宽带通信网的发展过程和现状
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1 引言
通信是目前发展最快的领域之一，它是人们工作和生活必不可少的工具，也是现在和未来经济发展的基础平台之一。通信网络的发展经历了由窄带到宽带、由人工到智能、由单业务到综合业务的发展过程。21世纪，通信网络向提供宽带化、个人化、分组化和综合化方向发展的趋势更为明显。而目前技术发展和需求增长最快的是Internet和移动通信。
宽带通信网是一种全数字化、高速、宽带、具有综合业务能力的智能化通信网络。宽带通信网的显著特点就是在信息数据传输上突破了速度、容量和时间空间的限制。宽带通信网络可大致分为宽带骨干网络和宽带接入网络两个层面。
本文分别从宽带骨干网络和宽带接入网络两个层面介绍通信网络技术的发展历史、现状，讨论了宽带通信网络的发展趋势。
2 宽带骨干网络技术
较早出现的宽带骨干网络的分组交换技术有X.25、帧中继，到后来的IP、ATM以及MPLS技术，经过几十年的发展，目前，IP技术成为主流的宽带网络技术，未来将朝着以光互联网技术为主流技术的超宽带信息网络方向发展。
2.1 帧中继
帧中继（FR：Frame Relay），是一种面向连接的快速分组交换技术。是八十年代初发展起来的一种数据通信技术，它是从X.25分组通信技术演变而来的。由于传输技术的发展，数据传输误码率大大降低，分组通信的差错恢复机制显得过于繁琐，帧中继将分组通信的三层协议简化为两层，即在OSI第二层以简化的方式传送数据，仅完成物理层和链路层核心层的功能，网络不进行纠错、重发、流量控制等，而将这些功能留给智能终端去处理。从而大大缩短了处理时间，提高了效率。但帧中继的最大问题是没有业务质量等级的相关规定，不能确保高业务的QoS要求。
2.2 异步转移模式
异步转移模式（ATM:Asynchronous Transfer Mode）[1]是一种快速分组交换技术，ITU-T推荐其为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式。ATM将信息组织成信元，其包含的来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现，这种传输模式是异步的。
ATM信元是固定长度的分组，共有53个字节，分为2个部分。前面5个字节为信头，主要完成寻址的功能；后面的48个字节为信息段，用来装载来自不同用户，不同业务的信息。话音、数据、图像等所有的数字信息都要经过切割，封装成统一格式的信元在网中传递，并在接收端恢复成所需格式。由于ATM技术简化了交换过程，去除了不必要的数据校验，采用易于处理的固定信元格式，所以ATM交换速率大大高于传统的数据网，如x.25，DDN，帧中继等。
ATM网络采用了一些有效的业务流量监控机制，对网上用户数据进行实时监控，把网络拥塞发生的可能性降到最小。对不同业务赋予不同优先级，网络对不同优先级的业务分配不同的网络资源。因此，ATM提供对话音、图像等实时业务的QoS保证。
尽管ATM具有交换速度快、具有流量控制功能、提供服务质量保证和灵活的带宽分配等优点，但ATM的开销大，协议复杂，使得ATM设备的成本高，维护复杂。
2.3 多协议标签交换
多协议标签交换（MPLS：Multiprotocol Label Switching）[2]属于第二层与第三层之间的一种交换技术，它引入了基于标签的机制，把选路和转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径，数据传输通过标签交换路径（LSP）完成。
MPLS网络由核心部分的标签交换路由器（LSR）、边缘部分的标签边缘路由器（LER）组成。LSR可以看作是ATM交换机与传统路由器的结合，由控制单元和交换单元组成；LER的作用是分析IP包头，决定相应的传送级别和标签交换路径（LSP）。由于MPLS技术隔绝了标签分发机制与数据流的关系，因此，它的实现并不依赖于特定的数据链路层协议，可支持多种的物理和链路层技术（IP/ATM、以太网、PPP、帧中继、光传输等）。MPLS使用控制驱动模型初始化标签捆绑的分配及分发，用于建立标签交换路径（LSP），通过连接几个标签交换点来建立一条LSP。一条LSP是单向的，全双工业务需要两条LSP。同时，MPLS支持流量工程和业务的服务等级。
