宽带IP城域网工程设计.docx

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宽带IP城域网工程设计

毕业设计（论文）

题目：

宽带IP城域网工程设计

学院：

电子与信息工程

班级：

通信工程071班

姓名：

蒲晓鹏

学号：

200709042

指导老师：

郑玉甫

完成日期：

2011-5-30

摘要

20世纪90年代，以IP技术为基础的互联网得到了迅猛的发展。

它不仅可以传送文件、数据，也可以传送图像、视频等。

宽带IP城域网作为覆盖城市范围，为全市各类用户提供宽带接入的数据通信网络，在近年得到了快速地发展。

一方面，宽带IP城域网能够大幅提高用户的网速；另一方面，利用这个网络，可以将城市的各种网络通信业务整合在同一个平台上。

本文阐述了宽带IP城域网的概念、特征和分层结构，还阐述了IP基于SDH的多业务传输平台、IP基于波分复用（WDM）、IP基于分组的城域光传输技术（RRR（弹性分组环）和城域光以太网）等宽带IP城域网传输技术原理和铜线接入（xDSL）、混合同轴电缆（HFC）、光纤接入、以太网接入、无线接入等宽带等接入技术原理，以及IP城域网的IP地址规划、路由规划、网络管理、网络安全及QoS技术等。

并提出了甘肃电信兰州宽带IP城域网的工程建设模拟方案。

本人在规划设计的前期准备工作中，查阅了大量国内外关于宽带网络技术及城域网建设的文献资料，完成了宽带IP城域网工程设计的论文。

关键词：

宽带IP城域网，传输技术，接入技术，网络安全，工程建设

Abstract

Inthe1990s,theInternetbasedonIPtechnologyhasdevelopedrapidly.Itcannotonlysendfiles,data,alsocantransmitimages,videoandsoon.BroadbandIPMAN,coveringthewholecityandofferingbroadbandaccessdatacommunicationsnetworkforthevarioususers,hasgottherapiddevelopmentinrecentyears.Ontheonehand,broadbandMANcangreatlyimprovetheInternetspeed;Ontheotherhand,allsortsofcitycommunicationnetworkcanbeintegratedinthesameplatformfortheuseofthebroadbandIPMAN.

Thepaperexpoundstheconcept,characteristicsandlayeredstructureofthebroadbandIPMAN.Inaddition,italsofocusesonbroadbandIPMANtransmissiontechnologyprincipleincludingIPoverSDHMulti-ServiceTransportPlatform,IPoverWDM,IPoverpacket-basedMANopticaltransporttechnology（RRR（ResilientPacketRing）andMANopticalEthernet）andbroadbandaccesstechnologyprinciplewhichincludesCopperaccess（xDSL）,HybridFiberCoax（HFC）,Fiber-opticaccess,Ethernetaccess,thebroadbandwirelessaccess.ThepaperalsoreferstoIPaddressplanningofIPMAN,routerplanning,networkmanagement,networksecurity,QoStechnologyandengineeringconstructionsimulationschemesofLanzhou,GansutelecombroadbandIPMAN.ByhavinglookupalargenumberofinformationaboutbroadbandnetworktechnologyandMANconstructiontechnologybothinChinaandoverseasinthetimeofpreparation,Ihavecompletedthispaperfinally.

Keywords:

BroadbandIPMAN,TransmissionTechnology,AccessTechnology,NetworkSecurity,EngineeringConstruction

1绪论

1.1城域网的概述

1.1.1宽带IP城域网的提出

进入新世纪以来，互联网得到了迅速发展，用户爆炸式的增长和三网合一的需要对网络带宽提出了越来越高的要求，谁解决了这一问题，谁就是电信将来的大赢家。

在宽带IP网络的建设上，所有的电信运营商基本上站在同一起跑线上。

一方面，随着时代的发展，全民信息化意识有了很大提高，政府机关、学校内互联网的建设已进入普及阶段，企业、商业网大厦和部分住宅小区的局域网建设已有相当的规模，在用户习惯了内部信息高速交换之后，迫切地希望能得到高速的广域的信息交换。

另一方面，由电信建设的宽带城域网，从立足于市场竞争和兼顾业务需求的角度出发，以光纤到大楼为基础，LAN接入为主，ADSL接入作为补充，采用千兆以太网技术、动态分组传输（DynamicPacketTransmission，DPT）技术组网，以提供宽带业务为主，同时兼顾窄带业务的网络平台。

