寬帶城域以太網新技術

以太網因簡單、成熟、易用而在寬帶城域網建設中倍受關注

寬帶城域以太網的關鍵新技術主要包括：接入認證技術、10G以太網技術、可靠傳送技術和光以太網技術

發展寬帶城域以太網不能一概而論，需區別對待

城域網(MAN)概念出現在20世紀90年代，是指介于廣域網和局域網之間，在城市及郊區范圍內實現信息傳輸與交換的一種網絡。隨著Internet飛速發展，IP數據業務已成為各運營商的下一個重要利潤增長點，寬帶城域網也成為當前電信網絡建設的一個重點。

寬帶城域網建設中，以太網是承載IP業務最好的一種技術。以太網在路由器接口無需任何映射、分段組裝、比特塞入以及擾碼操作，與網端主機的幀格式相同，可實現從局域網、接入網到城域網，甚至廣域網的“無縫”連接。隨著千兆以太網、萬兆以太網、波分復用技術和光傳輸技術的出現和成熟，光以太網概念已提出，簡單易用的以太網越來越多地出現在寬帶城域網的組網方案中。

1 寬帶城域以太網中的新技術

寬帶城域網是為滿足網絡接入層的帶寬大幅增長需求而建立，是電信骨干網特別是數據骨干網的延伸覆蓋，主要針對家庭、企業及集團客戶提供寬帶數據及交互式多媒體業務，同時承載傳統話音及窄帶數據業務，具有覆蓋面廣、應用廣泛、接入技術多樣、接入方式靈活的特點。

寬帶城域網一般按照核心層、匯聚層、接入層的分層結構組網，涉及交換技術、傳送技術和接入技術幾個方面。寬帶城域網以IP交換為主的發展趨勢已不容置疑，但在傳送和接入方面目前多種技術共存。其中，以太網簡單、經濟、實用、易掌握，因此受到一些電信運營商尤其是新興電信運營商的推崇。業界把采用了以太網技術的寬帶城域網通稱為寬帶城域以太網。寬帶城域以太網沿襲了以太網的優點，但也存在以太網本身在用戶管理、網絡可靠性和服務質量(QoS)等方面的問題，為此相應出現了一些新技術以克服這些問題。

1.1 以太網接入認證技術

以太網接入是指接入網用戶側采用以太網協議的接入技術，其簡單高效，能兼容所有帶標準以太網接口的終端，用戶不需要另配新的接口卡或協議軟件，因而是一種十分廉價的寬帶接入技術。不過，因傳統以太網主要針對小型的專用網絡環境而設計，強調資源共享，所以在用戶信息的隔離、用戶傳輸質量的保證、業務管理和網絡可靠性方面考慮不太全面，這對以太網用于公用電信網很不利。目前一些設備制造商和運營商已注意到這些問題，提出了一些有效的解決方案：如通過VLAN(虛擬局域網)進行用戶隔離，用IGMP Snooping(互聯網組管理協議竊聽)技術以及優先級控制、Tagged VLAN(帶標記的虛擬局域網)等功能支持有實時與組播要求的視頻點播業務等；在用戶管理方面采用兩種以太網接入認證技術——基于BAS(寬帶接入服務器)和PPPoE(基于以太網的點到點協議)認證方法，以及基于以太網端口的用戶訪問控制技術(如IEEE 802.1x協議)。

基于BAS和PPPoE的認證方法是較早出現也是最常見的一種用戶管理手段(如圖1所示)。這一方案采用安裝在端局POP節點的寬帶接入網關BRAS(完成寬帶接入遠程服務)，負責終結由用戶PC機發起的PPPoE進程，并在BRAS后面連接運營商的RADIUS(遠程認證撥入用戶服務)認證服務器和RADIUS計費服務器。當用戶登錄時，BRAS將用戶名和口令傳送到認證服務器，驗證通過后，BRAS將允許用戶接入網絡，并啟動計費服務器對用戶進行計費。BRAS投資昂貴，采用BRAS PPPoE這一認證方法將增加城域網建設的投資，因此目前采用該方式的網絡較少。

在傳統以太網設備基礎上，基于端口的網絡訪問控制技術采用IEEE 802.1x協議，提供了對基于以太網的點到點連接的端口用戶進行認證和授權的能力，從而使以太網設備達到電信運營要求（如圖2所示）。用戶側的以太網交換機上放置一個擴展認證協議(EAP)代理，用戶PC機運行EAPoE(EAP over Ethernet)的客戶端軟件與交換機通信。當用戶通過EAPoE登錄交換機時，交換機將用戶名和口令傳送到后臺的RADIUS認證服務器上，如果用戶名／口令通過驗證，則相應以太網端口打開，允許用戶訪問；如果認證失敗，端口接入將被阻止。

