IP Over SDH/SONET技术发展

用何种技术来建设Internet骨干网?ATM似乎是大势所趋。然而,美国Pacific Bell已发
现当IP业务繁忙时或出现大量不均衡、突发性业务时,会发生ATM降载;ANS也曾因主干网路由
器不堪负荷而引起整个系统停机。美国主要的Internet主干网提供商在主干网技术的选择上
分成了两派:PacificBell和Ameritech采用IP Over ATM的解决方案,而Sprint、MAE-East、
MAE-West和BBN采用一种称为POS的解决方案,即IP Over SDH/SONET技术。关于IP Over AT或
POS孰优孰劣的辩论正在展开。 用何种技术来建设Internet骨干网?ATM似乎是大势所趋。然
而,美国Pacific Bell已发现当IP业务繁忙时或出现大量不均衡、突发性业务时,会发生ATM
降载;ANS也曾因主干网路由器不堪负荷而引起整个系统停机。美国主要的Internet主干网提
供商在主干网技术的选择上分成了两派:PacificBell和Ameritech采用IP Over ATM的解决方
案,而Sprint、MAE-East、MAE-West和BBN采用一种称为POS的解决方案,即IP Over SD/SONE
T技术。关于IP Over ATM或POS孰优孰劣的辩论正在展开。

一、争论的由来
作为爆炸性发展中的Internet主干网的解决方案,IP Over ATM技术,特别是其中的标记
交换技术(Tag Switching、IP Switching),提供了优秀的解决途径。但IP Over ATM用于多
层网络,其多重地址映射、不同层次网络拓扑相互识别、多种协议转换,以及ATM交换机与路
由器某些功能的重叠及相互干扰(例如一条链路如果发生故障时,ATM交换机与路由器都试图
环绕它实施迂回路由,这就产生了复杂性,反而可能造成了迂回路由的障碍),增加了网络体系
结构的复杂性。IP Over SDH/SONET(其中IP为互连网协议,位于OSI第三层;SDH为同步数字体
系(Synchronous Digital Hierarchy)为欧洲数字信号体系,我国也采用这种体系;SONET为同
步光缆网(Synchronous Optical Network)是北美数字信号体系;SDH或SONET位于OSI第一层
,由于其上传输帧,位于OSI 1.5层)。作为Internet主干网的解决方案,本质上保持了Intere
t作为IP网、非连接的特征,形成统一的平面网,简化了网络体系结构。
IP Over SDH/SONET是IP数据包通过采用点到点协议(PPP,Point to Point Protocol,位
于OSI第二层),映射到SDH/SONET帧上,按某各次群SDH/SONET相应的线速率进行连续传输(符
合RFC1619,"PPP Over SDH/SONET";RFC1662,"PPP in HDLC-like Framing"标准)。
因此,也叫Packet Over SDH/SONET或PPP Over SDH/SONET(POS)。
以ATM或路由器组成的Internet主干网,在早期运行中均曾发生过重大事故。如Pacifi
Bell发现当IP业务繁忙时或出现大量不均衡、突发性业务时,发生ATM降载现象;他们曾在TM
前配置FDDI作为过渡措施来解决;最后发现早期选用的ATM其缓冲容量不足,重新对ATM选型,
彻底解决了问题。又如ANS主干网路由器不堪负荷,引起整个系统停机的"Internet危机",他
们重新选择了大容量新型路由器解决了问题。在国际上辩论IP Over ATM或POS孰优孰劣时上
述两个例子对选择哪种解决方案并不起什么作用。
在美国,主要的Internet主干网提供者或大型ISP,如PacificBell和Ameritech,采用IPO
ver ATM的解决方案;Sprint、MAE-East、MAE-West和BBN采用POS的解决方案;其他主干网提
供者大多尚未确定未来的解决方案。
顺便指出,目前的POS解决方案仅适用于解决单业务平台,传送数据包(Data Packet)的场
合。对数据包的处理技术分两类:第一类是以ATM交换机跨接路由器直通(Cut through)处理
的方式,即第一个包通过路由器进行检查、鉴别和处理,以后相同的包由ATM交换机跨接直通
传输,不再通过路由器。这种处理方式仅适用于局域网、企业网、校园网。如仿真局域网、
3Com的第三层交换(Fast IP)、Ipsilon的IP交换(IP Switching)、CISCO的Netflow等。第二
类是逐包处理,传统的路由器网是采用逐包处理的方式,采用下列新型路由器技术的POS网也
采用逐包处理的方式,这些新型的路由技术,如:CISCO的千兆位交换路由器(GSR)、Ascend的
千兆位路由转发器(GRF)、Bay主干节点路由器(BCN),以及Juniper正在开发的千兆位速率传
输技术等。

