下一代IP网的研究

        IP网络技术的发展是令人惊讶的，随着IP业务的迅速增长，IP网络上应用的不断增加，原有的IP网正在越来越显得力不从心。IP网络正在向下一代网络演进。第一代IP网络取得了辉煌的成就，下一代IP网又会是怎样呢？下一代IP网是否还能发展还能保持辉煌？哪些技术将会保留下来？哪些技术将会有根本性的变化？这是很多人在考虑的问题，下面来谈谈这个问题。

下一代IP网技术
　　下一代IP网将会是IP电信网，它将是可控制、可管理、高速、能提供服务质量保证和可以支持全业务的网络，下一代IP网将会具有如下特点：
1. 高速率，大带宽
　　下一代IP网络将是一个具有高交换速率，很大的传输带宽的IP网。关于这一点，几乎是无人怀疑了。能做到这一点主要应该归功于密集波分复用技术在实用化上的突破性进展，以及单波长传输速率的迅速提高。目前单波长SDH速率已达到10G bit/s，32波的DWDM已经商用化，因而目前单对光纤的实际传输容量已达320G bit/s。很快，实用的DWDM设备的传输容量可以超过1T bit/s。实验室已完成了3.2T bit/s（80×40 G bit/s）的试验。路由器技术也有了突破性进展，新一代的路由器已经出现，全新的路由器硬件体系结构，硬件化的路由表的查找和分组转发，使路由器的吞吐量提高了一至二个数量级，分组转发时延下降至微秒量级。新一代的高性能、超大容量（40G～160G）的路由器已经商用化，T比特路由器的出现也是指日可待的事情，技术上已经具备提供高速宽带网的条件。资源被大量制造出来，这些资源能不能被消费掉，有没有这样的业务量需求，大量制造出来的资源会不会被闲置在那里，这是问题的另一个方面。人类生存的历史已经表明，有生产者就必然有消费者，生产得越快，消费得也就越多，永远是一个动态平衡。在这方面，Intel和Microsoft这一对组合是一个很好的例子，Intel在制造资源方面已经够能干的，根据摩尔定律CPU能力每18个月翻一番，Intel也的确做到了这一点，使得目前一个微型机的处理能力已大大超过当年大型计算机的处理能力，但是人们还是抱怨机器太慢，这当然是Microsoft的‘功劳’，他们在CPU资源的消费上实在太能干，无论你制造多少CPU处理能力资源，Microsoft总能消耗掉。与此类同，IP网上资源的制造和消费也将是动态平衡的，在IP网上消费网络资源的大户是多媒体应用系统，目前由于网络资源不足，这些业务没有机会显露身手，一旦网络资源丰富了，多媒体业务就可以使用起来了，那个时候资源的消费将会成百上千倍地增加。在90年代时，就有很多人预测21世纪将是多媒体时代，现在看来这个时间为期不远了。一个高速宽带的IP网将有其用武之地的。
　　
2．下一代IP网络可以支持全业务
　　下一代IP网是一个可以支持全业务的网，它不但可以支持非实时业务，也可以支持实时业务，还可以支持数据专线业务。具体来说：
　　1) 首先它要能够支持电话业务。电话是一种使用极其广泛、用户使用极为方便的通信手段，目前这种电话的工作方式将会长期存在下去。这个网要用来承载电话，这意味着对网络有很高的实时要求，网络的时延应足够短，网络不会有较大的时延抖动，网络不会因为任何原因而产生拥塞，它能提供与传统电话完全一致的服务质量。电话是点到点服务这个网络要能提供点到点服务，并能保证质量。
　　2) 其次它要能够支持电视业务，从用户的使用面来说，电视的使用面大于电话，电视作为一种人们生活中必不可少的的娱乐方式，会同电话一样电视将会长期存在下去，它的工作方式和用户使用方式还将会以目前的方式工作，即以广播方式为主。广播电视传送的实时要求远比电话要低，只要网络的时延抖动能控制在一定的范围内，并能保证一定的传输速率，它就能保证服务质量。而且从本质上讲，广播电视在骨干网上主要是点到点的，在城域网可以是点到点也可以是广播方式的。可以这样认为，电视传送对于数据网的要求在实时要求上不及电话，只要电话能满足，电视就可以满足（当然带宽要宽得多），它的一个较特殊的要求就是要有“广播”能力。
