城域传输网接入IP化演进策略研究

1目录1、概述32、中国移动城域传输网 IP 化趋势73、城域传输网 IP 化承载技术简介93.1 IP OVER FIBER.103.2 IP OVER SDH（MSTP） .103.3 IP OVER WDM.113.4 EPON/GPON.133.5 分组化业务传送技术 .153.5.1 电信级以太网（CE）技术.153.5.2 分组传送网（PTN）技术.173.6 几种承载技术的比较与小结 .184、分组化传送技术204.1 IP 承载网技术发展概况.204.1.1 IP 技术的起源及发展.204.1.2 电信级 IP 承载网保证措施.214.2 电信级以太网（CE）.244.2.1 电信级以太网的应用 .244.2.2 烽火 CE 设备.254.3 PTN 的技术特征及关键技术.264.3.1 PTN 的技术特征.264.3.2 PTN 的关键技术.284.4 阿尔卡特朗讯 PTN 系列产品简介.344.4.11850TSS 系列的总体特征 .344.4.21850TSS 系列设备 .354.5 华为 PTN 系列产品简介.364.6 小结 .365、城域传输网接入 IP 化的演进策略385.1 城域传输网发展指导思想 .385.2 城域传输网现状和发展趋势.385.2.1 网络现状及面临的挑战 .385.2.2 发展趋势和技术引进 .3925.3 城域传输网接入 IP 化的演进策略.415.3.1 PTN 技术的适用场景和组网方案.425.3.2 PON 技术的适用场景和组网方案.455.3.3 城域传输网技术发展的思考 .475.4 几种承载技术在城域传输网中的应用分析 .475.5 城域传输网 IP 化演进过程中的几个关注点.526、软课题研究的成果5431、概述由于自身在网络拓扑结构上特殊的承上启下地位，城域网已成为各运营商进行各类技术大比拼、实施战略转型的一颗重要棋子，也是运营商近年来网络建设的重中之重，将会在整个网络转型的战略调整中起到“谋篇布局”的作用，其中城域传输网技术的发展和应用尤为突出。城域传输网是指覆盖城市及其郊区范围，以多业务光传送网络为基础、以多种接入技术为辅，为多种业务和通信协议提供多业务传送的综合网络平台。城域传送网还承担着集团用户、商用大楼、智能小区的业务接入和专线任务，具有覆盖面广、投资量大、接入技术多样化和接入方式灵活的特点。经过多年的规划建设，以 MSTP、WDM 为代表的城域网传送技术较好的满足了移动运营商的战略发展需求，良好地解决了大量 TDM 业务和少量的 ATM 和数据以太网业务。但是，随着业务模式的变化、新技术的大量涌现以及 3G 时代的日趋临近，现有传送网面临着新的机遇和挑战（如图 1）。图 1 移动运营商面临的挑战由于传统通信网络往往需要为各种业务建设专用的承载平台，使得业务资源难以融合、共享，运营商必须同时维护多个承载平台，造成建网成本和维护力量的双重浪费，而 IP 化承载网络的出现首先适应了网络融合的需要。目前，移动网络 ALL IP 化已经成为业界的共识。首先，从业务层面来看，业务需求和市场需求共同决定了现代通讯网络的发展方向，而新业务则是推动网络发展的源动力。伴随移动语音业务市场的持续增长，VoIP 和终端 IP 化对 IPv6 带来强烈速求，2007 年底全球移动用户已超过 30 亿；以 IP 技术为基础的数据业务正在快速发展，移动应用层业务层出不穷，企业移动商务、移动邮件、移动 IM、远程教育、可视电话等业务正围绕 IP 技术进行融合，NGN 和 3G 业务网络以及逐渐兴起的 IPTV 业务需要充分依赖 IP 网络技术，因此多业务承载平台是 IP 网络发展的趋势。另外，以 MPLS 技4术为基础的 VPN 企业互联业务市场需求强劲，高质量要求的 IDC（互联网数据中心）业务也是未来新的业务增长点。技术的推动技术的推动宽带移动化，移动宽带化：WiMAX 的提出和推进，E3G 的标准化的启动和加速，使得无线移动通信领域呈现明显的宽带化和移动化发展趋势，即宽带无线接入向着增加移动性方向发展，而移动通信则向着宽带化方向发展。核心网接入网终端：目前，为解决大颗粒业务的传输需求，诸多运营商已开始了城域核心层 IP over WDM 承载网的建设，城域波分承载网的 IP 化不仅为 IP 网/以太网提供强大的带宽支撑，给予网络融合各种业务应用和用户体验的能力，而且在灵活性、安全性和资源利用率方面都有很大的优势；与此同时，接入层基站 IP 化进程的深入，使得接入层的 IP 化势在必行，接入网的 IP 化意在承接多样化的用户和质量需求，为多种业务提供更高的带宽，全面降低成本；而作为 IP 融合的重要一环终端设备的 IP 化尽管进展略显缓慢，但随着 3G 格局的逐渐明朗，IP 化的终端设备终将成为终端设备的主流。IPv4 -IPv4/IPv6 共存-IPv6：在网络协议方面，无线数据业务的迅速发展和快速增长，对 IP 地址、网络可靠性、安全性等方面提出了更高的要求，针对 IPv4 存在的问题，IPv6 在标准中采用了一系列措施，为 IP 网的可持续发展奠定了良好的基础，IPv6在地址资源、移动 IP、IP 网的服务质量(QoS)问题、IP 网中的安全问题等方面有较大突破，为移动 IP 业务提供了强有力的支持和保证。标准牵引标准牵引ITU-T、IEEE、TISPAN 和 ETSI 等各大标注组织，包括两大主流移动标准组织3GPP 和 3GPP2 积极推动并牵引网络的各个层面向 IP 化演进，最终实现从核心网，无线接入网到终端的全网 IP 化。目前 3GPP 和 3GPP2 已经分别制定了各自向 IP 演进的步骤，为 ALL IP 奠定了坚实的基础。例如 3GPP 推动 WCDMA 从 GSM 到 WCDMA R99，再到 R4 和 R5，最终过渡到全 IP 承载 IMS 网络；3GPP2 推动 CDMA 网络从 IS-95 体制向 CDMA2000 系列演进，历经 Phase0/1/2/3 四个阶段，最终实现基于 IMS 的CDMA2000 ALL-IP 网络。