二、路由器技术的发展
新型千兆位路由器是POS组网的核心。在网络发展中,路由器与交换机在主干或核心网络
中配置之争由来以久,传统路由器已成为Internet主干网发展中的瓶颈。近年来,由于采用了
缓存(Cache)技术、硬件(芯片)快速处理技术、标记交换技术、以信元(Cell)交换结构作为
路由器内部体系架构的路由交换技术等,路由器发展很快。
吞吐量(though put)大于10Gbps(如CSICO GSR-12000为20～60Gbps),转发速度大于100
Kpps(如CISCO GSR-12000达2750Kpps,260byte/packet;并计划到1998年突破2500Kpps;Asen
d GRF 1120Kpps,64byte/packet;Bay BCN 1000～1500Kpps,64byte/packet),中继速率可支
持STM-4(OC～12)622Mbps及STM-16(OC-48)2.4Gbps的千兆位路由器的出现,以及其单位吞吐
量价格的大幅度下降,足以与ATM相抗衡。
由于集成信道服务单元(CSU,Channel Service Unit)和简单的信道化处理(Channelizd
Access),提高了端口密度,降低了端口费用。实际上已把多路复用器(MUX)做到路由器中。
如CISCO 7500具有176个E1端口,信道化处理后,每个E1端口支持30个64Kbps信道。高端口密
度路由器系列在端口密度上已与ATM处于均势状态。
新型路由器系列在转发每个包时消耗的时延,以DS3(45Mbps)电路,2000byte/packet为例
,也已降至0.4～3ms以下,进入/离开所有设备的时延允许50～75ms,路由器转发时延在其中已
不再成为问题。
庞大复杂的路由表查找困难,是路由器发展中遇到的最大难点。随着网络规模的急速膨
胀,路由表容量相应增长,GRF有15万行,7500系列有25万行,GSR-12000有100万行。对于查找
路由表,虽然采取了一些措施,如对经常查找的地址采用缓存的方式,对子网进行总结性归类
以缩小路由表项等,但仍未找到根本性解决措施。实行标记交换可大大压缩路由表容量,但已
超出POS范畴而进入IP Over ATM领域。
与庞大复杂的路由表建立、学习、修改、查找有关的是路由器自身需要交换的信息占用
带宽高达30～50%,开销甚大。
路由器能支持业务等级(CoS),还不能充分保证优先等级的业务质量(QoS)。
上述路由器技术发展中的主要利弊分析,涉及到对IP Over ATM或IP Over SDH/SONET两
种解决方案的权衡与选择。

三、SDH/SONET技术的发展
SDH/SONET为POS解决方案提供一个良好的环境和一个优秀的传输平台。SDH(或SONET)同
步数字体系一般以光纤线路为载体用于传输数据。其基本单元是STM-1信号,所有高次群传输
信号均为此第一级的倍数,这就产生了STM-N信号(n×STM-1)。各次群的传输速率为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的一大特点是可在高次群的SDH多路复用信号中,采用同步字节复用和指针调整的方
法,插入或分出低次群支路的数字信号,而不必多路分解整个信号。也可采用映射和指针调整
的方法,将现有不同标准的各次群的准同步数字体系(PDH)的数字信号装入STM-1或再复接到
STM高次群。这样,便可实现插/分多路复用器(ADM)和数字交叉连接设备(DXC)动态进行电路
调度,并可组成自愈环。
STM-1是SDH系统的最小的行信号。STM-1帧由9行组成,每行为270个字节。必须指出,SH
中的帧与帧中继交换机中的帧有所区别,后者带地址,前者则不带地址。
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Pak
et-Over-SONET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Packet-Over-SONET业务。全世界很多电信公司和大企业,也在建设SDH/SONET网络;中国
最早安装的SDH干线是南京至武汉全长820公里的622Mbps2+0链路系统,最早开通的线路系统
是广州至汕头622Mbps光纤通信系统,最高速的SDH系统已达到2.4Gbps。在"八五"期间作为邮
电部的建设方针,今后建设的光纤干线将要采用SDH系统,大多数可能是2.4Gbps或622Mbps干
线。
国内外建设的SDH/SONET环境,为在Internet主干网实施POS解决方案创造了条件。

