《光網(wǎng)絡技術》課件第6章

第6章城域光網(wǎng)絡

6.1城域網(wǎng)概述

6.2光城域網(wǎng)技術隨著對業(yè)務的需求量不斷增長和光纖通信技術逐漸向用戶側推進，城域網(wǎng)的地位就顯得日益重要。城域網(wǎng)的概念來源于數(shù)據(jù)通信，根據(jù)網(wǎng)絡所覆蓋的地理范圍可將其分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。如今，城域網(wǎng)泛指運營商在城域范圍內以光傳輸技術為開放平臺，通過各類網(wǎng)關和業(yè)務節(jié)點實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、多媒體、IP接入和各種增值業(yè)務與長途網(wǎng)和PSTN互通的本地綜合業(yè)務網(wǎng)絡。

本章首先闡述城域網(wǎng)的概念、城域網(wǎng)的業(yè)務和特點以及城域網(wǎng)的層次結構，最后重點介紹光城域網(wǎng)的關鍵技術：多業(yè)務傳送平臺技術(MSTP)、彈性分組環(huán)(RPR)技術以及DWDM/CWDM技術。

6.1.1城域網(wǎng)的概念

隨著數(shù)據(jù)通信的發(fā)展，根據(jù)網(wǎng)絡所覆蓋地理范圍的大小，網(wǎng)絡被分為局域網(wǎng)、城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。第一個可以稱為城域網(wǎng)標準的是1990年IEEE規(guī)范的802.6體系，它是一種覆蓋城域范圍的分布式排隊雙總線結構的計算機網(wǎng)絡。6.1城域網(wǎng)概述6.1.2城域網(wǎng)的業(yè)務及特點

相對于廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)，城域網(wǎng)有其自身的特色。城域網(wǎng)是一種主要面向企事業(yè)用戶的，最大可覆蓋城市及其郊區(qū)范圍的，可提供豐富業(yè)務和支持多種通信協(xié)議的公用網(wǎng)。城域網(wǎng)具有以下三個特征:

(1)城域網(wǎng)覆蓋的區(qū)域比局域網(wǎng)的大、比廣域網(wǎng)的小，典型的城域網(wǎng)覆蓋范圍為50km~150km;

(2)城域網(wǎng)可連接多個局域網(wǎng);

(3)城域網(wǎng)通常覆蓋整個城區(qū)及城郊。6.1.3城域網(wǎng)的層次結構

如圖6-1所示，一個完整的城域網(wǎng)在垂直方向上由城域傳送網(wǎng)、城域承載網(wǎng)、城域業(yè)務/應用網(wǎng)及支撐網(wǎng)(如信令網(wǎng)、同步網(wǎng)、管理及用戶支撐系統(tǒng))組成。城域傳送網(wǎng)和城域承載網(wǎng)共同構成了整個城域網(wǎng)的基礎承載平臺。城域業(yè)務/應用網(wǎng)是整個城域網(wǎng)各種業(yè)務和應用的提供平臺，由具體的業(yè)務與應用系統(tǒng)組成，如城域會議電視網(wǎng)、城域IP電話網(wǎng)和城域遠程教育網(wǎng)等。目前大家經(jīng)常提及的城域網(wǎng)通常是指由城域傳送網(wǎng)和城域分組承載網(wǎng)共同構成的基礎承載平臺。城域傳送網(wǎng)、城域承載網(wǎng)在水平方向一般可分為核心網(wǎng)、匯聚網(wǎng)和接入網(wǎng)等。對于中小規(guī)模的城域網(wǎng)，可以將其簡化為兩層：核心層和匯聚層(匯聚層與接入層綜合在一起)。

圖6-1城域網(wǎng)結構對于城域傳送網(wǎng)來說，它的主要作用是為城域承載網(wǎng)提供可靠的數(shù)據(jù)專線。城域承載網(wǎng)完成業(yè)務信息元的交換或路由，將業(yè)務信息元從源端送達目的端。

