基于IP的宽带多媒体通信网络

基于IP的宽带多媒体通信网络班级：学号：姓名：随着基于IP的业务种类的增加，采用基于IP的宽带网络技术建立支持多媒体业务的统一网络平台已经成为一种经济的、高效率的做法。基于IP的宽带网络是以光纤为传输介质，大容量的密集波分复用(DWDM)为传输通道，SDH/SONET、ATM或千兆以太网为组网模式，第三层/第四层路由交换机为交换平台，综合提供基于IP的各种多媒体业务的数据通信网络。在运行实时业务时能保证服务质量，可以提供数据、语音、视频的综合传输业务。新一代的宽带网络技术必须建立在当前最先进的网络传输和交换的基础上。目前实现宽带的IP网络的典型技术有4种：IPoverATM、IPoverSDH、IPoverWDM、IPoverDWDM等。1.1IPoverATM1.21.3IPoverWDMIPoverSDH1.1IPoverATM1.ATM技术的特点•ATM是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。•ATM采用定长分组作为传输和交换的单位。这种定长分组叫做信元(cell)。•ATM名词中的“异步”是指将ATM信元“异步插入”到同步的SDH比特流中。•SDH传送的同步比特流被划分为一个个固定时间长度的帧（是时分复用的时间帧，而不是数据链路层的帧）。•每一个用户发送的ATM信元在每一时分复用帧中的相对位置并不是固定不变的。ATM的主要优点：•选择固定长度的短信元作为信息传输的单位，有利于宽带高速交换。信元长度为53字节，其首部（可简称为信头）为5字节。•能支持不同速率的各种业务。•所有信息在最低层是以面向连接的方式传送，保持了电路交换在保证实时性和服务质量方面的优点。•ATM使用光纤信道传输。由于光纤信道的误码率极低，且容量很大，因此在ATM网内不必在数据链路层进行差错控制和流量控制(放在高层处理)，因而明显地提高了信元在网络中的传送速率。ATM的缺点•信元首部的开销太大，即5字节的信元首部在整个53字节的信元中所占的比例相当大。•ATM的技术复杂且价格较高。•ATM能够直接支持的应用不多。•10千兆以太网的问世，进一步削弱了ATM在因特网高速主干网领域的竞争能力。2.IPoverATM技术基本原理和工作方式：将IP数据包在ATM层全部封装为ATM信元，以ATM信元形式在信道中传输。当网络中的交换机接收到一个IP数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址通过某种机制进行路由地址处理，按路由转发。随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚电路（VC）。以后的IP数据包将在此虚电路VC上以直通（Cut-Through）方式传输，再经过路由器，从而有效地解决了IP的路由器的瓶颈问题，并将IP包的转发速度提高到交换速度。IPoverATM必须解决的问题：(1)ATM的通信方式是面向连接的，而IP是面向无连接的，要在一个面向连接的网上承载一个面向无连接的业务，有很多问题需要解决，如呼叫建立时间、连接持续期等等；(2)ATM是以ATM地址寻址的，IP通信是以IP地址来寻址的，而IPoverATM是以ATM网络来承载IP数据包的，因此，IP地址和ATM地址之间的映射是一个很大的难题。IPoverATM分层模型与封装示意图音频、视频、数据1…IPATMSDHIPATMSDHWDM234从目前看来，用ATM承载IP业务有相当广的发展前景，因而提出了许多种解决方案，分为两类：迭加模式、集成模式。(1)迭加模式指IP网的寻址是迭加在ATM寻址的基础上的，即在迭加模式中ATM的寻址方式是不变的，IP地址在边缘设备中映射成ATM地址，IP包据此传向另一端边缘设备。特点：在ATM网中不论是用户网络信令还是网络间信令均不变，对ATM网来说，IP业务只是它承载的业务之一，ATM的其他功能照样存在，不受影响。