深入探讨IP网与ATM网相结合的技术

背景
ATM技术是电信在20世纪80年代末提出的，是为宽带综合数据业务网B-ISDN发展起来的一种网络技术，实现包括语音、数据、图像等多种业务的传输。ATM技术的本质是电路交换和分组交换的集成。因此，ATM技术具有很大的灵活性，可以随时根据实际需要占用资源；对于特定的服务，传输速率随着信息的到达速率而变化；它能适应任何类型的业务，无论其速度、突发大小、实时性要求和质量要求，都能提供满意的服务。ATM最初的想法是为未来的通信系统创建一个统一的平台。制定ATM规范的ATM论坛一直在通过各种手段向ATM中引入新的内容，以保证ATM的最初目标。然而，这使得ATM技术异常复杂，标准化进程缓慢。此外，昂贵的设备价格也是目前困扰ATM技术普及的一大因素，所以ATM一般仅限于电信骨干网的建设。
IP技术起源于20世纪60年代，最初仅用于建立计算机局域网。近十年来，随着互联网的迅速普及，IP技术得到了广泛的传播，并成为事实上的开放系统互联标准。从本质上来说，IP技术是一种不需要事先建立连接，直接依靠IP包头信息来确定包转发路径的数据传输技术。IP技术的主要特点是:IP协议是一种网络级的互联协议，易于实现异构网络的互联；采用无连接技术，特别适用于电子邮件、信息检索等非实时短信通信。具有统一的寻址系统和强大的网络可扩展性；独立服务的模块化结构可以支持各种不同的应用，并且很容易添加新的服务。IP技术的优势在于可以运行在任何介质和网络上，可以保证异构网络的互操作性，也就是“IPovereverything”。随着宽带IP技术的发展，包括语音、数据、图像在内的各种业务都可以在IP网络上传输，出现了所谓的“EverythingonIP”的情况。IP服务将很快成为通信服务的主流。然而，在IP技术的发展过程中，也存在一些问题，如路由器瓶颈、服务质量难以保证等。
ATM和IP都是很有前途的技术，但是在各自的发展过程中遇到了一些问题。如果将这两种技术结合起来，利用ATM网络为IP用户提供高速的直接数据链路，不仅可以充分利用ATM网络的资源优势在ATM上发展IP用户业务，而且可以解决IP网络发展中遇到的问题，进一步推动IP业务的发展。
2 IP和ATM结合技术的分类
目前IP和ATM结合技术主要分为重叠技术和融合技术两大类。采用重叠技术时，IP层叠加在ATM层上，ATM端点使用ATM地址选择协议路由IP包。重叠技术的优点是采用标准的ATM论坛/ITU-T信令标准，兼容标准的ATM网络和业务；缺点是IP包传输效率低。采用集成技术时，ATM层被视为IP层的对等层，ATM端点只需用IP地址标识。在ATM网络中，现有的网络层路由协议用于路由IP数据包，建立连接时使用非标准的ATM信令协议。当采用集成技术时，不需要地址解析协议，但增加了ATM交换机的复杂性，使ATM交换机看起来更像一个多协议路由器。集成技术的优点是IP包传输的效率比较高，不需要地址解析协议；缺点是很难与标准的ATM技术集成。
3重叠技术
重叠技术主要有三种实现方式，即CIPOA(经典的ATM上的IP)、LANE(局域网仿真)和MPOA(ATM上的多协议)。
3.1 CIPOA(ATM上的传统IP技术)
IETF工作组在RFC 1483(aa l5上的多协议封装)和RFC 1577(经典的Panda Verde ATM)中定义并标准化了CIPOA。CIPOA的基本思想是利用IP对底层网络技术的容忍性，在ATM网络上支持IP协议。它继承了IP的基本思想，只把ATM网络作为一个特殊的子网，与以太网、令牌环网等物理子网处于相同的位置。CIPOA规范只支持IP协议，所以适用于只使用IP协议的互联网和局域网。有了这个规范，用户可以在ATM网络上直接运行现有的基于IP的网络协议(如TCP和UDP)和基于IP的应用协议(如WWW、FTP和NFS)。CIPOA的协议结构如下:
网络层IP
RCF1577
数据链路层RCF1483
ATM层
物理层物理层