　　3) 第三它要能够支持数据业务，这包括目前的internet上的绝大部分业务（非实时）和目前数据网中提供的绝大部分业务（非实时）。这个网要用来传IP业务，目前的IP业务主要是非实时业务，它要求网络以“尽力而为”来完成对该业务数据的传送。数据网一般是基于统计复用的，要完成这个任务应该来说是份内之事。
　　4) 这个网要能够支持数据专线和数据专网业务，这里的专线和专网有服务质量要求（其中包括严格的时延和时延抖动要求）。要求资源独立，并能确保用户数据传送的安全。在某些场合下（如会议信息分配场合）要求能进行“广播”或“组播”。
　　下一代IP网至少要具有对以上四种业务的承载能力，从目前的发展情况来看，IP网将可能是通信界梦昧以求的综合业务数据网。人们甚至希望它能承载一切业务（everything on IP）。
3．下一代IP网络是一种混合网结构
　　下一代IP网络是怎么组成，这是大家关心的问题。目前提出的IP网络组网方式有四种方式，一种方式是传统方式，即路由器用专线连接起来组成IP网络；第二种方式用ATM来组建IP网，即IP over ATM方式；第三种方式是用SDH来组建IP网，即IP over SDH ；第四种方式用WDM来组建IP网，即IP over WDM。目前真正在进行商业运行的（无论是国际或者国内）只是第一种组网方式即传统的路由器组网方式，也就是路由器用专线连起来组成一个路由器网。与以前路由器网不同的是：先进的新一代的路由器代替了传统路由器，除了原来的普通数据专线外，还采用ATM的PVC（专线的一种形式），SDH链路（专线的一种形式），WDM中的一个波（专线的一种形式）。但是，网络中的主要协议仍是传统的路由协议，网络中的各节点设备仍只有路由器，应而它仍然是路由器组网方式。
　　下一代IP网络的组成将会有巨大的变化，下一代IP网将由上述四种方式混合起来的一种混合网结构，即它既含有路由器又有ATM交换机、SDH的ADM和DXC和WDM 的OADM 和ODXC等。这些设备将以IP网的网络节点形式存在。这与现在的IP网上使用ATM、SDM和WDM设备有极大的不同，现在这些设备不是IP网的网络设备，其作用只是提供点到点的数据专线（其区别只是专线的速率不同），这些设备不参与IP网的寻址，它们不是IP网的网络设备。下一代的IP网上ATM、SDH和WDM设备将以IP网的网络节点形式存在，它们将要参与IP网络的寻址。对于这样的一种下一代IP网络，路由应该怎么来管理，下一代IP网要能提供综合业务能力，原来的路由协议是不可能胜任的，现在看来只有MPLS协议才能承担这个工作。
　　MPLS是IP over ATM诸方案之一，它的基础是CISCO的Tag switch和cascade 的IP navigator。它的最大特点是拓扑趋动，MPLS协议下的IP网络分为二个层面，一个是控制层面，使用目前常用的路由协议（如OSPF、IS_IS、BGP4等），由控制层面来动态构成IP网的网络拓扑，另一个层面是用户层面，在控制层面的控制下，按照控制层面形成的IP路由，控制用户层面去建立逻辑上的半永久性连接（虚通路），以此构建IP网的基本信息通路。作为增强与补充，还建立一些显式路由。显式路由的存在，使得IP网有能力支持分类服务。
　　从目前看，MPLS是唯一可以用于下一代IP网的协议。虽然MPLS的提出是在IP over ATM领域中，但它的使用并不局限于ATM，实际上MPLS对下一承载节点没有提出任何要求，它可以是ATM节点设备，也可以是路由器，SDH设备和WDM设备，由于前面已经说过下一代IP网必然是一种混合网结构，因而用MPLS协议显然是合适的。
