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宽带IP网技术近年来发展迅速,目前,ATM和SDH均能支持IP,分别称为基于ATM的IP网(IP over ATM)和基于SDH的IP网(IP over SDH),两者各有千秋。IP over ATM利用ATM的速度快、容量大、多业务支持能力强的优点,以及IP简单、灵活、易扩充和统一性的特点,可以达到优势互补的目的。然而,经研究和实践发现:当IP业务繁忙时或出现大量不均衡、突发性业务时,会发生ATM降载,主干网路由器不堪负荷也会引起整个系统停机。再加上IP over ATM的网络体系结构比较复杂、传输效率低、开销损失大(达25%~30%,这一点令Internet网络运营者感到尤其心疼)的缺点,使人们把眼光转向了IP over SDH。SDH与IP的结合能较好地弥补上述IP over ATM的弱点。
1 采用IP over SDH的缘由
1.1 IP业务的急剧增长
随着Internet在世界各国爆炸性的增长,以IP业务为主的数据业务是当今世界信息业发展的主要推动力,据美国国家科学基金会(U.S.National Science Foundation)的估计,从1995年到2000年的5年期间,Internet将会以空前的速度增长,其中,商业市场的年增长率将达到62.4%;Internet的用户数将从3000万增加到5.5亿;通过Internet实现的商业市场交易量将从1.5亿美元增加到25亿美元。因而能否有效地支持IP业务已成为某项新技术能否有长远技术寿命的标志。
1.2 SDH传输体制的普及和全球化
SDH为IP over SDH解决方案提供了一个良好的环境和传输平台。SDH一般以光纤线路为载体用于传输数据。其基本单元是STM—1(155Mb/s信号,所有高次群传输信号均为此第一级的倍数,这就产生了STM-N信号(N×STM-1,N—1,4,16,64,…)。
SDH的一大特点是可在高次群的SDH多路复用信号中,采用同步字节复用和指针调整的方法,插入或分出低次群支路的数字信号,而不必多路分解整个信号。也可采用映射和指针调整的方法,将现有不同标准的各次群的准同步数字体系(PDH)的数字信号装入STM-1或再复接到STM高次群。这样,便可实现分插复用器(ADM)和数字交叉连接设备(DXC)动态进行电路调度,并可组成自愈环。
目前,各发达国家的骨干网基本上都是采用SDH传输体制。在我国,省级以上骨干网90%是采用SDH。相反,ATM交换机的普及率在全球还很低,所以国内外广泛建设的SDH环境,为在Internet主干网实施IP over SDH创造了良好的条件。
1.3 路由器技术的最新发展
新型千兆(位)路由器是IP over SDH网络的核心。在网络发展中,路由器与交换机在主干网络中配置之争由来已久,传统路由器已成为Internet主干网发展中的瓶颈。近年来,由于采用了缓存(Cache)技术、硬件(芯片)快速处理技术、标记交换技术、以信元(Cell)交换结构作为路由器内部体系架构的路由交换技术等,路由器技术发展极快。
Cisco GSR-12000路由器,其吞吐量达60Gb/s,转发速度达2750kp/s(260byte/packet);PACKETENGNES公司生产的PowerRail 5200吉位线速路由器中继的包转发速度达37000kp/s,该种路由器能提供CoS(业务分级)和基本保证服务质量(Qos)。
为了达到特位的速度,一般公司采用并行或大规模并行计算技术。Avici公司的TSR特位路由器,由20块交换路由器卡组成,每块卡采用专用硬件构成,其交换机构的交换速度为70Gb/s,总体交换速度为1.4Tb/s。Pluris INC公司的TNS特位路由器,采用大规模并行技术。共16×1024个处理节点,每个处理机节点支持STM-1的端口,采用通用器件构成,总交换速度为5Tb/s。它可以支持1000个2.5Gb/s的STM-16(622Mb/s)端口、Neo公司的Stream Processor 2400,采用1000个RISC处理机大规模并行构成,其交换速度为512Gb/s,包转发速度可以达到400Mp/s。 速率可支持STM-16的千兆路由器的出现,以及其单位吞吐量价格的大幅度下降,使得它足以与ATM相抗衡。
新型路由器系列在转发每个包时消耗的时延,也已降至0.4~3ms以下,进入/离开所有设备的时延允许50~75ms,路由器转发时延在其中已不再成为问题。
2 IP over SDH协议和接口规范
IP over SDH在本质上保留了因特网作为IP网的无连接特征,形成统一的平面网,简化了网络的体系结构,提高了传输效率,降低了成本,易于实现IP组播和兼容不同技术体系,实现网间互联。其基本思路是将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分组,然后利用高层数据链路控制(HDLC)组帧,再将字节同步映射进虚容器(VC)包封中,最后再加上相应的SDH开销置入STM-N帧中即可。IP over SDH在OSI(开放系统互联)模型中层次分布图如图1所示。
