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宽带IP城域网之关键技术
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1 引言随着因特网用户数量的剧增、多媒体业务的不断普及和信息流量的持续高速增长，利用PSTN网络的传统接入方式的缺陷越来越明显，主要体现在，一方面对用删网络造成了巨大的压力；另一方面由于提供的带宽大低，限制了多媒体应用的进一步发展，降低了竞争力，因此，建设宽带IP城域网，为用户提供宽带接入方式，已成为必然的发展趋势，针对这种情况，本文全面分析了宽带IP城域网建设过程中需要考虑的主要技术问题。
2 网络分层
宽带IP城域网是根据业务发展和竞争的需要而建设的城市范围内（可能包括所辖的县区等）的宽带多媒体通信网络，是宽带骨干网络（如中国电信IP骨干网络、联通骨干ATM网络、网通宽带IP网络等）在城市范围内的延伸，并作为本地的公共信息服务平台组成部分，负责承载各种多媒体业务，为用户提供各种接入方式，满足政府部门、企事业单位、个人用户对基于IP的各种多媒体业务的需求，因此，宽带IP城域网必须是可管理和可扩展的电信运营网络。
众所周知，可管理和可扩展的电信运营网络肯定是分层网络。目前一般是将城域网划分为核心层、汇接层和接入层，对于规模不大的城域网，核心层与汇接层可以合在一起，以简化网络体系。但是，城域网的建设是一个渐进过程，网络的不同层次可能由不同的投资者分别建设，同一个层次也可能由多个投资者分别建设，如果采用这种划分方法，本文认为过于简单，不能充分反映网络建设的具体情况。因此，建议将城域网划分为城域网城域部分和城域网城域接入部分。
城域网城域部分为运营商网络，由运营商统一规划与建设，又可分为城域核心层和城域汇接层，城域核心层主要完成城域网内部信息的高速传送与交换，实现与其它网络的互联互通，而城域汇接层主要完成信息的汇聚与分发。
城域接入部分可能由运营商、ISP、企业、建筑商以及物业管理部门建设，不仅仅是传统意义上提供接入的部分，而且还可能需要向用户提供本地业务。城域接入部分又分为接入汇接层和
用户接入层，接入汇接层完成信息的汇接与分发，实现用户管理，城域接入部分的业务提供、计费等功能，而用户接入层为用户提供具体的接入手段。
可以看出，城域网建设最困难的地方在于城域接入部分，而电信运营商竞争的焦点也在于此，所以，要在竞争中占据优势，电信运营商需要详细分析城域接入部分的各种需求。
3 技术体制
根据网络的发展水平和网络业务的不同，目前建设宽带IP城域网主要有三种方式，即路由器方式（IP网络），ATM交换机方式（AIM网络）和多业务路由交换机方式（多业务网络）。
第一种方式面向目前网络上占80％以上而且还将不断剧增的数据流量，利用吉比特以太网技术、IP over SDH技术、IP over DWDM技术组建纯IP技术的城域网，为用户提供基于最好努力（Best effort）、不保证服务质量的服务。
第二种方式是面向数据通信主要收入来源的专线与话音业务，采用统一的网络支持DDN、FR、话音等传统业务以及IP业务，为用户提供按需分配网络带宽、保证服务质量的服务，其中，
支持IP业务可以采用IPOA、LANE、MPOA或VLAN技术实现。
第三种方式采用路由器厂商与ATM交换机厂商都普遍看好的下一代因特网骨干网络主流技术MPLS技术，在网络边缘实现第三层灵活路由，在网络核心实现第二层快速交换。目前实际应用中，主要是第二种方式的进一步演进，即将IP业务与ATM网络无缝地结合在一起，使ATM网络全网不再需要两套地址，既能很好地支持DDN、FR、话音等传统业务，也能够很好地支持IP业务，按用户需要的服务质量提供相应的各种服务。
