发信人: plls(死鱼)
整理人: cswpcl(2001-08-11 09:23:29), 站内信件
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韦乐平
（信息产业部电信研究院 北京100083）
摘 要 本文首先阐述了城域网的基本内涵和特征以及所面临的挑战，然后分析了城域网的主要问题以及对下一代城域网的基本要求。接下来，重点介绍了城域网的四大技术解决方案（以SDH为基础的多业务平台，基于层2交换和层3选路的方案，以WDM为基础的多业务平台，以ATM为基础的多业务平台）的特点与适用范围。
关键词 城域网 网络 交换 选路
1 城域网的特征与面临的挑战
——从历史上看，城域网（MAN）最初产生于局域网互连和数据新业务发展的需要，在1990年发展成为IEEE所规范的一种覆盖城域范围的特定新型计算机网络，正式形成并成为分布式排队双总线（DQDB）的IEEE 802.6标准，以后随着形势的变化逐渐发展成为各类不同背景新兴运营公司的区域性多业务通信网，传统电信运营公司也开始在其相应的局间中继网范围大量建设类似的多业务区域性通信网。近来城域网已经成为社会和业界关注的热点和竞争点，然而，究竟城域网的内涵是什么？该怎样发展？众说纷坛，每个不同社会背景和技术背景的人都有自己的说法和注释。
——依笔者的观点，从基本特征看，城域网是一种主要面向企事业用户的，最大可覆盖城市及其郊区范围的，可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，可以说城域网的关键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。城域网既不同于局域网，又不同于广域网，城域网与局域网的主要区别首先是网络性质的不同，局域网是企事业专用网，而城域网是面向公用网应用和多用户环境的；其次是传输距离的扩展，典型局域网的传输距离为数公里，而城域网范围可扩展到50～150km；最后是业务范围的扩展，典型局域网通常主要提供数据业务，而城域网的业务范围不仅有数据，还有语声和图像，是全业务网络。
——城域网与广域网或长途网的主要区别首先是容量，广域网或长途网要求很高的容量，而城域网只需中等容量即可；其次是覆盖距离的缩小，典型广域网或长途网的传输距离可达数千公里；再有是支持的客户层信号不同，广域网或长途网目前只支持SDH，将来预计也只有SDH和以太网，而城域网需要支持各种客户层信号，而且要能很快地提供客户层信号所需的带宽；最后是容许的成本不同，广域网或长途网的高容量可由成千上万的大量用户共享，因而可以容许较高的成本，而城域网不行。特别是城域网的成本关键是节点，而非线路，而长途网恰好相反。
——近几年来，随着骨干网容量和接入网容量的大幅度提升，网络的容量瓶颈已经逐渐转移到城域网，特别是电子商务，关键企事业业务（诸如外联网、主机托管、存储域网、灾难恢复等）的外包，局域网互连，POP间或POP内的互连，高速数据传送，上网浏览，点播电视，会议电视等新旧业务和应用的发展进一步促进了城域网的发展。
——总的看，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乃至未来的三网融合区，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。
2 城域网的主要问题与下一代城域网的基本要求
——目前城域网的主要问题首先是带宽瓶颈。在其用户侧，由于低成本吉比特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，由于高密度WDM技术的发展，容量已经扩展了几个量级，目前商用化系统的容量已达1.6 Tbit／s，中间的城域网／接入网成为全网的带宽瓶颈。其次是城域网存在多个重叠的网络，一方面，目前多数运营公司通过SDH和电路交换机提供语声和专线业务，而通过SDH和分离的帧中继、ATM和IP网提供数据业务，分离的网络和网络技术往往需要分离的网管系统和人员，以及不同的配置和计费系统，导致高设备成本和高运行成本以及费时耗力的业务提供。另一方面，用户必须通过不同的接入技术和线路获取不同的业务，不仅麻烦，而且费用高，再有，目前城域网底层多数采用SDH作传送平台，利用这种为电话业务设计的SDH固定带宽来传送突发数据业务时不仅效率低下，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。这样企事业用户需要改变业务时常常不得不重新设计和重新建设网络。
——对下一代城域网的基本要求可以总结为：
——·希望采用单一公共平台支持多协议多业务，中间层最少；
——·目前应该有效支持从电路交换网向分组网的过渡，将来应该对IP传送最佳；
——·希望网络的链路容量和节点数可以不受限扩展；
——·具有光的透明性，适应各种现有和将来可能出现的协议和业务；
——·具有拓扑灵活性，可快速扩展业务；
——·可以实现快速业务指配；
——·集成的、标准的、易用的网管系统；
——·支持以传统语声业务为代表的实时业务；
——·低价位。
3 域域网解决方案之一：以SDH为基础的多业务平台
