城域传输网技术及发展 [复制链接]

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发表于 2007-7-18 13:19:00 |显示全部楼层

城域传输网技术及发展　　　　　　　　　　　　导读-- 城域传输网是城域范围内的传输网络，它为数据、语音、ATM、宽带线路租用等上层应用网络提供底层连接的通道。
　　一、概述　　城域传输网是城域范围内的传输网络，它为数据、语音、ATM、宽带线路租用等上层应用网络提供底层连接的通道。随着中国电信业务的逐渐放开，包括中国电信、中国移动、中国联通、中国网通、吉通通信等在内的运营商都纷纷扩建或兴建自己的传输网络。这些运营商在构建自身的传输网络时，既有共性又有各自的特点。　　对于各运营商的长途网络，无论是全国骨干网络还是省内长途网络，新建的网络基本上以开放式长途DWDM设备构成，DWDM设备的波长数量为16波、32波或80波不等。这些长途DWDM设备主要构成点到点的链形连接，根据运营商的设计思路不同，整个长途网络可能是格状网络(如中国电信的全国骨干网)，也可能是环形网络(如网通的骨干网络)。　　在综合考虑了设备的成本、技术的成熟程度、需要承载的业务和可靠性等因素后，目前大部分运营商(包括中国电信、中国联通、中国移动等)的城域传输网络仍以SDH设备为主，也有一些以承载数据业务为主的新兴运营商采用了部分新一代数据传输设备(比如RPR技术、弹性分组环技术)来组建城域传输网。　　网络业务的日趋高速发展，为各运营商兴建数据和传统业务并重的城域传输网提供了历史性的契机。可以说，随着中国电信业务的逐渐放开，城域传输网也将成为各运营商抢占市场的主战场。　　二、城域传输网技术及其特点1、光纤直连技术及特点　　光纤直连技术是指以太网交换机、路由器、ATM交换机等IP城域网网络设备直接通过光纤相连。严格来说这并不是一种城域传输方案，但由于目前在IP城域网中已经采用了很多光纤直连的方案，所以大家在这里把光纤直连作为一种传输技术来先容，如图1所示。　　IP城域网设备的光接口以点对点方式直连，业务接入设备也通过光纤与骨干设备直接连接。光纤直连技术舍弃了传输设备，方案简单，成本低廉，但有比较明显的缺点：首先，由于没有传输层，光纤质量、性能监测和保护等无法实现。　　其次，光纤利用率较低，浪费严重，每两个业务接入点需要一对光纤，一个业务接点如果与其他业务接点都有业务互通，光纤数量呈阶乘增长。最后，业务端口压力大。每加入一个新节点，交换机或路由器等IP城域网设备就需增加一个接入端口。因此，这种方式只适用于节点数不是很多或节点距离比较近的局域网络等场合。2、多业务传送平台技术(MSTP) 及特点　　由于SDH/SONET已经占了传输网络非常大的份额，必然会在以数据通信为代表的IP城域网中发挥重要作用。基于技术成熟性、可靠性和总体成本等方面的综合考虑，以SDH/SONET为基础的多业务解决方案仍将在可预见的未来扮演重要的角色，这一点在城域网应用领域显得尤为突出。　　SDH/SONET环路在网络性能监视、故障恢复及可靠性方面有着得天独厚的优势，非常适合时间敏感型语音业务的需求，同时满足电信级别的高性能要求。然而，SDH/SONET又是一个以复杂的集中式供应和有限的扩展性为特征的体系结构，难以处理以突发性和不平衡性为特点的IP业务。　　SDH/SONET技术本身也在不断发展，SDH/SONET技术的特有优势将在近期内继续得以保持，它将继续在高低端领域以及在支撑异步传输模式(ATM)、IP和以太网透明传输等方面发挥潜力。　　改造后的SDH/SONET的功能模块如图2所示，先由各个业务接口模块将多种业务适配映射至不同的VC，然后通过高低阶的交叉矩阵进行调配，实现支路到支路，支路到线路，线路到线路的全交叉连接。