城域网.docx
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城域网
纵论城域网
近来,城域网建设热潮涌动电信界。
在众说纷纭中如何把握城域网的本质?
城域网在发展中面临哪些问题和挑战?
运营商部署城域网有哪些优选的方案?
城域网究竟为何物
从历史上看,城域网(MAN)最初产生于局域网互连和数据新业务发展的需要,以后随着形势的变化逐渐发展成为各类不同背景新兴运营公司的区域性多业务通信网,传统电信运营公司也开始在其相应的局间中继网范围大量建设类似的多业务区域性通信网。
近来城域网已经成为社会和业界关注的热点和竞争要点。
然而,究竟城域网的内涵是什么?
该怎样发展?
或众说纷纭,或人云亦云,十分混乱,每个不同社会背景和技术背景的人都有自己的说法和注释。
从基本特征看,城域网是一种主要面向企事业用户的、最大可覆盖城市及其郊区范围的、可提供丰富业务和支持多种通信协议的公用网,实际是一种带有某些广域网特点的本地应用型公用网络。
可以说城域网的关键特征是公用多业务网,由此带来了一系列有别于其他网络的特点。
城域网既不同于局域网,又不同于广域网。
城域网与局域网的主要区别首先是网络性质的不同,局域网是企事业专用网,而城域网是面向公用网应用和多用户环境的,因此有严格的要求;其次是传输距离的扩展,典型局域网的传输距离为数公里,而城域网范围可扩展到50~150公里;最后是业务范围的扩展,典型局域网通常主要提供数据业务,而城域网的业务范围不仅有数据,还有语音和图像,是全业务网络。
城域网与广域网或长途网的主要区别首先是容量,广域网或长途网要求很高的容量,而城域网只需中等容量即可;其次是覆盖距离的缩小,典型广域网或长途网的传输距离可达数千公里;再有是支持的客户层信号不同,广域网或长途网目前只支持SDH,将来预计也只有SDH和以太网,而城域网需要支持各种客户层信号,而且要能很快地提供客户层信号所需的带宽;最后是容许的成本不同,广域网或长途网的高容量可由成千上万的大量用户共享,因而可以容许较高的成本,而城域网不行。
特别是城域网的成本关键是节点,而非线路,而长途网恰好相反。
近几年来,随着骨干网容量和接入网容量的大幅度提升,网络的容量瓶颈已经逐渐转移到城域网,特别是电子商务,关键企事业业务(诸如外联网、主机托管、存储域网、灾难恢复等)的外包,局域网互连,POP间或POP内的互连,高速数据传送,上网浏览,点播电视,会议电视等新旧业务和应用的发展进一步促进了城域网的发展。
总的看,城域网是高度竞争和开放的网络环境,受用户和应用驱动,基本特征是业务类型多样化,业务流向流量的不确定性。
它不仅是传统广域网与局域网的桥接区或传统长途网与接入网的桥接区,也是底层传送网、接入网与上层各种业务网的融合区,还是传统电信网与数据网的交叉融合地带乃至未来的三网融合区,因而各种不同背景的技术在此碰撞交融,往往会在复杂的融合过程中产生新的衍生体。
多样化将是城域网有别于长途网的重要特点,而丰富的应用是城域网能持续发展的原动力。
突破带宽的瓶颈
目前城域网的主要问题首先是带宽瓶颈。
在其用户侧,由于低成本吉比特以太网的出现和发展,局域网的速率上了一个大台阶。
在其长途网侧,由于高密度WDM技术的发展,容量已经扩展了几个量级。
目前商用化系统的容量已达1.6Tb/s,中间的城域网/接入网成为全网的带宽瓶颈;其次是城域网存在多个重叠的网络。
一方面,目前多数运营公司通过SDH和电路交换机提供话音和专线业务,而通过SDH和分离的帧中继、ATM和IP网提供数据业务,分离的网络和网络技术往往需要分离的网管系统和人员,以及不同的配置和计费系统,导致高设备成本、高运行成本以及费时耗力的业务提供。
另一方面,用户必须通过不同的接入技术和线路获取不同的业务,不仅麻烦,而且费用高。
再有,目前城域网底层多数采用SDH作传送平台,利用这种为电话业务设计的SDH固定带宽来传送突发数据业务时不仅效率低下,而且改变带宽往往意味着改变物理接口甚至改变了业务类型,进而常常不得不重新设计和重新建设网络。
