寬帶骨干網絡技術綜述

2019-11-03 08:59:37

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供稿：網友

隆克平李云陳前斌

　　較早出現的寬帶骨干網絡的分組交換技術有X.25、幀中繼，到后來的ip、ATM以及MPLS技術，經過幾十年的發展，目前，IP技術成為主流的寬帶網絡技術，未來將朝著以光互聯網技術為主流技術的超寬帶信息網絡方向發展。

　　幀中繼

　　幀中繼（FR：Frame　Relay），是一種面向連接的快速分組交換技術。是八十年代初發展起來的一種數據通信技術，它是從X.25分組通信技術演變而來的。由于傳輸技術的發展，數據傳輸誤碼率大大降低，分組通信的差錯恢復機制顯得過于繁瑣，幀中繼將分組通信的三層協議簡化為兩層，即在OSI第二層以簡化的方式傳送數據，僅完成物理層和鏈路層核心層的功能，網絡不進行糾錯、重發、流量控制等，而將這些功能留給智能終端去處理。從而大大縮短了處理時間，提高了效率。但幀中繼的最大問題是沒有業務質量等級的相關規定，不能確保高業務的QoS要求。

　　異步轉移模式

　　異步轉移模式（ATM:Asynchronous Transfer Mode）[1]是一種快速分組交換技術，ITU-T推薦其為寬帶綜合業務數據網B-ISDN的信息傳輸模式。ATM將信息組織成信元，其包含的來自某用戶信息的各個信元不需要周期性出現，這種傳輸模式是異步的。

　　ATM信元是固定長度的分組，共有53個字節，分為2個部分。前面5個字節為信頭，主要完成尋址的功能；后面的48個字節為信息段，用來裝載來自不同用戶，不同業務的信息。話音、數據、圖像等所有的數字信息都要經過切割，封裝成統一格式的信元在網中傳遞，并在接收端恢復成所需格式。由于ATM技術簡化了交換過程，去除了不必要的數據校驗，采用易于處理的固定信元格式，所以ATM交換速率大大高于傳統的數據網，如x.25，DDN，幀中繼等。

　　ATM網絡采用了一些有效的業務流量監控機制，對網上用戶數據進行實時監控，把網絡擁塞發生的可能性降到最小。對不同業務賦予不同優先級，網絡對不同優先級的業務分配不同的網絡資源。因此，ATM提供對話音、圖像等實時業務的QoS保證。

　　盡管ATM具有交換速度快、具有流量控制功能、提供服務質量保證和靈活的帶寬分配等優點，但ATM的開銷大，協議復雜，使得ATM設備的成本高，維護復雜。

　　多協議標簽交換

　　多協議標簽交換（MPLS：MultiPRotocol　Label　Switching）[2]屬于第二層與第三層之間的一種交換技術，它引入了基于標簽的機制，把選路和轉發分開，由標簽來規定一個分組通過網絡的路徑，數據傳輸通過標簽交換路徑（LSP）完成。

　　MPLS網絡由核心部分的標簽交換路由器（LSR）、邊緣部分的標簽邊緣路由器（LER）組成。LSR可以看作是ATM交換機與傳統路由器的結合，由控制單元和交換單元組成；LER的作用是分析IP包頭，決定相應的傳送級別和標簽交換路徑（LSP）。由于MPLS技術隔絕了標簽分發機制與數據流的關系，因此，它的實現并不依賴于特定的數據鏈路層協議，可支持多種的物理和鏈路層技術（IP/ATM、以太網、PPP、幀中繼、光傳輸等）。MPLS使用控制驅動模型初始化標簽捆綁的分配及分發，用于建立標簽交換路徑（LSP），通過連接幾個標簽交換點來建立一條LSP。一條LSP是單向的，全雙工業務需要兩條LSP。同時，MPLS支持流量工程和業務的服務等級。

　　由于MPLS結合了傳統IP和ATM技術，具有實現簡單，交換速度快和支持流量工程和業務的服務等級等優點，因此，MPLS受到人們的普遍重視。

　　IP網絡技術

　　人們提出IP技術的動機是為了實現異種網絡之間的互連，以達到資源共享和交換數據的目的。IPv4通過為網絡節點分配一個32位的IP地址來達到唯一標識節點的目的，用戶數據封裝在IP分組中，為了將IP分組由源節點投遞到目的節點，IP通過路由協議建立源節點到目的節點的路由，IP路由器根據目的IP地址和保存的路由表實現IP分組的逐跳（hop by hop）轉發，直到目的節點。

　　最初，IP技術主要是為一些簡單的數據業務服務，如電子郵件、文件傳輸、遠程登陸等。隨著IP技術在Internet上的成功應用以及Internet的飛速發展，人們要求IP不僅能支持簡單的數據業務，同時也能傳送語音、圖像等實時業務。為了保證語音、圖像等實時業務的QoS，需要改進傳統的盡力而為的IP技術，以提供QoS保證。目前，提供服務質量保證的IP QoS體系結構有InterServ和DiffServ兩種，InterServ基于流預留資源，DiffServ基于類區分業務，對不同類型的業務，采用不同的隊列調度策略。DiffServ由于在網絡邊界對業務流進行匯聚，不需要維護基于流的狀態信息，因此，同InterServ相比，DiffServ具有良好的可擴展性，更適合大型的IP網絡。

