韦乐平：城域网的发展与技术选择

8/25/2010，1 城域网面临的问题及下一代城域网的基本要求

　　城域网面临的首要问题是带宽“瓶颈”。在其用户侧，由于低成本千兆比以太网的出现和发展，局域网的速率上了一个大台阶;在其长途网侧，由于WDM技术的发展，传输容量扩展了几个数量级。因而使得中间的城域网/接入网成为全网的带宽“瓶颈”。

　　城域网面临的另一个问题是其仍然存在多个重叠的网络。首先，目前多数电信运营公司通过SDH和电路交换机提供语声和专线业务，通过SDH和分离的帧中继、ATM和IP网提供各种数据业务，造成分离的网络和网络技术需要分离的网管系统和人员、不同的网络配置和计费系统甚至不同的终端。而出于惯性思维、组织架构的限制，以及每次升级的初始成本考虑，这种分离的网络发展模式仍在继续。但从整体和长远看，随着网络规模越来越大，无论初始成本还是运行成本都将快速增加，业务提供也将更加费时耗力。其次，通过不同的接入技术和线路获取不同的业务，用户不仅麻烦，而且使用费高。第三，企业用户正从简单的原始带宽连接要求转向更加个性化的业务剪裁要求以适应特定的应用，使得网络需要支持复杂的2层和3层功能，因而单一业务模式将会减少收入且无法锁定用户。最后，目前城域网底层多数采用传统SDH作传送平台，在传送突发数据业务时，利用为电话业务设计的固定带宽的SDH进行数据传送不仅效率低下，而且改变带宽往往意味着改变物理接口甚至改变了业务类型。使企事业用户改变业务时常常不得不重新设计和重新建设网络。

　　目前，城域网不仅成为电信网的容量“瓶颈”，而且也成为电信网进一步全面发展的“瓶颈”。

　　要解决城域网面临的问题，下一代城域网必须能有效地处理混合的第1层、第2层和第3层业务。在混合业务中，每种业务的比例是不确定的，而且随时间而异，因此基础传送网不仅要能在目前有效地支撑第1层业务并具有足够的容量扩展性以满足业务增长的需要，还要能提供第2层和第3层业务，并确保向支撑第3层业务的网络平滑过渡。

　　2 城域网解决方案之一：SDH多业务平台

　　SDH多业务平台(MSTP)能够在SDH设施上支持数据业务的传送，终结多种数据协议，实施数据透传或2层交换和本地汇聚。其中点到点透传方式直接将数据封装到虚容器中传送，简单，成本低，具有较好的用户带宽保证和安全隔离功能，适合有较高QoS要求的数据租线业务，但带宽利用率较低，网络硬件资源消耗较大，不支持端口汇聚等应用，缺乏灵活性，而且需要手工配置每一个物理通道，耗时费力。而2层交换和汇聚方式用户以多点到单点汇聚方式进入网络，用户数据根据媒体访问控制(MAC)地址完成用户侧不同以太网端口与网络侧不同虚容器间的包交换，具有带宽共享、端口汇聚能力;通过虚拟局域网(VLAN)方式可以实现用户隔离和速率限制;利用SDH环或快速生成树保护(RSTP)实现2层保护和环上的带宽共享，节省网络资源和端口。但由于2层交换有竞争带宽的特性，难以确保用户实际带宽，安全性稍差。带有2层交换和汇聚功能的SDH多业务平台可以明显减少节点的业务端口，降低网络成本，减轻3层交换机/路由器负担，组网灵活，适合于汇聚层和接入层应用，适合安全性要求较低的网络浏览和视频点播(VoD)类业务。当然还可以进一步利用集成的路由器功能将数据业务在3层上处理，以享受更丰富灵活的数据联网功能。

　　MSTP的出现不仅减少了大量独立的业务节点和传送节点设备，简化了节点结构，降低了设备成本，减少了机架数、机房占地、功耗和架间互连，简化了电路指配，加快了业务提供速度，改进了网络扩展性，节省了运营维护和培训成本，还可以支持各种数据业务。特别是集成了以太网、帧中继、ATM乃至IP选路功能后，可以通过统计复用和超额订购业务来提高TDM通路的带宽利用率和减少局端设备的端口数使现有SDH基础设施最佳化。另外，MSTP可以为任何端口提供1层、2层乃至3层业务的任意结合而不管物理接口类型是什么。随着网络中数据业务份量的加大，MSTP正从简单的支持数据业务的透传方式向更加灵活有效支持数据业务的新一代系统演进和发展。最新的发展是支持通用组帧程序(GFP)、链路容量调节方案(LCAS)、弹性分组环(RPR)和自动交换光网络(ASON)标准。特别是实现了在协议层面上的多厂家设备互连互通后，可以避免支路口互连带来的网管复杂性和成本开销，有利于MSTP的广泛应用。

　　若下一代的MSTP能将GFP、LCAS和RPR几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。总的来看，SDH多业务平台最适合作为网络边缘的融合节点来支持混合型业务量特别是以TDM业务量为主的混合型业务量。不仅适合缺乏网络基础设施的新运营者应用于局间乃至大企事业用户驻地，对于已敷设了大量SDH网的运营公司，SDH多业务平台也可以更灵活有效地支持分组数据业务，增强业务拓展能力，降低成本，有助于实现从电路交换网向分组网的过渡。

