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IP 网 若 干 技 术 进 展

时间:2022-08-06 15:49:15 计算机信息技术 我要投稿
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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?

由于互联网的用户数指数增长,计算机的性能迅速提高。互联网上多媒体应用加多,使IP互 联网的业务和其他IP业务爆炸式的增长。在北美骨干网上的业务量已达到6~9个月左右翻一 番,比著名的CPU性能进展的摩尔定律18个月 翻一番还要快2~3倍。随着IP业务的持续指数 增长,用不了几年IP协议最终将在互联网、有线电视网和电话网中主导未来。?

近年来由于各国政府的倡导和介入促使网络技术得到尽快的发展。例如,1996年美国政府支 持的信息高速公路计划,包括两个组成部分:1997年开始的下一代互联网(Next Generatio n Internet)和1996年开始的互联网2(Internet 2)。下一代互联网计划目标有3个:?

(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。?

(2) 提高网络能力,建设速度为现有网络速度的1000倍。如VBNS在2000年以前速度达到2.4G b/s。?

(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。

互联网2(Internet 2)是由政府支持的大学的研究发展网络。该网的传输依靠VBNS。工程 建设叫GiGaPoP,用以将大学接入VBNS。截止1999年4月接入大学已达135所。接入点的速率 可达OC192(10Gb/s)。?1998年互联网2(Internet 2)在网络技术方面的研究课题有以下九个:IPV4向IPV6过渡、 路由、QoS(服务质量)、网络测量、网络管理、网络存储、网络拓扑结构、网络安全和组播 技术(multicast)。?这两项研究既有相同的部分,又有不同的部分,经常召集联席会议,探讨理论和技术问题。 ?

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?

IP业务如何传送成为最热门的话题。目前,采用的现有的电子交换技术正在走向极限——10 0Gbps。用光纤作为传输媒体并采用WDM技术已无争议。现有的单膜光纤有巨大的带宽资源。 单膜光纤可用带宽约为25T,所以是理想的传输介质。传输的方法是波长划分多路技术(WDM )。?

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IPV4、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 。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。?

ATM本身关注的是由信令(Q2931)寻找出一个虚电路(VCI),然后作出交换的决定。Q2931 是一个信令协议,它负责管理VCI的查询表。ATM可以提供面向连接的服务,依靠提供虚电路 的个数不同,可靠地提供预定的QoS服务。也可以提供面向数据库的服务。?

为了让IP在B-ISDN上运行,先后提出许多办法,如Classic IP、NHRP、LANE、MPOA、MARS等 所有这些方法从根本上讲是建立起IP和电路之间映射关系。即在IP和Q2931之间加一个翻译 层。由于IP是包交换方式,Q2931是面向连接的方式,两者技术有很大差异,所以上述方法 均不太成功。?

后来又提出了MPLS(多协议标记交换)。所谓MPLS就是在IP包上添加一个32位的标签信息, 用以改善路由网络的效率和控制。路由器可以根据指定QoS等级按预定的路径发送数据包。 在离开MPLS网时IP包被剥去此标签恢复成原来的长度。这种方法将第三层的智能灵活性和可 扩展性,与第二层的交换机制(不包括面向连接的服务)结合起来。ATM与路由的结合依靠 两个条件:(1) 带有MPLS功能的路由器;(2) 带有MPLS功能的交换机。?

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?

1997年正式成立了IEFE的MPLS工作组,1999年2月已提出了MPLS的draft04。 (见http://www.ietf.org)。MPLS把面向连接的组网优点带到路由器的网络上,如QoS、业 务量的工程设计、VPN 的管理、大型路由表的计算等。?

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。?

?

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。?

因为SDH是第一层,IP是第三层,1994年提出的(RFC1619)和(RFC1662)选用PPP为第二层 ,这样才能将IP和SDH结合起来。PPP直接映射到SDH帧就可以省掉ATM层,保留了IP网的无连 接特性。这样就简化了网络的体系结构,提高了传输效率。ATM的传输效率仅为80%,SDH传 输效率可达95%。?

然而目前尚缺完整的支持多业务承载标准,流量管理标准。尚不支持VPN和电路仿真。可以 用SDH的自愈环提高系统的可靠性和可用性。网络层的功能靠IP技术的进步。1997年千兆以 太网的出现和千兆位的路由器以及L2/L3/L4(多层)交换机的出现是IP技术进步的重要标志 。所谓第三层交换(L3 Switch)以线速实现包交换,高端包交换速率已达5000万包/s以上 。总吞吐量可达70G/s。实际上IPover SDH讲的是千兆以太网over SDH。端口密度和端口费 用均优于ATM。?

IPover SDH适用于经营I

P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。?

更高速度的路由器——Tbps(10??12?b/s)的研制已开始。1995年底斯坦福大学和德克萨 斯仪器公司合作提出Tiny——Tera计划。1996年完成设计,1997年底做出原型样机。这是一 个32*32端口的ATM交换机。(且有路由功能)每个端口速率为16Gb/s,核心交换能力为512G b/s。?

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。?

目前IETF设立了diffserv组将上述的ToS域改称为DS域。IETF diffserv组将改变其结构,使 用参数来表示服务等级和行为控制(见IETF draf-diffserv-02 1999年2月)总之DS字节将决定路由器处理包的方式,结合许可控制功能,对一系列服务提出优质保证。

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提供必要的数据 ,使diffserv更为合理。?

在前面我们曾经提到MPLS在IP包上加上32位的标签,就像信封上加的邮编,有了邮编就可以 不必寻找地址就可以直接知道目的地址(不再需要解析IP包),减轻了路由计算的负荷。在 标签中也有域表示QoS(确切值正在制定中,详见eraft-ietf-mpls-arch-04 txt 1999年2月 )。MPLS如与ATM结合就可以将QoS映射为ATM的服务等级,确定需要固定速率(CBR)的虚电路, 还是需要可变速率(VBR)的虚电路,满足QoS的需求。?

Diffserv 和MPLS一旦成为正式协议,IP网的QoS就可得到较好解决。为数据网、电信网和有 线电视网三网合一提供理论和技术保证。为用户提供更经济,更有效率的高质量服务。

 


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