智能虚交换技术的发展及应用

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引言
　　业界普遍认为：传统以太网因其固有的缺点，不能提供如SDH所提供的传递质量，无法解决NGN所面临的挑战如QoS、安全性等，因而无法用于承载NGN业务。
　　本文介绍的新型以太城域网技术——iV-SWITCH，使传统以太网的问题迎刃而解：可以用来构建电信级的以太承载网，具备可与DDN/ATM／FR类比的QoS/安全性能，兼备以太网络成本价格优势，而且运行维护简捷；既可提供端到端的以太业务，也能为多媒体业务提供统一的承载。这对于大幅度降低网络建设和维护成本、进而保证网络的可持续发展具有现实和战略意义。
　　这一技术的研发得到了国家高技术研究发展专项经费资助。
1、技术发明的背景
　　1.1　市场需求
　　随着骨干网和接入网容量的大幅度提升，城域网业务主体正在发生深刻变化。运营商的竞争重点正从骨干网转向城域网，建立高效、经济而且能支持多业务的城域网已经成为各运营公司的共同目标，城域网在整个电信网中的作用也越来越重要。
　　然而，近几年公众上网业务和大客户专线业务的迅速发展，日益暴露出IP城域网一些问题：
　　仅以广州电信为例，2002年初建设了基于IP技术/以太网模型的城域网，主要采用基于MPLS VPN或基于VLAN VPN两种方案，以满足公众上网业务和企业客户的以太网专线同城互联的需求。但实际使用中这两种方案均存在问题：前者主要是由于路由器版本和配置需要进行升级改造；后者则由于全局性的VLAN ID（4096）远不能满足城域网的需求。
　　IP网络中，一般采用MAC地址和IP地址进行数据报文的寻址和路由，MAC地址交换模式比较简单，对设备要求也比较低，但这种模式存在一些问题如广播风暴、安全性差等；IP地址交换模式需要网络设备支持三层功能，对设备的功能和性能要求都比较高。
　　对基于VLAN透传而提供的虚拟以太专网，由于VLAN数有限，在扩展性乃至业务开通和管理上都极受限制；BRAS设备的过度集中，再加上二层交换网络固有的一些缺陷，导致网络内存在大量的广播风暴、无法对用户进行定位、防止用户账户盗用；BRAS设备单点部署，造成网络可靠性比较低。
　　对VPLS技术而言，需要全网状的连接，浪费了链路资源。要想克服VPLS的这种FULL-MESH弊端，需采用H-VPLS技术组网，这样带来的问题需要增加网络设备；同时为了扩大使用范围，需要PE设备下挂的交换机支持VLAN嵌套或者LDP协议等，对组网设备要求比较高；另VPLS配置也比较繁琐，扩展性比较差。
　　因此，如何建立能支持多业务、可管理、可运营、低成本、QoS保障的电信级城域网络显得越来越急迫。
　　1.2　技术驱动
　　近年来随着业界对城域以太网应用的推动，以太技术越来越受到运营商的青睐，有关以太技术从企业网应用扩展到电信网应用的技术研究在ITU、IEEE、IETF、MEF等各标准组织中都得到不同程度的开展。更重要的是，在分组传送趋势下，以太技术能否作为一种承载技术，也得到业界众多厂家的关注。因此，电信级以太网（Carrier Ethernet：CE）的发展成为城域网近年来发展的热点。
　　城域以太网的业务驱动力主要是由于越来越多的企业使用Internet、多媒体和其他高带宽应用，以及在城域内连接到数据中心、中心局的需求的增长；对于运营商而言，城域以太网的多业务能力可以使运营商用利用较小的投资带来更多的业务收入，使网络的投资价值最大化。
　　但以太技术要成为电信级以太网技术，还需要多方面的技术突破和提升。如MEF（城域以太网论坛）认为“Carrier Ethernet”需要解决Scalability（扩展性）、Reliability（可靠性）、Hard QoS（严格QoS）、TDM Support（TDM业务支持）、Service Management（业务管理）五方面的问题：
