电信级以太网的崛起

发布: 2010-10-23 09:33 | 作者: 韦乐平 | 来源: | 字体: 小中大

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摘要　本文首先分析了当前城域网的主要问题以及对下一代城域网的基本要求。接下来，重点总结了城域电信级以太网的主要特征和几种新型城域电信级以太网的发展。

一、城域网的主要问题与下一代城域网的基本要求

　　当前城域网的主要问题首先是带宽瓶颈。在其用户侧，由于低成本吉比特以太网的出现和发展，企事业的局域网的速率上了一个大台阶。普通宽带接入网的大发展以及IPTV等宽带新业务的发展使接入带宽提高了几十倍。在其长途网侧，由于WDM技术的发展，容量已经扩展了几个量级，达到太比特每秒量级。中间的城域网/接入网已经成为全网的带宽瓶颈。其次是存在多个重叠的网络。一方面，目前多数运营公司通过SDH和电路交换机提供语声和专线业务，而通过SDH和分离的ATM/FR、IP/以太网提供各种数据业务，分离的网络往往需要分离的网路设备、网管系统和人员以及不同的计费系统。出于惯性思维、组织架构的限制以及仅仅减小每次升级的短期初始成本考虑，这种分离的网络发展模式仍在继续。但从整体和长远看，随着网络规模越来越大，无论初始成本还是运行成本都将更快地增加，业务提供也将更加耗时费力。另一方面，在分离的网路模式中，用户必须通过不同的接入技术和线路来获取不同的业务，不仅麻烦，而且成本高。再有，企业用户正从简单的原始带宽连接要求转向更加个性化的业务剪裁要求以适应特定的应用，网络需要支持复杂的二层和三层功能，只用一种业务模式将会减少收入且无法锁定用户。第三，目前城域网的二层扩展性受限于VLAN数限制（4096），具有不必要的三层环节，网络质量也不适合支持大规模的VoIP和IPTV等新业务的开放。简言之，城域网不仅成为全网的容量瓶颈，而且也成为全网进一步发展，特别是新业务拓展的瓶颈。

　　对下一代城域网的基本要求大致可以总结如下：

　　（1）希望采用单一公共平台支持多协议多业务，中间层次最少；

　　（2）希望网络的拓扑架构和容量具有灵活的扩展性；

　　（3）具有一定透明性，能适应各种现有和将来可能出现的协议和业务；

　　（4）可以跨越多个网络层面，实现快速业务指配；

　　（5）集成的、标准的、易用的网管系统；

　　（6）低成本；

　　（7）继续可靠有效地支持以传统语声业务为代表的实时业务；

　　（8）能平滑有效地支持从电路交换网向分组网的过渡，将来则应该对IP传送最佳。

　　当前，城域网多业务平台的解决方案很多，分类方案也很多。从技术焦点看，多种技术解决方案争论的实质是核心网技术与用户驻地网技术阵营在城域网领域的竞争。一方面，代表典型核心网技术的SDH和路由器，或者说代表面向连接的TDM和路由MPLS技术在不断改进，增强数据支持能力，向网络边缘拓展，争夺二层交换机市场。另一方面，代表用户驻地网技术的以太网，或者说代表无连接技术的以太网也在不断改进和创新，增强电信级的性能和功能，向城域网扩展，压缩SDH和路由器的市场。可以预计在未来几年将是运营商决定两者之间合理分界的关键时期，其主要考虑因素有新业务需求、客户类别、技术复杂性、组网成本、投资风险和现网基础等，没有一个简单的现成解决方案可以满足所有要求。但是可以预料到的基本趋势是：电信级以太网技术将会大量侵蚀传统SDH和路由器在城域网接入汇聚层的市场，而MPLS技术也将随着VPN和IPTV等新业务的开展向城域网边缘拓展。

