城域网络发展趋势探讨

    信息服务正步入新的融合时代。电信网络、IT、数字媒体、消费电子等产业和技术将走向更全面、深入的融合与互通。这意味着，用户将能够随时随地获取多媒体信息服务，人们的工作和生活方式将随之发生深刻的变化。业务的不断融合将推进和要求网络的融合，为适应这种融合，未来运营商发展的关键在于将现有通信网络逐步发展成为适应性更强、更有效节约成本的全IP网络，并在此基础上实现固定、移动网络的融合。

    网络融合的难点和关键在于城域网的改造和融合。本文结合城域网特点、现有城域网状况及业务分组化的趋势，对城域网应满足的网络特征进行了分析和比较，并给出城域网络发展的建议。

1 城域网络承载业务的要求与特征
    城域网络分为3个层次：核心层、汇聚层和接入层。

    核心层主要提供高带宽的业务承载和传输，完成和已有网络(如ATM、FR、DDN、IP网络)的互联互通，其特征为宽带传输和高速调度。

    汇聚层的主要功能是给业务接入节点提供用户业务数据的汇聚和分发处理，同时要实现业务的服务等级分类。

    接入层利用多种接入技术，进行带宽和业务分配，实现用户的接入，接入节点设备完成多业务的复用和传输。

    随着技术的发展和需求的不断增加，业务的种类也不断发展和变化着，从传统的语音业务到图像和视频业务，从基础的视听服务到各种各样的增值业务，从64 kb/s的基础服务到2.5 Gb/s/10 Gb/s的租线业务，各种业务层出不穷。不同的业务都有不同的带宽需求，不同的服务需求。从业务服务质量(QoS)角度上讲，业务大致可以分为以下几种类型：

• 高服务质量的语音业务和视频业务
• 大客户专线
• 数据通信网(DCN)的数据业务
• 各种数据增值业务
• 互联网业务

    每种类型的业务要求的服务等级不同，安全保护级别也不同。随着互联网业务及各种增值业务的不断发展，城域网要求的带宽也越来越宽，当前的城域网已经成为了业务发展的“瓶颈”。此外，多种类型的业务对城域网的综合接入和处理，也提出了较高的要求。总的来说，分组化和宽带化是业务的发展趋势。　

2 现网使用的城域网络技术

2.1 多业务传送平台
    多业务传送平台(MSTP)是基于SDH平台技术开发的具备二层透传功能的传送平台。MSTP实现了虚级联(VC)、链路容量调整机制(LCACS)等技术，同时可以内嵌弹性分组环(RPR)等二层处理技术，在集成了IP选路、以太网、帧中继或ATM后，可以通过统计复用来提高时分复用(TDM)通路的带宽利用率和减少局端设备的端口数；MSTP很好地继承了SDH的高可靠性、高QoS的特点，同时能够直接支持IP业务，提供快速以太网(FE)、千兆比以太网(GE)接口；此外，MSTP还可以通过内嵌RPR或者多协议标记交换(MPLS)等处理技术，实现IP的增强功能及提供端到端的差异化服务；最后，MSTP还可以方便地完成协议终结和转换功能，使运营商可以在网络边缘提供多种不同业务，而且可以同时将这些业务的协议转换成其特有的骨干网协议[1]。

    目前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。这种方案基于同步工作，抖动要求严，设备成本较高，此外，这种结构带宽配置时间仍较长。MSTP毕竟是基于SDH的平台，其TDM的交叉矩阵必然会限制IP化业务的使用效率。随着TDM业务逐步消退和IP业务快速增长，基于SDH的多业务传送平台(MSTP)的作用会越来越弱化。

2.2 基于波分复用技术的多业务平台方案
    密集波分复用(DWDM)技术在广域网的应用中获得巨大成功，已成为主流，但是不能简单地将广域网DWDM方案用于城域网。城域WDM与长途WDM有着不同的发展动因和特点。WDM应用于长途传输的最大价值就是节省昂贵的长途光纤资源，但在城域网中，由于传输距离短，敷设光纤的造价比长途干线要低廉得多，这样节点设备就成为城域传送网成本中占主导地位的因素，虽然节省光纤对于某些城域网或某些区段来说也很有意义，但业务的灵活性、可管理性和降低设备成本对于城域应用更为重要。

