纵论城域网

中国电信集团公司总工程师 韦乐平

城域网究竟为何物

　　从历史上看，城域网（ＭＡＮ）最初产生于局域网互连和数据新业务发展的需要，以后随着形势的变化逐渐发展成为各类不同背景新兴运营公司的区域性多业务通信网，传统电信运营公司也开始在其相应的局间中继网范围大量建设类似的多业务区域性通信网。近来城域网已经成为社会和业界关注的热点和竞争要点。然而，究竟城域网的内涵是什么？该怎样发展？或众说纷纭，或人云亦云，十分混乱，每个不同社会背景和技术背景的人都有自己的说法和注释。

　　从基本特征看，城域网是一种主要面向企事业用户的、最大可覆盖城市及其郊区范围的、可提供丰富业务和支持多种通信协议的公用网，实际是一种带有某些广域网特点的本地应用型公用网络。可以说城域网的关键特征是公用多业务网，由此带来了一系列有别于其他网络的特点。城域网既不同于局域网，又不同于广域网。城域网与局域网的主要区别首先是网络性质的不同，局域网是企事业专用网，而城域网是面向公用网应用和多用户环境的，因此有严格的要求；其次是传输距离的扩展，典型局域网的传输距离为数公里，而城域网范围可扩展到５０～１５０公里；最后是业务范围的扩展，典型局域网通常主要提供数据业务，而城域网的业务范围不仅有数据，还有语音和图像，是全业务网络。

　　城域网与广域网或长途网的主要区别首先是容量，广域网或长途网要求很高的容量，而城域网只需中等容量即可；其次是覆盖距离的缩小，典型广域网或长途网的传输距离可达数千公里；再有是支持的客户层信号不同，广域网或长途网目前只支持ＳＤＨ，将来预计也只有ＳＤＨ和以太网，而城域网需要支持各种客户层信号，而且要能很快地提供客户层信号所需的带宽；最后是容许的成本不同，广域网或长途网的高容量可由成千上万的大量用户共享，因而可以容许较高的成本，而城域网不行。特别是城域网的成本关键是节点，而非线路，而长途网恰好相反。

　　近几年来，随着骨干网容量和接入网容量的大幅度提升，网络的容量瓶颈已经逐渐转移到城域网，特别是电子商务，关键企事业业务（诸如外联网、主机托管、存储域网、灾难恢复等）的外包，局域网互连，ＰＯＰ间或ＰＯＰ内的互连，高速数据传送，上网浏览，点播电视，会议电视等新旧业务和应用的发展进一步促进了城域网的发展。

　　总的看，城域网是高度竞争和开放的网络环境，受用户和应用驱动，基本特征是业务类型多样化，业务流向流量的不确定性。它不仅是传统广域网与局域网的桥接区或传统长途网与接入网的桥接区，也是底层传送网、接入网与上层各种业务网的融合区，还是传统电信网与数据网的交叉融合地带乃至未来的三网融合区，因而各种不同背景的技术在此碰撞交融，往往会在复杂的融合过程中产生新的衍生体。多样化将是城域网有别于长途网的重要特点，而丰富的应用是城域网能持续发展的原动力。

　　突破带宽的瓶颈

　　目前城域网的主要问题首先是带宽瓶颈。在其用户侧，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。在其长途网侧，由于高密度ＷＤＭ技术的发展，容量已经扩展了几个量级。目前商用化系统的容量已达１．６Ｔｂ／ｓ，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和电路交换机提供话音和专线业务，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、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，进而常常不得不重新设计和重新建设网络。

　　四种典型解决方案

　　目前，城域网解决方案主要有四大类，第一类是以ＳＤＨ为基础的多业务平台；第二类是基于第二层交换和第三层选路的方案，主要指以太网解决方案；第三类是城域网用ＷＤＭ方案，即以ＷＤＭ为基础的多业务平台；第四类是以ＡＴＭ为基础的多业务平台方案。

　　 方案之一：以ＳＤＨ为基础的多业务平台

　　以ＳＤＨ为基础的多业务平台的出发点是充分利用大家所熟悉和信任的ＳＤＨ技术，特别是其保护恢复能力和确保的延时性能，加以改造以适应多业务应用，支持层２和／或层３的数据智能。基本思路是将多种不同业务通过ＶＣ级联等方式映射进不同的ＳＤＨ时隙， 而ＳＤＨ设备与层２和层３乃至层４分组设备在物理上集成为一个实体。结果是减少了机架数、机房占地、功耗、架间互连，简化了电路指配，加快了业务提供速度，改进了网络扩展性，节省了运营维护和培训成本，还可以提供诸如虚拟专网（ＶＰＮ）或视频广播等新的增值业务。特别是集成了ＩＰ选路、以太网、帧中继或ＡＴＭ后，网络可以通过统计复用和超额订购业务来提高ＴＤＭ通路的带宽利用率和减少局端设备的端口数，使现有ＳＤＨ基础设施最佳化。最后，ＳＤＨ多业务节点还可以方便地完成协议终结和转换功能，使运营者可以在网络边缘提供多种不同业务，而同时将这些业务的协议转换成其特有的骨干网协议。

