城域网的建设与应用(中)

1.ip城域网建设

随着基于IP的业务种类的增加，采用基于IP的网络技术建立支持多种业务的统一网络平台已经成为一种经济的、高效率的做法。但在建设中应当注重网络的扩展性和可靠性等问题。宽带IP城域网的技术要求网络可扩展性根据目前互联网的业务需求及社区网建设的全面铺开，近几年网络用户数量和网上的业务将成倍增长。这种业务趋势要求宽带IP城域网具有很好的可扩展性。这种可扩展性包括：骨干交换节点设备的容量扩容性、用户端口的可扩容性和中继带宽的可扩容性等。

目前，宽带IP城域网建设的技术方案可以分为两大类：一个是 IP over Fiber；另一个就是IP多业务平台系统，包括IP over Metro-DWDM 、 IP over SDH 、 IP over MSPP等。不同的技术有不同的市场切入点，不同的城市由于规模、经济发达程度和用户需求等的差异，对城域网技术的选择上会存在一定的区别；另外，不同的运营商由于市场定位、网络资源、运营权、品牌和用户规模等的差异，在技术选择上也会不同，尤其是新运营商，几乎从零起步，面临传统电信运营商的巨大竞争压力，更应该使技术的选择对自身的快速发展、核心竞争力的形成以及运营提供直接帮助。对运营商来说，如何使IP城域骨干网更加有效地配合接入网，尤其是以太网接入网，进行无缝连接，也会成为影响城域网技术选择的重要因素。

由于各运营商网络基础设施上的差异，组建IP城域网采用的技术有所不同，但为了IP城域网能够尽快创收，接入更多的用户，获得更高的效益，如何为更多的集团用户、家庭用户提供种类繁多，性能可靠的IP业务，是各运营商组建IP城域网时关注的重要课题。除了宽带IP城域网带给用户的基本业务，如宽带IP接入、话音和视频接入以外，最近又出现了能够为运营商吸引更多用户、为用户带来更多应用的IP接入边缘层的概念。接入边缘层是在POP点中对用户接入的IP 数据流进行了针对每个用户的区分和治理，能够支持所有的宽带接入方式，如以太网、ADSL、 Cable Modem 、无线接入、ATM和帧中继等。同时在这个IP边缘层提供了各种增值业务和安全性的保证，将IP接入网变成一个智能的接入网，能够提供有特色的IP业务，使运营商在竞争激烈的IP市场中处于领先的地位。

宽带IP城域网的定位对于不同运营商可能侧重点也不同，但一般来说都认为是各运营商宽带IP骨干网络在各城市范围内的延伸，可以支持高速上网、带宽租用、虚拟专用网(VPN)、窄带拨号接入、视频、话音各种多媒体业务，是以电信网络的可治理性、可扩充性为基础，来满足政府部门、企业、个人用户对各种带宽的基于IP的多媒体业务的需求。其典型技术特征是在城域范围内实现了传输的宽带化和节点的宽带化，使得城域网从接入到核心各个部分都实现了宽带化。

2.城域网层次划分

宽带IP城域网的网络结构通常分为三层：核心层、汇聚层和接入层。核心层网络完成高速数据转发的功能。汇聚层网络节点则主要实现扩展核心层设备的端口密度和端口种类，扩大核心层节点的业务覆盖范围，汇聚接入节点，解决接入节点到核心节点间光纤资源紧张问题，实现接入用户的可治理性等功能。接入层网络节点主要是将不同地理分布的用户快速有效地接入骨干。

城域网的层次划分可以从两个方面来分析，纵向和横向划分。所谓纵向划分是按照所对应的个同网络分层加以区别，比较常见的是分成传送网和业务网，传送网是业务网的物理承载平台，应该适应不同业务网的相关需求。

横向划分时，常把城域网分为3层结构：核心层、汇聚层和接入层。值得强调的是城域网的层次分为3层并不是固定的，这与城市规模、业务类型等一系列因素都有关系。在中小城市，则可以简化为两层，只有核心层、汇聚层（汇聚层和接入层综合在一起）；而在另外一些城市，可能汇聚层与核心层集成在一起，只有核心层（汇聚层）与接入层。运营商根据自己的网络规模、业务分布来决定网络的层次。