城域网的建设将使电信网络的技术水平和服务水平发生质的飞跃，大大提高电信企业形象和市场竞争力，并产生良好的社会效益和经济效益。

1.1.2IP城域网的概念

城域网（MetropolitanAreaNetwork，MAN），简称MAN，基本上是一种大型的局域网（LocalAreaNetwork，LAN），通常使用与LAN相似的技术。

之所以将MAN单独的列出的一个主要原因是已经有了一个标准：

分布式队列双总线（DistributedQueueDualBus，DQDB），即IEEE802.6。

DQDB是由双总线构成，所有的计算机都连结在上面。

IP城域网的概念是由计算机网深化而来，指介于广域网（WideAreaNetwork，WAN）和LAN之间，在城市及郊区范围内实现信息传输与交换的一种网络。

这里所说的IP城域网，是指覆盖城市范围、为全市各类用户提供宽带（通常是指2Mbit/s以上）接入的数字通信网络。

对一个城市而言，IP城域网的建设是其信息化基础设施的重要组成部分：

从技术和运营模式来看，IP城域网是计算机网络和传统电信网络的融合；从技术发展的趋势来看，IP城域网是传统电信体系发展的必然趋势。

所谓宽带IP城域网，就是在城市范围内，以IP和SDH等电信技术为基础，以光纤作为传输媒介，集数据、语音、视频服务于一体的高带宽、多功能、多业务接入的的多媒体通信网络。

宽带IP城域网是为满足网络接入层的带宽大幅度增长的需求而建立的，主要针对数据及多媒体业务。

它能够满足政府机构、金融保险、大中小学校、公司企业等单位对高速率、高质量数据通信业务日益旺盛的需求，特别是快速发展起来的互联网用户群对宽带高速上网的需求。

在地理范围上局限于城市内部（类似于电话交换网的各本地网）；在技术上综合采用了各种广域网技术（IPoverSDH、IP/MPLS等）、LAN技术（以太网技术：

10Mbit/s、100Mbit/s、1000Mbit/s、增值网（ValueAddedNetwork，VAN）等）、本地多点分布式业务（LocalMultipointDistributionService，LMDS）等；在工作层面上，它既不是LAN在地理范围上的简单扩大，也不是WAN在规模、地理范围上的缩小，而是两者巧妙、科学、合理地综合应用（取长补短地融合以及交互使用）；在传输媒质上，主要采用光纤、铜线、同轴电缆、5类非屏蔽双绞线（UnshieldedTwistedPaired，UTP）电缆、微波以及它们的综合等；在接入方式上主要采用各种数字用户线路（xDSL）、光纤接入、以太网、无线接入等。

它主要提供普通家庭用户和集团用户高速接入因特网、局域网互连以及虚拟专用网（VPN）等业务。

相对于因特网来讲，它可被看作是骨干因特网的高速城域网接入（自然延伸）；相对于城域网本身来讲，它又是一个相对独立的城市范围内的宽带IP数据网络。

所以从概念上讲，它既是一个宽带接入网，又是一个“本地宽带交换网”，与普通接入网的最大区别，仅在于比接入网多了交换或交叉连接功能。

总之，宽带IP城域网应是宽带、高性能、综合多种业务、覆盖面广，既具有电信级安全可靠保证，又可满足大量IP业务增长需求，且便于维护、管理的网络[1]。

1.1.3宽带IP城域网建设的目的

IP城域网的建设将使城市的通信业务有机地整合在一个IP宽带网络平台上。

IP城域网可以实现各种IP业务，包括用户接入、认证、计费元素的统计、流量的疏导、服务质量（QualityofService，QoS）的保证以及为业务所需的各种手段。

宽带IP城域网建设的目的是建立综合信息网络，即集数字、文本、语音、图像、视频信息于同一网络的宽带综合业务网，以百/千兆级的速率在骨干网上传递信息，以千兆级的速率接入下属子网，实现通信数字化、宽带化、智能化、个人化；为用户提供各种信息服务；建立具有世界先进水平的信息化基础设施，以城区内信息中心数据库与国内外有关数据库、信息资源网络，必要的应用信息系统为基础，实现各种信息资源的快速检索、传递与充分利用，从而大大提高工作效率和生活质量；建成综合性信息网络，以局间光缆为主干传输线路，组建局端骨干光纤网；以局端机到大楼、小区的用户环路光纤构成用户光纤网，采用同轴电缆入户的宽带光纤同轴电缆混合网或光纤直接到户，并提供各种呼叫综合信息服务。

