徐云斌　牟春波　顧畹儀

1 引言

互網(wǎng)的用戶數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)規(guī)律，互聯(lián)網(wǎng)上多媒體應(yīng)用日益增多，在不久的將來(lái)，IP協(xié)議最終將在互聯(lián)網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和公用電話網(wǎng)中成為業(yè)務(wù)的主導(dǎo)模式。

波分復(fù)用(WDM)技術(shù)提供了巨大的帶寬，已經(jīng)無(wú)可爭(zhēng)議地成為骨干網(wǎng)絡(luò)中最為主要的傳輸技術(shù)，因此，如何在WDM之上高效地承載IP業(yè)務(wù)就成為最熱門的重點(diǎn)研究課題，國(guó)際上很多標(biāo)準(zhǔn)化組織和論壇都在致力于此項(xiàng)技術(shù)的研究。對(duì)如何將IP適配到光層現(xiàn)在有很多不同的觀點(diǎn)，但是大家都一致認(rèn)為，簡(jiǎn)化IP層到WDM層的適配過(guò)程是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

WDM網(wǎng)絡(luò)雖然具有巨大的帶寬，但目前網(wǎng)絡(luò)帶寬的利用率不是很高。如何充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，根據(jù)業(yè)務(wù)需求動(dòng)態(tài)地提供網(wǎng)絡(luò)資源，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，也是目前光傳送網(wǎng)的研究重點(diǎn)。

另外，光網(wǎng)絡(luò)向智能化、自動(dòng)化方面發(fā)展已經(jīng)成為光傳送網(wǎng)的發(fā)展方向。

2 IP在WDM上的適配技術(shù)

如何將IP業(yè)務(wù)適配到WDM光層上進(jìn)行傳輸，歷史上曾出現(xiàn)過(guò)多種不同的方案，如圖1所示。從圖中可以看出，由于IP是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，而WDM是物理層技術(shù)，IP業(yè)務(wù)不能夠直接在WDM網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，而需要經(jīng)過(guò)中間的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行適配，再放到WDM上面進(jìn)行傳輸，從而構(gòu)成了從IP到WDM的多層協(xié)議棧。構(gòu)成多層協(xié)議棧的原因主要為：

(1)IP業(yè)務(wù)同WDM光波長(zhǎng)相比，其線路速率很低，必須經(jīng)過(guò)一定的速率適配才能充分地利用波長(zhǎng)帶寬。

(2)多層協(xié)議棧的產(chǎn)生還有一定的歷史原因，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期，各個(gè)運(yùn)營(yíng)商發(fā)展了各自的協(xié)議體系以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在各個(gè)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行信息交換需要一定的協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程。

(3)像ATM、SDH這樣的技術(shù)，它們都有自己的最合適的應(yīng)用場(chǎng)合，利用它們來(lái)傳輸IP業(yè)務(wù)不是最佳選擇，采用多層協(xié)議棧一方面可以兼容現(xiàn)有技術(shù)，另一方面可以發(fā)揮各協(xié)議層的優(yōu)點(diǎn)。

不同的協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的功能有所不同，但它們的實(shí)現(xiàn)難易、復(fù)雜性和運(yùn)營(yíng)維護(hù)方式有很大區(qū)別，這里我們介紹幾種主要的適配技術(shù)。

2.1IP over ATM

90年代中期，一些因特網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商在他們的核心網(wǎng)絡(luò)中引入IP over ATM的模式，以滿足帶寬的需求，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的爆炸性增長(zhǎng)。ATM采用第三層的交換和第二層的轉(zhuǎn)發(fā)相分離的技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)邊緣采用第三層的路由功能，而在網(wǎng)絡(luò)核心采用簡(jiǎn)單、高速率的ATM交換，增大了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。同時(shí)，ATM本身可以提供QoS保證以及流量工程等功能，因此受到電信運(yùn)營(yíng)商的歡迎。

