1、IP城域网的概念
IP城域网(MAN，Metropolitan Area Network)的概念是由计算机网深化而来，指介于广域网和局域网之间，在城市及郊区范围内实现信息传输与交换的一种网络。这里所说的IP城域网，是指覆盖城市范围、为全市各类用户提供宽带(通常是指2Mbit/s以上)接入的数字通信网络。对一个城市而言，IP城域网的建设是其信息化基础设施的重要组成部分：从技术和运营模式来看，IP城域网是计算机网络和传统电信网络的融合；从技术发展的趋势来看，IP城域网会是传统电信体系发展的必然趋势。 我们也可以把IP城域网理解为就是IP分布式接入网络的延伸。其初期的目标是为企业、政府和家庭用户提供方便快捷的网络连接，实现用户以兆比特级的速率宽带上网；长远目标是建设城市的信息化基础设施，结合无线宽带接入的手段，实现用户Any-to-Any的实时在线(Always-on-line)连接，使人与人、人与任何信息化的终端都可以无障碍地实现信息的实时沟通。 IP城域网的建设将使城市的通信业务(包括传统电信所能提供的电话、有线电视提供的电视节目传送，以及通过计算机网络所实现的网上购物、网上医疗、网上股市交易、网上教学、 视频点播、会议电视等等)有机地整合在同一个IP宽带网络平台上。 上述目标并非可以一蹴而就，IP城域网的建设必须以现实为基础、以客户的需求为导向，采取循序渐进的策略逐步实施。 2、IP城域网的业务定位 根据当前数据网络的发展现状，IP城域网的业务定位是作为IP广域骨干网络在城市范围内的延伸，承载各种多媒体业务，汇聚宽、窄带用户的接入，以IP网络的可管理性、可扩充性为基础，满足政府部门、企业、个人用户对各种基于IP的宽带多媒体业务(互联网访问、虚拟专用网等)的需求。 IP城域网络承载的业务的特性将是宽带化、综合化和个性化。业务开展的形式将着重于解决大/中型集团用户高速/超高速接入因特网、组建/VPDN的需要；满足部分大型住宅小区内的大量分散用户共享lOMbit/s以太网或lOOMbit/s以太网速率接入因特网的需求；满足部分大型写字楼内的各办公室集中共享10Mbit/s以太网或lOOMbit/s以太网接入因特网的需求；满足政府机关或学校利用公网实现互联的需求。 IP城域网同时还必须是一个电信运营级的网络，以区别于供企业自用为主的企业级网络，要求在可靠性、服务质量QoS、业务类别方面有较高保障，从而对公众提供丰富、易用和可靠的服务。 目前处于起步初期的IP城域网主要要求能够满足两类业务的需求： 一类是QoS要求较高的互联业务和实时视频业务：基于IP的语音业务(VoIP)、电子商务、VPN、远程教育、协同设计、数字图书馆、电视会议、可视电话、视频点播、新闻、宽带网站和智能化社区服务等。 另一类是QoS要求较低的Internet上网业务：如E-mail、FTP、Telnet等。 3、IP城域网的分层结构 为了便于网络的管理、维护和扩展，网络必须有合理的层次结构。因此，大型网络的设计均遵循层次化设计的原则。 从广义角度上来分， 一个IP城域网应该是三方面内容的综合：“基础设施”、“应用系统”、“信息”。基础设施包括数据交换设备、城域传输设备、接入设备和业务平台设备；城域网的应用系统由基本服务和增值服务两部分组成，这些服务如同高速公路上跑的各种车辆，为用户运载各种信息；信息包括科技、金融、教育、财政和商业等数据，以及环绕这些数据的各种信息系统。 从网络结构上来分，根据目前的技术现状和发展趋势，一般将城域网的结构分为三层：核心层、汇聚层和接入层。城域网的核心节点和汇聚节点又统称为骨干节点，它们就是未来的IP目标局，支持窄带(PSTN/ISDN/DDN/FR PVC等)和宽带(ADSL/以太网/ATM Pvc等)的IP综合接入，相互之间采用市内光纤或高速传输线互连。
