8第八章基于ATM的IP通信与视频点播.doc

第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 189 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 本章主要介绍ATM的应用，先介绍宽带IP支持技术，简述IP over ATM、IP over SDH、IP over WDM、IP over DTM及千兆以太网技术；然后介绍ATM在IP中的应用，论述经典IPOA（CIPOA：Classical IP Over ATM，简称IPOA）、局域网仿真LANE（LAN Elumation）和基于ATM的多协议MPOA（Multiplex Protocol Over ATM）、IP交换、标记交换和多协议标记交换MPLS（Multiplex Protocol Label Switch）的基本工作原理。最后介绍ATM技术在视频点播VOD（Video on Demand）中的应用。 8.1 概述 8.1.1 宽带IP支持技术 网络信息量爆炸式的增长和IP技术的广泛应用极大地促进了IP网络的发展。新一代宽带IP网络要建立在现有网络技术基础之上。目前支持IP网络的技术主要有IP over ATM、IP over SDH、IP over WDM和IP over DTM等。在业界流行着两个短语：“IP over everything”和“Every thing over IP”，这也是IP的精髓。传统IP的组网方式主要有： l 基于局域网LAN（以太网、令牌环、FDDI），主要应用于企业网和校园网； l 基于传统电信网（PSTN和N-ISDN），主要应用于单个用户拨号接入； l LAN路由器之间通过数字数据网DDN（Digital Data Network）、帧中继FR（Frame Relay）互连。 IP over ATM IP over ATM是将IP数据包封装成ATM信元进行传送，其参考模型如图8-1（a）所示。IP over ATM技术有两种模型：叠加模型和集成模型。叠加模型的实现技术主要包括Internet工程任务组（IETF）推荐的经典IPOA（CIPOA：Classical IP Over ATM）、ATM论坛推荐的局域网仿真LANE（LAN Elumation）和基于ATM的多协议MPOA（Multiplex Protocol Over ATM）。集成模型的实现技术主要包括Ipsilon公司（已被Nokia收购）提出的IP交换（IP Switch）、Cisco公司提出的标记交换（Tag Switch）和IETF推荐的多协议标记交换MPLS（Multiplex Protocol Label Switch）等。目前的趋势是向集成模式的MPLS发展。 IP over ATM融合了IP和ATM技术的特点，主要优点是： l 利用ATM提供QoS来提高IP业务的服务质量； l 发挥ATM支持多业务的优势，以提高IP网络的扩展能力； l 利用ATM流量控制、拥塞控制、带宽管理及故障恢复能力提高IP网络的可靠性； l 支持多种网络协议。 主要缺点是： l 封装开销高，即将IP数据包封装成信元时加入大量信头，造成很大的带宽浪费（20%30%）； l 在多路广播方面缺乏高效率； l 由于ATM本身技术复杂，导致网络管理复杂。 IP与ATM的结合是面向连接的ATM与无连接IP的统一，也是选路与交换的优化组合，可以综合利用ATM的快速、大容量，多业务支持的优点及IP简单、灵活、易扩充的特点，达到优势互补的目的。 IP over SDH 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 190 IP over SDH，将IP数据包通过点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol，即IETF RFC1661）映射到SDH传输帧中，直接在SDH上传送IP业务。其参考模型如图8-1(b)所示。 IP over SDH主要优点有： l 对IP路由的支持能力较强，具有很高的IP传输效率； l 符合Internet业务的特点，如有利于实施多路广播； l 省略了ATM层，简化了网络结构，降低了运行成本； l 能利用SDH技术自愈合能力达到链路纠错；利用开放最短路径优先协议OSPF（Open Shortest Path First Protocol）防止设备和链路故障造成的网络停顿，提高了网络的稳定性。 主要缺点是： l 无流量控制、拥塞控制、带宽管理功能，大规模网络路由表太复杂； l 只有业务分级，尚无优先级业务质量，不能象IP over ATM技术那样提供较好的QoS，采用尽力传送（the best effort）方式，对高质量业务难以确保质量，尚不适于多业务集成平台。 