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发信人: Muller (胖胖熊), 信区: network
标  题: ATM Overview——应用篇（3）IP Over ATM
发信站: 听涛站 (2001年07月20日21:28:29 星期五), 站内信件

三、IP Over ATM
    近几年，快速发展的IP对ATM技术形成极大的挑战。但是ATM提供了对多业务多速率的
支持，并且对不同种业务提供QoS保证。IP技术目前不能提供业务的QoS保证。IP Over AT
M技术试图将这两种分别在数据通信（IP技术）领域和宽带多媒体通信（ATM技术）领域给
合起来，取长补短。    ATM是面向连接的，其主要特征是：
    ● 资源预定，即虚通路（VC）连接以后再进行通信；
    ● 从端到端确保信息包传送的完整性。一旦丢包，可重传。由于资源预定，为较高的
业务质量（QoS）保证创造条件，即可划分不同的业务等级，并作出相应的QoS保证；
    ● 包的传送先后有序，把先后次序固定下来。 
    大量现代数据网络协议是非连接的，而IP具有非连接特征。
    TCP是面向连接的。TCP对IP进行编号，采用对话方式，问终端收到包没有，等待认可
;如对方应答没有收到，要进行重传。但TCP面向连接的功能是比较弱的，TCP未解决资源预
定问题，只解决包重发问题。资源预定需由资源预留协议（RSVP，Resource Reservation
 Protocol，位于OSI第7层，即应用层）向TCP/IP提出请求，但RSVP还不是面向连接的。 

    IP具有非连接的主要特征是：
    ● 资源是不预定的，资源是不确定的；
    ● 传送的包有可能丢失，没有记忆力；
    ● 包传送是无序的，没有信令处理，不需信令，只有路由信息广播开销，没有信令开
销；
    ● 在故障状态时非常坚固（robust），数据包转发如维持具体连接的无控制状态，已
被充分证明在故障情况下非常坚固。 
    1   IP over ATM的基本原理和工作方式
    将IP数据包在ATM层全部封装为ATM信元，以ATM信元形式在信道中传输。当网络中的交
换机接收到一个IP数据包时，它首先根据IP数据包的IP地址通过某种机制进行路由地址处
理，按路由转发。随后，按已计算的路由在ATM网上建立虚通路（VC）。以后的IP数据包将
在此虚通路VC上以直通（Cut-Through）方式传输而下再经过路由器，从而有效地解决了I
P的路由器的瓶颈问题，并将IP包的转发速度提高到交换速度。用ATM来支持IP业务有两个
必须解决的问题：其一是ATM的通信方式是面向连接的，而IP是不面向连接的，要在一个面
向连接的网上承载一个不面向连接的业务，有很多问题需要解决，如呼叫建立时间、连接
持续期等等；其二是ATM是以ATM地址寻址的，IP通信是以IP地址来寻址的，在IP网上端到
端是以IP寻址的，而传送IP包的承载网（ATM网）是以ATM地址来寻址的，IP地址和ATM地址
之间的映射是一个很大的难题。IP over ATM分层模型与封装示意如图所示。
　　用ATM来承载IP业务，从目前来看又有相当的前景，因而在这方面提出了许多解决方案
，从大类来说，可以分为两类：一类为迭加模式，另一类为集成模式。
    ● 迭加模式
　　迭加模式指的是IP网的寻址是迭加在ATM寻址的基础上的，通俗一点说在迭加模式中A
TM的寻址方式是不变的，IP地址在边缘设备中映射成ATM地址，IP包据此传向另一端边缘设
备。迭加模式的最大特点是在ATM网中不论是用户网络信令还是网络网络间信令均不变，对
ATM网来说IP业务只是它承载的业务之一，ATM的其它功能照样存在不受影响。迭加模式最
典型的有局域网仿真（LANE）、经典的在ATM上传送IP（CIPoA--Classical IP Over ATM）
和ATM上的多协议（MPOA--multi protocol over ATM）等。但该技术对组播业务的支持仅
限于逻辑子网内部，子网间的组播需通过传统路由器，因而对广播和多发业务效率较低。

