光傳輸技術在電力企業IP寬帶城域網建設中的優勢分析

郎 赫

(國網天津市電力公司信息通信公司 天津 300210)

0 引 言

隨著信息技術在社會各個領域的廣泛應用，從政府到企業、從學校到家庭對語音、圖像等多媒體通信提出了較高需求，電力企業也不例外。因此，各通信企業如果要在信息現代化競爭中立于不敗之地，就必須建立城域網來滿足客戶對于多媒體業務的需求。城域網(Metropolitan Area Network，MAN)是一種大型的局域網(Local Area Network，LAN)，使用的技術通常也與LAN相似。寬帶城域網是指在城域網的基礎上，應用光纖傳輸等技術，集傳輸數據、視頻和語音等服務于一身，具有高寬帶、多業務、多功能等特點的多媒體通信網絡。為了確保數據傳輸的速度、質量和多種業務的良好接入，傳輸技術的選擇和實施是決定IP寬帶城域網建設成敗的重要因素之一。然而，現有的城域網光傳輸技術眾多，哪種技術更具優勢、更適應電力企業的發展需求，本文對此進行了研究。

1 電力企業IP寬帶城域網建設

1.1 IP寬帶城域網概念

IP寬帶城域網是一種規模介于廣域網和局域網之間的計算機網絡。這種網絡可以覆蓋城市及其郊區范圍，并在這個范圍內進行信息傳輸與交換。本文所說的 IP寬帶城域網是指覆蓋城市范圍，為全市各類用戶提供寬帶(通常指2,Mbit/s以上)接入的數字通信網絡。IP寬帶城域網建設是一個城市信息化基礎建設的重要組成部分；就技術和運營模式而言，IP寬帶城域網將計算機網絡與傳統電信網絡融為一體；就技術發展趨勢而言，IP寬帶城域網是傳統電信體系發展的必然延伸，因此我們也可以將 IP寬帶城域網作為 IP分布式接入網絡的發展趨勢。其初始目標是為各階層企事業單位及廣大的家庭用戶提供方便、快捷的網絡連接，其傳輸速率能達到兆比特級。IP寬帶城域網的長遠戰略目標則是以無線寬帶接入為基礎，建設城市信息化基礎設施，實現用戶 Any-to-Any的實時在線(Always-on-line)連接，實現人與人之間以及人與任何信息化終端的無障礙實時通訊。

通常，從網絡層次上看，IP寬帶城域網由骨干層、匯聚層以及用戶接入層(接入層或用戶層)3部分組成(見圖1)：

圖1 IP寬帶城域網網絡層次結構Fig.1 Hierarchical structure of an IP broadband MAN

1.1.1 骨干層

多個匯聚層連接于此，通過與骨干網絡各節點的互聯，實現匯聚層網絡數據的高速轉發，是 IP數據的高速出口。其網絡結構具有高安全性、高擴展性及高開放性等特點。

1.1.2 匯聚層

介于骨干層和接入層之間，起到承上啟下的橋梁作用。負責本地寬帶和業務的匯聚、收斂及分發，并具有用戶識別、用戶定位和用戶管理功能，以實現基于用戶的訪問控制和區別的寬帶分配，為用戶提供安全、可靠、兼具靈活性的計費方式。

1.1.3 接入層

主要作用是通過各類接入技術覆蓋終端用戶，為用戶提供多種線路資源和多業務用戶接入服務，接入層還具有用戶流量控制等功能。

1.2 IP寬帶城域網建設對電力企業的必要性

為保證現代電力網絡的安全運行，支撐電力工業安全經濟運行、保證現代化管理所賴以生存的電網安全穩定控制系統的運行以及電網調度自動化系統和電力信息化系統的順暢運行，現代通訊系統已成為最根本的基礎設施。