另外，随着城域网网络规模的扩大，其接入层面与客户网络有了越来越多的重叠，接入网络有被边缘化的趋势。非凡是在激烈的竞争区域，后来的运营者对于商业大厦、写字楼等大用户，将光纤延伸至大楼，直接与企业的LAN相连，从而使城域网接入部分等同于客户网络。

3.宽带IP城域网骨干网络技术

作为网络连接和交换的平台，城域网骨干网络需要快速的交换和转发能力，还要有冗余链路以保证网络安全可靠以及良好的流量控制和QoS等。目前骨干网技术突飞猛进，针对不同的运营环境有ATM、GE、POS、DPT等多种技术供运营商选择。对于运营商来说，首先要综合考虑技术的发展趋势、技术特点、技术成熟性和标准化。例如万兆以太网技术尽管会是未来城域网的发展趋势，但是就目前技术发展程度而言，GE无论是在技术成熟度、标准化方面，还是在价格等方面都是一个更合适的选择。其次对运营商来说要对所建城域网现在和将来要开放什么业务，面对的重点用户群是谁等有一个清楚的目标，这样才能更好地选择合适的技术。例如ATM技术适合于初期数据业务量不是很大，希望能兼顾话音和基础数据业务,以占领部分集团客户市场的综合业务运营商建立一个多业务城域网，但它并不适合那些新兴的ISP。另外对运营商来说，投资成本也是考虑的一个重要方面，因为建设城域网的目标一定是要建一个可赢利的网络。例如建设一个ATM多业务网络的成本要比纯IP网络的价格高，而对于一个纯IP网络来说，完全采用GE技术要比采用POS技术的成本更低。还应看到的是，不同的技术有不同的切入点，不同的运营商由于市场定位、网络资源、运营权、品牌和用户规模等的差异，在技术选择上肯定会不同。就目前来说，基于FTTB+LAN的以太网接入网将可能成为主流的接入方式。因此对运营商来说，如何使宽带IP城域网更加有效地配合接入网，尤其是以太网接入网进行无缝连接，也会成为影响城域网技术选择的一个重要因素。

4. IP城域网路由规划

路由规划是IP城域网建设中的核心问题，规划何当与否直接影响到整个城域网的可靠性及效率。

4.1路由协议选择原则

在城域网中，选择合适的路由协议非常重要，路由协议有域内路由和域间路由两种基本类型。域间路由协议主要有边界网关协议(BGP)和外部网关协议 (EGP)等；域内路由协议主要有开放式最短路由优先协议(OSPF)、中间系统路由选择协议(IS-IS)和路由信息协议(RIP)/RIP2等。选择路由协议需考虑一以下因素：

4.1.1路由协议的开放性；开放的路由协议可得到不同厂家的支持，使网络互通、未来升级和扩充能力得到保证；

4.1.2网络规模及复杂度；不同协议对网络规模及复杂度的支持能力会有所不同，例如RIP路由协议不适合规模较大且复杂的网络；

4.1.3路由协议的先进性和成熟度；为了使今后网络升级更加方便和顺利，必须考虑这种路由协议是否具有先进性，是否为当今主流协议。

4.2域间路由协议选择及相关策略

在铁通南宁城域网建设初期，网间路由采用静态路由/默认路由方式。随着顽网络规模的扩大，该城域网平滑过渡为单独的自治系统(AS)域，与骨干网的 Cisco12406之间采用外部边界网关协议(EBGP)对等连接，通过BGP路由表控制机制，对向AS外交换的和从AS外接受的路由表内容进行控制，从而对进出AS的路由信息进行过滤，有效减轻核心节点负担，提高路由效率。

4.3域内路由协议选择及相关策略

目前，广泛采用的域内路由协议有OSPF和IS-IS。OSPF是层次化路由协议，具有很好的可扩展性。城域网在划分域时，通常将核心节点和汇聚层路由器上连核心层的IP接口划分为骨干域(backone area)，负责与外部网络交互连接其他子域；每个汇聚层理由设备下连的接入层部分作为一个独立的子域，个子域均与主干域直接相连。扩容时也采用这一规则划分子域。与OSPF类似，IS-IS是ISO标准路由协议，也是开放式链路状态路由协议。但二者存在不同之处：(1)IS-IS标准化程度更高更成熟； (2)IS-IS支持无连接网络服务(CLNS)协议和多种三层协议(IP、网际包交换协议(IPX)等)，OSPF仅支持IP；(3)IS-IS支持多个2级域，具有良好的扩展性，OSPF只有单一的骨干域；(4)大多数主流设备支持OSPF，支持IS-IS的设备相对要少一些。

