城域网技术的新发展

    作者：韦乐平

    本文首先阐述了城域网的基本特征和主要技术选择，然后，重点深入分析比较了城域网的三类主要的热门技术解决方案的技术特点及其最新发展。

    1、城域网的特征

    从基本特征看，城域网是一种最大可覆盖城市及其郊区范围，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。可以说城域网的要害特征是公用多业务网，从而带来了一系列有别于其他网络的特点。

    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和未来的三网融合区，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，而丰富的应用需求是城域网能持续发展的真正原动力。

    当前，城域网的技术解决方案很多，分类方案也很多。按照所用底层业务融合的承载技术的不同，主要有五类，第一类是SDH多业务平台；第二类是电信级以太网多业务平台；第三类是弹性分组环多业务平台；第四类是ATM多业务平台；第五类是WDM多业务平台。按照目前市场结构看，除了ATM多业务平台外，其他四类处于同一细分市场，都可以称为多业务传送平台（MSTP），工作于第一层和第二层乃至第三层。按照内部结构，非凡是一层是否采用SDH技术，MSTP又可以分为基于传送的MSTP和基于数据的MSTP两大类。实际上由于基于传送的MSTP是当前市场的主流，因而MSTP往往暗指基于传送的MSTP。

    从基本原理看，基于传送的MSTP源于SDH，采用由下而上的结构方法，具有很强的一层传送功能，同时利用成帧方式处理二层乃至三层数据功能，与现有SDH网具有很强的兼容性，主要针对传统大型电信运营商。基于数据的MSTP采用相反的由上而下的结构方法，以强大的二层或三层数据交换功能为基础，利用附加某些底层传送功能的方式向下扩展到一层，因而仅具有有限的一层传送功能，通常利用电路模拟的方式提供传统的TDM业务，与现有SDH网的兼容性较差，主要针对新兴电信运营商，例如由传统有线电视公司演化而来的多业务运营商（MSO），同时也开始向传统电信运营商的城域网渗透，推动其向分组化网络转型。

    鉴于篇幅所限，下面将重点讨论目前最热门的三类技术解决方案及其最新发展趋势。

    2、城域网解决方案之一：SDH多业务平台

    SDH是电信核心网的主导标准传送网技术，全球已敷设了100多万个系统。显然，现有的庞大SDH基础设施必须能继续利用，基于SDH的业务和收入必须得到保护。

    然而，严格说，SDH是传送层技术，并不清楚净负荷内所装的客户层信号的详情，因此传统SDH技术难以有效地处理数据传送要求。面对电信业务的加速数据化和ip化以及多样化的业务环境，非凡是将来数据业务成为网络业务主体时，传统的多层独立的重叠的业务网和传送网架构将会难以有效支撑城域网应用。采用为电话业务设计的SDH静态固定时隙结构来传送突发的数据业务导致效率低下，而且其带宽指配和网络容量升级都比较困难，因此面对上述演进形势，SDH技术正在加强支撑数据业务的能力并向多业务平台方向（MSTP）演进。

    SDH多业务平台的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设备与二层乃至三层分组设备在物理上集成为一个实体，构成具有各种不同融合程度，业务层和传送层一体化的下一代网络节点，称为融合的网络节点或多业务节点。

    开始，SDH多业务平台只是简单地在现有SDH设备上实施数据业务的固定封装和透传，进而开始能提供更加有效的二层交换和本地汇聚功能。然而，传统SDH网的带宽指配是通过集中网管系统来实现的，无法适应高容量IP业务动态和不可猜测的特性。其次，在原来的SDH复用结构中，4倍的带宽增量对于数据业务的最优配置显得太大，最高速率VC-4相对现有边缘路由器和以太网端口的较高带宽也显得太低。最后，在典型的城域网中，所有层，包括SDH层、ATM层和IP层都是分离的网络，只能靠人工方式使层间资源得以配置和利用。这些缺陷促使下一代SDH设备上除了必须实现已经标准化的VC虚级联功能外，还需要实现一系列新的功能。为此，ITU开发了一系列下一代SDH标准，即集成通用成帧程序（GFP），链路容量调节方案（LCAS）和自动交换光网络（ASON）标准。

