IP网络的发展之道

IP网络的发展之道

摘要 对数据网络发展历程和主要通信技术进行了深入的分析，指出面向连接和无连接两种通信模式各有优势和特点，将面向连接的技术融和到IP技术中，使两种通信方式的优势有机结合，才是IP数据网络的发展之道。

0、引言

在数据通信中，有面向连接通信、无连接通信和无连接带确认通信3种通信模式。面向连接通信模式是指在进行通信前，通信双方需要先建立通信连接（如通过信令协议），代表性的通信技术是ATM。无连接通信模式是指通信双方直接进行通信，不需要建立连接的过程，代表性的通信技术是IP。第三种模式可归入无连接模式，在IEEE的LLC标准中有该模式的定义，主要用于实时短信息的可靠传输，如在自动化控制领域，对发出的控制指令进行快速而可靠的传输，没有时间来建立通信连接，采用该通信模式的通信协议有制造自动化协议（MAP）。

在不少文章中，认为IP网络没有QoS和安全，不是电信级网络，原因归咎于采用了无连接通信模式，认为采用了面向连接的通信模式就可以解决IP网络的上述问题。

其实，只要了解数据通信发展的历史，就知道在过去的20多年中，面向连接的通信协议基本上都被淘汰出局，如、帧中继（FR）和ATM等，只剩下无连接的IP和以太网；同时不少有QoS保证的局域网和城域网标准，也都被以太网这种被指责没有QoS保证的技术所击退，如token ring、token bus、FDDI、DQDB和ATM等，以太网不但完全占据了局域网，而且正在占据城域网并进入广域网。为什么数据通信网络的发展现状会是这样的

1、数据网络的演进历程

中国第一个数据网络是网络，ChinaPAC，在80年代末和90年代初是主要的广域网技术。国外第一个电信数据网络也是网络。它在第二层采用面向连接通信模式，即在相邻的两个通信设备间建立连接；在第三层采用虚电路，也是面向连接方式的，建立端到端的连接。当时的通信环境是线路质量较差、通信速率慢（kbit/s量级），而CPU处理能力相对较强。协议属于重型通信协议，繁复的控制功能限制了通信处理能力，因此当下层的通信速率提升时，该协议就成为了通信瓶颈。FR实质是的简化版，速度可以达到2 Mbit/s，中国也建过FR的全国网络。

ATM是一个集大成的面向连接的通信网络，有QoS保证和安全性，可以支持各种应用，采用53字节的短帧结构就是为了很好地支持语音通信等传统的通信业务；它还能支持和集成和FR业务，有很强的网络管理和流量控制能力，是公认的电信级网络技术。ATM当时被期望能一统数据通信的天下，而且还有到桌面的25M带宽ATM标准，可以提供端到端的QoS通信保证。

在90年代中期，ATM一度占领了全球数据网络的骨干核心位置，但在1997年ATM却被认为要被淘汰出市场。原因之一是千兆以太网的出现，百兆以太网也已经非常便宜和普及，相较于25M ATM，其性价比要高很多；在局域网领域，ATM已被淘汰，完全是以太网的天下。ATM在局域网环境需要采用LAN仿真来和以太网互联，需要进行地址的查找和翻译、无连接模式和有连接方式的转换，这是非常复杂和低效的；而且没有用户认为有很好QoS机制的25M ATM能比100M以太网提供更好的通信QoS保障，并且25M ATM网络比百兆以太网贵很多。当局域网被没有QoS保障的以太网和IP占据后，ATM就不可能提供端到端的QoS保证了。第二个原因是，在1997年CISCO公司推出了吉比特路由交换机（GSR），标志着IP路由器重新夺回了速度和性价比优势，改变了几年前交换机比路由器快，交换机占核心、路由器退到边缘的情况。在2000年前，国外的所有大运营商都用路由器网络取代ATM网络作为IP骨干网络。

同时，有连接的ATM对无连接IP协议的支持是很复杂、低效的，将IP映射到ATM上的难题当时由许多标准化组织来解决，主要有ATM论坛和IETF。该问题的关键难点是如何将无连接的IP技术与面向连接的ATM技术融合起来。为此成立了一系列的工作组来设计解决方案，主要有ATM上的IP工作组（IPATM）、大公用数据网上的IP工作组（LPDN）、大（网络）云上的路由工作组（ROLC）、LAN仿真工作组（LANE）、ATM论坛的多协议工作组（MPOA）和特定链路层上的集成服务工作组（ISSLL）等。工作组的数量反映了问题的复杂程度。然而，这些工作组设计出来的协议和方案并没有很好地解决问题。

而且，为便利语音传输而制定的53字节的帧结构，使绝大多数的IP包都要进行拆分和重组，53字节中有5个字节是ATM头，加大了IP报文的传输开销，被称为“ATM税”。SAR是ATM中进行拆分和重组的部件，成为ATM提高速度的瓶颈，并且比较复杂和昂贵。ATM在90年代末被淘汰出Internet骨干网，ATM交换机通信速度的提升也比IP路由器和以太网的提升速度慢很多，其中ATM的复杂性是一个很重要的原因。其实，即使在ATM鼎盛时期，其所有复杂的控制协议也只被用了不到1/3，在中国的很多城域ATM网中，只用永久虚电路（PVC），把ATM当传输通道来用。

很有意思的是，由于ATM不能很好地支持IP通信，导致了MPLS技术的前身IPswitch的出现。该方案的特点是，摈弃ATM控制协议，采用该技术提供的“IP交换”控制协议；“IP交换”系统使ATM交换机可以执行路由器的功能，ATM交换机实际上只提供交换能力。IPswitch

