IP over SDH和IP over ATM技术介绍

1概述
　　新一代宽带IP网络要建立在现有的网络技术基础上，建立在当前最先进的网络传输技术基础上。典型的相关技术有IP over ATM、 IP Over SDH、IP over WDM等。
　　IP Over ATM，融合了IP和ATM技术特点，发挥ATM支持多业务、提供QoS（服务质量保证）的技术优势。IP Over SDH，直接在SDH上传送IP业务，对IP业务提供了完善支持，提高了效率。

2 宽带IP支持技术
2.1 IP over ATM
　　IP over ATM的基本原理和工作方式为：将IP数据包在ATM层全部封装为ATM信元，以ATM信元形式在信道中传输。当网络中的交换机接收到一个IP数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址通过某种机制进行路由地址处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚电路（VC）。以后的IP数据包将在此虚电路VC上以直通（Cut－Through）方式传输而下再经过路由器，从而有效地解决了IP的路由器的瓶颈问题，并将IP包的转发速度提高到交换速度。用ATM来支持IP业务有2个必须解决的问题：其一是ATM的通信方式是面向连接的，而IP是不面向连接的，要在一个面向连接的网上承载一个不面向连接的业务，有很多问题需要解决，如呼叫建立时间、连接持续期等等；其二是ATM是以ATM地址寻址的，IP通信是以IP地址来寻址的，在IP网上端到端是以IP寻址的，而传送IP包的承载网（ATM网）是以ATM地址来寻址的，IP地址和ATM地址之间的映射是一个很大的难题。IP over ATM分层模型与封装示意如图1所示。
　　
　　用ATM来承载IP业务，从目前来看又有相当的前景，因而在这方面提出了许多解决方案，从大类来说，可以分为两类：一类为迭加模式，另一类为集成模式。
● 迭加模式
　　迭加模式指的是IP网的寻址是迭加在ATM寻址的基础上的，通俗一点说在迭加模式中ATM的寻址方式是不变的，IP地址在边缘设备中映射成ATM地址，IP包据此传向另一端边缘设备。迭加模式的最大特点是在ATM网中不论是用户网络信令还是网络网络间信令均不变，对ATM网来说IP业务只是它承载的业务之一，ATM的其它功能照样存在不受影响。迭加模式最典型的有局域网仿真（LANE）、经典的在ATM上传送IP（CIPoA-classical IP over ATM）和ATM上的多协议（MPOA-multiprotocol over ATM）等。但该技术对组播业务的支持仅限于逻辑子网内部，子网间的组播需通过传统路由器，因而对广播和多发业务效率较低。
● 集成模式
　　集成模式指的是IP网设备和ATM网设备已集成在一起了。在集成模式中，ATM网的寻址已不再是独立的，ATM网中的寻址将要受到IP网设备的干预。在集成模式下，IP网的设备和ATM网设备是集成在一起的，IP网的控制设备一般可称为IPC，它具有传统路由器的功能，能完成IP网的路由功能，并具有控制建立ATM虚通路的能力，IPC是一个逻辑功能块，它可以是一个独立的物理设备，也可以不是一个独立的物理设备，而是ATM交换机中的一个功能模块，但它是必不可少的。ATM交换设备一般仍为普通ATM交换机，但它也有十分重大的改变，最大的变化在信令（UNI和NNI），它们之间的信令已不再是ATM Forum或ITU-T的信令，而是一套特别的控制方式。其目的在于能快速建立连接，以满足无连接IP业务快速切换的要求。集成模型的实现技术主要有：Ipsilon公司提出IP交换（IP Swtich技术、cisco公司提出的标记交换（Tag swtich）技术和IETF推荐的MPLS技术。
迭加模式和集成模式的分类法是按ATM信令来分类的。不能反映网络的整体性能。从网络整体的性能角度出发来考虑，ATM可以有两种方法来支持IP over ATM。
　　（1） ATM作为链路。使用ATM的永久性虚通路将地域上分离的路由器连接起来，在这里ATM的永久性虚通路取代了传统的专线，这种工作方式即为ATM作为链路来承载IP业务。在这种工作方式中，ATM只是作为链路将若干路由器连起来，它不参与IP网的寻径功能。因而这种IP网其本质上仍是一个路由器网，它不改变IP网的整体性能只是提高了某些部分的传输速率而已。
　　（2） ATM作为网络。另一种方法是ATM网以网络形式来支持IP over ATM。在这种场合， ATM参与了IP网的寻径功能，由于ATM的寻径及其它指标均要大大优于普通路由器，因而以网络形式来支持IP网（IP over ATM），可以在网络性能方面大大提高IP网的性能，不仅提高了传输速率也大大缩短了传输时延，以网络形式来支持IP网（IP over ATM）的最合理算法是MPLS。 MPLS是一种拓扑驱动的算法，它和无连接的IP传输非常适应。基于MPLS算法的ATM上的IP网是一种很好的IP网的组织形式，可构成一个主于物理通信平台多业务同时应用的一种十分理想的格局，并且能从整体上提高IP的性能。
从以上分析可以看出，IP Over ATM具有以下特点：
● 优点：
（1）由于ATM技术本身能提供QoS保证，因此可利用此特点提高IP业务的服务质量。
（2）具有良好的流量控制均衡能力以及故障恢复能力，网络可靠性高。
（3）适应于多业务，具有良好的网络可扩展能力。
（4）对其它几种网络协议如IPX等能提供支持。
● 缺点
（1） 目前：IP over ATM还不能提供完全的QoS保证。
（2）对IP路由的支持一般，IP数据包分割加入大量头信息，造成很大的带宽浪费（20％～30％）。
（3）在复制多路广播方面缺乏高效率。
（4）由于ATM本身技术复杂，导致管理复杂。