　　（1）可靠性：达到50 ms级别的快速保护；
　　（2）严格QoS：提供严格的端到端QoS保证；
　　（3）TDM业务支持：支持传统TDM业务及应用；
　　（4）业务管理：运营级别业务提供和OAM能力；
　　（5）扩展性：业务实例的数量和汇聚带宽的可扩展性。
　　这5方面比较准确地总结了最早定位于企业网应用的以太技术先天缺失的几个方面，也是目前以太技术要成为CE技术须突破的方面。
　　围绕着电信级以太城域网面临的五大问题，运营商、设备商及各标准组织正在积极推动以太技术向“Carrier Ethernet”发展。目前主要技术方向有：EoMPLS、PBT（Provider Backbone Transport）、VLAN Switching（VLAN交换）等：
　　其中EoMPLS（Ethernet over MPLS）主要是Ethernet上集成MPLS技术，利用MPLS在QoS、50ms的运营级保护、OAM、路由的管理和信令等方面的完善技术和标准，使MPLS能无缝地从核心网向接入网扩展。
　　而PBT和VLAN Switching（VLAN交换）是通过对纯以太技术本身的改造，解决运营级保护、严格QoS保证、网络安全和OAM等方面问题，结合并推动目前IEEE、ITU相关标准发展，使以太网成为一个真正的电信级业务的承载层。其中VLAN Switching的原理类似ATM和MPLS，利用以太帧中VLAN ID，在转发过程中根据VLAN ID进行交换。
2、技术研发过程
　　市场需求所暴露的问题，催生了V-Switch（VS）技术：
　　（1）第一代VS项目
　　2002年，为解决公众上网业务和大客户专线业务的迅速发展所暴露的问题，广州电信启动了第一代VS项目，即用人工配置的方式，将VLAN ID予以局部化，形成改良的VLAN VPN方案。该方案通过在城域网主干网络上部署第一代VS设备，组建城域以太网核心，充分盘活城域网原有多层交换机设备。
　　（2）第二代IVS项目
　　由于第一代VS获得成功，2003年开始，融合了数据网、固话交换网和移动网的概念进行第二代VS的研发，形成了IVS——智能虚拟交换。
　　2003年7月，该技术的研究获国家科技部批准，被纳入国家863计划课题（课题编号：2003AA121120），定名为《新型城域网关键技术及实验系统（2）》。本课题在国际上率先提出基于V-Switch技术的新型城域以太网技术体系，即智能虚交换（IVS）体系架构。
　　经过历时一年半的研发，该项目已于2005年初通过了国家科技部主管部门的验收，并得到国内外专家学者的高度评价。目前，该项目正在产业化过程中。
3、技术特点和对比
　　3.1　技术特点
　　IVS技术体系主要创新点为：
　　（1）VLAN头中的VLAN ID局部化，使之只具有本地意义，并利用VLAN ID作为标签实现802.1Q包在骨干网上的透明传输。V-Switch使VLAN ID不再具有全局意义，从而解决了VLAN ID缺乏的问题。通过操纵本地化的VLAN ID，实现大规模组建二层网络的目的。
　　同时，能够平滑地与现有LAN技术和网络融合，消去了其他解决方案（如MPLS）所必不可少的网络边界处的格式变换，减少了网络的复杂性，同时最大限度地兼容以后各种LAN技术的发展。
　　（2）类似于PSTN网络，对网络端口以类似E.164编号规则的方式进行编码；
　　网络根据源LAN用户编码和目的LAN用户编码，通过手工或是信令的方式建立LAN电路连接，VLAN ID作为类似于PSTN局间中继电路编码，或者类似于ATM的VCI/VPI。
