在城域网中传送以太网业务

Coleman Hum
加拿大Meriton Networks Inc.,

1.引言

无庸置疑，以太网业务的快速增长迫使全球服务提供商们都在努力地寻求一种最经济有效的方式传送这些业务。目前城域网中就存在大量传送以太网业务的不同方式，其中一个比较常见的传输方式就是利用SONET承载以太网业务，本文将探讨这一方式的利与弊。为了解决SONET传输模式所面临的一些问题，一些运营商也开始选择暗光纤来承载以太网业务，不过这种方式也是有一定局限的。最近出现另外一种方法赢得了业界的广泛认同，那就是利用WDM技术来直接进行基于透明波长的以太网业务传送。下面我们将就这三种不同传输模式的优劣进行简要的分析。

2. 以太网业务的增长

以太网业务被认为是未来三年内增长速度最快的宽带业务，许多研究报告都指出今年以太网端口的数量将与SONET接口相匹敌，并在未来两年内达到SONET接口数量的两倍。而那些采用以太网技术的用户则一般都是大型企业、跨国公司和金融机构。与此同时，以太网业务也将受到新兴应用的驱动，如视频点播（VOD）、SAN以及交互式客户网络，并继续吸引新的或传统用户从今天的WAN技术（如帧中继、ATM和SONET）转向以太网技术。

以太网业务将出现强劲增长的主要理由：
1） 业务和应用不断地向IP网络汇聚融合；
2） 相比其他WAN接口技术，以太网接口具有更低的成本；
3） 以太网具有简单的即插即用特性；
4） 以太网在企业网络中所占据的主导地位；

3.以太网的局限

然而，尽管以太网具备许多优点，但事物总有两面，以太网也面临许多缺点。比如现在必须要回答的问题是以太网能否作为一种商业数据业务从企业/校园环境中转移升级到城域/广域网络中？以太网是否具有城域服务提供商所期望的所有传输特性？能否适应SONET网络？以太网从配线架（wiring closet）转移到中心局还需要那些东西？

由于以太网在局域网中已经暴露出一些缺点，因此上述担心就变得日益严重起来。就以太网的缺点我们可以举一些简单例子，如：
1. 难以预料的数据速率（由于统计复用的关系，在同一连接下，数据速率可以从Kb/s变化到Mb/s）；
2. 无法衡量的性能（在成功的分组传输过程中没有业务等级保护）；
3. 易变的数据通道路由（最短的通道通常不会发生或持续很久，动态的生成树算法决定着通道）；
4. 临时未到达网络（在逻辑网络拓扑转换过程中，生成树环路决议或第三层路由表集中，这将花费数分钟来完成网络设定）
5. 由单个终端用户引起网络服务中断（一个故障工作站，或PC就能让网络瘫痪）

面对以太网这些局限，运营商必须找到创新性解决方案才能解决可靠性和有效性/可用性问题。而其他一些话题，如利用SONET承载以太网流量的话题将在下面阐述。

4. Ethernet over SONET

许多人们已经将以太网与WAN网络连接起来，并且接入到VPN后接收email、登陆因特网，进行电子商务或与供应商和客户交换数据等，人们大多对以太网的性能和可靠性感到非常满意。

现有的以太网WAN连接大都通过将分组交换LAN接口插到电路交换TDM时隙（Time Slot）上完成的，该时隙与SONET城域传输网络连接，SONET协议提供所有的业务等级保护、冗余通道保护以及满足所有的操作要点（类似其他WAN业务所需的那样），如供应、计费和维护等要求。

利用SONET作为传输层，以太网业务现在具备了WAN服务提供商所期望的可靠性和操作简易性，可以进行商业运作了。
现在出现多种模式来利用SONET网络将以太网业务传送到用户驻地，包括：
1. IP/Ethernet over DSL over AAL/ATM over SONET
2. IP/Ethernet over AAL5/ATM over SONET
3. IP/Ethernet over clear channel T1/DS3 over SONET
4. IP over PPP over SONET (在这种情况下，以太网层被移除，以太网有效载荷通过第三层寻址路由，一个新以太网数据包头“Ethernet Header”被添加到远端)。
5.  IP/Ethernet/RPR/SONET
6.  IP/GFP/VC/SONET
7.  IP/Ethernet/VC/SONET

