《计算机网络》PPT电子课件教案第十章 城域网.ppt

第十章第十章        城域网城域网10.1  概述概述 城域网MAN(Metro Area Network)最初产生于局域网互连和数据新业务发展的需要，从基本特征看，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，实际是一种带有某些广域网特点的本地应用型公用网络城域网与局域网的主要区别: ●网络性质的不同 ●传输距离的扩展 ●业务范围的扩展城域网与广域网或长途网的主要区别: ●容量 ●覆盖距离的缩小 ●支持的客户层信号不同 ●容许的成本不同 受用户和应用的驱动，城域网是一种高度竞争和开放的网络环境，基本特征是业务类型的多样化和业务流向流量的不确定性 近年来，广域宽带IP技术有了重大的突破，利用密集波分复用技术传送IP——IP over DWDM开始被商业运营系统采用  目前城域网的主要问题首先是带宽瓶颈另一方面，用户必须通过不同的接入技术和线路获取不同的业务，不仅麻烦，而且费用高再有，目前城域网底层多数采用SDH作传送平台，不仅效率低下，而且改变带宽往往意味着改变物理接口甚至改变了业务类型，进而常常不得不重新设计和重新建设网络。

10.1.1 10.1.1 城域网的特点城域网的特点 1 1带宽带宽( (Bandwidth) Bandwidth) 现在宽带接入则多使用1M/10M/100Mbit/s;在骨干网上现在则多使用千兆比特或数个千兆比特网，甚至10千兆比特网2 2 带宽管理带宽管理( (Bandwidth Management) Bandwidth Management) OSPF或BGP4协议中的负载分流、MPLS协议中的流量工程(TE)、接入网中的指定速率(Rate Limiting) 3 服务质量服务质量(QoS) 在有限的城域网资源下，按使用的原则付费，也可以对用户划分不同的服务等级，享有不同的资源；即使在同一用户中，也可以依据业务不同而有不同的服务等级，如多媒体业务(Voice、Video)优于数据(Data)业务，E-mail服务高于Web Browser服务等  4 4 冗余备份冗余备份( (Redundancy) Redundancy) 城域网必须有电信级的冗余配置，包括设备、部件（电源、风扇、模块、软件）的冗余；线路的冗余，如PoS的自动保护转换(APS)、百兆/千兆比特以太网的捆绑技术(Tracking); 第二层的扩展树（STP）或快速扩展树(Rapid STP)、第二层的热备份协议(VRRP、VRRP-E)、或路由备份(OSPF及BGP4)。

5 安全与控制安全与控制(Security & Control) 网络设备必须提供多种安全功能以保护自己及用户不受黑客攻击:●多种等级的登录(Login)●Secure Shell(SSH) ●Secure Copy(SCP)●SHTTP ●防止拒绝服务(DoS)攻击 ●防止Ping to Death攻击 ●防止地址欺骗(Smurf)攻击 ●线速访问控制功能 ●策略路由的功能 6 6 IPIP统计与计费功能统计与计费功能( (IP Statistics & IP Billing) IP Statistics & IP Billing) IP的统计及计费功能可以分为不同的层次，最简单的可以利用SNMP中的MIB来实现，其次可以利用基于取样技术的扩展RMON(Extended RMON:XRMON)来实现，或者更进一步用网络流的技术基于数据流(traffic flow)的方式来采集统计资料与计费 7 多种业务的传输平台多种业务的传输平台(Multi-Services) 城域网的建设可以提供传统的DDN数据服务（低速专线、帧中继），窄带接入（RAS）、宽带接入(Brood band RAS)、住宅小区、局域网到局域网，企业虚拟专线服务（VPN）、IP、视讯多播(Multicast IP)、视频点播(Video on Demand)等各种不同的业务。

