北京郵電大學(xué)光通信中心 季偉
摘要：敘述了當(dāng)前用于WDM網(wǎng)絡(luò)中，傳送IP的各種技術(shù)。具體分析了各種技術(shù)存在的優(yōu)缺點(diǎn)。指出了IP over WDM即光互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將是未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：IP， WDM， 光分組交換，ATM，SDH， MPLS
Abstract: In this paper, we described all kinds of technologies used in transmitting IP in WDM networks. Analysed the merit and defect of each technology. We draw the conclusion that IP over WDM is the developing direction of the Internet network.
Key words: IP, WDM, Optical Packet Switching, ATM, SDH, MPLS
一、概述
當(dāng)今通信領(lǐng)域有兩大顯著發(fā)展趨勢(shì)：第一、IP業(yè)務(wù)流量激劇增長(zhǎng), 基于IP網(wǎng)絡(luò)和基于IP業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)勢(shì)如破竹、如火如荼，已成為世界矚目的焦點(diǎn)和推動(dòng)全球信息業(yè)發(fā)展的主要力量，并給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)模式、整體架構(gòu)及業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)方式、組網(wǎng)形態(tài)、業(yè)務(wù)能力等諸多方面帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。目前世界各國(guó)都把IP網(wǎng)絡(luò)作為21世紀(jì)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)加速發(fā)展，以爭(zhēng)取在未來(lái)激烈的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，“Everything on IP”正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。隨著基于IP的語(yǔ)音、視頻和其它多媒體應(yīng)用業(yè)務(wù)的發(fā)展，到2005年IP業(yè)務(wù)量可望達(dá)到280Tb/s。第二、WDM技術(shù)的成熟使得以較低成本提供巨大的網(wǎng)絡(luò)容量成為現(xiàn)實(shí)，在此基礎(chǔ)上形成了WDM光層。特別是DWDM技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)擴(kuò)容、發(fā)展寬帶新業(yè)務(wù)、充分挖掘和利用光纖帶寬能力、提高通信系統(tǒng)的性價(jià)比和經(jīng)濟(jì)有效性、滿足不斷增長(zhǎng)的電信和因特網(wǎng)業(yè)務(wù)的需求實(shí)現(xiàn)超高速通信具有十分重要的意義。在越來(lái)越多的光傳輸系統(tǒng)升級(jí)為WDM或DWDM系統(tǒng)，以及在DWDM技術(shù)逐漸從骨干網(wǎng)向城域網(wǎng)和接入網(wǎng)滲透的過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)DWDM技術(shù)在提高傳輸能力的同時(shí)，還具有無(wú)可比擬的聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢(shì)。如何將這兩大趨勢(shì)結(jié)合發(fā)展，即如何實(shí)現(xiàn)IP分組在WDM光網(wǎng)上的優(yōu)化傳輸成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。
本文較詳盡地討論了目前實(shí)現(xiàn)IP分組到WDM光通道映射的各種方案。分析了正在研究中的各種基于傳統(tǒng)協(xié)議分層結(jié)構(gòu)的IP over WDM方案。最后介紹了多協(xié)議波長(zhǎng)交換和光分組交換這兩種新方案，指出了光互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向。
二、用于WDM光網(wǎng)絡(luò)上傳送IP業(yè)務(wù)的適配技術(shù)
如何將IP業(yè)務(wù)適配到WDM光層上進(jìn)行傳輸，截止到目前，被提出使用的技術(shù)方案如圖1所示：
下面對(duì)上圖列出的幾種主要適配技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。
�。�1） IP /千兆路由器（GE）/WDM技術(shù)。這種技術(shù)是以主要的IP網(wǎng)絡(luò)提供商和IP路由器生產(chǎn)廠家為代表，利用最新的吉比特路由器技術(shù)升級(jí)現(xiàn)有路由器，使其具有更高吞吐量和更高的業(yè)務(wù)質(zhì)量管理能力。主要是通過(guò)軟件硬件化、采用并行或大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)、增加具有業(yè)務(wù)質(zhì)量保證的新協(xié)議和提供帶寬管理能力等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種技術(shù)的最大缺點(diǎn)是受“電子瓶頸”限制,不提供QoS保證,而且高效率的塊編碼方案、路由更新時(shí)間、長(zhǎng)距離傳輸?shù)亩秳?dòng)(jitter)和定時(shí)(timing)等問(wèn)題還有待解決。