基于端口的訪問控制技術(IEEE 802.1x協議)是為運營商提供的一種較為經濟實用的認證方式，可實現用戶設備在城域網邊緣的分散用戶集中認證管理，替代寬帶接入服務器實現城域網范圍內的用戶管理功能。

1.2 10G以太網技術

10G以太網(10GE)^[1]是傳統以太網技術的升級，不僅在原有千兆以太網基礎上將傳輸速率提高10倍，同時通過采用新技術大大增加了傳輸距離，加強了鏈路管理功能，將以太網擴展到廣域網的范圍。10G以太網標準草案IEEE 802.3ae于2000年9月形成，正式標準尚未出臺，但已有10G以太網聯盟(1999年成立)成員單位相繼推出10G以太網相關產品，如三層交換機、光模塊以及10GE LAN/WAN測試儀等，并提出了直接采用10GE組成二層城域以太網(Foundry公司提出^[2] )和10GE/DWDM城域網(Riverstone公司提出^[3])的組網方案。

10GE的技術特點主要表現在物理層、幀格式和MAC層速率適配方面。10GE有兩種物理層規范：局域網采用以太網幀格式，傳輸速率為10.3125 Gbit／s；廣域網采用OC-192c幀格式，傳輸速率為9.953 Gbit／s。這兩種物理層規范共用一個MAC(介質訪問控制)層，僅支持全雙工策略，采用光纖作為物理介質。另外，10G WAN物理層并不是簡單地將MAC幀用OC-192c承載，而是在SDH幀結構的基礎上作了大量的簡化，僅采用了幀定位字節A1和A2、段層誤碼監視字節B1、蹤跡字節J0、同步狀態字節S1、保護倒換字節K1和K2，以及備用字節Z0，對沒有定義或沒有使用的字節填充00000000，減少了許多不必要的開銷，簡化了SDH幀結構。與千兆以太網相比，10GE增強了物理層的網絡管理和維護，在物理線路上實現保護倒換；同時，又避免了繁瑣的同步復用。

以太網技術在城域網中的應用，直接促進了10G以太網的研究和標準化進程；10G以太網如果能夠走向成熟，不僅會繼續影響局域網的發展，更可推進以太網技術在廣域網中的應用。當前，以太網真正走向廣域網可能面臨更多復雜的問題，但是以太網固有的種種優勢，尤其是簡單易用和良好的用戶應用基礎，可以促進各設備廠商、運營商和標準化機構努力解決這些問題。

1.3 可靠傳送技術

網絡的可靠性包含以下幾個方面：鏈路／路徑的保護和故障恢復、擁塞控制、路由選擇和流量控制。已有的以太網技術在這幾方面存在缺陷。以太網用于消除環路的生成樹在鏈路發生故障時，其重構需要多達十幾秒的時間，與傳統的SDH相比，這是無法接受的。為提高寬帶城域以太網的可靠性，就需要可靠傳送技術的支持，MPLS(多協議標簽交換)和RPR(彈性分組環)技術尤有優勢。

MPLS^[4]設計初衷是在大規模IP網內，通過ATM(異步轉移模式)和FR(幀中繼)等多種媒介實現保證QoS的快速交換。但MPLS在流量工程、QoS、VPN(虛擬專用網)等方面具有優勢，成為城域以太網提高網絡可靠性的重要手段。利用MPLS流量工程在源和目的地路由器之間同時設置兩個隧道，在出現路徑故障時，根據存儲的標記快速提供另一條路徑，可使IP網絡的自愈恢復速度降到50 ms以內。這種方式需要增加1倍的隧道管理開銷，但無需為備用的隧道預留帶寬資源，比SDH的50％帶寬資源開銷更加經濟實用。MPLS的流量工程可實現路徑選擇、負載均衡、路徑備份、故障恢復、路徑優先級等。另外，MPLS可通過使用約束路由機制，利用顯式路由技術支持QoS，能支持RSVP(資源預留協議)和DiffServ(區分服務)兩種QoS機制。基于MPLS的QoS能控制網絡帶寬、延遲、抖動和包丟失，以滿足多種不同業務對服務質量的要求。

