用光以太网技术建设新一代宽带城域网

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     　　摘 要：随着光纤技术的突破，电信骨干网已经具有很高的带宽，达到了太比特级。今天城域网的瓶颈在于在将第2层数据映射到第1层的带宽管理是基于“专线”的方式，研究表明专线的带宽平均使用率不足50％，多数情况下不超过20％。光以太网的出现彻底解决了上述问题，也为运营商建造了新一代宽带城域接入网。在此基础上，先容
了以北电网络企业为代表的光以太网的组网情况，并重点分析了光以太网在中国及其他国家与地区的建设。
     　　　关键词：光以太网，宽带城域网，用户管理，组网技术
     一、城域网的瓶颈
     　　今天的电信骨干网已经具有很高的带宽，随着光纤技术的突破，骨干网的带宽已经达到了太比特级，如中国电信的骨干传输带宽2001年将达到1 600 Gbit／s。同时，随着Internet的普及和电子商务的迅速发展，各类商业用户和住宅用户对带宽的需求越来越大。目前，用户可以选择的接入手段和速率基本上是基于铜线的各种接入方式，如X.25，DDN，E1，ISDN，ADSL和拨号接入等，速率介于kbit／s和Mbit／s之间，已经无法满足用户日益增长的需求。在个人用户方面，用户已不仅仅停留在对Internet的慢速浏览，各种新的应用如VOD，Web TV等有高带宽需求的应用也吸引着用户和内容服务提供商。
     　　从另一个角度看，超过95％的用户使用以太网连接其内部网络，目前的接入网迫使用户必须购买昂贵的路由器来连接电信接入网，协议的转换带来了大量额外的开销。
     　　IP以其无连接的特性、灵活的带宽分配完全占据了局域网的应用，同时许多运营商使用IP over ATM和IP over SONET的方式建设可靠和功能强大的网络。运营商选择ATM和SDH／SONET传输IP基于众多的考虑，如可扩展性、可靠性以及技术的成熟性。
     　　这些方式固然有众多的优点，但在将第2层数据映射到第1层的带宽管理上有明显而共同的缺点。从传输的角度来看，它们基于“专线”的方式，这就需要预先确定传输所需的带宽。数据进入骨干网遵循传统TDM网络的规律，其颗粒度可能是E1，E3，STM1或STM4等。这些方式导致了光传输带宽的浪费。
     　　许多研究表明，专线的带宽平均使用率不足50％，多数情况下不超过20％。随着用户需求的不断增加，传输带宽的耗尽必然导致传输网络的扩容，其后果是一方面带宽利用率非常低，另一方面又必须扩容。
     二、全新概念——光以太网
     　　光以太网（Optical Ethernet）的出现，彻底解决了上述问题。从2000年下半年以来，包括北电网络企业在内的一些电信设备企业提出了光以太网的概念。这一解决方案的核心是利用光纤的巨大带宽资源和以太网的成熟与易用为运营商建造新一代的宽带城域接入网，满足市场对带宽的巨大需求。
     　　光以太网将以太网的优越性扩展到了城域网，如低成本的以太网接口（10 Mbit／s，100 Mbit／s，1 Gbit／s）。由于以太网在企业和个人计算机上的广泛使用，使得以太网的硬件成本非常低，降低了运营商的网络建设成本。以太网已经有26年的历史，技术的成熟更降低了网络的风险。通过跨广域网的VLAN实现虚拟专用网络应用，不需要企业改变其现有的IP地址编址，简化了企业的管理成本，使得光以太网可以同时为住宅用户和商业用户服务。
     三、光以太网的组网
     　　光以太网技术用于建设公共电信网，必须满足对电信网的几个基本要求：
     　　·高可靠性——电信网络99．999％的可靠性不仅体现在网络设备的可靠性，同时对组网技术、路由选择、拥塞控制、故障恢复、路径保护和流量管理提出了要求。
     　　·可提供服务等级协议（SLA）——对商业用户而言，ATM和帧中继是他们熟悉的业务，以太网如果想成为这些业务的替代产品，必须能够满足用户对服务等级的严格要求。
     　　·高可扩展性——扩展性包括两个方面，一是对业务的汇聚能力，以便为更多的用户提供服务，另一方面是业务的颗粒度要比较细，能够满足不同用户或同一用户不同时期对带宽的要求。
     　　·用户管理——表现在对用户的识别和管理，以及为不同用户提供不同服务等级的能力。
     　　以太网技术具有非常好的扩展性，可以非常方便地扩展用户的数量，同时其统计复用功能提高了网络中继带宽的利用率，但在用户管理和网络可靠性方面，目前的以太网技术还不能满足电信网的要求。
     　　1．用户管理
     　　可以毫不夸张地讲，用户管理是一切业务的基础。目前很多已建和在建的宽带城域网都没有用户管理的功能，只能对用户实行包月制，而不能按使用计费使业务推广受到极大的限制。
     用户管理包括用户认证、授权和计费三个方面的功能。目前以太网上的点对点协议（PPPoE）是比较常用的一种用户管理手段。
     　　BRAS是宽带接入网关，如北电网络企业的Shasta 5000就是此类设备。它可以安装在端局的POP节点，负责终结由用户PC机发起的PPPoE进程。在BRAS的后面，连接了运营商的Radius认证服务器和Radius计费服务器。当用户登录时，BRAS将用户输入的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。
