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城域以太网技术

一、概念及技术简介
城域以太网（Metro Ethernet）是在城域网（MAN）中使用电信级以太网（Carrier Ethernet）技术，与大多数专有网络相比，城域以太网有更高的成本效益、可靠性、可扩展性和带宽管理。城域以太网可以将商业局域网（LAN）和个人最终用户连接到广域网（WAN）或因特网。城域网环境中，与同步数字体系（SDH）或多协议标签交换（MPLS）系统相比，“纯粹”的以太网技术相对比较便宜，同步数字体系和多协议标签交换系统也可用于城域以太网。
二、协议标准
1、PBB/PBT（运营商骨干桥接技术/支持流量工程的运营商骨干桥接技术）：属于Ethernet+技术，直接在以太网上进行扩展。继承了以太网的转发策略，通过重新定义标准帧帧头后字段等方式技巧性地修改了帧的结构，是在MAC in MAC(IEEE 802.1ah)基础上的扩展。它通过区分运营商和用户MAC提高了设备的安全性，并且通过引入面向连接的功能实现了以太网上的端到端的业务提供和管理功能。
2、VPLS（虚拟专用局域网业务）：引入MPLS(多协议标签交换)的封装格式，本质上是二层隧道技术，它将以太网帧承载在MPLS隧道上，转发的基本数据单元是MPLS标签，转发策略上抛弃以太网帧转发，引入智能的MPLS标签，对以太网帧的传输另辟捷径。VPLS技术有效地结合了IP/MPLS、L2VPN以太网交换等多种技术的特点，支持点到点、点到多点、多点到多点的业务类型，能够在较大网络规模下支持电信级以太网服务。
3、MPLS-TP（MPLS - Transport Profile，面向连接的分组交换网络技术）：MPLS-TP是MPLS的一个子集，数据基于MPLS标签进行转发，是基于MPLS的面向连接的分组传送技术。和MPLS相比，MPLS-TP去掉了对路由信令的需求，并在数据平面进行了相应的简化，目前的MPLS-TP技术采用基于预配置的业务管理方式。与其他电信级以太网相比，MPLS-TP技术本身更偏向传送网技术。由于采用了MPLS作为业务层面，MPLS-TP对多业务的支持能力较好。但是MPLS-TP采用简化的静态配置功能在大规模业务部署和灵活性上存在限制。此外，由于对MPLS现有机制进行了简化，MPLS-TP设备和现有MPLS设备的互通也可能存在问题
三、应用场合
现在有很多电信运营商和业务供应商都在提供以太网业务,已经将以太网业务扩展到了城域甚至是广域的范围内。现在大量用户在使用以太网业务,而且这个数字还在快速增长。此前电信运营商在SDH网络上以TDM方式向用户提供各种专线业务。现在开始转向以太网。以太网业务可以提供和出售连接，主要业务包括：以太网专线EPL、以太网虚拟专线EVPL和以太网局域网ELAN。与传统时分复用(TDM)以及其它的2层提供专线业务相比具有一定的优势，表现在城域以太网快速发展的原因是 简单、可以快速布设、 带宽可扩展和粒度可变、 内部开销低、时延比采用3层的系统底、城域网(MAN)和广域网(WAN)采用同一个协议、较低的维护成本和建设成本开销等方面。例如与TDM､FR或ATM接口相比,费用可能会低25%-40%；比起高速SONET接口,费用能降低至10%以下。
四、应用现状
过去十多年电信运营商投巨资（2000亿美元）建设SDH城域网，目前主要的城域传输基础网是SDH网。开始发展以太网业务最经济有效的方法是运行在已经有的基础网络SDH网上。最简单的方法是在现有基于SDH的MSPP和MSTP平台中插入以太网卡，即可以架构城域以太网提供以太网业务。 
IDC调查显示，2004至2010年间，以太网业务增长将主要集中在三个方向：三重播放－宽带多媒体、企业大客户－商业互连以及无线汇聚-做为蜂窝基站的上联干线。100%的欧洲运营商用以太网做宽带汇聚，这一比例在亚洲，美洲分别是67％和60％，而ATM的使用则在快速下降 。目前我国固网运营商正如火如荼进行的城域网改造和建设也是基于前两个新业务对网络提出的新需求。今后随着移动牌照发放，城域以太网还将提供对蜂窝基站接入网或宽带无线电接入的上联干线。
研究表明：以太网持续走向主流，在城域将居主导地位。在未来10－20年 SONET/SDH 将逐步减少到消失。基于以太网的接入和汇聚环/网所占比重在2005为35％，2007年达到60％。在WDM上提供以太网的运营商的比重从2006年的80％提高到2007年的92％。在SONET/SDH上提供以太网业务的运营商从2006的88％降低到2007的60％。48％的运营商计划部署下一代混合以太网-WDM- SONET/SDH 设备。
