寬帶核心網(wǎng)技術(shù)

引言

　　近年來(lái)，IP業(yè)務(wù)在全世界的爆炸性增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬造成了巨大的需求，IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求每6個(gè)月翻一番，超過(guò)了著名的CPU 摩爾定律。目前國(guó)際上已有多家通信運(yùn)營(yíng)商的IP 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量超過(guò)了話(huà)音業(yè)務(wù)，預(yù)計(jì)在今后的幾年內(nèi)全世界通信網(wǎng)的IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將超過(guò)話(huà)音業(yè)務(wù)。將來(lái)話(huà)音業(yè)務(wù)甚至?xí)H僅成為一種附屬業(yè)務(wù)，IP已經(jīng)成為未來(lái)“三網(wǎng)合一”無(wú)可爭(zhēng)議的統(tǒng)一平臺(tái)。

IP over ATM

　　綜述

　　ATM曾被認(rèn)為是一種十分完美的、用來(lái)統(tǒng)一整個(gè)通信網(wǎng)的技術(shù)，未來(lái)的所有話(huà)音、數(shù)據(jù)、視頻等多種業(yè)務(wù)均通過(guò)ATM來(lái)傳送。國(guó)際上，特別是電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了多年的研究，而且也得到了實(shí)際應(yīng)用。但事與愿違，ATM沒(méi)有能夠達(dá)到原來(lái)所期望的目標(biāo)。與此同時(shí)，IP的發(fā)展速度大大出乎人們的預(yù)料，但一方面在若干年前自始至終沒(méi)有一種獨(dú)立的IP骨干網(wǎng)技術(shù)，另一方面，IP在高速發(fā)展的同時(shí)確實(shí)有一定的缺陷，如QoS不高等。因此，在寬帶IP骨干網(wǎng)中首先產(chǎn)生的是IP over ATM(ipoa)技術(shù)。

　　IP

　　PPP

　　HDLC

　　SDH/SONET

　　IP over ATM的基本原理是將IP 數(shù)據(jù)包在ATM層全部封裝為ATM信元，以ATM信元形式在信道中傳輸。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的 交換機(jī)接收到一個(gè)IP數(shù)據(jù)包時(shí)，它首先根據(jù)IP數(shù)據(jù)包的IP地址通過(guò)某種機(jī)制進(jìn)行 路由地址處理，按路由轉(zhuǎn)發(fā)。隨后，按已計(jì)算的路由在ATM網(wǎng)上建立虛電路（VC）。以后的IP數(shù)據(jù)包將在此虛電路VC上以直通（Cut－Through）方式傳輸而下載經(jīng)過(guò) 路由器，從而有效地解決IP的路由器的瓶頸問(wèn)題，并將IP包的轉(zhuǎn)發(fā)速度提高到交換速度。IP over ATM技術(shù)的難點(diǎn)是如何將IP的無(wú)連接與ATM的面向連接的技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。IP over ATM技術(shù)很多，可以分為兩種模型： 重疊模型和集成模型。

　　重疊模型

　　重疊模型的實(shí)現(xiàn)方式主要有：IETF的IPOA 、CIPOA（C1assic IP over ATM）、 ATM Forum的LANE（局域網(wǎng)仿真）和MPOA（Multi-Protocol over ATM）等。重疊技術(shù)的主要思想是：IP的 路由功能仍由IP 路由器來(lái)實(shí)現(xiàn)，需要 地址解析協(xié)議ARP實(shí)現(xiàn)MAC地址與ATM地址或IP地址與ATM地址的映射。而其中的主機(jī)不需要傳統(tǒng)的路由器，任何具有MPOA功能的主機(jī)或 邊緣設(shè)備都可以和另一設(shè)備通過(guò)ATM交換直接連接，并由邊緣設(shè)備完成包的交換即第三層交換。此種技術(shù)信令標(biāo)準(zhǔn)完善成熟，采用ATM Forum/ITU-T的信令標(biāo)準(zhǔn)，與標(biāo)準(zhǔn)的ATM網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)兼容。但該技術(shù)對(duì) 組播業(yè)務(wù)的支持僅限于邏輯子網(wǎng)內(nèi)部，子網(wǎng)間的組播需通過(guò)傳統(tǒng)路由器，因而對(duì)廣播和多發(fā)業(yè)務(wù)效率較低。