    ● 集成模式
　　集成模式指的是IP网设备和ATM网设备已集成在一起了。在集成模式中，ATM网的寻址
已不再是独立的，ATM网中的寻址将要受到IP网设备的干预。在集成模式下，IP网的设备和
ATM网设备是集成在一起的，IP网的控制设备一般可称为IPC，它具有传统路由器的功能，
能完成IP网的路由功能，并具有控制建立ATM虚通路的能力，IPC是一个逻辑功能块，它可
以是一个独立的物理设备，也可以不是一个独立的物理设备，而是ATM交换机中的一个功能
模块，但它是必不可少的。ATM交换设备一般仍为普通ATM交换机，但它也有十分重大的改
变，最大的变化在信令（UNI和NNI），它们之间的信令已不再是ATM Forum或ITU-T的信令
，而是一套特别的控制方式。其目的在于能快速建立连接，以满足无连接IP业务快速切换
的要求。集成模型的实现技术主要有：Ipsilon公司提出IP交换（IP Switch）技术、Cisc
o公司提出的标记交换（Tag Switch）技术和IETF推荐的MPLS技术。
    迭加模式和集成模式的分类法是按ATM信令来分类的。不能反映网络的整体性能。从网
络整体的性能角度出发来考虑，ATM可以有两种方法来支持IP over ATM：
　　● ATM作为链路。使用ATM的永久性虚通路将地域上分离的路由器连接起来，在这里A
TM的永久性虚通路取代了传统的专线，这种工作方式即为ATM作为链路来承载IP业务。在这
种工作方式中，ATM只是作为链路将若干路由器连起来，它不参与IP网的寻径功能。因而这
种IP网其本质上仍是一个路由器网，它不改变IP网的整体性能只是提高了某些部分的传输
速率而已。
● ATM作为网络。另一种方法是ATM网以网络形式来支持IP over ATM。在这种场合， ATM
参与了IP网的寻径功能，由于ATM的寻址及其它指标均要大大优于普通路由器，因而以网络
形式来支持IP网（IP over ATM），可以在网络性能方面大大提高IP网的性能，不仅提高了
传输速率也大大缩短了传输时延，以网络形式来支持IP网（IP over ATM）的最合理算法是
MPLS。 MPLS是一种拓扑驱动的算法，它和无连接的IP传输非常适应。基于MPLS算法的ATM
上的IP网是一种很好的IP网的组织形式，可构成一个主于物理通信平台多业务同时应用的
一种十分理想的格局，并且能从整体上提高IP的性能。
    2   IP Over ATM解决方案目前有如下几种：
    1. Classical IP Over ATM
IP Over ATM由IETF颁布的RFC1577所定义，是在ATM上运行传统IP网的标准。其结构如图所
示：
  　为了在ATM网上运行IP，IETF采用了逻辑IP子网的概念。每个LIS由一个ARP服务器、一
个路由器和一个或多个端点站组成。在同一个LIS内的每个端点站直接跟其他的端点站通信
，而通过IP路由器跟本地LIS外部的端点站通信，该IP路由器被配置成一个或多个LIS的成
员（图中为2个LIS的成员）。对于在一个ATM LIS中运行的IP成员的要求是：
　　1.所有的成员都有同样的IP网络／子网号和地址掩码；
　　2.在一个逻辑IP子网内的所有成员都直接地连接到ATM网络；
　　3.访问在逻辑IP子网外部的所有成员都要通过一个路由器；
　　4.一个逻辑IP子网的所有成员在使用交换虚连接时，必须具有一种机制把IP地址解析
成ATM地址，反之亦然。
　　当一个IP端点站需要发送一个分组给另一个IP端点站（不属于同一个LIS）时，如果I
P站是新增加的，那么它首先要到ARP服务器登记，通过ARP服务器，将IP地址翻译成ATM地
址，并将这两对应的地址在ARP服务器中暂时贮存。然后IP站（信源）检查它的地址缓存区
，看目的地IP站的ATM地址是否在缓冲区的表中。如果在，则两IP端点站就建立一条交换虚
连接，并且发送它的分组。如果目的地IP地址未知，端点站（信源）就在它的ATM连接上发
送一个ARP-QUERY报文给服务器。一旦服务器把收到的IP地址跟对应的ATM地址相关联，服
务器就在保留的虚通道连接（VCC）上发回ARP-REPLY报文，指定目的地IP和ATM地址。然后