由于MPLS结合了传统IP和ATM技术，具有实现简单，交换速度快和支持流量工程和业务的服务等级等优点，因此，MPLS受到人们的普遍重视。
2.4 IP网络技术
人们提出IP技术的动机是为了实现异种网络之间的互连，以达到资源共享和交换数据的目的。IPv4通过为网络节点分配一个32位的IP地址来达到唯一标识节点的目的，用户数据封装在IP分组中，为了将IP分组由源节点投递到目的节点，IP通过路由协议建立源节点到目的节点的路由，IP路由器根据目的IP地址和保存的路由表实现IP分组的逐跳（hop by hop）转发，直到目的节点。
最初，IP技术主要是为一些简单的数据业务服务，如电子邮件、文件传输、远程登陆等。随着IP技术在Internet上的成功应用以及Internet的飞速发展，人们要求IP不仅能支持简单的数据业务，同时也能传送语音、图像等实时业务。为了保证语音、图像等实时业务的QoS，需要改进传统的尽力而为的IP技术，以提供QoS保证。目前，提供服务质量保证的IP QoS体系结构有InterServ和DiffServ两种，InterServ基于流预留资源，DiffServ基于类区分业务，对不同类型的业务，采用不同的队列调度策略。DiffServ由于在网络边界对业务流进行汇聚，不需要维护基于流的状态信息，因此，同InterServ相比，DiffServ具有良好的可扩展性，更适合大型的IP网络。
随着Internet规模的增长，以及越来越多的移动终端接入Internet，IPv4的缺点逐渐显露出来，主要包括：地址空间紧张、不支持节点的移动性、安全性差、不提供QoS保证等。为了解决这些问题，IPv6应运而生，IPv6采用128位的地址空间，同时支持节点的移动性、提供QoS保证，并具有良好的安全性。因此，IPv6可能最终取代IPv4,但在IPv4向IPv6过渡的过程中，需要解决两者的互通问题，以及由此带来的安全问题。
2.5 下一代互联网技术——光互联网及交换技术
互联网（Internet）业务的急剧增长驱动了高速传输技术和高速交换/路由技术的需求。密集波分复用技术（DWDM）、吉比特（Gigabit）以太网与太比特（Terabit）级交换机/路由器的出现使得建立高效、大容量、高带宽的光纤网络成为可能。为了使得网络结构更具扩展性、灵活性和动态性，面向互联网业务的下一代光网络，已由IP-over-Sonet/SDH向IP-over-（D）WDM网络发展，IP-over-（D）WDM将成为下一代光互联网的首选结构。
目前提出的实现IP-over-（D）WDM的交换技术方案有3种：光电路交换/波长路由（Optical Circuit Switching）、光分组/信元交换（Optical Packet Switching）和光突发交换（Optical Burst Switching）。光电路交换采用双向资源预留方式设置光通路，中间节点不需要光缓存，可提供服务质量保证；但是光电路交换是粗粒度的，不能实现统计复用，带宽利用率低，不适于传输突发速率的数据；对长距离网络来说，其环回时间与延迟长；由于波长数目有限，还不能建立全连接的网络，导致网络中负载的不均衡。光分组/信元交换能对DWDM的巨大带宽进行更灵活、更有效地分配和利用，然而光分组交换对光子器件提出了很高的要求，有很多关键技术（如快速严格同步、光缓存等）尚未解决。光突发交换（OBS）结合了电路交换和分组交换这两种交换的优点，同时又克服二者的不足，即在较低的光子器件要求下，实现面向IP的快速资源分配和高资源利用率。它是一种单向资源预留方案，其控制分组和数据突发（Data Burst：由去往同一出口地址和具有相同的属性的多个IP包会聚而成）在传输信道和传输时间上是分离的。控制分组先于数据突发（Data Burst）在特定密集波分复用（DWDM）信道中传送，核心交换节点/路由器根据控制分组中的信息和网络当前的状况为相应的数据突发建立全光通路，数据突发经过一段延迟（offset-time）后，在不需要确认的情况下直接在预先设置的全光通道中透明传输。不需要确认的单向预留方案减小了建立通道的延迟等待时间，提高了带宽利用率；而数据突发和控制分组的信道分离、适中的交换粒度及非时隙交换方式降低了对光子器件的要求和中间交换节点的复杂度，如中间节点可以不使用光缓存技术，不存在网络中的时隙同步问题等。
