光传输技术在电力企业IP宽带城域网建设中的优势分析

郎 赫

(国网天津市电力公司信息通信公司 天津 300210)

0 引 言

随着信息技术在社会各个领域的广泛应用，从政府到企业、从学校到家庭对语音、图像等多媒体通信提出了较高需求，电力企业也不例外。因此，各通信企业如果要在信息现代化竞争中立于不败之地，就必须建立城域网来满足客户对于多媒体业务的需求。城域网(Metropolitan Area Network，MAN)是一种大型的局域网(Local Area Network，LAN)，使用的技术通常也与LAN相似。宽带城域网是指在城域网的基础上，应用光纤传输等技术，集传输数据、视频和语音等服务于一身，具有高宽带、多业务、多功能等特点的多媒体通信网络。为了确保数据传输的速度、质量和多种业务的良好接入，传输技术的选择和实施是决定IP宽带城域网建设成败的重要因素之一。然而，现有的城域网光传输技术众多，哪种技术更具优势、更适应电力企业的发展需求，本文对此进行了研究。

1 电力企业IP宽带城域网建设

1.1 IP宽带城域网概念

IP宽带城域网是一种规模介于广域网和局域网之间的计算机网络。这种网络可以覆盖城市及其郊区范围，并在这个范围内进行信息传输与交换。本文所说的 IP宽带城域网是指覆盖城市范围，为全市各类用户提供宽带(通常指2,Mbit/s以上)接入的数字通信网络。IP宽带城域网建设是一个城市信息化基础建设的重要组成部分；就技术和运营模式而言，IP宽带城域网将计算机网络与传统电信网络融为一体；就技术发展趋势而言，IP宽带城域网是传统电信体系发展的必然延伸，因此我们也可以将 IP宽带城域网作为 IP分布式接入网络的发展趋势。其初始目标是为各阶层企事业单位及广大的家庭用户提供方便、快捷的网络连接，其传输速率能达到兆比特级。IP宽带城域网的长远战略目标则是以无线宽带接入为基础，建设城市信息化基础设施，实现用户 Any-to-Any的实时在线(Always-on-line)连接，实现人与人之间以及人与任何信息化终端的无障碍实时通讯。

通常，从网络层次上看，IP宽带城域网由骨干层、汇聚层以及用户接入层(接入层或用户层)3部分组成(见图1)：

图1 IP宽带城域网网络层次结构Fig.1 Hierarchical structure of an IP broadband MAN

1.1.1 骨干层

多个汇聚层连接于此，通过与骨干网络各节点的互联，实现汇聚层网络数据的高速转发，是 IP数据的高速出口。其网络结构具有高安全性、高扩展性及高开放性等特点。

1.1.2 汇聚层

介于骨干层和接入层之间，起到承上启下的桥梁作用。负责本地宽带和业务的汇聚、收敛及分发，并具有用户识别、用户定位和用户管理功能，以实现基于用户的访问控制和区别的宽带分配，为用户提供安全、可靠、兼具灵活性的计费方式。

1.1.3 接入层

主要作用是通过各类接入技术覆盖终端用户，为用户提供多种线路资源和多业务用户接入服务，接入层还具有用户流量控制等功能。

1.2 IP宽带城域网建设对电力企业的必要性

为保证现代电力网络的安全运行，支撑电力工业安全经济运行、保证现代化管理所赖以生存的电网安全稳定控制系统的运行以及电网调度自动化系统和电力信息化系统的顺畅运行，现代通讯系统已成为最根本的基础设施。

目前，电力行业呈现高度信息化发展态势，同时行业内部业务系统的交叉融合，都需要一个高速快捷的宽带通信网络。在这个过程中，业务流量越来越全局化，各业务系统的资源协调和共享已经或正在形成若干新型“增值”业务。例如：集成调度电话、视频会议出现在调度自动化系统中，出现了电力市场信息与报价系统中的呼叫中心等业务。以上这些业务都需要一个高速、快捷、安全的宽带通讯网络作为基础。同时，多种业务的融合又对通讯网络的综合业务承载力及单个业务的单一接入力提出了新的要求。

基于上述现实需求及未来发展的要求，近几年国家电力企业加大信息化建设的投资力度，把 IP宽带城域网建设作为企业信息化建设的重中之重。在电力企业 IP宽带城域网建设中，应基于城域网建设需求，以本地电力企业的业务数据作为基础，通过优质的网络服务为电力企业的业务开展和创新提供帮助。IP宽带城域网可用于构建电力企业的运营管理、财务管理、生产管理、人力资源管理等企业管理系统；亦可用于架设电力企业的网络支付平台，从事电子商务等业务。在构建电力企业 IP宽带城域网时，需要网络具有高实时性、高安全隔离性和高容量等性能以保证电力企业管理系统及电子商务等业务的流畅运行。以上都是电力企业在构建 IP宽带城域网时需要考虑的因素和必须保证的要素。

