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宽带网技术介绍 时间：2004/10/8 16:46:00来源：本站整理作者：蓝点我要评论(0): 　　　　一：DPT技术　

宽带网技术介绍一：DPT技术

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作者: AppleTalk 发表日期: 2001-07-06 13:39:51 返回《CCIE俱乐部》快速返回

CISCO的DPT技术是一项全新的传输技术，一种对数据包进行优化的基于光纤传输的解决方案。DPT将IP路由技术对带宽的高效利用及丰富的业务融合能力和光纤环路的高带宽及可靠的自愈功能紧密结合，为现存的网络提供了一个保护投资的功能丰富的解决方案。

3.1、双向环路

DPT数据环是由两个方向相反的光纤环组成，双环都同时传送数据和控制信息（如下图所示）：

两个环路一个称为内环，一个称为外环。一个环在传输数据的同时由另一个环传送其的控制信息。两个环路同时传送，可以增大带宽，加快控制信息传递以适应带宽的利用情况和环路自愈。

3.2、空间再利用协议SRP（Spatial Reuse Protocol）

SRP是一个独立于介质的MAC层协议，实现了DPT的环路配置的功能。SRP在数据包环上提供了寻址、读取数据包、带宽控制和控制信息传播的基本功能。在DPT环路上，数据包被目的节点从环上读走，而不象FDDI那样要经过整个环路最后由源节点读走。这样，DPT使得有多个节点成多段同时传输数据，而不会互相影响，成分利用了整个环路的带宽。

3.3、传输的灵活性和演进

DPT既可以运行于SDH/SONET、波分复用（WDM）设备也能够直接在裸光纤上工作。在已有的光纤传输结构上，DPT提供了灵活的方式，获得基于包进行优化的高带宽的IP网络。DPT也可以在混合介质上运行。节点A在通过SDH/SONET与节点B互连的同时也可以通过裸光纤或WDM与节点C互连。

DPT线路卡有多模、单模中距离和单模长距离光纤接口类型以适应不同的应用。在特殊情况距离超长时，可以采用CISCO的IP再生设备或第三方的SDH/SONET放大器。

3.4、环路带宽倍增

通过最优路径选择、空间再利用、统计复用和两个同时工作的环路最大程度的提高环路的工作能力，将初期和增长投资都降到最低。DPT还采用了SRP公平算法（SRP-fa）以满足不同优先级别的业务，全局公平性和本地带宽优化。

3.5、健壮的灾难恢复能力

采用智能保护切换（IPS）技术，对DPT环主动的性能监测，迅速的自愈，当节点或光纤（设备）出现故障时IP业务能及时恢复。

IPS有SDH/SONET的自动保护切换（APS）的功能：

通过SDH/SONET的帧头字节主动的性能监测，失效侦测和隔离；

当出现物理层故障时，环路自动闭合，50ms内完成自愈；

当多处同时出现故障时，保护切换。

不同于APS，IPS具有以下数据包优化的附加功能：

不依赖于SDH/SONET的帧头，可以工作于非SDH/SONET（如裸光纤和WDM）之上；

无须三层路由的再收敛，提供50ms的IP业务恢复（包括超过16个节点的大环）；

不必象SDH/SONET那样预留专用的带宽，而且环路闭合后可最优的选择数据包路径；

即插即用，无须配置即可插入或移走节点，自动发现拓扑结构。

3.6、透明的IP服务扩展

为了更好的扩展IP服务，DPT提供了一套丰富的包处理方法：

给数据包分配不同的优先级

多层次的排队机制和进度指示

组播业务

基于MAC地址的数据包过滤
由Cisco公司开发的Packet Over SDH(POS)技术将IP层直接放在SDH层之上，并且在提供服务质量保证的同时，避免了管理SDH之上的ATM及ATM之上的IP所需的间接费用。

Packet over SONET/SDH能够更好地适应迅速发展的Internet/Intranet通信流量，提供第一个创建基于IP的多服务网络的可靠方法，已被GTE Internetworking、Qwest、Sprint和UUNET等业界领先的服务供应商所采用。