五、技术特点
城域以太网的目标是发展一种面向连接的点到点的分组传输方法，可以为网络运营商提供高级保护、监视和控制。根据采用技术不同目前分为两大阵营：一是将MPLS（多协议标签交换）技术引入传统以太网，以VPLS为代表，称为传输MPLS(T-MPLS)。另外一个是对传统以太网进行技术革新，以MAC-in-MAC为代表称为PBT。
1、T-MPLS
城域以太网要提供ELAN业务技术需要解决如何连接分布在较大范围内的用户点。一种解决方法是利用虚拟专用网（VPN）技术来为企业用户提供诸如跨区域的分支办公室网络连接以及Internet接入等服务。第三层VPN（L3VPN）技术，存在着技术复杂，对网络、操作人员的要求高等缺陷，而且还不能很好地提供多点到多点业务。而第二层VPN（L2VPN）技术也仅能提供点到点的连接，其应用则被限制于骨干网络之间的互连，当提供点到多点或多点到多点业务时，其所需要的连接数量将随着用户数量的增加呈几何级数增长。
IETF发展的VPLS（Virtual Private LAN Service，虚拟专用局域网业务）是城域以太网技术中的一种，该技术能够有效的连接各个接入点，并在该网络拓扑上实现点到点、点到多点、多点到多点的以太网业务。VPLS利用IP/MPLS的广域骨干网络为企业用户提供了一种仿真的LAN连接。VPLS本质上是L2VPN技术与L3VPN技术相结合的产物，利用IP/MPLS域对网络进行一定程度的分级，将L2服务限制在入口/边缘网络中。根据组网需求，利用VPLS技术组建的城域以太网可以有两种构成方式。一是为接入网络提供2层服务，为汇聚和核心网络提供3层服务。另外一种方式是为接入和汇聚网络提供2层服务为核心网络提供3层服务。VPLS技术有效地结合了IP/MPLS，VPN，以太网交换等多种技术各自的特点，实现了最为重要的在广域范围的多点到多点LAN的互连。
VPLS目前已经成为运营商提供以太网局域网，在城域网上实现大客户VPN业务的一种主要方式。由于VPLS技术出现较早，标准已经相对成熟，而且支持厂商也很多，使其应用范围更广。一些传统运营商如法国电信等已经开始部署VPLS网络，而在中国香港和韩国之间也准备通过城域以太网推出全球首项运营商间VPLS业务。国内镇江电信也已经开通了VPLS业务。这种将VPLS技术用于城域网二层结构方法的主要问题是系统比较复杂，导致建设和运营成本高。这种方法过去在ITU-T制定标准，得到阿朗、爱立信、富士通、华为、Tellab的支持。
2、PBB/PBT
与IETF自上而下改造城域网的出发点不同，采用自下而上的方法革新传统的以太网技术，实现运营商级以太网—IEEE802.1ah (MAC-in-MAC)。“MAC-in-MAC”是在运营商网络的边界点将用户的以太网帧外面再封装运营商的以太网帧头，从体系结构上将传统以太网革新为层次化的结构，可以消除传统以太网的平面结构带来的MAC地址学习与泛滥、STP协议相互影响等安全隐患。城域以太网采用基于IEEE802.1ah（M in M）的解决方案，可以建立一个覆盖整个城域的二层以太交换网，全网支持上万个VPN，每个VPN都有自已独立的转发表，且每个VPN内可支持4096个VLAN。可以提供安全可靠全程全网的虚拟专网业务（支持点到点、点到多点和多点到多点），不需要上一级网络的介入。运营商级以太网交换机拥有能隔离用户和电信运营网络的安全机制（UNI）。其全局MAC地址转发表，不包含最终用户的MAC地址；而且不同用户VPN的MAC地址表也是分离的。运营商网络受到了保护，用户网络也受到了保护，安全性大大提升。再配合可为以太网提供面向连接转发模式的PBT(Provider Backbone Transport)技术，城域以太网将完全实现流量工程、通路监控、保护倒换、多业务承载等路由型城域网所能提供的功能。PBT技术增强了以太网的确定性，为运营商指明以太网服务穿过网络应该采用的路径。PBT通过为实时服务保留带宽的方式确保了服务质量，即便是连接中止，PBT还保障了50毫秒的服务恢复时间。PBT还有助于解决以太网的可扩展性问题。PBT与IEEE802.1ah的结合可以满足城域内几百万用户同时享用以太网服务。
六、相关产品/工具