CIPOA引入了逻辑IP子网(LIS)的概念。所谓LIS是基于用户和网络管理者的。将直接连接到ATM网络的任何主机和路由器组合起来，形成一个逻辑IP子网，在这个子网中，主机和路由器可以位于网络中的任何地方，也就是说，不管它们的地理位置如何。不同的LIS相互独立地操作和通信。在一个列表中，IP分组可以在点对点ATM永久虚拟信道(PVC)和ATM交换虚拟信道(SVC)上传输。位于两个LIS中的主机之间的IP连接需要通过路由器。
CIPOA网络的基本工作原理是在每个LIS中设置一个地址解析ARPServer (ARPS)，负责映射IP地址和ATM地址。当一个IP主机新添加到LIS时，该主机首先使用配置的地址与ATMARP服务器建立连接。ATM ARP服务器检测到来自新主机的连接后，向主机发送反向ARP请求(InARP)以获取新添加主机的IP地址和ATM地址，并将其注册在ATM ARP服务器中的IP地址-ATM地址映射表中。当主机需要向被叫方发送IP数据报时，由于不知道对方的ATM地址，所以先向ATM ARP服务器发送ARP请求，获取被叫方的ATM地址，然后建立到被叫方ATM的连接并与之通信。
在重叠技术中，CIPOA技术成熟且易于实现，在LIS上传输的广播流量很小，因此网络的资源利用率高。同时简化了LIS中主机间的通信步骤，改善了延迟特性。但是两个LIS中主机之间的通信需要通过路由器，仍然不能完全解决路由器瓶颈问题。此外，每个LIS都配备了地址解析服务器，这将引入额外时间延迟。另外，CIPOA只处理ATM上的IP协议，不能处理其他网络层协议。
3.2 LANE(局域网仿真技术)
ATM论坛定义的局域网仿真技术为现有局域网协议在ATM网络上的传输创造了条件。当采用ATM局域网仿真技术时，ATM交换网络的所有功能(如呼叫建立、信元拆卸等。)对原来的局域网用户是透明的，原来的局域网终端可以使用ATM网络提供的高速直接数据链路传输局域网协议包，而不需要对硬件和软件系统做任何改动。
LAN模拟局域网的MAC层，LANE的协议栈如下:
网络层IP，IPX等。
LANE
数据链路层RCF1483
ATM层
物理层物理层
。LANE可以支持任何高层局域网协议(如IP、IPX等。).
LANE的服务架构是基于客户机/服务器的查询和响应模型。在模拟局域网(ELAN)中，需要配置局域网模拟客户端(LEC)、局域网模拟配置服务器(LECS)、局域网模拟服务器(LES)和广播/未知服务器(BUS)。LEC是模拟局域网的终端系统。它向现有局域网提供MAC层服务接口，代表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中所有终端之间的通信。LEC负责保存被仿真局域网中的局域网仿真客户端(LEC)的配置信息，并将LES的ATM地址发送给新安装的LEC。每个管理域只有一个LECS，可以为一个或多个仿真局域网(ELAN)提供服务。LES负责将MAC地址映射到ATM地址。每个ELAN只有一个LES，每个LES都有一个专有的ATM地址来标识。总线负责处理广播和未知的MAC地址，并在仿真局域网中提供广播和组播传输功能。【/br/】LEC如何与LES通信完成地址解析，通过ATM数据直连链路向另一个真实地址解析协议(LE-ARP)请求发送用户数据，索要接收端的ATM地址。如果接收端已经在LES上注册，LES会在LE-ARP回复中将接收端的ATM地址转发回ELAN上的所有LEC。接收端LEC收到请求后，会在LE-ARP回复中将其ATM地址返回给LES，然后LES会调用ATM SVC建立到接收端的虚连接，并在上面传输数据。
LANE从MAC层模拟局域网，屏蔽网络层及其高层协议，使ATM网络可以支持多种协议的传输。这既是它的优点，也是它的缺点。优点是为局域网用户互联创造了便利条件，缺点是不能利用ATM的多业务和对应特性，网络层的QOS(如IP协议中的RSVP)不能对应ATM交换结构。同时，由于帧长的限制，网络规模的扩展也受到限制。而且ELAN中的两个用户在通信时都要经过路由器，仍然不能完全解决路由器瓶颈问题；最后，目前一个ELAN只能同时模拟一个局域网，不能完成异构局域网的转换。
3.3 MPOA(ATM上的多协议技术)
