寬帶業務網發展方向探討----劉福文

2019-11-03 19:05:13

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寬帶業務網發展方向探討----劉福文摘要簡要回顧與寬帶業務網有關的ip和ATM技術及兩種技術的結合；討論了寬帶業務網的承載層應選擇何種技術；對寬帶業務網發展前景作了展望。關鍵詞 IP ATM 全光網絡發展方向隨著社會經濟的發展，人們對信息的需求急劇增加，信息量呈指數增長，通信業務也從電話、數據向視頻、多媒體等寬帶業務發展。現有網絡不能滿足這些寬帶業務的發展要求，迫切需要建設一個高帶寬、業務發展受限少的寬帶業務網。在建設寬帶業務網的技術選擇上，存在許多分歧，目前主要存在兩大流派，即IP和ATM。1 ATM技術簡介1.1 ATM技術簡介 ATM是一種快速分組交換技術，采用異步時分復用的方法，將信息流分成固定長度的信元進行高速交換。ATM技術已被ITU－T確定為傳輸語音、數據、電視及多媒體倍息的新工具，為寬帶綜合業務數字網（B－ISDN）的基礎和核心。 ATM技術采用一種全新的不同于OSI的協議參考模型，其模型由ATM用戶層、ATM適配層、ATM層、ATM物理層4層組成，其參考模型如圖1所示。其協議層次大大少于7層的OSI協議參考模型。其各個協議層的功能如下：物理層完成信息傳輸；ATM層負責交換、選路由和信元復用；ATM適配層的功能是將各種業務的信息適配成ATM信元流；用戶層的主要功能是支持各種用戶服務。 ATM技術主要特點：①易手硬件實現。ATM技術采用固定長度的分組（53個字節，稱為信元），目的是為了實現高速的硬件交換。②帶寬按需分配。網絡根據用戶的業務特性（如峰值速率、平均速率等）及要求的服務質量等級分配帶寬資源，同時建立從源節點到目的節點的虛通路。在無信息傳輸時，此帶寬資源將可供其他連接使用，從而提高帶寬利用率，③服務質量保證。每個虛連接都有一個服務質量QoS參數來標定所傳輸的數據。QoS參數主要包括：業務特性（如峰值速率、平均速率等）、業務類型[如固定比持率（CBR）、可變比特率（VBR）等]、業務優先級（高或低）。只要能在ATM網絡中建立虛連接，ATM網絡就能保證此虛連接的服務質量。④多速率接口及高速率接口。目前在ATM網絡中能提供從2～622Mb／s不同等級速率接口，可以滿足不同用戶對帶寬的不同需求及高速中繼的需求。⑤簡化。在傳統的分組交換網中，每個交換節點要進行復雜的差錯控制處理，而ATM網將差錯控制移到端-端之間。這樣中間的節點只進行信元中繼，不需要進行差錯控制。同時，流量控制也移到了端-端之間進行。所有這些簡化，可大大提高網絡的交換速率。自1989年ITU－T提出ATM作為B－ISDN的核心技術以來，ATM技術得以迅速發展。為了全面推廣ATM技術在各種網絡中的應用，有關標準組織推出了一系列與各種網絡互連的接口，如ATM能通過局域網仿真技術（LANE）提供10Mb／s／100Mb／s以太網業務；能通過ATM／FR業務和網絡互通功能實現與FR的互通，且提供n×64kb／s至2Mb／s的FR業務；能通過電路仿真實現與DDN互通且提供n×64kb／s到2Mb／s的數字電路。雖然如此，ATM的設備和業務市場并不象人們預想的那樣快速增長，而且ATM設備市場主要集中在數據網的骨干網上，用于集中在一個統一平臺上傳送各種業務如DDN、FR等。在市場巨大的LAN上，ATM顯得碌碌無為?？傮w看來，ATM技術沒有找到一個關鍵的能帶動市場的應用，有曲高和寡之勢。1.2 IP技術簡介 IP是美國DOD和NBS制定的網絡互連協議，是由70年代中期美國國防部的ARPANET網絡互連協議派生的，如今全球龐大的Internet就是基于TCP／IP技術。其協議參考模型為5層模型，如圖2所示。其各個協議層的功能如下：物理層完成信息傳輸；數據鏈路層完成數據成幀及數據幀的傳送；IP層協議主要說明跨過Internet的數據包格式及數據包轉發到目的地的機制；傳送層（TCP、UDP等）用于數據的可靠傳送；應用層主要支持用戶的各種應用。