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IP over SDH技术的优势与挑战是什么?

核心概念:IP over SDH 是什么?

IP over SDH,通常也被称为 POS (Packet over SDH/SONET),是一种将 IP 数据包 直接封装进 SDH(同步数字体系,Synchronous Digital Hierarchy) 帧结构中进行传输的技术。

IP over SDH技术的优势与挑战是什么?-图1
(图片来源网络,侵删)

它的核心思想是:让IP数据包“搭乘”上SDH这条“数字高速公路”进行高速、可靠的传输。

  • IP (Internet Protocol):网络层协议,是互联网的核心,负责数据包的路由和转发,它不关心物理层的传输方式。
  • SDH (Synchronous Digital Hierarchy):一种基于光纤的、同步的数字传输技术,它提供了一条非常稳定、高速、有严格定时机制的数据通道,可以把它想象成一个标准化的、高速的货运火车系统,每一节车厢(帧)的大小、位置都是固定和同步的。

在IP over SDH出现之前,IP网络 over SDH 通常需要经过中间环节:IP -> ATM -> SDH,而POS技术则去掉了这个中间的ATM层,实现了更直接的映射。


工作原理:数据是如何“搭乘”的?

IP over SDH 的关键技术在于 封装映射 过程,这个过程主要遵循 RFC 2615RFC 2616 等标准,具体步骤如下:

  1. IP数据包的封装

    IP over SDH技术的优势与挑战是什么?-图2
    (图片来源网络,侵删)
    • 将标准的IP数据包(如IPv4或IPv6)进行简单的封装。
    • 封装格式通常是 PPP (Point-to-Point Protocol, 点对点协议),这样做的目的是:
      • 提供帧定界:PPP协议有特殊的起始和结束标志,方便接收方识别一个完整的数据包。
      • 提供链路层控制:如LCP(链路控制协议)用于建立、配置和测试数据链路连接。
      • 提供网络层协议协商:通过NCP(网络控制协议)来确认上层承载的是IP协议。
    • 这个过程形成了 PPP帧
  2. HDLC-like帧的形成

    • 将PPP帧进行进一步的处理,形成一个类似于 HDLC (高级数据链路控制) 的帧结构。
    • 这个帧在PPP帧的头部和尾部增加了 零比特插入/删除 机制,这是为了确保在传输的数据流中不会出现与帧起始/结束标志相同的比特序列,从而保证帧的同步性。
    • 这个过程形成了 PPP/HDLC帧
  3. 映射到SDH容器

    • 将已经成型的PPP/HDLC帧,通过字节同步的方式,映射 到SDH的容器中。
    • SDH有不同的传输速率等级,对应不同的容器。
      • STS-1 (51.84 Mbps):PPP/HDLC帧被映射到C-11容器中。
      • STM-1 (155.52 Mbps):通常由3个STS-1复用而成,或者直接将PPP/HDLC帧映射到C-12容器中,再复用到VC-3,最终映射到STM-1。
      • STM-4 (622.08 Mbps)STM-16 (2.488 Gbps) 等:速率更高,映射原理类似,只是将数据流复用到更高阶的容器中。
  4. SDH帧的传输

    • 被装满数据的SDH容器,加上相应的段开销通道开销,形成完整的SDH帧(如STM-N帧)。
    • 这个帧结构化的光信号,通过光纤在广域网中传输,沿途的SDH设备(如ADM、DXC)可以根据开销字节进行信号的中继、分插、交叉连接等操作。

简化流程图: IP数据包 -> 封装成PPP帧 -> 封装成PPP/HDLC帧 -> 映射到SDH容器(C-n) -> 加上开销形成STM-N帧 -> 光纤传输

IP over SDH技术的优势与挑战是什么?-图3
(图片来源网络,侵删)

主要优点

  1. 高带宽利用率

    相比传统的“IP over ATM over SDH”方案,POS去掉了ATM层,ATM信元头(5字节)相对于其48字节的载荷,有超过10%的开销,而POS的PPP/HDLC开销相对较小,尤其是在传输大IP包时,带宽利用率更高。