1)核心层 IP城域网核心层网络主要负责进行数据的快速转发以及整个城域网路由表的维护，同时实现与IP广域骨干网的互联，提供城市的高速IP数据出口，其网络结构重点考虑可靠性和可扩展性。核心层主要由传输网络与核心交换设备构成。传输网络一般采用高容量的传输设备，负责完成数据的传送：核心路由交换设备负责建立和管理承载连接，并对这些连接进行交换和路由。 核心层节点位置选择应结合业务分布、机房条件、光纤布放等情况综合考虑，一般应设置在城区内；核心层节点数量根据实际网络需要进行设置；核心节点间原则上采用网状或半网状连接。 2)汇聚层 IP城域网汇聚层居于核心层和接入层中间，主要实现如下功能：扩展核心层设备的端口密度和端口种类：扩大核心层节点的业务覆盖范围：汇聚接入节点，解决接入节点到核心节点间光纤资源紧张的问题；实现接入用户的可管理性，当接入层节点设备不能保证用户流量控制时，需要由汇聚层设备提供用户流量控制及其他策略管理功能。此外，除基本的数据转发业务外，汇聚层还必须能够提供必要的服务层面的功能，包括带宽的控制、数据流QoS优先级的管理、安全性的控制、IP地址翻译NAT、数据流流量整形等一系列的功能。 在进行IP城域网建设中，汇聚层一般采用高性能大容量的三层设备；汇聚层节点的数量和位置的选定与当地的光纤和业务开展状况相关，一般在城市的远郊和所辖县城设置汇聚层节点：核心层节点与汇聚层节点采用星形连接，在光纤数量可以保证的情况下每个汇聚层节点{zh0}能够与两个核心层节点相连。 3)接入层 接入层网络负责提供各种类型用户的接入，在有需要时提供用户流量控制功能。接入层节点的设置主要是为了将不同地理分布的用户快速有效地接入骨干节点。接入层节点可以根据实际环境中用户数量、距离、密度等的不同，设置一级或级联接入。由于用户端设备端口需求量较大，因此要求接入设备要有优良的xxx。 当前用于提供宽带接入的方式主要有xDSL、Cable Momdem和光纤+LAN等技术。其中，xDSL适用于零散分布用户或不计划改造现有双绞线布线计划的小区、大厦用户，并可作为信息化大厦小区建设的补充接入方式；Cable Momdem主要适用于布设有有线电视网的住宅区：光纤十以太网方式主要适用于用户密集的住宅小区和商业大厦。接入层节点到汇聚层节点间的网络连接依据设备情况而定，比如，当接入层节点使用二三层交换机等设备时，一般采用星形连接，每个接入层节点与一个汇聚节点相连；接入层节点使用宽窄带综合接入环路设备时，接入层使用环形连接，每个接入环上有一个节点与汇聚层节点相连；接入层节点使用宽带PON(Passive Optical Node)无源光节点设备时，接入层使用树形连接，PON局端设备与汇聚层设备相连。接入层是整个IP城域网建设中的重中之重，关系到用户群的覆盖效果，直接影响城域网运营的效益。 二、IP城域网的所采用的三种技术 为了在ATM网上传送IP数据包并能保证QoS，曾出现了多种技术，如MPOA、Classic IP over ATM等等，但由于ATM存在技术和设备制造缺陷、技术发展缓慢等问题，最终大多数运营商都转向纯IP的解决方案。 线速路由交换机的出现，使得可以省去ATM而直接在SDH网上运行IP数据包，这就是所谓的Packets over SDH(POS)。而密集波分复用(DWDM)技术已经成熟并走向商品化，无需采用SDH时分复用设备，而是将原复用的多个信道改为DWDM，然后用吉比特(Gigabit)或太比特(Terabit)路由交换机直接与DWDM设备相连进行路由交换，即所谓的IP/DWDM方案。运营商的广域骨干网已经越来越多地采用IP/DWDM方案进行广域互连。 与此同时，由于以太网技术的成本低廉、成熟稳定，并且不需附加的传输设备和交换机就可以在裸光纤上应用，运营商在建设IP城域网时也越来越多地采用Gigabit Ethernet交换/路由接口。目前，常用的Gigabit Ethernet路由接口一般分为SX(short，2km以下)和LX(long，15km以下)两种标准。 1、吉比特以太网技术 吉比特以太网方案的结构十分简单，骨干层各核心之间、骨干层与汇聚层之间均可采用吉比特以太网方式连接，而接入层和汇聚层之间则采用100Mbit/s快速以太网连接。吉比特以太网是IEEE 802.3以太网标准的扩展，传输速度为1Gbit/s，是超高速主干网的一种选择方案，尤其适用于高容量数据、话音、视频等实时业务。