移动网络 IP 化的显著优势移动网络 IP 化的优势主要体现在以下几个方面：1)基于 IP 的丰富多彩的业务、开放性架构带来更多的全新的商业机会；2)基于 IP 的控制和 O&M 简化控制和管理，减少了网络层次，降低运维成本；3)基于 IP 的高带宽无线接入能力、基于 IP 的承载，有利于更灵活、更方便的扩容，节省 CAPEX&OPEX；4)基于 IP 的融合智能终端，支持更丰富的多媒体应用，带来更好的用户体验。全球全球 TOP 运营商网络运营商网络 IP 化动态化动态5目前，世界各大电信运营商都在积极转型，绝大多数的电信运营商都已经制订并实施了网络升级换代计划，欧洲的 VODAFONE、T-Mobile、Orange，日本 NTT DoCoMo、美国 Verizon、韩国 SK 电讯等数家全球主流移动运营商部署了 HSDPA 服务，在向 LTE 过渡时完成移动网络 IP 化也成为他们的必然选择。VODAFONEVODAFONE 是英国领先的移动运营商，拥有 1 亿 8 千万的用户，仅 3G 用户就有1 千万。VODAFONE 于 2006 年 10 月开始建设基于 IP/MPLS 的骨干网络，用以承载语音及多媒体、宽带数据（GPRS 及 UMTS）、计费等业务。目前，所有的 3G 流量都在这张 IP 网络上承载，这使得 VODEFONE 在向全 IP 网络转型过程中达到了一个新的里程碑。NTT为了实现网络升级计划，NTT 也提出了全 IP 化的战略构想，计划在 2010 年为3000 万家庭提供下一代网络服务：基于 IP 网络，实现无缝的固定移动融合业务；开放业务接口，让各种类型的业务提供商在统一的网络上提供多种业务；兼容实现业务融合所需的各种技术，开放的业务连通功能，如业务捆绑等；实现 IP 多播功能，提供大范围的视频分发业务，为语音和视频业务提供端到端的质量控制功能；保障网络安全，能够阻止无授权的非法接入。法国 Orange 计划在 2008 年实现全部语音业务的 IP 承载，将传统交换替换为软交换；另外，截至 2006 年底， 德国 T-Mobile 已完成基于 IP 承载语音的软交换替换现有的 2G 和 3G 核心网，采用统一的以太网传送平台，提供 VoIP 和 IPTV 业务。图 2 移动网络 IP 化历程6统观国外领先运营商的下一代网络发展策略，其共同之处就是建设 IP 化的下一代网络，以统一的网络提供多种类型的业务，兼容各种终端，实现有线和无线之间以及语音、数据和视频业务之间的真正融合。图 2 所示为移动 IP 化的发展历程。本课题就是在移动通信网络向着 ALL IP 化演进的新形势下，从城域传输网接入 IP化的角度，分析城域传输网建设的策略，明确近期城域传输网的建设思路；重点研究不同阶段、不同场景下城域传输网接入 IP 化的组网策略及演进模式，探讨新技术条件下的组网方案，实现网络的平滑升级，为移动城域网的建设提供有价值的参考模型。72、中国移动城域传输网 IP 化趋势互联网络开放性导致运营商对产业价值链的控制力降低，Skype 等新语音技术对传统语音业务冲击逐渐增强，以及互联网络模式导致单位带宽的价值愈来愈低。在网络多业务融合和高带宽、低成本需求等因素的驱动下，移动通信网络向全 IP 网络演进已经成为业界共识。从“移动通信专家”到“移动信息专家”，反映出了中国移动的转型目标，移动网络 IP 化成为整体战略转型的必由之路。在建设了一张全球最大规模的基于 IP 承载网的软交换汇接网络之后，中国移动于近期提出了移动网络全 IP 化的战略，准备将世界上最大的移动网络转换成全 IP 网络，为“移动信息专家”的构想奠定坚实的基础。中国移动实施 IP 网络转型的动力来源于一系列因素的驱动：其一，中国移动作为目前全球上用户和网络规模第一大的移动运营商，其业务仍在持续增长之中，网络建设压力不断增大；其二，产业融合成为发展趋势，技术和管理融合也在兴起；其三，技术演进带来投资方向、投资结构的变化；最后，在资本市场上，中国移动投资收入比与业界先进水平尚有差距，把握住下一代网络发展的先机，进一步降低投资收入比，将有利于中国移动在移动市场保持领先的主导地位。作为全球最大的移动网络运营商，中国移动在这方面走在了业界最前列。2004 年底，中国移动携手华为建设了全球最大规模的基于 IP 承载网的软交换汇接网络，近期又提出了 GSM 无线接入网 IP 化的战略。据统计，目前中国移动已经有超过一半的话务量采用 IP 网络承载，基于 IP 的移动软交换已经发展成熟。为了保证整个移动网络 IP 化的顺利进程，从而提升网络的服务能力，优化整网架构，奠定未来向 3G、IMS 平滑演进的基础。在始于核心网 IP 化、走向 ALL IP 的道路上，中国移动计划采取“三步走”战略。第一步，引入控制和承载分离的软交换架构，长途网实现 IP 承载。第二步，实现承载 IP 化。具体来说，就是通过在端局和关口局实施软交换改造，实现语音承载 IP 化，实现 IP 承载向下延伸，进行大本地网的网络架构演进。第三步，迈向 ALL IP，实现业务、控制 IP 化，IP over WDM 以及无线网络 IP 化在此过程中，应该注意以下三个问题：1)这个网络一定是可运营、可管理、可控制的网络，考虑这一点就必须考虑灵活性和稳定性；2)要保证 IP 化网络的 QoS。互联网发展最大的问题之一就是安全性，所以也要考虑安全性和系统资源的问题；3)最后，要平衡考虑可靠性和技术成本。8图 3 移动网络 ALL IP 化演进步骤城域网是高度竞争和开放的网络环境，受到用户需求和业务应用的直接驱动，其基本特征是业务类型多样化，业务流向流量的不确定性。各种不同背景的技术在此碰撞交融，所以城域网在移动网络中所处的位置决定了其在 ALL IP 化的过程中将受到最直接的冲击。