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IP over SDH与IP over ATM技术

IT知识技术

网络技术是从1990年代中期发展起来的新技术，它把互联网上分散的资源融为有机整体，实现资源的全面共享和有机协作，使人们能够透明地使用资源的整体能力并按需获取信息 。资源包括高性能计算机、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源、大型数据库、网络、传感器等 。当前的互联网只限于信息共享，网络则被认为是互联网发展的第三阶段 。1　引言
近年来，随着Internet的呈指数性增长，对广域网（WAN）的带宽提出了更高的要求 。因特网服务提供商（ISP）正在积极探索各种技术以更好地连接其骨干路由器 。常用方法是采用异步转移模式（ATM）技术，使用155M(STM-1)直至622M(STM-4)的高速链路 。从而产生了诸多IP over ATM技术，如LANE,CIPOA,MPOA等 。
但是，由于运营商底层的网络结构为基于光纤连接的同步数字体系（SDH）（北美为同步光纤网络SONET），这使得ISP更倾向于IP over SDH技术，以提高带宽的效率，而不是常规的IP over ATM技术 。这两种方案在业界引起了强烈的争论 。
2　SDH/SONET概要
SDH为物理层技术，用来传输和复用，传输速率可高达10Gbps，是国际电联（ITU）标准 。而SONET是美国标准委员会（ANSI）的标准，两者只是在复用机制上有所不同，而其余技术均相似，因此，本文就以IP over SDH为例，以下简要介绍SDH 。
2.1　SDH网络元素
SDH的网络元素主要有同步光纤线路系统、终端复用器（TM）、分插复用器（ADM）和同步数字交叉连接设备（DXC） 。TM主要将支路信号复接成STM信号并完成其光电转换和逆过程，ADM具有灵活的插入和分出电路的功能，可以插入和分出如ATM交换机等信源产生的用户净荷到环中的SDH帧中 。DXC完成信号的交叉连接 。典型的SDH应用是在光纤上的双环应用，双环结构采用自动保护倒换以实现双环自愈 。
2.2　SDH帧结构
SDH每秒传送8K　SDH帧（STM-N），STM-N帧是以STM-1为基础的帧结构 。尽管SDH提供同步帧结构，但它并不强制用户净荷位于SDH帧中的特定位置，相反，它允许用户净荷在帧内浮动，使用开销域中的指针指出用户净荷的开始位置 。在用户看来，SDH是提供字节同步的物理层介质 。
3　ATM概述
ATM是以信元（CELL）为基本单位进行交换和复用的面向连接的传输机制，定长的53字节的ATM信元便于实现基于硬件的交换 。ATM使用VCC或VPC连接，使用信元头中的VPI/VCI标识每一连接 。
ATM不但是数据链路层技术，还具有完整的网络层和传输层的各种特性，例如寻址、路由以及流控，ATM允许多个用户数据流共享有效的链路带宽，但每一连接必须预先设定QoS 。话音、数据、图像和视频流等都可以应用在ATM上，但对于不同的应用流需要不同的ATM适配层（AAL）来映射相应的用户数据到ATM信元 。
ATM可以运行在不同的物理介质上，ATM层产生信元然后交给物理层并由其完成从物理介质上发送和接受相应的信号 。SDH/SONET是ATM的物理层之一，由于SDH帧中的净荷不是53字节的信元的整数倍，ATM信元只能直接连续地发送到SDH帧中的净荷中 。在接受时，ATM信元头中的信元头差错检测（HEC）域用来描述从SDH净荷中来的ATM信元的正确性 。
4　IP over ATM
IETF已决定用IP互连导构网络，把各种异构网络互连成一个单一的巨大的IP网 。单个的网络通常采用不同的物理链路和网络技术，但假如IP运行在各种网络层之上，网络与网络之间将实现无缝互连 。目前IP已经运行在多种网络技术之上，包括广播的LAN技术，如Ethernet，电路交换WAN技术，如X.25，以及分组交换WAN技术，如交换式多兆位数据服务SMDS 。
IETF于1990年开始定义IP over ATM，ATM论坛了着手开始在ATM上运行不同的第二层和第三层协议，特别是在LAN方面 。
4.1　classic IP over ATM(CIPOA)
