下一代高容量城域网构架及其关键技术

摘要　介绍了一种结合高速可调器件和波长路由的新型下一代高容量城域网技术构架，并对其媒体访问控制、公平协议、生存性协议等关键技术进行分析。

关键词　城域网　波长路由　媒体访问控制

1、引言

目前世界范围内得到广泛应用的城域网技术体系结构主要有SDH、以太网，它们使用波分复用(WDM)技术扩容到1Tb/s时除了有前述的成本问题外，还有各自应用于城域环境时的缺陷：SDH是面向电路的时分传输体系，但在分组时代，传输数据业务时则显得效率不高；以太网天生地适合于分组数据传输，但又很难应用于环形拓扑上，也没有充分利用环的能力，并且在服务质量(QoS)，可靠性和可扩展性方面不能满足电信级的要求。

刚被IEEE 802.17标准化的弹性分组环(Resilient Packet Ring，RPR)技术则高效地支持环形拓扑以及当光纤失效和链路失败时的快速恢复；同时，能提供像以太网那样的高效、简单、低成本的数据业务传输。RPR也可以利用WDM扩容(RPR over WDM)，是被广为看好的城域网技术。但是RPR的设计并没有考虑到利用波长路由，从而当容量到达1Tb/s时，波长数会增到数十以上，每个节点需要大量的发送器和接收器，成本很高。并且分组ADM必须设计成能从双向数十个以上波长接收数据分组，同时传输排队要设计成向双向的数十个以上波长发送数据分组的结构，这种设计无疑是极其昂贵的。

随着高速可调器件的成熟，再结合波长路由，一种新型的高容量城域网体系结构便成了很有竞争力的解决方案。

2、新型下一代高容量城域网构架

这种新型的高容量城域网体系结构如图1所示：是一个2光纤双向环拓扑，节点使用快速可调分组发送器把分组插到环上，该分组使用目的节点接收的波长传输。每个节点都只从环内接收唯一波长的数据分组。由于业务在路过中间节点时是层1光直通的，无需被中间节点处理，所以可以极大地减少端到端时延，并更容易扩展到更高的速度上去。

考虑图示的例子，节点I想传输两个分组，一个到节点0和一个到节点1。假设节点O在波长λ0上接收分组，节点1在波长λ1上接收分组。传输节点I把它的发送器调到波长λ0，并插进目的地是节点0的分组。接着把它的发送器调到波长λ1并插进目的地是节点1的分组。到节点O的分组的波长与其它节点可以接收的波长不一致，所以它在环上以光的形式传输直达节点O，在那里最后被接收并处理。到节点1的分组也是同样的过程。

在RPR over WDM体系里，这两个分组都会被途经节点接收，转换为电信号，传到分组ADM，然后在源和目的之间的每个节点转发。这样RPR over WDM节点因为它们必须接收、处理和转发所有经过的分组，需要极多的设备。而在新型构架里节点仅需要处理发到它的分组，可以极大地减少设备从而简化结构并降低成本。

3、新型构架的关键技术

新的体系结构需要新的协议，比如媒体访问控制、公平协议、生存性协议等，这些都是这种新型体系结构的关键技术。

3.1　MAC协议

由于在波长路由里的分组ADM处理与目前的任何商用网络的ADM处理完全不同，必须发展一个从MAC协议开始的新型适合数据链路层协议。该MAC协议的主要功能是防止发送器在节点上插入数据分组的冲突。为了避免冲突，MAC协议应该监视节点经过的WDM业务，确定波长可用信息，并通知发送器在特定时刻哪个波长是允许使用的，以使得发送器不会插入经过节点的携带其它数据分组的已用波长。实现MAC协议最困难的地方是获得经过节点的WDM波长状态信息的办法(即可用波长信息)。

一个方案就是集中所有的控制和处理到网上的一个主节点，而主调度程序则把整个环网当成是一个高容量的分组交换。各节点向调度程序请求传输，调度程序决定所有请求的最佳计划，然后通知要发送包的各节点。从原理上看来，这是个理想的方案，因为它可以避免冲突，并能为传输数据分组决定最公平的可能计划。但是因为网络的总交换业务超过1Tb/s，实际上这种方案的实现极度困难。另外，由于网络扩展的巨大地理面积也会造成很多困难的产生：要一个1Tb/s容量的分组交换刚好接收目前的信息并立即传达计划到发送器，这当然不是一个方圆几十公里的网络所能实现的事情。

第二个方案是，要发送数据的节点向目的节点传输请求，然后等候接收。只有当它接收到目的节点可以接收信息它们才发一个数据分组。理论上，这样保证了冲突不会发生，并且网络对所有用户都是公平的，但是当网络地理面积大时的可实现性问题仍然存在。

而目前技术比较可行的方案是：借鉴于传统光网络里的光管理信道(OSC)，使用一个控制信道传送波长可用信息。在WDM网络里控制信道使用自己的波长。这个控制波长在每个节点都被发送和接收，以使得所有节点都可以处理和更改控制信道。在每个帧里，位流携带跟随的帧的可用波长信息。这样节点就可以知道即将到来的帧的情况，从而可以解决冲突问题。控制信道的概念也已经在商用移动通信网络里得到成熟的应用，所以应用于波长路由城域网的方案也是完全可行的。

3.2　公平协议

传统的环网体系结构里，比如RPR over WDM，电分组ADM可以缓存经过的数据分组，而波长路由网络结构中数据分组是层1直通中间节点的；另外，在波长路由环网里，节点并不是端用户(节点包含众多波长)，到节点的公平并不意味着到端用户的公平。所以要创建全新的公平性协议和算法以保证环上各节点的公平，提高网络的总吞吐量。

由这种新型结构可以看出，只有在多个节点同时向同一个目的节点发送数据的时候才存在冲突，所以这是竞争目的节点的问题，从而可以把环转换为一个FCFS队列，而用适合这种结构的IEEE 802.6DQDB协议来完成公平控制。

在IEEE 802.6里，当一个数据分组到达发送器队列前面的时候，节点向数据分组要传输的相反方向发送请求。该请求由当前帧的控制信息字段里的请求位组成，经过所有上游节点。这些节点计算它们知道的请求。根据协议，一个节点必须允许足够的没被使用的帧经过以满足所有在一个数据分组到达队列前面时知道的请求。这样网络就近似地模拟成了一个分布式的FCFS队列。

相应公平协议与IEEE 802.6类似：每个控制信道帧里的每个波长只允许一个请求，并为每个波长使用请求计数器，以调节波长路由的WDM环的公平性。

3.3　生存性协议

图1所示的新型构架可以借鉴RPR的"重定向"保护实现更有效率的弹性恢复机制：两个节点间存在两条路径，在正常状态下，当访问节点有数据分组要传输的时候，它通过一个简单路由算法选择两条路径里较好的那条来发送。当发生中断的时候，到达每个目的仅有一条路径，节点就被迫使用这条剩下的路径。在新型体系里，中断对特定节点传输容量产生的影响是和位置有关的。远离切断点的节点，传输容量基本没影响。越靠近切断点，则影响越大。极端情况是切断点相邻的节点，只能使用两根光纤中的一根来传输数据。

4、结束语

使用高速可调分组发送器和波长路由构架一种新型高容量城域网，可以极大消除对光/电和电/光转换器、高速线路卡和分组交换容量过多需要，并且无需使用光解复用设备，从而低成本地扩展到1Tb/s容量。