IP over WDM技术

　1 引言

　　互联网的用户数呈现指数增长规律，互联网上多媒体应用日益增多，在不久的将来，IP协议最终将在互联网、有线电视网和公用电话网中成为业务的主导模式。

　　波分复用(WDM)技术提供了巨大的带宽，已经无可争议地成为骨干网络中最为主要的传输技术，因此，如何在WDM之上高效地承载IP业务就成为最热门的重点研究课题，国际上很多标准化组织和论坛都在致力于此项技术的研究。对如何将IP适配到光层现在有很多不同的观点，但是大家都一致认为，简化IP层到WDM层的适配过程是未来的发展趋势。

　　WDM网络虽然具有巨大的带宽，但目前网络带宽的利用率不是很高。如何充分利用网络带宽，根据业务需求动态地提供网络资源，降低网络建设和运营成本，也是目前光传送网的研究重点。

　　另外，光网络向智能化、自动化方面发展已经成为光传送网的发展方向。

　　2 IP在WDM上的适配技术

图1 IP over WDM的适配技术方案

　　如何将IP业务适配到WDM光层上进行传输，历史上曾出现过多种不同的方案，如图1所示。从图中可以看出，由于IP是网络层协议，而WDM是物理层技术，IP业务不能够直接在WDM网络中进行传输，而需要经过中间的数据链路层进行适配，再放到WDM上面进行传输，从而构成了从IP到WDM的多层协议栈。构成多层协议栈的原因主要为：

　　(1)IP业务同WDM光波长相比，其线路速率很低，必须经过一定的速率适配才能充分地利用波长带宽。
　　(2)多层协议栈的产生还有一定的历史原因，网络发展初期，各个运营商发展了各自的协议体系以及网络结构，在各个运营商网络之间进行信息交换需要一定的协议转换过程。
　　(3)像ATM、SDH这样的技术，它们都有自己的最合适的应用场合，利用它们来传输IP业务不是最佳选择，采用多层协议栈一方面可以兼容现有技术，另一方面可以发挥各协议层的优点。

　　不同的协议栈实现的功能有所不同，但它们的实现难易、复杂性和运营维护方式有很大区别，这里我们介绍几种主要的适配技术。

　　2.1 IP over ATM

　　90年代中期，一些因特网业务提供商在他们的核心网络中引入IP over ATM的模式，以满足带宽的需求，适应网络业务的爆炸性增长。ATM采用第三层的交换和第二层的转发相分离的技术，在网络边缘采用第三层的路由功能，而在网络核心采用简单、高速率的ATM交换，增大了网络的吞吐量。同时，ATM本身可以提供QoS保证以及流量工程等功能，因此受到电信运营商的欢迎。

　　IP over ATM的基本原理为：将IP数据包在ATM层封装为ATM信元，数据以ATM信元的形式在信道中传输。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地址进行处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚电路(VC)。以后的数据包将在此VC上以直通方式传输而不再经过路由器的地址解析处理，从而有效地解决了IP路由器的“瓶颈”问题，提高了IP数据包的交换速度。

　　IP和ATM的结合是面向连接的ATM与无连接IP的统一，也是选路与交换的优化组合。但其网络结构复杂，功能重复，开销损失达20％以上，网络扩展性也差。

　　2.2 IP over SDH/SONET

　　SDH/SONET是目前网络中应用最为广泛的传输技术，能够提供多种不同速率的复用和业务整合功能，具有强大的故障恢复和保护功能。IP与SDH/SONET的结合是将IP数据报通过PPP协议直接映射到SDH/SONET帧，去除了中间的ATM层，从而保留了Internet的无连接特征，简化了网络体系结构，提高了传输效率。IP与SDH/SONET的结合易于兼容不同技术体系和实现网间互连，是一种较现实而较高效的IP传送方式，目前已在实际应用中获得较大的成功。

　　在IP over SONET/SDH中的SONET/SDH是以链路方式来支持IP网的，没有从本质上提高IP网的性能。目前这种方式尚不适于多业务平台，可扩展性不理想；对连续性业务比较适合，但不适合突发性业务；只有服务分组，但无优先级的服务质量，尚不支持虚拟专用网(VPN)。

　　2.3 IP over GE

　　以太网占据了全世界LAN的85％以上，新的吉比特以太网标准可用来把大容量的LAN扩展成为MAN，甚至可扩展成为WAN。使用路由器中的吉比特线路卡提供与SDH相当的容量，花费只是其六分之一左右。由于这个原因，吉比特以太网成为在城域WDM环网上传送IP或是更长距离连接的一种颇有吸引力的手段，如加拿大CA＊Net3就是以这种方式构建的。图2给出了一个基于吉比特以太网接口的网络的示例。