ＣＩＰＯＡ的目的是把ATM作为IP的低层数据链路层，而应用层还是基于传统的IP 。最初在传统IP网中实现ATM只是用ATM替代了LAN线，正因如此，ATM网络需要分割成不同的逻辑子网（LIS）,LIS之间通讯需要路由器 。在ATM网中没有广播功能，因此，传统的广播地址解析协议（ARP）被基于客户/服务器模式的ATM ARP协议所取代 。
一个缺省的逻辑链路/子网接入协议（LIC/SNAP）封装8字节段，用来在ATM上传送IP和ATM　ARP包，这些包用AAL5封装适配后直接映射到ATM信元中，这些信元用虚连接（预定的PVC或交换式的SVC）传送 。对于SVC的呼叫建立，需要ATM论坛的UNI3.1/4.0或ITU-T的Q.2931信令 。
4.2LANE局域网仿真
LANE是ATM论坛推出的用来在ATM网上仿真Eerthnet/802.3和Token Ring/802.45 。利用局域网仿真，现有的LAN应用能在ATM网上进行通信，就像在传统的用MAC地址进行寻址的LAN上一样，可提供组播和广播数据传送 。LANE运行在MAC层，任何第三层协议可在其上运行，相反，CIPOA只能运行IP协议 。
一个仿真LAN（ELAN）由一组局域网仿真服务器（LES）、广播和未知服务器（BUS）以及局域网仿真配置服务器（LECS）组成 。一个仿真LAN是一个LAN网段，其与其余的LAN网段互通则需要桥或路由器 。为传送LAN的控制和数据报，在ATM上用2字节的封装组，新的修订版LANE允许使用LLC/SNAP封装，LANE的封包用AAL5适配后封装成ATM信元，由SVC承载 。
4.3　MPOA
MPOA是ATM论坛的另一个协议，克服了CIPOA和LANE的主要缺点之一，就是不同子网之间通信中间路由器，中间路由器需要把信元组装成第三层的包，进行路由选择后再把包分段封装成ATM信元进行转发，MPOA允许不同的子网用户之间直接建立一条较短的VCC连接，而不需要中间的重组和分段，在同一子网内，MPOA和LANE相同 。
MPOA包括MPOA客户机和MPOA服务器 。MPOA客户机可以是ATM主机或通过边缘设备与ATM相连的非ATM网段主机，边缘设备之间可以进行第二层的桥接或第三层的转发，通过短路径的VCC传送 。MPOA客户机具有监视第三层的分组流的功能，当检测到去往某一特定目的地的连续的分组流时，MPOA客户机向MPOA服务器查询目的地ATM地址或去往目的地的ATM边缘设备的ATM地址，用来建立短路径VCC 。MPOA服务器用IETF定义的下一跳解析协议（NHRP）沿着相应的路由传播解析包，直至到网络目的地的出口ATM地址解析到 。MPOA使用分布式虚拟路由技术，连接ATM子网和传统的LAN子网的边缘设备类似于虚拟路由器的接口卡，而与边缘设备相连的整个ATM网则是虚拟路由器的转发背板 。分组转发功能和路由计算功能相分离，路由计算由路由服务器完成，这种分离与传统的路由器相比，提高了转发效率和具有更高的吞吐量 。分组使用LANE或LLC/SNAP封装格式，用AAL5直接适配成ATM信元，使用SVC连接 。
4.4　协议栈
CIPOA、LANE、MPOA作为ATM上的通用协议层（PLOA）来执行，包括用于LLC/SNAP封装的逻辑链路控制（LLC）模块和接口信令和ATM适配层和主机呼叫控制（HCC）模块，以用来VCC的建立和数据传输 。协议栈用来描述表示前面提到的不同的IP over ATM的技术 。
4.5　MPLS多协议标签交换
IETF定义的MPLS为ATM和IP的集成模型，而不是传统的重叠模型 。在MPLS中，每一路由器即为交换机，在传统的第三层的报头前加上固定长度标签（Label），通过这些标签，在每个MPLS路由器中建立一个类似于传统路由表的标签路由表 。在转发数据报时，查找这些固定长度的标签路由表以达到快速转发数据报，而传统的路由表查找采用的是最长前缀匹配法 。MPLS使用专用的标签分配协议（LDP），此协议用来建立传统的路由表和标签路由间的对应关系，从而在MPLS路由器之间建立一条基于标签的数据报转发的快捷路径 。MPLS也可以使用开放最短路径优先协议（OSPF）建立快捷路径而不采用LDP协议 。
MPLS目前只支持IPv4，但其的适用范围不局限于ATM，其目标是任何数据链路层技术，只要其支持识别快捷路径的固定长度的标签，如以太网等 。
5　IP over SDH

