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通信网络与 IP 网络底层传输技术梳理(SONET/SDH/OTN/ATM/Ethernet/MPLS/PTN...)
前言
很 多 计 算 机 专 业 出 身 的 人 在 学 习 网 络 的 时 候 , 都 只 是 注 意 到 了 IP 层 以 及
TCP,UDP,HTTP,DNS 等协议的存在,而真正的传输网却很少有人在意。这是因为网
络技术圈子本身就分两个,一个是计算机圈子,另一个是通信圈子,这两个圈子几乎是隔
离的,自从计算机专业和通信专业各自的教科书上了解到以 IP 为界将网络分为了资源子网
和通信子网之后,很多学计算机的就再也没有接触过底层的传输网,学通信的也很少涉及
上层的业务网。但是如今似乎有融合二者的趋势。
计算机网络通常处在网络的边缘,比如数据中心,它在乎的是互联互通的结果以支撑
业务的平稳高效运行,而通信网络则处在网络的中心,比如各种交换机,路由器,它在乎
的是如何实现互联互通。近几年来随着数据中心网络技术以及虚拟化的发展,越来越多的
计算机侧的研发者开始自己实现通信侧的路由寻址机制,比如自研交换协议,使用
VxLan,LISP 等技术直接互联数据中心等。
用以往的观点来看,网络本来就是比较难学的,按如今的观点来看,结合了虚拟化和
云计算之后,网络变得更加复杂而不易理解。空中楼阁不可行,所以想学好网络必须要有
扎实的基本功。本文抛砖引玉,帮大家梳理一下网络的传输技术,这是网络的最底层,没
有这些,所有的上层技术将都是奢望。底层传输技术是复杂的,也是最容易被混淆的,所
以有必要写一篇文章来澄清。
作为一个程序员,也许你会觉得根本就没有必要去学习什么传输网,不是说精通了
TCP/UDP socket 编程就可以了么?毕竟这本来就是一个专业化分工越来越细的年代。但
我是不赞同这种观点的,学习传输网的来龙去脉并不意味着你必须去做相关的事情,而是
旨在构建一个相对完整的知识体系,否则,只能算是一个熟练工。其实我们可以看到很多
不懂网络原理但是却可以通过熟练调用 API 编写 APP 的,而且工资还不少...这种人的知识
体系构不成闭环,是及其脆弱,他们也是相对容易被取代的那类,因为熟练调用 API 只需
要不断强化训练即可,很多培训机构都可以胜任出产熟练工的任务,而构建完整的知识体
系却是需要独立思考的,当然填鸭式记诵也未必不好,不是背会唐诗三百首,不会写来也
会偷么,前提是你必须花大量时间去记诵,去练习。反过来,如果你是一名网络管理员,
整日跟各种线缆,接口打交道,那么对协议栈另一个极端的学习和理解对于构建完整知识
体系是必要的,比如如果一个网管仅仅满足于“能 ping 通”,那么他仅仅是做到了保持网络
连通性,持续优化网络的传输效率需要网络对业务的流量模式有充分的把控,比如 HTTP
长连接和 HTTP 短连接,TCP 突发流量,UDP 视频流等。所以说,我的建议就是写
socket 的有必要了解一下传输网,而配网络设备的也有必要了解一下 TCP 和应用层,关
于后者,我会另外写一篇文章,本文主要针对传输网。
以往针对传输网的讲解都是先讲电路交换和分组交换,这也是一种以技术切入技术的
方式,但是这很难让人真正理解这些技术的本质。本文尝试以历史发展的视角分析这些技
术的来龙去脉,不会深入技术细节,旨在抛砖引玉,只想澄清某些技术为什么会出现,以
及预测其结局会怎样。我先以一个常识开始,即旧瓶装新酒。
旧瓶装新酒
要想理解以太网,SONET,SDH,ATM,帧中继,X.25 之间错综复杂的关系,首先要明
白“旧瓶装新酒”这个道理。
一般而言,新酒在酿造出来的时候,不会立即给它设计一个新瓶,所以还是要用旧瓶
来装,过了一段时间以后,才会有专门为新酒设计出来的新酒瓶出现。这个道理非常容易
理解,在现实生活中,很多这样的例子,比如高铁,动车。
当和谐号动车组刚被设计出来的时候,高速铁路网还没有开始建设,当时的动车组列
车不得不跑在传统的电气化铁路干线上,和货车,绿皮车,K 字头,T 字头,Z 字头列车混
跑,后来才逐步建设了完全适合高速和谐号动车组的专用高架线路,和谐号跑在上面就是
G 字头高铁了。这里不必区分 D 字头动车和 G 字头高铁,因为传统电气化线路固有的速度
物理上限,所以上面跑的列车即便是先进的和谐号动车组,也只能跑相对底的速度,这就
叫做 D 字头动车,这并不是列车本身的差异导致了命名的差异,而是线路的差异使然。如
果你坐过高铁从广东到四川,就会发现在武汉一直到四川的这一段,即便是高铁也跑不到
300 的速度,而只有不到 200 的速度,这并不是列车换了,列车还是那辆列车,只是路换
了。这里我们可以看到动车组 over 电气化线路和动车组 over 专用高架线路的区别,这
种区别非常类似于我马上要提到的 IP over SDH 和 IP over Ethernet 之间的区别。
那么,跑在传统电气化线路上的 D 字头动车组如何与稍微慢一些的货车,K/T/Z 字头
传统列车混跑呢?答案就是优先级分时调度,比如传统列车必须停在一些小站避让 D 字头
动车,使其先过,这会造成本来就慢的传统列车的延迟进一步加大,随着 D 字头动车组的
增加,会进一步饿死传统列车,因此结论就是,传统的电气化线路根本不适合跑先进的和
