IP技术基础及其在有线电视网络中的应用

zjol

2002-7-15
邓永红··天极商务应用

　　随着全球互联网（Internet）的迅猛发展，上网人数正以几何级数快速增长，以因特网技术为主导的数据通信在通信业务总量中的比例 迅速上升，因特网业务已成为多媒体通信业中发展最为迅速、竞争最为激烈的领域。二十一世纪是信息产业持续发展的时期，IP技术使得信息汇集和现有网络整合成为可能，IP over everything已成为无可争辩的事实。

　　一、IP协议的概念

　　IP（Internet Protocol）网模式即互联网方式，在因特网中采用TCP/IP协议簇进行数据传送，IP协议是TCP/IP协议（传输控制协议/网际协议）簇中两个最重要的协议之一。IP协议以信息包为基础，位于OSI七层模型中的网络层。与IP协议在同一层中配套使用的还有三个协议：即地址解码协议ARP（Address Resolution Protocol）；逆地址解码协议RARP(Reverse Address Resolution Protocol)；Internet 控制报文协议(Internet Control Message Protocol)。

　　IP协议通过计算机网络交换数据、处理寻址、分割、拼接及协议信号分解。IP协议是所有其它IP协议套件的基础。作为网络层协议、IP包含寻址和控制允许数据报（datagram）传递的信息。

　　二、IP协议的作用

　　TCP/IP是由100多个网络传输协议构成的庞大的协议族，其中最重要的协议是传输控制协议（TCP）和网际协议（IP）。IP负责信息的实际传送，TCP负责保证所传送信息的正确性，在实际传输过程中，TCP/IP主要完成以下功能：首先，TCP协议把数据分成若干个数据报，并将每个数据报加上一个TCP报头（形象称为信封）写上数据报的编号，以便在接收端把数据还原成原来的格式；之后，IP协议把每个TCP信封再套上一个IP信封，在上面写上接收主机的地址。有了IP，信封就可以在物理网络中传输数据了；由于传输路径的不同，可能会出现顺序颠倒，数据丢失或重复，这些由TCP协议来处理，它具有检查和纠错的功能，必要时还可以请求重发。也就是说，IP负责数据的传输，TCP负责数据的可靠传输。

　　三、IP地址及其表示方法

　　IP地址表示IP数据报将要发送到的位置，其实就是连接到Internet上的主机分配的一个全世界范围内唯一的32比特地址，分为A、B、C、D、E五类，常用的A类、B类、C类地址都是由网络号字段（net-id）和主机号字段(host-id)两个字段组成。某些IP地址保留为特殊用途，不能用于主机、子网或网络地址。掩码用来识别IP地址中网络号的位数。当使用掩码确定一个网络中的子网时，这个掩码就认为是子网掩码(Sub Net Masking)，它的用途就是通知TCP/IP主机，32位的IP地址的哪些位对应网络地址，哪些位对应主机地址。子网的划分是由于当初IP地址的设计存在很多不合理的地方，使得各类网络和主机的使用数量存在很大的差别并且庞大和不好管理，IP地址使用时也会造成很大浪费。而且IP地址的这种编址方法还存在着许多缺陷，最明显的就是地址是指向网络连接，而不是某台主机。通过子网划分，即将一个大的网络划分成若干相对较小的网，并用路由器连接，可以更大程度地利用网络带宽，很好地解决以上问题。

　　IP地址一般采用点分十进制表示法来表示，即将32位比特的IP地址分成4个8比特，再用其等效的十进制数字来表示，并在这四个数字之间加上一个点，这就是点分十进制表示方法(dotted decimal notation)。 四、IP地址与物理地址

　　IP地址是网络层以上使用的地址，在数据链路层以下使用的则是物理地址。物理地址是在单个网络中对一台计算机进行寻址时使用的地址。在局域网中，物理地址已固化在网络适配器的ROM中，因此将物理地址称为硬件地址或MAC(Media Access Control，介质访问控制)地址。物理地址有两种，分别是以以太网的巨大而固定的物理地址和局域网的小而易于配置的物理地址为代表，对于后者其地址转换是通过直接映射进行的，非常简单。以太网的物理地址与IP地址之间的转换，则非常复杂。IP地址放在IP数据报的报头（header），而MAC地址是放在MAC帧的报头。每个IP数据报都有一个报头，它是一个比特序列，用于标记数据报以及控制该数据的管理方式。

