下一代互联网

下一代
Internet 技术
江苏省公众多媒体通信局    腾志猛
人们在享受Internet网络所带来的方便的同时，其响应速度和稳定性的不足却越来越成为问题，尽管现在宽带主干速率已能达到622Mbps,但通过局域网接入Internet的电脑之间，其公共Internet的其端到端速率只有40kbps,仅相当于一对Modem之间所能达到得数据传输速率。实际上，这比Internet的前ARPANET还要慢一些（ARPANET的速率为56kbps)。因此有必要建立下一代互联网。
下面是内容目录：
Internet II
2.下一代互联网
3.极高速骨干网业务
4. 太兆位
5. IP over ATM
6.POS技术
7. IntServ、Ipng 和 QoS over IP
一.Internet II
鉴于目前的Internet远远不能满足高等教育的需要，1996年10月1日，美国34所著名大学在芝加哥发起了一个开发用于科研.教学的下一代 Internet项目，称为InternetII，据称比现在的Internet快100倍，拟采用现今的网络技术与协议,促成与开发一系列新应用，以确 保美国在计算机,通信，科技，教育上的领先地位。
Internet II的总体结构中最重要的组成单元是一些速率在1Gbps以上的数据交换机或路由器，他们被称作Gigapop。它的主要功能是按规定的带宽和服务质量要求交换Internet II业务，并与那些在Gigapop上有终接点的ISP交换标准的IP业务。目前已定出21个Gigapop，平均每个Gigapop连接本地区的5个Internet 2成员。逻辑上，Gigapop是一个地区的互联网，Gigapop之间用ATM或SONET连接，链路只承载Internet 2网点之间的业务。Internet II是一种2.4Gbps多媒提通信网，主要用于教育和科研。
二 下一代互联网
在Internet II项目提出之后，立即得到美国政府，教育，科研和工业界的重视。随后，克林顿政府提出了下一代Internet初期计划，政府出资1亿美元的项目与高性 能计算机与通信，信息技术一样是克林顿政府信息高速公路计划中的重要项目。白宫下一代Internet（NGI）倡议计划在美国国家科学和技术委员会框架 内协调。高级战略将由计划，信息和通信委员会提出，大规模网络工作组将提出实施战略。到1997年秋，研究机构已演示了5种“前期应用”，NGI的研究工 作主要涉及协议，开发，部署高端实验网以及应用演示，其中某些目标将通过Internet 2或超高带宽网络业务（VBNS）来实现。
在所有倡议的计划中，NGI可以说是最领先的，尤其是DARPA和国防部投资的一级网络（Class 1),已经对网络技术的适应性进行了实验。其中有些网络甚至与TCP/IP没有关联，这些网络包括：
* 合作型高级机构间科研网（CAIRN），它为全美国范围内的科研人员提供进行（RSVP），多路广播和其他IPv6协议实验，使用一套Ascend千兆路由器；
* 国家透明视觉网络协会（NTONC）计划用4000万美元在加利福利亚建立一个实验网，作为光通信技术的实验平台，并平谷部件性能。这些技术的进展将最终建立一个传输速率达10-100Tbps的网络，带宽将超过目前计划中的任何一个网络；
* 多波长光网络（MONET），将从华盛顿延伸到新泽西，旨在弄清怎样建立一个多波长的全国性光网络；
* 高级技术演示网（ATDNet）， 最初是华盛顿的一个2.4Gbps网络，目的是使联邦机构利用新的异步传送模式（ATM） 和同步光纤网（SONET）技术；
* 高级通信技术卫星ATM网间网，连接美国国防部几个高性能计算中心和多维应用千兆网间网联合体（ MAGIC）和ATDNet千兆试验网，研究课题包括网络信令，阻塞管理，ATM和IP多路广播以及连接非ATM局域网的网关。
三 极高速骨干网业务
在NGI和Internet II 之前，美国国家科学基金会（NSF）就开始运作对用户提供超过商用Internet性能的联网业务。NSF的初衷是建立一个集成各种高科技技术的专用网， 即VBNS。主要想美国的研究和教育机构提供骨干网业务，进行一些高带宽、广域环境需求的应用和实验、研究和开发更高级的网络技术、协议。
VBNS主要包括骨干网、超级计算机中心和网络接入点三部分。1995年春，NSF就VBNS与MCI公司签定了价值5000万美元的5年合作协议，允许 VBNS使用MCI的ATM网络，该网络于1995年4月起投入运行。它使用IP协议和SONET技术，速率为155Mbps。以155Mbps 连接五个由NSF授权的超级计算机中心，将扩展到100个研究机构，并在四个地方设立了网络接入点，连接一些商业性的骨干网。这些网络接入点分别由不同的 公司运营和管理。到1997年秋，VBNS已拥有约23km的622Mbps链路，同时还提供交换虚电路（SVC）。MCI正计划把IPv6、带宽预留业 务、IP多路广播等用于VBNS。
