IP 网 若 干 技 术 进 展

IP 网 若 干 技 术 进 展 IP 网 若 干 技 术 进 展 信息技术论文 更新：2006-4-8 阅读： IP 网 若 干 技 术 进 展

孙适

(中国科学技术大学网络中心)

摘要 IP网即通常所谓的因特网，其技术日趋完善。本文 介绍其研究的前沿即Internet 2的9个研究方向。由于篇幅限制，仅阐述传输技术、路由和Q oS等3个方面的进展。本文也介绍了IP网的新型的传输者——光互联网的概况。

关键词 传输技术 路由 QoS 光互联网

1. 高速进展的IP网

(1) 发展网络技术，包括提高网络的可靠性、鲁棒性、安全性、服务质量和网络管理。为此 要建立两个测试床。测试床建立在政府网如国家自然科学基金会（NSF）和MCI的VBNS网、国 家航空航天局（NASA）的NREN网、国防部（DOD）的DREN网以及能源部（DOE）的ESNET网（1 999年启动）。网络速度比现在的网络速度快100倍，接入的大学和研究所超过100个。

(3) 加强应用研究，包括虚拟实验室、数字图书馆、分布式计算、远程教育和远程医疗等。

上述研究问题代表当今网络界最关心的研究方向。

2. WDM将成为传输的主流技术

所谓WDM技术是将不同的输入光信号分别调制在特定的波长上。调制后的信号，经过多路复 用器传送至一根光纤上。信号到达目的地址再经分波器分离成不同的波长，或者由各自的检 测器将光信号转换成电信号，或者将需要的某些波长的光信号连接到其他的WDM波道上，继续传输。(见图

1)

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图 1

WDM系统可以加载几十个波长，甚至上百个波长。1998年Ciena公司做出了在 一根光纤上传输96个波长的系统。今年希望能够达到135个波长。由于波长数很多，彼此较 接近，故称之为高密度波长划分多路技术DWDM。

采用DWDM的光网络如何携带IP数据包的传输呢？光网络论坛(Optical Networking Forum)提 出了光学网络的模型。光互联网包括数据网络层、层间适配和层间通道管理层和光网络层。 （见图2）

图2

IP

IP适配

光通路

WDM光复用

WDM光传输

客户数据包IPV4或IPV6

IP多协议封装，分组定界，

差错检测，QoS控制

客户适配和带宽管理，连接性证实〖HJ1]

带宽复用，线路故障和保护

高速传输，光放大故障诊断

图3光互联网的协议栈及功能

图2给出了光互联网分层模型和协议栈及其功能。

客户层（IP层）协议包括IPV

4、IPV6等协议。正如前述数据网的速率远低于光传输网的速率 ，所以光互联网的关键是：数据网络层和光网络层的适配。IP数据以何种方式成帧在WDM上 传输是ITU-T和OIF正在研究的问题，其功能应当包括数据网的OAM可以适配到光网的OAM，数 据网的特定协议的呼叫如何映射成相应的信令消息。适配既可在数据网或光网中同时实现， 也可以单独实现。

对于物理接口，要求能将各种类型的业务通过光接口接入WDM传输网中，因此要对接口的比 特率、协议、帧结构、开销字节、同步及光纤媒质特性进行恰当的规范。

层间管理功能，应能在数据网和光网之间交换状态和配置信息。通过控制接口对业务和通路 进行管理。具体为：保护和恢复、故障管理、性能管理、连接管理和会话管理。

光互联网保护恢复倾向于在IP层进行而不是像SDH在物理层进行。众所周知IP层恢复靠路由 协议（OSPF和BGP）完成，一般需要几秒钟 。“新”网络配置后的路由表重算，显然这是 比不上物理层的恢复。虽然不少方法可以改进第三层的恢复速度，但未经大网的验证。可取 的方法是IP层和物理层协调完成。人们相信MPLS（多协议标记交换）采用后，网络的保护恢 复速度可望与SDH比拟(50ms)。