二、城域电信级以太网的主要特征

　　传统上，以太网技术属于用户驻地网（CPN）领域。多年来，对于企事业用户，以太网技术一直是最流行的方法，全球已有超过10亿多个以太网交换端口，以太网端口占全球销售数据端口的95%以上，目前已成为仅次于供电插口的第二大住宅和办公室公用设施接口。据Infonetis Research 2006年的统计和预测，全球2005年的以太网业务市场为59亿美元，2009年可达225亿美元，成为电信运营商重要的业务增长领域。

　　采用以太网作为企事业用户接入手段的主要原因是已有巨大的网络基础和长期的经验知识、目前所有流行的操作系统和应用也都是与以太网兼容的、初始成本和运营成本均较低、扩展性好、容易安装开通以及高可靠性等。以太网接入采用异步工作方式，很适于处理IP突发数据流，技术已有重要变化和突破，与传统的以太网相比，除了名字以外，仅剩的特征只有帧结构和简单性仍然保留，其余基本特征已有根本性变化。以太网的扩展性也很好，可以迅速按需以1 Mbit/s的带宽颗粒逐步提供所需的带宽直至1Gbit/s，10Gbit/s以太网系统也已经大量应用。也就是说，容量可以从10Mbit/s一直扩展到10Gbit/s而不会影响诸如三层选路和层4到层7智能，包括QoS、CoS、高速缓存、服务器负荷均衡、安全和基于策略的联网能力等。

　　然而，原来以太网毕竟是用于局域网的，为了将其用于公用电信网环境，电信级以太网的概念应运而生，其基本思想是结合传统以太网的简单、低成本和下一代SDH网的高性能、可靠性和电信级网管。总的看，城域电信级以太网可以大致归纳为具备以下6个主要特征，即扩展性、QoS、可靠性、安全性、电信级管理、标准化。

　　所谓扩展性指能够在城域网乃至广域网等很大地理范围内服务百万级用户的能力。企业级以太网和采用Q in Q方式的早期电信级以太网难以达到这一要求。另外，以太网中光纤线路成本随节点数的增加而迅速增长，其网络成本对于复杂的大型电信级网络是否合算还是个未知数。

　　QoS要求包括各种电信级网络性能指标的要求。在局域网范围，QoS不是个问题，当扩展应用到公用电信网时需要提供随用户而异的QoS和SLA机制，而传统以太网没有机制能保证端到端的抖动、延时和包丢失性能，无法提供实时业务所需要的全网范围的标准QoS指配能力以及多用户共享节点和网络所必须的用户认证和计费统计能力。例如传统以太网没有内置保护功能，主要靠路由器来实施保护，需要大约至少1秒的时间才能使数据流重新定向，使以太网无法传送电信级的语音数据流。可靠性包括5个9的设备可用性要求，各种级别的设备插板和芯片级的备用冗余能力，50ms的保护倒换时间要求等。这些设计要求对于传统用于低成本的局域网领域的以太网设备和早期电信级以太网设备来说都难以全部提供或保证。

　　以太网原来是为局域网企事业用户内部应用设计的，缺乏安全机制保证。即便有需求也是由高层协议来处理。以太网也不能象SDH那样分离网管信息和用户信息，安全性不如SDH网。当扩展到MAN和WAN以后，将有大量的终端用户由同一个基础设施服务时，上述利用高层协议的处理方法就无法接受了，需要开发新的安全和加密机制，例如最起码可以支持VPN和防火墙，能有效隔离其承载的各种业务网，确保网络安全等。

　　电信级管理包括一系列严格的涉及多个层面的OAM功能要求。以太网原来主要用于小型局域网环境，OAM&P能力很弱，且目前只有网元级的管理系统，其管理工具不足以支持公用电信网所必须的网络范围的管理和视野。另外，以太网交换机的光口是以点到点方式直接相连的，不具备内置的故障定位和性能监视能力，使以太网中发生的故障更难以诊断和修复。而在公用电信网中，必须有效地运行和维护大规模的地理分散的网络，需要有很强的OAM&P能力和端到端的网络级管理能力和视野乃至商务赢利模式，这些都需要重新开发。

　　标准化包括网络和业务层面的标准化程度，前者涉及网络架构、接口和协议的标准化，后者涉及标准化的业务传送，包括以太网专线（EPL）、以太网虚拟专线（EVPL）和以太网局域网（E-LAN）等以太网业务的定义和平滑的业务互通功能等要求。

