IP与ATM融合技术.doc

第四章 IP与ATM融合技术ATM技术是八十年代末由电信提出的，为实现包括话音、数据和图像在内的各种业务传输的宽带综合数据业务网B-ISDN而发展起来的网络技术。ATM技术的实质是电路交换和分组交换的综合。因此ATM技术具有很大的灵活性，任何时候都能按实际需要来占用资源;对特定业务，传送速率随信息到达的速率而变化;能够适应任何类型的业务，无论其速率高低、突发性大小、实时性要求和质量要求如何，都能提供满意的服务。ATM最初的思想就希望造就未来通信系统的统一平台，制定ATM规范的ATM论坛一直在通过各种手段向ATM中容纳进新的内容以保证ATM最初的目标。但这样造成ATM技术异常的复杂，标准化的过程缓慢。此外，昂贵的设备价格也是目前困扰ATM技术普及推广的一大因素，因此ATM一般只限于电信级骨干网的建设。IP技术起源于六十年代，最初只用于计算机局域网的组建。近十年来，随着Internet的快速普及，IP技术广为流传，已经成为一种事实上的开放系统互联标准。IP技术实质上是一种不需要预先建立连接，而直接依赖于IP分组头信息决定分组转发路径的数据传输技术。IP技术的主要特点是：IP协议是一种网络级互联协议，容易实现异种网络的互联;采用无连接技术，特别适合于电子邮件、信息检索等非实时的短报文通信;具有统一的寻址体系，网络可扩展性强;采用独立服务的模块化结构，可以支持多种不同应用，容易增加新业务。IP技术所具有的最大优势在于，它可以运行在任何介质和网络上，可以保证异种网络的互通，即“IP over everything”。随着宽带IP技术的发展，包括话音、数据和图像在内的各种业务均能在IP网上进行传输，出现了所谓的“Everything on IP”的局面，IP业务也即将成为通信业务的主流。但IP技术在发展过程中也遇到了路由器瓶颈、服务质量难以保证等问题的困扰。ATM和IP都是发展前景良好的技术，但它们在各自的发展过程中都遇到一些问题。如果把这两项技术结合起来，利用ATM网络为IP用户提供高速直达数据链路，即可以充分利用ATM网络的资源优势，发展ATM上的IP用户业务，又可以解决IP网络发展中遇到的问题，进一步推动IP业务的发展。4.1 IP与ATM融合技术的方式目前，IP与ATM结合技术主要分为两大类：重叠技术和集成技术。重叠技术是通过中间层将IP协议和ATM交换结合在一起的IP OVER ATM技术，即“在ATM上的IP”，意思是使用ATM技术来实现IP分组的传播。这种技术不更改ATM网络的协议模块，而将IP协议的功能层叠加在ATM上。也就是说，在叠加模型中，IP协议是重叠在ATM上运行的，它需要定义两套地址结构及选路协议，同时需要两套维护和管理功能，ATM系统既要分配IP地址，也要分配ATM地址，所有在ATM网络上工作的协议均需解析协议，将高层的IP地址与相应的ATM地址联系起来。重叠技术的优点是采用标准的ATM论坛/ITU-T的信令标准，与标准的ATM网络及业务兼容;缺点是传送IP包的效率较低。集成技术是将IP协议和ATM交换集成在一起，利用ATM高速交换能力转发IP数据包。集成模型将ATM单元实体与ATM网络地址分配策略和路由选择协议分离，ATM网络实体采用与IP协议完全相同的协议体系和地址分配策略，ATM系统仅需标识IP地址，网络不再需要ATM的地址解析规程，但增加了ATM交换机的复杂度,使ATM交换机看起来更像一个多协议的路由器。集成技术的优点是传送IP包的效率比较高，不需要地址解析协议;缺点是与标准的ATM技术融合较为困难。4.2叠加技术重叠技术的实现方式具体来说主要有三种，分别是经典的在ATM上传送IP （CIPOA ClassicalIPoverATM）、局域网仿真（LANELANEmulation）和ATM支持多协议（MPOAMulti-protocoloverATM）。4.2.1 CIPOA（ATM上的传统IP技术）CIPOA定义IETF工作组在RCF1483（AAL5上的多协议封装）和RCF1577（ClassicalIPandARPoverATM）两个文件中定义并规范了CIPOA。