IP over ATM的基本原理為：將IP數(shù)據(jù)包在ATM層封裝為ATM信元，數(shù)據(jù)以ATM信元的形式在信道中傳輸。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)接收到一個(gè)IP數(shù)據(jù)包時(shí)，它首先根據(jù)IP數(shù)據(jù)包的IP地址進(jìn)行處理，按路由轉(zhuǎn)發(fā)。隨后，按已計(jì)算的路由在ATM網(wǎng)上建立虛電路(VC)。以后的數(shù)據(jù)包將在此VC上以直通方式傳輸而不再經(jīng)過(guò)路由器的地址解析處理，從而有效地解決了IP路由器的“瓶頸”問(wèn)題，提高了IP數(shù)據(jù)包的交換速度。

IP和ATM的結(jié)合是面向連接的ATM與無(wú)連接IP的統(tǒng)一，也是選路與交換的優(yōu)化組合。但其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能重復(fù)，開(kāi)銷損失達(dá)20％以上，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性也差。

2.2IP over SDH/SONET

SDH/SONET是目前網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最為廣泛的傳輸技術(shù)，能夠提供多種不同速率的復(fù)用和業(yè)務(wù)整合功能，具有強(qiáng)大的故障恢復(fù)和保護(hù)功能。IP與SDH/SONET的結(jié)合是將IP數(shù)據(jù)報(bào)通過(guò)PPP協(xié)議直接映射到SDH/SONET幀，去除了中間的ATM層，從而保留了Internet的無(wú)連接特征，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，提高了傳輸效率。IP與SDH/SONET的結(jié)合易于兼容不同技術(shù)體系和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)間互連，是一種較現(xiàn)實(shí)而較高效的IP傳送方式，目前已在實(shí)際應(yīng)用中獲得較大的成功。

在IP over SONET/SDH中的SONET/SDH是以鏈路方式來(lái)支持IP網(wǎng)的，沒(méi)有從本質(zhì)上提高IP網(wǎng)的性能。目前這種方式尚不適于多業(yè)務(wù)平臺(tái)，可擴(kuò)展性不理想；對(duì)連續(xù)性業(yè)務(wù)比較適合，但不適合突發(fā)性業(yè)務(wù)；只有服務(wù)分組，但無(wú)優(yōu)先級(jí)的服務(wù)質(zhì)量，尚不支持虛擬專用網(wǎng)(VPN)。

2.3IP over GE

以太網(wǎng)占據(jù)了全世界LAN的85％以上，新的吉比特以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)可用來(lái)把大容量的LAN擴(kuò)展成為MAN，甚至可擴(kuò)展成為WAN。使用路由器中的吉比特線路卡提供與SDH相當(dāng)?shù)娜萘浚ㄙM(fèi)只是其六分之一左右。由于這個(gè)原因，吉比特以太網(wǎng)成為在城域WDM環(huán)網(wǎng)上傳送IP或是更長(zhǎng)距離連接的一種頗有吸引力的手段，如加拿大CA＊Net3就是以這種方式構(gòu)建的。圖2給出了一個(gè)基于吉比特以太網(wǎng)接口的網(wǎng)絡(luò)的示例。

以太網(wǎng)的幀是在光載波上以8B/10B編碼方式進(jìn)行編碼，因此對(duì)于1 Gbit/s的吞吐量，線路速率是1.25 Gbit/s，即有一定的編碼冗余。編碼還保證在不傳輸包的空閑周期中填充上一些符號(hào)，這些符號(hào)有足夠密集的邏輯狀態(tài)“1”、“0”跳變以保持時(shí)鐘恢復(fù)。

吉比特以太網(wǎng)支持在IEEE 802.1Q和802.1P標(biāo)準(zhǔn)中所定義的一些服務(wù)等級(jí)，通過(guò)向“加貼標(biāo)記”的包加上優(yōu)先級(jí)指示或包所需要的服務(wù)等級(jí)的方法，使得服務(wù)等級(jí)在以太網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)起來(lái)更方便、更容易。隨著千兆以太網(wǎng)在城域網(wǎng)甚至廣域網(wǎng)上的廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)幀格式的適配技術(shù)將在IP over WDM的實(shí)現(xiàn)中占據(jù)重要地位。