四种典型解决方案
目前,城域网解决方案主要有四大类,第一类是以SDH为基础的多业务平台;第二类是基于第二层交换和第三层选路的方案,主要指以太网解决方案;第三类是城域网用WDM方案,即以WDM为基础的多业务平台;第四类是以ATM为基础的多业务平台方案。
方案之一:
以SDH为基础的多业务平台
以SDH为基础的多业务平台的出发点是充分利用大家所熟悉和信任的SDH技术,特别是其保护恢复能力和确保的延时性能,加以改造以适应多业务应用,支持层2和/或层3的数据智能。
基本思路是将多种不同业务通过VC级联等方式映射进不同的SDH时隙,而SDH设备与层2和层3乃至层4分组设备在物理上集成为一个实体。
结果是减少了机架数、机房占地、功耗、架间互连,简化了电路指配,加快了业务提供速度,改进了网络扩展性,节省了运营维护和培训成本,还可以提供诸如虚拟专网(VPN)或视频广播等新的增值业务。
特别是集成了IP选路、以太网、帧中继或ATM后,网络可以通过统计复用和超额订购业务来提高TDM通路的带宽利用率和减少局端设备的端口数,使现有SDH基础设施最佳化。
最后,SDH多业务节点还可以方便地完成协议终结和转换功能,使运营者可以在网络边缘提供多种不同业务,而同时将这些业务的协议转换成其特有的骨干网协议。
具体实施时可以将ATM边缘交换机、IP边缘路由器、终端复用器(TM)、分插复用器(ADM)、数字交叉连接设备节点和波分复用(WDM)设备结合在一个物理实体上,统一控制和管理。
从各类具体设备支持数据承载的实施方案看,该方案可以大致分为四类。
第一类称为多层SDH交换结构,是在标准SDHTDM交换结构基础上实施统计复用。
第二类称为混合的多交换结构,内部具有分离的TDM交换结构和数据交换结构。
第三类称为单交换结构,即内部使用单个非TDM交换结构来支持混合的TDM和数据业务。
第四类是所谓轻便的SDH(SDHlite)方案,完全消去了传统的SDHTDM结构,直接在WDM上运行。
总的看,SDH多业务平台最适合作为网络边缘的融合节点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。
它不仅适合缺乏网络基础设施的新运营者,应用于局间或POP间,乃至大企事业用户驻地。
即便对于已敷设了大量SDH网的运营公司,以SDH为基础的多业务平台可以更有效地支持分组数据业务,有助于实现从电路交换网向分组网的过渡。
目前多数这类解决方案涉及多层帧的映射而导致带宽效率低下,开销处理复杂。
此外,这种方案基于同步工作,抖动要求严,设备成本较高。
再有,这种结构带宽配置时间仍较长。
最后,同时管理多个面向连接和无连接网不仅困难,而且管理成本较高。
从长远看,特别是数据业务成为网络的主导业务类型后,这种解决方案不是一种有效的方法。
方案之二:
基于以太网的方案
第二类是基于层2交换和层3选路的方案,主要指以太网解决方案。
事实上,以太网并不是一种纯粹的新技术,而是一种"老的新技术",主要用于企事业网络。
然而,近来以太网最重要的动向是向城域网乃至广域网的扩展。
从技术上看,以太网是一种很简单的解决方案,只需要最少量的规划、设计和测试工作,并且应用多年,为用户熟悉,业务指配时间可以减少到几个小时或几天。
其次,以太网是标准技术,互换互操作性好,具有广泛的软硬件支持,成本低。
再者,以太网是与媒体无关的承载技术,可以透明地与铜线对、电缆和各种光纤等不同传输媒体接口,避免了重新布线的成本。
从结构上看,以太网正以前所未有的端到端解决方案面目出现,消去了其他解决方案所必不可少的网络边界处的格式变换,减少了网络的复杂性。
此外,以太网是具有很好扩展性的解决方案,其速率可以从10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s一直扩展到10Gb/s。
从管理上看,由于同样的系统可以应用在网络的各个层面上,因此网络管理可以大大简化。
