南京邮电学院 姚宝富 戈玲
同创信息产业集团 钟培军
摘 要:采用IP over SDH技术的IP骨干网提供了高效、经济的高速IP业务传输。介绍了采用IP over SDH的缘由、IP over SDH协议和接口规范以及IP over SDH在实际中的应用。最后，对高速宽带IP网络的未来作了展望。
关键词:Internet协议 高层数据链路控制 简化的数据链路 千兆位路由器 波分复用
宽带IP网技术近年来发展迅速，目前，ATM和SDH均能支持IP，分别称为基于ATM的IP网（IP over ATM）和基于SDH的IP网（IP over SDH），两者各有千秋。IP over ATM利用ATM的速度快、容量大、多业务支持能力强的优点，以及IP简单、灵活、易扩充和统一性的特点，可以达到优势互补的目的。然而，经研究和实践发现：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，主干网路由器不堪负荷也会引起整个系统停机。再加上IP over ATM的网络体系结构比较复杂、传输效率低、开销损失大（达25％～30％，这一点令Internet网络运营者感到尤其心疼）的缺点，使人们把眼光转向了IP over SDH。SDH与IP的结合能较好地弥补上述IP over ATM的弱点。
1 采用IP over SDH的缘由
1.1 IP业务的急剧增长
随着Internet在世界各国爆炸性的增长，以IP业务为主的数据业务是当今世界信息业发展的主要推动力，据美国国家科学基金会（U．S．National Science Foundation）的估计，从1995年到2000年的5年期间，Internet将会以空前的速度增长，其中，商业市场的年增长率将达到62.4％；Internet的用户数将从3000万增加到5.5亿；通过Internet实现的商业市场交易量将从1.5亿美元增加到25亿美元。因而能否有效地支持IP业务已成为某项新技术能否有长远技术寿命的标志。
1.2 SDH传输体制的普及和全球化
SDH为IP over SDH解决方案提供了一个良好的环境和传输平台。SDH一般以光纤线路为载体用于传输数据。其基本单元是STM—1（155Mb／s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，N—1，4，16，64，…）。
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，便可实现分插复用器（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。
目前，各发达国家的骨干网基本上都是采用SDH传输体制。在我国，省级以上骨干网90％是采用SDH。相反，ATM交换机的普及率在全球还很低，所以国内外广泛建设的SDH环境，为在Internet主干网实施IP over SDH创造了良好的条件。
1.3 路由器技术的最新发展
新型千兆（位）路由器是IP over SDH网络的核心。在网络发展中，路由器与交换机在主干网络中配置之争由来已久，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，路由器技术发展极快。
Cisco GSR－12000路由器，其吞吐量达60Gb／s，转发速度达2750kp／s（260byte／packet）；PACKETENGNES公司生产的PowerRail 5200吉位线速路由器中继的包转发速度达37000kp/s，该种路由器能提供CoS（业务分级）和基本保证服务质量（Qos）。
为了达到特位的速度，一般公司采用并行或大规模并行计算技术。Avici公司的TSR特位路由器，由20块交换路由器卡组成，每块卡采用专用硬件构成，其交换机构的交换速度为70Gb／s，总体交换速度为1.4Tb／s。Pluris INC公司的TNS特位路由器，采用大规模并行技术。共16×1024个处理节点，每个处理机节点支持STM－1的端口，采用通用器件构成，总交换速度为5Tb／s。它可以支持1000个2.5Gb／s的STM－16（622Mb／s）端口、Neo公司的Stream Processor 2400，采用1000个RISC处理机大规模并行构成，其交换速度为512Gb／s，包转发速度可以达到400Mp／s。 速率可支持STM－16的千兆路由器的出现，以及其单位吞吐量价格的大幅度下降，使得它足以与ATM相抗衡。
新型路由器系列在转发每个包时消耗的时延，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。
2 IP over SDH协议和接口规范