1.2城域网层次划分

1.2.1城域网的结构分层

从网络结构上来分，根据目前的技术现状和发展趋势，一般将城域网的结构分为三层：

核心层、汇聚层和接入层。

核心层采用高速路由交换技术，汇聚层采用具有综合业务能力的IP路由交换技术，接入层采用多元化宽、窄带综合接入技术、业务网络管理统一，对网络层实施管理，构建支持端到端的语音、数据、图像、及各种增值业务的可运营可管理的IP城域网。

IP城域网的组织应以便于用户接入为原则。

IP城域网的分层结构如图1所示。

图1城域网的结构分层

1.2.2核心层

核心层主要由传输网络与核心交换设备构成。

主要功能是把多个边缘汇聚层连接起来，为边缘层网络提供高速的数据交换和大容量的业务调度，同时实现与骨干网络互联，提供城市的高速IP数据出口，其网络结构的设计以网络中心业务的流量和流向为前提，重点考虑可靠性、可扩展性和可开放性。

核心层的交换技术只要有IP和ATM两种，主流设备采用吉比特或太比特路由器、大容量ATM交换设备，提供高速的核心交换功能和快速的路由功能。

核心层的传输技术主要有光纤直连、SDH、DWDM等。

传输网络一般采用高容量的传输设备，负责完数据的传送，核心由交换设备负责建立和管理承载连接，并对这些连接进行交换和路由选择。

1.2.3汇聚层

汇聚层是核心层和接入层之间的桥梁，主要实现以下功能：

对接入层比较分散的业务进行汇聚；扩大核心层节点的业务覆盖范围；汇聚接入节点，解决接入节点到核心节点间光纤资源紧张问题；实现接入用户的可管理性，当接入层节点设备不能保证用户流量控制时，需要由汇聚层设备提供用户流量控制及其它策略管理功能。

汇聚层节点一般为大容量路由器、ATM交换机、局域网交换机和宽带接入服务器等。

此外，出基本的数据转发业务外，汇聚层还必须能够提供必要的服务层面的功能，包括带宽的控制、数据流QoS优先级的管理、安全性的控制、IP地址翻译（NAT）、数据流量整形等一系列的功能。

