（计算机应用技术专业论文）中山市宽带城域网组网技术分析与规划.pdf

摘要 摘要 随着数据通信市场需求的持续增长，建设宽带城域网成为各运营商投 资的热点，本文分析了在中山电信宽带城域网的规划建设过程中，出现 的当前流行的三类城域骨干网组网技术：第层交换技术i po v e ra t m ， 第三层路由技术i po v e rs d h ，第三层交换技术m p l s ，比较了三种技术 的关键特征及业务提供能力，得m 如f 分析结果：a t m 网络的主要优势 在于面向连接的信元传输方式，但与i p 结合a t m 信元税将占用大量带宽， 协议转换复杂。i p 城域网是面向无连接的网络，每个i p 包都是独立地进 行路由选择，满足尽力而为的数据传输，不能保证q o s 。m p l s 融合了i p 与a t m 的技术精髓，继承了a t m 所有技术优点，如类似面向连接的l s p 、 固定长度的标签交换、q o s 、流量管理等，f 司时又实现了i p 的灵活性、 有效性和可扩展性等优点，m p l s 提供了一种新的路由控制功能，路由和 转发完全分离。从业务提供能力方面，m p l sv p n 使远程站点的连接费 用大大降低，用户可以将复杂的路由问题留给网络运营商，不需要了解 和配置复杂的路由信息，v p n 网络易管理、易维护。m p l sv p n 更适合于 运营商来运营大型的v p n 网络，小型企业用户往往需要较少的v p n 站点， 路由结构比较简单，适合于采用a t mp v c 组网。 本文最后提出在中山电信宽带城域网的规划建设过程中，必须考虑 o o s 、交换能力、路由控制、网络管理、v p n 应用能力等重要因素。m p l s v p n 与a t mv p n 具有相同的服务质量级别和安全性能，但由于历史原因 a t m 网更多的应用于已有的对安全性级别较高的企业用户互联。中山电 信城域网的规划建设，以发展m p l si p 城域网为主，同时保持传统的a t m 城域网，为具有各种不同需求的客户提供数据通信服务。本文为中山电 信宽带城域网的规划建设提供了具体的指导意见和发展方向。 关键词：宽带m a n ：规划；i p ；a t m ；m p l s ；v p n 华南理工大学1 j 程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e gr o w i n go ft h e m a r k e td e m a n do fd a t at e l e e o m m u u i c a t i o n o p e r a t i n g b u s if l e s sv e n t u r e s t r y t h e i rb e s tt ob u i l db r o a d b a n dm a n d u r i n gt h e p r o c e s s o f b u i l d i n gz h o n g s h a nm a n ，w ea n a l y z e t h r e ek i n d so fm o s t p o p u l a r c o r em a n t e c h n o l o g y ：l 2s w i t c h i n g l po v e ra t m ；l 3r o u t i n gi po v e rs d h ；l 3s w i t c h i n g m p l sa n da ls o c o m p a r et h e i rk e y f e a t u r e sa n db u s s i n e s s a p p l i c a t i o n m o d e l t h e m a j o ra d v a n t a g e o fa t mn e t w o r kish e r w a y o fc o n n e c t i o n o r i e n t e dc e l l t r a n s m i s s i o n h o w e v e r ，b yc o m b i n i n gw i t hi p ，t h ea t m c e l lw i l lo c c u p yal a r g e a m o u f l to fb a n d w i t h ，t h e p r o t o c o l t r a n s f o r m a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r e c o m p l i c a t e d i pi sa ni n e o n n e c t i o f fn e t w or k ，w i t he a c hi p p a c k a g e c h o o s e sh e r r o u t i n gi n d 。