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宽带业务网发展方向探讨----刘福文

2/14/2005
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宽带业务网发展方向探讨----刘福文 摘 要 简要回顾与宽带业务网有关的IP和ATM技术及两种技术的结合;讨论了宽带 业务网的承载层应选择何种技术;对宽带业务网发展前景作了展望。 关键词 IP ATM 全光网络 发展方向 随着社会经济的发展,人们对信息的需求急剧增加,信息量呈指数增长,通信业务 也从电话、数据向视频、多媒体等宽带业务发展。现有网络不能满足这些宽带业务的发 展要求,迫切需要建设一个高带宽、业务发展受限少的宽带业务网。在建设宽带业务网 的技术选择上,存在许多分歧,目前主要存在两大流派,即IP和ATM。 1 ATM技术简介 1.1 ATM技术简介 ATM是一种快速分组交换技术,采用异步时分复用的方法,将信息流分成固定长度的 信元进行高速交换。ATM技术已被ITU-T确定为传输语音、数据、电视及多媒体倍息的新 工具,为宽带综合业务数字网(B-ISDN)的基础和核心。 ATM技术采用一种全新的不同于OSI的协议参考模型,其模型由ATM用户层、ATM适配 层、ATM层、ATM物理层4层组成,其参考模型如图1所示。其协议层次大大少于7层的OSI 协议参考模型。其各个协议层的功能如下:物理层完成信息传输;ATM层负责交换、选路 由和信元复用;ATM适配层的功能是将各种业务的信息适配成ATM信元流;用户层的主要 功能是支持各种用户服务。 ATM技术主要特点:①易手硬件实现。ATM技术采用固定长度的分组(53个字节,称 为信元),目的是为了实现高速的硬件交换。②带宽按需分配。网络根据用户的业务特 性(如峰值速率、平均速率等)及要求的服务质量等级分配带宽资源,同时建立从源节 点到目的节点的虚通路。在无信息传输时,此带宽资源将可供其他连接使用,从而提高 带宽利用率,③服务质量保证。每个虚连接都有一个服务质量QoS参数来标定所传输的 数据。QoS参数主要包括:业务特性(如峰值速率、平均速率等)、业务类型[如固定比 持率(CBR)、可变比特率(VBR)等]、业务优先级(高或低)。只要能在ATM网络中建 立虚连接,ATM网络就能保证此虚连接的服务质量。④多速率接口及高速率接口。目前在 ATM网络中能提供从2~622Mb/s不同等级速率接口,可以满足不同用户对带宽的不同需 求及高速中继的需求。⑤简化。在传统的分组交换网中,每个交换节点要进行复杂的差 错控制处理,而ATM网将差错控制移到端-端之间。这样中间的节点只进行信元中继,不 需要进行差错控制。同时,流量控制也移到了端-端之间进行。所有这些简化,可大大提 高网络的交换速率。 自1989年ITU-T提出ATM作为B-ISDN的核心技术以来,ATM技术得以迅速发展。为了 全面推广ATM技术在各种网络中的应用,有关标准组织推出了一系列与各种网络互连的接 口,如ATM能通过局域网仿真技术(LANE)提供10Mb/s/100Mb/s以太网业务;能通过 ATM/FR业务和网络互通功能实现与FR的互通,且提供n×64kb/s至2Mb/s的FR业务;能 通过电路仿真实现与DDN互通且提供n×64kb/s到2Mb/s的数字电路。虽然如此,ATM的 设备和业务市场并不象人们预想的那样快速增长,而且ATM设备市场主要集中在数据网的 骨干网上,用于集中在一个统一平台上传送各种业务如DDN、FR等。在市场巨大的LAN上, ATM显得碌碌无为。总体看来,ATM技术没有找到一个关键的能带动市场的应用,有曲高 和寡之势。 1.2 IP技术简介 IP是美国DOD和NBS制定的网络互连协议,是由70年代中期美国国防部的ARPANET网络 互连协议派生的,如今全球庞大的Internet就是基于TCP/IP技术。其协议参考模型为5 层模型,如图2所示。 