IP网络

什么是IP网络？

IP是什么？IP是英文 Internet Protocol的缩写，意思是“网络之间互连的协议”，也就是为计算机网络相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中，它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机系统，只要遵守 IP协议就可以与因特网互连互通。正是因为有了IP协议，因特网才得以迅速发展成为世界上最大的、开放的计算机通信网络。因此，IP协议也可以叫做“因特网协议”。

——IP是怎样实现网络互连的？各个厂家生产的网络系统和设备，如以太网、分组交换网等，它们相互之间不能互通，不能互通的主要原因是因为它们所传送数据的基本单元（技术上称之为“帧”）的格式不同。IP协议实际上是一套由软件程序组成的协议软件，它把各种不同“帧”统一转换成“IP数据报”格式，这种转换是因特网的一个最重要的特点，使所有各种计算机都能在因特网上实现互通，即具有“开放性”的特点。 ——那么，“数据报” 是什么？它又有什么特点呢？数据报也是分组交换的一种形式，就是把所传送的数据分段打成 “包”，再传送出去。但是，与传统的“连接型”分组交换不同，它属于“无连接型”，是把打成的每个“包”（分组）都作为一个“独立的报文”传送出去，所以叫做“数据报”。这样，在开始通信之前就不需要先连接好一条电路，各个数据报不一定都通过同一条路径传输，所以叫做“无连接型”。这一特点非常重要，它大大提高了网络的坚固性和安全性。

——每个数据报都有报头和报文这两个部分，报头中有目的地址等必要内容，使每个数据报不经过同样的路径都能准确地到达目的地。在目的地重新组合还原成原来发送的数据。这就要IP具有分组打包和集合组装的功能。

——在实际传送过程中，数据报还要能根据所经过网络规定的分组大小来改变数据报的长度，IP数据报的最大长度可达 65535个字节。

——IP协议中还有一个非常重要的内容，那就是给因特网上的每台计算机和其它设备都规定了一个唯一的地址，叫做“IP 地址”。由于有这种唯一的地址，才保证了用户在连网的计算机上操作时，能够高效而且方便地从千千万万台计算机中选出自己所需的对象来。

——现在电信网正在与 IP网走向融合，以IP为基础的新技术是热门的技术，如用IP网络传送话音的技术（即VoIP）就很热门，其它如IP over ATM、IPover SDH、IP over WDM等等，都是IP技术的研究重点。（IP全球通网） 在当今世界向知识经济时代迈进过程中，计算机互联网技术的应用成为重要的促进因素，它的不断发展形成推动世界经济高速发展的新的源动力。随着国民经济信息化进程的深入发展，整个社会对现代化通信需求进一步增加，新一代宽带通信网络将成为新一代电信的明显特征，宽带IP网络技术应运而生。 一、当前 IP业务的特征

最初，IP网络的设计是为数量不多的节点提供服务，为数量不多的使用者提供资源共享和文件传输能力。目前，IP网络已在世界范围内得到空前发展，网络的应用方式和特性均发生了变化。因此，考察当前IP业务的特征是指导IP网络进一步发展的基础。 1．用户数量急剧增长

因特网的规模现每月增长10％左右，业务量每6-9个月翻一番。据预测，2000年底全因特网用户将达到3－10亿。从1997年起国外运营公司的网络业务中已有数据业务超过话业务的情况出现；有国外统计公司分析，预计在1998－2008年间各国因特网数据流量将先超过话音，其中北美到2000年时，数据业务将为话音业务的5倍。1997年底，中国数据通有用户60万，1998年底有220万，增长近4倍；1999年6月份用户已达400万，估计到2000年为2500万，在2005年将达到5000万。

2．业务带宽指数增长

除了用户数量指数增长外，业务带宽也呈现指数增长态势。例如，在1990年前后，主要业务是E－mail，带宽仅1kbit／s左右；到1995年，主要业务变成Web浏览。美国的Web站点数每57天翻一番，目前我国WWW站点数约为9906万。 2000年前后，活动图像将成为重要业务之一，所占用的带宽可到达5Mbit/s。10年间，业务带宽的增长可达4个数量级。这些变化均使IP业务所需的带宽呈爆炸式增长，形成了新时期网络带宽增长的主要驱动力量。

3．业务内容综合化

TCP／IP协议最初是为提供非实时数据业务而设计的。为了使IP网络不仅能传送非实时 的数据信息，而且还能传送实时多媒体数据信息，国际标准化组织（如ITU，IETF等）已开

始起草并完成了一些用于 IP实时通信的标准以及服务质量方面的标准，如实时传输协议／ 实时传输控制协议（RTP／RTCP）、资源预留协议（RSVP）、IP多播技术以及H.323建议等。 另外对更先进的服务质量保证技术如分类服务（Diff一Serv）等做了大量的研究并取得了 可喜成绩。在这些技术的支持下，因特网提供的应用及业务将能够覆盖综合业务网的业务 类型。

