IP與ATM結合的技術(shù)MPLS
宇纓 2000/4/1
ATM與IP的性能對比
1．ATM概況
ATM的概念起源于1983年美國貝爾研究所Joh
Tumer提出的快速分組交換(FPS)和1984年法國電信CENT提出的異步時(shí)分交換(ATD)思想。1990年國際電信聯(lián)盟正式建議將ATM作為寬帶綜合業(yè)務(wù)數字網(wǎng)(B-ISDN)的基礎技術(shù)和技術(shù)體制，全面開(kāi)始ATM標準、基礎理論和實(shí)際技術(shù)的研究，并于1992年7月由美國Fore
Systems公司率先研制出ASX- 100系列ATM交換機。
ATM將信息劃分為48個(gè)字節定長(cháng)信元和5個(gè)字節控制信息的信元頭，它繼承了分組交換的統計復用技術(shù)，用戶(hù)若無(wú)信息發(fā)送，可不占用時(shí)隙，該時(shí)隙可讓別的用戶(hù)使用，從而提高了信道利用率。并全部用硬件處理信息，簡(jiǎn)化了傳統分組交換協(xié)議的層次，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)不需要執行復雜的差錯控制和流量控制等功能，處理時(shí)延大大降低，因而交換機速率可以達到很高(155.25Mb/s、622.08Mb/s、2.448Gb/s……)，ATM具有分組交換和電路交換的優(yōu)點(diǎn)：
(1)傳輸速率可以靈活改變，既可以傳送交換速度低至1kb/s的遙測信號，又能支持變速業(yè)務(wù)；
(2)交換時(shí)延低，既支持非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，又支持實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，同時(shí)提供數據、話(huà)音、圖像、電視和多媒體等業(yè)務(wù)，實(shí)現各種業(yè)務(wù)的綜合應用；
表1 atm與ip的性能對比
| | atm | ip |
| 協(xié)議結構 | lane、mpoa、q.2931（高層） |
ftp、telnet、smtp |
| |
tcp、udp、rsvp |
| aal（atm適配層） |
ip、arp、icmp（網(wǎng)絡(luò )層） |
| atm |
|
| atm物理層 | ethernet等物理層 |
| 轉發(fā) | 面向連接 | 面向數據分組 |
| 路由 | 雙向 | 多向 |
| 路徑 | 能動(dòng)態(tài)變化 | 呼叫時(shí)固定 |
| 廣播 | 一對多點(diǎn) | 多點(diǎn)對多點(diǎn) |
| 信令 | 發(fā)端啟動(dòng)的q.2931 | 收端啟動(dòng)的rsvp |
| 分組長(cháng)度 | 固定信元長(cháng)度 | 可變信元長(cháng)度 |
| 狀態(tài) | 狀態(tài)化（硬態(tài)） | 非狀態(tài)化（軟態(tài)） |
(3)信道利用率高，采用統一的統計時(shí)分技術(shù)，實(shí)現信元的復用和交換。
2.
