光以太网技术及在城域光网络的应用

摘要
    光以太网技术是现在两大主流通信技术：光以太网技术是构建宽带城域光网络的主流技术之一。本文介绍了光以太网的优点，对光以太网技术在城域网中的应用方案进行了研究，最后说明了构建可运营的光以太网需要解决的问题。
    光以太网技术是现在两大主流通信技术的融合和发展：光网络和以太网的融合。它集中了以太网和光网络的优点，如以太网应用普遍、价格低廉、组网灵活、管理简单，光网络可靠性高、容量大。光以太网的高速率、大容量消除了存在于局域网和广域网之间的带宽瓶颈，将成为未来融合话音、数据和视频的单一网络结构。光以太网技术是构建宽带城域光网络的主流技术之一。

1、光以太网的提出
　　如今，企业和运营商都希望降低成本、增加收入：（1）对企业来说，电子商务环境给企业带来了满足客户需求和增加收入的机会。企业能够通过网络实时的联系客户、合作伙伴以及供应商。然而，虽然企业对网络的需求在不断的增长，但是对网络的投资却没有同步增长。企业希望花更少的钱获得更多的服务，以最大限度的节约企业的成本；（2）对于运营商来说，目前网络建设主要考虑的是如何在支持已有业务的同时获得最大的利润。城域网的接入带宽瓶颈、速率不匹配以及多协议的转换等问题使得运营商难以提供企业用户所要求的接入速率。
　　光以太网概念的提出解决了上述问题，同时也给宽带城域网的建设带来了革命性的变化。现在的城域网是基于SDH体系结构的。SDH最初是为面向低速、电路交换的语音业务而设计的，可保证良好的QoS性能，提供50ms的电路保护倒换时间；缺点是SDH设备价格昂贵，用于数据业务时不够灵活、效率低下。而光以太网是基于目前应用非常普遍、技术成熟的以太网技术，并对网管和流量工程等方面的功能进行了加强，以便满足城域网对数据速率和传输距离的要求。当运营商构建光城域以太网后，就可以直接在骨干层提供以太网端口，实现与局域网的无缝连接。

2、光以太网的优势
　　以太网技术是1970年由Xerox公司提出的，最初通过同轴电缆让用户共享10Mbit/s带宽。后来，以太网很快发展到通过无屏蔽双绞线传递，并采用交换机给用户提供10Mbit/s的专线连接。今天，交换式以太网可将100Mbit/s的专线带宽传送到桌面，很快还会实现千兆（Gbit/s）到用户。因快速、廉价、容易使用，这种“即插即用”的技术已成为90%以上的企业局域网（LAN）的标准技术。
　　无论是专网还是公网，都可以应用光以太网。它可以配置为点对点、网状或者环形拓扑结构，可以应用于局域网、城域网以及广域网。应用光以太网技术带来的优点有：
　　（1）解除了带宽瓶颈光以太网以其本身具有的格式和速度传输端到端的LAN业务，不必进行协议转换，也无须降低速率，从而打破了存在于局域网和广域网间的带宽瓶颈。
　　（2）可靠性高光以太网技术将在LAN中已证明过的以太网的健壮性和在MAN、WAN中众所周知的光纤传输的优点结合起来，可以提供5个9级别的可用性。Ethernet over RPR（EoRPR）可以在灾难性故障发生时保证50ms的保护倒换时间。
　　（3）安全性好一旦进入光纤以太网网络，终端用户的以太网数据帧就被封装起来以保护所传的数据，并与其它用户业务数据流隔离。
　　（4）扩充性好由于流量和带宽已经增加了，以太网技术标准也进展到更高的速率，然而它还保持着与现有网络结构的兼容性。
　　（5）端口价格低廉由于目前以太网已在企业和园区网中广泛使用，其硬件成本非常低，技术非常成熟，从而大大降低了运营商的网络建设成本。如千兆以太网端口的价格只有ATM和SDH端口的1/4，而即将推出的10Gbit/s以太网端口的价格约为SDH端口的1/7。
　　（6）网络的效率高传统的电信网络采用复杂的多层架构（如IP over ATM、IP over SONET和IP over DWDM等），这种架构的缺点是：一方面，ATM和SDH设备价格非常昂贵，增加了运营商的成本；另一方面，当数据在局域网和广域网之间传输时，需要通过路由器进行复杂的协议转换，因此会增加网络开销、降低传输效率，并且还带来了延迟和抖动。光以太网是端到端的以太网，数据在局域网和广域网之间传输时不需要进行协议转换，因此可以大大提高传输效率。
　　（7）互操作性强光以太网是已定义好的公用技术，它使多厂家的设备在LAN、MAN和WAN中具有互操作性，有利于端到端的兼容。
　　（8）带宽管理光以太网可以在数据包的级别上实现带宽管理，而不必指定某个特定端口。运营商可以按照不同的业务分配不同的带宽，从1到1000Mbit/s可调（以1Mbit/s为增量单位）。企业可以用单个10/100/1000Mbit/s以太网端口取代多个E1或E3速率的WAN连接。
　　（9）新业务机会光以太网可以提供两类重要的业务：运营商直接提供给最终用户的业务和运营商提供给其它运营商的业务。