光城域網(wǎng)技術可分為多業(yè)務傳送平臺(MSTP)技術、彈性分組環(huán)(RPR)技術和DWDM/CWDM技術，下面將分別對它們進行介紹。6.2光城域網(wǎng)技術6.2.1多業(yè)務傳送平臺技術

為了適應城域網(wǎng)多業(yè)務的需求，SDH從單純支持傳輸速率分別為2Mb/s和155Mb/s等語音業(yè)務接口向支持以太網(wǎng)業(yè)務和ATM業(yè)務等多業(yè)務接口發(fā)展，將多種不同的業(yè)務通過VC或者VC級聯(lián)的方式映射到SDH時隙中進行處理。盡管以太網(wǎng)業(yè)務能在SDH上透明傳輸，但映射效率卻非常低。而且，當以太網(wǎng)端口沒有業(yè)務量時，鏈路將處于空閑狀態(tài)，這將造成SDH的帶寬的巨大浪費。另外，SDH的保護機制需要有一半的帶寬容量在熱備份模式下工作，在正常操作狀態(tài)下，這些帶寬不能用來承載業(yè)務,因而，這種保護技術較適用于固定速率的持續(xù)型業(yè)務，而不是一種很有效的保護以太網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務的方法?；赟DH的多業(yè)務傳送平臺技術(MSTP)是對傳統(tǒng)SDH技術的繼承和發(fā)展，MSTP的引入不但可以充分利用現(xiàn)有豐富的SDH網(wǎng)絡資源，借鑒SDH系統(tǒng)多年的網(wǎng)絡運維和管理經(jīng)驗，完全兼容目前大量應用的TDM業(yè)務，還可以實現(xiàn)以太網(wǎng)和ATM等多種業(yè)務的綜合傳送和接入，滿足日益增長的數(shù)據(jù)業(yè)務需求。

MSTP技術的標準化是從2002年開始的，當前MSTP中涉及的關鍵技術如GFP封裝、VC虛級聯(lián)和LCAS(鏈路容量調整)等的標準化已經(jīng)相對較為完善，對于中間智能適配層RPR和MPLS的相關標準化工作也已完成，各種基于SDH的多業(yè)務傳送技術互聯(lián)互通的技術標準以及測試標準也在制定當中。

MSTP技術的主要特點：

(1)具有較大的交叉連接容量，能夠支持VC-4、VC-3和VC-12各種等級的交叉連接以及連續(xù)級聯(lián)或虛級聯(lián)處理；

(2)提供豐富的多業(yè)務(PDH/SDH、ATM、IP和圖像業(yè)務等)接口，可以通過增加或更換接口模塊靈活地適應業(yè)務的發(fā)展變化；

(3)具有以太網(wǎng)和ATM業(yè)務的透明傳輸或交換能力，其傳輸鏈路的帶寬可配置，并支持VLAN流量控制、業(yè)務和端口的匯聚或統(tǒng)計復用功能；

(4)具備多種完善的保護機制(SDH、ATM、以太網(wǎng)/IP)和靈活的組網(wǎng)特性；

(5)可實現(xiàn)統(tǒng)一和智能的網(wǎng)絡管理，具有良好的兼容性和互操作性。

在MSTP網(wǎng)絡中，常用的以太網(wǎng)業(yè)務組網(wǎng)方式如下：

(1)點到點透傳業(yè)務。MSTP網(wǎng)絡中點到點的透傳以太網(wǎng)業(yè)務的組網(wǎng)方式如圖6-2所示。在圖6-2中，中心站的一個以太網(wǎng)口對應外圍站的一個以太網(wǎng)口進行業(yè)務傳送。這種組網(wǎng)方式是電力通信網(wǎng)中前期使用較多的方式，其優(yōu)點是能夠保證帶寬，安全性相對較高，組網(wǎng)簡單，維護方便；缺點是浪費中心站設備的端口。由于電力系統(tǒng)絕大部分的業(yè)務都屬于集中型業(yè)務，因此組網(wǎng)時中心站所需要的以太網(wǎng)板卡較多，在外圍站點和業(yè)務種類多的情況下，中心站的以太網(wǎng)板及設備槽位的容量較難完全滿足全網(wǎng)規(guī)劃的要求。