10.1.2 10.1.2 城域网的中国特色城域网的中国特色 中国城域网建设主要有以下4个特点：（1）由于用户居住区域比较密集，“光纤+以太网”接入方式成为非常普及的宽带接入模式 （2）由于中国互联网业务起步较晚，城域网的建设主要成为个人宽带用户的接入平台，而对商业集团用户的接入考虑不够 （3）为降低成本,用户接入多采用最简单的二层交换机或集线器(Hub)方式,基本上没有管理功能,更谈不上速率限制、QoS、计费等应用 （4）新兴的城域网建设没有更多考虑与现有网络,如ATM、帧中继、DDN、CATV的结合,不能发挥更大的作用 相比之下，在美国或其他发达国家,宽带网建设具有以下特点:：（1）ADSL 及Cable Modem 已发展多年,较为成熟,也适应西方国家居民较分散的特点，因此应用最为广泛2）虽然个人接入对运营商来说,数量较大，占80%,但真正的赢利来自于20%的商业用户基于MPLS VPN(标记交换的虚拟专用网)的 技术正在得到广泛应用3）基于SLA(Service Level Agreement) 的概念正在得到推广,用户付不同费用便可享受不同服务4）充分考虑与现有网络的互连互通,资源得到较好的共享。

10.2 10.2 城域网的解决方案城域网的解决方案 10.2.1 10.2.1 交换设备的选择交换设备的选择1.无阻塞交换体系、线速路由／交换是IP宽带网的根本 2.服务质量（QoS）是多媒体应用的重要保证 3.带宽分割、统计计费是宽带IP网之必需 4.采用分布式第三层交换（Layer 3 Switching）使整网更具有效率5.利用虚拟城域网（VMAN）有效实施虚拟专用网络6.高效的安全访问控制7. IP地址分配和网络地址映射是必须考虑的问题8. 多播路由（IP Multicast）对于视频应用至关重要9. 部件级及系统级的容错保证骨干设备的可靠性10. 骨干网交换设备必须具备灵活的可配置性11.选择业界专业从事宽带交换设备的知名厂家10.2.2 10.2.2 城域网的传输网城域网的传输网 作为网络连接和交换的平台，城域网骨干网络需要快速的交换和转发能力，还要有冗余链路以保证网络安全可靠以及良好的流量控制和QoS等就目前来说，宽带IP城域骨干传输网建设的技术方案可以分为两大类：  一类是IP通过光纤传输IP over WDM的纯IP传输网，包括千兆比以太网，通过SDH传送分组的POS和弹性分组环RPR技术；另一类则是IP多业务传输网，包括IP over Metro—WDM、IP over SDH、IP over MSPP（Multiple Service Provisioning Platform）技术等。

 1.1.纯纯IPIP光纤传输网光纤传输网 通过光纤传输纯IP目前有用SDH传送分组的POS（Packet over SDH）、千兆比特以太网（GbE）和弹性分组环（RPR）几种技术方案其中，通过SDH传输分组的POS技术详见10.3.1节（1）千兆比特以太网● 采用千兆比特以太网的趋势： 更大的网络流量正通过强大的应用得以实现，如多媒体和企业管理、 用户对桌面高性能的相应期望 ● 推动该趋势的因素： 千兆比特以太网采用的加快有三方面原因： 　　 （1）千兆比特以太网具有经济高效的特点　　 （2）千兆比特以太网具有部署灵活性（3）千兆比特以太网具有相当大的网络性能优势 千兆比特以太网使用和10Mbit/s、100Mbit/s以太网相同的以太网帧，最小帧为64字节,而且也可以工作在半双工模式下，它也使用CSMA/CD介质访问控制机制 （2）弹性分组环（RPR） 在发展基于IP的城域网平台时，应该能够支持多种协议，最好能够提供透明的端到端的连接，这种平台被称为多业务 供 应 平 台 (Multiple Service Provisioning Platform，MSPP)。

