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光因特网的实现策略----GE over DWDM

2/14/2005来源:光纤通信人气:6438

郑伟
摘要:对千兆以太网的物理层和网络特性进行了技术分析;介绍了建立在密集波分复用技术基础上的千兆比以太网的基本工作方式,并从应用与技术两方面与相关技术作了比较。得出的结论是:兼备光波分复用和以太网两者优点的GE over DWDM对于构建光因特网是最具发展潜力的技术

关键词:光因特网,千兆比以太网、密集波分复用

  随着WDM技术的发展和高速路由器中STM-16(2.5Gbit/s)光接口的引入,从1998年秋季起,ip over SONET/SDH开始向IP overWDM发展。IP overWDM又叫光因特网,是指IP直接接入到WDM光网上或直接接到光纤上,核心网中间不经过SONET/SDH终端复用设备和ATM。由于一条光纤可容纳几十个波道,光因特网成本相对低很多,带宽大许多,网络结构也更加高效、简化。要实现IP over WDM核心网传输,首先需要解决的是IP层与WDM层的适配与传输链路管理问题。目前可供选择的传输链路管理有以太网(Ethernet)的协议及PPP/HDLC协议。其中,用千兆比以太网(GE)构建光固特网是笔者认为最具发展潜力的技术。

  一,千兆比以太网的技术支撑

  以太网起源于传统的局域网技术,对同步和时钟不敏感,能容忍时延和抖动。但是,将千兆比以太网用于长距离传输时,需要解决抖动累积与故障定位问题。因此,在采用GE over WDM实现长距离传输时,应能够对千兆比以太网信号进行再生、重整形、重定时(3R)和性能监测,其中的重定时可以通过配置1.25GHz的时钟晶振来解决。

  千兆比以太网帧的主要优点是它与两端主机的帧结构相同,不需要把数据重新映射到其它传送协议(如SONET/SDH或ATM)中去,因此在路由器接口上也无须分段与重装(SAR)和比特塞人操作来使数据帧和传送帧对准。另外,千兆比以太网的分路设备成本也较低。目前,千兆比以太网的收发双向累计带宽是2.5 Gbit/S;传送距离还不够长,一些带激光器的千兆比以太网达到了110 km的传送距离。但是,有人预计用不了多久,以太网的传送距离可以达到1000 km。

  在校园骨干网中,千兆比以太网正逐步替代ATM网络,其主要原因在经济效益方面。Dell-OroGroup的一份研究报告指出,在2000年的第一季度,用户购买了 20万端口的 ATM LAN,而购买的千兆比以太网交换端口数是33.4万个。尽管ATM在提供QoS方面有优势,但以太网更快、更易于使用。不过,在考虑到距离与多媒体数据传送时,ATM却略胜一筹。千兆比以太网的 ASIC芯片与 ATM网络的相比要便宜得多,以太网每端口的价格是 200—1000美元,而ATM是每端口800-1200美元。

  传统的电信厂商也在开发以太网技术,在1999年5月举行的东京国际光通信产品展示会(Networld+Interop)上,贝尔实验室演示的名为Gigachannel的10Gbit/s以太网复用器可以把8个千兆比以太网的比特率复用进一条光纤链路中,穿过整个校园网或城域网传送。贝尔实验室产品的传送距离是15km以上,可以直接与DWDM相兼容,保持本网的以太网成帧格式。

  总之,千兆比以太网被认为是一种简单、便宜的组网方式,已经开始延伸到校园网,并还在试图延伸到更广的范围。据《Network World Infusion》报导:MCIWorldCom和其它业务提供者正注视着十千兆比以太网的发展,希望它们能够成为IP overSONET/SDH以及其它传统WAN技术的替代方案。

  值得一提的是,千兆比以太网作为高速接入手段也越来越引起人们的重视,康宁等公司正在研究与垂直腔面发射激光器相连的多模光纤,以使千兆比以太网成为经济、可行的组网方案。

  二、GEoverDWDM的提出

  一种新技术的提出往往是由市场的迫切需求引发的。Internet骨干网的带宽每经过6—9个月就翻一番。1997年为622Mbit/s,1998年为2.5Gbit/s,1999年突破10 Gbit/s。如果不采用 WDM,那么仅 Internet的数据流就占满了整个单波长光纤系统的容量(目前单波长光纤系统的最大传输速率为10Gbit/s,潜力已尽)。 从目前的发展看,最合适的解决方案是GE overDWDM名可以提供几十Gbit/s的通信带宽。以太网与其它类似速率的通信技术比较具有价格低廉的特点,而GE overDWDM实现了以太网基础之上的平滑过渡,综合平衡了现有的端点工作站、管理工具和培训基础等各种因素。千兆比以太网采用IEEE802.3z协议,与十兆比、百兆比以太网具有同样的帧格式和帧长。对于广大的网络用户来说,这就意味着现有的投资可以在合理的初始开销上延续到千兆比以太网,不需要对技术支持人员和用户重新进行培训,也不需要作另外的协议和中间件的投资。