�。�2） IP/ATM/WDM技術(shù)。IP數(shù)據(jù)包在ATM層封裝為ATM信元，數(shù)據(jù)以ATM信元的形式在信道中傳輸。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地址進(jìn)行處理，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，以后的數(shù)據(jù)包將在此VC上以直通方式傳輸而不再經(jīng)過(guò)路由器的地址解析處理。從而有效地解決了IP路由器的“瓶頸”問(wèn)題，提高了IP數(shù)據(jù)包的交換速度。
�。�3） IP/ATM/SDH/WDM技術(shù)。這種技術(shù)的適配過(guò)程分3步：1.使用多協(xié)議邏輯鏈路控制LLC(multi-protocol logical link control)協(xié)議或子網(wǎng)接入點(diǎn)SNAP(sub network attachment point)協(xié)議將IP包封裝在AAL5適配層中；2.由通用段匯聚子層CPCS(common part convergence sub-layer)協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(protocol data unit)將AAL5中數(shù)據(jù)分段成48bytes的ATM信元；3.將ATM信元映射進(jìn)SDH幀中。在這種適配方式中，IP層提供了簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)封裝格式；ATM層重點(diǎn)提供了端到端QoS；SDH層重點(diǎn)提供了強(qiáng)大的網(wǎng)管和保護(hù)倒換功能；光層主要實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用和為上一層的呼叫選擇路由和分配波長(zhǎng)。這種方案可提供155Mb/ｓ和622Mb/ｓ的堅(jiān)固的傳輸。由SDH層提供通路保護(hù)、性能管理能力及保護(hù)倒換功能,而ATM提供虛通路的靈活的帶寬分配功能。
�。�4） IP /PPP /HDLC/ SDH/WDM技術(shù)。這種技術(shù)將IP包映射到SDH的方法是使用PPP(point to point)協(xié)議(IETF RFC1661)和HDLC(high level data link control)協(xié)議(IETF RFC1619)(ITU-T建議Ｇ.707)。它的映射過(guò)程是：IP包先被封裝到PPP包中,PPP協(xié)議提供多協(xié)議封裝、錯(cuò)誤控制和鏈路初始控制。然后封裝在PPP中的IP包按照IETF RFC 1662使用HDLC協(xié)議成幀和將映射的字節(jié)排列到SDH的SPE(synchronous payload envelope)中。HDLC的主要功能是劃分通過(guò)同步傳輸鏈路的PPP封裝的IP包。
�。�5） IP / SDL/WDM技術(shù)。SDL是為彌補(bǔ)HDLC協(xié)議在高速傳輸（1Gb/S以上）時(shí)的不足設(shè)計(jì)的。它可對(duì)同期到達(dá)的可變長(zhǎng)度報(bào)文提供高速分幀功能。SDL的幀是可變長(zhǎng)的，其結(jié)構(gòu)由凈荷長(zhǎng)度標(biāo)識(shí)、分別對(duì)頭和冗余校驗(yàn)CRC構(gòu)成。當(dāng)接收端一旦獲得了一個(gè)SDL幀,則后續(xù)的SDL幀能夠通過(guò)使用凈荷長(zhǎng)度域來(lái)劃分出來(lái)。在幀的劃分過(guò)程中,每一個(gè)SDL幀頭的CRC都被驗(yàn)證。如果CRC無(wú)效,而且凈荷長(zhǎng)度域也無(wú)效時(shí),則一個(gè)類似于ATM的頭錯(cuò)誤控制HEC(header error control)的搜索(hunt)被啟動(dòng)直到獲得一定量連續(xù)有效的CRC校驗(yàn)碼。所以，采用SDL幀結(jié)構(gòu)可提供高速、可靠的傳輸。
�。�6） IP / MPLS/WDM技術(shù)。多協(xié)議標(biāo)簽交換MPLS(Multi-protocol Label Switching)技術(shù)被業(yè)界認(rèn)為是當(dāng)今數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)最有前途的網(wǎng)絡(luò)解決方案之一。它可有效解決傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)所面臨的問(wèn)題并提高其靈活性、傳輸速率和節(jié)點(diǎn)吞吐量。MPLS網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)分組處理方式對(duì)第三層的分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),采用標(biāo)簽交換對(duì)第二層分組進(jìn)行交換,從而實(shí)現(xiàn)了快速有效的轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS的實(shí)用價(jià)值在于它能夠在像IP這樣的無(wú)連接型網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建連接型業(yè)務(wù),并提供完善的流量工程TE(Traffic engineering)能力。專家指出，MPLS有助于簡(jiǎn)化復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)的總體成本降低50%。目前MPLS的標(biāo)準(zhǔn)正在制定中,但是理論研究表明，它的自愈恢復(fù)時(shí)間能夠達(dá)到與SDH相當(dāng)?shù)乃健?
