IP over SDH和IP over ATM技術對比

1 引言

近年來，隨著Internet的呈指數(shù)性增長，對廣域網(wǎng)（WAN）的帶寬提出了更高的要求。因特網(wǎng)服務提供商（ISP）正在積極探索各種技術以更好地連接其骨干路由器。常用方法是采用異步轉移模式（ATM）技術，使用155M(STM-1)直至622M(STM-4)的高速鏈路。從而產(chǎn)生了諸多IP over ATM技術，如LANE,CIPOA,MPOA等。

但是，由于運營商底層的網(wǎng)絡結構為基于光纖連接的同步數(shù)字體系（SDH）（北美為同步光纖網(wǎng)絡SONET），這使得ISP更傾向于IP over SDH技術，以提高帶寬的效率，而不是常規(guī)的IP over ATM技術。這兩種方案在業(yè)界引起了強烈的爭論。

2　SDH/SONET概要

SDH為物理層技術，用來傳輸和復用，傳輸速率可高達10Gbps，是國際電聯(lián)（ITU）標準。而SONET是美國標準委員會（ANSI）的標準，兩者只是在復用機制上有所不同，而其余技術均相似，因此，本文就以IP over SDH為例，以下簡要介紹SDH。

2.1　SDH網(wǎng)絡元素

SDH的網(wǎng)絡元素主要有同步光纖線路系統(tǒng)、終端復用器（TM）、分插復用器（ADM）和同步數(shù)字交叉連接設備（DXC）。TM主要將支路信號復接成STM信號并完成其光電轉換和逆過程，ADM具有靈活的插入和分出電路的功能，可以插入和分出如ATM交換機等信源產(chǎn)生的用戶凈荷到環(huán)中的SDH幀中。DXC完成信號的交叉連接。典型的SDH應用是在光纖上的雙環(huán)應用，雙環(huán)結構采用自動保護倒換以實現(xiàn)雙環(huán)自愈。

2.2　SDH幀結構

SDH每秒傳送8K　SDH幀（STM-N），STM-N幀是以STM-1為基礎的幀結構。盡管SDH提供同步幀結構，但它并不強制用戶凈荷位于SDH幀中的特定位置，相反，它允許用戶凈荷在幀內(nèi)浮動，使用開銷域中的指針指出用戶凈荷的開始位置。在用戶看來，SDH是提供字節(jié)同步的物理層介質。

3　ATM概述

ATM是以信元（CELL）為基本單位進行交換和復用的面向連接的傳輸機制，定長的53字節(jié)的ATM信元便于實現(xiàn)基于硬件的交換。ATM使用VCC或VPC連接，使用信元頭中的VPI/VCI標識每一連接。

ATM不但是數(shù)據(jù)鏈路層技術，還具有完整的網(wǎng)絡層和傳輸層的各種特性，例如尋址、路由以及流控，ATM允許多個用戶數(shù)據(jù)流共享有效的鏈路帶寬，但每一連接必須預先設定QoS。話音、數(shù)據(jù)、圖像和視頻流等都可以應用在ATM上，但對于不同的應用流需要不同的ATM適配層（AAL）來映射相應的用戶數(shù)據(jù)到ATM信元。

ATM可以運行在不同的物理介質上，ATM層產(chǎn)生信元然后交給物理層并由其完成從物理介質上發(fā)送和接受相應的信號。SDH/SONET是ATM的物理層之一，由于SDH幀中的凈荷不是53字節(jié)的信元的整數(shù)倍，ATM信元只能直接連續(xù)地發(fā)送到SDH幀中的凈荷中。在接受時，ATM信元頭中的信元頭差錯檢測（HEC）域用來描述從SDH凈荷中來的ATM信元的正確性。

4　IP over ATM

IETF已決定用IP互連導構網(wǎng)絡，把各種異構網(wǎng)絡互連成一個單一的巨大的IP網(wǎng)。單個的網(wǎng)絡通常采用不同的物理鏈路和網(wǎng)絡技術，但假如IP運行在各種網(wǎng)絡層之上，網(wǎng)絡與網(wǎng)絡之間將實現(xiàn)無縫互連。目前IP已經(jīng)運行在多種網(wǎng)絡技術之上，包括廣播的LAN技術，如Ethernet，電路交換WAN技術，如X.25，以及分組交換WAN技術，如交換式多兆位數(shù)據(jù)服務SMDS。

IETF于1990年開始定義IP over ATM，ATM論壇了著手開始在ATM上運行不同的第二層和第三層協(xié)議，特別是在LAN方面。

4.1　classic IP over ATM(CIPOA)

