寬帶骨干網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜述

隆克平 李云 陳前斌

　　較早出現(xiàn)的寬帶骨干網(wǎng)絡(luò)的分組交換技術(shù)有X.25、幀中繼，到后來的IP、ATM以及MPLS技術(shù)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前，IP技術(shù)成為主流的寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，未來將朝著以光互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為主流技術(shù)的超寬帶信息網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。

　　幀中繼

　　幀中繼（FR：Frame　Relay），是一種面向連接的快速分組交換技術(shù)。是八十年代初發(fā)展起來的一種數(shù)據(jù)通信技術(shù)，它是從X.25分組通信技術(shù)演變而來的。由于傳輸技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率大大降低，分組通信的差錯恢復(fù)機制顯得過于繁瑣，幀中繼將分組通信的三層協(xié)議簡化為兩層，即在OSI第二層以簡化的方式傳送數(shù)據(jù)，僅完成物理層和鏈路層核心層的功能，網(wǎng)絡(luò)不進(jìn)行糾錯、重發(fā)、流量控制等，而將這些功能留給智能終端去處理。從而大大縮短了處理時間，提高了效率。但幀中繼的最大問題是沒有業(yè)務(wù)質(zhì)量等級的相關(guān)規(guī)定，不能確保高業(yè)務(wù)的QoS要求。

　　異步轉(zhuǎn)移模式

　　異步轉(zhuǎn)移模式（ATM:Asynchronous Transfer Mode）[1]是一種快速分組交換技術(shù)，ITU-T推薦其為寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)B-ISDN的信息傳輸模式。ATM將信息組織成信元，其包含的來自某用戶信息的各個信元不需要周期性出現(xiàn)，這種傳輸模式是異步的。

　　ATM信元是固定長度的分組，共有53個字節(jié)，分為2個部分。前面5個字節(jié)為信頭，主要完成尋址的功能；后面的48個字節(jié)為信息段，用來裝載來自不同用戶，不同業(yè)務(wù)的信息。話音、數(shù)據(jù)、圖像等所有的數(shù)字信息都要經(jīng)過切割，封裝成統(tǒng)一格式的信元在網(wǎng)中傳遞，并在接收端恢復(fù)成所需格式。由于ATM技術(shù)簡化了交換過程，去除了不必要的數(shù)據(jù)校驗，采用易于處理的固定信元格式，所以ATM交換速率大大高于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)，如x.25，DDN，幀中繼等。

　　ATM網(wǎng)絡(luò)采用了一些有效的業(yè)務(wù)流量監(jiān)控機制，對網(wǎng)上用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控，把網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生的可能性降到最小。對不同業(yè)務(wù)賦予不同優(yōu)先級，網(wǎng)絡(luò)對不同優(yōu)先級的業(yè)務(wù)分配不同的網(wǎng)絡(luò)資源。因此，ATM提供對話音、圖像等實時業(yè)務(wù)的QoS保證。

　　盡管ATM具有交換速度快、具有流量控制功能、提供服務(wù)質(zhì)量保證和靈活的帶寬分配等優(yōu)點，但ATM的開銷大，協(xié)議復(fù)雜，使得ATM設(shè)備的成本高，維護(hù)復(fù)雜。

　　多協(xié)議標(biāo)簽交換

　　多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS：Multiprotocol　Label　Switching）[2]屬于第二層與第三層之間的一種交換技術(shù)，它引入了基于標(biāo)簽的機制，把選路和轉(zhuǎn)發(fā)分開，由標(biāo)簽來規(guī)定一個分組通過網(wǎng)絡(luò)的路徑，數(shù)據(jù)傳輸通過標(biāo)簽交換路徑（LSP）完成。

　　MPLS網(wǎng)絡(luò)由核心部分的標(biāo)簽交換路由器（LSR）、邊緣部分的標(biāo)簽邊緣路由器（LER）組成。LSR可以看作是ATM交換機與傳統(tǒng)路由器的結(jié)合，由控制單元和交換單元組成；LER的作用是分析IP包頭，決定相應(yīng)的傳送級別和標(biāo)簽交換路徑（LSP）。由于MPLS技術(shù)隔絕了標(biāo)簽分發(fā)機制與數(shù)據(jù)流的關(guān)系，因此，它的實現(xiàn)并不依賴于特定的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，可支持多種的物理和鏈路層技術(shù)（IP/ATM、以太網(wǎng)、PPP、幀中繼、光傳輸?shù)龋�。MPLS使用控制驅(qū)動模型初始化標(biāo)簽捆綁的分配及分發(fā)，用于建立標(biāo)簽交換路徑（LSP），通過連接幾個標(biāo)簽交換點來建立一條LSP。一條LSP是單向的，全雙工業(yè)務(wù)需要兩條LSP。同時，MPLS支持流量工程和業(yè)務(wù)的服務(wù)等級。