CIPOA的基本思想是利用IP对低层网络技术的包容能力，在ATM网上支持IP协议。它继承了IP的基本思想，仅把ATM网络看作与以太网、令牌环网等物理子网处于同样地位的一种异形子网。由于CIPOA规范只支持IP协议，所以它适用于只使用IP协议的互联网和局域网。利用该规范，用户可以在ATM网络上直接运行现存的基于IP的网络协议（如TCP、UDP）和基于IP应用协议（如WWW、FTP、NFS等）。CIPOA的协议结构如下所示：网络层IPRCF1577数据链路层RCF1483ATM层物理层物理层CIPOA引入了逻辑IP子网（LIS）的概念，所谓LIS是指根据用户和网络管理者的连接要求，对直接连接到ATM网络的任意主机、路由器进行组合，这种组合形成了一个逻辑的IP子网，其中的主机和路由器可位于网络中的任何地方，即与它们的地理位置无关。不同的LIS相互独立操作和通信，在一个LIS内，IP包可以在点到点的ATM永久虚通道（PVC）和ATM交换虚通道（SVC）上传送，位于两个LIS内的主机间的IP连接需要经过一个路由器。CIPOA基本工作原理在每一个LIS内设有一个地址解析服务器（ARPServer），负责完成IP地址和ATM地址的映射功能。当LIS中新增了一个IP主机时，该主机首先利用配置好的地址建立与ATMARP服务器的连接，ATMARP服务器检测到来自新主机的连接后，向该主机发送反向ARP请求（InARP），从而获得新增主机的IP地址和ATM地址，并在ATMARP服务器中的IP地址ATM地址映射表中进行登记。当一个主机需要向被叫发送IP数据报时，由于它不知道对方的ATM地址，所以首先向ATMARP服务器发送ARP请求，获得被叫的ATM地址，再建立到被叫的ATM连接并进行通信。 CIPOA的优点和局限在重叠技术中，CIPOA技术成熟，实现简单，可利用ATM的服务质量QOS，因此能够支持多媒体业务。CLPOA在IP层将传统的局域网接入ATM网，地址解析实现了IP地址和ATM地址的直接映射，比局域网仿真地址解析的两重地址映射简单，而且地址解析的时延小。但两个LIS中的主机间进行通信时需要经过路由器，仍不能完全解决路由器瓶颈问题，并且每个LIS内都配置一个地址解析服务器，将引入额外的时延。此外，它只支持IP网络，其他的网络层协议，如IPX等得不到支持，因此它的使用受到限制。IP广播地址和点对多点的组播地址无法映射到ATM地址上，因此CIPOA不支持局域网的广播和组播业务。4.2.2 LANE（局域网仿真技术）LANE定义ATM论坛定义了一种ATM业务，称为局域网仿真。它是在ATM上模拟传统局域网，通过ATM网将多个传统局域网和终端设备互联，在ATM上构造新的局域网，这些局域网节点间的通信行为与传统局域网完全相同。由ATM层替代传统LAN的MAC子层，成为物理层和逻辑链路之间的一层，因此局域网逻辑链路层以上的软件可以不做任何改动。LANE可以支持任何局域网的高层协议（如IP,IPX等）。仿真局域网由一组局域网仿真客户机（LEC）、局域网仿真配置服务器（LECS）、局域网服务器（LES）和广播/未知服务器（BUS）构成。LAN是对局域网的媒体访问控制子层（MAC层）进行仿真，LANE的协议栈如下图所示： 网络层IP、IPX等 LANE 数据链路层RCF1483 ATM层 物理层物理层 LANE基本工作原理LANE的服务体系是基于CLIENT/SERVER的查询和响应模型。在一个仿真的局域网络（ELAN）中，需要配置局域网仿真客户机（LEC）、局域网仿真配置服务器（LECS）、局域网仿真服务器（LES）和广播/未知服务器（BUS）。LEC是所仿真的局域网的端系统，它向现有局域网提供MAC层的服务接口，代理原局域网中的所有终端向ATM网络传输数据，完成地址解析，实现整个ELAN中的所有终端间的通信。LECS负责保存仿真局域网中的局域网仿真客户机（LEC）配置信息，并向新安装的LEC发送LES的ATM地址，每个管理域只有一个LECS，它可为一个或多个仿真局域网（ELAN）提供服务。