城域网技术浅析

2019-11-04 22:16:12

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供稿：网友

1 城域网技术

目前城域范围电信网由上至下可纵向划分为三种网络：业务网、传送网、光缆网。其中业务网主要包括话音网和数据网；传送网主要基于SDH技术构建；光缆网由广泛分布的光缆线路互连组成，是所有上层网络的物理媒体承载平台。

城域数据网的结构一般分为核心层、汇聚层和接入层。核心层负责进行数据的快速转发，同时实现同骨干网的互连，提供城市的高速ip数据出口。汇聚层负责汇聚分散的接入点，进行数据交换，提供流量控制和用户治理功能。接入层负责提供各种类型用户的接入，在有需要时提供用户流量控制功能。

目前城域网技术的发展有三个主流方向，即IP城域网技术、城域以太网技术、光城域网技术。对应每种技术有相应的组网方案。

IP城域网技术和城域以太网技术均属于城域数据网范畴，IP城域网指利用路由器组网，核心、汇聚节点之间利用POS端口互连。城域以太网指利用 L2/L3交换机组网，节点之间利用裸光纤互连。光城域网属于传送网范畴，它的核心是利用光传输网络直接承载IP/Ethernet，为上层的业务提供更有效的承载。可以使用各种光纤电路承载IP/Ethernet：SDH/SONET连接、DWDM/CWDM连接或者RPR连接。根据光纤电路类型的不同，光城域网技术可分为MSTP技术、RPR技术、DWDM/CWDM技术。

2 IP城域网技术

1. 概述

IP城域网技术的核心是POS，准确地说，POS是IP/PPP/HDLC over SDH/SONET。采用点到点协议（PPP）对IP数据包进行封装，并采用HDLC的帧格式映射到SDH/SONET帧上，按某个相应的线速进行连续传输，它保留了IP面向非连接的特性。其中，PPP提供多协议封装、差错控制和链路初始化控制等功能；HDLC帧格式负责同步传输链路上PPP封装的IP数据帧的定界。目前POS支持OC-3（STM-1）155Mbit/s、OC12（STM-4）622Mbit/s、OC-48（STM-16） 2.5Gbit/s。

2. 优缺点

POS技术的优点是网络体系结构简单，避免了ATM技术的协议复杂性和过高的信元头开销，直接将IP数据包通过协议封装送到光纤上，无需进行IP包的拆分和重组，从而大大提高了处理能力，并降低了设备的价格。

POS技术的缺点是只支持点到点的连接，端口消耗大。与以太网相比，POS端口的价格较贵，如一个622Mbit/s端口的价格是GE的几倍。

3. 适用范围

POS技术适用于城域的核心和汇聚承载各种数据业务。

3 城域以太网技术

1. 概述

以太网技术的发展，在短短的20年间，速率从10Mbit/s到10Gbit/s，已经完成了一个数量级的飞跃。目前以太网技术不仅是一种交换技术，而且可作为一种承载技术，广泛应用于城域网领域。

由于以太网技术最初应用于局域网，当它应用于城域网时，在认证和计费、故障保护机制、业务能力、安全等方面存在缺陷，随着以太网技术本身的发展，这些问题将逐步得到解决。如利用各种包过滤技术、VLAN隔离、入侵监测与防范技术提高城域以太网的安全性；使用802.1x、PPPoE、DHCP+ 、Web认证方式对用户进行认证，并实现包月制、按时长、按流量计费；采用速率限制确保和限制带宽通道，提高QoS保证能力。

当前，MPLS技术已有了很大的进步，将MPLS技术同以太网技术相结合，可提高城域以太网的业务能力、故障保护倒换机制，使运营商能在城域内提供 VLL、VPLS、VPN多种业务，并获得50ms电信级的自愈恢复时间，MPLS已经逐渐成为高端交换机必备的属性之一。

2. 优缺点

城域以太网具有价格便宜，快速的按需配置，速率升级轻易，应用广泛等优势。

· 价格便宜，以太网的技术相对简单，它的扩展基于现有的设备，因此它的价格相对于帧中继、ATM便宜。

· 快速的按需配置，以太网能按照用户的要求提供各种速率，从1Mbit/s到10Gbit/s，而且带宽增加的颗粒可以为1Mbit/s或者更小，甚至客户可以使用基于Web的工具自己控制带宽。