　　具体实施时可以将ＡＴＭ边缘交换机、ＩＰ边缘路由器、终端复用器（ＴＭ）、分插复用器（ＡＤＭ）、数字交叉连接设备节点和波分复用（ＷＤＭ）设备结合在一个物理实体上，统一控制和管理。

　　从各类具体设备支持数据承载的实施方案看，该方案可以大致分为四类。第一类称为多层ＳＤＨ交换结构，是在标准ＳＤＨ ＴＤＭ交换结构基础上实施统计复用。第二类称为混合的多交换结构，内部具有分离的ＴＤＭ交换结构和数据交换结构。第三类称为单交换结构，即内部使用单个非ＴＤＭ交换结构来支持混合的ＴＤＭ和数据业务。第四类是所谓轻便的ＳＤＨ（ＳＤＨ ｌｉｔｅ） 方案，完全消去了传统的ＳＤＨ ＴＤＭ结构，直接在ＷＤＭ上运行。

　　总的看，ＳＤＨ多业务平台最适合作为网络边缘的融合节点支持混合型业务量特别是以ＴＤＭ业务量为主的混合型业务量。它不仅适合缺乏网络基础设施的新运营者，应用于局间或ＰＯＰ间，乃至大企事业用户驻地。即便对于已敷设了大量ＳＤＨ网的运营公司，以ＳＤＨ为基础的多业务平台可以更有效地支持分组数据业务，有助于实现从电路交换网向分组网的过渡。

　　目前多数这类解决方案涉及多层帧的映射而导致带宽效率低下，开销处理复杂。此外，这种方案基于同步工作，抖动要求严，设备成本较高。再有，这种结构带宽配置时间仍较长。最后，同时管理多个面向连接和无连接网不仅困难，而且管理成本较高。从长远看，特别是数据业务成为网络的主导业务类型后，这种解决方案不是一种有效的方法。

　　方案之二：基于以太网的方案

　　第二类是基于层２交换和层３选路的方案，主要指以太网解决方案。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。然而，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，并且应用多年，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。再者，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。此外，以太网是具有很好扩展性的解决方案，其速率可以从１０Ｍｂ／ｓ、１００Ｍｂ／ｓ、１Ｇｂ／ｓ一直扩展到１０Ｇｂ／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。尤其值得一提的是，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。

　　尽管从长远看，一个端到端的以太网是不可避免的，但演进的路线却不止一条。对于没有基础设施的新兴运营者可以租用暗光纤从头建设自己的网络，完全旁路现有的ＳＤＨ和ＡＴＭ基础设施。对于已经拥有ＳＤＨ和ＡＴＭ基础设施的运营者来说，问题就没有那么简单，须仔细研究、分步骤逐渐演进。

　　然而，原来以太网用于局域网，ＱｏＳ不是问题，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。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，保护功能也难以实现。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需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。

　　方案之三：城域网ＷＤＭ方案

　　第三类是城域网用ＷＤＭ解决方案，随着技术的进展和业务的发展，ＷＤＭ技术正从长途传输领域向城域网领域扩展，当然，这种扩展不是直截了当的，需要针对城域网的特定环境进行改造，其主要特点和要求可以归结如下几个方面。

　　首先，采用ＷＤＭ后，容量有了大幅度的增加，至少几十倍，且可以提供某种形式的ＷＤＭ环保护。其次，应用ＷＤＭ后容许网络运营者提供透明的以波长为基础的业务。这样用户可以灵活地传送任何协议和格式的信号而不受限于ＳＤＨ格式。特别是对于应用在城域网边缘的系统，直接与用户接口，需要能灵活快速地支持各种速率和信号格式的业务，因而要求其光接口可以自动接收和适应从１０Ｍｂ／ｓ 到２．５Ｇｂ／ｓ范围的所有信号。而对于应用在城域网核心的系统，则将来有可能还会要求支持１０Ｇｂ／ｓ的ＳＤＨ信号和１０Ｇｂ／ｓ的以太网信号。最后，城域网ＷＤＭ系统还应具备波长可扩展性，新的波长应能随时加上而不会影响原有工作波长。这样，系统可以通过简单地增加波长而迅速提供新的业务，极大地增强了运营者的市场竞争能力。