本文认为，在实际网络建设中，目前可以考虑采用的主要是第一种方式与第三种方式，但采用哪一种应该根据网络建设的目的、网络上各种业务流量发展趋势、经济投资等因素来决定。总体来说，可以从两个方面来进行考虑，一个方面是，如果网络模型的业务流量就是以IP为核心的应用，则应该选择第一种方式，而如果希望建设一个通用的传送平台支持包括IP业务在内的各种业务，特别是数据业务主要收入来源的传统数据业务，则应该首先考虑采用第三种方式。另一个方面是，在有条件的、IP业务量比较大的地区应该同时采用第一种方式和第三种方式，分别建设IP网络和多业务网络，以适应不同业务特点和业务发展需求，而在数据业务类型多而总量不大的地方，应采用第三种方式以满足基本的业务需求，将来条件成熟后可以进一步考虑采用第一种方式将IP业务分离开来。另外，这两种方式并不是要求完全独立的，事实上，多业务网络能够为IP网络提供接入功能和汇接功能，为用户提供更加灵活的接入方式。
4 接入技术
建设宽带IP城域网的主要目的之一是为了能快速方便地为用户提供宽带接入服务，因此，为了尽快地扩大网络覆盖面，方便用户的接入，每个电信运营商都根据自己的特点提出了自己的解决方案，如电信和联通提出了利用FTTx＋xDSL，FTTx+LAN、无线接入等方式，广电提出了利用FTTx+HFC、 FTTx＋LAN等方式，其它新运营商提出了FTTx＋LAN、无线接入等方式。其中，FTTx+LAN方式为每个电信运营商所看好，本文认为，这是因为，一方面，以太网技术是非常成熟的技术，应用非常普及和方便，价格也比较便宜；另一方面，伴随着高速网络建设浪潮，对信息化小区，商住大楼、学校以及大型企业单位、政府机构等高速网络的建设和接入需求会急速增加，而这些用户相对集中且接入端口很密集，可以通过LAN交换机为用户提供高密度的网络连接方案，从而能够以最少的投资，最低的资费为用户提供10 Mbit／100Mbit／s甚至1000 Mbit／s的宽带接入，让用户享受到真正的宽带网络服务。这并不是说，这种方式就完美无缺了，要真的是这样的话，也不错，其它的方式也就不必发展了。事实上，可以想象，对于楼字和新建小区，布设五类线或超五类线是容易实现的，只要能够与楼字的拥有者或小区的投资商合作，就能够做到。而对于已建小区，是非常困难的，因为淮也不愿已装修好的房于再有所动作，此时，其它接入方式就可以各显神通了。
5 用户认证与接入
运营商建设网络的根本目的在于能够通过网络运营为用户提供服务而获取高额利润，因此，必须对使用网络的用户按照一定的原则进行计费，而最简单的计费方式莫过于采用包月制方式，但由于用户的需求不一（如高速上网可能需要1Mbit／s带宽，看MPEG II节目可能需要2Mbit／s带宽，看MPEG II节目可能需要6Mbit／s带宽），随着竞争的加剧，这种方式将难以适应市场需求，因此网络必须能够按照用户使用网络资源的情况进行计费，要做到这一点，就必须首先能够对使用网络的用户进行身份认证，以防止非法用户的盗用。
窄带接入方式下利用PPP技术通过AAA服务器实现用户的身份认证并分配IP地址，使得用户能够通过接入服务器接入网络，进行信息的交互，而宽带接入方式下，通过以太网交换机或路由器实现的网络，并不提供相应的功能对用户进行身份认证，因此，要做到这一点，必须引入有关技
术与相应的设备，如中兴通讯公司的客户管理系统，目前，与此有关的技术可以归为两类，本文称为不需要严格认证的方法和需要严格认证的方法。
5.1 不需要严格认证的方法
不需要严格认证的方法是将用户静态配置的IP地址或者采用DHCP自动获取的IP地址与用户终端设备的MAC地址和基于端口的VLAN ID捆绑在一起，用户一开机就自动接入到网络中，不需要对用户的身份进行认证，上述IP地址、MAC地址与VLAN ID的捆绑能够有效地保证合法的终端才能接入网络中，能够确保用户信息的安全性。不过，这种方法存在着一个严重的缺陷，即只是保证合法终端接入网络，而不是保证合法用户接入网络，不管是集团用户还是家庭用户，对此都几乎难以容忍，这直接导致了DHCP＋的出现。而且，这种方式目前还不能做到按用户进行计费，因此，本文认为，这种方式只能在网络建设初期包月制情况下使用。
5.2 需要严格认证的方法