这种方案融合千兆比特以太网、DWDM和SDH的优点，发展成一种被称为弹性分组环（Resilient PacketRing）的新结构RPR的目标主要集中在三个方面： ①带宽效率 ②保护机制 ③简化业务的提供 （3）RPR的主要特性与关键技术 虽然RPR还处于标准化进程中，但其基本特性已经确定，主要有：①双环结构②空间复用技术③带宽动态分配④环上公平接入⑤具有弹性 ⑥支持服务类别CoS(Class of Service) 在报头表明服务等级CoS以支持环上的多种流量优先级，有效支持IP突发业务和语音传送业务RPT技术为数据业务和语音业务提供了一个网络第二层统计复用的平台目前采用环形网的第二层分组传输概念的产品有：Cisco的DPT、Nortel的 interWAN和 Luminous的Packetwave Packetwave采用N×千兆比特以太网物理层，附加健壮服务机制，如性能监视、网络同步、控制包等，用以太网的成本提供SDH级的传输健壮性 传统城域网在支持IP业务时是在SDH网上，通过分/ 插复用、交叉互连提供专线连接位于网络边缘的路由器。

以太网和RPR方案是在核心网上直接架设IP网 另外一种思路是，继续保持在核心网上提供第二层连接，而将路由器放在边缘的结构，同时设法消除SDH的缺点而保持其优点 一种方案是采用WDM系统，用波长路由器（Lamda Router）或光交换机提供波长之间的交换(交叉互连)构成多业务光服务平台 第二种方案是将不同协议的数据流集合在一个波长通道（或裸光纤）中，不使用SDH的TDM方法，而是以SDH分帧格式统计复用在光通道中传输 第三种方法是继续保留改进的SDH TDM传输设备，同时增加IP传输能力  综合比较可以看出，千兆比特以太网的突出优势主要表现在有极高的带宽、成本低廉，以及简单、易用和对IP的无缝支持而POS和DPT的优势在于单链路的传输带宽较高，得到主流厂商路由器产品的支持，其中DPT的自愈恢复功能强，但缺点是价格高，带宽扩展成本较高2.2.IPIP多业务传输网多业务传输网 目前网络市场上的IP传输技术主要指城域网波分复用Metro-WDM技术、同步数字系列SDH技术、多业务提供平台MSPP技术和ATM技术 MSPP系统的主要特色可归纳如下: （1）可以利用传统的网络体系，支持多种物理接口。

（2）简化网络结构层次，多协议处理支持 （3）光传输的容量，保证低成本的容量提升 （4）传输的高可靠性和自动保护恢复功能 （5）高度多网元功能性集成，有效带宽管理 3.3.以以ATMATM为基础的多业务平台为基础的多业务平台 ATM是一种出色的多业务平台技术，而且由于其固有的设计已经充分考虑了业务的QoS问题，因此可以为IP或其他任意客户层信号提供面向连接的、带宽可控、安全性好、延时小的高质量业务  目前的传统电信城域网多业务传输平台大量存在的是ATM＋SDH结构，运营商强烈支持ATM的主要原因是它能够把不同的服务（FR、DDN、VoicE、D1）集中在一个管道中，并提供分类管理，根据对PVC、VP流量监测建立显式路径，为流量负荷提供不同的连接来化网络上出现的拥塞点，实现传输的高效率 对于未来网络最重要的IP客户层信号而言，将IP与ATM结合可以综合利用ATM的速度快、颗粒细、多业务支持能力的优点以及IP的简单、灵活、易扩充和统一性的特点，达到优势互补的目的 以ATM为基础的多业务平台最适用于多业务电信环境以及服务质量要求较高的IP业务，主要应用于网络边缘多业务的汇集和一般IP骨干网。

在光缆网上直接架构千兆比特以太网（将来是10Gbit/s）宽带IP城域网正在成为主流弹性分组环RPR将发展成新标准10.3 10.3 城域网中的城域网中的SDHSDH技术技术 10.3.1 10.3.1 纯纯IPIP城域网中的城域网中的POSPOS技术技术 在纯IP城域网中采用通过SDH传输分组的Packet over SDH(POS)技术，更准确地说，是IP／PPP／HDLC over SDH／SONET:  PPP(Point-to-Point Protocol)按RFC 1661的要求实现多协议封装、差错控制和链路初始化控制，PPP把IP分组封装以后，再按RFC 1662的要求形成HDLC（High-Level Data link Control）的帧以便定界，然后把该帧交给SDH／SONET处理后进行传输 10.3.2 10.3.2 多业务结点多业务结点SDHSDH技术技术 以SDH为基础的多业务平台的出发点是充分利用大家所熟悉和信任的SDH技术，特别是其保护恢复能力和确保的延时性能，加以改造以适应多业务应用，支持第二层和第三层的数据智能基本思路是将多种不同业务通过VC级联等方式映射进不同的SDH时隙, 而SDH设备与第二层和第三层乃至第四层分组设备在物理上集成为一个实体。

