電信級以太網(wǎng)的崛起

摘要　本文首先分析了當前城域網(wǎng)的主要問題以及對下一代城域網(wǎng)的基本要求。接下來，重點總結了城域電信級以太網(wǎng)的主要特征和幾種新型城域電信級以太網(wǎng)的發(fā)展。

一、城域網(wǎng)的主要問題與下一代城域網(wǎng)的基本要求

　　當前城域網(wǎng)的主要問題首先是帶寬瓶頸。在其用戶側，由于低成本吉比特以太網(wǎng)的出現(xiàn)和發(fā)展，企事業(yè)的局域網(wǎng)的速率上了一個大臺階。普通寬帶接入網(wǎng)的大發(fā)展以及IPTV等寬帶新業(yè)務的發(fā)展使接入帶寬提高了幾十倍。在其長途網(wǎng)側，由于WDM技術的發(fā)展，容量已經(jīng)擴展了幾個量級，達到太比特每秒量級。中間的城域網(wǎng)/接入網(wǎng)已經(jīng)成為全網(wǎng)的帶寬瓶頸。其次是存在多個重疊的網(wǎng)絡。一方面，目前多數(shù)運營公司通過SDH和電路交換機提供語聲和專線業(yè)務，而通過SDH和分離的ATM/FR、IP/以太網(wǎng)提供各種數(shù)據(jù)業(yè)務，分離的網(wǎng)絡往往需要分離的網(wǎng)路設備、網(wǎng)管系統(tǒng)和人員以及不同的計費系統(tǒng)。出于慣性思維、組織架構的限制以及僅僅減小每次升級的短期初始成本考慮，這種分離的網(wǎng)絡發(fā)展模式仍在繼續(xù)。但從整體和長遠看，隨著網(wǎng)絡規(guī)模越來越大，無論初始成本還是運行成本都將更快地增加，業(yè)務提供也將更加耗時費力。另一方面，在分離的網(wǎng)路模式中，用戶必須通過不同的接入技術和線路來獲取不同的業(yè)務，不僅麻煩，而且成本高。再有，企業(yè)用戶正從簡單的原始帶寬連接要求轉向更加個性化的業(yè)務剪裁要求以適應特定的應用，網(wǎng)絡需要支持復雜的二層和三層功能，只用一種業(yè)務模式將會減少收入且無法鎖定用戶。第三，目前城域網(wǎng)的二層擴展性受限于VLAN數(shù)限制（4096），具有不必要的三層環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡質(zhì)量也不適合支持大規(guī)模的VoIP和IPTV等新業(yè)務的開放。簡言之，城域網(wǎng)不僅成為全網(wǎng)的容量瓶頸，而且也成為全網(wǎng)進一步發(fā)展，特別是新業(yè)務拓展的瓶頸。