l 仅对IP业务提供好的支持，对IPX等其它网络协议支持有限。 IP over SDH省掉了中间的ATM层，保留了Internet的无连接特征，简化了网络体系结构，提高了传输效率，降低了成本，是一种高效而现实的IP传送技术，但是它不适用于多业务环境，不支持虚拟专用网及电路仿真。在IP over SDH中SDH是以链路方式来支持IP网的，没有从本质上提高IP网的性能。 IP over WDM（IP over Optical） IP over WDM（Wavelength Division Multiplexing），也称光Internet，网络中端到端完全是光交换和光传输，中间不需要光电转换，它将IP数据包直接映射到光层上，采用高速路由交换机设备和密集波分复用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）技术，极大地提高了网络带宽，对不同码率、数据帧格式的业务提供全面支持。其参考模型如图8-1(c)所示。 单膜光纤（SM）中的低损耗区大约有400nm（12001600nm），产生的带宽约为30THz , 实际使用仅占1%。早期的WDM是两波长（1330nm和1550nm）的单路信号，波长间隔约为200nm。目前的WDM意指DWDM，是一波长（1555nm）的多路（如162.5G），波长间隔1.6nm，故称之为密集波分复用。目前WDM系统的最大容量为1610Gb/s（Tornel公司）和400Gb/s（ lucent公司），实验室已达2.6Tb/s。 IP over WDM的主要优点是： l 充分利用光纤的带宽资源，极大地提高了带宽和相对的传输速率； l 完全采用光交换和光传输，不需光/电、电/光转换，使传输与电调制方式无关（目前一些电器元件的响应速度已达极限）； l 减少网络各层功能重叠，减少设备操作、维护、管理费用，大大降低通信业务费用。 主要缺点是目前WDM的技术还不太成熟，WDM系统不象SDH系统那样有严格统一的规范。主要原因在于SDH系统是ITU-T先制定了标准规范再生产，而WDM系统则是各厂商先生产产品，而且规范不一，都认为自己是最好的选择，使得统一规范的制定比较缓慢，目前正由ITU-T SG15和光Internet论坛进行标准化工作，许多技术正处于发展和研究阶段。从数据通信业务的发展及光通信技术的发展趋势看，以IP over WDM技术为核心的第三代光Internet必将成为通信技术发展的主流。 IP over DTM（IPoD） 动态同步传递模式DTM（Dynamic sychronous Transfer Mode）是一种基于高速电路交换和动态时隙分配的新技术。DTM具有更强的带宽管理能力，适应光纤带宽的不断扩展，既支持现第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 191 行的电信业务，又能有效地承载未来基于IP的多媒体应用。很有可能取代ATM，在未来的网络中占据重要地位。作为DTM的一种关键应用，IP over DTM将具有很大的发展潜力。 DTM的主要优点是： l 保留了ATM提供QoS和按需分配带宽的优点； l 保留ATM支持多业务、多速率数据传送、多播和组播的优势； l 取消了ATM流量控制、拥塞控制、优先级排队等机制，从而能快速交换大量数据，达到低时延、几乎无时延抖动； l 克服了ATM封装开销高的缺点，DTM协议简单，因此能明显地降低成本。 目前DTM正在标准化阶段，可以预见，随着DTM和IP over DTM标准的完善，IP over DTM将不仅成为一种可行的方案，而且很有希望在未来的网络中发挥重要的影响。 千兆以太网 IEEE继1985年颁布十兆以太网标准802.3后，1995年颁布了百兆以太网标准802.3u，又于1998年颁布了千兆以太网标准802.3z。千兆以太网使用与传统以太网相同的帧格式、帧长及载波监听多路访问/冲突检测CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）技术。使用了统一的以太网结构，运行统一的IP协议，网络连接不需要任何格式的协议转换，真正做到无缝连接，既可保证高效率、高性能，又可大大简化网络设备，降低成本。目前以太网技术非常成熟且很简单，而且十兆和百兆以太网网卡的价格十分低廉，已成为LAN的标准配件，因此千兆以太网因其与传统以太网有良好兼容性而在LAN和MAN中占有一定市场。 图8-1 宽带IP支持技术参考模型 几种宽带IP支持技术的比较 从技术发展看，IP over ATM在带宽管理与分配、QoS、流量控制、拥塞控制、网络管理诸多方面具有优势，适于多业务网络和有QoS要求的网络，特别适于组建Internet WAN。