　　城域网ＷＤＭ系统的主要不足之处在于不能有效灵活地将低速率信号汇聚进较昂贵的波长通路；此外，不能动态地配置波长，实现光层灵活连接；最后，目前其成本仍然较高。

　　总的看，城域网ＷＤＭ的演进可以分为下述几个步骤：初始在城域网敷设ＷＤＭ的主要目的是解决城域网枢纽点光纤耗尽的问题。第二步是逐步敷设ＯＡＤＭ形成光自愈环，将大量现有的ＳＤＨ自愈环汇聚到光自愈环。第三步是引入ＯＸＣ互连大量的光自愈环形成光网状网结构，从而带来网状网结构的大量好处，还能提供端到端波长业务。当然在合适的阶段需要在ＯＸＣ的基础上引入自动交换光网络（ＡＳＯＮ）进一步实现动态分配部署波长通路以适应ＩＰ业务量的需要。

方案之四：以ＡＴＭ为基础的多业务平台

　　ＡＴＭ是一种出色的多业务平台技术，而且由于其固有的设计已经充分考虑了业务的ＱｏＳ问题，因此可以为ＩＰ或其他任意客户层信号提供面向连接的、带宽可控、安全性好、延时小的高质量业务。特别是目前在城域网中应用的ＡＴＭ ＶＰ环技术利用在ＳＤＨ骨干网上为ＡＴＭ业务量生成虚通道ＶＰ的方式可以使ＳＤＨ网更有效地承载数据流。

　　对于未来网络最重要的ＩＰ客户层信号而言，将ＩＰ与ＡＴＭ结合可以综合利用ＡＴＭ的速度快、颗粒细、多业务支持能力强的优点以及ＩＰ的简单、灵活、易扩充和统一性的特点，达到优势互补的目的。由于ＡＴＭ具有固定的信元长度，又工作在链路层，因而是速度最快的分组交换技术。这种技术具有较强的流量工程能力，可以为不同类型的业务流建立不同的通道，根据业务流负荷和阻塞情况疏导不同链路，确保实时业务的ＱｏＳ。然而其主要缺点是网络体系结构复杂重复；传输效率较低。在网络扩展性方面，ＡＴＭ的分段和组装（ＳＡＲ）功能将随着接口速率增加而变得十分复杂困难，速率难以提高。此外，ＡＴＭ的连接建立信令较复杂，选路灵活性不高；硬件投资高，运行维护管理复杂，特别是作大型路由配置时耗时耗力；对于较短的数据包，链路建立时间远长于网络数据传输延时，其间无法传数据，在高速条件下成为重要的带宽损失。

　　简言之，以ＡＴＭ为基础的多业务平台最适用于多业务电信环境以及服务质量要求较高的ＩＰ业务，主要应用于网络边缘多业务的汇集和一般ＩＰ骨干网。由于其扩展性受限，高业务量下的性能表现不理想，ＡＴＭ ＶＰ环也不支持网状网结构，因而以ＡＴＭ为基础的多业务平台不太适合超大型ＩＰ骨干网应用。一般说，对于那些已经敷设了核心ＡＴＭ网而计划扩展到网络边缘的大型电信运营公司，ＡＴＭ ＶＰ环不失为一种可选的解决方案。但是对于预计近期ＩＰ业务量会持续大幅度攀升，网络规模需要大幅度扩展的情况，则以ＡＴＭ为基础的多业务平台不是一种长远解决方案。

　　总之，面对复杂动态的城域网应用环境，上述四种方案都将在特定应用场合或时间获得应用，共同构成完整的城域网解决方案。对于多数运营公司而言，近期选择以ＳＤＨ为基础的多业务平台方案为主，以ＡＴＭ为基础的多业务平台方案为辅是稳妥的可持续发展的策略；而中长期则可过渡到以第二和第三方案结合的形式为主，即边缘以基于层２交换和层３选路的方案为主，而核心以城域网ＷＤＭ方案为主并在适当时机引入ＡＳＯＮ进一步实现动态分配部署波长通路以适应ＩＰ业务量的需要。

　　最后需要指出，城域网的技术选择以及发展的速度和规模最终取决于应用，而不是人为炒作和盲目跟进。跟踪国际发展趋势，立足国情，把握网络发展的衔接性和可持续发展性，积极开展现场试验，认真解决技术问题，制订周全的发展规划，开发大量新的应用是城域网得以持续发展的真正动力。

摘自《中国电信网》