CWDM技术在城域网中的应用

 
摘要：用户业务多样化需求，使得发展宽带IP城域网成为主流趋势，针对城域网建设高扩展性、多业务节点、低构建成本以及实时自愈保护的特点，本文通过对几种现代城域网构建技术的比较，以及对上海市长宁区政务网建设的描述，较系统的介绍了CWDM（稀疏波分复用）技术用于宽带城域网建设的优势和特点。


一、 引言

简单地说，城域网覆盖大约2公里到150公里的范围，是城市中作为局域网互连的高速网络，通常又分为城域网接入部分及城域网核心部分。各个城市的城域网最终再透过更大范围的广域网络骨干相互衔接，最终形成一个全国或全世界规模的无所不在的网络。

目前，光传送技术发展得如火如荼，SDH和DWDM体制在全世界的电信网上得到了规模应用。无疑，所有刺激光网络发展的原因可以归结到一点：那就是以Internet 为立足点的数据业务正在蓬勃发展。出于竞争的需要，中国的各大运营商纷纷建设各自的光网络。为了进一步刺激数据业务增长，解决长途骨干网和接入网之间的“断层现象”，国内各大运营商都提出了各自的城域网实施方案，采用的数据类产品包括路由器、ATM交换机、以太网交换机等。

二、 城市通信网络建设的技术比较和选择

在城域通信网骨干网络的建设中，目前基本上都采用光缆作为传输介质。采用光缆作为传输介质的主要光传输技术有SDH、ATM、WDM、DPT及千兆以太网技术。目前，这五种技术在国内的各个城市的城域通信网骨干网络的建设中都有应用。下面，我们将分析比较上述五种网络技术在城域通信网络建设中的应用特点。

从OSI的角度来看，上述五种技术都属于物理层与数据链路层（不一定吻合，但可进行对应，如ATM有自己的分层模型）技术，从本质上讲，SDH与WDM都只是传输系统，应归入物理层。POS技术只是对在SDH帧结构中点到点的VC（虚容器）数据块进行了PPP封装以及扰码处理，属于点到点的传输技术。目前在SDH之上运行IP（IP over SDH）或称为POS（Packet over SDH）是运营商在骨干网的主要技术。但系统相对复杂（包括了PHYSICAL、SECTION、LINE、PATH四个层次），链路开销大（段开销、线开销、通道开销共占整个信道的近5%）等缺点，系统成本比较高，目前主要用于骨干链路。

IP over ATM在97年左右非常热门，由经典的IPOA到MPOA再到IP Switch、Cisco的标记交换，最后形成了MPLS。但随着IP的普及以及千兆以太网的推出，ATM必将没落。因为其成本实在是太高昂了，根据ATM的设计，其可直接运行于裸纤之上，但具体实现时，都将其运行在SDH之上，以利用其成熟的硬件实现。而ATM为实现快速、无阻塞的Cell转发所采用的大规模交换网络（包括白切尔混合网络、陷阱网络、蓉树交换网络等）更为昂贵。同时因为“信元税”（9.4%的信元头开销），传输效率更低。

DPT（Dynamic Packet Transcation）是Cisco所提出的一种基于光传输网络的子网传输技术，具有简洁而高效率的MAC层，稳定的物理层。兼有以太网的简单与高效和SDH的环网自愈能力，因而目前也有很多的应用。但DPT仍然是Cisco的专利技术，目前只有Cisco支持，所以在成本与大规模部署方面还有很大的障碍，一旦部署，就很难降低总拥有成本。

千兆以太网（GE：Gigabit Ethernet）由以太网技术发展而来，具有简单，成熟，可靠，应用范围广，支持厂商多等优点；当然也有诸如QoS难以保障，用户控制能力弱等问题。IP技术、千兆交换和多层交换技术的不断发展，结合光纤传输技术的进步，给城域网络设计的观念上带来了一个全新的变革。采用具有多层交换能力的多功能千兆交换机为骨干，千兆交换机或百兆交换机为主体，以IP协议为信息承载协议，构造一个城域宽带IP光纤网已经成为一种高性能、低成本、极具发展前景的网络建设方案。

IP OVER WDM是光层复用技术，每波通道均是透明的光通道。GE OVER WDM的解决方案可以在一对光纤上提供几十个千兆位的通信带宽和快速的网络自愈能力，而且具有以太网的简易性，与其它类似速率的通信技术相比，具有价格低廉的特点。与SDH技术相比，作为城域骨干网技术，IP OVER WDM技术具有更大的价格优势和性能优势，不需要特殊的格式转换，因此网络效率是最高的。