　　集成模型

　　集成模型的實(shí)現(xiàn)技術(shù)主要有：Ipsilon公司提出IP交換（IP Swtich技術(shù)）、Cisco公司提出的標(biāo)記交換（Tag Swtich）技術(shù)和IETF推薦的MPLS技術(shù)。集成模型的主要思想是： 將ATM層看成IP層的 對(duì)等層，將IP層的 路由功能與GN 層的交換功能結(jié)合起來(lái)，使IP網(wǎng)絡(luò)獲得ATM的選路功能，ATM端點(diǎn)只需使用IP地址標(biāo)識(shí)，從而不需要地址解析協(xié)議。由于IP over ATM的開(kāi)銷(xiāo)很大，高達(dá)24%，再加上其他如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本、 網(wǎng)絡(luò)帶寬擴(kuò)展等原因，目前IP over ATM一般只用在網(wǎng)絡(luò)的邊緣。

IP over SDH

　　IP over SDH，簡(jiǎn)稱(chēng)為POS，目前有兩種方式。一種是IETF定義的IP/PPP/HDLC/SDH結(jié)構(gòu)的IP over SDH，另外一種為ITU-T X.85/Y.1321定義的IP/ LAPS/SDH結(jié)構(gòu)的POS。

　　IETF定義的 POS的基本思路是將IP數(shù)據(jù)報(bào)通過(guò)點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議(PPP)直接映射到SDH幀，省掉了中間復(fù)雜的ATM層，這樣可大大節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的投資。具體作法是先把IP數(shù)據(jù)報(bào) 封裝進(jìn)PPP，然后利用高層 數(shù)據(jù)鏈路控制(HDLC)成幀，再將字節(jié)同步映射進(jìn)虛容器(VC)包封中，最后加上相應(yīng)的SDH開(kāi)銷(xiāo)，置入STM-N幀內(nèi)。IP over SDH在OSI( 開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián))模型中層次分布。在該方案中，PPP協(xié)議提供多協(xié)議封裝和 差錯(cuò)控制及鏈路初始化控制等功能，而HDLC幀格式負(fù)責(zé) 同步傳輸鏈路上的PPP封裝的IP 數(shù)據(jù)幀的定界。

　　IP以包的形式出現(xiàn)在OSI的第三層； PPP以幀的形式出現(xiàn)在OSI第二層； SDH以幀的形式出現(xiàn)在OSI的第1～1.5層。

　　PPP是點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議的簡(jiǎn)稱(chēng)，標(biāo)頭只有兩個(gè)字節(jié)，沒(méi)有地址信息，是 面向非連接的。這個(gè)協(xié)議可將太長(zhǎng)的IP包切短(IP包長(zhǎng)短是不穩(wěn)定的)成PPP幀，以適應(yīng)映射到SDH幀的要求，它提供了多協(xié)議封裝、差錯(cuò)控制和鏈路初始化控制的特性。

　　HDLC的主要功能是區(qū)分通過(guò)同步傳輸 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)摹⑹褂肞PP封裝的IP數(shù)據(jù)報(bào)。這種區(qū)分是通過(guò) 字節(jié)填充(Byte Stuffing)來(lái)完成的，每一個(gè)HDLC幀以字節(jié)標(biāo)志0x7e開(kāi)始，也以0x7e結(jié)束。在發(fā)射端，為了標(biāo)志序列和填充序列，HDLC幀被監(jiān)控，如果標(biāo)志序列發(fā)生在HDLC幀的信息域，它被改變成0x7d和0x5e序列；相反，在填充序列中，0x7d改變成0x7d 0x5e。在接收端，填充的信息被丟掉只剩下原來(lái)的信息域，而且在空閑期間，當(dāng)沒(méi)有數(shù)據(jù)報(bào)被傳送時(shí)，HDLC的標(biāo)志被作為幀間填充傳輸。

　　IP/LAPS/SDH結(jié)構(gòu)的POS是由武漢郵電科學(xué)研究院代表中國(guó)向ITU-T提出的，其協(xié)議分層結(jié)構(gòu)和協(xié)議模型如圖3和圖4所示。該方案兼容PPP，與IETF定義的POS相比，具有硬件開(kāi)銷(xiāo)少、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。圖5為IP/PPP/HDLC/SDH與IP/LAPS/SDH的幀格式比較。

