IP OVER WDM

wangwenfan

   IP OVER WDM(也叫光因特网，或IP优化光互联)，是指直接在光网上运行的因特网。在这种新一代网络中，高性能路由器通过光分插复用器(OADM)或光交叉连接器(OXC)直接接入WDM网络中，实现IP数据包直接在多波长光路上的传输。本论文将主要讲述IP OVER WDM的基本原理，主要特点与发展现状及前景展望。
   1.1 IP的承载技术
     近几年来，全球向信息化社会迈进的步伐明显加快，电信网、计算机网、有限电视网的业务员与市场开始融合。在其网络融合过程中，IP将扮演十分重要的角色，随着IP业务量的日益膨胀，IP需要更高的带宽、更有效的新传输技术来支持其发展。
    根据网络分层模型结构，物理层的作用是负责在通信信道中传送光或电信号；数据链路层负责把物理层提供的信号转换成网络层所需要的信号；网路层则从这些信号中提取分组，进行路由转换，传向目的地。关于未来高速信息网络的模型，目前一致的看法是：物理层采用光纤作为传输介质，并采用WDM技术，尤其是在骨干网上尤其如此；在网络层不光是传统的数据业务，还是话音，视频业务都可以归结到IP数据包的格式进行传输。因此问题的焦点是数据链路层采用何种技术，即如何实现IP层与WDM光网络层的融合。根据光互联网论坛(OIF)确定的光互联网多协议参考模型（如图1.1所示），目前IP传送的承载方式主要有IP OVER ATM、IP OVER SDH、IP OVER WDM以及以太网承载。
                    图1。1
    和传统的话音业务量相比，ip有三个明显的业务量特征：自相似性、收发数据的不对称性和服务器的拥塞。因而要根据其业务进行设计。在IP局域网中，千兆以太网（GBE）是一种非常重要的技术。他是在10M/100M以太网的基础上发展起来的，因此和传统的以太网有相同的帧格式、流量控制等机制，千兆比以太网能实现与原有以太网的无缝连接和平滑升级。由于全世界80％以上的局域网都采用以太网或快速以太网技术，再加上千兆比以太网设备成本相对低廉，技术简单高效，很快成为高速局域网的首选技术。
    在广域网上，传统的IP传送方案依靠ATM与SDH完成骨干网络的交换与传输，及IP OVER ATM和IP OVER  SDH 技术。这两种方式虽然有着自身的优势，但同时也存在一定缺陷，尤其是他们不是为传送IP业务而设计的，当承载IP流量时性能不时最佳，主要存在以下缺点：
   (1)组网和维护成本高；需要同时组建IP,ATM，SDH,甚至WDM网络，其中尤其是ATM和SDH的设备与端口特别昂贵，组网和维护成本高
   (2)网络功能重叠;个层之间存在着功能重叠，如IP层的路由功能和ATM的交换选路功能；SDH与WDM层的传输质量监控和保护倒换等。功能重叠不仅意味着设备功能与成本的浪费，还带来了网络互通与综合管理的困难。
   (3)带宽利用率较低：ATM承载IP数据报时由于AA15适配和信头开销，带来了20％以上的带宽损失，而SDH是一种时分复用技术，每一通道所占的带宽是固定的，而数据网络业务具有很大的突发性，两者并不匹配，带宽浪费在所难免。
  1.2  面向IP的WDM光网络
   IP OVER WDM技术，其内涵是指以光纤为传输媒体，以WDM为传输技术，以IP为网络通信协议，并在此基础上承载各种业务。从广义上讲，它是使用了WDM传输技术的IP网，即IP数据包在WDM系统网络上来进行传输和交换。从狭义上看，只有IP设备(路由器)与WDM组成的网络。指采用新型帧格式将IP包直接封装到WDM光层上的一种IP传送方式，它完全不采用SDH,ATM等设备。
   从发展看，IP OVER WDM 光互联网由高性能WDM设备和吉比特、太比特路由交换机组成，是综合利用IP技术和基于WDM的光网络技术各自特长的一种优化网络。它的上层是数据网络。底层是采用WDM技术的物理传输网络。网络层综合现有和未来的所有业务，通过适当的数据链路层格式把IP包直接映射到光层，用高速新型的路由器作为网络核心建成一个能够体现先进性、开放性，创新性和可持续发展性的宽带综合信息网络。其特点是：让IP数据包直接在光路上传送，减少网络层之间的冗余部分。由于节省了中间的ATM层和SDH层，其传输速率最高，节省了网络运营商的成本，同时也节省了用户获得多媒体通信业务的费用，是一种最直接，最经济的IP网络体系结构，非常适合超大型IP骨干网。