　　由于MPLS結(jié)合了傳統(tǒng)IP和ATM技術(shù)，具有實現(xiàn)簡單，交換速度快和支持流量工程和業(yè)務(wù)的服務(wù)等級等優(yōu)點，因此，MPLS受到人們的普遍重視。

　　IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　人們提出IP技術(shù)的動機是為了實現(xiàn)異種網(wǎng)絡(luò)之間的互連，以達(dá)到資源共享和交換數(shù)據(jù)的目的。IPv4通過為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分配一個32位的IP地址來達(dá)到唯一標(biāo)識節(jié)點的目的，用戶數(shù)據(jù)封裝在IP分組中，為了將IP分組由源節(jié)點投遞到目的節(jié)點，IP通過路由協(xié)議建立源節(jié)點到目的節(jié)點的路由，IP路由器根據(jù)目的IP地址和保存的路由表實現(xiàn)IP分組的逐跳（hop by hop）轉(zhuǎn)發(fā)，直到目的節(jié)點。

　　最初，IP技術(shù)主要是為一些簡單的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)，如電子郵件、文件傳輸、遠(yuǎn)程登陸等。隨著IP技術(shù)在Internet上的成功應(yīng)用以及Internet的飛速發(fā)展，人們要求IP不僅能支持簡單的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，同時也能傳送語音、圖像等實時業(yè)務(wù)。為了保證語音、圖像等實時業(yè)務(wù)的QoS，需要改進(jìn)傳統(tǒng)的盡力而為的IP技術(shù)，以提供QoS保證。目前，提供服務(wù)質(zhì)量保證的IP QoS體系結(jié)構(gòu)有InterServ和DiffServ兩種，InterServ基于流預(yù)留資源，DiffServ基于類區(qū)分業(yè)務(wù)，對不同類型的業(yè)務(wù)，采用不同的隊列調(diào)度策略。DiffServ由于在網(wǎng)絡(luò)邊界對業(yè)務(wù)流進(jìn)行匯聚，不需要維護(hù)基于流的狀態(tài)信息，因此，同InterServ相比，DiffServ具有良好的可擴展性，更適合大型的IP網(wǎng)絡(luò)。

　　隨著Internet規(guī)模的增長，以及越來越多的移動終端接入Internet，IPv4的缺點逐漸顯露出來，主要包括：地址空間緊張、不支持節(jié)點的移動性、安全性差、不提供QoS保證等。為了解決這些問題，IPv6應(yīng)運而生，IPv6采用128位的地址空間，同時支持節(jié)點的移動性、提供QoS保證，并具有良好的安全性。因此，IPv6可能最終取代IPv4,但在IPv4向IPv6過渡的過程中，需要解決兩者的互通問題，以及由此帶來的安全問題。

　　下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——光互聯(lián)網(wǎng)及交換技術(shù)

　　互聯(lián)網(wǎng)（Internet）業(yè)務(wù)的急劇增長驅(qū)動了高速傳輸技術(shù)和高速交換/路由技術(shù)的需求。密集波分復(fù)用技術(shù)（DWDM）、吉比特（Gigabit）以太網(wǎng)與太比特（Terabit）級交換機/路由器的出現(xiàn)使得建立高效、大容量、高帶寬的光纖網(wǎng)絡(luò)成為可能。為了使得網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更具擴展性、靈活性和動態(tài)性，面向互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的下一代光網(wǎng)絡(luò)，已由IP-over-Sonet/SDH向IP-over-（D）WDM網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，IP-over-（D）WDM將成為下一代光互聯(lián)網(wǎng)的首選結(jié)構(gòu)。

