IP over X 網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)

　　張帝 北京郵電大學(xué)光通信中心

　　柏逢明 馬莉 長(zhǎng)春理工大學(xué)電信工程學(xué)院

　　摘要：本文分析了IP over X多種組網(wǎng)技術(shù)的原理和特點(diǎn)，在對(duì)其性能進(jìn)行比較分析的基礎(chǔ)上，指出了未來組網(wǎng)方案的發(fā)展趨勢(shì)。

　　關(guān)鍵字：SDH, ATM, MPLS, DWDM, OPS

　　1.引言

　　1969年底，美國(guó)試驗(yàn)的分組交換網(wǎng)ARPENET正式投入運(yùn)行，標(biāo)志計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)嶄新的紀(jì)元。雖然最初的分組交換網(wǎng)只供高校、研究機(jī)構(gòu)和政府部門使用，但其規(guī)模一直飛快增長(zhǎng)。20世紀(jì)90年代初，Internet開始走入商業(yè)化，IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)得以迅猛發(fā)展，尤其是20世紀(jì)90年代中期，歐洲原子核工業(yè)組織CERN研發(fā)的WWW問世，使得以Internet為代表的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以25%～30%的年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)量每6～12個(gè)月翻一番，其遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電信網(wǎng)的主導(dǎo)業(yè)務(wù)5%～10%的年增長(zhǎng)率。IP 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量如此高速的增長(zhǎng)，尤其是在經(jīng)過ATM與IP一番較逐之后，經(jīng)過市場(chǎng)洗禮的IP技術(shù)被業(yè)界確定為未來組網(wǎng)的核心技術(shù)，它給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)帶來了深遠(yuǎn)的影響，因此，如何實(shí)現(xiàn)IP業(yè)務(wù)高速、安全地傳送和快速地交換成為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究熱點(diǎn)；另一方面，自20世紀(jì)80年代起至今，在數(shù)據(jù)分組傳送方面先后出現(xiàn)了SDH、ATM、MPLS、WDM(DMDM)、OPS和軟交換等技術(shù)，它們從不同方面滿足了運(yùn)營(yíng)商和客戶的需求，使得IP技術(shù)與他們的結(jié)合而產(chǎn)生了不同的組網(wǎng)方案，如圖1所示。經(jīng)過近十多年的發(fā)展，現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化、組網(wǎng)技術(shù)分組化、傳輸技術(shù)光纖化、信息傳輸安全高速化、業(yè)務(wù)種類多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。

　　本文旨在對(duì)IP架構(gòu)于SDH、ATM、MPLS、WDM(DMDM)、OPS等技術(shù)之上的基本原理及其特點(diǎn)進(jìn)行闡述，并在現(xiàn)有各種組網(wǎng)方案性能比較基礎(chǔ)上，指出未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展態(tài)勢(shì)。

　　2.IP over X組網(wǎng)方案

　　2.1 IP over SDH

　　同步數(shù)字傳送體系（SDH，Synchronous Digital Hierarchy）是國(guó)際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU-T，原國(guó)際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)CCITT）于1988年接受SONET概念并經(jīng)重新命名而提出的，它以同步復(fù)用、動(dòng)態(tài)指針調(diào)整及組網(wǎng)靈活為特點(diǎn)，使歐洲、北美和日本3個(gè)地區(qū)性標(biāo)準(zhǔn)在STM-1等級(jí)達(dá)到統(tǒng)一；通過光接口標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)了多家廠商的產(chǎn)品橫向兼容；通過豐富的開銷比特提高了網(wǎng)絡(luò)的OAM能力（諸如故障檢測(cè)、端到端性能監(jiān)視等）。另外，SDH通過使用終端復(fù)器（TM）、分插復(fù)用器（ADM）和數(shù)字交叉連接器（DXC）等網(wǎng)元，可非常方便靈活的組成線型、星型、環(huán)型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上/下路靈活，并且網(wǎng)絡(luò)自身具有很高的生存性（保護(hù)恢復(fù)和自愈能力很強(qiáng)）。

　　IP over SDH通常采用IP/PPP/HDLC三層封裝幀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。首先，在IP數(shù)據(jù)包的外部加上PPP封裝，指明內(nèi)部是IP數(shù)據(jù)分組；然后，再進(jìn)行HDLC封裝，加上相應(yīng)的標(biāo)志位、地址位、控制字符及幀校驗(yàn)序列等，提供相應(yīng)的幀差錯(cuò)控制功能，解決幀定界等問題；最后，將面向比特的HDLC按字節(jié)同步方式映射入SDH的VC中。針對(duì)此方案，ITU-T定義了與此類似的專門用于IP over SDH的LAPS（Link Access Protocol-SDH）鏈路層規(guī)程，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了開銷字節(jié)。