3、光以太网在城域网中的应用
　　（1）城域网面临的问题
　　目前，用户可以选择的接入手段基本上是基于铜线的各种接入方式，速率介于kbit/s和Mbit/s之间，它已经无法满足用户日益增长的需求。在个人用户方面，用户已不仅仅满足于对Internet的慢速浏览，VOD、网络电视等有较高带宽需求的应用，也吸引着用户和内容提供商。
　　另一方面，超过95%的用户使用以太网连接其内部网络，而目前的接入网迫使用户必须购买昂贵的路由器才能连接电信接入网。协议的转换也带来了大量额外的开销。运营商选择ATM和SDH/SONET传输IP业务主要考虑到网络可扩展性、可靠性以及技术的成熟性。这些方式固然有其众多优点，但在将第2层数据映射到第1层的带宽的管理上有明显缺点。从传输角度看，他们基于“专线”的方式，需预先确定传输所需的带宽，数据进入骨干网遵循传统TDM网络的规律，其颗粒度可能是E1、E3、STM-1或STM-4，甚至更高。这些方式导致了光传输带宽的浪费。
　　（2）城域光以太网方案
　　光以太网技术将以太网的优越性扩展到了城域网，提供端到端的以太网连接而无需多协议的转换。光以太网能够解决城域网所面临的上述问题，为运营商构建新一代的宽带城域网络，以满足市场对带宽的巨大需求。
　　光以太网能用不同类型的以太网传输，其中包括：裸光纤以太网（Ethernet Over Fiber）、弹性分组环以太网（Ethernet Over RPR）和DWDM以太网（Ethernet Over DWDM）。无论部署哪种类型的传输网络，都可利用以太网的简单性和经济性来提供高效的业务。
　　EOF
　　EoF（Ethernet over fiber）是常见、便捷的光以太网模式，它可支持10Mbps～10Gbps的速率，支持点到点和网状网的连接方式。EOF是一种极具成本效益和高性能的光以太网解决方案，传输距离可达70公里。
　　EORPR
　　RPR（弹性分组环）是适用于多业务分组传送的新型光纤环网传输技术，具有双环结构、带宽动态分配、统计复用、支持业务级别和公平接入等特性，是当前光网络上传输数据包的一种优化技术。目前IEEE802.17工作组正在对RPR进行标准化。该标准的提出源于宽带城域网高效率、低成本传送多业务分组流的需要。标准制订的基本思路是综合传统电信网SDH和计算机以太网的优点，设计一种具有和SDH相当的可靠性（弹性）、面向分组而不是面向电路、带宽利用率更高的光纤传输技术。
　　传统的以太网采用的是“尽力而为”的传送机制，能够很好地适应数据业务的突发性传输要求，具有良好的扩展性；缺点是无QOS保证，保护倒换能力差。SDH设备具有小于50ms的保护倒换时间，具有良好的QOS性能，但是SDH采用的是面向语音的。TDM传输方式，传送数据业务时效率不高。EORPR综合了千兆以太网的经济性、SDH具有对延时和抖动的严格保障、可靠的时钟和50ms环保护和恢复等优点。RPR网络是由分组交换节点组成的环型结构，相邻节点通过一对光纤连接。节点间的链路是基于光纤的，并可采用WDM来扩容。
　　EORPR方案解决了传统SDH环带宽资源浪费的问题。因为在EORPR中，SDH环上两个方向的带宽资源都被充分利用了。同时，SDH利用空间重用和统计复用技术，进一步提高了带宽利用率。RPR环可扩展到几千公里，能提供灵活、多业务的光以太网应用。
　　EODWDM
　　EODWDM以DWDM为传输载体，通过波长复用提高单束光纤的传输能力。EODWDM采用以太网帧格式，可以通过端到端、环状或网状连接。EODWDM在高带宽、高效率的情沉下特别有效，如信息存储的解决方案，数据中心互连。目前商用的DWDM系统能支持多达32个波长（每个波长相当于一条OC 48或OC 192信道）、网络容量提高到320Gbit/s。这种系统能工作于常规光纤或非零色散位移光纤上，适用于城域网和广域网。
　　EODWDM具有以下优点：
　　充分利用了光纤的带宽资源，极大地提高了传输速率。
　　DWDM系统与以太网或SONET、SDH网有很好的互联能力，配置简单、方便、对已有的网络结构不会做太大的调整、支持未来的宽带业务网及网络升级、并具有可推广性、高度生存性等特点。
　　与信号速率无关，可方便地引入宽带、数据等新业务、并可兼容不同体制、不同厂家的设备。
　　（3）城域光以太网的应用现状
　　光以太网首先在北美得到应用。在近几年，北美出现了一批城域以太网运营商（MEC），如Yipes、Cogent、Telseon等。以Yipes为例，目前在美国约20个大城市提供公共以太网接入业务，其网络中大量使用G比特以太网交换机，通过光纤到大楼为用户提供Internet接入和透明局域网互连（TLS）业务，其主要客户是ISP、基于WEB的企业等商业用户和学校。
　　国内宽带IP城域网建设从1999年开始。与北美不同的是，国内的以太网接入业务首先瞄准的是住宅用户，因为中国的城市居民大多集中在各类小区中。部分省市的有线电视台为向其用户提供Internet接入，选择以太网建设城市宽带网，采用以太网/HFC混合的方式，在某些小区提供以太网到用户，在另外一些小区提供以太网到小区，Cable Modem到用户的方式提供服务。2000年以来，各地电信公司纷纷开始建设宽带城域网，主要采用以太网到用户为主，ADSL为辅。
　　城域光以太网在美国和日本得到了很好的应用，主要原因在于城域光以太网能够以较小的成本获得较大的带宽。在国外，城域光以太网服务已被公认为主流发展趋势。目前及规划中的光以太网设备以第2层LAN交换机、第3层LAN交换机，SONET设备以及DWDM为基础。如北电通过三种方法来构建光纤以太网，包括第2/3层LAN交换机——Passport 8600；OPTera分/插复用器，它是一种能够通过北电的RPR方案和OPTera数据包边缘系统（OPTera Packet Edge System）协作的SONET光纤设备；还有就是在其DWDM产品上直接提供以太网连接。