秉承“业务发展，传输先行”的原则，本地传输网的规划成为各大运营商传输网络建设项目中非常重要的内容之一。目前中国移动正处在网络转型的关键时期，面对 IP 业务、宽带业务发展的新形势以及日益成熟的新技术，城域传输网如何合理地实现平滑过渡是运营商制定发展规划必须应对的问题，因此有必要对相关技术以及城域网 IP化的演进策略进行详细的研究和论证。本项软可课题侧重于讨论在接入 IP 化的趋势下，针对浙江移动城域网现状，结合新技术，如电信级以太网（CE）、分组传送网（PTN）、无源光网络（PON）等，研究浙江移动城域传输网的演进策略，为传输网的建设提供切实可行的、具有指导意义的组网方案。 93、城域传输网 IP 化承载技术简介近年来，传统话音业务的年增长率只有 5%-10%，而以 Internet 为代表的数据业务的年增长率达到 20%-30%。数据通信业务量持续高速增长最直接的动力来自 Internet业务量的持续指数级增长。网络通信业务量的井喷式增长，掀起网络和业务融合的浪潮，在其融合过程中，IP 将扮演十分重要的角色，随着 IP 业务量的日益膨胀，IP 需要更高的带宽、更有效的新传输技术来支持其发展。因此，世界各大运营商都把建设具有多业务承载能力的 IP 承载网作为下一代网络建设的重点，加速发展，以争取在未来激烈的竞争中占据优势。中国移动在率先完成全国骨干 IP 承载网的基础上，将建设重点逐步转向城域 IP 承载网。IP 化业务的特征及其对承载网的要求主要有以下几个方面：1)语音业务：主要包括 NGN 和 3G 语音，业务对时延、抖动非常敏感，对网络带宽要求不高，但需要可预计的时延和丢包率。2)交互式视频：主要有可视电话、视频会议、IPTV、3D 网游等应用，业务对时延、抖动非常敏感，对网络带宽要求高，也需要可预计的时延和丢包率。3)数据业务：主要包括大客户互联网业务、IDC、3G 数据，时延、丢包、抖动与企业应用有关，带宽需求随业务量变化较大，一般都要求可靠传送。4)企业互连：即 VPN 业务，通常企业有语音、视频、企业关键业务系统等多业务同时运行的要求，因此通常有兼具以上业务的需求。从总体上来看，这些业务突发性强，业务调度灵活，对可靠性、安全性要求高，在通过 IP 网络进行融合承载时，客观上需要部署与之相适应的承载技术，才能保证业务的正常运营。IP 业务的承载技术大致经历了如图 4 所示的演进历程，下文将逐一进行介绍。图 4 IP 承载技术的发展历程103.1 IP over FiberIP over Fiber 即采用光纤资源直连将 IP 网络业务节点路由器/交换机连接组网。通常利用路由器/交换机提供的各种 IP 业务接口：FE/GE/10GE/POS 等直接映射在光纤上，实现 IP 业务的传输连接。采用光纤直连的方式，虽然实现方式较为简单，但随着 IP 业务数量的不断增加，其本身存在的问题限制了其进一步的广泛应用：1)需耗费大量的光纤资源，光纤利用率低；2)网络拓扑连接复杂化导致的光纤网铺设杂乱；存在“黑光纤”隐患，即无法监控、定位、管理光纤出现的问题故障；3)路由收敛时间完全依赖核心路由器恢复，甚至达到了几百 ms，难以满足 50ms以内的要求，IP 网无法提供电信级保护；4)缺少有效的资源与 QoS 的映射关系，无法规划网络 QoS，端到端的 QoS 使业务（VoIP、VOD、VPN 等）难以开展；IP over Fiber 的承载技术中，由于传统的数据业务网络是通过路由器之间光纤直连的方式进行组网建设的，这样，随着 IP 业务数量的不断增加，需要的光纤数量就与路由器端口数量成正比例增长，这就造成了网络光纤资源大量消耗，并且导致网络拓扑连接复杂化，给建设和维护带来很大麻烦。除此之外，随着数据业务网络应用规模的不断扩大，大量的数据设备端口长距传输需求也会导致建设成本的大幅上升。正是由于光纤直连方式存在上述缺陷，故 IP over Fiber 被认为是解决 IP 业务承载的初级方案，但不是最合适、有效的 IP 业务承载的终极技术。3.2 IP over SDH（MSTP）在 SDH 系统中增加 IP 功能模块，通过类 HDLC 的 PPP、LAPS、GFP 等协议将 IP业务包封装进 SDH 的 VC12、VC3、VC4 等容器中，利用 SDH 网络做为 IP 业务的承载平台，实现在 SDH 平台上传输 IP 业务，此方式即为城域传送网中解决多业务传输最有生命力的 MSTP（多业务承载平台）技术。运营商大力建设的 SDH 传输网络，是在主干网上实施 MSTP 技术必要的物理基础。SDH 标准本身具有很好的兼容性、较低的协议开销和较高的带宽利用率，不同体系、不同速率的信号都可以在 SDH 信道上复用和解复用，并且在 SDH 传输平台上方便地实现全球性网络互连，缓解城域网资源紧张的压力，同时 SDH 技术利用其完善的OAM（操作、管理、维护）功能，克服了“黑光纤”的问题。SDH 技术固有的 50ms电信级网络保护能力，则为 IP 网络的安全行、可靠性提供了有力保障，充分展示了MSTP 技术的优越性。MSTP 技术可以对现有的多种成熟的网络协议(如 IP、IPX 等)进行封装，支持多业务传送，可以同时兼顾 TDM 业务与 IP 业务的承载需求。在实现 SDH 网络透明传输 IP业务的基础上，通过在 IP 功能模块上开发二层交换功能，引入数据网络层的11MPLS、STP 等协议，便可在 SDH 网络上实现 IP 业务的二层网络交换功能，从而提高了 SDH 网络中 IP 业务调度的灵活性。此外，在目前多媒体网络尚不能够有效支持大量用户同时使用交互式多媒体业务的时候，MSTP 技术充分利用 IP 广播的优点，合理利用网络带宽，因而具有相当大的竞争优势。MSTP 技术的优势主要体现在一下几个方面：1)可以有效保护现有投资，业务开展迅速；新建网络可以兼顾语音接入，成本较低；2)支持多业务传送，且多种业务统一网管，便于运营管理，实现端到端的业务模式；3)安全可靠，实时传送，专线业务模式下性能好；4)技术和设备成熟，应用非常广泛。