　　简而言之，IVS技术的核心是采用VLAN ID进行交换，VLAN ID是基于物理端口独立划分的，而不是基于全网或者整机划分VLAN ID。即在IVS技术体系中VLAN ID是“本地化”的局部资源，这种交换模式既克服了基于MAC地址交换的弊端，又比基于IP地址的交换简单。
　　3.2　技术对比
　　如前所述，目前推动以太技术向“Carrier Ethernet”发展的3种主要技术，其目的都是使以太技术达到运营级业务承载的要求，只是改造的方式不同：PBT和VLAN Switching是通过对纯以太技术本身的改造；而EoMPLS则是借助MPLS的已经成熟的一些技术。三种技术都有各自的特点、优势和劣势：
　　（1）EoMPLS（Ethernet over MPLS）
　　其优势为：MPLS技术发展成熟，封装协议、OAM、QoS等机制都是现成的，对业务的支持也比较成熟；以MPLS为基础的业务可以无缝地实现从核心到接入的扩展，对于传统业务的承载非常有利。
　　其劣势是：MPLS协议复杂度偏高，不适合当前的交换机架构，而要想引入动态信令实现接入网业务的动态配置将面临接入设备复杂化、成本提高的挑战，影响其大规模应用。如果用静态配置的方法，则又带来其它一些问题。
　　（2）PBT（Provider Backbone Transmission）
　　其优势是：架构比较好；用户标识可扩展，业务标识也很方便；用户业务可以完全透明传输；多业务支持比较好。
　　其劣势是：MAC地址+BVLAN做标签太长，设备实现有难度；MAC in MAC没有被业界很好的接受，标准上反对的声音比较大，标准成熟需要时间。
　　（3）VLAN Switching
　　其优势是：可扩展性很好；对硬件的要求不高、成本比较低，保持了现有以太帧格式不变。
　　其劣势：主要问题是静态配置复杂，用户数据不透明；和现有硬件不兼容。
　　现阶段来看，上述3种技术中，还很难说谁将来会成为主流。
　　需要指出的是IVS针对现有VLAN Switching控制信令不足，静态配置复杂的问题，提出了合理的分层模型，其承载能力层基于VLAN Switching的基本原理，使以太网具有类似MPLS、ATM面向连接的能力；同时引入了连接控制层和业务控制层，通过对承载能力层资源的管理，调度，对上提供统一的承载能力层接口，完成业务的选路、接纳控制、连接建立、自动配置等功能，使业务的部署更加方便。它的出现解决了现有以太网在QoS、流量工程、可靠性和扩展性等方面的不足，对新时期城域以太网的建设具有重要的作用。
4、实际应用和市场情况
　　从人工配置的第一代VS产品诞生至今，IVS技术的发展和应用已经历了5个年头：
　　2002年7月，该技术的第一代产品在广州市电信局进行商用，具体规模是：主干网络V-Switch部分共投资100万，和广州城域网十几个汇接层节点进行对接，采用原有城域网多层交换机设备，其中原有多层交换机设备不需要另外增加投资，端口提供能力为1 000个左右。效益：建设周期缩短到原来1/3至1/2，局方节省投资30%左右，用户节省投资40%左右。到2002年底，已经加载了超过400条专线（系统理论容量为512条，按照80%利用率，基本达到系统最大利用率），至今仍在运行，取得了良好的经济效益和社会效益。
　　2004年7月在广州市电信局建立了由3个城域网IVS系统节点设备（天河机楼、东晓机楼和天河软件园）构成的IVS技术实验网，完成单设备组网试验和多厂家互通测试，并加载了广州NGN试验系统的VoIP流量，2004年10月已通过信产部电信研究院和中国电信集团北京研究院的联合验收测试。测试结果完全符合国家863计划合同要求。该系统比起第一代产品，从系统容量、网络规模、保护倒换以及网管能力等方面均有了质的提升。特别在保护倒换方面：DRE提供的聚合链路的快速收敛功能使业务恢复时间达到了22 ms；而由DRE上报故障，VSS和SCR重新选路的功能使业务恢复时间达到了1.5 s左右。
　　该试验网如图1所示。