LES负责实现MAC地址与ATM地址的映射功能，每个ELAN只有一个LES，每个LES有一个专有的ATM地址来标识。BUS负责处理广播及未知的MAC地址，在仿真局域网内提供广播和组播传送功能。LEC与LES进行通信完成地址解析并把用户数据通过ATM数据直达链路传送给另一个真地址解析协议（LE-ARP）请求，询问收端的ATM地址。如果收端已在LES上注册，则LES就在LE-ARP应答中将收端ATM地址返回给发ARP请求转发给ELAN上的所有LEC，收端LEC收到该请求后，就在LE-ARP应答中将自己的ATM地址返回给LES再由LES返回就通过ATMSVC呼叫建立到收端的虚连接，并在其上进行数据传送。LANE的优点和局限因为LANE提供了和现有MAC协议给网络层提供驱动相同的服务接口，因此不需要改变该驱动，这将加速ATM的发展和应用。而且LANE的功能使ATM的特性对高层协议透明，可支持多种协议传送，这是它的优点。 缺点是同样因为ATM的特性对高层协议透明，因此它使高层协议不能利用ATM固有的优点，业务只能使用ATM的ABR（可用比特率业务）或UBR（未指定比特率业务）连接来传送。尽管LANE提供在ATM网络子网内桥接的有效方式，但子网间的业务仍需要通过路由器转发，因此，ATM路由器很可能成为瓶颈。一个仿真局域网目前只能仿真一种局域网，不能完成异种局域网的转换。4.2.3 MPOA（ATM上的多种协议技术）MPOA定义局域网仿真和ATM上的传统IP技术都没有解决网间通信的问题，网间通信必须采用外部路由器转接，路由器成为通信的瓶颈，从而也无法在两个节点之间建立满足QOS要求的连接。为了解决这个问题，ATM论坛提出了MPOA（ATM支持多协议）。MPOA集成了LANE、CIPOA、NHRP和Mars规范的功能，同时还引入了虚拟路由器的概念。MPOA是一个功能强大的网络层路由解决方案，使任何具有MPOA功能的设备都可以和另一台设备通过ATM交换建立直接连接，不必再经过中间的路由器。这种直接跨越ATM网络建立直接连接的技术有时也称为“直通”或“零跳”路由。MPOA实际上采用了三种互补的技术来构成如下图4所示图4 MPOA 的模型结构其基本功能：ATM论坛的局域网仿真（LANE）协议、IETF的下一跳解析协议（NHRP）以及虚拟路由器的概念。LANE是在ATM上仿真第二层的局域网技术，使得ATM透明于上层应用，是MPOA的一个内部组成部分，适用于子网内部的通信。NHRP提供了一种扩展的地址解析协议，是基于网络层的寻址技术，允许下一跳的客户在不同的逻辑子网间发送查询，从而允许子网间直接建立ATM连接，让确定的数据流不需使用中间的路由器，如图5所示。虚拟路由器是指将传统路由器的功能分离到网络中各个不同的组成部分中去，也就是说，将网络中一系列设备集合共同完成传统路由器在网络中的功能，从而降低了成本，提高了效率，如图6所示图6 虚拟路由器模型MPOA的工作原理MPOA标准模型包括三个部分：边界设备、ATM直连主机和路由服务器。边界设备使用网络层和MAC层目的地址在传统的局域网与ATM接口间传送数据包，以使传统的局域网能够通过ATM进行高效传输。ATM直连主机具有能够实现多协议信息传输标准功能的ATM网络接口卡，它允许ATM直连主机的相互通信，并允许ATM直连主机通过边界设备与传统局域网进行通信。路由服务器是一组功能的集合体，它既可由作为单个产品实现，也可在现有路由器和交换机中构建，它使用某些路由协议算法和构造响应MPOA系统的请求。它完成网络层对ATM层地址的映射，对未知的服务器的多路广播以及对网络层、MAC层和ATM地址的维护功能。MPOA系统规定了具体实现某种功能的逻辑组成部件：MPOA客户（MPC）和MPOA服务器（MPS），它们可以在不同的硬件配置上实现。如图7所示MPC检测通信流，一旦发现就请求MPS为其提供收端的ATM地址，得到该地址后通过SVC呼叫建立到收端的ATM连接，并在其上传送数据；MPS负责维护本地的网络层、MAC层和ATM地址信息以及路由表，MPS处理来自MPC的址解析请求并作出应答，MPS之间通过NHRP进行联络，以解决跨子网的地址解析问题。