，端点站（信源）使用目的地IP主机的ATM地址从网络请求一条交换式ATM连接，并且传送
它的数据。
    上述方法沿袭了以往在Ethernet、X.25上传输IP报文的方法，将ATM作为IP的数据链路
层，将IP数据报封装在ATM信元中传输，因此被称为"Classical IP Over ATM"。Classica
l IP Over ATM采用了传统的IP覆盖模型，保留了IP可应用于所有数据链路层的重要特性，
简单地将IP层映射到ATM层上。这种解决方法的不足之处在于IP层和ATM层的功能重复，不
能充分发挥出ATM的特性。例如，在ATM层已经定义了QoS，IP层又重新定义；IP路由不考虑
ATM虚通路等。而Classical IP Over ATM最大的缺陷是不能在不同LIS的成员间建立直接的
ATM连接，不同LIS的成员间只能通过路由器进行通信。
    2. Classical IP Over ATM的改进
　　在多种硬件技术共存的IP网络中进行端―端的通信，IP路由器起着重要的作用。IP与
ATM的结合，着重要解决IP路由的性能，在整个ATM环境中，尽量避免不必要的第三层操作
，提供端―端QoS支持。为达到这一目的，有两种解决方法：
第一种解决方法：借助ATM端―端通信的优势，突破传统的IP Hop-by-hop 路由，在不同I
P子网的主机之间建立直接的端―端的VC或捷径路由（shortcut routing），而避免通过I
P路由器。这种思想体现在ATM论坛所制定的Multiprotocol over ATM（MPOA）中。
    捷径路由不同于传统的Hop-by-hop路由，它可以不考虑网络路由边界，通过数据链路
层直接转发网络层的报文，如图所示。
　　MPOA模型是ATM 论坛以LANE和IETF制定的Next Hop Resolution Protocol（NHRP）为
主要元素提出的。MPOA的目标是在ATM主干网上结合路由和桥接技术，支持现有的第三层协
议，如IP、IPX等。
    Next Hop Resolution Protocol（NHRP）
　　NHRP是为使IP节点使用捷径路由技术而设计的地址解析协议。NHRP对ATM地址解析协议
（ATMARP）进行了扩充，可以提供不同LIS的IP主机的地址解析。NHRP仍采用了传统的IP模
型，但以NBMA（non broadcast multiple access，非广播多接入）网络代替了LIS，以NH
S（Next Hop Server）代替了ARP服务器。NBMA是指不支持广播操作的非广播子网。这种网
络，有的本身是非广播网络，如X.25网络、ATM网络等，有的是广播网络，但网络覆盖范围
太大，不便进行广播操作。
　　如果目的主机直接连接在源主机所在的NBMA上，NHRP就向源主机提供目的主机的NBMA
地址，如MAC地址、ATM地址等；如果目的主机并非直接连接在该NBMA上，NHRP提供连接目
的主机的出口路由器的NBMA地址。NHRP建立在客户/服务器技术的基础上，IP主机是NHRP客
户，而路由器是下一级服务器（NHS）。通过捷径路由可以在任意两个NBMA节点之间建立直
接连接，如图所示。　
    MPOA结构
　　与其它与ATM有关的协议一样，MPOA也采用客户/服务器结构。MPOA客户（MPOA Clien
t，MPC）和MPOA服务器（MPOA Server，MPS）通过ELAN相互连接。MPC的主要功能是进行网
络层的数据传送，但并不进行网络层的路由计算。MPS负责响应MPC的MPOA请求，在MPC之间
建立直接虚通路。通常，MPC包含在边缘设备和MPOA主机中，MPS包含在路由服务器中。MP
OA系统的设备包括：
　　边缘设备（edge device）：它使用目标地址或MAC地址在传统的LAN网段与ATM接口之
间传送信息包；
　　MPOA主机：指能够实现MPOA功能的ATM主机。MPOA主机相互间可以进行通信，并可通过
边界设备与传统LAN进行通信；
　　路由服务器：使用某些协议路由算法和构造表响应MPOA系统的请求，完成网络层地址
对ATM地址的映射，并支持多路广播功能。路由服务器对网络层、MAC、ATM地址进行维护，