图2 基于吉比特以太网接口的网络的示例

　　以太网的帧是在光载波上以8B/10B编码方式进行编码，因此对于1 Gbit/s的吞吐量，线路速率是1.25 Gbit/s，即有一定的编码冗余。编码还保证在不传输包的空闲周期中填充上一些符号，这些符号有足够密集的逻辑状态“1”、“0”跳变以保持时钟恢复。

　　吉比特以太网支持在IEEE 802.1Q和802.1P标准中所定义的一些服务等级，通过向“加贴标记”的包加上优先级指示或包所需要的服务等级的方法，使得服务等级在以太网上实现起来更方便、更容易。随着千兆以太网在城域网甚至广域网上的广泛应用，千兆以太网帧格式的适配技术将在IP over WDM的实现中占据重要地位。

　　2.4 IP over WDM

　　IP over ATM以及IP over SDH都是在已广泛应用的技术基础上提供对IP业务的传输，但它们的最初设计目标不是针对IP业务。ATM的目标是承载多业务、提高网络吞吐量和QoS保证，SDH的目标则主要是针对电路交换式业务提供高容量的传输，它们都不是很有效的IP到WDM的适配方式。如何将IP和WDM廉价的带宽很好地结合是我们关心的问题。目前普遍认为简化IP到WDM的适配过程是未来网络体系结构的发展趋势，在IP层和WDM光层之间只需要一个合适的适配层。简化网络结构可以得到的好处有：

• 避免了在SONET/ATM设备上所花费的开销；
  
• 结合光层和IP层的路由功能，提供动态的波长路由；
  
• 结合光层和IP层的恢复功能，提供类似于SDH的恢复性能，满足目前网络发展的需要。

　　ATM、SDH技术虽然在现实中已经得到了广泛的应用，但是也证实它们不是适配层最合适的选择，需要寻找新的适配层技术，目前比较流行的方案有MPLS和数字包封器两种。

　　除了以上介绍的几种主要的IP over WDM实现方式外，有些公司还提出了一些自己的适配技术，例如Cisco公司提出的动态分组传输技术(DPT)和Lucent公司提出的简单数据链路协议(SDL)。动态分组传输技术是由Cisco公司提出的一种分组优化的光传输解决方案，DPT环由两根反向传输的光纤组成，每一根光纤并行地传输数据和控制信息，为数据传输提供最大的利用带宽，同时可以加速控制信号的传输，具有很好的自愈能力。简单数据链路协议是对SDH的封装格式进行简化，但是它考虑了后向兼容性，既可以直接映射到WDM层进行传输，也可以先映射到SDH帧格式中，再到WDM层进行传输。这些实现技术目前都得到了一些厂家的支持。

　　3 IP over WDM的网络结构

　　目前很多论坛定义了IP和光互联网络的结构模型，类似于几年以前的IP versus ATM结构模型。这主要是由于光传送网(OTN)同ATM类似，都独立于IP网络，有自己的操作规范、网络协议、网络管理工具等；另外，OTN与ATM都是面向连接的，而IP是无连接的。图3显示了两种基本的模型：重叠模型和对等模型。

图3 IP over WDM的网络结构

　　在重叠模型中，客户层网络和光传送网(OTN)都有独立的路由协议、地址结构和网络拓扑。而在对等模型中，两个网络只支持统一的路由协议、地址结构和相同的拓扑结构。

　　重叠模型有下面的特点：

• IP路由器和OTN OXC设备在两个独立的管理区域内。
  
• IP路由器通过用户网络接口(UNI)连接到最近的光交叉连接器(OXC)上面。一个UNI意味着连接的一端是IP路由器，另一端是OXC。
  
• IP路由器不了解OTN的内部拓扑结构，它通过邻接OTN节点只能得知整个IP网络的拓扑信息。
  
• IP网络和OTN都运行自己的信令和路由协议，保持独立的拓扑，它们之间只交换很少信息或者不交换拓扑信息。
  
• IP路由器可以请求OTN建立同其他IP路由器的连接。
  

　　对等模型有以下的特点：

• IP路由器和OTN OXC设备在一个管理区域内。
  
• IP路由器直接作为OXC的邻接，交换拓扑信息。这种“对等对”到“对等对”的接口称作网络到网络接口(NNI)。
  
• IP路由器对OTN拓扑有着完全的认识，即所有的IP路由器和OXC设备共享一个网络拓扑。
  
• IP路由器和OXC运行一系列的路由和信令协议，使用单个的地址结构。
  
• IP路由器可以同其他路由器一起请求建立光连接。

　　业务供应商希望保持OTN和IP网络的独立性，客户也不需要知道它的业务是如何进行传输的，因此倾向于选用重叠模型。另外，重叠模型的网络实现简单，是近期能够实现的。在重叠模型中，业务提供者可以在边缘进行管理控制，通过OTN提供基于电路的连接，以满足不同的客户需求。

