ATM网络上的TCP

第10章ATM网络上的TCP IP 引言 IP技术与ATM技术 IP网络技术 特点 技术简单 可扩展性好 灵活性高存在问题 传输效率低 无法保证服务质量ATM网络技术 特点 可满足多业务需求 传输效率高 保证服务质量 有流量控制存在问题 技术复杂 可扩展性不好 IP与ATM融合的两种模式 1 重叠模式IP层运行在ATM层之上2个地址空间 IP地址与ATM地址 2种选路协议 IP选路协议与ATM选路协议 需要地址解析功能CIP LANE MPOA是重叠模式CIP是IETF INTERNET工程任务组 在1994年的RFC1577文件中提出的解决在ATM网上支持IP协议的方案 CIP ClassicalIPoverATM IP与ATM融合的两种模式 2 集成模式单一的IP地址空间单一的IP选路协议需要控制协议 将3层的选路信息映射到2层直通交换机制 Ipsilon的IP交换 Tag交换 MPLS是集成模式 第10章ATM网络上的TCP IP 主要内容本章主要讨论 为无连接网络设计的TCP IP怎样才能用于面向连接的技术 异步传输模式ATM 讨论ATM所提供的逻辑连接以及ATM的数据传输协议 ATM与TCP IP的关系 主机的ATM地址与IP地址的关系 地址解析协议 服务器如何获取和管理地址等 最重要的是 我们将看到IP数据报怎样通过ATM网络而不需要进行分片 第10章ATM网络上的TCP IP 10 1ATM回顾10 1 1两种ATM连接形式10 1 2通路 电路与标识符10 1 3ATM信元10 2ATM适配层10 2 1IP协议使用AAL510 2 2AAL5的收敛 分段与重组10 2 3数据报的封装与IPMTU的大小10 2 4数据报的封装 第10章ATM网络上的TCP IP 10 3ATM网络中IP地址的绑定10 3 1逻辑IP子网10 3 2ATMARP分组格式10 3 3用ATMARP分组确定地址10 3 4服务器数据库的管理10 3 5主机ATMARP高速缓存的管理10 4MPOA简介10 5IP交换技术 10 1ATM回顾 ATM网络的基本构件是专用的电子交换机 通常计算机通过插在计算机总线上的接口卡 用一对光纤连接到交换机 10 1ATM回顾 ATM交换机 UNI UNI或NNINNI接口设计用于交换机之间UNI连接可在专用网络中用于ATM交换机之间 大型ATM网络 10 1ATM回顾 ATM在同构的ATM硬件上提供了一般性的抽象 尽管具有允许一个交换结构包含多台交换机的物理结构 但ATM硬件使连接的计算机感觉都是连接到一个单一的物理网络 在ATM网络上的任何计算机都可以和其他任何计算机通信 这些计算机并不了解物理网络结构 ATM交换系统的逻辑表示 10 1 1两种ATM连接形式 ATM向所连接的主机提供一个面向连接的接口 主机要通过ATM网络给远端的目的站发送数据 必须先建立一个连接 ATM提供两种形式的连接 永久虚电路PVC和交换虚电路SVC PVC 管理员沿从原站到目的站的通路手工输入所需的配置 PVC只用于相当长的时期内不变动位置的连接 SVC 由软件自动创建 并在不需要时终止 主机上的软件启动SVC的创建 它给本地交换机传递一个请求 这个请求包括SVC所需的远程主机的完整地址 还包括指定所需服务质量的参数 然后主机等待ATM网络创建一个电路并做出应答 ATM信令系统建立一条通路 从源主机通过ATM网络到达远程主机 ATM网络 A B 交换机X 交换机Y UNI UNI NNI NNI t 数据传送阶段 SVC 10 1 2通路 电路与标识符 面向连接的技术给每个电路分配了一个独特的整数标识符 UNI接口使用一个24比特的整数来标识每一条虚电路 当管理员创建PVC时 分别给它们指定了的一个标识符 当主机上的软件创建一个新SVC时 本地ATM交换机就给该电路指定一个标识符 并通知主机 10 1 2通路 电路与标识符 