主要城域网络技术运行IP 时---主要指标比较



三、 CWDM技术的优势和特点

由于城域网传输距离短，一般局间中继距离大约为5～7km（依城市的大小而不同），如果应用长途传输的DWDM，可能会带来成本上的提高。为了节约成本，人们提出了CWDM(粗波分复用)的概念。CWDM技术充分利用了城域传输网传输距离短的特点，以比DWDM 系统宽得多的波长间隔进行波分复用。从而无须选择价格昂贵的高波长稳定度和高色散容限的激光器、无须选择成本昂贵的密集波分解复用器和复用器以及无须采用比较复杂的控制技术以维护较高的系统要求、无须在系统中采用EDFA做中继放大。由于器件成本和系统要求的降低，使得CWDM系统的造价比DWDM系统大幅下降。而在整体成本造价大幅度降低的同时，CWDM系统也能和DWDM一样支持多业务接口，例如可以提供SDH 接口，实现IP/Ethernet over SDH，ATM over SDH；可以为路由器和ATM交换机提供光纤直连接口,实现IP/Ethernet over OPTICA和ATM over OPTICA等等。并且，CWDM系统具有OADM功能,可以和使用标准波长的DWDM系统互连、成环，或接入DWDM骨干层。此外，CWDM可以兼容在城域网中已得到广泛应用的1310nm的老的SDH系统，而目前的DWDM还做不到这点。

CWDM系统会在城域级的网络建设中具有以下优势。

（1）与传统的TDM方式相比CWDM更适应高速数据业务的发展。比如说，可以通过将分组和信元直接映射进一个波长的方式，将路由器和交换机直接与CWDM传送网相连，而不需要经过SONET／SDH TDM复用器。并且CWDM系统提供的灵活性是TDM系统所无法比拟的。

（2）节省光纤资源。在许多的情况下，城域通信网络的建设都面临着光纤资源的紧张或光纤租赁价格的昂贵。采用CWDM的波分复用功能和环网自愈功能比点对点的升级有着更多的好处。比如可以为未来准备一些“虚”环和“虚”光纤。它可以根据新业务和新应用的引进而不断地扩展。

（3）速率和协议透明。CWDM的协议透明性可以使业务提供者支持本地的企业数据，比如：以太网数据、ATM、IP over SDH等，用不同的波长来支持不同类型的数据。光层提供了独立于业务类型的传送结构。同时，CWDM提供了在一根光纤上提供不同速率的数据通道。这一点在城域环境中非常重要。因为城域网中有许多不同的业务和不同的速率。CWDM的透明性和分插复用功能可以允许使用者直接上下某一个波长，而不用转换原始信号的格式。当然，相应接入设备的光接口还是需要的。

（4）提高业务质量。在城域网中应用CWDM系统可以使光层恢复成为可能。光层恢复比电层恢复要经济得多。考虑到光层恢复是独立于业务和速率的，那么原来一些自身体制无保护功能的体系（例如：千兆网络技术），则可以利用CWDM来进行保护。

四、 应用实例 - 长宁区政务网

1、背景和现状
当前，城市信息化建设风起云涌，上海市已规划投资300亿建设城市光层网络。在长宁区政府办公网的基础建设上，采用CWDM技术，使长宁区政府办公网的信息化建设建立在高起点、高标准和高可靠性的基础上，避免重复投资的浪费，使长宁区政府办公网的建设达到上海市乃至全国的先进水平。应用了CWDM技术构筑的光网络为集数据、语音、图像和视频的传输提供了宽阔的基础平台，使建设真正的城市信息化高速公路成为现实。

2、CWDM网络建设原则

（1）安全性
长宁区公务网是政府等相关部门的专网，是实现电子公务的基础工程，所以对网络的安全性和可靠性要求比较高，在物理上要求与外网完全隔离，同时在网络的管理与维护上要采取一些专门的策略。采用基于WDM的光网络技术，在网络的安全性方面可以增加电层网络技术无法达到的功能。

首先在城域网中仅依靠路由器、交换机实现保护恢复功能，当网络线路发生故障或者某个节点设备出现故障时，完全通过路由器、交换机实现网络保护需要花费几分钟到数小时，如果出现光纤光缆链路断裂等严重故障，时间会更长。这种事故对公务网而言，是十分严重的，必须加以避免。采用WDM光层网络设备后，通过光层自愈保护机制，网络设备或光纤线路出现故障时，光层自愈保护时间只需要20毫秒就可以完成，终端用户甚至感觉不到出现业务切换。因此，加入光层保护功能，将大大增强网络的安全性，这对长宁区公务网这样对网络安全级别要求很高、网上业务十分重要的应用对象来说，无疑是十分重要的。