　　尽管IP over ATM，特别是ATM以网络形式来支持能获得很好的网络整体性能。但IP over ATM的技术进展比较慢，特别是MPLS的标准化工作尚需时日，使得ATM仍不能满足业务高速发展对带宽的要求，从而导致IP over SDH技术的出现。

2.2 IP Over SDH
　　IP Over SDH以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络。它使用链路及PPP协议对IP数据包进行封装，把IP分组根据RFC1662规范简单地插入到PPP帧中的信息段。然后再由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH的同步净荷中，然后向下，经过SDH传输层和段层，加上相应的开销，把净荷装入一个SDH帧中，最后到达光层，在光纤中传输。SDH是基于时分复用的，在网管的配置下完成半永久性连接的网，在IP over SDH中， SDH只可能有一种工作方式，即SDH只可能以链路方式来支持IP网。SDH作为链路来支持IP网，由于它不能参与IP网的寻址，它的作用只是将路由器以点到点的方式连接起来，提高点到点之间的传送速率，它不可能从总体上提高IP网的性能。这种IP网其本质上仍是一个路由器网。 IP网整体性能的提高将取决于路由器技术是否有突破性进展。千兆路由器在技术上是有突破的，但是技术的突破带来了设备复杂度大大的提高，由于这种突破性技术目前并不能广泛用于普通路由器中，除非全网全部路由器都采用千兆路由器（IP over SDH），否则就不可能从整体上提高IP网的水平。另外SDH是依靠网管来完成端到端的半永久性连接的配置的，一个大网完全依靠网管来配置是不可想象的。所以千兆比路由器（IP over SDH）只可能在干线上用，用以疏导高速率数据流。IP over SDH，也称Pacdket over SDH（PoS）。它保留了IP面向无连接的特征，其分层模型与封装示意如图2所示。
　　
支持IP over SDH技术的协议、标准和草案主要有：
● PPP协议
　　PPP协议（即IETF FRC1661：The Point-to-Point Protocol和RFC2153：PPP vendor Extension是一个简单的OSI第二层网络协议。其标头只有两个字节，没有地址信息，只是按点到点顺序，面向无连接。PPP协议可将IP数据包切成PPP帧（符合RFC1662：PPP in HDLC-Link Faming）以满足映射到SDH／Sonet帧结构（符合RFC1619：PP over SDH）上的要求。
● 简化的数据链路协议（SDL）
　　在IP／PPP／HDLC／SDH中，使用的基于HDLC的帧定界协议存在一些问题，主要表现在：用户使用HDLC帧时，网管需要对每一个输入、输出字节都进行监视。当用户数据字节的编码与标志字节相同时，网管需要进行填充、去填充操作。
　　为此，Lucent提出了简化数据链路协议SDL。SDL用户对同步或异步传送的可变长的IP数据包进行高速定界，可适用于OC-48／STM-16以上速率的IP over SDH。SDL的帧格式如图3所示。
　　
SDL协议主要应用于点到点的IP传送，可以用于任何类型的数据包（如IPv4、IPv6等）。与HDLC相比，SDL更容易应用于高速链路，并且可能提供链路层的QoS。
　　从以上分析可以看出，IP over SDH具有以下特点：
●优点：
（1）对IP路由的支持能力强，具有很高的IP传输效率。
（2）符合Internet业务的特点，如有利于实施多路广播方式。
（3）能利用SDH技术本身的环路，故可利用自愈合（Self-healing Ring）能力达到链路纠错；同时又利用OSPF协议防止备和链路故障造成的网络停顿，提高网络的稳定性。
（4）省略了不必要的ATM层，简化了网络结构，降低了运行费用。
●缺点：
（1）仅对IP业务提供好的支持，不适于多业务平台。
（2）不能像IP over ATM技术那样提供较好的服务质量保障（QoS）。
（3）对IPX等其它主要网络技术支持有限。

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UUNet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。
　　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选路，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众业，也在建设IP over SDH网络。图4为IP over SDH的应用方案示意图。
　　

　　在图4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4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4中以虚线表示）固定连接于路由器1与路由器2之间。

2.3 IP over ATM 与 IP over SDH比较
　　协议开销与带宽效率：IP over ATM 开销在20%以上。相比IP over SDH一般只有5%左右。但SDH链路带宽是独占不能共享，相反，IP over ATM可通过ATM的VP/VC连接共享网络带宽。
　　QoS：服务质量与延时，抖动，带宽有关。ATM 具有业务分类，排队机制，带宽管理和拥塞控制等，在这方面有独特的优势。而IP本身在这方面虽有QoS等方案，但其在广域网中并不能真正保证QoS。
寻址和路由：ATM网络具有完整的寻址和路由连接功能。IP over SDH中PPP本身无寻址和路由能力，网间必须配置点到点链路及冗余链路。
　　容错性能：ATM提供了从故障链路和交换机恢复的能力。SDH具有光纤被切断时的保护切换能力。而ATM运行在SDH上时，也可享有这种能力。
　　　　　　　　　　　表1 IP over SDH和IP over ATM传输效率分析
　　

3 总结
　　通过以上的分析比较，我们可以发现，在高性能、宽带的IP业务方面，IP over SDH技术由于去掉了ATM设备，投资少、见效快而且线路利用率高。因而就目前而言，发展高性能IP业务，IP over SDH是较好选择。而IP over ATM技术则充分利用已经存在的ATM网络和技术，发挥ATM网络的技术优势，适合于提供高性能的综合通信服务，因为它能够避免不必要的重复投资，提供Voice、Video、Data多项业务，是传统电信服务商的较好选择。