 多业务结点的具体基本实现方法是将传送结点与各种业务结点物理上融合在—起，构成具有各种不同融合程度，业务层和传送层一体化的下一代网络结点，称为融合的网络结点或多业务结点，即所谓One box解决方案从各类具体设备支持数据承载的实施方案看，可以大致分为以下四类: 第一类称为多层SDH交换结构 第二类是内部具有分离的TDM交换结构和数据交换结构，称为混合的多交换结构 l第三类也是单交换结构，但内部使用单个非TDM交换结构来支持混合的TDM和数据业务 l 第四类是所谓轻便的SDH（SDH lite）方案，完全消去了传统的SDH—TDM结构，把所有业务量(IP、ATM、语声和视频等)统一封装进SDH帧结构，直接在WDM上运行 10.4 10.4 城域网中的城域网中的WDMWDM技术技术 WDM（波分复用）技术就是在光域内的时分复用技术，通过在单一光纤内同步传输多个不同波长的光波，让数据传输速度和容量获得倍增它充分利用单模光纤的低损耗区的巨大带宽资源 除了降低成本之外，城域网用WDM系统的主要改进方向是： 首先，采用WDM后，容量有了大幅度的增加，至少几十倍，且可以提供某种形式的WDM环保护。

 其次，应用WDM后容许网络运营者提供透明的以波长为基础的业务， 特别是对于应用在城域网边缘的系统，直接与用户接口，需要能灵活快速地支持各种速率和信号格式的业务最后，城域网WDM系统还应具备波长可扩展性，新的波长应能随时加上而不会影响原有工作波长 另一个发展城域网的DWDM方案是应用波长路由交换机，全光交换机 城域网WDM系统的主要不足之处在于不能有效灵活地将低速率信号汇聚进较昂贵的波长通路此外，不能动态地配置波长，实现光层灵活连接最后，目前其成本仍然较高 10.4.1 10.4.1 城域光骨干网需要解决的问题城域光骨干网需要解决的问题 发展城域网的骨干光传输平台迫切需要解决如下问题: 1.IP业务的优化 2. 千兆比特以太网帧格式 3.自愈恢复 4.网络的管理 5.服务质量（QoS）保证10.4.2 10.4.2 传统波分复用技术的改造传统波分复用技术的改造 ● DWDM分插和掺铒光纤放大器（EDFA） ●开发新的复用技术和像光放大器、光分插复用器（OADM）和DWDM终端这样的低成本光器件 ●多波段复用器和次速率复用器 10.4.3 10.4.3 新型放大器新型放大器 1.1.掺铒波导放大器（掺铒波导放大器（EDWAEDWA）） EDWA的设计思想是使放大器的结构更紧凑。

它是在EDFA技术基础上结合了集成的光电路设计而成的只需使用几厘米长的一种高浓度的增益介质，功能器件与EDFA相同，但其中的泵浦激光器、泵浦复用器、绝缘器和平坦增益滤波器都被集成在一个更小的封装内采用EDWA后，就可以在网络的多个地点安装少量的小放大器，这样成本相对于EDFA也有所降低 2.拉曼连续放大器拉曼连续放大器 拉曼连续放大器技术允许在一条光纤上均匀地安装低增益拉曼放大器拉曼效应允许把能量从较短的泵浦波长上转移到较长的信号波长上泵浦激光器是接在光纤链路的起始端，而增益是沿着光纤长度提供的3.3.分布式光纤放大器（分布式光纤放大器（DOFADOFA）） DOFA使用一个泵浦激光器，将增益分布在光纤环中的不同点上增益通过在传输光纤中加入一小段、一小段的掺铒光纤来实现分布式放大允许在光纤环中的不同位置上安装放大器利用一个集中式泵浦激光源为整个光纤环提供多个放大级可以降低成本 放大技术比较 10.5 10.5 动态分组传输技术（动态分组传输技术（DPTDPT）） SONET/SDH环路对高速度数据传输领域提供了重要的革新基础，在SONET/SDH上分组以155Mbit/s及更高的速率运行 。

