计算机网络技术与设备第7章.ppt

第7章 宽带IP城域网,7.1 IP城域网的技术模式7.2 IP/OPTICAL城域网技术7.3 IP/SDH城域网技术7.4 IP/D城域网技术7.5 IP城域网QOS7.6 思科METRO IP解决方案7.7 学习参考网址（略）,随着因特网用户数量的剧增、多媒体业务的不断普及和网络信息流量的持续高速增长，建设宽带IP城域网已成为必然的发展趋势。现在许多城市都在建设“数字城市，“城市数码港”，一般都是大规模铺设光纤，或者租用光纤建设宽带IP网络，其建设目标是“Everything over IP”，在宽带IP网络提供传统的音频视频业务，同时提供IP数据业务。本章重点介绍几种流行的宽带IP城域网技术。,图7-1 城域网应用图,7.1 IP城域网的技术模式,表7.1 带宽需求表,建设宽带IP城域网，采用的技术一般有下面四种模式，如图7-2所示。按协议的简化过程依次是:(1)IP/ATM；(2)IP/SDH；(3)IP/DWDM；(4)IP/Optical。图7-2 宽带IP城域网技术模式,IP/ATM是指在传统的ATM交换网络上提供IP业务，显然ATM层使得IP传输复杂化，而IP/SDH/WDM则简化了传输协议，同样可以高效可靠的提供IP业务。传统的电信公司拥有大量的ATM设备，使用IP/ATM技术是其首选。一些新的网络电信公司，则愿意选择后面的三种技术。显然，新技术的出现，使越来越多的公司以较低的成本进入宽带IP城域网建设。上述三种宽带IP网络技术既可用于广域网络，也可用于城域网络。下面分别介绍几种流行的宽带IP城域网技术。,图7-3 IP/Optical城域网拓扑结构,7.2 IP/Optical城域网技术 7.2.1 IP/Optical城域网方案,1.骨干层骨干层由千兆IP线速路由交换机互连组成，速率可达6至10G，并连接INTERNET出口，向上同国家和国际干线互连，向下与各信息汇聚点以1Gbps带宽相连。骨干层由千兆IP线速路由交换机要求:*背板速率:40到80Gbps*吉位接口:足够多，有冗余备份*典型产品:cisco catalyst8500,2.信息汇聚层信息汇聚层是以太千兆IP线速路由交换机为骨干互连设备，带宽一般为为1G。IP线速路由交换机向上与主干部份的高速线速路由交换机相连，向下和接入级千兆线速路由交换机相连。接入各局域网和社区网。信息汇聚点的千兆IP线速路由交换机要求:*背板速率:40Gbps*吉位接口:8个*100Mbps接口:50个，可扩充到100个，支持单模*典型产品:cisco catalyst6500,3.接入层典型的IP/Optical城域网接入层全部采用以太技术10M/100M/1000M，当然也可以综合使用其他宽带接入技术。(1)IP/Optical技术的优点*结构简单，用户很容易利用原有网络基础来实现；*速率高，利用新的聚合技术，提供高速网络；*以太网无缝连接，可提供10M/100M/1000M速率接入；*与10GE兼容，如有需要，很容易升级为10GE城域以太网。(2)IP/Optical技术存在问题*不能提供严格Qos保证，分配带宽；*不能提供基于TDM的传统业务；*不能很好地进行用户管理，优先业务等；*环路保护和自愈恢复。,线速路由交换机具有集L2/L3/L4交换一体化的功能。数据包进入路由交换机后，首先提取L2(地址、帧类型、VLAN优先级)，L3(地址、协议、TOS等)，L4(Qos、安全等)信息，然后进行各层交换。(1)属于l2的按照L2地址进行交换；(2)属于L3的按照L3地址进包转发；(3)属于L4的按照L4信息决定实施何种QOS和安全授权策略。,7.2.2 线速路由交换机,线速路由交换机的典型产品CISCO Catalyst 6000系列。图7-4 Catalyst 6000 系列交换机,表7-2 Catalyst 6000系列的端口密度和容量,1.POS技术简介POS全称为Packet Over SONET/SDH，分层模型如图7-5所示。