(这条文章已经被阅读了 110 次) 时间：2002-01-17 09:21:55 来源：许远东 (许远东) 原创-IT
宽带业务网发展方向探讨
【许远东】
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技术简介
1.1 ATM技术简介
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。其协议层次大大少于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持各种用户服务。
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ATM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，可大大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ATM／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技术简介
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；应用层主要支持用户的各种应用。
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，大大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，
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
应用支持 异步数据（可以支持话音、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
应用层软件支持程度 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公司提供的IP交换（IP Switch）技术、Cisco公司提供的标记交换（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公司的tag switching，ASCEND公司的IP Navigator，但它们的思想都类似MPLS。
2.2.3 MPOA与MPLS的比较
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）支持等原因，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软件，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（SHAPING）、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LAN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，又可大大简化设备，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LAN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更能有效地支持话音、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。