虽然 MSTP 作为 IP 业务的承载平台相对采用光纤直连方式有许多明显的优势，但其也存在一定的缺陷：1)SDH 环网过长，和上层 IP 网的网状需求差异大；2)网络带宽资源利用率低，难以满足业务需求动态化和差异化的传送需求。这主要是因为 SDH 网络为固定带宽分配网络，而 IP 业务具有突然性强、流量变化大的特点，所以在网络设计规划中需按照 IP 业务的峰值带宽需求在 SDH 网络预留的固定带宽，由此造成网络带宽利用率较低；3)主要基于 SDH VC 的调度和交换，大带宽的提供能力较小，难以满足业务 IP化、高带宽、大颗粒化的发展需求，比较适合小颗粒 IP 业务（FE）的承载。MSTP 技术统计复用能力较弱的特点决定了其提供大带宽的成本较高，尤其是随着 GE 业务的大量出现，若采用 MSTP 作为 IP 业务的承载平台，其所能提供的传输带宽资源已经显现出力不从心的局面，但在基站 IP 化初期，考虑到业务 IP 化程度不高，仍然以语音业务为主，对统计复用要求实际并不高，MSTP 的弱点并不明显。因此在新一代分组传送设备商用之前，城域传输网汇聚、接入层可以继续采用 MSTP 技术实现对 TDM 业务和少量 IP 业务的承载。3.3 IP over WDMIP over Fiber，IP over SDH 等技术的陆续应用，在一定时期阶段内缓解了 IP 业务承载需求，但由于其自身存在的问题，限制了二者在承载 IP 数据业务方面的能力。例如：采用路由器之间光纤直连的方式进行 IP 承载网的建设会随着 IP 业务数量的不断增加，引起组网所需的光纤数量就与路由器端口数量成正比增长，这就造成了网络光纤资源大量消耗，并且导致网络拓扑连接复杂化，给建设和维护带来很大麻烦。除此之外，随着数据业务网络应用规模的不断扩大，大量的数据设备端口长距传输需求也会导致建设成本的大幅上升。因此，作为电信级 IP 业务的承载网在以下几个方面需要重新进行定位：121)在网络容量方面，网络业务宽带化，对容量的需求较高；2)在接口需求方面，网络的业务颗粒逐渐增大，向 GE、2.5G 、10GPOS 发展；3)由于网络与数据网配合，对业务调度能力的要求趋弱；同时，网络结构扁平化，对组网能力的要求降低。与此需求相对应， WDM 传输技术与其他传输技术相比，在带宽容量、承载效率、传输距离方面更具优势，因此 IP over WDM 技术应运而生。采用 IP over WDM 技术，采用 SDH 帧或者 GE/10GE 帧结构，将 IP 业务直接映射进 WDM 网络进行传输和交换，减少了网络各层间的中间冗余部分，也减少了SDH、ATM 和 IP 等各层间的功能重叠以及设备操作、维护和管理费用。同时，由于省去了 ATM 层和 SDH 层，所以传输效率高，额外开销低，简化了网管，并可与 IP 的不对称业务量特性相匹配，充分利用带宽，大大节省网络运营商的成本，从而间接地降低了用户获得多媒体通信业务的费用。显然，这是一种直接、简单、经济的 IP 网络体系结构，非常适用于城域网的核心层和骨干层。IP over WDM 优势主要有：1)超大的系统传输容量：通过波道复用技术，现网中常用的 WDM 系统已能提供1.6T 的系统容量，支持 40/80/160 波的波道复用，超大的系统传输容量非常适合现日益增长的 IP 业务传输的带宽需求，更大大节省了光纤资源；2)灵活的组网方式：WDM 系统可灵活的组建成链形、环形等网络结构，便于网络的规划和后期的工程维护操作；3)灵活的业务调度能力：WDM 系统中 OTM、OADM 站型的应用，可依据 IP 业务网络的需求，实现波长级的 IP 业务调度。同时，随着 ROADM 节点设备逐步运用，在大大增强 WDM 系统中的业务调度的灵活性的同时，也会提高WDM 系统对新业务需求反应速度；4)超长的传输距离：WDM 系统自身具备超长距离传输能力，能够有效减少长距离数据设备的成本建设要求。现在成功商用的超长传输 WDM 系统（ULH），已实现 1000KM 以上无电中继的传输。5)丰富的业务接口：WDM 系统能支持的 2.5G POS、10G POS、10G WAN、10G LAN 的接口，丰富的接口类型，能满足各种 IP 业务接口类型的传输需求。6)完善的保护恢复能力：WDM 系统已能提供的完善的保护功能：光线路复用段保护、光通道的 11 和 1：N 保护、光线路保护，1：N 的 OTU 保护等。通过WDM 系统完善的保护功能，大大增强了 IP 业务网络的安全可靠性。IP over WDM 存在的问题从以上的分析来看，IP 技术与 WDM 技术的结合，使 IP 数据流直接进入了粒度的光通道，在外围网络以千兆以太网成为主流的情况下，有利于充分综合 WDM 技术大容量与 IP 技术统计复用的优势，真正达到 IP 优化的目的。但对于长期应用，需要规范13一种新的最佳的 IP 对光路的适配功能，即开发一种全新的光线路接口。这方面尚无统一意见，需要重点考虑的问题包括恒定比特率和突发传输、适配协议和帧结构、物理接口特性、最佳网络结构、生存性策略和网管等。其次，IP over WDM 结构中存在传输层面非常静态的问题，只提供了大量原始的传输带宽，不能迅速提供端到端的新电路。由于流量很难预测，业务模式又频繁地发生大的改变，因此迫使网络设计者采取保守态度按照峰值流量来提供承载，这就造成核心网络资源的非充分利用。IP over WDM 技术的优势，在骨干 IP 承载网中解决了电信运营商的带宽需求压力，但就城域网的汇聚层和接入层而言，由于网络边缘用户对波长通道的应用和需求目前毕竟有限，如果在城域网的汇聚、接入层全面展开 WDM 系统的建设投资成本非常高，因此 IP over WDM 的建设目前主要集中在城域网核心层，但可以预见的是，随着WDM 技术的成熟，CWDM 技术有望成为中短距离传输市场极具竞争力的解决方案。