POS是指在SDH网络上直接运行IP业务，由于因特网业务的数据迅猛增长，要求骨干网的速率越来越高，POS技术将是宽带IP城域网的首选技术之一。国内有很多城市IP网都采用这种技术。,7.3 IP/SDH城域网技术 POS技术,图7-5 IP/SDH分层模型,POS以SDH作为IP数据网络的物理传输网络，它使用链路层PPP协议对IP数据包进行封装，把IP分组根据RFC1662规范简单地插入到PPP帧的信息段，然后再由SDH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。POS技术的优点如下。*对IP路由支持能力强，IP传输速率高；*利用SDH环路技术，提高网络稳定性；*符合互联网业务特点；*简化结构，降低成本。,2.PPP协议PPP是英文Piont-to-point protocol的缩写，中文译为点到点协议。PPP是作为在点到点链路上进行IP通信的封装协议，PPP提供在串行点到点链路上传输IP数据包的方法。PPP主要组成协议有:(1)采用HDLC在串行链路上封装数据报；(2)采用扩展的链路控制协议(LCP)来建立配置和测试数椐链路；(3)采用网络控制协议(NCP)来建立和配置网络层协议。,为了建立点到点链路的通信连接，PPP的工作过程如下:(1)发送端PPP发送LCP帧，配置选择PPP参数，测试数据链路；(2)建立数据链路协调配置；(3)发送端PPP发送NCP帧，配置选择一个或多个网络层协议；(4)配置好的链路一直保持通信状态；(5)收到LCP或NCP指示关闭链路。,3.HDLC协议帧格式负责同步传输链路上的PPP封装的IP数据包的定界，特点如下:(1)统一的标志符F(01111110)作为帧分界符；(2)传输透明；(3)CRC校验，可靠性高；(4)传输效率高。,4.SDH技术SDH传送网的概念最初于1985年由美国贝尔通信研究所提出，称之为同步光网络(Synchronous Optical NETwork.SONET)。它是由一整套分等级的标准传送结构组成的，适用于各种经适配处理的净负荷(即网络节点接口比特流中可用于电信业务的部分)在物理媒质，如光纤、微波、卫星等上进行传送。该标准于1986年成为美国数字体系的新标准。国际电信联盟标准部(ITU-T)的前身国际电报电话咨询委员会(CCITT)于1988年接受SONET概念并与美国标准化协会(ANSI)的TI委员会达成协议，将SONET修订后重新命名为同步数字系列(Synchronous Digital Hierarchy，SDH)，使之成为同时适用于光纤、微波、卫星传送的通用技术体制。,STM-1信号是SDH的第一级，称基本同步传送模块信号，比特率为155520kbps。STM-N信号是SDH的较高等级的同步传送模块信号，比特率是STM-1 的整数倍，等级为第N级。从STM-1起，SONET与SDH在比特率上完全兼容。帧结构如图7-6所示。其中SOH称为段开销，是在STM-N帧结构中安排的一些辅助信息，以保证信息的灵活有效传输，主要用于网络运行的操作维护和管理，包括再生段开销（RSOH）和复用段开销（MSOH）。RSOH终结于再生器和复用器，可以由再生器接入，也可以由终端设备接入。MSOH透明地经过再生器，终结于终端设备，其只能由终端设备接入。,AU-PTR(Administration Unit Point):称为管理单元指针，其作用是指示净负荷在帧内第一个字节的位置。图7-6 SDH帧结构,SDH的帧传输时，按由左向右，由小到大的顺序排成串型码流依次进行。每帧传输时间为125S，每秒传输1/125106=8000帧。对STM-1而言，每帧能传输的比特数为8(27091)=19940b，则STM-1的传输速率为194408000=155.52Mb/s，而STM-4为622.080Mb/s、STM-16为2488.320Mb/s。