宽带核心网技术

引言

　　近年来，IP业务在全世界的爆炸性增长，对网络带宽造成了巨大的需求，IP数据网络带宽要求每6个月翻一番，超过了著名的CPU 摩尔定律。目前国际上已有多家通信运营商的IP 数据业务量超过了话音业务，预计在今后的几年内全世界通信网的IP数据业务将超过话音业务。将来话音业务甚至会仅仅成为一种附属业务，IP已经成为未来“三网合一”无可争议的统一平台。

IP over ATM

　　综述

　　ATM曾被认为是一种十分完美的、用来统一整个通信网的技术，未来的所有话音、数据、视频等多种业务均通过ATM来传送。国际上，特别是电信标准化机构对该项技术进行了多年的研究，而且也得到了实际应用。但事与愿违，ATM没有能够达到原来所期望的目标。与此同时，IP的发展速度大大出乎人们的预料，但一方面在若干年前自始至终没有一种独立的IP骨干网技术，另一方面，IP在高速发展的同时确实有一定的缺陷，如QoS不高等。因此，在宽带IP骨干网中首先产生的是IP over ATM(ipoa)技术。

　　IP

　　PPP

　　HDLC

　　SDH/SONET

　　IP over ATM的基本原理是将IP 数据包在ATM层全部封装为ATM信元，以ATM信元形式在信道中传输。当网络中的 交换机接收到一个IP数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址通过某种机制进行 路由地址处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚电路（VC）。以后的IP数据包将在此虚电路VC上以直通（Cut－Through）方式传输而下载经过 路由器，从而有效地解决IP的路由器的瓶颈问题，并将IP包的转发速度提高到交换速度。IP over ATM技术的难点是如何将IP的无连接与ATM的面向连接的技术有机结合起来。IP over ATM技术很多，可以分为两种模型： 重叠模型和集成模型。

　　重叠模型

　　重叠模型的实现方式主要有：IETF的IPOA 、CIPOA（C1assic IP over ATM）、 ATM Forum的LANE（局域网仿真）和MPOA（Multi-Protocol over ATM）等。重叠技术的主要思想是：IP的 路由功能仍由IP 路由器来实现，需要 地址解析协议ARP实现MAC地址与ATM地址或IP地址与ATM地址的映射。而其中的主机不需要传统的路由器，任何具有MPOA功能的主机或 边缘设备都可以和另一设备通过ATM交换直接连接，并由边缘设备完成包的交换即第三层交换。此种技术信令标准完善成熟，采用ATM Forum/ITU-T的信令标准，与标准的ATM网络及业务兼容。但该技术对 组播业务的支持仅限于逻辑子网内部，子网间的组播需通过传统路由器，因而对广播和多发业务效率较低。

　　集成模型

　　集成模型的实现技术主要有：Ipsilon公司提出IP交换（IP Swtich技术）、Cisco公司提出的标记交换（Tag Swtich）技术和IETF推荐的MPLS技术。集成模型的主要思想是： 将ATM层看成IP层的 对等层，将IP层的 路由功能与GN 层的交换功能结合起来，使IP网络获得ATM的选路功能，ATM端点只需使用IP地址标识，从而不需要地址解析协议。由于IP over ATM的开销很大，高达24%，再加上其他如网络设备成本、 网络带宽扩展等原因，目前IP over ATM一般只用在网络的边缘。

IP over SDH

　　IP over SDH，简称为POS，目前有两种方式。一种是IETF定义的IP/PPP/HDLC/SDH结构的IP over SDH，另外一种为ITU-T X.85/Y.1321定义的IP/ LAPS/SDH结构的POS。

　　IETF定义的 POS的基本思路是将IP数据报通过点到点协议(PPP)直接映射到SDH帧，省掉了中间复杂的ATM层，这样可大大节省网络的投资。具体作法是先把IP数据报 封装进PPP，然后利用高层 数据链路控制(HDLC)成帧，再将字节同步映射进虚容器(VC)包封中，最后加上相应的SDH开销，置入STM-N帧内。IP over SDH在OSI( 开放系统互联)模型中层次分布。在该方案中，PPP协议提供多协议封装和 差错控制及链路初始化控制等功能，而HDLC帧格式负责 同步传输链路上的PPP封装的IP 数据帧的定界。