　　这种方案的缺点在于网络基于同步工作，抖动要求严，设备成本较高;难以灵活地生成业务;用固定时隙来支持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;同时管理多个面向连接和无连接网比较困难，管理成本偏高。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方法，将会被更有效的方案所替代。

　　3 城域网解决方案之二：以太网多业务平台

　　以太网技术源自局域网，十分简单，应用多年，为用户熟悉，业务指配时间可以减少到几小时或几天;以太网是标准技术，互换互操作性好，具有广泛的软硬件支持，成本低;以太网是与媒体无关的承载技术，可以透明地与铜线对、电缆及各种光纤等不同传输媒体接口，避免了重新布线的成本。从结构上看，以太网是一种端到端的解决方案，在网络各个部分统一处理2层交换、流量工程和业务配置，省去了其他方案所必不可少的网络边界处的格式变换，减少了网络的复杂性;以太网的扩展性很好，容量分为10 Mb/s、100 Mb/s、1 000 Mb/s 3级，在网络边缘，通过改变流量策略参数即可迅速地按需要以64 Kb/s至1 Mb/s的带宽颗粒逐步提供所需的带宽，直至1 Gb/s。目前10 Gb/s以太网系统也已经问世。从管理上看，由于同样的系统可以应用在网络的各个层面上，网络管理可以大大简化。此外，由于很多用户已经熟悉了以太网，新业务可以拓展得更快。因此，将以太网扩展至城域网可以使业务提供商迅速经济地提供用户所需的高速数据传送和应用业务。

　　总的看，以太网多业务平台最适合IP业务量占据绝对主导的网络应用场合，也可以在IP业务量足够大的中、小城市作为独立的IP城域网应用，还可以在IP业务量很大的大、中城市作为IP城域网的汇聚和接入层应用。以太网多业务平台的核心为高端路由器。随着网络中IP业务量的日益增加，以太网多业务平台在城域网中的应用将会越来越多。

　　然而也不是没有问题，首先，历史上以太网用于局域网时QoS不是个问题，但当试图扩展应用到公用电信网时则需要提供随用户而异的QoS和服务等级合同(SLA)机制。目前以太网还没有机制能保证端到端的抖动和延时性能，无法提供实时业务所需要的全网范围的标准QoS指配能力，无法提供多用户共享节点和网络所必须的计费统计能力。其次，以太网原来是为局域网企事业用户内部应用设计的，缺乏安全保证机制，当扩展到城域网(MAN)和广域网(WAN)以后，在大量的终端用户由同一个基础设施提供服务时，需要开发新的安全机制。第三，以太网原来主要用于小型局域网络环境，操作、管理、维护和配置(OAM&P)能力很弱。而在公用电信网中，必须有效地运行和维护大规模的地理分散的网络，需要有很强的OAM&P能力、网络级的管理能力及商务赢利模式。第四，以太网交换机的光口是以点到点方式直接相连的，省掉了传输设备，不具备内置的故障定位和性能监视能力，使以太网中发生的故障难以诊断和修复，花费很大，特别是对复杂的大网很难诊断和修复。以太网没有内置保护功能，主要靠路由器来实施保护，需要至少大约1 s的时间才能使数据流重新定向，使以太网无法传送电信级的语音数据流。第五，以太网中光纤线路成本随网络规模的扩大和节点数的增加而迅速增长，其网络成本对于复杂的大型电信级网络是否合算是个未知数。最后，尽管以太网作为局域网应用是一项久经考验的技术，但是否能提供大型电信级公用网所必须的硬件和软件可靠性需要实践和时间的验证。只有妥善地解决了上述问题，以太网才能作为真正的多业务平台应用于大型公用电信网环境，提供电信级的业务。

　　4 城域网解决方案之三：弹性分组环多业务平台

　　为了将以太网扩展到电信级的核心网，需要解决以太网固有的一系列问题，RPR就是解决方案之一。这是一种基于以太网或SDH的分组交换机制，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1层数据帧内或裸光纤上，无须进行包的拆分重组，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1层的SDH和千兆以太网上，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。

　　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，较适合分组业务;RPR又能确保电路交换业务和专线业务的服务质量(能做到50 ms的保护倒换时间);RPR具有自动拓扑发现能力，可以自动识别任何2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。

　　弹性分组环的最大特点是采用了一个嵌入控制层，从而可以提供很多新的功能。从成本上看，RPR成本介于SDH和千兆以太网技术之间，数据接口越多，其成本越接近千兆以太网，反之则趋近SDH。总的看，该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，因此最适合于城域网的接入层应用，特别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。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，但利用与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。RPR使用共享接入方法，扩展性受限。

