IP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X.25、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X.25网络，ChinaPAC，在80年代末和90年代初X.25是主要的广域网技术。国外第一个电信数据网络也是X.25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。X.25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X.25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X.25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