· 速率升级轻易，以太网不具备不同的平台和环境，因此它的配置和工作更为简单，以太网的可插卡特性使以太网从低速向高速的升级很轻易。

· 应用广泛，多年来以太网广泛应用于企业和校园局域网中，并提供标准的FE/GE/10Gbit/s接口。

尽管以太网技术用于城域网具有很多优势，但是它在端到端QoS保障机制、保护机制、环形拓扑结构等方面存在缺陷：

· 以太网本身没有端到端的概念，尽管能在单独链路上提供COS，却不能提供端到端的QoS保障机制；以太网利用Spanning Tree算法建立路径，不存在最佳的路由，缺少优化的路径选择机制；尽管IEEE 802.1q定义了三个比特的优先级，但是以太网不具备像DiffServ模型的分类服务，因此不能对报文直接进行标记，不能进行有效的优先级的分类、调度和实施一定的策略。

· 以太网的保护机制主要存在自愈时间慢，缺少有效的故障隔离的能力等缺陷。尽管利用MPLS的快速重路由能达到50ms的自愈时间，但是当不启用MPLS 时，大多数以太网利用Spanning Tree算法进行故障保护倒换，没有基于环的快速保护机制。根据网络的规模不同，它的自愈时间可能要花几十秒。

· 以太网只是为点到点或者是网状网的拓扑结构进行设计的，不适用于环形拓扑结构。城域网内以太网交换机组网通常采用双归形组网，浪费光纤资源。

3. 适用范围

城域以太网技术适用于城域的核心、汇聚和接入承载各种数据业务。

4 光城域网技术

光城域网技术可分为MSTP技术、RPR技术、DWDM/CWDM技术，下面分别介绍。

4.1 MSTP技术

1. 概述

SDH设备最初只支持2Mbit/s、155Mbit/s 等话音业务接口，为了适应城域网多业务的需求，出现了MSTP技术——多业务传送平台。MSTP 是指以SDH平台为基础，同时实现TDM、ATM、以太网等业务的接入、处理和传送的技术。MSTP将多种不同业务通过VC或VC 级联方式映射入SDH 时隙进行处理。

MSTP是SDH 技术在新技术条件下的重要发展，客观上延长了SDH 的生命，有些人甚至称之为“新一代SDH”。目前大部分厂商都有MSTP产品，对数据业务的支持能力各有不同。有的只能实现对数据业务的透明传输，而有的则具有二层交换能力；有的只支持以太网业务，而有的同时支持以太网、RPR和ATM。

2. 优缺点

MSTP技术的优点是能提供TDM业务，可对数据网进行优化，替代少量的数据接入和路由设备。它的缺点为：MSTP主要实现二层功能，缺少三层功能；利用MSTP提供GE端口价格昂贵；由于映射方式和带宽治理等有不同的实现方式，因此目前不同厂家的设备还无法实现互连互通，从而影响了端到端数据业务的提供，限制了MSTP在网络中大规模的应用。

3. 适用范围

MSTP技术是对数据网优化的，而不是替代数据设备，它的辅助的地位不会改变。MSTP可以根据数据业务需要替代少量数据网接入和路由设备，但辅助的地位不会改变。适用于城域传送网的汇聚和接入层，支持混合型业务量非凡是以TDM业务量为主的混合型业务量。

4.2 RPR技术

1. 概述

RPR是一项基于分组的全新的传输技术，它综合了以太网和SDH的优点，将IP路由技术对带宽的高效利用、丰富的业务融合能力和光纤环路的高带宽及自愈能力结合起来，更好地满足城域网的多业务需求。

RPR一般采用双环结构，由两根反向光纤组成环形拓扑结构。其中一根顺时针，一根逆时针，节点在环上可从两个方向到达另一节点。每根光纤可以同时用来传输数据和同向控制信号，RPR环双向可用。利用空间重用技术实现的空间重用，使环上的带宽得到更为有效的利用。RPR技术具有空间复用、环自愈保护、自动拓扑识别、多等级QoS服务、带宽公平机制和拥塞控制机制、物理层介质独立等技术特点。