(2)點到多點匯聚業(yè)務。MSTP網(wǎng)絡中點到多點匯聚以太網(wǎng)業(yè)務的組網(wǎng)方式如圖6-3所示。在圖6-3中，中心站的一個以太網(wǎng)口與幾個或幾十個外圍站的以太網(wǎng)口進行通信，這種方式保證了通道帶寬的需要，同時按照這種方式建網(wǎng)后，中心站以太網(wǎng)板卡數(shù)量將大大減少，不但降低了成本，圖6-2點到點透傳以太網(wǎng)業(yè)務組網(wǎng)方式而且還減少了中心站的以太網(wǎng)出線，降低了故障率。這種組網(wǎng)方式便于不同種類業(yè)務分類統(tǒng)一的規(guī)劃端口，但中心站傳輸設備的以太網(wǎng)板需要支持二層交換或在中心站增加二層交換機。

SDH多業(yè)務平臺的缺點在于網(wǎng)絡基于同步工作，對抖動要求嚴格，設備的成本高；難以靈活地生成業(yè)務；用固定時隙支持數(shù)據(jù)業(yè)務的帶寬利用率較低，目前數(shù)據(jù)業(yè)務功能不夠靈活豐富。從本質上看，由于MSTP只是在SDH的層面上增加了附加層，因此決定了其只能是一種過渡技術。從長遠看，當數(shù)據(jù)業(yè)務成為網(wǎng)絡的絕對主導業(yè)務類型后，基于SDH的多業(yè)務平臺解決方案不是一種最有效的方法，它將會被更有效的方案所取代。圖6-3點到多點匯聚以太網(wǎng)業(yè)務組網(wǎng)方式6.2.2彈性分組環(huán)技術

1.彈性分組環(huán)的提出

彈性分組環(huán)(RPR)技術來源于Cisco公司2000年提出的DPT城域網(wǎng)解決方案，DPT可以使Cisco公司的吉比特交換路由器(GSR)在組網(wǎng)時共享同一帶寬，并具有完善的保護倒換能力，可以達到電信級運營的要求。隨后，Nortel公司基于自己設備的特點提出了IPT解決方案與Cisco公司抗衡。新興的Luninous公司也推出了具有自己特色的解決方案RPT。這些方案雖然基本思路相似，但具體的實現(xiàn)方法卻有很大的不同，包括在環(huán)上傳輸?shù)陌姆庋b結構、帶寬共享控制協(xié)議、保護倒換協(xié)議和QoS策略等。RPR技術集IP的智能化、以太網(wǎng)的經(jīng)濟性以及光纖環(huán)網(wǎng)的高帶寬效率和可靠性于一體，為寬帶IP城域網(wǎng)運營商提供了一個良好的組網(wǎng)方案。RPR技術使得運營商在城域網(wǎng)內以低成本提供電信級的服務成為可能，在提供類似SDH級網(wǎng)絡可靠性的同時還降低了傳送費用。

RPR有別于傳統(tǒng)的MAC，它最吸引人的特點是具有電信級的可靠性，使其不僅僅只是局限于處理面向數(shù)據(jù)的業(yè)務傳送需求，同時可以形成處理多業(yè)務傳送的綜合傳輸解決方案?？梢赃@樣說，RPR是IP技術與光網(wǎng)絡技術直接融合的產(chǎn)物，它源于客戶對IP業(yè)務發(fā)展的需求，順應最新的技術潮流，為IP城域網(wǎng)的建設帶來了一套低成本、高品質的解決方案。