3.4 EPON/GPON无源光接入技术（PON）作为光接入技术的另一重要分支，随着技术的不断成熟、各类成本的不断下降得到了各运营商的重视。采用无源光网络（PON）的接入协议有以 ATM 为传输平台的 APON/BPON 和以以太网技术为传输平台的 EPON 以及以通用帧结构为传输平台的 GPON 三种类型。以 ATM 作为承载协议的无源光网络 APON/BPON 可以利用 ATM 的集中和统计复用，再结合无源光分路器对光纤和线路终端的共享使用，使得性价比有重要改进，但是 APON/BPON 的业务适配提供很复杂，业务提供能力有限，数据传送速率和效率不高，可用带宽难以满足网络和业务的发展需求，同时伴随着 ATM 的衰落，APON/BPON 并不是一种主流技术。EPON/GPON 是将以太网与无源光网络结合在一起形成的能很好承载 IP 数据业务的接入方式。在城域网接入层面，EPON/GPON 技术凭借其高带宽、能够与 IP 业务紧密结合的特点，在保护运营商投资，便于向未来网络升级方面具有很大的优势，成为光接入技术中的一枝独秀，不但被认为是下一代网络体系结构中全光接入网领域的最佳解决方案，还赢得了来自全球的设备制造商、基础网络运营商、标准组织及科研院校的广泛关注。EPON 技术技术 EPON 由 2000 年 11 月成立的 EFM 工作组提出，并在 IEEE 802.3ah 标准中进行规范。它以以太网作为载体，采用点到多点结构、无源光纤传输方式，上行工作于TDMA 方式，以突发的以太网包方式发送数据流，可提供上下行对称的 1.25Gbit/s 线路传输速率。14图 5 EPON 原理上行数据下行方向工作于 TDM 方式，数据流以变长以太帧方式广播到 ONU，每个 ONU根据以太帧的 MAC 地址决定取舍，其速率为 1 Gbit/s（最高可达到 10 Gbit/s）； 图 6 EPON 原理下行数据由于 EPON 采用以太网封装方式，所以非常适于承载 IP 业务，符合网络 IP 化的发展趋势。另外，相比较其他 PON 技术，EPON 也提供一定的运行维护和管理(OAM)功能，成熟度和设备价格方面也具有一定优势，被认为是实现 FTTH 的主要技术。由于 IEEE 制定 802.3ah 的初衷是为了接入 IP 数据业务，并没有考虑 TDM 业务接入对时钟同步、时延和抖动等性能的要求，因此，EPON 所采用的标准以太网封装方式存在一个先天缺陷难以承载包括话音或电路型数据专线等 TDM 业务，目前，虽然对以太网承载 TDM 业务正在研究并取得了一定成果，但要完全达到 TDM 业务所要求的 QoS 尚有困难，考虑到下一代网络转型期内，必然涉及到原有的大量 TDM 电路业务与 IP 业务共存的情况，所以 EPON 在城域网向 IP 化演进的初期，优势难以充分体现出来，但在全网 ALL IP 之后，EPON 技术有望获得大规模的应用。GPON 技术技术 15ITU-T 在 APON 技术未能获得成功的情况下，重新设计了新的物理层传输速率和传输汇聚层，发布了 G.984.x 系列的 GPON 标准。GPON 的下行最大传输速率高达2.488Gbit/s，上行最大传输速率可达 1.244Gbit/s，传输距离至少为 20km，具有高速、高效传输的特点。GPON 的封装除了传统的 ATM 外，还可以支持全新的GEM（GPON 封装模式）格式，GEM 类似于 GFP，可以适应各种用户信号格式和任何传输网络制式，按固有格式传送语音、数据和视频信号，这样，运营商提供业务的灵活性就大大提高了。GEM 封装方式也使时钟同步变得容易，GPON 因此可以支持端到端的定时和其他准同步业务，可以直接支持 TDM 业务，不需要像 EPON 那样进行TDM 仿真，提高了 TDM 传输质量。GPON 的 OAM 机制完善，这方便了运营商的管理维护。GPON 既可以在现网中传送传统业务（POTS、T1/E1、模拟电视），又支持所有的以太网协议，而且还支持虚拟局域网（VLAN）交换、业务质量等级、互联网组管理协议（IMGP）和二层以上的新兴 IP 业务，实现向全 IP 业务的无缝迁移，为业务运营商们提供了向全 IP 业务过渡的合适路径。对今天的业务运营商来说，GPON 是最佳选择传统业务和 IP 业务可以结合在一起，同时又是最高效的全 IP 网络。ITU-T 制定的 GPON 系列标准完善，在性能方面，GPON 具有更高的速率和传输效率、更强的 OAM 功能、更高的标准化程度。从技术上分析，GPON 可以提供一种从传统网络到全 IP 网络的过渡路径，更加顺应了网络演进的趋势，是各类 PON 技术中的最佳选择。虽然现阶段与 EPON 相比，GPON 成本仍然偏高，但 GPON 正在奋起直追，发展前景看好，而且随着技术的发展和互相借鉴，二者在产品形态和性能、功能方面可能会越来越靠近并最终走向统一。3.5 分组化业务传送技术在电信网络 IP 化不断深入的大背景下，作为近年来发展较快的光传送网络，其中很大一个特点就是分组化。目前，实现分组传送的技术手段也比较丰富，但最被人们看好的便是电信级以太网（CE）技术和分组传送网络（PTN）技术。上述两种技术通过在统一的分组转发平面上承载不同的业务，简化了网络管理和维护，提高了业务汇聚的能力。事实上，CE 与 PTN 并没有本质的区别，两者都是分组业务传送技术，其不同之处在于，CE 产品主要由数据设备厂家提供，是由数据层面来发展的，而 PTN 产品主要由传输设备厂家提供，是从光传输层面发展而来的。下面将分别予以介绍。3.5.1 电信级以太网（CE）技术以太网作为一种快速、简单和高带宽的局域网（LAN）技术，在企业中已经使用了 30 年之久，由于不具备电信运营商所要求的属性，多年来人们一直低估以太网的应用。随着电信级以太网的出现，以太网现已成为一种标准，运营商既用它来提供接入业务，也用它来提供端到端业务，最终将以太网渗透到运营商自己的网络里。