　　對下一代城域網(wǎng)的基本要求大致可以總結如下：

　�。�1）希望采用單一公共平臺支持多協(xié)議多業(yè)務，中間層次最少；

　　（2）希望網(wǎng)絡的拓撲架構和容量具有靈活的擴展性；

　�。�3）具有一定透明性，能適應各種現(xiàn)有和將來可能出現(xiàn)的協(xié)議和業(yè)務；

　　（4）可以跨越多個網(wǎng)絡層面，實現(xiàn)快速業(yè)務指配；

　　（5）集成的、標準的、易用的網(wǎng)管系統(tǒng)；

　�。�6）低成本；

　�。�7）繼續(xù)可靠有效地支持以傳統(tǒng)語聲業(yè)務為代表的實時業(yè)務；

　�。�8）能平滑有效地支持從電路交換網(wǎng)向分組網(wǎng)的過渡，將來則應該對IP傳送最佳。

　　當前，城域網(wǎng)多業(yè)務平臺的解決方案很多，分類方案也很多。從技術焦點看，多種技術解決方案爭論的實質(zhì)是核心網(wǎng)技術與用戶駐地網(wǎng)技術陣營在城域網(wǎng)領域的競爭。一方面，代表典型核心網(wǎng)技術的SDH和路由器，或者說代表面向連接的TDM和路由MPLS技術在不斷改進，增強數(shù)據(jù)支持能力，向網(wǎng)絡邊緣拓展，爭奪二層交換機市場。另一方面，代表用戶駐地網(wǎng)技術的以太網(wǎng)，或者說代表無連接技術的以太網(wǎng)也在不斷改進和創(chuàng)新，增強電信級的性能和功能，向城域網(wǎng)擴展，壓縮SDH和路由器的市場�？梢灶A計在未來幾年將是運營商決定兩者之間合理分界的關鍵時期，其主要考慮因素有新業(yè)務需求、客戶類別、技術復雜性、組網(wǎng)成本、投資風險和現(xiàn)網(wǎng)基礎等，沒有一個簡單的現(xiàn)成解決方案可以滿足所有要求。但是可以預料到的基本趨勢是：電信級以太網(wǎng)技術將會大量侵蝕傳統(tǒng)SDH和路由器在城域網(wǎng)接入?yún)R聚層的市場，而MPLS技術也將隨著VPN和IPTV等新業(yè)務的開展向城域網(wǎng)邊緣拓展。

二、城域電信級以太網(wǎng)的主要特征

　　傳統(tǒng)上，以太網(wǎng)技術屬于用戶駐地網(wǎng)（CPN）領域。多年來，對于企事業(yè)用戶，以太網(wǎng)技術一直是最流行的方法，全球已有超過10億多個以太網(wǎng)交換端口，以太網(wǎng)端口占全球銷售數(shù)據(jù)端口的95%以上，目前已成為僅次于供電插口的第二大住宅和辦公室公用設施接口。據(jù)Infonetis Research 2006年的統(tǒng)計和預測，全球2005年的以太網(wǎng)業(yè)務市場為59億美元，2009年可達225億美元，成為電信運營商重要的業(yè)務增長領域。

　　采用以太網(wǎng)作為企事業(yè)用戶接入手段的主要原因是已有巨大的網(wǎng)絡基礎和長期的經(jīng)驗知識、目前所有流行的操作系統(tǒng)和應用也都是與以太網(wǎng)兼容的、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(wǎng)接入采用異步工作方式，很適于處理IP突發(fā)數(shù)據(jù)流，技術已有重要變化和突破，與傳統(tǒng)的以太網(wǎng)相比，除了名字以外，僅剩的特征只有幀結構和簡單性仍然保留，其余基本特征已有根本性變化。以太網(wǎng)的擴展性也很好，可以迅速按需以1 Mbit/s的帶寬顆粒逐步提供所需的帶寬直至1Gbit/s，10Gbit/s以太網(wǎng)系統(tǒng)也已經(jīng)大量應用。也就是說，容量可以從10Mbit/s一直擴展到10Gbit/s而不會影響諸如三層選路和層4到層7智能，包括QoS、CoS、高速緩存、服務器負荷均衡、安全和基于策略的聯(lián)網(wǎng)能力等。

　　然而，原來以太網(wǎng)畢竟是用于局域網(wǎng)的，為了將其用于公用電信網(wǎng)環(huán)境，電信級以太網(wǎng)的概念應運而生，其基本思想是結合傳統(tǒng)以太網(wǎng)的簡單、低成本和下一代SDH網(wǎng)的高性能、可靠性和電信級網(wǎng)管。總的看，城域電信級以太網(wǎng)可以大致歸納為具備以下6個主要特征，即擴展性、QoS、可靠性、安全性、電信級管理、標準化。

　　所謂擴展性指能夠在城域網(wǎng)乃至廣域網(wǎng)等很大地理范圍內(nèi)服務百萬級用戶的能力。企業(yè)級以太網(wǎng)和采用Q in Q方式的早期電信級以太網(wǎng)難以達到這一要求。另外，以太網(wǎng)中光纖線路成本隨節(jié)點數(shù)的增加而迅速增長，其網(wǎng)絡成本對于復雜的大型電信級網(wǎng)絡是否合算還是個未知數(shù)。