2.4IP over WDM

IP over ATM以及IP over SDH都是在已廣泛應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)上提供對(duì)IP業(yè)務(wù)的傳輸，但它們的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)不是針對(duì)IP業(yè)務(wù)。ATM的目標(biāo)是承載多業(yè)務(wù)、提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和QoS保證，SDH的目標(biāo)則主要是針對(duì)電路交換式業(yè)務(wù)提供高容量的傳輸，它們都不是很有效的IP到WDM的適配方式。如何將IP和WDM廉價(jià)的帶寬很好地結(jié)合是我們關(guān)心的問(wèn)題。目前普遍認(rèn)為簡(jiǎn)化IP到WDM的適配過(guò)程是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)，在IP層和WDM光層之間只需要一個(gè)合適的適配層。簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以得到的好處有：

避免了在SONET/ATM設(shè)備上所花費(fèi)的開(kāi)銷；

結(jié)合光層和IP層的路由功能，提供動(dòng)態(tài)的波長(zhǎng)路由；

結(jié)合光層和IP層的恢復(fù)功能，提供類似于SDH的恢復(fù)性能，滿足目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要。

ATM、SDH技術(shù)雖然在現(xiàn)實(shí)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是也證實(shí)它們不是適配層最合適的選擇，需要尋找新的適配層技術(shù)，目前比較流行的方案有MPLS和數(shù)字包封器兩種。

除了以上介紹的幾種主要的IP over WDM實(shí)現(xiàn)方式外，有些公司還提出了一些自己的適配技術(shù)，例如Cisco公司提出的動(dòng)態(tài)分組傳輸技術(shù)(DPT)和Lucent公司提出的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(SDL)。動(dòng)態(tài)分組傳輸技術(shù)是由Cisco公司提出的一種分組優(yōu)化的光傳輸解決方案，DPT環(huán)由兩根反向傳輸?shù)墓饫w組成，每一根光纖并行地傳輸數(shù)據(jù)和控制信息，為數(shù)據(jù)傳輸提供最大的利用帶寬，同時(shí)可以加速控制信號(hào)的傳輸，具有很好的自愈能力。簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議是對(duì)SDH的封裝格式進(jìn)行簡(jiǎn)化，但是它考慮了后向兼容性，既可以直接映射到WDM層進(jìn)行傳輸，也可以先映射到SDH幀格式中，再到WDM層進(jìn)行傳輸。這些實(shí)現(xiàn)技術(shù)目前都得到了一些廠家的支持。

3 IP over WDM的網(wǎng)絡(luò)

結(jié)構(gòu)

目前很多論壇定義了IP和光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模型，類似于幾年以前的IP versus ATM結(jié)構(gòu)模型。這主要是由于光傳送網(wǎng)(OTN)同ATM類似，都獨(dú)立于IP網(wǎng)絡(luò)，有自己的操作規(guī)范、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理工具等；另外，OTN與ATM都是面向連接的，而IP是無(wú)連接的。圖3顯示了兩種基本的模型：重疊模型和對(duì)等模型。

在重疊模型中，客戶層網(wǎng)絡(luò)和光傳送網(wǎng)(OTN)都有獨(dú)立的路由協(xié)議、地址結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。而在?duì)等模型中，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)只支持統(tǒng)一的路由協(xié)議、地址結(jié)構(gòu)和相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

重疊模型有下面的特點(diǎn)：

IP路由器和OTN OXC設(shè)備在兩個(gè)獨(dú)立的管理區(qū)域內(nèi)。

IP路由器通過(guò)用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)連接到最近的光交叉連接器(OXC)上面。一個(gè)UNI意味著連接的一端是IP路由器，另一端是OXC。

IP路由器不了解OTN的內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它通過(guò)鄰接OTN節(jié)點(diǎn)只能得知整個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

IP網(wǎng)絡(luò)和OTN都運(yùn)行自己的信令和路由協(xié)議，保持獨(dú)立的拓?fù)?，它們之間只交換很少信息或者不交換拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