     　　为了方便用户的使用，一种更为方便的业务在线申请方式已经在一些BRAS上实现。在这种方式下，BRAS后方增加了一台门户服务器。没有申请业务的用户可以通过缺省用户名／口令，如BRAS／BRAS登录网络，这时，该用户只能通过浏览器访问门户服务器。门户服务器的主页上是可供选择的业务类型，用户可以在这里选定用户名／口令以及申请的业务类型。门户服务器将自动更新BRAS和认证服务器的记录，用户在几分钟内就可以完成注册和业务申请，极大地方便了用户的使用，节省了运营开支。
     　　由于目前城域网的建设处于第一阶段，运营商往往希翼以最小的投资尽快占领市场，相对比较昂贵的BRAS投资往往超出他们的预算，因此目前采用BRAS PPPoE用户管理方式的网络较少。BRAS的大量使用应该出现在网络建设的第二阶段之后。
     　　与此同时，作为以太网标准的制定者，IEEE也开始探讨以太网在城域网范围内使用所涉及的安全和认证方面的问题，提出了802．1x草案。
     　　靠近用户一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的客户端App与交换机通信。初始状态下，交换机上的所有端口处于关闭状态。当用户通过EAPoE登录交换机时，交换机将用户同时提供的用户名口令传送到后台的Radius认证服务器上。如果用户名／口令通过了验证，则相应的以太网端口打开，允许用户访问。802．1x的实现基于以太网交换机，为运营商提供了一种更为经济实用的用户管理方式。
     　　2．组网技术
     　　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。如在城域网的组网中，经常会出现环路，SpanningTree设计用来消除环路，这样不仅无法有效利用带宽，并且当链路发生故障时，SpanningTree的重构又需要多达十几秒的时间，与传统的SDH相比，这是无法接受的。为解决以上问题，IEEE成立了802．17工作组专门致力于环结构以太网技术RPR的研究，以期在网络可靠性方面有较大的提高。北电网络企业是该工作组的发起人之一。此外，10G以太网标准已经接近完成，这将为以太网技术在城域网中的应用开辟更为广阔的空间。
     四、光以太网的建设
     　　光以太网首先在北美得到应用。在近两年，北美出现了一批城域以太网运营商（MEC），如Yipes，Cogent，Telseon等。以Yipes为例，目前在美国约20个大城市提供公共以太网接入业务，其网络中大量使用千兆以太网交换机，通过光纤到大楼为用户提供Internet接入和透明局域网互连（TLS）业务，主要客户是ISP、律师事务所、基于Web的企业等商业用户和学校。
     　　与北美不同，中国的以太网接入业务首先瞄准了住宅用户。北美的私人住宅非常分散，采用光纤到路边的方法，每对光纤覆盖的用户数量非常小，因此，在北美使用ADSL和Cable Modem更为经济。中国的情况完全不同，城市的居民集中居住在各类小区内，小区内的住宅数量在300到2 000户之间。运营商采用光纤到小区的方法非常经济实用。据测算，以太网接入用户的成本（不计光纤和双绞线）约在30～60美金之间，低于ADSL和Cable Modem。
     　　在国内，宽带IP城域网的建设从1999年开始。部分省市的有线电视台为向其有线电视用户提供Internet接入服务，选择以太网技术建设城市宽带网，采用以太网／HFC混合的方式，在某些小区、提供以太网到用户，在另一些小区采用以太网到小区，Cable Modem到用户的方式提供服务。2000年以来，各地电信企业纷纷开始建设宽带城域网，以以太网到用户为主，ADSL为辅。
     宽带城域网的建设基本可以分为三个阶段：
     　　第一阶段主要目标是抢占市场。运营商充分认识到市场就是企业的生命线，所以电信运营商、有线电视企业等都把快速接入商业楼宇和住宅小区视为第一要务。在这一阶段，大家纷纷采用现有的各种以太网交换机快速搭起网络的架构，提供的主要业务是包月制的Internet接入服务。
     　　第二阶段，运营商从公共运营网络的角度重新审视自己已建成的宽带城域网，并且从各种角度进行优化，提高网络的可靠性、可管理性，并考虑采用新的技术。以太网在城域网中的应用，同样对业界和设备厂商提出了挑战。由于目前以太网产品主要应用在企业网环境下，在设备可靠性、网络可靠性等方面存在弱点。另外，发展基于以太网的组网技术、用户管理、带宽管理、计费系统成为主要任务。所以，第二阶段的主要任务是将宽带城域网优化成为一个真正意义的公共电信网。
     　　第一阶段网络建设完成之后，运营商的关注焦点将转向业务，第三阶段的主要任务是在已有网络的基础上开发出更多吸引用户的业务，带来更多的业务收入，使其在网络上的投资价值最大化。目前看来，宽带城域网的主要业务是Internet接入，此外，可以在几个方面拓展业务面。
     宽带给人们插上了梦想的翅膀，视觉的享受是人们的最爱。不能想象在城市中修建了上下十车道的大街后，人们只在上面骑自行车、赶马车。典型的视频应用如VOD、Web TV、视频会议、网络视频游戏，甚至高清晰电视节目。在商业用户服务方面，基于运营商网络的VPN和防火墙将是商业用户的主要应用。