　　QoS要求包括各種電信級網(wǎng)絡性能指標的要求。在局域網(wǎng)范圍，QoS不是個問題，當擴展應用到公用電信網(wǎng)時需要提供隨用戶而異的QoS和SLA機制，而傳統(tǒng)以太網(wǎng)沒有機制能保證端到端的抖動、延時和包丟失性能，無法提供實時業(yè)務所需要的全網(wǎng)范圍的標準QoS指配能力以及多用戶共享節(jié)點和網(wǎng)絡所必須的用戶認證和計費統(tǒng)計能力。例如傳統(tǒng)以太網(wǎng)沒有內(nèi)置保護功能，主要靠路由器來實施保護，需要大約至少1秒的時間才能使數(shù)據(jù)流重新定向，使以太網(wǎng)無法傳送電信級的語音數(shù)據(jù)流�？煽啃园�括5個9的設備可用性要求，各種級別的設備插板和芯片級的備用冗余能力，50ms的保護倒換時間要求等。這些設計要求對于傳統(tǒng)用于低成本的局域網(wǎng)領域的以太網(wǎng)設備和早期電信級以太網(wǎng)設備來說都難以全部提供或保證。

　　以太網(wǎng)原來是為局域網(wǎng)企事業(yè)用戶內(nèi)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(xié)議來處理。以太網(wǎng)也不能象SDH那樣分離網(wǎng)管信息和用戶信息，安全性不如SDH網(wǎng)。當擴展到MAN和WAN以后，將有大量的終端用戶由同一個基礎設施服務時，上述利用高層協(xié)議的處理方法就無法接受了，需要開發(fā)新的安全和加密機制，例如最起碼可以支持VPN和防火墻，能有效隔離其承載的各種業(yè)務網(wǎng)，確保網(wǎng)絡安全等。

　　電信級管理包括一系列嚴格的涉及多個層面的OAM功能要求。以太網(wǎng)原來主要用于小型局域網(wǎng)環(huán)境，OAM&P能力很弱，且目前只有網(wǎng)元級的管理系統(tǒng)，其管理工具不足以支持公用電信網(wǎng)所必須的網(wǎng)絡范圍的管理和視野。另外，以太網(wǎng)交換機的光口是以點到點方式直接相連的，不具備內(nèi)置的故障定位和性能監(jiān)視能力，使以太網(wǎng)中發(fā)生的故障更難以診斷和修復。而在公用電信網(wǎng)中，必須有效地運行和維護大規(guī)模的地理分散的網(wǎng)絡，需要有很強的OAM&P能力和端到端的網(wǎng)絡級管理能力和視野乃至商務贏利模式，這些都需要重新開發(fā)。

　　標準化包括網(wǎng)絡和業(yè)務層面的標準化程度，前者涉及網(wǎng)絡架構、接口和協(xié)議的標準化，后者涉及標準化的業(yè)務傳送，包括以太網(wǎng)專線（EPL）、以太網(wǎng)虛擬專線（EVPL）和以太網(wǎng)局域網(wǎng)（E-LAN）等以太網(wǎng)業(yè)務的定義和平滑的業(yè)務互通功能等要求。

　　總的看，只有妥善地解決了上述主要問題后，傳統(tǒng)以太網(wǎng)才能順利地應用于大型公用電信網(wǎng)環(huán)境。況且，多數(shù)網(wǎng)絡運營商也不會輕易另建一個以太網(wǎng)來分流自己的高利潤SDH和E1業(yè)務的。

三、新型城域電信級以太網(wǎng)的發(fā)展

　　近來，電信級以太網(wǎng)的發(fā)展很快，一些最新的技術解決方案已經(jīng)解決或接近解決了上述問題，具有硬QoS能力和電信級網(wǎng)管能力，已能提供50ms的保護倒換時間，有些技術還采用了數(shù)字包封器，利用前向糾錯（FEC）和同步技術來改進系統(tǒng)性能，延伸傳輸距離。簡言之，一些新型電信級以太網(wǎng)技術正逐漸具備公用電信網(wǎng)所要求的必備功能和性能。

　　3.1　EAPS

　　以西門子提出的以太環(huán)保護（ERP）為代表的以太網(wǎng)自動環(huán)保護系統(tǒng)（EAPS）是一種新的低成本電信級以太網(wǎng)解決方案。這種技術解決方案在現(xiàn)有標準以太網(wǎng)硬件基礎上，結合應用Q in Q封裝和增強的QoS能力，從而提供了一種低成本技術。其最大的特點是只需要在現(xiàn)有以太網(wǎng)上進行軟件升級即可，因此成本最低，與傳統(tǒng)以太網(wǎng)的兼容性最好。其次，ERP可以提供50ms的電信級保護倒換時間，有兩種故障檢測模式。第一種是告警模式（快速模式），第二種是抽樣模式（檢測包模式）。再有，ERP可以與傳統(tǒng)以太網(wǎng)和MPLS的保護機制實現(xiàn)互操作。與其它保護機制最大不同是，ERP可以為組播業(yè)務提供保護而無需在環(huán)上分配額外的容量，環(huán)上的所有容量都可以用來承載受保護的組播流量。