p e n d e n t l y t h ei pt e e h n o i o g yc a ns a t i s f yd a t a t r a n s m is s i o na sm u c ha s p o s s i b l e ，h o w e v e r ，i tc a nf l o tg u a r a n t e eq o s m p l sn o to n l yc o m b i n e st h ec o r et e c h n o l o g yo fi pa n da t m ，b u ta l s o i n h er i t s n e a r l y a l l a d v a n t a g e s o fa t m t e c h n i q u e s ， s u c ha st h e c o n n e c t i o n 一0r i e n t e dl s p ， f i x e d - 1 e n g t h l a b e l s w i t c h i n g ， q o s ，f l o w m a n a g e m e n ta n ds oo n w h a ti sm o r e ，m p l sh a st h ea d v a n t a g e so fi ps u c h a s f l e x i b i l i t y ，v a l i d i t y a n d e x t e n s i b i l i t y m p l sp r o v i d e an e wf u n c t i o no f r o u t i n gc o n t r o l ，w i t ht h ec o m p l e t es e p a r a t i o no fr o u t i n ga n dt r a n s f e r f o r a n o t h e r h a n db o u tb u s s i n e s s a p p l i c a t i o n ，m p l s v p ng i v e s a s h a r p c u tt ot h e e x p e r i s e o fr e m o t e s i t e sc o n n e c t i o n u s e r sc a nl e a v et h e c o m p l i c a t e d r o u t i n gp r o b l e m s t ot h e o p e r a t i n g b u s i n e s s o p e r a t o r sa n dn e e dn o tt o u n d er s t a n da n dc o n f i g u r et h e l a r g e a m o u n to fr o u t i n gi n f o r m a t i o n v p n n e t w o r ki se a s i ert om a n a g ea n dm a i n t a i n m p l sv p ni sm o r es u i t a b l ef o r b u s i n e s s o p e r a t o r t oh a n d l et h es c a l ev p nn e t w o r k ，w h e r e a st h es m a l l e n t e r p r i s e su s u a l l y n e e df e w e rv p ns i t e s t h es m a l lv p nn e t w o r kh a sa s i m p l er o u t i n gs t r u c t u r es ot h a ti t i ss u i t a b l ef o ra t mp v cn e t w o r k t h el a s tw e p r e s e n t i no r d e rt oh a v eac o n s i d e r a t e p l a n o ft h e z h o n g s h a nt e l e c o m m a n b u i l d i n g ，w e h a v et oc o n s i d er m a n yi m p o r t a n t f a c t o r ss u c ha s q o s ，s w i t c h i n ga b i l i t y ， r o u t i n gc o n t r o l ， n e t w o r k m a n a g e m e n t ，v p na p p l i c a t i o na b i l i t y a n ds oo f f b o t ho fm p l sv p na n d a t mv p nh a v et h es a m eq u a l i t yo fs e r v i c e sa n dt h es a m el e v e lo fs e c ur i t y a n y w a y ，d u et o t h eh i s t o r i c a lr e a s o n s ，p e o p l et e n d st oa p p l ya t mn