　　目前提出的實現(xiàn)IP-over-（D）WDM的交換技術(shù)方案有3種：光電路交換/波長路由（Optical　Circuit　Switching）、光分組/信元交換（Optical　Packet　Switching）和光突發(fā)交換（Optical　Burst　Switching）。光電路交換采用雙向資源預(yù)留方式設(shè)置光通路，中間節(jié)點不需要光緩存，可提供服務(wù)質(zhì)量保證；但是光電路交換是粗粒度的，不能實現(xiàn)統(tǒng)計復(fù)用，帶寬利用率低，不適于傳輸突發(fā)速率的數(shù)據(jù)；對長距離網(wǎng)絡(luò)來說，其環(huán)回時間與延遲長；由于波長數(shù)目有限，還不能建立全連接的網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載的不均衡。光分組/信元交換能對DWDM的巨大帶寬進(jìn)行更靈活、更有效地分配和利用，然而光分組交換對光子器件提出了很高的要求，有很多關(guān)鍵技術(shù)（如快速嚴(yán)格同步、光緩存等）尚未解決。光突發(fā)交換（OBS）結(jié)合了電路交換和分組交換這兩種交換的優(yōu)點，同時又克服二者的不足，即在較低的光子器件要求下，實現(xiàn)面向IP的快速資源分配和高資源利用率。它是一種單向資源預(yù)留方案，其控制分組和數(shù)據(jù)突發(fā)（Data　Burst：由去往同一出口地址和具有相同的屬性的多個IP包會聚而成）在傳輸信道和傳輸時間上是分離的�？刂品纸M先于數(shù)據(jù)突發(fā)（Data　Burst）在特定密集波分復(fù)用（DWDM）信道中傳送，核心交換節(jié)點/路由器根據(jù)控制分組中的信息和網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀況為相應(yīng)的數(shù)據(jù)突發(fā)建立全光通路，數(shù)據(jù)突發(fā)經(jīng)過一段延遲（offset-time）后，在不需要確認(rèn)的情況下直接在預(yù)先設(shè)置的全光通道中透明傳輸。不需要確認(rèn)的單向預(yù)留方案減小了建立通道的延遲等待時間，提高了帶寬利用率；而數(shù)據(jù)突發(fā)和控制分組的信道分離、適中的交換粒度及非時隙交換方式降低了對光子器件的要求和中間交換節(jié)點的復(fù)雜度，如中間節(jié)點可以不使用光緩存技術(shù)，不存在網(wǎng)絡(luò)中的時隙同步問題等。

　　因此，光突發(fā)交換（OBS）被認(rèn)為是下一代全光互聯(lián)網(wǎng)理想的交換模式，已成為國際上一個熱門研究方向，目前的研究主要課題集中在：邊緣路由器的突發(fā)會聚機制及offset-time管理、網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點交換結(jié)構(gòu)和控制管理、控制/數(shù)據(jù)信道的調(diào)度算法、僅以突發(fā)丟包率為參數(shù)的OBS層的QoS支持等。典型的研究包括：美國紐約州立大學(xué)Buffalo分校的Qiao等對OBS經(jīng)過比較深入的研究，提出了一種JET（Just　Enough　Time）信令協(xié)議，并研究了基于該協(xié)議的核心節(jié)點的結(jié)構(gòu)和性能。該協(xié)議能在WDM層實現(xiàn)基本的區(qū)分服務(wù)，支持一定的服務(wù)質(zhì)量（僅以突發(fā)丟包率為QoS參數(shù)）。該小組還開展了OBS交換中的組播和MPLS（多協(xié)議標(biāo)簽交換）在OBS交換中的運用研究，提出了MPLS與OBS相結(jié)合的方案--標(biāo)簽光突發(fā)交換（LOBS）。為了降低復(fù)雜性，Y. Wei等建議采用JIT（Just In Time）信令協(xié)議，JIT協(xié)議提供盡力而為的服務(wù)，不支持WDM層的QoS。英國倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）的P.Bayvel等人提出了一種波長路由光突發(fā)交換（WR-OBS）方案，并對其性能進(jìn)行了研究，該方案以波長路由為基礎(chǔ)，更接近電路交換的概念，可以提供有服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證，但網(wǎng)絡(luò)的靈活性和帶寬利用率低，而且雖然原理上可以以波長為標(biāo)簽實現(xiàn)MPLS，但由于涉及到對波長的操作，一些（G）MPLS操作（如標(biāo)簽棧、標(biāo)記交換路徑——LSP融合等）難以實現(xiàn)。阿爾卡特研究中心的Xiong[6]等人研究了OBS網(wǎng)絡(luò)的控制結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)信道調(diào)度算法。從事這方面的研究還有美國德克薩斯大學(xué)、伊利諾斯州技術(shù)學(xué)院、意大利的羅馬大學(xué)等。國內(nèi)一些大學(xué)和研究機構(gòu)，近年來也開展了相關(guān)預(yù)研工作。

　　既然IP-over-WDM作為下一代光互聯(lián)網(wǎng)的理想網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，光突發(fā)交換（OBS）又作為IP-over-WDM網(wǎng)絡(luò)中首選的交換模式，而目前互聯(lián)網(wǎng)上大量的應(yīng)用需要服務(wù)質(zhì)量（QoS）支持，區(qū)分服務(wù)（DiffServ）由于其擴展性和易于采用電子交換/路由技術(shù)實現(xiàn)，而成為一種好的IP QoS解決方案，已被IETF標(biāo)準(zhǔn)化并得到國際上的廣泛研究。因此，在WDM層支持IP QoS便成為IP-over-WDM網(wǎng)絡(luò)中的一個挑戰(zhàn)性課題，我們在這方面進(jìn)行了探索和研究[7,8]，提出了IP DiffServ over OBS網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點功能模型及其關(guān)鍵算法。

摘自　賽迪網(wǎng)