1、电信网的发展和演进趋势信息产业部电信研究院 韦乐平 摘 要 论述了网络业务应用加速向化汇聚的趋势；提出了网络交换技术向分组化和化演进的战略路线，认为采取重叠网策略或混合网策略是完成由传统电路交换为基础的电信网向分组化的数据网平稳过渡的两大过渡策略。分析了网络容量包括传输链路容量和传送节点容量面临的挑战和发展趋势。认为技术是一种较为理想的骨干网络技术，有望得到进一步的发展；同时认为核心网络必然从电联网走向光联网。指出了带宽瓶颈是城域网面临的主要问题，提出了城域网的种解决方案：以为基础的多业务平台的解决方案；基于层交换和层选路的方案；用的解决方案。最后论述了接入网向宽带化和化方向演进的趋势，网络功
2、能结构的扁平化趋势。关键词 电信网 光联网 城域网 接入网 发展 演进 网络业务应用加速向化汇聚年来直至今天，电信网的主要业务一直是电话业务，呈平稳而缓慢的增长趋势。然而，近年来，数据业务正呈现指数式增长态势，特别是业务正呈现爆炸式增长，其光纤骨干网带宽已达到了约个月就翻一番的地步，比著名的摩尔定律还要快倍，成为所谓的光纤定律或超摩尔定律。显然，按此趋势，用不了几年，网上的数据业务将会超过电话业务。在北美，有些网络 诸如太平洋贝尔、世界通信、亚美达科等 上的数据业务已经超过电话业务，即使像、和这样的老牌电信公司的网络，数据业务也将在年超过电话业务。从全世界范围看，估计在未来年内，包括中国电信网
3、在内的世界主要网络的数据业务量都将先后超过电话业务量。最终，电信网的业务将主要由数据构成，多年来的网络业务构成将发生根本性的变化。需要特别指出的是，所谓网络业务的数据化趋势，实质上主要是化，前者的业务增长率为两位数，而后者的增长率为三位数，很快就会超过前者。从数据通信联网协议的使用率看，发达国家协议已超过，而我国已超过，确实已经成为占绝对主导地位的数据通信联网协议，而等其他协议的应用比例越来越小，最终只能寄托于之上。预计年期间，以为代表的数据业务将占据的网络业务量，我国也将至少超过。届时， 和 将不只是口号，而逐渐成为现实，这是不以主观意志为转移的战略趋势，我们必须有足够的思想准备。未雨绸缪，
4、做好技术、心理和观念上转变的准备，是唯一正确现实而又万无一失的对策。 网络交换技术继续向分组化和化演进网络交换技术是电信网的灵魂，尽管传统的电路交换技术有其不可磨灭的历史功勋和内在的高质量严管理优势，在可以预见的未来也仍将是提供实时电话业务的基本技术手段，但其基本设计思想是以恒定的对称的话路量为中心的，采用了复杂的分等级的时分复用方法，语音编码和交换速率为 交换机需要为每一个呼叫或连接维持大量的呼叫或连接状态信息，为每一种业务指定固定带宽，对于未来以突发的非对称的数据为主的业务而言，传输和交换效率低，成本较高。当数据业务量不大时，这种状态还可以容忍，而当网络的业务量以数据为主时，这种低效率状态
5、将变得无法容忍。特别是大量的数据应用 诸如上网浏览 只需极短寿命的连接，如果也要求网络节点对这些只有极短寿命的连接也完成常规的连接建立和拆线工作，网络节点的工作负荷将无法承受，网络的扩展性将大大受限。此外，作为面向连接的技术，每一节点与任一其他节点都必须建立直接的连接，个节点要求建立个连接。当网络的规模发展到一定程度后，连接的管理也成为很大的问题。简而言之，从网络的角度看，传统的以电话业务为基础的电路交换网，无论从业务量设计、容量、组网方式，还是从交换方式上来讲都已无法适应这一新的发展趋势，开发下一代的可持续发展的网络已成为电信界的共同心愿。其基本思路是具有统一的通信协议和巨大的传输容量，能以
