IP网络设计系列之－－广域网设计

广域网(WAN)对于企业的网络拥有成本是一个最大的单项开支。因此，强调得最多的和最重要的是有一个权衡性价比的区域。本文将探讨各种替代的方法。这些方法在选择和设计WAN基础设施的时候是必须要进行评估的。不同的拓扑的和技术的选择将从它们与基本的WAN设计目标的关系的角度进行讨论。包括同步串行线路、帧中继和ATM在内的传统的技术替代方法将同DSL和MPLS等更高级的技术一起讨论。
 
同步串行线路

清晰频道租赁线路是地理上分散的站点之间相互连接的最简单和最传统的方式，然而也是最昂贵的方式。同步租赁线路的主要优势在于其技术的简单性。这就意味着这种技术的安装和排除故障仅需要较少的专业知识，从而减少了技术支持的费用。点对点的串行连接的特点是需要的费用最少，因此提高了有效的数据吞吐量并且消除了额外的延迟和抖动的因素。

充足带宽的串行连接的特点是具有极好的服务质量。在串行连接上造成信号延迟和抖动的主要原因是路由器上的队列和数据包串行化。当一个小数据包等待一个大数据包在这个连接上发送的时候可能会出现串行化延迟。这种类型的延迟最有可能发生在低速连接上。然而，带宽预算总是有上限的，并且总有更省钱的方法减少在串行连接上的延迟和抖动。高级的队列技术把大型数据包分割为小数据包，并且给小数据包更高的优先等级，从而保证在串行连接上的延迟分布的更统一。

这对于数据包语音、视频和多媒体等对延迟非常敏感的实时应用是非常重要的。串行租赁线路最大的缺点是成本太高。因此，这个行业的许多部门都把串行租赁线路看作是不能有效地使用价格昂贵的带宽。这种情况促使人们从串行租赁线路技术向诸如帧中继或者用于更高带宽需求的ATM信元中继等包交换技术转移。

帧中继

帧中继协议是在客户的路由器或者帧中继接入设备(FRAD)之间运行的。本地帧中继交换机一般属于服务提供商。永久虚拟电路(PVC)用于站点之间的连接。永久虚拟电路之所以称作“永久”是因为端点总是与一个租赁线路时相同的。使用“虚拟”这个词是因为在运营商的网络上的整个线路中没有一个专用的物理连接。例如，不需要运营商编排其交换机来保证信号传输，从站点A进入帧中继网络的通信将在站点B退出这个运营商的网络。

因此，在最基本的水平上，这看起来好像与使用一条租赁线路把站点A与站点B连接起来是一样的。不过，还有许多基本的和相当大的区别。帧中继实际上是通过一种包交换的技术收取传统的基本费用。事实是，整个线路上没有一个专用的物理电路使运营商能够提供一个灵活的带宽，向用户证明这种连接是节省费用的。

一项帧中继服务需要为每一个永久虚拟电路购买一个承诺信息速率(CIR)。CIR是运营商担保的端对端的带宽。用户还可以购买额外的突发速率(Burst Rate)。突发速率是所有的永久虚拟电路都支持的最大速度的通信速率。显然，最大突发速率是用户接入帧中继服务提供商的线路的物理速度。然而，运营商不能保证通信将以超过CIR的速度传输。一旦超过了这个速率，所有随后的数据包都将在帧中继文件头上打上“DE”(符合丢弃条件)的标签。这将在本地帧中继交换机上完成。

如果在帧中继网络的一个节点检测到阻塞的情况，有“DE”标记的数据包将被首先放弃。在检测到拥塞之后，帧中继交换机将向信息源发送一个后向拥塞通知(BECN)信息。如果发送这个信息的路由器或者FRAD有足够的智能来处理这个信息，那么，它就能够把发送的速率降低到CIR速率。因此，用户可以选择CIR速率或者最大突发速率，以便获得能够充分支持其应用需求的最划算的带宽。