16所谓电信级以太网，即在保留传统以太网的帧结构的基础上，通过扩展帧头和引入二层信令，在以太网上实现与电信网类似的功能，它具备网络和业务扩展性、运营级网管能力和 QoS 保障能力，并最终定位于在城域网络中解决 IP、以太网、TDM 等业务的传送问题，可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。根据 ITU-T 和 MEF（城域以太网论坛）的定义，电信级以太网应具备以下特征：1)高可靠性。在环型、双星型和格型拓扑下能够提供 50 ms 以内的自愈能力；2)端到端的 QoS 保障能力。具备业务区分和识别能力，能够提供基于 CIR 和EIR 的 QoS 保障能力；3)完善的 OAM（操作、管理、维护）和可管理性。基于二层提供对故障和性能的管理功能，具备灵活的业务管理和提供能力；4)多业务。能够满足 TDM、语音和视频等业务的综合承载需求，通过伪线或仿真方式实现和现有网络的互通；5)标准化。具备良好的互联互通性，实现不同厂商和运营商之间的业务互通。电信级以太网多业务传输平台的概念在 2005 年一经提出后，讲过 2 年多的发展，在业务保护、QoS 保障、TDM 支持和业务管理等电信级业务特征上取得了持续的改进和完善，引起了电信运营商的关注。近来以太网技术发展很快，许多以太网的基本问题已经得到较充分研究，取得了一些里程碑式的成果。电信级以太网技术发展前景电信级以太网技术发展前景电信运营商之所以青睐电信级以太网技术，很重要的一个原因是希望在数据业务大发展的背景下，可以利用以太网的优势来降低 CAPEX 和 OPEX。我们知道，传统以太网具有众多优势，包括技术成熟、性价比高、操作维护简单、用户接入无限制、应用灵活等等，但这些显然不能涵盖电信以太网的所有特点。电信级以太网需要对以太网技术进行必要的改造，包括需要满足 MEF 所定义的 5 个方面的要求，以及控制平面、流量工程、网络安全等方面的需求。当在以太网技术上增加了这些电信网络的特征后，其原有低成本优势是否仍然存在还需要打上一个问号。所以业界在实现和应用电信级以太网技术时，应该慎重选择所需要增加的功能，避免将其做得过于复杂。目前，电信级以太网的网管和控制平面功能还是一个空白，根据简化的原则，网管功能可以确定在 ITU-T 定义的传送网络网管功能基础上进行扩展，而控制平面可以与 ASON 控制相兼容，将 GMPLS 作为控制平面信令的基础。CE 可以以较小的成本实现多业务的承载，但在全网端到端的安全可靠性、单波长系统带来的光纤资源问题上还没有好的解决办法。在未来三到五年内，受到运营商部署先进的娱乐、通信服务（如 IPTV 和 VoIP），以及无线回传（Wireless Backhaul）业务的推动，全球范围内的电信级城域以太网建设将形成一个高潮。电信级以太网可以用于广域网和城域网，但是考虑到二层网络规模太大可能会导致寻址和可扩展性等一系列问题，目前还是主要定位在城域范围内使用。17相对国外而言，电信级以太网技术目前在国内的应用主要还处于试点验证阶段，通过现网试验，总结电信级以太网引入的策略，同时，对宽带接入网如何进一步优化改造提出具体建议。例如：国内某运营商已于 2006 年开始在全国进行了多厂家的新型以太网技术试点，期望结合宽带上网、软交换、IPTV、大客户专线等具体业务，对电信级以太网的综合承载能力进行验证，包括 QoS、可靠性等的提供能力。CE 类设备与传统 SDH 设备相比，从核心到接口区别均比较大，在接入 IP 化的趋势下，短期内组建分组传送网一般采取单独组网的模式，与现有 MSTP 网形成两个业务承载平面。当然，以太网技术最终要走向电信级城域网范围，除了可管理性、可运营性、可扩展性等最直接的因素外，建设成本、运营成本以及网络拓扑的复杂程度和网络管理的复杂程度也是重要的影响因素。3.5.2 分组传送网（PTN）技术面对电信业务的加速数据化和 IP 化以及多样化的业务环境，SDH 技术加强了支撑数据业务的能力并向多业务平台发展，形成了多业务传输平台。MSTP 的基本思路是将不同的业务，通过 VC 级联等方式映射进不同的 SDH 时隙，而 SDH 设备与二层设备乃至三层分组设备在物理上集成为一个实体，构成具有业务层和传送层一体化的网络节点。作为 SDH 设备的改进，MSTP 所改善的是在用户接口一侧，但是内核一侧却仍然是电路结构，因此，可以说 MSTP 技术向包处理或 IP 化的程度不够彻底。随着 TDM 业务的相对萎缩及“ALL IP 环境”的逐渐成熟，传送设备要从“多业务的接口适应性”转变为“多业务的内核适应性”（图 7），逐步将智能的 IP 层直接架构在智能的光层之上，通过统一的控制平面在所有层面上(分组，通道，波长，波带，光纤等)实现最高效率的光纤带宽资源调度，分组传送网的出现迎合了这种趋势。图 7 MSTP 和 NGNT 的网络架构对比城域分组传送网包括两种网络形态：一种是具备 GE/10GE 汇聚和调度能力的18OTN/WDM 网络，主要是在传送骨干网中首先引入光/电层控制平面，提高网络业务动态智能调度、业务保护恢复和新业务提供的能力，然后向着更大颗粒度和分组化智能的方向发展，以提供低成本、大带宽的业务，配合交换机和路由器完成对三重播放或视频业务的传送，或者提供大管道专线业务，逐步引入 ODU 以及 ROADM 技术，利用 OTN 的复用和监控功能提升光层的可管理性，在此过程中传送层面将逐步完成向着PTN 方向的升级和改造。另外一种是采用分组内核的传送网络 PTN，它具备面向连接的特质，通过采用支持完全分组能力的 PTN 传送节点，彻底打破传统传输网和二层数据网的界限，构建融合的统一网络，具备 TDM/ATM over Packet 业务以及将来可能出现的各种新业务的接入、汇聚和传送能力，支持同步时钟、支持类似 SDH 的保护、支持以太网端到端的性能监控和管理维护，主要用于多业务的环境，运营商可以根据自身业务类型和规模，灵活选择适合于城域分组传送的网络形态，确定最优化的演进方案。