光以太網技術及在城域光網絡的應用

摘要　光以太網技術是現(xiàn)在兩大主流通信技術：光以太網技術是構建寬帶城域光網絡的主流技術之一。本文介紹了光以太網的優(yōu)點，對光以太網技術在城域網中的應用方案進行了研究，最后說明了構建可運營的光以太網需要解決的問題。

光以太網技術是現(xiàn)在兩大主流通信技術的融合和發(fā)展：光網絡和以太網的融合。它集中了以太網和光網絡的優(yōu)點，如以太網應用普遍、價格低廉、組網靈活、管理簡單，光網絡可靠性高、容量大。光以太網的高速率、大容量消除了存在于局域網和廣域網之間的帶寬瓶頸，將成為未來融合話音、數(shù)據和視頻的單一網絡結構。光以太網技術是構建寬帶城域光網絡的主流技術之一。

1、光以太網的提出

如今，企業(yè)和運營商都希望降低成本、增加收入：（1）對企業(yè)來說，電子商務環(huán)境給企業(yè)帶來了滿足客戶需求和增加收入的機會。企業(yè)能夠通過網絡實時的聯(lián)系客戶、合作伙伴以及供應商。然而，雖然企業(yè)對網絡的需求在不斷的增長，但是對網絡的投資卻沒有同步增長。企業(yè)希望花更少的錢獲得更多的服務，以最大限度的節(jié)約企業(yè)的成本；（2）對于運營商來說，目前網絡建設主要考慮的是如何在支持已有業(yè)務的同時獲得最大的利潤。城域網的接入帶寬瓶頸、速率不匹配以及多協(xié)議的轉換等問題使得運營商難以提供企業(yè)用戶所要求的接入速率。

光以太網概念的提出解決了上述問題，同時也給寬帶城域網的建設帶來了革命性的變化�，F(xiàn)在的城域網是基于SDH體系結構的。SDH最初是為面向低速、電路交換的語音業(yè)務而設計的，可保證良好的QoS性能，提供50ms的電路保護倒換時間；缺點是SDH設備價格昂貴，用于數(shù)據業(yè)務時不夠靈活、效率低下。而光以太網是基于目前應用非常普遍、技術成熟的以太網技術，并對網管和流量工程等方面的功能進行了加強，以便滿足城域網對數(shù)據速率和傳輸距離的要求。當運營商構建光城域以太網后，就可以直接在骨干層提供以太網端口，實現(xiàn)與局域網的無縫連接。

2、光以太網的優(yōu)勢

以太網技術是1970年由Xerox公司提出的，最初通過同軸電纜讓用戶共享10Mbit/s帶寬。后來，以太網很快發(fā)展到通過無屏蔽雙絞線傳遞，并采用交換機給用戶提供10Mbit/s的專線連接。今天，交換式以太網可將100Mbit/s的專線帶寬傳送到桌面，很快還會實現(xiàn)千兆（Gbit/s）到用戶。因快速、廉價、容易使用，這種“即插即用”的技術已成為90%以上的企業(yè)局域網（LAN）的標準技術。

無論是專網還是公網，都可以應用光以太網。它可以配置為點對點、網狀或者環(huán)形拓撲結構，可以應用于局域網、城域網以及廣域網。應用光以太網技術帶來的優(yōu)點有：

（1）解除了帶寬瓶頸光以太網以其本身具有的格式和速度傳輸端到端的LAN業(yè)務，不必進行協(xié)議轉換，也無須降低速率，從而打破了存在于局域網和廣域網間的帶寬瓶頸。

（2）可靠性高光以太網技術將在LAN中已證明過的以太網的健壯性和在MAN、WAN中眾所周知的光纖傳輸?shù)膬?yōu)點結合起來，可以提供5個9級別的可用性。Ethernet over RPR（EoRPR）可以在災難性故障發(fā)生時保證50ms的保護倒換時間。