——目前，城域网解决方案主要有四大类，第一类是以SDH为基础的多业务平台；第二类是基于层2交换和层3选路的方案，主要指以太网解决方案；第三类是城域网用WDM方案，即以WDM为基础的多业务平台；第四类是以ATM为基础的多业务平台方案。下面首先介绍第一类解决方案。
——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，特别是将来以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已难以有效支撑城域网应用，需要探索新的技术和新的解决办法。目前已有多种方案，其中以SDH为基础的多业务平台（北美称之为SONET多业务指配平台MSPP）方案的出发点是充分利用大家所熟悉和信任的SDH技术，特别是其保护恢复能力和确保的延时性能，加以改造以适应多业务应用，支持层2和／或层3的数据智能，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设备与层之和层3乃至层4分组设备在物理上集成为一个实体，结果是减少了机架数、机房占地、功耗、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，还可以提供诸如虚拟专网（VPN）或视频广播等新的增值业务，特别是集成了IP选路，以太网，帧中继或ATM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，最后，SDH多业务节点还可以方便地完成协议终结和转换功能，使运营者可以在网络边缘提供多种不同业务，而同时将这些业务的协议转换成其特有的骨干网协议。
——多业务节点的具体基本实现方法是将传送节点与各种业务节点物理上融合在一起，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，即所谓0ne box解决方案。具体实施时可以将ATM边缘交换机、IP边缘路由器、终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）、数字交叉连接设备节点和波分复用（WDM）设备结合在一个物理实体，统一控制和管理。
——从各类具体设备支持数据承载的实施方案看，可以大致分为四类，第一类称为多层SDH交换结构，是在标准SDH TDM交换结构基础上实施统计复用，第二类称为混合的多交换结构，内部具有分离的DM交换结构和数据交换结构。第三类称为单交换结构，即内部使用单个非TDM交换结构来支持混合的TDM和数据业务。第四类是所谓轻便的SDH（SDH lite）方案，完全消去了传统的SDH TDM结构，直接在WDM上运行。
——多层SDH交换结构内部采用单一的标准SDH TDM交换结构，利用分离的SDH时隙分别处理TDM、ATM和IP业务量。在进行最后的TDM时隙处理前，先利用ATM交换、IP选路或以太网交换对数据业务量实施统计复用以改进DM通路的带宽利用率。这种方案比较成熟，设备开发容易，最适合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。但是当分组业务成为网络的主导业务后，这种最适合TDM业务量的多层交换结构方案显得多余，低效和昂贵。
——混合的多交换结构在一定程度上解决了多层交换结构的不足，进来的混合业务量在系统入口处就按不同类型分开，分别进入各自的交换结构，即TDM交叉连接，ATM交换或以太网交换等。各种业务量处于独立对等位置，可以在各自交换结构中分别最佳化，带宽效率比第一种方案有所改进。然而，由于内部硬件决定了所能支持的混合业务量分布，而内部硬件是固定配置的，当实际业务量分布与内部硬件配置比例不同时，也同样会导致带宽浪费。
——第三类也是单交换结构，但内部使用单个非TDM交换结构来支持混合的DM和数据业务。为了改进扩展性，这种方案借用了当前新一代高性能路由器的流行做法，保留一个简单的、可扩展的核心交换结构，而将交叉连接、交换和选路等智能功能转移到网络边缘，在每一个端口上实施，为了确保TDM业务量的完整性，系统必须在所有端口上附加严格的定时和同步控制。此外，系统还必须维持优先级能力，确保TDM业务量和其他高优先级数据业务量不会拥塞，由于复杂性已从核心交换结构本身转移到网络边缘，而且系统只需对一个交换结构进行扩容，因而系统的扩展性问题获得了较好的解决。采用单交换结构系统只需要唯一的一套设计技术，大大减轻了伴随多交换结构而来的规划、成本和容量问题。
——第四类是所谓轻便的SDH（SDH lite）方案，完全消去了传统的SDH TDM结构，把所有业务量（IP、ATM、语声和视频等）统一封装进SDH帧结构，直接在WDM上运行。SDH只保留基本物理层成帧和简单的失效通告等功能，而QoS靠ATM、电路交换或动态同步传递模式（DTM）等其他技术来保证。
——总的看，SDH多业务平台最适合作为网络边缘的融合节点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，应用场合于局间或POP间，乃至大企事业用户驻地。而且即便对于己敷设了大量SDH网的运营公司，以SDH为基础的多业务平台可以更有效地支持分组数据业务，有助于实现从电路交换网向分组网的过渡。