,图7-7 IP/SDH城域网拓扑结构,7.3.2 IP/SDH城域网方案,1.骨干层IP骨干层采用POS和千兆交换路由技术，构成宽带的骨干交换平台。物理传输采用SDH和DWDM技术。信息汇聚点的GSR要求:*背板速率:40Gbps 以上*POS 2.5G接口:足够多，有一定数量备份端口典型产品是CISCO公司的Cisco 12000系列。2.信息会聚层信息汇聚层是以太千兆IP线速路由交换机为骨干互连设备。信息汇聚点的千兆IP线速路由交换机要求:,*背板速率:40Gbps*吉位接口:8个*100Mbps接口:50个，可扩充到100个，支持单模 典型产品是CISCO公司的cisco catalyst6500。3.接入层根据用户需求采用如下宽带接入:(1)以太网接入；(2)基于有线电视HFC的CABLE MODEM接入；(3)ADSL技术接入；(4)无线宽带接入；(5)其它宽带接入。,Internet正迅速成为商务、娱乐、通信和信息检索的电子媒介。而基于网络的新型Intranet应用和强大的桌面电脑则推动着网络业务的指数级增长。服务供应商和企业正加紧部署分组交换基础设施，以处理迅猛增长的数据业务。Cisco 12000系列千兆比特交换路由器(GSR)是Cisco为支持服务供应商和企业IP骨干网核心而设计和开发的重要的路由选择产品。Cisco 12000系列有三种型号：Cisco 12008、12012和12016(5Tbps GSR太比特系统)，外形如图7-8所示。,7.3.3 Cisco 12000系列路由器技术,图7-8 Cisco 12000系列千兆比特交换路由器,Cisco 12008配有8个插槽，最多可以支持84个DS3、28个OC-3c/STM-1c和28个OC-12c/STM-4c或7个OC-48c/STM-16c接口。Cisco12012配有12个插槽，最多可以支持132个DS3、44个OC-3c/STM-1c和44个OC-12c/STM-4c或11个OC-48c/STM-16c接口。Cisco 12016(最新推出的5-Tbps GSR太比特系统)有16个插槽，最多可以支持180个DS3、60个OC-3c/STM-1c和60个OC-12c/STM-4c或15个OC-48c/STM-16c接口，将来还能支持15个OC-192c/STM-64c接口。,Cisco 12000系GSR产品的结构设计旨在满足当今IP核心骨干网的高带宽、高性能、多业务和多可靠性要求。Cisco 12000系列千兆交换路由器是CISCO公司的IP OVER SDH 解决方案,适用以下场合:(1)ISP骨干网；(2)电信ISP数据骨干网；(3)下一代因特网；(4)有线电视运营商；(5)建立高速数据网；(6)宽带广域骨干网；(7)宽带城域骨干网。,图7-9 Cisco 12000 GSR体系结构,Cisco 12000 GRS适合用于提供路由选择和分组转发功能，以便在整个网络中传输IP数据报。GSR的主要部件是交换机结构、GRP和LC。Cisco 12000 GSR的核心是多吉比特纵横交换机结构，优化用于提供千兆比特速率的大容量交换。交换机结构包括两种插卡：交换机结构插卡(SFC)及时钟和调度程序插件(CSC)。每个GSR机柜必须至少配置一个CSC。CSC处理发自LC的请求，分配结构接入权限并为系统中所有插卡提供参照时钟，以保证整个纵横结构中数据传输的同步。SFC从CSC卡接收调度信息和定时参考，并实施切换功能。,千兆比特处理器(GRP)提供路由选择功能，该处理器负责在网络拓扑中运行路由选择协议和生成路由选择表。该信息然后用于构建该处理器并分配给LC的转发表。此外，GPR还负责提供系统控制和管理功能。分组转发功能由每个LC执行。一份GRP计算的转发表复印件分配给系统中的每个LC。每个LC能够独立查找转发表本地复印件上收发到的每个数据报的目的地址，然后整个纵横交换结构会将数据报交换到目的地LC。