ＣＩＰＯＡ的目的是把ATM作為IP的低層數(shù)據(jù)鏈路層，而應用層還是基于傳統(tǒng)的IP。最初在傳統(tǒng)IP網(wǎng)中實現(xiàn)ATM只是用ATM替代了LAN線，正因如此，ATM網(wǎng)絡需要分割成不同的邏輯子網(wǎng)（LIS）,LIS之間通訊需要路由器。在ATM網(wǎng)中沒有廣播功能，因此，傳統(tǒng)的廣播地址解析協(xié)議（ARP）被基于客戶/服務器模式的ATM ARP協(xié)議所取代。

一個缺省的邏輯鏈路/子網(wǎng)接入?yún)f(xié)議（LIC/SNAP）封裝8字節(jié)段，用來在ATM上傳送IP和ATM　ARP包，這些包用AAL5封裝適配后直接映射到ATM信元中，這些信元用虛連接（預定的PVC或交換式的SVC）傳送。對于SVC的呼叫建立，需要ATM論壇的UNI3.1/4.0或ITU-T的Q.2931信令。

4.2 LANE局域網(wǎng)仿真

LANE是ATM論壇推出的用來在ATM網(wǎng)上仿真Eerthnet/802.3和Token Ring/802.45。利用局域網(wǎng)仿真，現(xiàn)有的LAN應用能在ATM網(wǎng)上進行通信，就像在傳統(tǒng)的用MAC地址進行尋址的LAN上一樣，可提供組播和廣播數(shù)據(jù)傳送。LANE運行在MAC層，任何第三層協(xié)議可在其上運行，相反，CIPOA只能運行IP協(xié)議。

一個仿真LAN（ELAN）由一組局域網(wǎng)仿真服務器（LES）、廣播和未知服務器（BUS）以及局域網(wǎng)仿真配置服務器（LECS）組成。一個仿真LAN是一個LAN網(wǎng)段，其與其余的LAN網(wǎng)段互通則需要橋或路由器。為傳送LAN的控制和數(shù)據(jù)報，在ATM上用2字節(jié)的封裝組，新的修訂版LANE允許使用LLC/SNAP封裝，LANE的封包用AAL5適配后封裝成ATM信元，由SVC承載。

4.3　MPOA

MPOA是ATM論壇的另一個協(xié)議，克服了CIPOA和LANE的主要缺點之一，就是不同子網(wǎng)之間通信中間路由器，中間路由器需要把信元組裝成第三層的包，進行路由選擇后再把包分段封裝成ATM信元進行轉發(fā)，MPOA允許不同的子網(wǎng)用戶之間直接建立一條較短的VCC連接，而不需要中間的重組和分段，在同一子網(wǎng)內(nèi)，MPOA和LANE相同。

MPOA包括MPOA客戶機和MPOA服務器。MPOA客戶機可以是ATM主機或通過邊緣設備與ATM相連的非ATM網(wǎng)段主機，邊緣設備之間可以進行第二層的橋接或第三層的轉發(fā)，通過短路徑的VCC傳送。MPOA客戶機具有監(jiān)視第三層的分組流的功能，當檢測到去往某一特定目的地的連續(xù)的分組流時，MPOA客戶機向MPOA服務器查詢目的地ATM地址或去往目的地的ATM邊緣設備的ATM地址，用來建立短路徑VCC。MPOA服務器用IETF定義的下一跳解析協(xié)議（NHRP）沿著相應的路由傳播解析包，直至到網(wǎng)絡目的地的出口ATM地址解析到。MPOA使用分布式虛擬路由技術，連接ATM子網(wǎng)和傳統(tǒng)的LAN子網(wǎng)的邊緣設備類似于虛擬路由器的接口卡，而與邊緣設備相連的整個ATM網(wǎng)則是虛擬路由器的轉發(fā)背板。分組轉發(fā)功能和路由計算功能相分離，路由計算由路由服務器完成，這種分離與傳統(tǒng)的路由器相比，提高了轉發(fā)效率和具有更高的吞吐量。分組使用LANE或LLC/SNAP封裝格式，用AAL5直接適配成ATM信元，使用SVC連接。

4.4　協(xié)議棧

CIPOA、LANE、MPOA作為ATM上的通用協(xié)議層（PLOA）來執(zhí)行，包括用于LLC/SNAP封裝的邏輯鏈路控制（LLC）模塊和接口信令和ATM適配層和主機呼叫控制（HCC）模塊，以用來VCC的建立和數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議棧用來描述表示前面提到的不同的IP over ATM的技術。