2 现代光传输技术

现阶段城域网的光传输技术主要有同步数字体系技术(SDH)、波分复用技术(WDM)、多业务传输节点技术(MSTP/MSPP)以及弹性分组环技术(RPR)等。

2.1 同步数字体系技术

同步数字体系技术是一种融合线路复接、交换及传输功能于一体，并由网管系统统一管理的综合信息传送网络。同步数字体系光传输设备可实现网络管理、网络维护、实时监控、多设备间互通等功能，能提高网络资源利用率、实现灵活的网络运行和高效的网络维护。该技术是信息传输技术发展和应用的热点，在信息传输领域受到人们的广泛重视。

此技术具有高兼容性及灵活性等特点。首先，该技术具有统一的帧结构和标准接口，能够很好地兼容PDH，容纳各种新的符合其标准的业务信号，进而形成标准的数字传输体制，提高了信息传递的可靠性；其次，在帧结构净负荷区内，SDH接入系统不同等级的码流排列非常有规律。这样可以实现一次复用的功能，克服了 PDH准同步复用方式对全部高速信号进行逐级分解然后再生复用的过程，网络业务传输透明性得以改善。而且由于分插复用器(ADM)及数字交叉连接(DXC)等先进技术的集成，SDH有多种网络拓扑结构，因此网络具有强大的自愈功能和重组功能；最后，SDH技术可适用广泛的传输介质种类，因此既可用作主干网络通道，又可用于支线网络通道。而且 SDH技术严格同步的特性保证了网络的稳定可靠，标准的开放型光接口可以在基本光缆段上实现横向兼容。

同步数字体系技术的众多特性使其在网络构建领域得到广泛应用。我国电信运营商骨干光传输网络的建设大都基于SDH技术。这些运营商，如联通、电信，通过大容量的SDH环路来构建 ATM 业务和 IP业务，或者将搭建好的电路租给企事业单位。此外，一些专用网络也以SDH技术为基础，构建各种业务平台。由于SDH的兼容特性，承载方式可以多种多样，如利用基于TDM技术的综合复用设备实现多业务的复用；利用基于IP的设备实现多业务的分组交换。此外，目的不同，采用的技术和设备也有差异。SDH技术在安全性方面远优于VPN等方式，可真正实现高速数据业务承载。对于那些注重安全性的组织，如政府机关，基于 SDH技术的网络线路也得到了广泛应用。同时其在价格方面极具优势，能够被大部分单位所接受。综上，SDH以其明显的兼容性、可靠性以及灵活性等特点成为了发展传输网的主流技术。SDH技术同其他先进网络技术的结合，如光波分复用等，使其作用得到更充分地发挥，因此 SDH技术已被世界各国列入高速通信网的应用项目，是公认的数字传输网的发展方向，商用前景广阔。

2.2 波分复用技术

波分复用(Wavelength Division Multiplex and Multiplexer，简称 WDM)技术作为新一代的超高速光缆技术，通过单一光纤内同步传输多个不同波长的光波来实现数据传输速度和容量的倍增。这种技术充分利用单模光纤低损耗区的巨大宽带资源，采用合波器，在发送端将组合波长的光信号进行合并，而后传入单模光纤，在接受端又将这些光信号复用，恢复原信号后送入不同的终端，因此被称为光波长分割复用技术，简称WDM。

波分复用技术具有充分利用资源、单根光纤双向传输等特点。首先，其通过光纤的巨大宽带资源，实现了单根光纤的传输容量倍增，从而增加了光纤的传输容量。目前光纤通信系统中的光纤在长波区域存在很宽的低损耗区，然而 1根光纤只能传输 1个波长信道的现状，使很多的波段未能得到充分利用。而且，由于波分复用技术中各波的波长相互独立，因此可以用于传输各种特性不同的信号，实现视频、音频、数据等多媒体信号的混合传输。其次，单根光纤双向传输使得 WDM技术可以节省大量的路线投资，节省成本。最后，WDM 通道的数据格式是透明的，因而有利于网络扩充和扩展，便于引入宽带新业务，如目前或将要实现的 IP over WDM 技术。从经济和技术角度来看，WDM技术是目前实现网络交换和恢复最经济可行的扩容技术手段。