优点：采用标准的ATMForum或ITU-T的信令标准，与标准的ATM网络及业务兼容。缺点：传送IP包的效率较低。迭加模式的典型技术：局域网仿真（LANE）、在ATM上传送的传统的IP（CIPOA)、ATM上的多协议（MPOA）等。LANE协议结构LANE的组成逻辑配置(2)集成模式集成模式是指将IP网设备和ATM网设备集成在一起。在集成模式中，ATM网的寻址已不再是独立的，受到IP网设备的干预。IP网的控制设备一般可称为IPC，它具有传统路由器的功能，能完成IP网的路由功能，并具有控制建立ATM虚通路的能力。集成模式的实现技术：IPSwitch:IP交换技术Ipsilon公司提出TagSwitch:标记交换技术Cisco公司提出MPLS:多协议标签交换技术IETF推荐IPSwitch结构图ATM与IPSwitch地址映射比较TagSwitch网络工作示意图MPLS的网络结构3.IPoverATM的特点优点：（1）由于ATM技术本身能提供QoS保证，因此可利用此特点提高IP业务的服务质量。（2）具有良好的流量控制均衡能力以及故障恢复能力，网络可靠性高。（3）适应于多业务，具有良好的网络可扩展能力。（4）对其他几种网络协议如IPX等能提供支持。缺点：（1）IPoverATM还不能提供完全的QoS保证。（2）对IP路由的支持一般，IP数据包分割加入大量头信息，造成很大的带宽浪费（20％～30％）。（3）在复制多路广播方面缺乏高效率。（4）由于ATM本身技术复杂，从而导致管理复杂。IPoverSDH以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络。它使用链路及PPP协议对IP数据包进行封装，把IP分组插入到PPP帧中的信息段。再由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH的同步净荷中，然后向下，经过SDH传输层和段层，加上相应的开销，把净荷装入一个SDH帧中，最后到达光层，在光纤中传输。1.2IPoverSDH技术SDH终端复用器或分用器转发器转发器复用器或分用器SDH终端1.SDH的体系结构SDH是基于时分复用的，在网管的配置下完成半永久性连接的网，在IPoverSDH中，SDH只可能以链路方式来支持IP网,不能参与IP网的寻址，它的作用只是将路由器以点到点的方式连接起来，提高点到点之间的传送速率，它不可能从总体上提高IP网的性能。这种IP网其本质上仍是一个路由器网。2.IPoverSDH分层模型SDH是依靠网管来完成端到端的半永久性连接的配置的，一个大网完全依靠网管来配置是不可想象的。所以，千兆路由器（IPoverSDH）只可能在干线上用，用以疏导高速率数据流。IPoverSDH保留了IP面向无连接的特征。支持IPoverSDH技术的协议主要有点到点协议（PPP）和高级数据链路控制协议（HDLC)。IPPPPSDH音频、视频、数据IP/PPPSDHWDM321IPoverSDH分层模型与封装示意图3.PPP协议PPP协议最初是作为在点到点链路上进行IP通信的封装协议，它定义了IP地址的分配和管理、异步和同步封装、网络协议复用、链路配置、链路质量测试、差错测试等规范。PPP是一个简单的OSI第二层网络协议。其头部只有两个字节，没有地址信息，只是按点到点顺序，面向无连接。PPP协议可将IP数据包切成PPP帧以满足映射到SDH／Sonet帧结构（符合RFC1619：PPPoverSDH）上的要求。PPP协议中提供了一整套方案来解决链路建立、维护、拆除、上层协议协商、认证等问题。PPP协议包含：链路控制协议LCP（LinkControlProtocol）、网络控制协议NCP（Network[JP3]ControlProtocol）、认证协议等。LCP负责创建、维护或终止一次物理连接。NCP是一簇协议，负责解决物理连接上运行什么网络协议，以及解决上层网络协议发生的问题。