4. 下一代IP网仍是不面向连接和无复杂流程
　　随着IP网迅速发展和在IP网的许多应用取得成功后，IP网络能不能提供综合业务的能力越来越受人关注了。很显然，IP网络要持续发展它必须提供综合业务能力。哪么它怎么来做呢？特别是它怎么能保证不同业务类型所必须的服务质量呢？众所周知，ATM是在IP之后提出来的，应该说ATM是在深知IP存在的各类问题的条件下提出来的，因而ATM中采用的技术自
然会是在IP网技术的基础上提高了一步。因而，IP在遇到问题后人们最容易想到的技术将是ATM技术，事实上，千兆比路由器中就有采用类似ATM的交换技术。以此类推，IP网络是否也可以设想采用类似ATM采用面向连接的办法，来向不同业务提供它们所必要的服务质量呢？
        事实上，人们不但是这样想的，也是这样做的，RSVP（资源预留协议）是典型地向这方面努力的一种尝试，它试图为IP网络的端到端用户之间建立连接，采用为某一连接保留一定传输资源来保证其必要的服务质量，结果是，由于在实现上过于复杂，在一个小范围内实现尚有一定可能，在大网上是根本不可能采用。在IP over ATM中，也曾尝试为IP网络的端到端用户之间动态地建立ATM连接，利用ATM的机理来为IP网络的端到端用户提供必要的服务质量。其中典型的是IP switch 、MPOA、LAN等，但结果上述诸法无一种方法是可以在大网中应用的。IP网采用不面向连接的传输机制是IP网的特点，正因为不面向连接，因而大大简化了系统管理和系统设备的复杂度，如果因为某些原因（如服务质量）要改变IP网不面向连接的特点，那么结果是使IP网及其网络设备的复杂度大大提高，IP网将失去IP网络的所有特点，IP网就不再是IP网，也将不可能获得发展。因而下一代IP网必须保持不面向连接的特点。
　　IP网是否要引入复杂的流程控制，以提高IP网的综合业务的能力。在流程控制方面ATM领域的研究人员下了很大的功夫，作了大量的理论研究并且的确也取得了很出色的成就，ATM网络在提供综合业务方面的确表现出很强的能力，然而它也为此付出了很大的代价，其网络复杂度和设备复杂度很高。如果IP也去搞复杂的流控，IP将会面临ATM目前面临的同样的
情况，显然这是不可取的。另外，环境条件也在发生巨大变化，在统计复用的基础上要提供业务综合，同时要保证服务质量，其前提条件是网络的传输资源紧缺或价格昂贵，从系统的性价比来说，在ATM时代值得用复杂流控（当然也付出代价）来实现业务综合，目前的情况是传输资源能力发展迅速，其价格成数量级下降，因而已经不值得用复杂的流控来获取带宽的压缩。所以在下一代IP网络中仍应保持目前IP网络的特点，仅使用简单的流控即可。
5．下一代IP网的QOS将用分类业务（Diff－serv）方法
　　关于IP网络提供QOS的问题，目前讨论得十分热烈。有一点结论是十分明确的，下一代IP网必须为其承载的业务提供必要的QOS。但怎么来提供QOS，这是一个大问题，从目前技术趋势来看分类业务（Diff－serv）是唯一可取的技术。当然这个结论的提出与目前传输技术迅速发展、传输成本成数量级下降是密不可分的。所谓分类业务就是把IP网中的业务分为少数的几个类，IP网络中的资源按这些类分别给予不同的资源，不同类型的业务按不同方法设计，以保证其对传输资源的需求，从而来满足IP网中不同业务的服务质量（QOS）的需要。在讨论IP网的QOS的问题时，一个十分类似的例子是城市内的道路系统的服务质量（QOS），城市的道路构成一个道路网络系统，城市的交通是基于这个系统的，与IP网一样，这个系统是不面向连接的，也就是说城市的道路系统是不向任何个人或集团提供端到端的连接，也与IP网一样，城市的道路系统是一个‘尽力而为’（best effort）的网络，道路系统一旦建好，它的运输能力就已确定，车多交通就拥塞，车少跑得就顺畅，道路系统‘尽力而为’地提供运输能力，同样与IP网一样，这样的道路系统是不可能保证城市交通的服务质量。从这个类比可以看出，城市的道路系统与现在的IP网相当类似的。
