利用千兆以太网构建宽带城域网

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编辑：湖南邵阳电视台 邓永红 发文时间：2002.05.20

随着IT的发展，互联网正在经历从窄带往宽带发展的历程，但是，目前这一历程才刚刚开始，真正能实现宽带网际互联的网络离大家还有一段距离。即使在宽带网际互联时代，大家也不能忽略服务的本质特性：本地化和个性化。所有大型国际企业在实现全球化时都是以产品和服务的本地化为基础。因此，在相当长的时间里大家不应否认一定范围的宽带城域网具有很高的商业价值。宽带城域网并不意味着它们是一个个信息孤岛。有线电视网是标准的局域网络，就是这样的单向局域网络创造了一个产业，宽带城域网是有线电视局域网的一次进化，业务将相应从单向视频广播服务向宽带互动网络媒体服务进化。城域网的目标是在经济实用的网络平台上实现高质量的宽带交互式多媒体信息服务，做到真正的信息交互，资源共享，提高多媒体信息网的辐射面及影响力。

从二十世纪八十年代开始以太网就成为最普遍采用的网络技术，根据IDC的统计，以太网的端口数约为所有网络端口数的85%。1998年以太网卡的销售是4800万端口，而令牌网、FDDI网和ATM等网卡的销售量总共才是500万端口，只是整个销售量的10%。而以太网的这种优势仍然有继续保持下去的势头。

最早的以太网标准是在1985年发布的IEEE 802.3标准，所用的物理介质是两种同轴电缆（粗缆和细缆），1986年加入了无屏蔽双绞线（UTP），传输速率是10Mbps，所以称为10BASE-T标准。T是双绞线的意思。由于支撑10BASE-T的集线器和交换机工作十分可靠，使得这种技术和10BASE-T标准得到了迅速推广。这种标准支撑在共享介质上的半双工传输。并采用CSMA/CD协议来解决信息在共享介质上的冲突。

1995年，IEEE通过了802.3u标准，将以太网的带宽扩大为100Mbps。对于无屏蔽双绞线的标准称为100BASE-T。快速以太网除了继续支撑在共享介质上的半双工通信外，还支撑在两个通道上进行的双工通信。双工通信进一步改善了以太网的传输性能。另外，100Mbps以太网的网络设备的价格并不比10Mbps的设备贵多少。100BASE-T以太网在近几年得到非常快速的发展。

工作站之间用100Mbps以太网连接后，对于主干网络的传输速度就会提出更高的要求，1996年7月，IEEE802.3工作组成立了802.3z千兆以太网任务组，研究和制定千兆以太网的标准，这个标准满足以下要求：允许在1000Mbps速度下进行全双工和半双工通信；使用802。3以太网的帧格式；使用CSMA/CD访问控制方法来处理冲突问题；编址方式和10BASE-T、100BASE-T兼容。这些要求表明千兆以太网和以前的以太网完全兼容。1997年3月，又成立了另一个工作组802.3ab集中解决用五类线构造千兆以太网的标准问题，而802.3z任务组则集中制定使用光纤和对称屏蔽铜缆的千兆以太网标准。现在，802.3z标准已在1998年6月由IEEE标准化委员会批准。802.3ab标准计划已在1999年通过批准。千兆以太网共支撑4种物理介质，分别定义为802。3 1000BASE-X和802。3ab 1000BASE-T。1000BASE-X标准主要基于光纤信道的物理层。1000BASE-T则是为使用5类非屏蔽双绞线的千兆以太网制定的标准，最大传输距离为100米，可用于网络工作站之间的水平布线。

千兆以太网标准的制定和实现，为城域网提供了一种新的选择，下面大家就讨论基于千兆以太网的城域网构建方案。

一、 城域网络的设计原则

城域网络应该是一个灵活的、可以管理的、高带宽、高可靠性、先进的网络系统。设计方案应遵循以下原则：

1．高带宽

为了支撑数据、话音、视频等多媒体的传输能力，应大幅提高网络带宽，应实现从桌面至主干交换机各级网络设备全方位地消除网络瓶颈，尽量避免拥塞、显著改善响应时间，还应提供对服务质量的保障机制。

2．高可靠性

数据网络系统应采用可靠性高的产品和容错的网络结构，以使网络具有高度的可靠性。应采取多层次的冗余备份手段和技术，保证设备在发生故障时能在最短时间内恢复，以最大程度地保证网络的正常运转。

3．高安全性

应根据城域网管理制度和网络策略制定一套完善的安全政策，采用合适的技术手段，充分地保证网络的安全性。

第二层的安全性，可以通过基于MAC地址进行接入控制，甚至可以利用每端口VLAN来实现网络连接的安全性。

第三层的安全性，通过静态的ARP表，及第三层交换机访问列表（ACL），通过协议、网络地址、应用的端口号进行组合，形成安全的控制策略。

4．先进性

在技术上要到达当前的国际先进水平，要采用最先进网络技术以适应大量数据和多媒体信息的传输，既要满足目前的业务需求，又要充分考虑未来的发展。保证网络建成后3～5年不落后。应选用符合国际标准的系统和产品，以保证系统具有较强的生命力和扩展能力，满足将来系统升级的要求。