如果我们的带宽需求处于停滞状态，我们对现有的VPN email、网站登陆以及FTP文件的性能感到很满意的话，那现有的Ethernet over SONET机制将满足我们的需求。不过分析家预测的关于以太网会在城域核心获得快速增长以支持新兴业务需求/带宽发展的预测成真的话，那需求的带宽将会比今天多许多数量级。用以太网取代1.5Mb/s的T1业务，那将形成对以太网接口的强大需求，包括100Mb/s、1Gb/s以及10Gb/s接口。高带宽业务的主要驱动力来自VOD业务、分布式数据中心以及everything over IP业务。

继续采用当前的方法来在SONET网络上传输这些高带宽业务仍将是可能的，不过是否仍具有效率和成本效益就另当别论了。

当SONET仍十分适合传输低带宽以太网业务的时候，并不意味着也同样适合传输高带宽以太网业务。把SONET作为传输层来进行高带宽以太网业务传送将面临着下面的问题：
1、 成本：要让Ethernet与 SONET相匹配所耗费的成本是非常高的。一个Ethernet over SONET接口的成本一般是一个标准以太网接口的10倍甚至更高。任何一个服务商都不可能接受这样一个成本结构。
2、 粒度：SONET是设计用来进行有效地复用大量DS3和DS1信号的，可以在单一光信号中传输48个DS3 或1,344个DS1信号。如果要进行大量业务传送，那SONET的复杂性和高成本是可以接受的，因为服务商可以找到大量客户来完成资本回收。然而，如果采用千兆以太网端口（GbE），那么一个OC-48信号仅能装两个业务。
3、 复杂性：附加的协议层意味着管理、配置和供应复杂性的增加。同时还增加了运营成本。消除SONET层会简化运行、管理和维护高带宽以太网业务所需步骤的数量。
4、 用的同步功能：SONET协议的伟大之处就是能同时支持多个同步接口，这些接口在时钟速率和抖动等级方面略微不同。这种创新的对时隙指针处理(Pointer-processing)允许有效载荷自由地溢出进下一个帧中，并能自动调节信号（不要太快或太慢）。GbE从另一方面讲是一种非同步协议，无须外部的同步。可以这样讲，SONET的同步特性在传送以太网业务的过程中增加了不必要的成本。
5、 不必要的保护功能：一个标准SONET城域传输网络通常是多个BLSR环路的组合。SONET BLSR环路为防止环路某处出现故障而提供了一个非常快速且有效的保护方法。在一个SONET BLSR环路网络中，50%的有效容量被用来实施保护功能。当某一个地方发生故障的时候，故障点的网络元件随即启动并将流量绕行。即那些从一个方向进入网络元件的所有流量通过使用备用带宽而改道从其他方向继续传送，从而恢复了环路的数据流。保护切换速度要相当快，对TDM语音网络而言尤显重要。BLSR环路保护功能并不建立于每一个用户之上，而是网络的基本功能。然而在传送千兆以太网业务的时候，这种保护功能如果有机会能用到是最好不过的了。但一个千兆以太网业务可能有一个从另外一家运营商提供第二连接（secondary connection），来实现更大多样性或备份的目标，这样就不需要在SONET环路中进行BLSR保护了。综上所述，我们说保护过头或者太昂贵了。

5. Ethernet over Dark Fiber（暗光纤）

在城域网中传送以太网业务除了上述利用SONET传输层来传输的方式外，还可以直接将以太网物理接口与暗光纤相连。然而不幸的是，以太网并不是作为一种城域网传输协议来设计的。

利用暗光纤来承载以太网业务所面临的问题有：
1. 可升级性：所有end points之间都需要光纤，这会导致非常高的成本，并且无法在业务大量增长的时候对大量光纤进行管理。
2. 可靠性：没有50ms的保护倒换，而以太网的保护是基于OSPF协议的，需要数秒甚至数分钟才能恢复。
3. 故障解决（Trouble-shooting）：缺乏故障指示和定位的方法，一个上行故障不会被发射到终端。
4. 距离：以太网光接口的标准传输距离最长可达10公里，而如果超出该距离就需要以太网中继器了。