　　然而，這類技術并沒有完全擺脫Q in Q的局限性，環(huán)上的遠端節(jié)點經(jīng)過調(diào)度次數(shù)多，丟報概率大，擴展性受限。其次，EAPS只能環(huán)形組網(wǎng)，靈活性受限。再有，這類技術也不具備公平性算法，不太適合寬帶上網(wǎng)等流量大、突發(fā)較強的業(yè)務，容易存在設備間帶寬不公平占用問題。最后，為了規(guī)避專利，目前這類技術各廠家的實現(xiàn)方法不同，互操作困難。

　　除了上述Q in Q（SVLAN）及其增強技術EAPS外，各種標準化組織和廠家開發(fā)了很多新型電信級以太網(wǎng)技術，諸如彈性分組環(huán)（RPR），多業(yè)務環(huán)（MSR），MAC in MAC封裝，網(wǎng)絡提供商骨干傳送（PBT）技術，虛擬專用局域網(wǎng)業(yè)務（VPLS）等等。下面簡要介紹兩種主流的適合城域聯(lián)網(wǎng)的新技術——MAC in MAC/PBT和VPLS。

　　3.2　MAC in MAC和PBT

　　所謂MAC in MAC封裝遵循IEEE 802.1ah標準。其基本思路是將用戶的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀再封裝一個運營商的以太網(wǎng)幀頭，形成兩個MAC地址。其中用戶的MAC地址存儲在運營商的以太網(wǎng)幀中，核心網(wǎng)并不清楚�？梢姡琈AC in MAC封裝方式具有清晰的運營網(wǎng)和用戶間的界限，完全屏蔽了用戶側的信息，減輕了用戶MAC地址對核心網(wǎng)轉發(fā)表的壓力，解決了網(wǎng)絡安全性問題。其次，MAC in MAC封裝具有清晰的層次化結構，在運營商域的MAC幀頭具有24bit業(yè)務標簽，理論上可以支持1600萬用戶，從根本上解決了網(wǎng)絡擴展性和業(yè)務擴展性問題。第三，由于運營網(wǎng)與用戶網(wǎng)隔離，從而也規(guī)避了用戶網(wǎng)中可能發(fā)生的廣播風暴和潛在的轉發(fā)環(huán)路問題，使網(wǎng)絡具有健壯性。第四，由于運營商無需擔心運營網(wǎng)的VLAN和MAC地址與用戶網(wǎng)沖突，因而簡化了網(wǎng)絡的規(guī)劃和運營。第五，MAC in MAC采用二層封裝技術，無需復雜信令機制。另外，由于運營網(wǎng)的以太網(wǎng)交換機只需要學習自己的MAC地址，從而減少了所需的存儲和處理要求。兩者結合導致設備成本、建網(wǎng)成本和運維成本均較低。最后，采用MAC in MAC封裝，對下可以接入VLAN或SVLAN，對上可以與VPLS或其它VPN業(yè)務互通，具有很強的靈活性，很適合接入?yún)R聚層應用。