　　隨著Internet規模的增長，以及越來越多的移動終端接入Internet，IPv4的缺點逐漸顯露出來，主要包括：地址空間緊張、不支持節點的移動性、安全性差、不提供QoS保證等。為了解決這些問題，IPv6應運而生，IPv6采用128位的地址空間，同時支持節點的移動性、提供QoS保證，并具有良好的安全性。因此，IPv6可能最終取代IPv4,但在IPv4向IPv6過渡的過程中，需要解決兩者的互通問題，以及由此帶來的安全問題。

　　下一代互聯網技術——光互聯網及交換技術

　　互聯網（Internet）業務的急劇增長驅動了高速傳輸技術和高速交換/路由技術的需求。密集波分復用技術（DWDM）、吉比特（Gigabit）以太網與太比特（Terabit）級交換機/路由器的出現使得建立高效、大容量、高帶寬的光纖網絡成為可能。為了使得網絡結構更具擴展性、靈活性和動態性，面向互聯網業務的下一代光網絡，已由IP-over-Sonet/SDH向IP-over-（D）WDM網絡發展，IP-over-（D）WDM將成為下一代光互聯網的首選結構。

　　目前提出的實現IP-over-（D）WDM的交換技術方案有3種：光電路交換/波長路由（Optical　Circuit　Switching）、光分組/信元交換（Optical　Packet　Switching）和光突發交換（Optical　Burst　Switching）。光電路交換采用雙向資源預留方式設置光通路，中間節點不需要光緩存，可提供服務質量保證；但是光電路交換是粗粒度的，不能實現統計復用，帶寬利用率低，不適于傳輸突發速率的數據；對長距離網絡來說，其環回時間與延遲長；由于波長數目有限，還不能建立全連接的網絡，導致網絡中負載的不均衡。光分組/信元交換能對DWDM的巨大帶寬進行更靈活、更有效地分配和利用，然而光分組交換對光子器件提出了很高的要求，有很多關鍵技術（如快速嚴格同步、光緩存等）尚未解決。光突發交換（OBS）結合了電路交換和分組交換這兩種交換的優點，同時又克服二者的不足，即在較低的光子器件要求下，實現面向IP的快速資源分配和高資源利用率。它是一種單向資源預留方案，其控制分組和數據突發（Data　Burst：由去往同一出口地址和具有相同的屬性的多個IP包會聚而成）在傳輸信道和傳輸時間上是分離的。控制分組先于數據突發（Data　Burst）在特定密集波分復用（DWDM）信道中傳送，核心交換節點/路由器根據控制分組中的信息和網絡當前的狀況為相應的數據突發建立全光通路，數據突發經過一段延遲（offset-time）后，在不需要確認的情況下直接在預先設置的全光通道中透明傳輸。不需要確認的單向預留方案減小了建立通道的延遲等待時間，提高了帶寬利用率；而數據突發和控制分組的信道分離、適中的交換粒度及非時隙交換方式降低了對光子器件的要求和中間交換節點的復雜度，如中間節點可以不使用光緩存技術，不存在網絡中的時隙同步問題等。

　　因此，光突發交換（OBS）被認為是下一代全光互聯網理想的交換模式，已成為國際上一個熱門研究方向，目前的研究主要課題集中在：邊緣路由器的突發會聚機制及offset-time管理、網絡核心節點交換結構和控制管理、控制/數據信道的調度算法、僅以突發丟包率為參數的OBS層的QoS支持等。典型的研究包括：美國紐約州立大學Buffalo分校的Qiao等對OBS經過比較深入的研究，提出了一種JET（Just　Enough　Time）信令協議，并研究了基于該協議的核心節點的結構和性能。該協議能在WDM層實現基本的區分服務，支持一定的服務質量（僅以突發丟包率為QoS參數）。該小組還開展了OBS交換中的組播和MPLS（多協議標簽交換）在OBS交換中的運用研究，提出了MPLS與OBS相結合的方案--標簽光突發交換（LOBS）。為了降低復雜性，Y. Wei等建議采用JIT（Just In Time）信令協議，JIT協議提供盡力而為的服務，不支持WDM層的QoS。英國倫敦大學學院（UCL）的P.Bayvel等人提出了一種波長路由光突發交換（WR-OBS）方案，并對其性能進行了研究，該方案以波長路由為基礎，更接近電路交換的概念，可以提供有服務質量（QoS）保證，但網絡的靈活性和帶寬利用率低，而且雖然原理上可以以波長為標簽實現MPLS，但由于涉及到對波長的操作，一些（G）MPLS操作（如標簽棧、標記交換路徑——LSP融合等）難以實現。阿爾卡特研究中心的Xiong[6]等人研究了OBS網絡的控制結構和數據信道調度算法。從事這方面的研究還有美國德克薩斯大學、伊利諾斯州技術學院、意大利的羅馬大學等。國內一些大學和研究機構，近年來也開展了相關預研工作。

　　既然IP-over-WDM作為下一代光互聯網的理想網絡結構，光突發交換（OBS）又作為IP-over-WDM網絡中首選的交換模式，而目前互聯網上大量的應用需要服務質量（QoS）支持，區分服務（DiffServ）由于其擴展性和易于采用電子交換/路由技術實現，而成為一種好的IP QoS解決方案，已被IETF標準化并得到國際上的廣泛研究。因此，在WDM層支持IP QoS便成為IP-over-WDM網絡中的一個挑戰性課題，我們在這方面進行了探索和研究[7,8]，提出了IP DiffServ over OBS網絡體系結構、節點功能模型及其關鍵算法。

　　
摘自　賽迪網

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