IP over SDH和IP over ATM技術對比
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近年來，隨著Internet的呈指數性增長，對廣域網（WAN）的帶寬提出了更高的要求。因特網服務提供商（ISP）正在積極探索各種技術以更好地連接其骨干路由器。常用方法是采用異步轉移模式（ATM）技術，使用155M(STM-1)直至622M(STM-4)的高速鏈路。從而產生了諸多IP over ATM技術，如LANE,CIPOA,MPOA等。
但是，由于運營商底層的網絡結構為基于光纖連接的同步數字體系（SDH）（北美為同步光纖網絡SONET），這使得ISP更傾向于IP over SDH技術，以提高帶寬的效率，而不是常規的IP over ATM技術。這兩種方案在業界引起了強烈的爭論。
2 SDH/SONET概要
SDH為物理層技術，用來傳輸和復用，傳輸速率可高達10Gbps，是國際電聯（ITU）標準。而SONET是美國標準委員會（ANSI）的標準，兩者只是在復用機制上有所不同，而其余技術均相似，因此，本文就以IP over SDH為例，以下簡要介紹SDH。
2.1 SDH網絡元素
SDH的網絡元素主要有同步光纖線路系統、終端復
2.2 SDH幀結構
SDH每秒傳送8K SDH幀（STM-N），STM-N幀是以STM-1為基礎的幀結構。盡管SDH提供同步幀結構，但它并不強制用戶凈荷位于SDH幀中的特定位置，相反，它允許用戶凈荷在幀內浮動，使用開銷域中的指針指出用戶凈荷的開始位置。在用戶看來，SDH是提供字節同步的物理層介質。
3 ATM概述
ATM是以信元（CELL）為基本單位進行交換和復用的面向連接的傳輸機制，定長的53字節的ATM信元便于實現基于硬件的交換。ATM使用VCC或VPC連接，使用信元頭中的VPI/VCI標識每一連接。
ATM不但是數據鏈路層技術，還具有完整的網絡層和傳輸層的各種特性，例如尋址、路由以及流控，ATM允許多個用戶數據流共享有效的鏈路帶寬，但每一連接必須預先設定QoS。話音、數據、圖像和視頻流等都可以應用在ATM上，但對于不同的應用流需要不同的ATM適配層（AAL）來映射相應的用戶數據到ATM信元。
ATM可以運行在不同的物理介質上，ATM層產生信元然后交給物理層并由其完成從物理介質上發送和接受相應的信號。SDH/SONET是ATM的物理層之一，由于SDH幀中的凈荷不是53字節的信元的整數倍，ATM信元只能直接連續地發送到SDH幀中的凈荷中。在接受時，ATM信元頭中的信元頭差錯檢測（HEC）域用來描述從SDH凈荷中來的ATM信元的正確性。
4 IP over ATM
IETF已決定用IP互連導構網絡，把各種異構網絡互連成一個單一的巨大的IP網。單個的網絡通常采用不同的物理鏈路和網絡技術，但假如IP運行在各種網絡層之上，網絡與網絡之間將實現無縫互連。目前IP已經運行在多種網絡技術之上，包括廣播的LAN技術，如Ethernet，電路交換WAN技術，如X.25，以及分組交換WAN技術，如交換式多兆位數據服務SMDS。
IETF于1990年開始定義IP over ATM，ATM論壇了著手開始在ATM上運行不同的第二層和第三層協議，特別是在LAN方面。
4.1 classic IP over ATM(CIPOA)
ＣＩＰＯＡ的目的是把ATM作為IP的低層數據鏈路層，而應用層還是基于傳統的IP。最初在傳統IP網中實現ATM只是用ATM替代了LAN線，正因如此，ATM網絡需要分割成不同的邏輯子網（LIS）,LIS之間通訊需要路由器。在ATM網中沒有廣播功能，因此，傳統的廣播地址解析協議（ARP）被基于客戶/服務器模式的ATM ARP協議所取代。
一個缺省的邏輯鏈路/子網接入協議（LIC/SNAP）封裝8字節段，用來在ATM上傳送IP和ATM ARP包，這些包用AAL5封裝適配后直接映射到ATM信元中，這些信元用虛連接（預定的PVC或交換式的SVC）傳送。對于SVC的呼叫建立，需要ATM論壇的UNI3.1/4.0或ITU-T的Q.2931信令。
4.2 LANE局域網仿真