其各个协议层的功能如下:物理层完成信息传输;数据链路层完成数据成帧及数据 帧的传送;IP层协议主要说明跨过Internet的数据包格式及数据包转发到目的地的机制; 传送层(TCP、UDP等)用于数据的可靠传送;应用层主要支持用户的各种应用。 从1987年开始,Internet以不可阻挡之势席卷全球,具有以下特征: * 从1989年开始,大约每隔56周Internet上的主机数翻一番,呈指数增长; * 最近4年,每隔23周Internet上的Web服务器数量翻一番; * Internet上的主要业务由传统的文件传送、电子邮件和远程登入转向多媒体应用 丰富的WWW。 Internet的快速发展完全超出了人们的设想,大大地改变了人们的工作和生活方式。 目前全球最大的通信网络仍是电话网,但其业务量已呈饱和状态,而数据网络尤其 是Internet的通信量呈指数上升趋势,1996年美国数据网络的通信量已超过电话网的通 信量。 1.3 ATM和IP技术比较 ATM和IP技术有各自的发展原因和技术特点,它们有显著不同,现就目前状况总结比 较,如表1所示。 2 IP技术与ATM技术结合 ATM和IP都是发展前景良好的技术,但他们在发展过程中都遇到了问题。ATM的用户 业务(如多媒体会议电视等)由于价格昂贵,难以得到普及推广;而TCP/IP技术在发展 过程中也遇到了路由器瓶颈、服务质量难以保证等问题。如果把这两项技术结合起来, 利用ATM网络为IP用户提供高速直达数据链路,既可以使ATM网络运营部门充分利用ATM网 络资源,发展ATM上的IP用户业务,又可以解决Internet网络发展中遇到的瓶颈问题,推 动Internet业务的进一步发展,使这两项技术的潜力充分发挥出来,获得巨大的经济效 益。 2.1 IP与ATM结合技术分类 IP与ATM结合技术主要分为两大类:重叠技术和集成技术。 采用重叠技术时,ATM端点使用ATM地址和IP地址(或MAC地址)两者来标识,网络中 设置服务器完成ATM地址和IP地址(或MAC地址)的地址映射功能,在发端用户得到收端 用户的ATM地址之后,建立ATM SVC连接并在其上传送LAN数据包。重叠技术的优点是采用 标准的ATM FORUM/ITUT的信令标准,与标准的ATM网络及业务兼容;缺点是传送IP包的 效率较低。典型的例子有CIPOA(Classical IP over ATM)、LANE(LAN Emulation)和 MPOA(Multi-protocol over ATM)。 采用集成技术时,ATM层被看作IP层的对等层,ATM端点只需使用IP地址来标识,在 建立连接时使用非标准的ATM信令协议。采用集成技术时,不需要地址解析协议,但增加 了ATM交换机的复杂性,使ATM交换机看起来更象一个多协议的路由器。集成技术的优点 是传送IP包的效率比较高,不需要地址解析协议;缺点是与标准的ATM技术融合较为困难。 典型的例子Ipsilon公司提供的IP交换(IP Switch)技术、Cisco公司提供的标记交换( Tag Switch)技术及将标准化的多协议标签交换(MPLS)技术。 2.2 MPOA和MPLS技术 2.2.1 MpOA(Multi-protocol over ATM) MPOA定义在一个由ATM交换机构成的网络上,为了传送第二层和第三层数据流而提供 ATM连接所需的服务和协议。所有第二层的服务和协议均有ATM论坛的LANE规范定义。第 三层所需的服务由ATM论坛的MPOA规范定义。这些服务包括MPOA服务器(MPS)和MPOA客 户(MPC)。MPS和MPC之间的通信采用IETF开发的NHRP的扩展方式。 MPS负责第三层的地址解析、第三层的转发,并且维持与其它MPS和路由器的第三层 拓扑结构和可达性倍息。MPC在边缘设备上运行,负责第二层和第三层的转发。MPC自己 不维护IP路由选择信息,取而代之的是它依靠一个MPS将远程IP地址解析为ATM地址,该 地址可用以提供ATM层的连接。 MPOA的精华在于MPC可以分析一个具体的流,并决定何时建立ATM VC捷径。如果判定 不需ATM VC捷径,这个流还可走原来的路由路径,如图3所示。 