为了克服LANE和CIPOA的局限性，ATM论坛推出了ATM上的多协议规范(MPOA)。MPOA集成了LANE、CIPOA、NHRP和Mars规范的功能，还引入了虚拟路由器的概念。MPOA是一种功能强大的网络层路由解决方案，它使任何具有MPOA功能的设备都能通过ATM交换与另一台设备建立直接连接，而无需经过中间路由器。这种直接通过ATM网络建立直接连接的技术有时被称为“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)和虚拟路由器的概念。LANE是一种在ATM上模拟第二层的局域网技术，使ATM对上层应用透明。它是MPOA的内部组件，适用于子网内的通信。NHRP提供了一种扩展地址解析协议，这是一种基于网络层的寻址技术。它允许下一跳客户端在不同的逻辑子网之间发送查询，从而允许子网之间直接建立ATM连接，使得某些数据流不需要使用中间路由器。虚拟路由器是指将传统路由器的功能分离到网络中的不同组件中，也就是说网络中的一系列设备共同完成网络中传统路由器的功能，从而降低成本，提高效率。
MPOA标准模型包括三部分:边界设备、ATM直连主机和路由服务器。边界设备利用网络层和MAC层的目的地址在传统局域网和ATM接口之间传输数据包，使传统局域网可以高效地通过ATM传输。ATM直连主机具有ATM网络接口卡，可以实现多协议信息传输的标准功能。它允许ATM直连主机相互通信，允许ATM直连主机通过边界设备与传统局域网通信。路由服务器是功能的集合，可以作为单个产品实施，也可以内置在现有的路由器和交换机中。它使用一些路由协议算法和构造来响应MPOA系统的请求。它完成网络层到ATM层地址的映射，对未知服务器的组播以及网络层、MAC层和ATM地址的维护。
MPOA系统指定了实现某个功能的逻辑组件:MPOA客户端(MPC)和MPOA服务器(MPS)，它们可以在不同的硬件配置上实现。
MPC检测通信流，一旦发现，就请求MPS向其提供接收端的ATM地址，获得地址后，通过SVC调用建立到接收端的ATM连接，并在其上传输数据；MPS负责维护本地网络层、MAC层和ATM地址信息和路由表。MPS处理并响应来自MPC的地址解析请求。MP通过NHRP相互通信，以解决跨子网的地址解析问题。
MPOA的本质是虚拟路由技术，即利用边界设备完成大部分交换功能，利用路由服务器建立路由表，为边界设备提供路由。它的优点是不仅可以在一个子网内建立ATM虚通道连接，还可以在不同子网间建立直接的ATM虚通道连接，跨子网的通信不再经过路由器，解决了路由器的瓶颈问题。缺点是系统结构复杂，具体实现困难。缺点是系统结构复杂，具体实现困难。还有一些问题需要解决，比如基于NHRP协议的地址解析的响应时间延迟。4集成技术
目前有代表性的集成技术有三种:IPSwitch、TagSwitch和MPLS。
4.1IP交换机
IP交换机是Ipsilon公司提出的一种技术，专门用于在ATM网络上传输IP数据包。它克服了CIPOA的一些缺陷，如子网间需要使用传统的路由器，提高了通过ATM传输IP包的效率。
IP交换机由ATM交换机和IP交换机控制器组成。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，用于传输控制信号和用户数据。ATM交换机和IP交换机控制器之间使用的控制协议是RFC1987通用交换机管理协议(GSMP)，IP交换机之间使用的协议是RFC1953Ipsilon流管理协议(IFMP)。GSMP是一种多用途协议，它使IP交换控制器能够控制ATM交换机，完成直接的ATM交换。它将IP交换机控制器设置为主控制器，将ATM交换机设置为从受控设备。IP交换控制器利用该协议向ATM交换机发出各种要求，如通过ATM交换机建立和释放虚连接，在点到多点连接中添加或删除端点，查询配置信息等。IFMP用于控制相邻IP交换控制器、IP交换网关或支持IFMP的网络接口卡之间的数据传输，从而将现有网络或主机接入IP交换网络或实现相应的控制功能。