    城域WDM网络的特点是能在同一平台上支持多业务，对速率与协议要透明，设备价格要低廉，有良好的扩展性以适应城域业务需求的多变性。在城域网中，由于传送距离短，容量要求不是很大，因此可以使用较为低廉的稀疏波分复用(CWDM)技术来实现。发展城域WDM光网络不但能为城域IP网/以太网的发展提供强大的带宽支撑，而且在灵活性、安全性和提高资源利用率等方面与单纯的光纤直连方式相比都有很大的优势，此外利用WDM网还可以开展按需带宽(BoD)、波长批发、波长出租、光虚拟专用网(OVPN)、光组播等新业务。

    虽然大家都知道WDM技术有很多优点，但是由于其保护技术还不如SDH灵活，此外，波长管理能力及分等级服务能力还有待提高。所以目前WDM在城域网中的应用还有所欠缺，不过随着业务增长的需求及光交叉连接器(OXC)、可重构光分插复用器(OADM)的逐步成熟，WDM在城域网络中将会发挥越来越重要的作用。

2.3 增强型以太网技术
    增强型以太网技术[2]，是指将传统以太网应用到电信网的技术。增强型以太网技术具备网络和业务可扩展性、运营级网管能力和QoS保障能力，从而可以解决IP/以太网/TDM等多业务的传送问题，并向城域乃至广域延伸，推动传统电信运营商向分组化网络转型。

    从技术上看，以太网是一种很简单的解决方案，只需要少量的规划、设计和测试工作，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。最后，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。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，是具有很好扩展性的解决方案，以太网速率可以从10 Mb/s、100 Mb/s、1 Gb/s一直扩展到10 Gb/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。此外，由于很多用户已经熟悉了以太网，因此培训工作简单，新业务可以拓展得更快。

    但是以太网在扩展性和安全性方面存在难以解决的问题，很难适应规模大、业务等级多的城域网络，为此，现在有很多城域网络技术利用虚拟私有局域网络服务(VPLS)技术来实现。

3 分组传送网技术
    传统的TDM业务的相对比例正逐步减少，但其目前仍是运营商重要的收入来源，而且业务量也在不断增长。此外，受限于终端等多方面的影响，业务全IP化也是一个相对漫长的进程。所以，虽然新型城域网络的发展方向是IP化的网络，但是兼顾TDM业务是城域网络向全IP变化发展的方向上的必由之路，也是目前必须解决的问题。分组化传送网络(PTN)就是在这种前提下应运而生的技术，是城域网发展新方向。PTN分为两层，首先是传送网络，即要和传统的传送网一样能够支持TDM业务，同时能够保证业务的安全性、可靠性及QoS；其次是分组化，即要能适应IP化的发展方向，逐步支持全IP架构。

    支持PTN的技术有很多，目前比较流行的有传送/多协议标签交换(TMPLS)、运营商骨干桥接/运营商骨干传输(PBB/PBT)两种技术。PBT和TMPLS不仅提供了基于分组交换的网络，而且满足了前面提到的要求。

    PBT和TMPLS技术的特性包括：

• 提供支持多种基于分组交换业务的双向点对点连接通道；
• 点对点连接通道的保护切换可以在50 ms内完成；
• 点对点连接的完整运行、管理和维护(OAM)功能，保证网络具备保护切换、错误检测和通道监控能力；
• 网管系统可以控制连接通道的建立和设置。

    PBT和TMPLS为传统SONET/SDH向前发展提供了可能，为运营商能够利用现有网络，保护既有投资提供了解决方案，而且现有的工作方式也不需要改变。为了能够明确城域网络发展的思路，下面对两种技术进行比较。

3.1 TMPLS技术
    TMPLS基于ITU-T G.805传输网络结构，由ITU完成标准化(标准包括G.8110.1、G.8112、G.8121)。其主要改进包括：通过消除IP控制层简化MPLS，以及增加传输网络需要的OAM和管理功能。TMPLS可以视作是MPLS的一个扩展子集，数据是基于MPLS标签进行转发的，是面向连接的MPLS；TMPLS对MPLS某些复杂的功能进行了简化，去掉了数据面中不必要的转发处理：比如PHP、ECMP、标签合并和精细的包丢弃处理。TMPLS技术利用MPLS伪线技术，可以实现任何业务通过MPLS伪线进行传送，可以满足多业务传送要求，同时相对于伪线(PW)，吸收了多业务承载、TDM业务仿真等技术，并增加了ITU-T面向连接的OAM和保护恢复的功能。TMPLS中定义了符合传送网特点的线性保护和环网保护机制，可实现小于50 ms的保护倒换。