（3）安全性好一旦進入光纖以太網網絡，終端用戶的以太網數(shù)據幀就被封裝起來以保護所傳的數(shù)據，并與其它用戶業(yè)務數(shù)據流隔離。

（4）擴充性好由于流量和帶寬已經增加了，以太網技術標準也進展到更高的速率，然而它還保持著與現(xiàn)有網絡結構的兼容性。

（5）端口價格低廉由于目前以太網已在企業(yè)和園區(qū)網中廣泛使用，其硬件成本非常低，技術非常成熟，從而大大降低了運營商的網絡建設成本。如千兆以太網端口的價格只有ATM和SDH端口的1/4，而即將推出的10Gbit/s以太網端口的價格約為SDH端口的1/7。

（6）網絡的效率高傳統(tǒng)的電信網絡采用復雜的多層架構（如IP over ATM、IP over SONET和IP over DWDM等），這種架構的缺點是：一方面，ATM和SDH設備價格非常昂貴，增加了運營商的成本；另一方面，當數(shù)據在局域網和廣域網之間傳輸時，需要通過路由器進行復雜的協(xié)議轉換，因此會增加網絡開銷、降低傳輸效率，并且還帶來了延遲和抖動。光以太網是端到端的以太網，數(shù)據在局域網和廣域網之間傳輸時不需要進行協(xié)議轉換，因此可以大大提高傳輸效率。

（7）互操作性強光以太網是已定義好的公用技術，它使多廠家的設備在LAN、MAN和WAN中具有互操作性，有利于端到端的兼容。

（8）帶寬管理光以太網可以在數(shù)據包的級別上實現(xiàn)帶寬管理，而不必指定某個特定端口。運營商可以按照不同的業(yè)務分配不同的帶寬，從1到1000Mbit/s可調（以1Mbit/s為增量單位）。企業(yè)可以用單個10/100/1000Mbit/s以太網端口取代多個E1或E3速率的WAN連接。

（9）新業(yè)務機會光以太網可以提供兩類重要的業(yè)務：運營商直接提供給最終用戶的業(yè)務和運營商提供給其它運營商的業(yè)務。

3、光以太網在城域網中的應用

（1）城域網面臨的問題

目前，用戶可以選擇的接入手段基本上是基于銅線的各種接入方式，速率介于kbit/s和Mbit/s之間，它已經無法滿足用戶日益增長的需求。在個人用戶方面，用戶已不僅僅滿足于對Internet的慢速瀏覽，VOD、網絡電視等有較高帶寬需求的應用，也吸引著用戶和內容提供商。

另一方面，超過95%的用戶使用以太網連接其內部網絡，而目前的接入網迫使用戶必須購買昂貴的路由器才能連接電信接入網。協(xié)議的轉換也帶來了大量額外的開銷。運營商選擇ATM和SDH/SONET傳輸IP業(yè)務主要考慮到網絡可擴展性、可靠性以及技術的成熟性。這些方式固然有其眾多優(yōu)點，但在將第2層數(shù)據映射到第1層的帶寬的管理上有明顯缺點。從傳輸角度看，他們基于“專線”的方式，需預先確定傳輸所需的帶寬，數(shù)據進入骨干網遵循傳統(tǒng)TDM網絡的規(guī)律，其顆粒度可能是E1、E3、STM-1或STM-4，甚至更高。這些方式導致了光傳輸帶寬的浪費。

（2）城域光以太網方案

光以太網技術將以太網的優(yōu)越性擴展到了城域網，提供端到端的以太網連接而無需多協(xié)議的轉換。光以太網能夠解決城域網所面臨的上述問題，為運營商構建新一代的寬帶城域網絡，以滿足市場對帶寬的巨大需求。