需要严格认证的方法解决了不需要严格认证的方法的缺点，能够保证每一个网络使用者都是合法的用户，一个终端可以有多个不同的用户，如果与中兴通讯公司客户管理系统一起使用，不同用户还可以拥有访问网络资源的不同权限。目前，需要严格认证的方法又分为两种，即PPPoE／A技术和DHCP+技术。
（1）PPPoE／A技术
PPPoE／A 技术既能够实现一个客户端与多个远程主机连接的功能，又能够提供类似于PPP的访问控制和计费功能。使用PPPoE／A技术，类似于使用点对点协议的拨号服务方式，每个主机使用自己的点对点协议栈，用户使用他们所熟悉的拨号网络用户接口进行拔号，通过PPPoE／A技术，每个用户可以有他自己的接入管理、计费和业务类型。
PPPoE／A技术有IETF的RFC，技术与设备比较成熟，可以防止地址冲突与地址盗用，既可以按时长计费也可以按流量计费，能够对特定用户设置访问列表过滤或防火墙功能，能够对具体用户访问网络的速率进行控制，能够利用现有的用户认证、管理和计费系统实现宽窄带用户的统一管理认证和计费，能够方便地提供动态业务选择特性，而这些都是DHCP＋所不具备的，因此，本文认为，目前应该使用这种方法建设宽带IP城域网。
（2）DHCP＋
DHCP ＋是为了适应网络发展的需要而对传统的DHCP协议进行了改进，主要增加了认证功能，即DHCP服务器在将配置参数发给客户端之前必须将客户端提供的用户名和密码送往RADIUS服务器进行认证，通过后才将配置信息发给客户端，与PPPoE从技术一样，DHCP＋也需要在客户端上安装客户端软件，但不同的是，DHCP＋客户端与服务器可以通过在每个子网内增加中继代理而跨越三层，不一定要在同一个二层内。而且，服务器只是在获得IP配置信息阶段起作用，以后的通信完全不经过它，而PPPoE／A技术由于服务器与客户端之间存在PPP连接，因此服务器是所有通信的必经之路。
DHCP＋的主要优点是使用DHCP＋服务器只在用户接入网络前为用户提供配置与管理信息，一般不会成为瓶颈，并能够很容易地实现组播的应用。但是， DHCP＋还没有正式的标准，产品和应用很少；不能防止地址冲突和地址盗用；不能按流量进行计费；不能对用户的数据流量进行控制；并且，应用DHCP＋需要改变现有的后台管理系统，因此，本文认为，这种方式目前还不具备实际应用的能力，需要等到进一步成熟后才能考虑使用。
6 用户管理
宽带IP城域网的用户主要有两类，即集团用户和家庭用户，集团用户一般采用包月制方式，不需要认证，而家庭用户一般希望网络能够根据其实际需要提供业务和计费，因此，用户管理主要是对需要进行严格认证的用户的管理。
本文认为，相对于分散认证分散管理方式（即将用户信息放置在靠近用户的汇集层上，用户接入网络时客户管理系统不需要到远端去就能获取有关用户的信息而完成对用户的认证），采用集中认证集中管理方式门1城域网中的用户集中在一起进行管理，用户接入网络时，客户管理系统利用Radius技术到用户管理中心获取有关用户的信息，完成对用户的认证），管理起来非常方便，特别是在这种情况下，能够将宽带RADIUS服务器与窄带的RADIUS服务器集中放在一起，甚至将两者合二为一，实现宽窄带用户统一管理，因此，将成为必然的选择，但是，要注意的是，在这种方式下客户管理系统可以根据网络业务量的大小放置在不同的位置上。
（1）分布式放置
分布式放置就是在靠近用户的汇接层（如接入汇接层）上设置客户管理系统，为该汇接层之下的用户提供认证、流量控制等功能。这样做，可以不需要大容量的客户管理系统，并使网络的
可扩展性非常好，特别是，由于可以根据网络规模的大小和业务需要选择不同等级的、具有极好性能价格比的客户管理系统，因此不会出现因为分布式设置而像使用其它宽带接入服务器那样使造价过高的情况，同时为业务的进一步快速增长留下足够的空间。
（2）集中式放置
