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張帝 北京郵電大學光通信中心
柏逢明 馬莉 長春理工大學電信工程學院
摘要：本文分析了IP over X多種組網技術的原理和特點，在對其性能進行比較分析的基礎上，指出了未來組網方案的發(fā)展趨勢。
關鍵字：SDH, ATM, MPLS, DWDM, OPS
1.引言
1969年底，美國試驗的分組交換網ARPENET正式投入運行，標志計算機網絡的發(fā)展進入了一個嶄新的紀元。雖然最初的分組交換網只供高校、研究機構和政府部門使用，但其規(guī)模一直飛快增長。20世紀90年代初，Internet開始走入商業(yè)化，IP數據業(yè)務得以迅猛發(fā)展，尤其是20世紀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為代表的數據業(yè)務以25%～30%的年增長率增長，業(yè)務量每6～12個月翻一番，其遠遠超過了電信網的主導業(yè)務5%～10%的年增長率。IP 網絡業(yè)務量如此高速的增長，尤其是在經過ATM與IP一番較逐之后，經過市場洗禮的IP技術被業(yè)界確定為未來組網的核心技術，它給整個網絡的架構及業(yè)務節(jié)點的功能實現(xiàn)帶來了深遠的影響，因此，如何實現(xiàn)IP業(yè)務高速、安全地傳送和快速地交換成為當前網絡的一個研究熱點；另一方面，自20世紀80年代起至今，在數據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，它們從不同方面滿足了運營商和客戶的需求，使得IP技術與他們的結合而產生了不同的組網方案，如圖1所示。經過近十多年的發(fā)展，現(xiàn)在的網絡呈現(xiàn)出業(yè)務數據化、組網技術分組化、傳輸技術光纖化、信息傳輸安全高速化、業(yè)務種類多樣化的發(fā)展趨勢。
本文旨在對IP架構于SDH、ATM、MPLS、WDM(DMDM)、OPS等技術之上的基本原理及其特點進行闡述，并在現(xiàn)有各種組網方案性能比較基礎上，指出未來網絡發(fā)展態(tài)勢。
2.IP over X組網方案
2.1 IP over SDH
同步數字傳送體系（SDH，Synchronous Digital Hierarchy）是國際電信聯(lián)盟標準化部門（ITU-T，原國際電報電話咨詢委員會CCITT）于1988年接受SONET概念并經重新命名而提出的，它以同步復用、動態(tài)指針調整及組網靈活為特點，使歐洲、北美和日本3個地區(qū)性標準在STM-1等級達到統(tǒng)一；通過光接口標準化實現(xiàn)了多家廠商的產品橫向兼容；通過豐富的開銷比特提高了網絡的OAM能力（諸如故障檢測、端到端性能監(jiān)視等）。另外，SDH通過使用終端復器（TM）、分插復用器（ADM）和數字交叉連接器（DXC）等網元，可非常方便靈活的組成線型、星型、環(huán)型等網絡拓撲結構，上/下路靈活，并且網絡自身具有很高的生存性（保護恢復和自愈能力很強）。
IP over SDH通常采用IP/PPP/HDLC三層封裝幀結構，如圖2所示。首先，在IP數據包的外部加上PPP封裝，指明內部是IP數據分組；然后，再進行HDLC封裝，加上相應的標志位、地址位、控制字符及幀校驗序列等，提供相應的幀差錯控制功能，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，進一步簡化了開銷字節(jié)。
經實踐證明：IP over SDH保留了Internet面向無連接的特征，簡化了體系結構，提高了傳輸效率，降低了成本，但IP over SDH缺乏QoS支持能力，網絡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網絡的最終解決方案而被CCITT提出的。它是通過固定長度的信元Cell（53Bytes）以面向連接的方式工作的，不同種類的業(yè)務經過不同的AAL協(xié)議（AAL1、AAL3/4、AAL5）適配到ATM層，最后經過連接接納控制CAC(Connection Admition Control)和使用參數控制UPC(Usage Parameter Control)來實現(xiàn)ATM網絡業(yè)務接入和網絡流量的管理與控制。
IP over ATM工作方式如下：IP數據包在經ATM交換機或ATM路由器交換中轉時，首先經地址解析協(xié)議ARP解析IP數據包包頭，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層數據經SAR（Segmentation and Reassembly）裝入信元Cell，并加入相應的業(yè)務服務等級和參數控制；最后，在已建立的連接基礎之上實現(xiàn)數據的安全快速傳遞、轉換。其實現(xiàn)過程如圖3所示。