实际上，改造后的SDH/SONET设备早已突破了以往ADM的模式，支路和线路已无速率上的分别，而只是根据业务的流向来定义了。在新一代SDH/SONET的平台上还可以加装合波器、分波器、波长变换器等以支撑DWDM的应用。　　改造后的SDH/SONET又称作多业务传送平台(MSTP)，如图3所示。在这个平台上，TDM业务、ATM业务、IP业务都可以接入，并且能高效传输；更进一步，3种业务还可以进行交叉和交换。因此多业务传送平台(MSTP)的优势是非常明显的，既能够兼容目前大量应用的TDM业务，又可以满足日益增长的数据业务(IP、ATM)的要求，同时采用了目前最为成熟的SDH组网和保护技术。　　MSTP技术是一种折衷的方案，它较好地解决了运营商既需要传输TDM业务，又需要处理数据业务时的矛盾，它也是运营商在已有大量SDH设备安装运行的情况下，对自身网络进行演进，为用户提供新兴业务的较好选择。但是，如果在处理大量或纯粹的IP业务时，MSTP也存在着不能动态、公平分配带宽等缺陷。　　MSTP技术在宽带IP城域网中的应用也相当广泛，主要在如下几个方面：1）透明传送以太网业务 　　利用MSTP提供的TLS(Transparent LAN Services)功能，可以由MSTP直接提供新型的数据租线业务：“Ethernet DDN”。传统的DDN网络利用TDM机制，由SDH网络和DDN节点机为用户提供带宽独享、有安全隔离保障的租线业务，通常提供的接入速率为64k、128k、256k、2Mbit/s等；MSTP同样利用TDM的机制，将SDH中的VC指配给以太网端口，通过VLAN的技术把不同的以太网接口指配映射到指定的VC中，独享SDH环路中的传输带宽，同时保障用户的端口带宽和网络中的安全性。利用现有的SDH网络甚至可提供跨区域的宽带以太网租线业务。 　　较之与传统的DDN业务，MSTP提供的以太网租线业务具有这样一些特点： 　　①更大带宽的端口形式：10/100Mbit/s及GE； 　　②同一种端口(如GE)，可以分配不同的带宽(如155M、300M、622Mbit/s等)； 　　③以太网端口更方便用户接入其私有数据网中的路由器、以太网交换机、主机等，省去了一些转换器，同时简化了整个网络的结构； 　　④MSTP提供完善的保护机制保障以太网端口的可靠性。2）IP城域网核心层、汇聚层和接入层的设备互连 　　在IP城域网的规划实施中，IP核心层和汇聚层之间以及汇聚层和接入层之间，通常是采用“树形”结构，由GE、FE和POS完成网络设备之间的中继互连。如图4右半部分所示。　　在这样的网络设计中，通常采用生成树协议在第二层完成IP业务的保护或通过路由表的收敛在第三层来实现IP业务的保护。采用这种工作方式，网络设备之间需要“双连接”，而且IP业务的自愈恢复时间在十几秒或几十秒，对今后在IP宽带网中开展实时业务会有影响。　　如果采用MSTP技术来提供IP城域网设备间的中继互连(GE、FE和POS等)，如上图4左半部分所示，MSTP可以在网络的物理链路层提供以太网接口、POS接口的完善保护机制，实现50ms以内的快速自愈恢复，真正做到在IP宽带设计中，无论是IP核心层，还是汇聚、接入层，均达到电信级别的要求。　　另外，MSTP具备的L2-switching(第二层以太交换的功能)和数据业务的统计复用功能，可以进一步优化IP城域网的设计。3、城域波分技术及特点　　以DWDM密集波分技术为标志的光传输时代的到来，为业务的传输在物理层面上打破了带宽的瓶颈。随着DWDM在长途传输上的不断应用、以及城域业务量的不断扩大，DWDM 技术逐渐在城域范围内找到了用武之地。