寬帶IP城域網建設中的典型問題

2019-11-03 09:08:46

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袁捷中京郵電通信設計院　　摘要當前運營商的競爭重點從骨干向用戶側轉移，城域網得到了蓬勃發展。本文通過對城域網承載技術選擇、LAN接入、MPLS在城域網中的應用、建設可盈利的寬帶網絡等進行討論，探討了寬帶ip城域網建設中的典型問題。

關鍵飼寬帶 IP 城域網

1 概述

　　當前網絡建設熱點逐步從骨干向用戶側轉移，城域網在整個電信網絡中的作用也越來越重要，運營商的競爭重點正在從骨干網轉向城域網，建立高效經濟的支持多業務的城域網已經成為各運營公司的共同目標。

　　同時，城域網的業務主體也正在發生深刻變化，業務類型從單純的TDM為主、2Mbit/s為顆粒向數據業務為主、寬帶接口過渡，如何進行有效的規劃，保證從過去單純滿足話音傳輸為主，相對靜態的網絡過渡到支持多業務、動態可擴展性強的網絡是各個運營商都關心的問題。

1.1 需要明確的概念

　　城域網本來是一個計算機網概念，最初產生于局域網互聯和數據新業務發展的需要，在1990年成為IEEE所規范的一種覆蓋城域范圍的特定新型計算機網絡，正式形成并成為分布式排隊雙總線（DQDB）的IEEE 802.6標準。以后隨著形勢的變化逐漸發展成為各類不同背景新興運營公司的區域性多業務通信網，傳統電信運營公司也開始在其相應的局間中繼網范圍大量建設類似的多業務區域性通信網，近年來城域向已經成為社會和業界關注的熱點和競爭點。

　　數據專業和傳輸專業談論的城域網并不是同一個主體，一個從數據組網考慮（如路由器、三層交換機的配置），一個從傳輸節點考慮，綜合各種業務的接入和承載。為了對二者加以區別，本文分別稱之為城域傳送網和城域數據網，這二者共同構成城域網建設的主要內容。

　　城域傳送網是本地傳送網覆蓋中心城中的部分，也是本地傳送網在城市區域的具體表現，負責為同一城市內的交換機、基站、路由器等業務節點提供傳輸電路。城域傳送網具有適應多種業務需要、業務需求密集、業務量大等特點。

　　由于城域數據網的概念是在計算機局域網、電信傳送網和Internet得到很大發展，并在IP over Everything和Everything over IP提到研究日程以后提出的，因此一開始就對其提出了高速、綜合業務、寬帶、光纖連接和適用于傳送IP業務等較高的建網條件。

1.2 城域網層次劃分

　　城域網的層次劃分可以從兩個方面來分析，縱向和橫向劃分。所謂縱向劃分是按照所對應的個同網絡分層加以區別，比較常見的是分成傳送網和業務網，傳送網是業務網的物理承載平臺，應該適應不同業務網的相關需求。

　　橫向劃分時，常把城域網分為3層結構：核心層、匯聚層和接入層。值得強調的是城域網的層次分為3層并不是固定的，這與城市規模、業務類型等一系列因素都有關系。在中小城市，則可以簡化為兩層，只有核心層、匯聚層（匯聚層和接入層綜合在一起）；而在另外一些城市，可能匯聚層與核心層集成在一起，只有核心層（匯聚層）與接入層。運營商根據自己的網絡規模、業務分布來決定網絡的層次。

　　另外，隨著城域網網絡規模的擴大，其接入層面與客戶網絡有了越來越多的重疊，接入網絡有被邊緣化的趨勢。特別是在激烈的競爭區域，后來的運營者對于商業大廈、寫字樓等大用戶，將光纖延伸至大樓，直接與企業的LAN相連，從而使城域網接入部分等同于客戶網絡。

　　城域網建設涉及當前網絡技術的許多方面，全面地對其進行分析是難以辦到的，本文僅對寬帶IP城域網建設中經常遇到的幾個問題做出一定探討。

2 IP城域網承載技術選擇

　　城域數據網是以城域傳送網作為承載平臺的，討論城域傳送網技術的一個重要的原因在于傳送網所面對的業務主體發生了變化。目前隨著各種寬帶業務的出現，城域傳送網所面對的客戶信號不再只是電話TDM業務，其中IP網絡的應用是10年前所無法預料的，出現了LAN的互聯、計算機海量存儲系統的備份等許多新業務，許多客戶要求提供利用之層技術構造VLAN或VPN網絡，而這些接口是目前傳送網很難提供的。