为了解决这些问题，IEEE 802.3ah EFM工作组正在通过努力定义一些OAM控制功能来增强以太网规格。该工作组已经定义了一些包头字节（header bytes）和专用的OAM封包，来赋予以太网更多的传输功能。但该工作组仍有许多问题没有解决，如距离和距离延伸、保护以及生成树汇聚等等，还包括如何后向兼容于现有以太网接口的问题，EFM以太网接口能否与旧有接口实现互通？需要进行升级吗？这些都是问题。

另一个问题则超出了EFM工作组力量范围之外，即如何在暗光纤上进行IP/MPLS分组传输。

6. Ethernet over WDM

除此之外，人们还可以选择另外一种方式来传输GbE业务，那就是Ethernet over WDM方式。这种方式利用WDM网络来传送以太网业务。ITU以及其他光标准组织已经定义了WDM标准，确保它作为一个传输协议来使用。其中一些已经定义好的传输协议功能包括：
运营、恢复和维护功能
1. 保护切换（Protection Switching）
2. 故障探测（Fault Detection）
3. 性能监测（Performance Monitoring）
4. 故障指示（Failure Indication）
5. 故障隔离（Fault Isolation）
6. 接口环回（Interface Loop-back）
7. Ping, Trace
8. 控制通道（Control Channel）
9. 信号再生和延长（Signal Regeneration and Extension）

网络元件功能：
1. Optical Grid
2. 光终端复用器
3. 光分插复用器OADM
4. 光交换机

WDM是在上世纪90年代发展起来的技术，通过将多路光信号复用到一条光纤上来进行传输。在这种技术早期发展阶段，ITU就已经按照S、C和L波段的形式将光通道标准化。如C波段如果按照100GHz间隔划分的话能容纳40多个波长。波长按照与STS-1类似的模式来承载OC-48信号，为数据传输提供了新的单元。以波长作为传输单元的优点是其可升级性和透明性。每一个波长都可以改变其数据速率，如从100Mbps到10Gbps以及40Gbps不等，且不依赖于其他波长，也不依赖于每一波长的第二层协议。

为了将光波长作为一种传送GbE业务的传输技术，WDM需要支持基本的传输功能。

在上世纪90年代，第一代的OADM通过人工方式进行波长分插复用（ADM）。固定光滤波器被插入到数据通道中，用来对某一特定波长改道，将波长下载(Drop)到一条单独光纤上，而其余波长将继续传输，或与本地加载（Add）的波长整合。这种波长的add/drop功能是比较原始的，并缺乏一些基本的传输操作功能，比如对pass-through波长的性能监测，故障探测以及波长通道的隔离，no per-section环回和监测，在任意节点对任意波长进行动态的add/drop等功能，都是比较欠缺的。

另外，第一代的OADM还面临波长锁定和stranding的问题，主要是因为波长在固定滤波器上的组合或结合（grouping or banding）作用，限制波长上下路由，增加网络规划的复杂性。可升级性也是一个问题。增加波长会导致服务中断和网络再次改造（re-engineering）的问题，这样会导致替换或调整预放大器、后置放大器或线性光放大器、色散补偿器件、以及光再生器。这是一个令人讨厌的工作，很多运营商因此而放弃了他们的升级计划。最近，光器件技术已经在多个领域获得突破性进展，使得WDM网络成为一种真正的、有效传输协议，可以被用来完成对GbE业务的传送。相比GbE/SONET传输方式，WDM传输方式具有更低的传输成本、更长的传输距离，较少的复杂性、透明协议和速率支持，以及每波长保护等功能，同时又具备所有必要的传输协议功能。