IP路由器可以請(qǐng)求OTN建立同其他IP路由器的連接。

對(duì)等模型有以下的特點(diǎn)：

IP路由器和OTN OXC設(shè)備在一個(gè)管理區(qū)域內(nèi)。

IP路由器直接作為OXC的鄰接，交換拓?fù)湫畔ⅰ＿@種“對(duì)等對(duì)”到“對(duì)等對(duì)”的接口稱作網(wǎng)絡(luò)到網(wǎng)絡(luò)接口(NNI)。

IP路由器對(duì)OTN拓?fù)溆兄耆恼J(rèn)識(shí)，即所有的IP路由器和OXC設(shè)備共享一個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?img align="left" hspace="15" lowsrc="15" src="https://cimg.fx361.com/images/2024/06/29/qkimageszxtxzxtx2106zxtx210604-4-l.jpg" vspace="15"/>

IP路由器和OXC運(yùn)行一系列的路由和信令協(xié)議，使用單個(gè)的地址結(jié)構(gòu)。

IP路由器可以同其他路由器一起請(qǐng)求建立光連接。

業(yè)務(wù)供應(yīng)商希望保持OTN和IP網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立性，客戶也不需要知道它的業(yè)務(wù)是如何進(jìn)行傳輸?shù)?，因此傾向于選用重疊模型。另外，重疊模型的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，是近期能夠?qū)崿F(xiàn)的。在重疊模型中，業(yè)務(wù)提供者可以在邊緣進(jìn)行管理控制，通過(guò)OTN提供基于電路的連接，以滿足不同的客戶需求。

4 IP與WDM網(wǎng)絡(luò)的控制

如何優(yōu)化光網(wǎng)絡(luò)的管理性能，提高其帶寬利用率，動(dòng)態(tài)地提供波長(zhǎng)資源以及提供光網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)恢復(fù)性能已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)之一。以MPLS為基礎(chǔ)，IETF和ITU－T分別提出了自己的解決方案：多協(xié)議波長(zhǎng)交換和自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)，它們通過(guò)為光網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè)控制平面，將自動(dòng)化、智能化引入了光網(wǎng)絡(luò)。

4.1 多協(xié)議標(biāo)記交換技術(shù)在光網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

近來(lái)，多協(xié)議標(biāo)記交換(MPLS)成為倍受矚目的技術(shù)，它被業(yè)界認(rèn)為是當(dāng)今數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域內(nèi)最有前途的網(wǎng)絡(luò)解決方案之一。

MPLS網(wǎng)絡(luò)采用標(biāo)準(zhǔn)分組處理方式對(duì)第三層的分組進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，采用標(biāo)記交換對(duì)第二層分組進(jìn)行交換，從而實(shí)現(xiàn)了快速有效的轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS的實(shí)用價(jià)值在于它能夠在像IP這樣的無(wú)連接型網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建連接型業(yè)務(wù)。同時(shí)，MPLS還簡(jiǎn)化了選路功能，提供了流量工程解決方案。而光通道的特性是面向連接的，因此應(yīng)用MPLS建立光路徑是一種非常合適的方案。

MPLS在IP over WDM結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用包括兩種情況，第一種是MPLS與IP層結(jié)合，實(shí)現(xiàn)IP分組的快速轉(zhuǎn)發(fā)和IP層上的流量管理，其中MPLS并不涉及WDM光層；第二種是MPLS與WDM光網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)合，是將MPLS中流量工程的控制平面的思想應(yīng)用于WDM光網(wǎng)絡(luò)中，用來(lái)指配端到端的光通道，其中不同的標(biāo)記對(duì)應(yīng)于不同的波長(zhǎng)，這種應(yīng)用被稱為多協(xié)議波長(zhǎng)交換(MPλS或MPLambdaS)。MPLS對(duì)L3層數(shù)據(jù)流進(jìn)行L2層快速轉(zhuǎn)發(fā)，而MPλS是對(duì) L3層數(shù)據(jù)流在L1層上實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)發(fā)。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

4.2 自動(dòng)交換光網(wǎng)絡(luò)(ASON)