5. 新一代IP城域网解决方案

弹性分组数据环RPR(Resilient Packet Rings) 是由IEEE 802.17工作组正在开发的一个标准，以优化在MAN拓扑环上数据包的传输。该技术结合IP的智能化、以太网的经济性和光纤环网的高带宽效率和可靠性。利用空间重利用技术、统计复用和保护环提高了带宽的利用率；充分简化了网络层次，消除了网络功能上的重复性，使得协议开销最小；同时还支持业务分级（SLA）以及即插即用等特性，实现了节点对网络资源的公平利用。

RPR的基本结构是一个缓存器插入环BIR，在任何一个节点都存在三个缓存器，即发送缓存器，接收缓存器和转发缓存器。到达节点的帧假如通过地址匹配认为是目的地是本地，则把帧接收到本地接收缓存器，假如目的地不是本地，则通过转发缓存器发出。而本节点要发送的帧则通过发送缓存器发送数据。在单播的情况下，RPR支持空间重利用协议，即不同用户间的数据帧可以经由环上不同的路径同时在环中传输，这是由于所传输的数据帧是在目的节点而不是象FDDI那样在源节点剥离开网络。

RPR的具体实现方案可以分为三类：独立式的基于2层的RPR实现方案；基于路由器的单卡RPR实现方案；基于MSTP的RPR实现方案。对于这三种 RPR的实现方案，都各有厂家推出相应的产品。独立式的基于2层的RPR实现方案主要适用于IP城域网的接入层和汇聚层，是目前最成熟的一种解决方案。有的厂家将MPLS技术、时钟同步技术、CWDM技术和电视视频广播技术与这种2层的实现方案结合在一起，从而提供面向IP优化，并同时支持TDM业务的宽带多业务解决方案。另外，有的厂家推出的基于2层的RPR产品具有很强的组网能力，可以支持线性、相切环、相交环等拓扑结构以及双节点互连（DNI）跨环保护等。具有这些增强功能的基于2层的RPR产品也可以应用于小城市中IP城域网的核心层。

基于路由器的单卡RPR实现方案主要应用于IP城域网的核心层和汇聚层，多数厂家都是以现有的路由器产品为平台，通过增加板卡来实现RPR的功能。这种实现方案可以看作是对现有路由器组网的一种优化，在节省光纤资源的同时，可以大大加强其保护性能，获得50ms的环路保护功能。

基于MSTP的RPR实现方案，实际上是在MSTP环网带宽上划分出独立的通道来支持RPR技术。与传统SDH相比，虽然MSTP引入了2层交换技术以实现以太网业务的带宽共享，并通过GFP实现以太网帧到SDHVC容器的映射，以及采用了虚级联和LCAS技术增强虚容器带宽分配的灵活性和可靠性。但是由于以太网技术应用于环型网时固有的缺点，很多厂家都在考虑将RPR技术引入新一代的MSTP中，从而为支持数据业务提供全面的解决方案。

在TDM业务占主导地位时，基于MSTP的RPR实现方案将成为最佳的多业务传输平台，但是其产品的商用还有待时日；而在数据业务占主导地位时，独立的基于2层的RPR实现方案将成为最佳的多业务传输平台，目前这种实现方案已经有了较成熟的产品并得到了大量的应用。在IP城域网中由于处理的业务主要是数据，所以可以预计独立的基于2层的RPR实现方案以及基于路由器的RPR实现方案作为一种很好的优化解决方案将广泛应用于IP城域网的建设中。

6. 城域以太网技术

以太网技术的应用范围也从早期单纯的LAN逐步向城域网（MAN）发展，即所谓的城域以太网（Metro Ethernet）。城域以太网主要面向的是城区内的企业用户，其优越性表现在三个方面：

①以太网低廉的成本，包括设备成本及连接成本；

②网络治理及工程人员对以太网技术已非常熟悉；

③以太网接入速度的灵活性，用户可以向网络服务供给商订购从1Mbps到1Gbps范围内的任意接入速度，并且可以根据企业的需要灵活调整，这一点是现有的诸如桢中继，ATM等所无法比拟的。

