宽带城域以太网新技术

• 以太网因简单、成熟、易用而在宽带城域网建设中倍受关注
  

• 宽带城域以太网的关键新技术主要包括：接入认证技术、10G以太网技术、可靠传送技术和光以太网技术
  

• 发展宽带城域以太网不能一概而论，需区别对待

　　城域网(MAN)概念出现在20世纪90年代，是指介于广域网和局域网之间，在城市及郊区范围内实现信息传输与交换的一种网络。随着Internet飞速发展，IP数据业务已成为各运营商的下一个重要利润增长点，宽带城域网也成为当前电信网络建设的一个重点。

　　宽带城域网建设中，以太网是承载IP业务最好的一种技术。以太网在路由器接口无需任何映射、分段组装、比特塞入以及扰码操作，与网端主机的帧格式相同，可实现从局域网、接入网到城域网，甚至广域网的“无缝”连接。随着千兆以太网、万兆以太网、波分复用技术和光传输技术的出现和成熟，光以太网概念已提出，简单易用的以太网越来越多地出现在宽带城域网的组网方案中。　　

　　1 宽带城域以太网中的新技术

　　宽带城域网是为满足网络接入层的带宽大幅增长需求而建立，是电信骨干网特别是数据骨干网的延伸覆盖，主要针对家庭、企业及集团客户提供宽带数据及交互式多媒体业务，同时承载传统话音及窄带数据业务，具有覆盖面广、应用广泛、接入技术多样、接入方式灵活的特点。

　　宽带城域网一般按照核心层、汇聚层、接入层的分层结构组网，涉及交换技术、传送技术和接入技术几个方面。宽带城域网以IP交换为主的发展趋势已不容置疑，但在传送和接入方面目前多种技术共存。其中，以太网简单、经济、实用、易掌握，因此受到一些电信运营商尤其是新兴电信运营商的推崇。业界把采用了以太网技术的宽带城域网通称为宽带城域以太网。宽带城域以太网沿袭了以太网的优点，但也存在以太网本身在用户管理、网络可靠性和服务质量(QoS)等方面的问题，为此相应出现了一些新技术以克服这些问题。

　　1.1 以太网接入认证技术

　　以太网接入是指接入网用户侧采用以太网协议的接入技术，其简单高效，能兼容所有带标准以太网接口的终端，用户不需要另配新的接口卡或协议软件，因而是一种十分廉价的宽带接入技术。不过，因传统以太网主要针对小型的专用网络环境而设计，强调资源共享，所以在用户信息的隔离、用户传输质量的保证、业务管理和网络可靠性方面考虑不太全面，这对以太网用于公用电信网很不利。目前一些设备制造商和运营商已注意到这些问题，提出了一些有效的解决方案：如通过VLAN(虚拟局域网)进行用户隔离，用IGMP Snooping(互联网组管理协议窃听)技术以及优先级控制、Tagged VLAN(带标记的虚拟局域网)等功能支持有实时与组播要求的视频点播业务等；在用户管理方面采用两种以太网接入认证技术——基于BAS(宽带接入服务器)和PPPoE(基于以太网的点到点协议)认证方法，以及基于以太网端口的用户访问控制技术(如IEEE 802.1x协议)。

　　基于BAS和PPPoE的认证方法是较早出现也是最常见的一种用户管理手段(如图1所示)。这一方案采用安装在端局POP节点的宽带接入网关BRAS(完成宽带接入远程服务)，负责终结由用户PC机发起的PPPoE进程，并在BRAS后面连接运营商的RADIUS(远程认证拨入用户服务)认证服务器和RADIUS计费服务器。当用户登录时，BRAS将用户名和口令传送到认证服务器，验证通过后，BRAS将允许用户接入网络，并启动计费服务器对用户进行计费。BRAS投资昂贵，采用BRAS PPPoE这一认证方法将增加城域网建设的投资，因此目前采用该方式的网络较少。

图1 基于PPPoE的用户管理模式

　　在传统以太网设备基础上，基于端口的网络访问控制技术采用IEEE 802.1x协议，提供了对基于以太网的点到点连接的端口用户进行认证和授权的能力，从而使以太网设备达到电信运营要求（如图2所示）。用户侧的以太网交换机上放置一个扩展认证协议(EAP)代理，用户PC机运行EAPoE(EAP over Ethernet)的客户端软件与交换机通信。当用户通过EAPoE登录交换机时，交换机将用户名和口令传送到后台的RADIUS认证服务器上，如果用户名／口令通过验证，则相应以太网端口打开，允许用户访问；如果认证失败，端口接入将被阻止。