  由于上述特点和对全双工操作的支持, GE overDWDM将成为IP(特别是城域)主干网的理想互联技术。

  三、GE over DWDM技术分析

  1.千兆比以太网物理层

  与以太网和快速以太网一样,千兆比以太网只定义了物理层和介质访问控制层。物理层是组成千兆比以太网的关键,在 IEEE802.3z中定义了三种传输介质:多模光纤(传输距离200m)、单模光纤(传输距离5km)和同轴电缆。 IEEE802.3ab则定义了非屏蔽双绞线。除了以上几种传输介质外,还有一种多厂商定义的标准1000Base-LH,它也是一种光纤标准,传输距离最长可达 100km。如何设计一种方法以便在千兆比以太网数据传过DWDM系统时,不使信号改变即可实现性能监测呢?千兆比以太网的编码方式提供了这一可能;千兆比以太网信号是基于物理编码子层(PCS)中一种8B/10B编码方式进行编码的,因此在传输中速率为 1.25Gbit/s,而不是1Gbit/s,每一个8bit的字节被编成 10 bit的字节;而在系统中传输的有效码有以下特点:

  ·每一个 8bit字节转换成10bit字节时, 10bit字节应在连续的5/5,4/6,6/4个0或1以内;

  价偶变化——4/6后必然跟着 6/4;

  ·同步字节(0011111010或1100000101)。因此,系统中的无效码诊断就可基于以下原因:

  非正常字节——在一个字节中出现连续6个以上的0或1;

  ·奇偶性错误——出现两个以上连续的4/6或6/4;

  ·同步错误——同步字节出现在不正常位置或在相应位置没有出现。

  通过上述无效码的诊断,可以得出相应的无效码率,从而提供相应接口的传输性能(包括误码率、信号劣化、信号失效等)监测作为系统中故障定位的依据,也为千兆比以太网应用于广域范围提供了可能。

  2.千兆比以太网的特性

  以太网支持网络升级的方法简单,对新应用和数据类型处理具有灵活性和网络可伸缩性,因而成为高速、高带宽网络的战略性选择。它主要有以下几个特性:

  (1)简便而直接地支持网络升级

  网络管理员所面临的一个重要问题是如何获得更宽的网络带宽,而不至于使网络发生瘫痪。千兆比以太网采用和以前的十兆比、百兆比以太网相同的格式,执行同样的功能。这样,网络向更高速率发展时,不过是直接性的和增加性的升级。使用局域网交换机或路由器连接现有的低速以太网设备和千兆比以太网设备非常简单,只需用同样的线路速率互联即可。千兆比以太网使用同样的 MAC帧格式,由于所有以太网的帧格式和长度都相同,没有必要对网络作其它变动。这种革命性的网络升级途径使得千兆比以太网可以无缝地融入现存的以太网和快速以太网之中。以太网MAC帧具有两种格式:SNAP(802.3)格式和Eth2格式。两种帧格式开始的 96 bit定义相同源 MAC地址和目的MAC地址,Eth2格式和SNAP(802.3)帧格式的区别通过第13,14字节的值判断,如果小于0x600,说明该域值指示的是包长度,所以是802.3帧;否则就是Eth2型帧。其它的高速网络技术使用完全不同的帧格式,如 ATM采用定长的数据信元,当 ATM与以太网、快速以太网连接时,交换机或路由器必须进行ATM信元和以太网帧之间的转换,造成一定的网络时延并增加了设备的复杂性。

  按IEEE802.3x的规定,通过全双工、交换方式连接的两个节点可同时发送、接收数据包。千兆比以太网在双工操作模式中延续同样的标准,使得联网距离不再受CSMA/CD方式的限制,只要物理层的技术能实现多远的传输,千兆比以太网的联网就可达到多长距离。在单工操作模式中,千兆比以太网采用同样的CSMA/CD基本访问方法,解决了共享介质的访问冲突问题,但通信距离非常短。

  从以太网过渡到快速以太网,大多数网络管理员所熟悉的基本管理对象仍将在网上得以延续。例如,简单网络管理协议(SNMP)定义了获取设备级以太网信息的标准方法,利用管理信息库(MIB)记录关键性的统计信息储如冲突计数、发送或接收的数据包、出错率等各种设备级的信息);其它信息由远程监视(RMON)代理收集,通过网络管理的应用程序汇集各种统计数据。由于千兆比以太网使用标准以太网帧,所以可以使用同样的MIB和 RMON代理,在千兆比级速率上作网络管理。

  (2)较低的总体费用

  总体费用是评价新型网络技术的一个重要因素,它不仅包括购买设备的成本,还应包括培训、维护和纠错的成本。竞争和经济发展已经大大地降低了以太网连接的费用,虽然快速以太网产品只是从1994年开始供货,但在前五年中其产品价格已经显著降低,千兆比以太网将延续同样的发展过程,甚至早期产品就能提供较好的性能价格比。 IEEE的目标是以100Base-FX连接价格的二三倍提供千兆比以太网的连接。交换式千兆比以太网连接费用低于 622 Mbit/s ATM(假定物理介质相同),可为用户提供性能价格比优越的数据中心主干网络和服务器连接的解决方案。最后,由于现有系统用户早已熟悉了以太网的技术、维护和纠铝工具,因此对以太网的支持开销将远远低于其它技术。