谐号动车组,必须修建其专用线路,这就是现在遍布全国的高架高速铁路网,与传统电气
化线路彻底分开了,随着科技的发展,成本的降低,传统的铁路会逐渐被高铁所取代。
如果你觉得 T 字头,K 字头,Z 字头,D 字头,G 字头列车之间的关系比较混乱,那
是正常的,因为它本身就是旧瓶装新酒的渐进式过程,当然,我不是铁路专家,所以即便
D 字头和 G 字头的列车在列车结构和性能上有所差异,也不妨碍我解释这个观点,但我相
信,即便有所差异,D 字头列车和 G 字头列车的差异也是微小的。
另外一个例子就是,我们中国人喜欢把普通的道路叫做柏油马路,虽然上面已经找不
到一匹马,但是几乎不会把高速公路叫做马路,其实本质都一样。旧瓶就是以前跑马匹的
道路,新酒就是汽车,然后逐渐的发现有必要设计汽车专门的道路,以发挥其最大性能,
于是全封闭全立交的高速公路,城市快速路等新瓶就设计出来了。
回归正题,以太网,SONET,SDH,ATM,帧中继,X.25 之间的差异和以上铁路
列车之间差异非常类似。
在以 TCP/IP 为基础的互联网之前,电话网已经存在了 100 余年,这个电话网一直以
来都是电信网甚至网络本身的代名词,直到现在依然没有退役。想轻松理解各种网之间的
关系,类比上面高铁的例子,把列车和铁路分开来看是大有裨益的。我们把 IP 业务理解成
和谐号动车组列车,而把以太网, SONET,SDH 等理解成铁路就好了。 IP 业务跑在
SONET,SDH 上(IP over SONET/SDH)就是 D 字头动车组,IP 业务跑在以太网上(IP
over Ethernet)就是 G 字头高铁,那么传统的电话语音,短信等业务就是 K/T/Z 字头列车。
照这么个类比法,全网逐渐以太网化就是一个自然而然的过程了。
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传统时分复用的电话语音网络
SONET,SDH 等都是老式的链路(其实也不算老,我是相对于目前的 PTN,电信级以太网
说的)了,它们的前身主要承载的是语音等传统业务,这类业务的特点是带宽小,延迟敏感 。
然而很多书上会说,SONET/SDH 的带宽会非常大,达到上百 G。其实之所以在承载带宽
需求不大的传统语音业务时依然需要大的带宽,更多是考虑这种链路“同时可以承载多少路
的业务”,而不是要满足“一个业务需要很大带宽”这个需求的。这就好比北京长安街,非常
宽,但是车辆却跑不快,它如此宽的意义在于,可以并行跑 10 辆以上的汽车,反例就是
两车道的高速公路,很窄,但是一辆车可以跑过 120 的速度。
SONET 和 SDH 其实是一回事,只是不同的标准化组织制定的不同标准,想理解纯
粹技术的没必要刻意区分它们,所以后文我可能会混说 SONET 和 SDH,但这无伤大雅。
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在网络中,当多个网络流同时汇集到一条链路的时候,就需要仲裁谁先过,怎么过。技术
上的术语就是复用,问题是采用什么样的复用技术。我们看到的目前只有两种复用技术,
一种是严格复用,一种是统计复用。
我们先看下 SDH 是怎么复用的。
前面我说过,SDH 等技术是专门为电话等传统语音业务而生的,时间回退到几十年
以前,我们看看当时需要解决的核心问题是什么。我们想象一个典型的场景,如下图所示:
当两路甚至 N 路电话同时要通过同一个链路的时候,该怎么办?这是摆在面前的一个大问
题。最直接的解法就是构建 N 个节点之间两两互联的全网状拓扑网络,但这是不切实际的,
仅在布线上就不可能,这就跟高楼大厦不可能会每一个人都安装一部电梯是一样的。那么
此难题如何解呢?能不能排队呢?让一路先过,另外的语音流等待。问题是语音流不可分
割的最小粒度是什么,如果粒度就是从拨号到一方挂断,那么粒度过长,等待方将不可接
受,所以必须按照统一的标准切割整个通话的语音流。为了回答如何实施这种切割,首先
要看一下语音流在链路上的传输形式。
电话语音来源于人声,如何把人声变成语音流是一个典型的编码问题。标准化组织将
人声分为了 255 种,可以区分音调的高低,音色等等,那么 1 个字节就可以编码所有的人
声,如果按照每秒采集 8000 次人声,即采集 8000 字节的话,对于理解人声的语义是完
全足够了,注意,电话系统不是一个高保真系统,只为理解说话者说的话,并不是为了精
确还原说话者的声音。
那么一路电话每秒采集 8000 字节,也就是 64k 的比特。当一路电话拨通后,为了
保持声音可以互相传递给对方,电话线上将会产生 64kbps 的比特流,这就是一路电话需
要的带宽:
这种 64kbps 的带宽在 SDH 上又被称为 DS0,当两路或者多路这种 64kbps 的语音流要
汇集到一条链路的时候,排队的办法就很明确了,粒度就是字节,按照字节交叉错开传输:
注意,以上的图示有一个隐含的假设,就是这条大家共享的链路也是 64kbps 的带宽,这
显然是不合理的,如果 N 很大的话,每一路的语音流都将引入不可接受的排队延迟,最终
的效果就是当说话者说“温州皮鞋”这个词的时候,接听者听到的将会是“温 ---州---皮---鞋”。
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