——然而，目前多数这类解决方案主要是将层2和层3交换功能作为SDH电路层上的附加层方式来支持层2和层3功能的，由于SDH电路层上需要附加多个包／信元／帧交换层，涉及多层帧的映射而导致带宽效率低下，开销处理复杂。此外，这种方案基于同步工作，抖动要求严，设备成本较高，再有，这种结构带宽配置时间仍较长，最后，同时管理多个面向连接和无连接网不仅困难，而且管理成本较高。从长远看，特别是数据业务成为网络的主导业务类型后，这种解决方案不是一种有效的方法。
4 城域网解决方案之二：基于层2交换和层3选路的方案
——第二类是基于层2交换和层3选路的方案，主要指以太网解决方案，事实上，以太网并不是一种纯粹的新技术，而是一种“老的新技术”，主要用于企事业网络。采用以太网作为企事业用户接入手段的主要原因是已有巨大的网络基础和长期的经验知识、目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的。性能价格比好，初始成本和运营成本均较低，扩展性好，容易安装开通以及高可靠性等。以太网接入采用异步工作方式，很适于处理IP突发数据流，技术已有重要变化和突破（LAN交换，星形布线，大容量MAC地址存储等），与传统的以太网相比，其面貌已大为改观。特别是从共享媒质转向了枢纽或星型结构并采用LAN交换后，在相当程度上实现了计算机间的信息隔离，更重要的是使以太网从此转向全双工传输，消除了链路带宽的竞争和潜在的碰撞机会，由于采用专用的无碰撞全双工光纤连接，还可以使以太网的传输距离也大力扩展。
——近来以太网最重要的动向是向城域网乃至广域网的扩展。从技术上看，以太网是一种很简单的解决方案，只需要最少量的规划、设计和测试工作，应用多年，为用户熟悉，业务指配时间可以减少到几个小时或几天，其次，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。有人预测，在城域网和广域网上，以太网成本可能只有SDH和ATM的25％和10％，最后，以太网是与媒体无关的承载技术，可以透明地与铜线对、电缆和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，以太网正以前所未有的端到端解决方案面目出现，消去了其他解决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。其次，以太网是具有很好扩展性的解决方案，其速率可以从10 Mbit／s，100 Mbit／s， 1 Gbit／s一直扩展到10 Gbit／s。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，因此，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，因此培训工作简化，新业务可以拓展得更快。近来，10 Gbit／s以太网的出现和发展使以太网技术能在基本保持传统以太网帧结构的基础上使容量又有了大幅度提升，而且还能与现有的SDH网在10 Gbit／s速率上实现互操作，在历史上首次提供了跨越局域网，城域网和广域网的统一的开放的标准平台。
——尽管一个端到端的以太网是不可避免的，但演进的路线却不止是一条，对于没有基础设施的新兴运营者（CLEC）可以租用暗光纤从头建设自己的网络，完全旁路现有的SDH和ATM基础设施，新兴运营者可以利用层3交换机提供低成本易指配的以太网宽带业务，同时享受以太网的低初始投资和低运行成本的好处，对于已经拥有SDH和ATM基础设施的运营者来说，问题就没有那么简单，需要分步骤逐渐演进，首先可以将以太网封装在现有SDH帧内通过暗光纤或WDM系统的暗波长实现端到端通信。第二步可以在光传送网上直接运行10 Gbit／s以太网，可用不同的光纤传送语声和视频业务，由于以太网速率与SDH兼容，因此两者可以实现无缝互连，即允许具有10 Gbit／s以太网接口的交换机和路由器与目前以SDH为基础的骨干网实现无缝互连。最终则可以消除掉中间的SDH层或POS层，直接在光纤上运行以太网，成为最简单高效的网络结构。
——然而，原来以太网是用于局域网的，QoS不是个问题，当试图扩展应用到公用电信网时需要提供随用户而异的QoS，而目前以太网还没有机制能保证端到端性能，无法提供实时业务所需要的QoS和多用户共享节点和网络所必需的计费统计能力。其次，以太网原来是为局域网企事业用户内部应用设计的，缺乏安全机制保证。即便有需求也是由高层协议来处理。当扩展到MAN和WAN以后，上述利用高层协议的处理方法就无法接受了，需要开发新的安全机制，第三，以太网主要用于小型局域网络环境，网管能力很弱，且目前只有网元级的管理系统；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能力和网络级的管理能力和视野。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，无法提供故障定位和性能监视，不支持环回测试方式，保护功能也难以实现，光纤线路成本随节点数增加而迅速增长。最后，尽管以太网作为局域网应用是一项久经考验的技术，但是用于公用电信网特别是广域网环境仍然是一项未经测试的新技术，其设备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也需要实践和时间的验证。总的看，只有妥善地解决了上述主要问题后，传统以太网才能顺利地应用于大型公用电信网环境。