　　經(jīng)實(shí)踐證明：IP over SDH保留了Internet面向無連接的特征，簡(jiǎn)化了體系結(jié)構(gòu)，提高了傳輸效率，降低了成本，但I(xiàn)P over SDH缺乏QoS支持能力，網(wǎng)絡(luò)流量和擁塞控制能力較弱，且不支持VPN。

　　2.2IP over ATM

　　異步傳遞模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）是作為B-ISDN網(wǎng)絡(luò)的最終解決方案而被CCITT提出的。它是通過固定長(zhǎng)度的信元Cell（53Bytes）以面向連接的方式工作的，不同種類的業(yè)務(wù)經(jīng)過不同的AAL協(xié)議（AAL1、AAL3/4、AAL5）適配到ATM層，最后經(jīng)過連接接納控制CAC(Connection Admition Control)和使用參數(shù)控制UPC(Usage Parameter Control)來實(shí)現(xiàn)ATM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)接入和網(wǎng)絡(luò)流量的管理與控制。

IP over ATM工作方式如下：IP數(shù)據(jù)包在經(jīng)ATM交換機(jī)或ATM路由器交換中轉(zhuǎn)時(shí)，首先經(jīng)地址解析協(xié)議ARP解析IP數(shù)據(jù)包包頭，確定下一跳的ATM地址；然后，通過信令交換，建立ATM連接，再將AAL層數(shù)據(jù)經(jīng)SAR（Segmentation and Reassembly）裝入信元Cell，并加入相應(yīng)的業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)和參數(shù)控制；最后，在已建立的連接基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全快速傳遞、轉(zhuǎn)換。其實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

　　IP over ATM組網(wǎng)技術(shù)適用于多業(yè)務(wù)應(yīng)用環(huán)境，能支持QoS要求較高的業(yè)務(wù)，并支持VPN，但其最大問題是帶寬利用率低，尤其是在信元不能完全填充時(shí)，利用率更低。另外，ATM本身的技術(shù)復(fù)雜性也大大增加了組網(wǎng)的成本。

　　2.3IP over MPLS

　　多協(xié)議標(biāo)記交換（MPLS，Multi-protocol Label Switching）是在IP over ATM之后，經(jīng)過模型重疊，模型集成演變過程，最終由IETF于1997年制定的標(biāo)準(zhǔn)，是IP網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用與ATM組網(wǎng)技術(shù)成熟性相結(jié)合的產(chǎn)物，被業(yè)界認(rèn)為是當(dāng)今數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最有前途網(wǎng)絡(luò)解決方案之一，并被評(píng)選為美國(guó)電信雜志（Telecommunications）評(píng)出的“99年十大熱門技術(shù)”之一。

　　MPLS在OSI模型中位于IP層和數(shù)據(jù)鏈路層之間，屬于2.5層技術(shù)，它根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層傳遞下來的IP數(shù)據(jù)包包頭，將其歸入相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)等價(jià)類FEC(Forwarding Equivalence Class)，并加入相應(yīng)的標(biāo)記（Label），憑此在第2.5層實(shí)現(xiàn)分組交換，從而實(shí)現(xiàn)快速有效的轉(zhuǎn)發(fā)，其幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　MPLS實(shí)用價(jià)值在于它能夠?yàn)镮P這樣面向無連接型網(wǎng)絡(luò)提供面向連接的服務(wù)，其基本內(nèi)核就是將IP業(yè)務(wù)加到面向連接的ATM或幀中繼基礎(chǔ)設(shè)施上，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。IP over MPLS組網(wǎng)方案的核心設(shè)備是標(biāo)記交換路由器LSR(Label Switching Router)，LSR依據(jù)標(biāo)簽索引，進(jìn)行IP數(shù)據(jù)包的快速交換。其中，LSR的標(biāo)簽綁定工作既可采用捎帶分發(fā)的方法來實(shí)現(xiàn)，也可通過BGP（Border Gateway Protocol）、IGP（Interior Gateway Protocol)、OPFS(開放路徑最短)、LDP等協(xié)議實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽分發(fā)。

　　由于IP over MPLS是在IP over ATM基礎(chǔ)上提出的，ATM交換機(jī)和ATM路由器只要通過簡(jiǎn)單的設(shè)備升級(jí)，即可實(shí)現(xiàn)IP over MPLS的功能，因此，IP over MPLS具有IP over ATM的所有優(yōu)點(diǎn)，同樣，它仍然無法擺脫“電子瓶頸”問題的束縛；另外，它有較大的信頭開銷，最大時(shí)可達(dá)36%，造成網(wǎng)絡(luò)資源的極大浪費(fèi)。