目前，城域以太网还只能提供城区范围内的点对点连接服务，主要是提供企业的不同分部网络间的互连，企业网络或大楼向广域网（WAN）接口的连接等。因为以太网技术的本质是在一个共享传输媒介上提供多点接入方式，因此当前的点对点连接服务并没有充分发挥以太网技术的特点。并且，对于企业用户而言，其分支办公室网络可能分布在几个城市内，因此，它们真正需要的是能够覆盖多个城市范围的网络接入。对于这两个问题，当前已有一些网络服务供给商在尝试利用虚拟局域网（VLAN）提供多点到多点的以太连接。

VPLS（Virtual Private LAN Service）是为了用于企业分支办公室局域网互连的解决方案。它有效的结合了IP/MPLS，VPN，以太网交换等多种技术各自的特点，为广域范围的多点到多点LAN互连提供了实现基础。从连接方式上来看，VPLS利用IP/MPLS的广域骨干网络为企业用户提供了一种仿真的LAN连接，因此也被称为透明的LAN服务（Transparent Lan Service——TLS）。从网络拓扑结构与运营维护来看，VPLS则提供了与VPN类似的服务，唯一的区别在于VPLS的网络边缘节点采用了链路层（即第二层）桥接技术，而VPN则采用了第三层路由技术。

VPLS网络结构显示了企业用户A与B分别通过VPLS服务连接各自的三个分支结构局域网，这里的要害在于网络运营商的边界设备（Provider Edge——PE），其上运行了支持VPLS相关特性的协议。用户的各个分支局域网通过PE接入到网络运营商的IP/MPLS骨干，并形成一个得力的 VPLS域，属于同一个VPLS域的各个分支局域网相互之间可以以LAN方式传递数据流。一个PE上的不同接口可以分别用于不同VPLS用户的接入，这时，PE上为每一个VPLS用户创建一个分离的VPLS进程，用于该VPLS域的通讯治理。这样就保证了即使是多个企业通过同一个PE接入同一个骨干网络，它们的数据流也是逻辑上相互独立的，互不影响，这就充分保证了用户数据的私密性。

为了完成不同分支站点的连接，在服务于同一VPLS域的PE之间需要建立全网状的互连（即所谓的Full-mesh），这是通过IP/MPLS的标签交换路径（LSP）建立的数据隧道（Tunnel）。前面提到了，PE向用户提供了基于以太网的桥接接入方式，也就是说，PE可以直接接收来自用户分支局域网的以太封装格式的数据桢，并根据数据桢中的MAC地址信息决定将数据转发到合适的LSP上以送达另一端的分支局域网。PE上运行的VPLS协议支持特性使得PE上用于连接用户网络的接口可以象一个桥接设备一样提供二层交换和MAC地址学习的能力。通过MAC地址学习，PE上的每一个VPLS进程都为自己的 VPLS域创建并维护一个MAC地址表。当接收到数据桢时，VPLS进程首先查询桢头中的目的MAC地址与MAC地址表中的表项是否有可匹配的。假如有，则数据桢被直接转发到对应的LSP上进行传输；假如没有匹配，则同一数据桢被广播到服务于同一VPLS域的其它逻辑端口上。等待PE设备从拥有这一MAC 地址的主机上收到数据而学习到这个地址时，MAC地址表则被更新，而接下来的数据桢则可以被正常转发，这与以太网交换机的工作原理是基本相同的。

PE上的VPLS支持还包括了另外两个特性。首先是服务于同一VPLS域的PE之间的信令机制，信令机制主要被用于LSP的建立以及MPLS标签的分配过程。主要的信令机制可有两种选择：基于LDP协议的信令和基于BGP协议的信令，这两种机制的细节在有关MPLS技术及MPLS VPN技术的文献中都已有介绍，在此就不再过多论述。这两钟机制各自有其优缺点，基于LDP协议的信令机制实现比较简单，它是通过在每一对PE之间建立点到点的LDP会话来完成信令过程的。而且，由于LDP协议提出的较早，目前已有许多厂商的产品支持这一机制。不过由于其点到点的会话建立，LDP协议在大型网络中的可扩展性较差；并且，由于以太网的本质是多点接入的，因此LDP在此并不太适合。为此，IETF PPVPN工作组正在制定LDP的扩展协议以支持多点连接特性。相对而言，基于BGP协议的信令机制则可以充分利用BGP路由反射器的特点，这样PE只需路由反射器建立信令会话即可，这就大大提高了可扩展性。同时，BGP协议还可以支持跨越多个自治系统（AS）网络结构，这对于多个网络运营商并存情况下的 VPLS实现非常有利。不过，也有许多运营商担心BGP协议的复杂性会为网络运营治理带来较大的困难。