IP over SDH在本质上保留了因特网作为IP网的无连接特征，形成统一的平面网，简化了网络的体系结构，提高了传输效率，降低了成本，易于实现IP组播和兼容不同技术体系，实现网间互联。其基本思路是将IP数据报通过点到点协议（PPP）直接映射到SDH帧，省掉了中间复杂的ATM层，这样可大大节省网络的投资。具体作法是先把IP数据报封装进PPP分组，然后利用高层数据链路控制（HDLC）组帧，再将字节同步映射进虚容器（VC）包封中，最后再加上相应的SDH开销置入STM－N帧中即可。IP over SDH在OSI（开放系统互联）模型中层次分布图如图1所示。
在图1中，IP以包的形式出现，在OSI的第三层，PPP以帧的形式出现，在OSI第二层；SDH以帧的形式出现，在OSI的第1～1.5层。
IP数据报首先被封装进PPP数据包中［PPP是点到点协议的简称，它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，是面向非连接的（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）成PPP帧，以适应映射到SDH帧的要求，它提供了多协议封装、差错控制和链路初始化控制的特性］，然后利用高层数据链路控制（HDLC）去组帧，再将字节同步映射进SDH的虚容器中，再加上相应的SDH开销置入STM－N帧中即可。
HDLC的主要功能是区分通过同步传输网络传输的，使用PPP封装的IP数据报。这种区分是通过字节填充（byte stuffing）来完成的，每一个HDLC帧以字节标志0x7e开始，也以0x7e结束。在发射端，为了标志序列和填充序列，HDLC帧被监控，如果标志序列发生在HDLC帧的信息域，它被改变成0x7d和0x5e序列；相反的，在填充序列中，0x7d改变成0x7d 0x5e。在接收端，填充的信息被去掉，只剩下原来的信息域，而且在空闲期间，当没有数据报被传送时，HDLC的标志模式被作为帧间填充传输。图2显示的是采用IP over SDH映射的HDLC的帧格式。
3 IP over SDH的高速化支持
目前国际上大规模铺设的SDH骨干网的单信道速率大部分已达到STM－16（2.5Gb/s），一部分甚至达到STM－64（10Gbit／s），速率可支持STM－16的千兆路由器也已商品化。
IP over SDH将在如此高的速率上运行，然而，不幸的是基于HDLC的运作机制并不能直接轻易地用于STM—16及其以上速率。但是通过采取一定的措施，使得HDLC应用于STM—16及以上速率是可能的。目前朗讯公司进行了STM－16以上速率的IP over SDH传输技术的研究并取得了成功。
IP over SDH传输技术的主要问题是速率超过STM－16，同时能够以尽量低的价格施行。简化的数据链路（SDL，Simplified Data Link）是IP over SDH高速化的核心，它能够给异步到达的、可变长的数据报提供更高的速率。简单的情况下，SDL帧包括净荷长度指示、帧头循环冗余校验，净荷循环冗余校验。 SDL帧的头部信息的目的是为了描述数据包，数据包的净荷有单独的CRC保护。如果是实时业务，SDL将允许有误码的数据包净荷传送到上层。基于SDL的描述能够工作在物理层，而不管物理层是否提供比特或字节的校正，如果没有提供校正，SDL将在搜索状态下通过滑码来寻求CRC的有效性。
一个合适的扰码机制，也将被应用到映射中，确保映射能够在SDH网络中传输。值得注意的是由于SDL是基于长度的描述，与基于标志的描述相反，考虑到扰码器的存在，它们实际上是没有什么矛盾的。
值得感兴趣的是如果在SDL中加入QoS和复用功能，它看上去就好像可变信元大小的ATM。目前，朗讯等公司正进行进一步的研究。
4 IP over SDH的应用方案
随着千兆位高速路由器的商用化，IP over SDH的发展势头很强。例如美国Sprint公司和GTE公司已决定采用Cisco的GSR 12000高速路由器作为节点建立IP骨干网。世界最大的ISDN业务供应商U－UNet也宣布将在骨干网上采用IP over SDH。采用这种技术的关键是千兆位高速路由器，这方面近来已有重要突破性进展（如前所述）。
美国Cisco公司于1997年9月推出的12000系列千兆位交换路由器（GSR），可以在千兆位速率上实现因特网业务远路，还具有60Gb／s的多带宽交换能力，提供灵活的拥塞管理、组播和QoS功能，其骨干网速率可以高达2.5Gb／s。
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IP Over SDH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IP over SDH业务。目前，全世界很多电信公司和大企业，也在建设IP over SDH网络。图3为IP over SDH的应用方案示意图。