　　由于目前討論城域傳送網技術的文獻比較多，本文只對其中幾種典型技術做一個簡單的比較。

2.1 基于SDH多業務傳送節點（MSTP）

　　基于SDH多業務傳送節點（MSTP）是目前廣泛應用的產品。為了適應城域網多業務的需求，SDH從單純支持2Mbit/s、155Mbit/s等話音業務接口向包括以太網和ATM等多業務接口演進，將多種不同業務通過VC或VC級聯方式映射入SDH時隙進行處理。SDH多業務節點將傳送節點與各種業務節點融合在一起，各廠商只是融合程度不同。

　　MSTP的出發點是將2層或3層的功能作為SDH附加功能來支持完成的，其對2層或ATM層處理都是與SDH處理相分離的，但都可以映射到SDH的VC時隙進行重組成交叉到群路接口。從功能上看，MSTP除了具有SDH功能外，還具有2層MAC層功能和ATM功能。

　　MSTP比較適合于已經敷設大量SDH網的運營公司，它可以方便有效地支持分組數據業務，實現從電路交換網到分組網的過渡，適合支持混合型業務量特別是以TDM業務量為主的混合型業務量，同時可以保證網絡管理的統一性。

2.2 基于彈性分組環（RPR）技術

　　正在由IEEE 802.17工作組制定的RPR技術，吸收了吉比特以太網的經濟性、SDH系統50ms環保護特性。RPR采用類似以太網的幀格式，結合MPLS標記，基于MAC高速交換，簡化IP前傳。RPR技術可以支持更細致的帶寬顆粒，網絡成本較低，可以承載具有突發件的IP業務，同時支持傳統語音傳送，有比較好的帶寬公平機制和擁塞控制機制。RPR壞是在整個環上實現公平機制而不是在單獨鏈路上，容易實行全局的公平機制。服務供應商可以利用源節點發送數據包的速率來控制上游節點和下游節點的速率。帶寬策略允許在無擁塞的情況下，把環上任意兩個節點之間所有的帶寬分配給這兩個節點，沒有SDH那種固定電路系統的不靈活性，同時又比點到點的以太網更加有效。

　　目前RPR的標準化尚未完全完成，其中的一個重要問題是對時鐘的透明傳輸，RPR同步機制與SDH不同，必須確保TDM時鐘可以透明傳輸到對端。第二個挑戰來自RPR定義的是一個環網結構下的技術，無法工作在復雜的網絡環境下（甚至是環間互聯），而實際的城域網絡環境則是十分復雜的。

　　RPR技術適合于以數據業務為主、TDM業務為輔的網絡，其應用范圍將逐漸擴大，適合于新建網絡。

2.3 基于WDM的城域網

　　WDM技術不僅提高光纖利用率，而已在業務信號復雜多變的城域網中，對信號具有透明性，它可以對從不同設備出來的信號不進行速率和幀結構調整，直接進行透明傳輸。這可給用戶、特別是租用波長的用戶以最大的靈活性。同時，不同波長間的信號互不干涉，每個波長都可以進行自己的靈活上下，城域傳輸網采用WDM技術主要應用于城域骨干網。

　　城域OADM環網可以承載大量客戶的多種協議和多種速率的業務，每個波長承載一種業務的方式將很快耗盡波長，為提高每個波長的帶寬利用率，應盡量避免低速率業務單獨占用一個光波長通道。一種新興的經濟有效的方法是將多個低速率客戶信號復用到一個波長信道中，該技術被稱為子速率（或子波長）復用，從而實現了每個波長多種業務。這種子速率復用器降低了城域網WDM系統的應用門檻，可以直接容納低速率的信號，給組網帶來了靈活性。

　　WDM環網解決了兩個重要問題，光纖短缺和多業務的透明傳輸。成本是限制其應用的重要因素，目前它主要用來保護那些SDH還無法保護的業務，如ESCON、Fiber Channel等。

2.4 傳送網技術比較

　　MSTP比較適合于已經大量敷設了SDH網絡的運營公司，可以方便有效地支持分組數據業務，實現從電路交換網到分組網的過渡，而SDH與RPR的結合更是增強了它對數據業務的支持。在MSTP上實現RPR對以太網業務支持是一種很好的解決方案，將兩者的優勢結合起來。對于傳統運營商，基于SDH多業務傳送節點應是其應用重點。

　　RPR技術適合于以數據為主、TDM業務為輔的網絡環境，可以作為中小城市組網的手段，特別適合下新運營商在競爭區域開展業務。但是它僅支持環網結構和相對簡單的網管系統，限制了它在更大范圍的應用。