在图1中,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。
IP数据报首先被封装进PPP数据包中[PPP是点到点协议的简称,它是一个十分简单的协议,标头只有两个字节,没有地址信息,只是从点到点顺序走,是面向非连接的(面向连接是端到端的问题)。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],然后利用高层数据链路控制(HDLC)去组帧,再将字节同步映射进SDH的虚容器中,再加上相应的SDH开销置入STM-N帧中即可。
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;相反的,在填充序列中,0x7d改变成0x7d 0x5e。在接收端,填充的信息被去掉,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的标志模式被作为帧间填充传输。图2显示的是采用IP over SDH映射的HDLC的帧格式。
3 IP over SDH的高速化支持
目前国际上大规模铺设的SDH骨干网的单信道速率大部分已达到STM-16(2.5Gb/s),一部分甚至达到STM-64(10Gbit/s),速率可支持STM-16的千兆路由器也已商品化。
IP over SDH将在如此高的速率上运行,然而,不幸的是基于HDLC的运作机制并不能直接轻易地用于STM—16及其以上速率。但是通过采取一定的措施,使得HDLC应用于STM—16及以上速率是可能的。目前朗讯公司进行了STM-16以上速率的IP over SDH传输技术的研究并取得了成功。
IP over SDH传输技术的主要问题是速率超过STM-16,同时能够以尽量低的价格施行。简化的数据链路(SDL,Simplified Data Link)是IP over SDH高速化的核心,它能够给异步到达的、可变长的数据报提供更高的速率。简单的情况下,SDL帧包括净荷长度指示、帧头循环冗余校验,净荷循环冗余校验。 SDL帧的头部信息的目的是为了描述数据包,数据包的净荷有单独的CRC保护。如果是实时业务,SDL将允许有误码的数据包净荷传送到上层。基于SDL的描述能够工作在物理层,而不管物理层是否提供比特或字节的校正,如果没有提供校正,SDL将在搜索状态下通过滑码来寻求CRC的有效性。
一个合适的扰码机制,也将被应用到映射中,确保映射能够在SDH网络中传输。值得注意的是由于SDL是基于长度的描述,与基于标志的描述相反,考虑到扰码器的存在,它们实际上是没有什么矛盾的。
值得感兴趣的是如果在SDL中加入QoS和复用功能,它看上去就好像可变信元大小的ATM。目前,朗讯等公司正进行进一步的研究。
4 IP over SDH的应用方案
随着千兆位高速路由器的商用化,IP over SDH的发展势头很强。例如美国Sprint公司和GTE公司已决定采用Cisco的GSR 12000高速路由器作为节点建立IP骨干网。世界最大的ISDN业务供应商U-UNet也宣布将在骨干网上采用IP over SDH。采用这种技术的关键是千兆位高速路由器,这方面近来已有重要突破性进展(如前所述)。
美国Cisco公司于1997年9月推出的12000系列千兆位交换路由器(GSR),可以在千兆位速率上实现因特网业务远路,还具有60Gb/s的多带宽交换能力,提供灵活的拥塞管理、组播和QoS功能,其骨干网速率可以高达2.5Gb/s。
AT&T和KDD已开始提供一条横跨太平洋的海底光缆专用线路连接旧金山和东京,开展IP Over SDH业务;横跨大西洋的海底光缆连接纽约和斯德哥尔摩,从1996年9月开始,也开展了IP over SDH业务。目前,全世界很多电信公司和大企业,也在建设IP over SDH网络。图3为IP over SDH的应用方案示意图。
在图3中,SDH光纤环由光纤双向环组成;路由器可有各种不同的等级,分别连接各自的IP子网。在图3中,如路由器1与路由器2通信,接入线路速率为E1,欲实现IP Over SDH,则在STM-1中继线及STM-16光纤环路中分别分出一条E1速率的支持(信号),由SDH网管系统设置,这条支路类似于ATM网中设置的永久虚电路(图3中以虚线表示)固定连接于路由器1与路由器2之间。
5 高速宽带IP传输网络的未来
尽管IP over SDH有简化了网络体系结构、提高了传输效率、易于实现IP多路广播(IP Multicast)等许多优点,但是它并不是十全十美的,它仍然有许多方面需要改进,并且最终将由新的网络体系结构,例如IP over Optical取代。
5.1 IP over SDH面临的困难和挑战
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