它由原来的10Mbit/s以太网和100Mbit/s快速以太网发展而来，同样采用CSMA/CD协议并使用相同的帧格式。相对FDDI、ATM等其他高带宽传输技术，吉比特以太网应该说是最有竞争力的一种选择。在价格上，吉比特以太网也有很大的优势。 事实上，吉比特以太网在城域网的应用在早些时候就已经出现，但是一般只能用于一个很小的范围。光纤通信的大量应用和吉比特以太网在距离上的延伸，为吉比特与城域网的联姻提供了{zh0}的技术基础，现在经过以太网连接的数据的传输距离大为增加，可以轻松达到几十公里。目前局域网和城域网之间大量采用了吉比特以太网的技术，不但节省了网络的成本，还大大降低了运营管理的复杂度。 当然以太网也有一定的局限性。在网络拓扑结构上，以太网的连接方式是点对点的。为保证网络的可靠性，如果要实现多条线路的冗余连接，只能通过增加光纤的数量才能做到。 因此在节点的数量较多的情况下，以太网的连接方式要占用大量的路由器或交换机的交换端口和光纤数量，价格也会相应增加。基于以太网的IP城域网不使用SDH设备，当光缆环路被切断时不能够像SDH一样在50ms内完成自愈恢复，使用MPLS TE(流量工程)机制能够在50ms内完成自愈，但一般的以太网交换机还无法支持。因此，如果要在50ms内完成自愈，需考虑其他的办法，如后面将要讲到的RPR技术。 目前已有厂商推出10Gbit/s以太网的技术。lOGbit/s以太网的技术对城域网的骨干以及骨干层和汇聚层的连接是一个很好的选择。当网络的流量到达一定程度、设备制造商的成本降下来之后，10Gbit/s以太网也必将在城域网中得到广泛的应用。采用以太网方式组网的城域网网络结构如图2所示。
图2 2、POS技术 POS技术能通过SONET/SDH有效传输数据，是支持Internet爆炸式增长的一种主要技术。由于SDH技术已经非常普及，而且也相当成熟，目前已有许多运营商广泛部署了这种系统。 路由器POS接口一般与ADM设备连接，是点到点SONET/SDH链路的终点。基于POS技术的城域网具有以下优势：POS接口已经在大量服务提供商和专用企业网络中成功进行了部署；可用带宽比例高达97%；可扩展性强，带宽能够从OC-3到OC-192/STM-64；组网方案灵活，经济有效，对于高速接口而言，其组网灵活性和经济有效性更为明显；网络管理性能强；具有快速恢复功能；是基于标准的多厂商解决方案。基于POS的城域网解决方案网络拓扑如图3所示。
图3 3、RPR技术 RPR(Resilient Packet Ring，弹性分组环)是一种为传输IP分组而优化的传输技术，用于直接在光纤上高效、可靠地传输IP分组。RPR采用环形的光纤结构，RPR环由两个分别沿不向旋转的光纤环所组成，沿顺时针方向旋转的光纤环称为外环，沿逆时针方向旋转的光纤环称为内环。在RPR中，用于两个光纤环中的所有带宽都可以同时用来传输IP数据分组和控制分组，因此，RPR能{zd0}限度地利用光纤的带宽。此外，由于RPR本身的自愈功能，使RPR网络具有非常快速的保护切换时间，因此在故障情况下，丝毫不影响向用户提供的业务，特别是不影响向关键部门所提供的业务。 RPR利用SDH成帧格式同时加上新定义的第二层(MAC层)协议，即空间重新利用协议(SRP，Space Reuse Protocol)，作为IP分组层与路层之间的适配。使用SDH帧格式的原因是考虑到与世界上大规模建设的SDH网之间的互连互通需求；使用SRP的目的是在SDH的级联净荷中识别出各个IP分组，并提供带宽重用/复用功能和其他控制功能。RPR技术所具有的灵活性，使得它适用于多种性质的运营者的情况。 在RPR环中，两个RPR节点之间的距离可达到一百多公里(指裸光纤时)，当传输距离大于这个数值时，既可以使用IP再生器来进行中继，也可使用标准的SDH再生器来进行中继。RPR还利用RPR环形特点，高效地支持组播/广播业务，RPR的帧格式中，还能映射IP的TOS字段，从而有效地支持IP的COS。
