宽带业务网发展方向探讨

mick

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AIM。
1  ATM和DIP技术概况
1.1  ATM技术概况
——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、电视及多媒体信息的新
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
功能是支撑各种用户服务。
——ATM技术主要特点：①易于硬件实现。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。在无情息传输时，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［如固定比特
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A
TM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一端之间。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AT
M／FR业务和网络互通功能实现与PR的互通，且提供n×64kb／s到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技术概况
——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。
——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；应用层主要支撑用户的各种应用。
——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，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。
表1  ATM和IP技术比较
特   点 IP ATM
发展主要原因 市场驱动 技术驱动
应用支撑 异步数据（可以支撑话音、图像） 异步、同步话音、图像、数据
连接方式 无连接 连接
拥塞管理 无（在改进） CLP，拥塞通知，选择性业务丢弃
业务识别方法 32bit IP地址 VPI/VCI及ATM地址
PDU尺寸 可变 固定
成本 相对低 相对高
应用层App支撑程度 很高 很低
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企业提供的IP交换（IP Switch）技术、Cisco企业提供的标记交换
（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
拓扑结构和可达性信息。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。
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企业的tag switching，ASCEND企业的IP Navigator，但它们的
思想都类似MPLS。
2.2.3 MPOA与MPLS的比较
——表2  MPOA与MPLS的比较
——MPOA与MPLS的比较如表2所示。
表2  MPOA与MPLS的比较
1 MPOA MPLS
标准化 是 正在进行
路由模型 虚拟路由 LSR/LER
目标 通过ATM ELAN在主机与边缘设备间建立直通路由 利用标签交换加速路由器的数据
发送过程
直通路径/交换路径的建立依据 数据流驱动 拓扑结构驱动
直通路径/交换路径的建立 基于每一个流 基于每个目的地
对网络设备要求 ATM变换机 路由器/FR、ATM交换机
网络的可扩展性 较差 较好。
2.3  IP和AIM结合后的协议模型
——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  从技求应用来看
——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）
支撑等原因，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。只是对干实时性业务，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App，它们的通信接口基本上都是基于IP开发
的，因此各种业务首先会封装在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（T0S）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
）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LA
N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比恃路由器的出现，打破了这种局面，从传送等级看，将成为
10Mb／s／100OMb／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LA
N互连用户为了信息安全起见，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，不可能惟把谁完全替代。
——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更能有效地支撑话音、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