               图1　光以太网应用方案

4、光以太网技术用于电信网需要解决的问题
　　光以太网技术是构建光城域网的主流技术之一，具有很好的扩展性，可以非常方便地扩展用户的数量，同时它的统计复用功能提高了网络中继带宽的利用率，受到各方面的关注和重视。但是如何构建可运营、可管理、电信级的光以太网是运营IP业务所必须解决的问题。可运营、可管理、电信级的要求主要体现以下方面：
　　（1）完善的用户管理用户管理是一切业务的基础，在网络建设初期，为了适应市场需求，快速推出用户接入业务，各运营商一般采用包月制的方式。简单的包月资费方式确有简单快速的优点，但从长远来看，这种过于单一的资费政策，不仅会使运营商损失大量的客户、浪费大量的网络资源，同时也使得宽带网的运营缺乏高效、灵活扩展的管理手段，使得运营商在未来的市场竞争中处于不利地位。因此，建设宽带网络运营支撑平台成为当前宽带运营商迫切的需求。
　　（2）较高的网络可靠性主要包含以下几方面：链路/路径的保护和故障恢复、拥塞控制、路由选择和流量控制。已有的以太网技术在这几方面存在缺陷。如在MAN的组网中，经常会出现环路，虽然生成树（SpanningTree）可用来消除环路，但这样不仅带宽不能有效利用，且当链路发生故障时，生成树的重构又需多达十几秒的时间。与传统的SDH相比，这无法接受。为解决以上问题，IEEE成立了802.17工作组，专门致力于环结构以太网技术弹性分组环（RPR）的研究，以期在网络可靠性方面有较大提高。
　　（3）健全安全机制，主要包括二层严格隔离、三层受控访问、主机保护、网络安全等。
　　（4）丰富的业务提供能力，要求能提供高速以太网上网、多播/广播、VoIP、宽带上网卡、VPN、VPDN、带宽出租批发等业务类型。
　　（5）灵活多样的计费支持，既能支持远端RADIUS认证计费，又能支持本地话单定时备份的计费。
　　（6）良好的运营维护能力。