IP交换速度的提高，不仅产生经济性，而且使基于IP的语音和视频的产品得到发展。Packet over SONET/SDH技术广泛采用的一个重要原因是其能适应企业、网络需求和应用的实际情况所发生的变化。

改进后的SONET/SDH传输、数字跨接和路由集成等还带来了网络第2、3层的变化。原来采用的SONET/SDH技术，由于线路专有、分配固定，致使SONET/SDH技术得不到充分利用；而采用POS技术后，使线路共享，技术优势能够得以充分利用。

SONET/SDH平台正在融入数字交叉连接中。在数据方面，低速下行已成为历史，带宽需求促使主要联网厂商移植到速率为STM-1/4/16的SDH。Cisco7500和GSR12000的Gbps交换路由器系列还支持自动保护交换（APS）等SDH特性，并能转换和提供各种SDH附加字节功能。通过合适的光通信系统，替代功能单一的SDH的设备。

网络的边缘也发生了变化，产品及技术的优化致使IP的核心交换机、路由器和骨干网变得日益重要。尽管早先希望ATM会最终向台式机提供服务，但是网络的边缘却受到Ethernet的支配，Ethernet证明了自己是最能扩展、最节约和最易管理的LAN协议，数据速率从10Mbps到1Gbps，端口成本低到4美元，并拥有大多数网络管理员都熟悉的各种各样的网络管理工具和技术。

1.1、POS技术简介

POS全称为Packet Over SONET/SDH，又称IP Over SONET/SDH。顾名思义，POS即通过SDH提供的高速传输通道直接传送IP分组。POS定位于电信运营级（carrier scale）的数据骨干网，其网络主要由大容量的高端路由器经由高速光纤传输通道连接而成。

POS实际上并不是一种全新的模型，而是对传统IP网络概念的顺延，它完全兼容传统的IP协议体系，只是在物理通道上借助SDH提供点到点物理连接，从而使速率提高到Gbit/s。POS模型主要涉及两个基本问题：数据的封装和高速路由器。

1.2、数据的封装

SONET/SDH是物理层的协议，负责在信道上透明传送比特流；IP是网络层的协议，负责数据包由源于宿的寻址和路由。根据OSI七层模型，二者之间还需要一个链路层协议，来进行帧级的定位和纠错。由于SONE/SDH是点对点的传输通道组成的，所以采用PPP作为链路层的协议。

PPP协议是针对点到点链路通信而设计的，主要被用于短距离趾接、租用线、拔号Modem中，作为其链路层的协议。根据RFC1661，PPP协议包括三部分：对多种协议数据的封装方法；用于建立、配置、检测链路的链接扩展协议（LCP）；用于建立、配置不同网络层协议的网络扩展协议（NCP）。对于POS而言，主要涉及的是PPP协议中有关数据封装的部分。

PPP协议的封装方案效率高，适于在SONET/SDH通道上使用。POS的数据封装过程很简单，分为两步：将IP包封装入PPP帧中；将PPP帧放入SDH的虚容器。

1.2.1、IP包在PPP帧中的封装

RFC1661仅定义了一种一般的格式封装多协议数据，具体的定帧方案是由其它协议完成。

RFC1662提供了面向比特、面向字节的同步链路，以及在8比特组异步链路中定帧、纠错的能力。PPP协议通常采用HDLC帧格式封装。

一般封装格式：协议标志+信息域+填充域

协议（protocol）标志，由一或两个字节组成，用来指示信息域内所承载的数据的协议类型。

信息（information）域，可以为0个或多个字节，用来承载上层数据。

填充（padding）域，为了保证帧有足够的长度。

信息域和填充域合计不能超过最大接收单元（MRU）的字节数，缺省为1500字节，可以通过协商改变。

PPP-HDLC帧结构；帧头标志+地址域+控制域+一般封装+帧校验序列+帧头标志

帧头（flag）标志：比特序列01111110，完成帧定界。

地址（address）域：比特序列11111111，标识所用主机的广播地址。

控制（control）域：比特序列00000011，表示P/F位置0的非标号信息帧。

一般封装：即上述的“协议标志+信息域+填充域”格式。

帧校验序列（FCS）：32比特或16比特（缺省）的校验值，不包括帧头序列和FCS自身。

1.2.2、PPPHDLC帧在SONET/SDH帧中的封装

PPP视SDH为面向字节的全双工链路，把PPP帧的字节流映射入SDH的虚容器（SPE）中，确保字节边界对齐就可以。PPP帧在SPE中逐行排放，由于PPP帧是变长的，允许其跨越SPE的边界。