4.5　MPLS多協(xié)議標簽交換

IETF定義的MPLS為ATM和IP的集成模型，而不是傳統(tǒng)的重疊模型。在MPLS中，每一路由器即為交換機，在傳統(tǒng)的第三層的報頭前加上固定長度標簽（Label），通過這些標簽，在每個MPLS路由器中建立一個類似于傳統(tǒng)路由表的標簽路由表。在轉發(fā)數(shù)據(jù)報時，查找這些固定長度的標簽路由表以達到快速轉發(fā)數(shù)據(jù)報，而傳統(tǒng)的路由表查找采用的是最長前綴匹配法。MPLS使用專用的標簽分配協(xié)議（LDP），此協(xié)議用來建立傳統(tǒng)的路由表和標簽路由間的對應關系，從而在MPLS路由器之間建立一條基于標簽的數(shù)據(jù)報轉發(fā)的快捷路徑。MPLS也可以使用開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF）建立快捷路徑而不采用LDP協(xié)議。

MPLS目前只支持IPv4，但其的適用范圍不局限于ATM，其目標是任何數(shù)據(jù)鏈路層技術，只要其支持識別快捷路徑的固定長度的標簽，如以太網(wǎng)等。

5　IP over SDH

由于SDH環(huán)提供路由之間的點對點連接，因此IP包必須映射到點對點的鏈路上，最常用的技術是采用IETF的點對點協(xié)議（PPP）封裝。IP over SDH也被稱為Packet over SDH（POS）技術。

5.1 PPP

PPP是點對點的鏈路層技術，主要提供以下功能：在同一鏈路上封裝和傳輸不同的網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)報，建立、配置和測試鏈路層連接，建立和配置網(wǎng)絡層協(xié)議。PPP指定了封裝機制和鏈路控制協(xié)議（LCP），另外，PPP還需要認證、鏈路質量監(jiān)視，以及網(wǎng)絡控制協(xié)議（NCP）。

PPP采用類HDLC的成幀機制，可以運行在各種物理接口之上，如RS232、RS422和V.35等。

5.2 PPP over SDH

PPP把SDH視為字節(jié)同步鏈路，PPP幀作為字節(jié)流映射到SDH的凈荷中，在類HDLC的幀中使用相應標志來識別在SDH凈荷中的PPP幀。

5.3 協(xié)議棧

5.4 POS骨干技術

骨干網(wǎng)中采用IP over SDH，CPE設備直接連接接入服務器，接入服務器再與骨干路由器相連，骨干路由器連接SDH雙環(huán)以構成骨干網(wǎng)。

6　IP over ATM和IP over SDH技術比較

IP over SDH和IP over ATM作為兩種主要的技術，主要有以下不同：

6.1 協(xié)議開銷

ISP啟用IP over SDH的最大原因是ATM信元頭的開銷（信元稅）太大（5/53），附加的開銷還有AAL5（填充、8字節(jié)的尾）和LLC/SNAP封裝（8字節(jié)）。對于IP over ATM，假設物理層使用SDH的STM-1鏈路，IP包大小為576字節(jié)。

對于IP over PPP over SDH，也是STM-1鏈路，IP包大小為576字節(jié)。

以上比較顯示，運行在ATM之上的IP只利用線路速率的近80％，而運行在PPP over SDH的IP卻為95％，對于廣域網(wǎng)主干路由器來講，IP over SDH額外的容量將顯得十分誘人，因為在廣域骨干網(wǎng)，帶寬比較昂貴，而不像在局域網(wǎng)或園區(qū)網(wǎng)中帶寬相對比較廉價。

6.2 帶寬管理

ATM具有管理分配給每個信息流（VCC）的全套帶寬管理功能，它根據(jù)所要求的QoS分配相應的帶寬給這些VCC。因為信元交換的特性，ATM允許多信息流共享鏈路，并且保證一定的帶寬給每一信息流以滿足其QoS。

PPP并不提供任何的帶寬管理功能，它只是簡單地提供點到點的鏈路，IP必須調度其分組轉發(fā)功能，以確保每一信息流獲得公平的鏈路帶寬份額。這在低速的鏈路上將會產(chǎn)生問題，當傳輸?shù)蛢?yōu)先級的大包時將阻塞其余的高優(yōu)先級的包，比如說傳輸一個低優(yōu)先級的文件送包將阻塞對時延敏感的話音包的傳送。對于對時延第三的實時應用，在帶寬受限的鏈路上，這種時延的變化將抵消IP over SDH帶來的帶寬效率的優(yōu)勢。