光以太網能用不同類型的以太網傳輸，其中包括：裸光纖以太網（Ethernet Over Fiber）、彈性分組環(huán)以太網（Ethernet Over RPR）和DWDM以太網（Ethernet Over DWDM）。無論部署哪種類型的傳輸網絡，都可利用以太網的簡單性和經濟性來提供高效的業(yè)務。

EOF

EoF（Ethernet over fiber）是常見、便捷的光以太網模式，它可支持10Mbps～10Gbps的速率，支持點到點和網狀網的連接方式。EOF是一種極具成本效益和高性能的光以太網解決方案，傳輸距離可達70公里。

EORPR

RPR（彈性分組環(huán)）是適用于多業(yè)務分組傳送的新型光纖環(huán)網傳輸技術，具有雙環(huán)結構、帶寬動態(tài)分配、統(tǒng)計復用、支持業(yè)務級別和公平接入等特性，是當前光網絡上傳輸數(shù)據包的一種優(yōu)化技術。目前IEEE802.17工作組正在對RPR進行標準化。該標準的提出源于寬帶城域網高效率、低成本傳送多業(yè)務分組流的需要。標準制訂的基本思路是綜合傳統(tǒng)電信網SDH和計算機以太網的優(yōu)點，設計一種具有和SDH相當?shù)目煽啃裕◤椥裕�、面向分組而不是面向電路、帶寬利用率更高的光纖傳輸技術。

傳統(tǒng)的以太網采用的是“盡力而為”的傳送機制，能夠很好地適應數(shù)據業(yè)務的突發(fā)性傳輸要求，具有良好的擴展性；缺點是無QOS保證，保護倒換能力差。SDH設備具有小于50ms的保護倒換時間，具有良好的QOS性能，但是SDH采用的是面向語音的。TDM傳輸方式，傳送數(shù)據業(yè)務時效率不高。EORPR綜合了千兆以太網的經濟性、SDH具有對延時和抖動的嚴格保障、可靠的時鐘和50ms環(huán)保護和恢復等優(yōu)點。RPR網絡是由分組交換節(jié)點組成的環(huán)型結構，相鄰節(jié)點通過一對光纖連接。節(jié)點間的鏈路是基于光纖的，并可采用WDM來擴容。

EORPR方案解決了傳統(tǒng)SDH環(huán)帶寬資源浪費的問題。因為在EORPR中，SDH環(huán)上兩個方向的帶寬資源都被充分利用了。同時，SDH利用空間重用和統(tǒng)計復用技術，進一步提高了帶寬利用率。RPR環(huán)可擴展到幾千公里，能提供靈活、多業(yè)務的光以太網應用。

EODWDM

EODWDM以DWDM為傳輸載體，通過波長復用提高單束光纖的傳輸能力。EODWDM采用以太網幀格式，可以通過端到端、環(huán)狀或網狀連接。EODWDM在高帶寬、高效率的情沉下特別有效，如信息存儲的解決方案，數(shù)據中心互連。目前商用的DWDM系統(tǒng)能支持多達32個波長（每個波長相當于一條OC 48或OC 192信道）、網絡容量提高到320Gbit/s。這種系統(tǒng)能工作于常規(guī)光纖或非零色散位移光纖上，適用于城域網和廣域網。

EODWDM具有以下優(yōu)點：

充分利用了光纖的帶寬資源，極大地提高了傳輸速率。

DWDM系統(tǒng)與以太網或SONET、SDH網有很好的互聯(lián)能力，配置簡單、方便、對已有的網絡結構不會做太大的調整、支持未來的寬帶業(yè)務網及網絡升級、并具有可推廣性、高度生存性等特點。

與信號速率無關，可方便地引入寬帶、數(shù)據等新業(yè)務、并可兼容不同體制、不同廠家的設備。

（3）城域光以太網的應用現(xiàn)狀

光以太網首先在北美得到應用。在近幾年，北美出現(xiàn)了一批城域以太網運營商（MEC），如Yipes、Cogent、Telseon等。以Yipes為例，目前在美國約20個大城市提供公共以太網接入業(yè)務，其網絡中大量使用G比特以太網交換機，通過光纖到大樓為用戶提供Internet接入和透明局域網互連（TLS）業(yè)務，其主要客戶是ISP、基于WEB的企業(yè)等商業(yè)用戶和學校。