目前，電力行業呈現高度信息化發展態勢，同時行業內部業務系統的交叉融合，都需要一個高速快捷的寬帶通信網絡。在這個過程中，業務流量越來越全局化，各業務系統的資源協調和共享已經或正在形成若干新型“增值”業務。例如：集成調度電話、視頻會議出現在調度自動化系統中，出現了電力市場信息與報價系統中的呼叫中心等業務。以上這些業務都需要一個高速、快捷、安全的寬帶通訊網絡作為基礎。同時，多種業務的融合又對通訊網絡的綜合業務承載力及單個業務的單一接入力提出了新的要求。

基于上述現實需求及未來發展的要求，近幾年國家電力企業加大信息化建設的投資力度，把 IP寬帶城域網建設作為企業信息化建設的重中之重。在電力企業 IP寬帶城域網建設中，應基于城域網建設需求，以本地電力企業的業務數據作為基礎，通過優質的網絡服務為電力企業的業務開展和創新提供幫助。IP寬帶城域網可用于構建電力企業的運營管理、財務管理、生產管理、人力資源管理等企業管理系統；亦可用于架設電力企業的網絡支付平臺，從事電子商務等業務。在構建電力企業 IP寬帶城域網時，需要網絡具有高實時性、高安全隔離性和高容量等性能以保證電力企業管理系統及電子商務等業務的流暢運行。以上都是電力企業在構建 IP寬帶城域網時需要考慮的因素和必須保證的要素。

2 現代光傳輸技術

現階段城域網的光傳輸技術主要有同步數字體系技術(SDH)、波分復用技術(WDM)、多業務傳輸節點技術(MSTP/MSPP)以及彈性分組環技術(RPR)等。

2.1 同步數字體系技術

同步數字體系技術是一種融合線路復接、交換及傳輸功能于一體，并由網管系統統一管理的綜合信息傳送網絡。同步數字體系光傳輸設備可實現網絡管理、網絡維護、實時監控、多設備間互通等功能，能提高網絡資源利用率、實現靈活的網絡運行和高效的網絡維護。該技術是信息傳輸技術發展和應用的熱點，在信息傳輸領域受到人們的廣泛重視。

此技術具有高兼容性及靈活性等特點。首先，該技術具有統一的幀結構和標準接口，能夠很好地兼容PDH，容納各種新的符合其標準的業務信號，進而形成標準的數字傳輸體制，提高了信息傳遞的可靠性；其次，在幀結構凈負荷區內，SDH接入系統不同等級的碼流排列非常有規律。這樣可以實現一次復用的功能，克服了 PDH準同步復用方式對全部高速信號進行逐級分解然后再生復用的過程，網絡業務傳輸透明性得以改善。而且由于分插復用器(ADM)及數字交叉連接(DXC)等先進技術的集成，SDH有多種網絡拓撲結構，因此網絡具有強大的自愈功能和重組功能；最后，SDH技術可適用廣泛的傳輸介質種類，因此既可用作主干網絡通道，又可用于支線網絡通道。而且 SDH技術嚴格同步的特性保證了網絡的穩定可靠，標準的開放型光接口可以在基本光纜段上實現橫向兼容。

同步數字體系技術的眾多特性使其在網絡構建領域得到廣泛應用。我國電信運營商骨干光傳輸網絡的建設大都基于SDH技術。這些運營商，如聯通、電信，通過大容量的SDH環路來構建 ATM 業務和 IP業務，或者將搭建好的電路租給企事業單位。此外，一些專用網絡也以SDH技術為基礎，構建各種業務平臺。由于SDH的兼容特性，承載方式可以多種多樣，如利用基于TDM技術的綜合復用設備實現多業務的復用；利用基于IP的設備實現多業務的分組交換。此外，目的不同，采用的技術和設備也有差異。SDH技術在安全性方面遠優于VPN等方式，可真正實現高速數據業務承載。對于那些注重安全性的組織，如政府機關，基于 SDH技術的網絡線路也得到了廣泛應用。同時其在價格方面極具優勢，能夠被大部分單位所接受。綜上，SDH以其明顯的兼容性、可靠性以及靈活性等特點成為了發展傳輸網的主流技術。SDH技術同其他先進網絡技術的結合，如光波分復用等，使其作用得到更充分地發揮，因此 SDH技術已被世界各國列入高速通信網的應用項目，是公認的數字傳輸網的發展方向，商用前景廣闊。