使用TCP协议的应用程序对于放弃的数据包更有弹性，因此同不太可靠的基于UDP的应用程序相比性能受到的影响要小一些。对于语音应用程序来说，被放弃的数据包超过一定的比例将影响语音的质量。当以超过CIR的速率进行语音通信时，还有一个需要注意的问题。除了在拥塞时放弃有“DE”标记的数据包之外，帧中继交换机还可能以较低的优先等级缓存这些数据包。这意味着这种通信将会达到目的地，但是，会有很大的延迟或者抖动，对于语音质量或者任何实时重放都会产生严重的影响。

避免以超过CIR速率的速度运行实时通信程序应该被当作一项一般的原则。这是非常恰当的，因为帧中继服务会需要某些带宽的保证，不能保证出现任何延迟。因此，对于实时的和非实时的通信使用不同的永久虚拟电路是非常必要的。帧中继网络能够以节省成本的方式提供恢复能力。可以使用一些CIR速率低于主要的永久虚拟电路的备份的永久虚拟电路。这种备份的永久虚拟电路位于通向本地帧中继交换机的不同的电缆线中，因为不仅仅在理论上保证这种恢复能力是很重要的。

异步传输模式

异步传输模式(ATM)一种综合性技术，旨在把带宽的一致性和传统的清晰频道TDM技术有关的延迟与包交换技术的灵活性结合在一起。ATM的较高层使用专用网络接口(PNNI)支持交换式虚电路(SVC)的动态重新路由。ATM还适应突发通信状况。小的、固定的53个字节的信元可减少在WAN中出现的延迟或者抖动的变化。虽然ATM中使用的许多原则与帧中继相似，但是，交换较小的固定长度的信元以及ATM协议中固有的服务质量的特点使ATM更适合用于由不同成分组成的和实时的应用程序。

ATM资源和服务质量参数

用户能够受益于与帧中继相同的带宽的灵活性。使用ATM，用户可以从服务提供商那里购买可持续信元速率(SCR)和峰值信元速率(PCR)。这与帧中继中使用的CIR和EIR相同。因此，同使用帧中继一样，用户对于接入速度有一定的控制权，并且可以根据应用的需求调整接入速度。

除了与信元速率有关的通信参数之外，ATM还采用了服务质量参数。这些参数可在用户网络接口提出申请，旨在为各种对延迟敏感的和对丢失数据包敏感的应用程序提供更好的服务。

信元丢失率(CLR):这是整个连接中数据吞吐量中信元总数与放弃的信元数量的比例。CLR是一个参数，对于那些对丢失数据包非常敏感的应用程序可以把CLR设置为最大值，例如基于UDP数据的应用程序等。

信元延迟变化(CDV):CDV是在特定时间间隔中整个ATM连接中延迟的平均变化。对于语音和视频等不能容忍大量延迟变化的应用程序，可以向ATM网络申请CDV的最大值。

信元传送延迟(CTD):CTD是总的端对端的延迟或者在整个ATM连接中的延迟。对于那些对时间敏感的语音或者数据应用程序，可以设置这个值。

ATM还支持与在ATM网络上分配带宽有关的许多不同类别的服务。ATM论坛具体指出了四种服务类型:

固定比特率(CBR):这种类型的服务可保证在ATM永久虚拟电路上的固定比特率。固定比特率是高质量的语音和视频传输的先决条件。这是公共ATM网络中价格最昂贵的一种服务，因为服务提供商必须在永久虚拟电路上分配充足的带宽以满足规定的需求。固定比特率相当于从服务提供商那里购买的SCR值。如果通信以超过SCR速率的速度在永久虚拟电路上传输，信元在ATM网络拥塞时可能会被放弃。ATM文件头中的信元丢弃优先级(CLP)字节能够确定在这种情况下放弃什么通信。 

可变比特率(VBR):采用这种服务，比特率能够根据网络状况变化。当网络完全没有拥塞的时候，在整个永久虚拟电路上可以达到预先设置的最大PCR值。当然，这是不能保证。在特定的时间段，平均数据吞吐量可以在ATM接入设备和交换机之间进行协商。短时间内可以保证的最大比特率也可以协商。VBR类服务适用于对时间不太敏感的突发性数据应用。VBR还有一个标准的定义“VBR-NRT”，NRT的含义是非实时通信。VBR-NRT主要用于传输数据。在实时通信方面，最近批准了“VBR-RT”。VBR-RT被认为是在ATM网络上发送语音、视频和其它对延迟敏感的通信的最有效的方法。这是因为人们一直认为语音和视频在本质上不是固定速率的，尽管它们对延迟和抖动很敏感。视频协议仅发送增量帧，语音电话在统计学上大约有30%的时间是沉默的。我想，这取决于你与谁讲话!