由于SDH环提供路由之间的点对点连接，因此IP包必须映射到点对点的链路上，最常用的技术是采用IETF的点对点协议（PPP）封装 。IP over SDH也被称为Packet over SDH（POS）技术 。

5.1PPP

PPP是点对点的链路层技术，主要提供以下功能：在同一链路上封装和传输不同的网络层协议数据报，建立、配置和测试链路层连接，建立和配置网络层协议 。PPP指定了封装机制和链路控制协议（LCP），另外，PPP还需要认证、链路质量监视，以及网络控制协议（NCP） 。

PPP采用类HDLC的成帧机制，可以运行在各种物理接口之上，如RS232、RS422和V.35等 。

5.2PPP over SDH

PPP把SDH视为字节同步链路，PPP帧作为字节流映射到SDH的净荷中，在类HDLC的帧中使用相应标志来识别在SDH净荷中的PPP帧 。

5.3协议栈

5.4POS骨干技术

骨干网中采用IP over SDH，CPE设备直接连接接入服务器，接入服务器再与骨干路由器相连，骨干路由器连接SDH双环以构成骨干网 。

6　IP over ATM和IP over SDH技术比较

IP over SDH和IP over ATM作为两种主要的技术，主要有以下不同：

6.1协议开销
【IP over SDH与IP over ATM技术】
ISP启用IP over SDH的最大原因是ATM信元头的开销（信元税）太大（5/53），附加的开销还有AAL5（填充、8字节的尾）和LLC/SNAP封装（8字节） 。对于IP over ATM，假设物理层使用SDH的STM-1链路，IP包大小为576字节 。

对于IP over PPP over SDH，也是STM-1链路，IP包大小为576字节 。

以上比较显示，运行在ATM之上的IP只利用线路速率的近80％，而运行在PPP over SDH的IP却为95％，对于广域网主干路由器来讲，IP over SDH额外的容量将显得十分诱人，因为在广域骨干网，带宽比较昂贵，而不像在局域网或园区网中带宽相对比较廉价 。

6.2带宽管理

ATM具有管理分配给每个信息流（VCC）的全套带宽管理功能，它根据所要求的QoS分配相应的带宽给这些VCC 。因为信元交换的特性，ATM允许多信息流共享链路，并且保证一定的带宽给每一信息流以满足其QoS 。

PPP并不提供任何的带宽管理功能，它只是简单地提供点到点的链路，IP必须调度其分组转发功能，以确保每一信息流获得公平的链路带宽份额 。这在低速的链路上将会产生问题，当传输低优先级的大包时将阻塞其余的高优先级的包，比如说传输一个低优先级的文件送包将阻塞对时延敏感的话音包的传送 。对于对时延第三的实时应用，在带宽受限的链路上，这种时延的变化将抵消IP over SDH带来的带宽效率的优势 。

