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侯自强:宽带IP城域网和接入网的技术进展

2005/10/6/16:58 来源:福建广播电视局

    侯自强:中国科学院声学研究所DSP工程中心研究员,中国网络通信公司首席科学顾问

一 宽带IP城域网

    传统电信城域网采用SDH系统以TDM方式提供专线服务,系统成本高、带宽有限、布设周期长,远远不能满足新一代宽带城域网的需求。对新一代宽带城域网的要求可以概括成以下几点: (1)扩展性,其带宽可以扩展至几十、几百Gb/s,乃至Tb/s以上;(2)可以有多达几百个结点;(3)低成本,包括低建设成本和运营成本;(4)支持新一代基于IP的业务,可支持各种物理接口、QoS、SLA、监视和计费系统;(5)支持传统的话音和数据业务;(6)强大和便于使用的网络管理系统;(7)健壮性,具有99.999%工作时间、硬件冗余、光缆环故障保护自愈能力。

    在光网上直接架构千兆位以太网正在成为城域网主流。目前的发展趋势是将以太网与波分复用(WDM)技术结合在光缆网上直接架构成宽带IP城域网。现在采用千兆位以太网的很快将成为万兆位以太网。

    DWDM技术在广域网应用获得巨大成功,从而成为主流,但是不能简单地将其植于城域网。DWDM系统中相邻波长间隔仅0.8nm(100GHz)或更低,而且对激光器的频率精确性、单色性和滤波器要求很高,价格也昂贵。但由于广域网传输距离长,所用的放大器多,DWDM系统中多个波长通道共用光纤和放大器,因此在广域网上仍然可以大幅度降低成本。而城域网由于距离短(一般100公里以内),不需要使用放大器,增加一根光纤的成本也不高,因此简单地采用与广域网一样的DWDM设备不一定合算。解决的方法是采用稀疏波分复用(CWDM)技术。它使用1200~1700nm 的宽窗口,对激光器和滤波器的要求可以大大降低,并大幅度降低成本。另外一个方法是将WDM光传输设备和路由交换机结合在一起,路由交换机端口直接驱动光传输设备。最简单情况,一根光纤只传输一路数据时,在裸光纤上直接运行千兆以太网。如果需要传输多路数据可采用波分复用系统,根据需要逐步增加波长通道。

    在结点的路由交换机连接各个波长通道,即负责选路交换又起分出/插入的作用。这种分/插作用不仅可以对波长也可以对任务、对数据流甚至对数据包。

    用千兆位以太网在光网上直接架构宽带IP城域网以满足新一代城域网的要求和兼顾传统实践业务,需要解决以下问题:(1)根据SLA、QoS,分配带宽;(2)提供基于TDM的传统电信业务,如租用专线等;(3)用作接入网集中器时,要解决同一楼内局域网不同用户之间互相隔离问题、每个用户多业务流的分别管理(提高不同的QoS)和计费问题,以及以多播方式提供视频广播、不对称的服务方式;(4)光缆环路被切断时的保护和自愈恢复。

