IP over SDH和IP over ATM技術(shù)對比
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近年來(lái)，隨著(zhù)Internet的呈指數性增長(cháng)，對廣域網(wǎng)（WAN）的帶寬提出了更高的要求。因特網(wǎng)服務(wù)提供商（ISP）正在積極探索各種技術(shù)以更好地連接其骨干路由器。常用方法是采用異步轉移模式（ATM）技術(shù)，使用155M(STM-1)直至622M(STM-4)的高速鏈路。從而產(chǎn)生了諸多IP over ATM技術(shù)，如LANE,CIPOA,MPOA等。
但是，由于運營(yíng)商底層的網(wǎng)絡(luò )結構為基于光纖連接的同步數字體系（SDH）（北美為同步光纖網(wǎng)絡(luò )SONET），這使得ISP更傾向于IP over SDH技術(shù)，以提高帶寬的效率，而不是常規的IP over ATM技術(shù)。這兩種方案在業(yè)界引起了強烈的爭論。
2 SDH/SONET概要
SDH為物理層技術(shù)，用來(lái)傳輸和復用，傳輸速率可高達10Gbps，是國際電聯(lián)（ITU）標準。而SONET是美國標準委員會(huì )（ANSI）的標準，兩者只是在復用機制上有所不同，而其余技術(shù)均相似，因此，本文就以IP over SDH為例，以下簡(jiǎn)要介紹SDH。
2.1 SDH網(wǎng)絡(luò )元素
SDH的網(wǎng)絡(luò )元素主要有同步光纖線(xiàn)路系統、終端復
2.2 SDH幀結構
SDH每秒傳送8K SDH幀（STM-N），STM-N幀是以STM-1為基礎的幀結構。盡管SDH提供同步幀結構，但它并不強制用戶(hù)凈荷位于SDH幀中的特定位置，相反，它允許用戶(hù)凈荷在幀內浮動(dòng)，使用開(kāi)銷(xiāo)域中的指針指出用戶(hù)凈荷的開(kāi)始位置。在用戶(hù)看來(lái)，SDH是提供字節同步的物理層介質(zhì)。
3 ATM概述
ATM是以信元（CELL）為基本單位進(jìn)行交換和復用的面向連接的傳輸機制，定長(cháng)的53字節的ATM信元便于實(shí)現基于硬件的交換。ATM使用VCC或VPC連接，使用信元頭中的VPI/VCI標識每一連接。
ATM不但是數據鏈路層技術(shù)，還具有完整的網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層的各種特性，例如尋址、路由以及流控，ATM允許多個(gè)用戶(hù)數據流共享有效的鏈路帶寬，但每一連接必須預先設定QoS。話(huà)音、數據、圖像和視頻流等都可以應用在A(yíng)TM上，但對于不同的應用流需要不同的ATM適配層（AAL）來(lái)映射相應的用戶(hù)數據到ATM信元。
ATM可以運行在不同的物理介質(zhì)上，ATM層產(chǎn)生信元然后交給物理層并由其完成從物理介質(zhì)上發(fā)送和接受相應的信號。SDH/SONET是ATM的物理層之一，由于SDH幀中的凈荷不是53字節的信元的整數倍，ATM信元只能直接連續地發(fā)送到SDH幀中的凈荷中。在接受時(shí)，ATM信元頭中的信元頭差錯檢測（HEC）域用來(lái)描述從SDH凈荷中來(lái)的ATM信元的正確性。
4 IP over ATM
IETF已決定用IP互連導構網(wǎng)絡(luò )，把各種異構網(wǎng)絡(luò )互連成一個(gè)單一的巨大的IP網(wǎng)。單個(gè)的網(wǎng)絡(luò )通常采用不同的物理鏈路和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，但假如IP運行在各種網(wǎng)絡(luò )層之上，網(wǎng)絡(luò )與網(wǎng)絡(luò )之間將實(shí)現無(wú)縫互連。目前IP已經(jīng)運行在多種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)之上，包括廣播的LAN技術(shù)，如Ethernet，電路交換WAN技術(shù)，如X.25，以及分組交換WAN技術(shù)，如交換式多兆位數據服務(wù)SMDS。