2.2 波分復用技術

波分復用(Wavelength Division Multiplex and Multiplexer，簡稱 WDM)技術作為新一代的超高速光纜技術，通過單一光纖內同步傳輸多個不同波長的光波來實現數據傳輸速度和容量的倍增。這種技術充分利用單模光纖低損耗區的巨大寬帶資源，采用合波器，在發送端將組合波長的光信號進行合并，而后傳入單模光纖，在接受端又將這些光信號復用，恢復原信號后送入不同的終端，因此被稱為光波長分割復用技術，簡稱WDM。

波分復用技術具有充分利用資源、單根光纖雙向傳輸等特點。首先，其通過光纖的巨大寬帶資源，實現了單根光纖的傳輸容量倍增，從而增加了光纖的傳輸容量。目前光纖通信系統中的光纖在長波區域存在很寬的低損耗區，然而 1根光纖只能傳輸 1個波長信道的現狀，使很多的波段未能得到充分利用。而且，由于波分復用技術中各波的波長相互獨立，因此可以用于傳輸各種特性不同的信號，實現視頻、音頻、數據等多媒體信號的混合傳輸。其次，單根光纖雙向傳輸使得 WDM技術可以節省大量的路線投資，節省成本。最后，WDM 通道的數據格式是透明的，因而有利于網絡擴充和擴展，便于引入寬帶新業務，如目前或將要實現的 IP over WDM 技術。從經濟和技術角度來看，WDM技術是目前實現網絡交換和恢復最經濟可行的擴容技術手段。

2.3 多業務傳輸節點技術

多業務傳輸節點技術(MSTP/MSPP)是指基于 SDH平臺，可同時實現 ATM、TDM 和以太網等多種業務的接入、傳送和處理，從而提供統一網管的多業務節點技術。此技術以現有 SDH網絡運營和管理經驗為基礎，充分利用現有的 SDH網絡資源，集成目前仍在應用的大量 TDM 業務，同時通過融合以太網、ATM 等多種業務滿足社會日益增長的數據需求。對于那些擁有大量 SDH和豐富 TDM 的業務網絡，MSTP能夠有效解決其升級問題。

MSTP/MSPP技術繼承了 SDH技術的許多優點，如穩定的網絡可靠性和對TDM業務良好的支持性等，且能夠支持多種物理接口、多種協議和多種光纖傳輸，滿足不同數據業務的傳輸和需求。此外，MSTP/MSPP提供集成的數字交叉連接交換、支持動態寬帶分配，節省傳輸寬帶并省去核心層中昂貴的數字交叉連接系統端口。此外，協議和接口的分離可以提供“到任務端口的任何協議”功能，增加了給定端口的靈活性和擴展性。由于上述特性，目前新建設的 SDH幾乎都是基于MSTP/MSPP技術，通過VC虛級聯、GFP封裝以及LCAS等關鍵技術的應用，MSTP/MSPP能夠更有效地處理和傳輸數據。然而，MSTP/MSPP仍是以提供傳統TDM業務為主，兼顧IP和 ATM 業務的技術，適合用于傳輸網絡的匯聚層和接入層。

MSTP/MSPP作為一層網絡存在，無法應用于大規模二、三層業務的開展。為了解決此技術的缺陷，進一步提升以太網的傳輸性能，實現各節點間的平衡性，部分 MSTP/MSPP設備內嵌 RPR技術。隨著社會經濟的發展，網絡數據業務的需求日益增加，以 SDH為基礎的 MSTP/MSPP局限性日益明顯，難以適應IP化網絡發展。