在图3中，SDH光纤环由光纤双向环组成；路由器可有各种不同的等级，分别连接各自的IP子网。在图3中，如路由器1与路由器2通信，接入线路速率为E1，欲实现IP Over SDH，则在STM－1中继线及STM－16光纤环路中分别分出一条E1速率的支持（信号），由SDH网管系统设置，这条支路类似于ATM网中设置的永久虚电路（图3中以虚线表示）固定连接于路由器1与路由器2之间。
5 高速宽带IP传输网络的未来
尽管IP over SDH有简化了网络体系结构、提高了传输效率、易于实现IP多路广播（IP Multicast）等许多优点，但是它并不是十全十美的，它仍然有许多方面需要改进，并且最终将由新的网络体系结构，例如IP over Optical取代。
5.1 IP over SDH面临的困难和挑战
IP over SDH主要是为了适应IP业务而发展起来的，在处理多媒体等综合业务时还不尽人意；对业务的服务质量还不能完全保证，随着网络规模越来越大，处理庞大、复杂的路由表尚是其难题；网络流量管理、拥塞控制还较差以及网络的可扩展性也较差。
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，路由表容量相应剧增，Cisco公司的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，但目前仍未找到根本性解决措施。
5.2 WDM技术的发展
单模光纤中的低损耗区大约有400nm，从1200～1600nm，产生的带宽约为30THz。目前的单模光纤通信系统的带宽利用率约为1％左右。为了使新铺设的单模光纤通信系统性能价格比更高，以及更加经济有效地利用已经存在的网络，满足不断增长的电信和Internet服务的需求。人们纷纷把眼光转向如何经济有效地提高系统容量。
传统的增加容量的方法是用新的更高速的时分复用（TDM）系统取代原来的TDM系统。在理论上，基于TDM的高速系统还有望进一步提高到40Gb／s。然而，电的40Gb／s系统需大规模地替换整个系统（包括中继器），不易升级以及在技术上的一些问题，在实用中是否能成功还是个未知因素。目前，最简单、最有前途的充分利用单模光纤容量的方法是采用波分复用（WDM）技术，容量的扩展是通过传输多个TDM信号，每一个TDM信号在同一根光纤中不同的波长上传输。
采用WDM系统的主要好处是：
·充分利用光纤的巨大带宽资源，使容量可以迅速扩大几倍至上百倍；
·在大容量长途传输时可以节约大量光纤和再生器，从而大大降低传输成本；
·与信号速率及电调制方式无关，是引入宽带新业务的方便手段；
·利用WDM实现网络交换和复用可望实现未来透明的、具有高度生存性的光联网。
鉴于应用上的巨大好处以及近几年来技术上的重大突破和市场驱动，WDM系统发展得十分迅速。目前全球实际敷设的WDM系统已超过2000个，而实用化系统的最大容量已达160Gb／s（16×10Gb／s）。美国朗讯公司将在今年内推出400Gb／s的实用系统。目前实验室的最高水平已达2.6Tb/s（132×20Gb/s）。
5.3 IP over Optical
上述WDM技术尽管具有巨大的传输容量，但基本是以点到点通信为基础的系统，其灵活性和可靠性还不够理想。如果在光路上也能实现类似SDH在电路上的分插功能和交叉连接功能的话，最终省掉中间的SDH层，IP直接在光路上跑，形成十分简单的统一的IP网结构——IP over Optical，其开销量最低，传输效率最高，这无疑将是一次新的飞跃。根据这一基本思想，光分插复用器（OADM）和光交叉连接设备（OXC）均已在实验室研制成功，其中OADM已进入商用阶段。
正如成熟的TDM技术一样，新的接口能够被加到千兆路由器中，而不需要对原有的WDM光传输网做大的改变。图4是未来的IP over Optical网络应用方案，几个千兆（特）骨干网路由器之间通过OADM系统和OWDM终端复用器互联。OADM允许不同光网络的不同波长的信号在不同的地点分叉复用。当然，OXC可以取代OADM的作用，在更大规模的网络中应用。
将来越来越多的实时业务，例如话音业务也将在IP网络中传输。在这种情况下，QoS和在失败的情况下的快速恢复，将成为未来IP网络的中心问题。随着光网络中复用设备和交叉连接设备的发展和应用，在光层，＜1s的时间内恢复将成为可能，这将允许IP路由器集中处理服务质量和多业务综合问题。
6 结束语
总之，随着千兆高速路由器的成熟和IP业务的大发展，IP over SDH将会获得越来越广泛的应用，其发展趋向值得密切注视。但是，在相当长的时期，IP over ATM、IP over SDH将会共存互补，各有其最佳应用场合和领域，并最终过渡到IP over Optical。
摘自 北极星电技术网
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