另外一个特性则是自动发现机制，这对简化VPLS网络的治理与运营是相当重要的。自动发现是指当一个新的PE被增加到网络中时，所有属于同一VPLS域的其它PE可以自动的发现这一新的PE并自动完成相应的LSP建立过程。针对两种不同的信令机制也存在着两种自动发现机制。在采用了基于BGP协议的信令机制的情况下，新加入的PE只需与BGP路由反射器建立一个BGP连接会话，并通过BGP路由反射器向同一VPLS域的其它PE通知有关新的PE的参数。这样，其它PE就可以“发现”这一新的PE并主动与其建立LSP连接。在基于LDP协议的信令机制中并没有定义有关自动发现的功能，但是，通过在网络中增加一个目录服务器则也可以实现类似的功能。目录服务器中为每一个VPLS域维护了相关的配置信息。当新的PE加入网络中，将引起目录服务器上记录的更新，这一更新的结果被发布到其它所有的PE上，从而使得这些PE“发现”新的PE。

7.城域光传送网

一般来说，城域光传送网被定义为覆盖100km左右，非凡是服务于大中型城市和地区的光网络。城域光传送网是骨干光传送网和接入网的桥接区，主要完成接入网中的企业和个人用户与骨干网运营商之间全方位的业务互联互通。骨干网与城域光传送网相连，并在区域之间相互延伸以实现互联互通，骨干网的发展重点是网络容量和长距离传输。接入网将业务直接提供给终端用户，其特点是有多种多样的应用和灵活的结构。处在骨干网和接入网之间的城域光传送网是整个网络体系中的一个重要组成部分，不仅要承载多种网络协议和信道速率，还要具有组网的灵活性和可扩展能力。

由于城域网位于骨干网与接入网的交汇处，是通信网中最复杂的应用环境，各种业务和各种协议都在此汇聚、分流和进出骨干网。多种交换技术和业务网络并存的局面是城域网建设所面对的最主要问题。

城域网不仅要求低成本，在支持的客户业务种类上也与长途网不同，系统还要提供丰富的OTU接口，支持多协议多业务接入，承载多种业务格式：PDH、SDH、POS、IP、ATM、FE、GE、10GE、ESCON/FICON/FC、数字视频、多速率自适应等。

总体来说，宽带城域网的建设应包括城域光传送网、宽带数据骨干网、宽带接入网和宽带城域网业务平台等几个层面。新一代的宽带城域网应以多业务的光传送网为开放的基础平台，在其上通过路由器、交换机等设备构建数据网络骨干层，通过各类网关、接入设备实现语音、数据、图像、多媒体、IP业务接入和各种增值业务及智能业务，并与各运营商的长途骨干网互通，形成本地市综合业务网络，承担城域范围内集团用户、商用大楼、智能小区的业务接入和电路出租业务，具有覆盖面广、投资量大、接入技术多样化、接入方式灵活，强调业务功能和服务质量等特点。

目前构建宽带城域光传送网采用的3种技术主要是：城域WDM环网、以SDH为基础的多业务传送平台（MSTP）以及弹性分组环（RPR），它们各有自己的特点和适用范围。

波分复用技术继在骨干网及长途网络中应用后，也开始在城域网应用，非凡是其巨大的容量、网络的扩展性及业务的可扩充性，在城域网中显示出特有的优势。但是 WDM技术的高成本是城域网环境无法接受的；另外针对城域网客户层业务的多样性及复杂性，城域波分复用技术必须向高效承载多业务方向演进。解决这些矛盾之后，CWDM(粗波分)和OADM环网技术将逐渐成为该技术的主导力量。

