寬帶IP組網(wǎng)技術(shù)的城域傳輸網(wǎng)的研究

歐陽旭華

1 寬帶城域網(wǎng)的概念及特點(diǎn)

　　城域網(wǎng)（MAN）是由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)演化而來，但以往的許多經(jīng)驗(yàn)不能原封不動(dòng)地應(yīng)用于城域網(wǎng)。

　　城域傳輸網(wǎng)是數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)和長途電話網(wǎng)在城域范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)延伸和區(qū)域覆蓋，它以寬帶光傳輸為開放平臺(tái)，通過各類網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)話音、數(shù)據(jù)、圖像、多媒體、IP和各種增值業(yè)務(wù)及智能業(yè)務(wù)的接入，并與各運(yùn)營商的長途網(wǎng)和PSTN互通的本地綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)。因此可以認(rèn)為城域傳輸網(wǎng)最大的特點(diǎn)是寬帶。

　　城域網(wǎng)指有別于普通窄帶話音網(wǎng)絡(luò)、能在城市范圍內(nèi)提供寬帶數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。另外，城域傳輸網(wǎng)和長途干線網(wǎng)有所不同，城域傳輸網(wǎng)連接著低速接入網(wǎng)、高速長途干線網(wǎng)及局間網(wǎng)，其特點(diǎn)是互聯(lián)程度高、傳送的業(yè)務(wù)種類多、距離則比長途干線網(wǎng)短得多。由于各種形式的業(yè)務(wù)量急劇增長，促使傳統(tǒng)的基于電路交換的電信網(wǎng)向基于IP技術(shù)的下一代通信網(wǎng)演進(jìn)。而波分復(fù)用（WDM）和光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬迅速增大，加之高速路由器的開發(fā)，推動(dòng)了IP技術(shù)的發(fā)展，隨之而來的是寬帶IP組網(wǎng)模式的不斷演進(jìn)。

　　為了緩解城域通信網(wǎng)絡(luò)的擁擠狀況、增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性及適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要，人們開始考慮在城域傳輸網(wǎng)中采用密集波分復(fù)用（DWDM）技術(shù)。

2 城域網(wǎng)的寬帶IP傳送技術(shù)

　　城域網(wǎng)具有組網(wǎng)協(xié)議和信道速率種類繁多的特點(diǎn)，目前，實(shí)現(xiàn)城域傳輸網(wǎng)的寬帶IP傳送的技術(shù)主要是IP over SDH（POS）。

　　業(yè)務(wù)提供者已經(jīng)在城域網(wǎng)中采用了SDH技術(shù)。POS通常采用的是互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組（IETF）定義的IP／PPP／HDLC／SDH結(jié)構(gòu)（RFC 2615、RFC 1662）。其基本設(shè)計(jì)是將IP數(shù)據(jù)報(bào)通過點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議（PPP）進(jìn)行封裝，然后使用高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制（HDLC）定界組幀，再將其映射到基于字節(jié)的SDH虛容器中。但HDSL在高速（如2.5Gbit/s）應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。

　　SDH是用來承載基于電路交換的話音業(yè)務(wù)的，但對(duì)于進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的巨大的突發(fā)數(shù)據(jù)流，SDH作用有限。SDH需要復(fù)雜的映射以疏通、復(fù)用較低速率的業(yè)務(wù)，不具備下一代網(wǎng)絡(luò)所必需的網(wǎng)絡(luò)速率。也就是說，以話音為中心的TDM結(jié)構(gòu)已無法滿足需要，必須開發(fā)能夠適應(yīng)不斷發(fā)展變化的市場需求的新一代城域網(wǎng)。

　　考慮到POS存在的問題，提出了沒有SDH介入的IP over WDM設(shè)備，雖然不采用SDH設(shè)備，但SDH提供的一些必要或有效的功能宜予保留，因此，要設(shè)一個(gè)適配層，千兆比以太網(wǎng)（GE）是選擇之一。

　　承載IP業(yè)務(wù)最好的是以太網(wǎng)，以太幀采用IEEE802.3協(xié)議，在路由器接口無需任何映射、分段組裝和比特塞入以及擾碼操作，與兩端主機(jī)的幀格式也相同。因此，在相對(duì)于骨干網(wǎng)傳輸距離較短的城域網(wǎng)采用GE路由交換和DWDM技術(shù)直接在光纜網(wǎng)架構(gòu)寬帶IP網(wǎng)時(shí)，采用GE格式較SDH格式更為經(jīng)濟(jì)、高效。因此，GE over DWDM是目前最適合IP over WDM的方案，將GE與WDM技術(shù)結(jié)合在光纖網(wǎng)上直接架構(gòu)成寬帶IP城域網(wǎng)，現(xiàn)在采用GE，以后可能將采用速度更快10Gbit/s、傳輸容量更大的GE。

