75、网络技术：从头部压缩到未来发展

网络技术：从头部压缩到未来发展

在当今数字化时代，网络技术的发展日新月异，涵盖了从数据包头部压缩到语音传输、网络管理等多个方面。下面将深入探讨这些关键技术及其应用。

1. 头部压缩技术

头部压缩技术在网络通信中起着至关重要的作用，它能够有效减少协议开销，提高传输效率。

1.1 IP头部压缩

IP头部压缩主要通过序列号和上下文标识符（CID）来实现对数据包的唯一标识。发送方有多种发送选项：可以选择发送正常的未压缩IP数据包，也可以用CID替换头部字段以准备接收压缩数据包，还能选择压缩所有头部或仅压缩IP和UDP头部。接收方则需要依据链路层协议来判断接收到的是何种类型的数据包，如正常IP、带CID的完整头部、仅IP和UDP压缩包或完全压缩包。链路层协议通常会有特定的机制来指示这些信息，相关数值由IANA管理。

此外，还有两种特殊的数据包类型：COMPRESSED_NON_TCP类型使用完整头部压缩，并额外携带2字节来承载IPv4头部的分片标识字段，这在高丢包率的链路中有助于识别丢失的数据包；CONTEXT_STATE类型则允许解压缩器请求压缩器发送带完整头部的数据包，以刷新上下文状态，可定期进行、在大量更改后或检测到错误时使用。

1.2 MPLS头部压缩

MPLS隧道为网络节点提供了一种避免参与头部压缩和解压缩的方式。尽管MPLS会引入4字节的垫片头部增加开销，但它是一种端到端的技术，能让带压缩头部的数据包在整个隧道中传输而无需解压缩。不过，垫片头部的增加与减少协议开销的目标相悖。在某些情况下，如MPLS与PPP等二层网络技术结合使用时，MPLS头部本身也可以被压缩，因为在特定上下文中，标签和垫片头部的其他部分在不同数据包间保持不变。当存在标签栈时，栈下方的标签也不会改变，这为压缩提供了可能。

2. 语音传输技术

语音传输在网络应用中越来越受到关注，无论是办公室电话系统还是互联网长途通话，都对语音传输的质量提出了高要求。

2.1 语音IP传输

在IP网络中传输语音面临的主要挑战是保证质量。延迟或丢失的数据包可能导致语音无法理解，因此需要实时性保障。RSVP可用于预留网络资源以维持语音流量的质量，RTP则用于管理语音数据的实时传输。同时，为了降低传输协议的开销，通常会采用头部压缩技术。此外，考虑到IPv4地址空间可能不足以支持所有IP电话设备，IPv6在语音IP设备中得到了广泛应用。信令协议也是语音IP应用中的重要组成部分，用于发起呼叫和提供增值服务。

2.2 语音MPLS传输

语音也可以通过MPLS网络传输。IP数据流携带的语音数据可以被封装成MPLS数据包并通过MPLS网络转发。为了成功支持语音MPLS传输，MPLS标签交换路径（LSP）的两端必须就负载为语音流量达成一致，这样接收方才能正确解释并将其交付给正确的应用。同时，当LSP中断时，中间节点不能尝试转发没有协议头部的流量。

3. IP电话技术

IP电话是利用基于IP的信令协议进行电话呼叫的业务，除了呼叫建立，还涉及计费、客户信息和客户协助等额外服务。

3.1 IP电话协议

IP电话涉及众多复杂的协议，如CORBA用于表示和管理网络元素和资源；H.323协议套件包括H.225.0用于信令和呼叫控制、H.245用于能力交换和数据流管理；MEGACO是IETF和ITU联合开发的媒体网关控制协议；SIP用于在IP网络中建立和管理端到端会话等。这些协议相互协作，共同构建了IP电话的通信体系。

3.2 协议关系

这些协议之间相互关联，部分用于承载数据，部分用于信令。例如，图中展示了音频/多媒体应用中各协议的构建关系，以及IP电话系统中各组件之间运行的协议。在实际部署中，一些组件可能会集成在一个设备中。

4. IP与ATM技术

ATM网络因其独特的优势，在网络领域仍有广泛应用。

4.1 IP over ATM（IPOA）

要在ATM上承载IP流量，需要解决地址解析和数据封装两个问题。IPOA通过在知名ATM电路上运行ARP来实现地址解析，将下一跳IP地址映射到虚拟电路，并动态配置ATM电路以处理对等节点之间的IP流量。数据封装方面，可以将IP数据直接映射到AAL5 SDU，但为了在单个虚拟电路上承载多种协议，通常会使用IEEE 802.2逻辑链路控制和802.1子网连接点（LLC/SNAP）头来标识负载。