目前MPLS極受推崇，但MPLS業務仍不多見，全球大約20多個業務提供者采用了一定程度的MPLS，其中美國MPLS重點在流量工程，而歐洲主要用于VPN。MPLS第2個問題是擴展性不好，不同廠家的MPLS互操作有難度。此外，基于融合IP 和ATM思想而提出的MPLS，對于如何在以太網環境下實現信令協議LDP(標簽分發協議)與路由協議(如開放路徑最短優先——OSPF)交互，MPLS中流量工程與傳輸層流量機制間的互動等都有待在實際環境中研究。總的說來，MPLS標準仍有許多內容尚未標準化，其最終實用以及實現不同廠家產品互連尚需時日，有待于對其發展緊密跟蹤和關注。

另一種可用于提高網絡可靠性的技術為RPR。2000年11月成立的IEEE 802.17工作組專門致力于RPR環結構以太網技術的研究。RPR^[5]通過Ethernet幀格式實現對保護環網帶寬的合理利用和高效的網絡管理，它吸收了以太網的經濟性以及SDH對延時與抖動的嚴格保障、可靠的時鐘和50 ms環保護與恢復等特性，并具有空間復用、帶寬動態分配、支持業務級別等主要特點，是當前光網絡上傳輸數據包的一種優化技術，正得到業界的廣泛關注和重視。DPT^[6](動態分組傳輸)是思科公司向802.17工作組提交的一種方案，目前該公司已推出相應的產品，也被許多公司所支持，但DPT技術不是標準，其互通性存在問題。盡管DPT與RPR工作原理相似，但RPR無論在性能和服務上比DPT技術都先進很多。802.17 RPR協議標準將于2003年3月出臺，目前還屬于前瞻技術。此外，RPR屬于二層協議，在大型寬帶城域網中，還需要與三層路由協議協調工作。RiverStone公司^[7]提出將MPLS、RPR和Ethernet相結合構建寬帶城域網的建議值得借鑒。

1.4 光以太網技術

目前在通信網絡的底層，采用光纖進行傳輸成為主流。為順應未來網絡發展，充分利用現有的光纖通信網絡，用簡潔、經濟、高效的方式實現IP數據業務的傳輸，集成了以太網和光傳輸的光以太網技術的出現是必然的。目前有EOS(Ethernet over SDH/SONET)、EOF(Ethernet over Fiber)和EODWDM(Ethernet over DWDM)這3種光以太網技術構造寬帶城域以太網的方案，它們各具特色。

EOS城域網方案集成了以太網和SDH/SONET兩大技術，其實現是通過在SDH設備(如ADM)上增加以太網接口或采用以太網交換機，由以太網接口或交換機提供幀映射和VC(虛擬電路)級聯等功能。由于以太網信號是突發、不定長的，與要求嚴格同步的SONET/SDH幀有很大的區別，因此需要采用合適的鏈路層適配協議來完成從以太網到SONET/SDH之間的幀映射。目前，主要有兩種協議可用來映射封裝以太網信號^[8]：由中國武漢郵科院向ITU-T提出的LAPS(在SDH上的鏈路接入規程，ITU-T X.85)；由朗訊和北電提出的GFP(通用成幀規程，ANSI T1X1.5)。前者已是正式的國際標準，后者目前仍是ANSI的草案，估計不久會被正式批準，它們都是面向無連接的數據鏈路層協議。EOS方案被擁有大量SDH/SONET線路、既要保護原有投資又想支持新業務的傳統大電信運營商所推崇。但SONET/SDH最初是用于低速度、電路交換傳輸的，因此，運行高速的SONET價格昂貴而缺少靈活性，無法傳送Internet業務所需的海量IP數據包。

EOF方案采用多層以太網交換機將業務通過Ethernet幀直接加載到光纖上。這種方案可以減少網絡設備，避免功能重疊，簡化網絡管理，降低網絡配置的復雜性；同時，因保證全網采用統一的802.3以太網幀格式，不需要任何中間協議轉換，額外開銷可以降到最低限度，從而提高了傳輸效率；另外，通過稀疏波分復用(CWDM)和萬兆以太網進行帶寬擴展，成本較低。對于希望通過IP平臺提供綜合業務的運營商(尤其是新運營商)以及主要發展以太網接入網的運營商來說，這是十分理想的解決方案。北電、阿爾卡特、Extreme和Foundry等公司都提供這一方案。不過這一方案在提供業務種類上存在局限性，只能提供純IP業務和基于以太網方式的專線業務，不能提供傳統的話音業務和ATM、FR中的VC方式的專線業務。目前一些公司(如Extreme、RAD公司)提供了在IP網上TDM(時分復用)的解決方案，為支持TDM業務提供了一條新的可行方案。