5．灵活性及开放性

网络系统应能支撑多种协议（IP、IPX、NetBios等），形成一个开放型的网络，支撑各种协议的互连。应能够根据网络的应用类型灵活地划分和管理虚拟网，支撑动态地跨区组建虚拟网，从而有效地隔绝各部分应用，减少不必要的网络流量。

6．易管理、易维护

由于城域网系统规模庞大，需要网络系统具有良好的可管理性，网络系统应具有监测、故障诊断、故障隔离、过滤设置等功能，同时应尽可能选取集成度高、模块化、可通用的产品，以便于管理和维护。

7.可扩展性

网络系统应具有良好可扩展性，随着业务的增长和应用水平的提高，网络应可平滑地扩展和升级，而不需要对网络和设备进行大的改动。

二、 利用千兆以太网构建宽带城域网的可行性分析

建立宽带城域网需要考虑以下因素：快速的传输速度、安全的访问控制和多媒体网络应用。

这些因素的解决均需首先从网络的平台入手，也就是说网络的基础入手，因此要根据网络小区的需求特点来设计网络的建设方案。

无论是企业网、城域网还是广域网，用户并不因地域的扩大而放弃所须的各种各样的应用，信息应用正以前所未有的速度发展，尤其是多媒体应用及数据应用对带宽和传输质量提出了更高的要求。网络的主要负载量是从边缘接入设备到核心设备的数据量交换，随着网络规模的扩大，应用信息交换量增加，使得网络的核心设备发生了拥塞，形成了瓶颈，扩充核心设备的吞吐能力、增加边缘设备到核心的数据通讯带宽是改善网络性能的关键。因此在设计城域网的原则上，首先应该考虑满足网络规模所要求的核心设备交换能力，以及边缘设备到核心的链路带宽。而且作为大型城域网所采用的解决方案应具有开放技术、支撑行业标准，以及保护用户的投资，提高设备的互操作性。网络方案要求采用主流技术、开放的标准协议，具有良好的互操作性，能够支撑不同厂商的多系列产品，减少设备的互连的问题。

随着千兆以太网成为标准，千兆以太网现日益成为当前主流的主干技术，为城域网建设提供了新的思想。1998年六月已经制定完成的第一个千兆以太网标准802.3z.以使用广纤线缆和短程铜线线缆的全双工链接为对象，针对半双工和远程铜缆的标准802.Ab于1999年六月正式确定。

采用千兆以太网的优势在于：千兆以太网提供10倍于快速以太网的传输交换性能，并与现有的10/100Mbps以太网标准、CSMA/CD协议完全兼容，同时千兆以太网支撑以太网、快速以太网的802.1QVLAN标准、802.1p优先级标准及802.3x流量控制协议，千兆以太网已成为构建网络主干的主流技术。

千兆以太网提供了完美的升级方案，可保护现有网络设备的投资。千兆以太网将保留802.3和以太网帧格式以及802.3受管理的对象规格，从而将使企业能够在升级至千兆性能的同时，保留现有的线缆、操作系统、协议、桌面应用程序和网络管理战略与工具。

千兆以太网相对于原有的快速以太网、FDDI、ATM等主干网解决方案，提供了另一条改善交换机与交换机之间骨干连接和交换机与服务器之间连接的可靠、经济的途径。网络设计人员将能够建立有效、高速、任务关键的应用程序和文件备份的高速基础设施。网络管理人员将为用户提供Internet、intranet城域网与广域网的更快速的访问。

千兆以太网比其它的主干技术具有更有效的带宽优势，并且具有良好的发展空间，10G以太网技术规范和标准已在制定中，基于以太网帧层及IP层的优先级控制机制和协议标准及QOS支撑技术日趋成熟，为高要求服务质量提供了保证基础。随着光纤制造和传输技术的进步，千兆以太网的传输距离可以达到几十里甚至百公里，因此千兆以太网成为了构建城域网的一种技术选择。

三、 宽带城域网络的结构设计

采用千兆以太网技术建造的城域网络小区网络主要包括三个方面：城域网络小区及城域网络的结构布线、城域网络小区网络的设计和城域网络互联的设计。在此方案中网络由两部分组成：城域网络小区网络部分（即园区内网络）和城域网络互联部分（即城域网络）。根据这两部分网络的需求和不同特性，将整体的网络规划为三个区域：核心层、骨干层和接入层

1．城域网络小区及城域网络的结构化布线?