IP over WDM

　　IP over WDM簡(jiǎn)稱(chēng)POW，也有人稱(chēng)光因特網(wǎng)，其基本原理和工作方式是在發(fā)送端將不同波長(zhǎng)的光信號(hào)組合（復(fù)用）送入一根光纖中傳輸，在接收端，又將組合光信號(hào)分開(kāi)（解復(fù)用）并送入不同 終端。IP over WDM是一個(gè)真正的鏈路層數(shù)據(jù)網(wǎng)。高性能 路由器通過(guò)光ADM或WDM耦合器直接連至WDM光纖，由它控制波長(zhǎng)接入、交換、選路和保護(hù)。IP over WDM的幀結(jié)構(gòu)有兩種形式：SDH幀格式和 千兆以太網(wǎng)幀格式。IP over WDM的重疊模型和 封裝示意圖如圖6所示。IP over WDM能夠充分利用光纖的 帶寬資源，極大地提高IP 網(wǎng)絡(luò)帶寬和相對(duì)的 傳輸速率，對(duì)傳輸 碼率、數(shù)據(jù)格式及調(diào)制方式透明，不僅可以與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)兼容，還可以支持未來(lái)的 寬帶業(yè)務(wù)網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，并具有可推廣性、高度生存性以及整個(gè)組網(wǎng)費(fèi)用低等特點(diǎn)。目前IP over WDM是寬帶核心網(wǎng)絡(luò)的主要組網(wǎng)方式。但I(xiàn)P over WDM也有一些缺點(diǎn)，如IP over WDM波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)化還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)；WDM系統(tǒng)的 網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)與其傳輸?shù)男盘?hào)的 網(wǎng)管分離，但在光域上加上開(kāi)銷(xiāo)和光信號(hào)的處理技術(shù)還不完善，從而導(dǎo)致WDM系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理還不成熟；目前WDM系統(tǒng)的 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是基于 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，還沒(méi)有形成“光網(wǎng)”。

IP over Optical

　　光纖通信能夠提供巨大的網(wǎng)絡(luò)帶寬，是所有傳輸網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)（有線(xiàn)傳輸）。在物理層采用光纖通信如WDM已經(jīng)是人們的共識(shí)。同樣，在第三層采用IP也是大勢(shì)所趨。由于傳統(tǒng)的光纖通信主要是為了解決電信網(wǎng)即采用TDM技術(shù)的電話(huà)網(wǎng)通信 帶寬問(wèn)題，隨著IP事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)地位的日益確定，自然就產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題： 如何將IP和光路（Optical）有機(jī)地銜接起來(lái)，即實(shí)現(xiàn)IP over Optical。目前國(guó)際上對(duì)IP over Optical的研究十分火熱，ODSI（Optical Domain Service Interconnect）聯(lián)盟、IETF等正在制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。IETF已經(jīng)有多個(gè)相關(guān)的草案。IP over Optical的實(shí)現(xiàn)方式中，目前討論比較多的兩種方式是IP/ MPλS/WDM以及IP/Digital Wrapper/WDM。其中WDM代表Optical，當(dāng)然也可以是將來(lái)的OTDM的光纖通信技術(shù)。IP over Optical的網(wǎng)絡(luò)模型，其中MPLS（Multi－Protocol Lambdas Switch）信號(hào)和路由選擇位于光網(wǎng)絡(luò)中。圖8為IP over Optical網(wǎng)絡(luò)的工作模式。

　　在光網(wǎng)絡(luò)的路由和交換上使用MPLS，特別是以MPLS的方式來(lái)控制WDM/DWDM，以波長(zhǎng)作為標(biāo)簽，稱(chēng)為多協(xié)議波長(zhǎng)標(biāo)簽交換（Multi-Protocol Lambda-label Switching：MPLmS)。MPLmS具有以下優(yōu)勢(shì)： 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光網(wǎng)絡(luò)帶寬的管理和對(duì)交換光網(wǎng)絡(luò)的光信道進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)倒換；可利用現(xiàn)有的MPLS和IP協(xié)議的軟、硬件資源以及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，避免開(kāi)發(fā)新協(xié)議時(shí)高投入的弊端；可以利用MPLS較為容易地實(shí)現(xiàn)流量工程，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能； 對(duì)光 網(wǎng)絡(luò)單元和電（數(shù)據(jù)）網(wǎng)絡(luò)單元的互操作性標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的開(kāi)發(fā)具有極大推進(jìn)作用；通過(guò)光域和電域的規(guī)范統(tǒng)一的 網(wǎng)絡(luò)管理和控制，可簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)提供者需要進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)管理工作；可以在IP 路由器上最終實(shí)現(xiàn)DWDM復(fù)用，大大提高通信容量，為建立光因特網(wǎng)鋪平道路。