6.3　服務質量QoS

服務質量有關的參數(shù)有端到端的時延，時延抖動、丟棄率和吞吐量。ATM提供了豐富的QoS參數(shù)，可以對每個VCC提供協(xié)商。智能的排隊和調度機制使得協(xié)商后的QoS參數(shù)得到保證。ATM提供不同的服務類型以與不同要求的就用相協(xié)調，比如QoS要求高的應用可用CBR、VBR業(yè)務，而對QoS要求相對低的應用，可以采用ABR和UBR業(yè)務，這些ATM的屬性使得可以容易地在IP級提供QoS，具有一定的QoS的信息流可以映射到具有相應QoS的VCC，例如話音流映射到CBR或VBR連接，而文件傳輸可以映射ABR連接。

PPP運行在單一的點到點的鏈路上，且不提供任何的QoS能力，IP層必須管理其包傳送以確保相應的信息流的服務質量。

盡管ATM提供了豐富的QoS參數(shù)，但基于QoS的服務僅限于連接的路由器之間的ATM鏈路上。為提供端到端的QoS IP，路由器必須提供智能的排隊和調度機制。因此，當IP網(wǎng)疊加于ATM網(wǎng)之上時，雖然實際的通信發(fā)生在ATM網(wǎng)上的交換機之間，但對于路由器而言，都是把ATM連接視為類似與PPP的點到點的鏈路。

6.4 尋址和路由

ATM被定義為完整的網(wǎng)絡技術，具有端系統(tǒng)尋址和路由連接的巨大功能，ATM網(wǎng)絡可以跨越地理區(qū)域，不管路由器的位置如何，可以為它們提供廣泛的連接機制。相反，PPP運行只在直連的點到點的鏈路上，沒有尋址和路由能力。

當運行IP over ATM時，需要把IP地址翻譯在相應的ATM地址，才能實現(xiàn)路由，這增加了協(xié)議的復雜性，而地址翻譯所需的流量又額外地增加了網(wǎng)絡的開銷。而PPP不需要進行地址轉換，也就沒有額外的開銷。

6.5 網(wǎng)絡可擴展性

在骨干路由器網(wǎng)中，大多數(shù)路由器之間需要通信，這就意味著需要網(wǎng)狀連接，不管是PPP還是ATM SVC。

在IP over SDH的骨干網(wǎng)中，骨干路由器必須提供點到點的鏈路，為防止鏈路故障，甚至必須建立多條鏈路，在某些場合中，為了減少路由器的跳數(shù)，骨干路由器間的鏈路必須配置為全網(wǎng)狀結構。全網(wǎng)狀網(wǎng)所需鏈路為N*(N-1)/2，也就是所謂的N2增加。一個全網(wǎng)狀網(wǎng)不但價格昂貴，而且不利擴展，因為廣域范圍內(nèi)的SDH鏈路有限。

而在IP over ATM中，由于使用SVC，ATM可以提供任何路由器間連接而不需要全網(wǎng)狀網(wǎng)，甚至ATM鏈路故障時，動態(tài)的SVC路由可以找到迂回路由以保證任何兩個路由器的連接。另一優(yōu)點是通過一個ATM接口可以實現(xiàn)與多個路由器互連，從而可以實現(xiàn)更加靈活的網(wǎng)絡工程，具有較強的擴展性，其可以在不同的鏈路上路由SVC，并且可以利用同一ATM鏈路把一臺路由器連接到不同的多個信宿，以解決N2問題。

6.6 流量控制

ATM使用連接接納控制（CAC），流量整形以及用法參數(shù)控制（UPC）或策略來確保信息流遵守流量合同，超過部分將被打上標記，在網(wǎng)絡過載時將被丟棄，通過帶標記的包或丟棄的包，終端用戶將得到擁塞信息。ATM信元級的丟棄和TCP包的丟棄的互操作性很差，為消除這一現(xiàn)象，業(yè)界已推出多種技術如部分包丟棄（PPD）、早期包丟棄（EPD）等，以使ATM識別包（AAL幀）邊界，以便在網(wǎng)絡過載時丟棄整個包而不是ATM信元。

ATM論壇又定義了ABR業(yè)務，它提供顯式的反饋流控，用允許速率來指示用戶可以向網(wǎng)絡發(fā)送的速率，這個速率將隨著網(wǎng)絡負荷的改變而改變，允許用戶接入有效的帶寬而不致于網(wǎng)絡過載。在理想狀態(tài)，ABR業(yè)務將消除信元丟棄率，而把網(wǎng)絡擁塞條件推出ATM網(wǎng)絡邊緣，這同時要求路由器能緩存更多的包以適應ATM網(wǎng)所允許的接入速率的變化。

PPP不提供任何的流控機制，只有TCP的流控直接運行在PPP鏈路上，前面已提到，不論是采用ATM或直接使用SDH，路由器都把它視為兩點之間的一定帶寬的管道，必須采用相應的緩沖機制來確保合理的吞吐量。

