城域網新解決方案及比較

首先給出對下一代城域網的要求，接著重點闡述了城域網的三種新方案：Gbit以太網，基于標簽的光突發交換（LOBS）及彈性分組環（RPR）；并分析各種技術的優缺點。

　 關鍵詞：以太網，光分組交換，LOBS，RPR。

　 Abstract ：First, we give the basic requirements for the next generation Metropolitan Area Network (MAN). Then，emphases will be put on characteristics and applications of major three solutions such as Gbit Ethernet ,Labeled Optical Burst Switching(LOBS) and Resilience Packet Ring(RPR). At last, we evaluate their performances.

　 Key words: MAN， Ethernet，LOBS， RPR .

1． 概述

　 目前城域網的主要問題首先是帶寬瓶頸。在用戶側,由于低成本吉比特以太網的出現和發展,局域網的速率上了一個大臺階。在長途網側,由于DWDM技術的發展,商用化系統的容量已達Ｔｂｉｔ／ｓ。而中間的城域網／接入網成為全網的帶寬瓶頸。其次是城域網存在多個重疊的網絡。一方面,目前多數運營公司通過ＳＤＨ和電路交換機提供語聲和專線業務,而通過ＳＤＨ和分離的幀中繼、ＡＴＭ和ＩＰ網提供數據業務,分離的網絡和網絡技術往往需要分離的網管系統和人員,以及不同的配置和計費系統,導致高設備成本和高運行成本以及費時耗力的業務提供。另一方面,用戶必須通過不同的接入技術和線路獲取不同的業務,不僅麻煩,而且費用高。再有,目前城域網底層多數采用ＳＤＨ作傳送平臺,利用這種為電話業務設計的ＳＤＨ固定帶寬來傳送突發數據業務時不僅效率低下,而且改變帶寬往往意味著改變物理接口甚至改變了業務類型。這樣企事業用戶需要改變業務時常常不得不重新設計和重新建設網絡。

　 對下一代城域網的基本要求可以總結為:

　·希望采用單一公共平臺支持多協議多業務,中間層最少;
　·目前應該有效支持從電路交換網向分組網的過渡,將來應該對ＩＰ傳送最佳;
　·希望網絡的鏈路容量和節點數可以不受限擴展;
　·具有光的透明性,適應各種現有和將來可能出現的協議和業務;
　·具有拓撲靈活性,可快速擴展業務;
　·可以實現快速業務指配;
　·集成的、標準的、易用的網管系統;
　·支持以傳統語聲業務為代表的實時業務;
　·價格低（包括初建和維護）。

2． Gbit以太網

　 事實上,以太網并不是一種純粹的新技術,而是一種"老的新技術",主要用于企事業網絡。采用以太網作為企事業用戶接入手段的主要原因是已有巨大的網絡基礎和長期的經驗知識、目前所有流行的操作系統和應用也都是與以太網兼容的、性能價格比好、初始成本和運營成本均較低、擴展性好、容易安裝開通以及高可靠性等。以太網接入采用異步工作方式,很適于處理ＩＰ突發數據流,技術已有重要變化和突破（ＬＡＮ交換，星形布線,大容量ＭＡＣ地址存儲等）,與傳統的以太網相比,其面貌已大為改觀。特別是從共享媒質轉向了樞紐或星型結構并采用ＬＡＮ交換后,在相當程度上實現了計算機間的信息隔離。更重要的是使以太網從此轉向全雙工傳輸,消除了鏈路帶寬的競爭和潛在的碰撞機會。由于采用專用的無碰撞全雙工光纖連接,還可以使以太網的傳輸距離也大為擴展。近來以太網最重要的動向是向城域網乃至廣域網的擴展。從技術上看,以太網是一種很簡單的解決方案,只需要最少量的規劃、設計和測試工作。應用多年,為用戶熟悉,業務指配時間可以減少到幾個小時或幾天。其次,以太網是標準技術,互換互操作性好,具有廣泛的軟硬件支持,成本低。有人預測,在城域網和廣域網上,以太網成本可能只有ＳＤＨ和ＡＴＭ的２５%和１０%。最后,以太網是與媒體無關的承載技術,可以透明地與銅線對、電纜和各種光纖等不同傳輸媒體接口,避免了重新布線的成本。從結構上看,以太網正以前所未有的端到端解決方案面目出現,消去了其他解決方案所必不可少的網絡邊界處的格式變換,減少了網絡的復雜性。其次,以太網是具有很好擴展性的解決方案,其速率可以從１０Ｍｂｉｔ／ｓ，１００Ｍｂｉｔ／ｓ，１Ｇｂｉｔ／ｓ一直擴展到１０Ｇｂｉｔ／ｓ。從管理上看,由于同樣的系統可以應用在網絡的各個層面上,因此,網絡管理可以大大簡化。此外,由于很多用戶已經熟悉了以太網,因此培訓工作簡化,新業務可以拓展得更快。近來,１０Ｇｂｉｔ／ｓ以太網的出現和發展使以太網技術能在基本保持傳統以太網幀結構的基礎上使容量又有了大幅度提升。而且還能與現有的ＳＤＨ網在１０Ｇｂｉｔ／ｓ速率上實現互操作,在歷史上首次提供了跨越局域網、城域網和廣域網的統一的開放的標準平臺。