由于已经有了光分插复用器（OADM）和光交叉连接器（OXC optical channel cross-connec t switchs）形成灵活的光节点，可上下业务，构成光互联网络。基于WDM的OADM和OXC 可以兼容不同用户层信号，实现混合组网。传输中可用铒放大器（在 各波长有几乎相同的放大特性）增加传输距离。捡波则采用布拉格光栅（Bragg grating） 。1997年就已经完成65公里的实验线路传输，带宽达到65Gb/s。

光互联网推向市场的关键是标准化。目前ITUT和OTF有15个工作组正在讨论各种标准化问题 。

3. IP的传送技术

如何传送IP是争论的焦点，原因是IP采用包交换方式，不是面向连接的技术。人们希望能够 通过传送技术，将面向连接的优点赋予IP，这也是推动技术进步的强大动力。（图4）列出 各种传送方法，主要是IP over ATM，IP over SDH和IP over WDM。技术上希望达到层间连 接的智能化，提高传输效率、改善控制。

3.1IPover ATM

ATM原来是为宽带ISDN（B-ISDN）设计的，是一种数据链路层的技术。实际上它还提供了网 络层和传输层的服务。

IP和ATM共存是一个比较协调的办法，即在ATM交换机上，将VCI空间合理的划出一段给MPLS ，另一段给B-ISDN提供ATM面向连接的服务器。

图4

总之IP over ATM 适用于多种业务的电信环境以及服务质量较高的IP业务。

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图5

3.2IPover SDH

SDH 网的主要特点是同步复用，标准光接口处强大的网管功能。SDH的复用结构中定义了容 的C 和虚容的VC各种业务只要装入容的或虚容的就可以作为一个独立的实体在SDH网中进行 传送。C、VC以及级联和复帧结构的定义使SDH可以灵活地支持多种电路层业务,包括各种速 率的异步数字系统、FDDI、ATM等。段开销中有大量备用通道,增强SDH网的可扩展性。SDH的 这种灵活性和可扩展性使它成为宽带数字网的基础传送网络。

IPover SDH适用于经营IP业务的ISP，以IP业务为主的电信网或在电信骨干网上疏导高速速 率数据流。

3.3IPover WDM

SDH是为传输话音而设计的网络，是一个时分复用系统（TDM）。如果以IP业务为主，优化设 计网络时并不需要SDH，因IP业务原理上看是统计复用。原来用SDH层是解决传输分帧的方法 以及自愈恢复。

WDM提供帧格式有G位以太网和SDH两种。所以可以直接用G位路由器，按IP的方式进行工作， 不至于出现转换成SDH帧格式时把一个IP包分在两个SDH帧中或在一个SDH帧中包含两个小的I P包，这样都会浪费资源。

在广域网上进行远距离传输需要进行光放大。为了防止光色散使波形畸变造成误码，每隔一 定距离加一个电再生器（2.5Gbps时600公里），如用新型的量子阱分布激光器，提高功率并 有更窄的带宽，单模光纤无放大最大传输距离可达80KM。

IPover WDM的最大优势在于巨大的带宽潜力。目前商用的WDM系统速率已达320Gb/s。WDM的 重要特点是有达数十乃至上百个可用波道，彼此间互相隔离。因而很容易兼容不同性质和协 议的业务，起到业务汇集作用。不需要在同一电路上（如ATM上）用复杂的结构汇集各种业 务。

人们认为IP网的QoS能力不足，因此要在IP和WDM之间加入其它层。实际上根据排队论，网络 利用率在超过75%时才要用QoS。网络利用率低于70%时，队列很短或根本不存在排队，只要 用优先级方案就达到保证QoS的目标。