6、最经济的成本灵活可靠持续地支持一切已有和将有的业务及信号。另一方面，分组化网有着传统电路交换网所难以具备的优势，诸如无复杂的时分复用结构，有信息才占用网络资源，资源利用效率高，信令、计费和网管简单，建设维护运行成本低，连接效率高，一次可同时建立大量的连接，在提供动态带宽分配和灵活指配不同带宽颗粒需要方面远优于电路交换网。特别是无连接网对连接是透明的，因而其包转发只需维持很少的状态信息即可，网络节点的工作负荷大为降低，非常适于非对称的突发数据业务的传输。显然，随着网络中数据业务量成为主导后，从传统的电路交换技术逐步转向分组技术特别是无连接技术为基础的整个电信新框架将是历史的必然。近来，这种演进趋
7、势无论从设备制造商，还是网络运营商的发展策略和战略上都已明显体现，全球网络的分组化和化趋势正在加速，像和（英国电信）这样的著名网络运营商，不仅已明确宣布不再新装电路交换机，而且甚至已经在因特网骨干网上将交换机全部换成了路由器。需要指出，不但目前这一代的电信网无法适应下一代电信网的要求，同样，目前这一代的网也无法适应下一代电信网的要求。其网络体系结构缺乏内置的扩展性，网络可靠性和可用性很差，无法满足电信级网络的起码要求，实时业务质量还无法确保，靠线路卡互联路由器节点的方式消耗掉大量端口，目前，只考虑了用户平面功能和带内信令，将来必须扩展到控制平面和管理平面等等。因而下一代网将是充分利用现有电信网
8、和网各自资源和优势，克服各自劣势的融合的网络。另一方面，从我国具体国情看，电话普及率还不到 大大落后于发达国家的水平 ，要实现年电话普及率的既定目标，还要付出巨大的努力，特别是提高广大农村电话普及率的任务还十分艰巨。因此可以肯定，在中近期内满足基本电话业务需求仍将是我国电信发展的基本任务，电话业务在我国电信业务中的主体地位还会持续相当的时间。 向分组化网演进的策略从传统的电路交换网到分组化网将是一个长期的渐进过渡过程，这一过渡期在我国至少需要年左右，因而在未来相当长的时间内，电信公司的主要任务是同时支持两种网络，解决两网之间的互通以及各自业务和应用之间的互操作性，从而最终完成由传统电路交换为基
9、础的电信网向分组化的数据网的平滑过渡。总的看来，目前有两大过渡策略。 重叠网策略主张这种策略的主要理由是现有电路交换网在传输电话业务方面是基本胜任的，而且是电信公司的主要收入来源，因而最好不要去触动它或仅作少量修改，让其独立发展。对于日益增长的数据业务特别是业务，可以通过建设一个重叠的分组化网 网或路由器网 来解决。两个网的业务节点独立发展，其间通过协调设备（有称混合电路分组交换机，可以是单个设备，也可以是一系列设备，功能上主要是媒体网关、媒体网关控制器和信令网关，有些接入服务器也具有类似功能）实现互联互通。这种协调设备不仅交换话音、数据和其他业务，而且完成七号信令与的转换，这种协调设备具有和
10、媒体网关功能以及媒体网关控制器功能 又称软交换机或呼叫代理 ，能支持、会晤开始协议 或媒体网关控制协议 等各种协议中的几种，还可以旁路因特网呼叫，减轻电路交换网的压力。通过协调设备跨接互联电路交换网和数据网后，尽管两个网仍基本独立，但业务层已实现基本融合，可统一提供管理和加快扩展部署业务。等到数据业务逐渐成为网络的主要业务后再考虑将电路交换网上的电话业务逐渐转移到分组化网上来，最终形成一个统一的融合的网。这种网络演进思路的基点在于网络和业务的融合，而不在于节点的融合 允许不同的网按各自的最佳方向独立演进，不受限于节点结构。 混合网策略主张这种策略的主要理由是电话业务仍然会继续发展，因而有必要开