    其中虚级联功能把多个较小的容器级联起来组装成一个较大的单个整体容器以便传送具有较高带宽的数据业务。利用这种方式可以分别级联VC-12、VC-2、VC-3和VC-4等不同速率的容器，从而实现更加有效的带宽配置；GFP是一种可以透明地将各种数据信号封装进现有网络的、开放的、通用的标准信号适配映射技术，采用类似ATM的自同步定帧技术。这种技术简单灵活，开销低，带宽利用率高，标准化程度高，有利于多厂家设备互联互通，可以支持各种网络拓扑结构，能够对用户数据实施统计复用，还有QoS机制，非凡适合于高速传输链路应用；LCAS则定义了一种灵活、动态、无损改变传送网虚级联信号带宽的方法，以便自动适应有效业务带宽，非凡是像以太网这样的带宽动态变化的数据业务带宽需求。具体的实现方法是定义一个虚级联组（VCG），利用SDH预留的开销字节来传递控制信息，通过网管系统在该VCG内动态实时地调整VC数目，从而快速适应上层业务带宽的需求；ASON可以动态地实施光层连接的建立和治理，使网络具有自动选路和指配功能。若下一代的SDH多业务平台能将上述VC级联、GFP、LCAS三种标准功能集成在一起，再配合核心智能光网络的自动选路和指配功能，则不仅能大大增强自身灵活有效支持数据业务的能力，而且可以将核心智能光网络的智能扩展到网络边缘，增强整个网络的智能范围和效率。

    从发展的角度看，这种基于SDH的解决方案开销处理复杂，传输效率低，用SDH固定帧长和时隙来支持突发性数据业务的带宽效率较低，目前数据业务功能也还不够灵活丰富。其次，这种方案基于同步工作，抖动要求严，设备成本较高。第三，这种方案难以灵活地生成业务。第四，基于SDH的解决方案在本质上只有一层MAC地址转发，没有层次化的地址结构和用户地址隔离，其网络和业务扩展性受限。最后，同时治理多个面向连接和无连接的网络比较困难，治理成本高。从长远看，当数据业务成为网络的绝对主导业务类型后，这种解决方案不是一种最有效的、前瞻性的解决方法。

    3、城域网解决方案之二：电信级以太网多业务平台

    第二类是基于电信级以太网的方案，即将传统以太网改造为电信级以太网，能够保证QoS，具备网络和业务扩展性，运营商网管能力，应用到城域网乃至广域网。

    在传统以太网中VLAN采用12bit的标签，由于该标签是按照IEEE802.1Q标准定义的，因此称为Q标签。这是为了便于治理和保证性能采用的第一个简单的层次化架构。为了进一步支持层次化架构，IEEE802.1a、d定义了所谓的Qin Q封装，又称VLAN堆栈（SVLAN）或网络提供者桥（PB），即在原来的Q标签上再加上一个新的Q标签，代表用户网，原来的Q标签代表该用户网内部的VLAN，从而答应运营商自己治理运营网的Q标签。然而，Q in Q封装依然只能支持4096（212）个VLAN，扩展性受限，不太适合城域网大规模应用。非凡是用于包转发的MAC地址没有变，还是一层地址，没有层次化的地址结构，用户地址和运营商MAC地址不隔离，依然有用户广播风暴、安全漏洞等固有问题。

    以太环保护（ERP）是在现有标准以太网硬件基础上，结合QinQ封装和增强的QoS能力，提供了一种新的低成本电信级以太网解决方案。其最大的特点是只需要在现有以太网上进行软件升级即可，因此成本很低。其次，ERP可以提供50ms的保护倒换时间，有两种故障检测模式。第一种是告警模式（快速模式），第二种是抽样模式（检测包模式）。再有，ERP可以与传统以太网和MPLS的保护机制实现互操作。与其他保护机制最大的不同是，ERP可以为多播业务提供保护而无需在环上分配额外的容量，环上的所有容量都可以用来承载受保护的多播流量。然而，这类技术并没有完全摆脱Qin Q的局限性，QoS与STP相当，环上的远端节点经过调度次数多，丢报概率大，QoS难以保证，扩展性受限。其次，当多播量较大时，保护倒换时间变长（数百毫秒）。最后，为了规避专利，目前对这类技术各厂家的实现方法不同，互操作困难。

    除了上述QinQ（SVLAN）及其增强技术以太网环保护（ERP）外，各种标准化组织和厂家开发了很多新型电信级以太网技术，诸如弹性分组环（RPR），多业务环（MSR），MACin MAC封装，网络提供商骨干传送（PBT）技术，虚拟专用局域网业务（VPLS），等等。下面简要介绍两种主流的适合城域联网的新技术——MAC in MAC封装和VPLS。

