《光网络技术》课件第6章

第6章城域光网络

6.1城域网概述

6.2光城域网技术随着对业务的需求量不断增长和光纤通信技术逐渐向用户侧推进，城域网的地位就显得日益重要。城域网的概念来源于数据通信，根据网络所覆盖的地理范围可将其分为局域网、城域网和广域网。如今，城域网泛指运营商在城域范围内以光传输技术为开放平台，通过各类网关和业务节点实现语音、数据、多媒体、IP接入和各种增值业务与长途网和PSTN互通的本地综合业务网络。

本章首先阐述城域网的概念、城域网的业务和特点以及城域网的层次结构，最后重点介绍光城域网的关键技术：多业务传送平台技术(MSTP)、弹性分组环(RPR)技术以及DWDM/CWDM技术。

6.1.1城域网的概念

随着数据通信的发展，根据网络所覆盖地理范围的大小，网络被分为局域网、城域网和广域网。第一个可以称为城域网标准的是1990年IEEE规范的802.6体系，它是一种覆盖城域范围的分布式排队双总线结构的计算机网络。6.1城域网概述6.1.2城域网的业务及特点

相对于广域网和局域网，城域网有其自身的特色。城域网是一种主要面向企事业用户的，最大可覆盖城市及其郊区范围的，可提供丰富业务和支持多种通信协议的公用网。城域网具有以下三个特征:

(1)城域网覆盖的区域比局域网的大、比广域网的小，典型的城域网覆盖范围为50km~150km;

(2)城域网可连接多个局域网;

(3)城域网通常覆盖整个城区及城郊。6.1.3城域网的层次结构

如图6-1所示，一个完整的城域网在垂直方向上由城域传送网、城域承载网、城域业务/应用网及支撑网(如信令网、同步网、管理及用户支撑系统)组成。城域传送网和城域承载网共同构成了整个城域网的基础承载平台。城域业务/应用网是整个城域网各种业务和应用的提供平台，由具体的业务与应用系统组成，如城域会议电视网、城域IP电话网和城域远程教育网等。目前大家经常提及的城域网通常是指由城域传送网和城域分组承载网共同构成的基础承载平台。城域传送网、城域承载网在水平方向一般可分为核心网、汇聚网和接入网等。对于中小规模的城域网，可以将其简化为两层：核心层和汇聚层(汇聚层与接入层综合在一起)。

图6-1城域网结构对于城域传送网来说，它的主要作用是为城域承载网提供可靠的数据专线。城域承载网完成业务信息元的交换或路由，将业务信息元从源端送达目的端。

光城域网技术可分为多业务传送平台(MSTP)技术、弹性分组环(RPR)技术和DWDM/CWDM技术，下面将分别对它们进行介绍。6.2光城域网技术6.2.1多业务传送平台技术

为了适应城域网多业务的需求，SDH从单纯支持传输速率分别为2Mb/s和155Mb/s等语音业务接口向支持以太网业务和ATM业务等多业务接口发展，将多种不同的业务通过VC或者VC级联的方式映射到SDH时隙中进行处理。尽管以太网业务能在SDH上透明传输，但映射效率却非常低。而且，当以太网端口没有业务量时，链路将处于空闲状态，这将造成SDH的带宽的巨大浪费。另外，SDH的保护机制需要有一半的带宽容量在热备份模式下工作，在正常操作状态下，这些带宽不能用来承载业务,因而，这种保护技术较适用于固定速率的持续型业务，而不是一种很有效的保护以太网数据业务的方法。基于SDH的多业务传送平台技术(MSTP)是对传统SDH技术的继承和发展，MSTP的引入不但可以充分利用现有丰富的SDH网络资源，借鉴SDH系统多年的网络运维和管理经验，完全兼容目前大量应用的TDM业务，还可以实现以太网和ATM等多种业务的综合传送和接入，满足日益增长的数据业务需求。

MSTP技术的标准化是从2002年开始的，当前MSTP中涉及的关键技术如GFP封装、VC虚级联和LCAS(链路容量调整)等的标准化已经相对较为完善，对于中间智能适配层RPR和MPLS的相关标准化工作也已完成，各种基于SDH的多业务传送技术互联互通的技术标准以及测试标准也在制定当中。