3 GE over DWDM實(shí)現(xiàn)的技術(shù)分析

　　在城域網(wǎng)中采用DWDM技術(shù)，可以一種靈活、漸進(jìn)的方式向用戶提供多種類型的業(yè)務(wù)。DWDM的業(yè)務(wù)透明性可以承載諸如以太網(wǎng)、ATM、POS等數(shù)據(jù)，用不同的波長來支持不同類型的數(shù)據(jù)。光層提供了獨(dú)立于業(yè)務(wù)類型的傳送結(jié)構(gòu)，同樣，DWDM提供了在一根光纖上可傳輸不同速率的數(shù)據(jù)通道。這一點(diǎn)在城域環(huán)境中非常重要，因?yàn)槌怯蚓W(wǎng)中有許多不同的業(yè)務(wù)和不同的速率。DWDM的透明性和分插復(fù)用功能可以允許業(yè)務(wù)提供者直接上下某一個(gè)波道，而不用轉(zhuǎn)換原始信號(hào)的格式。

　　GE數(shù)據(jù)在DWDM系統(tǒng)上如何進(jìn)行傳輸呢？其基本工作方式如下：在發(fā)送端將數(shù)據(jù)交換機(jī)、路由器等設(shè)備發(fā)出的GE光信號(hào)送給波長轉(zhuǎn)換板進(jìn)行光／電轉(zhuǎn)換，變?yōu)殡娦盘?hào)。此電信號(hào)分為兩路，一路送給媒介訪問控制（MAC）芯片，一路去調(diào)制具有特定波長的激光器。通過MAC芯片可以獲取網(wǎng)上的傳輸情況（如數(shù)據(jù)包流量和錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)包數(shù)量），可以很方便地在傳輸網(wǎng)管設(shè)備上觀察到網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，及時(shí)查找傳輸線路故障。經(jīng)過波長激光器調(diào)制的GE光信號(hào)同其他波長的光信號(hào)復(fù)用送入一根光纖中傳輸。在接收端通過分波器將各個(gè)波長的光信號(hào)從一根光纖分出，送給不同終端。分出的GE光信號(hào)同樣送給波長轉(zhuǎn)換板進(jìn)行光／電／光轉(zhuǎn)換，并在電層用MAC芯片監(jiān)視傳輸情況，最后將GE光信號(hào)送到交換機(jī)、路由器等設(shè)備，完成GE over DWDM的全過程。

　　目前，QoS、流量工程、自愈恢復(fù)等完全靠路由器通過多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS）等協(xié)議完成。這對(duì)路由器構(gòu)成很大的壓力，限制了性能的進(jìn)一步提高。發(fā)展趨勢是：采用由波長路由器和DWDM系統(tǒng)構(gòu)成的光核心網(wǎng)和設(shè)置在邊緣的以太網(wǎng)路由器構(gòu)成的寬帶城域網(wǎng)，邊緣則為GE或10GE，在城域DWDM系統(tǒng)中每一路GE數(shù)據(jù)流安排在一個(gè)波長上進(jìn)行傳輸。采用多協(xié)議波長交換（MPλS）等協(xié)議提供QoS，這樣可以減少對(duì)路由器性能要求的壓力，提供更高的性能。

4 IP over WDM的自愈保護(hù)

　　GE over DWDM不用SDH層，當(dāng)光纜環(huán)路被切斷時(shí)如何能夠像SDH一樣在50ms內(nèi)完成自愈恢復(fù)是需要解決的問題。目前在網(wǎng)絡(luò)的第1～3層均有解決方案。

　　SDH網(wǎng)以冗余備份來增加生存性，在傳輸網(wǎng)絡(luò)的核心建立故障容錯(cuò)系統(tǒng)需要大量地增加冗余。GE over DWDM也可采用與SDH類似的自愈恢復(fù)方法，如進(jìn)行通道保護(hù)，將GE光信號(hào)經(jīng)兩個(gè)波長轉(zhuǎn)換板沿不同路徑傳輸，在接收端采用兩個(gè)接收板，根據(jù)業(yè)務(wù)情況選擇其一接收，此方式的保護(hù)倒換時(shí)間小于50ms。

　　WDM網(wǎng)絡(luò)自愈機(jī)制可以對(duì)諸如光纜斷裂、光交叉連接設(shè)備（OXC）損壞這樣的大容量失效進(jìn)行有效恢復(fù)，并且恢復(fù)速度很快。構(gòu)造WDM自愈網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)主要方案：在物理層網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中應(yīng)用OXC構(gòu)造自愈網(wǎng)；在物理層環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中應(yīng)用光分插復(fù)用設(shè)備（OADM）構(gòu)造自愈網(wǎng)。