    所谓MACinMAC封装又称网络提供商骨干桥（PBB）技术，遵循IEEE802.1a、h标准。其基本思路是将用户的以太网数据帧再封装一个运营商的以太网帧头，形成两个MAC地址。其中用户的MAC地址存储在运营商的以太网帧中，核心网并不清楚，只根据运营商的MAC地址转发流量。可见，MAC in MAC封装方式具有清楚的运营网和用户间的界限，完全屏蔽了用户侧的信息，隔离了核心网，减轻了用户MAC地址对核心网转发表的压力，解决了网络安全性问题。其次，MAC in MAC封装具有清楚的层次化结构，在运营商域的MAC帧头具有24bit业务标签，理论上可以支持1600万用户，从根本上解决了网络扩展性和业务扩展性问题。第三，由于运营网与用户网隔离，从而也规避了用户网中可能发生的广播风暴和潜在的转发环路问题，使网络具有健壮性。第四，由于运营商无需担心运营网的VLAN和MAC地址与用户网冲突，因而简化了网络的规划和运营。第五，MAC in MAC采用二层封装技术，无需复杂信令机制。另外，由于运营网的以太网交换机只需要学习自己的MAC地址，从而减少了所需的存储和处理要求。两者结合导致设备成本、建网成本和运维成本均较低。最后，采用MAC in MAC封装，对下可以接入VLAN或SVLAN，对上可以与VPLS或其他VPN业务互通，具有很强的灵活性，很适合接入汇聚层应用。

    在MACinMAC封装的基础上，只需要作少量改动，关掉某些以太网功能，利用现有以太网硬件就可以提供新的转发功能，将无连接的以太网改造为面向连接的二层隧道技术，提供具有硬QoS和电信级性能的专用以太网链路，这就是所谓的PBT技术。PBT技术的主要特点首先是扩展性好。关掉MAC学习功能后，可以消除导致MAC泛洪和限制网络规模的广播功能。此外，PBT采用VID（VLANID）+MAC（共60bit）地址作为全球唯一地址和基于目的地地址的转发，VID不再表示传统的无环路域，而是用来识别某些特定通道，不具有全球唯一性，从而消除了业务扩展性限制。其次，转发信息也不再依靠传统的泛洪和学习，而是由网管/控制平面直接提供，从而可以为网络提供确知的通道，无需超额指配网络容量就能提供硬QoS，实现带宽预留和50ms的保护倒换时间。再有，作为二层隧道技术，PBT可以与现有WAN技术互通，不仅能支持各种以太网业务，而且还能支持各种基于MPLS的业务，包括二层的VPLS和虚拟伪线业务以及三层的IP VPN业务等，具有相当的业务灵活性。最后，PBT使用了大量IEEE和ITU定义的网管功能并将这些功能从物理层或重叠的网络层移植到数据链路层，使其能基本达到类似SDH的电信级网管功能。简言之，PBT技术结合了以太网和MPLS的优点，为城域网提供了一种新的、扁平化的、低成本的融合架构。由于PBT存在N平方问题，需要大量连接，治理难度加大。另外，自动隧道建立能力还有待开发。

    另一方面，VPLS是在点到点MPLS基础上进一步发展而成的多点互联的二层VPN技术，将广域网的MPLS扩展到以太网的接入层。从用户角度，仿佛所有站点都连至一个专有LAN。从业务提供者角度，可以重新利用IP/MPLS基础设施来提供多种业务。VPLS基于MPLS，独立于具体物理拓扑，可以利用MPLS的流量工程实现资源配置的最佳化；VPLS利用快速重选路由（FRR）技术代替以太网的生成树（STP）和快速生成树（RSTP）保护，可以实现50ms的保护倒换时间；VPLS还支持2/3/4层可扩展的访问控制列表（ACL）能力和每用户的ACL控制，提供了较安全的控制和策略机制；VPLS具有良好的二层汇聚能力，支持的用户数量突破了传统以太网的4096个VLAN数的限制；VPLS提供分层的VPLS（HVPLS），进一步改进了扩展性，使用户数可扩展到百万级；VPLS能够区分并保证每用户中的不同业务流量，网络业务配置简单，业务提供快；VPLS还具有清楚的运营网和用户网间的界限，便于治理。简言之，VPLS在服务质量和流量工程方面比MACinMAC更好，很适合网络边缘层的应用。

    然而，VPLS采用复杂的三层协议建立信令，设备成本相对较贵。其次，VPLS协议栈层次多，运行比较复杂，非凡是对于数千个节点的大型城域网的治理运行成本较高。但是，对于IPTV等新型高级业务需求较为强劲的大型城域网而言，依然是一个有前瞻性的技术选择，非凡是核心网部分。