SONET/SDH环 路 也 在 实 现 以 OC-48c/STM-16c和 OC-192/STM-64c线路放大光纤的光容量、事先的性能监控和经由自动保护切换的自愈（APS）等主要功能上提供了主要的革新，如图:  在向无处不在的高速IP连接和服务的新世界前进时，对IP路由器经由SONET/SDH设备互联提出了挑战1）带宽效率问题（2）成本和复杂性 为了满足市场需求和技术挑战，Cisco引入了一种创新的为分组优化的光传输技术和产品——动态分组传输技术DPT（Dynamic Packet Transport）其核心是空间重用协议(Spatial Reuse Protocol，SRP)，它是一种新的MAC层协议  DPT既适用于目前的SONET／SDH网，也可用于将来的全光网 DPT提供潜在的从多层基础结构设备进化到基于3层（IP/多协议标签（MPLS）和光传输层）的智能的网络服务对业务提供者，DPT提供的商业上的关键好处包括以下几个方面:（1）成本有效（2）扩展增强的IP业务（3）网络鲁棒性10.5.1 10.5.1 DPTDPT体系结构和特性体系结构和特性 DPT的典型用法是由两根反向传输信息的光纤组成环形拓扑结构，如图:  其中一根光纤是顺时针方向传送信息，另一根光纤是逆时针方向传送信息。

一个叫内环，另外一个叫外环，DPT的工作机制是在一根光纤上发送数据包(下行)，在另外一根光纤上反向发送相应的控制包(上行)DPT特性有以下几个方面: 1.传输灵活性 2.光纤选择 3.环路带宽倍增能力  DPT使用下述几个综合能力来成倍扩大分组带宽以使服务供应商起始投资和增量费用减到最小:（1）空间重用  空间重用（SRP）技术是DPT技术的一个关键组成部分，可为世界上现有的同步光纤网(SDH)基础设施添加高带宽弹性光纤环路SRP技术克服了源删除技术的缺陷，它规定目的端在接收到IP分组后，立即把该IP分组从DPT环上删除， 这样，就不会有一部分带宽被浪费，其带宽利用率提高了一倍空间重用 （2）双光纤 DPT环是双向光纤环，可以同时使用两根光纤环来传输数据 （3）统计复用 与SDH这样的TDM环不同，DPT环中不会给某个结点分配专门的时隙或带宽DPT与ATM相类似，环上各结点统计复用DPT环带宽，这样带宽的利用率将大幅度提高（4）智能保护切换 DPT环利用一整套称为智能保护切换（IPS）的技术，在环路结点或光纤发生故障时，提供主动的链路性能监视、快速自愈和IP业务恢复功能。

（5）公平性 在DPT环路每结点上执行一个DPT特有的称之为SRP公平算法（SRP－fa）的分布式的拷贝，它来设计保证整体的公平性，局部的带宽优化和带宽可扩展性在DPT环路的所有的分段上被交付 10.5.2 10.5.2 DPTDPT环上空间重用协议（环上空间重用协议（SRPSRP）） SRP是一种与媒体无关的MAC层协议，可以用于各种物理层技术之上 SRP的本质是将链路上的资源分为若干通路，由IP分组到达结点来决定通路的建立和选路，源节点在环内某一段上通过分配带宽产生通路，通过寻址IP分组的目的地和利用分配的带宽在通路上传送IP包，特定通路上业务流与链路上其他业务流隔离 空间重用技术最初应用于SDH复用段保护(MSP)或SONET BLSR,是指环上的带宽可被各个结点公平使用空间复用意味着在目的地节点收到净荷后卸裁净荷，以便带宽再用例如: SRP空间重用机制  首先，SRP利用目的端信息分组下路策略，发送端可以不必像在令牌环网中等待环上传输的令牌，可以直接向环上发送信息当然，它不能无限制地向环上发送信息，要依据分配给它的带宽 此外，SRP能使结点统计地利用环上的带宽。