　　不面向连接的网络能不能保证服务质量呢？答案是是肯定的，它能保证服务质量，其办法就是分类服务。北京长安街及一些主要大马路的公交专用道就是分类服务的一个典型，有了公交专用道，只要在公交专用道上流量设计合理，公交车是可以保证准时准点的，也就是它能保证服务质量的。下一代IP网同时可以这样做，这样做也是IP网可以提供QOS的最佳方法。ITEF正在投入大量力量研究分类业务（Diff－serV），但他们将业务分类过细过多导致复杂化，其方向应该是只是少量分类，越简单越好。
6．Ipv6与下一代IP网
　　Ipv6早在92年就提出来了，其主要起因是由于web的出现导致了IP网的爆炸性的发展，IP网的用户迅速增加，IP地址空前紧张，由于ipv4只用32位二进制数来表示地址，地址空间很小，如果不采取措施IP网将会因为地址空间的地址耗尽而无法继续发展。Ipv6是在这种场合下提出来的，ipv6首先要解决的问题是扩大地址空间，ipv4是70年代提出的而ipv6是90年代提的，20年来ipv4协议本身也暴露出一些不足，ipv6的提出正好是一个机会，ipv4的这些不足可以在ipv6中得到改进。Ipv6的主要改进在如下三个方面：
　　＊ 扩大IP网的地址空间，由ipv4用32位二进制数来表示地址成为ipv6用128位二进制数来表示地址；
　　＊ IP层增加了认证和加密的安全措施；
　　＊ 为实时业务的应用定义了流标签(Flow Label)。
　　Ipv6提出时人们对它的期望值很高，认为ipv6的使用会使IP网有突破性发展，但是五、六年过去了ipv6并没有成气候，其原因当然是多方面的。市场的巨大惯性是其主要原因之一；无类别编址（CIDR）的有效应用大大推迟了IP地址耗尽的时间也是原因；但是，ipv6的能力不象对它的期望值那么高，在安全和实时业务方面没有取得突破性进展也是其很重要的原因。            下一代IP网将采用什么IP协议呢？一般来说，下一代IP网将采用ipv6，使用ipv6的主要原因还是ipv6有足够大的地址空间供下一代IP网发展之用。要克服市场惯性，平滑过渡是重要的，由于IP网发展相当迅速，IP网的网络设备的使用寿命一般都很短，只有从现在起IP网的网络设备就考虑ipv6协议，下一代IP网中使用ipv6将是意想之中的事。要特别指出的是，ipv6目前并不能很好地解决网络综合问题，特别是不能保证IP网中业务的QOS，要解决这个问题需要与分类服务(diff－serv)相结合，这是一个值得重点研究的问题。
7．可管理性和可维性
　　下一代IP网络将要求网络是可管性和可维性。从表面上来看，这与现在正在运行的IP网有本质上的区别，现在的IP网基本是一个不可管理的网络。网络的不可管理和没有管理，据认为是IP网能够高速发展的基础，更有人认为IP网一旦严格的管理起来，IP网的活力就没有了，IP网就会走向死亡。事实上果真如此吗？不是，IP网高速发展是因为IP网上的业务和IP网高度适配的结果，即一个‘尽力而为’的网承载着一个需要‘尽力而为’网来承载的业务，才是IP网高速发展的原因。Web技术的出现以及Web base业务的大量应用是IP网爆炸性发展的导火索，政策上的支持，使它能达到业务发展的雪崩点也是一个十分重要的因素。将IP网的发展归功于网络的无序化和无管理化是不对的。事实上IP网的设计者、运行者和制造者一直在致力的一项工作是使网络有序，并尽力在增强网络的管理功能，RFC（请求给予评论）是IP网中事实上的标准，其标准之多、发展之迅速是创记录的，标准的作用是什么，就是要是IP网从网络设计到业务开发有序化。目前的实际状况是，IP网的管理功能很弱，在一定程度上可以说目前的IP网还是运行在无序状况，但应该清醒的看到，这决不是优点，而是缺点。只是对目前IP网中，以“尽力而为”业务为主的状况，还不构成致命的威胁。