11、发新一代的交换机 称为综合交换机 来进一步改进电路交换网，提高交换节点的效率，扩大交换节点的容量。当然这种新一代的交换机还应能支持业务的发展，便于网络向分组化方向演进。这种交换机在外部可以同时支持、和网 即不同业务各走各的网，只是业务节点在物理上融合成一体。其内部交换矩阵有采用单一交换矩阵或其他信元交换矩阵的，也有采用和两个基本独立交换矩阵的，还有采用、和 个基本独立交换矩阵的。那些采用多个基本独立交换矩阵的称为混合交换机，而那些采用单一分组交换矩阵的称为融合交换机，两者在外特性上差别不大，但内部采用统一分组交换矩阵的融合交换机在灵活快速的业务部署方面有明显的优势。这种新一代的交换机接口采用乃
12、至，可以将网关集成在内。采用这种新型交换机后可以卸载原有电话业务量，承载新增业务量和所有数据业务量，从而最终完成向分组网的过渡，其实施通常主要在长途交换局和汇接局。 策略选择采用何种策略需要根据具体网络现状和业务预测进行经济比较和详细分析后才能决定，没有现成的答案。根据具体情况采用两者的混合策略可能是比较现实的。需要注意的是，无论采用哪一种融合策略，其业务的融合都不会受限于基础网的传送结构而迅速发展。事实上，融合的业务应能通过任何一种基础网络来传送，业务融合仅要求在业务网的边缘采用基于统一协议的平台即可，业务网的内部可以采用任何层的协议来运作。 网络容量的挑战近年来，全世界电话用户的平均年增长
13、率为左右，然而，数据业务的平均年增长率高达，远高于电话业务，特别是业务正呈现爆炸式增长态势。其次，从核心网角度，由于网络高生存性要求，以数字交叉连接设备（）选路和自愈环为基础的自愈网分别需要多消耗至少和的额外网络容量，使容量需求大大增加；从接入网看，一系列宽带接入技术的应用，例如电缆调制解调器、和以太网等，使接入速率增加了数十至数百倍，导致核心骨干网上的业务流量大大增加。再有，在网络业务组成中将占主导地位的业务量的分布模式将使未来的网络业务量分布大幅度向核心网转移，进一步加剧了骨干网容量需求的压力。而且业务量的高度不确定性使不同路由的负荷会随时发生变化，造成网络资源利用的高度不平衡。最后，在未
14、来骨干网上用带宽换服务质量的轻载网络策略随着网络业务量份额的日益扩大和带宽成本的迅速降低正赢得越来越多的支持，那将需要更大更宽松的网络带宽。综上所述，预计未来年骨干网所需的容量将至少是今天的数十上百倍，容量问题将成为世纪网络的最大挑战。可以预见，在未来年内世界各国的网络基础设施都将面临全面的更新升级，建设下一代宽带传送网基础设施将是人类的共同任务。 传输链路容量的宽带化可望突破从传输链路的容量来看，的速率已高达 ， 系统也即将在一两年内问世，但光纤的容量仅利用了不到。单波长的传输速率主要受限于集成电路硅材料和镓砷材料的电子迁移率，其次还受限于传输媒质的色散和极化模色散，最后还受限于所开发系统的
15、性能价格比是否有商用经济价值。因而唯一现实的进一步扩容出路是转向光的波分复用 方式 即用一根光纤同时传送数十上百个不同波长通路的信号。目前单对光纤的传输容量已达 ， 实验室系统容量已达 最高复用波长密度则达波。总的来看，采用后传输链路容量已基本实现突破 容量瓶颈将转移到网络节点上。 传送节点的容量有待突破目前网络的大容量传送节点主要指数字交叉连接设备 。假设目前典型的节点业务流有个方向，每一方向配置个波长，每一波长的承载速率为 等效个 则总共有个波长 总容量为 。按照骨干网容量的增长速度，即使按最保守的个月翻一番的速度估计，那么年每一节点的波长数将会超过个，节点总容量将超过 。于是问题的焦点集