很好地改善了ATM对IP的支持，在当年取得了轰动性的商业成功。现在，MPLS是ATM交换机的必配项，是legacy的ATM融入到IP网络的关键技术。

2、对数据网络发展历程的分析与思考

数据通信的发展历史非常清晰地表明，无连接的通信方式具有很高的通信性能，通信方式简单，使得通信设备的性价比高、能够不断快速地提速升级，跟上数据通信高速增长的需求（全球通信量一般是每年翻一倍，Internet发展高峰时曾达到4倍以上），而且它还具有非常好的网络互联扩展性。

为每个用户或应用在网络层建立一个连接，将导致骨干网节点要对数以百万、千万计的连接保持连接状态信息和进行连接处理，这会使骨干节点的控制非常复杂、设备昂贵、速度难以提高，这在高速数据通信的环境下是不可行的。

还有一个例证，就是IP网络的一个QoS方案——集成服务（Interserv）。当用户需要进行实时通信（如语音通信）时，Interserv就模仿传统语音通信的模式，先建立连接并在网络上每个路过的节点都预留资源以保证QoS，这就会面临上述的通信难题，因此该方案还没有真正应用就被淘汰了。现在主流的QoS方案是基于无连接的区分服务（diffserv）方案。

IP网络是以IP为核心的一系列协议组成的，采用分层结构，在网络层采用无连接的IP协议完成端到端的数据传输，但在第四层则以面向连接的TCP和RTP为主。很多主流计算机应用（如FTP、E-mail和WWW），都是面向连接的应用，采用TCP连接，通过流控机制和差错扩展机制以保证无差错的有序传输；语音应用则采用RTP，也是面向连接的。因此，对于应用来讲，IP网络既是无连接的，也是有连接的。IP网络采用第三层无连接、第四层有连接的方式，既保证了通信的高效，又具有面向连接通信方式的一些优点，并为上层应用提供有连接的通信服务。

3、IP网络的发展之道

IP网络也一直在不断发展。虽然无连接在网络层具有非常高效的优势，但面向连接的通信方式也是有其优点和特色的。因此，面向连接的MPLS的出现，就是近期对IP网络的一个非常重要的改进和增强。MPLS是对IP的一个补充和改良，而不像ATM是对IP的一次革命。它继续采用IP的地址、路由方式和有关的协议，将面向连接的方式融入到IP网络中。按照分层

原理，它不是一个独立的层，而是在IP层和二层之间，相当于二层半的一个垫层。它将面向连接通信的优点带入IP网络，主要在以下方面对IP作了改进：

a）使IP网络开始具有流量工程的能力，提高了网络对数据流量的管理和控制能力，从宏观上改善了IP网络的QoS。

b）VPN都是通过面向连接的隧道技术来实现的，面向连接的MPLS提供了新的IP VPN的实现方式，具有更好的安全性（和ATM一样的安全）。

c）对IP QoS方案进行了增强，丰富了QoS提供的方式，MPLS的DS-TE将有连接的Interserv和无连接的Diffserv进行了融合。

另一方面，MPLS的扩展协议GMPLS将IP的优点带入了面向连接的光网络，产生了自动交换光网络（ASON），下一代主流光纤网络技术。

当前有关IP网络以及有连接通信和无连接通信方面，有两种比较偏激的观点。 a）传统的电信网络主要是提供语音服务，采用面向连接的通信方式，具有很好的服务质量和安全、管理性能。因此，一些专家（主要来自传统电信领域）认为，所有的通信方式都应该是面向连接的，当前IP网络的问题都是因为其采用无连接通信方式造成的，认为采用传统电信的原理和面向连接的通信方式来取代IP的无连接通信方式，才是IP网络的发展方向。但由数据通信的历史和对上述技术的分析清楚地表明，完全采用面向连接的网络技术是不适合高速数据通信的，也已经在实践中被完全淘汰，相反，传统的电信语音网络正在被VoIP网络取代，IP化是当前不可阻挡的潮流。

b）由于IP网络取得了统治性的成功，面向连接的ATM等协议都失败了，一些IP专家（笔者了解到的主要在美国硅谷和著名通信实验室）主张保持IP网络无连接的纯洁性，加入任何有连接的技术都是对完美IP的破坏。他们反对MPLS，认为ATM是“sin”（有原罪的），因为ATM是面向连接的，而MPLS是面向连接的，所以MPLS也是“sin”。但他们没有看到MPLS和ATM的根本区别：ATM想用面向连接的通信方式来完全取代无连接的通信方式从而取代IP网络，而MPLS是将面向连接通信方式的优点集成到无连接的IP网络中从而增强IP网络的能力。

4、结束语

通过上述对数据通信网络发展历程和主要通信技术的介绍和分析，可以看到面向连接和无连接两种通信模式各有优势和特点，数据通信的发展实践表明无连接的IP技术更适合高速数据通信。但IP网络也有其不足的地方，将面向连接的技术融和到IP技术中，将两种通信方式的优势有机结合，从而使两者的优点都能充分发挥，这才是数据网络的发展之道。MPLS在这

方面已有了实践检验，并取得了很大的成功，为两种通信模式的互补、融合迈出了非常重要的一步，是IP网络近期的最大技术热点。ITU的“下一代网络（NGN）”研究项目，明确阐述NGN的传输骨干网将是IP/MPLS网络。