7.光创新

目前一些关键性的光学技术创新包括波长选择开关（WSS）、透明OEO交换机、可调滤波器、快速可调光衰减器（VOA）、小尺寸可插拔光器件（传输距离在40到120公里，同时支持从100Mbps到10Gbps的速率）。波长选择开关能够研制出动态可重构光分插复用器（ROADM）。一个ROADM能够解决固定OADM所面临的大部分问题。一个ROADM能消除以前利用人工方式在光路中插入滤波器进行上下波长的工作，并且也消除了波长banding影响。与SONET ADM中STS-1s类似的是，任何进入一个ROADM的波长都能以透明的方式动态地调整为added、dropped 或passed状态。一个采用MEMS光开关的ROADM可以将波长改道进入所要求的光纤端口。多波长也可以同时被发送到同一输出光纤中。

为了pass-through波长，有必要对每一个波长进行监测，这就需要如下功能：
1. 对每一个信号的光层和协议层性能进行测量
2. 收集性能状态参数
3. 探测光路中的故障
4. 将故障隔离在光路中的一个特定接口或器件上。

借助于光性能监测器件、可调滤波器以及协议监测芯片的帮助，现在每一个波长都可以在任意一个跃距（Hop）中被追踪和观察。这无疑会大大增强信号在光层和协议层的质量，帮助运营商预防广泛存在现有网络中的任何风险。

利用WDM的技术优势，现在人们可以考虑“服务等待”问题并能够把WDM作为一种网络基础设施来满足日益增长的以太网业务需求。WDM的性能监测功能满足了服务等级协议的需求，尤其是那些高端用户的需求，服务提供商应该对这一点感到放心。并且，WDM技术可灵活地进行网络设计以最大化地优化效率。当服务提供商铺设以太网业务的时候，就要求WDM为他们提供网络和传输支持，这样省略了对暗光纤的选择，同时避免Ethernet over SONET模式产生的高成本风险。WDM技术另外一个优点是能够简化网络的设计和运行工作，例如，利用小型可插拔光器件，如SFP和XFP模块，可以有效减少WDM带来的备份和库存问题。而买得起的可调器件也逐渐纳入运营商的视线，不过到目前为止，SFP和XFP模块对解决运营商的备份问题还是完全可以胜任的。如果要利用C波段40多个波长，一个WDM网络如果不使用可插拔光器件的话，就需要上百个接口卡来用于备份，主要原因是要应对多个波长、模式以及传输距离（要同时满足用户端接口和线路端接口的需求）。而可插拔光器件的采用将这个问题一分为三：
1） 用户端的光器件
2） 线路端的光器件
3） 基本转发卡

对于一条40个通道的WDM网络以及三种不同的用户光信号，备份产品列单将从120个线路卡减少到1个和43个可插拔光器件。采用可插拔光器件的WDM系统将提供充足的带宽（高达400Gbps），并使备份工作更加易于管理。

透明OEO交换机能够实现WDM环路之间的多等级光交换，以及处理不同WDM技术的波长转换，如CWDM和DWDM。一个可重构光分插交换机——OADX，能够支持多重WDM接口端口——在那里每一个WDM信号被解复用到一个波长上，然后再转换为串行电子信号，进行再定时、再整形、再放大，接着再被交换和组播到指定的端口上，传送到性能监测器件上来完成信号质量测量、状态校正以及故障排查。这个OADX可以被放置在多重WDM环路的交叉点位置上，起到一个WDM桥接的作用，或者可以看作是一个波长转换器或3R信号再生器。说起来OADX类似SONET世界中的波长交叉连接器/DCS（带有不同OC-N接口）。

WDM具有的另外一个好处就是保护的区域，由于具备了强大的保护功能，WDM具有与SONET类似的可靠性，并且这是在不耗费成本的基础上实现的。对每一个业务进行保护的一套机制可用于Ethernet services over WDM传输过程中。包括：
1)无保护
2)少于50ms切换时间的1+1保护
3)备份保护

8. 结论
虽然以太网在局域网获得广泛的认可，但我们将它应用到MAN的时候，以太网就面临了许多重大挑战。许多运营商为了解决在城域网中传输以太网业务面临的可靠性和有效性问题，采用SONET网络传输的方式，不过这种方式增加了许多不必要的昂贵成本和网络复杂性。

在暗光纤上承载以太网业务也是勉强之计，只不过突出了以太网业务不是一种城域传输协议的事实而已。而利用WDM承载以太网业务则为运营商提供了一个极具成本效益、弹性和可升级的基础网络设施。