    目前L2/L3一体化的千兆位以太网路由交换机的背板容量已经达到几百Gb/s,数据包通过量达每秒1亿个以上;可以以线速进行第三层IP/IPX路由和第二层无阻塞交换;支持冗余端口、生成树、多选择路由和冗余路由器协议增加系统可靠性;可以提供上百个1000Base-X端口;提供带宽管理、优先权和基于策略的QoS;可以方便地通过HTTP、SNMP、RMON、本地和远程CLI进行灵活管理。有的设备可以支持数千个IEEE 802.1Q VLANs,并且兼容IEEE 802.1ad的链路聚合技术,将多个千兆位以太网端口结合成一条干线,在多个端口之间进行负载平衡。对于以太网城域网而言,最困难的是如何在无连接的IP网上提供端到端的连接、仿真TDM电路。一些公司(如Extreme)的产品已经开始可以提供IP TDM业务。核心网的VMAN和接入网的VLAN配合,可以以固定延时传输语音和视频,为公共电话网提供等效E1的IP TDM通道,但是这还不是真正的TDM通道。RAD公司的TDM over IP,在IP网上建立透明的T1/E1电路,其方法是:在数据包中插入同步比特流,加上IP包头送入IP网传输,数据包通过IP网转发到终点后,在终点重建同步钟,除去包头,提供同步的比特流。当然IP网必须对传输的数据流给以QoS保证,用户接口基于标准租用专线(T1, E1);网络接口是低成本10/100Base-T以太网;可以配置QoS选件: VLAN用于第二层优先级(802.1D)、ToS 用于IP层优先级确定、UDP口用于第四层优先级补偿包延时变化。这种系统具有外部的/自适应时钟再生,处理延时很短(小于1ms),可扩展, 有冗余备份和管理及诊断功能。采用这种设备可以在IP网上提供TDM E1专线,比SDH网提供的E1和ATM要便宜。以太网城域网不使用SDH设备,当光缆环路被切断时如何能够象SDH一样在50ms内完成自愈恢复是需要解决的问题。目前在网络的第一层到第三层均有解决方案。DWDM系统用光交换可以于光路上在50ms内完成自愈恢复。第二层的弹性分组环(Resilient Packet Ring,RPR)可以像SDH一样快速进行自愈恢复,而又能利用环路备份部分传输数据。最新的路由交换机则可以在第三层完成环网或网状网出现故障时的快速自愈恢复。一种方法是事先计算好各种可能出现故障时的恢复路径的路由表,一旦监视发现故障快速转换到备份路径;另外一种方法是利用MPLS来实现自愈恢复。

    新一代千兆位路由交换机支持热插拔模块和元件,有双系统软件和双系统配置,达到电信级的可靠性;具有灵活管理能力,可以方便地从本地或远程,通过浏览器用SNMP、RMON命令进行灵活管理。

1. RPR多业务供应平台

    新一代信息网络中,IP网成为基础网。一方面各种业务将转向基于Web在互联网上进行,这就是所谓的Everything on IP;另一方面,在IP网上提供TDM电路、ATM、 FR等,以支持传统业务,这就是所谓Everything over IP。因此,有观点认为,在发展基于IP的城域网平台时,应能支持多种协议,最好能提供透明的端到端的连接,这种平台被称为多业务供应平台(Multiple Service Provisioning Platform,MSPP)。

    这种被称为RPR的新结构方案融合了千兆位以太网、DWDM和SDH的优点。在环型网上传输IP数据包,环路的两侧都可以用来传输数据,又可以发挥自愈恢复环的功能,大大提高利用效率。目前IEEE正在准备成立802.17工作组,IETF正在准备成立IPoPTR组来发展这一技术,制定相应标准。多数建议采用万兆位以太网帧格式,万兆位以太网标准的初稿已经发表,明年将有首批产品面世。目前采用环形网的第二层包传输概念的产品有:Cisco公司的DPT、Nortel公司的IPT和Luminous公司的RPT。

2. 智能光网和以太网路由交换机构成宽带城域网

    传统城域网在支持IP业务时,是在SDH网上通过分/插复用、交叉互连提供专线连接在网络边缘的路由器。由于其成本高、供应准备周期长、灵活性差、容量有限、效率低等问题,已成为发展的瓶颈。

    前述的CWDM以太网和RPR方案是在裸光纤网上直接架设IP网。QoS、流量工程、自愈恢复等完全靠路由器通过MPLS等协议完成。这对路由器构成很大的压力,限制了性能的进一步提高。在光路由器没有发展成熟之前,目前的发展趋势是采用由波长路由器(光交换机)和DWDM(CWDM)系统构成的智能光网核心网,以及设置在边缘的以太网路由器构成的宽带城域网。在核心光网上采用以太网帧传输,称为以太路径,边缘则为万兆位或千兆位以太网。这种核心可以采用网状网结构,采用MPLmS协议等提供QoS和流量工程,这样可以减少对电路由器性能要求的压力,提供更高的性能。对这种系统可以称之为智能光网以太网。