MSTP技术的主要特点：

(1)具有较大的交叉连接容量，能够支持VC-4、VC-3和VC-12各种等级的交叉连接以及连续级联或虚级联处理；

(2)提供丰富的多业务(PDH/SDH、ATM、IP和图像业务等)接口，可以通过增加或更换接口模块灵活地适应业务的发展变化；

(3)具有以太网和ATM业务的透明传输或交换能力，其传输链路的带宽可配置，并支持VLAN流量控制、业务和端口的汇聚或统计复用功能；

(4)具备多种完善的保护机制(SDH、ATM、以太网/IP)和灵活的组网特性；

(5)可实现统一和智能的网络管理，具有良好的兼容性和互操作性。

在MSTP网络中，常用的以太网业务组网方式如下：

(1)点到点透传业务。MSTP网络中点到点的透传以太网业务的组网方式如图6-2所示。在图6-2中，中心站的一个以太网口对应外围站的一个以太网口进行业务传送。这种组网方式是电力通信网中前期使用较多的方式，其优点是能够保证带宽，安全性相对较高，组网简单，维护方便；缺点是浪费中心站设备的端口。由于电力系统绝大部分的业务都属于集中型业务，因此组网时中心站所需要的以太网板卡较多，在外围站点和业务种类多的情况下，中心站的以太网板及设备槽位的容量较难完全满足全网规划的要求。

(2)点到多点汇聚业务。MSTP网络中点到多点汇聚以太网业务的组网方式如图6-3所示。在图6-3中，中心站的一个以太网口与几个或几十个外围站的以太网口进行通信，这种方式保证了通道带宽的需要，同时按照这种方式建网后，中心站以太网板卡数量将大大减少，不但降低了成本，图6-2点到点透传以太网业务组网方式而且还减少了中心站的以太网出线，降低了故障率。这种组网方式便于不同种类业务分类统一的规划端口，但中心站传输设备的以太网板需要支持二层交换或在中心站增加二层交换机。

SDH多业务平台的缺点在于网络基于同步工作，对抖动要求严格，设备的成本高；难以灵活地生成业务；用固定时隙支持数据业务的带宽利用率较低，目前数据业务功能不够灵活丰富。从本质上看，由于MSTP只是在SDH的层面上增加了附加层，因此决定了其只能是一种过渡技术。从长远看，当数据业务成为网络的绝对主导业务类型后，基于SDH的多业务平台解决方案不是一种最有效的方法，它将会被更有效的方案所取代。图6-3点到多点汇聚以太网业务组网方式6.2.2弹性分组环技术

1.弹性分组环的提出

弹性分组环(RPR)技术来源于Cisco公司2000年提出的DPT城域网解决方案，DPT可以使Cisco公司的吉比特交换路由器(GSR)在组网时共享同一带宽，并具有完善的保护倒换能力，可以达到电信级运营的要求。随后，Nortel公司基于自己设备的特点提出了IPT解决方案与Cisco公司抗衡。新兴的Luninous公司也推出了具有自己特色的解决方案RPT。这些方案虽然基本思路相似，但具体的实现方法却有很大的不同，包括在环上传输的包的封装结构、带宽共享控制协议、保护倒换协议和QoS策略等。RPR技术集IP的智能化、以太网的经济性以及光纤环网的高带宽效率和可靠性于一体，为宽带IP城域网运营商提供了一个良好的组网方案。RPR技术使得运营商在城域网内以低成本提供电信级的服务成为可能，在提供类似SDH级网络可靠性的同时还降低了传送费用。

RPR有别于传统的MAC，它最吸引人的特点是具有电信级的可靠性，使其不仅仅只是局限于处理面向数据的业务传送需求，同时可以形成处理多业务传送的综合传输解决方案。可以这样说，RPR是IP技术与光网络技术直接融合的产物，它源于客户对IP业务发展的需求，顺应最新的技术潮流，为IP城域网的建设带来了一套低成本、高品质的解决方案。

2.协议分层和拓扑结构

RPR为双环拓扑结构，如图6-4所示，其双环都能够传送数据，双环的数据传送方向相反。每个RPR节点(station)都采用了一个以太网中用到的48位MAC地址作为地址标识，从RPR节点设备链路层来看，其两对收发的物理光接口只是一个链路层接口；从网络层来看，也只需要分配一个接口IP地址。两个相邻RPR节点之间的链路称为段(span)，多个连续的段和其上的节点构成域(domain)。