5 城域网解决方案之三：诚域网WDM方案
——第三类是城域网用WDM解决方案，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，这种扩展不是直接了当的，需要针对城域网的特定环境进行改造，其主要特点和要求可以归结如下。
——首先，采用WDM后，容量有了大幅度的增加，至少几十倍，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，这样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10Mbit／s0～2.5 Gbit／s范围的所有信号。而对于应用在城域网核心的系统，则将来有可能还会要求支持10Gbit／s的SDH信号和10Gbit／s的以太网信号。最后，城域网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而迅速提供新的业务，极大地增强了运营者的市场竞争能力。
——城域网WDM系统的主要不足之处在于不能有效灵活地将低速率信号汇聚进较昂贵的波长通路。此外，不能动态地配置波长，实现光层灵活连接。最后，目前其成本仍然较高。
——总的看，城域网WDM的演进可以分为了述几个步骤：
——初始在城域网敷设WDM的主要目的是解决城域网枢纽点光纤耗尽的问题，第二步是逐步敷设OADM形成光自愈环，将大量现有的SDH自愈环汇聚到光自愈环。第三步是引入OXC互连大量的光自愈环形成光网状网结构，从而带来网状网结构的大量好处，还能提供端到端波长业务。当然在合适的阶段需要在OXC的基础上引入自动交换光网络（ASON）进一步实现动态分配部署波长通路以适应IP业务量的需要。
6 城域网解决方案之四：以ATM为基础的多业务平台
——ATM是一种出色的多业务平台技术，由于其固有的设计已经充分考虑了业务的QoS问题，因此可以为IP或其他任意客户层信号提供面向连接的，带宽可控，安全性好，延时小的高质量业务，特别是目前在城域网中应用的ATM VP环技术利用在SDH骨干网上为ATM业务量生成虚通道VP的方式可以使SDH网更有效地承载数据流。
——对于未来网络最重要的IP客户层信号而言，将IP与ATM相结合是面向连接的ATM与无连接IP的统一，也是选路与交换的优化组合。这种结合技术可以综合利用ATM的速度快、颗粒细、多业务支持能力的优点以及IP的简单、灵活、易扩充和统一性的特点，达到优势互补的目的，由于ATM具有固定的信元长度，又工作在链路层，因而是速度最快的分组交换技术，这种技术具有较强的流量工程能力，可以为不同类型的业务流建立不同的通道，根据业务流负荷和阻塞情况疏导不同链路，确保实时业务的QoS，然而其主要缺点是网络体系结构复杂重复；传输效率较低；在网络扩展性方面，ATM的分段和组装（SAR）功能将随着接口速率增加而变得十分复杂困难，速率难以提高；此外，ATM的连接建立信令较复杂，选路灵活性不高；硬件投资高，运行维护管理复杂，特别是做大型路由配置时耗时耗力；对于较短的数据包，链路建立时间远长于网络数据传输延时，期间无法传数据，在高速条件下成为重要的带宽损失。
——简言之，以ATM为基础的多业务平台最适用于多业务电信环境以及服务质量要求较高的IP业务，主要应用于网络边缘多业务的汇集和一般IP骨干网。由于其扩展性受限，高业务量下的性能表现不理想，ATM VP环也不支持网状网结构，因而以ATM为基础的多业务平台不太适合超大型IP骨干网应用。一般说，对于那些已经敷设了核心ATM网而计划扩展到网络边缘的大型电信运营公司，ATM VP环不失为一种可选的解决方案，但是对于预计近期IP业务量会持续大幅度攀升，网络规模需要大幅度扩展的情况，则以ATM为基础的多业务平台不是一种长远解决方案。
7 结束语
——总之，面对复杂动态的城域网应用环境，上述四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，近期选择以SDH为基础的多业务平台方案为主，以ATM为基础的多业务平台方案为辅是稳妥的可持续发展的策略，而中长期则可过渡到以第二和第三方案结合的形式为主，即边缘以基于层2交换和层3选路的方案为主，而核心以城域网WDM方案为主并在适当时机引入ASON进一步实现动态分配部署波长通路以适应IP业务量的需
要。
——最后需要指出，城域网发展的速度和规模最终取决于应用，而不是炒作和盲目跟进，跟踪国际发展趋势，立足国情，把握网络发展的衔接性和可持续发展性，积极开展现场试验，认真解决
技术问题，制定周全的发展规划，开发大量新的应用是城域网得以持续发展的真正原动力。
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