IP Over SDH/SONET技術發展


用何種技術來建設Internet骨干網?ATM似乎是大勢所趨。然而,美國Pacific Bell已發
現當IP業務繁忙時或出現大量不均衡、突發性業務時,會發生ATM降載;ANS也曾因主干網路由
器不堪負荷而引起整個系統停機。美國主要的Internet主干網提供商在主干網技術的選擇上
分成了兩派:PacificBell和Ameritech采用IP Over ATM的解決方案,而Sprint、MAE-East、
MAE-West和BBN采用一種稱為POS的解決方案,即IP Over SDH/SONET技術。關於IP Over AT或
POS孰優孰劣的辯論正在展開。 用何種技術來建設Internet骨干網?ATM似乎是大勢所趨。然
而,美國Pacific Bell已發現當IP業務繁忙時或出現大量不均衡、突發性業務時,會發生ATM
降載;ANS也曾因主干網路由器不堪負荷而引起整個系統停機。美國主要的Internet主干網提
供商在主干網技術的選擇上分成了兩派:PacificBell和Ameritech采用IP Over ATM的解決方
案,而Sprint、MAE-East、MAE-West和BBN采用一種稱為POS的解決方案,即IP Over SD/SONE
T技術。關於IP Over ATM或POS孰優孰劣的辯論正在展開。

一、爭論的由來
作為爆炸性發展中的Internet主干網的解決方案,IP Over ATM技術,特別是其中的標記
交換技術(Tag Switching、IP Switching),提供了優秀的解決途徑。但IP Over ATM用於多
層網絡,其多重地址映射、不同層次網絡拓撲相互識別、多種協議轉換,以及ATM交換機與路
由器某些功能的重疊及相互干擾(例如一條鏈路如果發生故障時,ATM交換機與路由器都試圖
環繞它實施迂回路由,這就產生了復雜性,反而可能造成了迂回路由的障礙),增加了網絡體系
結構的復雜性。IP Over SDH/SONET(其中IP為互連網協議,位於OSI第三層;SDH為同步數字體
系(Synchronous Digital Hierarchy)為歐洲數字信號體系,我國也采用這種體系;SONET為同
步光纜網(Synchronous Optical Network)是北美數字信號體系;SDH或SONET位於OSI第一層
,由於其上傳輸幀,位於OSI 1.5層)。作為Internet主干網的解決方案,本質上保持了Intere
t作為IP網、非連接的特征,形成統一的平面網,簡化了網絡體系結構。
IP Over SDH/SONET是IP數據包通過采用點到點協議(PPP,Point to Point Protocol,位
於OSI第二層),映射到SDH/SONET幀上,按某各次群SDH/SONET相應的線速率進行連續傳輸(符
合RFC1619,"PPP Over SDH/SONET";RFC1662,"PPP in HDLC-like Framing"標准)。
因此,也叫Packet Over SDH/SONET或PPP Over SDH/SONET(POS)。
以ATM或路由器組成的Internet主干網,在早期運行中均曾發生過重大事故。如Pacifi
Bell發現當IP業務繁忙時或出現大量不均衡、突發性業務時,發生ATM降載現象;他們曾在TM
前配置FDDI作為過渡措施來解決;最后發現早期選用的ATM其緩沖容量不足,重新對ATM選型,
徹底解決了問題。又如ANS主干網路由器不堪負荷,引起整個系統停機的"Internet危機",他
們重新選擇了大容量新型路由器解決了問題。在國際上辯論IP Over ATM或POS孰優孰劣時上
述兩個例子對選擇哪種解決方案並不起什么作用。
在美國,主要的Internet主干網提供者或大型ISP,如PacificBell和Ameritech,采用IPO
ver ATM的解決方案;Sprint、MAE-East、MAE-West和BBN采用POS的解決方案;其他主干網提
供者大多尚未確定未來的解決方案。
順便指出,目前的POS解決方案僅適用於解決單業務平台,傳送數據包(Data Packet)的場
合。對數據包的處理技術分兩類:第一類是以ATM交換機跨接路由器直通(Cut through)處理
的方式,即第一個包通過路由器進行檢查、鑒別和處理,以后相同的包由ATM交換機跨接直通
傳輸,不再通過路由器。這種處理方式僅適用於局域網、企業網、校園網。如仿真局域網、
3Com的第三層交換(Fast IP)、Ipsilon的IP交換(IP Switching)、CISCO的Netflow等。第二
類是逐包處理,傳統的路由器網是采用逐包處理的方式,采用下列新型路由器技術的POS網也
采用逐包處理的方式,這些新型的路由技術,如:CISCO的千兆位交換路由器(GSR)、Ascend的
千兆位路由轉發器(GRF)、Bay主干節點路由器(BCN),以及Juniper正在開發的千兆位速率傳
輸技術等。