　　在IP层抽象的互联网上，大家看到的只是IP数据报，在IP数据报的报头记录着该数据报的源IP地址和目的IP地址，中间经过的路由器的IP地址不记录在IP数据报的报头中，而且路由器只根据目的IP地址进行选路。在具体的物理网络上的链路层，大家看到的就是MAC帧，在不同的网络上进行MAC帧传送时，其报头是不同的。

　　五、IP路由器

　　路由器（ROUTER）是Internet中最为重要的设备之一，当数据从一个网络传输到路由器时，路由器需要根据所要达到的目的地，为其选择一条最佳路径，指明数据应该沿着哪个方向传输。如果所选路径比较拥挤，路由器负责指挥数据排队等待。

　　一个路由器并不连接所有站点，它只连通相邻的站点，信息是由路由器一个一个站点转送达到目的地。路由器的基本功能和操作流程是：首先，识别网络层地址和选择路由，也称打包。当路由器接到接收到一个信息包时，先将链路层所加的包头去掉，只看网络层地址，根据目的站点的地址确定目的网络号，查找路由表，找出与目的网络号对应的本路由器输出接口号和下一个站点的IP地址（即下一个将接收报文的与本路由器接在同一个网络的路由器接口的IP地址）。网络接口App调用APP（地址转换协议）将下一个路由器的IP地址映射成MAC（物理）地址，再将原IP数据包封装成适合下一个网络传输的数据再重新进行转发，路由器可以根据链路速率，传输开销，时延、拥塞情况等参数优先路由。此外，路由器还可以隔离子网，连通广域网，提供安全保障和管理控制。

　　六、IP网络的特点

　　对于数据传输，IP网络具有以下特点：

　　（1）路由器根据IP数据包所含目的地址来选择路由，各数包的长度可以不同，同一用户信息的各个数据包可以选择不同的路由传送。

　　（2）路由器对输入的数据包不进行流量控制。当到达的数据包过于密集时，路由器按先来后到的原则使后到的排队等候，故路由器转发数据包的时延随业务量而变化。

　　（3）当资源不足时，就丢掉来不及处理的IP数据包。在IP的目的地，终端的TCP层会检验出IP数据包的丢失，要求源端重发，因此会出现时延。

　　（4）路由器对输入的IP数据包不纠错，接收端的TCP层发现错误后，也要求源端重发，因此也会出现时延。

　　对于会出现时延的情况，人们参考了第二层交换机的优点，发展IP层的交换，把原来由通用处理器所做的工作交由ASIC的芯片完成，将快速交换与路由结合，这就是交换式路由器。于是可以大幅度提高处理速度，使网络的利用率提高。其交换速度比传统路由器的速度高出几十到百倍，其时延和时延抖动在微秒数量级，这样可很好地解决时延问题。

　　七、基于有线电视网络的IP建网方式及其比较

　　目前，Internet通过电信拨号的接入速度极其缓慢，一般电话的Modem只能提供几十Kbit/S的传输速率，其速率和带宽不可能很好地支撑多媒体信息等宽带业务。

　　随着多媒体通信的发展，因特网接入宽带化的需求日益迫切。而有线电视网拥有丰富的带宽资源，同时，目前我国有线电视用户已经达到了8000万户，有线电视网络的里程超过了240万公里，中国已经成为世界第一大有线电视用户国。有线电视网络具有巨大的产业开发价值，构筑基于有线电视网的Internet宽带信息网，不仅仅是广大用户的企盼，更是有线电视网实现第二次腾飞的关键所在。

　　在有线电视网络中用何种技术传输IP，取决于有线电视网络所采用的传输技术。在有线电视网络中的IP传输技术有IP over ATM、IP over SDH、 IP over WDM三种形式。