　　在MAC in MAC封裝的基礎上，只需要作少量改動，關掉以太網(wǎng)的生成樹和MAC學習功能，增強一些電信級OAM功能，利用現(xiàn)有以太網(wǎng)硬件就可以提供新的轉發(fā)功能，將無連接的以太網(wǎng)改造為面向連接的隧道技術，提供具有類似SDH可靠性和管理能力的硬QoS和電信級性能的專用以太網(wǎng)鏈路，這就是所謂的PBT技術。PBT技術的主要特點首先是擴展性好。關掉MAC學習功能后，可以消除導致MAC泛洪和限制網(wǎng)絡規(guī)模的廣播功能。此外，PBT采用VID+MAC（60bit）地址作為全球唯一地址和基于目的地地址的轉發(fā)，VID不再表示傳統(tǒng)的無環(huán)路域，而是用來識別某些特定通道，不具有全球唯一性，從而消除了業(yè)務擴展性限制，使網(wǎng)絡具有幾乎無限的隧道數(shù)目（260）。其次，轉發(fā)信息也不再依靠傳統(tǒng)的泛洪和學習，而是由網(wǎng)管/控制平面直接提供，從而可以為網(wǎng)絡提供確知的通道，無需超額指配網(wǎng)絡容量就能提供硬QoS，實現(xiàn)帶寬預留和50ms的保護倒換時間。再有，作為二層隧道技術，PBT可以與現(xiàn)有WAN技術互通，不僅能支持各種以太網(wǎng)業(yè)務，而且還能支持各種基于MPLS的業(yè)務，包括二層的VPLS和虛擬偽線業(yè)務以及三層的IP VPN業(yè)務等，具有相當?shù)臉I(yè)務靈活性。最后，PBT使用了大量IEEE和ITU定義的網(wǎng)管功能并將這些功能從物理層或重疊的網(wǎng)絡層移植到數(shù)據(jù)鏈路層，使其能基本達到類似SDH的電信級網(wǎng)管功能。簡言之，PBT技術結合了以太網(wǎng)和MPLS的優(yōu)點，為城域網(wǎng)提供了一種新的、扁平化的、低成本的融合架構，避免過度依賴IP/MPLS核心。然而，由于PBT存在N平方問題，需要大量連接，管理難度加大。此外，PBT只能環(huán)形組網(wǎng)，靈活性受限。還有，PBT不具備公平性算法，不太適合寬帶上網(wǎng)等流量大、突發(fā)較強的業(yè)務，容易存在設備間帶寬不公平占用問題。最后，由于PBT和Mac in Mac多了一層封裝，在硬件成本上必然要付出相應的代價。

　　3.3　VPLS

　　另一方面，VPLS是在點到點MPLS基礎上進一步發(fā)展而成的多點互聯(lián)的二層VPN技術，將廣域網(wǎng)的MPLS擴展到以太網(wǎng)的接入層。從用戶角度，仿佛所有站點都連至一個專有LAN。從業(yè)務提供者角度，可以重新利用IP/MPLS基礎設施來提供多種業(yè)務。VPLS基于MPLS，采用兩層MPLS標簽封裝，獨立于具體物理拓撲，且能支持任意的邏輯拓撲結構，具有較高的組網(wǎng)靈活性，還可以利用MPLS的流量工程實現(xiàn)資源配置的最佳化；VPLS利用快速重選路由（FRR）技術代替以太網(wǎng)的生成樹（STP）和快速生成樹（RSTP）保護，可以實現(xiàn)50ms的保護倒換時間；VPLS還支持2/3/4層可擴展的訪問控制列表（ACL）能力和每用戶的ACL控制，提供了較安全的控制和策略機制；VPLS具有良好的二層匯聚能力，支持的用戶數(shù)量突破了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的4096個VID的限制；VPLS提供分層的VPLS（HVPLS），進一步改進了擴展性，使用戶數(shù)可擴展到百萬級；VPLS能夠區(qū)分并保證每用戶中的不同業(yè)務流量，網(wǎng)絡業(yè)務配置簡單，業(yè)務提供快；VPLS還具有清晰的運營網(wǎng)和用戶網(wǎng)間的界限，便于管理。簡言之，VPLS在服務質(zhì)量和流量工程方面比MAC in MAC更好，很適合網(wǎng)絡邊緣層的應用。

　　然而，VPLS在二層設備上采用復雜的三層協(xié)議建立信令，設備成本相對較貴。其次，VPLS協(xié)議棧層次多，運行配置比較復雜，特別是對于數(shù)千個節(jié)點的大型城域網(wǎng)的管理運行成本較高。最后，采用雙MPLS標簽增加了協(xié)議開銷，導致轉發(fā)小包時效率不高。但是，對于IPTV等新型高級業(yè)務需求較為強勁的大型城域網(wǎng)而言，依然是一個有前瞻性的技術選擇，特別是核心網(wǎng)部分。

　　可以預計，隨著網(wǎng)絡中IP/以太網(wǎng)業(yè)務量的快速增加以及基于以太網(wǎng)技術的新型解決方案的不斷出現(xiàn)，電信級以太網(wǎng)多業(yè)務平臺在城域網(wǎng)中的應用將會越來越多，最終將可能成為主要技術平臺。