1.3、高速路由器

POS模型的数据封装很简单，对IP协议而言只是提高了物理传输速率而已。POS模型的的主要困难在于，当链路的速率提高到Gbit/s量级以后，传统的路由器不能胜任高速数据转发，所以能否实现可行的千兆级路由器成为POS模型的成功的关键。

传统的路由器通常是基于总线和集中处理器结构，其处理能力一般是几十万个包/秒，最大的吞吐能力约1个Gbit/s左右，而SDH的接口速率通常为STM-4（622Mbit/s）、STM-16（2.5Gbit/s），传统的路由器显然不能适应于POS。

随着Internet骨干网上业务量的激增，对核心路由器的处理能力、容量提出了更高的要求，随之也产生了许多千兆级路由器的设计，如Cisco的7500、12000系列路由器、Ascend的GRF系列、Lucent的Packet Star6400系列。

这些千兆级路由器抛弃了传统的总线/背板加集中处理器的结构，代之以高性能的专用或通用的交换矩阵，有些甚至直接采用了ATM交换矩阵；同时将原来集中在中央处理器的智能尽量分散至各个接口处理模块，希望通过高速缓存和其它的路由预处理手段来加速数据包的转发，如Cisco的VIP结构。经过一系列结构上的改进，路由器的吞吐量有了很大的提高。

总之，实用化的千兆路由器的出现是理所当然的。因为从整体上讲，路由器的硬件化和交换机的智能化，使路由器和交换机在结构、设计手段、采用的硬件ASIC技术等等方面都逐步接近。

虽然传统的路由器可能由于最大匹配的问题而遇到障碍，但随着MPLS标准的出现和完善，二者将在功能上趋于融合，在性能上趋于一致。

1.4、POS的优点

POS通过SDH直接承载PPP封装之后的IP数据包（IP/SDH），IP/SDH与SDH间接的承载经过ATM协议的IP数据包（IP/ATM/SDH）相比有许多优点（以下将RFC1483、RFC1577、LANE、MPOA等IP-ATM相结合的模型统称为IP/ATM模型）。

1.4.1、带宽利用率高

POS最主要的优点就是：高效的利用带宽资源，这对于广域骨干网是极为重要的。对于宽带广域网来说，POS能够提供比基于ATM的网络高出25%~30%的带宽。

具体说来：以IP层的数据包为始到映射入SDH净荷区为止。

POS方案需要把IP包封装入PPP-HDLC帧中，然后将PPP帧直接映射入SDH的净荷区；而基于ATM的方案，需要首先将IP包进行RFC1483的封装，最终成为53字节的信元，这时才能够映射入SDH净荷中（当然ATM论坛也提出裸信元的传送方式，但对于长途传输通常还是经过SDH网）。

前者相当于每48字节净荷就有5字节开销，而后者仅相当于1500字节（PPP帧的缺省信息域长度）净荷才有7字节开销（PPP帧的开销）。以SDH中STM-4（OC-12）为例，其传输速率是155.520Mbit/s，除去通道开销、段开销、线路开销后的可用信息速率是149.760Mbit/s。经过ATM再映入SDH，用户可用速率为135.6Mbit/s；而直接PPP帧映入SDH，用户可用速率为149.064Mbit/s。前者的效率仅为90.54%，而后者为99.54%。

对于STM-64（2.5Gbit/s）的速率，基于ATM的方案将浪费约235M的带宽，相当于5个T3信道。以上还没有考虑ATM同IP、SDH相重复的OAM开销，以及IP/ATM模型引入的额外的协议开销所占用的带宽。所以从效率的角度讲，POS方案无疑比基于ATM方案的带宽利用率要高的多。