图4 三、组建IP城域网的解决方案 IP城域网是传送网与业务网、数据网与传统电信网、长途网与接入网的交汇点，是IP广域骨干网的延续，是同城信息的高速交换和宽、窄带接入的汇聚。由于IP城域网建成后的网上承载的业务将以基于IP包传送的业务为主，因此，城域网的组网技术将以IP包交换技术为核心，它的建设目标是： (1)开放的基础传送平台； (2)数字化、宽带化、综合化的接入平台，具备数据、图像及语音的多种业务综合接入能力； (3)具有丰富的业务提供能力，满足集团用户、行业用户和商业住宅用户不断增长的业务需求； (4)具有有效的网络管理能力和运营能力。 组建IP城域网，在国内外有很多思路，有各种各样的组网方案。一个好的IP城域网组网方案，一定要根据所在城市的经济和业务发展情况来统一考虑，同时所采用的技术应该是符合标准化要求的。 目前组建IP城域网主要有两种方案： (1)采用高速路由器为核心，路由器或交换机作为汇聚层的三层网络设计(路由+交换)； (2)采用高速LAN交换机为核心，交换机作为汇聚层(全交换)的二层网络设计。
在IP业务量较大的城市，IP城域网骨干层将直接采用高速路由器为核心来组建，并以GE(Gigabit Ethernet，吉比特以太网)方式组网为主，POS(PPP over SDH)连接为辅，中继采用市内光纤或其他传输介质。如图5所示，对于IP业务量大的城市，考虑到需要处理的IP数据包比较多，只有采用高速路由器才能处理得过来，并且当IP业务量比较大时，IP层面的流量控制和服务级别划分(CoS，服务等级)等也是不可缺少的，而这些功能都只有高速路由器才能提供，所以对于业务量比较大的城市，应该采用高速路由器为核心来组建IP城域网。
图5 对于城域网的骨干层面建设，应该以简单的网络拓扑为主，比如，只以两个节点为核心节点，其他骨干节点(汇聚层节点)分别与这两个核心节点相连接；同时，在核心层和汇聚层高速路由器上连接高性能的三层路由交换机，以方便接入层LAN交换机的接入；城域网的接入层面将主要由LAN(局域网)交换机为主组成，向用户提供以太网等宽带接入。 在核心层的核心节点还需要设置城域网至广域骨干网的出口。 另外一些接入服务器(比如，PSTN/ISDN拨号接入服务器、宽带拨号(支持PPPoE，即PPP over Ethetnet)接入服务器、VPN(虚拟专用网)接入服务器等)也将放置在城域网的骨干节点上，比如，为提供对PPPoE用户的支持，在这种由高速路由器为骨干组建的IP城域网的一些主要节点，分布式放置宽带接入设备。这些宽带接入设备一般通过一条或者多条FE(Fast Ethetnet，快速以太网)或GE链路与三层交换机相连：同时，为了支持不同区域用户之间能够用VLAN隔离，宽带接入设备{zh0}能够支持802.1Q的标准，能够在同一端口接入不同VLAN的用户。 由于高速路由器相对价位比较高，同时考虑到虚拟拨号(PPPoE)不能穿过城域网的基于IP的骨干层面，宽带接入服务器将不得不采用分布式接入方案，因此在城域网业务发展初期，可能会使投资相对较大。 2、采用高速LAN交换机为核心组建IP城域网 对于业务量中等以下的城市，可采用高速LAN交换机(同时支持第二和第三层)为核心来组建IP城域网，并xx以GE方式组网，中继采用市内光纤或其他传输介质。如图6所示，对于IP业务量中等以下的城市，考虑到需要处理的IP数据包并不是特别多，并且由于带宽相对比较富余，IP层面的流量控制和服务级别划分(CoS)等也不是特别重要，所以采用高速LAN交换机来组网是xx可行的。
需要指出的是，由于二层网络本身所具有的缺陷，一个纯粹的二层网络是没有很好的可扩充性及可管理性的，要使网络具备层次性的结构因素就必须引入三层的路由功能。因此，采用交换机为主的二层网络设计方案也同样必须具备三层IP的路由功能和控制功能，通常的做法是通过在高速LAN交换机上配置三层路由模块来实现。 考虑到网络的稳定性，高速LAN交换机将同时支持链路层(第二层)和IP路由(第三层)，并且需要支持链路层的用户隔离和广播数量的压制。 