OTN/WDM 和 PTN 是 All-IP 网络的核心部件，既能适应当前业务发展需要，又能面向未来业务和网络平滑演进。基于 PTN 提供细颗粒的多业务的接入和汇聚、OTN/WDM 提供大颗粒业务端到端传送的网络，是下一代传送网中综合性价比最优的解决方案。目前，主要应用于城域网核心骨干层的 OTN 技术及其商用条件已经成熟，本课题不再赘述，而 PTN 的技术标准正在不断发展之中，ITU-T、IEEE、MEF 分别在近几年研究并发布了大量的分组传送标准，并且新的技术还在不断立项和研究中。业界也有一些相应的 PTN 产品出现，它们正在向更有效地承载城域网中的各类业务这一目标努力迈进，本课题有关 PTN 技术的详细研究和讨论将在第四章进行。3.6 几种承载技术的比较与小结上面对六种城域光传送网技术的特点、发展和应用范围分别进行了详细的阐述，下面通过列表方式对其进行横向的综合比较。表 1 城域光传送网技术的比较比较项目IP over FiberIP over SDHIP over WDMEPONGPONCEPTN核心技术以太网技术电路交换 时分复用波分复用无源光传输以太网 时分复用分组交换 统计复用分组交换 统计复用业务承载数据业务 为主TDM 业务为主，数据业务为辅大颗粒的数据业务数据业务为主，通过仿真支持 TDM业务数据业务为主，TDM业务为辅数据业务为主，TDM业务为辅业务颗粒VC-12-nVVC-4-nCV2.5G/10GGE/10GEE1、FE、GE、10GEE1、FE、GE、10GE19比较项目IP over FiberIP over SDHIP over WDMEPONGPONCEPTN带宽利用率低较低中较高高高QoS 机制难以规划网络 QoS刚性带宽指配，静态带宽预留带宽动态可调整，业务有优先级队列对接入流量进行 VLAN ID、MPLS等标志符的指配映射层次化的QoS 设计，带宽动态分配、可共享网络保护IP 网络自有保护方式100保护带宽的环网保护，50ms级电信级保护11 波长、子波长保护主干保护、全保护1+1、1:1 LSP 保护1+1、1:1 LSP 保护应用范围城域网城域网核心、骨干、汇聚、接入层城域网核心、骨干层城域网接入层城域网汇聚、接入层城域网汇聚、接入层技术成熟度成熟成熟成熟较成熟较成熟成熟（尚未商用化）建网成本中较低较高高低较高综上所述，以上六种城域光传送网技术中除了 IP over Fiber 技术由于其本身的缺点导致其应用的范围正在逐渐缩小之外，其它技术凭借各自的技术特点均有不同的适用范围。在网络转型期，运营商应根据自身的业务发展、传输资源等具体情况，在城域传送网的不同层面具体选择和应用适当的技术，但在城域传输网总体向着 IP 化、数据化演进的背景下，具有 QoS 保证的下一代分组化传送技术 PTN 和 CE 必将成为技术发展的主流，而 PON 等接入技术也有望在城域网最后一公里解决方案中迅速获得应用。204、分组化传送技术4.1 IP 承载网技术发展概况经过多年的讨论，IP 网最终成为实现未来网络融合的基石和各种业务的统一网络层承载平台。传统的 IP 网是一个强调自治，缺乏集中控制和管理的网络，其采用尽力而为的（besteffort）的方式进行无差别的包转发，所以对延迟、抖动和丢包率等网络指标缺乏有效的保障。传统的电信网络则是一个有着完善网络管理系统，对网络的配置、性能、故障、安全和计费等进行全面管控，且能够严格保证业务质量的网络。如何在电信网运营管理模式的基础上，引入并充分利用 IP 互联网的先进技术，通过商业模式上的创新建设下一代通信网，实现“电信网络 IP 化，IP 网络电信化”成为运营商们关注的重点。在下一代网络中，IP 无论在承载层还是业务层都将担任重要角色，目前，ITU-T，3GPP，OMA 等国际主流标准化组织都与 IETF 建立了联络，充分利用 IP 领域已有的先进技术实现电信业务。图 8 为下一代网络的发展目标。图 8 下一代网络的发展目标4.1.1 IP 技术的起源及发展IP 技术最初是为满足院校、学术机构的资源共享而发明的，随着网络规模的不断扩大，共享资源的爆炸式增加，IP 网络成为全球范围的国际互联网络Internet，互联网的发展极大地改变了人们的生产、生活，也对电信网络的发展产生了深刻的影响，IP 技术以其简单、开放、灵活等特性使电信网络快速开发和提供丰富多彩的增值业务成为可能。随着互联网业务的普及，TCP/IP 协议已经成了各种操作系统的默认配置，目前大部分业务系统使用 TCP/IP 协议进行通信。互联网的开放性使其成为新业务最好的试验场，电信网也不断从互联网业务中吸取营养，SIP 是目前业界公认的下一代网络的核心控制技术之一，它最初就产生于互联网。 20 世纪 90 年代的关于 ATM 和 IP 的争论已经彻底成为历史。目前，IP 无论从技术、设备还是标准化方面的发展都远远超过对手，一枝独秀。目前，路由器广泛采用21ASIC，NP 等硬件/准硬件技术实现，性能、稳定性大为提高，ATM 等其他技术已经成为 IP 之下的二层技术。IP 领域技术发展带有明显的技术驱动的特点，新技术层出不穷，但由于 IP 技术的最初定位不是满足电信网络的需求，在满足电信网的 QoS、安全、高可用性等要求方面还没有形成体系。4.1.2 电信级 IP 承载网保证措施目前，以 IETF 为代表的各类国际标准化组织和企业（包括设备制造商和运营商）进行了大量的技术研究工作，希望通过对传统 IP 网络进行改进，从而使得 IP 网能够担当起电信级业务承载网的重任。这些研究工作主要围绕传统 IP 网和电信网络之间的性能差别，从 QoS（服务质量）、安全性、可靠性和 IP 网络的可控可管等方面进行了探索和研究。