2.3 多业务传输节点技术

多业务传输节点技术(MSTP/MSPP)是指基于 SDH平台，可同时实现 ATM、TDM 和以太网等多种业务的接入、传送和处理，从而提供统一网管的多业务节点技术。此技术以现有 SDH网络运营和管理经验为基础，充分利用现有的 SDH网络资源，集成目前仍在应用的大量 TDM 业务，同时通过融合以太网、ATM 等多种业务满足社会日益增长的数据需求。对于那些拥有大量 SDH和丰富 TDM 的业务网络，MSTP能够有效解决其升级问题。

MSTP/MSPP技术继承了 SDH技术的许多优点，如稳定的网络可靠性和对TDM业务良好的支持性等，且能够支持多种物理接口、多种协议和多种光纤传输，满足不同数据业务的传输和需求。此外，MSTP/MSPP提供集成的数字交叉连接交换、支持动态宽带分配，节省传输宽带并省去核心层中昂贵的数字交叉连接系统端口。此外，协议和接口的分离可以提供“到任务端口的任何协议”功能，增加了给定端口的灵活性和扩展性。由于上述特性，目前新建设的 SDH几乎都是基于MSTP/MSPP技术，通过VC虚级联、GFP封装以及LCAS等关键技术的应用，MSTP/MSPP能够更有效地处理和传输数据。然而，MSTP/MSPP仍是以提供传统TDM业务为主，兼顾IP和 ATM 业务的技术，适合用于传输网络的汇聚层和接入层。

MSTP/MSPP作为一层网络存在，无法应用于大规模二、三层业务的开展。为了解决此技术的缺陷，进一步提升以太网的传输性能，实现各节点间的平衡性，部分 MSTP/MSPP设备内嵌 RPR技术。随着社会经济的发展，网络数据业务的需求日益增加，以 SDH为基础的 MSTP/MSPP局限性日益明显，难以适应IP化网络发展。

2.4 弹性分组环技术

随着 IP数据业务的需求膨胀，以太网局域网飞速发展，如何将它们连接起来，这对 MAN和 WAN提出了更高的要求，尤其是速度上的要求。很多企业的解决方案是利用 MPoA和PoS协议的IP over ATM技术或IP over SDH技术。然而，这些协议或技术的带宽是静态分配的，使得它们的带宽利用率不高。目前的一个解决方法是采用光以太网弹性分组环技术(Optical Ethernet RPR)，使环上的带宽可以充分共享。RPR技术是一种高效的优化协议，可以在环网上传输 IP数据业务，提供 50,ms以内的保护倒换。因此，RPR技术通常应用在城域网和广域网中，以提供高速、可靠的数据中心连接。将RPR技术应用于SDH中，RPR的MAC地址与第一层相互独立，它可以在标准以太网的物理层和 SDH的帧传输上运行。RPR技术还可应用在以太网物理层和 SDH环物理层上，对SONET/SDH技术是一个良好的补充。SONET/SDH分为监视映射层和时分复用层。RPR技术可将统计分组交换用于代替静态的时分复用，来控制从 SDH环传输层上的节点流量，提供50,ms以内的恢复保护。

由此可知，RPR技术对数据业务有着良好的支撑，结合电力 IP 宽带城域网的现状和发展，本文认为以 RPR 技术作为城域网传输网部分是目前的最佳选择。同时，为了满足网络对安全隔离的需求，尝试以 MPLS/VPN技术在城域网的骨干层及汇聚层实现业务隔离。

图2 某电力企业3G RPR技术承载的IP宽带城域网网络拓扑图Fig.2 Topological graph of a 3G RPR-based IP broadband MAN owned by a power enterprise

图2为某电力企业3G RPR技术承载的IP宽带城域网网络拓扑图。该城域网的骨干传输网以 3G RPR光传输技术为基础，主要优点有：

①空间复用技术(Spatial Reuse)，即空间的再利用能力，应用在环路的拓扑结构中增加了数据传输的利用率。与SONET网络产生的50%,冗余不同的是，RPR通过采用两个反向旋转来控制数据传输量，由此不会产生相似的冗余。通过使用空间复用技术，环路上没有重复业务流，各业务相互独立地应用于各自的线路带宽，即数据在发送端和接收端之间的最短弧上传输，并同时被其他分组利用。如此一来，提高了环路带宽的利用率，使整条环路上的数据传输容量达到单根光纤的 2～8倍。该地区电力企业的电力城域网中基于 RPR技术的骨干层传输节点达 20多个，明显改善了带宽利用率。RPR技术为了提高带宽利用率，主要采用如下复用方式：首先，RPR技术支持信息在环上的发送点和接收点双方向传送，并且不占用环上的其他波段带宽，在接收节点剥离环上的信息，环上其他波段带宽可以被其他分组利用；其次，环路上各节点共享空间复用技术；再次，与单层保护机制不同，RPR技术采用双层保护倒换机制，无需预留保护带宽；最后，通过剥离目的地，RPR的MAC层协议便能实现数据传输带宽空间复用。