二、路由器技術的發展
新型千兆位路由器是POS組網的核心。在網絡發展中,路由器與交換機在主干或核心網絡
中配置之爭由來以久,傳統路由器已成為Internet主干網發展中的瓶頸。近年來,由於采用了
緩存(Cache)技術、硬件(芯片)快速處理技術、標記交換技術、以信元(Cell)交換結構作為
路由器內部體系架構的路由交換技術等,路由器發展很快。
吞吐量(though put)大於10Gbps(如CSICO GSR-12000為20~60Gbps),轉發速度大於100
Kpps(如CISCO GSR-12000達2750Kpps,260byte/packet;並計划到1998年突破2500Kpps;Asen
d GRF 1120Kpps,64byte/packet;Bay BCN 1000~1500Kpps,64byte/packet),中繼速率可支
持STM-4(OC~12)622Mbps及STM-16(OC-48)2.4Gbps的千兆位路由器的出現,以及其單位吞吐
量價格的大幅度下降,足以與ATM相抗衡。
由於集成信道服務單元(CSU,Channel Service Unit)和簡單的信道化處理(Channelizd
Access),提高了端口密度,降低了端口費用。實際上已把多路復用器(MUX)做到路由器中。
如CISCO 7500具有176個E1端口,信道化處理后,每個E1端口支持30個64Kbps信道。高端口密
度路由器系列在端口密度上已與ATM處於均勢狀態。
新型路由器系列在轉發每個包時消耗的時延,以DS3(45Mbps)電路,2000byte/packet為例
,也已降至0.4~3ms以下,進入/離開所有設備的時延允許50~75ms,路由器轉發時延在其中已
不再成為問題。
龐大復雜的路由表查找困難,是路由器發展中遇到的最大難點。隨着網絡規模的急速膨
脹,路由表容量相應增長,GRF有15萬行,7500系列有25萬行,GSR-12000有100萬行。對於查找
路由表,雖然采取了一些措施,如對經常查找的地址采用緩存的方式,對子網進行總結性歸類
以縮小路由表項等,但仍未找到根本性解決措施。實行標記交換可大大壓縮路由表容量,但已
超出POS范疇而進入IP Over ATM領域。
與龐大復雜的路由表建立、學習、修改、查找有關的是路由器自身需要交換的信息占用
帶寬高達30~50%,開銷甚大。
路由器能支持業務等級(CoS),還不能充分保證優先等級的業務質量(QoS)。
上述路由器技術發展中的主要利弊分析,涉及到對IP Over ATM或IP Over SDH/SONET兩
種解決方案的權衡與選擇。

三、SDH/SONET技術的發展
SDH/SONET為POS解決方案提供一個良好的環境和一個優秀的傳輸平台。SDH(或SONET)同
步數字體系一般以光纖線路為載體用於傳輸數據。其基本單元是STM-1信號,所有高次群傳輸
信號均為此第一級的倍數,這就產生了STM-N信號(n×STM-1)。各次群的傳輸速率為STM-1(C
-3):155.52Mbps,STM-4(OC-12):622.08Mbps,STM-16(OC-48):2.48832Gbps,STM-64(OC-19):
9.95328Gbps。
SDH的一大特點是可在高次群的SDH多路復用信號中,采用同步字節復用和指針調整的方
法,插入或分出低次群支路的數字信號,而不必多路分解整個信號。也可采用映射和指針調整
的方法,將現有不同標准的各次群的准同步數字體系(PDH)的數字信號裝入STM-1或再復接到
STM高次群。這樣,便可實現插/分多路復用器(ADM)和數字交叉連接設備(DXC)動態進行電路
調度,並可組成自愈環。
STM-1是SDH系統的最小的行信號。STM-1幀由9行組成,每行為270個字節。必須指出,SH
中的幀與幀中繼交換機中的幀有所區別,后者帶地址,前者則不帶地址。
AT&T和KDD已開始提供一條橫跨太平洋的海底光纜專用線路連接舊金山和東京,開展Pak
et-Over-SONET業務;橫跨大西洋的海底光纜連接紐約和斯德哥爾摩,從1996年9月開始,也開
展了Packet-Over-SONET業務。全世界很多電信公司和大企業,也在建設SDH/SONET網絡;中國
最早安裝的SDH干線是南京至武漢全長820公里的622Mbps2+0鏈路系統,最早開通的線路系統
是廣州至汕頭622Mbps光纖通信系統,最高速的SDH系統已達到2.4Gbps。在"八五"期間作為郵
電部的建設方針,今后建設的光纖干線將要采用SDH系統,大多數可能是2.4Gbps或622Mbps干
線。
國內外建設的SDH/SONET環境,為在Internet主干網實施POS解決方案創造了條件。