SDH强调的是多业务在TDM层面的灵活处理能力，具有颗粒度较低的汇聚能力；而DWDM强调的是光层面传输的经济性和灵活性。　　DWDM技术从长途向城域转移，主要基于以下的原因：　　①网络扩容需要额外带宽。网络的扩容经常会伴随带宽容量的大幅增加，在一些案例中，数据网络的带宽增加会超过原有传输网络可以提供的带宽范围，这时如果用户可以提供可利用的光纤资源，利用城域波分技术可以轻易解决带宽瓶颈的问题。 　　②光层面的保护功能。利用城域波分技术在光层面提供的快速切换保护功能，可以达到提升网络可靠性能的目的，尤其是对数据业务，如FE、GE等，可以提供底层的保护功能。 　　③业务传输具有透明性。与其他传输方案相比，透明传输各种业务是城域波分技术的优势。与IP over ATM等形式相比，IP over DWDM节省了中间层，设备趋于扁平化，管理更容易；另外，以城域波分设备为基础平台，在光纤线路上只需要一对光纤，各种TDM和数据网络设备能够以不同的接口形式汇聚到城域波分设备上。 　　④改善网络设备光端口性能。大部分的网络设备光端口的设计可能是处于经济性的考虑，其最大传输距离经常不能满足城域较长传输距离的需要。解决这样的问题，一种方案是可以直接利用光放设备来提高光信号的功率(有时还需利用波长转换设备来改善信号的质量)，但这个方案只能简单解决信号的传输距离问题：另一种方案则是捆绑城域波分设备，一方面解决信号的传输距离问题，另一方面则可以提供光层面的网络保护。 　　⑤优化城域网的光纤物理结构。由于城域波分设备地提高了光纤的传送能力，相当增加了十几对甚至是几十对的光纤，在网络设计时，可以不受实际的光纤限制，设计出业务流向和网络结构更加优化的城域传输网络。　　利用城域波分技术可以有效地在城域范围内实现如下几个方面的功能： 　　①SDH ADM设备可以通过STM-N(155M，622M或2.5Gbit/s)速率接入城域波分设备上； 　　②ATM交换机的155M、622Mbit/s和2.5Gbit/sATM端口可以接入城域波分设备； 　　③IP城域网中的p核心层设备，比如千兆比高端路由器等，可以采用POS或RPR(SDH帧结构)等接口形式接入城域波分设备，利用光波长构成IP骨干环； 　　④IP城域网中IP汇聚层的设备，如LAN高速交换机等，可以用GE等接口方武接入城域波分设备，由光波长提供GE的连接功能； 　　⑤城域波分设备可以利用光纤的丰富波长资源，以STM-N、GE或Fiber Channel、ESCON等光口形式，提供波长出租业务。　　城域波分设备在城域网中的应用如图5所示。 　　尽管城域波分在城域网种存在着很多方面的应用，并且发展前景非常广阔，但就目前在城域网中的使用情况来说，仍然只是占很小的份额。阻碍城域波分设备在中国市场获得大规模应用主要的原因是城域波分设备价格仍然相对偏高，中国电信等传统运营商已经在各城市建设了大量基于SDH技术的传输网络，在城域波分设备的价格与SDH设备相比没有很大优势的情况下，城域波分很难有大的吸引力；另一个非常重要的原因是城域网的业务量(特别是数据/IP的业务量)尽管增长很快，但由于基数比较小，当数据/IP业务量不是特别大的时候，采用传输容量相对比较大、业务颗粒度比较粗的城域波分就显得不是很经济；另外，城域波分缺乏汇聚和交换功能，对许多应用而言容量过大。 　　随着时间的推移，一方面城域波分设备的价格还会持续下降，另一方面用户对带宽的需求仍会继续增长。随着中国电信业的改革，进入电信市场的新运营商将会发现购买或租用现有光纤再通过波分系统扩容是一种风险小、投资见效快的建设方式。4、新一代数据设备技术及特点　　随着数据业务的进一步增长，为了更好地支撑数据、特别是IP业务的发展，城域传输网中逐渐出现了一类由新一代数据设备组成的城域传输网。