图1　IVS测试组网

　　2006年2月，广东省电信公司启动了IVS的试商用项目，本项目的建设内容是利用前期研究工作成果，在目前的大网部署基础上进行IVS商用，主要包括：将原有IVS试验网结构从多域调整为单域结构，同时增加6台设备，将目前3个骨干机房（天河机楼、工业园机楼和东晓机楼）的共9台S8016设备，进行扩展，扩大为15个数据骨干机房的覆盖，同时将第一代VS上的400用户割接到第二代IVS平台上。
　　此外，IVS技术还有下述几种方式，在其他地方得到应用：
　　以IVS技术构建城域网的宽带接入网（二层网络），实现大客户专线同城互联，如图2所示：

图2　大客户专线同城互联

　　以IVS技术构建城域网的宽带接入网（二层网络），完成公众上网用户的接入认证和管理，如图3所示：

图3　公众上网用户的接入认证和管理

　　通过几年来的应用，运营商对IVS技术已有所了解，认为基于独立的承载控制层的（VSC）架构具有良好的发展潜力，是解决现网问题的其中一个较好的解决方案。该技术确实克服了传统以太网技术缺陷，在以太网QoS控制、安全、保护、业务管理等方面，有了实质性的突破。具有良好的应用价值和推广前景。
5、相关标准工作
　　为了加快IVS成果的应用、转化工作，我们抓紧了标准化的相关工作：
　　5.1　国内标准
　　2005年3月，以广州信原公司为牵头单位，联合华为技术有限公司、中兴通讯股份有限公司，组成联合建标小组，在中国通信标准化协会的TC3第四次全会上提交了“智能虚交换技术规范和测试方法”行业标准的项目建议书。
　　2005年9月1日中国通信标准化协会批准了IVS的标准立项工作。项目编号：2005T23，项目名称为《智能虚交换（V-SWITCH）总体技术要求》。
　　2005年11月和2006年3月，该项目的征求意见稿和送审稿先后经网络与交换技术工作委员会（TC3）网络总体工作组讨论通过，并已于2006年4月形成报批稿，上报中国通信标准化协会审批。
　　2006年初，中国电信集团北京研究院也已完成《中国电信城域网虚拟交换（V-Switch）设备技术规范》》和《中国电信城域网虚拟交换（V-Switch）设备测试规范》的编制；并已由中国电信集团将其作为企业标准分别纳入《中国电信IP城域网设备技术规范（V1.0）》和《中国电信IP城域网设备测试规范（V1.0）》之中。
　　5.2　国际标准
　　由于IVS技术目前在国际上还处于领先研究阶段，目前尚无与之对应的国际标准。三年来，我们积极推进在国际标准建议方面的工作，已先后向ITU-T相关标准组提交了建议文稿：
　　2004年2月，ITU-T SG13Q16把标准文稿《Architecture，Function and Requirements for V-Switch》列入living list的starting point 9。
　　2004年3月，ITU-T SG15的Q12把标准文稿《EVPL service provided by Ethernet VLAN Routing Technique（A Proposal to provide EVPL services using Ethernet VLAN Forwarding Technique）》列入living list。
　　2004年10月，ITU-T SG15在会议上对我们提交的建议文稿（solution）发表意见，对IVS新型实现机制表示认可。由于IVS已经修改了原以太网的MAC学习机制，基于ITU-T follow IEEE以太网标准的做法，会上建议将IVS转投IEEE进行讨论。
　　在此同时，我们也注意到，随着2005年CE在国际上的崛起，CE的相关国际标准的研究再次成为热点：
　　2006年2月，西门子向ITU SG 15提交了《VLAN Switching（Cross-Connect）》（T05-SG15-060206-D-0547!!MSW-E.doc）文稿，其方案的核心思路就是采用VLAN ID作标签进行交换，ITU已经同意将该方案列入living list作进一步研究。
　　2006年初，在IEEE新成立的GELS（GMPLS Controlled Ethernet Label Switching）BOF，正在讨论相关框架和方案，广东电信和华为通过和西门子合作参与了这方面的工作，目前已经达成的共识是VLAN Switching和PBT两种方案都要在GELS里支持。
　　在2006年5月的IEEE 802.1的中间会议上，西门子就VLAN Switching方案做了陈述，由于本次会议时间紧张，没有对方案本身做深入讨论，会议决定下次会议就VLAN Switching的需求和待解决的问题做专门的讨论，然后再决定IEEE是否接纳该建议。
6、发展前景
　　业界预测，未来十年将是城域以太网技术高速发展的时期。国际上有的大型电信运营商（如BT）已确认以太网将处于21世纪整个网络的中心地位，并将用CE代替MPLS。
　　这是因为，以太网具有技术简洁、良好的开放性、显著的成本优势、普遍的应用、广泛的认知度，管理维护简单方便，而且已成为家庭网络、局域网、城域网、广域网通用的技术。一方面，以太网正在努力将语音、视频和数据加以融合，并实现了在多种介质上的传输；另方面，在无线领域，无论是WLAN还是电信的移动通信，以太网都是非常好的黏合剂，可以把无线和有线很好地黏合在一起。
　　研究和实际推广应用情况充分表明，　IVS可用以构建电信级以太城域网，能在现阶段的城域网优化工程中起重要的作用。随着研究的深入，IVS将可应用推广至IPTV、NGN等业务的承载，对下一代电信级城域以太网的建设具有重要的作用。
7、结论
　　IVS技术是一项巧妙的、先进的、具有广阔前景的虚拟二层网络技术，其核心思想是将VLAN头中的VLAN ID局部化，使之只具有本地意义，并利用VLAN ID作为标签实现802.1Q包在骨干网上的透明传输。它的出现解决了传统以太网在QoS、流量工程、可靠性和扩展性等方面的不足。
　　市场应用表明：IVS体系通过操纵本地化的VLAN ID，可以实现大规模组建二层网络的目的。同时，能够平滑地与现有LAN技术和网络融合，消去了其他解决方案所必不可少的网络边界处的格式变换，减少了网络的复杂性，同时最大限度地兼容了以后各种LAN技术的发展变化。IVS可构建电信级以太城域网，能在现阶段的城域网优化工程中起重要的作用，并具有广阔的发展前景。