1.4.2、模型扩展性好

目前全球Internet巨大的规模本身就证明了基于IP协议的路由器网络是具有极好扩展性的网络：路由器间动态的交换路由信息，使数据能够避开故障的链路；采用CIDR、VLSN技术使目的地址到达信息可以被概括后扩散；分级管理的体系和自治域，使系统间既相独立又相联系。POS方案实际上仍是通过路由器组建网络，只不过路由器升级到千兆级，路由器间的连接也由专线升级到SDH的速率等级，因此继承了扩展性良好的优点。

事实上，单纯就ATM协议而言，其本身比IP协议具有更好的扩展性：AMT的网间互连协议PNNI是迄今为止最复杂的路由/信令协议，具有结构化、等级化，采取源路由的技术更能够提供许多先进的特性，如QoS路由、路由的折回等等。但是问题在于历史没有给予ATM机会来拓展全面的纯ATM网络；恰恰相反，众多业务在IP层上的汇聚，使ATM不得不以IP协议承载者的身份出现在数据网络中，从而出现了许多IP-ATM相结合的模型。从RFC1577到LANE、MPOA，从PAR到I-PNNI，面向连接的ATM始终试图无缝的支持非面向连接的IP，但却暴露出许多问题。功能上的重复和模型的复杂性所导致的性能问题不说，大多IP/ATM模型存在扩展性问题，其主要原因是ATM交换机存在资源有限性的问题。

处理器资源、内存资源、VPI/VCI资源的有限，直接导致以下的事实：一个ATM物理端口上不可能高速的建立大量的SVC。而CLIP、LANE、MPOA等模型中，路由器间必须建立全网状网的PVC连接；而且运行过程中还会出现大量的直通SVC，增加了资源的紧张，导致时延。IP到ATM的地址解析是一一对应的，由于二者的地址空间都很大，会出现巨大的地址映射表，难于维护和检索，特别是在IP路由的汇集处。所以由于IP/ATM模型的扩展性问题，导致纯路由器网络的规模和灵活性要好于基于ATM的IP网络。

1.4.3、简单可靠

众所周知，为了将ATM与应用广泛的IP协议相结合，提出过许多标准的、专用的模型，如最早的RFC1483、FRC1577、LANE和后来的MPOA，以及IP Switch、ARIS、CSR等等。这些模型为了在ATM协议上运行非面向连接的IP，额外提出了许多配置协议、地址解析协议，引入了协议上、管理上的开销。而且两种不同属性事物的结合给网络的建设、配置和故障的定位带来了许多新的问题。而POS只是以传统路由器模型的自然延伸，不需要引入新的概念，模型简洁实用。而且POS直接依靠了SDH/SONET体系所具有的高可靠性。SDH通常采用环形拓扑，并且具有自动保护倒换（APS）机制，在光纤线路出现节点故障时能够快速自愈。
DWDM系统介绍

　波分复用(WDM)是一种增加光纤传递信息能力的技术,它在同一根光纤上以不同的波长(或色彩)同时传递多个信号。事实上,WDM是将一根单纤转换为多条"虚拟"纤,每条虚纤独立工作在不同的波长上。拥有多于一小组道(2或3个)的波分复用系统称之为密集波分得用(DWDM)系统。几乎所有的DWDM系统均工作在1550nm的低衰耗波长区间。如今,拥有4～40个信道、每个信道最高容量为10Gbps的系统已问世,并且许多厂商现在已经可以提供商用产品。

如图示为一个DWDM系统的方框图,它由下列部件组成:光发射器(激光器)、光复用器和分路器、光放大器、光接收器。
图1
DWDM激光器

　 DWDM系统采用在1550nm波段的高分辨率或窄带激光器。在1550nm范围内工作有两个优点:当信号沿光纤传播时,减少光功耗,保证尽可能大的传输距离和更好的信号完整性。为了扩展距离,可采用光放大器提升信号强度。光放大器比电放大器便宜得多,原因是它们不必再生单独的光信号。窄带发射激光器至关重要,它允许细密的信道间隔,并且最大限度地减少其他信号的影响(如色散),否则信号将限制在被放大之前的允许距离内。为了保证不同厂商设备之间的互操作性,国际电信联盟(ITU)规定了标准信道间隔。光复用器光复用器将不同波长的发送信号混合在一条单独的光纤上,而分路器则将混合信号分解为接收器的分支波长。光复用和分接目前采用几种技术,其中包括薄膜电介质滤波器和各种类型的光栅。一些复用器采用纯无源器件构造。无源光复用器的工作原理非常像高精度棱镜,对各色WDM信号进行合并和分离。与棱镜类似,大多数无源光器件是对偶器件, 即当逆转光方向时,它们的功能相同。通常复用和分接功能由单个器件提供,即复用器和分路器。有些复用器具有在一根光纤上发送和接收的能力,这种能力称之为双向传输。

