解決IP網絡傳輸層優化問題

2019-11-03 09:03:51

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供稿：網友

程勝

　　從國家基礎網絡建設的角度來看，建立高質量的ip網絡的主要問題集中在網絡層、數據鏈路層和物理層。很顯然，物理層應該采用能夠保障網絡帶寬需求的光纖技術，通過光纖構建IP骨干網。網絡層采用IP協議已是既成事實，無論傳輸數據或是語音、視頻信號都可以封裝在IP數據包內通過IP網絡進行傳輸，那么當運營商的網絡選擇和優化問題都集中到數據鏈路層的實現，IP層與物理層之間究竟該采用什么傳輸方式？如何對IP網絡傳輸層進行優化？

　　傳統的IP傳輸層技術及其優化

　　在實際應用中，傳統的IP網絡傳輸層通常采用以下四種技術：IPoverATM、IPoverSDH、IPoverOptical、千兆以太網(GE)。

　　IP over ATM

　　IP與ATM的結合，也就是在ATM網絡上支持IP技術，并構造骨干傳輸網。當前有兩種技術實現方式：重疊技術和集成技術。重疊技術是將IP網絡層協議重疊在ATM之上，即ATM網與現有的IP網重疊。目前采用這種技術的有ATM論壇定義的LANE、IETF定義的IPOA及ATM論壇定義的MPOA，但是這種方式傳遞IP的效率不高。集成技術是將IP路由器的智能和管理性能集成到ATM交換機形成一體化平臺，僅要求標識IP地址，無須ATM的地址解析協議，簡化了ATM的路由選擇功能，提高了IP轉發效率，同時保留了路由的靈活性。以IETF的多協議標簽交換(MPLS)和Cisco公司的標記交換(TagSwitching)技術為代表。

　　目前發展比較迅速的是MPLS技術。它的網絡控制是在傳統路由協議的基礎上，通過簡單標記分配協議來代替復雜的ATM信令協議，預先為MPLS邊緣路由器建立直達的數據連接。在數據通信過程中，中間的MPLS交換機根據轉發信息庫只作信元交換功能，加快了數據包的轉發速度，減少了延遲及抖動，有利于支持實時業務。MPLS具有VC合并的功能，能解決重疊模型的問題。

　　IP over ATM可以利用ATM的QoS特性對網絡進行優化，保證網絡的服務質量，適用于多種業務，有很好的擴充性能，有良好的網絡流量管理和擁塞控制性能，適用于一般的IP骨干網邊緣多業務的接續。IP over ATM的不足是IP數據包需映射成ATM信元，由此形成的傳輸開銷約占20-30%，傳輸效率低。此外還需要解決IP地址與ATM地址多重映射的矛盾以及IP網絡的非連接特性與ATM面向連接特性之間的矛盾，網絡管理比較復雜，不太適用于超大型IP骨干網。

　　IP over SDH

　　IP over SDH/SONET技術的實現需要高速路由器和PPP協議，采用的仍然是傳統路由器的逐包轉發方式。G比特和T比特核心交換路由器技術的突破發展成為這種傳輸方式的關鍵。這種方式的基本思路是將路由計算與包的轉發分開，采用緩沖技術、硬件芯片快速處理技術，以ATM信元交換矩陣作為路由器內部體系結構的交換技術，將路由器的逐包轉發速度控制到與第二層交換的速度相當。

　　IP over SDH/SONET的特點是：首先，IP數據包通過PPP協議直接映射到SDH/SONET幀結構上，省去中間的ATM層，簡化了IP網絡體系結構，提高了傳輸效率；其次，將IP網絡技術建立在SDH/SONET傳輸平臺上，可以很容易地跨越地區和國界，兼容各種不同的技術和標準，實現網絡互聯。還可以充分利用SDH/SONET技術的各種優點，如雙纖雙向自愈環，自動保護倒換APS，可保證網絡的可靠性；最后它有利于實現IP多點廣播技術，適用于IP網。加上目前在IPQoS研究方向上的進展，通過RSVP資源預留協議，一系列擁塞控制機制和排隊策略已經能夠較好地滿足業務質量，IP over SDH成為當前應用前景最廣的傳輸方式。

　　但同時，IP over SDH/SONET尚不能像IP over ATM技術那樣適于集數據、語音、圖像等的多業務平臺。對大規模的網絡，需處理龐大復雜的路由表，而且路由表查找困難，不如IP over ATM那樣靈活。

　　IP over Optical

　　隨著IP業務成為通信的主流，人們開始以IP業務為主對網絡進行優化設計，這就是所謂IP優化光網絡。Cisco的動態IP光纖傳輸技術(DPT)，即Dynamic Packet Transport是IP光纖技術的一種典范。光纖通信技術的進一步發展，密集波分復用技術(DWDM)提供了另一種途徑：不必采用SDH時分復用，而是將原復用的多個信道改為波分復用，然后用G比特或T比特線速交換式路由器進行路由交換。這種系統在一個波長通道內是包統計復用，在光纖內是波分復用，在波長通道內和通道之間的包交換、選路轉發則完全依靠交換式路由器來實現。將DWDM寬帶傳輸能力與千兆位交換式路由器的交換、選路能力結合起來，并且解決數據網絡與光網絡之間的互操作性及兼容性后，就形成了IP優化光網絡。