SRP公平算法SRP-fa概述: SRP协议的核心是公平算法(SRP Fairness Algorithm， SRP-fa)SRP源于其目的地剥离操作(Destination-Stripping Operation)，目的地从环上剥去数据包，环上其他分段的整个带宽可留给其他数据包使用 这样，由于环上每个结点均可同时将源数据接入环内，使环的带宽利用率可以达到最大 所谓的空间重用是相对于TDM的通道而言的DPT的空间重用公平算法实现了环网各结点对环路带宽的共享，如图: 如果A、B点之间没有业务，A、C之间传递业务时可以完全利用A、B之间的所有带宽SRP-fa算法的另一个特点是保证各结点对环路带宽的公平利用如图  如果B、C、D三个结点分别向A点发送200Mbit/s的业务，这时对于622Mbit/s的总环路带宽还能够承受，公平算法不需要限制各结点的流量如果E点也以200Mbit/s的速率向A发送业务这时就会在B点造成拥塞，B点会向C点发送带宽限制信息，同时C点又向下游结点发送，直到B、C、D、E结点的分配带宽收敛为公平的155Mbit/s 10.5.3 10.5.3 IPIP业务的实现因素业务的实现因素 1.分组优先2.多播3.带宽可伸缩性4.即插即用操作5.集成的网络管理 10.5.4 10.5.4 DPTDPT技术的应用技术的应用 1.1.接入点的内部连接接入点的内部连接接入点内部连接的可选方案 2.2.城域网城域网IPIP接入环接入环 DPT环路用环结构对本地的接入汇聚和MAN/广域网连接提供优秀的支持。

接入汇聚环路用来终接大量的用户接入管道，并且把它们汇聚到担当话务汇合和分发点的高速度路由器这些路由器既经由高速分配环路，又提供到以太骨干网的网状连接3.校园和分布校园网络校园和分布校园网络环路体系结构常常是校园和大楼骨干网及分布式企业园区宽带业务的重要部件DPT技术能够增强IP业务，使之在城域网区透明地扩展10.6 10.6 光城域网络光城域网络 10.6.1 10.6.1 概述概述 与通信网络一样，光网络也可横向分割为核心网、城域/本地网和接入网光网络的基本结构类型有星形、总线形(含环形)和树形等3种，可组合成各种复杂的网络结构核心网倾向于采用网状结构，城域/本地网大多采用环形结构，接入网将是环形和星形相结合的复合结构10.6.2 10.6.2 光城域网的结构光城域网的结构 光城域网络是指跨度为上百公里，一般为城市地区提供服务的光网络城域网跨接长途网和接入网，在长途网和接入网之间起桥梁作用，将接入网中企业用户和个人用户连接到业务提供者的骨干网络10.6.3 10.6.3 光城域网络的主要特点光城域网络的主要特点 1.多业务支持能力 2.业务传送能力 3.业务理解能力 4.扩容性 5.与语音基础设施并存 6.灵活的拓扑结构 7.可靠性 8.减少网络和运营成本10.6.4 10.6.4 光城域网络的设备光城域网络的设备 目前需要城域WDM设备的用户主要是城市中的企业，它们希望通过现有的光纤得到更多的带宽。

这些设备的运营距离一般在100km以下，为运营者和企业用户提供点到点、环状或网状拓扑结构，在SONET/SDH网或现有的租用线中提供新业务大多数WDM结构都配备Escon，Fiber Channel和千兆位以太网接口，适合组建短途高速网。