4．业务的流合呈自相似性和收发不对称性

随着IP网络业务量的增加，网络中的流量呈现出自相似的特点，即某一链路上不管业 务流的并发数量有多少，其流量均具有相同的特性。因此，为减少网络的拥塞，IP网络必 须具备比传统电信网络更高的平均峰值与平均负载比。同样，由于IP网络上的应用特点， 网络上的流量呈现出明显的收发不对称性。 二、未来IP网络的发展及技术走向

IP业务量的持续快速增长使得IP协议逐渐成为一种占主导地位的通信协议，IP网络在 今后的数据通信乃至电信业中将占据重要地位。更重要的是网络目前已经转变成为一种商品，其上的各种增值服务有着巨大的利润潜力。有理由相信，IP技术是未来网络综合的主 要力量之一，它可以集成语音业务、数据业务、图像和视频业务；IP网络最终可能成为新 一代电信网络基础设施的技术选择。

目前的IP网络及IP技术还存在着这样那样的缺陷，要成为新一代电信网络的基础尚需 解决大量的课题，在所有要解决的课题中，网络性能是基础条件之一，因此高速宽带IP网 络是解决IP网络发展问题的前提。当然高速宽带是相对的，本文中的宽带是指155 Mbit/s 以上的速率。

为了建设高速宽带IP网络，ITU－T，IETF以及ATM论坛等组织正在联合众多的设备制 造商及网络业务供应商共同寻找改造Internet骨干网的方案。总的来说，各种IP技术方案 分属两种思路：走IP和ATM结合的路线；或者走光学IP的路线。前者借助ATM网络的强大能力，基于ATM传送IP；后者基于传统IP网络的概念，借助光传输系统的能力传送IP。这些技术是在特定时期和特定技术背景下的产物，各有其自身的特点和适用场合。 三、IP／ATM宽带网络

国际上对ATM提供IP业务已经做了很多研究，提出了一系列协议和标准。这些协议和标准归纳起来可以分为两类：重叠类型和集成类型。 1．重叠类型

建议继续沿用现有的网络提供IP业务，IP网络建立在ATM网络之上。ATM网络和IP网络有各自的寻址方式和选路协议，使用IP服务的ATM用户终端要同时具有ATM网络地址和IP网络地址。IP的选路功能经由ATM的选路功能建立连接，因而在肥网络的各个节点要有IP地址到ATM地址间的映射功能。采用重叠类型的IPover ATM技术有：ATM论坛的局域

网仿真及ATM上的多协议（MPOA）；IETF的ATM网络上传统 IP协议（CIPOA）。 2．集成类型

集成类型下的网络不再有两个层次，ATM交换机的网络层对于IP服务采用的就是IP专用的协议。使用IP服务的用户只需要一个IP地址，交换机也不再有从ATM地址到IP地址的转换功能。

多协议标记交换（MPLS）是目前公认的IP与ATM结合的一种良好方案。ATM的信元机制可以非常有效地支持MPLS中的标签交换，从而使得ATM交换可方便地支持MPLS中标记交换路由器（LSR）的转发功能。MPLS技术独立于链路层，既可在ATM上实现，亦可在纯粹的路由器上实现。 IP／ATM的特点有：可利用ATM的服务质量特性，保证网络的服务质量；适用于多种业务，网络具有很好的扩充性能，用户可以在任何一条链路上放入所需的容量；有良好的网 络流量管理和拥塞控制性能；适用于一般的IP骨干网。

IP／ATM的不足包括：IP数据包需映射成ATM信元，由此造成较大的传输开销，传输效率较低；需要解决IP地址与ATM地址多重映射的矛盾以及IP网络的非连接特性与ATM面向连接特性之间的矛盾，网络管理比较复杂；基于ATM实现的IP网络带宽受限于ATM网络技术本身状况，这就导致其不太适于超大型IP骨干网（一般认为可用于超大型IP骨干网边缘多业务的接入）。 四、光学宽带IP网络

1．IP over SDH／SONET方式

可以认为IP overSDH／SONET是光学宽带IP网络的雏形。IP数据包通过采用点到点协 议（PPP）映射到SDH／SONET帧上，按某次群相应的线速率进行连续传输。

PPP协议是一个简单的OSI第二层协议，标头只有两个字节，没有地址信息，只是按点 到点顺序。PPP协议可将IP数据包切成PPP帧，以满足映射至SDR/SONET帧结构的要求。 IP over SDH／SONET技术的实现需要高速路由器和PPP协议，采用的仍然是传统路由 器的逐包转发方式。这种方法的基本思路是将路由计算与包的转发分开，采用缓冲技术、 硬件（芯片）快速处理技术、以ATM信元交换矩阵作为路由器内部体系构架的交换路由技 术，将路由器的逐包转发速度控制到与第二层交换的速度相当。它无须利用广域网上的 ATM交换机来建立虚电路。目前不少网络设备公司已推出基于IP overSDH／SONET技术的交