,随着人们对通信容量需求的不断增加，特别是Internet业务的爆炸性增长，网络拥挤日趋严重，城域网中已逐步采用了IP/DWDM技术。传统的城域网络中采用TDM技术，它最适于64Kbps语音业务，不适于统计复用数据业务。城域网中采用IP/DWDM技术，省去了ATM、SDH层，高性能的路由器通过光ADM和WDM耦合器直接连至DWDM上，增加了带宽利用率，降低了成本。,7.4 IP/DWDM城域网技术 7.4.1 IP/DWDM技术简介,密集波分复用DWDM是指用光复用器和解复用器将多路不同波长的光波复合成一路在光纤上传输，中间用光放大器，接收端在用解复用器将多路不同波长分离。早期的波分复用使用1310nm和1550nm两个窗口，两个相邻波长之间的距离在400GHz以上，在1550nm窗口内只传输2路和4路信号，这种系统称为WDM系统。目前大量使用DWDM密集型波分复用系统，DWDM技术指在当前1550nm 波段密集放置更多信道，如图7-10所示。,图7-10 光波分复用,在发送端采用光复用器（合波器）将不同规定波长的信号光载波合并起来送入一根光纤进行传播。在接收端，再由一个光解复用器（分波器）将这些不同波长承载不同信号的光载波分开，从而在一根光纤中可以实现多路光信号的复用传输。DWDM系统主要由光源、光放大器、光复用器和光解复用器组成。在ITU-T建议标准中，规定信道间隔为100GHz的整数倍。现在，人们已在试验采用50GHz和33.3GHz的信道间隔，甚至更窄，力求更充分地利用光纤的可用带宽。,对于城域网,城域网由于传输距离短（一般100公里以内），系统对单模光纤的传输衰减要求不高，也不需要使用光纤放大器。这样这可以使用1200-1700nm的宽窗口,将相邻波长间隔放宽到10或20nm同样可以构成数十路的波分复用系统，这就是粗波分复用（CWDM）系统。CWDM系统虽然成本较低，但也能和DWDM一样支持多业务接口，例如可提供SDH接口实现IP/EthernetoverSDH，可为路由器和ATM交换机提供光纤直连接口实现IP/Ethernet over Optical等等。,CWDM和DWDM区别如下。(1)CWDM光波通道间距较宽，同一根纤上复用光波长数比DWDM少，粗与密集称谓的来由就在于此。(2)CWDM光调制采用非冷却激光，用电子调谐；而DWDM采用的是冷却激光，用温度调谐。由于在一个很宽的光波长区段内温度分布很不均匀，因此温度调谐实现起来难度很大，成本也很高。CWDM避开了这一难点，因而大幅降低了成本，目前CWDM系统成本一般只有DWDM的30。CWDM系统的功耗和物理尺寸均比DWDM系统的小得多。,1.第一代IP over Point-to-Point DWDM第一代IP/DWDM与10G以太网在WAN技术相似，把IP包转换成SONET格式的帧，使IP能在SONET网络上运行，应用方式如图7-11示。图7-11 IP over Point-to-Point DWDM,7.4.2 IP/DWDM城域网方案,主要特性:*静态路由*网络拓扑要求是固定的*管理是典型的集中式*使IP和WDM层之间的交换减少到最少 主要产品是Cisco早期开发的GSR12000等。它们还可以通过集群并行工作构成太位路由器。,2.第二代IP over Re-configurable DWDM第二代IP/DWDM应用DWDM Cross-connects(OXC)技术，使更多的带宽使用效率和IP路由界面利用，有新的设备运行保护和直接还原到光学层，所以不用SONET层为中介，应用方式如图7-12所示。图7-12 IP over Re-configurable DWDM,主要特性:IP路由与DWDM Cross-conects端口相连接，有3种模型：Overlay model、Integrated model(MPLS)、Peering model。