目前，VBNS对Internet II 提供骨干网服务。其规模还在不断扩大，它的骨干网速率计划在本世纪末达到2.4Gbps。各交换控制中心（SCC）和网点的接入速率也不断提高，与VBNS连接的网点数以及研究和教育机构的数量也将不断增加。
四  太兆位
美国的研究机构正在讨论为50到100 个顶尖级研究人员提供约10Gpbs网络。领先的技术开发机构已在一条光纤上实现了40-60Gbps的传输速率，但据BBN/GTE公司研究，光纤传输 的理论极限高达100Tbps, 比目前实现的能力快2000倍，比实验室的实验极限高100倍。在下一个十年中，光纤传输速率的挖掘将是研究的焦点。例如 Owest将花19亿美元建2.5万公里全国性光网络，level 3将花25亿美圆2.5万公里全国性光网络，Global Link将花12亿美圆建2.5万公里全国性光网络，William COS已计划建3.5万公里全国性光网络。由于采用最新的技术，新一代IP传输技术的容量将比传统的大10-100倍，成本却是10-50%，建设时间也 只需3年。根据3COM公司的资料，在2002年将吸收80%的IP业务。
五、IP over ATM
随着用户数的剧增和对带宽要求较高的WWW应用的普及，网上的信息流量持续增加，网络的带宽资源变的十分紧张，网络上经常发生阻塞，用户业务质量得不到保证，长此以往必将影响Internet 的发展。ATM技术的出现，为解决现有Internet 所面临的问题提供了希望。ATM与IP技术的比较如表1所示：
表1        ATM与IP技术比较
传送网络 主要优点 主要缺点 所支持的其他业务 传输格式 帧首部
IP 可以通达每个桌面 无服务质量   话音 数据包长度可变，，范围为40字节-64，000字节 40字节
ATM 多服务等级 固定信源长度使数据传送效率不高 话音、IP、帧中继、X.25和租用专线 53字节 5字节
在ATM网络上支持Internet ，实际上是如何在ATM网上支持TCP/IP协议的问题，ATM技术与传统局域网的某些重要特征是相冲突的，不能直接支持现有的TCP/IP协议，主要表 现在两个方面：一是IP技术是面向无连接的，而ATM技术是面向连接的；二是IP协议有自己的寻址方式和相应的选路功能，而ATM技术也存在其相应的信 令、选路规程和地址结构。为了解决这些问题，目前已提出了许多方法，包括IETF定义的CIPOA（Classical IP Over ATM)和ATM Forum 定义的LANE（LANEmulation)与MPOA（Multi-Protocol Over ATM)等。另一类称为集成型，包括Ipsilon公司的IP Switching、Cisco公司的TAG Switching、IETF定义的MPLS等。表2给出了重叠型和集成型几种技术的比较：
表2    重叠型和集成型的几种技术的比较
重叠型                 集成型
LANE CIPOA
MPOA IP交换 标记交换 IP导航器 MPLS
可扩展性    低    低    高    低    高    高    高
地址解析 要求、需要隐含管理协议                 不要求
组播 支持   不 支持                  支持
QoS保证   不   不 支持                   是
支持纯ATM业务   否   否   是         否    是    是    是
支持VLAN   否   否   是    否    否    否    是
网络环境 校园网企业网 校园网企业网 校园网企业网 校园网企业网 广域网   广域网 广域网
重叠型是指IP网络的主干部分引入了ATM交换，IP网的其他部分仍然是路由器，ATM网络与现有IP网重叠。IP的路由协议由IP路由器来实施，ATM 网络需要实施ATM路由协议，在寻址方式上需要进行地址解析。IP路由器和ATM交换机在功能上是分离的，ATM网络作为IP网的骨干传送。ATM网上的 端系统除了需要分配IP地址外，还需要分配ATM地址。另外需要两套维护和管理功能。
集成型是将IP协议与ATM层集成在一起，使得ATM交换机与IP路由器成为一体，不需要进行地址解析，而采用IP的选路。