從1987年開始，Internet以不可阻擋之勢席卷全球，具有以下特征： * 從1989年開始，大約每隔56周Internet上的主機數翻一番，呈指數增長； * 最近4年，每隔23周Internet上的Web服務器數量翻一番； * Internet上的主要業務由傳統的文件傳送、電子郵件和遠程登入轉向多媒體應用豐富的WWW。 Internet的快速發展完全超出了人們的設想，大大地改變了人們的工作和生活方式。目前全球最大的通信網絡仍是電話網，但其業務量已呈飽和狀態，而數據網絡尤其是Internet的通信量呈指數上升趨勢，1996年美國數據網絡的通信量已超過電話網的通信量。1.3 ATM和IP技術比較 ATM和IP技術有各自的發展原因和技術特點，它們有顯著不同，現就目前狀況總結比較，如表1所示。2 IP技術與ATM技術結合 ATM和IP都是發展前景良好的技術，但他們在發展過程中都遇到了問題。ATM的用戶業務（如多媒體會議電視等）由于價格昂貴，難以得到普及推廣；而TCP／IP技術在發展過程中也遇到了路由器瓶頸、服務質量難以保證等問題。如果把這兩項技術結合起來，利用ATM網絡為IP用戶提供高速直達數據鏈路，既可以使ATM網絡運營部門充分利用ATM網絡資源，發展ATM上的IP用戶業務，又可以解決Internet網絡發展中遇到的瓶頸問題，推動Internet業務的進一步發展，使這兩項技術的潛力充分發揮出來，獲得巨大的經濟效益。2.1 IP與ATM結合技術分類 IP與ATM結合技術主要分為兩大類：重疊技術和集成技術。采用重疊技術時，ATM端點使用ATM地址和IP地址（或MAC地址）兩者來標識，網絡中設置服務器完成ATM地址和IP地址（或MAC地址）的地址映射功能，在發端用戶得到收端用戶的ATM地址之后，建立ATM SVC連接并在其上傳送LAN數據包。重疊技術的優點是采用標準的ATM FORUM／ITUT的信令標準，與標準的ATM網絡及業務兼容；缺點是傳送IP包的效率較低。典型的例子有CIPOA（Classical IP over ATM）、LANE（LAN Emulation）和MPOA（Multi－PRotocol over ATM）。采用集成技術時，ATM層被看作IP層的對等層，ATM端點只需使用IP地址來標識，在建立連接時使用非標準的ATM信令協議。采用集成技術時，不需要地址解析協議，但增加了ATM交換機的復雜性，使ATM交換機看起來更象一個多協議的路由器。集成技術的優點是傳送IP包的效率比較高，不需要地址解析協議；缺點是與標準的ATM技術融合較為困難。典型的例子Ipsilon公司提供的IP交換（IP Switch）技術、Cisco公司提供的標記交換（Tag Switch）技術及將標準化的多協議標簽交換（MPLS）技術。2.2 MPOA和MPLS技術2.2.1 MpOA（Multi－protocol over ATM） MPOA定義在一個由ATM交換機構成的網絡上，為了傳送第二層和第三層數據流而提供ATM連接所需的服務和協議。所有第二層的服務和協議均有ATM論壇的LANE規范定義。第三層所需的服務由ATM論壇的MPOA規范定義。這些服務包括MPOA服務器（MPS）和MPOA客戶（MPC）。MPS和MPC之間的通信采用IETF開發的NHRP的擴展方式。 MPS負責第三層的地址解析、第三層的轉發，并且維持與其它MPS和路由器的第三層拓撲結構和可達性倍息。MPC在邊緣設備上運行，負責第二層和第三層的轉發。MPC自己不維護IP路由選擇信息，取而代之的是它依靠一個MPS將遠程IP地址解析為ATM地址，該地址可用以提供ATM層的連接。 MPOA的精華在于MPC可以分析一個具體的流，并決定何時建立ATM VC捷徑。如果判定不需ATM VC捷徑，這個流還可走原來的路由路徑，如圖3所示。