第一种是静态路由，后两种是动态路由，由硬件和软件来支持。主要产品是Lucent公司的NX64000波长路由器其交换机构容量达6.4Tb/s。采用专利的双路径数据处理和包管理共享存储器构成集中的交换机构。Nortel AVICI 太位交换路由器采用分布流水线式交换机构，其容量可以从2.5Gb/s 扩展至5.6Tb/s。Cisco的ONS15900波长路由器以及CORVIS的CoreWave光路由器。,3.第三代IP over Switched DWDM第三代IP/DWDM中操作的是每个包的交换，不是简单的入口和出口光路。主要有Optical Bust Switching(OBS)、Optical Label Switching(OLS)这两种技术。和以前技术相同的是，这些技术都要依靠电处理包头来控制交换动作。,目前城域DWDM技术存在的主要问题如下。(1)成本问题，城域网中使用了大量的分插复用器（OADM），每个分插复用器引入了一定的损耗，所以在城域网中往往必须使用光放大器，使费用大大增加。(2)技术问题，DWDM城域网中需使用大量的OADM，为对网络进行灵活的控制，OADM应是可编程的，可以用软件进行控制。(3)兼容性问题，目前DWDM网络的标准还没有完全制定，多个厂家设备之间的互连还存在问题。,MPLS来源于Ipsilon公司的IP交换、Cisco公司的标记交换、IBM公司的ARIS和其他一些建议，将某种在面向连接的ATM和帧中继网络中出现的传输流工程带到无连接的IP网络。其理念是将IP传输流分配到多条路由上，代替由边界网关协议这类内部网关协议找到的单一路由，从而实现避免拥塞、故障或者特殊类型的服务，并保证服务质量(QoS)。MPLS通过每一个节点的标签交换来实现包的转发。MPLS可以不改变现有的路由协议，可以在多种第二层的物理媒质上实施，目前有ATM、FR(帧中继)、Ethernet以及PPP。,7.5 IP城域网QOS,通过MPLS，第三层的路由可以得到第二层技术的很好补充。充分发挥第二层良好的流量设计管理以及第三层Hop-By-Hop路由的灵活性，实现端到端的QoS保证。1.MPLS网络的工作原理MPLS网络包含一些基本的元素。在网络边缘的节点被称作标签边缘路由器(ELSR)，而网络的核心节点就称为标签交换路由器(LSR)，如图7-13示。ELSR节点在MPLS网络中完成的是IP包的进入和退出过程，LSR节点在网络中提供高速交换功能。在MPLS节点之间的路径就是标签交换路径(LSP)。一条LSP可以看作是一条贯穿网络的单向隧道。,图7-13 MPLS网络结构,MPLS的工作流程可以分为几个阶段，即网络的边缘、网络的中心以及单跳路由(Hop-by-Hop)或者显式路由三个阶段。(1)网络的边缘 当IP数据包到达一个ELSR，MPLS第一次应用标签。首先,ELSR要分析IP包头的信息，并且按照它的目的地址和业务等级加以区分。在ELSR，MPLS使用了转发对等级别(FEC)这一概念来将输入的数据流映射到一条LSP上。简单地说，FEC就是定义了一组沿着同一条路径有相同处理过程的数据包。这就意味着所有FEC相同的包都可以映射到同一个标签中。,对于每一个FEC，ELSR都建立一条独立的LSP穿过网络,到达目的地。数据包分配了一个FEC后，LER就可以根据标签信息库(LIB)为其生成一个标签。标签信息库将每一个FEC都映射到LSP下一跳的标签上，如果下一跳的链路是ATM，则MPLS将使用ATM VCC里的VCI作为标签。转发数据包时，ELSR检查标签信息库中的FEC，然后将数据包用LSP的标签封装,从标签信息库所规定的下一个接口发送出去。,(2)在网络的核心 当一个带有标签的包到达LSR时，LSR提取入局标签，同时以它作为索引在标签信息库中查找。当LSR找到相关信息后，取出出局的标签，并由出局标签替代入局标签，从标签信息库中所描述的下一跳接口送出数据包。(3)网络的边缘 数据包到达了MPLS域的另外一端。