e t w o r k t e c h n o l o g yt o t h ec o n n e c t i o no fc o r p o r a t i o n sw h i c hh a v eas t r o n gd e m a n d o fs e c u r i t y o nt h ew h o l e ，i no r d e rt ob u i l dae f f e c t i v en e t w or k ，z h o n g s h a n t e l e c o mi s g o i n gt od e v e l o pt h em p l si pm a n a sh e rm a i nd i r e c t i o n ，a s w e l las d e v e l o pt h e t r a d i t i o n a la t mm a ni nam i l dw a ys ot h a ts h ec a n p r o v i d ed i f f e r e n td a t at r a n s m i s s i o ns e r v i c e sf ord i f f e r e n tr e q u e s t so fu s e r s w ep r o v i d et h e g u i d eo p i n i o n a n d d e v e l o p m e n t d i r e c to f p l a n n i n g a n d b u i l d i n gz h o n g s h a nm a n k e yw o r d s ：b r o a d b a n dm a n ：p l a n n i n g ：i p ；a t m ：m p l s ：v p n m 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：药囊0 毒日期：冲3 年m 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 矗蹲 阕专痛 日期：i 哆年h 月名日 e t 期：一年，t 月占日 第一章概要 第一章概要 1 1 宽带城域网规划建设背景 自从第一台电话机诞生以来，通信技术的发展日新月异，从模拟到数 字、从话音到数据、从电路交换到分组交换，新技术层出不穷，为人类 生活方式带来了深刻的变革。2 0 0 1 年数据通信业务量在北美a t & t 公司 首次超过话音通信，数据通信以快速增长速度发展下去，必将成为电信 业务的主流，引领产业的发展发向，事实上话音通信也正在向数据通信 方式靠拢，逐步迈向基于统一平台的“三网合一”。在这样的背景f ，发 展宽带城域网成为开发商、运营商和用户共同的需求和利益点。目前， 国内大多数城市建设了各种各样的城域网，从窄带发展到宽带，从低速 发展到高速，各种组网技术层出不穷，对于中山电信这样一个老牌通信 网络运营商来说，如何规划建设宽带城域网，即利用好原有网络，又跟 上先进技术，将是一个重要的课题，具有战略意义。本文将分析当前最 重要的宽带城域网核心组网技术，并结合中山电信城域网的规划建设项 目说明中山电信宽带城域网最优组网方案及应用模式。 首先需要介绍一下宽带城域网所能提供的业务。如果从信息内容上来 看，宽带城域网提供一类是对陶络质量要求较高的视频点播、电子商务、 远程教育、远程医疗、协同设计等业务。另一类是对网络质量要求较低 的电子邮件、远程登陆、文本处理等业务。 从业务使用对象上来看，最主要的业务是宽带上网业务，为用户提供 高速接入i n t e r n e t 业务。这项业务在四类用户层面开展：1 ) 、信息化 小区用户，小区内的住宅用户用以太网接入方式、或其它如x d s l 等接入 方式，向城域网运营商申请一个账号后采用虚拟拨号入网。2 ) 、信息化 大厦用户，大厦内的商业用户，i = i ：j 。以采取交换机或路由器专线接入方式， 采用固定i p ，1 0 m 、1 0 0 m 两种速率入网。3 ) 、企业用户通过光纤直接和 宽带城域网骨干层节点连接，独享一个宽带城域网骨干层端口带宽，分 配较多的固定i p ，实现高速接入。4 ) 、拥有传统电话线路的普通用户， 采取a d s l 接入方式，通过a d s l 节点与城域网对接，实现最大下行速 率8 m b s 的高速上网。 宽带城域网还能提供的另一种业务足企业l a n 同城互联和v p n 业 华南理l 大学j 二程硕士学位论文 务，为企业或集团用户建立跨地域高速办公嘲，企业总部与部门之问通 过光纤直接接入宽带城域恻，实现高速的局域网互联，当然也可以通过 其它接入方式。同时，宽带城域网也可以为企业提供高速、安全的v p n 业务，节约了用户的网络建设投资，降低了用户的网络运行成本。随着 围民经济的稳步增长，企业l a n 互联和v p n 业务出现强劲的增长势头， 为宽带城域网运营商带来可观的效益。由于企_ kl a n 互联要求的是高速、 安全、可靠，不同于上网业务，要求的是尽力而为的数据传输，因此宽 带城域嘲的规划和升级必须首要考虑企业l a n 互联的应用需求，有针对 性的面向企业大客户建设城域网络，满足从用户使用习惯、网络质量到 成本控制的各种需求。 