可用比特率(ABR):ABR是可变比特率的一种具体类型。反馈回路是在ATM交换机和路由器之间实现的(或者正在访问这个网络的任何ATM适配器)。这种适配器需要一种特定的比特率，但是，将接受目前网络应用允许的比特率。如果这个交换机提供的比特率低于要求的比特率，经过一段时间当网络利用率不足的时候，交换机将提高比特率。同样，如果原来申请的比特率获得了交换机的批准，如果网络的使用率增长，交换机以后可能会降低比特率。虽然ABR看起来比较复杂，但是，ABR比CBR或者VBR类的服务都要便宜，因为ABR对于分配的带宽只有有限的保证。

未指定比特率(UBR):使用UBR绝对没有任何比特率的保证。接入设备发送的全部信元可能被网络丢弃，或者可能成功地发送到目的地。实际达到的数据吞吐量完全取决于网络状况。因此，人们经常把UBR比作“等待起飞”。

ATM适配层(AAL)准备在ATM网络上传输的信元。在发送端，可变长度数据包要被分割为固定长度的信元，然后在接收方重新组合起来。ATM适配层的这种特殊功能被称作“分段和重组”(SAR)。不同的AAL协议用来支持优化传输有不同要求和不同字符的通信。

从比特率、面向连接的协议&无连接协议性质和时间特点方面看，五种不同的AAL协议在这些方面有不同的特点。最常用的ATM适配层封装是AAL1和AAL5。AAL1是一种面向连接的协议，提供固定的比特率。通过在信息源和目的地之间实施端对端的定时连接可以实现固定延迟。这种固定比特率和固定延迟对于语音和视频等对延迟敏感的应用程序来说是非常理想的。AAL5是用于数据传输的最常用的ATM适配层协议。AAL5是面向连接的协议，并且提供一种可变比特率。这种用于ATM永久虚拟电路的AAL协议可以在路由器和ATM交换机上选择和设置。

不同的AAL协议能够在不同的永久虚拟电路上运行。因此，一种特定的永久虚拟电路能够用于语音和视频通信，另一种永久虚拟电路能过专门用于数据传输。支持不同类型AAL协议的能力使ATM成为一种合适的协议，可支持具有不同特点和网络需求的应用。除了能够提出申请的固有的延迟参数之外，ATM传输配置文件还能够按照其它的方式量身定制，以保证支持具有不同传输要求的通信类型。

一些评论家支持使用信元丢弃优先级字节为语音和视频等对延迟比较敏感的应用提供更高的优先等级。如果传输速率大于SCR或者检测到网络拥塞时，网络将丢弃有CLP字节信息的通信。在网络入口设置这项功能的惟一好处是能够让用户控制信元得到的CLP设置。例如，如果这项设置决定给对延迟敏感的UDP语音通信做CLP标记，以便放弃而不是延迟这种通信，那么，无论网络状况如何，这种通信都会被打上CLP标记。这就意味着其他用户能够以你的损失为代价让通信通过运营商的网络。

ATM一般用于超过T-1/E-1的WAN速度，并且最多可用于每秒155MB的多种同步光纤网络(SONET)。因此，它是一种边缘市场的东西，适用于高带宽需求和具有严格的服务质量标准的网络。

数字用户线路

数字用户线路(DSL)是一种接入技术体系。DSL在有限的距离内使用高传输频率和高级的调制技术在传统的和老式铜线上提供高带宽。

不对称数字用户线(ADSL)是DSL最常见的应用。ADSL旨在与连接到中央办公室的本地环路中的普通电话业务(POTS)共存，其方法是使用更高的频率用于数据传输，使用老式公共交换电话网(PSTN)使用的4kHz频率以下的频段接收数据。因此，本地环路连接中不需要做任何改变。住宅单元或者小型分支办公室安装一台调制解调器，再安装一个把语音和数据分开的分频器就可以了。DSL连接以中央办公室的数字用户线路接入复用器(DSLAM)为终点。DSLAM能够让服务提供商把语音通信转接到PSTN网络，把数据通信转接到互联网。