    宽带城域网的发展由于其应用的复杂性和兼顾传统数据业务的要求,出现了多样性的局面。在光缆网上直接架构CWDM以太网(千兆位和万兆位)宽带IP城域网正在成为主流,RPR将发展成新标准用于一些环型骨干网。这些,不仅为相互竞争的运营商广泛采用,而且促使传统电信运营商也加入到建设宽带IP城域网的竞争中。而从SDH演化来的多业务平台将主要被一些传统运营商用作向IP业务过渡的工具。原有基于ATM的多业务平台将逐渐退出这一领域。对于Tb/s以上的宽带城域核心网,将采用智能光网以太网城域网。运营商建设宽带城域网时采用何种方案和设备,将取决于他的市场定位、服务对象要求以及他所拥有的资源情况。

二 宽带IP接入网

    目前全世界有6亿个以太网端口。随着千兆位以太网的成熟和万兆位以太网的出现,以及低成本在光纤上直接架构千兆位和万兆位以太网技术的成熟,以太网开始进入城域网和广域网领域。如前所述目前以太网已经成为宽带IP城域网的首选方案,也已经开始用于广域网。到2002年,万兆位以太网标准完成后将被广泛用于城域和广域网。如果接入网也采用以太网,将形成从局域网、接入网、城域网到广域网全部是以太网的结构。采用与IP一致的统一的以太网帧结构,各网之间无缝连接,中间不需要任何格式转换。这将可以提高运行效率,方便管理,降低成本。这种结构可以提供端到端的连接,根据与用户签订的服务协议,保证服务质量。

    基于上述原因,最近以太网接入网得到了快速发展和广泛重视。2001年初IEEE成立了802.3EFM工作组,发展制定以太网接入网标准。随着标准的制定完成,将会有一批以太网接入网设备出现。

1. 宽带接入网的服务对象和要求

    接入网的服务对象主要可以分为两类。一类是供企事业单位办公、生产使用的。需要接入的地方包括单位的办公楼、厂房或出租的共用办公楼的MTU;另外一类是接入到居民住宅区,包括一户一幢的别墅式住宅楼和公寓型居民住宅楼的MDU。宽带接入网可以考虑使用的传输媒体包括目前已经大量布设使用的三类双绞线(Cat3)市内电话网和有线电视双向HFC网,以及正在发展的光缆入户接入网、五类线(Cat5)入户局域网和空中激光或无线接入网等。

    用户对宽带接入网的要求首先是带宽,目前接入速率为几个Mb/s,今后应该能够升级到100Mb/s。带宽最好是上下行对称的,用户应可以按业务,根据QoS保证协议和实践使用量付费并可根据需要以小增量增减,一旦用户提出要求可以快速供应。

    运营商对宽带接入网的要求是:支持QoS和多播;要便于管理,按照使用(SLA、QoS和流量)计费;在速率和规模方面具有可扩展性;增加新用户不需要中断业务;有灵活的子网粒度;对延时、统计、安全的控制和反馈;某用户设备故障不影响或只影响少数其他用户,并能快速发现并确定故障点;在MTU和MDU内使用同样的部件,家庭和企业使用同样设备,以保证配置的灵活性。

2. 用以太网做宽带接入网必须解决的问题

    用以太网做宽带接入网用来作为公共网,还必须解决两个重要问题:一是安全性,二是开放接入和商业运营问题。

    为了便于管理和安全,必须对各户进行隔离,目前主要的方法是用虚拟局域网(VLAN)实现各户之间的隔离。问题是802.1Q规定的VLAN标记(Tag)只有12位,只能支持4000个VLAN。这个数目对于接入网运营商在更大的范围内采用统一的标记设置VLAN,显得不够。一种建议是将标记长度增加到24位,以支持1600万个VLAN,但是这需要修改802.1标准。另一种方法是在VLAN的标记前面再加虚拟城域网VMAN标记,目前已经在一些公司产品中采用,但还不是通用标准。

    信息产业部传输所提出的方案不再使用现有的VLAN协议和L2交换机,而是采用专门硬件在链路层对用户隔离。在这种系统中,楼头的L2交换机被专门设计的只起复用器作用的楼头设备取代,而小区的L2/L3路由交换机被一种类似路由器的局端设备取代。楼头设备的功能仅仅是复用和解复用,没有交换功能,它在物理层和链路层上提供了同一个楼内不同用户之间的相互隔离。局端设备维护端口—主机地址映射表,根据用户IP地址来连接用户,并负责用户IP地址的动态分配。局端设备可以控制楼头设备连接每个用户的端口速率,根据每个用户的SLA来分配带宽,保证其QoS,并可以支持多播业务。这种方案有不使用VLAN的优点,但因此而不能使用价格低廉的L2交换机。

