主干网解析

主干网解析
出处不详　

一、宽带IP技术的发展动态
　　1、IP  Over  ATM
　 IP Over ATM技术的核心问题在于它只对数据流的第一个数据包进行路由地址处理，按路由转发，接着根据已计算的路由在ATM网上建立虚电路VC，以后的数据包沿着VC以直通（Cut－Through）方式进行传输，不再经过路由器，从而将数据包的转发速度提高到第二层交换程度。IP Over ATM的分层模型和网络体系结构如图1所示。
　　用ATM来承载IP业务，大抵可以分为两类：一类为迭加模式，另一类为集成模式 。
    （1）迭加模式指的是IP网的寻址是迭加在ATM寻址基础上的，通俗一点说，在迭加模式中ATM的寻址方式不是变的。IP地址在边缘设备中映射成ATM地址，IP包据此传向另一端边缘设备。迭加模式的最大特点是在ATM网中不论是用户网络信令还是网间信令均不变，对ATM网来说IP业务只是它承载的业务之一，ATM的其它功能照样存在，不受影响。最典型的迭加模式有局域网仿真（LANE）、经典地在ATM上传送IP（CIP OA—classical IP over ATM）和ATM上的多协议（MPOA—multiprotocol over ATM）等 。
　 （2）集成模式指的是将IP网设备和ATM网设备集成在一起。在集成模式中，ATM网的寻址已不再是独立的，将受到IP网设备的干预。在集成模式下，IP网的控制设备一般可称为IPC，它既具有传统路由器的功能，能完成IP网的路由功能，又具有控制建立ATM虚通路的能力。IPC是一个逻辑功能块，它可以是一个独立的物理设备，也可以是ATM交换机中的一个功能模块，但它是必不可少的。ATM交换设备一般仍为普通ATM交换机，但已有重大的改变，最大的变化是信令（UNI和NNI），它们之间的信令已不再是ATM Forum或ITU－T的信令，而是一套特别的控制方式。其目的在于能快速建立连接，以满足无连接IP业务快速切换的要求。
　　迭加模式和集成模式是按ATM信令来分类的，不能反映网络的整体性能。从网络整体性能角度出发，ATM可以有两种方法来支持IP over ATM。
    （1）ATM作为链路。使用ATM的永久性虚通路将地域上分离的路由器连接起来，这里ATM的永久性虚通路取代了传统的专线，这种工作方式即为以ATM作为链路来承载IP业务。在这种工作方式中，ATM只是作为链路将若干路由器连起来，它不参与IP网的寻径功能，因而这种IP网实质上仍是一个路由器网，不改变IP网的整体性能，只是提高了某些部分的传输速率而已。
　 （2）ATM作为网络。这种方法是ATM网以网络形式来支持IP over ATM。在此场合下，ATM参与了IP网的寻径功能。由于ATM的寻径及其它指标大大优于普通路由器，因而以网络形式来支持IP网（IP over ATM），可以显著提高IP网的性能，不仅提高了传输速率，也大大缩短了传输时延。以网络形式来支持IP网（IP over ATM）的最合理算法是MPLS。MPLS是一种拓扑驱动的算法，它和无连接的IP传输非常适应。基于MPLS算法的ATM上的IP网是一种很好的IP网的组织形式，可构成一个主干物理通信平台多业务同时应用的十分理想的格局，并且能从整体上提高IP的性能。
　　尽管IP over ATM，特别是ATM以网络形式来支持能获得很好的网络整体性能，但IP over ATM的技术进展比较慢，尤其是MPLS的标准化工作尚需时日，这使得ATM仍不能满足业务高速发展对带宽的要求，从而导致IP over SDH技术的出现。应当特别注意IP over ATM和IP over SDH具有各自的适应面。
　　2、IP Over SDH/SONET
　　IP over ATM技术相对来说比较成熟，已在许多电信厂商的骨干网中得到了成功的应用。不过，近来业界对IP网骨干网的建设提出了更新的解决方案，即跳过ATM网而采用IP over SDH的技术，直接在SDH上构建IP网。
　　如图2所示，IP Over SDH/SONET是IP数据包通过采用点到点协议（PPP）映射到SDH/SONET帧上，按各次群相应的线速率进行连续传输的。IP Over SDH/SONET也叫Packet Over SDH/SONET或PPP Over SDH/SONET（POS）。