1 2 宽带城域网的定义 城域网足指介于局域网和局域网之间，地理范围上局限于城市内部， 类似于电话交换网的各本地网。城域网是在技术上综合了各种广域和局 域组阕技术，业务上综合r 数据、语音、视频等各种信息内容，实现城 市范围内的信息传输和交换的数据网络。宽带一般指用户接入速率在 2 m b p s 以上，当用户接入宽带网后，下载一本百科全书，只需要几秒钟 的时间，下载一部几百兆的电影视频，也只需要几分钟的时间。城域网 迈向宽带网络，是因为用户对音频、视频及三维图像等多媒体信息提出 了传输更快、信息量更大的需求，用户对信息传输速率的追求永无止境。 这种动力迫使开发商和运营商努力研究新的技术提高城域网带宽。 宽带城域嘲既不是局域网在地理范围上的简单扩大，也不是广域嘲在 规模、地理范围上的缩小，而是两者巧妙、科学、合理地综合应用。如 前所述宽带城域网主要提供普通用户和企业用户高速接入因特刚和局域 刚互连业务。相对于因特网来讲，它是骨干因特网的高速城域接入平台； 相对于城域本身来讲，它又是一个相对独立的连结政府机关、，一矿企业、 教育科研等单位的城r f 亍信息港。所以从概念上讲，它既是一个宽带接入 l 劂，又是一个本地宽带交换网。 宽带城域网的未来，不仅能传输文字、语音、高质量的视频，迎来一 个交互式的多媒体时代，更能融合传统的电话嘲、有线电视网，造就城 市信息高速公路。 2 第章概要 1 3 技术之争：基于ip 还是a t m 宽带城域网采用的技术经历了用a t m 还是i p 的纷争，历经十余年。 由于a t m 和i p 是两种典型的、最常用的网络技术，并只在数十年的争 论后，专家们在两者的基础上，综合各自的优势，找到了更好的解决方 案，因此，有必要回顾一下a t m 和i p 两种技术的历程。 1 3 1a t m 技术 a t m 技术是八十j 年代末由电信提出的，为实现包括话音、数据和图 像在内的各种业务传输的宽带综合数据业务网b i s d n 而发展起来的网 络技术。a t m 最初的思想是希望造就未来通信系统的统一平台，任何时 候都能按实际需要来占用资源；对特定业务，传送速率随信息到达的速 率而变化：能够适应任何类型的业务，无论其速率高低、突发性大小、 实时性要求和质量要求如何，都能提供满意的服务。但是a t m 技术过于 复杂化，a t m 到用户桌面设备价格昂贵，这些是困扰a t m 技术广泛应用 的重大因素，因此a t m 并没有最终到用户桌面上来，a t m 一般只限于电 信级骨干阀的建设。 1 3 2i p 技术 i p 技术起源于六十年代，最初只用于计算机局域网和i n t e r n e t 的组 建。近卜年来，随着i n t e r n e t 的快速普及，i p 技术广为流传，已经成为 一种事实上的开放系统互联标准。i p 技术实质上是一种不需要预先建立 连接，而直接依赖于i p 分组头信息决定分组转发路径的数据传输技术。 i p 技术的主要特点是：1 p 协议是一种网络级互联协议，容易实现异种网 络的互联，采用无连接技术，特别适合于电子邮件、信息检索等非实时 的短报文通信；i p 技术具有统一的寻址体系，网络可扩展性强，采用独 立服务的模块化结构，可以支持多种不同应用，容易增加新业务。i p 技 术所具有的最大优势在于，它可以运行在任何介质和网络上，可以保证 异种网络的互通，叩“i po r e re v e r y t h i n g ”。随着宽带i p 技术的发展，包 括话音、数据和图像在内的各种业务均能在i p 网上进行传输，出现了所 谓的“e v e r y t h i n go ni p ”的局而，i p 业务当前成为通信业务的主流。但1 p 技术在发展过程中遇到了路由器瓶颈、服务质量难以保证等问题的困扰， 华南理工大学工程硕士学位论文 对大规模的网络，i p 技术需处理庞大复杂的路由表，而且路由表查找困 难，降低了1 p 传输效率。 1 3 3a t m 与i p 融合 a t m 和i p 都是设计优秀、得到了普及推广的技术，但它们在各自的 发展过程中部遇到一些难以解决的m 题，专家们试图把这两项技术结合 起来，利用a t m 网络为i p 用户提供高速直达数据链路，既可以充分利 用a t m 网络的资源优势，发展a t m 上的i p 用户业务，又可以解决i p 嘲络发展中遇到的问题，推动i pj 眦务的发展。a t m 与i p 融合经历了两 种实现方式：重叠技术和集成技术。 重叠技术是将i p 网络层协议重霍在a t m 之上，即a t m 网与现有的 i p 嗍重叠，在a t m 端点同时使用a t m 和i p 两种地址的映射功能，发送 端在得到收端a t m 地址后，便可建立a t mp v c s v c 连接，传送l a n 数 据包，这种方式由于i p 数据包需映射成a t m 信元，形成的传输开销较 大，约占( 2 0 3 0 1 ；此外还要解决i p 地址与a t m 地址多重映射的矛盾， 以及i p 网络的非连接特性与a t m 面向连接特性之间的矛盾，网络管理 比较复杂，因此传递i p 的效率不高， 采用这种技术的有a t m 论坛定义的 论坛定义的m p o a 。 