　　IP以包的形式出现在OSI的第三层； PPP以帧的形式出现在OSI第二层； SDH以帧的形式出现在OSI的第1～1.5层。

　　PPP是点到点协议的简称，标头只有两个字节，没有地址信息，是 面向非连接的。这个协议可将太长的IP包切短(IP包长短是不稳定的)成PPP帧，以适应映射到SDH帧的要求，它提供了多协议封装、差错控制和链路初始化控制的特性。

　　HDLC的主要功能是区分通过同步传输 网络传输的、使用PPP封装的IP数据报。这种区分是通过 字节填充(Byte Stuffing)来完成的，每一个HDLC帧以字节标志0x7e开始，也以0x7e结束。在发射端，为了标志序列和填充序列，HDLC帧被监控，如果标志序列发生在HDLC帧的信息域，它被改变成0x7d和0x5e序列；相反，在填充序列中，0x7d改变成0x7d 0x5e。在接收端，填充的信息被丢掉只剩下原来的信息域，而且在空闲期间，当没有数据报被传送时，HDLC的标志被作为帧间填充传输。

　　IP/LAPS/SDH结构的POS是由武汉邮电科学研究院代表中国向ITU-T提出的，其协议分层结构和协议模型如图3和图4所示。该方案兼容PPP，与IETF定义的POS相比，具有硬件开销少、工作效率高等优点。图5为IP/PPP/HDLC/SDH与IP/LAPS/SDH的帧格式比较。

IP over WDM

　　IP over WDM简称POW，也有人称光因特网，其基本原理和工作方式是在发送端将不同波长的光信号组合（复用）送入一根光纤中传输，在接收端，又将组合光信号分开（解复用）并送入不同 终端。IP over WDM是一个真正的链路层数据网。高性能 路由器通过光ADM或WDM耦合器直接连至WDM光纤，由它控制波长接入、交换、选路和保护。IP over WDM的帧结构有两种形式：SDH帧格式和 千兆以太网帧格式。IP over WDM的重叠模型和 封装示意图如图6所示。IP over WDM能够充分利用光纤的 带宽资源，极大地提高IP 网络带宽和相对的 传输速率，对传输 码率、数据格式及调制方式透明，不仅可以与现有通信网络兼容，还可以支持未来的 宽带业务网及网络升级，并具有可推广性、高度生存性以及整个组网费用低等特点。目前IP over WDM是宽带核心网络的主要组网方式。但IP over WDM也有一些缺点，如IP over WDM波长标准化还没有实现；WDM系统的 网络管理应与其传输的信号的 网管分离，但在光域上加上开销和光信号的处理技术还不完善，从而导致WDM系统的网络管理还不成熟；目前WDM系统的 网络拓扑结构只是基于 点对点的方式，还没有形成“光网”。

IP over Optical

　　光纤通信能够提供巨大的网络带宽，是所有传输网络的基础（有线传输）。在物理层采用光纤通信如WDM已经是人们的共识。同样，在第三层采用IP也是大势所趋。由于传统的光纤通信主要是为了解决电信网即采用TDM技术的电话网通信 带宽问题，随着IP事实上的网络统一标准地位的日益确定，自然就产生了一个问题： 如何将IP和光路（Optical）有机地衔接起来，即实现IP over Optical。目前国际上对IP over Optical的研究十分火热，ODSI（Optical Domain Service Interconnect）联盟、IETF等正在制定有关标准。IETF已经有多个相关的草案。IP over Optical的实现方式中，目前讨论比较多的两种方式是IP/ MPλS/WDM以及IP/Digital Wrapper/WDM。其中WDM代表Optical，当然也可以是将来的OTDM的光纤通信技术。IP over Optical的网络模型，其中MPLS（Multi－Protocol Lambdas Switch）信号和路由选择位于光网络中。图8为IP over Optical网络的工作模式。