　　IP Over SDH/SONET技术的实现需要高速路由器和PPP协议，采用的仍然是传统路由器的逐包转发（Forward）方式。这种方法的基本思路是将路由计算与包的转发分开，采用缓冲Cache技术、硬件芯片快速处理技术（ASIC技术）和以信元交换矩阵作为路由器内部体系构架的交换路由技术，将路由器包的逐包转发速度控制得与第二层交换的速度相当。它无须利用广域网上的ATM交换机来建立虚电路VC。目前不少网络设备公司已推出基于IP Over SDH/SONET技术的交换路由器产品，如Cisco千兆位交换路由器GSR、Ascend千兆位路由转发器GRF等。
　　将Internet建立在SDH/SONET传输平台上，可以很容易地跨越地区和国界，兼容各种不同的技术和标准，实现网络互连，从而为Internet技术适用于多媒体业务平台打好传输体制上的基础。目前IP Over SDH/SONET技术一般可进行业务分级（CoS），尚不能像IP Over ATM技术那样提高QoS。
　　IP Over SDH/SONET技术的不足之处主要有：
　　●不适于集数据、语音、图像等的多业务平台；
　　●目前IPOver SDH/SONET技术一般可进行业务分级（CoS），尚不能像IP Over ATM技术那样提供服务质量较好的QoS；
　　●对大规模的网络，需处理庞大、复杂的路由表，而且路由表查找困难，路由信息占用较大的带宽；
　　●尚不支持虚拟专用网VPN和电路仿真；
　　●网络扩充性能较差，不如IPOver ATM技术那样灵活。
　　3、IP Over WDM/Optical
　　从光通信技术发展趋势看，SDH/SONET在不久的将来必然让位于波分复用（WDM：Wave Divi－sion Multiplexing）技术，因此IP Over SDH/SONET将最终发展成为IP Over WDM/Optical，即IP数据包直接在光路上跑。
　　采用IP Over WDM/Optical技术，可减少网络各层之间的冗余部分，减少SDH/ SONET、ATM、IP等各层之间的功能重叠，减少设备操作、维护和管理费用。同时由于省去了中间的ATM层和SDH/SONET层，其传输效率最高，而且可以大大节省网络运营商的成本，从而间接降低了用户获得多媒体通信业务的费用。显然，这是一种最直接、最简单、最经济的IP网络体系结构，非常适用于超大型IP骨干网。IP Over WDM /Optical的分层模型和网络体系结构如图3所示。
　　业界刚刚提出IP Over WDM/Optical的解决方案，这种方案还不成熟，需要开发新的光纤传输接口以及解决如何进行光网络层的管理等问题。目前，Cisco和DWDM技术的领先厂商Ciena正在合作开发基于IPOver WDM技术的交换、路由设备。IP Over WDM技术目前正由ITU—T SG15和光互联网络论坛（OIF）进行标准化工作，无论是接口标准还是适配标准都未成熟，实验室内点到点的最长距离只能达到100km ，因此离实用还有一段距离。
　　4、光互联网
　　据世界领先的Internet服务供应商提供的消息：Internet骨干网的带宽每约6～9个月就翻一番。1995年Internet骨干网的带宽为155Mb/s，1997年为6 2 2Mb/s，而到了1998年已达到2．5Gb/s，1999年可能突破10Gb/s。也就是说，如果不采用波分复用技术，那么仅Internet的数据流量就可以占满整个单波长光纤系统的容量（目前，单波长光纤系统的最大传输速率为10Gb/s，发展潜力已尽）。此时，再用SDH /SONET设备来将Inter－net业务和别的业务进行高速率时分复用（TDM），既没必要，也不可能。
　　因此，人们迫切希望出现一种新的网络通信技术体制，以适应数据通信业务（尤其是Internet业务）的惊人增长。随着WDM、千兆以太网、G级（1000Mb/s）/T级（1000Gb/s）交换机和路由器的相继问世，光互联网的概念应运而生。所谓光互联网就是由高性能分组交换机、路由器组成的数据通信网络。交换机和路由器之间可能通过光纤直接相连，或连至光网络层（Optical Network Layer）。光网络层（即服务层）可以为包括SDH/SONET网元、网络互联设备等在内的客户层设备提供波长路由。