不太适用于超大型i p 骨干网。目前 l a n e 、i e t f 定义的i p o a 及a t m 集成技术是将a t m 层被看作i p 层的对等层，a t m 端点只需使用i p 地址来标识，不需要地址解析协议。a t mi 】【) 9 的寻址已不再是独立的，a t m 网中的寻址要受到i p 网设备的于预。这种方式增加了a t m 交换机的复 杂性，使a t m 交换机看起来更像一个多协议的路由器。集成技术的优点 是传送i p 包的效率比较高，不需要地址解析协议，简化了a t m 的路由 选择功能，同时保留了路由的灵活性。i e t f 制定的多协议标记交换m p l s f m u l t i pr o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ) ，它提出了一种将第三层数据流( 如i p ) 映射到第二：层f 如a t m 和帧中继等交换式网络1 的方法，结合使用i p 和 a t m 技术，使a t m 交换机上同时支持i p 和a t m 传输，m p l s 技术是 集成技术的代表。另外c i s c o 公司的标记交换( t a gs w i t c h i n g ) 及a s c e n d 公卅的i p 导航器( i pn a v i g a t o r ) 采用的也是集成技术。 i p 与a t m 融合的优势是既刈以利用a t m 的q o s 特性，保证网络的 服务质量，拥有良好的网络流量管理和拥塞控制性能；又可以利用到i p 的异构性和可扩展性，因此i p 与a t m 的融合也成为当前的研究热点之 4 第1 章概要 1 3 4 技术的选择 a t m 、i p 、i po v e la t m 重叠技术、集成技术的选择，应根据具体业 务的需求一如数据业务为主还是多媒体业务为主，现有的资源背景等情 况来具体分析。由于a t m 技术应用在先，许多城市已经建立起了一套完 整的a t m 基础设施，对于这样的a t m 行得通的地区，a t m 仍有用武之 地，即若骨干嘲原已采用ra t m 设备，则可继续使用a t m 并采用i po v e r a t m 重叠方案。若骨_ 1 - 尚未涉及a t m ，则可采用m p l si p 方案，这样可 节省投资，同时也可保证i p 网络的服务质量。 1 4 中山市宽带城域网组网技术分析与规划目标 宽带城域网核心组网技术历经a t m 还是i p 的纷争，终于尘埃落定， 两种技术各有优势，互为取长补短，一种融合了两者优势的新技术m p l s 成为城域网组刚技术流行的焦点。虽然从6 0 年代末最早的以太网至今短 短的三十年里，各种组网技术层出不穷，从共享到交换、从单工到双工、 从局域到广域，但归纳起来，当前宽带城域骨干网的组网技术分为三类： 第二层交换技术，如f r 、a t m ：第三层路由技术，如i po v e rs d h ；第 三层交换技术，如v l a n 、m p l s 。采取哪一种技术来建设中山电信宽带 城域网，首先需要考察技术本身的重要优势特征和技术的局限性。 从技术本身的关键特征来说，组网结构、数据包在城域网内的交换转 发模式、路由拧制方式、嘲络管理、0 0 s 策略决定了三类组网技术的先进 性、高效性、可扩展性和网络的伸缩性。中山市宽带城域网目前已有a t m 城域嘲，i po v e rs d h 和部分i d p l s 城域嘲，下一步规划建设将对网络的 先进性、传输效率、网络的扩展性、伸缩性、q o s 提出更高的要求，本文 将在对三类组网技术详细分析的结果上提出中山市宽带城域网的下步 规划建设方向。 在城域网规划建设过程中，其次需要对城域网最重要的应用之一企业 用户互联v p n 应用进行具体的分析，基于a t m 和m p l s 的v p n 应用差别较 大，如协议转换代价如何，v p n 网络的配鼍怎样，远端节点的变更和新增 是否复杂、安全性如何等。对于v p n 用户来说，需要建立一个易接入、 华南理工大学： 程硕士学位论文 易管理、易配置、服务质量能得到可靠保证的内部互联网络，对于运营 商来说，需要提供一个可控的、易管理的、q o s 丰富的、可增值的v p n 应用。中山电信目前已提供大量的基于a t m 城域网的v p n 应用，在对城 域嗍的进一步的规划建设中，本文将通过具体的v p n 业务分析对中山城 域嘲v p n 应用进行明确的定位，既要延续老客户应用，同时提供一个对 普遍的用户v p n 网络更为可控的、基于用户不同业务流量提供不同q o s 级别的、可增值的、易管理的v p n 应用。 中山市宽带城域嘲的规划建没还需要考虑业务竞争环境和用户投资 成本的因素，而不仅仅是技术层面的问题。本文将围绕中山市宽带城域 网规划建设的目标进一步深入分析。 6 第二i 章城域网体系结构 第二章城域网体系结构 2 1 宽带城域网分层模型 计算机网络是一个复杂系统，为了减少系统的复杂性，常常将网络系 统分成不同的层，每层执行特定的功能，并向上一层提供必要的服务。 