IETF于1990年開(kāi)始定義IP over ATM，ATM論壇了著(zhù)手開(kāi)始在A(yíng)TM上運行不同的第二層和第三層協(xié)議，特別是在LAN方面。
4.1 classic IP over ATM(CIPOA)
ＣＩＰＯＡ的目的是把ATM作為IP的低層數據鏈路層，而應用層還是基于傳統的IP。最初在傳統IP網(wǎng)中實(shí)現ATM只是用ATM替代了LAN線(xiàn)，正因如此，ATM網(wǎng)絡(luò )需要分割成不同的邏輯子網(wǎng)（LIS）,LIS之間通訊需要路由器。在A(yíng)TM網(wǎng)中沒(méi)有廣播功能，因此，傳統的廣播地址解析協(xié)議（ARP）被基于客戶(hù)/服務(wù)器模式的ATM ARP協(xié)議所取代。
一個(gè)缺省的邏輯鏈路/子網(wǎng)接入協(xié)議（LIC/SNAP）封裝8字節段，用來(lái)在A(yíng)TM上傳送IP和ATM ARP包，這些包用AAL5封裝適配后直接映射到ATM信元中，這些信元用虛連接（預定的PVC或交換式的SVC）傳送。對于SVC的呼叫建立，需要ATM論壇的UNI3.1/4.0或ITU-T的Q.2931信令。
4.2 LANE局域網(wǎng)仿真
LANE是ATM論壇推出的用來(lái)在A(yíng)TM網(wǎng)上仿真Eerthnet/802.3和Token Ring/802.45。利用局域網(wǎng)仿真，現有的LAN應用能在A(yíng)TM網(wǎng)上進(jìn)行通信，就像在傳統的用MAC地址進(jìn)行尋址的LAN上一樣，可提供組播和廣播數據傳送。LANE運行在MAC層，任何第三層協(xié)議可在其上運行，相反，CIPOA只能運行IP協(xié)議。
一個(gè)仿真LAN（ELAN）由一組局域網(wǎng)仿真服務(wù)器（LES）、廣播和未知服務(wù)器（BUS）以及局域網(wǎng)仿真配置服務(wù)器（LECS）組成。一個(gè)仿真LAN是一個(gè)LAN網(wǎng)段，其與其余的LAN網(wǎng)段互通則需要橋或路由器。為傳送LAN的控制和數據報，在A(yíng)TM上用2字節的封裝組，新的修訂版LANE允許使用LLC/SNAP封裝，LANE的封包用AAL5適配后封裝成ATM信元，由SVC承載。
4.3 MPOA
MPOA是ATM論壇的另一個(gè)協(xié)議，克服了CIPOA和LANE的主要缺點(diǎn)之一，就是不同子網(wǎng)之間通信中間路由器，中間路由器需要把信元組裝成第三層的包，進(jìn)行路由選擇后再把包分段封裝成ATM信元進(jìn)行轉發(fā)，MPOA允許不同的子網(wǎng)用戶(hù)之間直接建立一條較短的VCC連接，而不需要中間的重組和分段，在同一子網(wǎng)內，MPOA和LANE相同。
MPOA包括MPOA客戶(hù)機和MPOA服務(wù)器。MPOA客戶(hù)機可以是ATM主機或
4.4 協(xié)議棧
CIPOA、LANE、MPOA作為ATM上的通用協(xié)議層（PLOA）來(lái)執行，包括用于LLC/SNAP封裝的邏輯鏈路控制（LLC）模塊和接口信令和ATM適配層和主機呼叫控制（HCC）模塊，以用來(lái)VCC的建立和數據傳輸。協(xié)議棧用來(lái)描述表示前面提到的不同的IP over ATM的技術(shù)。
4.5 MPLS多協(xié)議標簽交換