而且ATM既能支持IP业务，又能支持传统电信业务（如PSTN、ISDN、FR和DDN等）的演变，特别是正在标准化的第三代移动通信（IMT-2000）也决定采用ATM作为其核心的交换与传送技术，使得ATM有着一定的应用前景。 IP over SDH具有封装开销低，网络结构简单，运行费用低、实现简单的优点，适用于单一IP业务与尽力传送数据业务的场合。IP over SDH是以运载IP业务为主的网络的理想方案，特别是容量较大时其性能价格比明显优于IP over ATM ，IP over SDH适用于经营IP业务的提供者ISP（Internet Service Provider），以及以IP业务为主的电信网。目前IP over ATM和IP over SDH技术已经成熟，尽管我国电信已建成八横八纵的光缆网，但SDH的电路仍然十分紧张，若大量采用IP over SDH组网比较困难。 目前IP over WDM因其“颗粒”较粗（n2.5Gb/s）主要用来构造Internet骨干网。 即将成熟的IP over DTM适合于组建特大容量Internet骨干网的核心。 总之，在未来一段时间内，以上几种技术都会有一定的应用场合，会共存一段时间并能互应用层 传送层（TCP，UDP） IP ATM SDH 光纤物理层 （a）IP over ATM参考模型 应用层 传送层（TCP，UDP） IP/PPP SDH 光纤物理层 （b）IP over SDH参考模型 应用层 传送层（TCP，UDP） IP 全光网络 （c）IP over WDM参考模型 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 192 通，它们是一种互补共存的关系，而不是非此即彼的相互扼杀关系。 8.1.2 ATM在IP中的应用 传统Internet技术面临的问题 Internet网通过TCP/IP协议把许多不同的物理网络互连起来，向用户提供统一的信息服务。IP协议的关键是为互连的异种物理网络提供了统一的IP地址，从而屏蔽了下层物理网络地址的差异性，统一了异种网络地址，保证了异种网互通。由于使用了IP地址，当主机（用户）间需要进行通信时，必须通过地址解析协议ARP（Address Resolution Protocol）把主机的IP地址映射为相应的物理网络媒体访问控制MAC（Media Access Control）地址，反之通过逆向地址解析协议RARP（Reverse Address Resolution Protocol）将主机的MAC地址映射为IP地址，从而通过下层物理网络在主机间建立通信。近年来，Internet上的主机数呈指数级增长，主要业务也由传统的文件传送（FTP）、电子邮件（E-mail）和远程登录（Telnet）等转向多媒体应用丰富的全球信息网WWW（World Wide Web）。 用户数的剧增和对带宽要求较高的WWW应用普及导致了Internet网上信息流量持续增长，由多层路由器构成的传统网趋向饱和，当它扩充到一定限度后，其经济性和效率却随规模的进一步增加而下跌，它将面临下述问题： （1）Internet骨干网的传送容量太小，带宽资源不足，现有路由器寻址速度低，吞吐量不够，同时用户接入速率太低。 （2）当用户数量急剧增加时，路由器网络性能将下降，这时路由器虽然可以保证优先级较高的数据传输，但由于它采用无连接的IP协议，因而不能让服务质量（带宽、优先级等）与商业上的优先级对应起来。 （3）路由器网络规模的进一步增大要求路由器支持大数量的端口，因此大型Internet节点需要配置多个路由器，它们之间通过以太网或光纤分布式数据接口FDDI（Fiber Distributed Date Interface）相连，这种可堆叠式配置无论在成本上和性能上代价都很高。 （4）规模较大的路由器网络多采用分层结构，IP包在沿途每一个路由器上都需进行排队和协议处理，因此分层路由器结构和可堆叠式配置使得IP包需要经过更多的路由器数，这将导致延迟增加，性能下降。 （5）当前Internet所使用IPv4的协议对实时业务、灵活的路由机制、流量控制和安全性能的支持不够，地址资源也短缺。 针对以上问题，一个比较好的解决方案是在路由器中加入交换结构，即采用ATM作为Internet的骨干传送网络。 利用ATM作为Internet的骨干传送网络 利用ATM构造骨干网，不仅解决了带宽问题，还为将来提供具有高服务质量（QoS）的IP服务奠定了基础。ATM网络一般采用星形或网状结构，用户间不用竞争链路，并能提供灵活的带宽分配，保证通信的QoS。ATM网络还能同时高速传送数据、话音和图象以及提供虚拟网络的管理能力，所以ATM网络十分适用于互连计算机网络的要求。 