宽带以太网接入技术及其标准化

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柳扬  信息产业部电信传输研究所工程师
李巍  信息产业部电信传输研究所中国泰尔实验室工程师

一、IEEE 802.3协议先容
    1．IEEE 802协议族的框架
    IEEE 802协议是规范局域网的系列协议。
    2． IEEE 802.3协议
    大家一般把IEEE 802.3协议称作以太网协议，它是IEEE局域网协议的一支。现有的以太网速率和介质有以下几种：
    ◇ 10Mbit/s——10Base-T Ethernet（铜线）；
    ◇ 100Mbit/s——Fast Ethernet（铜线或光纤）；
    ◇ 1000Mbit/s——Gigabit Ethernet（铜线或光纤）。
    大家以前所熟知的802.3z（千兆以太网 GBit以太网）、802.3ab（1000Base-T Ethernet）、802.3ac（VLAN Tag）、802.3ad （链路聚合）都已经成为2002版的802.3标准的一部分而不再单独出现。
    同时10-Gigabit Ethernet的标准IEEE 802.3ae已于2002年6月12日获批准正式发布。
    以太网技术在当前的局域网技术中占据着统治地位，这主要由于它的协议有以下的特点：
    ◇易于理解、实现、管理和维护；
    ◇网络铺设成本低；
    ◇网络拓扑灵活；
    ◇不同厂家的产品兼容性好，便于互连。

二、IEEE 802.3ah协议
    1．IEEE 802.3ah研究组的历程
    2000年11月，IEEE 802.3工作组批准成立一个新的研究组，其研究题目为“第一英里以太网（Ethernet in the First Mile）”，简称为“EFM”。到2001年第三季度，802.3工作组批准了其项目授权申请（Project Authorization Request），授权EFM特别工作组起草802.3ah标准的草案。2002年7月特别工作组对一整套基本的技术建议达成了一致，这些基本建议的采纳成为第一版标准草案的原型，该草案在2002年底提交802.3工作组评审和投票。上述事件成为802.3ah标准化进程的三个重要的里程碑。预计802.3工作组最早将于2003年底正式批准该标准。
    2．IEEE 802.3ah研究组的目标
    802.3ah研究题目中“第一英里”指的是用户端到电信运营商局端设备的这一段连接，这段连接从使用者的角度是最先一英里，而从运营者的角度是最后一英里。因此，从标准的名称中大家可以发现该标准强调将用户的需求放在第一位。它的目标是将已经得到广泛应用的以太网技术推广到电信用户的接入网市场。这样可以使网络性能明显提高，同时降低设备和运维的成本。
    802.3ah项目的研究范围包括宽带以太网必备的所有技术要素，包括运行在铜线、点对点光纤、点对多点光纤上的物理层规范，运行管理与维护的通用机制，形成对商业和住宅用户提供宽带业务的能力。研究组的几个关键目标为：
    ◇ 一条单模光纤上点对点的100M和1000M以太网，距离大于等于10公里；
    ◇ 一条单模光纤上点对多点的PON上的1000M以太网，距离大于等于10公里，复用比>=1:16；
    ◇ 现有铜线上的点对点10M以太网，距离大于等于750米；
    ◇ OAM包括远端故障指示，远端环回和链路监视。
    3．IEEE 802.3ah的关键技术
    网络运营商会根据其商业模式和网络结构的规划选择其网络拓扑和物理层技术。EFM为运营商建设和升级其接入网络提供了几种各具优势的技术，同时这几种技术可以用共同的工具和OAM程序来管理。为充分利用现有的语音质量的铜线资源以及已经铺设到小区的光纤资源，点对点的铜线以太网是非常合适的一种技术。在需要安装新的传输媒质时，单模光纤是最佳的选择。至于选择点对点还是点对多点的拓扑结构，要由下述商业和技术因素决定：设备间的距离，网络结构，现有的获利模式，收入潜能，资金成本，财务规划，未来应用的设想等。
    （1）单模光纤上的点对点以太网
    为了降低成本，EFM提出了运行在单条光纤上的以太网的标准，作为对现行的运行在光纤对上的以太网的补充。单条光纤的工作原理是在两个方向上使用不同的波长，而非两条独立的光纤使用相同的波长。在其他方面，EFM采用了已有的技术，如1000Base-LX和100Base-FX。
    （2）单模光纤上的点对多点EPON
    EPON规范包括多点控制协议（Multi-Point Control Protocol），点对点仿真，两种物理媒质相关子层（PMD）的规范。一个EPON网络由一个OLT、一个无源分离器和多个ONU组成。EPON在上行方向（ONU至OLT）是点对点方式，在下行方向（OLT至ONU）是广播方式。OLT负责产生用于全局时钟参考的时戳消息；产生发现新的ONU的窗口，并控制注册过程；分配带宽和进行排列。ONU实行自动发现过程；通过下行GATE消息中的时戳同步到OLT；接收OLT发出的GATE消息并在许可的时间周期内发送数据。
    (3)基于DSL技术的铜线以太网
    铜线以太网是EFM标准起草过程中争议最大的一个部分。特别任务组在短距离以太网业务（在至少750米的有效传输距离上支撑10Mbit/s以上的传输速率）方面达成了采用VDSL技术的一致意见。但是针对有效传输距离2700米以上，传输速率2Mbit/s以上的情况，还要在ADSL plus和SHDSL两种方案之间做出抉择。
   （4）网络的OAM
    为提高网络的可操作和可维护性，EFM提供连接的远端OAM功能，包括远端故障指示，远端环回和链路监视。
     
