IP城域网架构及关键技术研究

白鑫 吕天启

【摘要】城域网是城市信息化建设中的基础设施，在信息化技术高速发展的大背景下，网络信息高速增长，业务种类越来越多样化，传统的城域网在业务支撑、网络稳定性以及安全性等方面已经无法满足时代发展的需要。急需对现有城域网进行优化升级，提供安全、稳定的网络环境。鉴于此，本文对IP城域网架构及关键技术进行深入研究。

【关键词】IP城域网;网络架构

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                    DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.02.024

城域网（Metropolitan Area Network，MAN）是城市宽带业务的基础网络，在宽带网络传输体制上，实现语音、视频、通信传输的多媒体业务。城域网负责用户端设备的接入和网络数据传输功能，在互联网技术高度普及的今天，网络覆盖范围不断扩大，城域网建设也成为了现代城市发展的核心要素。提供更加优质的网络服务、满足不同用户的差异性需求、建设更加安全可靠的网络环境是城域网未来发展的主要方向。现代科学技术日新月异，互联网技术的高速发展，移动终端设备、物联网等技术改变了人们生活和工作方式。互联网时代信息傳输成为了左右企业竞争、人际交往、城市发展的重要因素。因此，互联网业务成为各大运营商的竞争目标。如何给用户提供高效、稳定、安全的网络服务是运营商发展的先决条件。尤其是在网络覆盖面积不断扩大的城市，原有城域网的结构和业务等方面发展相对滞后，已经无法满足当下信息传输的需求。因此，针对原有IP城域网架构需要进行优化，满足城市智能化、信息化发展的需要。

1. IP城域网基本特性

城域网是指在城市范围内建立的通信网络，具有原交换技术的局域网。在城域网中可以将不同地点的主机、数据库以及宽带连接起来。在信息化背景下，网络技术的不断普及和发展，促进了网络用户数量以及业务种类的飞速增长。城市网络规模扩大的同时，对于网络服务的质量成为人们日益关注的焦点问题。传统网络架构下，在处理海量信息的过程中会给网络造成一定的拥塞和延迟问题，同时网络安全也会受到影响，尤其是一些新兴多媒体业务对网络的多样性和差异化有了更高的要求。因此，现有的网络架构难以提供较高业务质量的服务。因此需要通过对城域网架构进行优化升级提升其信息传输质量和网络环境。IP城域网架构具备以下基本特征：

1.1 高带宽

IP城域网满足城市互联网业务的需求，使得城域网对业务流量有着较高要求。提供大容量的宽带满足城市业务数据处理，同时借助强大的灵活性，动态分配带宽，应对城市数据业务的不确定性和多样性特点。

1.2 低投入

IP城域网建设具有很明显的性价比，设备投入较低，可扩展性强，使用普通路由器和网卡连接到城域网中。用户只需要将网卡或者路由器与城域网进行匹配就可以使用，安装过程简单。

1.3 安全性高

IP城域网具有较高的安全性，使用城域网的用户包括专线用户和拨号用户。只有用户局域网内的计算机才能互相访问，为了有效杜绝对系统未经授权的访问，IP城域网具备完善的密码管理功能。如果要从外网访问，需要通过正常的路由和安全体系，虚拟拨号的用户通过宽带接入服务器，经过账号和密码验证后才能上网。

1.4 光纤接入

IP城域网使用多种网络接口满足多类型的业务需求，同时采用光纤接入的方式，业务接入设备通过光纤与骨干设备相连。光纤连接有效的降低了网络建设成本，同时组网方式也更加简单，节约了大量的金属资源。

2. IP城域网架构设计

IP城域网可以将不同地点的主机、数据库有效的连接在一起，作为骨干网络，其架构设计需要满足城市范围内信息传输的需求，需要结合区域化差异对传统网络架构进行扩展和升级，满足不同业务类型的客户对网络传输质量的要求。IP城域网在多业务并行的网络平台中，为数据交换、数据包存储与保证服务提供有效帮助。IP城域网架构如下图1所示：

2.1 核心层

核心层设备主要承接城市网络业务的调度和处理功能，将多个汇聚层凝结在一起，实现骨干网络的互通互联。核心层在设计过程中需要集中考虑可靠性和可扩展性，常采用同步数字体系（Synchronous Digital Hierarchy，SDH），实现多媒体业务的混合传输。此外，SDH传输还可以提高网络带宽的利用率，最大限度地降低城域网建设成本。