尤其值得一提的是,由于很多用户已经熟悉了以太网,因此培训工作简化,新业务可以拓展得更快。
尽管从长远看,一个端到端的以太网是不可避免的,但演进的路线却不止一条。
对于没有基础设施的新兴运营者可以租用暗光纤从头建设自己的网络,完全旁路现有的SDH和ATM基础设施。
对于已经拥有SDH和ATM基础设施的运营者来说,问题就没有那么简单,须仔细研究、分步骤逐渐演进。
然而,原来以太网用于局域网,QoS不是问题,当试图扩展应用到公用电信网时需要提供随用户而异的QoS,而目前以太网还没有机制能保证端到端性能,无法提供实时业务所需要的QoS和多用户共享节点和网络所必需的计费统计能力。
其次,以太网原来是为局域网企事业用户内部应用设计的,缺乏安全机制保证,即便有需求也是由高层协议来处理,当扩展到MAN和WAN以后,上述利用高层协议的处理方法就无法接受了,需要开发新的安全机制。
第三,以太网主要用于小型局域网络环境,网管能力很弱,且目前只有网元级的管理系统。
第四,以太网交换机的光口是以点到点方式直接相连的,省掉了传输设备,无法提供故障定位和性能监视,保护功能也难以实现。
最后,尽管以太网作为局域网应用是一项久经考验的技术,但是用于公用电信网特别是广域网环境仍然是一项未经测试的新技术,其设备是否能提供大型电信级公用网所必需的硬件和软件可靠性也需要实践和时间的验证。
总的看,只有妥善地解决了上述主要问题后,传统以太网才能顺利地应用于大型公用电信网环境。
方案之三:
城域网WDM方案
第三类是城域网用WDM解决方案,随着技术的进展和业务的发展,WDM技术正从长途传输领域向城域网领域扩展,当然,这种扩展不是直截了当的,需要针对城域网的特定环境进行改造,其主要特点和要求可以归结如下几个方面。
首先,采用WDM后,容量有了大幅度的增加,至少几十倍,且可以提供某种形式的WDM环保护。
其次,应用WDM后容许网络运营者提供透明的以波长为基础的业务。
这样用户可以灵活地传送任何协议和格式的信号而不受限于SDH格式。
特别是对于应用在城域网边缘的系统,直接与用户接口,需要能灵活快速地支持各种速率和信号格式的业务,因而要求其光接口可以自动接收和适应从10Mb/s到2.5Gb/s范围的所有信号。
而对于应用在城域网核心的系统,则将来有可能还会要求支持10Gb/s的SDH信号和10Gb/s的以太网信号。
最后,城域网WDM系统还应具备波长可扩展性,新的波长应能随时加上而不会影响原有工作波长。
这样,系统可以通过简单地增加波长而迅速提供新的业务,极大地增强了运营者的市场竞争能力。
城域网WDM系统的主要不足之处在于不能有效灵活地将低速率信号汇聚进较昂贵的波长通路;此外,不能动态地配置波长,实现光层灵活连接;最后,目前其成本仍然较高。
总的看,城域网WDM的演进可以分为下述几个步骤:
初始在城域网敷设WDM的主要目的是解决城域网枢纽点光纤耗尽的问题。
第二步是逐步敷设OADM形成光自愈环,将大量现有的SDH自愈环汇聚到光自愈环。
第三步是引入OXC互连大量的光自愈环形成光网状网结构,从而带来网状网结构的大量好处,还能提供端到端波长业务。
当然在合适的阶段需要在OXC的基础上引入自动交换光网络(ASON)进一步实现动态分配部署波长通路以适应IP业务量的需要。
方案之四:
以ATM为基础的多业务平台
ATM是一种出色的多业务平台技术,而且由于其固有的设计已经充分考虑了业务的QoS问题,因此可以为IP或其他任意客户层信号提供面向连接的、带宽可控、安全性好、延时小的高质量业务。
特别是目前在城域网中应用的ATMVP环技术利用在SDH骨干网上为ATM业务量生成虚通道VP的方式可以使SDH网更有效地承载数据流。
对于未来网络最重要的IP客户层信号而言,将IP与ATM结合可以综合利用ATM的速度快、颗粒细、多业务支持能力强的优点以及IP的简单、灵活、易扩充和统一性的特点,达到优势互补的目的。
由于ATM具有固定的信元长度,又工作在链路层,因而是速度最快的分组交换技术。
这种技术具有较强的流量工程能力,可以为不同类型的业务流建立不同的通道,根据业务流负荷和阻塞情况疏导不同链路,确保实时业务的QoS。