其次WDM光网络设备能够以多个波长的方式提供多条工作通道，并且各个通道虽然在同一根光纤中传输，但彼此物理上是隔绝的，这样可以同时接入外网和公务网的电层设备，不但具有经济性提高了设备的利用效率，而且保证了公务网要求的高安全性，高可靠性。这种技术方案也获得国家安全部门的鉴定和认可。

（2）网络的灵活性和可扩展性
长宁区公务网将会是一个不断增长的网络，包括它的规模，它的应用范围和服务内容将随着上网机关和服务对象的不断普及而不断增加，因此在网络设计上必须非常重视网络的扩展能力。网络的扩展包括：一、网络规模的扩展，包括网络的地理分布，用户数；应用内容的扩展，IP主干网络将不仅仅担负数据传输的任务，包括VOD等其它视频和语音服务也会不断加入到IP网络中去。要求主干网络设备必须具有多种业务支持的能力。二、网络容量的扩展，随着规模和应用的扩展网络的传输容量也必须能相应的增加。

采用WDM光网络设备后，其模块化的系统在可伸缩性上亦有着固定式系统无法比拟的优越性。整个系统的性能将随着模块数量的增加而得到相应的增加，因此也就更能适应不同规模网络对设备的要求。模块化的网络设备在多种技术的适应能力上具有相当大的灵活性。网络系统具有统一的系统平台，具有平滑升级的能力，使系统能满足各种用户对应用处理不同程度的需求，以及逐步升级的发展规划，以节约投资避免系统性能的闲置和浪费。

（3）可管理性和可维护性
长宁区公务网的网络管理与维护是整个网络系统不可缺少的一个重要部分，按照分层建设、分层管理的基本设计思路，整个系统的网管分为电层网管与光层网管。在一个网络系统中，网络管理已经越来越受到人们的重视。因为它关系到网络系统的使用效率、维护、监控甚至系统资源的再分配。网络管理对系统的重要性越来越大，这是由于系统对网络环境的依赖性不断增加而引起的，一方面由于网络中断而使业务被迫中止造成的损失会越来越大；另一方面由于越来越多的用户连入网络，对网络管理的要求提高了，以确保网络达到最高的效率。

（4）速率和协议透明
WDM的协议透明性可以使业务提供者支持本地的企业数据，比如：以太网数据、ATM、IP over SDH等，用不同的波长来支持不同类型的数据。光层提供了独立于业务类型的传送结构。同时，WDM提供了在一根光纤上提供不同速率的数据通道，可适应城域网对于不同业务和不同速率的需求。WDM的透明性和Metro WDM的分插复用功能可以允许使用者直接上下某一个波长，而不用转换原始信号的格式。

3、长宁区政务网光层面网络节点拓扑设计
长宁区公务网四个核心节点彼此连接组成环行拓扑，环长约16公里，主干光纤的物理连接如图所示。核心节点与用户节点光缆连接。



　　图1、长宁区公务网主干光纤的物理连接图

WDM光层建设与配置方案

如图所示，长宁区公务网光层骨干网以长宁区政府、新华街道、仙霞街道、新泾镇为核心光节点，在四个核心光节点处各部署一台CA6000WDM设备，通过两根主干光纤构成环型拓扑。长宁区政府作为信息核心汇聚点通过光波长信道与其余三个核心节点相连。两根主干光纤中的光波长信号以相反的方向传输，即其中一条光纤的光波长信号按顺时针方向运行，另一条光纤所有波长信号则按逆时针方向运行，所有的光波长信道均采取光通道方式进行保护，保证在主干环路某处光纤发生断裂以及节点故障的突发情况下，核心光节点之间仍然能够通过备份的光保护通道完成正常的通信，确保公务网安全可靠运行。



图2、长宁区公务网WDM光层设备配置

由四台CA6000WDM光设备构成的光网络具有快速自愈恢复的功能，网络任一处出现故障，网络都可平稳运行；光层网络具有强大的网络管理和监控功能，能够通过光层网络管理系统显示光层网络及光纤环路故障的全面情况；同时可以充分利用光纤丰富的带宽资源，方便的提供多路WDM光波长信道，根据具体需求情况，WDM设备提供8、16路波长，每个波长最高可提供2.5G的带宽，主干环路能提供20-40Gb/s带宽容量，并支持带宽在线升级。利用光网络透明的优点不但可以兼容现有电层设备，并且适合网络未来设备升级要求，保护用户投资，避免了重复建设。