因此，光突发交换（OBS）被认为是下一代全光互联网理想的交换模式，已成为国际上一个热门研究方向，目前的研究主要课题集中在：边缘路由器的突发会聚机制及offset-time管理、网络核心节点交换结构和控制管理、控制/数据信道的调度算法、仅以突发丢包率为参数的OBS层的QoS支持等。典型的研究包括：美国纽约州立大学Buffalo分校的Qiao等对OBS经过比较深入的研究，提出了一种JET（Just Enough Time）信令协议，并研究了基于该协议的核心节点的结构和性能。该协议能在WDM层实现基本的区分服务，支持一定的服务质量（仅以突发丢包率为QoS参数）。该小组还开展了OBS交换中的组播和MPLS（多协议标签交换）在OBS交换中的运用研究，提出了MPLS与OBS相结合的方案--标签光突发交换（LOBS）。为了降低复杂性，Y. Wei等建议采用JIT（Just In Time）信令协议，JIT协议提供尽力而为的服务，不支持WDM层的QoS。英国伦敦大学学院（UCL）的P. Bayvel等人提出了一种波长路由光突发交换（WR-OBS）方案，并对其性能进行了研究，该方案以波长路由为基础，更接近电路交换的概念，可以提供有服务质量（QoS）保证，但网络的灵活性和带宽利用率低，而且虽然原理上可以以波长为标签实现MPLS，但由于涉及到对波长的操作，一些（G）MPLS操作（如标签栈、标记交换路径——LSP融合等）难以实现。阿尔卡特研究中心的Xiong[6] 等人研究了OBS网络的控制结构和数据信道调度算法。从事这方面的研究还有美国德克萨斯大学、伊利诺斯州技术学院、意大利的罗马大学等。国内一些大学和研究机构，近年来也开展了相关预研工作。
既然IP-over-WDM作为下一代光互联网的理想网络结构，光突发交换（OBS）又作为IP-over-WDM网络中首选的交换模式，而目前互联网上大量的应用需要服务质量（QoS）支持，区分服务（DiffServ）由于其扩展性和易于采用电子交换/路由技术实现，而成为一种好的IP QoS解决方案，已被IETF标准化并得到国际上的广泛研究。因此，在WDM层支持IP QoS便成为IP-over-WDM网络中的一个挑战性课题，我们在这方面进行了探索和研究[7,8]，提出了IP DiffServ over OBS网络体系结构、节点功能模型及其关键算法。
通信是目前发展最快的领域之一，它是人们工作和生活必不可少的工具，也是现在和未来经济发展的基础平台之一。通信网络的发展经历了由窄带到宽带、由人工到智能、由单业务到综合业务的发展过程。21世纪，通信网络向提供宽带化、个人化、分组化和综合化方向发展的趋势更为明显。而目前技术发展和需求增长最快的是Internet和移动通信。
宽带通信网是一种全数字化、高速、宽带、具有综合业务能力的智能化通信网络。宽带通信网的显著特点就是在信息数据传输上突破了速度、容量和时间空间的限制。宽带通信网络可大致分为宽带骨干网络和宽带接入网络两个层面。
本文分别从宽带骨干网络和宽带接入网络两个层面介绍通信网络技术的发展历史、现状，讨论了宽带通信网络的发展趋势。
2 宽带骨干网络技术
较早出现的宽带骨干网络的分组交换技术有X.25、帧中继，到后来的IP、ATM以及MPLS技术，经过几十年的发展，目前，IP技术成为主流的宽带网络技术，未来将朝着以光互联网技术为主流技术的超宽带信息网络方向发展。
2.1 帧中继
帧中继（FR：Frame Relay），是一种面向连接的快速分组交换技术。是八十年代初发展起来的一种数据通信技术，它是从X.25分组通信技术演变而来的。由于传输技术的发展，数据传输误码率大大降低，分组通信的差错恢复机制显得过于繁琐，帧中继将分组通信的三层协议简化为两层，即在OSI第二层以简化的方式传送数据，仅完成物理层和链路层核心层的功能，网络不进行纠错、重发、流量控制等，而将这些功能留给智能终端去处理。从而大大缩短了处理时间，提高了效率。但帧中继的最大问题是没有业务质量等级的相关规定，不能确保高业务的QoS要求。
2.2 异步转移模式
异步转移模式（ATM:Asynchronous Transfer Mode）[1]是一种快速分组交换技术，ITU-T推荐其为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式。ATM将信息组织成信元，其包含的来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现，这种传输模式是异步的。