在城域网络小区内及城域网络间铺设光纤主干，包括核心主干和二级主干，根据距离可以选择不同类型及型号的光纤及其它相关设备，并依据各区相距的距离选择光纤铺设结构：环形和网状星形。各楼宇内部铺设五类以上双绞线，在住户家中预留RJ45信息插座。

2．城域网络小区网络的设计：

城域网络小区网络的设计主要涉及接入层及与城域网骨干层的连接。

在城域网络小区接入层，网络的主要功能是为用户提供优质服务10/100M高速接入端口，并要求实现基于端口的安全性和提供端到端的QoS功能。

与城域网骨干层连接，需要出口设备提供卓越的管理功能和VLAN、IP子网络的收敛，为骨干层提供透明的接入层网络拓扑；将接入层用户高速地连接到数据中心的服务器，为服务提供高效的带宽，提供防火墙安全保证、优质的带宽和服务质量管理。

小区内可以依据铺设的光纤链路，确定网络的拓扑结构，形成自愈链路。

实现功能：为最终用户提供高密度的10/100M接入能力、实现园区内的VLAN在接入层的部署、采用千兆链路实现与骨干层骨干交换机的互联、实现多层交换，降低园区数据中心的路由负载、配合园区内数据中心，实现端到端的 QoS，支撑多媒体数据传输。

3． 城域网络互联的设计

此层涉及到整个网络核心层与骨干层，是城域网络的核心骨干。城域网的中心为树形的数据中心连接构架，即各小区的接入核心设备以树状星形连入城域网中心，进行数据交换。见图1。






图2 城域网中心树形的数据中心连接构架

1）。核心层

两台或多台高性能交换机，连接成星形网状拓扑或环形，提供高效的数据交换，提供到数据中心的高速、稳健的连接。

实现功能：采用千兆以太网技术，负责在园区与园区间提供高带宽无阻塞的网络互联，实现公共信息的共享、建立高速的、具备强壮冗余性的数据交换中心、保证各园区网络之间的安全性。

2）．骨干层

双冗余的高性能、高可靠性交换设备，提供千兆的上、下行传输速率，与接入层和核心层星形网状相连，提供链路及路由的冗余性。

实现功能：采用千兆链路实现与核心层的骨干互联、采用千兆链路实现与接入层的骨干互联、连接园区内各应用服务器及相关数据中心、为园区内用户提供高性能无阻塞的数据交换能力、实现园区内的VLAN部署，提高园区内数据交换的安全性与灵活的可管理性，在园区内实现多层数据交换，并提供数据流量与安全的控制管理功能、实现QoS，支撑多媒体数据传输、提供骨干链路的冗余。

四、 宽带城域网的系统应用

城域网的目标是在经济实用的网络平台上实现高质量的宽带交互式多媒体信息服务，做到真正的信息交互，资源共享，提高多媒体信息网的辐射面及影响力。其主要应用有如下几个方面，即：信息服务、物业管理、通讯接入网。

1．信息服务

城域网络小区的信息服务是向园区内每一个家庭或连接入城域网的企业提供公共信息服务的系统。随着信息技术和计算机网络技术等高科技的迅猛发展与广泛普及，将会有越来越多的家庭通过Internet/Intranet来获取信息和资讯。作为一个现代化的城域网络小区向社区内广大居民家庭提供综合信息的资讯服务，将是城域网络小区必须建立的服务设施。通常提供的信息与资讯服务包括以下几个方面：

（1） 高速Internet接入；

（2） 提供高效服务的数据中心，包括应用服务主机托管和大容量存储与统计数据库应用；

（3） 安全可靠的企业级VPN；

（4） 娱乐，包括视频点播（VOD）和交互游戏；

（5） 资讯，包括资讯、财经、股市商情服务和政府政策与法规；

（6） 商业服务，包括电子购物、网上银行和餐引服务；

（7） 教育，包括函授课程及网上学校；

（8） 医疗保健，包括远程疾病诊断与会诊、网上医院及预约门诊和保健咨询。

2．物业管理

现代化城域网络小区的文明建设是建立在社区内的公共物业管理现代化的基础之上的，通常包括：园区内集中的安全防范综合管理、实施对园区内公共的机电设施进行集中监控和管理、园区房产与承租户管理、园区内家庭三表（电表、水表、煤气表）计量与统计。

3．通讯接入网

城域网络小区的通讯接入网是建立智能化家庭、园区综合管理中心和外界广域网进行信息交流的纽带，园区通讯接入网是城域网络小区最基本的投资项目之一，园区通讯接入网的实施方案直接关系到园区开发商的投资费用和今天园区在通讯与网络方面的现代化程度，以及提供综合信息与资讯服务的能力。因此必须建好通讯接入网。

传统以太网技术不属于接入网范畴，而属于用户驻地网（CPN）领域。然而其应用领域却正在向包括接入网在内的其它公用网领域扩展。利用千兆以太网作为城域网络小区接入手段的主要原因是：（1）以太网已有巨大的网络基础和长期的经验常识；（2）目前所有流行的操作系统和应用都与以太网兼容；（3）性能价格比好、可扩展性强、容易安装开通以及可靠性高；（4）千兆以太网具有数据高速传输和高带宽的特点，并且千兆以太网接入方式与IP网很适应。

由于网络采用了目前最先进的千兆以太网来构建，保证了整个网络的先进性及高吞吐量，随着光纤制造和传输技术的进步，千兆以太网的传输距离可以达到几十里甚至百公里，因此千兆以太网必将成为了构建城域网的一种技术选择。

关于编辑

邓永红,湖南省邵阳电视台技术部主任 、硕士、高级工程师;您可以通过Email:dyhyd@mail.china.com与编辑联系.