　　总的看，只有妥善地解决了上述主要问题后，传统以太网才能顺利地应用于大型公用电信网环境。况且，多数网络运营商也不会轻易另建一个以太网来分流自己的高利润SDH和E1业务的。

三、新型城域电信级以太网的发展

　　近来，电信级以太网的发展很快，一些最新的技术解决方案已经解决或接近解决了上述问题，具有硬QoS能力和电信级网管能力，已能提供50ms的保护倒换时间，有些技术还采用了数字包封器，利用前向纠错（FEC）和同步技术来改进系统性能，延伸传输距离。简言之，一些新型电信级以太网技术正逐渐具备公用电信网所要求的必备功能和性能。

　　3.1　EAPS

　　以西门子提出的以太环保护（ERP）为代表的以太网自动环保护系统（EAPS）是一种新的低成本电信级以太网解决方案。这种技术解决方案在现有标准以太网硬件基础上，结合应用Q in Q封装和增强的QoS能力，从而提供了一种低成本技术。其最大的特点是只需要在现有以太网上进行软件升级即可，因此成本最低，与传统以太网的兼容性最好。其次，ERP可以提供50ms的电信级保护倒换时间，有两种故障检测模式。第一种是告警模式（快速模式），第二种是抽样模式（检测包模式）。再有，ERP可以与传统以太网和MPLS的保护机制实现互操作。与其它保护机制最大不同是，ERP可以为组播业务提供保护而无需在环上分配额外的容量，环上的所有容量都可以用来承载受保护的组播流量。

　　然而，这类技术并没有完全摆脱Q in Q的局限性，环上的远端节点经过调度次数多，丢报概率大，扩展性受限。其次，EAPS只能环形组网，灵活性受限。再有，这类技术也不具备公平性算法，不太适合宽带上网等流量大、突发较强的业务，容易存在设备间带宽不公平占用问题。最后，为了规避专利，目前这类技术各厂家的实现方法不同，互操作困难。

　　除了上述Q in Q（SVLAN）及其增强技术EAPS外，各种标准化组织和厂家开发了很多新型电信级以太网技术，诸如弹性分组环（RPR），多业务环（MSR），MAC in MAC封装，网络提供商骨干传送（PBT）技术，虚拟专用局域网业务（VPLS）等等。下面简要介绍两种主流的适合城域联网的新技术——MAC in MAC/PBT和VPLS。

　　3.2　MAC in MAC和PBT

　　所谓MAC in MAC封装遵循IEEE 802.1ah标准。其基本思路是将用户的以太网数据帧再封装一个运营商的以太网帧头，形成两个MAC地址。其中用户的MAC地址存储在运营商的以太网帧中，核心网并不清楚。可见，MAC in MAC封装方式具有清晰的运营网和用户间的界限，完全屏蔽了用户侧的信息，减轻了用户MAC地址对核心网转发表的压力，解决了网络安全性问题。其次，MAC in MAC封装具有清晰的层次化结构，在运营商域的MAC帧头具有24bit业务标签，理论上可以支持1600万用户，从根本上解决了网络扩展性和业务扩展性问题。第三，由于运营网与用户网隔离，从而也规避了用户网中可能发生的广播风暴和潜在的转发环路问题，使网络具有健壮性。第四，由于运营商无需担心运营网的VLAN和MAC地址与用户网冲突，因而简化了网络的规划和运营。第五，MAC in MAC采用二层封装技术，无需复杂信令机制。另外，由于运营网的以太网交换机只需要学习自己的MAC地址，从而减少了所需的存储和处理要求。两者结合导致设备成本、建网成本和运维成本均较低。最后，采用MAC in MAC封装，对下可以接入VLAN或SVLAN，对上可以与VPLS或其它VPN业务互通，具有很强的灵活性，很适合接入汇聚层应用。