IETF定義的MPLS為ATM和IP的集成模型，而不是傳統的重疊模型。在MPLS中，每一路由器即為交換機，在傳統的第三層的報頭前加上固定長(cháng)度標簽（Label），通過(guò)這些標簽，在每個(gè)MPLS路由器中建立一個(gè)類(lèi)似于傳統路由表的標簽路由表。在轉發(fā)數據報時(shí)，查找這些固定長(cháng)度的標簽路由表以達到快速轉發(fā)數據報，而傳統的路由表查找采用的是最長(cháng)前綴匹配法。MPLS使用專(zhuān)用的標簽分配協(xié)議（LDP），此協(xié)議用來(lái)建立傳統的路由表和標簽路由間的對應關(guān)系，從而在MPLS路由器之間建立一條基于標簽的數據報轉發(fā)的快捷路徑。MPLS也可以使用開(kāi)放最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF）建立快捷路徑而不采用LDP協(xié)議。
MPLS目前只支持IPv4，但其的適用范圍不局限于A(yíng)TM，其目標是任何數據鏈路層技術(shù)，只要其支持識別快捷路徑的固定長(cháng)度的標簽，如以太網(wǎng)等。
5 IP over SDH
由于SDH環(huán)提供路由之間的點(diǎn)對點(diǎn)連接，因此IP包必須映射到點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路上，最常用的技術(shù)是采用IETF的點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議（PPP）封裝。IP over SDH也被稱(chēng)為Packet over SDH（POS）技術(shù)。
5.1 PPP
PPP是點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路層技術(shù)，主要提供以下功能：在同一鏈路上封裝和傳輸不同的網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議數據報，建立、配置和測試鏈路層連接，建立和配置網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議。PPP指定了封裝機制和鏈路控制協(xié)議（LCP），另外，PPP還需要認證、鏈路質(zhì)量監視，以及網(wǎng)絡(luò )控制協(xié)議（NCP）。
PPP采用類(lèi)HDLC的成幀機制，可以運行在各種物理接口之上，如RS232、RS422和V.35等。
5.2 PPP over SDH
PPP把SDH視為字節同步鏈路，PPP幀作為字節流映射到SDH的凈荷中，在類(lèi)HDLC的幀中使用相應標志來(lái)識別在SDH凈荷中的PPP幀。
5.3 協(xié)議棧
5.4 POS骨干技術(shù)
骨干網(wǎng)中采用IP over SDH，CPE設備直接連接接入服務(wù)器，接入服務(wù)器再與骨干路由器相連，骨干路由器連接SDH雙環(huán)以構成骨干網(wǎng)。
6 IP over ATM和IP over SDH技術(shù)比較
IP over SDH和IP over ATM作為兩種主要的技術(shù)，主要有以下不同：
6.1 協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)
ISP啟用IP over SDH的最大原因是ATM信元頭的開(kāi)銷(xiāo)（信元稅）太大（5/53），附加的開(kāi)銷(xiāo)還有AAL5（填充、8字節的尾）和LLC/SNAP封裝（8字節）。對于IP over ATM，假設物理層使用SDH的STM-1鏈路，IP包大小為576字節。
對于IP over PPP over SDH，也是STM-1鏈路，IP包大小為576字節。