  2. 协议层次简单,效率高

    减少了协议栈的层次(去掉了ATM层),降低了数据包的处理延迟和复杂性,数据包在路由器和SDH设备之间的转发更加直接和迅速。

  3. 点到点链路,技术成熟

    • SDH本身是为提供高质量、高可靠性的点到点传输而设计的,POS技术完美利用了SDH的这些特性,如:
      • 强大的OAM(操作、管理和维护)能力:通过丰富的开销字节,可以对链路进行性能监控、故障定位和保护倒换。
      • 快速的保护倒换:SDH的MS-SPRING(复用段共享保护环)可以在50毫秒内完成故障切换,业务中断感知不到。
      • 定时同步:SDH网络可以提供非常精确的时钟信号,这对于某些需要严格同步的应用(如移动基站回传)至关重要。
  4. 支持多种上层协议

    虽然主要用于IP,但PPP理论上可以封装多种网络层协议,具有一定的灵活性。


主要缺点

  1. 缺乏统计复用能力

    • 这是POS技术最大的局限性,SDH是为电路交换设计的,它为每个连接分配固定的、独占的带宽(如一个155M的STM-1链路,你租用了50M,那么这50M就永远属于你,即使没有数据传输)。
    • 而IP是分组交换,具有统计复用的特性,多个突发性的数据流可以共享一条链路,从而提高整体带宽利用率。
    • POS技术没有充分利用IP的统计复用优势,对于流量突发性强的数据业务来说,可能会造成带宽浪费。
  2. QoS能力有限

    SDH本身主要提供“尽力而为”的传输服务,虽然可以通过一些虚容器来提供不同的优先级,但其QoS能力远不如后来的MPLS(多协议标签交换)技术精细和灵活,POS本身对IP包的QoS(如DiffServ)支持较弱。

  3. 扩展性不如MPLS

    POS技术本质上是将IP包直接“塞”进SDH管道,缺乏像MPLS那样的标签交换机制,MPLS可以更灵活地进行流量工程、快速重路由和VPN服务等,这是POS无法比拟的。


应用场景与演进

尽管有其局限性,POS在历史上扮演了至关重要的角色:

  • 互联网骨干网:在21世纪初,当互联网流量爆炸式增长,而ATM技术显得复杂和低效时,POS技术成为构建高速IP骨干网的首选方案,各大运营商用它来连接核心路由器,实现了从155M、622M到2.5G、10G甚至40G的平滑升级。
  • 城域网核心:在城域网的核心层,用于连接大型汇聚路由器和数据中心。

演进与替代:

随着技术的进一步发展,POS逐渐被更先进的技术所取代,最主要的是 MPLS over SDH (或称为MPLS-TP)IP over DWDM (Packet over DWDM)

  1. MPLS over SDH

    • 结合了MPLS的灵活性和SDH的可靠性,它在IP层和SDH层之间加入了MPLS层。
    • 优势:既能利用SDH强大的OAM和保护能力,又能通过MPLS实现精细的流量工程、QoS保障和VPN服务,完美弥补了POS的不足,这成为了当时运营商承载网的主流技术。
  2. IP over DWDM (Packet over DWDM)

    • 这是目前最主流的技术,它跳过了SDH/SONET层,将IP/MPLS数据包直接映射到DWDM(密集波分复用)的光层上传输。
    • 优势
      • 极致的带宽效率:DWDM可以在一根光纤上同时传输几十甚至上百个不同波长的光信号,带宽潜力巨大(Tbps级别)。
      • 成本更低:省去了昂贵的SDH/SONET设备(如ADM、DXC),大大降低了网络建设和运维成本。
      • 协议简化:网络结构更扁平,IP/MPLS直接与光层交互,效率更高。

特性 IP over SDH (POS) IP over ATM (传统方案) IP over DWDM (现代方案)
核心思想 IP包直接封装进SDH帧 IP包封装进ATM信元,再映射进SDH IP/MPLS包直接映射进DWDM光层
优点 带宽利用率高、协议简单、SDH的可靠性和OAM 提供QoS和统计复用 带宽极高、成本极低、网络扁平化
缺点 缺乏统计复用和精细QoS 协议复杂、开销大、效率低 对光层同步和OAM要求高
历史地位 从ATM向纯IP演进的关键桥梁,是21世纪初IP骨干网的核心技术 在POS之前是主流,用于提供综合业务 当前绝对主流,是现代高速互联网的基石

IP over SDH 是一个承前启后的重要技术,它成功地解决了IP网络在广域高速传输中的难题,推动了互联网的第一次大规模高速化,虽然现在它已被更先进的技术所取代,但理解其原理和工作方式,对于掌握网络技术的发展脉络至关重要。

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