IP over X多种组网技术的原理和特点

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1.引言
1969年底，美国试验的分组交换网ARPENET正式投入运行，标志计算机的发展进入了一个崭新的纪元。虽然最初的分组交换网只供高校、研究机构和政府部门使用，但其规模一直飞快增长。

20 世纪90年代初，Internet开始走入商业化，IP数据业务得以迅猛发展，尤其是20世纪90年代中期，欧洲原子核工业组织CERN研发的WWW问 世，使得以Internet为代表的数据业务以25%～30%的年增长率增长，业务量每6～12个月翻一番，其远远超过了网的主导业务5%～10%的年增长率。IP 网络业务量如此高速的增长，尤其是在经过ATM与IP一番较逐之后，经过市场洗礼的IP技术被业界确定为未来组网的核心技术，它给整个网络的架构及业务节点的功能实现带来了深远的影响，因此，如何实现IP业务高速、地传送和快速地交换成为当前网络的一个研究热点；另一方面，自20世纪80年代起至今，在数据分组传送方面先后出现了SDH、ATM、MPLS、WDM(DMDM)、OPS和软交换等技术，它们从不同方面满足了运营商和客户的，使得IP技术与他们的结合而产生了不同的组网方案，如图1所示。经过近十多年的发展，现在的网络呈现出业务数据化、组网技术分组化、传输技术光纤化、信息传输安全高速化、业务种类多样化的发展趋势。

本文旨在对IP架构于SDH、ATM、MPLS、WDM(DMDM)、OPS等技术之上的基本原理及其特点进行阐述，并在现有各种组网方案比较基础上，指出未来网络发展态势。
2.IP over X组网方案
2.1 IP over SDH
同步数字传送体系（SDH，Synchronous Digital Hierarchy）是国际电信联盟标准化部门（ITU-T，原国际电报电话咨询委员会ITT） 于1988年接受SONET概念并经重新命名而提出的，它以同步复用、动态指针调整及组网灵活为特点，使欧洲、北美和日本3个地区性标准在STM-1等级 达到统一；通过光接口标准化实现了多家厂商的产品横向兼容；通过丰富的开销比特提高了网络的OAM能力（诸如故障检测、端到端性能监视等）。另外，SDH 通过使用终端复器（TM）、分插复用器（ADM）和数字交叉连接器（DXC）等网元，可非常方便灵活的组成线型、星型、环型等网络拓扑结构，上/下路灵 活，并且网络自身具有很高的生存性（保护恢复和自愈能力很强）。
IP over SDH通常采用IP/PPP/HDLC三层封装帧结构，如图2所示。首先，在IP数据包的外部加上PPP封装，指明内部是IP数据分组；然后，再进行 HDLC封装，加上相应的标志位、地址位、控制字符及帧校验序列等，提供相应的帧差错控制功能，解决帧定界等问题；最后，将面向比特的HDLC按字节同步 方式映射入SDH的VC中。针对此方案，ITU-T定义了与此类似的专门用于IP over SDH的LAPS（Link Access Protocol-SDH）链路层规程，进一步简化了开销字节。

经实践证明：IP over SDH保留了Internet面向无连接的特征，简化了体系结构，提高了传输效率，降低了成本，但IP over SDH缺乏QoS支持能力，网络流量和拥塞控制能力较弱，且不支持VPN。
2.2IP over ATM
异步传递模式（ATM，Asynchronous Transfer Mode）是作为B-ISDN网络的最终而 被CCITT提出的。它是通过固定长度的信元Cell（53Bytes）以面向连接的方式工作的，不同种类的业务经过不同的AAL协议（AAL1、 AAL3/4、AAL5）适配到ATM层，最后经过连接接纳控制CAC(Connection Admition Control)和使用参数控制UPC(Usage Parameter Control)来实现ATM网络业务接入和网络流量的管理与控制。 IP over ATM工作方式如下：IP数据包在经ATM交换机或ATM路由器交换中转时，首先经地址解析协议ARP解析IP数据包包头，确定下一跳的ATM地址；然 后，通过信令交换，建立ATM连接，再将AAL层数据经SAR（Segmentation and Reassembly）装入信元Cell，并加入相应的业务服务等级和参数控制；最后，在已建立的连接基础之上实现数据的安全快速传递、转换。其实现过程 如图3所示。

IP over ATM组网技术适用于多业务应用环境，能支持QoS要求较高的业务，并支持VPN，但其最大问题是带宽利用率低，尤其是在信元不能完全填充时，利用率更低。另外，ATM本身的技术复杂性也大大增加了组网的成本。
2.3IP over MPLS
多协议标记交换（MPLS，Multi-protocol Label Switching）是在IP over ATM之后，经过模型重叠，模型集成演变过程，最终由IETF于1997年制定的标准，是IP网络的广泛应用与ATM组网技术成熟性相结合的产物，被业界 认为是当今数据网络领域内发展最有前途网络解决方案之一，并被评选为美国电信杂志（Telecommunications）评出的“99年十大热门技术” 之一。
MPLS在OSI模型中位于IP层和数据链路层之间，属于2.5层技术，它根据网络层传递下来的IP数据包包头，将其归入相应的转发等价类 FEC(Forwarding Equivalence Class)，并加入相应的标记（Label），凭此在第2.5层实现分组交换，从而实现快速有效的转发，其帧结构如图4所示。