如何将IP技术和ATM技术结合，是一个有待不断网善和创新的网络技术问题。LANE和CIPOA各有优缺点，应用场合和环境也不尽相同。大网采用 CIPOA时，逻辑子网间的一个连接的建立和数据的传送要经过多个传统路由器，时延大，性能不好。而采用LANE的ATM网络则受LES、BUS以及 LEC能力的限制。目前LECS最多可服务250个ELAN，每一个ELAN可容纳的主机数为500到1000。且多个ELAN间的通信仍然需要经由传统 的路由器，极大地限制了网络的整体性能和可伸缩性，大网不宜采用。
MPOA综合利用现有的多种协议，克服了LANE在性能和可伸缩性方面的局限，保留了LANE的所有优点。它允许ATM主干网支持传统的网络层协议和应用 程序，是比CIPOA和LANE更为先进的ATM/LAN互连技术。但它取决于LANE“ATM到桌面”，且比较复杂，应用范围受到限制，只适用于中小型 网络，目前标准还不十分完善。
IP Switching 是基于流的IP交换，这种方式对每一种流（或应用）要建立一条虚电路，也就是不能采用VP来汇聚多个VC，对大网来说VC数量不够，因而可伸缩性差，只适用于中小型网络。而且，IP Switching一般要交换一段时间后再建立ATM VC连接，这不适合实时业务对时延的要求，并会导致接收端IP分组次序混乱，影响网络的效率。TAG Switching 是基于网络拓扑结构的IP交换，这种方式对每一对源点目地地点存在一个（或多个）VP，即可以利用VP的优点，建立连接快，可伸缩性高，使用于较大型网络。但由于目前的技术都是基于PVC的，网络资源利用率较低，且管理复杂。IP Navigator还有待于进一步测试。其他技术，特别是MPLS技术还有待于进一步完善。
要充分发挥ATM技术的优势，并把纯ATM服务带给终端用户，必须使终端用户的协议体系结构从物理层、ATM层、AAL层和高层全盘ATM化，但造价很 高。这只能是ATM技术发展的一个远景目标。而近期在决定使用哪种解决方案时，首先应考虑现有网络的基础结构。在用户需求和网络规模不是很大的时候，考虑 到目前技术水平、产品情况以及向将来的平稳过渡，可暂时采用LANE技术，不过要妥善解决ELAN服务范围问题，要结合使用有效的宽带接入方法，扩大一个 ELAN的覆盖范围。随着MPOA和IP交换技术标准的完善，谁将作为交换网络的主导技术，目前还言之过早。
六、 POS技术
IP是面向无连接的协议，属于网络层协议，而Sonet/SDH是物理层协议。为了实现IP技术和SDH技术的直接结合，IETF的RFC1619定义了 一个数据链路层PPP over Sonet/SDH,其基本原理是路由器将数据包经PPP封装或HDLC封装后，再置于Sonet/SDH帧的净负荷字段，然后由SDH光纤环传送到下一 个路由器。当数据包长度大于SDH帧的净负荷字段，数据包需要跨越两个SDH帧时，SDH提供连接多个帧的技术。由于采用了光传输技术和SDH标准，因此 POS（Packet Over Sonet/SDH)可以在单端口上提供STM-1（155Mbps）、STM-4（622Mbps）、STM-16（2.5Gbps）的带宽，甚至可以 提供STM-64即10Gbps的带宽，达到大幅度增加带宽的目的。
在Internet或IP数据网中，POS技术与其他传输方式相比，由于直接把要传输的数据包装在SDH帧的净负荷字段中，避免了像ATM那样高比例的信 头开销和其他开销，并且在IP层实现不同数据流对数据通道的复用，因此，它能提供较高的带宽利用率，如表3所示。一般来说，POS要比IP-ATM- SDH方式的线路使用率提高25-30%。在耗资巨大的广域网链路中，POS技术可以替代将IP包引入ATM信元，再将信元插入Sonet/SDH净负荷 字段的方法。
表3    封装技术的平均开销
封装技术
平均开销
PPP    2.3%
FR    3.5%
SNAP/LLC（IPOA）    24%
VC复用    18.1%
由于POS技术采用了PPP协议，可以对现有的多种成熟的网络协议（如IP、IPX）进行封装，支持多协议传送。特别是在IP网中，IP多路广播已经是一项成熟的技术，POS对现有的Internet网络结构没有大的改变，因此可以很容易地继承这个优势。
POS组网的核心是新型千兆路由器，因此POS技术的发展与高速路由器的发展息息相关。在国外，POS技术也开始得到广泛应用。CHINANET骨干网、 上海热线、武汉热线、广东163/169、江苏163/169等都已经或即将采用POS技术，以GSR12000作为骨干器路由器，相互以622Mbps 的POS端口连接，并在可能的地方以POS与7513路由器连接。