6.3　服务质量QoS

服务质量有关的参数有端到端的时延，时延抖动、丢弃率和吞吐量 。ATM提供了丰富的QoS参数，可以对每个VCC提供协商 。智能的排队和调度机制使得协商后的QoS参数得到保证 。ATM提供不同的服务类型以与不同要求的就用相协调，比如QoS要求高的应用可用CBR、VBR业务，而对QoS要求相对低的应用，可以采用ABR和UBR业务，这些ATM的属性使得可以容易地在IP级提供QoS，具有一定的QoS的信息流可以映射到具有相应QoS的VCC，例如话音流映射到CBR或VBR连接，而文件传输可以映射ABR连接 。

PPP运行在单一的点到点的链路上，且不提供任何的QoS能力，IP层必须管理其包传送以确保相应的信息流的服务质量 。

尽管ATM提供了丰富的QoS参数，但基于QoS的服务仅限于连接的路由器之间的ATM链路上 。为提供端到端的QoS IP，路由器必须提供智能的排队和调度机制 。因此，当IP网叠加于ATM网之上时，虽然实际的通信发生在ATM网上的交换机之间，但对于路由器而言，都是把ATM连接视为类似与PPP的点到点的链路 。

6.4寻址和路由

ATM被定义为完整的网络技术，具有端系统寻址和路由连接的巨大功能，ATM网络可以跨越地理区域，不管路由器的位置如何，可以为它们提供广泛的连接机制 。相反，PPP运行只在直连的点到点的链路上，没有寻址和路由能力 。

当运行IP over ATM时，需要把IP地址翻译在相应的ATM地址，才能实现路由，这增加了协议的复杂性，而地址翻译所需的流量又额外地增加了网络的开销 。而PPP不需要进行地址转换，也就没有额外的开销 。

6.5网络可扩展性

在骨干路由器网中，大多数路由器之间需要通信，这就意味着需要网状连接，不管是PPP还是ATM SVC 。

在IP over SDH的骨干网中，骨干路由器必须提供点到点的链路，为防止链路故障，甚至必须建立多条链路，在某些场合中，为了减少路由器的跳数，骨干路由器间的链路必须配置为全网状结构 。全网状网所需链路为N*(N-1)/2，也就是所谓的N2增加 。一个全网状网不但价格昂贵，而且不利扩展，因为广域范围内的SDH链路有限 。

而在IP over ATM中，由于使用SVC，ATM可以提供任何路由器间连接而不需要全网状网，甚至ATM链路故障时，动态的SVC路由可以找到迂回路由以保证任何两个路由器的连接 。另一优点是通过一个ATM接口可以实现与多个路由器互连，从而可以实现更加灵活的网络工程，具有较强的扩展性，其可以在不同的链路上路由SVC，并且可以利用同一ATM链路把一台路由器连接到不同的多个信宿，以解决N2问题 。

6.6流量控制

ATM使用连接接纳控制（CAC），流量整形以及用法参数控制（UPC）或策略来确保信息流遵守流量合同，超过部分将被打上标记，在网络过载时将被丢弃，通过带标记的包或丢弃的包，终端用户将得到拥塞信息 。ATM信元级的丢弃和TCP包的丢弃的互操作性很差，为消除这一现象，业界已推出多种技术如部分包丢弃（PPD）、早期包丢弃（EPD）等，以使ATM识别包（AAL帧）边界，以便在网络过载时丢弃整个包而不是ATM信元 。

ATM论坛又定义了ABR业务，它提供显式的反馈流控，用允许速率来指示用户可以向网络发送的速率，这个速率将随着网络负荷的改变而改变，允许用户接入有效的带宽而不致于网络过载 。在理想状态，ABR业务将消除信元丢弃率，而把网络拥塞条件推出ATM网络边缘，这同时要求路由器能缓存更多的包以适应ATM网所允许的接入速率的变化 。