   IP OVER WDM光互联网的分层模型如图1.2所示。它包括数据网络层，光网络层以及层间适配和管理功能。数据网络层提供数据的处理与传送；光网络层负责提供通道；层间适配和管理功能用于适配数据网络和光网络，使数据网络和光网络相互独立。数据网络层的组成设备主要是(ATM交换机，路由器等)，而光网络层的组成设备主要是WDM终端，光放大器以及光纤等。
                    图1.2

1.3 IP OVER WDM技术中的关键问题
   虽然采用IP OVER WDM光互联网技术有诸多优点，而且是网络的一个必然发展方向，但是在目前的技术条件下，IP over WDM 系统及其网络技术本身还不是十分成熟，大规模采用IP OVER WDM光互联网技术还需要考虑很多技术问题。
   1.3.1 IP OVER WDM的网络设计
      设计基于IP的光网络相对于传统的传输网是完全不同的。并不是简单的结合，光因特网网络设计中有几个特有的问题：
     。如何采用网络波长分配以实现光网络容量的优化和网络的灵活性；
     。与异步分组业务和波长重用有关的拓扑和机构问题；
     。如何进行保护、重构以及拥塞控制设计，实现业务质量(QOS)保证和业务恢复；
     。有波长转换和无波长转换对网络容量和结构的影响；
     。多光纤DWDM网络在拓扑和结构上对网络生存性的影响；
     。信道串话和噪声积累对传输系统的限制和质量恶化；
     。如何利用光技术实现多协议标签交换(MPLS)并进行头处理；
     。如何在光因特网中实现广播、多播或任意播送功能等；
     。光网络的管理问题与设备兼容性问题；
    1.3.2 IP数据层与WDM光网络层的帧适配
       1.帧格式的选择
        IP OVER WDM光互联网包括数据网络层、光网络层以及这两层之间适配和管理功能。从长远看，IP OVER WDM，IP OVER SDH都将最终发展成为IP OVER WDM/OPTICAL,因此对于以后的长期应用来说，为了实现在光纤上直接传输IP数据，最关键的问题之一是需要设计出一种合理的帧格式（物理层接口），即规范出一种新的最佳的IP对光路的适配接口，但是在目前要考虑道多种因素，主要使用以下两种帧格式来实现两种不同的技术路线：SDH帧格式(或简化)和千兆比以太网帧结构。即IP/SDH/WDM和IP/ETHERNET/WDM。下面分别讨论：

         (1)基于SDH帧的分析
          由于在SDH/SONET帧的开销内已装有网管信息，因而实现传输性能监视、故障管理、网络保护与恢复等优势明显，这一点对于长途WDM来说是很重要的，特别是当线路种有多个电中继器，光放大器时，它可以快速诊断出故障点，反映系统与网络性能。同时易于实现IP组播，兼容不同技术体系，实现网间互联。由于长途WDM系统每600KM左右需进行一次电再生，而目前广域网上已装配了大量的SDH设备，因此该种帧格式易于兼容，并可充分利用现有的网络资源，节省投资。
         同时采用SDH帧结构也具有其局限性：
         。在传送数据业务时有很多不必要的开销，造成带宽浪费；
         。SDH帧是基于8KHZ语音同步定时采样设计的，其块状帧结构与IP数据包帧格式不同，导致在路由器的SDH线路卡中要装备份拆重组(SAR,Segmentation Assembly and Reassembly)电路，处理耗时。
         。尚不适合多业务平台，传输非对称业务流并非最佳；
         。电路相对复杂，设备成本高，效率低；
         由于IP网时统计复用的，在对以IP数据业务为主的网络进行优化设计时，从原理上该网络不需要SDH层，但必须要解决传输的分帧、性能监测和自愈恢复等问题。
         (2)基于千兆以太网帧格式的分析
         千兆以太网帧格式与IP数据包相似，而且千兆以太网使用与传统以太网同样的底层协议，所以它很容易纳入道现有的LAN之中，而不需要把数据重新映射道其它传输协议，因此能够实现广域网、城域网和局域网的无缝连接。另外只要在IP层采用比较合理的分帧技术，就可以在封装时免去SAR操作，从而可以简化设备，降低成本。此外，大多数计算机局域网都使用这样的帧，其抖动与定时较好，且采用GBE帧格式后，这种系统不使用电再生器，因为节点的路由交换机可以同时起电再生器的作用。
       采用GBE帧结构的局限性为：
       。GBE帧采用8B/10B码型，效率损失20％，当带宽越大时，这种浪费越是严重；
       。第二层没有误码监视和故障定位等功能；