　　環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)的WDM自愈網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的WDM自愈網(wǎng)絡(luò)相比，具有以下優(yōu)勢：

① 由于OADM節(jié)點(diǎn)要求非常簡單的倒換功能，比OXC更加經(jīng)濟(jì)；

② 由于OADM具備相對(duì)較少的倒換步驟，OADM簡單的功能結(jié)構(gòu)使得網(wǎng)絡(luò)的透明性增加，因此網(wǎng)絡(luò)的光損耗降低，跨距增加；

③ 由于環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)網(wǎng)采用共享備用資源的保護(hù)方式可簡潔快速地進(jìn)行保護(hù)。通過環(huán)網(wǎng)的互聯(lián)，若干個(gè)環(huán)網(wǎng)可以組成一個(gè)規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)。

　　與SDH系統(tǒng)相類似，WDM環(huán)網(wǎng)存在線路保護(hù)倒換環(huán)和波長通道保護(hù)倒換環(huán)兩種保護(hù)模式。線路保護(hù)環(huán)主要有2纖單向線路保護(hù)環(huán)和4纖（2纖）雙向線路保護(hù)環(huán)。在線路倒換中，故障的恢復(fù)是在故障出現(xiàn)處的相鄰節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行。波長通道保護(hù)倒換是基于逐個(gè)波長的保護(hù)，因?yàn)楣饫w上的各個(gè)光通路（波長通路）具有不同的源節(jié)點(diǎn)和終節(jié)點(diǎn)，該保護(hù)不可能同時(shí)對(duì)所有由于光纖的切斷而受損的波長信號(hào)進(jìn)行處理。在通道倒換中，光通路故障的恢復(fù)是在這個(gè)光通路的源節(jié)點(diǎn)和終節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行。

　　WDM網(wǎng)絡(luò)自愈機(jī)制存在的局限性是無法恢復(fù)IP網(wǎng)絡(luò)的失效（如IP路由器失效）。而IP網(wǎng)可以利用其特有的容錯(cuò)、自愈能力，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中就已經(jīng)考慮了網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化，并設(shè)計(jì)了完整的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。通常認(rèn)為，完全依靠路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)自愈恢復(fù)所花費(fèi)的時(shí)間為秒級(jí)，這樣低速的切換在超高速網(wǎng)絡(luò)上會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的大量丟失。但是，目前已經(jīng)提出了多種第3層自愈恢復(fù)方法，例如采用MPLS后，也可以做到恢復(fù)時(shí)間小于50ms（參見www.cisco.com中關(guān)于12016 GSR的說明），這樣，使IP over WDM的自愈恢復(fù)性能更前進(jìn)了一步。

5 結(jié)束語

　　對(duì)于城域傳輸網(wǎng)，不論單路或多路DWDM的IP over WDM系統(tǒng)，GE都是比較好的選擇，具有成本低、性能高的優(yōu)勢。而采用POS實(shí)行SDH分幀的方法是一種高成本、低效率的方案，采用155Mbit/s或622Mbit/s速率不僅傳輸速率比GE低，且設(shè)備成本高很多，采用2.5Gbit/s接口，價(jià)格也高得令人無法接受。

　　隨著WDM技術(shù)的發(fā)展、10GE標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品的即將面世，10GE over DWDM對(duì)于構(gòu)建寬帶城域傳輸網(wǎng)是最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，其應(yīng)用將不斷增加。未來的網(wǎng)絡(luò)將基于分組的協(xié)議，數(shù)據(jù)交換機(jī)和高速路由器直接通過光網(wǎng)絡(luò)的DWDM設(shè)備相連接，以1.25Gbit/s或10Gbit/s的速率進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于話音和低速數(shù)據(jù)的SDH復(fù)接設(shè)備就不再需要。但這是長遠(yuǎn)的目標(biāo)，在目前技術(shù)條件下，大規(guī)模在城域網(wǎng)中采用IP over DWDM技術(shù)還需要全盤考慮，GE不是多業(yè)務(wù)技術(shù)，它缺乏時(shí)分復(fù)用（TDM）能力，因此SDH會(huì)在一個(gè)很長的時(shí)期內(nèi)繼續(xù)存在，特別是對(duì)于數(shù)據(jù)量不算太大、以電路交換為主的城市，這就需要采用多業(yè)務(wù)混合傳輸網(wǎng)的方案，讓一部分波長運(yùn)載10GE，另一部分波長運(yùn)載其他業(yè)務(wù)流量，比如SDH、ATM以及多個(gè)GE數(shù)據(jù)流。

----《通信世界》