波长分配表与电层设备互连情况

长宁区公务网核心节点之间的波长分配如表所示。其中λ1～λ8为波长序列1470nm、1490nm、1510nm、1530nm、1550nm、1570nm、1590nm、1610nm。核心节点之间的波长连接都采用光通道保护方式，保证了网络具有快速自愈保护功能。


核心节点波长分配表



基于CA6000WDM光层传送平台，结合IP网络交换技术和CISCO等著名公司网络产品的技术特点，考虑到核心节点的数据流量，在长宁区政府配置Catalyst6509高端的IP路由交换机、新华街道、仙霞街道、新泾镇三个信息节点处各配置1台Catalyst4006IP路由交换机，构成长宁区公务网宽带IP核心层，节点之间通过CA6000WDM设备提供的波长通道以采用千兆带宽连接。四个核心网络节点通过光波长信道冗余互连，不但平衡网络负载，而且提供足够的备份路由通路，避免链路不同和网络节点设备故障对核心网络的影响。

4、光层面网络的管理和维护
长宁区政务网的网络管理与维护是整个网络系统不可缺少的一个重要部分，按照分层建设、分层管理的基本设计思路，整个系统的网管分为电层网管与光层网管（注意两者并不是截然不同的，在适当的时候可以将两者统一起来）。



图3、光层面网络的分层管理　

1） 配置管理
配置管理是指通过对网络设备的监控和管理，实现光通道连接的建立和资源调度等管理内容。主要涉及一整套与光网发生变化相关的功能和参数。包括建立和撤销光通道连接，跟踪网络设备的状态和变动、管理网络设备的增加和删除、还包括光网拓扑的维护和配置。

2） 性能管理
主要监测和管理光网网络性能参数。在光网中包括检验光通道的功率管理，光放大器的增益均衡性能和通道的损耗与色散特性，带宽和误码率，还有输入输出信号的波长等等，保证光网能够在正常的工作状态下运行。另外，性能管理还负责给其它网管功能提供输入参数，尤其是在检测到网络异常状态的时候，给故障管理提供参数，触发故障管理机制。

3） 故障管理
主要负责当故障发生时，探测故障，隔离故障器件，并且恢复由故障所引起的业务量损失。故障管理要求网络的恢复速度要足够快，能够满足不同网络业务的实时性要求。

光网中故障检测和保护功能是通过光层和电层共同支持来实现的。电层监控比较准确和灵敏（如在信号发生扭曲或变形时）。而光层的故障在光层管理更加合适，其理由如下：

* 在光层进行故障恢复较为简单，需要较少的实体，相对于高层它需要的调整更少；
* 可以实现网络自愈。通过迅速定位光层的故障，可以使网络自动从故障中快速恢复，不影响网络上运行的任何业务。如果通过电层的检测和恢复，那么耗时的逐段环回检测使得故障的定位和恢复要漫长得多，也就谈不上自愈了。

光层是上层网络应用共同的平台，所以光层的保护可以使资源获得更好的共享，并且能够为自身不具有保护机制的上层网络（例如PDH）提供保护功能。

五、结论
从技术的发展角度来看，只有基于IP/WDM技术的通信设施才能满足城域通信网建设不断发展的多媒体应用的需求，而电层设备由于速度的平颈因素，几乎走到了通信速度的顶点。国内外专家和用户普遍认为，光自愈环网这样具有极高带宽和快速自愈能力的网络技术，是组建城域宽带核心网络的首选技术。因此，在建设城域通信网系统时，在网络核心骨干层的选择上，选择基于IP OVER WDM技术的光网络通信技术正是顺应了这种技术的发展的趋势。

总之，基于IP OVER WDM技术的光网络通信技术在组建城域通信网络系统时与其它网络技术相比，具有下列特点：

·端到端采用透明光通路连接，沿途没有光电转换与存储，网中许多光器件都是无源的，便于维护、可靠性高。
·加入新的网络节点时，不影响原有的网络结构和设备，降低成本，具有网络可扩展性。
·对传输码率、数据格式及调制方式均具有透明性，可提供多种协议业务，可不受限制地提供端到瑞业务。
·可根据通信业务量的需求，动态地改变网络结构，充分利用网络资源，具有网络可重组性。
·可通过灵活的波长配置建立光层面的VPN网络，特别是对于政务网络系统它将提供比其它网络技术更高的网络安全性。