光接收器

　光接收器负责检测进入的光波信号,并且将它转换为一种适当的电信号,以便接收设备处理。光接收器通常是宽带器件,它能够在一个相对宽广的波长范围(1280～1580nm)内检测光信号。譬如,光接收器可以直接将两个具有不同发射器波长的非兼容网络接口相连,一端以1310nm为波长,而另一端可以是以1550nm为波长。
光放大器放大器用来提升光信号,补偿由于通过长距离传播而导致的功耗或衰减。在小于65公里左右的链路上通常并不需要光放大器。在光放大器出现以前,提升光信号的唯一方案是以电的方式对其进行再生,即将光信号转换为电信号,将其放大,然后再将它还原为光信号继续传输。WDM信号的电再生要求每根光纤上的每个波长都拥有一个分离的再生器,而单个光放大器可以同时放大一根光纤上的所有波长,这样可以将信号的成本分摊在几个用户或应用之上。光放大器的另外一个好处是作为一个严格的光器件,它是一种与协议和比特率无关的器件。由于光放大链路可以在最高设计限制内的任何比特率上支持任何的协议组合(如A TM、SONET、千兆位以太网、PPP),所以这种方式具有极大的灵活性。

竞争技术

　过去,有两种增加光纤传输设备容量的选择方案:采用更多的光纤,或让相同的光纤在更高比特率下工作。在有充足黑(未用)光纤可用、且满足在目前可预见需求的情况下,采用更多光纤的方法是一种直接而且也是一种成本最低的解决方案。否则,安装新纤是非常昂贵的,尤其是在必须安装新管道,或在人口密集的大都会进行安装的情况下更是如此。但即使是在有黑纤的情况下,有时实现每条光纤的更高利用率也比"点亮"更多光纤更为经济有效,这一点对需要信号放大(或色散补偿)的长距离链路特别适用,因为每条光纤都需要一个独立的放大(或补偿)器件。第二种选择称为更高比特率方式,它要求信号以电的方式进行复用,即时分复用,然后将信号复用至一个新的更高比特率进行传输。SO NET(同步光纤网)是目前高速光信号最常用的复用标准,它可以4的倍数逐步增加比特率:即155Mbps、622Mbps、2.5Gbps和10Gbps 。更高比特率方法的缺陷是它要求全盘升级至新的更高速率。也就是说网络接口性能必须用4倍级的容量单元全部替换,不管所有容量是否都是立刻必需的。相比之下,Fore公司的DWDM方案允许非服务性影响,即随着需求增加,以2.5Gbps增量方式将2.5Gbps容量升级为10Gbps。

　更高比特率方案的另一个缺陷是随着比特率的增加,信号失真(由于色散和光纤非线性)成为近距离上的一个限制因素。导致信号脉冲"污染"的色散效应在10Gbps标准单模光纤上比在2.5Gbps上大若干倍。由于单独的信道比特率决定色散量,所以与等价容量的单信道链路相比,DWDM链路可以在要求进行电信号再生之前跨越更大的距离。(在标准单模光纤上,2.5Gbps的色散限制通常在1000公里范围,而10Gbps的色散限制为200公里)。更高比特率解决方案的第三种限制是它将光纤容量限制在可用电子器件速率之内。业界提供的电子器件最高传输速率为10Gbps,而光纤的容量高于此速率几个数量级。能够在此速率工作的电子部件的成本、操作和维护都非常昂贵,于是借助DWDM,电子部件继续以信道比特率(如2.5Gbps)工作,而复用在光域完成。

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