如何构建高速IP核心网络

韦勇 湖北省多媒体通信局
　　摘要：本文讨论了如何构建高速IP核心网络的问题，分别讨论了SDH传送网、ATM/SDH混合结构以及核心网络问题。最后指出，光传输系统的演进是构筑核心网络的关键。

　　关键词 SDH ATM IP 核心网络 演进

　　SDH和ATM作为电信网的基础设施平台在数据通信领域承担了重要的角色，混合ATM/SDH的叠加网络结构一直被传统运营商所沿用。然而，随着IP业务的蓬勃发展，这种结构在核心网络中已不再适用。如何构建IP核心网络，使之既能兼顾成本效益因素又能快速提供服务和保护已有投资，已成为运营商必须认真考虑的问题。随着业务的扩展，传输带宽将成为限制网络发展的瓶颈，最终，传输系统的演进将奠定未来光互联网的基础。

　　1SDH传送网

　　过去的10年，同步光网络/同步数字系列（SONET/SDH）技术已发展得十分完备，由分插复用设备（ADM）、数字交叉设备（DXC）和光纤线路组成的SDH传送网在运营商骨干基础网络中已完全取代了原有的PDH设施而成为首选的传送平台。SDH继承了传统的8khz采样的时分复用技术，采用直接字节间插进进行同步复用，可方便地对支路信号进行同步复用/解复用和交叉连接。同时，SDH可部署在多种拓朴结构的传送网中，如点到点系统、环网、网状网等，对于每种结构，传输系统都有相应的快速故障处理手段，如复用段保护（MSP）、复用段共享保护环（MS SPring）等；在其基本传输单元STM(sonet)帧中还包含了丰富的开销（Overhead）字节用于网络的运行维护和管理。

　　近年来，随着突发性数据业务，特别是IP业务的飞速发展，人们开始考虑如何高效地利用已建成的光纤网络来传送这些由不同技术 手段实现的业务。然而，SDH最初是为语音业务优化而设计的，它采用时分复用电路交换方式承载数据业务时，通常需要在业务节点间建立起固定带宽的连接。考虑到目前SDH传送网有限的带宽容量，这种带宽分配方案将限制网络所能支持的用户数量，因此，对运营商和用户而言，它显得过于昂贵和效率低下。

　　另一方面，TDM技术决定了SDH不能在同一带宽上承载多种业务，但是为了满足不断膨胀的新兴数据业务的需求，运营商不得不新建多个用不同技术袜，、同时又彼此独立的业务网络，如帧中继、ATM等。由于技术开发的因素以及考虑到在现有SDH上所投入的大笔资金，那些采用分组交换和异步传送方式的业务网络最终仍需选择SDH作为它们的传送平台，其结果是增加了整个运营网络的层次及设备上的投资和运行成本。可是，除非找到更好的替代方案，否则，这种方式还将继续下去。

　　2 ATM/SDH混合结构

　　ATM似乎是一个能够解决带宽利用问题的良好方案，至少在IP业务爆炸性增长之前情况大体如此。ATM采用综合电路和分组交换的组网技术 ，它取消了TDM的固定带宽分配原则，在网络中引入了统计复用功能，从而可根据具体的业务需求来配置带宽，并以此来提高带宽的利用效率。

　　但是直到现在，我们仍未看到基于裸信元传输的纯ATM传送网络。从技术角度来看，SDH是综合了传输、复用和交叉连接的数字传输技术 ，它作为电信网的基础传输平台已运行了多年，并已演变成一种成熟可靠的技术手段。它所采用的定长帧格式中包含了丰富的用于网络运行、管理、维护和保护的开销字节，极大地增强 网络的健壮性和可扩展性。并且，SDH的STM（SONET）帧已成为一个业界认可的标准协议，这解决了不同厂家间传输设备的互连互通问题。

　　反过来看，尽管ATM是一各基于高效复用、传输交换的技术 ，但在长距离传输方面却不具备与SDH抗争的能力。同时，即使理论上可实现光纤上的裸信元传输 ，但在长途网络中大多数设备厂商家并不直接支持这种方式。另一方面，利用SDH作为传输网络可以极大的减轻ATM VP层的功能，从而将ATM的统计复用和QOS优势充分用于与业务提供相关的VC连接上以提高效率。因此，对ATM而言，最经济的解决办法就是将其建立在SDH上。