MPLS实用价值在于它能够为IP这样面向无连接型网络提供面向连接的服务，其基本内核就是将IP业务加到面向连接的ATM或帧中继基础设施上，其网络结 构如图5所示。IP over MPLS组网方案的核心设备是标记交换路由器LSR(Label Switching Router)，LSR依据标签索引，进行IP数据包的快速交换。其中，LSR的标签绑定工作既可采用捎带分发的方法来实现，也可通过 BGP（Border Gateway Protocol）、IGP（Interior Gateway Protocol)、OPFS(开放路径最短)、LDP等协议实现标签分发。

由于IP over MPLS是在IP over ATM基础上提出的，ATM交换机和ATM路由器只要通过简单的设备升级，即可实现IP over MPLS的功能，因此，IP over MPLS具有IP over ATM的所有优点，同样，它仍然无法摆脱“电子瓶颈”问题的束缚；另外，它有较大的信头开销，最大时可达36%，造成网络资源的极大浪费。
2.4 IP over DWDM
密集波分复用（DWDM，Dense Wavelength Division Multiplexing）是在网络的传输带宽随网络新业务的不断增加而即将“耗尽”的情况下，伴随光子技术的不断进步，光互联网主要器件（如光分插复用 器OADM、OXC、光转发器、光再生器OUT、宽带放大器、高速可调激光器和路由器等）性能不断提高而提出的倍受运营商青睐的新技术。 WDM(DWDM)技术对网络升级扩容，发展宽带新业务，充分挖掘和利用光纤带宽，提高通信系统性价比和经济性，满足不断增长的电信网络和 Internet业务的需求，实现超高速通信具有十分重要的意义。经分析表明，在扩容相同条件下，应用WDM(DWDM)技术比单纯的依赖增加光纤数量可 减少成本30%～50%。
IP over DWDM就是将IP数据报直接映射到DWDM的光层，通过光通道，在光域实现数据高速传输的技术。根据各段建立光通道所用波长一致性与否，可将光通道分为 连续波长通道（WP，Wavelength Path）和虚波长通道（VWP，Virtual Wavelength Path），使用VWP可提高系统的灵活性，信道的利用率，降低阻塞率。利用WDM传输IP数据包，可实现数据速率和帧格式透明传输，从根本上摆脱“电子 瓶颈”的束缚，提高交换节点的吞吐量和系统传输交换速度，降低时延。目前，DWDM网络正逐步从骨干网向城域网和接入网推进，相信在不久的将来即将实现。
2.5 其它组网方案
IP over MPLambdaS技术，是将MPLS应用于光网络而提出的一种新颖的组网方案，它是MPLS和波长交换技术相结合的产物。其工作过程如图6所示。它将第 三层的IP 地址映射成光通道标识符（OVPI，Optical Virtual Path Identifier），网络核心节点主要是根据OVPI对封装在其净荷中的IP包执行转发操作，从而根据标签索引的方式，实现IP数据包的快速转发。

光分组交换（OPS，Optical Packet Swithing）是以光分组的形式来承载IP业务数据，分组中的净荷部分在光域中完成端到端的传输，而控制部分（即信头）可在光域或经过O/E/O转换 在电域进行处理的技术。它是针对IP over DWDM颗粒度太大，不能实现灵活的流量管理和资源利用而提出的。利用OPS技术，可以实现资源共享，降低数据交换的颗粒度，提高系统的灵活性。尤其是它 可进一步实现光突发交换机制（OBS），即将一段时间内去往同一信宿的多个分组封装成一个较大的突发包，一起进行路由和控制，实现IP数据包高速传输。另 外，光分组网络OPN同DWDM一样，对数据速率、帧格式及高层协议透明，能从根本上解决“电子瓶颈”问题并能满足多样化的业务需求。
另外，在现今的接入网中，还存在着IP over Ethernet和IP over ADSL等多种组网方式，感兴趣的读者可参考相关文献。
综上所述，IP over X的组网方案多种多样，他们的性能各异，如表1所示，每一种组合都有其一定的优势，在一定时期和特定的环境下，满足了客户和网络运营商对网络性能的要求。

3. 结束语
无论从IP over ATM到IP over ATM over SDH，还是从IP over MPLS到IP over DWDM，整个网络界出现了不断思考，不但创新，不断前进的局面，人们正在寻求未来高速宽带网络最优解决方案；而后来的IP over DWDM、IP over MPLambdaS和IP over OPS等组网方案的实现及网络性能的改善，都有待于光子器件性能的进一步提高，由此可见，网络性能向光域纵深已经成为网络发展的一个必然