1.2.4接入层

接入层处在网络末端，进行业务的接入。

接入层是技术最丰富、对成本最敏感的区域，当前接入层可供选择的技术主要有xDSL、光纤接入、以太网接入及无线接入等。

接入层的作用是将终端用户接入到宽带城域网络中，是网络向用户延伸的“最后一公里”。

接入层通过各种接入技术和线路资源实现对不同业务需求、不同地里分布覆盖。

为了快速有效地吸纳用户，其设备应提供丰富的业务接口；具有多业务的承载能力和QoS保证，能对胡节点实现一定的流量控制及其它策略管理功能。

接入层负责提供各种类型的用户的接入，在有需要时提供用户流量控制功能。

接入层节点的设置主要是为了将不同地理分布的用户快速有效地接入骨干节点。

接入层节点可以根据实际环境中用户数量、距离、密度等的不同，设置一级或多级联接入，由于用户端设备端口需求量较大，因此，要求接入的设备要有优良的性价比。

1.3网络设计的总体要求

1.3.1组网原则

宽带IP城域网的组建在以下原则下进行，以利于网络的发展。

（1）实用性原则：

采用成熟、先进的技术。

能满足现行业务的管理，并能适应将来业务发展的要求。

（2）可靠性原则：

设计详尽的故障处理方案，保证系统运行的稳定性和可靠性。

（3）标准性和开放性原则：

系统的设计应符合国际标准和工业标准，采用开放式系统体系结构，保证城域网络与其他网络互联。

（4）先进性原则：

采用先进的技术，选用的技术和软硬件产品应具备持续性发展能力以维持系统的先进性。

（5）安全性原则：

系统应具有多层次的安全保护措施，以满足用户身份鉴别和保密性等要求。

（6）扩展性原则：

在用户业务不断发展的情况下，系统应可不断升级和扩充，保证系统可用。

（7）经济性原则：

系统在保证性能强大、先进的同时应考虑经济性，选用具有最佳性价比的产品。

1.3.2网络设计的技术要求

（1）可靠性和自愈能力

1）链路冗余：

在主干连接具备可靠的线路冗余方式。

2）模块冗余：

主要设备的所有模块和环境部件应具备1+1或1：

N热备份的功能，切换时间小于3秒。

所有模块具备热插拔的功能。

系统具备99.999%以上的可用性。

3）路由冗余：

网络的结构设计应提供足够的路由冗余功能，在一个足够复杂的网络环境中，网络连接发生变化时，路由表的收敛时间应小于30秒。

（2）拥塞控制与服务质量保障

拥塞控制和服务质量保障（QoS）是公众服务网的重要品质。

由于接入方式、接入速率、应用方式、数据性质的丰富多样，网络的数据流量突发是不可避免的，因此，网络对拥塞的控制和对不同性质数据流的不同处理是十分重要的。

（3）网络的扩展能力

1）端口密度扩展：

设备的端口密度应能满足网络扩容时设备间互联的需要。

2）主干带宽扩展：

主干带宽应具备4～8倍甚至更高的带宽扩展能力，以适应IP类业务快速增长的需要。

（4）与骨干网络的互联

保证与骨干网络的无缝连接；保证与现有传输网络的无缝互联。

（5）通信协议的支持

支持路由选择协议（RoutingInformationProtocol，RIP）、RIPv2、开放式最短路径协议（OpenShortestPathFirst，OSPF）、BGP-4域间路由协议及多协议标记交换（MultipleprotocolLabelSwitching，MPLS）等多种国际标准的通信协议。

（6）网络管理与安全体系

1）支持整个网络系统各种网络设备的统一网络管理。

2）支持故障管理、记帐管理、配置管理、性能管理和安全管理五大功能。

3）支持系统级的管理，包括系统分析、系统规划等。

4）网络设备支持多级管理权限。

5）支持安全监控和控制机制，当发现存在安全漏洞和遭到攻击时，应及时通知网络管理人员，并应自动采取适当的措施予以保护[2]。

2宽带IP城域网的关键技术

2.1IP技术

2.1.1IP简介

IP是英文InternetProtocol的缩写，意思是“网络之间互连协议”，就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。

在因特网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信是应当遵守的规则。

任何厂家生产的计算机系统，只要遵守IP协议就可以与因特网互联互通。

正是因为有了IP协议，因特网才得以迅速发展成为世界上最大的、开放的计算机通信网络。

因此，IP协议也可以叫做“因特网协议”。

IP技术采用传输控制/网络通讯协议（TransmissionControlProtocol/InternetProtocol，TCP/IP），使世界各地成千上万个用户进行通信和资源共享。