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、多媒体音视频数据等。)和持续时间短、业务量小的用户数据流(如DNS查询、SMTP数据、SNMP查询等。)，并且不同地处理不同类型的流。IP交换机的工作过程如下:
(1)IP交换机的ATM输入端口接收来自上游节点的输入业务流，并将这些业务流发送给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报头中的端口号对该流进行分类。持续时间长、业务量大的用户数据流直接在ATM交换机硬件中交换；持续时间短、业务量小、突发分布的用户数据流通过IP交换控制器中的IP路由软件传输，即像传统路由器一样逐跳存储转发。
(2)一旦服务流被识别为直接ATM交换，IP交换控制器将要求上游节点在新的虚拟信道上流式传输服务。
(3)如果上游节点同意建立虚拟通道，则业务流将在该虚拟通道上传输。
(4)同时，下游节点还要求IP交换控制器为业务流建立一条出局虚拟通道。
(5)通过步骤(3)和(4)，将业务流分离为特定的入站虚拟通道和出站虚拟通道。
(6)通过旁路路由，IP交换控制器指示ATM交换机完成直接切换。
IP交换的本质是一种基于信息流的传输方案，其特点是利用ATM虚拟通道传输持续时间长、业务量大的用户数据流，因此传输时延小，容量大；对于持续时间短、业务量小、突发分布的用户数据流，采用IP路由软件进行传输，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，效率取决于具体的用户业务环境。对于大部分持续时间长、业务量大的用户数据，可以获得高效率。但当大部分是持续时间短、业务量小、突发分布的用户数据时，IP切换的效率会大打折扣。
4.2标签交换
标签交换是Cisco提出的多层交换技术。它结合了ATM的第二层交换技术和第三层路由技术，可以充分利用ATM的QOS特性，支持多种上层协议。它是IP和ATM的结合，性能优越。
在标签交换网络中，边缘的路由器将每个输入帧的第三层地址映射成一个简单的标签，然后将该帧转换成一个带标签的ATM信元；被标记的信元被映射到虚拟通道，由网络核心的ATM交换机进行标记，并通过路由器与交换机直接相连，用于存储标记信息，实现查找第三层路由的功能。最后，目的地边缘路由器从信元中删除标记，将信元转换为帧，并将其发送给接收用户。
标签交换网络中的边缘路由器主要根据以下信息对IP包进行标记:
(1)目的地址前缀:基于路由表中的路由，允许来自多个源地址的IP包在发往同一个目的地址时共享同一个标签，从而节省标记资源。
(2)边界路由:标签分配给标签交换系统的边缘路由器。在某些情况下，这种技术比目的地址前缀技术使用更少的标签。
(3)流量调整:使IP数据包沿着与路由算法选择的路径不同的指定路径流动，从而使网络管理人员能够平衡干线上的负载。
(4)流量的应用:同时考虑IP包的源地址和目的地址，从而对QOS等特性提供更精确的控制。
标签交换的关键是采用基于拓扑的路由。它使用标签分发协议(TDP)和第三层路由协议在标签交换网络中的设备之间分发标签信息，从而共同建立一条合适的直通路由。有了这项技术，只有当网络拓扑发生变化时，才需要使用TDP重新计算节点的标签，从而大大降低了整个网络的成本。
标签交换的主要优点是:标签交换不依赖于路由过程中使用的具体网络层协议，因此标签交换技术支持不同的路由协议(如OSPE、BGP、OSIISIS等。)和各种网络层协议(如IP、IPX等。);该交换机还使用标准多播协议和ATM交换机的现有广播硬件来支持多播功能。此外，通过为不同的QoS等级分配不同的标签，并使用排队和缓冲机制来控制标签交换，标签交换可以保证具有一定QoS要求的用户数据的传输；在网络内部，标签交换机根据信元上的标签进行路由，不再依赖于具体的三层地址(如IP地址)，使得网络的分层组织易于实现，网络具有很强的扩展能力。事实上，标签交换技术已经使用ATM交换机作为多协议路由器，从而形成了更加统一的网络模型，增加了网络之间配置的通用性。