换路由器产品。

IP over SDH／SONET的特点如下：IP数据包通过PPP协议直接映射到SDH／SONET帧结构上，省去中间的ATM层，简化了IP网络体系结构，提高了数据传输效率；将IP网络技术建立在SDH／SONET传输平台上，可以很容易地跨越地区和国界，兼容各种不同的技术和标准，实现网络互连；可以充分利用SDH／SONET技术的各种优点，如自动保护切换（APS），

保证网络的可靠性；有利于实施IP多播技术；适用于大型IP骨干网。

IP overSDH／SONET技术的不足主要有：SDH原主要考虑电路交换网络各种指标，如同 步、自愈、抖动性能等，在IP网络中，这些指标的要求不一定相同；不太适于集数据、语 音、图像等的综合性多业务平台；IPover SDH／SONET技术一般可进行业务分级（CoS）， 目前尚不能像IP over ATM技术那样提供较好的服务质量；缺乏电路仿真服务能力；网络 扩充不如 IP overATM技术那样灵活。 2．IP over DWDM方式

从光通信技术发展趋势看，SDH／SONET必然以密集波分复用（DWDM）技术为基础，因此IP overSDH／SONET将最终发展成为IP over DWDM，即IP数据包直接在光波道上传输。

采用IP over DWDM技术可减少网络各层之间的冗余；减少SDH／SONET，ATM，IP等各层之间的功能重叠；减少设备操作、维护和管理费用。同时，由于省去了中间的ATM层和SDH／SONET层，其传输效率高，可以大大节省网络运营成本，从而间接降低用户获得多媒体通

信业务的费用。这是一种最直接、最简单、最经济的IP网络体系结构，适用于超大型IP骨 干网。IP和DWDM的结合，将出现一个全光IP网络。全光IP网络将按照IP技术和业务的特性进行优化，从而为IP网络乃至电信网络开拓一个新世界。

IP overDWDM应该说是宽带IP网络的较好解决方案。全光网在网络节点处采用波长可 选的光元件将不同波长的光信号分离，从而进行光的复用与解复用，并可进行光选路和光 交换。DWDM技术是全光网的基础。IP技术和DWDM技术结合，IP数据流直接进入大粒度的光通道，可充分综合WDM技术大容量和IP技术统计复用的优势，真正达到IP优化的目的。IPover DWDM组网结合了波长路由和IP路由的技术。波长路由提供了大粒度的复用，而IP路由提供了细粒度的复用，两者的结合为IP应用提供了优化的环境。 （1）IP over DWD中存在的问题

IP over DWDM才开始发展，ITU和光互联论坛（OIF）正在进行标准化工作。IP over DWDM目前存在的问题有数据网络层与光网络层的适配，物理接口的规范问题和层间管理等。

IP over DWDM的帧结构选择是上述问题的关键。DWDM系统本身的特点是业务透明性， 它可以承载各种格式的客户层信号。帧结构选择应该考虑到这么几个因素：帧格式对IP包 的打包速度和封装效率；帧格式对DWDM系统管理功能的贡献；目前DWDM系统能够提供的光波长类型转换器（OTU）接口类型。

目前可用的IP over DWDM帧结构方案选择基本有SDH帧格式和千兆比以太网帧格式两大类。

①SDH帧格式的优缺点

使用SDH帧格式的好处有：目前大部分DWDM系统的OTU提供SDH接口；SDH格式的帧头中可载有大量的信令和管理信息。其中信令可以完成保护切换之类的工作，管理信息可以辅助DWDM系统完成网管功能。

SDH帧格式的局限为：由于IP包的大小和SDH帧的大小不一定匹配，因此在路由交换机接口上SDH帧的分段与组装（SAR）处理将影响设备的吞吐量和性能；使用SDH帧格式需要OTU提供SDH方式的接口，具备SDH方式的转发和再生功能，增加了成本。 ②千兆比以太网帧格式的优缺点

使用千兆比以太网帧格式的好处有：对于 DWDM系统，应采用开放式系统，通过波长转换器将IP数据流接火光传输通道，OTU只需提供透明接口；目前成本较低；在路由交换机接口中无需SAR操作。

使用千兆比以太网帧格式的局限为：由于以太网帧是个异步的协议，对抖动和定时敏感； 目前千兆比以太网采用10B／8B编码，封装效率稍低；以太网帧格式中不含管理信息，造成对DWDM系统的性能监测困难；传送距离不如SDH帧格式方式。

上述两类帧格式各有优缺点，比较而言目前选择SDH帧格式较千兆比以太网倾格式的可能性大。目前帧格式的问题在不断的研究发展中，例如为解决SDH帧格式中对于IP网络一些无用的开销字节而作的简化；为解决以太网帧格式的效率问题对10 Gbit／s以太网接口的研究等。ITU亦希望能研究出一种全新的光接口，全面考虑恒定比特流和突发传输、解决帧结构问题和适配协议、提出光参数等物理接口特性和管理问题。 （2）IP over DWDM组网

目前，由于OADM和光交叉连接（OXC）等设备不成熟，全光网的发展还处于初期水平，