利用ATM网络构造宽带Internet骨干网如图8-2所示，它具有许多明显的优势，主要包括： （1）网络性能大幅度提高 由于ATM交换机取代了多层的路由器结构和可堆叠式的节点配置，ATM信元交换（ATM交换机只对5字节信头进行处理）取代了路由器第三层的处理（通常IP头为40字节），传输时延降低。从路由器的角度看，整个ATM交换网络只是一个单跳网络，只有终端路由器才进行第三层的协议处理，即可支持Internet网在ATM网上的直接路由，提高了Internet网的路由第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 193 效率。 （2）设备费用降低 一个具有10Gbit/s吞吐量的ATM交换机处理能力相当于每秒可处理2000万个IP数据包的路由器，而其价格与每秒只处理200万个IP数据包的路由器相当。 （3）服务质量得到保证 利用ATM面向连接的特性，网络运营者可以定义多个虚连接，使得那些对时间敏感的数据传输不会受到诸如文件传送、图象下载的影响。 （4）可靠性增强 ATM交换机的设计一向重视容错问题，与路由器相比具有更高的可靠性，而且成本低，这一点对网络核心特别重要。 （5）增加了网络管理 由于ATM交换机是在第一、二层进行数据处理，IP地址不会被消耗在中间节点上，因而交换核心的使用可以使网络的逻辑结构从物理结构中分离出来，从而给网络的拓扑和配置带来很大的灵活性。ATM交换机还为网络诊断提供了先进的工具和更好的流量管理能力。 （6）提高了可扩充性 在ATM交换机上加入一条新的线路、端口都非常容易，而且不影响现有的应用。 图8-2 ATM作为Internet的核心传输网络 ATM与IP结合技术类型 Internet作为全球性的互连网络，应用范围越来越广泛，如何提高Internet传输速率，进一步扩展Internet业务已成为人们关注的重点。把ATM技术引入Internet可以有效提高信道带宽，支持各种实时和非实时业务，是ATM走向实际应用的最佳机会。如何在ATM网络上支持Internet，实际上可归结到如何在ATM上支持TCP/IP的问题，即ATM如何承载IP包的问题。如果我们把ATM协议层同现有协议层（如IP，IPX等）比较一下，便会发现它们是两种不同的协议模型。基于此，ITU-T 从IP协议与ATM协议的关系划分，提出IP与ATM结合技术存在两种类型，即叠加模型和集成模型。 1. 叠加模型 叠加模型也叫重叠模型，如图8-3所示。叠加模型是指IP协议在ATM上运行，这种形式需要定义两套地址结构及路由协议，ATM的端系统除了需要分配IP地址外，还需分配ATM地址，同时还需两套维护和管理功能，因此，叠加模型实现的关键就是ATM网络如何同现有网络的地址转换问题。 叠加模型的优点是使用标准ATM 信令，与标准的ATM网络及业务兼容，有利于将来通信网向B-ISDN方向发展。它的缺点是传输效率低，重复的地址和路由功能等。 叠加模型主要包括经典IPOA（CIPOA：Classical IP Over ATM，简称IPOA）、局域网仿R R R R R R 路由器 ATM网络 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 194 真LANE（LAN Elumation）和基于ATM的多协议MPOA（Multiplex Protocol Over ATM）。 图8-3 叠加模型（重叠模型） 叠加模型的协议堆栈如图8-4所示，这种模型要求对于ATM和IP分别定义不同的地址结构和相关的路由协议。也就是说，ATM端点用ATM地址和IP地址两者来标识。在ATM网内，使用ATM路由协议来为IP分组包选择路由，需要ATM地址选择协议来把IP地址映射到ATM地址。 图8-4 叠加模型的协议堆栈 2. 集成模型（同级模型） 集成模型也叫同级模型，如图8-5所示。集成模型是将ATM端点用现有的网络层地址来表示，网络不需要ATM地址解析，而采用IP地址选路。其实质是把ATM层视为IP层的对等层，在ATM网络内使用现有的网络层协议，如开放最短路径优先协议OSPF（Open Shortest Path First Protocol）来为IP分组包选择路由，在建立连接时可使用非标准的ATM信令协议。 集成模型的主要优点是传送IP包的效率较高，不需要地址解析协议等；缺点是与标准的ATM融合较为困难，使得ATM交换机看起来更像一个多协议路由器，而且集成模型技术较为复杂，标准化还未完成。 