然而其主要缺点是网络体系结构复杂重复;传输效率较低。
在网络扩展性方面,ATM的分段和组装(SAR)功能将随着接口速率增加而变得十分复杂困难,速率难以提高。
此外,ATM的连接建立信令较复杂,选路灵活性不高;硬件投资高,运行维护管理复杂,特别是作大型路由配置时耗时耗力;对于较短的数据包,链路建立时间远长于网络数据传输延时,其间无法传数据,在高速条件下成为重要的带宽损失。
简言之,以ATM为基础的多业务平台最适用于多业务电信环境以及服务质量要求较高的IP业务,主要应用于网络边缘多业务的汇集和一般IP骨干网。
由于其扩展性受限,高业务量下的性能表现不理想,ATMVP环也不支持网状网结构,因而以ATM为基础的多业务平台不太适合超大型IP骨干网应用。
一般说,对于那些已经敷设了核心ATM网而计划扩展到网络边缘的大型电信运营公司,ATMVP环不失为一种可选的解决方案。
但是对于预计近期IP业务量会持续大幅度攀升,网络规模需要大幅度扩展的情况,则以ATM为基础的多业务平台不是一种长远解决方案。
总之,面对复杂动态的城域网应用环境,上述四种方案都将在特定应用场合或时间获得应用,共同构成完整的城域网解决方案。
对于多数运营公司而言,近期选择以SDH为基础的多业务平台方案为主,以ATM为基础的多业务平台方案为辅是稳妥的可持续发展的策略;而中长期则可过渡到以第二和第三方案结合的形式为主,即边缘以基于层2交换和层3选路的方案为主,而核心以城域网WDM方案为主并在适当时机引入ASON进一步实现动态分配部署波长通路以适应IP业务量的需要。
最后需要指出,城域网的技术选择以及发展的速度和规模最终取决于应用,而不是人为炒作和盲目跟进。
跟踪国际发展趋势,立足国情,把握网络发展的衔接性和可持续发展性,积极开展现场试验,认真解决技术问题,制订周全的发展规划,开发大量新的应用是城域网得以持续发展的真正动力。
宽带IP城域网解决方案
一、网络平台设计
1、层次化的网络模型
根据层次化的网络模型,我们将宽带IP承载网划分为以下几个层次:
网管层、骨干层、汇聚层、边缘层和接入层,如图1所示:
图1
其中,网关层包含IP多媒体城域网对上、对外、对内的关口。
网关层对上承担城域IP多媒体网连至省区、国家骨干网的网关业务,对外承担跨省际城域网互联和其他各种ISP、ICP等互联业务,对内承担IP多媒体城域网内各网的业务互联。
骨干层主要作用是对上连至网关层,对下将各种宽带多媒体通信业务分配到各个业务汇聚节点,从技术的角度讲其作用就是为各业务节点之间提供一个高带宽的IP通道。
汇聚层的主要作用是对上连至骨干层,对下将各种宽带多媒体通信业务分配到各个边缘层的业务节点,从技术的角度讲其作用就是为各业务节点之间提供一个高带宽的IP通道。
边缘层的主要作用是对上连至汇聚层,对下进行带宽和业务分配,将各种宽带多媒体通信业务分配到各个接入层的业务节点。
接入层对上连至汇聚层或边缘层,对下实现用户的接入。
接入层可以设在大楼、集团用户、或用户家。
城域网解决方案一
在这种方案中,以大容量的吉位(太位)交换路由器为核心,以高性能三层交换机为主体,设备之间主要采用PacketOverSDH或者千兆以太(捆绑的千兆以太、DWDM)的方式,接入层采用以太、快速以太的方式,构建整个城域的宽带网络。
在这种方案中,网关层、骨干层和汇聚层可以采用如图2所示的拓扑:
图2
汇聚层、边缘层、接入层可以采用如图3所示的拓扑:
城域网解决方案二
在这种方案中,以大容量的吉位(太位)交换路由器为核心,以吉比特交换路由器和高性能路由器主体,设备之间主要采用PacketOverSDH或者DynamicPacketTransport的方式,接入层采用以太、快速以太的方式,构建整个城域的宽带网络。
在这种方案中,网关层、骨干层和汇聚层可以采用如图4所示的拓扑:
图4
汇聚层、边缘层、接入层可以采用如图5所示的拓扑:
图5
更详细的接入层的示意图如图6所示:
城域网建设所涉及的部分关键技术