图2 IEEE 802.1x协议的实现方案

　　基于端口的访问控制技术(IEEE 802.1x协议)是为运营商提供的一种较为经济实用的认证方式，可实现用户设备在城域网边缘的分散用户集中认证管理，替代宽带接入服务器实现城域网范围内的用户管理功能。

　　1.2 10G以太网技术

　　10G以太网(10GE)[1]是传统以太网技术的升级，不仅在原有千兆以太网基础上将传输速率提高10倍，同时通过采用新技术大大增加了传输距离，加强了链路管理功能，将以太网扩展到广域网的范围。10G以太网标准草案IEEE 802.3ae于2000年9月形成，正式标准尚未出台，但已有10G以太网联盟(1999年成立)成员单位相继推出10G以太网相关产品，如三层交换机、光模块以及10GE LAN/WAN测试仪等，并提出了直接采用10GE组成二层城域以太网(Foundry公司提出[2] )和10GE/DWDM城域网(Riverstone公司提出[3])的组网方案。

　　10GE的技术特点主要表现在物理层、帧格式和MAC层速率适配方面。10GE有两种物理层规范：局域网采用以太网帧格式，传输速率为10.3125 Gbit／s；广域网采用OC-192c帧格式，传输速率为9.953 Gbit／s。这两种物理层规范共用一个MAC(介质访问控制)层，仅支持全双工策略，采用光纤作为物理介质。另外，10G WAN物理层并不是简单地将MAC帧用OC-192c承载，而是在SDH帧结构的基础上作了大量的简化，仅采用了帧定位字节A1和A2、段层误码监视字节B1、踪迹字节J0、同步状态字节S1、保护倒换字节K1和K2，以及备用字节Z0，对没有定义或没有使用的字节填充00000000，减少了许多不必要的开销，简化了SDH帧结构。与千兆以太网相比，10GE增强了物理层的网络管理和维护，在物理线路上实现保护倒换；同时，又避免了繁琐的同步复用。

　　以太网技术在城域网中的应用，直接促进了10G以太网的研究和标准化进程；10G以太网如果能够走向成熟，不仅会继续影响局域网的发展，更可推进以太网技术在广域网中的应用。当前，以太网真正走向广域网可能面临更多复杂的问题，但是以太网固有的种种优势，尤其是简单易用和良好的用户应用基础，可以促进各设备厂商、运营商和标准化机构努力解决这些问题。

　　1.3 可靠传送技术

　　网络的可靠性包含以下几个方面：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。以太网用于消除环路的生成树在链路发生故障时，其重构需要多达十几秒的时间，与传统的SDH相比，这是无法接受的。为提高宽带城域以太网的可靠性，就需要可靠传送技术的支持，MPLS(多协议标签交换)和RPR(弹性分组环)技术尤有优势。

　　MPLS[4]设计初衷是在大规模IP网内，通过ATM(异步转移模式)和FR(帧中继)等多种媒介实现保证QoS的快速交换。但MPLS在流量工程、QoS、VPN(虚拟专用网)等方面具有优势，成为城域以太网提高网络可靠性的重要手段。利用MPLS流量工程在源和目的地路由器之间同时设置两个隧道，在出现路径故障时，根据存储的标记快速提供另一条路径，可使IP网络的自愈恢复速度降到50 ms以内。这种方式需要增加1倍的隧道管理开销，但无需为备用的隧道预留带宽资源，比SDH的50％带宽资源开销更加经济实用。MPLS的流量工程可实现路径选择、负载均衡、路径备份、故障恢复、路径优先级等。另外，MPLS可通过使用约束路由机制，利用显式路由技术支持QoS，能支持RSVP(资源预留协议)和DiffServ(区分服务)两种QoS机制。基于MPLS的QoS能控制网络带宽、延迟、抖动和包丢失，以满足多种不同业务对服务质量的要求。

　　目前MPLS极受推崇，但MPLS业务仍不多见，全球大约20多个业务提供者采用了一定程度的MPLS，其中美国MPLS重点在流量工程，而欧洲主要用于VPN。MPLS第2个问题是扩展性不好，不同厂家的MPLS互操作有难度。此外，基于融合IP 和ATM思想而提出的MPLS，对于如何在以太网环境下实现信令协议LDP(标签分发协议)与路由协议(如开放路径最短优先——OSPF)交互，MPLS中流量工程与传输层流量机制间的互动等都有待在实际环境中研究。总的说来，MPLS标准仍有许多内容尚未标准化，其最终实用以及实现不同厂家产品互连尚需时日，有待于对其发展紧密跟踪和关注。