16、中在技术上是否有合适的经济的高容量传送节点的解决方案？多年来系统的容量一直在扩大，目前已达 主要技术途径是通过持续的半导体芯片密度和性能的改进来提高节点的容量。然而由于系统的复杂性，其系统开发和改进的速度要慢于半导体芯片性能改进的摩尔定律，其节点容量大约为每年翻一番，无法跟上网络传输链路容量的增长速度。显然，仅有链路而不消除节点的瓶颈是无法真正实现网络宽带化的。因而在光层面上引入光分插复用器 和光交叉连接器 等传送节点是唯一可行的传送节点扩容手段。的研究工作已进行了很多年，但目前仍处于现场试验阶段，主要问题是尚未有性能价格比好、容量可扩展、稳定可靠的光交换矩阵 核心是光开关。从原理上，光开关有
17、类 电光开关、热光开关以及光机械开关。它们的综合性能都不够理想。近来，一种称为微电子机械开关 的新型光开关显示了巨大的发展前途。这是一种将自由空间互连与硅基单片集成技术相结合的新技术这种机电一体化的开关器件结合了机械光开关和固体波导开关的特点，结构紧凑、集成度高、性能优良、矩阵规模大、便于批量生产，正成为实用化大型的主要开关技术之一。美国朗讯公司采用技术实现了的全光交叉连接器，称为波长路由器，可节约的运行费用和的能耗。美国公司利用两个相对放置的各有个微镜的阵列实现了的大型 容量上和端口上都有重大突破，其总容量已经比传统电交叉连接器提高了约两个量级。总的来看，由于的出现和发展，光传送节点的容量突
18、破有了希望，当然还有很多实际问题特别是控制和保护恢复问题需要妥善解决后才能真正大规模商用，预计还需年。 技术的实施与发展 下一代传送网的发展方向除了大容量高带宽传送以外，提高服务质量 也是重要的努力方向。其基本思想是网络的带宽永远不会免费，网络的拥塞总是难免的，因而能有效利用网络资源的技术是不可缺少的，这从中近期看是现实的。在这一形势下，一种称为多协议标记交换 的技术应运而生。是一种将网络第三层的选路和寻址与网络第二层的高速数据交换相结合的新技术，结合了电路交换和现有选路方式的优势，它不仅能够解决当前网络中存在的很多问题，而且能够支持许多新的功能，是一种较为理想的骨干网络技术。在层下运行，利用
19、在地址上加显式标记方法为网络提供类似的。采用定长的短标记作路由表索引，搜索效率高，延时小，简化了包转发过程 使路由器转发速率和吞吐量大大增加；还采用标记交换通道将业务流归类为宽业务类别在同一通道传输，核心网只需看标记就能处理包，大大加快了处理速度；在标记格式上原则上尽量利用现有标记格式，例如在硬件上，用标记，在硬件上，用数据链路连接识别符 ；在网络中的包转发基于定长标记，简化了转发机制，使路由器具有很好的容量扩展性；采用标记交换协议，可以完成 流量工程，最佳利用链路和节点，平衡负荷，确保某些业务流有必要带宽，网络有可用空闲链路用于恢复，减少单点失效的影响，满足延时和服务等级以及网络运营者的策略
20、要求；可以支持各种链路层技术 适用所有基础设施 ，支持各种选路要求 单播，组播与显式选路 ；将选路与交换分离，便于引入新路由协议，支持网络扩展性，适于大规模网络应用；网络采用标记堆栈方式可以将庞大的路由表变得很小，极大地改进了路由扩展能力；支持包括在内的多种网络层协议，适于隧道方式支持虚拟专网 及其扩展，采用合并机制支持不同数据流的合并传输 没有的问题。简言之，技术是以软件为主的技术，可以兼容各种主流网络技术，减少了网络复杂性，降低了网络成本，可以解决业务的和安全性，具有流量工程能力，是一种较理想的骨干网络技术。目前，尽管的标准尚未正式通过，但新的和路由器基本都已能支持，现场试验已在全球范围进