　　在光网络的路由和交换上使用MPLS，特别是以MPLS的方式来控制WDM/DWDM，以波长作为标签，称为多协议波长标签交换（Multi-Protocol Lambda-label Switching：MPLmS)。MPLmS具有以下优势： 可以实现对光网络带宽的管理和对交换光网络的光信道进行自动保护倒换；可利用现有的MPLS和IP协议的软、硬件资源以及应用经验，避免开发新协议时高投入的弊端；可以利用MPLS较为容易地实现流量工程，优化网络性能； 对光 网络单元和电（数据）网络单元的互操作性标准协议的开发具有极大推进作用；通过光域和电域的规范统一的 网络管理和控制，可简化业务提供者需要进行的网络管理工作；可以在IP 路由器上最终实现DWDM复用，大大提高通信容量，为建立光因特网铺平道路。

　　MPLmS网络中，支持标签交换的IP路由器（LSR）连接光核心网络，光网络由若干OXC通过 光链路相互连接而成。OXC由光层面的交叉连接设备和控制平面组成，具有 数据流交换功能，交换由可配置的交叉连接表控制。目前，OXC 节点交换需要进行光电转换，在电域进行。随着光开关和可调谐激光器等技术的进步，将来它可以实现全光交换。控制平面使用基于IP的协议和信令进行节点的可达性检测，控制、建立和维护端到端的光通路。LSR的数据平面通过标签互换实现标签包的转发，即通过各个LSR上“<{入端口，入标签}，{出端口，出标签}>”的对应关系将打上标签的包（FEC）映射到由这些标签序列确定的标签交换 路径上。而在OXC的数据平面上，也通过“<{入端口，入光信道}，{出端口，出光信道}>”的对应关系将数据流映射到特定的光通路上。当使用WDM时，上述对应关系中的光信道即可由光波长来表示。OXC和LSR的控制平面都包括有资源发现、分布式路由选择以及连接管理的功能；一个是发现、发布、维护关于OTN的状态信息，根据光网络流量工程的策略和规则建立和维护光通路；另一个则发现、发布、维护与MPLS相关的状态信息，根据MPLS流量工程的策略和原则建立维护LSP。

EOS

　　EOS是Ethernet over SDH的缩写。由于SDH和 以太网分别是电信网和IP数据网（局域网）中占据了绝对优势的技术，在向统一于IP的“三网合一”的 下一代网络演变的过程中，如何保护全世界原来的上千亿美元的投资就显得十分重要。此外，由于实际证明以太网是传输IP的最好技术之一，如何扩展以太网的传输距离也是一个重要的问题。目前ITU-T已经定义了一种EOS技术，该标准由武汉邮电科学研究院余少华博士提出，标准号为X.86。该技术有着广泛的应用，既可在传统的SDH设备中提供以太网接口，也可在传统的以太网2/3层 交换机中提供SDH接口，此外，可以用一种设备直接将以太网和SDH两大网络连接起来。烽火网络公司开发的F-Engine A1001 EOS 接入设备就是这种设备。

10Gb/s以太网

　　如前所述，以太网是传输IP的最好技术，以太网占据了全世界90%以上的局域网市场。目前，IEEE 802.3ae工作组正在制定10Gb/s以太网标准，最新的版本号是D3.0。其目标是使以太网从局域网扩展到MAN、WAN。10Gb/s以太网可作为LAN，也可作为WAN使用。LAN和WAN之间由于工作环境不同，对于各项指标的要求存在许多的差异，主要表现在时钟抖动、BER( 误码率)、QoS等要求不同，IEEE 802.3ae就此制定了两种不同的物理介质标准，分别用于局域网和 广域网。这两种 物理层的共同点有：共用一个MAC层，仅支持全双工，省略了CSMA/CD策略，采用光纤作为物理介质。10Gb/s以太网在广域网中与OC-192c速率相同，采用了10Gb/s SDH标准中的部分开销，与SDH相比作了大大的简化。10Gb/s以太网的 广域网接口可以直接上WDM，但为了降低组网成本提高10Gb/s以太网的竞争力，采取上CWDM或WWDM的方式。传统的以太网 网络管理功能较差，10Gb/s以太网中局域网也增加了丰富的网络管理功能，而且可以从100Mb/s以太网、1000Mb/s以太网实现平滑升级。