國內寬帶IP城域網建設從1999年開始。與北美不同的是，國內的以太網接入業(yè)務首先瞄準的是住宅用戶，因為中國的城市居民大多集中在各類小區(qū)中。部分省市的有線電視臺為向其用戶提供Internet接入，選擇以太網建設城市寬帶網，采用以太網/HFC混合的方式，在某些小區(qū)提供以太網到用戶，在另外一些小區(qū)提供以太網到小區(qū)，Cable Modem到用戶的方式提供服務。2000年以來，各地電信公司紛紛開始建設寬帶城域網，主要采用以太網到用戶為主，ADSL為輔。

城域光以太網在美國和日本得到了很好的應用，主要原因在于城域光以太網能夠以較小的成本獲得較大的帶寬。在國外，城域光以太網服務已被公認為主流發(fā)展趨勢。目前及規(guī)劃中的光以太網設備以第2層LAN交換機、第3層LAN交換機，SONET設備以及DWDM為基礎。如北電通過三種方法來構建光纖以太網，包括第2/3層LAN交換機——Passport 8600；OPTera分/插復用器，它是一種能夠通過北電的RPR方案和OPTera數(shù)據包邊緣系統(tǒng)（OPTera Packet Edge System）協(xié)作的SONET光纖設備；還有就是在其DWDM產品上直接提供以太網連接。

圖1　光以太網應用方案

4、光以太網技術用于電信網需要解決的問題

光以太網技術是構建光城域網的主流技術之一，具有很好的擴展性，可以非常方便地擴展用戶的數(shù)量，同時它的統(tǒng)計復用功能提高了網絡中繼帶寬的利用率，受到各方面的關注和重視。但是如何構建可運營、可管理、電信級的光以太網是運營IP業(yè)務所必須解決的問題�？蛇\營、可管理、電信級的要求主要體現(xiàn)以下方面：

（1）完善的用戶管理用戶管理是一切業(yè)務的基礎，在網絡建設初期，為了適應市場需求，快速推出用戶接入業(yè)務，各運營商一般采用包月制的方式。簡單的包月資費方式確有簡單快速的優(yōu)點，但從長遠來看，這種過于單一的資費政策，不僅會使運營商損失大量的客戶、浪費大量的網絡資源，同時也使得寬帶網的運營缺乏高效、靈活擴展的管理手段，使得運營商在未來的市場競爭中處于不利地位。因此，建設寬帶網絡運營支撐平臺成為當前寬帶運營商迫切的需求。

（2）較高的網絡可靠性主要包含以下幾方面：鏈路/路徑的保護和故障恢復、擁塞控制、路由選擇和流量控制。已有的以太網技術在這幾方面存在缺陷。如在MAN的組網中，經常會出現(xiàn)環(huán)路，雖然生成樹（SpanningTree）可用來消除環(huán)路，但這樣不僅帶寬不能有效利用，且當鏈路發(fā)生故障時，生成樹的重構又需多達十幾秒的時間。與傳統(tǒng)的SDH相比，這無法接受。為解決以上問題，IEEE成立了802.17工作組，專門致力于環(huán)結構以太網技術彈性分組環(huán)（RPR）的研究，以期在網絡可靠性方面有較大提高。