　　MPLmS網(wǎng)絡(luò)中，支持標(biāo)簽交換的IP路由器（LSR）連接光核心網(wǎng)絡(luò)，光網(wǎng)絡(luò)由若干OXC通過(guò) 光鏈路相互連接而成。OXC由光層面的交叉連接設(shè)備和控制平面組成，具有 數(shù)據(jù)流交換功能，交換由可配置的交叉連接表控制。目前，OXC 節(jié)點(diǎn)交換需要進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，在電域進(jìn)行。隨著光開(kāi)關(guān)和可調(diào)諧激光器等技術(shù)的進(jìn)步，將來(lái)它可以實(shí)現(xiàn)全光交換。控制平面使用基于IP的協(xié)議和信令進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的可達(dá)性檢測(cè)，控制、建立和維護(hù)端到端的光通路。LSR的數(shù)據(jù)平面通過(guò)標(biāo)簽互換實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽包的轉(zhuǎn)發(fā)，即通過(guò)各個(gè)LSR上“<{入端口，入標(biāo)簽}，{出端口，出標(biāo)簽}>”的對(duì)應(yīng)關(guān)系將打上標(biāo)簽的包（FEC）映射到由這些標(biāo)簽序列確定的標(biāo)簽交換 路徑上。而在OXC的數(shù)據(jù)平面上，也通過(guò)“<{入端口，入光信道}，{出端口，出光信道}>”的對(duì)應(yīng)關(guān)系將數(shù)據(jù)流映射到特定的光通路上。當(dāng)使用WDM時(shí)，上述對(duì)應(yīng)關(guān)系中的光信道即可由光波長(zhǎng)來(lái)表示。OXC和LSR的控制平面都包括有資源發(fā)現(xiàn)、分布式路由選擇以及連接管理的功能；一個(gè)是發(fā)現(xiàn)、發(fā)布、維護(hù)關(guān)于OTN的狀態(tài)信息，根據(jù)光網(wǎng)絡(luò)流量工程的策略和規(guī)則建立和維護(hù)光通路；另一個(gè)則發(fā)現(xiàn)、發(fā)布、維護(hù)與MPLS相關(guān)的狀態(tài)信息，根據(jù)MPLS流量工程的策略和原則建立維護(hù)LSP。

EOS

　　EOS是Ethernet over SDH的縮寫(xiě)。由于SDH和 以太網(wǎng)分別是電信網(wǎng)和IP數(shù)據(jù)網(wǎng)（局域網(wǎng)）中占據(jù)了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的技術(shù)，在向統(tǒng)一于IP的“三網(wǎng)合一”的 下一代網(wǎng)絡(luò)演變的過(guò)程中，如何保護(hù)全世界原來(lái)的上千億美元的投資就顯得十分重要。此外，由于實(shí)際證明以太網(wǎng)是傳輸IP的最好技術(shù)之一，如何擴(kuò)展以太網(wǎng)的傳輸距離也是一個(gè)重要的問(wèn)題。目前ITU-T已經(jīng)定義了一種EOS技術(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)由武漢郵電科學(xué)研究院余少華博士提出，標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為X.86。該技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，既可在傳統(tǒng)的SDH設(shè)備中提供以太網(wǎng)接口，也可在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)2/3層 交換機(jī)中提供SDH接口，此外，可以用一種設(shè)備直接將以太網(wǎng)和SDH兩大網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)。烽火網(wǎng)絡(luò)公司開(kāi)發(fā)的F-Engine A1001 EOS 接入設(shè)備就是這種設(shè)備。

10Gb/s以太網(wǎng)

　　如前所述，以太網(wǎng)是傳輸IP的最好技術(shù)，以太網(wǎng)占據(jù)了全世界90%以上的局域網(wǎng)市場(chǎng)。目前，IEEE 802.3ae工作組正在制定10Gb/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，最新的版本號(hào)是D3.0。其目標(biāo)是使以太網(wǎng)從局域網(wǎng)擴(kuò)展到MAN、WAN。10Gb/s以太網(wǎng)可作為L(zhǎng)AN，也可作為WAN使用。LAN和WAN之間由于工作環(huán)境不同，對(duì)于各項(xiàng)指標(biāo)的要求存在許多的差異，主要表現(xiàn)在時(shí)鐘抖動(dòng)、BER( 誤碼率)、QoS等要求不同，IEEE 802.3ae就此制定了兩種不同的物理介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，分別用于局域網(wǎng)和 廣域網(wǎng)。這兩種 物理層的共同點(diǎn)有：共用一個(gè)MAC層，僅支持全雙工，省略了CSMA/CD策略，采用光纖作為物理介質(zhì)。10Gb/s以太網(wǎng)在廣域網(wǎng)中與OC-192c速率相同，采用了10Gb/s SDH標(biāo)準(zhǔn)中的部分開(kāi)銷(xiāo)，與SDH相比作了大大的簡(jiǎn)化。10Gb/s以太網(wǎng)的 廣域網(wǎng)接口可以直接上WDM，但為了降低組網(wǎng)成本提高10Gb/s以太網(wǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，采取上CWDM或WWDM的方式。傳統(tǒng)的以太網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)管理功能較差，10Gb/s以太網(wǎng)中局域網(wǎng)也增加了豐富的網(wǎng)絡(luò)管理功能，而且可以從100Mb/s以太網(wǎng)、1000Mb/s以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。