MPOA工作原理图如下MPOA的优点和局限MPOA的实质是虚拟路由技术，即使用边界设备完成大部分交换功能，使用路由服务器建立路由表，为边界设备提供路由。它的优点是不仅能在一个子网内建立ATM虚通道连接，而且能够在不同的子网间建立直接的ATM虚通道连接，跨子网的通信不再经过路由器，解决了路由器瓶颈问题。缺点是系统结构比较复杂，具体实现比较困难。缺点是系统结构比较复杂，具体实现比较困难，而且仍存在一些问题需要解决，如基于NHRP协议的地址解析响应时间延迟较大等。4.3 集成技术目前有代表性的集成技术主要有三种：IP交换技术（IPSwitch）、标记交换技术（TagSwitch）和多协议标记交换技术（MPLS）。4.3.1 IP交换技术IP交换定义IP交换是Ipsilon公司提出的专门用于在ATM网络上传送IP分组的技术，它克服了CIPOA的一些缺陷，如在子网之间必须使用传统的路由器，提高了在ATM上传送IP分组的效率。IP交换机的组成IP交换机由ATM交换机、IP交换控制器组成，IP交换控制器主要由路由软件和控制软件组成，ATM交换机的一个ATM接口与IP交换控制器的ATM接口相连，用于控制信号和用户数据的传送。在ATM交换机与IP交换控制器之间使用控制协议为RFC1987通用交换机管理协议（GSMP），在IP交换机之间使用的协议是RFC1953Ipsilon流管理协议（IFMP）。GSMP是一个多用途的协议，使得IP交换控制器能对ATM交换机进行控制，完成直接ATM交换。它将IP交换控制器设置为主控制器，而把ATM交换机设置为从属被控设备，IP交换控制器利用该协议向ATM交换机发出各种要求，如：建立和释放经过ATM交换机的虚连接，在点到多点连接中增加或删除端点，进行配置信息查询等。IFMP用于在相邻的IP交换机控制器、IP交换网关或支持IFMP的网络接口卡之间的控制数据传送，以便把现有网络或主机接入IP交换网中或实现相应的控制功能。如图所示IP交换机的组成IP交换网络将用户数据流分为两类：持续时间长、业务量大的用户数据流（如FTP数据、HTTP数据、多媒体音频、视频数据等）和持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据流（如DNS查询、SMTP数据、SNMP查询等），对不同类型的流进行不同的处理。 IP交换机的工作过程如下：（1）IP交换机的ATM输入端口从上游节点接收输入业务流，并把这些业务流送往IP交换机控制器中的路由软件进行处理。IP交换机控制器根据输入业务流的TCP或UDP信头中的端口号码进行流分类。持续时间长、业务量大的用户数据流在ATM交换机硬件中直接进行交换；持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据流通过IP交换控制器中的IP路由软件进行传输，即与传统路由器一样，也是一跳接一跳（hopbyhop）进行存储转发传送。（2）一旦一个业务流被标识为直接ATM交换，IP交换控制器将要求上游节点把该业务流放在一条新的虚通道上。（3）如果上游节点同意建立虚通道，则该业务流就在这条虚通道上进行传送。（4）同时，下游节点也要求IP交换控制器为该业务流建立一条呼出的虚通道。（5）通过步骤（3）和（4），该业务流被分离到特定的呼入虚通道和呼出虚通道上。（6）通过旁路路由，IP交换控制器指示ATM交换机完成直接交换。IP交换的优点和局限IP交换的实质是基于信息流的传输方案，它的特点是对于持续时间长，业务量大的用户数据流，利用ATM虚通道进行传输，因此传输时延小、容量大；而对于持续时间短、业务量小，呈突发分布的用户数据流，使用IP路由软件进行传输，从而节省了建立ATM虚电路的开销，提高了传输效率。IP交换的缺点是只支持IP协议，同时它的效率有赖于具体的用户业务环境，对于大多数是持续时间长、业务量大的用户数据情况下，能获得较高的效率；但对于大多数是持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据的情况下，IP交换的效率将大幅降低。