　　在MAC in MAC封装的基础上，只需要作少量改动，关掉以太网的生成树和MAC学习功能，增强一些电信级OAM功能，利用现有以太网硬件就可以提供新的转发功能，将无连接的以太网改造为面向连接的隧道技术，提供具有类似SDH可靠性和管理能力的硬QoS和电信级性能的专用以太网链路，这就是所谓的PBT技术。PBT技术的主要特点首先是扩展性好。关掉MAC学习功能后，可以消除导致MAC泛洪和限制网络规模的广播功能。此外，PBT采用VID+MAC（60bit）地址作为全球唯一地址和基于目的地地址的转发，VID不再表示传统的无环路域，而是用来识别某些特定通道，不具有全球唯一性，从而消除了业务扩展性限制，使网络具有几乎无限的隧道数目（260）。其次，转发信息也不再依靠传统的泛洪和学习，而是由网管/控制平面直接提供，从而可以为网络提供确知的通道，无需超额指配网络容量就能提供硬QoS，实现带宽预留和50ms的保护倒换时间。再有，作为二层隧道技术，PBT可以与现有WAN技术互通，不仅能支持各种以太网业务，而且还能支持各种基于MPLS的业务，包括二层的VPLS和虚拟伪线业务以及三层的IP VPN业务等，具有相当的业务灵活性。最后，PBT使用了大量IEEE和ITU定义的网管功能并将这些功能从物理层或重叠的网络层移植到数据链路层，使其能基本达到类似SDH的电信级网管功能。简言之，PBT技术结合了以太网和MPLS的优点，为城域网提供了一种新的、扁平化的、低成本的融合架构，避免过度依赖IP/MPLS核心。然而，由于PBT存在N平方问题，需要大量连接，管理难度加大。此外，PBT只能环形组网，灵活性受限。还有，PBT不具备公平性算法，不太适合宽带上网等流量大、突发较强的业务，容易存在设备间带宽不公平占用问题。最后，由于PBT和Mac in Mac多了一层封装，在硬件成本上必然要付出相应的代价。

　　3.3　VPLS

　　另一方面，VPLS是在点到点MPLS基础上进一步发展而成的多点互联的二层VPN技术，将广域网的MPLS扩展到以太网的接入层。从用户角度，仿佛所有站点都连至一个专有LAN。从业务提供者角度，可以重新利用IP/MPLS基础设施来提供多种业务。VPLS基于MPLS，采用两层MPLS标签封装，独立于具体物理拓扑，且能支持任意的逻辑拓扑结构，具有较高的组网灵活性，还可以利用MPLS的流量工程实现资源配置的最佳化；VPLS利用快速重选路由（FRR）技术代替以太网的生成树（STP）和快速生成树（RSTP）保护，可以实现50ms的保护倒换时间；VPLS还支持2/3/4层可扩展的访问控制列表（ACL）能力和每用户的ACL控制，提供了较安全的控制和策略机制；VPLS具有良好的二层汇聚能力，支持的用户数量突破了传统以太网的4096个VID的限制；VPLS提供分层的VPLS（HVPLS），进一步改进了扩展性，使用户数可扩展到百万级；VPLS能够区分并保证每用户中的不同业务流量，网络业务配置简单，业务提供快；VPLS还具有清晰的运营网和用户网间的界限，便于管理。简言之，VPLS在服务质量和流量工程方面比MAC in MAC更好，很适合网络边缘层的应用。

　　然而，VPLS在二层设备上采用复杂的三层协议建立信令，设备成本相对较贵。其次，VPLS协议栈层次多，运行配置比较复杂，特别是对于数千个节点的大型城域网的管理运行成本较高。最后，采用双MPLS标签增加了协议开销，导致转发小包时效率不高。但是，对于IPTV等新型高级业务需求较为强劲的大型城域网而言，依然是一个有前瞻性的技术选择，特别是核心网部分。

　　可以预计，随着网络中IP/以太网业务量的快速增加以及基于以太网技术的新型解决方案的不断出现，电信级以太网多业务平台在城域网中的应用将会越来越多，最终将可能成为主要技术平台。

作者：韦乐平来源：泰尔网