1)路由问题
网络中第三层设备的最主要作用有两个:
计算路由表与转发数据包;路由表中的表项指明了本设备所能达到的网络,可以说为了实现网络上的数据互通,路由问题是最为重要的问题。
在考虑网络中路由的时候,既要考虑到路由的可达性、自适应性,还要充分考虑到安全性、避免网络中出现回路等因素。
2)组播问题
数据网络对组播的支持是衡量此网络开展多媒体业务能力的重要标志。
组播的分组被唯一的组播地址所标识,组号是由发送分组的主机(而不是网络)来选择;任何主机都可以在某个组播组中发送组播信息(不管其是否是组播组中的成员),但是只有组播组中的成员才可以接收组播信息。
组播组中的成员关系是动态的,主机可以在任何时候加入或者离开,一个主机可以同时是几个组的成员。
在我们所构建的网络中,组播主机与网关之间的对话通过IGMP/CGMP来控制,而网关到网关之间关于组播路由消息的传递则通过PIM(ProtocolIndependentMulticast)来实现。
3)最终用户接入问题
如果单纯地按照以往的局域网方式把用户接入,将会导致明显的不安全性(因存在多个用户共处一个广播域的情况),这时需要一种新的末端用户接入办法。
4)网络管理
传统的数据网络的管理是一种基于带内(InBand)的管理,在这种情况下,管理数据流和普通数据流共享传输信道,在加上IP协议本身的开放性的因素,将严重影响网络的安全;但是把管理方式全部改为带外又没有很成熟的方法。
联创公司所推荐的是一种带内和带外相结合的管理方式。
5)网络安全性
建立这样的一个大网,安全性是非常重要的,我们前面所提到的网络管理、用户接入、路由等问题无不涉及到网络的安全性,联创公司在网络中采用了多种的安全性技术实现了全网多级安全性(Multi-levelSecurity)。
6)虚拟专用网
虚拟专用网(VPN)是网络业务供应商提供给用户的网络资源,从使用、观察、管理等角度看来,VPN就好像是用户的一个私用网一样。
VPN域为域内的用户提供类似于闭合用户群的业务。
VPN业务是我们的宽带IP承载网所应该能够提供的基本业务之一。
对于IP网络来说,我们希望所能为用户提供的VPN可以独立地进行管理、计费、地址规划等工作,其效率、安全性、可操作性以及合理的收费等都应该能够得到比较圆满的解决。
二、网络平台的认证、计费与应用
随着宽带IP城域网的建设,服务提供商面临着无以计数的业务增长机会及提高利润的时机。
用户也要求提供各种全新的服务,如宽带接入、VPN服务、VOIP、WEB托管等,为了实现新网络业务的潜在价值,从新的服务项目中获取经济利益和竞争优势,必须对增强的服务进行计量、分析和灵活的计费。
要进行灵活、合理的计费,对网上各种数据进行收集显得尤为重要,与传统的PSTN网络中的呼叫记录收集相比,IP网络中的Internet数据记录收集更加复杂。
首先,IP包本质特点需要大量的使用记录,这会使基础结构过载。
其次,IP业务的分布式特点要求从多资源收集使用数据并对数据进行处理。
对于大量的通过Radius方式接入的用户(例如通过ADSL方式接入的用户),可以通过Radius方式实现对用户的认证和计费。
在IP城域网计费中,对于通过专线固定IP地址接入的用户,由于路由器和某些三层交换机支持Netflow功能(如CISCO7206、Catalyst6509等),对经过的flow的信息进行统计,按照一定的格式输出包含用于计费、流量分析的UDP包,我公司计费软件收集这些与计费相关的数据,然后对数据分拣、汇总,帐务处理/催缴欠费等一系列处理。
对于不支持三层交换和Netflow功能的网络,比如一些使用非CISCO设备或者不支持Netflow功能的设备,这些企业在希望从服务提供商那里看到总体使用和计费信息的同时,也希望对每个雇员或部门的使用再分别计费。
可以采用SNMP方法,从Cisco路由器或交换机的MIB中获取与计费相关的数据。
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