4.3.2 标记交换（TagSwitching）标记交换定义标记交换是Cisco公司提出的一种多层交换技术，它把ATM第二层交换技术和第三层路由技术结合起来，能充分利用ATM的QOS特性、支持多种上层协议，是一种性能比较优越的IP和ATM结合技术。标记交换的工作原理在标记交换网络中，处于边缘的路由器将每个输入帧的第三层地址映射为简单的标记，然后把帧转化为打了标记的ATM信元；打了标记的信元被映射到虚通道上，在网络核心由ATM交换机进行标记交换，并使用路由器与交换机直连，用于保存标记信息，实现寻找第三层路由的功能；最后，目的地的边缘路由器去掉信元中的标记，把信元转换为帧并将其送往接收用户。如图示在标记交换网络中的边缘路由器主要根据下列信息对IP包加上标记：（1）目的地址前缀：以路由表中的路由为基础，允许来自多个源地址的IP包向同一个目的地址发送时共享同一个标记，从而节省了标记资源。（2）边界路由：对标记交换系统的边缘路由器进行标记分配。在某些情况下，这种技术使用的标记比使用目的地址前缀技术少。（3）业务量调节：使IP包沿着指定的且与路由算法选择的不同的路径流动，从而允许网络管理人员平衡中继线路上的负荷。（4）应用业务流：同时考虑IP包的源地址和目的地址，以提供对诸如QOS等特性更精确的控制。标记交换的关键在于采取基于拓扑结构的选路方式。它使用标记分配协议（TDP）与第三层路由协议，在标记交换网络的各设备间分发标纪信息，共同建立合适的直通路由。采用此种技术，使得只有在网络拓扑结构发生变化时，才需要使用TDP重新计算节点的标记，从而大幅度地了降低了整个网络的开销。标记交换的优点和缺陷标记交换的主要优点是：标记交换不依赖于路由过程中使用的特定网络层协议，因此标记交换技术支持不同的路由协议（如OSPE、BGP、OSIISIS等）以及各种网络层协议（如IP、IPX等）；标记交换还借助标准的多点广播协议，利用ATM交换机现有的广播硬件支持多点广播功能；另外，通过为不同的服务质量等级分配不同的标记，并在标记交换机中使用排队和缓冲机制加以控制，使得标记交换可以保证具有一定服务质量要求的用户数据的传送；在网络内部，标记交换机按照信元上的标记进行寻路，不再依赖于特定的第三层地址（如IP地址），使得网络的分级组织容易实现，网络的扩展能力较强。标记交换技术实际上已将ATM交换机用作多协议路由器，从而形成了更加统一的网络模型并增加了网络间配置的共同性。标记交换虽然有很多优点，但由于标记交换是Cisco的专有技术，要求网络中端到端都有Cisco的设备才能完成通信，推广使用受到了限制。4.3.3 MPLS（多协议标记交换）MPLS定义MPLS基于标记交换的机制，在ATM层上直接承载IP业务，与叠加模型的技术相比，提高了业务性能和网络效率，对IP业务也略去了ATM信令的复杂性。MPLS网络由核心部分标记交换路由器（LSR）和边缘部分标记边缘路由器（LER）组成。LSR是实现MPLS功能的ATM交换机，LER可以是具有MPLS功能的交换机或路由器。MPLS的工作原理如上图示MPLS网络由核心部分的标签交换路由器（LSR）和边缘部分的标签边缘路由（LER组成）。LER位于ATM骨干网络的边缘并作为MPLS的入口/出口路由器。LER执行全部的第三层功能；运行标签分发协议（LDP），实现标签的分配、绑定功能。LSR执行的标准交换可以看作ATM交换机和传统路由器的结合，具有第三层转发分组和第二层交换分组的功能。MPLS的基本思想是采用标记交换的机理，是一种基于拓扑结构的选路机制，MPLS网络的工作过程一般包括以下4个步骤： （1）使用现有的路由协议，例如OSPF、IGRP等建立到终点网路的连接，同时使用LDP完成标签到终点网路的映射。（2）输入端LER接收到分组，完成第三层功能，并对分组进行标签粘贴。（3）LSR对带有标签的分组不再进行任何第三层处理，只依据分组上的标签进行交换。（4）由输出端的LER去掉标签，并传送分组给终端用户。MPLS的特点:(1)MPLS的流量管理传统IP网络一旦为分组选择了路径，不管这条路上是否拥塞，