　　1998年4月，Cicso、Ciena、Lucent、NTT、AT＆T、3Com、Bellcore、HP、Qwest 、Sprint、World－Com等网络通信设备公司和运营公司成立了光互联网论坛OIF（Opt ical Internet working Forum），以加速光互联网技术的发展。目前，OIF正在和ITU－T、IETF、ATM论坛等标准化组织合作制订有关光互联网的技术规范，但是它关注的不是数据网络或光网络内部的技术问题，而是数据网络和光网络之间的互操作性问题，如光互联网的光网络物理层传输接口（如比特率、不同数据格式的成帧和同步以及光纤的特性）、光网络与数据网络层之间中间层的适配以及中间链路层的管理（包括故障和性能管理、中间层的配置、中间层的保护/恢复、会话管理、计费和安全等）等。
　　目前OIF已确定了用于描述光互联网的多协议参考模型，即光互联网重叠模型。
二、IP over DWDM
　　1、从IP over SONET/SDH到IP over DWDM
　　为了尽快缓解因特网的带宽压力,1997年下半年推出了IP over SONET/SDH技术，并受到了不少公司青睐。像Sprint、GTE Internetworking这样的著名通信公司以及像UUNet和AOL这样的大型ISP都宣布要建立全国范围的IP over SONET/SDH骨干网，在美国的下一代Internet中也采用了这一技术。但事隔不到一年，美国Sprint和Frontier于1998年8月宣布要建设OC-48的“IP over DWDM”，即光因特网。有120多个成员的加拿大科研、工业、教育促进网(CANARIE)于1998年8月15日宣布要与贝尔加拿大组成财团建设世界上第一个全国性光因特网CA*net3。该网的总投资估计要超过1.2亿美元。1998年加拿大政府预算为该项目拨款5500万美元。CA*net3初期为加拿大的研究院所和大学服务，以支撑加拿大的高科技部门，但最终将用于加拿大全体公民，商用化只是时间问题。参加该项目的公司有Cisco Systems Canada Co.、JDS Fitel、Newbridge Networks Co.和Nortel。由于CA*net3的容量巨大，足以传送多媒体业务，故能开展许多当今其它网上无法开展的医疗、研究、教育和商业应用。加拿大政府已把它视为加拿大下一世纪发展“数字经济”的重要基础。CA*net3是加拿大第三代Internet骨干网。第一代网叫CA*net3是加拿大第三代Internet骨干网。第一代网叫CA*net，为了升级1994年加拿大建了一个国家试验网，是世界上最大的高速ATM网之一；1997年引入了第二代网CA*net2，与美国的Internet2一样，采用ATM和SONET技术。CA*net3则直接在光上运行，取消了ATM和SONET两层电气层，从底层开始就承载IP业务，DWDM光纤上实现光波长链路层连接。由于结构简化，使速度和效率明显提高。CA*net3采用32波长，最高容量为40Gbit/s，超过世界上任何现有因特网的速度，下载2个半小时的电影“泰坦尼克号”只需1/15s。
　　为什么第二代网与第三代网之间相隔才不到一年时间呢？这主要是因为因特网业务仍在急剧增长，现每月增长10%左右，每6～9个月翻一番，这意味着到2001年美国需要35Tbit/s的网络容量，加拿大需要3Tbit/s，目前，一些ISP已经在建OC-48IP网，也许用不了多久就需要OC－192或OC-768的IP网。例如，美国的UUnet公司1996年初首建OC-3网，1997年初又建OC-12网，1998年末需建OC-48网，1999年末将建N×OC-48网，每年上一个台阶。用户则开始定购OC-12的IP本地环路，例如MCI已开始连接第一批OC-12用户，Microsoft已定购3×OC-12SONET作因特网接入。而未来的趋势表明IP业务将持续快速增长，因为：随着诸如Inetrnet2和CA*net2（加拿大网）之类第二代网的发展会出现许多新的应用；IP电话可能发展很快；新的经济型无分路器ADSL有可能像现在的调制解调器那样普及，网络容量就须增加100～1000倍;目前尚处于早期阶段的机对机应用（如生物信息传送、IP应用、异地备份、Web缓存、多播馈送、新闻馈送、批处理、数据库同步、电子信箱；将来的应用还包括分布式人类染色体组排序、地－空数据库映射、天体成像、数据库挖掘等）将对网络和带宽提出进一步的要求。预计到2001年，整个北美的数据业务量（主要由因特网业务构成）将超过话音，到2005年话音业务将仅占全部业务的1%。在这种情况下，显而易见，需要更高速、更简单、更灵活、带宽利用更有效的组网技术来解除骨干网的压力。