    和经典传送网模型一样，TMPLS网络也分为层次清楚的3个层面：传送平面、管理平面和控制平面。TMPLS将数据平面从网络资源管理中分离出来，使传送平面可以完全独立于其业务网络和相关的控制网络，更加便于网络的建设和扩容。传送平面引入了面向连接的OAM和保护恢复功能。控制面进行标签的分发，建立标签转发通道，可以和全光交换、TDM交换的控制面融合，也可以实现类似目前基于SDH的自动交换光网络(ASON)的业务的恢复和保护，体现了分组和传送的完全融合。

    TMPLS传送平面也秉承了传送网络的分层架构。通常，在一个传送网络传送层功能至少需要由两个网络层面完成。第一个网络层面是为端到端业务的服务等级协议(SLA)实现和QoS服务的，需要实现端到端的OAM和端到端的性能监控以及端到端的保护。它与业务层的关系是一一对应的关系，例如，SDH传送平面中的低阶通道层。第二个网络层面是为汇聚和可扩展性服务的，需要实现段层、环网和链路的保护，以及相关层面的OAM和保护恢复。它与上一个网络层面或客户层业务的关系是一对多，例如，SDH传送平面中的高阶通道层。这种逻辑管理还可以进一步递推。在TMPLS传送层中，可以实现逻辑分层和嵌套，第一层属于TMPLS的通路层，它实现对网络业务层多点业务或点到点业务的逻辑映射，实现业务的端到端OAM和保护；同时，多个TMPLS通路可以被复用至TMPLS通道，在这个层面上实现汇聚层的OAM和保护恢复。因此，TMPLS是一种可扩展的网络架构。

    TMPLS技术的标准框架已经逐步成形，但是在网络保护及业务承载方面还有很多不足之处。此外，由于商用情况还很少，即使有一些应用，也没有真正加载控制平面来使用，所以其成熟性及相关性能还有待进一步商用验证。

3.2 PBB/PBT技术
    PBB又称为MAC-in-MAC。IEEE 802.1ah制订了PBB标准草案，定义MAC-in-MAC规范，把核心以太网与边缘以太网隔离开来。它把双层以太网(Q-in-Q)帧再封装一层携带PBB源和目的媒体访问控制(MAC)地址信息的以太帧，形成两层MAC地址，实现MAC地址的层次化叠加与隔离，使Q-in-Q帧能够在核心以太网中桥接传送。核心区域中心设备只需根据外层MAC地址来转发数据，其以太网转发表中不需要记录内层MAC地址，从而两张叠加在一起的以太网实现各自以太网转发。内层和外层MAC地址隔离，提高了网络和业务扩展性。但PBB技术是把两张以太网简单叠加，没有解决传统以太网体系存在的可靠性问题[3-4]。

    PBT技术则借用PBB帧格式，修改控制功能，关闭以太网MAC地址学习和生成树协议(STP)协议，采用隧道方式转发和规划流量。ITU-T的G.pbt定义了PBT的隧道转发模式，IEEE 802.1ag定义了以太网连通性检测机制，两者配合起来即可实现PBT。这两个协议目前均处于草案阶段。以太网核心区域关闭STP后，核心区域设备通过管理系统静态配置隧道路径，生成转发表，依据外层虚拟局域网(VLAN)标识(ID)和目的MAC地址确定下一跳。PBT解决了MAC-in-MAC的可靠性问题。但目前标准还很不成熟，带宽效率低；核心区域采用静态配置方式规划流量，扩展性和灵活性很弱，无法组大网；而且目前只能提供点对点的隧道业务，即线性仿真(E-LINE)业务，不能提供点对多点的树形仿真(E-TREE)和多点对多点的局域网仿真(E-LAN)业务。

3.2 TMPLS和PBT对比与分析
    不难看出，TMPLS和PBT技术在网络原理上非常相似，都属于端到端、双向点对点的连接，并且都提供了中心管理和可以在50 ms内实现保护倒换的能力。两者都可以用来实现SONET/SDH向分组交换的转变。部署PBT和TMPLS可以保护已有的传输资源，不需要改变工作习惯和组织方法，而且为满足未来带宽需求提供了以分组交换为基础的网络。此外，两种技术的标准还都有待成熟，应用案例还比较少，特别是在中国，虽然一些厂家宣称其TMPLS设备已经得到商用，但是其设备并没有真正加载控制平面，还不是真正的TMPLS应用。