目前IPover WDM的标准化刚开始，离开预定目标尚存一定距离。当然潜力是十分诱人的。

4. 高端路由器的进展

从前面的论述看到，第三层的功能改善关键在路由器。历来路由器是IP网传输的瓶颈。

近年来由于VLSI技术的进步，将交换机和路由器结合起来，采用ASIC电路进行包处理和转发 ，用高性能的路由处理机计算路由表，达到上面所说的包处理和转发的速度。既提供第二层 的交换功能，VLAN服务，又可以提供第三层的路由功能，并支持多种路由协议，如RIP、OSP F、BGP-4等。还可支持第四层交换。 我们知道第四层TCP和UDP包含端口号，可以唯一的确定每个数据包包含那些应用协议（例如 HTTP、SMTP、FTP、SNMP等等）。所以第四层交换简单的定义是：它是一种功能，不仅依据M AC地址（第二层桥）或IP地址（第三层路由）而且依据TCP/UDP（第四层）应用端口号进行 传输，达到线速。在千兆以太网上也是如此。在决定路由时检查第四层信息并非新概念，通 常为安全性考虑，允不允许穿越路由器。这时路由器作为一个包过滤防火墙来动作。实际上 可根据第四层信息的流量，增强网络管理员排除故障的能力，提供了网络流量更详尽的记帐 。可以支持每个端口的RMON统计。进行第四层交换的难点是需要区分和存贮大量发送表项的 能力。第2/3层交换机发送表的大小与网络设备的数量成正比。对第四层交换，这个数量还 要乘上网络中使用不同的协议和会话的数量。因而发送表的大小随着端口设备和应用类型数 量的增长而迅速增长。

首先从理论上提出输入端可以放置缓冲器。一般情况下，不主张设置FIFO排队的输入缓冲器 。因为存在所谓锁死问题（Head of Line Blocking）。即在缓冲器第一行如果指向的输出 端忙碌时整个输入缓冲就无法工作。根据排队论此时的效率为（2— ）约为58%。人们提出 虚拟输出排队的概念V0Q(Virtual output Queueing）,即每一个输入端有各自的对应每一个 输出端的FIFO排队。此时NXN交换机缓冲器将增加为N2个。增加了系统的复杂性。随大规 模集成电路的进步，技术上已无困难。

现在找到了实际可用的高速算法islip和输入——输出排队交换加速的方法，线速达到20ns 。Tb/s路由交换如能完全成功，可以完全克服IP网路由瓶颈。

5. 服务质量QoS

IP网采用包交换方式，即采用“尽最大努力”（Best effort）传输，从原理上讲服务质量QoS是无保证的。对文本传输，静态图像等传输对QoS并无要求。随着IP网上多媒体业务加多 如IP电话、V0D、电视会议等实时应用，对传输延时和延时抖动均有严格的要求。

我们知道IPV4中有一个域8位的T0S（Type of Service）其中3位作为优先级，4位定义了服 务类型如最小延时D、吞吐量T、可靠性R和最小开销C。还有一位未分配。可以用这4位来请 求适当的链路。用优先级排队。

T0S实际使用中仅为应用向传输提出服务质量的要求。还需要解决传输过程中如何控制和分 配这些要求，最充分利用资源,满足需求。为此对网络边缘路由和主干路由要求是不相同的 。

在边缘路由可用CAR（Comitted Access Rate 允许访问速率）管理带宽。在入口CAR可根据 访问的端口、IP地址和应用程序设定CAR的带宽阈值。对超过阈值时修改分组优先级、制定 分组丢弃原则。在路由器出口，应能为应用程序计量数据，为记帐/计费，网络规划和网络 监控进程收集和后处理提供信息。 在主干网上，要有拥有管理的随机早期侦测（RED）为网管员提供了灵活制定流量控制策略 ，使其在拥塞情况下，能保持尽可能大的吞吐量。熟知TCP协议者知道，RED与之协同工作实 现算法智能化，避免网络拥塞。实际使用时用加权RED（WRED）给优先的IP加权。除此以外 还要提供加权公平排队（WFQ）保证低延时的高优级的流优先得到处理，低优先级的流也适 当插入队列以求得到适当服务。当网络拥塞时低优级流的分组可能被丢弃。

为确定每个包的DS值，diffserv必须对数据流按其所要求的等级分类。位于网络边缘的路由 器将识别其中的标识信息对照规定的策略作出决定。这些决策称为基本元素，包括分类、决 策、标识和整形4种。Draft规范中由通信量调节器通过分类信息来选择包凡有相同DS字节内 容的数据包送入同一传送队列。决策元素用以监控包的操作标识元素用以设置DS字节，把包 列入队列，整形元素则通过平滑突发速率和预分缓冲空间使其整齐一致。路由器生产厂商将 可以自己定义一组参数和功能，进行有效的QoS控制。

目前Internet2 QoS工作组在网上设立Qbone进行diffserv的试验。将为IETF提供必要