　 然而,原來以太網是用于局域網的,ＱｏＳ不是個問題,當試圖擴展應用到公用電信網時需要提供隨用戶而異的ＱｏＳ,而目前以太網還沒有機制能保證端到端性能,無法提供實時業務所需要的ＱｏＳ和多用戶共享節點和網絡所必需的計費統計能力。其次,以太網原來是為局域網企事業用戶內部應用設計的,缺乏安全機制保證。即便有需求也是由高層協議來處理。當擴展到ＭＡＮ和ＷＡＮ以后,上述利用高層協議的處理方法就無法接受了,需要開發新的安全機制。第三,以太網主要用于小型局域網絡環境,網管能力很弱,且目前只有網元級的管理系統。而在公用電信網中,必須有效地運行和維護大規模的地理分散的網絡,需要有很強的ＯＡＭ&Ｐ能力和網絡級的管理能力和視野。第四,以太網交換機的光口是以點到點方式直接相連的,省掉了傳輸設備,無法提供故障定位和性能監視,不支持環回測試方式,保護功能也難以實現,光纖線路成本隨節點數增加而迅速增長。最后,盡管以太網作為局域網應用是一項久經考驗的技術,但是用于公用電信網特別是廣域網環境仍然是一項未經測試的新技術,其設備是否能提供大型電信級公用網所必須的硬件和軟件可靠性也需要實踐和時間的驗證。總的看,只有妥善地解決了上述主要問題后,傳統以太網才能順利地應用于大型公用電信網環境。

3． 基于標簽的光突發交換（LOBS）

　 基于波長選路的光網絡仍然沒有擺脫電路交換方式的羈絆，交換粒度太粗（一般為波長級）。如果用它來承載以包為代表的呈爆炸式增長的數據業務，則缺乏靈活性且對光學帶寬的利用率極低。相反，雖然分組交換技術在靈活性和帶寬利用率方面表現出獨有的優勢，而且能夠以非常細的交換粒度按需地共享一切可用的帶寬資源，但又由于光的分組+包交換一直面臨成本和一些難以克服的技術障礙，如分組同步技術、分組+包沖突（對資源的競爭）問題以及合理高效的交換結構和分組格式，因而一時也不能進入實用階段。過去對分組交換技術的研究主要集中在對長度固定的分組+包的交換技術上，但鑒于目前光信號處理技術尚未足夠成熟，因而無法實現全光分組交換的實際情況，同時為了克服交換中的電子瓶頸問題和提高帶寬利用率，目的在于傳輸和交換在光域里完成，路由和轉發在電域內對低速率控制信息進行處理。這時，一種基于標簽的光突發交換技術凸現出來，這種技術集光的"電路交換"和光的分組交換之優點于一體，同時又有效克服和避免了二者的不足之處。