2.協(xié)議分層和拓撲結構

RPR為雙環(huán)拓撲結構，如圖6-4所示，其雙環(huán)都能夠傳送數(shù)據(jù)，雙環(huán)的數(shù)據(jù)傳送方向相反。每個RPR節(jié)點(station)都采用了一個以太網(wǎng)中用到的48位MAC地址作為地址標識，從RPR節(jié)點設備鏈路層來看，其兩對收發(fā)的物理光接口只是一個鏈路層接口；從網(wǎng)絡層來看，也只需要分配一個接口IP地址。兩個相鄰RPR節(jié)點之間的鏈路稱為段(span)，多個連續(xù)的段和其上的節(jié)點構成域(domain)。

RPR的分層參考模型遵守開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)結構，并對其進行了適當修改以適應RPR的特殊需要，如圖6-5所示。

RPR協(xié)議參考模型包括物理層(PHY)技術和數(shù)據(jù)鏈路層技術。對于RPR節(jié)點來說，數(shù)據(jù)鏈路層技術中的MAC實體是最為關鍵的部分，MAC實體一方面需要與上層進行數(shù)據(jù)和控制的交換，另一方面還要很好地與各種物理接口配合協(xié)同工作。圖6-4彈性分組環(huán)雙環(huán)拓撲結構圖6-5RPR協(xié)議層次模型

RPR的MAC實體中包含一個MAC控制子層和兩個MAC數(shù)據(jù)通路子層,其中兩個MAC數(shù)據(jù)通路分別負責內環(huán)和外環(huán)的數(shù)據(jù)交換，MAC控制實體從這兩個數(shù)據(jù)通道中收、發(fā)數(shù)據(jù)幀，并且通過MAC業(yè)務接口與MAC客戶端之間進行控制和數(shù)據(jù)的交互；MAC控制子層包含數(shù)據(jù)和控制兩個平面的功能，包括公平控制、保護倒換拓撲發(fā)現(xiàn)、子環(huán)選擇、運行管理維護以及數(shù)據(jù)封裝/拆封等重要功能。MAC數(shù)據(jù)通路與各子環(huán)數(shù)據(jù)傳送直接掛鉤，包括四個方面的功能：

(1)流量整形，使其能夠有序地進入共享的環(huán)介質。

(2)在源節(jié)點時，數(shù)據(jù)幀進行調度發(fā)送；在過環(huán)節(jié)點時，數(shù)據(jù)幀要排隊。

(3)接收數(shù)據(jù)判決，要選擇數(shù)據(jù)幀遞送到本地客戶端或控制子層。

(4)要選擇數(shù)據(jù)幀從環(huán)上剔除。

物理層協(xié)調子層負責處理MAC層數(shù)據(jù)到物理層的映射，RPR支持現(xiàn)有的SDH、以太網(wǎng)、DWDM等物理層標準。圖6-6RPR幀格式

3.幀格式

RPR幀分為數(shù)據(jù)幀和控制幀，如圖6-6所示。RPR幀格式中除了環(huán)控制(包括基本環(huán)控制和擴展環(huán)控制)字節(jié)體現(xiàn)RPR特色外，其余的字段與以太幀的格式類似。在環(huán)控制字節(jié)中包含了眾多的控制內容，如環(huán)路標記信息、公平帶寬分配選項、幀類型、業(yè)務級別、故障切換方式和廣播標志等，提供了主動的性能監(jiān)測和故障監(jiān)測等功能，充分保證環(huán)操作的豐富、靈活和高效，滿足運營網(wǎng)絡對環(huán)網(wǎng)技術的高標準要求。一般情況下,RPR幀的最大傳送長度(MTU)為1616字節(jié)，超長幀為9216字節(jié)。6.2.3DWDM/CWDM技術

城域波分技術是波分復用技術在城域范圍內的應用。WDM技術解決了兩個重要問題：光纖短缺和多業(yè)務的透明傳輸。它對信號具有透明性，可以直接對從不同設備出來的信號不進行速率和幀結構調整而直接進行透明傳輸，這給用戶，特別是租用波長的用戶以最大的靈活性。