4.2 Multiprotocol Over ATM（MPOA）

MPOA旨在解决ATM交换机之间的通信问题，与IPOA不同，它将路由功能集成到ATM交换机中。MPOA的目标是在IP子网之间建立桥梁，但由于Next Hop Resolution Protocol（NHRP）的实现和管理复杂，容易形成转发环路，且缺乏对组播的支持，最终未能广泛应用。不过，它在数据封装方面提供了多种方式，如用于路由PDU的LLC类型值0xFEFE03和用于桥接的特定封装格式。

4.3 LAN Emulation（LANE）

LANE通过添加LANE服务器，使ATM网络表现得像一个桥接的LAN。LANE服务器提供地址解析服务，帮助客户端在MAC和ATM地址之间进行映射，从而实现单播流量通过ATM虚拟电路传输。客户端还可以将组播和广播流量发送到广播服务器，由其复制并转发到正确的目的地。LANE使用与MPOA相同的封装格式来承载802.3/Ethernet和802.5流量。

4.4 MPLS Over ATM

MPLS非常适合在ATM网络上运行，因为MPLS标签可以映射到ATM虚拟路径和电路标识符，利用ATM硬件的交换特性。相邻的支持MPLS的ATM交换机通过默认虚拟电路交换IP数据包，通常采用IPOA中讨论的封装方式。

5. IP拨号链路技术

许多家庭PC通过拨号链路访问互联网，常用的网络层协议有SLIP和PPP。

5.1 Serial Line Internet Protocol（SLIP）

SLIP是一种简单的数据封装协议，主要解决接收方如何确定IP数据包的开始和结束问题。它使用值为0xc0的SLIP END字节来封装IP数据包，当接收方看到该字节时，表明一个IP数据包接收完成。如果IP数据包中包含值为0xc0的字节，发送方会用值为0xdb的ESCAPE字节和0xdc来替换，以避免接收方提前终止接收。同样，如果数据包中包含值为0xdb的字节，发送方会插入新的ESCAPE字节并将其转换为0xdd。后来为了解决在低速链路上IP头部开销的问题，引入了压缩SLIP（CSLIP），它利用链路点对点的特点，对IP和TCP头部进行压缩。

5.2 Point-to-Point Protocol（PPP）

PPP是为解决SLIP的不足而开发的。它使用高级数据链路控制（HDLC）协议作为基础，通过值为0x7e的END字节来标记数据包的开始和结束，并使用转义序列保护具有该值的真实数据字节。PPP使用地址0xff和控制值0x03，接下来的2字节指示负载协议，从而可以承载多种网络层协议。此外，PPP还包括链路控制协议（LCP）来控制串行连接的使用和协商线路参数，以及网络控制协议（NCPs）来为不同的负载协议协商选项，如IP头部压缩和动态分配IP地址。

5.3 拨号协议选择

在SLIP、CSLIP和PPP中，由于PPP具有错误检测能力，因此更受青睐。大多数互联网服务提供商使用PPP进行拨号访问，但支持头部压缩的情况较少。

5.4 代理ARP

在使用拨号连接时，本地网络上的主机需要发现以太网地址才能向拨号客户端发送数据包。由于ARP请求无法到达拨号客户端，因此网络节点会代表拨号客户端响应ARP请求，返回自己的以太网地址，然后负责将IP数据包路由到正确的链路。如果客户端在短时间内断开并重新连接到不同的调制解调器，可能会导致ARP表中的条目过时，解决方法有两种：一是路由器使用UnARP从网络中的ARP表中删除条目；二是接收第二次连接的路由器发出Gratuitous ARP通知，替换网络中旧的信息。

6. 网络未来发展趋势

网络的未来发展受到多种因素的驱动，包括用户需求、服务提供商的投资意愿、制造商的创新能力和标准组织的推动。

6.1 IPv6的发展

IPv6具有巨大的地址空间，为网络的未来发展提供了广阔的潜力。许多政府已经开始推动IPv6的应用，如日本政府在2001年投入大量资金进行IPv6验证测试和实验，并设定了使用期限。美国国防部也宣布新设备必须支持IPv6，并计划在2008年将所有流量过渡到IPv6。随着越来越多的实验网络投入使用，IPv6的部署正在逐渐加速。