四、POS解決方案
IP Over ATM(見圖1(a))與IP Over SDH/SONET(見圖1(b))在OSI模型中層次分布圖如下
@@41E21000.GIF;圖1@@
在圖1中,IP以包(Packet)的形式出現,在OSI的第三層;ATM以信元(Cell)的形式出現,在
OSI第二層;PPP以幀(Frame)的形式出現,在OSI第二層;在圖1(a)中,DDN/PDH、SDH以比特(Bt
)的形式出現,處於ISO的第一層;在圖1(b)中,SDH/SONET以幀(Frame)的形式出現,在OSI的第
1~1.5層。
PPP是一個十分簡單的協議,標頭只有兩個字節,沒有地址信息,只是從點到點順序走,不
是面向連接的(面向連接是端到端的問題)。這個協議可將太長的IP包切短(IP包長短是不穩
定的)或PPP幀,以適應映射到SDH/SONET幀上去的要求。圖2為SDH網絡及插/分接入系統示意
圖。
@@41E21001.GIF;圖2@@
圖3、圖4為現行的POS方案。
@@41E21002.GIF;圖3@@
@@41E21003.GIF;圖4@@
在圖3中,SDH/SONET光纖環由2/4個組成;GSR為千兆位交換路由器;R為各種不同等級的路
由器,分別連接IP子網。在圖3中,如R①與R②通信,接入線路速率為E1,欲實現Packet OverS
DH/SONET,則在STM-1(OC-3)中繼線及STM-16(OC-48)光纖環路中分別分出一條E1速率的支持
(信號),由SDH/SONET網管系統設置,這條支路類似於ATM網中設置的PVC(圖3中以虛線表示)固
定連接於R①與R②之間,為實施Packet Over SDH/SONET創造條件。
圖4所示,將SDH/SONET作為中繼線使用。在圖3中,GSR為千兆位交換路由器,R為網絡邊緣
路由器,呈扇形與GSR相連,R連接各自的IP子網。

五、對POS解決方案的評論
用POS來解決Internet主干網問題,有以下優點:

1.簡化網絡體系結構。

2.傳輸效率高。
根據測定,在Internet中傳輸的數據包平均包長為260Byte。由於Internet中包的長短很
不穩定,對IP Over ATM的傳輸效率產生影響,其原因:一是信元標頭占全部信元的9.4%,據BN
檢測數據,開銷損失8~24%,一般認為開銷損失約20%(這也是國外關於ATM由信元頭引起的開
銷損失的爭論中常提到的所謂"20%");二是在傳200Byte以下的短包時,一旦出現一個信元丟
失(Internet上一個IP包通常可以切割成幾十個信元),整個IP包就要重傳,導致效率降低。這
就是圖5中所示POS傳輸效率高於IP Over ATM的原因。
@@41E21004.GIF;圖5@@

3.有利於實現IP多路廣播(IP Multicast)。
在IP網中(包括POS),多路廣播是一種穩定的技術;在交換環境中(ATM及IP Over ATM)復
制多路廣播尚缺乏效率高的技術(當然標記交換有所改進)。

4.POS建立在SDH/SONET傳輸平台上,由於不同體系、不同群次的信號均可在SDH/SONET信
道上插/分,為跨越地區(乃至跨國界),兼容不同技術和標准,實行網絡互連,以及實施POS創造
良好條件。
其缺點是:

1.至今尚不適於多業務平台(含數據、話音、適配圖像、LAN、SNA、實時、突發業務等
的多平台);
2.一般只能進行業務分級(CoS),還不足以保證優先等級的業務質量(QoS);
3.對大規模的網絡,處理龐大、復雜的路由表問題尚是其難題;
4.路由信息占用帶寬的比例太大;
5.網絡流量管理、擁塞控制還較差。對於ATM網絡,可進行逐路排隊(Per-VC Queueing)
和分布式擁塞控制(帶有預防的性質),具有簡便的流量管理能力和較好的算法,而對POS使用
的路由器,尚難完全做到這一點;
6.緩沖器也不如ATM多/大,特別遇到突發性負荷時,丟包機率高(當然如前所述ATM將一個
包切短成很多信元,萬一丟失一個信元,整個包要重傳,從這個角度看也有人指出ATM丟包機率
大);
7.在ATM網中ATM以虛電路(VC)與邊緣路由器相連,連線數量設為N,在路由器網中,連線數
量將達N(N-1)/2,相當於N2數量級的水平,為此,POS網可擴展性較I OverATM為差。

 

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