PPP链路操作过程状态迁移图链路死亡激活打开链路认证成功或不需要认证关闭链路认证失败配置失效链路建立认证链路终止网络协议配置4.简化的数据链路协议（SDL）在IP/PPP/HDLC/SDH中，使用基于HDLC的帧定界协议存在一些问题。为此，提出SDL替代HDLC协议，它的链路速率可达2.5Gb/s（OC-48），SDL用户对同步或异步传送的可变长的IP数据包进行高速定界，可适用于OC-48/STM-16以上速率的IPoverSDH。SDL的帧格式5.IPoverSDH的特点优点：（1）对IP路由的支持能力强，具有很高的IP传输效率。（2）符合Internet业务的特点，有利于实施多路广播方式。（3）能利用SDH技术本身的环路，即可利用自愈环（Self-healingRing）能力达到链路纠错；同时又利用OSPF协议防止链路故障造成的网络停顿，提高网络的稳定性。（4）省略了不必要的ATM层，简化了网络结构，降低了运行费用。缺点：（1）仅对IP业务提供好的支持，不适于多业务平台。（2）不能像IPoverATM技术那样提供较好的服务质量保障（QoS）。（3）对IPX等其他主要网络技术支持有限。1.3IPoverWDM技术波分复用就是光的频分复用。WDM实际上是频分多路复用的一个变种。它与FDMA的唯一区别就是：在WDMA中使用的衍射光栅是无源的，因此可靠性非常高。IPoverWDM也称光因特网。1.IPoverWDM基本原理和工作方式：在发送端，将不同波长的光信号组合（复用）送入一根光纤中传输，在接收端，又将组合光信号分开（解复用）并送入不同终端。IPoverWDM是一个真正的链路层数据网，在其中，高性能路由器通过光ADM或WDM耦合器直接连至WDM光纤，由它控制波长接入、交换、选路和保护。IPoverWDM的帧结构有两种形式：SDH帧格式和千兆以太网帧格式。目前，主要网络再生设备大多数采用SDH帧格式，此格式报头载有信令和足够的网络管理信息，便于网络管理。但采用SDH帧格式的转发器和再生器造价昂贵。在局域网中主要采用吉比特以太网帧结构，此结构报头包含的网络状态信息不多，成本相对较低。由于使用的是“异步”协议，对抖动和延时不那么敏感。同时由于与主机的帧结构相同，因而在路由器接口上下需要对帧进行拆装操作和为了使数据帧和传输帧同步的比特插入操作。2.IPoverWDM的优点（1）充分利用光纤的带宽资源，提高带宽和相对的传输速率。（2）对传输码率、数据格式及调制方式透明，可以传送不同码率的ATM、SDH／Sonet和千兆以太网格式的业务。（3）可与现有通信网络兼容，还可支持未来的宽带业务网及网络升级，并具有可推广性、高度生存性等特点。3.IPoverWDM的缺点（1）目前，对于波长标准化还没有实现。一般取193.1THz为参考频率，间隔取100GHz。（2）WDM系统的网络管理应与其传输的信号的网管分离。但在光域上加上开销和光信号的处理技术还不完善，从而导致WDM系统的网络管理还不成熟。（3）目前，WDM系统的网络拓扑结构只是基于点对点的方式，还没有形成“光网”。4.承载宽带IP业务的方法光网络光网络光网络光网络IP/PPP数据话音图像数据话音图像数据话音图像数据图像话音IPIPATMSDH/SONETATMSDH/SONETSDH/SONETIP/PPP(a)目前IP/ATM/SDHATM上的多业务(b)未来的选择1IP/ATM/SDHIP上的多业务(c)未来的选择2IP/PPP/SDHIP上的多业务(d)未来的选择3IP/PPP/ONIP上的多业务从目前来看，宽带IP网络的业务架构应是一个混合结构。在宽带IP网的核心层，应采用IPoverDWDM或IPoverSDH技术建骨干网，提供充足的主干带宽，提供全网的关键业务和运营管理；而在其边缘汇聚层，可采用IPoverSDH技术来汇集各种业务。在网络的接入层，应采用吉比特以太网技术提供和局域网的平滑过渡。应该说，IPoverDWDM将代表着宽带IP主干网的明天。