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IP over X多种组网技术的原理和特点

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-06-12

  1969年底,美国试验的分组交换网ARPENET正式投入运行,标志计算机网络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,其远远超过了电信网的主导业务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、安全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需求,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性能比较基础上,指出未来网络发展态势。

  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CCITT)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)。

  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;

  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。

  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;

  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。

  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。

  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。

  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。

  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 overADSL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。

  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。

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