　　如果像预计的那样，在不久的将来，IP业务成为主导业务的话，网络设计针对IP业务进行优化显然是合乎逻辑的。关于什么是传送IP业务的最佳技术，业界是有很大争论的。通信公司通常倾向于用ATM作为公共网络技术，而因特网方面则认为对传送IP最优的网络是最好的解决方法，因为很快一切应用都将安放在IP上。虽然从保证服务质量和良好的业务工程管理来看，ATM很可能是最适合的技术。但如果对大部分因特网业务而言，只是要求提供“尽力”或“保证”传送的服务，那么能提供大容量IP通道的技术可能是最适宜的技术。正好在过去的一年中，WDM、千兆比以太网、千兆比/兆兆比交换选路技术取得了长足进步，为发展光因特网创造了条件。基于WDM光因特网是同时能把IP over ATM和IP over DWDM这两种解决方案纳入一个网络结构的技术。所以，它被一些大公司选作新一代的因特网技术，像一颗新星正在升起。
　　2、什么是光因特网
　　光因特网也叫IP网或IP over DWDM。简言之，直接在光上运行的因特网就是光因特网。在光因特网网中，高性能路由器通过光ADM或WDM耦合器直接连至WDM光纤，光纤内各波长是链路层互连的。高性能路由器取代传统的基于电路交换概念的ATM和SONET/SDH电交换与复用设备(见图1)，成为关键的统计复用设备，用作主要的交换/选路设备，由它控制波长接入、交换、选路和保护。因此，光因特网是一个真正的链路层数据网，可以通过指定波长作旁路或直通连接，网络的业务工程（traffic engineering）可以只在IP层完成。由于使用了指定的波长，在结构上将更加灵活，并具有向光交换和全光选路结构转移的可能。高密度WDM系统使我们能对电信业务进行光复用，一部分波长被指定用于高带宽IP光网，即IP over WDM，它可能用于高业务量的“尽力”传送的机对机业务；另一部分波长被指定用于ATM光网，即IP over ATM，它可能用来支持VPN和执行重要任务的IP网；还有一部分波长则被指定用于传统的SONET/SDH业务，即IP over SONET/SDH，它可能用来集中和传送传统的IP网业务。光复用网的吸引力在于通信公司可以基于用户的特定需求向用户提供一整套服务和协议。
　　构成光因特网的网元包括：光纤、激光器、EDFA、光耦合器、电再生中继器、转发器、光分插复用器、交叉连接器与交换机。非零色散偏移光纤（NZDSF）最适宜WDM，因其色度色散的非线性效应小。高性能激光是WDM系统中最贵的器件。EDFA多数都是宽带的，能同时放大WDM的所有波长，因对平坦增益的要求很高，在经过6个左右光放大器之后就需要做一次电放大。所以，在OC-48速率，光跨度可达400km,在OC-192可达250km。光耦合器是用来把各波长组合在一起和分解开来的，起到复用和去复用的作用。在长途WDM系统中需要电再生中继器，再生分三级：R1、R2、R3。R1再生是数据透明的，并对脉冲重新成形；R2再生对脉冲重新成形，对时钟重新定位；R3现生对数据分组重新形成格式。转发器用来变换来自路由器或其它设备的光信号，并产生要插入光耦合器的正确波长光信号。光分插复用器、光交叉连接设备在长途WDM系统中广泛使用。光交换机可以使ADM和交叉连接设备作动态配置。
　　图2是光因特网的基本结构。光纤直接连光耦合器，耦合器把各波长分开或组合，其输入输出都是简单的光纤连接器，把原波长内的数据送给SONET/SDH设备或高性能路由器。
　　3、光因特网的优缺点
　　光因特网最大的优点之一是可以适应IP数据业务的不对称性，不同波长上的数据速率可以不同。另一特点是光纤环的两侧都能使用，使路由可获得全部带宽，在传大突发数据时就不需要缓存，也不会有分组丢失，只有当光纤断裂时才会发生分组丢失。网内有工作光纤和保护光纤，保护光纤中的闲带宽在业务高峰时也可用来传数据，不会引入抖动、时延或分组丢失。恢复工作在IP层而不在物理层上完成。在光纤断裂，对抖动和时延敏感的实时业务可给以高的优先级。使用工作光纤和保护光纤的另一优点是可以建立“直通”或“旁路”波长。
　　由于长途WDM系统的造价高，故在业务量达到足够高之前可以使用混合光因特网，以节省成本。大业务量的数据在光链路上送，小业务量的数据在ATM PVC或SONET/SDH OC-x上送。或者两中心节点之间的大业务量数据在WDM波长上送，ATM PVC或SONET/SDH OC-x则用于光纤断裂时的业务恢复。
光因特网的好处