       。对于大规模网的保护恢复时间过长；
       。与现有电信网的互联互通困难；
       实际上，以上两类帧格式或物理接口都只是一段时间内的过渡方案，各有优劣，最终将采用一种适合于IP对光路的帧结构，同时也要充分考虑到对现有网络的影响。
      2.形成光通路开销的数字包封技术
      光联网有两各基本要点：一个就是在光层上进行传送组网，如图1.3所示。在光信道(OCH)层上作OCH的路由和交换，而不再只是简单的点到点WDM系统；另一个就是管理频(率)隙，而不再是管理时隙。这里，一个频隙就时一个光信道。为了以光信道组网，就需要具有管理频隙的能力，正像在现有的网络中管理时隙一样，为了支持各种光联网的应用，必然要设置光信道开销(OCH-OH),以实现必要的操作、管理、维护功能。
                                 图1.3
     数字包封器是指提供OCH-OH的一种方法，因其利用一种数字的包封将OCH客户信息包围起来，以支持随路OCH-OH而得名。包括FEC和OCH-PE(净荷封套)在内与OCH-OH一起形成得帧结构，总称为OCH容器。客户信号在OCH-PE内浮动，不受OCH容器格式得限制，而只要是在3R再生器带宽内得恒定比特率的数字信号。OCH-PE可看作一种与格式无关的、恒定比特率的通路。与SDH不同，OCH-PE不需要指针来指示客户信号在封套内的位置。
     目前ITU-T已经明确数字包封器技术是在OTN中进行随路OCH-OH传送的实现方案，但还未就与数字包封的实现有关的帧结构作出规定。
   1.3.3 光层路由和IP层路由的协议协调
     利用WDM网元(如OADM、OXC)可以实现IP路由器之间的互连，从而在两个IP路由器之间建立起一条光通道，这些路由器就互连成为“邻居”，并且改变了网络的拓扑形式，这就意味着原来由IP路由协议(如开放式最短路径协议OSPF,RIP协议)决定的拓扑形式，随着业务条件的改变是可以改变的。这样我们可以设想利用一种光网控制软件用来监视任意两个IP路由器之间的业务量，并且对路由器所看见的拓扑("虚拓扑")形式做出必要的改变。于是跟那些几乎不变化的物理拓扑比起来，IP柔性网络效率就高多了。为了获得网络使用效益，必须要由光网控制软件来使光层路由协议协调工作。
    解决光层路由和IP层路由协议协调问题，一种方法是将WDM网络中的选路和波长分配(RWA:ROUTING and WAVELENGTH ASSIGMENT)问题与IP选路问题分开处理。WDM光网络节点监测光信道上的业务流量，根据使用情况增加或减少光信道数量和提高或降低光信道数据数率；另一种方法是综合IP层和光层选路方案的集成型IP OVER WDM选路。
  1.3.4 光网络层的支持
     IP OVER WDM技术的基础是WDM网络技术，因此必须由光交叉连接器(OXC)、光分插复用器(OADM)等重要的光节点设备的支持才行。同时，为了适应各种业务信号日益严格的要求，IP OVER WDM光互联网必须具有较强的可生存性，如当1条或多条光通道(OCH:Optical Channel)失效，或者光纤断裂时，WDM光网络必须具有较强的生存能力，这就要求其必须采用保护倒换体系和网络恢复技术。IP OVER WDM网络可依靠两个协议层完成自愈保护：WDM层和IP层。
     如果只在IP层进行保护与恢复，虽然可以体现第3层恢复的诸多优点。然而，IP层恢复是靠普通的路由协议(OSPF和BGP)完成。在大规模的网中，可能需要几秒钟的时间才能完成新网络配置后的路由表重算，不如物理层恢复的快。目前已经有不少方法可以改进第三层恢复的速度，但是都未经在网络上运行实验。此外，如果将保护恢复功能分别在IP层和物理层完成，如何分工和协调这两层的保护与恢复功能将是正在研究的课题。
1.3.5 IP OVER WDM 网络的服务质量
    关于服务质量(QOS)问题，IP OVER WDM 的一种解决思路是靠WDM的高带宽和简单的优先级方案来解决。按排队理论，只有网络利用率低于70％时，队列很短或者根本不存在排队，常常只需要简单的优先级方案(如IP报头的3个优先位)即可，于是将高质量实时业务放在队列前面即可保证QOS。从目前对实际业务的预测表明，业务量中真正高质量的实时业务仍是少数，90%的业务属于“尽力传送(Best effort)”业务。因而从目前阶段来看采用简单的优先级方案和高带宽WDM来处理QOS问题是一种简单易行的方法。
  1.3.6 IP OVER WDM 网络安全