三、 与宽带以太网接入相关的IEEE协议
    相关的以太网协议还有：
    IEEE 802.3ae  10Gigabit Ethernet——该协议已经在2002年6月12日被批准，目前有包括Agilent、Extreme、Intel和Nortel在内的多家厂商可以提供支撑该标准的产品。由于初次使用的投资较高，估计该技术将主要应用于城域骨干网。
    IEEE 802.3af  DTE power via MDI——该标准定义通过MDI为DTE设备远程供电的方法，在5类UTP电缆上提供多达15瓦的功率。
    相关的局域网协议还有：
    IEEE 802.11  Wireless LAN——该标准通过规范无线接口，使各种DCE设备能够无需布线就组成局域网。
    IEEE 802.17  Resilient Packet Ring——该标准使用802.3协议定义的1G和10G的以太网接口，将单模光纤连接成环路，称为弹性分组环。

四、 与宽带以太网接入相关的国内标准
    随着以太网技术向通信领域的渗透，国内的通信标准研究组也逐渐开始制定一系列与以太网技术关系密切的通信行业标准。目前已经发布的有：
    YD/T 1148-2001 《网络接入服务器（NAS）技术要求——宽带网络接入服务器》；
    YD/T 1160-2001 《接入网技术要求——基于以太网技术的宽带接入网》；
    YD/T 1239-2002 《接入网技术要求——甚高速数字用户线（VDSL）系统》；
    YDN 078-1998  《接入网技术要求——不对称数字用户线(ADSL) 》；
    YD/T 1064-2000 《接入网技术要求——无话音分离器的低速不对称数字用户线（ADSL.lite）》；
    YD/T 1188-2002 《接入网技术要求——基于ATM方式的不对称数字用户线（ADSL）用户端设备》；
    YD/T 1185-2002 《接入网技术要求——单线对高比特率数字用户线（SHDSL）》；
    YD/T 1099-2001 《千兆比以太网交换机设备技术规范》。
    还有一些与以太网相关的技术，标准组正在研究起草相应标准的过程中，包括：
    三层交换机设备技术要求；
    虚拟局域网（VLAN）技术要求和测试方法；
    接入网技术要求——基于以太网的无源光网络（EPON）；
    接入网技术要求——增强型不对称数字用户线（ADSL+）；
    以太网交换机集群管理技术要求；
    宽带网络接入服务器技术要求（修订）；
    AAA服务器认证计费接口标准——宽带网络接入服务器。