1)QoS 保证措施保证措施IP 网的 QoS 问题一直是电信界诟病的焦点，随着下一代网络从理论研究阶段过渡到实际应用阶段，关于 QoS 的要求也不断发展和完善。影响最终用户业务使用体验的因素包括从物理层、链路层、网络层一直到应用层、表现层。ITU-T 和 ISO 在定义QoS 时，对 QoS 所涉及的范围均不仅仅局限于 IP 层。由于本文讨论的主要是 IP 网络，故文中 QoS 所指是 IP 层的 QoS，其主要性能描述参数包括丢包率、吞吐量、时延、抖动等指标，这些性能参数所约束的行为主体是 IP 包。保证业务 QoS 的方法有多种，包括：过量资源配置，资源预留和业务区分。为保证 IPQoS，IETF 提出了区分服务（DiffServ）和集成服务（IntServ）模型，同时随着MPLS 技术的不断完善，出现了基于 MPLS（多协议标记交换）的 QoS 保证方案。（a）过量资源配置充足的资源保证使得 IP 承载网是轻载网络。试验表明，IP 网络在轻载的情况下（峰值带宽利用率在 50%以下），一般可以满足电信业务 QoS 要求。但由于 IP 网络上承载的业务（特别是一些互联网业务）其可控可管的能力较差，同时由于病毒和黑客攻击等原因，容易在短时间内产生很大的流量冲击，导致网络负荷加大，此时 IP 包的QoS 性能将大大下降，完全不满足电信业务的承载要求。故仅仅采用过量资源来保证QoS 存在较大的风险，在实际应用中需要和其他 QoS 保证技术配合使用。（b）资源预留资源预留的基本思想是在传送业务流之前，根据业务的服务质量需求进行网络资源预留（包括带宽、CPU 处理时间片和队列），从而为该数据流提供端到端的服务质量保证。资源预留是一种传统电信业务实现思路，理论上可以严格保证业务的 QoS。IETF 提出的集成服务（IntServ）模型采用了资源预留技术，采用面向流的资源预留协议（RSVP），在流传输路径上的每个节点为流预留并维护资源。其主要缺点是由于 RSVP 信令需要为每一个业务流进行端到端的信令建立，同时为了维持链路状态还22需要大量的定期刷新信息，占用大量带宽资源和路由器的 CPU 处理能力，扩展性差，难以在大型 IP 网络中实施。（c）业务区分区分服务的基本思想是通过对不同的业务流（包）按照服务质量要求进行标识，划分不同等级，从而使得不同的业务流（包）能够在网络节点上获得区别对待：语音等电信级业务具有最高的服务等级；普通用户互联网业务的服务等级最低。当网络出现拥塞时，服务等级高的业务流比级别低的业务流有更加优先的转发权，从可以有效改善电信业务流的 QoS 性能。IETF 提出的区分服务（DiffServ）模型通过 DSCP（DiffServCodePoint）字段（6bit）来标识业务，理论上可最多支持 64 种业务分类。业务的标识一般在网络接入边缘完成，网络核心节点（路由器）通过 DSCP 匹配相应的 PHB（每跳行为）来进行包的策略转发，PHB 主要依靠各种复杂排队机制来实现。由于区分服务只包含有限数量的业务级别，状态信息数量少，同时不需要维持庞大的链路状态信息，其扩展性要比集成服务模型好。但区分服务模型只是改善了业务流流经的业务节点对 IP 包的处理，缺乏全局的信令机制以协调节点之间的信息传递与控制，因而其对业务 QoS 的保证也是相对的和局部的。（d）基于 MPLS 技术的 QoS 解决方案MPLS 是一种介于第二层和第三层的包转发技术，引入了基于标签的机制，把路由选择和 IP 包转发分开，由标签来规定一个 IP 分组通过网络的路径。MPLS 网络由核心标签交换路由器（LSR）、标签边缘路由器（LER）组成。MPLS 的报文头中包含一个 3bit 的 EXP 字段，通过该字段可以标记该 MPLS 报文的优先级，从而使设备在转发该 MPLS 报文时能根据优先级标志进行区别对待。MPLS 技术是一个良好的基础平台，被认为是构建电信级 IP 承载网的关键技术之一。在此基础上又衍生出了 MPLS VPN 技术、MPLS/DiffServ 技术和 MPLS TE（流量工程）技术等。基于 MPLS TE 通过将 MPLS 技术、RSVP 技术和约束路由技术相结合，也可以提高业务的 QoS 性能。通过 RSVP-TE 信令可以创建一条具有严格的资源保证的LSP（标记交换路径），从而严格保证业务 QoS。同时，通过 MPLS FRR（快速重路由）可以实现链路的快速故障倒换，从而提高网络的 QoS 性能。2)安全保证措施安全保证措施安全域的划分和隔离：从网络层面来看，解决电信业务安全问题的一个根本方法就是将电信业务和非电信业务进行隔离。根据具体实现方式的不同，隔离又可以分为物理隔离和逻辑隔离。所谓物理隔离也就是专网专用，通过构建电信业务的专用承载网络来确保电信业务安全。逻辑隔离主要通过 VPN（虚拟专用网）的方式，在公用网络上划分出电信业务的专用通道，其他业务不能渗透到这些专业通道上，从而实现业务安全。必须指出的是无论物理隔离还是逻辑隔离只能将潜在的威胁降低到相对较低23的水平，是一种主动防范措施，还需要对应用系统、网络网元（包括路由器，交换机，宽带接入服务器等）和用户终端的安全进行全面考虑，从而将安全风险控制在可控的水平上。目前，运营商主要采用物理隔离来建设电信业务的 IP 承载网；（a）构建终端和网络之间的 UNI 接口：在网络边缘构建终端和关键业务网络之间的 UNI 接口，避免终端对网络内部的直接访问；（b）基于业务感知的访问控制：网络边缘的安全控制设备与业务层建立接口，根据业务需求确定访问控制策略；（c）建立安全管理体系：安全是 30%技术+70%管理，需要建立一整套安全管理系统和制度，有效地综合使用各种安全技术手段保证网络安全。3)高可靠性保证措施高可靠性保证措施传统电信级业务要求 99.999%的可靠性，但目前 IP 网的可靠性一般只能达到 99.9%，还存在一定的差距。传统 IP 网络的故障自我恢复能力是比较强的，当发生链路或节点故障时，依靠路由协议的重新收敛，只要存在