这一类城域传输网主要用于承载数据和IP业务，同时也可以承载一些有限的话音和租用线业务。在新一代数据设备技术中，RPR(Resilient Packet Ring，弹性分组环)技术是比较有代表性的一种技术。　　IEEE 802.17弹性分组环(Resilient Packet Ring)工作组在2001年1月成立。这个组的主要工作是：致力于为基于IP和其他分组数据技术的网络提供高速和可生存的环形网。为了支撑城域光网技术的标准化和加快进入市场的步伐， RPR联盟成立，其宗旨就是“促进RPR技术的标准化，及将其作为一种关键的网络技术在各种各样的计算、数据和电信设施中推广应用。”　　RPR标准的目标就是定义一个介质访问控制层(MAC)，它必须能够支撑环形结构，能灵活、迅速地响应用户对带宽和服务质量等的需求。由于RPR技术能够应用在SDH/SONET和以太网(包括千兆位和10吉比特以太网)两种环境中，而SDH/SONET和以太网技术都已经被广泛应用，因此通过对以上两者的支撑，将使得RPR技术很容易被运营商所采用。　　RPR技术的一些特点如下：　　①空间再利用。RPR协议的一个主要特点是它的空间再利用能力。这个概念被使用在环形拓扑的网络中来增加环上所能支撑的全部业务流量，它是通过限制数据流仅能在环上的源和目标之间的部分进行双向流动来实现的。目标节点将发送给它的数据包从环上剥落，从而释放了环上其余部分的带宽给其他数据包使用。这与早期的基于环的协议，如令牌环和FDDI有很大的区别，这些协议均是由源节点来负责清除它发送的数据包，造成占用了不必要的带宽。 　　②公平性。公平性在运营商网络中是一个非常重要的指标。当两条业务数据流的优先级位具有相同的服务等级协议(SLA)时，将获得在环上同样的带宽访问能力。 　　RPR协议通过动态地利用统计复用的方法来保证在整个城域网内部的带宽访问公平性。城域网环上的每个节点都实行一种算法，可以使环上的每个节点得到平等的带宽份额，防止因某一节点的业务流量过大引至环上其他业务的阻塞；当然，节点也可以在不影响其他节点的情况下通过使用空间再利用技术获取比平分算法更多的带宽：另外，RPR环也可以支撑加权公平法则，即根据用户所购买的情况分配带宽。为避免实施加权公平法则的复杂性，普通的公平性法则与峰值速率限制(入口和出口)的配合使用也可以达到类似的效果。 　　③快速保护和恢复。RPR的快速自愈能力使它成为一种电信级的技术，它使RPR环可以在光纤中断或节点失效的情况下在50ms恢复时限内自动将话务绕到备用光纤上传输。RPR技术不只是给运营商提供SDH级的快速保护和运行状况监测能力，同时由于它提供的快速保护切换不必像SDH那样需要专门的保护带宽，因此可以充分利用环上的所有带宽。 　　④服务质量。运营商要使得它所提供的网络服务更加有效，QoS是非常重要的因素。有几个重要的QoS参数影响着运营商所提供的服务：业务可用性、时延、时延的变化和丢包率等。　　为了保证用户业务的可用性，在RPR环上要为每个业务流在不同情况下提供服务保障。应该在有保障的业务处理能力(吞吐量)基础之上为每个业务流分配带宽，这样，即使遇到网络保护事件发生时也能保证业务的可用性。　　在高吞吐量的环上，时延并不是一个大问题，通常来讲，几十ms的端到端时延是可以接受的，而在OC-192(10Gbit/s)环上，最大的以太网包(1518字节)的时延也不超过5us。要保证TDM(时分复用)业务在RPR环上正常传输，控制时延变化是一个基本要求。时延变化的控制可以通过共同的时钟源来同步RPR环上的各节点来实现。策略是运营商可用来区分不同的服务等级的另一个工具，基于业务流的策略可以保证用户只得到与其所购买的服务等级相应的服务。