　　2.4 IP over DWDM

　　密集波分復(fù)用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）是在網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬隨網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)的不斷增加而即將“耗盡”的情況下，伴隨光子技術(shù)的不斷進(jìn)步，光互聯(lián)網(wǎng)主要器件（如光分插復(fù)用器OADM、OXC、光轉(zhuǎn)發(fā)器、光再生器OUT、寬帶放大器、高速可調(diào)激光器和路由器等）性能不斷提高而提出的倍受運(yùn)營(yíng)商青睞的新技術(shù)。WDM(DWDM)技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)擴(kuò)容，發(fā)展寬帶新業(yè)務(wù)，充分挖掘和利用光纖帶寬，提高通信系統(tǒng)性價(jià)比和經(jīng)濟(jì)性，滿足不斷增長(zhǎng)的電信網(wǎng)絡(luò)和Internet業(yè)務(wù)的需求，實(shí)現(xiàn)超高速通信具有十分重要的意義。經(jīng)分析表明，在擴(kuò)容相同條件下，應(yīng)用WDM(DWDM)技術(shù)比單純的依賴增加光纖數(shù)量可減少成本30%～50%。

　　IP over DWDM就是將IP數(shù)據(jù)報(bào)直接映射到DWDM的光層，通過光通道，在光域?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)募夹g(shù)。根據(jù)各段建立光通道所用波長(zhǎng)一致性與否，可將光通道分為連續(xù)波長(zhǎng)通道（WP，Wavelength Path）和虛波長(zhǎng)通道（VWP，Virtual Wavelength Path），使用VWP可提高系統(tǒng)的靈活性，信道的利用率，降低阻塞率。利用WDM傳輸IP數(shù)據(jù)包，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)速率和幀格式透明傳輸，從根本上擺脫“電子瓶頸”的束縛，提高交換節(jié)點(diǎn)的吞吐量和系統(tǒng)傳輸交換速度，降低時(shí)延。目前，DWDM網(wǎng)絡(luò)正逐步從骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)和接入網(wǎng)推進(jìn)，相信在不久的將來即將實(shí)現(xiàn)。

　　2.5 其它組網(wǎng)方案

　　IP over MPLambdaS技術(shù)，是將MPLS應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)而提出的一種新穎的組網(wǎng)方案，它是MPLS和波長(zhǎng)交換技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。其工作過程如圖6所示。它將第三層的IP 地址映射成光通道標(biāo)識(shí)符（OVPI，Optical Virtual Path Identifier），網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)主要是根據(jù)OVPI對(duì)封裝在其凈荷中的IP包執(zhí)行轉(zhuǎn)發(fā)操作，從而根據(jù)標(biāo)簽索引的方式，實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包的快速轉(zhuǎn)發(fā)。

　　光分組交換（OPS，Optical Packet Swithing）是以光分組的形式來承載IP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，分組中的凈荷部分在光域中完成端到端的傳輸，而控制部分（即信頭）可在光域或經(jīng)過O/E/O轉(zhuǎn)換在電域進(jìn)行處理的技術(shù)。它是針對(duì)IP over DWDM顆粒度太大，不能實(shí)現(xiàn)靈活的流量管理和資源利用而提出的。利用OPS技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)資源共享，降低數(shù)據(jù)交換的顆粒度，提高系統(tǒng)的靈活性。尤其是它可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光突發(fā)交換機(jī)制（OBS），即將一段時(shí)間內(nèi)去往同一信宿的多個(gè)分組封裝成一個(gè)較大的突發(fā)包，一起進(jìn)行路由和控制，實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包高速傳輸。另外，光分組網(wǎng)絡(luò)OPN同DWDM一樣，對(duì)數(shù)據(jù)速率、幀格式及高層協(xié)議透明，能從根本上解決“電子瓶頸”問題并能滿足多樣化的業(yè)務(wù)需求。

　　另外，在現(xiàn)今的接入網(wǎng)中，還存在著IP over Ethernet和IP over ADSL等多種組網(wǎng)方式，感興趣的讀者可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

　　綜上所述，IP over X的組網(wǎng)方案多種多樣，他們的性能各異，如表1所示，每一種組合都有其一定的優(yōu)勢(shì)，在一定時(shí)期和特定的環(huán)境下，滿足了客戶和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求。

　　3. 結(jié)束語(yǔ)

　　無論從IP over ATM到IP over ATM over SDH，還是從IP over MPLS到IP over DWDM，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)界出現(xiàn)了不斷思考，不但創(chuàng)新，不斷前進(jìn)的局面，人們正在尋求未來高速寬帶網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)解決方案；而后來的IP over DWDM、IP over MPLambdaS和IP over OPS等組網(wǎng)方案的實(shí)現(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)性能的改善，都有待于光子器件性能的進(jìn)一步提高，由此可見，網(wǎng)絡(luò)性能向光域縱深已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度選擇，只有既能面向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，又能進(jìn)行高速傳輸；既能實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)靈活，升級(jí)容易，又能滿足網(wǎng)絡(luò)OAM的組網(wǎng)方案才能最終勝出。綜合而言，未來的網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)出以IP技術(shù)為核心的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)擴(kuò)展靈活化，網(wǎng)絡(luò)信息安全化的高速率、寬帶寬的發(fā)展趨勢(shì)。

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摘自 光纖新聞網(wǎng)