缓存器插入环BIR，在任何一个节点都存在三个缓存器，即发送缓存器，接收缓存器和转发缓存器。到达节点的帧如果通过地址匹配认为是目的地是本地，则把帧接收到本地接收缓存器，如果目的地不是本地，则通过转发缓存器发出。而本节点要发送的帧则通过发送缓存器发送数据。在单播的情况下，RPR支持空间重利用协议，即不同用户间的数据帧可以经由环上不同的路径同时在环中传输，这是由于所传输的数据帧是在目的节点而不是象FDDI那样在源节点剥离开网络。

　 通过结合第二层简单的交换技术和现代光网络设备传输能力、带宽有效性和低的协议开销等性能，RPR体现出很多优点。总结如下：

　 1、带宽利用率高：

　 与传统的SDH相比，RPR通过统计复用技术、空间重新利用技术及暗光纤的利用大大提高了带宽的利用效率；

　 2、快速而稳健的自愈能力：

　 RPR可以提供在故障出现后50ms时间内的自动保护倒换，为用户提供了99.999%的服务时间。此外，业务流的优先级机制确保了优先级高的业务流能够得到适当的处理以满足实时性业务的需求。

3、为业务提供服务简单快捷：

　 RPR可以实现在不同节点上不同的业务分布式接入。分布式接入、快速保护倒换和网络服务功能的自动重建为节点的快速插入和删除提供了即插即用机制。

　 此外，RPR的数据通信速率可达1~10Gbps；RPR网络支持SLA，可满足用户对服务等级的严格要求，支持端到端的传输服务等级；充分简化了网络层次，消除了功能上的重复性；易管理和操作，对资源和流量都采用分布式的方式进行管理，管理信息丰富；RPR还可以及时提供新服务和迅速对网络进行升级。

　 5． 结论

　　城域网应满足快速、经济、有效的为用户提供有QoS保障的服务，其建设即要保持与原有的网络兼容，也要考虑到业务接入的多样性和网络的可持续演进。本文在阐述三种新的解决方案不难得出：Gbit以太网简单、经济等优点，但QoS和网管需进一步解决才更适合于WAN。LOBS的带宽高、协议开销少，不过成本高和技术的不成熟目前还不能大量用于WAN。RPR是应下一代MAN的要求而设计的。RPR由于其集IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率和可靠性于一身，随着标准化工作的进一步开展和市场的进一步扩大，RPR必将成为满足新一代宽带IP MAN所采用的最佳技术之一。

摘自《电信建设》