面向连接的系统没有给每个电路分配全局的电路标识符电路标识符代替了用于创建电路的完整信息一个电路标识符只是在跨越一个单跳时才有意义电路标识符仅在电路打开时又有意义标识符分为两个字段 虚通路标识符VPI和虚电路标识符VCI分VPI和VCI的动机 ATM的硬件可以高效的使用VPI路由通信量 VCI与VPI VPI包含VCI ATM连接用信元首部中的两级标号来识别 虚电路标识VCI VirtualChannelIdentifier 虚通路标识符VPI VirtualPathIdentifier 传输链路 图中端点A通过交换机X Y Z与端点B建立了一条逻辑连接 虚电路 10 1 3ATM信元 ATM网络使用信元来传输数据 ATM要求所有信元都一样长 这样有可能构造出更快的交换硬件 每个ATM信元53字节长 5字节首部 接着是48字节的有效载荷 10 2ATM适配层 通过ATM传输数据的应用程序并不读写信元 而是由计算机通过一个ATM适配层与ATM进行交互 一个典型的ATM接口的结构如右图所示 适配层AAL ATM层和AAL层 在ATM交换机中只有物理层和ATM层 ATM端点 AAL层 IP层 物理层 ATM层 AAL层 IP层 物理层 ATM层 ATM网络 ATM网络 ATM端点 ATM层和AAL层 AAL层只能驻留在ATM端点之中 交换机 交换机 ATM网络 ATM网络 ATM层 物理层 物理层 物理层 ATM层 物理层 IP层 物理层 ATM层 IP层 物理层 ATM层 砂漏模型 不同类别的应用 AAL1 AAL2 AAL3 4 AAL5 53字节 51Mb sUTP 100Mb s光纤 155Mb s光纤 其他 AAL层 ATM层 物理层 信元 10 2ATM适配层 当建立一个连接时 主机必须明确将使用什么适配层协议 连接的两端必须同意所作的选择 并且一旦建立连接之后就不能再改变适配层 10 2 1IP协议使用AAL5 计算机使用ATM适配层5通过ATM网络传输数据 AAL5提供了一个可以接受和交付可变长度的分组的接口 AAL5允许每个分组包含1至65535字节之间的数据 保留置0 用户到用户标识 CRC差错检查 报文数据长度 10 2 2AAL5的收敛 分段与重组 当一个应用程序通过AAL5的ATM连接发送数据时 主机就将一块数据交付到AAL5接口上 AAL5产生一个信尾 并将信息划分为48字节长的信息块 然后将每一个信息块以单个信元的形式在ATM网络上传输 在连接的接收方 AAL5将到达的信元重组成一个分组 检验其CRC以保证所有分组正确到达 然后将结果数据传给主机软件 这种将分组划分成许多信元以及重新将它们重组成分组的过程 称为ATM分段与重组SAR 10 2 2AAL5的收敛 分段与重组 示例 一个140字节的数据报怎样封装成信元 在ATM网络中传输 封装之前 先要加上8字节的尾部 尾部应当出现在最后一个信元的最后8字节 AAL5在ATM首部中使用一个比特来标识给定的数据块中的最后一个信元 10 2 2AAL5的收敛 分段与重组 140字节IP数据报 8字节尾部 填充 AAL5 ATM 10 2 3数据报的封装与IPMTU的大小 当TCP IP在ATM网络上发送数据时 使用AAL5传输一份完整的数据报 虽然AAL5能接受和传输长达64K字节的分组 但TCP IP标准却规定了一个默认的MTU 其值为9180字节 IP必须将任何长度超过9180字节的数据包分片 然后交给AAL5 10 2 4数据报的封装 数据报的封装形式可以有两种 一条虚电路两端的两个主机事先同意将此虚电路用于某个特定的协议 例如此虚电路仅用来发送IP数据报 这种方案的优点是不需要在分组中附加信息 但造成了虚电路的重复 每一台主机必须为每一个高层协议重建一条虚电路 一条虚电路两端的两个主机事先同意将数据区中的某些八位组保留作为类型字段之用 这种方案允许所有的通信协议在同一条虚电路上通过 但缺点是需要使每一个分组带有标识协议类型的一些八位组 而且使用各种协议的分组都具有同样的时延和优先级 10 2 4数据报的封装 