　　 1． IP over ATM

　　ATM是一种高速率、低时延的多路复用交换技术。它是在分析、总结电路交换和分组交换的技术优缺点的基础上发展起来的，它融合了两者的优点，即面向连接、保证服务质量和统计复用以实现高带宽。它采用固定长度的短分组在网络中传送各种通信信息，便于硬件的高速处理，实现高速、大容量的宽带交换。而且，具有相当完善的流量控制功能和拥塞控制功能，保证带宽利用率，保证网络的安全性和可靠性。在有线电视网络中，应用ATM的流量控制可以实现视频传输的分级服务，ATM还可以实现电视节目实时的非对称传输，目前，部分省内和地市以下的有线电视传输网仍采用ATM技术。

　　IP over ATM是IP与ATM的结合，当前有两种技术方式：即重叠技术和集成技术。重叠技术是将IP网络层协议重叠在ATM之上，即ATM网与现有的IP网重叠，在ATM端点同时使用ATM和IP两种地址的映射功能，发送端在得到接收端ATM地址后，便可建立ATM/SVC连接，传送LAN数据包。集成技术是将IP路由器的智能和管理性能集成到ATM交换机形成一体化平台，仅要求标识IP地址，无须ATM的地址解析协议，简化了ATM的路由选择功能，提高了IP转发效率，同时保留了路由的灵活性。

　　IP over ATM技术的优点是可充分利用ATM的快速交换和完善的QoS功能，保证网络的服务质量；网络具有很好的扩展性和灵活性；支撑多种业务、数据、语音、视频汇集到一个网络上，为不同业务类型提供不同的服务质量QoS；有很好的网络流量管理和控制性能，表现在ATM流量控制方面非常精细，这一点对带宽是非常宝贵的、线路费用非常高的广域网来说就显得非常重要，这是目前ATM能在广域网中被广泛采用的原因之一。

　　IP over ATM技术的缺点：由于IP数据包必须映射成ATM信元，由此形成的传输开销称为“信元税”，故传输效率低；网络管理比较复杂，设备昂贵；不太适用于超大型IP骨干网。

2． IP over SDH

　　ATM能支撑多种业务曾经是它独一无二的特点，但随着IP技术的发展和网络硬件的不断完善，今天的IP已成为各种业务的核心，数据语音和视频业务都可由IP承载，ATM的优点已由IP技术取代，特别是当数据业务量超过语音和视频时，更显得ATM没有存在的必要，况且去掉ATM还可以提高传输效率。因此，IP over SDH应运而生，这一技术也极大地动摇了ATM在广域网中的地位。

　　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资询委员会（CCITT）于1988年接受SONET概念，并与美国标准协会（ANSI）达成协议，将SONET修改后重新命名为同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy,SDH）,使之成为同时适应于光纤、微波、卫星传送的通用技术体制。

　　SDH传输网是由一些SDH网络单元组成的，在光纤、微波或卫星上进行同步信息传送，融复接、传输、交换功能于一体，由统一网络管理操作的综合信息网。可实现网络有效管理、动态网络维护、对业务性能监视等功能，能有效地提高网络资源的利用率，能满足广播电视干线传输网的信息传输和交换的要求，对提高广播电视传输质量有了质的飞跃，因而SDH技术正成为广播电视领域传输技术方面的发展和应用热点。

　　IP over SDH以SDH网络作为IP数据网络的物理传输网络。它使用链路及点到点协议（PPP：Point To Point Protocol）对数据包进行封装，根据RFC1662规范把IP分组简单地插入到PPP帧中的信息段。然后再由SDH通道层的业务适配器把封装后的IP数据包映射到SDH同步净荷中，然后经过SDH传输层和段层，加上相应的开销，把净荷装入一个SDH帧中，最后达到光网络，在光纤中传输。IP over SDH，也称为PACKET over SDH （PoS），它保留了IP面向无连接的特征。