集中式放置就是在核心层上集中设置客户管理系统，对一个片区的大量小区和集团用户进行集中认证，这种方式的优势在于可以对用户进行集中管理，但是对设备的要求比较高，很有可能成为网络进一步发展的瓶颈。因此，本文建议在网络建设初期每个片区内用户比较少时可以考虑采用这种方法，随着网络建设的不断发展和用户的不断增多，还是应该过渡到分布式设置，但是，集中式设置的系统并不是不用了，事实上，它可以用来为分布式设置的系统提供业务汇聚功能，如对于 VPN业务，利用集中式设置的系统可以简化全网配置。
7 接入带宽控制
用户如果以以太网方式接入，则城域网提供给用户的一般是10／100 Mbit／s以太网接口。而从实际情况来看，用户对这样的速率并不满意，主要原因有两个：一是城域网目前能够提供
的，需要较高带宽的，能够吸引用户的宽带业务并不多，大部分用户目前还不需要如此高的速率，他们希望运营商能够将带宽根据他们的实际需要分成多个等级，每个等级采用不同的收费标准；二是目前用户上网大部分是为了访问城域网之外的业务，而由于汇集层／骨干层／业务层设备的限制，在城域网之外速率并不高，因此用户希望运营商能够提供与汇集层／骨干层／业务层相适应的接入速率，以降低资费。从竞争角度和业务发展趋势来看，用户的这种合理要求应该予以满足，目前，这种要求可以采用两种不同方法实现。一种是在分散放置的客户管理系统上对每个用户的接入带宽进行控制，另一种是在用户接入点上对用户接入带宽进行控制。
在分散放置的客户管理系统上进行控制的优点在于网络中对客户管理系统以下的设备没有任何要求，普通的L2以太网交换机就可以了，缺点在于所有设备处于一个共享LAN中，在客户管理系统以下的设备没有严格的带宽高低思想，使得资源不能充分利用，为了说明问题，举一个简单的例子，在一台上行速率为 100Mbit／s的24端口普通以太网交换机上有1Mbit／，带宽的用户10个（主要为上网），2Mbit／s带宽的用户10个（可以看MPEG I视频点播），6Mbit／s带宽的用户4个（可以看MPEG II视频点播节目），一共接入用户24个，接入带宽54 Mbit／s，上行带宽还有46Mbit／s剩余。但是，当所有用户都在网络上时，如果没有任何控制手段，这24个用户得到的带宽应该基本上是一样的，也就是说，在不存在收敛比的情况下每个用户使用的带宽都不到5Mbit／s，尽管客户管理系统对这些用户的带宽进行了再分配，但是有4个用户的业务已经受到了影响。而要保证所有用户的业务质量，接入的用户最多不能超过16个，以防出现最坏情况。
在用户接入节点上进行控制的优点是能够充分利用接入层的网络资源，保证每个用户都能够得到其所需要的服务质量，缺点是需要接入层的设备支持，中兴通讯公司以太网交换机ZXB10-S300是目前业界唯一具有这种功能的设备。
8 IP地址分配与网络地址转换
IP 地址资源问题一直是Internet建设中的难题之一。随着宽带城域网的建设，这个问题可能会变得更加严重，因为宽带网络的用户可能是永远在线的，特别是包月制情况下，所以在宽带IP城域网中，除了建设初期用户IP地址可以采用公有IP地址之外，一般都采用私有IP地址，但即使如此，也应该考虑到IP地址资源是非常有限的，随着网络规模的不断扩大与用户数的急剧增长，很快会耗尽，因此，本文建议用户IP地址通过动态分配方式进行分配（IP地址既可以是私有 1P地址也可以是公有IP地址）。用户访问网络资源时，从IP地址池中临时申请到一个IP地址，使用完后再归还到IP地址池中。而1P地址池，可以位于客户管理系统上，也可以集中放置在Radius服务器上。
由于高速接入Internet是宽带城域网的主要业务，而进行Internet访问时，用户必须使用全球唯一的IP地址，因此，在宽带IP城域网建设中如果采用了私有IP地址，运营商应该保证其用户在使用私有IP地址时同样可以接入 Internet，解决办法就是采用专门的IP地址转换设备或采用带 NAT插卡的客户管理系统，将私有IP地址转换成运营商自己的公有IP地址，从而可以进行统一的Internet寻址，在网络转换设备中，私有IP地址转换为公有IP地址可以有三种实现方式，即静态方式，动态方式和复用动态方式，其中，静态方式是通过配置将一个私有用户地址与一个公有IP地址对应，用于接入外部网络的用户数比较少时；动态方式是用户接入外部网络时网络设备从公有IP地址池中选择一个空闲的IP地址与其私有IP地址对应；复用动态方式利用公有IP地址和TCP端口号来标识私有IP地址和TCP端口号，协议规定使用16位的端口号，除去一些保留的端口外，一个公有IP地址可以区分多达6万个采用私有IP地址的用户端口号，由于一般运营商申请到的公有IP地址比较少，而用户数却可能很多，因此一般都采用复用动态方式。