波分復用技術主要分為密集波分復用(DWMD)和粗波分復用(CWMD)兩種類型。區(qū)分DWDM和CWDM的主要參數(shù)是在同一根光纖中傳輸?shù)牟煌ㄩL之間的間距。DWDM系統(tǒng)的波長間距一般為200GHz(1.6nm)、100GHz(0.8nm)或50GHz(0.4nm)，而城域網(wǎng)系統(tǒng)由于傳輸距離近(小于100km)，可以采用CWDM技術，它對單模光纖的傳輸衰減要求不高，也不需要使用光纖放大器，因此可以使用1200mn~1700mn的寬窗口，將相鄰波長間隔放寬到20nm。

1.DWDM原理概述及基本結構

DWDM技術是利用單模光纖的帶寬以及低損耗的特性，采用多個波長作為載波，允許各載波信道在光纖內同時傳輸。

與通用的單信道系統(tǒng)相比，密集WDM——DWDM不僅極大地提高了網(wǎng)絡系統(tǒng)的通信容量，充分利用了光纖的帶寬，而且它具有擴容簡單和性能可靠等諸多優(yōu)點，特別是它可以直接接入多種業(yè)務更使得它的應用前景十分光明。在模擬載波通信系統(tǒng)中，為了充分利用電纜的帶寬資源，提高系統(tǒng)的傳輸容量，通常利用頻分復用的方法，即在同一根電纜中同時傳輸若干個信道的信號，接收端根據(jù)各載波頻率的不同利用帶通濾波器濾出每一個信道的信號。

同樣，在光纖通信系統(tǒng)中也可以采用光的頻分復用的方法來提高系統(tǒng)的傳輸容量。事實上，這樣的復用方法在光纖通信系統(tǒng)中是非常有效的。與模擬的載波通信系統(tǒng)中的頻分復用不同的是，在光纖通信系統(tǒng)中是用光波作為信號的載波，根據(jù)每一個信道光波的頻率(或波長)不同將光纖的低損耗窗口劃分成若干個信道，從而在一根光纖中實現(xiàn)多路光信號的復用傳輸。由于目前一些光器件(如帶寬很窄的濾光器、相干光源等)還不很成熟，因此，要實現(xiàn)光信道非常密集的光頻分復用(相干光通信技術)是很困難的，但基于目前的器件水平，已可以實現(xiàn)相隔光信道的頻分復用。人們通常把光信道間隔較大(甚至在光纖不同窗口上)的復用稱為光波分復用(WDM)，再把在同一窗口中信道間隔較小的DWDM稱為密集波分復用(DWDM)。隨著科技的進步，現(xiàn)代的技術已經(jīng)能夠實現(xiàn)波長間隔為納米級的復用，甚至可以實現(xiàn)波長間隔為零點幾個納米級的復用，只是在器件的技術要求上更加嚴格而已，因此把波長間隔較小的8個波、16個波、32個波乃至更多個波長的復用稱為DWDM。

DWDM系統(tǒng)的構成及光譜示意圖如圖6-7所示。DWDM系統(tǒng)包括光發(fā)射機、光中繼放大、光接收機、光監(jiān)控信道和網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。發(fā)送端的光發(fā)射機發(fā)出波長不同而精度和穩(wěn)定度滿足一定要求的光信號，經(jīng)過光波長復用器復用在一起送入摻鉺光纖功率放大器(摻鉺光纖放大器主要用來彌補光合波器引起的功率損失和提高光信號的發(fā)送功率)，再將放大后的多路光信號送入光纖傳輸，中間可以根據(jù)情況有或沒有光線路放大器，到達接收端經(jīng)光前置放大器(主要用于提高接收靈敏度，以便延長傳輸距離)放大以后，送入光波長分波器分解出原來的各路光信號。