标准建议分组中包含信息类型时 应使用802 2标准 其逻辑链路控制LLC的首部应跟随一个子网连接点SNAP的首部 多个协议复用一条虚电路时 用AAL5发送一个IP数据报所用的分组格式如下图 0 16 31 组织标识符 管理TYPE字段中的值 将IP数据报封装在以太网帧时所用的值 10 3ATM网络中IP地址的绑定 ATM网络传输IP数据报时 需要三种类型的地址 IP地址 物理地址 虚电路标识符 ATM给连接的每一台计算机分配了一个物理地址 当建立虚电路时必须使用这个物理地址 ATM的物理地址比IP地址长 不可能把ATM物理地址编码到IP地址内部 因此不能使用静态绑定 ATM的硬件不支持广播 因此不能使用传统的ARP将其地址绑定到ATM网络 不用绑定 10 3ATM网络中IP地址的绑定 首先 在建立虚电路传输数据时 目的站的IP地址必须映射到ATM端点地址 这个端点地址用于建立虚电路 其次 当在现有虚电路上向远程主机发送数据报时 目的站的IP地址必须映射到电路的VPI VCI序偶 面向连接的交换技术需要两级地址绑定 第二级邦定在ATM网络上发送数据报时使用 第一级绑定仅在建立交换虚电路时才需要 10 3ATM网络中IP地址的绑定 IP地址 ATM端点地址 IP地址 VPI VCI 建立虚电路时 发送数据报时 面向连接技术的两级地址绑定 如何解决地址绑定 10 3ATM网络中IP地址的绑定10 3 1逻辑IP子网 一种局限条件下可用的协议 当一组计算机使用ATM网络代替单个物理网络时 可使用该协议 这个组构成了逻辑IP子网LIS连在同一个ATM硬件网络上的一组计算机可以定义为多个逻辑IP子网 每个逻辑IP子网的功能就像单个的局域网 所有在一个LIS中的计算机都共享一个IP网络前缀 这个网络前缀与其它网络前缀是不同的 在一个LIS的计算机在组成LIS的所有虚电路上必须使用同样的MTU 一个LIS中的主机并不能与另一个LIS中的主机直接通信 逻辑子网之间的通信必须通过一个属于多个LIS的路由器进行 连接在一个ATM网络上的8台计算机分成两个逻辑IP子网 每一个LIS构成一个在概念上分割的网络 计算机F同时属于两个逻辑子网 可以是两个逻辑子网之间的路由器 10 3 1逻辑IP子网 10 3 1逻辑IP子网 LIS内部的地址绑定当一台主机创建到自己所属的LIS中其他计算机的一条虚电路时 该主机必须指明目的站的ATM硬件地址 主机如何将下一跳地址映射到适当的ATM硬件地址呢 用服务器来完成这样的映射 主机和服务器之间的通信使用的是ATMARP 10 3ATM网络中IP地址的绑定 源IP 源ATM地址 目的IP 请求目的ATM 应答ATMARP或NACK ATMARP过程 10 3ATM网络中IP地址的绑定10 3 2ATMARP分组格式 ATMARP对ARP分组进行了修改 主要是增大了地址长度字段以放入ATM地址 提供公用ATM网络的电话公司使用的是8八位组的格式 其中每个地址是由ITU标准文档E 164定义的ISDN电话号码 ATM论坛允许连接到专用ATM网络上的每台计算机可以指定一个20八位组的网络服务访问点NSAP地址 10 3 2ATMARP分组格式 16 0 31 ATMARP分组格式 使用ATM论坛推荐的20八位组地址 10 3ATM网络中IP地址的绑定10 3 3用ATMARP分组确定地址 ATM的硬件支持两种类型的虚电路 因此有两种情况PVC主机如何使用PVC 对于永久虚电路 主机不需要参加PVC的建立 主机在PVC上操作时并没有从硬件收到任何关于远程端点的地址信息 除非在主机中配置了地址信息 否则主机并不知道一条PVC所连接的计算机的IP地址或ATM地址 反向ATMARP协议解决使用PVC时寻找地址的问题 10 3 3用ATMARP分组确定地址 一条永久虚电路上通信的两台计算机使用反向ATMARP来发现彼此的IP地址和ATM地址 一台计算机发送一个反向ATMARP请求 另一台计算机对此发送一个应答 