　 基于標簽的光突發交換技術仍是一種IP via MPLS over WDM技術。使用光突發交換技術的網絡中的基本數據交換/傳輸單元是由大量分組所構成的突發數據流。在這種網絡結構中有兩種光分組數據流：包含路由信息的控制分組和承載業務的數據分組。控制分組中的控制信息要通過網絡節點的電子處理，而數據分組不需光電/電光轉換和中間節點的電子轉發，直接在端到端的透明傳輸信道中傳輸和交換。控制分組在WDM傳輸鏈路中的某一特定信道中傳送，每一個突發的數據分組對應于一個控制分組，并且控制分組先于數據分組傳送，節點通過"數據報"或"虛電路"路由模式來為突發數據流指配空閑光信道，實現數據信道的帶寬資源動態分配。先一步傳輸的控制分組在中間節點為要傳輸的突發數據流預定好了必要的網絡資源，并在不等待目的節點的確認信息（就像在EFA中的虛電路的建立過程）的情況下就立即發送該突發數據流。

　 這種將控制分組數據信道與控制信道隔離的方法簡化了突發數據交換的處理，且控制分組長度非常短，因此使高速處理得以實現。光突發交換技術只需要很少的處理和比純粹分組交換（由于是逐個分組地進行交換，所以對同步要求非常嚴格）低得多的同步開銷處理水平，就可以最充分地利用網絡的帶寬資源，因此在突發交換網絡中，節點的處理負荷相對于分組交換來說得到了大幅度的降低。

　　 突發交換與分組交換和電路交換技術相比較，有以下優點：交換粒度大于分組交換小于電路交換；帶寬建立后無需目的端的確認，時延小；突發數據流直接通過中間的交換節點，而分組交換必須在每一個中間節點上進行存儲#轉發操作。

　 另外，光突發交換可設置突發數據流與控制分組之間的偏置時間（即數據流的等待時間），也就是在傳輸過程中可以根據鏈路的實際狀況用電子處理方式對突發數據流相對于控制分組的時延作調整，因而控制分組和數據流都不需要執行光同步和光存儲，而且可以執行QoS功能。可以看出，這種突發交換技術充分發揮了現有的光子技術和電子技術的特長，實現成本相對較低、非常適合于在承載未來的具有高突發性數據業務的局域網中應用；超大容量的光突發數據流交換技術同樣可用于構建骨干網和城域網。

　 基于標簽的光突發交換技術與多協議波長交換技術在吸收MPLS標簽交換技術方面的基本思路是一致的，所不同的主要是基于標簽的光突發交換使控制信道和數據交換信道分離，標簽信息在控制包中；而且這時在波長信道上所承載的數據是由多個IP包組成的突發數據流而不是單個數據包。在基于標簽的光突發交換網絡中，每一個控制包/分組由控制信息和標簽構成，并作為一個普通的IP包在運行了LDP而預先建立起來的一個基于標簽的光突發交換通路上被傳送，該通路就類似于標簽交換通路。在基于標簽的光突發交換入口節點將多個IP包組裝成突發數據流，然后該突發數據流就在由節點對控制包中的標簽進行處理后建立起來的相應波長通道上傳輸。在數據流的整個轉發過程中，都無需進行任何電子操作而完全在光域上執行，其它的標簽操作均類似于多協議波長交換實現方案。

　 在基于標簽的光突發交換中每一個突發數據流對應一個標簽，在每一個交換節點上都對標簽信息、波長號、偏置時間等控制信息執行電處理操作，因此不同標簽交換通路上的突發數據流無需進行光/電/光變換就完全可以進行業務整合。光突發交換的技術難點是尋找合適的帶寬接入控制協議，即控制分組與突發數據流之間的協調問題，也就是拆除一次通信連接的時機問題。目前主要采用以下三種方式：RFD該方式由控制分組中的偏置時間來決定目前帶寬所預留時間的長短，到時立即拆除連接，其優點是無信令開銷、易實現帶寬資源的動態分配、資源利用率高，基于該方法的一個杰出的具有代表性的協議是JET協議；另一種是TAC，該協議是先發送控制分組來預留帶寬，當發送完突發數據流后再發送用于釋放連接的分組來拆除連接；還有一種協議是IBT，該方式是在突發數據流之后緊跟著IBT標識，整個過程是由控制分組來預留帶寬，由IBT標識來拆除連接，因此最大的技術挑戰是IBT標識的全光再生技術。