RPR环可以对业务进行分级处理，保证环上重要和实时的业务，因此RPR技术不但能够处理数据/IP业务，还能处理话音业务。RPR技术在城域网中的应用如图6中所示。　　三、城域传输网技术的发展趋势　　纵上所说，针对城域网的数据/IP业务，可采用四种方式构建城域网的基础传输设施，即光纤直连、多业务平台、城域波分设备和新一代数据设备技术(比如RPR技术)。实际上，这些技术和产品也在不断地更新和发展，以适应在城域网中大规模应用和部署的需要。在城域传输范围内，传统的TDM网络随着下一代SONET/SDH设备的发展逐渐向光网络过渡；就目前的应用情况来说，SDH仍占电信投资的主要部分。　　基于SDH的MSTP将是未来几年城域传输网建设的重点。基于SDH的MSTP对传统的SDH设备进行了改进，在SDH帧格式中提供不同颗粒的多种业务、多种协议的接入、汇聚和传输能力，是目前城域传输网最主要的实现方式之一。　　第一代MSTP技术是将以太网信号直接映射到SDH的虚容器(VC)中，进行点到点传送；提供以太网透传租线业务，业务粒度受限于VC，一般最小为2Mbps，不能提供不同以太网业务的QoS区分，不提供流量控制，同时也不提供多个以太网业务流的统计复用和带宽共享；保护完全基于SDH，不提供以太网业务层的保护。　　第二代MSTP技术是在一个或多个用户以太网接口与一个或多个独立的基于SDH虚容器的点对点链路之间，实现基于以太网链路层的数据帧交换。第二代MSTP可提供基于802.3x的流量控制、多用户隔离和VLAN划分、基于STP的以太网业务层保护、基于802.1p的优先级转发。　　第三代MSTP技术的主要特征是引入了中间的智能适配层，采用GFP高速封装协议，支撑VC虚级联和链路容量自动调整(LCAS)机制，因此可支撑多点到多点的连接，具有可扩展性，支撑用户隔离和带宽共享，支撑QoS、SLA增强、阻塞控制以及公平接入。　　以太网新业务的QoS要求推动着MSTP向第三代发展。从第一和第二代MSTP的以太网业务支撑上看，不能支撑良好QoS的一个主要原因是现有以太网技术是无连接的，尚没有足够的QoS处理能力。为了能将真正的QoS引入以太网业务，需要在以太网和SDH间引入一个中间的智能适配层来处理以太网业务的QoS要求。从目前的技术发展来看，该中间层主要有两种，分别是多协议标签交换(MPLS)和弹性分组环(RPR)。　　具有二层交换的MSTP技术在城域传输网的汇聚和接入层用途较广，主要完成大量的TDM和以太网业务的收集和汇聚功能；内嵌RPR功能的MSTP技术主要应用于城域传输网的汇聚层，通过RPR来实现带宽分配和拥塞控制，该技术为多种业务提供不同层次的环网保护能力。目前我国电信运营商的盈利业务大部分是TDM业务，因此基于SDH的MSTP设备的应用和发展潜力巨大，使用范围广泛，在未来两三年内仍将在城域光传输网的建设中占据主导地位，并且市场应用需求将更多集中在城域光传输网的汇聚层和接入层。　　另外，随着数据业务的进一步增长，城域网中会出现以太网设备，但这些设备仅安装在城域网络的接入层，城域网的核心仍由多业务平台构建。随着万兆以太网的出现，以及RPR标准的制定，运营商会在城域网的接入层和核心层逐步安装一些新一代的数据设备。　　总之，在宽带城域传输网的建设中，为了支撑传统的话音业务，同时支撑不断发展的数据/IP业务，运营商采用MSTP设备为主、城域DWDM设备为辅、逐步发展RPR设备的方法是切实可行的，这种方案能够实现自有网络的平滑演变，同时投资效益高、风险小。营商提供SDH级的快速保护和运行状况监测能力，同时由于它提供的快速保护切换不必像SDH那样需要专门的保护带宽，因此可以充分利用环上的所有带宽。