LANE是ATM論壇推出的用來在ATM網上仿真Eerthnet/802.3和Token Ring/802.45。利用局域網仿真，現有的LAN應用能在ATM網上進行通信，就像在傳統的用MAC地址進行尋址的LAN上一樣，可提供組播和廣播數據傳送。LANE運行在MAC層，任何第三層協議可在其上運行，相反，CIPOA只能運行IP協議。
一個仿真LAN（ELAN）由一組局域網仿真服務器（LES）、廣播和未知服務器（BUS）以及局域網仿真配置服務器（LECS）組成。一個仿真LAN是一個LAN網段，其與其余的LAN網段互通則需要橋或路由器。為傳送LAN的控制和數據報，在ATM上用2字節的封裝組，新的修訂版LANE允許使用LLC/SNAP封裝，LANE的封包用AAL5適配后封裝成ATM信元，由SVC承載。
4.3 MPOA
MPOA是ATM論壇的另一個協議，克服了CIPOA和LANE的主要缺點之一，就是不同子網之間通信中間路由器，中間路由器需要把信元組裝成第三層的包，進行路由選擇后再把包分段封裝成ATM信元進行轉發，MPOA允許不同的子網用戶之間直接建立一條較短的VCC連接，而不需要中間的重組和分段，在同一子網內，MPOA和LANE相同。
MPOA包括MPOA客戶機和MPOA服務器。MPOA客戶機可以是ATM主機或
4.4 協議棧
CIPOA、LANE、MPOA作為ATM上的通用協議層（PLOA）來執行，包括用于LLC/SNAP封裝的邏輯鏈路控制（LLC）模塊和接口信令和ATM適配層和主機呼叫控制（HCC）模塊，以用來VCC的建立和數據傳輸。協議棧用來描述表示前面提到的不同的IP over ATM的技術。
4.5 MPLS多協議標簽交換
IETF定義的MPLS為ATM和IP的集成模型，而不是傳統的重疊模型。在MPLS中，每一路由器即為交換機，在傳統的第三層的報頭前加上固定長度標簽（Label），通過這些標簽，在每個MPLS路由器中建立一個類似于傳統路由表的標簽路由表。在轉發數據報時，查找這些固定長度的標簽路由表以達到快速轉發數據報，而傳統的路由表查找采用的是最長前綴匹配法。MPLS使用專用的標簽分配協議（LDP），此協議用來建立傳統的路由表和標簽路由間的對應關系，從而在MPLS路由器之間建立一條基于標簽的數據報轉發的快捷路徑。MPLS也可以使用開放最短路徑優先協議（OSPF）建立快捷路徑而不采用LDP協議。
MPLS目前只支持IPv4，但其的適用范圍不局限于ATM，其目標是任何數據鏈路層技術，只要其支持識別快捷路徑的固定長度的標簽，如以太網等。
5 IP over SDH
由于SDH環提供路由之間的點對點連接，因此IP包必須映射到點對點的鏈路上，最常用的技術是采用IETF的點對點協議（PPP）封裝。IP over SDH也被稱為Packet over SDH（POS）技術。
5.1 PPP
PPP是點對點的鏈路層技術，主要提供以下功能：在同一鏈路上封裝和傳輸不同的網絡層協議數據報，建立、配置和測試鏈路層連接，建立和配置網絡層協議。PPP指定了封裝機制和鏈路控制協議（LCP），另外，PPP還需要認證、鏈路質量監視，以及網絡控制協議（NCP）。
PPP采用類HDLC的成幀機制，可以運行在各種物理接口之上，如RS232、RS422和V.35等。
5.2 PPP over SDH
PPP把SDH視為字節同步鏈路，PPP幀作為字節流映射到SDH的凈荷中，在類HDLC的幀中使用相應標志來識別在SDH凈荷中的PPP幀。
5.3 協議棧
5.4 POS骨干技術
骨干網中采用IP over SDH，CPE設備直接連接接入服務器，接入服務器再與骨干路由器相連，骨干路由器連接SDH雙環以構成骨干網。
6 IP over ATM和IP over SDH技術比較
IP over SDH和IP over ATM作為兩種主要的技術，主要有以下不同：
6.1 協議開銷
ISP啟用IP over SDH的最大原因是ATM信元頭的開銷（信元稅）太大（5/53），附加的開銷還有AAL5（填充、8字節的尾）和LLC/SNAP封裝（8字節）。對于IP over ATM，假設物理層使用SDH的STM-1鏈路，IP包大小為576字節。
