传送网又一轮的竞争重点: 城域传送网

         张成良 信息产业部电信传输研究所 
    运营商的竞争重点正在从骨干网转向城域网，建立高效经济的支持多业务的城域网已经成为各运营公司的共同目标，城域网在整个电信网的作用也越来越重要。目前在北美市场上已经出现长途带宽过剩,许多长途公司一夜之间破产。其中的一个重要原因在于用户无法享受带宽所能提供的各项业务,在城域网部分出现了瓶颈。某些运营公司拥有一定规模的长途网络，却无法有效地接入用户。
    城域网业务主体正在发生深刻变化，业务类型从单纯的TDM 业务为主、2Mb/s为颗粒向数据业务为主、宽带接口过度。业务类型的变化必然带来物理层基础网络的变化。运营商面临着对城域传送网络重新规划设计和建设的任务。如何进行有效的规划，保证从过去单纯满足话音传输为主、相对静态的网络过渡到支持多业务、动态可扩展性强的网络是各个运营商都关心的问题。
    与骨干网相比，城域网具有业务种类多、业务调度转接多、业务流量变化大的特点。其应用的技术也呈多样化，每种技术都有其应用空间，本文将从城域传送网的特点、分层结构、技术等多方面讨论城域传送网的发展，并对运营商的城域网组网策略进行讨论。
1、为什么要构造城域传送网
    城域网本来是一个计算机网概念，至少目前从事数据的人们谈论的城域网依然是城域数据网。从事数据和从事传输的人们谈论城域网的并不是一个网络，一个从数据组网考虑-例如路由器、三层交换机的配置，一个从传输节点的考虑，综合各种业务的接入和承载。为了区别于从事数据人们谈论的城域网，我们称之为“城域传送网”。城域传送网是本地传送网覆盖中心城市的部分，也是本地传送网在城市区域的具体表现,负责为同一城市内的交换机、基站、路由器等业务节点提供传输电路。城域网面向的不仅是普通用户，更要考虑大客户和企业用户等。城域传送网具有业务需求密集，业务量大等特点。由于主要以光纤作为传输介质，因此又称为“光城域网”。
    为什么要重新构造城域传送网呢？一个重要的原因在于传送网所面对的业务主体发生了变化。过去运营商建设城域网时，只需要考虑电话TDM 业务，甚至可以称之为电话本地传输网（大部分）。从接口类型、网络拓扑、节点配置考虑最多的是交换局容量、位置、电话的流量等因素。而目前随着各种宽带业务的出现，城域传送网所面对的客户信号发生了变化，其中IP网络的应用是10年前所无法预料的，出现了LAN 的互联、计算机海量存储系统的备份等许多新业务。许多客户要求提供利用2层构造VLAN（虚拟局域网）或VPN网络，以实现企业各节点的资源共享。其中的业务接口种类也越来越多，从FE、GE到ESCON ，而这些接口是目前传送网很难提供的。
    对于电信市场放开不久的中国运营者来说，并不是所有运营商都拥有城域传送网络。一些运营公司拥有庞大的城域网，多数运营公司只有部分支离破碎的电路，没有真正形成网络。即使中国电信这样的运营商。其城域网设计初始对象主要是基于TDM 电路交换的窄带业务，对数据和宽带业务考虑的不够，有时必须对设备进行升级才能有效支持。对于数据例如ATM、IP 采用的是分别组网的手段，并没有形成统一的传送平台，传送效率低、网络层次复杂。另外可扩展性也是一个问题，一旦引入新的宽带业务或业务需求矩阵发生变化时，则需要对网络进行十分重大的修改，十分不灵活。
    新运营商面临着重新构造网络和建设的任务，在该网络的建设中，比较容易找到一个统一的解决方案。而老运营商在建设城域网的过程中，则面临着对已有城域网如何进行升级改造的任务，为了更有效地支持宽带业务和数据业务。是重新建立另一个层面的传输网，以重叠网的策略演进，还是对现在城域网进行改造。因此，无论新旧运营商都面临着对城域网重新规划和建设的任务。
[b2、城域传送网特点[/b]
    城域传送网在许多方面有别于长途传送网络，两者的区别有些类似于长途交通和城市交通，长途要求的是高速安全地传送、而城域网则是有效的接入、疏导和会聚各种业务，其主要特点如下：
    （1）业务类型多，需要各种类型接口，如ＡＴＭ、IP 、ESCON 等未来有可能出现的宽带业务接口。而长途主要是SDH （路由器POS） 接口。 
    （2）业务流量有一定的不确定性，受用户和应用驱动大，灵活性十分重要。电路调度多，变动次数多，需要有比较强的调度和电路配置能力。情况有些类似于今天大城市的城市交通，需要大量的立交桥(交叉机)。