6.2 VPN的增长

虚拟专用网络（VPN）是服务提供商的一个主要增长领域，因为它提供了易于计费且客户容易理解的服务。IETF最近将Provider Provisioned Virtual Private Network（PPVPN）工作组拆分为Layer Two VPN（L2VPN）和Layer Three VPN（L3VPN）工作组，以进一步推动VPN解决方案的发展。VPN技术涵盖了多种类型，如BGP/MPLS VPN，通过加密和隧道技术提供安全的网络连接。

6.3 IP语音和移动IP的兴起

IP语音和移动IP也是未来网络发展的重要方向。随着标准的不断完善和部署，通过IP网络进行语音通话和移动设备的网络连接将变得更加普遍。移动VPN（MVPN）则提供了一种在公共移动或无线网络上模拟安全、私有网络的方式，为移动设备的网络应用提供了更多可能性。

6.4 IP控制协议和媒体分发的发展

基于IP的控制协议和媒体分发领域也在不断发展。IP电话是IP控制协议的一个例子，近年来出现了许多新的应用和信令协议。媒体分发方面，视频流、语音和视频会议等需求不断增加，但组播网络的发展相对较慢，可能需要更严格的连接导向方法来推动其发展。

6.5 网络安全的重要性

网络安全已经成为一个热门话题，计算机需要防范病毒和黑客攻击，网络需要防止滥用和拒绝服务攻击，数据需要保护免受窥探。政府既需要保护自己的数据，又需要审查他人的信息。因此，网络安全领域将继续发展，以满足这些需求。

6.6 光网络的复苏

光网络在过去曾有过快速发展，但电信市场的低迷减缓了其发展速度。然而，相关协议已经稳定，并且许多已经部署并用于管理光网络中的流量。随着行业的复苏和带宽需求的增长，光设备的需求将增加，光子开关可能会在光网络的核心得到部署，同时GMPLS协议将用于动态操作这些开关，为网络用户提供按需带宽和光VPN等服务。

6.7 全球信息网格（GIG）的影响

全球信息网格（GIG）是美国国防部正在建设的一个庞大网络，旨在连接全球的“战士”。尽管它不打算向公众开放，但由于国防部的大规模采购和对新技术的严格测试要求，可能会推动一些新技术的发展，并最终惠及普通互联网用户。

综上所述，网络技术的发展前景广阔，涉及多个领域的创新和改进。从头部压缩到语音传输、IP电话、ATM集成、拨号链路以及未来的发展趋势，每个方面都在不断演进，以满足日益增长的网络需求。随着技术的不断进步，我们可以期待网络在未来提供更高效、安全和多样化的服务。

7. 网络技术关键要点总结

7.1 头部压缩技术要点

• IP头部压缩 ：利用序列号和CID唯一标识数据包，发送方有多种发送模式，接收方依据链路层协议判断数据包类型。特殊数据包类型有特定用途，如COMPRESSED_NON_TCP用于高丢包率链路，CONTEXT_STATE用于刷新解压缩器状态。
• MPLS头部压缩 ：MPLS隧道可避免节点参与压缩和解压缩，但垫片头部增加开销。在特定情况下，MPLS头部本身可压缩，如与二层网络技术结合或存在标签栈时。

7.2 语音传输技术要点

• 语音IP传输 ：保证语音质量需RSVP预留资源、RTP管理实时传输，采用头部压缩降低开销，IPv6用于解决地址空间不足，信令协议用于呼叫和增值服务。
• 语音MPLS传输 ：MPLS网络传输语音时，LSP两端需就负载达成一致，中断时中间节点不转发无协议头部流量。

7.3 IP电话技术要点

• IP电话协议 ：涉及CORBA、H.323、MEGACO、SIP等众多协议，相互协作构建通信体系。
• 协议关系 ：部分协议承载数据，部分用于信令，实际部署中组件可能集成。

7.4 IP与ATM技术要点

技术类型	要点
IP over ATM（IPOA）	解决地址解析和数据封装问题，通过ARP映射地址，可使用LLC/SNAP头标识负载。
Multiprotocol Over ATM（MPOA）	集成路由功能到ATM交换机，但因NHRP复杂未广泛应用，提供多种数据封装方式。
LAN Emulation（LANE）	添加LANE服务器使ATM网络像桥接LAN，提供地址解析和广播服务，使用与MPOA相同封装格式。
MPLS Over ATM	MPLS标签可映射到ATM标识符，相邻交换机通过默认虚拟电路交换IP数据包。