2.4 彈性分組環技術

隨著 IP數據業務的需求膨脹，以太網局域網飛速發展，如何將它們連接起來，這對 MAN和 WAN提出了更高的要求，尤其是速度上的要求。很多企業的解決方案是利用 MPoA和PoS協議的IP over ATM技術或IP over SDH技術。然而，這些協議或技術的帶寬是靜態分配的，使得它們的帶寬利用率不高。目前的一個解決方法是采用光以太網彈性分組環技術(Optical Ethernet RPR)，使環上的帶寬可以充分共享。RPR技術是一種高效的優化協議，可以在環網上傳輸 IP數據業務，提供 50,ms以內的保護倒換。因此，RPR技術通常應用在城域網和廣域網中，以提供高速、可靠的數據中心連接。將RPR技術應用于SDH中，RPR的MAC地址與第一層相互獨立，它可以在標準以太網的物理層和 SDH的幀傳輸上運行。RPR技術還可應用在以太網物理層和 SDH環物理層上，對SONET/SDH技術是一個良好的補充。SONET/SDH分為監視映射層和時分復用層。RPR技術可將統計分組交換用于代替靜態的時分復用，來控制從 SDH環傳輸層上的節點流量，提供50,ms以內的恢復保護。

由此可知，RPR技術對數據業務有著良好的支撐，結合電力 IP 寬帶城域網的現狀和發展，本文認為以 RPR 技術作為城域網傳輸網部分是目前的最佳選擇。同時，為了滿足網絡對安全隔離的需求，嘗試以 MPLS/VPN技術在城域網的骨干層及匯聚層實現業務隔離。

圖2 某電力企業3G RPR技術承載的IP寬帶城域網網絡拓撲圖Fig.2 Topological graph of a 3G RPR-based IP broadband MAN owned by a power enterprise

圖2為某電力企業3G RPR技術承載的IP寬帶城域網網絡拓撲圖。該城域網的骨干傳輸網以 3G RPR光傳輸技術為基礎，主要優點有：

①空間復用技術(Spatial Reuse)，即空間的再利用能力，應用在環路的拓撲結構中增加了數據傳輸的利用率。與SONET網絡產生的50%,冗余不同的是，RPR通過采用兩個反向旋轉來控制數據傳輸量，由此不會產生相似的冗余。通過使用空間復用技術，環路上沒有重復業務流，各業務相互獨立地應用于各自的線路帶寬，即數據在發送端和接收端之間的最短弧上傳輸，并同時被其他分組利用。如此一來，提高了環路帶寬的利用率，使整條環路上的數據傳輸容量達到單根光纖的 2～8倍。該地區電力企業的電力城域網中基于 RPR技術的骨干層傳輸節點達 20多個，明顯改善了帶寬利用率。RPR技術為了提高帶寬利用率，主要采用如下復用方式：首先，RPR技術支持信息在環上的發送點和接收點雙方向傳送，并且不占用環上的其他波段帶寬，在接收節點剝離環上的信息，環上其他波段帶寬可以被其他分組利用；其次，環路上各節點共享空間復用技術；再次，與單層保護機制不同，RPR技術采用雙層保護倒換機制，無需預留保護帶寬；最后，通過剝離目的地，RPR的MAC層協議便能實現數據傳輸帶寬空間復用。