    （3）可扩展性是必需的，以适合于网络的新业务类型和升级扩容。由于长途网络基本上是点到点的传输，并且在建设伊始就考虑了较大的扩容能力，WDM系统可以通过增加或减少波长来完成，相对比较简单，容易容纳新的业务。而城域网内业务变化大，很容易增加一个或多个节点，而节点的增加要求对物理链路和容量都有比较大的变化，因此要求网络有较强的可扩展性，以适应网络变化。
    （4）技术多样性，没有一个主流的技术，每种技术都有其应用空间。不像长途那样有确定的选择。
    （5）组网更多的与业务节点的配置相关，特别是汇接局、路由器的节点位置，与业务层的关系更密切，设备节点距离相对较近，设备数目众多，需要强大的网管系统，而长途主要考虑城市位置和业务量因素。
   （6）城域网的多样性。每个运营商、每个城市都有自己的特点，就像每个城市有自己的特点，多样化是城域网重要特点。城域网更多地考虑商业用户和大用户，方便地提供VPN 业务和宽带接入。
3、城域传送网分层结构
    为了方便讨论和理解，按照分层分割的原理。在横向上对城域传送网进行了分割。城域传送网可分为三层结构：核心层、汇聚层、接入层。核心层以大颗粒业务的调度和多业务处理为核心；汇聚层以多业务颗粒汇聚、传送、调度和处理为核心；接入层以细颗粒传送、调度和多业务处理为核心。
  
                            图1 城域传送网分层结构
    值得强调的是城域网的层次分为3层并不是固定的，它所包含的是一个全集，实际应用中可能只是它的子集，这与城市规模、业务类型等一系列因素都有关系。在中小城市，则可以简化为2层。只有核心层、会聚层（会聚层与接入层综合在一起），而在另外一些城市，可能会聚层与核心层集成在一起，只有核心层（会聚层）与接入层。运营商根据自己的网络规模、业务分布来决定网络的层次。
    另外随着城域网网络规模的扩大，其接入层面与接入网有了越来越多的重叠，接入网有被边缘化的趋势。特别是在竞争区域，后来的运营者对于商业大厦、写字楼等大用户，将光纤延伸至大楼，直接与企业的LAN 相连，从而使城域网接入部分等同于成为接入网。
4、 城域传送网技术
   目前在城域传送网应用的主要有三种技术：基于SDH多业务传送节点（或多业务传送平台MSTP-Multi-Service Transport Platform）、基于分组多业务传送平台、基于WDM 多业务传送平台，每种产品都有自己的代表厂商。下面我们予以逐一介绍。
4.1  基于SDH 多业务传送平台 MSTP
    基于SDH 多业务传送节点是目前应用最多的产品。为了适应城域网多业务的需求，SDH从单纯支持2Mb/s 、155Mb/s 等话音业务接口向包括以太网和ATM等多业务接口演进，将多种不同业务通过VC或VC 级联方式映射入SDH 时隙进行处理。SDH 多业务节点将传送节点与各种业务节点融合在一起，各厂商只是融合程度不同。

               图2  基于SDH的多业务传送节点基本功能模型
    基于SDH 多业务传送节点的出发点是将2层或3层的功能作为SDH 附加功能来支持完成的，如上图所示。其对 2层或ATM 层处理都是与 SDH 处理相分离的，但都可以映射到SDH 的VC 时隙进行重组或交叉到群路接口。从功能上看，MSTP 除了具有SDH 功能外，还具有 2层MAC层功能和ATM 功能。
    以太网是非常重要的一个业务，在局域网和城域网应用十分多。 MSTP二层交换功能是指在一个或多个用户侧以太网物理接口与一个或多个独立的系统侧的VC通道之间，可以实现基于以太网链路层的数据包交换。MSTP 对2层的处理多数通过分离的模块处理来实现的，进来的业务以太网业务(如FE/GE)和TDM 业务（2Mb/s）被分别送至两个不同处理模块来处理，两个模块通过VC-N 的总线相连接。MSTP 对以太网透明传输减少了POS端口应用，路由器/以太网交换直接采用GE/FE 接口进行传输，节约了设备的成本。而对 2层交换功能的支持则实现了以太网环上共享带宽，环上所有节点的以太网处理板卡通过SDH通道组成环形，共享以太网环带宽，带宽利用率大大提高。另外仅需要在每个以太网处理板卡上进行左右两个方向的以太网到SDH映射，而不需要基于每个以太网业务端口进行映射，大大降低了网络造价。在一个区域内支持VLAN 的应用，更有利于客户应用。