IP层协议在TCP/IP确立的网络层次结构中起着核心作用：

其一，采用无连接方式传递数据报，这样上层应用不用关心低层数据传输的细节，可以提高数据传输的效率。

其二，通过IP数据报和IP地址将各种物理网络技术统一起来，达到屏蔽低层技术细节，向上提供一致性的目的。

这样可以使物理网络的多样性对上层透明。

因此，Internet可以充分利用各种通信媒介，从而将全球范围内的计算机网络通过统一的IP协议连在一起。

IP协议中还有一个非常重要的内容，那就是给因特网上的每台计算机和其它设备都规定了一个惟一的地址，叫做“IP地址”。

从概念上来说，地址是系统中某个对象的标识符。

在物理网络中，各站点都有一个机器可以识别的地址，该地址称为物理地址（也叫硬件地址或MAC地址）。

这样，全网的物理地址差异就被IP层屏蔽，通称IP层所用的地址为互联网地址，或IP地址。

它包含在IP数据报的头部。

在互联网中，统一通过上层软件（IP层）提供一种通用的地址格式，在统一管理下进行分配，确保一个地址对应一台主机。

2.1.2TCP/IP体系结构

（1）异种网互联

所谓异种网一般是指网络协议层次结构不同。

协议功能不同以及协议细节不同的网，因此异种网互联也就是不同协议的转换。

具体实现异种网互联有两种方式：

1）应用程序级互联：

网络互联通过应用程序进行，应用程序直接建立在物理网络上，没有中间协议。

2）网络级互联：

与应用程序级互联相比，网络级互联在系统中增加了若干中间层次（主要是网络层），使应用程序不直接处理硬件连接。

网络级互联的目标是建立一个统一、协作的、提供通用服务的通信系统。

这就是TCP/IP的基本思路，也是它的灵活性和通用性实质所在。

（2）TCP/IP分层模式

TCP/IP体系结构已经成为当今网络协议的主流和事实上的工业标准，得到了广泛的响应和支持。

TCP/IP这个术语并不仅仅指网际协议（IP）和传输控制协议（TCP），它包括许多与之相关的协议和应用程序，是一个协议簇。

TCP/IP协议遵从一个四层概念模型：

应用层、传输层、网络层、网络接口层。

上层协议层需要低层的协议层提供服务，这样，当任何一个计算机应用模块有网络通信的需求时，只要按照标准的接口使用低层协议模块提供的网络服务即可。

TCP/IP的网络体系结构及各协议所处的位置如表1给所示。

作为比较，图中也给出了OSI七层参考模型。

应用层

FTPHTTPTelnetSMTPPOP3SNMPDNS

传输层

TCPUDP

网络层

IPICMPARPIGMP

网络

接口层

Ethernet

FDDI

ATM

FR

X．25

ISDN

表1TCP/IP和OSI网络体系结构

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

链路层

物理层

1）应用层

TCP/IP最高层是应用层，应用程序通过该层访问网络。

这一层有许多标准的TCP/IP工具与服务，比如文件传输协议（FileTransferProtocol，FTP）、简单网络管理协议（SimpleNetworkManagementProtocol，SNMP）、简单报文传送协议（SimpleMessageTransferProtocol，SMTP）等。

2）传输层

传输协议在计算机之间提供端到端的通信。

两个传输协议分别是传输控制协议TCP和用户数据报协议（UserDatagramProtocol，UDP）。

TCP为应用程序提供可靠的通信连接。

适合于一次传输大批数据的情况。

并适用于要求得到响应的应用程序。

UDP提供了无连接通信，且不对传送包进行可靠保证，适合于一次传输少量数据，数据的可靠传输由应用层负责。

传输协议的选择依据数据传输方式而定。

3）网络层

网络层协议负责相邻计算机之间的通信。

它将数据包封装成Internet数据报，并运行必要的路由算法。

四个网络层协议是：

网际协议（IP）、地址解析协议（AddressResolutionProtocol，ARP）、网际控制报文协议（InternetControlMessagesProtocol，ICMP）和互联网组管理协议（TheInternetGroupManagementProtocol，IGMP）。

4）网络接口层

这是TCP/IP网络模型的最低层，负责数据帧的发送和接收。

这一层从IP层接收IP数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给IP层。

2.1.3TCP/IP协议数据

在TCP/IP模式中，数据从一层传递到另一层。

在这个过程中，每一层的协议软件（称为模块）为上一层进行数据封装。

数据封装是一个按照较低层协议要求的格式保存数据的过程。

在TCP/IP各层中数据单位的名称随着相应协议的不同而不同。

物理层用比特串表示所有数据；数据链路层将数据帧（又称物理帧）作为数据单位；网络层将口数据报作为数据单位；至于传输层，它采用TCP时将TCP段或TCP传输报文作为数据单位，采用UDP时将UDP数据报作为数据单位；应用层将应用报文作为数据单位[3]。

TCP/IP帧格式如图2所示。

本地网络头

IP头

TCP/DUP头

应用数据

本地网络尾

应用报文

UDP数据报或TCP段

IP数据报

本地网数据帧

图2TCP/IP帧格式

2.2宽带IP城域网的传输技术

2.2.1基于SDH的多业务传输平台

过去的SDH传输网支持的主要是固定速率的业务（如传统话音业务），SDH很容易将其适配到固定容量通道中，但对于可变速率的数据业务和任意速率业务，SDH则显得不够灵活，特别是传送效率不高。

但由于SDH设备应用普遍、标准统一、管理能力健全且具有完善的保护机制，所以在原来SDH技术基础上增加“多业务”能力，建立多业务传输平台（Multi-ServiceTransferPlatform，MSTP）可充分发挥SDH技术的优点。

　基于SDH的MSTP技术的主要优点可归纳如下：

（1）基于SDH的MSTP是在传统的SDH传输平台上集成2层（数据链路层）以太网、ATM等处理能力，以此将SDH对实时业务的有效承载和网络2层、甚至3层技术（如以太网、ATM、RPR、MPLS等）所有的数据处理能力有机结合起来，增强了传送节点对业务类型的综合承载能力。

（2）具有良好的网络保护倒换性能、具