　　城域WDM技術的最大挑戰來自成本，隨著電信市場競爭的加劇和業務類型的增加，在城域網內光纖短缺將越來越普遍，而WDM應用的概率也大大提高，但維護的復雜性、成本依然是它大規模使用的限制因素。

　　城域網最大的特點是多樣性，每種技術都有其應用空間，我們不能簡單地以一種方式來決定各個地區城城網的發展，應根據城市規模、業務類型、用戶分布等選取合理的技術，并充分考慮與業務層的配置關系，考慮兩個層面的協調，同時發揮網管系統的強大能力，真正實現城域網內靈活的電路調度和端到端管理。

　　綜合上述比較，本文認為在現階段寬帶IP城域網建設中，MSTP是一種較好地平衡了多業務承載需求和投資成本的承載方案。

3 FTTx＋LAN方式接入城域網

　　建設寬帶IP城域網目的之一是為用戶提供快速方便的寬帶接入服務，而城域數據網本身的多業務特性決定了其接入技術的多樣性，每個運營商都根據自身特點提出了不同的解決方案，例如ATM多業務接入、xDSL、FTTx＋HFC、FTTx＋LAN、LMDS等，其中FTTx＋LAN方式為許多運營商所看好。本文認為有兩方面的原因，一方面以太網技術非常成熟，應用非常普及和方便，價格也較為便宜；另一方面，伴隨著寬帶網絡建設浪潮，商業用戶包括大中企業、高檔寫字樓、賓館、政府機構、學校等的網絡接入需求急速增加，而這些用戶相對集中且接入端口很密集，可以通過LAN交換機提供高密度的網絡連接方案，從而能以最少的投資實現商業用戶的寬帶接入。

　　目前以太網接入技術得到了廣泛的使用，但隨著業務開展的不斷深入，對網絡建設也提出了更高的要求，以下對FTTx＋LAN接入方式中幾個值得關注的問題進行討論。

3.1 用戶信息安全

　　用戶信息安全問題一直是IP網絡中的討論熱點。在網絡建設初期，用戶對安全性可能要求不高，但隨著用戶數量的不斷上升和使用的業務種類不斷增多，用戶將會越來越多地考慮到信息的安全性。

　　為保證用戶數據的安全和用戶的隱私，必須要滿足每個用戶之間的互相隔離，可供采用的技術一般有：

（1）基于端口的VLAN：基于端口的VLAN是以一個單獨用戶或一個特定的用戶群為一個VLAN，從而實現相互之間的隔離。但是一個基于端口的VLAN的缺點就在于它的擴展性是有限的，一般的交換機難以支持大量的VLAN數量劃分，對以后的網絡擴容和用戶急劇增加顯得無能為力；另外一點是目前有一些寬帶的接入服務器及其它的類似用戶接入管理設備都不支持基于VLAN的PPPOE撥號；

（2）Uplink隔離：Uplink隔離是把屬于相同VLAN中的一個交換機端口作為上聯端，有了這個上聯端口，交換機會把左右的廣播包及未知目的地址的Unicast包都傳送到這個上聯端口那里，而不會再廣播給任何其它端口。這樣就避免了用戶用類似網絡鄰居或者其它廣播的方式發現對方，也避免了小區和接入端所出現的不必要或惡意的廣播風暴，保護了網絡的安全；

（3）MAC過濾：當一個交換機接收到一個需要交換的第二層數據包時，它會首先檢查包的內容，然后和事先定義好的MAC過濾表相比較，如果該包與MAC過濾表的項目吻合，則交換機將允許該包通過，否則丟棄。采用該技術的缺點是操作不靈活，并且維護成本較高。

（4）訪問控制：對用戶間的隔離除了采用以上技術外，還可以結合基于第二層的路由ACL控制，保證用戶之間在IP層也無法聯通，這樣就可以進一步提供用戶的安全。

3.2 IP地址分配與網絡地址轉換

　　IP地址資源問題一直是Internet建設中的難題之一，而當前的寬帶IP城域網中，由于處在建設初期，用戶量不大，大多采用公有IP地址。隨著寬帶城域網的建設，這個問題有可能會變得更為嚴重，因為寬帶網絡的用戶可能是永遠在線的，特別是包月制情況下。用戶規模擴大之后，地址空間較為緊張，一般都采用私有IP地址。但即使如此，也應該考慮到IP地址資源是非常有限的，隨著網絡規模的不斷擴大與用戶數量的急劇增長，很快會耗盡。因此建議用戶IP地址通過動態分配方式進行分配（可以是私有地址也可以是公有地址）。用戶訪問網絡資源時，從IP地址池中歷史申請到一個地址，使用完后再歸還到地址池中。而IP地址池可以位于客戶管理系統上，也可以集中放置在RADIUS服務器上。