对于城域网的骨干层面建设，同样应该以简单的网络拓扑为主，比如，仍然只以两个节点为核心节点，其他骨干节点(汇聚层节点)分别与这两个核心节点相连接等等；通过在核心层和汇聚层高速LAN交换机上配置三层功能和配置VLAN，构成路由网络和交换网络相互叠加，相互共存，以满足不同类型用户对网络的要求；城域网的接入层面也将主要由LAN交换机为主组成，向用户提供以太网等宽带接入。 在核心层的核心节点还需要设置城域网至广域骨干网的出口，考虑到高速路由交换机在BGP等路由处理方面的不足，以及为了将来网络扩展的需要，可以在核心层设置专门用于与广域骨干网交换BGP路由协议的容量适当的高速路由器。 为提供对PPPoE用户的支持，在城域网的核心节点，集中或少量分散地放置宽带接入设备，一般它们通过一条或者两条FE/GE链路与三层交换机相连；为了支持不同区域用户之间的隔离，可以选用支持802.1Q标准的宽带接入设备，以便可以在同一端口接入不同VLAN的用户。 由于高速LAN交换机价位比较低，另外通过划分VLAN(Virtual LAN，虚拟局域网)的方法，可以使得虚拟拨号(PPPoE)穿过IP城域网的基于LAN交换机的骨干层面，宽带接入服务器将可以采用集中式接入方案，在城域网业务发展初期，这样组建IP城域网将是比较节省投资的一种组网方式。 当城市中的IP业务量越来越大，使得以高速LAN交换机为核心组建的IP城域网不能适应发展要求时，可以考虑向以高速路由器为核心组建城域网的方案过渡。实际上，由于在高速LAN交换机上已经xx了IP层面，所以从城域网核心层开始引入高速路由器是非常容易和平滑的一种过渡方式。由于引入的高速路由器将隔断虚拟拨号(PPPoE)的VLAN，所以伴随着高速路由器的引入，宽带拨号接入服务器也应该逐渐从集中式向分布式过渡。 3、两种方案的技术特点比较 应该说上述两种设计方案各有其特点，也各有其使用的范围。我们从以下几个方面作一个简单比较。 1)网络的可靠性和冗余 两者都可以有很好的可靠性。但由于高速路由器属电信级可靠性设计，无疑比高速LAN交换机有更好的可靠性，因此以高速路由器为核心组建的城域网似乎更适合城域网对电信级网络可靠性和冗余的要求。 两者都有很高的数据报转发性能，都可以做到线速转发。但高速路由器所能存储的路由表的数量，以及路由表的查寻速度都远远高于基于交换机的网络；高速路由器采用的数据包转发技术和一般交换机也有很大的区别，交换机通常较多采用基于流的快速交换方法，而高速路由器一般采用更复杂和先进的基于快速转发信息表的算法；另外，高速LAN交换机产品虽然集成了三层的功能，但其他方面的功能比较简单，比如高速LAN交换机还不能很好地提供流量工程技术，在提高网络带宽利用率、提供保证带宽和服务质量的服务等方面都存在不足。 因此，以高速路由器为核心的网络设计较适合于规模较大，需要较强控制能力和功能的IP城域网。 3)网络增值服务 由于路由器和LAN交换机定位的不同，路申器比交换机拥有更多的功能，比如xx路 由器能够支持交换机还不支持的MPLS-TE、二层或三层MPLS VPN等方面的诸多功能；交换机的软件功能比较弱，因为它的主要目的是作虚网之间的快速路由，以及通过VLAN的方式提供透明VLAN服务等。 因此，以高速路由器为核心的网络设计能够提供更多的网络增值服务功能。 4)网络的可扩展性 两者都可以有很好的可扩展性。但以高速路由器为核心的网络设计可以使得网络的层次结构和逻辑更清楚，可扩充性更强一些。 5)网络的收敛时间 当采用MPLS-TE快速重路由(Fast Reroute)等技术时，高速路由器组成的网络的收敛时间可小于lOms；由于主要采用基于生成树算法或路由算法的收敛技术，高速LAN交换机组成的网络的收敛速度一般比较慢，最快也只能作到为1-2s(当采用IEEE802.1w Fast Spanning-Tree技术时)。可见，在网络对故障的适应能力上，以高速路由器为核心的网络设计具有一定的优势。 因此，从以上的技术特点的分析看来，尽管两种组网方案都是实际可行的方案，但采用高速路由器为核心的组网方案比采用高速LAN交换机为核心的组网方案似乎要更优秀一些。但是，众所周知，高速大容量路由器的造价要比高速LAN交换机贵得多，因此在组网时应根据具体情况，选择最适合的方案。 |