以上比較顯示，運行在A(yíng)TM之上的IP只利用線(xiàn)路速率的近80％，而運行在PPP over SDH的IP卻為95％，對于廣域網(wǎng)主干路由器來(lái)講，IP over SDH額外的容量將顯得十分誘人，因為在廣域骨干網(wǎng)，帶寬比較昂貴，而不像在局域網(wǎng)或園區網(wǎng)中帶寬相對比較廉價(jià)。
6.2 帶寬管理
ATM具有管理分配給每個(gè)信息流（VCC）的全套帶寬管理功能，它根據所要求的QoS分配相應的帶寬給這些VCC。因為信元交換的特性，ATM允許多信息流共享鏈路，并且保證一定的帶寬給每一信息流以滿(mǎn)足其QoS。
PPP并不提供任何的帶寬管理功能，它只是簡(jiǎn)單地提供點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路，IP必須調度其分組轉發(fā)功能，以確保每一信息流獲得公平的鏈路帶寬份額。這在低速的鏈路上將會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題，當傳輸低優(yōu)先級的大包時(shí)將阻塞其余的高優(yōu)先級的包，比如說(shuō)傳輸一個(gè)低優(yōu)先級的文件送包將阻塞對時(shí)延敏感的話(huà)音包的傳送。對于對時(shí)延第三的實(shí)時(shí)應用，在帶寬受限的鏈路上，這種時(shí)延的變化將抵消IP over SDH帶來(lái)的帶寬效率的優(yōu)勢。
6.3 服務(wù)質(zhì)量QoS
服務(wù)質(zhì)量有關(guān)的參數有端到端的時(shí)延，時(shí)延抖動(dòng)、丟棄率和吞吐量。ATM提供了豐富的QoS參數，可以對每個(gè)VCC提供協(xié)商。智能的排隊和調度機制使得協(xié)商后的QoS參數得到保證。ATM提供不同的服務(wù)類(lèi)型以與不同要求的就用相協(xié)調，比如QoS要求高的應用可用CBR、VBR業(yè)務(wù)，而對QoS要求相對低的應用，可以采用ABR和UBR業(yè)務(wù)，這些ATM的屬性使得可以容易地在IP級提供QoS，具有一定的QoS的信息流可以映射到具有相應QoS的VCC，例如話(huà)音流映射到CBR或VBR連接，而文件傳輸可以映射ABR連接。
PPP運行在單一的點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路上，且不提供任何的QoS能力，IP層必須管理其包傳送以確保相應的信息流的服務(wù)質(zhì)量。
盡管ATM提供了豐富的QoS參數，但基于QoS的服務(wù)僅限于連接的路由器之間的ATM鏈路上。為提供端到端的QoS IP，路由器必須提供智能的排隊和調度機制。因此，當IP網(wǎng)疊加于A(yíng)TM網(wǎng)之上時(shí)，雖然實(shí)際的通信發(fā)生在A(yíng)TM網(wǎng)上的交換機之間，但對于路由器而言，都是把ATM連接視為類(lèi)似與PPP的點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路。
6.4 尋址和路由
ATM被定義為完整的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，具有端系統尋址和路由連接的巨大功能，ATM網(wǎng)絡(luò )可以跨越地理區域，不管路由器的位置如何，可以為它們提供廣泛的連接機制。相反，PPP運行只在直連的點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路上，沒(méi)有尋址和路由能力。
當運行IP over ATM時(shí)，需要把IP地址翻譯在相應的ATM地址，才能實(shí)現路由，這增加了協(xié)議的復雜性，而地址翻譯所需的流量又額外地增加了網(wǎng)絡(luò )的開(kāi)銷(xiāo)。而PPP不需要進(jìn)行地址轉換，也就沒(méi)有額外的開(kāi)銷(xiāo)。
6.5 網(wǎng)絡(luò )可擴展性