　　由于高速接入Internet是寬帶城域網的主要業務。而進行Internet訪問時，用戶必須使用全球唯一的IP地址，因此寬帶IP城域網建設中如果采用了私有IP地址。運營商應該保證其用戶在使用私有IP地址時同樣可以接入Internet，解決方法就是采用專門的IP地址轉換設備或采用帶NAT插卡的客戶管理系統，將私有IP地址轉換成運營商自己的公開IP地址，從而可以進行統一的Internet尋址。

3.3 用戶認證與計費

　　運營商建設網絡的根本目的在于能夠通過網絡運營為用戶提供服務而獲取高額利潤，因此必須對使用網絡的用戶按照一定的原則進行計費。而最簡單的計費方式就是包月制，在網絡建設初期廣為采用，但隨著業務市場不斷發展，由于用戶的需求不一，這種方式將難以適應市場需求，網絡必須能按照用戶使用資源的情況進行計費，支持按時長、按流量、包月制等多種計費方式或針對不同的策略進行計費的功能，以滿足城域網不同用戶的需求。要做到這一點，就必須首先能夠對使用網絡的用戶進行身份認證，以防止非法用戶的盜用。對于目前流行的PPPoE和DHCP＋認證方式，其主要區別如下：

（1）PPPoE接入設備要同主機在同一個二層網絡內，以便主機通過廣播發現PPPoE接入設備，而DHCP＋可以跨越第三層；

（2）即使在PPPoE撥號認證成功后，接入設備也是通信必經的下一跳路由，如果PPPoE接入設備性能較低，很可能成為網絡瓶頸；而DHCP＋的服務器由于只用于配置信息獲取階段，所以基本個會成為瓶頸；

（3）在計費上，PPPoE既可以計時，也可以計流量；DHCP＋只能計時（如需計流量則必須在用戶接入處配置可以計流量的交換機）；

（4）PPPoE可以對用戶通信進行速率限制，且很多設備可以做到上，下行不對稱；DHCP＋設備不能提供此功能；

（5）PPPoE設備可針特定用戶設置訪問控制列表、過濾或防火墻功能；DHCP＋不能做到。

　　通過比較可以看出，PPPoE和DHCP＋兩種認證方式各有利弊，應在實際運營中根據用戶需求靈活使用。

4 MPLS技術在城域網中的應用

　　MPLS技術自從誕生以來，一直受到運營商的廣泛關注，作為寬帶IP網絡的重要組成部分，如何在城域網范圍內部署MPLS也是經常被討論的議題。有人認為，在城域網中引入MPLS后，可以利用其提供的流量工程、服務質最保證，MPLS VPN等新功能，實現類似與幀中繼、ATM的服務質量，是未來三網融合的關鍵技術之一，可以使IP網從“無連接”向“有連接”過渡，實現“電信級”的下一代IP城域網。

　　但從目前國內各個運營商城域網建設情況看，部署MPLS技術的案例尚不多見，究其原因，本文認為各運營商城域網大多處在發展初期，網絡結構簡單，業務也較為單一，暫時沒有迫切市場需求；同時，運營商所面臨的另一個主要問題是MPLS技術本身還需不斷發展完善，這里僅舉個網絡傳輸效率的例子。

　　傳統的IP動態路由協議總是選擇最短路徑轉發IP包，可能造成在兩個節點之間沿著最短路徑上的路由器和鏈路可能發生了擁塞，而沿較長路徑的路由器和鏈路卻是空閑的。MPLS的一個重要應用是做流量工程，把MPLS應用于一對入口和出口LSR之間配置的多條路徑，允許入口LSR把流量分配到不同的LSP上。在理想情況下，可以使得入口交換機使用全部網絡資源，在到同一出口的不同路徑上公平地裝載流量。

　　目前IP網上的絕大多數流量是基于TCP流的應用（超過90％），而基于TCP的應用是一種彈性業務，也就是說，TCP會根據網絡的擁宰情況，動態調整發送數據包的速率，以適應網絡的擁宰情況：如果判斷網絡發生擁塞，則快速降低發送速率；否則緩慢提高發送速率。

　　現在的問題是，如果高層應用是基于TCP擁塞控制機制的，而又運行在已經啟用了MPLS流量工程的網絡上的話，高層的TCP和低層的MPLS都會對擁塞做出反應，這時無論是TCP還是MPLS流量工程都已經很難對路徑是否“過載”做出比較準確的判斷。還有一個問題是，如果流量工程選擇了另一條LSP，則可能會同為路徑的改變而導致TCP重排序的可能性的增加，相當程度上降低TCP的效率。