5、光以太网的建设
　　光以太网首先在北美得到应用。在近几年，北美出现了一批城域以太网运营商（MEC），如Yipes，Cogent，Telseon等。以Yipes为例，他目前在美国约20个大城市提供公共以太网接入业务，他的网络中大量使用千兆以太网交换机，通过光纤到大楼为用户提供Internet接入和透明局域网互连（TLS）业务，主要客户是ISP、律师事务所、基于Web的企业等商业用户和学校。
　　与北美不同，中国的以太网接入业务首先瞄准了住宅用户。北美的私人住宅非常分散，采用光纤到路边的方法，每对光纤覆盖的用户数量非常小，因此，在北美使用ADSL和Cable Modem更为经济。中国的情况完全不同，城市的居民集中居住在各类小区内，小区内的住宅数量在300到2000户之间。运营商采用光纤到小区的方法非常经济实用。据测算，以太网接入用户的成本（不计光纤和双绞线）约在30到60美元之间，大大低于ADSL和Cable Modem。
　　在国内，宽带IP城域网的建设从1999年开始。部分省市的有线电视台为向其有线电视用户提供Internet接入服务，选择以太网技术建设城市宽带网，采用以太网/HFC混合的方式，在某些小区提供以太网到用户，在另一些小区采用以太网到小区，Cable Modem到用户的方式提供服务。2000年以来，各地电信公司纷纷开始建设宽带城域网，以以太网到用户为主，ADSL为辅。
　　宽带城域网的建设基本可以分为3个阶段。第一阶段主要目标是抢占市场，运营商充分认识到市场就是公司的生命线，所以包括中国电信、联通、网通、有线电视公司等都把快速接入商业楼宇和住宅小区为第一要物。在这一阶段，大家纷纷采用现有的各种以太网交换机快速搭起网络的架构，提供的主要业务是包月制的Internet接入服务。
　　第二阶段，运营商从公共运营网络的角度重新审视自己已建成的宽带城域网，并且从各种角度进行优化，提高网络的可靠性、可管理性，并考虑采用新的技术。以太网在城域网中的应用，同样对业界和设备厂商也提出了挑战。由于目前以太网产品主要应用在企业网环境下，在设备可靠性、网络可靠性等方面存在弱点。另外，发展基于以太网的组网技术、用户管理、带宽管理、计费系统成为主要任务。所以，第二阶段的主要任务是将宽带城域网优化成为一个真正意义的公共电信网。
　　第一阶段网络建设完成之后，运营商的的关注焦点将转向业务，第三阶段的主要任务是在已有网络的基础上，如何开发出更多吸引用户的业务，带来更多的业务收入，使其在网络上的投资价值最大化。目前来看，宽带城域网的主要业务是Internet接入，我们可以在几个方面拓展业务面。

6、结束语
　　光网络正从广域网和城域网向本地网渗透，同时以太网也正从局域网向城域网和广域网延伸。光以太网是光网络和以太网的融合，集中了两者的优点，如以太网的应用普遍、价格低廉、组网灵活以及管理简单，和光网络的可靠性高和容量大等。城域光以太网大大节约了网络建设的成本，消除了存在于局域网和广域网之间的带宽瓶颈，必将成为未来融合话音、数据和视频的下一代IP城域网建设的优秀解决方案。