在骨干路由器網(wǎng)中，大多數路由器之間需要通信，這就意味著(zhù)需要網(wǎng)狀連接，不管是PPP還是ATM SVC。
在IP over SDH的骨干網(wǎng)中，骨干路由器必須提供點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路，為防止鏈路故障，甚至必須建立多條鏈路，在某些場(chǎng)合中，為了減少路由器的跳數，骨干路由器間的鏈路必須配置為全網(wǎng)狀結構。全網(wǎng)狀網(wǎng)所需鏈路為N*(N-1)/2，也就是所謂的N2增加。一個(gè)全網(wǎng)狀網(wǎng)不但價(jià)格昂貴，而且不利擴展，因為廣域范圍內的SDH鏈路有限。
而在IP over ATM中，由于使用SVC，ATM可以提供任何路由器間連接而不需要全網(wǎng)狀網(wǎng)，甚至ATM鏈路故障時(shí)，動(dòng)態(tài)的SVC路由可以找到迂回路由以保證任何兩個(gè)路由器的連接。另一優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)一個(gè)ATM接口可以實(shí)現與多個(gè)路由器互連，從而可以實(shí)現更加靈活的網(wǎng)絡(luò )工程，具有較強的擴展性，其可以在不同的鏈路上路由SVC，并且可以利用同一ATM鏈路把一臺路由器連接到不同的多個(gè)信宿，以解決N2問(wèn)題。
6.6 流量控制
ATM使用連接接納控制（CAC），流量整形以及用法參數控制（UPC）或策略來(lái)確保信息流遵守流量合同，超過(guò)部分將被打上標記，在網(wǎng)絡(luò )過(guò)載時(shí)將被丟棄，通過(guò)帶標記的包或丟棄的包，終端用戶(hù)將得到擁塞信息。ATM信元級的丟棄和TCP包的丟棄的互操作性很差，為消除這一現象，業(yè)界已推出多種技術(shù)如部分包丟棄（PPD）、早期包丟棄（EPD）等，以使ATM識別包（AAL幀）邊界，以便在網(wǎng)絡(luò )過(guò)載時(shí)丟棄整個(gè)包而不是ATM信元。
ATM論壇又定義了ABR業(yè)務(wù)，它提供顯式的反饋流控，用允許速率來(lái)指示用戶(hù)可以向網(wǎng)絡(luò )發(fā)送的速率，這個(gè)速率將隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )負荷的改變而改變，允許用戶(hù)接入有效的帶寬而不致于網(wǎng)絡(luò )過(guò)載。在理想狀態(tài)，ABR業(yè)務(wù)將消除信元丟棄率，而把網(wǎng)絡(luò )擁塞條件推出ATM網(wǎng)絡(luò )邊緣，這同時(shí)要求路由器能緩存更多的包以適應ATM網(wǎng)所允許的接入速率的變化。
PPP不提供任何的流控機制，只有TCP的流控直接運行在PPP鏈路上，前面已提到，不論是采用ATM或直接使用SDH，路由器都把它視為兩點(diǎn)之間的一定帶寬的管道，必須采用相應的緩沖機制來(lái)確保合理的吞吐量。
6.7 多協(xié)議封裝
ATM提供兩個(gè)機制以便使多協(xié)議共享同一ATM鏈路。一個(gè)VCC復用，分配每一個(gè)協(xié)議以一個(gè)單獨的VCC，ATM層復用和解復用VCC，用戶(hù)不需要添加任何的其他的封裝頭以區分不同的協(xié)議。另一個(gè)機制是LLC復用，允許多個(gè)協(xié)議復用同一VCC，它添加8字節的封裝頭到每一個(gè)封包以標識其屬于哪個(gè)協(xié)議，這種復用技術(shù)可用
PPP采用類(lèi)似于A(yíng)TM LLC復用的多協(xié)議封裝格式，其使用2字節的協(xié)議標識域作為其封裝頭。對大多數應有 和而言，PPP和ATM的多協(xié)議封裝能力是相同的。
6.8 容錯性