这样连接的一端的计算机都知道另一端的计算机的绑定情况 主机A的IP和ATM地址OPER 8 主机A 主机B 主机B的IP和ATM地址OPER 9 主机C 10 3 3用ATMARP分组确定地址 SVC一个ATMARP服务器维护着一个数据库 该数据库中保存着从IP地址到ATM地址的映射 每一个主机或路由器和服务器之间通常都建立了永久虚电路 如没有 服务器必须知道这个主机的物理地址 以便创建SVC连接 为了交换ATMARP请求和回答报文每一个LIS都有一个ATM服务器 服务器等待在LIS中的计算机来和他联系 要将地址B映射成ATM地址 计算机A必须打开着到此LIS的ATMARP服务器的一条虚电路 ATMARP请求与响应过程如下图 10 3 3用ATMARP分组确定地址 A的IP和ATM地址B的IP地址OPER 1 B的IP和ATM地址A的IP和ATM地址OPER 2 应答否定不能响应 B的IPA的IP和ATM地址OPER 10 10 3ATM网络中IP地址的绑定10 3 4服务器数据库的管理 服务器数据库表项的获得自动构建和维护其绑定数据库 使用反向ATMARP只要一台主机或路由器先打开一条到ATMARP服务器的虚电路 该服务器立即发送一个反向ATMARP请求分组 主机或路由器必须发送一个反向ATMARP应答分组进行应答 当服务器收到一个反向ATMARP应答后 就提取发送方的IP和ATM地址 并将此绑定存储在器数据库中 一个LIS中的每一台计算机必须建立一条到ATMARP服务器的连接 注册自动进行 10 3ATM网络中IP地址的绑定10 3 4服务器数据库的管理 服务器数据库中的超时ATMARP信息通过ATMARP得到的绑定必须有超时和消除功能一台计算机在ATMARP服务器上登记了它的绑定 该服务器就将此表项维持至少20分钟 20分钟后检查此表项 如果到产生此表项的计算机已没有电路存在 服务器就删除此表项 如果维护着一条打开的虚电路 则服务器使此表项重新有效 如果要验证表项信息 服务器重置定时器并再等待20分钟 如果反向ATMARP的响应与表项信息不匹配 服务器就关闭此电路并删除该信息 为了减少通信量 ATMARP标准允许进行优化 主机使用单一的虚电路和服务器进行所有的通信 10 3ATM网络中IP地址的绑定10 3 5主机ATMARP高速缓存的管理 主机或路由器中的超时ATMARP信息一台计算机从ATNARP服务器得到的绑定只能保留15分钟 超时就必须将表项删除或使之重新有效 主机没有打开一条到目的站的虚电路 删除表项 如果一台主机有一个打开的虚电路到此目的站 使绑定重新有效 一个地址绑定到期会使通信量产生延迟 地址绑定到期 必须停止向该目的站发送数据 只有在绑定重新有效后才能发送能够数据 10 3 5主机ATMARP高速缓存的管理 主机使一个绑定重新有效的方法与所用虚电路类型有关 10 3ATM网络中IP地址的绑定 当两主机处于不同的LIS时 必须通过缺省网关 路由器 进行连接 此时 源主机与网关之间 网关与终端主机之间 都会存在ATM虚电路 网关对收到的IP数据包首部判断后 再进行数据的封装 从虚电路发送到对端 为了更好地发挥ATM高速 宽带的特点 可以将常用的服务器 如文件服务器 配置在多个LIS中 这样可以在客户与服务器之间建立直达的ATM电路 CIPOA与LANE比较 与LANE相比较 CIPOA存在的优点是明显的 1 从网络层接入的特性使它能利用ATM的QOS功能 提供多种业务 2 采用IP地址和ATM地址的一步映射 效率更高 减小时延 3 能够支持更大的MTU 提高网络性能 同时 CIPOA模型也有自己的缺点 1 只支持IP协议 2 与LANE一样 不同子网间通信需要外部路由器 容易造成瓶颈 3 因为广播和多点广播地址无法映射到ATM地址上 所以不支持这些功能 10 4MPOA简介 MPOA是ATM论坛继CIPOA和LANE之后提出的又一个使用ATM网支持传统局域网的方案 它支持多种网络协议和网络技术 