ATM信元是固定长度的分组，共有53个字节，分为2个部分。前面5个字节为信头，主要完成寻址的功能；后面的48个字节为信息段，用来装载来自不同用户，不同业务的信息。话音、数据、图像等所有的数字信息都要经过切割，封装成统一格式的信元在网中传递，并在接收端恢复成所需格式。由于ATM技术简化了交换过程，去除了不必要的数据校验，采用易于处理的固定信元格式，所以ATM交换速率大大高于传统的数据网，如x.25，DDN，帧中继等。
ATM网络采用了一些有效的业务流量监控机制，对网上用户数据进行实时监控，把网络拥塞发生的可能性降到最小。对不同业务赋予不同优先级，网络对不同优先级的业务分配不同的网络资源。因此，ATM提供对话音、图像等实时业务的QoS保证。
尽管ATM具有交换速度快、具有流量控制功能、提供服务质量保证和灵活的带宽分配等优点，但ATM的开销大，协议复杂，使得ATM设备的成本高，维护复杂。
2.3 多协议标签交换
多协议标签交换（MPLS：Multiprotocol Label Switching）[2]属于第二层与第三层之间的一种交换技术，它引入了基于标签的机制，把选路和转发分开，由标签来规定一个分组通过网络的路径，数据传输通过标签交换路径（LSP）完成。
MPLS网络由核心部分的标签交换路由器（LSR）、边缘部分的标签边缘路由器（LER）组成。LSR可以看作是ATM交换机与传统路由器的结合，由控制单元和交换单元组成；LER的作用是分析IP包头，决定相应的传送级别和标签交换路径（LSP）。由于MPLS技术隔绝了标签分发机制与数据流的关系，因此，它的实现并不依赖于特定的数据链路层协议，可支持多种的物理和链路层技术（IP/ATM、以太网、PPP、帧中继、光传输等）。MPLS使用控制驱动模型初始化标签捆绑的分配及分发，用于建立标签交换路径（LSP），通过连接几个标签交换点来建立一条LSP。一条LSP是单向的，全双工业务需要两条LSP。同时，MPLS支持流量工程和业务的服务等级。
由于MPLS结合了传统IP和ATM技术，具有实现简单，交换速度快和支持流量工程和业务的服务等级等优点，因此，MPLS受到人们的普遍重视。
2.4 IP网络技术
人们提出IP技术的动机是为了实现异种网络之间的互连，以达到资源共享和交换数据的目的。IPv4通过为网络节点分配一个32位的IP地址来达到唯一标识节点的目的，用户数据封装在IP分组中，为了将IP分组由源节点投递到目的节点，IP通过路由协议建立源节点到目的节点的路由，IP路由器根据目的IP地址和保存的路由表实现IP分组的逐跳（hop by hop）转发，直到目的节点。
最初，IP技术主要是为一些简单的数据业务服务，如电子邮件、文件传输、远程登陆等。随着IP技术在Internet上的成功应用以及Internet的飞速发展，人们要求IP不仅能支持简单的数据业务，同时也能传送语音、图像等实时业务。为了保证语音、图像等实时业务的QoS，需要改进传统的尽力而为的IP技术，以提供QoS保证。目前，提供服务质量保证的IP QoS体系结构有InterServ和DiffServ两种，InterServ基于流预留资源，DiffServ基于类区分业务，对不同类型的业务，采用不同的队列调度策略。DiffServ由于在网络边界对业务流进行汇聚，不需要维护基于流的状态信息，因此，同InterServ相比，DiffServ具有良好的可扩展性，更适合大型的IP网络。
随着Internet规模的增长，以及越来越多的移动终端接入Internet，IPv4的缺点逐渐显露出来，主要包括：地址空间紧张、不支持节点的移动性、安全性差、不提供QoS保证等。为了解决这些问题，IPv6应运而生，IPv6采用128位的地址空间，同时支持节点的移动性、提供QoS保证，并具有良好的安全性。因此，IPv6可能最终取代IPv4,但在IPv4向IPv6过渡的过程中，需要解决两者的互通问题，以及由此带来的安全问题。
2.5 下一代互联网技术——光互联网及交换技术
互联网（Internet）业务的急剧增长驱动了高速传输技术和高速交换/路由技术的需求。密集波分复用技术（DWDM）、吉比特（Gigabit）以太网与太比特（Terabit）级交换机/路由器的出现使得建立高效、大容量、高带宽的光纤网络成为可能。为了使得网络结构更具扩展性、灵活性和动态性，面向互联网业务的下一代光网络，已由IP-over-Sonet/SDH向IP-over-（D）WDM网络发展，IP-over-（D）WDM将成为下一代光互联网的首选结构。
