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| 解决IP网络传输层优化问题 |
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| 2004年03月06日 15:57 |
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| 程胜 |
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从国家基础网络建设的角度来看，建立高质量的IP网络的主要问题集中在网络层、数据链路层和物理层。很显然，物理层应该采用能够保障网络带宽需求的光纤技术，通过光纤构建IP骨干网。网络层采用IP协议已是既成事实，无论传输数据或是语音、视频信号都可以封装在IP数据包内通过IP网络进行传输，那么当运营商的网络选择和优化问题都集中到数据链路层的实现，IP层与物理层之间究竟该采用什么传输方式？如何对IP网络传输层进行优化？
传统的IP传输层技术及其优化
在实际应用中，传统的IP网络传输层通常采用以下四种技术：IPoverATM、IPoverSDH、IPoverOptical、千兆以太网(GE)。
IP over ATM
IP与ATM的结合，也就是在ATM网络上支持IP技术，并构造骨干传输网。当前有两种技术实现方式：重叠技术和集成技术。重叠技术是将IP网络层协议重叠在ATM之上，即ATM网与现有的IP网重叠。目前采用这种技术的有ATM论坛定义的LANE、IETF定义的IPOA及ATM论坛定义的MPOA，但是这种方式传递IP的效率不高。集成技术是将IP路由器的智能和管理性能集成到ATM交换机形成一体化平台，仅要求标识IP地址，无须ATM的地址解析协议，简化了ATM的路由选择功能，提高了IP转发效率，同时保留了路由的灵活性。以IETF的多协议标签交换(MPLS)和Cisco公司的标记交换(TagSwitching)技术为代表。
目前发展比较迅速的是MPLS技术。它的网络控制是在传统路由协议的基础上，通过简单标记分配协议来代替复杂的ATM信令协议，预先为MPLS边缘路由器建立直达的数据连接。在数据通信过程中，中间的MPLS交换机根据转发信息库只作信元交换功能，加快了数据包的转发速度，减少了延迟及抖动，有利于支持实时业务。MPLS具有VC合并的功能，能解决重叠模型的问题。
IP over ATM可以利用ATM的QoS特性对网络进行优化，保证网络的服务质量，适用于多种业务，有很好的扩充性能，有良好的网络流量管理和拥塞控制性能，适用于一般的IP骨干网边缘多业务的接续。IP over ATM的不足是IP数据包需映射成ATM信元，由此形成的传输开销约占20-30%，传输效率低。此外还需要解决IP地址与ATM地址多重映射的矛盾以及IP网络的非连接特性与ATM面向连接特性之间的矛盾，网络管理比较复杂，不太适用于超大型IP骨干网。
IP over SDH
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方式。G比特和T比特核心交换路由器技术的突破发展成为这种传输方式的关键。这种方式的基本思路是将路由计算与包的转发分开，采用缓冲技术、硬件芯片快速处理技术，以ATM信元交换矩阵作为路由器内部体系结构的交换技术，将路由器的逐包转发速度控制到与第二层交换的速度相当。
IP over SDH/SONET的特点是：首先，IP数据包通过PPP协议直接映射到SDH/SONET帧结构上，省去中间的ATM层，简化了IP网络体系结构，提高了传输效率；其次，将IP网络技术建立在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，实现网络互联。还可以充分利用SDH/SONET技术的各种优点，如双纤双向自愈环，自动保护倒换APS，可保证网络的可靠性；最后它有利于实现IP多点广播技术，适用于IP网。加上目前在IPQoS研究方向上的进展，通过RSVP资源预留协议，一系列拥塞控制机制和排队策略已经能够较好地满足业务质量，IP over SDH成为当前应用前景最广的传输方式。
但同时，IP over SDH/SONET尚不能像IP over ATM技术那样适于集数据、语音、图像等的多业务平台。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，不如IP over ATM那样灵活。
IP over Optical
随着IP业务成为通信的主流，人们开始以IP业务为主对网络进行优化设计，这就是所谓IP优化光网络。Cisco的动态IP光纤传输技术(DPT)，即Dynamic Packet Transport是IP光纤技术的一种典范。光纤通信技术的进一步发展，密集波分复用技术(DWDM)提供了另一种途径：不必采用SDH时分复用，而是将原复用的多个信
道改为波分复用，然后用G比特或T比特线速交换式路由器进行路由交换。这种系统在一个波长通道内是包统计复用，在光纤内是波分复用，在波长通道内和通道之间的包交换、选路转发则完全依靠交换式路由器来实现。将DWDM宽带传输能力与千兆位交换式路由器的交换、选路能力结合起来，并且解决数据网络与光网络之间的互操作性及兼容性后，就形成了IP优化光网络。