城域以太网的快速发展出现了不同的技术，其标准化工作已经开始。国际上标准化组织(包括IEEE、ITU以及IETF等)开始制定关于以太网业务和技术的标准。城域以太网论坛（MEF）是一个在全球专注于加速以太网技术用于城域网的国际非营利组织。为了实现与传统电信级传送网相同的可靠性，使之有可能作为今后运营商传送网的一种新的可选技术，城域以太网论坛特别成立了MEF技术委员会，专门负责制订城域以太网体系结构、网络管理、协议/传送以及城域以太网业务等四个方面的功能框架定义和业务实施策略。
城域以太网的体系结构定义为纵向三层结构，从下至上依次为：传送层、以太网业务层、应用业务层。传送层实现数据的传输，它可以使用以太网、SDH、ATM等各种技术。如在符合IEEE802.3ae标准的10GE接口中，出现两种方式，分别称为WANPHY和LANPHY。WANPHY接口通过将10GE以太网帧封装在10GSDH帧中传送，数据链路层之下还有SDH帧，物理层是透明比特流。但是10GELANPHY接口，则是将10GE以太网帧直接通过裸光纤或波长中传输，链路层之下就是透明比特流构成的物理层；传输媒介可以为光纤、铜线、同轴电缆和无线等。以太网业务层实现传统的以太网MAC层功能，基本原理仍然遵循以太网网桥特性。应用业务层提供各种业务，如语音、视频、数据业务等。城域以太网是一个承载网，而不是业务网。在实际应用组网中可采用一机多协议栈的方式，融合各自的优点，达到最佳应用效果。三种技术流派虽然各有差异，但仔细分析，它们在一些方面都采用了同样的思路甚至同样的关键技术来解决传统以太网存在的问题。其中共性的关键技术包括：
高速城域以太网：以太网速率的不断提高，其发展已经超越了“摩尔定律”预测的速度。10G以太网在提供基于以太网的城域承载网络方面向前迈出了非常重要的一步，自从10G以太网标准于2002年7月在IEEE通过，目前多数设备厂商和用户已经在提供和使用万兆以太网设备，万兆以太网的技术继承了以太网技术优点，在用户普及率、使用的方便性、网络的互操作性及简易性上皆占有极大的引进优势，升级的风险非常低。带宽10G足够满足现阶段以及未来一段时间内城域骨干/接入网带宽需求(现阶段多数城域、骨干网带宽不超过2.5G)，并且万兆以太网最长传输距离可达40公里，足够满足大多数城市城域网覆盖。更高速的IEEE 802.3ba标准，即40/100G以太网标准已经在2010年6月获得正式批准，这也为新一波更高速的以太网应用和核心交换产品铺平了发展之路。
以太环网技术：环形拓扑结构简单，便于层次化组网，转发延迟相对确定，便于网络管理，非常适合用来提供快速灵活的保护……如此多的优点使环网技术在现有的城域传送网络得到了广泛的应用。传统的以太网始终没有解决快速收敛问题。任何链路的中断会导致网络长达数十秒的不可用，这对承载于网络上的各种实时业务是难以忍受的。电信级以太网技术融合了以太网和环网技术的优点，革新性的提出以太环网技术，将以太网的低成本与环网的高可靠相结合，既可以大幅减少网络自愈的收敛时间，而又不会增加投资额。方案领先的厂家，甚至还能够做到以太环网业务保护时间与环网节点数目、设备负荷、网络所承载业务、网络流量等因素无关，尤其适合城域接入层大规模组网的需求。
基于MPLS的灵活部署：运营级网络区别于企业级网络的典型特点在于网络规模大，连接数量多，开通和维护要求高，这导致网络扩展性和易维护管理始终是运营商最关注的问题。传统的传输技术是静态配置的，依赖于外部的网络管理系统和服务配置工具来计算和建立绕过故障点的路由，所有的配置和管理依赖一个集中的管理中心，管理中心收集全网信息，根据对信息的分析和判断，再控制每一个设备做出反应。这种模式在简单应用模式下取得了不错的应用效果，但静态配置模式随着网络规模的扩大运维复杂度会越来越高，难以适应网络灵活部署的需求。以MPLS为基础的技术引入，很好的解决了这个问题，MPLS的动态部署结合BFD等OAM故障检测能力，被证明是更加经济、更加可行的方案。
七、存在问题
城域以太网（运营商级以太网）技术已经日趋成熟。它可以大幅度降低城域网的建设和运营成本,降低CAPEX ,同时满足宽带接入互联网业务和接入可管理的IP网（NGN）的需求。但仍然在持续完善，从数据平面、控制平面等方面需要进一步深入研究，继续推动整体技术体系不断走向成熟。同时现在虚拟化、云计算、物联网等技术的成熟，将带来城域以太网络革命性的变化，如何构建在数据中心基础架构上的内容服务核心，如何使接入终端更加人性化，实现支持业务灵活、动态、可靠生成的“云载网”也是城域以太网发展的一个重要课题。