（3）健全安全機制，主要包括二層嚴格隔離、三層受控訪問、主機保護、網絡安全等。

（4）豐富的業(yè)務提供能力，要求能提供高速以太網上網、多播/廣播、VoIP、寬帶上網卡、VPN、VPDN、帶寬出租批發(fā)等業(yè)務類型。

（5）靈活多樣的計費支持，既能支持遠端RADIUS認證計費，又能支持本地話單定時備份的計費。

（6）良好的運營維護能力。

5、光以太網的建設

光以太網首先在北美得到應用。在近幾年，北美出現(xiàn)了一批城域以太網運營商（MEC），如Yipes，Cogent，Telseon等。以Yipes為例，他目前在美國約20個大城市提供公共以太網接入業(yè)務，他的網絡中大量使用千兆以太網交換機，通過光纖到大樓為用戶提供Internet接入和透明局域網互連（TLS）業(yè)務，主要客戶是ISP、律師事務所、基于Web的企業(yè)等商業(yè)用戶和學校。

與北美不同，中國的以太網接入業(yè)務首先瞄準了住宅用戶。北美的私人住宅非常分散，采用光纖到路邊的方法，每對光纖覆蓋的用戶數(shù)量非常小，因此，在北美使用ADSL和Cable Modem更為經濟。中國的情況完全不同，城市的居民集中居住在各類小區(qū)內，小區(qū)內的住宅數(shù)量在300到2000戶之間。運營商采用光纖到小區(qū)的方法非常經濟實用。據測算，以太網接入用戶的成本（不計光纖和雙絞線）約在30到60美元之間，大大低于ADSL和Cable Modem。

在國內，寬帶IP城域網的建設從1999年開始。部分省市的有線電視臺為向其有線電視用戶提供Internet接入服務，選擇以太網技術建設城市寬帶網，采用以太網/HFC混合的方式，在某些小區(qū)提供以太網到用戶，在另一些小區(qū)采用以太網到小區(qū)，Cable Modem到用戶的方式提供服務。2000年以來，各地電信公司紛紛開始建設寬帶城域網，以以太網到用戶為主，ADSL為輔。

寬帶城域網的建設基本可以分為3個階段。第一階段主要目標是搶占市場，運營商充分認識到市場就是公司的生命線，所以包括中國電信、聯(lián)通、網通、有線電視公司等都把快速接入商業(yè)樓宇和住宅小區(qū)為第一要物。在這一階段，大家紛紛采用現(xiàn)有的各種以太網交換機快速搭起網絡的架構，提供的主要業(yè)務是包月制的Internet接入服務。

第二階段，運營商從公共運營網絡的角度重新審視自己已建成的寬帶城域網，并且從各種角度進行優(yōu)化，提高網絡的可靠性、可管理性，并考慮采用新的技術。以太網在城域網中的應用，同樣對業(yè)界和設備廠商也提出了挑戰(zhàn)。由于目前以太網產品主要應用在企業(yè)網環(huán)境下，在設備可靠性、網絡可靠性等方面存在弱點。另外，發(fā)展基于以太網的組網技術、用戶管理、帶寬管理、計費系統(tǒng)成為主要任務。所以，第二階段的主要任務是將寬帶城域網優(yōu)化成為一個真正意義的公共電信網。

第一階段網絡建設完成之后，運營商的的關注焦點將轉向業(yè)務，第三階段的主要任務是在已有網絡的基礎上，如何開發(fā)出更多吸引用戶的業(yè)務，帶來更多的業(yè)務收入，使其在網絡上的投資價值最大化。目前來看，寬帶城域網的主要業(yè)務是Internet接入，我們可以在幾個方面拓展業(yè)務面。

6、結束語

光網絡正從廣域網和城域網向本地網滲透，同時以太網也正從局域網向城域網和廣域網延伸。光以太網是光網絡和以太網的融合，集中了兩者的優(yōu)點，如以太網的應用普遍、價格低廉、組網靈活以及管理簡單，和光網絡的可靠性高和容量大等。城域光以太網大大節(jié)約了網絡建設的成本，消除了存在于局域網和廣域網之間的帶寬瓶頸，必將成為未來融合話音、數(shù)據和視頻的下一代IP城域網建設的優(yōu)秀解決方案。