城域网

定义

城域网是覆盖城市区域、介于局域网(LAN)和广域网(WAN)之间的公用或专用通信网络，能够同时传输语音与数据，属于 IEEE 802.6 标准所规范的网络类型^[4]。按地理范围界定，它的覆盖半径一般为方圆 10 至 60 千米，最大不超过 100 千米，其典型形态是把一座城市或一个大都会区内的主机、数据库和各个局域网互相连接^[1]。

它与相邻两个网络层次的区别在于服务对象：局域网和广域网通常服务于某个单位或系统，而城域网面向整个城市，不针对特定部门。从国际标准组织的角度看，城域网在概念上可视为一种较大型的局域网，通常采用与局域网相似的技术，其被单独列出为一种网络类别的原因之一，是它拥有专门的标准，即 IEEE 802.6 所定义的分布式队列双总线(DQDB)结构^[5]。在传输介质上，城域网主要采用光缆，传输速率可达 100 Mbps 以上^[6]。

原理

城域网在传输机制上多采用同步数字系列与同步光纤网(SDH/SONET)，该体系具备标准的网络接口与网络单元，具有较强的网络管理和维护能力，可灵活支持多种业务^[7]。在交换层面，异步传输模式(ATM)得到广泛应用，各种业务经适配后采用统一的固定长度信元进行面向连接的交换，借助虚拟连接与流量控制机制实现统计复用^[7]。以光纤为媒介的城域网还常采用密集波分复用(DWDM)，在城域光纤环网上把单波长容量聚合到 100 Gbps 乃至更高，再通过城域以太网或多协议标签交换(MPLS)为用户划分连接^[2]。

典型城域网在结构上划分为核心层、汇聚层和接入层三个层次。核心层承担高带宽的业务承载与传输，并完成与既有网络(如 ATM、帧中继、数字数据网、IP 网络)的互联互通，特征是高带宽传输与高速调度；汇聚层负责把各业务接入节点的用户数据汇聚和分发，并实现服务等级分类；接入层则运用多种接入技术完成带宽与业务分配，接入节点设备负责多业务的复用与传输。相对于局域网，城域网的介质访问控制面临不同挑战：城市尺度的传播时延带来局域网协议不会遇到的时间不对称性，早期的令牌环协议如光纤分布式数据接口(FDDI)用定时令牌轮转机制维持有时延上界的传输，无线城域网标准 IEEE 802.16 则采用面向连接的媒体接入控制层，由基站按连接逐条调度上下行资源，以区分语音、视频与数据业务的服务质量^[8]。

发展历程

城域网作为公认的网络类别在 20 世纪 80 年代形成，动力来自设施分散于同一都市区内的企业与高校对互联的需求——它们需要比早期租用电话线更快、更私密的连接，又不需要跨洲的覆盖范围。早期实现采用基于光纤分布式数据接口(FDDI)与同步光纤网等标准的光纤环网，随着速率与成本的改善，这些方案后来被基于以太网和无线技术的部署补充乃至取代^[2]。

在标准制定方面，美国国家标准化组织主持了面向城域网的 IEEE 802.6 标准，它是对更早的、基于光纤分布式数据接口结构的标准的改进，后者因实现成本高昂、与当时局域网标准不兼容而未获成功。IEEE 802.6 采用分布式队列双总线结构，支持 150 Mbps 的传输速率，由两条互不相连的单向总线构成，在 1310 纳米光波长下经光纤传输、信号显著劣化前的最大额定距离为 160 千米^[9]。这一标准本身也未能广泛推行，原因与光纤分布式数据接口大致相同，传统城域网设计随后转向同步光纤网、同步数字系列或异步传输模式，较新的设计则采用原生以太网或多协议标签交换^[9]。

同一时期，无线城域网方向也形成了标准。全球互通微波访问(WiMAX)是一项主要用于城域网的高速无线数据网络标准，由 WiMAX 论坛提出并于 2001 年 6 月成形，它在 IEEE 802.16 标准的多个版本与选项中做出选择以保证不同厂商产品的互操作性，可提供至少一英里的无线宽带接入，作为电缆和数字用户线路之外的选择^[4]。其后续升级版本 WirelessMAN-Advanced(IEEE 802.16m)是两个 4G 标准之一^[4]。

应用

城域网最主要的应用形态是宽带城域网，即在城市范围内以 IP 和 ATM 电信技术为基础、以光纤为传输媒介，把数据、语音、视频服务集于一体，形成高带宽、多功能、多业务接入的多媒体通信网络。这类网络满足政府机构、金融保险、大中小学校、公司企业等单位对高速率、高质量数据通信的需求，也满足互联网用户群对宽带高速上网的需求。

在教育领域，教育城域网把省级教育网组织为省会城市城域网、省会到地市的骨干网、地市到县区的汇聚网、县区到学校的接入网以及校园网几个部分，其中省会城市城域网是其中较易建设、投入较低的部分^[10]。在电信运营层面，城域网中的设备与光缆建设通常由电信、移动、联通等基础电信运营商承担^[6]。国际上的城域网应用还涵盖市政宽带与最后一英里接入、公用事业智能电网通信与计量基础设施、公共安全与应急通信、分布式企业与园区互联，以及交通与运输管理系统等^[2]。

局限

带宽瓶颈是城域网长期面临的首要问题。用户侧因低成本千兆比以太网的发展使局域网速率大幅提升，长途网侧因波分复用技术的发展使传输容量扩展了若干数量级，处于中间的城域网与接入网因此成为全网的带宽瓶颈^[11]。另有分析指出，过去 10 年间主干网带宽增长约 300 倍、接入带宽增长约 100 倍，而城域网带宽仅增长约 16 倍，形成了严重的城域网瓶颈^[12]。

城域以太网在扩展为公共电信服务时也暴露出一系列功能短板。它缺少保证端到端时延和抖动性能的机制，难以提供实时业务所需的全网统一服务质量指配能力，也缺少多用户共享节点和网络所必需的计费统计能力^[13]。在保护机制方面，以太网出现链路中断时依靠生成树算法处理，该算法收敛需要数十秒，视网络规模而定，而同步光纤网网络的自动保护切换只需 50 毫秒；以太网也不具备同步光纤网那样的内置告警，无法把故障网段、线路或路径隔离出来^[12]。

在扩展性上，虚拟局域网(VLAN)的标签空间受 IEEE 802.1Q 标准限制，仅定义了 4096 个标签地址，对大型服务供应商而言不够使用；由于单个生成树只允许一条无循环路径，载荷分布不均衡，可能形成瓶颈^[12]。此外，早期纯以太网式城域网还存在处理能力瓶颈、缺乏管理与认证导致可运营性弱、难以承载多协议标签交换虚拟专用网等增值业务等问题^[14]。城域网底层若长期采用为电话业务设计的固定带宽同步数字系列作传送平台，在传送突发性数据业务时效率低下，改变带宽往往意味着变更物理接口甚至业务类型^[13]。

参见

• 局域网 —— 覆盖单一建筑物或园区、在城域网之下并由其汇聚互联的网络层次。

• 广域网 —— 连接城市、国家乃至跨洲范围的网络，处于城域网之上的层次。

• IEEE 802.6 —— 面向城域网制定、采用分布式队列双总线结构的网络标准。

• WiMAX —— 以 IEEE 802.16 为基础、用于无线城域网宽带接入的技术。

• 光纤分布式数据接口 —— 城域网早期光纤环网实现所采用的标准与技术。

• 多协议标签交换 —— 现代城域网中用于承载业务与划分连接的核心技术之一。