ADSL支持的最大下行速度为每秒1.5MB，最大上行速度为每秒640KB。由于远程办公室和住宅的带宽需求通常都是下行的需求比较大，因此，这样的比例是更有效率的。由于本地环路的信号衰减，ADSL路由器或者调制解调器与中央办公室之间的距离应该不超过1.8万英尺。DSL家族中的其它变体还包括对称DSL，提供的上行和下行速度都是大约每秒1.1MB，最大距离限制是1.2万英尺。

甚高速数字用户线(VDSL)能够提供双向更多的带宽，但是，传输的距离较短。因此，VDSL从来没有成为一个标准。

成为国际电信联盟(ITU)标准的是全球对称高速DSL(G.SHDSL)。这个标准提供了多种速率(双向速度在每秒192K至2.3MB之间)，传输距离比目前应用的DSL技术大约长30%。

总之，DSL为分支办公室、小办公室/家庭办公室(SOHO)提供一种效率高和省钱的接入技术。通过互联网可以为总部和其它办公室建立速度合理的连接。DSL还可以用于备份的目的，在许多方面还可以取代ISDN作为一种能够提供更高带宽和更节省的远程接入技术。DSL的一个明显的局限性是，由于它使用互联网连接远程站点，除了从服务提供商那里购买服务级协议(SLA)之外，服务质量是不能保证的。

多协议标签交换(MPLS)

在传统的3层转发中，随着数据包在网络上传输，每一台路由器都从3层文件头提取转发信息。数据包经过的每一台路由器都要重复实施这种文件头分析。

在MPLS网络中，数据包是根据标签进行转发的。通过接口可以达到的每一个IP网络都要分配一个独特的标签。入网标签和出网标签之间要建立一个映射。这个映射保存在标签转发信息库(LFIB)表格中。每一个节点检查这个入网标签，做一次表格检查，把入网标签交换成出网标签，然后把数据包转发到出网接口。这种表格的应用允许MPLS网络建立一个整个网络的标签交换通道(LSP)。

图1显示MPLS文件头的细节。它位于3层(IP)文件头和2层文件头之间。MPLS文件头的试验位(EXP-bits)和TTL(生存时间)字段可以从IP文件头复制。S字节表示在这个数据包中是否存在一个以上的MPLS标签。

图1:MPLS标签文件头





MPLS网络中的路由器之间使用一个协议为IP网络分配标签，并且与其它路由器交换标签信息。目前最常用的协议是标签分配协议(LDP端口号是646)。这个协议以TCP协议为基础，在MPLS标签交换路由器(LSR)上运行。

LSR的概念经常用来说明MPLS设备。LSR运行一种路由协议，因此具有3层的智能。然而，一旦LSP建立起来，MPLS设备在转发通信的时候仅执行检查标签的工作。因此，他们把路由的智能与交换的速度结合在一起了。图2介绍了一个MPLS网络执行的基本操作。

图2:标签交换概要



MPLS提供了一种节省成本的方法，让运营商在一个共享的网络基础设施上销售带宽，而不是使用专用的基于TDM的租赁线路销售带宽。TDM提供的高质量的服务可以通过使用高优先等级的标签标记来实现。实验字段用于这个目的，并且通常从进入网络的数据包的IP优先字段复制。例如，VoIP数据包通常标记为高优先等级的5，这与MPLS核心网络的试验值5是相对应的。不同的客户在同一家服务提供商的网络上进行的网络通信是通过使用MPLS虚拟专用网(VPN)分隔开来的。然而，需要指出的是，与IPSec VPN不同，MPLS VPN作为一个标准不提供加密功能。MPLS被认为是帧中继和ATM最新的增强功能。所有这三种技术都提供了访问共享的服务提供商的基础设施，但是，MPLS通过使所有的核心设备都熟悉IP为网络注入了更多的智能。