IP over ATM組網技術適用于多業(yè)務應用環(huán)境，能支持QoS要求較高的業(yè)務，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，利用率更低。另外，ATM本身的技術復雜性也大大增加了組網的成本。
2.3IP over MPLS
多協(xié)議標記交換（MPLS，Multi-protocol Label Switching）是在IP over ATM之后，經過模型重疊，模型集成演變過程，最終由IETF于1997年制定的標準，是IP網絡的廣泛應用與ATM組網技術成熟性相結合的產物，被業(yè)界認為是當今數據網絡領域內發(fā)展最有前途網絡解決方案之一，并被評選為美國電信雜志（Telecommunications）評出的“99年十大熱門技術”之一。
MPLS在OSI模型中位于IP層和數據鏈路層之間，屬于2.5層技術，它根據網絡層傳遞下來的IP數據包包頭，將其歸入相應的轉發(fā)等價類FEC(Forwarding Equivalence Class)，并加入相應的標記（Label），憑此在第2.5層實現(xiàn)分組交換，從而實現(xiàn)快速有效的轉發(fā)，其幀結構如圖4所示。
MPLS實用價值在于它能夠為IP這樣面向無連接型網絡提供面向連接的服務，其基本內核就是將IP業(yè)務加到面向連接的ATM或幀中繼基礎設施上，其網絡結構如圖5所示。IP over MPLS組網方案的核心設備是標記交換路由器LSR(Label Switching Router)，LSR依據標簽索引，進行IP數據包的快速交換。其中，LSR的標簽綁定工作既可采用捎帶分發(fā)的方法來實現(xiàn)，也可通過BGP（Border Gateway Protocol）、IGP（Interior Gateway Protocol)、OPFS(開放路徑最短)、LDP等協(xié)議實現(xiàn)標簽分發(fā)。
由于IP over MPLS是在IP over ATM基礎上提出的，ATM交換機和ATM路由器只要通過簡單的設備升級，即可實現(xiàn)IP over MPLS的功能，因此，IP over MPLS具有IP over ATM的所有優(yōu)點，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，最大時可達36%，造成網絡資源的極大浪費。
2.4 IP over DWDM
密集波分復用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）是在網絡的傳輸帶寬隨網絡新業(yè)務的不斷增加而即將“耗盡”的情況下，伴隨光子技術的不斷進步，光互聯(lián)網主要器件（如光分插復用器OADM、OXC、光轉發(fā)器、光再生器OUT、寬帶放大器、高速可調激光器和路由器等）性能不斷提高而提出的倍受運營商青睞的新技術。WDM(DWDM)技術對網絡升級擴容，發(fā)展寬帶新業(yè)務，充分挖掘和利用光纖帶寬，提高通信系統(tǒng)性價比和經濟性，滿足不斷增長的電信網絡和Internet業(yè)務的需求，實現(xiàn)超高速通信具有十分重要的意義。經分析表明，在擴容相同條件下，應用WDM(DWDM)技術比單純的依賴增加光纖數量可減少成本30%～50%。
IP over DWDM就是將IP數據報直接映射到DWDM的光層，通過光通道，在光域實現(xiàn)數據高速傳輸的技術。根據各段建立光通道所用波長一致性與否，可將光通道分為連續(xù)波長通道（WP，Wavelength Path）和虛波長通道（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數據包，可實現(xiàn)數據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)點的吞吐量和系統(tǒng)傳輸交換速度，降低時延。目前，DWDM網絡正逐步從骨干網向城域網和接入網推進，相信在不久的將來即將實現(xiàn)。
2.5 其它組網方案
IP over MPLambdaS技術，是將MPLS應用于光網絡而提出的一種新穎的組網方案，它是MPLS和波長交換技術相結合的產物。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識符（OVPI，Optical Virtual Path Identifier），網絡核心節(jié)點主要是根據OVPI對封裝在其凈荷中的IP包執(zhí)行轉發(fā)操作，從而根據標簽索引的方式，實現(xiàn)IP數據包的快速轉發(fā)。