對于IP over PPP over SDH，也是STM-1鏈路，IP包大小為576字節。
以上比較顯示，運行在ATM之上的IP只利用線路速率的近80％，而運行在PPP over SDH的IP卻為95％，對于廣域網主干路由器來講，IP over SDH額外的容量將顯得十分誘人，因為在廣域骨干網，帶寬比較昂貴，而不像在局域網或園區網中帶寬相對比較廉價。
6.2 帶寬管理
ATM具有管理分配給每個信息流（VCC）的全套帶寬管理功能，它根據所要求的QoS分配相應的帶寬給這些VCC。因為信元交換的特性，ATM允許多信息流共享鏈路，并且保證一定的帶寬給每一信息流以滿足其QoS。
PPP并不提供任何的帶寬管理功能，它只是簡單地提供點到點的鏈路，IP必須調度其分組轉發功能，以確保每一信息流獲得公平的鏈路帶寬份額。這在低速的鏈路上將會產生問題，當傳輸低優先級的大包時將阻塞其余的高優先級的包，比如說傳輸一個低優先級的文件送包將阻塞對時延敏感的話音包的傳送。對于對時延第三的實時應用，在帶寬受限的鏈路上，這種時延的變化將抵消IP over SDH帶來的帶寬效率的優勢。
6.3 服務質量QoS
服務質量有關的參數有端到端的時延，時延抖動、丟棄率和吞吐量。ATM提供了豐富的QoS參數，可以對每個VCC提供協商。智能的排隊和調度機制使得協商后的QoS參數得到保證。ATM提供不同的服務類型以與不同要求的就用相協調，比如QoS要求高的應用可用CBR、VBR業務，而對QoS要求相對低的應用，可以采用ABR和UBR業務，這些ATM的屬性使得可以容易地在IP級提供QoS，具有一定的QoS的信息流可以映射到具有相應QoS的VCC，例如話音流映射到CBR或VBR連接，而文件傳輸可以映射ABR連接。
PPP運行在單一的點到點的鏈路上，且不提供任何的QoS能力，IP層必須管理其包傳送以確保相應的信息流的服務質量。
盡管ATM提供了豐富的QoS參數，但基于QoS的服務僅限于連接的路由器之間的ATM鏈路上。為提供端到端的QoS IP，路由器必須提供智能的排隊和調度機制。因此，當IP網疊加于ATM網之上時，雖然實際的通信發生在ATM網上的交換機之間，但對于路由器而言，都是把ATM連接視為類似與PPP的點到點的鏈路。
6.4 尋址和路由
ATM被定義為完整的網絡技術，具有端系統尋址和路由連接的巨大功能，ATM網絡可以跨越地理區域，不管路由器的位置如何，可以為它們提供廣泛的連接機制。相反，PPP運行只在直連的點到點的鏈路上，沒有尋址和路由能力。
當運行IP over ATM時，需要把IP地址翻譯在相應的ATM地址，才能實現路由，這增加了協議的復雜性，而地址翻譯所需的流量又額外地增加了網絡的開銷。而PPP不需要進行地址轉換，也就沒有額外的開銷。
6.5 網絡可擴展性
在骨干路由器網中，大多數路由器之間需要通信，這就意味著需要網狀連接，不管是PPP還是ATM SVC。
在IP over SDH的骨干網中，骨干路由器必須提供點到點的鏈路，為防止鏈路故障，甚至必須建立多條鏈路，在某些場合中，為了減少路由器的跳數，骨干路由器間的鏈路必須配置為全網狀結構。全網狀網所需鏈路為N*(N-1)/2，也就是所謂的N2增加。一個全網狀網不但價格昂貴，而且不利擴展，因為廣域范圍內的SDH鏈路有限。
而在IP over ATM中，由于使用SVC，ATM可以提供任何路由器間連接而不需要全網狀網，甚至ATM鏈路故障時，動態的SVC路由可以找到迂回路由以保證任何兩個路由器的連接。另一優點是通過一個ATM接口可以實現與多個路由器互連，從而可以實現更加靈活的網絡工程，具有較強的擴展性，其可以在不同的鏈路上路由SVC，并且可以利用同一ATM鏈路把一臺路由器連接到不同的多個信宿，以解決N2問題。
6.6 流量控制
ATM使用連接接納控制（CAC），流量整形以及用法參數控制（UPC）或策略來確保信息流遵守流量合同，超過部分將被打上標記，在網絡過載時將被丟棄，通過帶標記的包或丟棄的包，終端用戶將得到擁塞信息。ATM信元級的丟棄和TCP包的丟棄的互操作性很差，為消除這一現象，業界已推出多種技術如部分包丟棄（PPD）、早期包丟棄（EPD）等，以使ATM識別包（AAL幀）邊界，以便在網絡過載時丟棄整個包而不是ATM信元。