目前RPR的标准没有正式公布，只是一个草案，预计2003年秋季完成。目前多数厂家能提供非标准的RPR产品，它具备了RPR的基本特性，RPR产品有两种实现方式：独立的RPR设备和插卡式。其中插卡式设备以Cisco、华为等公司为代表，采用DPT协议；独立的设备以Luminous公司为代表，采用RPT协议。

2. 优缺点

RPR技术的优点是能提供MAC层的50ms自愈时间，能提供多等级、可靠的QoS服务。它的缺点为：

· 标准不成熟。目前RPR的标准未正式通过，它只是个草案，厂家提供的为非标准RPR产品，将来需要对产品进行升级；

· 组网能力差。由于草案中没有提及相交环、相切环等组网结构，当利用RPR组建大型城域网时，多环之间只能利用业务接口进行互通，不能实现网络的直接互通，因此它的组网能力相对SDH、MSTP较弱；

· 业务能力不统一。由于RPR的草案只是定义了一个新的MAC层协议，对RPR提供的业务能力没有明确规定，因此目前实际的RPR产品提供的业务能力差异较大，如插卡式的DPT设备目前能承载数据业务，不能承载TDM业务；独立的设备既能承载数据业务，又能承载TDM业务，但是同SDH、MSTP相比，承载 TDM的能力又较弱。当承载数据业务时，RPR没有明确规定具体的承载方式，由此导致了目前的产品工作方式不统一。例如，DPT工作在IP层，二层的流量需要在DPT设备上进行终结，不能直接跨越DPT；而RPT的报文处理基于二层，因此它的路由功能较弱。提供TDM业务能力较弱；标准不成熟。

3. 适用范围

独立设备组网能力弱，适于城域传送网的接入，支持混合型业务量，非凡是以数据业务量为主，TDM业务量为辅的情况。插卡式设备组网能力灵活，适于城域数据网的汇聚、骨干，支持数据业务。

4.3 DWDM/CWDM技术

1. 概述

城域波分技术是波分复用技术在城域范围内的应用。WDM技术解决了两个重要问题：光纤短缺和多业务的透明传输。它对信号具有透明性，可以直接对从不同设备出来的信号不进行速率和帧结构调整，直接进行透明传输。这可给用户，非凡是租用波长的用户以最大的灵活性。CWDW和DWDM技术都属于WDM技术，CWDM与DWDM系统的最大区别就在于其波长栅格较宽。

WDM技术具有透明传送的特点，与业务和协议无关。适合大颗粒的数据业务传送，使网络结构扁平化。能提供可靠的光层保护，节省光纤资源，适合光纤紧缺的环境。

2. 优缺点

WDM技术的优点是节省光纤资源，透明传输业务。缺点为成本较高。

3. 适用范围

适合光纤紧缺的环境，主要用于城域核心层，在中短距离范围内对业务进行透明传输。

5 结束语

根据对三种主流城域网技术的对比分析，得到以下结论：

1. 建设城域网时应根据业务种类的不同、网络规模的大小选用不同的城域网技术。光城域网技术适于组建城域传送网，尽管目前光城域网技术发展较快（MSTP、 RPR、WDM），但是它们都不能完美地解决同时承载数据业务和TDM业务的问题，因此光城域网技术应主要用于为TDM业务提供承载。

2. 目前以太网技术不仅是交换技术，能提供各种数据业务（VLL、VPLS、VLAN等），而且能作为一种传输技术，为城域汇聚、骨干节点之间提供高速链路（1/10Gbit/s）。可利用城域以太网技术直接构建城域数据网，省去城域传送网。

3. 尽管城域以太网已经广泛应用，但是当组建大型或超大型城域数据网时，由于L3交换机的性能和处理能力还低于高端路由器，因此城域核心应采用POS，汇聚、接入采用L3或L2交换机。对于小型、中型城域网，城域核心采用以太网。

4. 可结合使用各种技术。在城域数据网核心，将以太网同RPR结合，将RPR板卡集成到高端路由器和高端交换机中，直接将IP和光纤相连，既发挥了以太网的优势，又利用RPR补充了以太网的不足。在城域数据网的接入，将以太网同MSTP相结合，利用MSTP提供TDM业务，并解决光纤资源消耗大的问题。在城域数据网核心将DWDM/CWDM技术同以太网、POS结合，解决光纤资源紧缺的问题。

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