目前提出的实现IP-over-（D）WDM的交换技术方案有3种：光电路交换/波长路由（Optical Circuit Switching）、光分组/信元交换（Optical Packet Switching）和光突发交换（Optical Burst Switching）。光电路交换采用双向资源预留方式设置光通路，中间节点不需要光缓存，可提供服务质量保证；但是光电路交换是粗粒度的，不能实现统计复用，带宽利用率低，不适于传输突发速率的数据；对长距离网络来说，其环回时间与延迟长；由于波长数目有限，还不能建立全连接的网络，导致网络中负载的不均衡。光分组/信元交换能对DWDM的巨大带宽进行更灵活、更有效地分配和利用，然而光分组交换对光子器件提出了很高的要求，有很多关键技术（如快速严格同步、光缓存等）尚未解决。光突发交换（OBS）结合了电路交换和分组交换这两种交换的优点，同时又克服二者的不足，即在较低的光子器件要求下，实现面向IP的快速资源分配和高资源利用率。它是一种单向资源预留方案，其控制分组和数据突发（Data Burst：由去往同一出口地址和具有相同的属性的多个IP包会聚而成）在传输信道和传输时间上是分离的。控制分组先于数据突发（Data Burst）在特定密集波分复用（DWDM）信道中传送，核心交换节点/路由器根据控制分组中的信息和网络当前的状况为相应的数据突发建立全光通路，数据突发经过一段延迟（offset-time）后，在不需要确认的情况下直接在预先设置的全光通道中透明传输。不需要确认的单向预留方案减小了建立通道的延迟等待时间，提高了带宽利用率；而数据突发和控制分组的信道分离、适中的交换粒度及非时隙交换方式降低了对光子器件的要求和中间交换节点的复杂度，如中间节点可以不使用光缓存技术，不存在网络中的时隙同步问题等。
因此，光突发交换（OBS）被认为是下一代全光互联网理想的交换模式，已成为国际上一个热门研究方向，目前的研究主要课题集中在：边缘路由器的突发会聚机制及offset-time管理、网络核心节点交换结构和控制管理、控制/数据信道的调度算法、仅以突发丢包率为参数的OBS层的QoS支持等。典型的研究包括：美国纽约州立大学Buffalo分校的Qiao等对OBS经过比较深入的研究，提出了一种JET（Just Enough Time）信令协议，并研究了基于该协议的核心节点的结构和性能。该协议能在WDM层实现基本的区分服务，支持一定的服务质量（仅以突发丢包率为QoS参数）。该小组还开展了OBS交换中的组播和MPLS（多协议标签交换）在OBS交换中的运用研究，提出了MPLS与OBS相结合的方案--标签光突发交换（LOBS）。为了降低复杂性，Y. Wei等建议采用JIT（Just In Time）信令协议，JIT协议提供尽力而为的服务，不支持WDM层的QoS。英国伦敦大学学院（UCL）的P. Bayvel等人提出了一种波长路由光突发交换（WR-OBS）方案，并对其性能进行了研究，该方案以波长路由为基础，更接近电路交换的概念，可以提供有服务质量（QoS）保证，但网络的灵活性和带宽利用率低，而且虽然原理上可以以波长为标签实现MPLS，但由于涉及到对波长的操作，一些（G）MPLS操作（如标签栈、标记交换路径——LSP融合等）难以实现。阿尔卡特研究中心的Xiong[6] 等人研究了OBS网络的控制结构和数据信道调度算法。从事这方面的研究还有美国德克萨斯大学、伊利诺斯州技术学院、意大利的罗马大学等。国内一些大学和研究机构，近年来也开展了相关预研工作。
既然IP-over-WDM作为下一代光互联网的理想网络结构，光突发交换（OBS）又作为IP-over-WDM网络中首选的交换模式，而目前互联网上大量的应用需要服务质量（QoS）支持，区分服务（DiffServ）由于其扩展性和易于采用电子交换/路由技术实现，而成为一种好的IP QoS解决方案，已被IETF标准化并得到国际上的广泛研究。因此，在WDM层支持IP QoS便成为IP-over-WDM网络中的一个挑战性课题，我们在这方面进行了探索和研究[7,8]，提出了IP DiffServ over OBS网络体系结构、节点功能模型及其关键算法。