IP over DWDM组网技术是在IP over SONET/SDH基础上发展起来的，其优势是减少网络各层之间的中间冗余部分，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。这样能够充分利用光纤的宽带资源，极大的提高了带宽和相对传输速率，不仅与现有的通讯网络兼容，还可以支持未来的宽带业务忘记网络升级，并具有可推广性、高度生存性等特点。从光通信技术发展趋势看，密集波分复用(DWDM)是人们眼中最理想的技术。
但目前WDM/DWDM本身的组网技术不太成熟，光信号的损耗与监视、光通路的保护切换问题以及网络的管理配置问题还有待进一步解决和完善，当前DWDM的设计是用于长途传输的，仅提供终端复用功能，上下复用还不能动态进行。同时对于数据层与光传输层相结合的光互连网络还有体系结构、层间适配、物理接口、层件管理等问题要解决。可以预计，IP优化光网络技术(IP/光纤、IP/DWDM/光纤)将是未来宽带IP网传输的最优方案。
千兆以太网
千兆以太网使用与传统以太网相同的帧格式和帧长。由于以太网技术非常成熟且很简单，为技术人员所熟悉，且十兆和百兆以太网已成工作站的标准，所以千兆以太网与传统以太网的良好兼容性使之大受欢迎。
为达到满1Gbps的数据速率，其光线路速率实际是1.25Gbps，实际效率为80%，它仍采用CSMA/CD技术，其共享环境下总吞吐量不会超过500Mb/s。在半双工下，若流量都是64字节帧，则千兆以太网的有效带宽降为120Mbps(9.6%)。千兆以太网如果不提供路由功能，极可能引起广播风暴问题。千兆以太网可以利用IEEE 802.1d生成树算法管理冗余中继线，以免产生闭合环路(循环)。而生成树算法只适于小型网络，另外它需很长时间(有时达30s)才能将信息流切换到冗余中继线。
与ATM不同，千兆以太网从设计开始就只支持数据，而不能有效支持语音和视频等多业务，也缺乏网络管理和计费能力。它适合于企业网、校园网的数据应用，但不适合公用网的运营商。
新型的IP传输层技术及其优化
传输层的优化策略需要重点解决网络带宽瓶颈和路由保护问题。根据IP业务发展规模，整合现有的传输资源，IP网络的核心交换层可以采用新型的传输技术。从传输网络来看，下一代网络的重要发展方向有：以ASON(自动交换光网络)和GFP(通用帧协议)为基础的智能光网络、万兆以太网。
自动交换光网络
在光网络的发展过程中，从SONET发展到DWDM，网络的传输连接目前都是通过网络系统配置来实现的，这种静态网络配置方式的缺点是速度慢、灵活性差，使得目前丰富的DWDM波长资源难以发挥效能，ASON技术的出现解决了这些问题。
ASON技术是下一代网络技术的重要部分，代表了光网络的发展方向，它主要通过光交叉连接(OXC)和光分插复用(OADM)等节点设备完成光路径的自动分配，智能光网络的核心技术包括控制面技术(ASON的核心技术)、信令技术———通用多协议标记交换(GMPLS)、标准化的光接口———光用户网络接口(O-UNI)和智能光网络恢复技术。智能光网络吸收了ATM/IP技术的优势，首次将动态路由和信令的概念引入了传输网络，能与ATM/IP等业务网实现无缝连接，在全程全网上满足动态的带宽需求，能提供质量品质保证。智能光网络通过智能控制技术来实现对带宽的动态分配、端到端的保护和恢复以及实现数据网元和光层网元之间的协同工作。
ASON技术在下一代网络技术中发展最快，目前已经在国外建成了商用网络。ASON技术在黄金赌城娱乐也将得到应用，北京通信公司已经决定为2008年的北京奥运会建立一个基于ASON技术的传输系统。黄金赌城娱乐电信也在着手进行智能光网络的建设。
万兆以太网技术
万兆以太网是以太网技术进入城域骨干网的惟一出路，是实现三网融合的关键技术。万兆以太网在设计之初就考虑城域骨干网需求。首先带宽10G足够满足现阶段以及未来一段时间内城域骨干网带宽需求。其次万兆以太网最长传输距离可达40公里，且可以配合10G传输通道使用，足够满足大多数城市城域网覆盖。
采用万兆以太网作为城域网骨干可以省略骨干网设备的POS或者ATM链路。首先可以节约成本，以太网端口价格远远低于相应的POS端口或者ATM端口；其次可以使端到端采用以太网帧成为可能，一方面可以端到端使用链路层的VLAN信息以及优先级信息，另一方面可以省略在数据设备上的多次链路层封装解封装以及可能存在的数据包分片，简化网络设备。在城域网骨干层采用万兆以太网链路可以提高网络性价比并简化网络。
目前国内运营商的IP传输主要由省际骨干网和本地接入网两部分组成。省际骨干网主要通过大容量的传输设备建立连接，并通过IP路由技术和以太网交换技术互联，而本地接入网则主要采用以太网技术和xDSL技术来实现。IP网络形成了多种网络技术并存的格局，网络规模庞大、设备种类繁多、组网结构复杂。IP网络运营商在网络的运营和管理等方面仍然面临很大的挑战，IP网络优化的任务显得日益紧迫而又难以解决。
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