   由于全光网络与全电网络、电光网络相比具有本质的区别，全光网络部件和结构的独有特性给网络安全带来了新的、未知的脆弱性。全光网络的透明性也带来了许多在前两代网络中不存在的安全性问题。由于波长选择交换器为不同波长的信号选择不同的输出路由，它的基本部件是波长复用/解复用器，OXC,波长转换器和波长路由器，以及为补偿器件引起的损耗而加入的光放大器。尽管串话电平已足够小(-30到40DB)，但是攻击者仍然可以利用它向波长选择交换器注入一个非常强的光信号，即使仅有一小部分泄漏到其它信道上，也会对全光网络传输的业务员产生极大的破坏。另外，光纤的非线性效应、EDFA的增益竞争现象也会被攻击者用来对业务进行破坏。
  1.4 IP OVER WDM的国际发展动态
    近几年来，国际上对IP OVER WDM 技术的研究十分活跃，主要体现在建立实验网络与研究标准化等方面。从国际上的研究与发展来看，一些著名厂商和烟具机构正推出先进产品，建立实验网络，用于展示和验证一些新概念、新方案与新技术，初步形成了IP OVER WDM的体系结构。从标准化研究上看：1984年4月，CISCO,CIENA,LUCENT,NTT,QWEST,SPRINT等网络设备公司和运营公司成立了光互联网论坛OIF(OPTICAL INTERNETWORKING FORUM),并正和ITU-T,ATM论坛等标准化组织合作制定光互联网的技术规范，其中OIF的工作重点是解决光联网方面的问题，它并不涉及数据网和光网络内部的问题，主要解决其间的互连与互操作。
   1998年，美国开始实施ABILENE计划，建设宽带IP网络，它采用CISCOl2000GSR交换路由器在QWEST公司和NORTEL公司提供的光纤网上建立速率为2.5Gbits/s的IP OVER SONET宽带IP网络，作为美国下一代INTERNET倡议(NGI)和大学的INTERNET 2计划的骨干网。
   与此同时，千兆比路由交换机开始进入网络建设，1998年6月，千兆以太网标准获得通过并公布实施，以其优越的性能和较高的性价比表现出了极强的竞争能力，例如：PACKET ENGINES 公司的POWER RAIL 5 200路由交换机已经成功的用于美国华盛顿州建设的教育城域网(EMAN)中。
   1998年8月，SPRINT宣布建设第一条采用“IP OVER WDM”的线路(德州 FORT WORTH 至堪萨斯城),其方式是采用CISCOl2000GSR德2.5Gbits/s
接口直接接入CIENA的长途WDM系统，该系统与SPRINT实现的基于ATM综合点播网(ION)属并行的、可相互补充的网络建设方案。
   1998年8月，加拿大宣布建设第三代全国性光因特网计划－CA*NET3，总投资达1.2亿美元，它取消了ATM和SONET层，将IP直接在光网上运行，其方式是采用32波长的40Gbits/s的WDM，将全国范围内的10个千兆比入网点(gigapop)之间直接通过WDM传送IP业务，被视为加拿大下一个世纪发展“数字经济”的重要基础。
   1998年9月，Frontier Global Center 宣布在旧金山至洛杉机之间的450英里的路由采用OC-48的“IP OVER WDM”连接，实现数据库更新，IP电话、会议电视及其它WEB应用，在2000年实现了OC-192链路。
   1998年，德国的KOMNET计划开始启动，至2002年结束，其目的是“面向正在出现的宽带因特网的光传送和光联网技术(OPTICAL TRANSPORT and TECNOLOGIES for the EMERGING BROADBAND INTERNET)”,整个网络平台将为面向新一代的宽带因特网的光连网接入技术、网元、协议和用户线接入技术提供实验平台。
   1999年2月，GTS组建欧洲第一个IP OVER WDM网络平台，首先在欧洲的六个国家展开，将对其50个商业中心提供IP服务，并使这些城市和纽约相连。在以后的3年内，在欧洲12个城市之间展开本地交换传送(CLECs),从而提供通过光纤的桌面到桌面的IP服务。
   1999年3月，日本KDD公司利用美国和日本之间跨太平洋海底光缆进行了IP OVER WDM的试验。
   我国在2001年开通的几个实验网络中(NSFCNET,CAINONET等)，也采用了IP OVER WDM技术，目前一些高校与研究机构也正在积极开展研究。
     

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