2.2.2 MPLS（Multi-protocol label switching） MPLS網絡由網中核心部分的標簽交換路由器（LSR）、邊緣部分的標簽邊緣路由器（LER）組成。MPLS把面向連接機制引入無連接的IP網中，邊緣的LER分析IP包頭，用于決定相應的傳送級別和標簽交換路徑（LSP），所有余下節點只是簡單地根據IP包前的標簽沿著這條標簽交換路徑傳送IP包到目的地。LSP是根據網絡的路由拓撲而建立起來的，如圖4所示。目前，MPLS的標準正處于草案階段?，F階段，各廠家的實現都是專有的內部協議，如北電的VNS，Cisco公司的tag switching，ASCEND公司的IP Navigator，但它們的思想都類似MPLS。2.2.3 MPOA與MPLS的比較 MPOA與MPLS的比較如表2所示。2.3 IP和ATM結合后的協議閉型 IP和ATM有不同的協議參考模型，兩者結合后的參考模型如圖5所示。此協議模型層次較多，內部開銷大，傳輸效率低，設備昂貴。為了傳送IP包，IP包首先要分割封裝在信元內，這引入ATM信元頭的開銷；然后ATM信元要封裝在SDH幀中，這引入SDH幀管理信息的開銷。這樣從IP層到光纖物理層就引入與兩次業務流無關的額外開銷。3 寬帶業務網的承載技術選擇3.1 從技術應用來看 LAN的桌面應用：由于ATM網卡價格和沒有良好的標準開放式的應用程序接口（API）支持等原因，真正基于信元到桌面的ATM業務市場前景并不看好。況且隨著Internet的急劇發展，IP在桌面應用的主導地位幾乎已成定局。這一局勢決定著將來寬帶業務首先在LAN上會以IP包的方式出現，而非以ATM信元形式。這樣決定了WAN不管采用何種技術必須解決IP包傳送問題。 WAN的骨干網應用：雖然IP與ATM結合的技術已在一定范圍內使用，在一定程度上推廣了ATM在WAN的骨干網中的應用，但由于以上所述的缺點，有許多廠家開發出新的拋開ATM的IP傳送技術，即 IP over SDH，其協議參考模型如圖6所示，其實現是將目前路由器的處理能力和吞吐量提高到千兆比特/s甚至更高，并將IP包封裝在PPP幀中，再直接由SDH傳送，以解決目前路由器的吞吐量不夠的問題。IP封裝在PPP幀中的開銷要比IP包封裝在ATM信元里的開銷少得多。3.2 從業務承載能力來看 ATM：從技術原理上來觀察，ATM通過其不同的適配類型可以適配不同類型的業務，包括連接型數據業務（FR，X.25 etc），無連接LAN數據業務，還包括實時性要求很高的話音、圖像、多媒體業務。 IP：人們現在已很習慣使用其上的非實時型業務，如FTP、E－mail等?，F在網上也開始有少量的實時型業務出現，如IP Phone、IP Video、Web TV等。由此，從技術原理上觀察，IP既可以承載窄帶業務也可承載寬帶業務，既可承載非實時性業務也可承載實時性業務。只是對于實時性業務，由于目前IP協議本身限制及Internet骨干網的瓶頸等問題，導致其服務質量不夠理想，但在LAN上這些實時性業務的表現并不比采用ATM技術遜色。由于目前各種服務器系統及各種應用軟件，它們的通人接口基本上都是基于IP開發的，因此各種業務首先全封裝在IP包內，而不是直接適配到ATM信元內。3.3 從業務服務質量看 ATM：首次引入了服務質量（QoS）的概念，根據用戶申請可把業務分成不同的業務級別（目前分為四大類：CBR、VBR、ABR、UBR），為其提供不同質量的服務。由于其為連接型的服務，可以根據用戶申請為其分配相應的網絡資源，并且由于其復雜的網絡控制技術，完全有能力保證用戶的服務質量。其復雜的網絡控制技術包括：業務整形（SH-APING）、用戶流量監控（UPC）、連接允許控制（CAC）、CLP控制、反饋控制。 IP：最初是設計用來傳輸一般數據的，對各種業務一律平等，當網絡出現擁塞時不能保證實時業務的服務質量。但目前狀況有所改變，IETF已準備啟用目前版本的IP頭中現在很少使用的業務類型（TOS）字節來區分IP包的不同服務類別。