4． 彈性分組環（RPR）

　 RPR(Resilient Packet Rings) 是由IEEE 802.17工作組正在開發的一個標準，以優化在MAN拓撲環上數據包的傳輸。該技術結合IP的智能化、以太網的經濟性和光纖環網的高帶寬效率和可靠性。利用空間重利用技術、統計復用和保護環提高了帶寬的利用率；充分簡化了網絡層次，消除了網絡功能上的重復性，使得協議開銷最小；同時還支持業務分級（SLA）以及即插即用等特性，實現了節點對網絡資源的公平利用。

　 網絡拓撲基于兩個反向傳輸的環，相鄰節點通過一對光纖、一對自WDM鏈路分插出的波長、一個SONET/SDH可拆卸OC-n電路以及其它雙向連接媒介連接并可采用WDM進行擴容。以該拓撲結構為基礎，每個RPR節點支持兩個環端口：一個支持與左邊鄰近節點的連接，另一個支持與右邊節點的連接，節點僅需掌握兩個端口的光路狀態。RPR的內環和外環都做為工作通道來傳送RPR協議封裝的數據幀和控制幀。控制幀可與數據幀在同一環傳輸，也可在另一環傳輸。但仿真結果表明：后一種更可靠。從網絡結構可以看出，RPR支持單播、多播和廣播傳輸，因此更利于數據業務的傳送。此外，當發現節點網元或光纖傳輸失效時，RPR執行快速自動保護倒換機制，數據會在50ms內轉換到無故障的通道，這樣就提高了網絡的健壯性。

　 RPR的基本結構是一個緩存器插入環BIR，在任何一個節點都存在三個緩存器，即發送緩存器，接收緩存器和轉發緩存器。到達節點的幀如果通過地址匹配認為是目的地是本地，則把幀接收到本地接收緩存器，如果目的地不是本地，則通過轉發緩存器發出。而本節點要發送的幀則通過發送緩存器發送數據。在單播的情況下，RPR支持空間重利用協議，即不同用戶間的數據幀可以經由環上不同的路徑同時在環中傳輸，這是由于所傳輸的數據幀是在目的節點而不是象FDDI那樣在源節點剝離開網絡。

　 通過結合第二層簡單的交換技術和現代光網絡設備傳輸能力、帶寬有效性和低的協議開銷等性能，RPR體現出很多優點。總結如下：

　 1、帶寬利用率高：

　 與傳統的SDH相比，RPR通過統計復用技術、空間重新利用技術及暗光纖的利用大大提高了帶寬的利用效率；

　 2、快速而穩健的自愈能力：

　 RPR可以提供在故障出現后50ms時間內的自動保護倒換，為用戶提供了99.999%的服務時間。此外，業務流的優先級機制確保了優先級高的業務流能夠得到適當的處理以滿足實時性業務的需求。
3、為業務提供服務簡單快捷：

　 RPR可以實現在不同節點上不同的業務分布式接入。分布式接入、快速保護倒換和網絡服務功能的自動重建為節點的快速插入和刪除提供了即插即用機制。

　 此外，RPR的數據通信速率可達1~10Gbps；RPR網絡支持SLA，可滿足用戶對服務等級的嚴格要求，支持端到端的傳輸服務等級；充分簡化了網絡層次，消除了功能上的重復性；易管理和操作，對資源和流量都采用分布式的方式進行管理，管理信息豐富；RPR還可以及時提供新服務和迅速對網絡進行升級。

　 5． 結論

　 城域網應滿足快速、經濟、有效的為用戶提供有QoS保障的服務，其建設即要保持與原有的網絡兼容，也要考慮到業務接入的多樣性和網絡的可持續演進。本文在闡述三種新的解決方案不難得出：Gbit以太網簡單、經濟等優點，但QoS和網管需進一步解決才更適合于WAN。LOBS的帶寬高、協議開銷少，不過成本高和技術的不成熟目前還不能大量用于WAN。RPR是應下一代MAN的要求而設計的。RPR由于其集IP的智能化、以太網的經濟性和光纖環網的高帶寬效率和可靠性于一身，隨著標準化工作的進一步開展和市場的進一步擴大，RPR必將成為滿足新一代寬帶IP MAN所采用的最佳技術之一。