虽然标签交换有很多优点，但由于它是Cisco的专有技术，需要网络中所有的Cisco设备端到端地完成通信，所以它的普及和使用受到限制。
4.3MPLS(多协议标签交换)
最近，MPLS越来越受到人们的关注，人们普遍看好它在广域网中的应用。作为ATM和IP相结合的技术，MPLS是在标签交换的基础上发展起来的，正在成为集成技术的标准模型。目前，IETF已经制定了MPLS标准草案。
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器(LER)组成。LER位于ATM主干网的边缘，充当MPLS的入口/出口路由器。LER执行所有第三层功能；运行标签分发协议(LDP)实现标签的分发和绑定。LSR执行的标准交换可以看作是ATM交换机和传统路由器的结合，具有第三层转发数据包和第二层交换数据包的功能。
MPLS的基本思想是采用标签交换的机制，这是一种基于拓扑的路由机制。MPLS网络的工作过程一般包括以下四个步骤:
(1)使用现有的路由协议，如OSPF和IGRP，建立到目的网络的连接，使用LDP完成标签到目的网络的映射。
(2)输入LER接收数据包，完成第3层功能，并标记数据包。
(3)LSR不对带有标签的数据包进行任何第三层处理，只根据数据包上的标签进行交换。
(4)输出端的LER删除标签，并将数据包传输给最终用户。
MPLS的主要特点是:MPLS在网络中的分组转发基于定长标签，简化了转发机制，易于扩展转发路由器的容量；充分利用原有的IP路由并在此基础上进行改进，保证MPLS网络路由的灵活性；采用ATM高效的传输和转换方式，摒弃复杂的ATM信令，将IP技术的优势无缝融入到ATM高效的硬件转发中；MPLS网络的数据传输与路由计算相分离，是一种面向连接的传输技术。它支持X.25、帧中继、ATM、PPP、SDH、DWDM等。同时保证各种网络的互联互通，将各种网络传输技术统一在同一个MPLS平台上，即MPLS缓冲。MPLS支持大规模分层网络拓扑，具有良好的网络可扩展性；MPLS的标签合并机制支持不同数据流的合并传输，提高了网络传输效率。在MPLS网络中直接使用显示路由，使得流量工程的应用变得简单，增强了IP网络的流量控制和自愈能力，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情况下，取消了对专线连接的要求，从而可以在基于MPLS的IP网络上实现各种新业务。MPLS技术进一步促进了网络功能的分工。它把复杂的事务处理推到网络边缘，核心网只负责传输功能，有利于在大规模网络中保持IP协议的可扩展性。MPLS网络中标签堆的使用使得庞大的路由表变小，大大提高了路由扩展能力。
此外，MPLS还有以下优势:首先是先进技术快速转化为实际应用产品的问题。一方面，MPLS在严格的定长标签分配下简化了转发过程，而这种转发的硬件基础是廉价成熟的ATM交换技术，大大降低了设备厂商的R&D投入，加速了MPLS设备的上市时间和产品的成熟稳定。另一方面，由于MPLS将路由和分组转发从IP网络中分离出来，可以通过修改转发方式来推动MPLS网络中路由技术的演进，新的路由技术可以直接应用到网络中，而不需要改变现有路由器上的转发技术，这是目前各种网络技术不容易实现的。其次，MPLS简化了ATM和IP的融合技术，促进了二者的统一，从而平衡了用户对ATM和IP网络的巨大投资，消除了现有网络的局限性，进而降低了网络维护成本和可扩展性。总之，MPLS可以用于多种链路层技术，实现下层和上层之间的多协议，有限地兼顾所有原有技术，保护现有投资和网络资源，促进网络互联和融合。
MPLS还有一些问题还在研究中，比如MPLS和PSTN之间的信令转换，交互通信的流畅度；如何将MPLS与光传输网(OTN)和DWDM技术相结合，实现交叉连接和标签交换的统一；MPLS的组播技术和MPLS的网络管理需要进一步完善；如何实现MPLS在桌面上的应用:如何将MPLS技术引入无线网络？
综上所述，交换功能和路由功能的结合是网络技术发展的一个趋势。ATM技术和IP技术是目前最突出的两种网络技术，它们将不断融合并最终统一。