　　4 IP与WDM网络的控制

　　如何优化光网络的管理性能，提高其带宽利用率，动态地提供波长资源以及提供光网络的保护恢复性能已经成为研究热点之一。以MPLS为基础，IETF和ITU－T分别提出了自己的解决方案：多协议波长交换和自动交换光网络(ASON)，它们通过为光网络增加了一个控制平面，将自动化、智能化引入了光网络。

　　4.1 多协议标记交换技术在光网络中的应用

　　近来，多协议标记交换(MPLS)成为倍受瞩目的技术，它被业界认为是当今数据网络领域内最有前途的网络解决方案之一。

　　MPLS网络采用标准分组处理方式对第三层的分组进行转发，采用标记交换对第二层分组进行交换，从而实现了快速有效的转发。MPLS的实用价值在于它能够在像IP这样的无连接型网络中创建连接型业务。同时，MPLS还简化了选路功能，提供了流量工程解决方案。而光通道的特性是面向连接的，因此应用MPLS建立光路径是一种非常合适的方案。

　　MPLS在IP over WDM结构中的应用包括两种情况，第一种是MPLS与IP层结合，实现IP分组的快速转发和IP层上的流量管理，其中MPLS并不涉及WDM光层；第二种是MPLS与WDM光网络层的结合，是将MPLS中流量工程的控制平面的思想应用于WDM光网络中，用来指配端到端的光通道，其中不同的标记对应于不同的波长，这种应用被称为多协议波长交换(MPλS或MPLambdaS)。MPLS对L3层数据流进行L2层快速转发，而MPλS是对 L3层数据流在L1层上实现直接转发。其网络结构如图4所示。

图4　多协议波长交换(MPλS或MPLambdaS)

　　4.2 自动交换光网络(ASON)

　　智能光网络(ASON)就是一种能够提供动态连接建立能力的光(传送)网络，是带有相当智能的下一代光网络，期望能提供比目前的光网络快得多的光通道建立速度，并提供多种粒度的信道服务和灵活的管理功能。

　　ASON网络结构如图5所示，包括控制平面、传送平面和管理平面。其核心是通用的控制平面。控制平面必须是可靠的，具有动态路由连接、自动的业务和资源发现、状态信息分发、通道连接建立和通道连接管理等功能，能够支持交换连接和虚永久连接。控制平面不仅能够为用户建立连接，提供服务，而且还要对低层网络进行控制。同时，此控制平面还应该能够支持不同的技术和满足不同的业务需求，不仅用于光传输网络，也可以用于其他的传输网络，包括SDH网络。同时，ASON通过定义用户网络接口(UNI)以及网络到网络接口(NNI)，可以支持多种厂商的设备，支持多种不同的技术。ASON管理平面通过对这些接口的管理，综合了IP和WDM的网络管理，并采用分布式的域间网络管理，实现了综合的网络管理方案，体现了网络管理的新观念。

图5　ASON的网络结构

　　5 未来光网络发展趋势

　　从协议层次上来看，目前光网络的主要发展方向是简化从IP到WDM的适配过程，其方案为IP层结合MPLS提供流量工程以及QoS保证，将SONET/SDH的一些帧功能在光传输层实现。从网络结构上来看，目前网络功能正向网络边缘转移，网络核心功能简单化，最终实现网络业务在光网络中的透明传输。未来光网络应具有如下特点：

• 开放性和支持多业务的能力；
  
• 灵活性和易升级的可扩展能力；
  
• 高效而灵活的保护和恢复策略；
  
• 简单有效的网络控制管理功能；
  
• 强大的互联和互操作能力。

参考文献

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

[摘要] 文章介绍了IP over WDM技术及其发展进程，论述了IP over WDM技术的研究热点，包括IP over WDM的网络控制技术、多协议标记交换在光网络中的应用以及自动交换光网络(ASON)等方面的内容。

[关键词] 波分复用 多协议标记交换 自动交换光网络

[Abstract] The technology development and research focus of IP over WDM are reviewed in this paper, including the network control, the role of Multi－Protocol Label Switching in optical networks and the emerging of Automatic Switching Optical Network.

[Keywords] WDM MPLS ASON