智能光網(wǎng)絡(luò)(ASON)就是一種能夠提供動(dòng)態(tài)連接建立能力的光(傳送)網(wǎng)絡(luò)，是帶有相當(dāng)智能的下一代光網(wǎng)絡(luò)，期望能提供比目前的光網(wǎng)絡(luò)快得多的光通道建立速度，并提供多種粒度的信道服務(wù)和靈活的管理功能。

ASON網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示，包括控制平面、傳送平面和管理平面。其核心是通用的控制平面?？刂破矫姹仨毷强煽康?，具有動(dòng)態(tài)路由連接、自動(dòng)的業(yè)務(wù)和資源發(fā)現(xiàn)、狀態(tài)信息分發(fā)、通道連接建立和通道連接管理等功能，能夠支持交換連接和虛永久連接。控制平面不僅能夠?yàn)橛脩艚⑦B接，提供服務(wù)，而且還要對(duì)低層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。同時(shí)，此控制平面還應(yīng)該能夠支持不同的技術(shù)和滿足不同的業(yè)務(wù)需求，不僅用于光傳輸網(wǎng)絡(luò)，也可以用于其他的傳輸網(wǎng)絡(luò)，包括SDH網(wǎng)絡(luò)。

同時(shí)，ASON通過(guò)定義用戶網(wǎng)絡(luò)接口(UNI)以及網(wǎng)絡(luò)到網(wǎng)絡(luò)接口(NNI)，可以支持多種廠商的設(shè)備，支持多種不同的技術(shù)。ASON管理平面通過(guò)對(duì)這些接口的管理，綜合了IP和WDM的網(wǎng)絡(luò)管理，并采用分布式的域間網(wǎng)絡(luò)管理，實(shí)現(xiàn)了綜合的網(wǎng)絡(luò)管理方案，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理的新觀念。

5 未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)

從協(xié)議層次上來(lái)看，目前光網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展方向是簡(jiǎn)化從IP到WDM的適配過(guò)程，其方案為IP層結(jié)合MPLS提供流量工程以及QoS保證，將SONET/SDH的一些幀功能在光傳輸層實(shí)現(xiàn)。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上來(lái)看，目前網(wǎng)絡(luò)功能正向網(wǎng)絡(luò)邊緣轉(zhuǎn)移，網(wǎng)絡(luò)核心功能簡(jiǎn)單化，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)在光網(wǎng)絡(luò)中的透明傳輸。未來(lái)光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有如下特點(diǎn)：

開(kāi)放性和支持多業(yè)務(wù)的能力；

靈活性和易升級(jí)的可擴(kuò)展能力；

高效而靈活的保護(hù)和恢復(fù)策略；

簡(jiǎn)單有效的網(wǎng)絡(luò)控制管理功能；

強(qiáng)大的互聯(lián)和互操作能力?！?/p>

參考文獻(xiàn)

1 Nasir Ghani. LAMBDA－LABELING：A Framework for IP－over－WDM Using MPLS. Optical Networks,April 2000,1

(收稿日期：2001－10－11)

作者簡(jiǎn)介

徐云斌，山東大學(xué)光電子信息工程系本科畢業(yè)，北京郵電大學(xué)碩士畢業(yè)，現(xiàn)為北京郵電大學(xué)光通信中心博士研究生。主要研究方向?yàn)橹悄芄饩W(wǎng)絡(luò)的控制和管理。

牟春波，華北電力大學(xué)電子工程系本科畢業(yè)，現(xiàn)為北京郵電大學(xué)光通信中心碩士研究生。主要研究方向?yàn)殚L(zhǎng)距離DWDM傳輸系統(tǒng)、光傳送網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和控制以及光交叉連接設(shè)備。

顧畹儀，北京郵電大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，電信工程學(xué)院院長(zhǎng)。長(zhǎng)期從事光纖通信領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。1992年獲國(guó)家有突出貢獻(xiàn)的中青年專家稱號(hào)，2001年獲全國(guó)優(yōu)秀教師稱號(hào)，已發(fā)表學(xué)術(shù)論文百余篇。