圖6-7DWDM系統(tǒng)的構成及光譜示意圖

2.DWDM關鍵技術

1)光源

光源的作用是產(chǎn)生激光，它是組成DWDM系統(tǒng)的重要器件，目前應用于DWDM系統(tǒng)的光源是半導體激光器LD(LaserDiode)。

DWDM系統(tǒng)的工作波長較為密集，一般波長間隔為幾個納米到零點幾個納米，這就要求激光器工作在一個標準波長上，并且具有很好的穩(wěn)定性；另外，DWDM系統(tǒng)的無電再生中繼長度從單個SDH系統(tǒng)傳輸50km~60km增加到500km~600km，在延長傳輸系統(tǒng)的色散受限距離的同時，為了克服光纖的非線性效應(如受激布里淵散射效應(SBS)、受激拉曼散射效應(SRS)、自相位調制效應(SPM)、交叉相位調制效應(XPM)、調制的不穩(wěn)定性以及四波混頻(FWM)效應等)，要求DWDM系統(tǒng)的光源要使用技術更為先進、性能更為優(yōu)越的激光器。

總之，DWDM系統(tǒng)的光源有兩個突出的特點：比較大的色散容納值和標準而穩(wěn)定的波長。

2)摻鉺光纖光放大器(EDFA)

摻鉺光纖放大器(EDFA,ErbiumDopedFiberAmplifier)作為新一代光通信系統(tǒng)的關鍵部件，具有增益高、輸出功率大、工作光學帶寬較寬、與偏振無關、噪聲指數(shù)較低、放大特性與系統(tǒng)比特率和數(shù)據(jù)格式無關等優(yōu)點，它是大容量DWDM系統(tǒng)中必不可少的關鍵部件。

3)DWDM器件

在DWDM系統(tǒng)中，DWDM器件分為合波器和分波器兩種，如圖6-7所示。合波器的主要作用是將多個信號波長合在一根光纖中傳輸；分波器的主要作用是將在一根光纖中傳輸?shù)亩鄠€波長的信號分離。DWDM系統(tǒng)性能好壞的關鍵是DWDM器件，其要求是復用信道數(shù)量要足夠多、插入損耗小、串音衰耗大和通帶范圍寬等。從原理上講，合波器與分波器是相同的，只需要變換一下輸入、輸出的方向。DWDM系統(tǒng)中使用的DWDM器件的性能滿足ITU-TG.671及相關建議的要求。

DWDM器件有多種制造方法，所制造的器件各有特點，目前已廣泛商用的DWDM器件有四類：干涉濾光器型、光纖耦合器型、光柵型和列陣波導光柵(AWG)型。

3.DWDM的應用形式

DWDM通常有兩種應用形式：開放式DWDM和集成式DWDM。

開放式DWDM系統(tǒng)的特點是對復用終端光接口沒有特別的要求，只要這些接口符合ITU-TG.957建議的光接口標準即可。DWDM系統(tǒng)采用波長轉換技術，將復用終端的光信號轉換成指定的波長，不同終端設備的光信號轉換成不同的符合ITU-T建議的波長，然后進行合波。

集成式DWDM系統(tǒng)沒有采用波長轉換技術，它要求復用終端的光信號的波長符合DWDM系統(tǒng)的規(guī)范，不同的復用終端設備發(fā)送不同的符合ITU-T建議的波長，這樣他們在接入光合波器時就能占據(jù)不同的通道，從而完成合波。根據(jù)工程的需要可以選用不同的應用形式，在實際應用中，開放式DWDM和集成式DWDM可以混合起來使用。

4.DWDM的優(yōu)越性

光纖的容量是極其巨大的，而傳統(tǒng)的光纖通信系統(tǒng)都是在一根光纖中傳輸一路光信號，這樣的方法實際上只使用了光纖豐富帶寬的很少一部分。為了充分利用光纖的巨大帶寬資源，增加光纖的傳輸容量，以DWDM