　　这种将ATM叠加在SDH之上的混合结构结合了ATM的高效交换、统计复用和SDH的高效传输功能，它使网络能够同时传送ATM和STM业务。在这种情形下，所有的业务流量都被封装到统一的SDH帧中，而在骨干网的大颗粒SDH管道中，由不同虚拟支路（VT）来封装不同类型的业务，ATM业务以信元方式承载，而STM业务仍以帧方式承载。混合ATM的统计复用优势，并且ATM具有灵活配置网络带宽和可承载多种业务的能力，因此早在20世纪90年代初期业界就已选定它作为未来宽带数据通信网络的核心技术。目前，业已建成的ATM综合多业务网络基本上都是基于混合结构的。

　　3 网络核心：IP over What

　　然而，互联网的出现迫使人们重新评估这种堆叠的组网方式。这是因为，如果继续沿用混合ATM和SDH的叠加方式，IP将放置在ATM之上。毫无疑问，这将继续增加网络的层次，同时也将使网络的业务预测、带宽配置及运行管理变得更为复杂。当核心网络中承担的主要业务流量急剧的向IP收敛时，这种复杂的程度将变得尤为突出。需要认真考虑的问题是，为此所付出的代价果真能提高业务效率吗？

　　大多数老牌运营商已接受ATM作为其多种业务的承载平台。ATM的虚电路有能力传送多种业务流量，如DDN、帧中继。同样，在IP路由器之间也可以建立类似的连接，并可有效地传递互联网业务，同时，这些连接的特性也可由ATM的QOS保证机制进行控制，并以此来优化共享的SDH带宽资源。但是，随着IP业务在核心网络中所占比重的不断增加，情况就有所不同了。

　　ATM的优势很大程度体现在它的跨越多个交换机的虚电路和良好的统计复用功能以及对业务流的QOS管理机制上。但是将IP包通过ATM信元封装后映射到SDH管道的做法将导致大约10％-50％的额外开销。当核心路由器间的业务流量不大时（如STM-4以下），这种所谓的信元税开销尚可容忍，如果干线流量达到STM-16c或更高时，IP/ATM/SDH混合结构将产生以下问题：（1）ATM的优势在大颗粒SDH管道中已变得毫无意义，因为此时单个虚电路上的流量已相当于一个波长通道的容量；（2）由于增加中间的ATM层而导致的带宽利用效率下降的问题已不容忽视；（3）ATM交换机似乎已不能跟上路由器链路带宽的快速增长步伐。

　　上述问题的存在要求运营商必须重新考虑其核心IP网络的组网方案。我们看到，当核心网络中的干线流量超过STM-16c时，ATM虚电路已不再适应业务的需求。因而，合理的方案是设法移去混合结构中的ATM层。最简单的办法是将网络边缘已适配的IP业务流量通过HDLC链路层协议以PPP方式映射到SDH帧中，在核心路由器间按相应的线速传送业务。这种将IP直接放置在SDH上的方式可望将网络层次间因为协议封装所造成的额外开销至5％左右。在网络边缘，ATM的高效交换优势依然存在，这是因为对于低速分组业务的适配，ATM固的灵活性可满足各类用户的需求。

　　结合当前的实际情况，一种可能的方案是，将ATM从IP核心网络中移到网络边缘，利用其高效交换功能作为能适应多种接入手段的业务汇聚层设施；在网络中心，采用高端线速路由器构建高容量的IP over SDH核心网络。位于业务网络边缘的ATM交换机将只作为POP点的业务汇聚点，并且，这种结构也不意味着ATM将over 在IP之上。

　　在上述方案中，原先部署在核心网络中的ATM交换机已转移到网络边缘，在那里，它将来自不同用户的低速业务流汇聚到一个与核心路由器相连的高速率POS管道中传送到骨干网络。同时，原先用于交换机之间互连的虚电路也将拆除，因为，ATM不再作为一个多业务承载平台。相反，它已退化为单一的IP业务网络的汇接手段。