四、POS解决方案
IP Over ATM(见图1(a))与IP Over SDH/SONET(见图1(b))在OSI模型中层次分布图如下
@@41E21000.GIF;图1@@
在图1中,IP以包(Packet)的形式出现,在OSI的第三层;ATM以信元(Cell)的形式出现,在
OSI第二层;PPP以帧(Frame)的形式出现,在OSI第二层;在图1(a)中,DDN/PDH、SDH以比特(Bt
)的形式出现,处于ISO的第一层;在图1(b)中,SDH/SONET以帧(Frame)的形式出现,在OSI的第
1～1.5层。
PPP是一个十分简单的协议,标头只有两个字节,没有地址信息,只是从点到点顺序走,不
是面向连接的(面向连接是端到端的问题)。这个协议可将太长的IP包切短(IP包长短是不稳
定的)或PPP帧,以适应映射到SDH/SONET帧上去的要求。图2为SDH网络及插/分接入系统示意
图。
@@41E21001.GIF;图2@@
图3、图4为现行的POS方案。
@@41E21002.GIF;图3@@
@@41E21003.GIF;图4@@
在图3中,SDH/SONET光纤环由2/4个组成;GSR为千兆位交换路由器;R为各种不同等级的路
由器,分别连接IP子网。在图3中,如R①与R②通信,接入线路速率为E1,欲实现Packet OverS
DH/SONET,则在STM-1(OC-3)中继线及STM-16(OC-48)光纤环路中分别分出一条E1速率的支持
(信号),由SDH/SONET网管系统设置,这条支路类似于ATM网中设置的PVC(图3中以虚线表示)固
定连接于R①与R②之间,为实施Packet Over SDH/SONET创造条件。
图4所示,将SDH/SONET作为中继线使用。在图3中,GSR为千兆位交换路由器,R为网络边缘
路由器,呈扇形与GSR相连,R连接各自的IP子网。

五、对POS解决方案的评论
用POS来解决Internet主干网问题,有以下优点:

1.简化网络体系结构。

2.传输效率高。
根据测定,在Internet中传输的数据包平均包长为260Byte。由于Internet中包的长短很
不稳定,对IP Over ATM的传输效率产生影响,其原因:一是信元标头占全部信元的9.4%,据BN
检测数据,开销损失8～24%,一般认为开销损失约20%(这也是国外关于ATM由信元头引起的开
销损失的争论中常提到的所谓"20%");二是在传200Byte以下的短包时,一旦出现一个信元丢
失(Internet上一个IP包通常可以切割成几十个信元),整个IP包就要重传,导致效率降低。这
就是图5中所示POS传输效率高于IP Over ATM的原因。
@@41E21004.GIF;图5@@

3.有利于实现IP多路广播(IP Multicast)。
在IP网中(包括POS),多路广播是一种稳定的技术;在交换环境中(ATM及IP Over ATM)复
制多路广播尚缺乏效率高的技术(当然标记交换有所改进)。

4.POS建立在SDH/SONET传输平台上,由于不同体系、不同群次的信号均可在SDH/SONET信
道上插/分,为跨越地区(乃至跨国界),兼容不同技术和标准,实行网络互连,以及实施POS创造
良好条件。
其缺点是:

1.至今尚不适于多业务平台(含数据、话音、适配图像、LAN、SNA、实时、突发业务等
的多平台);
2.一般只能进行业务分级(CoS),还不足以保证优先等级的业务质量(QoS);
3.对大规模的网络,处理庞大、复杂的路由表问题尚是其难题;
4.路由信息占用带宽的比例太大;
5.网络流量管理、拥塞控制还较差。对于ATM网络,可进行逐路排队(Per-VC Queueing)
和分布式拥塞控制(带有预防的性质),具有简便的流量管理能力和较好的算法,而对POS使用
的路由器,尚难完全做到这一点;
6.缓冲器也不如ATM多/大,特别遇到突发性负荷时,丢包机率高(当然如前所述ATM将一个
包切短成很多信元,万一丢失一个信元,整个包要重传,从这个角度看也有人指出ATM丢包机率
大);
7.在ATM网中ATM以虚电路(VC)与边缘路由器相连,连线数量设为N,在路由器网中,连线数
量将达N(N-1)/2,相当于N2数量级的水平,为此,POS网可扩展性较I OverATM为差。