7.1CWDM城域传输技术

CWDM技术一般应用于小型城域网或大型城域网的汇聚、接入层，它的波长数目一般为4波或8波，最多16波，波长从1290nm～1610nm(16波系统)。下面是目前CWDM的波长分布情况：O波段为：1290nm、1310nm、1330nm、1350nm；E波段为：1380nm、1400nm、 1420nm、1440nm；S+C+L波段共有8个波长：从1470nm到1610nm，波长间隔为20nm。这些波长覆盖了整个光纤的可用波段，包括过去常用的波长1310nm、1510nm、1550nm。

由于波长间隔较宽，CWDM系统可以使用非制冷的DFB激光器和带宽滤波器，这样既延续了DWDM技术的优势，又具备了DWDM技术所不具备的一些特点：低成本、低功耗、小尺寸等。它的出现解决了长久困扰城域网建设的性价比问题，而且它最大限度地利用了现有城域光纤基础设施，进而满足了未来小型城域网及大型城域网汇接、接入层业务所需要的带宽。

当然，CWDM技术也有其不足之处，比如要建设一个16波的CWDM系统，其带宽范围覆盖了近400nm的光纤工作窗口，其中包括1380nm的高衰减区，普通的光纤介质根本无法适应，需敷设全波光纤才能满足要求。

7.2城域OADM传输技术

城域OADM环网技术是在考虑客户信号的可靠性基础上发展起来的。利用该技术，可以实现灵活的波长保护和调度。当前，固定波长的OADM在实际工程中已经被采用，波长可调、动态重构的OADM产品也即将走向商用。OADM系统主要由合波器、分波器、上路波长转换器(OTU-A)、下路波长转换器 (OTU-D)、光功率放大器、光前置放大器、子速率复用/解复用器(可选)等单元组成，为开放式WDM系统。其中光功放和前放是可选件，子速率复用/解复用器的应用只要是为了解决网中小颗粒客户信号的承载而设计的。

由于上下波上的数目及要求不同，OADM又分为串行、并行、串并结合三种类型。串行结构在节点上只对需要上下路的波长进行处理，对通过波长不做光层的复用(MUX)和解复用(DEMUX)处理；并行结构对上下路波长、通过波长都进行复用和解复用处理；串并行混合结构先通过子波带滤波器将在本节点上下路的1个或多个子波带进行滤波，然后对子波带内的每个波长进行复用和解复用处理，而其它子波带在经过子波带滤波/合波器的处理后直通。

8.城域传输网存在的问题

目前，在城域网中，话音和专线业务通常由SDH和电路交换机提供，数据业务通常由SDH和分离的FR、ATM、IP网提供，这种通过传输网独立组网的重叠网络结构是多年来为不断支持新业务而逐步形成的。该结构有利于各业务网单独规划和运营治理，但随着不同种业务的数量和流量增加，出现网络资源利用率低、统一规划和治理困难、各业务网间互通复杂、网络发展不适应业务多样化需求等问题，使重叠网络结构越来越难以满足市场发展变化的需要，建设和运营成本越来越高，投入和产出不能保持同步增长。

在承载IP数据方面，现有本地传输网存在不足，IP城域网基本上为独立组网，绝大部分业务直接承载在物理光纤网络上。这种组网方式的好处是节省传输设备投资，使组网成本大大降低，但采用量裸纤互连IP设备，加快了光缆线路资源的消耗，而且裸纤直连无法实现链路保护，不便于业务治理和提供电信级业务。

城域范围内各业务网独立发展，给城域传输网的规划和发展带来了很多问题，非凡是在IP业务高速增长和客户需求多样化的环境中，各业务网单独组网复杂低效，造成传输网资源严重浪费、设备和运营成本高以及业务提供缓慢等问题，主要体现在以下方面：

①传输链路资源利用率低，大量通道富余闲置，网络资源总体过剩、局部不足的矛盾突出；

②城域传网业务接口类型少，承载业务类型有限，不能提供多等级业务，不适应IP网络突发业务的特性；

③由地城域传输网的限制，IP城域网独立组网，光纤消耗大，缺乏有效保护和恢复能力，不能提供有质量保证的IP业务承载；

④大量SDH环网叠加互连，业务开通时间长、不灵活；

⑤难以灵活有效地开展VPN、带宽出租和带宽实时请求等新业务；

⑥多厂家设备组网，网管不健全，无统一网管，业务调度困难，运维成本高。