21、行，实际商用网的敷设也已开始，届时，网的所谓问题有望得到基本解决。 核心网络从电联网走向光联网尽管靠技术已基本实现了传输链路容量的突破，但是普通点到点系统只提供了原始的传输带宽，需要有灵活的网络节点才能实现高效的灵活组网能力。如前所述，现有的电层系统十分复杂，无法跟上网络传输链路容量每个月翻番的增长速度。唯一的出路是靠光层面上的波长连接来实现光层联网，从而解决节点的容量扩展问题，这样其带宽颗粒从增加到一个波长，即增加了倍 到倍 乃至倍 。同样个端口的单个节点容量可以从 增加到 到 乃至 。实现光层联网，不仅为了大容量节点，还有大量组网上的好处，称光联网为光传送网，规定由一组可以为客户层信号提供
22、主要在光域上进行传送、复用、选路、监控和生存性处理的功能实体所构成。可见除了硬件外，光节点还有大量的软件工作要做，例如光层联网还需要解决稳定的高效恢复算法和控制信令，以及与业务层的交互和协调等一系列技术问题后才能真正实用化。近来，将应用于光层 实现一体化控制的思路正受到广泛的关注，这种方法可以使业务层上的路由器、交换机或动态地要求传送网提供所需的波长，实现统一的网络控制和快速业务供给，简化了层与光层的集成以及网络管理，降低了网络运行和业务拓展成本，消除了厂家专用的网络岛，有利于大规模网络敷设。总的看，实现光层传送联网的基本目的是：消除电设备导致的带宽瓶颈，降低对业务节点规模的要求，大幅度降低建
23、网成本和运营维护成本，实现网络光层的可重构性，实现对客户层信号的透明性， 简化和加快高速电路的指配和业务供给速度，实现快速网络恢复。鉴于光传送联网具有上述潜在的巨大优势，发达国家投入了大量的人力、物力和财力进行预研，特别是美国国防部预研局（）资助了一系列光联网项目，在欧洲和日本，也分别有类似的项目在进行。我国高科技项目中国高速信息示范网 也已将列为重点并正在奋力攻关过程之中，有望在近期完成国家要求的攻关任务。 业务层节点也在加速宽带化，但其 容量还有待突破一旦传送链路和传送节点的容量有了突破，网络的容量瓶颈将开始转移到业务节点。目前业务节点的种类很多，主要适用于核心网用的节点有交换机和路由器。
24、前者由于硬件投资高，的分段和组装（）功能随着接口速率增加而变得十分复杂困难，速率难以提高，节点容量扩展性受限，目前正转移到网络边缘。于是业务节点容量的突破将寄希望于核心路由器。传统的路由器是用软件来负责选路和转发的，速度慢，延时大，无法满足网络发展的需要。近来通过硬件体系结构的改进 从单总线单发展到多总线多和交换矩阵采用用于包转发和路由表的查寻以及第层交换与第层选路的一体化，不仅处理能力和吞吐量有了很大进展，而且可以基本保证服务质量，转发分组延时也已降至几十微秒量级，不再是大问题。此外，路由器工作在无连接方式，因而可以同时从层、层和层彻底消除问题。然而，业务量的增长是指数式的，现有的网络基础设