这些信息用于相互通信的两个端点（边缘设备或MPOA主机）间的直接虚通路的建立。路由
服务器需运行RIP、OSPF与IPNNI协议。
　　MPOA支持虚拟路由（virtual routing）的概念，即把路由计算与报文转发分开。在M
POA系统中，边缘设备和MPOA主机负责数据转发，却不进行路由计算；路由计算和路由信息
维护的功能集中在路由服务器中。可将MPOA系统视为一个虚拟路由器，即运行于ATM上并能
提供类似于多协议路由器的一组MPOA设备。MPOA边缘设备类似于路由器的接口卡；ATM交换
机构类似于路由器背板，连接各种MPOA设备；路由服务器类似于路由器的控制处理器，维
护路由信息。
    第二种解决方法：努力将IP路由计算的灵活性和强大功能以及ATM在数据转发方面的高
效性结合起来，设计新型的交换―路由设备。Ipsilon公司的IP Switching、Cisco公司的
Tag switching 以及IEFT起草的MPLS，都采取了这种思想。
    交换―路由的实现形式分为两种：一种是基于拓扑的捷径（Topology-based Shortcu
ts）方式，另一种是基于业务的捷径（Traffic-based Shortcuts）方式。
    ①基于拓扑的捷径路由方式
    拓扑捷径路由方式中，IP流的特征（标明方式）以相互拓扑关系为基础，即IP流中的
所有IP分组路由在同一个IP子网中。这种捷径路由方式的实现全靠Tag Switching，Tag S
witching属于IP交换技术中的一种，它由转发部分和控制部分组成。转发机制是一种简单
的标记交换机制，其核心内容是处于Tag Switching系统边缘的路由器将每个输入交换机帧
的第三层（网络层）地址映射为简单的标记（Tag），然后把帧转化成打了标记的ATM信元
，打了标记的ATM信元被映射到VC上，在网络核心由支持Tag Switching的ATM交换机进行标
记交换，控制机制以第三层协议为基础，来维持正确的标记传输信息。当信息传到目的地
后，目的地边缘路由器去掉信无中的标记，把信元转换为帧并将其送往接收者。
    ②基于业务的捷径路由方式
　　业务捷径路由方式中，IP流特征（标明方式）以业务相互关系为基础，比如应用类型
或者业务容量，根据IP流特征对不同的业务采取不同的路由方式：象持续时间长的IP流TE
LNET（远程登录协议）、业务量大的IP流FTP（文件传输协议）采取捷径路由方式，而象业
务量小的询问-应答协议DNS（域名业务）则采取跳到跳（hop-to-hop）路由方式。实现业
务捷径路由方式的技术是IP Switching，它也属于IP交换技术中的一种。IP Switching是
一种高速路由器，它将转发功能映射到硬件交换机。在IP Switching中，所有的IP流被分
为两类，一类是持续时间长、业务量大的数据流，在ATM交换机硬件中直接进行交换（捷径
方式）；另一类是持续时间短、业务量小、呈突发分布的数据流类型，通过IP交换控制器
中的路由软件进行跳到跳方式转发。
　　IP Switching是Ipsilon公司提出的IP与ATM的集成方案。它提供一种新的路由―交换
结构，将路由技术的智能与ATM的高速转发性能结合在一起，利用快速处理器，在ATM硬件
的基础上运行IP路由软件，用软、硬件结合的方法处理IP报文转发，以减少IP报文通过路
由器的延迟。
    IP switch的工作方式如下：
　　一个IP switch由ATM switch、IP switch 控制器以及专用管理协议三个部分组成，如
图5-6所示。IP switch 控制器的功能与普通IP路由器相似。它通过General Switch Mana
gement Protocol（GSMP）协议控制ATM硬件，负责从相邻的IP switch获取路由信息，构造
IP路由表，运行标准路由协议。　　
　　当IP switch初始化时，为每一个物理链路建立一个缺省的ATM转发通路。这个缺省通
路允许相邻的IP switch交换路由信息，进行无连接的Hop-by-hop路由。封装在ATM信元中