三、光互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
以上介紹的目前幾種常用的IP over點(diǎn)到點(diǎn)WDM系統(tǒng)，它們?cè)诤艽蟪潭壬暇徑饬薎P業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展對(duì)帶寬的渴求.但是,隨著Internet流量的迅速膨脹,這類技術(shù)的固有缺陷也逐漸凸現(xiàn)出來(lái)。首先, 多層協(xié)議結(jié)構(gòu)造成大量系統(tǒng)冗余開(kāi)銷，下表列出了了不同映射方式對(duì)應(yīng)的不同開(kāi)銷水平。
系統(tǒng)功能冗余、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高。WDM系統(tǒng)僅充當(dāng)點(diǎn)到點(diǎn)的高帶寬傳輸通道,IP分組的交換和路由仍依賴于路由器，成為嚴(yán)重制約系統(tǒng)發(fā)展的電子瓶頸。光層不具備智能,其資源調(diào)度策略不能與IP業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)特點(diǎn)相匹配,網(wǎng)絡(luò)資源利用率低.。隨著各種新技術(shù)和新思路的不斷涌現(xiàn),尤其是多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)向光層的滲透,網(wǎng)絡(luò)各層的功能將重新整合,多層協(xié)議棧會(huì)逐漸坍塌。最終,IP over WDM光網(wǎng)絡(luò)將向著緊湊的集成模型演進(jìn)，如下圖所示。
具體來(lái)說(shuō),演進(jìn)過(guò)程可分成3個(gè)階段：IP over點(diǎn)到點(diǎn)WDM光鏈路、IP over波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)和IP over光分組交換網(wǎng)。由IETF提出的多協(xié)議波長(zhǎng)標(biāo)簽交換(MPλS)，就是一種將MPLS流量工程控制與波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的新技術(shù)，它將標(biāo)簽交換的概念擴(kuò)展至包括波長(zhǎng)選路和波長(zhǎng)交換的光通道.MPλS的交換顆粒是波長(zhǎng),標(biāo)簽是信道或者波長(zhǎng)，利用IP選路協(xié)議來(lái)發(fā)現(xiàn)和廣播網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌肕PLS信令協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)通道的自動(dòng)指配。
為了徹底解決電子瓶頸問(wèn)題,高效地承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),我們需要一種能夠直接在光域復(fù)用、交換和傳送IP分組的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——分組交換光網(wǎng)絡(luò)。光分組交換是指在光域?qū)崿F(xiàn)分組交換的智能光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其概念與電的分組交換類似，只不過(guò)交換單位是高速傳輸?shù)墓夥纸M。由于光邏輯器件和光緩存器件至今還未實(shí)用化，光分組交換一般采用光電混合的辦法實(shí)現(xiàn):光分組凈荷承載用戶數(shù)據(jù)，在光域?qū)崿F(xiàn)高速的傳輸和交換，光分組頭由低速控制信號(hào)構(gòu)成,在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)經(jīng)光電變換后在電域處理,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的路由和控制。另外，采用光突發(fā)交換（OBS）技術(shù)，也可降低系統(tǒng)對(duì)光緩存器性能的要求，成為光互聯(lián)網(wǎng)向光分組交換網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，一種較為有效的過(guò)渡技術(shù)。
四、結(jié)論
縱觀IP與光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與融合過(guò)程，建立基于IP和WDM技術(shù)的全球網(wǎng)絡(luò),具有健全的互連互通體制,這一點(diǎn)將是非常關(guān)鍵的。目前，以IP over WDM為核心的光互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正由ITU-TTG15和光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)論壇進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作。IP over點(diǎn)到點(diǎn)WDM光鏈路解決了IP業(yè)務(wù)對(duì)帶寬的渴求，但電子瓶頸和復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)限制了它的進(jìn)一步發(fā)展；IP over波長(zhǎng)交換WDM光網(wǎng)絡(luò)將智能和光交換引入光網(wǎng)絡(luò)，使其經(jīng)歷了歷史性的變革，但波長(zhǎng)交換光網(wǎng)絡(luò)交換顆粒太粗,其資源分配策略適于面向連接的業(yè)務(wù)，與IP業(yè)務(wù)的統(tǒng)計(jì)特性不相符。而且同樣存在電子瓶頸問(wèn)題，IP over光分組交換網(wǎng)是電分組交換技術(shù)向光層的延伸,既有分組交換高效靈活的特點(diǎn),又繞開(kāi)了電子瓶頸,對(duì)于未來(lái)承載IP業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)是理想的光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。相信隨著光子技術(shù)的不斷發(fā)展，IP over光分組交換網(wǎng)必將成為未來(lái)全光互聯(lián)網(wǎng)的主要形式。
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