ATM論壇又定義了ABR業務，它提供顯式的反饋流控，用允許速率來指示用戶可以向網絡發送的速率，這個速率將隨著網絡負荷的改變而改變，允許用戶接入有效的帶寬而不致于網絡過載。在理想狀態，ABR業務將消除信元丟棄率，而把網絡擁塞條件推出ATM網絡邊緣，這同時要求路由器能緩存更多的包以適應ATM網所允許的接入速率的變化。
PPP不提供任何的流控機制，只有TCP的流控直接運行在PPP鏈路上，前面已提到，不論是采用ATM或直接使用SDH，路由器都把它視為兩點之間的一定帶寬的管道，必須采用相應的緩沖機制來確保合理的吞吐量。
6.7 多協議封裝
ATM提供兩個機制以便使多協議共享同一ATM鏈路。一個VCC復用，分配每一個協議以一個單獨的VCC，ATM層復用和解復用VCC，用戶不需要添加任何的其他的封裝頭以區分不同的協議。另一個機制是LLC復用，允許多個協議復用同一VCC，它添加8字節的封裝頭到每一個封包以標識其屬于哪個協議，這種復用技術可用
PPP采用類似于ATM LLC復用的多協議封裝格式，其使用2字節的協議標識域作為其封裝頭。對大多數應有 和而言，PPP和ATM的多協議封裝能力是相同的。
6.8 容錯性
ATM具有從錯誤鏈路中恢復并倒換到備份路由的功能，其使用動態路由協議PNNI信令，PNNI具有連接建立初始化時的重路由能力及當網絡故障時對已建立的連接的重路由能力，在ATM層提供錯誤恢復功能。
PPP不提供任何容錯能力，因為其運行在單一的鏈路上，但其下層的SDH具有自動保護倒換功能，當主用環故障是可倒換到備用環。當ATM的下層采用SDH時，其也具有此能力。
7 應用前景
從本質上看，采用IP over SDH，路由器間采用快速的點到點的鏈路進行連接，而采用IP over SDH，路由器通過有多采鏈路連接的網絡相連，這些鏈路承載著多路復用的連接，每個連接都與靈活的帶寬和協商的服務質量相關，這兩種技術之間的主要區別是速度與靈活性的對比，在某一特定場合，某一因素將起決定性作用。
7.1 ISP骨干
ISP骨干網典型的需求是骨干路由器之間的告訴互連以最大化包吞吐量，基于此原因， ISP及其用戶比較傾向于采用IP over SDH來互連路由器。但由于IP over SDH缺乏有效的帶寬管理、服務質量以及靈活的網絡工程，這種熱情在漸漸消退。另外，IP over SDH提供的快速的包傳輸能力可能超出大多數路由器的處理能力。但IP over SDH在帶寬有限同時對QoS要求不嚴的廣域網應用還是有很多優勢。
7.2 業內部網
跨地區企業網正面臨與ISP骨干網相同的問題，IP over SDH從成本角度看具有很多優勢，但這些優勢必須與取得相應的設備和服務所需代價相權衡。運營商將出售比SDH鏈路便宜的多的ATM鏈路，因為ATM具有靈活的帶寬管理功能，另外，ATM允許多協議應用包括IP應用和非IP應用共享廣域范圍內的帶寬。
7.3 校園網
校園網不太采用SDH，因為有比SDH更廉價的物理接口，如多模光纖、屏蔽雙絞線STP以及非屏蔽五類雙絞線UTP等，即使采用SDH，由于帶寬非常寬裕，IP over SDH帶來可帶寬的高效性優勢將不比IP over ATM的靈活性明顯。
7.4 運營商網絡
運營商已基本采用SDH作為其網絡基礎，運營商將采用ATM over ATM以提供靈活的帶寬管理以對其付費用戶保證服務質量。與IP直接運行在SDH上相比，運營商更容易提供IP over ATM。
8 結論
今天的網絡工業界有兩種明顯的趨勢：一種是受internet的驅動，IP迅速成為網絡層技術，有機會建立一個基于包的網絡，另一個則是SDH已被運營商廣泛地采用，成為物理網絡基礎結構，路由器可以基于此在廣域范圍內互連。
在IP和SDH之間可以采用ATM或PPP，哪種傳輸技術作為主流目前還不明朗，但速度和靈活性將是選擇ATM或POS技術的決定因素。在速度是首要指標的應用中，IP over SDH更具有吸引力，而需靈活的帶寬管理、QoS和網絡工程的場合，IP over ATM是最好的解決方案。
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