RPR的分层参考模型遵守开放系统互联(OSI)结构，并对其进行了适当修改以适应RPR的特殊需要，如图6-5所示。

RPR协议参考模型包括物理层(PHY)技术和数据链路层技术。对于RPR节点来说，数据链路层技术中的MAC实体是最为关键的部分，MAC实体一方面需要与上层进行数据和控制的交换，另一方面还要很好地与各种物理接口配合协同工作。图6-4弹性分组环双环拓扑结构图6-5RPR协议层次模型

RPR的MAC实体中包含一个MAC控制子层和两个MAC数据通路子层,其中两个MAC数据通路分别负责内环和外环的数据交换，MAC控制实体从这两个数据通道中收、发数据帧，并且通过MAC业务接口与MAC客户端之间进行控制和数据的交互；MAC控制子层包含数据和控制两个平面的功能，包括公平控制、保护倒换拓扑发现、子环选择、运行管理维护以及数据封装/拆封等重要功能。MAC数据通路与各子环数据传送直接挂钩，包括四个方面的功能：

(1)流量整形，使其能够有序地进入共享的环介质。

(2)在源节点时，数据帧进行调度发送；在过环节点时，数据帧要排队。

(3)接收数据判决，要选择数据帧递送到本地客户端或控制子层。

(4)要选择数据帧从环上剔除。

物理层协调子层负责处理MAC层数据到物理层的映射，RPR支持现有的SDH、以太网、DWDM等物理层标准。图6-6RPR帧格式

3.帧格式

RPR帧分为数据帧和控制帧，如图6-6所示。RPR帧格式中除了环控制(包括基本环控制和扩展环控制)字节体现RPR特色外，其余的字段与以太帧的格式类似。在环控制字节中包含了众多的控制内容，如环路标记信息、公平带宽分配选项、帧类型、业务级别、故障切换方式和广播标志等，提供了主动的性能监测和故障监测等功能，充分保证环操作的丰富、灵活和高效，满足运营网络对环网技术的高标准要求。一般情况下,RPR帧的最大传送长度(MTU)为1616字节，超长帧为9216字节。6.2.3DWDM/CWDM技术

城域波分技术是波分复用技术在城域范围内的应用。WDM技术解决了两个重要问题：光纤短缺和多业务的透明传输。它对信号具有透明性，可以直接对从不同设备出来的信号不进行速率和帧结构调整而直接进行透明传输，这给用户，特别是租用波长的用户以最大的灵活性。

波分复用技术主要分为密集波分复用(DWMD)和粗波分复用(CWMD)两种类型。区分DWDM和CWDM的主要参数是在同一根光纤中传输的不同波长之间的间距。DWDM系统的波长间距一般为200GHz(1.6nm)、100GHz(0.8nm)或50GHz(0.4nm)，而城域网系统由于传输距离近(小于100km)，可以采用CWDM技术，它对单模光纤的传输衰减要求不高，也不需要使用光纤放大器，因此可以使用1200mn~1700mn的宽窗口，将相邻波长间隔放宽到20nm。

1.DWDM原理概述及基本结构

DWDM技术是利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。

与通用的单信道系统相比，密集WDM——DWDM不仅极大地提高了网络系统的通信容量，充分利用了光纤的带宽，而且它具有扩容简单和性能可靠等诸多优点，特别是它可以直接接入多种业务更使得它的应用前景十分光明。在模拟载波通信系统中，为了充分利用电缆的带宽资源，提高系统的传输容量，通常利用频分复用的方法，即在同一根电缆中同时传输若干个信道的信号，接收端根据各载波频率的不同利用带通滤波器滤出每一个信道的信号。

同样，在光纤通信系统中也可以采用光的频分复用的方法来提高系统的传输容量。事实上，这样的复用方法在光纤通信系统中是非常有效的。与模拟的载波通信系统中的频分复用不同的是，在光纤通信系统中是用光波作为信号的载波，根据每一个信道光波的频率(或波长)不同将光纤的低损耗窗口划分成若干个信道，从而在一根光纤中实现多路光信号的复用传输。由于目前一些光器件(如带宽很窄的滤光器、相干光源等)还不很成熟，因此，要实现光信道非常密集的光频分复用(相干光通信技术)是很困难的，但基于目前的器件水平，已可以实现相隔光信道的频分复用。人们通常把光信道间隔较大(甚至在光纤不同窗口上)的复用称为光波分复用(WDM)，再把在同一窗口中信道间隔较小的DWDM称为密集波分复用(DWDM)。随着科技的进步，现代的技术已经能够实现波长间隔为纳米级的复用，甚至可以实现波长间隔为零点几个纳米级的复用，只是在器件的技术要求上更加严格而已，因此把波长间隔较小的8个波、16个波、32个波乃至更多个波长的复用称为DWDM。