    MSTP的缺点是每个MSTP设备的以太网处理板卡需要对每个业务进行MAC地址查询，随着环路上的节点增加，查询MAC地址表速度下降，处理性能明显下降。另外在以太网环上，则表现在每个MSTP节点上的以太网板卡分配带宽的不公平性，无法保证环路各个节点带宽的公平接入，即使采用端口速率限制机制，也不能成为全局性公平机制，不能适应数据业务的突发性。
    针对这一问题，许多公司采用了新的方案。将弹性分组环（RPR）技术与SDH 技术相结合，将RPR 卡板集成到SDH 设备中，RPR采用GFP协议映射到SDH 的VC通道中。将SDH 对TDM 业务和RPR对分组业务有效支持的优势结合起来。对于一个SDH 环网系统，一些VC 通道承载TDM 业务，另外一些通道则承载RPR 数据业务，承载RPR 数据的时隙可以不参加MS-Sping 的保护，其对应的保护时隙依然可以传输数据业务，提高了带宽利用率。当光纤切断时，承载TDM 业务的VC通道进行复用段环倒换，而承载数据业务的实际则进行2层的RPR 保护。网络初期可以一个或两个VC-4通道用于RPR 传输，随着数据业务增加可以进行调整，这种变化通过SDH 的网管系统指配完成。
    基于SDH 多业务传送节点是SDH 技术在新技术条件下的重要发展，客观上延长了SDH 的生命，有些人甚至称之为“新一代SDH ”。 MSTP比较适合于已经敷设大量SDH 网的运营公司，可以方便有效地支持分组数据业务，实现从电路交换网到分组网的过度，适合支持混合型业务量特别是以TDM业务量为主的混合型业务量，同时可以保证网络管理的统一性。
4.2 基于分组的多业务传送平台
    基于分组的多业务传送节点主要包括两种方式：基于以太网技术和基于弹性分组环（RPR）技术。以太网在城域网中的应用正在由EFM（Ethernet First Mile）组织进行研究和标准化。由于以太网开始是一种LAN技术，因此需要对其进行改进才能适合于城域网的应用。这些改进主要包括保护恢复时间，服务质量等。传统的以太网恢复时间需要30秒左右，无法满足语音业务的需求。EFM提出的方案是改进STP协议，即快速STP协议（FSTP），可以是保护恢复时间缩短为2秒。
    另外一种基于分组的MSTP是正在由IEEE 802.17工作组制定的RPR技术。RPR技术吸收了千兆以太网的经济性、SDH系统50ms环保护特性。RPR采用类似以太网的帧格式，结合MPLS标记，基于MAC高速交换，简化IP前传。RPR帧封装比POS更简化、更灵活。RPR同时具有空间复用机制。RPR技术可以支持更细致的带宽颗粒，网络成本较低，可以承载具有突发性的IP业务，同时支持传统语音传送，有比较好的带宽公平机制和拥塞控制机制。RPR环是在整个环上实行公平机制而不是在单独链路上，容易实行全局的公平机制。服务供应商可以利用源节点发送数据包的速率来控制上游节点和下游节点的速率。带宽策略允许在无拥塞的情况下把环上任意两个节点之间所有的带宽分配给这两个节点，没有SDH那种固定电路系统的不灵活性，同时又比点到点的以太网更加有效。
    目前RPR 的标准化尚未完全完成，主要的厂家分为两类，一种支持TDM 话音业务，另一种则只支持数据业务。 RPR 的重要不足在于对TDM 业务的支持，虽然目前有厂商声称可以很好地支持TDM 业务，但是实际的效果仍不尽人意。其中的一个重要问题是对时钟的透明传输，RPR同步机制与SDH不同，必须确保TDM 时钟可以透明传输到对端。另外一个挑战来自网络管理系统，基于SNMP 的网络管理系统无法像SDH 网管系统对一个复杂、庞大的网络进行有效的管理，并且缺少SDH 的端到端性能监视和配置等手段。第3个挑战来自RPR定义的是一个环网结构下的技术，无法工作在复杂的网络环境下（甚至是环间互联）。而实际的城域网络环境则是十分复杂。
    RPR 技术适合于以数据业务为主、TDM 业务为附的网络。随着数据业务日益成为业务的主体，其应用范围将逐渐扩大，适合于新建网络。
4.3  基于WDM的城域网
    WDM技术不仅提高光纤利用率，而且在业务信号复杂多变的城域网中，对信号具有透明性，它可以直接对从不同设备出来的信号不进行速率和帧结构调整，直接进行透明传输。这可给用户，特别是租用波长的用户以最大的灵活性。同时，不同波长间的信号互不牵涉，每个波长都可以进行自己的灵活上下。城域传输网采用WDM技术主要用于城域骨干层.