吸收了IETF的NHRP NextHopResolutionProtocol下一跳解析协议 在ATM框架上建立点到点的网络层连接 减小了时延和三层处理开销 MPOA技术中最引人注目的是引入虚拟路由器的概念 这一概念就是建立在NHRP的基础上的 10 4MPOA简介 当一个节点需要进行ATM地址解析时 向NHS NHRP服务器 发送一个NHRP请求帧 NHS记录所管辖的节点的IP地址与ATM地址的对应关系 如果NHS查询到结果 则向节点发回结果信息 否则 向下一个NHS发出请求 直到可查询该地址映射的NHS为止 该NHS将结果信息按同样的路径返回节点 根据这一原理 可以将传统路由器的路由选择功能和数据转发功能分离 放置在网络的不同部分 MPOA边缘设备完成数据帧的格式转换和数据转发功能 MPOA服务器和边缘设备共同完成路由选择 即所谓虚拟路由器 此时 不同IASG 互连网络地址子组 之间的数据转发由虚拟服务器完成 即由ATM来承担 而不需要外部路由器 MPOA客户间传送数据有两种模式 默认路由和直通路由 MPOA客户机通过LANE发送数据的方式为默认路由 这是在两客户间不存在直通路由的情况下所采用的 可能会经过多个外部路由器的转接 直通路由是在两客户间建立直达的VC电路 发送网络层数据 当边缘设备收到LAN发送的数据时 根据目的端的MAC地址 网络层地址决定选用何种路由模式 当只有少量数据帧时 通过默认路由发送数据 当数据帧的统计达到一定数量后 即向路由服务器发送MPOA地址解析请求 建立一条两点间的直达VCC 用相应的网络层格式进行封装 并通过直达VCC发送出去 当边缘设备收到来自直通路由的数据包时 就在缓冲区内进行ATM地址和网络层地址对检查 如果发现该地址对 则在帧头加上MAC地址信息 形成二层数据帧 并将数据传送至LAN接口 如果没有该地址对 则放弃该帧 10 4MPOA简介 10 4MPOA简介 MPOA协议使不处于同一个子网的两个终端间建立ATM虚电路连接 从而省略了对网络层数据封装后再传输的过程 更好地发挥ATM快速 高效的特点 同时可提高网络的扩展性 降低成本 网络层接入可利用QoS 是一种更为先进的网络技术 但目前还应该解决标准的统一及如何处理好QoS与RSVP的匹配等问题 10 5IP交换技术 IP交换的目的是在快速交换硬件上获得最有效的IP实现 将非连接的IP和面向连接的ATM的优点互补 IP交换是标准的ATM交换加上连接于ATM交换机端口上的智能的软件控制器 即IP交换控制器 IP交换机将数据流的初始分组交给标准的路由模块 IP交换机的一部分 处理 当IP交换机看到一个流中足够的分组 认为它是长期的 就同相邻的IP交换机或边缘设备建立流标记 后续的分组就可以高速地标记交换 将缓慢的路由模块旁路 特别的IP交换网关或边缘设备负责从非标记分组向标记分组和分组到ATM数据的转换 10 5IP交换技术 每个将现有网络设备连到IP交换机的IP交换网关或边缘设备在启动时建立一个到IP交换控制器的虚信道作为缺省的转发信道 从现有网络设备接收到分组时 边缘设备通过缺省转发信道将分组传送给IP交换控制器 10 5IP交换技术 IP交换控制器执行传统的路由协议 如RIP OSPF和BGP 将分组以正常的方式通过缺省转发信道转发给下一个节点 这可能是另一个IP交换机或边缘设备 IP交换控制器还执行数据流分类 它识别长期的数据流 因为这样的数据可以用ATM硬件的cut through交换来优化 其余的通信仍然使用缺省的方式 即点到点的存贮转发路由 10 5IP交换技术 当长期的数据流被识别 IP交换控制器要求上一节给之打标记 使用新的虚信道 如果源边缘设备同意 该数据流就通过新的虚信道流向IP交换控制器 下一节点也执行同一动作 当该流独立使用特殊的输入信道和输出信道 IP交换控制器指示交换机建立适当的硬件端口映射 旁路路由软件和相关的处理开支 这个过程继续下去 该流的前面几个分组使从源边缘设备到目的边缘设备建立直接的连接 此设计使I