　　这种IPoA+PoS的组网方案看上去有些另类。一方面它违背了将ATM作为综合多业务平台的构想；另一方面，它也不符合纯IP网络的组网原则，但是对于已在ATM和SDH上投入了大量资金的运营商而言，这种方案有利于快速提供业务。从另一个角度看，业务的迅速膨胀导致网络所折旧周期迅速缩短，因而，上述方案在缩短建设财期，减少建设成本上极具竞争力。

　　业界在IP over What的问题上已困扰了很多。运营商们纷纷采用不同的网络结构来组建他们的IP业务网络。这种现象表明，不同的场合应有不同的组网方案，这需要综合考虑相应的网络环境。ATM曾经被认为是未来融合话音和数据的宽带通信技术 ，但随着互联网的应用的飞速发展，人们又把希望寄托在IP上，长久以来，研究者们一直在争论这个问题：IP和ATM，谁是未来的主流技术 ？但是对运营商而言，他们的目的明确，那就是快速提供服务、赚更多的钱。从这个角度看，技术 的抉择很大程度上取决于运营商的业务观念。用户的需要是第一位的，因为他们不会关心运营商用什么样的技术来构建网络。网络建设的原则要兼顾总体成本效益，即要保护现有投资，又要能快速收回成本，至于用什么技术来承载单一的业务并不重要。因此，无论选用哪种技术 ，已建成的SDH传送网都将作为底层的基础传输平台在运营商的各种业务网络中承担起主要的角色，直到它完全被另一种更好的技术所取代。

　　4 未来：光传输系统的演进是构建核心网络的关键

　　我们目前的策略是在SDH上直接构建STM-16c POS核心网络，但随着业务的持续增长，核心网络中的宽带可能很快就会耗尽。另一方面，在现有SDH设施上实现STM-64c的骨干传输速率可能会变得非常困难，因为这几乎已达到当前电子器件的处理极限。总体情况表明，传输系统的容量将成为限制高速IP网络发展的瓶颈。因此，传输系统的演进将是构建未来核心网络的关键。

　　当前，密集波分复用技术正趋于成熟，新一代G.655光纤也逐渐被广泛采用。世界各国主要的运营商已开始改造他们的传送网，通过敷设新的光纤线路和部署DWDM基础设施使之具备更高的容量来适应未来融合业务的需求。与此同时，新兴运营商则倾向于直接采用最新的技术来构建传送网，以使自己处于有利的竞争地位，总的发展趋势表明，运营商骨干基础网络正在经历一场革命。最终，网络的传输能力将远远超过现有的水平。

　　然而，短时期内带宽的价格并不会因为新技术的应用而大幅下降，之所以如此有以下因为新技术制约。其一，许多已投入运营的长途光缆因为光纤性能参数和纤芯数量的限制而不能部署DWDM设施，重新敷设光缆将是一个耗时和昂贵的过程；其二，目前已商用的DWDM基础设施在点到点传输系统中应用得非常好，但是设计一个具有波长透明转换和传输功能的DWDM自愈环网却存在技术 上和光学器件上的困难，这将使得传送网的运行管理，监测及自愈保护必须依赖于放置在DWDM之上的SDH设施；其三，大多数WDM设备厂家只能提供STM-16速率的3R（Regeneration、Reshaping、Retiming）光转换单元（OTU），对于更高速率的接口器件则无能为力；最后，即使所有问题都得到解决，现有的SDH网络也不可能立刻就被替换，网络的演进是一个渐进的过程。

　　与传送网的演进过程相应，设备制造厂家开始竞想推出能适应多种传输平台的IP核心网络设施，并且，更新设备的研发工作还在进行中，在这些高度集成的设施中包含了能够直接处理ATM信元、STM帧的模块单元，这将使得网络的业务接口看上去像是直接建立在传输光纤之上。因此，从某种意义上可以认为，光传送技术 的演进将促进各种技术 从孤立走向融合。随着光传输技术的进一步完善，曾经表征网络智能的ATM、SDH将逐步融入到传输平台的光信号处理层面上，由此产生的智能全光交换系统将奠定未来光互联网的基础。

摘自《中国数据通信》2001.03