宽带IP城域网是一个整体，在这个整体中，网络建设与IP地址分配应该统一规划，因此，除了在网络建设初期，由于覆盖范围比较小，用户数量比较少，可以采用分布式设置NAT 之外，最好采用集中式放置NAT，以进一步减少公有IP地址的使用，节省投资，便于管理，特别是，集中放置的高端NAT设备保证了全网的网络性能几乎不受其影响。
9 用户信息安全
用户信息安全问题一直是IP网络中的讨论热点。在宽带IP城域网建设中，也肯定会成为人们关注的焦点之一，事实上，在网络建设初期，用户对安全性可能要求不高，但是，随着用户数的不断上升和用户使用的业务种类不断增多，特别是电子商务的逐渐普及，用户将会越来越多地考虑到信息的安全性。
用户信息的不安全性主要是由用户处于以太网环境中引起的，因此要保证用户信息的安全性，就必须实现以太网环境下的用户隔离，目前主要采用的技术为 VLAN技术，VLAN技术是由IEEE802.3q和IEEE802.1q定义的，基本思想是在传统的以太网的帧结构中加入VLAN标识，划分在一个 VLAN中的用户才能互相通信，不同VLAN中的用户互相隔离，一个设备支持的最大VLAN数量为4095。在宽带IP城域网中，在接入设备上基于设备的端口、用户MAC地址、用户IP地址或其它策略将一个用户划分成一个VLAN，客户管理系统终结所有VLAN比实现三层交换功能，并实现IP地址与用户 MAC地址和VLAN ID的绑定，防止IP地址的盗用，如果不采用动态分配IP地址，则每个用户至少需要占用4个IP地址，对IP地址的消耗很大。为此，中兴客户管理系统支持称为overlap功能的VLAN，比其基本思想是：对每一层上的设备，下行端口分别处于一个VLAN中，上行端口分别与每个端口处于一个VLAN中，传输的以太网帧为传统的以太网帧，不含VLAN ID，一方面可以使网络支持的用户数不受VLAN个数的限制，另一方面静态分配IP地址时只需要给用户分配一个IP地址。
本文认为，采用VLAN实现用户之间的隔离，采用严格论证的方法对需要进行认证的用户进行认证和计费，应该是城域网建设的发展趋势。
10 网络管理
宽带IP城域网网络管理的要求与因特网网络管理的要求是一样的，如支持基于WEB、TELNET、GUI和CLI的网络管理方式，支持SNMP、RMON等网络管理协议，支持带内和带外网络管
理信息通道，等等。但也有其特殊性，主要体现在宽带IP城域网中集中了多个厂商的设备，并直接面向各种不同类型的用户，因此其网络管理系统也应该支持这种特殊性，即支持与其它网络管理系统的集成，以方便地实现多个厂商设备的统一管理；支持按时长、按流量、包月制等多种计费方式或者针对不同的策略进行计费的功能，以满足城域网不同用户的需求。
对于如何管理宽带r城域网，目前有四种方式，即采用带内网络管理，带外网络管理，两种方式同时使用或者两种方式混合使用（即城域汇接层及其以上层次的设备采用带外网络管理，城域汇接层以下设备采用带内网络管理）。本文认为，从网络层次划分来看，城域网城域部分应该采用统一的管理方式，而城域网城域接入部分，应该根据具体情况来实现，具体他说，就是如果为运营商自己建设的网络，则由于混合方式投资少，实现快，能够满足全部管理要求，因此建议采用，如果为其它投资者建设的网络，则应该采用带内网络管理比较符合实际情况。 |
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