基于这种思想，宽带城域网首先在网络结构上可以分为三层：骨干层、 汇聚层和接入层- ，有的时候对于小规模的城域网，可以将骨下层和汇接 层合为一+ 层称为核心层。采用分层的思路建设城域网，这样可使网络结 构明晰，各层功能实体之间的作用定位清楚，接口开放、标准。分层模 型如图2 1 所示。 2 1 1 接入层 图2 1 宽带城域网物理分层模型 f i g ，2 1p h ys i c a ll a y e rm o d e lo fm a n 接入层：主要功能是直接面对各类最终用户，利用多种接入技术迅速 覆盖用户，进行带宽和业务分配，实现用户的接入，接入节点设备完成 多、1 k 务的复用和传输，利用光纤、双绞线和同轴电缆等连接用户，接入 技术有以太网、a d s l 、c a b l em o d e m 等。接入层技术在不断发展，每种 技术都有各自的优缺点，用户根据自身实际情况选择合适的接入方式。 7 华南理工大学工程硕士学位论文 2 1 2 汇接层 汇接层：主要功能是给接入层节点提供业务的汇聚、管理和分发。汇 接节点没备完成诸如p v c 的合并和交换，l 2 t p 等各类隧道的终结和交 换，流分类，对用户进行鉴权、认汪、计费管理等。汇接层是城域网实 施q p 务管理的主要层面，汇接层的节点设备与骨干层一样实现高速交换 或路由功能，节点间的传输可以采用s d h ，g e 等技术。 2 1 3 骨干层 骨干层：将多个边缘汇聚层连接起来，为汇聚层网络( 各业务汇聚节 点) 提供数据的高速业务承载和交换通道。骨干层将较低速率的数据流 量，汇集到高速主干线中进行快速可靠的传输，因而骨干层具有很高的 处理能力，节点设备之间一般采用光纤传输技术，如s d h 、g e 或d w d m 等，为了实现数据流量的快速交换或路由，一般采用a t m 、高速i p 路由 器、m p l s 等交换路由技术。骨干层网络结构重点考虑可靠性、可扩展性 和开放性。同时实现与已有网络( i p 网、a t m 网等) 的互联互通，提供 城市的高速i p 数据出口。 2 1 3 网络拓扑结构 宽带城域网的拓扑结构常采用星形、环形和网状综合方式。星形结构 应用较多，主要优点是组网方式简单，初期建设成本较低，管理和维护 与目前模式相间，易于实现网络的平滑升级。缺点是对主节点依赖性高， 骨干路由器负担过重。如果每个节点都需要冗余备份，则中心节点必须 具有很高的端口密度，若进行大规模扩容，投资费用将较高。 环形结构中心汇聚端口投资低，每增加一个节点只需增加2 个端口， 相对嘲状网每增加一个节点要增加2 n 个端口，可扩展性更强。具有全冗 余、高带宽利用率、自愈环保护功能，网络安全可靠。缺点是初期投资 大，配置和管理相对复杂。 般来说，城域网的骨干层节点和汇聚层节点之间的链路采用星形结 构，骨十层节点之间采用网状、半网状或环形结构，如s d h 环接入、光 纤环接入等。 8 第二章城域网体系结构 2 2 协议模型 任何计算机网络，为r 使网络f 【；f 户之间能够相互进行“交流”，在逻 辑上分为若f 二层，相同层上的通信和相邻层的接n ，需要制定一系列通 信 | 【l ! ! i 【，如信息代码的结构、传输控制步骤、差错控制、相邻层对话的 格式等，这些规则就是协议。将一个计算机网络分为若干个层次，每个 层次负责一定的功能，复杂的计算机网络变得简单、容易理解。城域网 也不例外，无论是在物理结构上的骨干层、汇聚层，还是接入层，每一 层的节点或设备之间都要遵循一套协汉规则进行通信。目前，全世界以 t c p i p 为核心的协议分层模型因其简单易用逐渐占据主导地位，如果参 照t c p 1 p 协议分层模型，城域骨干网络从高到低分为业务层、网络层、 数据链路层和物理层，如图2 2 。 图2 2 城域嘲分层模型 f i g 2 ，3l a y e rm o d e lo fm a n 城域嘲核心层、汇聚层和接入层各层网络相对独立，有各自的发展空 间，本文着重分析的是城域骨干嗍的组网技术。由于用户验证、控制集 中在接入层或汇聚层，冈而骨干层技术集中在底层：网络层、数据链路 层和物理层，实现数据组帧、交换、传输、容错等功能w 。当前的骨干网 技术精彩纷旱，有帧巾继f r ( f r a m er a l a y ) 、a t m 、纯i p 、s d h 等，由于 组网技术的多样性，协议分层也较为复杂，没有统一固定的格式，但无 论如何，总可以用三个逻辑层面解构城域组网技术，将复杂的刚络系统 变得容易理解、容易操作，见示例图2 3 。 华南理上大学t 程硕士学位论文 埘络层 数据链路层 物理珙 i pt p t a t m 十 s d h l t p h y i p 1 p i t p p p h d l c10 g e 网2 3 城域网网络坼议逻辑分层 f i g 2 3l o g i c a lp r o t o c o l1 a y e ro fm a n 1 、网络层：网络层完成寻址、选路、和组网功能。在i p 网中，由 f r 、a t m 、e t h e r n e t 等底层网络来提供第三层节点路由器之间的数据传 送功能。