用户终端A ATM交换机A ATM交换机B 用户终端B 高层 高层 IP Q.2931 B-ISUP/PNNI B-ISUP/PNNI Q.2931 IP Q.2931 Q.2931 控制平面 AAL5 SAAL SAAL AAL5 ATM ATM ATM ATM PHY PHY PHY PHY 高层 高层 IP IP 用户平面 AAL5 AAL5 ATM ATM ATM ATM PHY PHY PHY PHY 边缘设备B IPB ATMB ATM信令 ATM ATM 边缘设备A IPA ATMA 交换机C ATMC 交换机D ATMD ATMA ATM信令 ATM ATM ATM信令 ATM信令 ATM IP ATM信令 ATM IP ATMB 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 195 图8-5 集成模型（同级模型） 集成模型主要包括IP交换、标记交换和多协议标记交换MPLS等。 集成模型的协议栈如图8-6所示，在这种模型中，ATM层被看作是IP层的对等层，ATM端点只需使用IP地址来标识，在ATM网络内使用现有的网络层路由协议来为IP分组包选择路由，在建立连接时也使用非标准的ATM信令协议。 图8-6 集成模型的协议堆栈 两种模型的比较 叠加模型和集成模型的比较如表8-1所示。 表8-1 重叠模型和集成模型的比较 比较内容 叠加模型 集成模型 技术 IPOA, LANE, MPOA IP 交换, 标记交换, MPLS 互通 IP重叠在ATM层上 把IP协议的2,3层与ATM层集成在一起 IP 路由协议 放在IP 路由器中 放在IP路由器或ATM交换机中 ATM路由协议 使用 不使用 对ATM控制软件的修改 不需要 需要 地址解析 需要 不需要 QoS保证 支持 支持 计费支持 比较困难 比较容易 广播/多发送 效率较低 效率较高 标准 已标准化 正在发展 集成模型和叠加模型各有优缺点，由此导致了ATM论坛选用了叠加模型中的LANE及MPOA，而IETF却选用了IPOA并极力倡导MPLS，从而使得IPOA、LANE、MPOA等技术IP ATM ATM信令 ATM ATM 边缘设备A 边缘设备B 交换机C 交换机D IPA IPB ATM信令 ATM ATM IP ATM ATM信令 用户终端A ATM交换机A或路由器A ATM交换机B或路由器B 用户终端B 高层 高层 IP PNNI PNNI IP 控制平面 AAL5 SAAL SAAL AAL5 ATM ATM ATM ATM PHY PHY PHY PHY 高层 高层 IP PNNI PNNI IP 用户平面 AAL5 SAAL SAAL AAL5 ATM ATM ATM ATM PHY PHY PHY PHY 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 196 标准得以确立并得到广泛应用。下面我们就分别介绍IPOA、LANE、MPOA、IP交换、标记交换和MPLS的基本概念和工作原理。 8.2 IPOA（Classical IP Over ATM） 8.2.1 IPOA概述 什么是IPOA IP（Internet Protocol）是在Internet开发过程中产生出来的一种著名网络层协议，IP协议的关键是为互连的异种物理网络提供统一的IP地址。IP既可以用于局域网（LAN），也可以用于广域网（WAN），它在目前的Internet中获得了广泛的应用。随着ATM技术在网络中的应用和ATM网络与传统局域网互连的需要，基于ATM的IP（IP over ATM，简称IPOA) 便成为一种实现ATM局域网仿真的手段。由于IPOA并未改变现有IP协议本身的内容，所以IPOA也被称为基于ATM的经典IP（Classical IP over ATM）。 IPOA协议 IPOA是Internet工程任务组IETF的IP ATM工作组所提出的ATM互连方案之一，它包括两个协议：RFC1483和RFC1577，RFC1483是AAL5多协议封装技术规范，它描述了在ATM网络上承载无连接网络互连业务所用的两种方法：逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）封装和基于VC的复用；RFC1577是地址解析ARP技术规范，它规定了在ATM AAL5上传输IP数据包的封装方法、ATM地址解析协议ARP请求和应答的方法。IPOA的主要用途是在ATM网络上支持IP协议，它继承了TCP/IP协议的基本思想，把ATM网络和其它物理网络（如以太网、令牌环）进行同等对待。 IPOA协议结构 IPOA的协议结构如图8-7所示，从网络协议结构上讲，它也遵循开放系统互连OSI七层协议模型，IPOA位于OSI数据链路层与网络层之间。它仅通过网络层协议即IP来支持上层应用。 