與ATM相對應引入了分類服務概念（CoS），對不同類型的業務在占用網絡資源時給予不同的優先級。為了保證分類服務的實現，與ATM相似的網絡控制技術也已出現：業務整形器（Traffic Shape-r）用于削減IP包從LAN到WAN的業務量峰值；在網絡邊緣實現指定接入速率，路由器可向用戶提供指定信息傳輸速率服務；在網中采用一些傳輸協議如RED（隨機早丟棄）探測和智能識別流量瞬時劇增，并將其與真正的網絡擁塞區別開來，以避免網絡擁塞。一旦網絡的擁塞得以控制，它可以采用加權公平隊列（WFQ）等方法來保證分類服務的實現，WFQ對話音和視頻等優先級高的數據流，路由器排隊時給予優先權。因此，有理由確信，在采用了以上技術后，并有足夠帶寬情況下，IP一定能保證各種業務的服務質量。總之，IP有能力成為寬帶業務網的承載技術，而且從市場來看，也迫切需要IP成為寬帶業務網的承載技術。在IP成為寬帶業務網的承載技術后，會給各方面帶來好處。（1）有利于LAN互連。目前我國90％以上的LAN都采用以太網技術（IP包傳送），為了實現LAN互連，各單位不得不租用價格昂貴的DDN、FR電路。在IP成為寬帶業務網的承載技術后，可以利用IP VPN技術很方便地實現LAN間互連。（2）有利于理順網絡關系，降低建設成本。目前，大多數LAN均采用IP技術，在LAN上采用了交換技術后，現已不存在帶寬問題。但一到WAN后，為了提高傳送帶寬，不得不采用價格昂貴的ATM設備，而且多增加了一個網絡協議層次，降低了傳送效率。從傳送等級看，成為10Mbs／100Mb／s（LAN）～155Mb／s ATM／622Mb／s ATM（WAN），中間存在不同傳送體系的轉變。G比特路由器的出現，打破了這種局面，從傳送等級看，將成為10Mb／s／1000Mb／s（LAN）／100Mb／s（WAN）。這種從LAN到WAN，使用統一的以太網結構，運行統一的IP協議，中間沒有任何格式的協議轉換，真正做到無縫連接，既可以保證高效率、高性能，又可大大簡化設備，成本降低。4 寬帶業務網發展展望 IP成為寬帶業務網的承載技術，并不是說ATM就不再是寬帶業務網的承載技術，只意味著ATM的市場將縮小，IP的市場將繼續擴大。ATM和IP技術將在寬帶網絡中各占一席之地，只是IP將有可能占主導地位。ATM的優勢在于它能統一傳送平臺，實現一個統一的多業務網，以解決傳統的電信網（如N－ISDN、PSTN、X．25、FR、DDN）的獨立建立和管理所造成管理和維護困難、網絡資源不能充分利用等缺點；再次作為公共傳送平臺，有些LAN互連用戶為了倍息安全起見，需采用有連接功能的ATM鏈路，而不可能采用IP VPN方式。雖然，IP VPN有一套逐漸完善的信息安全技術，但因IP本身是無連接技術，不可能保證絕對的信息安全?？傊?，在將來這兩種技術將會并存，不可能誰把淮完全替代。在將來，IP將從現在的IPV4升級到IPV6。IPV6的引入有助于解決現在Internet上IP地址緊張問題，同時因它引入分級業務流概念，使IP更能有效地支持話音、圖像、多媒體業務等實時業務。隨著全光網絡的出現，IP包可能會直接調制到光纖上，省去SDH這一層，使傳送效率更高，設備成本更低。其協議參考模型如圖7所示。所謂全光網絡，原理上講就是網中端到端是完全的光路，中間沒有光電轉換的介入。但目前，由于終端設備價格原因，在LAN上還很難實現。在WAN上由于現在存在帶寬瓶頸問題，需要采用此項技術?，F在較成熟的全光網絡技術是基于密集波分復用（DWDM）技術，它采用光波分交換技術，實現WAN上信號全程光交換、傳輸。為了配合底層如此高速的傳送，對于IP層，現已出現了T位路由交換器，并且交換和路由速度可以達到線速。這樣，在廣域上的帶寬瓶頸問題將一去不復還，再加上IPV6的分級業務流量控制機制，在WAN上完全可能構筑一個基于IP的成本低、寬帶足夠、易于擴展的寬帶業務網。將來的寬帶業務網的使用前景會如圖8所示。