    从TMPLS和PBB的原理上看，他们在城域网的应用上和路由器实现的VPLS技术是相互竞争的关系，并不像一些观点中说的共存关系。因为无论从技术角度讲，还是从投资角度讲，IP/TMPLS或者IP/PBB都没有必要，也非常浪费，并且这种重复投资还会给运维带来很大的压力。但是从目前看来，由于TMPLS和PBB的技术还不太成熟，如果把他们仅仅作为SONET/SDH的替代品，或者作为MSTP的替代品，不加载真正的MPLS控制，他们和IP/MPLS应该是共存关系，因为TMPLS/PBB还无法实现IP/MPLS的功能，而IP/MPLS也有很多安全可靠性的问题需要底层来解决，所以需要共存。但是随着各自技术的发展，两者应该是二选一的关系。可以这样说，产品成熟度及市场占有率将直接影响两种技术的发展。

    不管怎么说，从传输解决城域网的角度讲，PBT和TMPLS都是兼顾TDM业务向IP化发展很好的解决技术，是传输融合承载网的产品，考虑到运营商保护既有投资以及对网络可靠性要求的因素，直接全部采用VPLS不太可能。因此，这两种技术现在得到了越来越多的关注，相信他们在城域网中也都会发挥应有的作用。

4 结束语
    分组化和宽带化是城域网络发展的方向，可解决目前城域网络技术中IP支持能力不足，同时兼顾TDM业务的发展，是城域网络技术必须解决的问题。这个问题涉及到两个方面，一是保护既有投资，即大量的支持TDM业务的设备；二是适应全IP化的发展方向。PTN技术就是在此前提下应运而生的解决方案，目前PTN有两种主流技术：TMPLS和PBB/PBT，两种技术很好地继承了原有传输网络的端到端链接和监控的能力，并能提供快速的保护倒换，同时分组化的交换结构使其具有全IP的处理能力。TMPLS和PBB/PBT是在考虑传统传输城域网对业务支持能力的基础上，结合IP业务的产物，可以很好地保护现有投资，是城域网络发展的方向之一。

    虽然TMPLS和PBB/PBT产品及标准都有待成熟，而且采用MPLS、PBB/PBT还是采用路由器来解决城域网的争论还没有结论。但是由于他们具有分组和TDM兼顾能力，而且可以很好地和现网融合的特点，以及控制和传送平面分离的先进理念，必然将引起运营商的足够关注。有理由相信，随着业务的发展和设备技术的成熟和进步，TMPLS和PBB/PBT必然会在城域网中得到规模应用。

5 参考文献
[1] 张海懿. 光传送技术发展现状和趋势 [N]. 人民邮电报, 2007-04-03.
[2] 宋强. IP城域网优化技术探讨 [J]. 电信科学, 2007,23(10):53-56.
[3] BARRY D J. TMPLS与PBT/PBB-TE为面向连接的分组传输提供机遇 [J/OL]. 光波通信, 2007,8/9. [2007-09-11]. 
[4] 小贝. 城域以太网技术 [EB/OL]. [2007-08-10]. 

收稿日期：2008-05-16

[摘要] 分组化和宽带化是下一代城域网络发展的趋势，但是向IP城域网络发展过程中，时分复用(TDM)和IP业务将长期共存。分组传送网(PTN)是兼顾TDM业务与IP化的发展方向而产生的产物，作为PTN技术的两种典型代表，传送/多协议标签交换(TMPLS)和运营商骨干桥接/运营商骨干传输(PBB/PBT)实现了分组交换，能够支持端到端链接、监控和快速的保护倒换，此外还实现了控制和传送的分离，是城域网络的发展方向之一。

[关键词] 城域网；分组传输网；传送/多协议标签交换；运营商骨干桥接；运营商骨干传输

[Abstract] The trend of next generation Metro Area Network (MAN) is packet and broadband, but the co-existence of TDM and IP traffic must be considered during the development process of All IP MAN. Packet Transport Network (PTN) adapts to the trend of All IP, and at the same time gives attention to TDM traffic. Packet switching is implemented in the representatives of PTN technology: TMPLS and PBB/PBT. The technology can provide end-to-end link and inspection, fast protection and restoration, and separation of control from transport. In a word, TMPLS and PBB/PBT are a major trend for MAN development.

[Keywords] MAN; PTN; Transport Multi-Protocol Label Switching (TMPLS); Provider Backbone Bridge (PBB); Provider