    针对带宽需求不是特别大，要求设备简单灵活的情况，现在又出现了一种波长数量较少(一般在4－12波)，波长间隔较大的CWDM(粗波分复用)。CWDM在波长复用间隔（放宽到 10nm左右）方面区别于DWDM(ITU-T标准为0.8nm)。CWDM可以使用从1200—1600nm甚至更宽的窗口，这样，大大降低了光器件成本。它的最大特点就是多功能集成可用一套设备，组网简单、灵活和便宜。但是由于要采用光纤全波段，有可能对光纤的损耗谱线提出附加要求，要求全波段的复用/解复用器件。另外DWDM 系统价格下降很快，CWDM 的前景似乎并不看好。
    城域OADM环网可承载大量客户的多种协议和多种速率的业务，每个波长承载一种业务的方式将很快耗尽波长，为提高每个波长的带宽利用率，应尽量避免低速率业务单独占用一个光波长通道。一种新兴的经济有效方法是将多个低速率客户信号复用到一个波长信道中，该技术被称为子速率（或子波长）复用，从而实现了“每个波长多种业务”。这种“子速率复用器”降低了城域WDM 系统的应用门槛，可以直接容纳低速率的信号，给组网带来了灵活性。
    WDM 环网解决了两个重要问题：光纤短缺和多业务的透明传输。成本是限制其应用的重要因素。目前它主要用来保护那些SDH 还无法保护的业务，如ESCON、FIBER CHANNEL 等。
4.4 小结
    MSTP比较适合已经敷设大量SDH 网的运营公司，可以方便有效地支持分组数据业务，实现从电路交换网到分组网的过度。而SDH 与RPR 的结合更是增强了它对数据业务的支持。在MSTP上实现RPR对以太网业务支持是一种很好的解决方案，将两者的优势结合起来。对于中国电信这种传统运营商，基于SDH 多业务传送节点应是其应用重点。
    RPR 技术适合于以数据为主、TDM 业务为附的网络环境，可以作为中小城市组网的手段，特别适合于新运营商在竞争区域开展业务。但是它仅支持环网结构和相对简单的网管系统限制了它在更大范围的应用。
    城域WDM 技术的最大的挑战来自成本，随着电信市场竞争的加剧和业务类型的增加，在城域内光纤短缺将越来越普遍，而WDM 应用的概率也大大提高，但维护的复杂性、成本依然是它规模使用的限制因素。
5、城域网建设几点考虑
    城域传送网的节点设置、网络布局应充分考虑IP网、话音、基站、ATM等业务的分布，进行合理的规划和设计。以满足传送网对各种业务网络的综合承载。由于IP 业务将成为业务的主体，因此城域传送网与路由器配置配合是一个很重要问题。
    目前运营商在大中城市城域业务骨干层面：路由器多采用POS互联方式(2.5G SDH接口或者WDM接口)组建，因此城域传送网核心层依然可以采用常规SDH 10Gb/s或城域WDM 系统组网，同时考虑10GE/GE接口在城域网范围内的互联。如果节点间光纤比较富裕，优选SDH方式；如光纤资源十分紧张或业务量巨大，可采用WDM技术；超大城市核心层面某些节点的需求高达几十个2.5Gb/s，，可以在骨干传输节点建立全网状光纤连接或虚拟波长连接，也可以考虑引入电方式的光交叉机，联通各主干环网之间的“网状网”，采用分布式恢复算法进行保护。也就是在各会聚层面均为环网的高一级层面建立网状网恢复。
    汇聚层网络结构多采用环形结构。多业务传送节点MSTP 有着较多的应用。采用MSTP技术，可以实现在传输设备上直接提供以太网或ATM接口，降低传输成本，适合作为网络边缘的融合节点，如果业务以数据业务为主的话，也可以采用RPR 技术组织网络。
    接入层多采用环网结构，可以根据业务类型选择SDH 或RPR技术。
    另外为了提高电路调度和配置能力，必须提高单节点设备的带宽管理能力和调度能力，在有业务需求的情况下，优先选用高速率的SDH 传输系统，高速率系统有更好的灵活性、集成性和电路组织能力。 10Gbit/s MSTP 应该在城域网中占有重要地位。40Gbit/s TDM系统也主要会在城域网中应用，尤其是在网络结构复杂的大中城市中。
总结
     城域传送网目前进入一个快速发展的时期，由于一些新兴公司的加盟，更是让人眼花缭乱，但是一个面向宽带业务、扩展性强、调度能力强、网管统一的网络是城域网建设共同的目标。SDH 在一个较长的时期依然是城域网组网的主导技术，RPR 与SDH 技术相结合将SDH 对TDM 业务和RPR对分组业务的有效支持结合起来，实现了“强强联合”。RPR适合于数据业务为主的网络环境。WDM技术作为节省光纤资源、支持特殊宽带业务的保护有其特定的市场。
    城域网最大的特点是多样性，每种技术都有其应用空间，我们不能简单地以一种方式来决定各个地区城域网的发展，应根据城市规模、业务类型、用户分布等选取合理的技术，并充分考虑与业务层的配置的关系，考虑两个层面的协调。同时发挥网管系统的强大能力，真正实现城域网内灵活的电路调度和端到端管理。