光分組交換（OPS，Optical Packet Swithing）是以光分組的形式來承載IP業(yè)務數據，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）可在光域或經過O/E/O轉換在電域進行處理的技術。它是針對IP over DWDM顆粒度太大，不能實現(xiàn)靈活的流量管理和資源利用而提出的。利用OPS技術，可以實現(xiàn)資源共享，降低數據交換的顆粒度，提高系統(tǒng)的靈活性。尤其是它可進一步實現(xiàn)光突發(fā)交換機制（OBS），即將一段時間內去往同一信宿的多個分組封裝成一個較大的突發(fā)包，一起進行路由和控制，實現(xiàn)IP數據包高速傳輸。另外，光分組網絡OPN同DWDM一樣，對數據速率、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)務需求。
另外，在現(xiàn)今的接入網中，還存在著IP over Ethernet和IP over ADSL等多種組網方式，感興趣的讀者可參考相關文獻。
綜上所述，IP over X的組網方案多種多樣，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，在一定時期和特定的環(huán)境下，滿足了客戶和網絡運營商對網絡性能的要求。
3. 結束語
無論從IP over ATM到IP over ATM over SDH，還是從IP over MPLS到IP over DWDM，整個網絡界出現(xiàn)了不斷思考，不但創(chuàng)新，不斷前進的局面，人們正在尋求未來高速寬帶網絡最優(yōu)解決方案；而后來的IP over DWDM、IP over MPLambdaS和IP over OPS等組網方案的實現(xiàn)及網絡性能的改善，都有待于光子器件性能的進一步提高，由此可見，網絡性能向光域縱深已經成為網絡發(fā)展的一個必然趨勢。從長遠的角度選擇，只有既能面向數據業(yè)務，又能進行高速傳輸；既能實現(xiàn)組網靈活，升級容易，又能滿足網絡OAM的組網方案才能最終勝出。綜合而言，未來的網絡將呈現(xiàn)出以IP技術為核心的業(yè)務數據化，網絡業(yè)務擴展靈活化，網絡信息安全化的高速率、寬帶寬的發(fā)展趨勢。
參考文獻:
[1] Rong Xu, Qian Gong, Peida Ye, “a Novel IP with MPLS over WDM-based Broad-band Wavelengh Switched IP Network,”IEEE Journal of Lightwave Technology, vol.19, No.5, May 2001, pp. 596～602
[2] Nasir Ghani,et al. “on IP over WDM Integation,” IEEE Communications Magazine, vol. 38 , No.3, Mar. 2000, pp. 72-84
[3] S.Yao and B.Mukherjee, “Advances in photonic Packet Switching: an Overview,” IEEE Communications Magazine, Feb,2000, vol.38, pp. 84-93
[4] Awduche D O, et al. “Multiprotocol Lambda Switching: Combining MPLS Traffic Engineering Control with Optical Crossconnects. IETF draft networking group, Nov. 1999:draft-awduche-mpls-te-optical-01.txt
[5] Martin Nord, “Optical Switching Technologies for fast Optical Packets Switching,” Proceeding of the 2002 4th international conference on transparent optical networks, vol. 1, Apr. 2002, pp. 21-25
[6] 徐榮，“基于MPLS技術的波長交換包網絡設計”，通信學報，第22卷，第5期，2001年5 月，pp. 109～115
[7] 張民, 趙永鵬, 張帆等, “光分組網節(jié)點結構的現(xiàn)狀與演化趨勢”，光通信技術, 2003年, 第5期, pp. 15-19
[8] 韋樂平，光同步傳輸系統(tǒng)，人民郵電出版社，1998年12月，第二版
[9] 糜正琨，軟交換技術與協(xié)議，人民郵電出版社，2002年，第一版
摘自 光纖新聞網