2.2.2 MPLS(Multi-protocol label switching) MPLS网络由网中核心部分的标签交换路由器(LSR)、边缘部分的标签边缘路由器( LER)组成。MPLS把面向连接机制引入无连接的IP网中,边缘的LER分析IP包头,用于决 定相应的传送级别和标签交换路径(LSP),所有余下节点只是简单地根据IP包前的标签 沿着这条标签交换路径传送IP包到目的地。LSP是根据网络的路由拓扑而建立起来的,如 图4所示。目前,MPLS的标准正处于草案阶段。现阶段,各厂家的实现都是专有的内部协 议,如北电的VNS,Cisco公司的tag switching,ASCEND公司的IP Navigator,但它们的 思想都类似MPLS。 2.2.3 MPOA与MPLS的比较 MPOA与MPLS的比较如表2所示。 2.3 IP和ATM结合后的协议闭型 IP和ATM有不同的协议参考模型,两者结合后的参考模型如图5所示。 此协议模型层次较多,内部开销大,传输效率低,设备昂贵。为了传送IP包,IP包 首先要分割封装在信元内,这引入ATM信元头的开销;然后ATM信元要封装在SDH帧中,这 引入SDH帧管理信息的开销。这样从IP层到光纤物理层就引入与两次业务流无关的额外开 销。 3 宽带业务网的承载技术选择 3.1 从技术应用来看 LAN的桌面应用:由于ATM网卡价格和没有良好的标准开放式的应用程序接口(API) 支持等原因,真正基于信元到桌面的ATM业务市场前景并不看好。况且随着Internet的急 剧发展,IP在桌面应用的主导地位几乎已成定局。这一局势决定着将来宽带业务首先在 LAN上会以IP包的方式出现,而非以ATM信元形式。这样决定了WAN不管采用何种技术必须 解决IP包传送问题。 WAN的骨干网应用:虽然IP与ATM结合的技术已在一定范围内使用,在一定程度上推 广了ATM在WAN的骨干网中的应用,但由于以上所述的缺点,有许多厂家开发出新的抛开 ATM的IP传送技术,即 IP over SDH,其协议参考模型如图6所示,其实现是将目前路由 器的处理能力和吞吐量提高到千兆比特/s甚至更高,并将IP包封装在PPP帧中,再直接由 SDH传送,以解决目前路由器的吞吐量不够的问题。IP封装在PPP帧中的开销要比IP包封 装在ATM信元里的开销少得多。 3.2 从业务承载能力来看 ATM:从技术原理上来观察,ATM通过其不同的适配类型可以适配不同类型的业务, 包括连接型数据业务(FR,X.25 etc),无连接LAN数据业务,还包括实时性要求很高的 话音、图像、多媒体业务。 IP:人们现在已很习惯使用其上的非实时型业务,如FTP、E-mail等。现在网上也 开始有少量的实时型业务出现,如IP Phone、IP Video、Web TV等。由此,从技术原理 上观察,IP既可以承载窄带业务也可承载宽带业务,既可承载非实时性业务也可承载实 时性业务。只是对于实时性业务,由于目前IP协议本身限制及Internet骨干网的瓶颈等 问题,导致其服务质量不够理想,但在LAN上这些实时性业务的表现并不比采用ATM技术 逊色。 由于目前各种服务器系统及各种应用软件,它们的通人接口基本上都是基于IP开发 的,因此各种业务首先全封装在IP包内,而不是直接适配到ATM信元内。 3.3 从业务服务质量看 ATM:首次引入了服务质量(QoS)的概念,根据用户申请可把业务分成不同的业务 级别(目前分为四大类:CBR、VBR、ABR、UBR),为其提供不同质量的服务。由于其为 连接型的服务,可以根据用户申请为其分配相应的网络资源,并且由于其复杂的网络控 制技术,完全有能力保证用户的服务质量。其复杂的网络控制技术包括:业务整形(SH- APING)、用户流量监控(UPC)、连接允许控制(CAC)、CLP控制、反馈控制。 IP:最初是设计用来传输一般数据的,对各种业务一律平等,当网络出现拥塞时不 能保证实时业务的服务质量。但目前状况有所改变,IETF已准备启用目前版本的IP头中 现在很少使用的业务类型(TOS)字节来区分IP包的不同服务类别。