　　下一代IP网是一个全业务网，这意味着它要能支持所有的业务，又由于绝大部分的IP网将是商业网，从商用角度出发考虑，它所提供的业务必须要保证一定的服务质量，而不只是提供“尽力而为”的服务。一个十分典型的例子是IP电话，IP电话是实时业务中的一种，它要求它的承载网能保证一定的服务质量，否则就无法保证IP电话的质量，目前在很多场合可以听到（从运行者或设备制造者方面都可以听到）IP电话必须在一个可管理的IP网中运行才能保证其质量。IP电话的这种要求，也代表了对下一代IP网的要求，要求下一代IP网是一个可控制和可管理的网。
　　由于目前的IP网极度缺乏管理能力，在这方面可以说毫无经验可谈，相反，电信网已有100多年的运行历史，在100多年的漫长过程中积累了很多管理经验和相应的标准协议，电信网在这方面的工作是成功的，在管理方面IP网络应该向传统电信网学习，将已成熟的技术引用过来。
　　网络的可维性是与网络的可管理性紧密相结合的，目前的IP网可管理性很差，这表现在它的网管设备是可有可无的，即使在IP网中没有网管，IP网照常可以工作，很差的可管理性必然带来很差的可维性。目前的可维性，只能适合目前提供“尽力而为”业务的要求，而且更多层面是依靠网络的顽健性来自我修复。当网络要提供综合业务后，这样的可维性显然是无法满足要求的，系统的可维性可分为设备的可维性和网络的可维性，这些方面在下一代IP网中都必须大大加强。
8. 电信级IP网
　　下一代IP网将是电信级的IP网。电信级IP网的特点将是：网络设备的高可靠性和IP网的高稳定性。
　　这一点与IP网的设计初衷是背离的，IP网的设计初衷是网络的顽健性和网络设备的高度自由化，其原因是当时IP网是为军队在战争环境下设计的，在战争环境下，这些条件和这些技术无疑都是正确的。目前IP网的应用场合变了，现在的IP网已是民用或商用的了，应用环境变了，要求也相应会发生变化。实际情况也确实如此，原来的IP网络设备（路由器、接入服务器等）都是单机、无冗余备份和密封式机框结构，一旦网络设备出问题，除了将它取下来（从网络中脱离出来）修理外别无它法，这种设备已不能满足商用的需要，现实的网络运行商，尤其是大型网络运行商几乎无例外要求网络设备必须是双机，有冗余备份和支持板卡热拔插、能支持在线维护，而设备制造商制造的新一代的网络设备都能满足这个要求。由于供求双方在这方面已经走到一起来了，因而IP网的网络设备已经在向电信级的高可靠性方向上迈进。
　　目前IP网的主体是商业网，商业网与非商业网是由本质区别的，尤其是下一代IP网必须要保证IP网的服务质量，因而网络运行商对其承载网也同样提出很高的要求，IP网的承载网也必须是高度可靠的，不能是说断就断、说连就连的，必须能保持长时间内网络的稳定性和可靠性，否则不管IP采用什么技术，都不可能保证IP网的长期稳定的服务质量。由于IP网的承载网是电信网，电信网应该而且必须提供长期稳定可靠的服务的。因而虽然说网络设备的高可靠性和IP网的高稳定性与设计初衷是有背的，但它却是符合商用网的实际需要，也是与IP网商用化的大趋势（无论是供方还是需方）是一致的。
　　更进一步，一旦IP网的网络设备的高可靠性和IP网的高稳定成为下一代IP网的特点而加以实现，它又将引发出来一些新的问题，即IP网为了满足高度顽健性的那些设计是否还有用。为了获得网络的高度稳健性，网络在设计是付出很大代价的，网络的这些设计在下一代IP网中是否还要是值得考虑的。环境条件变了，应用场合变了，相应的网络设计方法和网络协议也必须做相应的变化。在下一代的IP网中在网络协议方面应该是有一系列的工作可做，将会有很多可创新的机会。