　　當然，以上情況只有在部署了MPLS TE且發生鏈路擁塞的極端情況下才可能出現，目前還沒有看到其對網絡影響的詳細評估。勿庸置疑，MPLS技術仍具有極大的優越性并在不斷的完善之中，其中主要的優點就是采用了類似標記交換和IP交換的方式，相對簡化轉發處理，提高IP包的轉發效率。但從類似例子中我們不難發現，對于當前不斷產生的新技術、新業務，運營商不僅應該及早跟蹤，還應結合自身網絡實際情況和客戶需求，力爭選擇最成熟的介入時機，既要盡早占領業務市場，又要使新技術很好地服務于業務需求，以獲取最佳投資效益。

5 建設可盈利的寬帶城域網

　　現在有這樣的觀點，城域網如果建設不當會成為像互聯網那樣的泡沫，其實我們能夠看到，一切對于城域網的擔心無非歸結為一點，即能否有吸引到用戶的寬帶內容和服務，事實上運營商也是看到這樣的情況，才不斷與大量ICP、asp等結成合作伙伴關系，形成互利的價值鏈，并且要建立一個支持開放接入、安全、可擴展的平臺。

　　由于國內電信市場日趨理智，運營商在網絡建設中成本意識不斷增強，堅持市場與效益并重的原則，在網絡建設之初必須考慮業務收益。建設可盈利寬帶城域網首要解決的問題是正確定位客戶群，發現利潤區，培養和構建價值鏈。

　　定位客戶群，首先要區分高價值用戶和普通用戶。粗略來看，寬帶城域網用戶包括商業用戶和個人用戶，商業用戶包括大、中小企業、高檔寫字樓、賓館、政府機構、學校等。個人用戶可進一步分類為家庭用戶，管理、商務、技術人員、工人、學生等。不同的用戶群對有償服務的價格敏感程度大相徑庭。大多數商業用戶對價格的敏感程度較低，而對服務質最要求較高，對新業務的要求比較保守，習慣于接受成熟的業務。而個人用戶大多對價格敏感，但他們敢于嘗試各種新業務，對服務質量要求相對不高。

　　發現利潤區是在細分客戶群的基礎上，對特色業務進行分類。例如，可以將寬帶城域網中開展的互聯網業務進一步細分為告通家庭低速上網（炒股、在線小游戲）業務、新建小區高速上網業務、網吧業務、辦公上網業務等。不同業務對設備的要求不同，客戶群的數量也不同，運營商得到回報和利潤也不同。為此，可以根據調查結果，進行投資回報分析，為調整業務重心和增加運營商盈利提供參考。

　　建設可盈利寬帶城域網的另一重要方面是培養和構建合理的寬帶價值鏈。個人用戶互聯網通信經歷了從渴望連接到渴望帶寬、再到渴望內容3個階段，由于寬帶城域數據網在城市范圍內具有帶寬充裕、網絡結構相對簡單、網絡時延低的特點，隨著人們在城市內通信需求的增加，使得本地范圍內的視頻廣播級的流媒體等高帶寬服務獲得了比廣域互聯網上更好的發展條件。但傳統互聯網內容服務以免費為主，目前基于寬帶技術的新興業務，如IP話音，網上電臺廣播，音樂點播甚至視頻服務也有免費傾向，至今寬帶網的良性經濟價值鏈尚未建立。

　　簡單來說，本文認為運營商必須在建網之初就對客戶群進行細分，發現利潤區，與內容服務商緊密結合，有針對性地提供網絡服務，建立良好的盈利模式。

　　建設可盈利的寬帶城域網，還要求運營商打破一步到位的建設模式，事先制定持續發展的統規劃，分階段、分步驟逐步實施，邊投入邊產出，逐步實現和形成立帶城域網建設、業務滾動發展和價值鏈的良性循環。這樣既可減少一次性投資過大的問題，又可根據業務的開展動態調整建設節奏和規模，最大程度地降低投資風險。

6 結束語

　　總之，相對傳統本地網而言，城域網的業務個體發生了深刻變化，具有業務種類多、流量變化大等新特點，其應用技術與面對的問題都呈多樣化。在寬帶IP城域網建設的規劃設計中，應結合運營商自身網絡基礎和業務發展重點，明確企業利潤所在，最大程度地滿足終端用戶需求，同時堅持市場與效益并重的某本原則，合理選擇技術方案，分步完成網絡建設，實現業務滾動發展和價值鏈的良性循環。

摘自《電信工程技術與標準化》

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