与ATM相对应引入了 分类服务概念(CoS),对不同类型的业务在占用网络资源时给予不同的优先级。为了保 证分类服务的实现,与ATM相似的网络控制技术也已出现:业务整形器(Traffic Shape- r)用于削减IP包从LAN到WAN的业务量峰值;在网络边缘实现指定接入速率,路由器可向 用户提供指定信息传输速率服务;在网中采用一些传输协议如RED(随机早丢弃)探测和 智能识别流量瞬时剧增,并将其与真正的网络拥塞区别开来,以避免网络拥塞。 一旦网络的拥塞得以控制,它可以采用加权公平队列(WFQ)等方法来保证分类服务 的实现,WFQ对话音和视频等优先级高的数据流,路由器排队时给予优先权。 因此,有理由确信,在采用了以上技术后,并有足够带宽情况下,IP一定能保证各 种业务的服务质量。 总之,IP有能力成为宽带业务网的承载技术,而且从市场来看,也迫切需要IP成为 宽带业务网的承载技术。在IP成为宽带业务网的承载技术后,会给各方面带来好处。 (1)有利于LAN互连。目前我国90%以上的LAN都采用以太网技术(IP包传送),为 了实现LAN互连,各单位不得不租用价格昂贵的DDN、FR电路。在IP成为宽带业务网的承 载技术后,可以利用IP VPN技术很方便地实现LAN间互连。 (2)有利于理顺网络关系,降低建设成本。目前,大多数LAN均采用IP技术,在LAN 上采用了交换技术后,现已不存在带宽问题。但一到WAN后,为了提高传送带宽,不得不 采用价格昂贵的ATM设备,而且多增加了一个网络协议层次,降低了传送效率。从传送等 级看,成为10Mbs/100Mb/s(LAN)~155Mb/s ATM/622Mb/s ATM(WAN),中间存在 不同传送体系的转变。G比特路由器的出现,打破了这种局面,从传送等级看,将成为10 Mb/s/1000Mb/s(LAN)/100Mb/s(WAN)。这种从LAN到WAN,使用统一的以太网结 构,运行统一的IP协议,中间没有任何格式的协议转换,真正做到无缝连接,既可以保 证高效率、高性能,又可大大简化设备,成本降低。 4 宽带业务网发展展望 IP成为宽带业务网的承载技术,并不是说ATM就不再是宽带业务网的承载技术,只意 味着ATM的市场将缩小,IP的市场将继续扩大。ATM和IP技术将在宽带网络中各占一席之 地,只是IP将有可能占主导地位。ATM的优势在于它能统一传送平台,实现一个统一的多 业务网,以解决传统的电信网(如N-ISDN、PSTN、X.25、FR、DDN)的独立建立和管理 所造成管理和维护困难、网络资源不能充分利用等缺点;再次作为公共传送平台,有些 LAN互连用户为了倍息安全起见,需采用有连接功能的ATM链路,而不可能采用IP VPN方 式。虽然,IP VPN有一套逐渐完善的信息安全技术,但因IP本身是无连接技术,不可能 保证绝对的信息安全。总之,在将来这两种技术将会并存,不可能谁把淮完全替代。 在将来,IP将从现在的IPV4升级到IPV6。IPV6的引入有助于解决现在Internet上IP 地址紧张问题,同时因它引入分级业务流概念,使IP更能有效地支持话音、图像、多媒 体业务等实时业务。 随着全光网络的出现,IP包可能会直接调制到光纤上,省去SDH这一层,使传送效率 更高,设备成本更低。其协议参考模型如图7所示。 所谓全光网络,原理上讲就是网中端到端是完全的光路,中间没有光电转换的介入。 但目前,由于终端设备价格原因,在LAN上还很难实现。在WAN上由于现在存在带宽瓶颈 问题,需要采用此项技术。现在较成熟的全光网络技术是基于密集波分复用(DWDM)技 术,它采用光波分交换技术,实现WAN上信号全程光交换、传输。为了配合底层如此高速 的传送,对于IP层,现已出现了T位路由交换器,并且交换和路由速度可以达到线速。这 样,在广域上的带宽瓶颈问题将一去不复还,再加上IPV6的分级业务流量控制机制,在 WAN上完全可能构筑一个基于IP的成本低、宽带足够、易于扩展的宽带业务网。将来的宽 带业务网的使用前景会如图8所示。