的IP数据包到达IP switch后，被重新组装成IP数据包送往IP switch 控制器，IP switch
 控制器检查IP报头，如果IP switch 控制器认为有必要对IP数据包进行硬件交换，就建立
从源端到目的端的连接，并用Ipsilon Flow Management Protocol（IFMP）协议通知相邻
的IP switch。以后的信元就不必再组装成数据包，而直接以信元的方式，通过ATM switc
h进行转发。对于数据量小的数据流，由于建立交换链路只会增加延迟，不能有效提高转发
效率，仍采用传统的存储―转发的路由。
    IP switching与MPOA的设计宗旨和出发点是不同的。与IP switching比较，MPOA 旨在
ATM主干网上运行多种协议，不仅支持各种采用路由技术的协议，如IP、IPX等，而且桥接
 Netbios、SNA等不可路由的协议。MPOA本身需要多种技术的支持，实现方法复杂。MPOA支
持VLAN操作，设备可在整个网络范围内增加、移动和修改。
　　IP switching是用ATM交换机充当IP路由器，IP地址直接映射到下层ATM硬件，实现方
法简单，现有的路由协议，如OSPF、BGP等都不需要修改。IP switching只支持IP协议，但
其它协议的数据包可封装在IP数据包中传送。
　　在建立连接方面，IP switching根据第一个数据包的报头建立连接，而MPOA采用一种
特殊的数据包"信令连接请求"，当连接建立后，开始传送IP数据包。
    两种捷径路由的差别可以用表说明：
    在以上所讨论的路由―交换结构基础之上，IETF提出了MPLS（Multi-Protocol Label
 Switching）。MPLS的设计目标是解决所有性能和扩展问题，为未来的Internet提供各种
有效的网络服务，如单播、多播、QoS等。
    MPLS即多协议标签交换技术，是一种在开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效
传输的新技术。它的价值在于能够在一个无连接的网络中引入连接模式。它的主要优点是
减少了网络复杂性，兼容现有各种主流网络技术，能降低50%的网络成本，在提供IP业务时
能确保QoS和安全性，具有流量工作能力，又能解决VPN扩展问题和维护成本问题。
MPLS技术的主要特点是：
①MPLS在网络中的分组转发是基于定长标签，由此简化了转发机制，使得转发路由器容量
很容易扩展到太比特级；
②充分采用原有的IP路由，在此基础上加以改进；保证了MPLS网络路由的灵活性；
③采用ATM的高效传输变换方式，抛弃了复杂的ATM信令，无缝地将IP技术的优点融合到AT
M的高效硬件转发中；
④MPLS网络的数据传输和路由计算分开，是一种面向连接的传输技术，能够提供有效的Qo
S保障；
⑤MPLS不但支持多种网络层技术，而且是一种与链路层无关的技术，它同时支持X.25、帧
中继、ATM、PPP、SDH、DWDM等，保证了多种网络的互联互通，将各种不同的网络传输技术
统一在同一个MPLS平台上；
⑥MPLS支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有良好的网络扩展性；
⑦MPLS的标签合并机制支持不同的数据流的合并传输；
⑧MPLS支持流量工程、CoS 、QoS和大规模的虚拟专用网；
⑨MPLS的标准化进程十分迅速，这是它能迅速普及成功的关键。
    MPLS的优势在于：
①MPLS在定长标签的严格匹配下简化了转发过程，而且这个转发的硬件基础是便宜、成熟
的ATM交换技术，这大大减少了设备制造商的研发投资，加快了MPLS设备的面市时间和产品
的成熟稳定性；
②由于MPLS将路由与分组转发从IP网中分离开来，这使得在MPLS网中可以通过修正转发方
法来推动路由技术的演进；新的路由技术可以在不间断网络运行的情况下直接应用到网络
中，而不必改动现有路由器上的转发技术，这是目前的各种网络技术不易做到的；
③MPLS简化了ATM与IP的集成技术，推动了它们的统一，从而起到平衡用户在ATM和IP网上
的巨大投资，消除了现有网络的限制，由此减少了网络维护成本和扩展性问题；