2.2 接入层

IP城域网的接入层包括接入交换机、路由器的下行部分接入到用户端。包括交换机、各种终端设备和相关线路传输设备。主要负责对用户端设备的接入，采用星型组网方式。接入层利用多种接入技术，进行带宽和业务分配，实现用户接入，接入点设备完成业务复用和传输。城域网组网采用的技术将直接影响用户有效接入和新增业务的需求。

2.3 汇聚层

汇聚层主要是进行本地业务汇集，是城域网中业务管理的重要环节。在汇聚层的设计过程中可以根据城市发展需要，选择多业务传送平台（Multi-Service Transport Platform，MSTP），在SDH基础上，实现多类型业务的接入、传输，提供统数据交换、流量控制、带宽控制，配合后台计费等功能。

IP城域网架构支持对宽带用户的接入管理、身份验证、地址管理和服务质量管理，针对不同业务提供灵活计费方式，确保网络的可运营性。IP城域网架构采用层次化、模块化结构设计，最大限度地提升网络性能，并且可以统一进行网络业务的调度和管理，降低维护难度的同时还能有效控制网络运营成本。IP城域网架构在互联网技术高速发展的大背景下，需要满足可扩充性要求，便于灵活组网和扩充。

3. IP城域网架构关键技术

IP城域网架构是网络业务开展的重要基础，具有开放性、统一性、灵活性、适用性等特点。IP城域网架构需要确保网络业务的可持续发展，满足不同业务的服务需求，可以和多种设备进行互通互联，实现网络统一化管理。IP城域网架构关键技术包括VPN技术、用户接入技術、网络连接技术等。

3.1 VPN技术

虚拟专用网络VPN常用于专用网络上的加密通信，VPN可以对数据包进行加密传输，通过互联网来凝结到VPN服务器就可以实现远程访问。VPN由客户机、传输介质、服务器组成，在共享的基础网络设施上，向用户提供安全的网络连接。合理和实用的VPN解决方案能够有效抵抗非法入侵、防范网络阻塞，确保网络安全和稳定。同时VPN还具有良好的可管理性和可伸缩性特征。

VPN技术主要有两种类型，在IP城域网架构中，主要应用的是MPLS技术，主要是在网络路由和交换设备上应用多协议标记交换技术，简化核心路由器的路由选择方式，利用结合传统路由技术的标记交换实现的IP虚拟专用网络，满足不同用户的服务需求，可以承载多种类型的业务，提供多种接入方式。

3.2 用户接入技术

对接入用户进行有效认证是确保网络安全性的重要方式。IP城域网架构需要充分考虑网络安全性要求，提供唯一并且有效的用户表示，通过该表示可以连接到城域网中，合法用户享有宽带资源、访问权限、查看服务等。IP城域网支持网络节点的备份和线路保护，配合防火墙和安全策略防止黑客攻击，提供有效的安全防范措施。

3.3 网络连接技术

汇聚层常用的技术包括双归属技术和环网技术。双归属技术是一种为链路双上行提供可靠高效的备份和切换机解决方案，常用于双上行组网。双归属方式是城域网建设中最常用的一种，两台负载均衡的设备互为备份，当一台设备发生故障时，另一台设备可以快速感知设备故障，接管故障设备的业务，确保整个系统的正常运行。双归属技术在链路上行满足可靠性和安全性要求，可以实现链路负载分担，大部分设备厂家通过自己开发出来的技术，实现自由切换，但是随着接入点的数量增加，双归属方式会带来部署复杂、难以扩充等问题。环网技术是为了城域网中传输大容量数据业务而设计的，支持环型网络拓扑，可靠性高、以太网兼容性强，利用率高，支持拓扑自动发现，站点即插即用。常用于大型城域网中，建设成本较大。IP城域网在城市范围内提供最基础的网络服务。因此，IP城域网架构的可靠性将对网络业务有着直接影响。接入城域网中的设备不仅可以进行流量控制和转发，同时还负责管理相应的子设备。

总结：综上所述，IP城域网是城市范围内，网络通信业务发展的重要基础，尤其是在城市化进程不断加快的大背景下，城市网络业务的发展以及网络覆盖面积不断扩大，对网络的服务质量提出了新的要求。一些新兴多媒体业务需要城域网提供差异化服务，同时需要具有大容量的信息处理能力，传统的城域网应对过程中，往往难以满足要求。因此，需要通过适当的优化升级来满足时代发展的需要。本文旨在讨论IP城域网的基本特征和关进技术，讨论了IP城域网设计的主要原则和关键技术，通过高效能的优化技术，提供可靠的网络通信业务，提升城市网络通信服务的整体水平，从而建立智慧城市体系，给人们提供高质量的生活体验。

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