　　IP over SDH的优点是：对IP路由的支撑能力强，具有很高的IP传输效率；符合Internet业务的特点，如有利于实施多播方式；能利用SDH技术本身的环路和网络自愈合能力达到链路纠错的目的；同时又利用OSPF协议防止链路故障造成网络停顿，提高网络的稳定性；将IP网络技术建立在SDH传输平台上，可以很容易地跨越地区和国界，兼容不同技术标准实施全球联网；声略了ATM层，简化了网络结构，降低了运行成本。在有线电视网络平台上IP over SDH适用于省际网络和省内网络上的IP传输。

　　IP over SDH的缺点是：IP over SDH目前尚不支撑虚拟专用网VPN和电路仿真；在所有包交换技术中，ATM的QoS是最好的，它可以做到电路仿真，而IP over SDH技术只能进行业务分级，不能提供较好的QoS；对大规模的网络必须处理庞大、复杂的路由表，而且查找困难，路由信息占用比较大的带宽。

　　从光通信技术发展趋势看，SDH/SONET未来将让位于波分复用技术，因此，IP over SDH将最终发展成为IP over WDM（IP over OPTICAL）。

　　 3． IP over WDM

　　随着传输技术的发展，以IP业务为主对网络的进一步优化设计将是IP over WDM。

　　波分复用技术（WDM）是在一根光纤中能同时传输多个波长的光信号的一种技术，其原理是：在发送端将不同波长的光信号组合，在接收端又将组合的光信号分开送入不同的终端，这意味着，原来只能采用一个波长作为载波的单一信道，变为数个不同波长的光信道同时在光纤中传输，从而使光通信的容量成倍提高。WDM技术的实现主要由波分复用器来完成。波分复用器是一个无源光学器件，器件结构简单、体积小、易于和光纤耦合。WDM系统有三种基本结构，即光多路复用单向单纤传输，光多路复用双向单纤传输和光分路插入传输。组网灵活，对开发带宽新业务，充分挖掘和利用光纤带宽的能力，实现高速通信具有十分重要的意义。

　　IP over WDM就是让IP数据包直接在光路上跑，减少网络层之间的冗余部分。由于省去了中间的ATM和SDH层，其传输效率最高，节省了网络运行成本，同时也降低了用户的费用，是一种最直接、最经济的IP网络结构体系，非常适用于特大型骨干网。

　　IP over WDM具有以下优点：充分利用光纤的带宽资源，极大地提高了带宽和相对传输效率；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；不仅可以和现有通信网络兼容，而且还可以支撑未来的宽带业务网及网络升级，并且有可推广性和高度生存性等特点。

　　IP over WDM的缺点是还没有实现波长的标准化，WDM系统的网络管理应与其传输的信号和网管分离；WDM系统的网络管理还不成熟；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“光网络”。

　　IP的三种传输方案各有优缺点，在实际应用中需要根据具体情况分别对待，若主干网原已采用了ATM设备，则可以采用IP over ATM方案，由于ATM端口速率高，有完善的QoS（服务质量）保证，产品成熟，因而可提高IP网交换速率，保证IP网的服务质量；若主干尚未涉及ATM，则采用IP over SDH方案，由于去掉了ATM设备，投资少，见效快而且线路利用率高。因而就目前而言，IP over SDH是较好的选择。而在城域主干网中，IP over SDH技术相对而言投入较高，采用IP over WDM技术会更实用。IP over WDM的优势是减少网络各层之间的中间冗余部分，减少SDH、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。并且IP over WDM技术能够极大地拓展现有的网络带宽，最大限度地提高线路利用率，在外围网络千兆以太网成为主流的情况下，这种技术能真正地实现无缝接入，这预示着IP over WDM代表宽带IP主干网的未来。

　　发展宽带网络通信一直是人们的目的和理想，也是宽带综合业务网发展的一个方向。作为其技术代表的ATM技术从其产生时起，就被认为应担负起多业务（电话、电视、数据、专线）融合的使命，但由于其技术复杂，价格昂贵，因而其发展受到了限制。而如今流行的IP技术具有简单、灵活、应用广泛以及价格低廉等特性，使得IP不但在Internet、局域网等方面得到广泛运用，而且也被人们认为是宽带网络技术的一种选择。利用有线电视网络构建IP宽带接入网实现Internet数据传输，将给有线电视网络带来极大的发展机遇。

摘自《硅谷动力》