    可以预计，随着网络中IP/以太网业务量的日益增加以及基于以太网技术的新型解决方案的不断出现，电信级以太网多业务平台在城域网中的应用将会越来越多，成为面向未来的主流技术。

    4、城域网解决方案之三：弹性分组环多业务平台

    IEEE802.17弹性分组环（RPR）是一种改进的以太网解决方案，属于中间层增强技术，采用一种新的MAC层和共享接入方式，将IP包通过新的MAC层送入层1数据帧内或裸光纤上，无需进行包的拆分重组，提高了交换处理能力，改进了性能和灵活性。RPR既可以工作在层1技术的SDH和吉比特以太网上，也可以直接工作在裸光纤上作为路由器的线路接口板。早期的独立RPR设备架构在以太网上，目前的趋势是架构在SDH上，成为新一代MSTP的内嵌功能，从而可以充分利用两者的优势。

    一方面，RPR简化了数据包处理过程，不必像以太网那样让业务流在网络中的每一个节点进行IP包的拆分重组，实施排队，整形和处理，而可以将非落地IP包直接前转，明显提高了交换处理能力，对分组业务最佳。另一方面，RPR又能确保电路交换业务和专线业务的服务质量，非凡是50ms的保护倒换时间。RPR具有自动拓扑发现能力，采用一种类似OSPF但工作在第二层的触发式协议，可以自动识别任何二层拓扑变化，增强了自愈能力，支持即插即用，避免了人工配置带来的耗时费力易出错的毛病。RPR可以有效支持两纤双向环拓扑结构，可以在环的两个方向上动态地统计复用各种业务，同时还能按每个用户每种业务为基础保留带宽和服务质量，从而最大限度地利用光纤的带宽，简化网络配置和运行，加快业务部署。RPR还具有较好的带宽公平机制和拥塞控制机制。

    RPR方式可以利用几乎100%的网络容量来传递确保质量的实时TDM业务，倒换时间可以控制在50ms之内，这在分组解决方案中是很非凡的。而以太网交换机平均只有40%的网络容量可以用来传递确保质量的业务。从成本上看，RPR成本介于SDH和吉比特以太网技术之间，数据接口越多，其成本越接近吉比特以太网，反之则趋近SDH。总地看，这类技术最适合数据业务量占主导，而TDM业务量也需要可靠有效支持的应用场合。

    鉴于RPR具有很好的汇聚特性和优化的数据接入能力，最适合于城域网的接入层应用，非凡是以太网业务带宽需求占绝对优势的场合。然而，RPR需要新增一个MAC层，系统成本将增加。其次，由于RPR没有跨环标准，单个环的RPR信息无法跨环传递，独立组大网的能力较弱，无法实现相切环、相交环、环带链等复杂的网路拓扑，不能提供端到端业务。若利用与MPLS相结合的方法可以使跨环业务流配置成同一个MPLS标记交换通道，从而实现多个RPR环业务的互通。最后，RPR使用共享接入方法，而且本质上也只有一层MAC地址转发，缺乏层次化的地址结构和用户地址隔离，其网络和业务扩展性受限。

    为了充分利用RPR的优势，同时又能进一步改进其缺陷，ITU-T建议X.87提出了多业务环（MSR）的概念，其基本思路是在RPR的MAC层之上再架构一个客户子层，称为XP链路子层，从而可以解决普通RPR的如下问题：同一节点上多支路业务的传送和封装问题，支路业务的保护问题，支路业务的多播问题，支路业务的服务质量监测以及多种网络拓扑结构的支持问题等。其次，MSR技术还实现了运营网和用户间的地址分离以及运营网拓扑和用户网拓扑的分离，从而解决了网络和业务的扩展性问题。还有，MSR技术在数据链路层上将不同格式的语音、数据和视频业务，不同的网络支路形态，不同类型的比特流有机地融合在一起，实现了各类数据和业务的底层统一封装，是一种融合网络的底层解决方案。然而，这种技术支持的厂家少，规模小，协议栈层次多，复杂。

    总之，面对复杂动态的城域网应用环境，上述各种方案都将在特定应用场合或时间获得应用。对于多数电信运营公司而言，近期选择SDH多业务平台是稳妥的可持续发展的策略，既兼顾了现有的大量SDH基础设施，又考虑了适度灵活支持数据业务的需要，非凡是对于大客户的接入更有其非凡优势；弹性分组环多业务平台最适合网络接入层应用；电信级以太网多业务平台在未来IP/以太网业务绝对主导的形势下将成为主要解决方案，在中近期需要大规模支持IPTV等新业务的城域网也是一种有前瞻性的技术选择。