五、 以太网的发展展望
    1． 安全问题
    以太网接入方式被大家质疑的一个主要问题是网络的安全问题。因为接入网是一个公用的网络环境，而以太网原本是面向一个私有的局域网来设计的，这样在用户的安全与计费方面存在一些缺陷。目前有以下技术可以解决这方面的问题。
    用交换机代替共享式集线器在减少网络冲突的同时避免了单播包网络侦听。采用VLAN技术隔离ARP、DHCP等携带用户个人信息的广播消息，可以使用户的安全性得到进一步的提高。为对用户进行有效的管理，需要对用户进行认证和计费的方法。目前应用比较多的方法有PPPoE和IEEE 802.1X等，接入服务器一般采用Radius协议与AAA服务器交互实现对用户的认证和计费。在认证后可以将已认证用户的MAC地址，分配给他的IP地址、他所在的VLAN捆绑在一起提供更佳的安全保障。
    2． 基于以太网技术的宽带接入网
    鉴于目前的解决方案和设备还不能完全满足接入网这样一个公用网络环境的要求，接入标准组提出了基于以太网技术的宽带接入网。基于以太网技术的宽带接入网由局侧设备和用户侧设备组成。局域设备提供与IP骨干网的接口，用户侧设备提供与用户终端计算机相接的10/100BASE-T接口。局侧设备具有汇聚用户侧设备网管信息的功能。
    在基于以太网技术的宽带接入网中，用户侧设备只有链路层功能，工作在MUX（复用器）方式下，各用户之间在物理层和链路层相互隔离，从而保证用户数据的安全性。另外用户侧设备可以在局侧设备的控制下动态改变其端口速率，从而保证用户最低接入速率、限制用户最高接入速率，支撑对业务的QoS保证。对于组播业务，由局侧设备控制各多播组状态和组内成员的情况，用户侧设备只实行受控的多播复制，不需要多播组管理功能。局侧设备还支撑对用户的认证、授权和计费以及用户IP地址的动态分配。为了保证设备的安全性，局侧设备与用户侧设备之间采用逻辑上独立的内部管理通道。
    在基于以太网技术的宽带接入网中，局侧设备不同于路由器，路由器维护的是端口——网络地址映射表，而局侧设备维护的是端口——主机地址映射表；用户侧设备不同于以太网交换机，以太网交换机隔离单播数据帧，不隔离广播地址的数据帧，而用户侧设备完成的功能仅仅是以太网帧的复用和解复用。
    基于以太网技术的宽带接入网还具有强大的网管功能。与其它接入网技术一样，能进行配置管理、性能管理、故障管理和安全管理；还可以向计费系统提供丰富的计费信息，使计费系统能够按信息量、按连接时长或包月制等进行计费。
    3． 应用前景
    宽带接入市场现在有多种技术和协议共存，但这些技术在带宽约束、有效性、应用的简便、成本等方面各有不足。同时目前许多所谓的宽带连接实际上并非真正意义的宽带接入，它们只是大多数企业能够得到的最快的连接。宽带接入的要求应该是连接速度快到可以做与浏览网页有根本不同的事情，例如接收高清晰度电视等。
    随着光纤网络覆盖范围的延伸，以太网可以更方便地进入城域网市场。由于以太网的成本优势，它已经成为局域网的事实标准，大家可以预见它的成本优势也必然对它在广域网和城域网中的成长起着重要的作用。因此，宽带接入市场如果采用以太网技术结束那些不必要的协议转换，也很有可能取得接入市场的统治地位。
    综上所述，大家有理由相信以太网未来将成为一个事实上的全程的数据传输标准。然而，网络运营商有可能担心把一个速度更快而价格更低的技术引入市场会破坏其现有的价格和市场结构，减少其收入。从这一点来看，运营商是否有足够的动机将基于以太网的宽带接入方式迅速推向市场还不是十分明朗。但是随着电信市场的进一步开放，以及EFM市场的急速成长（据媒体预测，全球以太网EFM的家庭用户将会有一个迅速的成长，由2001年的130万户，发展到2006年的3680万户。同时未来亚太地区将是EFM的最大市场，将占有全球63%的份额），基于以太网的宽带接入在电信市场中的普及只是一个时间问题