EODWDM的提出是考慮到隨著業務量的指數增長，一個業務一條光纖的傳輸模式需要大量昂貴光纖的敷設，非常不經濟，而DWDM技術通過在一根光纖上接入不同波長的光信號，使傳輸容量比單波長傳輸容量增加幾倍甚至上百倍，可降低網絡傳輸成本。EODWDM繼承了以太網成本低廉、帶寬利用率高、易實現平滑連續的網絡升級以及DWDM光網絡良好光層保護能力的優點，是今后寬帶城域網最理想的方案。

EODWDM的基本原理和工作方式是：在發送端將交換機、路由器等設備發出的Ethernet光信號，送給Ethernet波長轉換板，進行光／電轉換。電信號分為兩路，1路送給Ethernet的MAC芯片(用于獲取Ethernet的傳輸信息)，1路去調制具有特定波長的激光器。經固定波長激光器調制的Ethernet光信號同其他波長的光信號復用進入1根光纖傳輸。在接收端通過分波器將各個波長的光信號分出，并送入不同終端。分出的Ethernet光信號，送給Ethernet波長轉換板，同樣需進行光／電／光的轉換，并在電層用Ethernet的MAC芯片監視傳輸情況，最后Ethernet光信號送到交換機、路由器等設備的Ethernet光口。

EODWDM具有不可比擬的優勢，但目前WDM／DWDM本身的組網處于初級階段，技術不太成熟：光信號的損耗與監視、光通路的保護切換問題和網絡的管理配置問題的解決都還不完備；當前DWDM的設計是用于長途傳輸的，僅提供終端復用功能，上下復用還不能動態進行，OADM和OXC尚未實用化，基于DWDM技術的智能化OADM與OXC將在3年或更長時間內才進入商用。由此可見，要推動EODWDM的實現，必須在設備和技術上進行攻關。設備上的當務之急是實現智能OADM與OXC的商用化，技術上目前MPLS、快速重路由以及IP本身的保護機制是解決EODWDM上自愈恢復、QoS以及流量工程等用戶管理的主要手段。

2 結論與展望

城域網的熱潮是市場驅動的結果。最終用戶，尤其是企業用戶和住宅用戶對帶寬的需求，直接刺激了城域網市場的發展。快速、高效地建立寬帶城域網成為電信運營商關注的重點。以具有標準化程度高、升級性能好、價格便宜等多種優勢的以太網作為適配層，采用IP over DWDM組建骨干城域網是寬帶城域網今后的發展趨勢，已由大多數的電信運營商和設備制造商達成共識。然而對于以演進模式發展的城域網，現有的建設必然是新老技術共存的：對傳統運營商而言，為保護在SDH上的投資，城域以太網必與SDH共存，數據業務逐漸放到以太網上，不影響現有SDH的運作，將來再考慮把語音服務也轉到以太網上；對ATM網而言，以太網也將先與其共存，然后再慢慢地取代，在此期間，ATM會繼續向其既有用戶提供服務。當然，新興運營商沒有投資保護問題，可直接用以太網作為城域網骨干網。

對于電信設備制造商而言，在構建寬帶城域網時應綜合考慮城市規模、用戶需求、運營商本身的背景以及經營策略等方面而為電信運營商提供一個全面的解決方案。本文已總結了多種用于寬帶城域以太網的新技術，但如何更好地支持TDM業務、如何實現高效IP地址管理等問題仍值得進一步研究。另外，為保證寬帶城域網、接入網建設的健康發展，盡快挖掘能夠吸引用戶的寬帶內容和服務、創造增值業務，建立一個支持開放接入、安全、可擴展的平臺，也是非常重要的。□

參考文獻

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: 機械工業出版社， 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， 鈕海明， 等編.寬帶城域網實用手冊. 北京: 北京郵電大學出版社， 2001

(收稿日期：2002-05-22)

作者簡介

王雅琳，深圳市中興通訊股份有限公司技術中心研究部高級工程師，博士。目前主要從事數據通信、以太網、QoS等方面的研發工作。

彭海清，深圳市中興通訊股份有限公司技術中心研究部主任工程師，碩士。先后參加了ZXJ10大型程控交換機、SDH傳輸設備以及ZXR10核心路由器的研制工作，目前從事數據通信領域的研究開發工作。

王忠，深圳市中興通訊股份有限公司技術中心高級工程師，博士。主要研究領域是計算機網絡、網絡路由器、網絡協議工程和服務質量控制方法。