6.7　多協(xié)議封裝

ATM提供兩個機制以便使多協(xié)議共享同一ATM鏈路。一個VCC復用，分配每一個協(xié)議以一個單獨的VCC，ATM層復用和解復用VCC，用戶不需要添加任何的其他的封裝頭以區(qū)分不同的協(xié)議。另一個機制是LLC復用，允許多個協(xié)議復用同一VCC，它添加8字節(jié)的封裝頭到每一個封包以標識其屬于哪個協(xié)議，這種復用技術可用于VCC數(shù)量受限和需要多協(xié)議共享VCC的應用場合。

PPP采用類似于ATM LLC復用的多協(xié)議封裝格式，其使用2字節(jié)的協(xié)議標識域作為其封裝頭。對大多數(shù)應有　和而言，PPP和ATM的多協(xié)議封裝能力是相同的。

6.8　容錯性

ATM具有從錯誤鏈路中恢復并倒換到備份路由的功能，其使用動態(tài)路由協(xié)議PNNI信令，PNNI具有連接建立初始化時的重路由能力及當網(wǎng)絡故障時對已建立的連接的重路由能力，在ATM層提供錯誤恢復功能。

PPP不提供任何容錯能力，因為其運行在單一的鏈路上，但其下層的SDH具有自動保護倒換功能，當主用環(huán)故障是可倒換到備用環(huán)。當ATM的下層采用SDH時，其也具有此能力。

7　應用前景

從本質上看，采用IP over SDH，路由器間采用快速的點到點的鏈路進行連接，而采用IP over SDH，路由器通過有多采鏈路連接的網(wǎng)絡相連，這些鏈路承載著多路復用的連接，每個連接都與靈活的帶寬和協(xié)商的服務質量相關，這兩種技術之間的主要區(qū)別是速度與靈活性的對比，在某一特定場合，某一因素將起決定性作用。

7.1 ISP骨干

ISP骨干網(wǎng)典型的需求是骨干路由器之間的告訴互連以最大化包吞吐量，基于此原因， ISP及其用戶比較傾向于采用IP over SDH來互連路由器。但由于IP over SDH缺乏有效的帶寬管理、服務質量以及靈活的網(wǎng)絡工程，這種熱情在漸漸消退。另外，IP over SDH提供的快速的包傳輸能力可能超出大多數(shù)路由器的處理能力。但IP over SDH在帶寬有限同時對QoS要求不嚴的廣域網(wǎng)應用還是有很多優(yōu)勢。

7.2 業(yè)內(nèi)部網(wǎng)

跨地區(qū)企業(yè)網(wǎng)正面臨與ISP骨干網(wǎng)相同的問題，IP over SDH從成本角度看具有很多優(yōu)勢，但這些優(yōu)勢必須與取得相應的設備和服務所需代價相權衡。運營商將出售比SDH鏈路便宜的多的ATM鏈路，因為ATM具有靈活的帶寬管理功能，另外，ATM允許多協(xié)議應用包括IP應用和非IP應用共享廣域范圍內(nèi)的帶寬。

7.3 校園網(wǎng)

校園網(wǎng)不太采用SDH，因為有比SDH更廉價的物理接口，如多模光纖、屏蔽雙絞線STP以及非屏蔽五類雙絞線UTP等，即使采用SDH，由于帶寬非常寬裕，IP over SDH帶來可帶寬的高效性優(yōu)勢將不比IP over ATM的靈活性明顯。

7.4 運營商網(wǎng)絡

運營商已基本采用SDH作為其網(wǎng)絡基礎，運營商將采用ATM over ATM以提供靈活的帶寬管理以對其付費用戶保證服務質量。與IP直接運行在SDH上相比，運營商更容易提供IP over ATM。

8 結論

今天的網(wǎng)絡工業(yè)界有兩種明顯的趨勢：一種是受internet的驅動，IP迅速成為網(wǎng)絡層技術，有機會建立一個基于包的網(wǎng)絡，另一個則是SDH已被運營商廣泛地采用，成為物理網(wǎng)絡基礎結構，路由器可以基于此在廣域范圍內(nèi)互連。

在IP和SDH之間可以采用ATM或PPP，哪種傳輸技術作為主流目前還不明朗，但速度和靈活性將是選擇ATM或POS技術的決定因素。在速度是首要指標的應用中，IP over SDH更具有吸引力，而需靈活的帶寬管理、QoS和網(wǎng)絡工程的場合，IP over ATM是最好的解決方案。

作者：沈孟坤 來源：www.rti.cn