　　另一种可用于提高网络可靠性的技术为RPR。2000年11月成立的IEEE 802.17工作组专门致力于RPR环结构以太网技术的研究。RPR[5]通过Ethernet帧格式实现对保护环网带宽的合理利用和高效的网络管理，它吸收了以太网的经济性以及SDH对延时与抖动的严格保障、可靠的时钟和50 ms环保护与恢复等特性，并具有空间复用、带宽动态分配、支持业务级别等主要特点，是当前光网络上传输数据包的一种优化技术，正得到业界的广泛关注和重视。DPT[6](动态分组传输)是思科公司向802.17工作组提交的一种方案，目前该公司已推出相应的产品，也被许多公司所支持，但DPT技术不是标准，其互通性存在问题。尽管DPT与RPR工作原理相似，但RPR无论在性能和服务上比DPT技术都先进很多。802.17 RPR协议标准将于2003年3月出台，目前还属于前瞻技术。此外，RPR属于二层协议，在大型宽带城域网中，还需要与三层路由协议协调工作。RiverStone公司[7]提出将MPLS、RPR和Ethernet相结合构建宽带城域网的建议值得借鉴。

　　1.4 光以太网技术

　　目前在通信网络的底层，采用光纤进行传输成为主流。为顺应未来网络发展，充分利用现有的光纤通信网络，用简洁、经济、高效的方式实现IP数据业务的传输，集成了以太网和光传输的光以太网技术的出现是必然的。目前有EOS(Ethernet over SDH/SONET)、EOF(Ethernet over Fiber)和EODWDM(Ethernet over DWDM)这3种光以太网技术构造宽带城域以太网的方案，它们各具特色。

　　EOS城域网方案集成了以太网和SDH/SONET两大技术，其实现是通过在SDH设备(如ADM)上增加以太网接口或采用以太网交换机，由以太网接口或交换机提供帧映射和VC(虚拟电路)级联等功能。由于以太网信号是突发、不定长的，与要求严格同步的SONET/SDH帧有很大的区别，因此需要采用合适的链路层适配协议来完成从以太网到SONET/SDH之间的帧映射。目前，主要有两种协议可用来映射封装以太网信号[8]：由中国武汉邮科院向ITU-T提出的LAPS(在SDH上的链路接入规程，ITU-T X.85)；由朗讯和北电提出的GFP(通用成帧规程，ANSI T1X1.5)。前者已是正式的国际标准，后者目前仍是ANSI的草案，估计不久会被正式批准，它们都是面向无连接的数据链路层协议。EOS方案被拥有大量SDH/SONET线路、既要保护原有投资又想支持新业务的传统大电信运营商所推崇。但SONET/SDH最初是用于低速度、电路交换传输的，因此，运行高速的SONET价格昂贵而缺少灵活性，无法传送Internet业务所需的海量IP数据包。

　　EOF方案采用多层以太网交换机将业务通过Ethernet帧直接加载到光纤上。这种方案可以减少网络设备，避免功能重叠，简化网络管理，降低网络配置的复杂性；同时，因保证全网采用统一的802.3以太网帧格式，不需要任何中间协议转换，额外开销可以降到最低限度，从而提高了传输效率；另外，通过稀疏波分复用(CWDM)和万兆以太网进行带宽扩展，成本较低。对于希望通过IP平台提供综合业务的运营商(尤其是新运营商)以及主要发展以太网接入网的运营商来说，这是十分理想的解决方案。北电、阿尔卡特、Extreme和Foundry等公司都提供这一方案。不过这一方案在提供业务种类上存在局限性，只能提供纯IP业务和基于以太网方式的专线业务，不能提供传统的话音业务和ATM、FR中的VC方式的专线业务。目前一些公司(如Extreme、RAD公司)提供了在IP网上TDM(时分复用)的解决方案，为支持TDM业务提供了一条新的可行方案。

　　EODWDM的提出是考虑到随着业务量的指数增长，一个业务一条光纤的传输模式需要大量昂贵光纤的敷设，非常不经济，而DWDM技术通过在一根光纤上接入不同波长的光信号，使传输容量比单波长传输容量增加几倍甚至上百倍，可降低网络传输成本。EODWDM继承了以太网成本低廉、带宽利用率高、易实现平滑连续的网络升级以及DWDM光网络良好光层保护能力的优点，是今后宽带城域网最理想的方案。