　　IP over DWDM組網技術是在IP over SONET/SDH基礎上發展起來的，其優勢是減少網絡各層之間的中間冗余部分，減少SDH/SONET、ATM、IP等各層之間的功能重疊，減少設備操作、維護和管理費用。這樣能夠充分利用光纖的寬帶資源，極大的提高了帶寬和相對傳輸速率，不僅與現有的通訊網絡兼容，還可以支持未來的寬帶業務忘記網絡升級，并具有可推廣性、高度生存性等特點。從光通信技術發展趨勢看，密集波分復用(DWDM)是人們眼中最理想的技術。

　　但目前WDM/DWDM本身的組網技術不太成熟，光信號的損耗與監視、光通路的保護切換問題以及網絡的管理配置問題還有待進一步解決和完善，當前DWDM的設計是用于長途傳輸的，僅提供終端復用功能，上下復用還不能動態進行。同時對于數據層與光傳輸層相結合的光互連網絡還有體系結構、層間適配、物理接口、層件管理等問題要解決。可以預計，IP優化光網絡技術(IP/光纖、IP/DWDM/光纖)將是未來寬帶IP網傳輸的最優方案。

　　千兆以太網

　　千兆以太網使用與傳統以太網相同的幀格式和幀長。由于以太網技術非常成熟且很簡單，為技術人員所熟悉，且十兆和百兆以太網已成工作站的標準，所以千兆以太網與傳統以太網的良好兼容性使之大受歡迎。

　　為達到滿1Gbps的數據速率，其光線路速率實際是1.25Gbps，實際效率為80%，它仍采用CSMA/CD技術，其共享環境下總吞吐量不會超過500Mb/s。在半雙工下，若流量都是64字節幀，則千兆以太網的有效帶寬降為120Mbps(9.6%)。千兆以太網如果不提供路由功能，極可能引起廣播風暴問題。千兆以太網可以利用IEEE 802.1d生成樹算法管理冗余中繼線，以免產生閉合環路(循環)。而生成樹算法只適于小型網絡，另外它需很長時間(有時達30s)才能將信息流切換到冗余中繼線。

　　與ATM不同，千兆以太網從設計開始就只支持數據，而不能有效支持語音和視頻等多業務，也缺乏網絡管理和計費能力。它適合于企業網、校園網的數據應用，但不適合公用網的運營商。

　　新型的IP傳輸層技術及其優化

　　傳輸層的優化策略需要重點解決網絡帶寬瓶頸和路由保護問題。根據IP業務發展規模，整合現有的傳輸資源，IP網絡的核心交換層可以采用新型的傳輸技術。從傳輸網絡來看，下一代網絡的重要發展方向有：以ASON(自動交換光網絡)和GFP(通用幀協議)為基礎的智能光網絡、萬兆以太網。

　　自動交換光網絡

　　在光網絡的發展過程中，從SONET發展到DWDM，網絡的傳輸連接目前都是通過網絡系統配置來實現的，這種靜態網絡配置方式的缺點是速度慢、靈活性差，使得目前豐富的DWDM波長資源難以發揮效能，ASON技術的出現解決了這些問題。

　　ASON技術是下一代網絡技術的重要部分，代表了光網絡的發展方向，它主要通過光交叉連接(OXC)和光分插復用(OADM)等節點設備完成光路徑的自動分配，智能光網絡的核心技術包括控制面技術(ASON的核心技術)、信令技術———通用多協議標記交換(GMPLS)、標準化的光接口———光用戶網絡接口(O-UNI)和智能光網絡恢復技術。智能光網絡吸收了ATM/IP技術的優勢，首次將動態路由和信令的概念引入了傳輸網絡，能與ATM/IP等業務網實現無縫連接，在全程全網上滿足動態的帶寬需求，能提供質量品質保證。智能光網絡通過智能控制技術來實現對帶寬的動態分配、端到端的保護和恢復以及實現數據網元和光層網元之間的協同工作。

　　ASON技術在下一代網絡技術中發展最快，目前已經在國外建成了商用網絡。ASON技術在中國也將得到應用，北京通信公司已經決定為2008年的北京奧運會建立一個基于ASON技術的傳輸系統。中國電信也在著手進行智能光網絡的建設。

　　萬兆以太網技術

　　萬兆以太網是以太網技術進入城域骨干網的惟一出路，是實現三網融合的關鍵技術。萬兆以太網在設計之初就考慮城域骨干網需求。首先帶寬10G足夠滿足現階段以及未來一段時間內城域骨干網帶寬需求。其次萬兆以太網最長傳輸距離可達40公里，且可以配合10G傳輸通道使用，足夠滿足大多數城市城域網覆蓋。

　　采用萬兆以太網作為城域網骨干可以省略骨干網設備的POS或者ATM鏈路。首先可以節約成本，以太網端口價格遠遠低于相應的POS端口或者ATM端口；其次可以使端到端采用以太網幀成為可能，一方面可以端到端使用鏈路層的VLAN信息以及優先級信息，另一方面可以省略在數據設備上的多次鏈路層封裝解封裝以及可能存在的數據包分片，簡化網絡設備。在城域網骨干層采用萬兆以太網鏈路可以提高網絡性價比并簡化網絡。

　　目前國內運營商的IP傳輸主要由省際骨干網和本地接入網兩部分組成。省際骨干網主要通過大容量的傳輸設備建立連接，并通過IP路由技術和以太網交換技術互聯，而本地接入網則主要采用以太網技術和xDSL技術來實現。IP網絡形成了多種網絡技術并存的格局，網絡規模龐大、設備種類繁多、組網結構復雜。IP網絡運營商在網絡的運營和管理等方面仍然面臨很大的挑戰，IP網絡優化的任務顯得日益緊迫而又難以解決。

　　
----《通信產業報》