  (3)支持新的应用和数据类型

  Intranet应用的出现预示着新数据类型(包括视频和音频)业务的发展。在过去,人们认为提供视频业务需要一种新的、专为多媒体设计的技术,但如今,快速以太网和千兆比以太网扩展了网络带宽;局域网交换本身性能有所增强,还出现了一系列新型协议(诸如资源预留协议(RSVP)、8O2.10和802.1p标准、视频压缩技术MPEG-2等),这些技术和协议使得数据与视频业务的综合在以太网上已经成为可能。目前新发展的IP相关技术和第二层交换技术都与千兆比以太网兼容,这与以太网和快速以太网的情况相同。

  3.GE over DWDM的技术实现

  DWDM技术通过在一根光纤上接入不同波长的光信号,使传输容量比单波长传输容量增加几倍甚至上百倍,从而节省了大量光纤,缓解了传输网资源的紧缺状况,降低了传输成本,促进了多种业务的发展。DWDM技术还有一个优点就是它与信号速率无关,可方便地引人宽带、数据等新业务,并可兼容不同体制、不同厂家的设备。IP overWDM通俗的说法就是让IP数据包直接在光路上传送,减少网络层之间的冗余部分,由于省去了中间的ATM和SDH层,其传输效率高,既节省了网络运营商的成本,也降低了用户获得多媒体通信服务的费用,是一种最直接、最经济的IP网络体系结构。GE overDWDM是 IP overDWDM的一种廉价方式,非常适用于大型城域IP骨干网。

  GE over DWDM的基本工作方式是:在发送端将交换机、路由器等设备发出的千兆比以太网光信号送给波长转换板进行光/电转换,变为电信号。此电信号分为两路,一路送给MAC芯片,一路去调制具有特定波长的激光器。通过MAC芯片可以获取网上的传输情况(如数据包流量和错误的数据包数量),可以很方便地在传输网管设备上观察到网络的运行情况,及时查找传输线路故障。经过波长激光器调制的千兆比以太网光信号同其它波长的光信号组合(复用)送入一根光纤中传输。在接收端通过分波器将各个波长的光信号从一根光纤分出,送给不同终端。分出的千兆比以太网光信号同样送给波长转换板进行光/电/光转换,并在电层用MAC芯片监视传输情况,最后将千兆比以太网光信号送到交换机、路由器等设备,完成GEover DWDM的全过程。

  四、应用及技术的比较

  千兆比以太网技术将取代ATM成为局域网、城域骨干网的首选技术。首先,由于 ATM往往只作为网络的骨干,而终端用户的桌面系统仍然使用以太网,通过LAN仿真等技术实现网络的互连,大大地增加了系统的复杂性和造价;而千兆比以太网可以实现与原有的十兆比、百兆比以太网的无缝连接,大大降低了系统的成本和复杂性。其次,由于近年来Internet和TCP/IP协议迅速普及,网络被越来越多地用于传输IP业务,而这正是ATM的劣势。据资料显示,ATM传输IP分组会增加 30%的额外开销,这主要是因为它需要把一个IP分组拆成多个信元分别传输。实现GEover WDM不用 SDH层,必须解决传输自愈恢复问题,目前已经具有多种解决方案。SDH网以重复备份来增加生存性,在传输网络的核心建立故障容错系统需要大量增加冗余。GE overDWDM也可采用与SDH类似的自愈恢复方法,如进行通道保护,将千兆比以太网光信号经两个波长转换板沿不同路径传输,在接收端采用两个接收板,根据业务情况选择其一接收,此方式的保护倒换时间小于50ms。另外,对于IP网还可以利用其特有的容错、白愈能力,采用单层生存管理提高效率、降低成本,问题是如何提高自愈恢复速度,并且能够工作于跨自治域的大网。目前已经提出了多种第三层自愈恢复方法,尚无标准。从发展角度来看,MPLS的第三层自愈恢复方法最有希望成为标准,它可以达到和SDH相当的速度,用于跨自治域的大网建设。

  在城域、广域骨干网采用千兆比以太网路由交换机和DWDM技术直接在光缆网架构宽带IP网时,如果不需要使用 SDH电再生器(1.25 Gbit/s速率的电再生距离为1000~2000km),采用千兆比以太网格式较SDH格式更为经济高效,将发展成为主流技术。

  对于城域骨干网,不论单路或多路(DWDM)的IP over OPtical系统,千兆比以太网都是最优选择,具有成本低、性能高的优势。目前一些厂商宣传的在城域骨干网上采用POS(Packet overSDH),实行SDH分帧的方法是一种高成本、低效率的方案;采用155Mbit/s或622Mbit/S速率不仅传输速率比千兆比以太网低,而且设备成本高很多,而采用 2.5 Gbit/s速率时,价格将高得令人无法接受。

  总之,GE over DWDM是目前最适合的 IP overWDM方案,其应用将不断增加。

摘自《现代电信科技》