在这一点，LER剥去封装的标签,仍然按照IP包的路由方式将数据包继续传送到目的地。,2.IP网络 QoSIP网络上多媒体业务的出现对IP环境中的服务质量(QoS)提出了更高的要求。Internet上的分组话音和传真业务极大地降低了成本，使通信产业发生了彻底的变化。所有这些实时多媒体应用所需要的QoS远比目前Internet可以提供的尽力而为的服务等级保证要高。目前，Internet 远远不能提供企业所需要的且已经在其专用网络中习惯的可靠性和性能。商业客户在安全性、可预测性、可测量性等方面得到保证之前,还不大可能把关键业务的数据、话音和多媒体应用放到公用IP网络上。IP QoS就是在这种环境下应运而生的。,IP QoS是指IP的服务质量，是指IP数据流通过网络时的性能。它的目的就是向用户的业务提供端到端的服务质量保证。它有一套度量指标,包括业务可用性、延迟、可变延迟、吞吐量和丢包率。IP QoS在可预测、可测量性方面比传统IP有了很大提高，基本解决了商业用户的需求，因而势必可以吸引更多的商业用户，形成一个新的利润增长点,带来可增值的业务种类。另外，IP QoS还带来了更高效的带宽使用率等。因此可以说IP QoS将是今后一段时间促进IP网络增长的关键技术。,QoS可以用一系列可度量的参数来描述。(1)业务可用性:用户到Internet业务之间连接的可靠性；(2)延迟:也称为时延(Latency)，指两个参照点之间发送和接收数据包的时间；(3)可变延迟:也称为抖动(Jitter)，指在同一条路由上发送的一组数据流中数据包之间的时间差异；(4)吞吐量:网络中发送数据包的速率，可用平均速率或峰值速率表示；(5)丢包率:在网络中传输数据包时丢弃数据包的最高比率。数据包丢失一般是由网络拥塞引起的。,IP QoS主要内容如下。(1)IP QoS的综合业务结构Int-Serv；(2)IP QoS的业务区分结构Diff-Serv；(3)IP QoS的流量管理；(4)IP QoS的实现。,1.ISP系统-ISP Systems 思科Metro IP解决方案正在帮助Internet服务供应商突破传统SONET/SDH 基础架构的限制利用IP的强大功能，满足新一代节点内（Intra-POP）、交换点（Exchange Point）和服务器库/存储应用不断增长的带宽和业务需求，如图7-14示。目前，思科7200/7500和思科12000系列以及思科ONS 15194 IP传输集中器均可提供ISP解决方案，适用于622Mbps/2.5Gbps 环境。这些解决方案可随时扩展到10Gbps甚至更高。,7.6 思科Metro IP解决方案,图7-14 Cisco城域 ISP系统,2.地区城域系统Regional Metro Systems 利用OC-48/STM-16和OC-12/STM-4速度的思科12000互联网路由器及动态分组传输(DPT)技术，思科可提供旨在将互联网和IP的强大功能应用到城域中的地区城域系统，如图7-15示。地区城域解决方案可用于支持IP传输(通过裸光纤、WDM及SONET/SDH)、有线MSO及企业/园区MAN 网络系统。,图7-15 Cisco地区城域IP系统,3.城域接入系统-Metro Access Systems 思科公司通过思科10722系列产品提供独特的Metro IP接入解决方案，帮助服务供应商利用互联网边缘的强大功能、通过直接以太网连接为多住户用户提供城域接入网IP业务，同时为他们提供边缘可编程性，如图7-16示。,图7-16 Cisco城域接入网系统,1.从技术上讲，宽带IP城域网有哪几种模式?2.什么是IP/optical技术，该技术有什么优点?3.什么是POS技术?4.试画出IP/SDH宽带IP城域网的拓扑图。5.简述IP/DWDM技术的发展过程。6.IP/DWDM和IP/CWDM技术有何不同?7.Qos是什么?8.宽带IP城域网中如何提供Qos?,思考题,