PPP不提供任何的流控机制，只有TCP的流控直接运行在PPP链路上，前面已提到，不论是采用ATM或直接使用SDH，路由器都把它视为两点之间的一定带宽的管道，必须采用相应的缓冲机制来确保合理的吞吐量 。

6.7　多协议封装

ATM提供两个机制以便使多协议共享同一ATM链路 。一个VCC复用，分配每一个协议以一个单独的VCC，ATM层复用和解复用VCC，用户不需要添加任何的其他的封装头以区分不同的协议 。另一个机制是LLC复用，允许多个协议复用同一VCC，它添加8字节的封装头到每一个封包以标识其属于哪个协议，这种复用技术可用于VCC数量受限和需要多协议共享VCC的应用场合 。

PPP采用类似于ATM LLC复用的多协议封装格式，其使用2字节的协议标识域作为其封装头 。对大多数应有　和而言，PPP和ATM的多协议封装能力是相同的 。

6.8　容错性

ATM具有从错误链路中恢复并倒换到备份路由的功能，其使用动态路由协议PNNI信令，PNNI具有连接建立初始化时的重路由能力及当网络故障时对已建立的连接的重路由能力，在ATM层提供错误恢复功能 。

PPP不提供任何容错能力，因为其运行在单一的链路上，但其下层的SDH具有自动保护倒换功能，当主用环故障是可倒换到备用环 。当ATM的下层采用SDH时，其也具有此能力 。

7　应用前景

从本质上看，采用IP over SDH，路由器间采用快速的点到点的链路进行连接，而采用IP over SDH，路由器通过有多采链路连接的网络相连，这些链路承载着多路复用的连接，每个连接都与灵活的带宽和协商的服务质量相关，这两种技术之间的主要区别是速度与灵活性的对比，在某一特定场合，某一因素将起决定性作用 。

7.1ISP骨干

ISP骨干网典型的需求是骨干路由器之间的告诉互连以最大化包吞吐量，基于此原因，ISP及其用户比较倾向于采用IP over SDH来互连路由器 。但由于IP over SDH缺乏有效的带宽管理、服务质量以及灵活的网络工程，这种热情在渐渐消退 。另外，IP over SDH提供的快速的包传输能力可能超出大多数路由器的处理能力 。但IP over SDH在带宽有限同时对QoS要求不严的广域网应用还是有很多优势 。

7.2企业内部网

跨地区企业网正面临与ISP骨干网相同的问题，IP over SDH从成本角度看具有很多优势，但这些优势必须与取得相应的设备和服务所需代价相权衡 。运营商将出售比SDH链路便宜的多的ATM链路，因为ATM具有灵活的带宽管理功能，另外，ATM允许多协议应用包括IP应用和非IP应用共享广域范围内的带宽 。

7.3校园网

校园网不太采用SDH，因为有比SDH更廉价的物理接口，如多模光纤、屏蔽双绞线STP以及非屏蔽五类双绞线UTP等，即使采用SDH，由于带宽非常宽裕，IP over SDH带来可带宽的高效性优势将不比IP over ATM的灵活性明显 。

7.4运营商网络

运营商已基本采用SDH作为其网络基础，运营商将采用ATM over ATM以提供灵活的带宽管理以对其付费用户保证服务质量 。与IP直接运行在SDH上相比，运营商更容易提供IP over ATM 。

8结论

今天的网络工业界有两种明显的趋势：一种是受internet的驱动，IP迅速成为网络层技术，有机会建立一个基于包的网络，另一个则是SDH已被运营商广泛地采用，成为物理网络基础结构，路由器可以基于此在广域范围内互连 。
在IP和SDH之间可以采用ATM或PPP，哪种传输技术作为主流目前还不明朗，但速度和灵活性将是选择ATM或POS技术的决定因素 。在速度是首要指标的应用中，IP over SDH更具有吸引力，而需灵活的带宽管理、QoS和网络工程的场合，IP over ATM是最好的解决方案 。

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