ATM具有從錯誤鏈路中恢復并倒換到備份路由的功能，其使用動(dòng)態(tài)路由協(xié)議PNNI信令，PNNI具有連接建立初始化時(shí)的重路由能力及當網(wǎng)絡(luò )故障時(shí)對已建立的連接的重路由能力，在A(yíng)TM層提供錯誤恢復功能。
PPP不提供任何容錯能力，因為其運行在單一的鏈路上，但其下層的SDH具有自動(dòng)保護倒換功能，當主用環(huán)故障是可倒換到備用環(huán)。當ATM的下層采用SDH時(shí)，其也具有此能力。
7 應用前景
從本質(zhì)上看，采用IP over SDH，路由器間采用快速的點(diǎn)到點(diǎn)的鏈路進(jìn)行連接，而采用IP over SDH，路由器通過(guò)有多采鏈路連接的網(wǎng)絡(luò )相連，這些鏈路承載著(zhù)多路復用的連接，每個(gè)連接都與靈活的帶寬和協(xié)商的服務(wù)質(zhì)量相關(guān)，這兩種技術(shù)之間的主要區別是速度與靈活性的對比，在某一特定場(chǎng)合，某一因素將起決定性作用。
7.1 ISP骨干
ISP骨干網(wǎng)典型的需求是骨干路由器之間的告訴互連以最大化包吞吐量，基于此原因， ISP及其用戶(hù)比較傾向于采用IP over SDH來(lái)互連路由器。但由于IP over SDH缺乏有效的帶寬管理、服務(wù)質(zhì)量以及靈活的網(wǎng)絡(luò )工程，這種熱情在漸漸消退。另外，IP over SDH提供的快速的包傳輸能力可能超出大多數路由器的處理能力。但IP over SDH在帶寬有限同時(shí)對QoS要求不嚴的廣域網(wǎng)應用還是有很多優(yōu)勢。
7.2 業(yè)內部網(wǎng)
跨地區企業(yè)網(wǎng)正面臨與ISP骨干網(wǎng)相同的問(wèn)題，IP over SDH從成本角度看具有很多優(yōu)勢，但這些優(yōu)勢必須與取得相應的設備和服務(wù)所需代價(jià)相權衡。運營(yíng)商將出售比SDH鏈路便宜的多的ATM鏈路，因為ATM具有靈活的帶寬管理功能，另外，ATM允許多協(xié)議應用包括IP應用和非IP應用共享廣域范圍內的帶寬。
7.3 校園網(wǎng)
校園網(wǎng)不太采用SDH，因為有比SDH更廉價(jià)的物理接口，如多模光纖、屏蔽雙絞線(xiàn)STP以及非屏蔽五類(lèi)雙絞線(xiàn)UTP等，即使采用SDH，由于帶寬非常寬裕，IP over SDH帶來(lái)可帶寬的高效性?xún)?yōu)勢將不比IP over ATM的靈活性明顯。
7.4 運營(yíng)商網(wǎng)絡(luò )
運營(yíng)商已基本采用SDH作為其網(wǎng)絡(luò )基礎，運營(yíng)商將采用ATM over ATM以提供靈活的帶寬管理以對其付費用戶(hù)保證服務(wù)質(zhì)量。與IP直接運行在SDH上相比，運營(yíng)商更容易提供IP over ATM。
8 結論
今天的網(wǎng)絡(luò )工業(yè)界有兩種明顯的趨勢：一種是受internet的驅動(dòng)，IP迅速成為網(wǎng)絡(luò )層技術(shù)，有機會(huì )建立一個(gè)基于包的網(wǎng)絡(luò )，另一個(gè)則是SDH已被運營(yíng)商廣泛地采用，成為物理網(wǎng)絡(luò )基礎結構，路由器可以基于此在廣域范圍內互連。
在IP和SDH之間可以采用ATM或PPP，哪種傳輸技術(shù)作為主流目前還不明朗，但速度和靈活性將是選擇ATM或POS技術(shù)的決定因素。在速度是首要指標的應用中，IP over SDH更具有吸引力，而需靈活的帶寬管理、QoS和網(wǎng)絡(luò )工程的場(chǎng)合，IP over ATM是最好的解決方案。
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