虽然，这些底层网络也有寻址、选路、和组网功能，但对于i p 层来说，三层网络全部由i p 协议来完成，这些底层网络只完成点对点f 即 路由器和路由器、之间的第二层数据传送工作。 2 、数据链路层：负责在骨十网两个相邻节点间的线路上无差错地传 输以帧为单位的数据，并把物理层提供的信号转换成网络层需要的信号。 它具有信息组帧、链路管理、帧同步、流量控制、差错控制、将数据和 控制信息区分开、透明传输以及寻址等功能。 宽带城域网骨干网的数据链路层的主要协议有：帧中继、a t m 、以 太网。 3 、物理层：我们知道，要传递信息就要利用一些物理媒体，如双纽 线、i 司轴电缆、光纤等，物理层的任务就是为它的上一层提供一个物理 连接，以及它们的机械、电气、功能和过程特性，如规定使用电缆和接 头的类型，传送信号的电压等。在这层，数据没有被组织，仅作为原 始的单能为比特的何流处理。 2 3 组网技术分类 当i p 和a t m 技术成为骨干网络组网技术的两大霸主，并出现m p l s 1 0 ，驯f一刚 第一i 章城域网体系结构 i p 新的技术时，可以根据三者的洳议模型中关键特征( 如交换和路由方 式) 的不同，归纳为三种具有代表性的城域网组网类型，第二层交换( a t m i 叫) 、第三层路由( i p 网) ，第三层交换( m p l s 网) 。 i p 城域网的核心在骨干层和汇聚层，三种不同的组网类型决定了城 域网的性能、速率、管理难度、业务开放能力等。本文将重点分析三类 组网方案的网络结构、交换方式、路由策略、技术优势等；并在分析结 果的基础卜，讨论中山电信城域网规划建设原则、技术选型、和开放业 务应用时的主要特点。 华南理j 二大学t 程硕士学位论文 第三章宽带城域网骨干组网技术分析 3 1 概述 计算机组网技术从6 0 年代末以太网的出现到9 0 年代的m p l s 的闪 亮登场，短短的三十年里各种组网技术层出不穷，从共享到交换、从单 工到双工、从局域到广域，归纳起来，当前宽带城域骨卜网的组网技术 分为= 三类：第二层交换技术，如f r 、a t m ；第三层路由技术，如i po v e r s d h ；第i 层交换技术，如v l a n 、m p l s 。在多数情况下，同一城域范 围内这三类技术共存、互联，充当各自的角色，为不同需求的客户提供 各种宽带通信业务。 3 2 组建核心城域网的第二层交换技术 尽管目前a t m 作为最常用的第二层交换技术( 相对于i p 而言) 应 用在城域嘲中，但第二层交换技术最初是应用在局域网中。早期局域嘲 采用h u b 集线器连接主机、文件服务器、打印机等，共事网络介质，随 着删络规模的不断扩大，局域网用户处在同一个冲突域内，导致频繁的 冲突检测和出错重发，网络性能大大降低。这是人们想到用第二层交换 机替代h u b 连接局域网主机，第二层交换机对共享式局域网提供有效的 删段划分，减小了冲突域，使每个用户尽可能地分享到最大带宽，扩大 了局域嘲的容量，优化r 网络性能。另外，由于不需要重新布线，保护 了原有的共享介质的投资，第二层交换技术逐渐成为局域网最主要的组 网技术。 3 2 1 第二层交换的简单原理 第：层交换工作在o s i 七层网络模型中的第二层，即数据链路层进 行操作的，数据链路层采用m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 ) 地址进行寻址、 选路、和组嘲。二层数据网既可以作为i p 网络的底层网络，也可以直接 作为各种信息应用的承载网络。对于i p 网络协议来说，它是透明的，即 交换机在转发数据包时，不知道也无须知道信源机和信宿机的i p 地址， 第_ - 章宽带城域网骨干组刚技术分析 只需知其物理地址即m a c 地址。 在局域网中普遍采用广播方式寻址，网络中的交换机不断地广播地址 信息，收集资料建立它本身的一个地址表，这个表相当简单，它说明了 某个m a c 地址是在哪个端口上被发现的，所以当交换机收到个第二层 帧时，它便会看+ 下该数据帧的目的m a c 地址，核对，下自己的地址表 以确认应该从哪个端口把数据包发出去。由于这个过程比较简单，并日 由a s r c ( a p p “c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 来实现数据包转发，因此 速度相当快，交换速率达到g b i t 级。 万一交换机收到1 个不认识的第二层帧，就是说如果目的地m a c 地 址不能在地址表中找到时，交换机会把数据帧”扩散”出去，即把它从每 个端口广播出去，二层交换机的弱点正是它处理广播包的手法不太有效， 比方说，当一个交换机收到一个从t c p i p 工作站上发出来的广播封包时， 他便会把该封包传到所有其他端口去，这样一来，非t c p i p 节点的带宽 便会受到负面的影响，就算同样的t c p i p 节点，如果他们的子网跟发送 那个广播封包的工作站的子嘲相同，那么他们也会无原无故地收到一些 与他们毫不相干的网络广播，整个网络的效率因此会大打折扣。 a t m 属于第二层交换技术，它并非采取广播的方式寻找新的主机地 址，而是事先为每一个连接建立一条虚拟电路，a t m 是城域骨干网月前 使用最多的第二层交换组网技术。 