②网络业务的高可用性，通过快速环保护倒换功能和双环结构来实现网络业务的高可用性。双环结构指的是内、外环结构，是 RPR通常采用的方式。在双环上的每对节点之间都有两条路径以确保高可用性。此外，RPR技术环路具备两种保护机制，一种是通过环回(Wrapping)的方式实现，主要发生在出现故障的两个节点之间；另一种则是无需环回的在业务源点进行倒换的方式，称为源路由(Steering)方式。这种方式可保证数据传输业务拥有最佳的路径选择。在 IEEE 802.17的RPR草案中，默认方式为源路由方式。在这种保护模式下，RPR的两根光纤都可以是工作光纤，不需要存在备用光纤。当出现故障时，无论是光纤中断还是节点故障，首先由光纤接口物理层检测错误并将错误信息反馈给MAC层，同时通知此环路上的其他节点，其余节点根据接收到的信息，将所有业务转移到有效环上。通过源路由的方式，RPR的保护倒换机制能够依照业务数据的不同等级决定倒换次序和带宽分配策略，实现数据转换至最佳路径。

③简化配置、降低网管成本，通过拓扑的自动识别技术RPR可降低网络运行管理成本并简化网络配置。在 RPR环中，各节点都掌握着环路的信息状态，也就是各节点都知道其余节点的识别号以及相互关系等。当 RPR环路出现变化时，如进行初始化、删除或加入某节点、光纤中断等引发保护倒换时，启动自动识别模式，由节点触发器向环中所有具备逻辑地址的节点发送信息，节点根据信息来判断发生变化的节点及其链路状态，也就是所谓的自动拓扑发现功能。由于 RPR的此项功能，网络初始化变得异常简单，避免了手工设置带来的错误。因此，它也成为RPR各功能的基础，不仅有利于寻找路由、保护倒换，而且便于网络的运营和维护工作，降低了网络管理成本。

④借助 SRP公平算法和 COS 分类法，实现了业务的QOS和带宽的管理。RPR技术根据IEEE 802.1P 协议提供的严格 COS分类，确保优先处理高优先级的服务。将业务分为A、B、C 3个等级，A 类业务分为保留带宽和可回收带宽业务，A、B类业务通常都会分配一个 CIR速率，但是 A类业务用于提供端对端的最短延时和延时抖动，而 B类业务用于提供端对端的有边界延时和延时抖动；C类业务则用于提供尽力而为业务。由于 RPR 环的统计复用功能，其采用分布式管理方式对带宽进行管理和控制，意味着由各节点的控制算法集成决定。在正常情况下，公平算法能够保证各节点业务享有平等的带宽权利。以此为基础，对突发性的数据流量变化做出快速公平响应。

⑤即插即用的业务提供方式极大地简化了环外接入工作。RPR技术的分布式接入方式是其目标之一，其提供的即插即用机制能够保障业务自动重建节点的快速插入和删除。RPR的环路内共享带宽和分组交换技术，使各节点都有环路可用传输容量的信息。在传统电路交换模式下，全网络型连接需要(n2-n)/2(n 为节点数)个点到点连接，而在 RPR网络内只需与环内业务节点的一个连接，使得节点业务接入工作得到简化。

鉴于上述分析，RRP技术既具有了 SONET/SDH的可靠性，又涵盖和扩展了以太网的经济性，是现代社会数据业务运营商高级传输性能的新型平台。

3 结 语

当今社会，光传输网络技术日新月异，应选择适合自己企业的传输网络技术作为城域网建设的基础性工作，因为其对现有及后续网络的扩容具有深远影响。因此，在选择具体技术时，应根据企业的具体建设状况及发展需求，秉持一切技术都是为了给顾客提供更好的服务的理念做决策。在传输数据为主的业务中，RPR技术比 SDH技术更具经济性，比以太网更具可靠性，而且其空间复用技术的应用大大提高了带宽利用率，成为面向数据的城域网建设的解决方案之一，对电力企业建设其 IP宽带城域网有重要的作用和意义。随着该技术的不断完善、发展及同其他先进技术的融合，必将在业界得到更广泛的关注和应用。■

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