　　EODWDM的基本原理和工作方式是：在发送端将交换机、路由器等设备发出的Ethernet光信号，送给Ethernet波长转换板，进行光／电转换。电信号分为两路，1路送给Ethernet的MAC芯片(用于获取Ethernet的传输信息)，1路去调制具有特定波长的激光器。经固定波长激光器调制的Ethernet光信号同其他波长的光信号复用进入1根光纤传输。在接收端通过分波器将各个波长的光信号分出，并送入不同终端。分出的Ethernet光信号，送给Ethernet波长转换板，同样需进行光／电／光的转换，并在电层用Ethernet的MAC芯片监视传输情况，最后Ethernet光信号送到交换机、路由器等设备的Ethernet光口。

　　EODWDM具有不可比拟的优势，但目前WDM／DWDM本身的组网处于初级阶段，技术不太成熟：光信号的损耗与监视、光通路的保护切换问题和网络的管理配置问题的解决都还不完备；当前DWDM的设计是用于长途传输的，仅提供终端复用功能，上下复用还不能动态进行，OADM和OXC尚未实用化，基于DWDM技术的智能化OADM与OXC将在3年或更长时间内才进入商用。由此可见，要推动EODWDM的实现，必须在设备和技术上进行攻关。设备上的当务之急是实现智能OADM与OXC的商用化，技术上目前MPLS、快速重路由以及IP本身的保护机制是解决EODWDM上自愈恢复、QoS以及流量工程等用户管理的主要手段。

　　2 结论与展望

　　城域网的热潮是市场驱动的结果。最终用户，尤其是企业用户和住宅用户对带宽的需求，直接刺激了城域网市场的发展。快速、高效地建立宽带城域网成为电信运营商关注的重点。以具有标准化程度高、升级性能好、价格便宜等多种优势的以太网作为适配层，采用IP over DWDM组建骨干城域网是宽带城域网今后的发展趋势，已由大多数的电信运营商和设备制造商达成共识。然而对于以演进模式发展的城域网，现有的建设必然是新老技术共存的：对传统运营商而言，为保护在SDH上的投资，城域以太网必与SDH共存，数据业务逐渐放到以太网上，不影响现有SDH的运作，将来再考虑把语音服务也转到以太网上；对ATM网而言，以太网也将先与其共存，然后再慢慢地取代，在此期间，ATM会继续向其既有用户提供服务。当然，新兴运营商没有投资保护问题，可直接用以太网作为城域网骨干网。

　　对于电信设备制造商而言，在构建宽带城域网时应综合考虑城市规模、用户需求、运营商本身的背景以及经营策略等方面而为电信运营商提供一个全面的解决方案。本文已总结了多种用于宽带城域以太网的新技术，但如何更好地支持TDM业务、如何实现高效IP地址管理等问题仍值得进一步研究。另外，为保证宽带城域网、接入网建设的健康发展，尽快挖掘能够吸引用户的宽带内容和服务、创造增值业务，建立一个支持开放接入、安全、可扩展的平台，也是非常重要的。

　　参考文献

1 10 Gigabit Ethernet Alliance. 10 Gigabit Ethernet Technology Overview White Paper. http:∥www.10gea.org, 2001
2 Foundry Networks. Global Ethernet Solutions for Layer 2 Metro Ethernet(White Paper). http:∥www.foundrynetworks.com, 2001
3 RiverStone Networks Inc. Building 10
Gigabit/DWDM Metro Area Networks. http:∥www.techguide.com, 2001
4 Bruce Davie, Yakov Rekdter. MPLS: Technology and Applications. 北京: 机械工业出版社, 2001
5 Robert Bellman. RPR—Building A Better Ethernet. http:∥www.bcr.com/bcrmag/ 2001/09/p40.asp, 2001
6 Cisco. Dynamic Packet Transport. http:∥www.cisco.com/warp/public/cc/techno/wnty/ dpty/index.html
7 RiverStone Networks Inc. How Ethernet, RPR, and MPLS Work Together: The Unified Future of Metro Area Networking(Technology White Paper). http:∥www.riverstonenet.com, 2001
8 李勇, 陶智勇, 钮海明, 等编.宽带城域网实用手册. 北京: 北京邮电大学出版社, 2001