　　首先，光因特网与ATM相比，ATM网在综合传送各种业务时是最优的，但对IP业务而言，ATM不是最优的。ATM在网络工程设计方面有高度灵活性，易于支持VPN和各种服务类别；ATM在业务工程方面也有很强的能力，它允许我们为不同的业务类型建立“清晰”的通道，根据业务负荷、拥塞及其它情况提供各种链路，但付出的代价是复杂性。ATM的另一不利因素是由于SVC建立时间长而损失了带宽利用率。因为SVC的建立时间比网络转接时间长，在其建立时间内要在SVC上传送的数据必须缓存到SVC建立之后，故在此期间即使网上有容量，也无法用来传数据。随着带宽越来大，SVC建立时间所代表的空闲带宽也就越大，甚至超过了原来要传的数据量。
　　因此，如与兆兆比路由器相比，ATM过于复杂，在吞吐量方面又没有特别改善，那么在大型骨干网中IP over ATM over WDM就没有优势了。如果主导业务是IP，那么ATM网只能增加复杂性，使网络提供者在管理方面增加成本。然而，直接把路由器和WDM光纤相连的光因特网却变得更有利了。
　　光因特网与SONET/SDH相比，SONET/SDH的一大优点是它的恢复能力,但需复杂的链路管理。在光因特网中，SONET/SDH层中的复杂链路管理就未必需要。因为保护和恢复能力是因特网固有的分布式存活能力的一部分，因此如果IP层能单独承担存活能力，就不需要在因特网结构底下再设一层存活能力。另外，当初开发SONET/SDH网的一个原意是使整个网络同步，更加牢靠。现在利用GPS也能经济地达到同步目的。而且随着IP技术的渗透，网络变得越来越能容忍定时差错，因此可以省去SONET/SDH这一中间层。在光因特网中，让路由器直接与WDM波长相连有一很大的优点，即路由器可在光纤环两侧使用几个波长，对IP业务进行负荷分担，有可能使因特网链路的带宽利用率加倍，而增加的成本很少。万一光纤断路，可以把IP业务放到一条能用的光纤上去送，或者放到另一完全不同的路径上去重新选路。由于因特网数据具有自相似性，故光纤断裂的后果在数据网环境下不如在传统电信网环境下严重，可以通过流量控制、缓存和重新选路等技术来加以补偿。
　　此外，在光因特网中，路由器可以建立不对称的收发波长，来平衡出入网络的业务。SONET/SDH网在设计时总是考虑收发业务是平衡的，因此对不对称业务流它不是最优的。
　　与基于电路交换的WDM光交换相比，在光因特网中，处于网络边缘的路由器，而不是处于网络核心的光交换设备将成为对分组进行选路和交换的主要智能设备。所以将来引入光交换时不必使用过于复杂的交换技术，可缩短光电路的建立时间，网络管理也相对简单。
　　4、光因特网的帧结构
　　光因特网既可以用SONET/SDH的帧结构，也可以用千兆比以太网的帧结构。由于长途WDM波长每200km～500km需进行一次电再生，目前大部分再生设备都采用SONET/SDH帧结构。如果网络内使用SONET/SDH再生设备和转发器，那么来自路由器的IP分组必须装放SONET/SDH帧内。
　　SONET/SDH帧结构的一大优点是在它的报头内载有信令和网络管理信息。网络管理信息对长途WDM系统是很重要的，尤其是在有很多电和光再生器时，它能使我们很快地对网络故障进行论断和定位，但开销也很大。如果把这些功能做入IP选路设备，开销就能减小。
　　SONET/SDH帧有它的局限性。SONET/SDH帧是基于8kHz话音同步取样的，并含有报头信息。此外，IP分组可以映射到两个或更多个SONET/SDH帧内，也可以多个IP分组映射到一个SONET/SDH帧内，取决于IP分组的大小。因此，在路由器接口上SONET/SDH帧的SAR(Segmentation Assembly and Reassembly)处理是非常耗时的，使吞吐量和性能受到影响。许多公司现正在制定一种新的帧结构标准，称作“Fast-IP”或“Slim SONET/SDH”，它提供SONET/SDH帧的许多功能，但在报头位置和如何使帧大小与分组大小匹配方面使用了更新的技术。SONET/SDH帧结构的最大缺点是SONET/SDH转发器和再生器目前很贵。
　　另一选择是使用千兆比以太网的帧结构。它虽没有像SONET/SDH那样多的网络状态信息，但它成本低，大多数计算机局域网都使用这样的帧，故很有吸引力。因用的是“异步”协议，故对向抖动和定时不像SONET/SDH那样敏感，只要控制好，就不会有明显的分组丢失。
　　使用千兆比以太网帧的另一优点是它与两端主机的帧结构相同，就不需要把数据重新映射到其它传送协议（如SONET/SDH或ATM）中去，因此在路由器接口上也无须SAR和比特塞入操作来把数据帧和传送帧对准。另外，千兆比以太网的分路设备成本也较低。
　　目前千兆比以太网的收发双向累加带宽是2.5Gbit/s，现正在制定5Gbit/s和10Gbit/s标准。