DWDM系统的构成及光谱示意图如图6-7所示。DWDM系统包括光发射机、光中继放大、光接收机、光监控信道和网络管理系统。发送端的光发射机发出波长不同而精度和稳定度满足一定要求的光信号，经过光波长复用器复用在一起送入掺铒光纤功率放大器(掺铒光纤放大器主要用来弥补光合波器引起的功率损失和提高光信号的发送功率)，再将放大后的多路光信号送入光纤传输，中间可以根据情况有或没有光线路放大器，到达接收端经光前置放大器(主要用于提高接收灵敏度，以便延长传输距离)放大以后，送入光波长分波器分解出原来的各路光信号。

图6-7DWDM系统的构成及光谱示意图

2.DWDM关键技术

1)光源

光源的作用是产生激光，它是组成DWDM系统的重要器件，目前应用于DWDM系统的光源是半导体激光器LD(LaserDiode)。

DWDM系统的工作波长较为密集，一般波长间隔为几个纳米到零点几个纳米，这就要求激光器工作在一个标准波长上，并且具有很好的稳定性；另外，DWDM系统的无电再生中继长度从单个SDH系统传输50km~60km增加到500km~600km，在延长传输系统的色散受限距离的同时，为了克服光纤的非线性效应(如受激布里渊散射效应(SBS)、受激拉曼散射效应(SRS)、自相位调制效应(SPM)、交叉相位调制效应(XPM)、调制的不稳定性以及四波混频(FWM)效应等)，要求DWDM系统的光源要使用技术更为先进、性能更为优越的激光器。

总之，DWDM系统的光源有两个突出的特点：比较大的色散容纳值和标准而稳定的波长。

2)掺铒光纤光放大器(EDFA)

掺铒光纤放大器(EDFA,ErbiumDopedFiberAmplifier)作为新一代光通信系统的关键部件，具有增益高、输出功率大、工作光学带宽较宽、与偏振无关、噪声指数较低、放大特性与系统比特率和数据格式无关等优点，它是大容量DWDM系统中必不可少的关键部件。

3)DWDM器件

在DWDM系统中，DWDM器件分为合波器和分波器两种，如图6-7所示。合波器的主要作用是将多个信号波长合在一根光纤中传输；分波器的主要作用是将在一根光纤中传输的多个波长的信号分离。DWDM系统性能好坏的关键是DWDM器件，其要求是复用信道数量要足够多、插入损耗小、串音衰耗大和通带范围宽等。从原理上讲，合波器与分波器是相同的，只需要变换一下输入、输出的方向。DWDM系统中使用的DWDM器件的性能满足ITU-TG.671及相关建议的要求。

DWDM器件有多种制造方法，所制造的器件各有特点，目前已广泛商用的DWDM器件有四类：干涉滤光器型、光纤耦合器型、光栅型和列阵波导光栅(AWG)型。

3.DWDM的应用形式

DWDM通常有两种应用形式：开放式DWDM和集成式DWDM。

开放式DWDM系统的特点是对复用终端光接口没有特别的要求，只要这些接口符合ITU-TG.957建议的光接口标准即可。DWDM系统采用波长转换技术，将复用终端的光信号转换成指定的波长，不同终端设备的光信号转换成不同的符合ITU-T建议的波长，然后进行合波。

集成式DWDM系统没有采用波长转换技术，它要求复用终端的光信号的波长符合DWDM系统的规范，不同的复用终端设备发送不同的符合ITU-T建议的波长，这样他们在接入光合波器时就能占据不同的通道，从而完成合波。根据工程的需要可以选用不同的应用形式，在实际应用中，开放式DWDM和集成式DWDM可以混合起来使用。

4.DWDM的优越性

光纤的容量是极其巨大的，而传统的光纤通信系统都是在一根光纤中传输一路光信号，这样的方法实际上只使用了光纤丰富带宽的很少一部分。为了充分利用光纤的巨大带宽资源，增加光纤的传输容量，以DWDM