图8-7 IPOA协议分层结构 IPOA特点 OSI IPOA 应用层 高层应用 会话层、表示层 应用程序接口 传输层 TCP、UDP、SPX等 网络层 IP 数据链路层 IPOA AAL5 ATM 物理层 PHY 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 197 IPOA模式具有这样几个特点： l 对于一个逻辑IP子网LIS（Logical IP Subnetwork）中的所有VC均使用相同大小的最大传输单元MTU（Maximum Transmission Unit）； l 采用默认的逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）和子网接入协议SNAP（SubNetwork Access Protocol）对IP数据包进行封装； l 端对端IP路由结构不变； l 可用手工配置或利用LIS中的ATM ARP服务器来实现IP地址到ATM地址的映射； l 每个LIS可用于多个主机和路由器，在同一个LIS中，两个IP站点间通过VC直接连接。 8.2.2 IPOA组成 IPOA的组成如图8-8所示，主要由传统局域网（如以太网和令牌环）、ATM网络、地址解析服务器（ARP Server）、路由器几部分组成。FORE 公司的PowerHub系列产品内置了地址解析服务器、路由器，可以独立地组建一个宽带LAN，但是，对现有LAN互连的解决要取决于LAN中是否已有路由器及它们与内置路由器之间的互通性。 IPOA引入了逻辑IP子网LIS（Logical IP Subnetwork）的概念，LIS是由ATM网络、ARP服务器及主机组成。其中ARP Server可以由主机、路由器，甚至可以是交换机承担。而主机和路由器可位于ATM网络内的任何地方，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可以在点到点的ATM永久虚电路（PVC）和交换虚电路（SVC）上运行，位于两个LIS内的主机间的IP连接需要通过一个路由器，即使这两个主机间存在ATM连接也不例外。 图8-8 IPOA组成 在LIS内实施ATM技术时要设置ARP/RARP服务器，完成IP地址和ATM网络地址的映射。 8.2.3 IPOA工作原理及地址解析 IPOA工作过程 （1）配置ATM ARP的ATM地址 ATM网络 PC 路由器 令牌环网 ARP 服务器 LIS1 路由器 ARP 服务器 ATM 终端 LIS2 以太网 PC PC PC PC ATM 终端 ATM 终端 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 198 图8-9 IPOA适配器配置 IPOA工作方式直接将IP地址转换为ATM地址，该转换工作由ATM 地址解析ARP服务器（ATM Address Revolution Protocol Server）完成。ATM ARP可以运行在ATM交换机上，也可以运行在ATM工作站上（FORE公司仅支持用Solaris、SunOS、IRIX和HP-UX操作系统工作的工作站）。当将ATM网卡配置成IPOA时，需配置ATM ARP的ATM地址，如图8-9所示，该地址就是通过ATM管理接口（AMI）命令得到的qaa0 NSAP address。 在每个LIS中存在一个ARP服务器，它负责进行IP地址和ATM地址的映射，该服务器具有统一的ATM地址。一个用户要同其他用户建立连接时，首先需要确定其他用户的ATM地址，ATM ARP 用于把IP 地址解析成ATM 地址。由于ATM标准目前还不支持ATM LAN 上的广播功能，因此地址解析只能通过一个特定的ARP 服务器完成，而不能象传统局域网中通过广播ARP 请求来实现。每个LIS只能有一个ARP 服务器，但一个ARP 服务器能为多个LIS 提供服务。 （2）注册/配置端设备的ATM地址 FORE系统的ATM交换机通过运行ForeThought软件提供临时本地管理接口ILMI（Interim Local Management Protocol）支持，以动态发现并注册用户终端设备（简称端设备）的ATM地址。若交换机及端设备均支持ILMI，当交换机启动时，它便会通过ILMI发现与其相连的端设备，并将交换机的ATM地址前缀发送给端设备。端设备收到此前缀后，便将此前缀同自己的端系统标识符ESI（End System Indicator）及选择符（Sel）相结合，形成一个完整的ATM地址，然后将此完整的ATM地址向交换机报告。这些注册信息使用VPI=0、VCI=16以AAL5方式发送和接收。ILMI注册完成后便建立起了端设备同交换机的连接。若交换机和端设备不支持ILMI，则必须手动配置ATM地址。 （3）存储IP-ATM映射地址对 端设备一旦获得了自身及ARP 服务器的 ATM 地址，它就能建立一条到ARP服务器的连接，然后ARP服务器在另一条新建的 VC 上发送一条反向ARP请求（IARP） ，以获取端设备的IP 地址，当ARP服务器收到此IARP应答，便把此主机的IP 地址及 ATM 地址映射成对，放进ARP 的高速缓存（Cache）中，按同样的方法，ARP服务器能动态地获得其它端设备的 IP-ATM 地址映射对，以便对端设备的 ARP 请求做出响应。 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 199 IPOA地址解析 当新安装了一个IP主机后，它首先利用配置好的地址建立与ATM服务器的连接，ARP服务器检测到来自新主机的连接，向该主机发送反向ARP请求（IARP）从而获得新増主机的IP地址和ATM地址，并在ARP服务器中的IP地址-ATM映射表中进行登记，或ARP 服务器观察客户信息，获得ARP消息。当一个主机需要向被叫主机发送IP数据报时，由于它只知道被叫主机的IP地址，而不知道它的ATM地址，所以首先需要进行地址解析获得被叫主机的ATM地址，才能建立主叫与被叫主机间的ATM连接。地址解析过程如图8-10所示，主机向ARP服务器发送ARP请求，ARP服务器把被叫IP地址转换为被叫ATM地址，并把该地址发送回主叫主机。然后主叫使用该ATM地址建立与被叫主机的ATM连接，并在ATM连接上发送IP数据报。如果在一段规定的时间内无数据报传送，则将释放ATM连接。如果ARP服务器没有找到相应的地址映射，它将送回一个ARP NAK响应，表示地址映射没有登记。主机相应服务器的反向ARP询问应定期更新自己的输入项，否则ARP服务器将认为自己的地址映射表已过时。ARP服务器可以运行于专门的平台上，也可运行于网络部件（例如路由器和ATM交换机中）。 图8-10 IPOA地址解析过程 例题：IPOA的寻址过程举例如图8-11所示。IP地址分别为、和的路由器对应的ATM地址分别为、和，与这些路由器相连的主机间建立通信的寻址过程包括： 从路由表中根据目的地址找到下一跳的路由器； 从地址解析表中或ARP服务器中，转换下一跳的IP地址和ATM地址； 由信令（UNI3.0/3.1或Q.2931）在路由器之间建立ATM VCC； 在该ATM VCC上发送信息包。 路由 202.94.11.x 直接 202.94.33.x 经 202.94.44.x 经 202.94.5x 经 ATM网络 地址解析 路由器 0 路由器 202.94.33.x 202.94.44.x ARP 服务器 路由器 202.94.5x 主机 IP ARP ATM 地址 SVC 呼叫请求 主叫 ARP服务器 被叫 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 200 图8-11 IPOA寻址过程举例 8.2.4 下一跳路由/解析协议（NHRP） 尽管IPOA主机在同一LIS中可以顺利通信，但各LIS间不能直接进行通信，而需借助于路由器或网桥，因而存在着传输瓶颈和附加传输时延问题。为此，IETF研究并开发出下一跳路由/解析协议NHRP（Next Hop Routing/ Resolution Protocol）。NHRP将各个并不直接相连的IP子网作为逻辑上的一个大LIS。由于这些LIS具有非广播多重访问的特点，故又称为非广播多重访问NBMA（Non Broadcast Multiple Access）网络，即一个大的NBMA网络。在各个NBMA网络中，通过称作NHRP服务器NHS（NHRP Server）把IP地址和NBMA地址进行转换。当源主机欲发送IP数据（可以是不同的LIS中的目的主机）时，先向NHS发出申请以查询目的主机的ATM地址，NHS查询存储表目的主机是否属于同一个LIS。若不是，NHS会把查询请求传给下一跳NHS中进行查询。一旦得知目的主机的ATM地址，通过直接SVC或PVC进行连接，建立连接后便可进行数据的传送。 8.2.5 IPOA的优缺点分析 IPOA的优点 l 解决了IP地址与ATM地址的直接映射问题，能替代局域网和互连路由器的IP链路； l 由于在LIS 上传送的广播业务很少，同时由于该模型简化了主机间通信的步骤，从而改善了时延特性； l 能利用最大传输单元进行数据传输（9180字节），传输效率较高。 IPOA的缺点 l 在基于RFC1577的IP over ATM 中，并未规定对广播和多地址广播的处理，即不支持广播及多播业务； l RFC1577只适用于处理IP协议，对于其它协议无效，因此，其适用范围较小； l 各LIS间不能进行直接通行，而需借助于网桥或路由器，因而存在瓶颈问题和附加传输时延问题； l 每个LIS最多只能有一个ARP服务器，必须为每台主机手动配置ARP服务器的地址，因此，不能采用多ARP服务器改进网络的可靠性； l 一般情况下，一个ARP服务器只能同时为250个（最大为1024个）客户提供服务，因此限制了单个LIS的容量。 