②網絡業務的高可用性，通過快速環保護倒換功能和雙環結構來實現網絡業務的高可用性。雙環結構指的是內、外環結構，是 RPR通常采用的方式。在雙環上的每對節點之間都有兩條路徑以確保高可用性。此外，RPR技術環路具備兩種保護機制，一種是通過環回(Wrapping)的方式實現，主要發生在出現故障的兩個節點之間；另一種則是無需環回的在業務源點進行倒換的方式，稱為源路由(Steering)方式。這種方式可保證數據傳輸業務擁有最佳的路徑選擇。在 IEEE 802.17的RPR草案中，默認方式為源路由方式。在這種保護模式下，RPR的兩根光纖都可以是工作光纖，不需要存在備用光纖。當出現故障時，無論是光纖中斷還是節點故障，首先由光纖接口物理層檢測錯誤并將錯誤信息反饋給MAC層，同時通知此環路上的其他節點，其余節點根據接收到的信息，將所有業務轉移到有效環上。通過源路由的方式，RPR的保護倒換機制能夠依照業務數據的不同等級決定倒換次序和帶寬分配策略，實現數據轉換至最佳路徑。

③簡化配置、降低網管成本，通過拓撲的自動識別技術RPR可降低網絡運行管理成本并簡化網絡配置。在 RPR環中，各節點都掌握著環路的信息狀態，也就是各節點都知道其余節點的識別號以及相互關系等。當 RPR環路出現變化時，如進行初始化、刪除或加入某節點、光纖中斷等引發保護倒換時，啟動自動識別模式，由節點觸發器向環中所有具備邏輯地址的節點發送信息，節點根據信息來判斷發生變化的節點及其鏈路狀態，也就是所謂的自動拓撲發現功能。由于 RPR的此項功能，網絡初始化變得異常簡單，避免了手工設置帶來的錯誤。因此，它也成為RPR各功能的基礎，不僅有利于尋找路由、保護倒換，而且便于網絡的運營和維護工作，降低了網絡管理成本。

④借助 SRP公平算法和 COS 分類法，實現了業務的QOS和帶寬的管理。RPR技術根據IEEE 802.1P 協議提供的嚴格 COS分類，確保優先處理高優先級的服務。將業務分為A、B、C 3個等級，A 類業務分為保留帶寬和可回收帶寬業務，A、B類業務通常都會分配一個 CIR速率，但是 A類業務用于提供端對端的最短延時和延時抖動，而 B類業務用于提供端對端的有邊界延時和延時抖動；C類業務則用于提供盡力而為業務。由于 RPR 環的統計復用功能，其采用分布式管理方式對帶寬進行管理和控制，意味著由各節點的控制算法集成決定。在正常情況下，公平算法能夠保證各節點業務享有平等的帶寬權利。以此為基礎，對突發性的數據流量變化做出快速公平響應。

⑤即插即用的業務提供方式極大地簡化了環外接入工作。RPR技術的分布式接入方式是其目標之一，其提供的即插即用機制能夠保障業務自動重建節點的快速插入和刪除。RPR的環路內共享帶寬和分組交換技術，使各節點都有環路可用傳輸容量的信息。在傳統電路交換模式下，全網絡型連接需要(n2-n)/2(n 為節點數)個點到點連接，而在 RPR網絡內只需與環內業務節點的一個連接，使得節點業務接入工作得到簡化。

鑒于上述分析，RRP技術既具有了 SONET/SDH的可靠性，又涵蓋和擴展了以太網的經濟性，是現代社會數據業務運營商高級傳輸性能的新型平臺。

3 結 語

當今社會，光傳輸網絡技術日新月異，應選擇適合自己企業的傳輸網絡技術作為城域網建設的基礎性工作，因為其對現有及后續網絡的擴容具有深遠影響。因此，在選擇具體技術時，應根據企業的具體建設狀況及發展需求，秉持一切技術都是為了給顧客提供更好的服務的理念做決策。在傳輸數據為主的業務中，RPR技術比 SDH技術更具經濟性，比以太網更具可靠性，而且其空間復用技術的應用大大提高了帶寬利用率，成為面向數據的城域網建設的解決方案之一，對電力企業建設其 IP寬帶城域網有重要的作用和意義。隨著該技術的不斷完善、發展及同其他先進技術的融合，必將在業界得到更廣泛的關注和應用。■

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