　　5 城域网解决方案之四：WDM多业务平台

　　随着技术的进展和业务的发展，WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展。当然，这种扩展不是直接的，需要对城域网的特定环境进行改造，其主要特点和要求可以归纳如下：首先，采用WDM后，容量有了大幅度的增加，可以扩大数十至数百倍，而且可以提供某种形式的WDM环保护。其次，应用WDM后容许网络运营者提供透明的以波长为基础的业务。用户可以灵活地传送任何协议和格式的信号而不受限于SDH格式。特别是对于应用在城域网边缘的系统，直接与用户接口需要能灵活快速地支持各种速率和信号格式的业务，因而要求其光接口可以自动接收和适应从10 Mb/s到2.5 Gb/s范围的所有信号，包括SDH、ATM、IP、千兆比以太网和光纤通路等。而对于应用在城域网核心的系统，将来可能还会要求支持10 Gb/s乃至40 Gb/s的SDH信号和以太网信号。最后，城域WDM系统还应具备波长可扩展性，新的波长应能随时加上而不会影响原有工作波长，这样，系统可以通过简单地增加波长的方式迅速提供新的业务，极大地增强了网络扩展性和市场竞争能力。

　　然而，目前WDM多业务平台的成本仍然较高，特别是传输距离较长时需要光纤放大器，因此需要开发低成本光纤放大器。由于当前在网络边缘需要整个波长带宽的用户和应用毕竟很少，因此WDM多业务平台主要适用于核心层，特别适用于扩容需求较大、距离较长的应用场合。为此进一步开发允许不同业务量和不同协议共享同一波长的子速率复用技术，改进容量利用效率是WDM向网络边缘扩展的必要手段。

　　为了降低城域WDM多业务平台的成本，出现了粗波分复用(CWDM)的概念。系统的典型波长组合有3种，即4、8和16个，分别覆盖1 510～1 570 nm、1 470～1 610 nm、1 310～1 610 nm范围，波长通路间隔达20 nm之宽，滤波器通带宽度约13 nm，允许波长漂移±6.5 nm，大大降低了对激光器的要求。传统DWDM系统用激光器的波长精度要求至少有0.1 nm，而CWDM系统用激光器的波长精度要求可以放松到2～3 nm，甚至可以在制造DVD光驱用激光器的生产线上制造出来，因此成本可大大降低。此外，由于CWDM系统对激光器的波长精度要求很低，无须制冷器和波长锁定器，不仅功耗低、尺寸小，而且其封装可以用简单的同轴结构，比传统碟型封装成本低(激光器模块的总成本可以减少2/3)。从滤波器角度看，典型的100 GHz间隔的介质薄膜滤波器需要150层镀膜，而20 nm间隔的CWDM滤波器只需要50层镀膜即可，其成品率和成本都可以获得有效改进，预计成本至少可以降低1/2。

　　简言之，CWDM系统无论是对激光器输出功率要求，还是对温度的敏感度要求，对色散容忍度的要求以及对封装的要求都远低于DWDM激光器，再加上滤波器要求的降低，成本有望大幅度下降。特别由于8波长CWDM系统的光谱安排避开了1 385 nm附近的吸收峰，可以适用于任意一类光纤，将会首先获得应用。

　　从业务应用上看，CWDM收发器已经应用于吉比特接口转换器和小型可插拔器件，可以直接插入到吉比特以太网交换机和光纤通路交换机中，并允许用户选择波长。其体积、功耗和成本均远小于对应的DWDM器件。目前100 GHz间隔的吉比特接口转换器已经问世，50 GHz间隔的吉比特接口转换器也将很快问世。这样，用户可以首先应用CMDM系统应付业务需求，在业务量发展需要更多波长时，直接用DWDM代替CMDM收发器，其他部分不动，即可平滑升级到数百个波长通路系统。

　　总的看，对于光纤资源短缺的城域网或者大型城域网的核心层乃至未来的汇聚和接入层面，城域WDM多业务平台都将是一种有长期技术寿命的通用解决方案。CWDM多业务平台则最适合城域汇聚和接入网部分。

　　6 总结

　　面对复杂动态的城域网应用环境，上述4种方案都将在特定应用场合或时间获得应用，共同构成完整的城域网解决方案。对于多数运营公司而言，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，又考虑了适度支持数据业务的需要;弹性分组环多业务平台在网络边缘有应用上的优势;以太网多业务平台在未来IP业务绝对主导的形势下将可能成为主要解决方案;当业务量到达相当规模后，WDM多业务平台将在核心和汇聚层扮演主要角色。

　　可以相信，随着网路中IP业务的继续快速增长，中国宽带业务的迅速崛起和第3代移动通信业务的商用在即，构筑一个动态、灵活、高带宽的城域网将成为网络发展的必然要求，也将是一次重要的市场机遇。

　　作者简介：

　　韦乐平，1970年清华大学无线电系毕业，1981年获邮电科学研究院通信与电子系统硕士学位，1984年?1986年加拿大国家访问学者，1994年-1995年以色列国家高级访问学者，现为清华大学、北京大学、北京邮电大学和电子科技大学兼职教授。研究领域为光纤通信、SDH、宽带网、接入网和网络发展战略。现任国家“863”计划信息技术领域第1届专家委员会委员、信息产业部通信科技委副主任、中国通信学会常务理事兼信息通信网络委员会主任委员和光通信委员会副主任委员、中国电信集团公司总工程师兼北京研究院院长。