7.5 IP拨号链路技术要点

• SLIP ：简单封装协议，用SLIP END字节封装，处理特殊字节避免提前终止接收，CSLIP用于解决低速链路头部开销问题。
• PPP ：解决SLIP不足，基于HDLC协议，可承载多种网络层协议，包括LCP和NCPs进行连接控制和参数协商。
• 拨号协议选择 ：PPP因有错误检测能力更受青睐，但头部压缩支持较少。
• 代理ARP ：网络节点代表拨号客户端响应ARP请求，客户端重新连接可能导致ARP表过时，有两种解决方法。

7.6 网络未来发展要点

发展方向	要点
IPv6的发展	政府推动，地址空间大，部署逐渐加速。
VPN的增长	服务提供商增长领域，IETF拆分工作组推动发展，涵盖多种类型。
IP语音和移动IP的兴起	标准完善，应用更普遍，MVPN提供模拟安全网络方式。
IP控制协议和媒体分发的发展	新协议不断出现，媒体分发需求增加，组播网络需新方法推动。
网络安全的重要性	防范多种攻击，保护数据，领域持续发展。
光网络的复苏	协议稳定，行业复苏后需求增加，GMPLS协议用于动态操作。
全球信息网格（GIG）的影响	国防部建设，可能推动新技术发展惠及普通用户。

8. 技术应用与操作流程示例

8.1 IP头部压缩应用流程

graph LR
    A[发送方] --> B{选择发送模式}
    B --> |正常未压缩IP数据包| C1[发送正常IP数据包]
    B --> |用CID替换头部字段| C2[准备接收压缩数据包]
    B --> |压缩头部| C3[发送压缩数据包]
    D[接收方] --> E[依据链路层协议判断数据包类型]
    E --> |正常IP| F1[正常处理]
    E --> |带CID的完整头部| F2[特殊处理]
    E --> |仅IP和UDP压缩包| F3[解压处理]
    E --> |完全压缩包| F4[深度解压处理]

8.2 PPP协议使用流程

1. 建立连接 ：
   • 发送方和接收方通过物理链路建立连接。
   • 发送方发送LCP配置请求，包含链路参数，如最大接收单元等。
2. 协商参数 ：
   • 接收方收到请求后，根据自身能力进行协商，可能接受、拒绝或修改参数。
   • 双方达成一致后，确定链路参数。
3. 选择负载协议 ：
   • 发送方发送NCP配置请求，选择要使用的网络层协议，如IP。
   • 接收方确认支持该协议。
4. 数据传输 ：
   • 双方开始通过PPP链路传输数据，数据按照协商好的协议进行封装和处理。
5. 断开连接 ：
   • 一方发送LCP终止请求，另一方确认后，断开PPP连接。

9. 技术发展的挑战与机遇

9.1 挑战

• 技术复杂度 ：如MPOA中NHRP的实现和管理复杂，增加了部署难度。
• 安全问题 ：网络安全面临多种威胁，如病毒、黑客攻击、拒绝服务攻击等，保障数据安全和网络稳定是一大挑战。
• 标准统一 ：众多协议和技术需要统一标准，以确保互操作性和兼容性。
• 资源限制 ：如IPv4地址空间不足，限制了设备的广泛接入。

9.2 机遇

• 市场需求 ：用户对网络服务的需求不断增长，如语音传输、视频流、VPN等，为技术发展提供了广阔市场。
• 技术创新 ：新技术的不断涌现，如IPv6、GMPLS等，为解决现有问题和开拓新应用提供了可能。
• 行业合作 ：不同组织和企业之间的合作，如IETF、ITU等标准组织的推动，促进了技术的发展和标准化。

10. 对网络技术爱好者的建议

10.1 学习建议

• 深入理解基础协议 ：如IP、TCP、UDP等，掌握其原理和工作机制，为学习更高级的技术打下基础。
• 关注新技术发展 ：及时了解IPv6、VPN、MPLS等新技术的动态，参加相关培训和研讨会。
• 实践操作 ：通过搭建实验环境，如使用虚拟机搭建网络拓扑，进行协议测试和应用开发。

10.2 职业发展建议

• 技能提升 ：不断提升自己的技术能力，如掌握网络安全、云计算、大数据等相关技能。
• 项目经验积累 ：参与实际项目，积累项目经验，提高解决问题的能力。
• 行业交流 ：加入行业社区，与同行交流经验和见解，拓展人脉资源。

网络技术的发展是一个持续演进的过程，充满了挑战和机遇。通过不断学习和实践，我们可以更好地适应技术的变化，为网络的发展贡献自己的力量。无论是个人用户还是企业，都将从网络技术的进步中受益，享受更高效、安全和多样化的网络服务。