④在MPLS网中可以直接使用显式路由，这使得流量工程的应用变得简单，增强了IP网络流
控和自愈恢复能力，为支持更多的新业务提供了保障；同时MPLS在保证连接可靠性的条件
下取消了专线连接的要求，使得各种新业务可以在基于MPLS的IP网上实现；
⑤MPLS技术进一步促进了网络功能的划分，它将复杂的事务处理推到网络边缘去完成，核
心网只负责完成传送功能；这有利于在一个大的网络中维护IP协议的扩展性；
⑥MPLS网络中标签堆的使用将庞大的路由表变得很小，极大地改善了路由扩展能力；
⑦MPLS可用于多种链路层技术，做到对下层与上层的多协议，最大限度地兼顾了原有的各
种技术，保护了现有投资和网络资源，促进了网络互连互通和网络的融合；
⑧MPLS能够以无连接方式或显示路由的方式提供面向连接的业务。这使得MPLS适用于动态
遂道技术并保障数据传输业务的QoS需求，而遂道技术是目前支持VPN业务的手段，QoS的保
障是IP网上实现语音、实时多媒体信息传输的基础；
⑨作为综合平台，在语音方面，VoIP On MPLS实验十分成功；在数据方面，它先天就能承
载IP业务；在视频方面，它已能承载多媒体应用；
⑩与ATM相比，MPLS标准能更快地被接受是因为它是以软件为主，运行在各种不同的网络上
，而ATM网则需要极大的软、硬件投资。
    MPLS未来技术的发展将集中在：
①MPLS VPN应用技术的研究；
②IP电话作为未来互联网络所提供的基本功能之一，MPLS已被实验证明能达到电信级的语
音服务水平，下一步应进一步完善它与PSTN之间信令的转换和交互式通信的平滑性问题，
如何使用SS7将语音服务和数据服务在MPLS上统一起来，这集中在三个方面：低速链路上的
QoS、带宽的挑战、实时协议的实现；
③路由、传输交换技术与光纤传输网（OTN）的融合发展是一种趋势，随着DWDM技术的进步
，如何将MPLS与OTN、DWDM技术结合起来，实现交叉连接与标签交换的统一是一个重要的研
究方向；
④进一步完善MPLS与ATM的无缝融合、MPLS的组播技术和MPLS的网络管理；
⑤加速研究MPLS到桌面的应用，这是实现网络融合，全网统一的关键之一；
⑥注意协议实现的简明性；
⑦随着无线ATM技术的成熟应用，将MPLS技术引入到无线网络中是可能的而且是必须的。
    综上所述，IP Over ATM有如下优点和缺点：
    ● 优点：
    （1）由于ATM技术本身能提供QoS保证，因此可利用此特点提高IP业务的服务质量；
    （2）具有良好的流量控制均衡能力以及故障恢复能力，网络可靠性高；
    （3）适应于多业务，具有良好的网络可扩展能力；
    （4）对其它几种网络协议如IPX等能提供支持；
    ● 缺点
    （1）目前IP over ATM还不能提供完全的QoS保证；
    （2）对IP路由的支持一般，IP数据包分割加入大量头信息，造成很大的带宽浪费（2
0％～30％）；
    （3）在复制多路广播方面缺乏高效率；
    （4）由于ATM本身技术复杂，导致管理复杂。
　　尽管IP over ATM，特别是ATM以网络形式来支持能获得很好的网络整体性能，但IP o
ver ATM的技术进展比较慢，特别是MPLS的标准化工作尚需时日，使得ATM仍不能满足业务
高速发展对带宽的要求，从而导致IP over SDH等其他技术的出现。


    Muller
    7.19于深圳

--
        Try to remember the kind of September
        When life was slow and oh so mellow
        Try to remember the kind of September
        When grass was green and grain was yellow
        Try to remember and if you remember
        Then follow follow
※ 来源:·听涛站 tingtao.dhs.org·[FROM: 匿名天使的家]