在面向连接的虚电路( v i r t u a lc ir c u i t ) 方式，源交换机要与目的交换 机进行通信之前，首先必须建立一条从源交换机到目的交换机的虚电路， 即逻辑连接，然后通过该虚电路进行数据传送，最后当数据传输结束时， 释放该虚电路。在虚电路方式中，每个交换机都维持一个虚电路表，一 旦源结点与目的结点建立了一条虚电路，在所有交换机的虚电路表上都 登记有该条虚电路的信息。每个交换机的虚电路表记录经过该交换机的 所有虚电蹄的情况，每条虚电路占据其中的一项。 由于每台交换机独立选择虚电路号，所以虚电路号仅仅具有局部意 义，也就是说报文在通过虚电路传送的过程中，报文头中的虚电路号会 发生变化。 当两台建立了虚电路的机器孝h 互通信时，根据数据报文中的虚电路 号，通过查找交换机的虚电路表而得到它的输出线路，进而将数据传送 到目的端。当数据传输结束时，必须释放所占用的虚电路表空间，具体 做法是由任一方发送一个撤除虚电路的报文，清除沿途交换机虚电路表 中的相关项。 华南理工大学工程硕士学位论文 虚电路技术的主要特点是，在数据传送以前必须在源端和目的端之间 建立一条虚电路。值得注意的是，虚电路的概念不同于前面电路交换技 术中电路的概念。后者对应着一条实实在在的物理线路，该线路的带宽 是预先分配好的，是通信双方的物理连接。而虚电路的概念是指在通信 双方建立了一条逻辑连接，该连接的物理含义是指明收发双方的数据通 信应按虚电路指示的路径进行。虚电路的建立并不表明通信双方拥有一 条专用通路，即不能独占信道带宽，到来的数据报文在每个交换机上仍 需要缓存，并在线路上进行输出排队。 3 2 2a t m 组网技术的关键特点 a t m 网络环境由两部分组成，如图3 1 ，a t m 网络和a t m 终端 用户。a t m 网络又被分为专用a t m 网络和通用a t m 网络两类，专用a t m 网络指一个单位或部门范围内的a t m 网，为完成某种特定的应用而开发， 通常由某个部门组建：通用a t m 网络则由电信部门主管，它通过公用网 络接e l 连接各专用a t m 网络和a t m 终端，可以支持多种服务，收取一 定的费用。 a t m 城域网 图3 1a t m 城域网结构示意图 f i g 3 1 n e t w o r kc o n s t r u c t i o no fa t mm a n a t m 终端用户包括a t m 网络的用户设备，可以是主机( 工作站、服 务器等) ，互连设备( 桥接器、路由器等) ，这些设备通过a t m 适配卡接 入a t m 网络。 第三章宽带城域刚骨下组叫技术分析 a t m 有关标准对两类接口进行了定义：u n i 是终端用户与交换机之 间的接口，包括专用交换机与通用交换机之间的接口，n n i 是交换机与 交换机之间的接口。 a t m 的主要关键技术体现在以下几方面： 3 2 2 1 信元交换 通信刚的交换技术根据信息码元w 分为两种类型：帧交换和信元交 换。以太交换、f r 是基于帧的交换，a t m 是基于信元的交换。在c c t t l l l 3 建议中，对a t m 了如下定义：a t m 是种传输模式，在这种模式中，信 息被组织成信元，包含+ 段信息的信元无须周期性地出现，信元的传输 足异步的。信元交换的基本思想是采用固定长度的信元进行交换，这样 利r 用硬件实现交换，从而大大提高交换速度，尤其适合语音、视频等 多媒体信号的实时传输。 信元是a t m 链路上传输的信息单位，每个信元具有固定的长度和格 式。采用定长信元主要考虑到3 个方面的因素：交换速率、时延和设备 复杂度，在这三方面定长分组有着明显的优势，对于变长分组，在设计 交换设备时必须按可能出现的最坏情况考虑，存储容量要按最长分组设 计，要确定分组边界，这些都大大增加了设备的复杂度，降低了交换速 率，增加了处理时延。当然定长分组也存在一个问题，当有用信息比特 1 i 够个分组长度时必须填充比特保证定长，尤其传输速率较低的业务 时，无疑增加了传输开销，对于高速q k 务，或连续的话音业务( 如i s d n ) ， a t m 的定长分组开销的劣势就不那么明显了。 信元由信元头和数据域两部分组成，总长为5 3 b y t e ，信元头占5 b y t e ， 存放信元穿越a t m 网络时所用的路由控制信息等；数据域占4 8 b y t e ，称 为有效负载，存放各种数据。对应a t m 交换的两种不同的接口，a t m 层 定义了两种信元头结构：网络用户端接口( u n i ) 定义了a t m 交换机面 向用户的信元头格式，网络网络端接口( n n i ) 定义a t m 交换机之间的 接口信元头格式，见图3 2 。 g f c ( 常规流量控制，占u n i 的第1 字节的5 8 位) ，辅助用户控制 信息流；对应不同的质量的服务，可取不同的值。 v p i ( 虚拟路由标识，占u n i 的第1 字节的1 4 位、和第2 字节的2 字节的5 8 位，或者占n n i 的第1 字节的1 4 位、第3 字节以及第4 字 节的5 。8 位) ，标识虚拟路径