    开放接入要求提供开放平台给其他ICP、ASP、ISP使用,这就要求对每个用户认证、授权并按照不同的使用(服务商、内容、QoS保证)分别计费。在基于VLAN 的方案中,这些功能在接入服务器(集中器)中提供。目前已有的多业务接入服务器,大多是基于ATM的,价格很高,因此需要发展专门为以太网接入网设计高功能低价格的接入服务器。而在采用专门楼头设备的方案中这些功能由局端设备完成。

3. 已经提出的以太网接入网方案

    目前已经提出的以太网接入网方案,根据使用媒体的不同,可以分为以下几类。

    a. 基于电话线Cat 3的以太网接入网,分为基于DSL的以太网(Ethernet over DSL)和Etherloop两种,速率最高为10Mb/s,不能再提高。

    b. 光缆入户的以太网接入网,分为以太网无源光结点(EPON)和千兆位以太网进家庭(GTTH)两种。对于EPON,为了降低光缆接入网的成本,用分光器将一根光缆分支连接相邻住宅。对于GTTH,每户独立光缆连接小区的以太网交换机。

    c. 光缆到楼头,五类线入户,以太网接入网。这种方法适合用于公寓型住宅楼。每户接入速率可达10Mb/s,如果需要可以达到100Mb/s。

    d. 空中激光和无线电以太网接入网。对于各种以太网接入网都是通过可以管理的以太网交换机连接用户,为每一个用户设置一个VLAN, 用户设备可以是装有以太网卡(10Mb/s或10/100Mb/s自适应网卡)的计算机、机顶盒或客户端设备(家庭信息中心),小区设接入服务器(接入集中器)负责客户的管理和计费。

4. 我国的机会和对策

    笔者1999年开始推动在一些地方的居民小区(如天津南开区、宁波市等)建立光缆到楼头五类线入户的以太网接入网(以下简称以太网接入网),取得成功。笔者认为,用以太网接入网作为宽带接入网的方案符合我国国情,它将成为宽带接入网的主流而得到快速发展。2000年,随着一些不拥有电话网和有线电视网的城市信息港公司和宽带网络公司的建立,开始大规模在新建居民区布设以太网接入网,出现了建设以太网接入网的高潮,甚至在一些老市区也开始布设以太网宽带接入网。这项工作与智能小区建设相结合,得到建设部的支持。2001年,中国电信、中国网通等电信运营商也进入了建设者的行列,出现了更大的建设高潮和激烈的竞争。

    以太网宽带接入网为我国建设宽带接入网实现跨越式发展提供了历史机会,但应认识,到目前出现的以太网接入网的建设高潮带有一定的“跑马圈地”和炒作成分,有人形容其带有.com公司的泡沫成分。

    判断是否是泡沫,要看是否有市场,居民的消费水平能否承受。考虑到我国发展彩色电视、VCD和DVD在拥有量和普及率方面取得的成就,尽管我国经济发展总体水平不高,宽带接入网的发展仍然有可能达到较高的水平,成为新的消费热点。按照目前的消费水平,在3~5年内发展3000万宽带接入用户是完全可能的,问题是如何快速发展用户喜爱的交互宽带内容和服务。

    目前一些小区宽带接入网发展商的策略是先占地盘,布好五类线网络,送到用户门口。为了降低成本,在楼头只设集线器或无管理的简单的交换机,在管理和用户安全隔离方面也存在很多问题。考虑到网上宽带内容和服务的建立和发展有一个过程,用户数量的增长也需要一个发展过程,在开始阶段为降低成本,采用上述简单系统是可以的。好在以太网良好的可扩展性使得今后升级不困难,也不会造成多少浪费。但是从发展看,宽带接入网必须是一个安全的,可扩展的,支持开放服务的平台。尽管目前还没有一个能很好满足上述要求的商品设备,随着有关标准的制定(我国信息产业部传输所和中国电信也在制定以太网宽带接入网的标准和规范),将会不断出现低成本、高性能的设备来满足不同的需求。对于设备制造商来说,这也将是一个巨大的市场发展机会。

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