25、施每隔年左右就需要全面升级换代一次，网络运营者已无法忍受这样频繁的网络升级换代，要求开发能够可持续发展的新一代高性能超大容量路由器，因而各种太比特路由器应运而生。但是目前实际系统的单机架吞吐量不超过 靠多路由器端口互联来继续扩容至太比特。另外，其节点容量扩大时，端口成本迅速上升。简言之，这一代高性能路由器的容量和性能仍不能满足未来网络扩展性的要求，需要进一步探究可以经济持续扩容的有效途径。方法之一是将路由器的单级交换结构扩展为多级结构，通过互联多个较小的交换单元来制造大型的可扩展的交换矩阵。方法之二是采用创新的设计思想，已有多种实现方案，例如采用分布式交换矩阵和多维光互联背板就有可能提供巨大的
26、交换容量、线路容量、端口密度和线速转发分组能力。方法之三是在网络中引入具有灵活疏导业务量能力的和，可以从光层旁路掉不在本地下路的大量业务，从而减轻了路由器所要处理的业务量，既提高了业务节点的效率，又降低了对业务节点规模的要求。总的看，作为核心业务节点应用的实用化高性能路由器的容量和性能还有待突破性进展。 城域网面临挑战城域网的主要问题是带宽瓶颈，存在多个重叠的业务网，导致高设备成本，业务提供既复杂又慢，光纤使用率低，运行成本高，多个重叠网的管理困难。对下一代城域网的主要要求是希望采用单一公共平台支持多协议多业务，中间层最少；对传送最佳；链路容量和节点数可以不受限扩展；具有光的透明性，适应各种现
27、有和将来可能的协议；具有拓扑灵活性，可快速扩展业务；可以实现快速业务指配；集成的标准的易用的网管；低价位；支持传统语音业务。目前城域网解决方案有类，第一类是以为基础的多业务平台解决方案，思路是将与层和层设备在物理上集成为一个实体，多个节点融合成一个，减少机架、机房、功耗、架间互连，简化指配业务提供，改进扩展性，节省运营成本。但这种方案对抖动要求严，开销处理复杂，电路层上附加多个包交换层，形成多层帧，开销大，传输效率低，同时管理多个面向连接和无连接网很困难，且成本仍较高。第二类是基于层交换和层选路的方案，由点到点链路互连，运行以太网或协议，将以太网直接扩展到城域网，无须协议转换，最简单便宜；但目
28、前没有机制保证端到端性能，无法提供实时业务所需要的，也不能提供故障定位、多用户共享节点和网络所必须的计费统计能力，不能提供电信级公用网所必须的硬件和软件可靠性。第三类是城域网用解决方案，对业务和速率透明，可提供透明的以波长为基础的业务。其光接口可以自动接收和适应 范围的所有信号，将来还要求支持 的信号和以太网信号，具备波长扩展性，新的波长应能随时加上而不会影响原有工作波长。但目前这类设备的主要问题是难以提供较细的带宽颗粒，成本偏高，需要进一步努力。 面对复杂的城域网环境，上述种方案都将在特定应用场合或时间获得应用，共同构成完整的城域网解决方案，中近期很可能仍以第一种方案为主，长期则会以后两种方
29、案或其他更有效的衍生方案为主。 接入网向宽带化和化方向演进面对核心网和用户侧带宽的快速增长，中间的接入网却仍停留在窄带和模拟的水平上，而且仍主要以支持电路交换为基本特征，与核心网侧和用户侧的发展趋势很不协调。显然，接入网已经成为全网带宽的最后瓶颈，接入网的宽带化和化将成为本世纪初接入网发展的主要大趋势。接入网的局面与核心网很不一样，各种接入技术争奇斗妍。电信网上主要是发展特别是非对称的技术，辅以无线接入技术。目前已经进入大发展阶段，如果说有什么障碍的话，那就是电信运营者自己的业务经营战略考虑。在未来几年内北从 2011 年开始，中国电信将以无源光网络（PON）技术为基础构建 “百兆进户、千兆进楼、T 级出口”的宽带网络能力，结合高性能路由集群、IPv6 等关键技术，打造宽带化、IP 化、扁平化、融合化为核心特征的可管可控的绿色高性能光通信网络。