8.3 局域网仿真（LANE） 8.3.1 LANE概述 什么是LANE LANE（LAN Emulation）是ATM局域网仿真，它的出现是随着ATM技术逐渐渗入到局域网领域的一种必然结果。简单地讲，局域网仿真（LANE）是在ATM上模拟传统的局域网，通过ATM网络把多个传统局域网和ATM终端设备互连，在ATM网络上面构造成新的局域网，这些局域网上节点间的通信行为与传统的局域网完全相同。 总的来说，LANE的基本目的有3个，即： 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 201 l 在ATM网络上提供对基于多种现行网络协议业务的支持； l 通过ATM网络来作为连接现行局域网的主干； l 推动现行的共享介质局域网到ATM网络的过渡。 通过局域网仿真（LANE）技术可以在ATM网络上实现仿真局域网ELAN（Emulated LAN），并且可以运行多个ELAN。注意这里LANE和ELAN的区别：LANE泛指局域网仿真技术，而ELAN则特指被仿真的局域网的实现内容，如仿真局域网的名称、类型等。 ATM和LAN的区别 要了解ATM局域网仿真，我们首先应该了解LAN与ATM网络间的区别。归纳起来， LAN与ATM网络的主要区别有下列几点： l ATM是面向连接的，在通信之前必须通过信令建立连接，而LAN是无连接的，可以在任何时候发送数据； l ATM采用的是交换式技术，而LAN则是一种共享式网络； l ATM采用ATM地址通信，而LAN采用IP地址和MAC地址通信； l ATM具有QoS功能，而LAN无QoS功能； l ATM网络提供点到点的连接，而LAN易于实现广播和多点传送； l ATM地址和网络拓扑有关，而局域网MAC地址只基于接口卡硬件，与网络拓扑无关。 LANE协议 LANE协议由ATM论坛制定，主要标准有： （1）基于ATM的LANE 1.0版（af-lane-0021，1995.7） 该标准规定了LANE的结构、功能、地址解析和LANE帧格式。 （2）LANE 1.0版补充（af-lane-0050，1995.12） 修改了LANE 1.0版的部分内容。 （3）LANE客户管理规范1.0版（af-lane-0038，1995.9） 规范了LANE客户管理的功能，定义了LANE客户的管理信息库（MIB）。 （4）LANE客户管理规范2.0版（af-lane-0093，1998.10） 该标准修改了LANE客户管理功能和LANE客户管理信息库（MIB），替换了af-lane-0038。 （5）LANE服务器管理规范1.0版（af-lane-0057，1996.3） 规范了LANE服务器管理的功能，定义了LANE服务器的管理信息库（MIB）。 （6）LANE 2.0版-局域网仿真用户网络接口LUNI（LAN Emulation User-to Network Interface）规范（af-lane-0084，1997.7） 该规范定义了LAN仿真客户机和提供LANE服务的网络之间的接口，规定了LAN仿真客户机在ATM网络中的通信方式以及ATM服务器与传统局域网络网设备通信的方式。LUNI可以在整个ATM网络中支持传统局域网。 （7）LANE 2.0版-局域网仿真网络间接口LNNI（LAN Emulation Network Network Interface ）规范（af-lane-0112，1999.2） 该规范定义了分配LANE服务器所需要的协议。 上述LUNI和LNNI的位置参见图8-12。 第8章 基于ATM的IP通信与视频点播 202 图8-12 LANE协议接口示意图 LANE协议结构 LANE的协议结构如图8-13所示，它也是分层结构，与IPOA协议结构不同之处在于IPOA仅支持IP协议，而LANE则支持包括IP协议在内的多种协议。LANE也位于数据链路层和网络层之间，它屏蔽了网络层及上层协议，从而能在ATM上支持多协议。这里用ATM层替代媒体访问子层（MAC），成为ISO网络七层模型中物理层与数据链路层中逻辑链路控制（LLC）子层之间的一层，由ATM提供传统LAN数据链路层的MAC子层的服务。 图8-13 LANE协议结构 8.3.2 LANE组成及其功能 LANE主要由硬件和软件两大部分组成： 下面主要介绍组成LANE软件的功能。 （1）局域网仿真客户LEC（LAN Emulation Client） 硬件 传统LAN ATM网络 软件 客户机 LEC-局域网仿真客户(LAN Emulation Client) 服务器 LES-局域网仿真服务器(LAN Emulation Serv