IP概況
IP技術(shù)最初只用于少量計算機組成的網(wǎng)絡(luò )互連，它不同于電信網(wǎng)絡(luò )的設計思想，電信網(wǎng)絡(luò )力圖由網(wǎng)絡(luò )自身提供所有業(yè)務(wù)，用戶(hù)終端盡可能是廉價(jià)、易用的設備。而IP協(xié)議信奉的是“端到端”思想，并認為網(wǎng)絡(luò )所需提供的只是端到端的連接，所有增值功能都在網(wǎng)絡(luò )之外由終端完成。由于IP互聯(lián)技術(shù)極具發(fā)展活力和智能，伴隨Internet的誕生和進(jìn)步，在近十年內得到了飛速的發(fā)展和廣泛應用。
IP原本是Internet的網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議和重要的技術(shù)基礎，因此，人們說(shuō)到IP往往就意味著(zhù)Internet，就意味著(zhù)無(wú)連接通信方式和無(wú)連接通信技術(shù)。Internet是一個(gè)路由器加專(zhuān)線(xiàn)的存儲轉發(fā)型網(wǎng)絡(luò )，而IP協(xié)議實(shí)質(zhì)上是一種不需要預先建立連接，而直接依賴(lài)于IP分組頭信息決定分組轉發(fā)路徑的數據協(xié)議，IP協(xié)議具有其他通信協(xié)議所沒(méi)有的突出優(yōu)點(diǎn)：
(1)IP為一種網(wǎng)絡(luò )互連協(xié)議，容易實(shí)現異種網(wǎng)絡(luò )互連；
(2)IP協(xié)議采用無(wú)連接技術(shù)，特別適合于電子郵件、信息檢索等非實(shí)時(shí)的短報文通信；
(3)具有統一的尋址體系，網(wǎng)絡(luò )可擴展性強；
(4)IP協(xié)議采用獨立服務(wù)的模塊化結構，可以支持多種不同應用，容易增加新業(yè)務(wù)。
3.ATM與IP的性能對比
ATM協(xié)議框架中的ATM層對應于OSI協(xié)議參考模型的第2層，但其協(xié)議應該完成的功能不是OSI第2層規定的數據鏈路層功能，
而是多路復用、路由和交換功能。ATM的上層應用可能是基于Q. 2931的新應用或不基于Q.2931的現有應用，通過(guò)AAL層適配，將不同業(yè)務(wù)應用接納進(jìn)來(lái)。如果是現有的應用，則需要通過(guò)LANE和MPOA才能使原來(lái)沒(méi)有廣播子網(wǎng)概念的ATM具有子網(wǎng)的功能，
才能使現有的協(xié)議(例如ARP、IP、IPX)正常地在A(yíng)TM上運行。
TCP/IP協(xié)議框架中的IP層對應于OSI協(xié)議參考模型中的網(wǎng)絡(luò )層， 其協(xié)議與OSI第3層規定的網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議相當，完成路由選擇和分組轉發(fā)功能。IP的上層應用可能是基于RSVP的或不基于RSVP協(xié)議的。對于不基于RSVP協(xié)議的現有Internet應用，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的TCP或UD
P運輸層協(xié)議傳送文電；而基于RSVP協(xié)議的新應用(例如語(yǔ)音和視頻等實(shí)時(shí)應用)，則必須通過(guò)RSVP文電，為某分組流進(jìn)行接納控制和帶寬預約，以保證服務(wù)質(zhì)量。
IP向ATM提出的挑戰
為了解決傳統路由器利用軟件來(lái)實(shí)現路由計算和包轉發(fā)使得包轉發(fā)速度不能滿(mǎn)足因特網(wǎng)骨干網(wǎng)需求這個(gè)問(wèn)題，人們只能求助于A(yíng)TM。于是，ATM在世紀90年代中期成為因特網(wǎng)骨干網(wǎng)的主流，且在校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)方面發(fā)展了MPOA、標記交換(MPLS)等在A(yíng)TM上運行IP的新方法。人們對ATM技術(shù)一直期望很高，但技術(shù)和用戶(hù)的需求都在不斷地發(fā)生變化，在話(huà)音通信方面，AAL1電路仿真方式在今天的技術(shù)背景下已不再有效，采用VBR和AAL2傳送語(yǔ)音目前標準還不完善；在LAN由于千兆位以太網(wǎng)的崛起，ATM的優(yōu)勢不復存在；在廣域網(wǎng)領(lǐng)域，ATM受到來(lái)自幀中繼技術(shù)的競爭。制定ATM規范的ATM論壇一直在通過(guò)各種手段向ATM中容納進(jìn)新的內容以保證ATM最初造就未來(lái)通信統一平臺的目標，這使得ATM技術(shù)異常的復雜，標準化的過(guò)程變慢。
近幾年來(lái)，隨著(zhù)Internet的廣泛延伸和應用的不斷增多，以及Internet終端—計算機功能的進(jìn)一步增強，IP在逐步統一局域網(wǎng)和桌面系統之后又開(kāi)始向ATM的地位發(fā)起挑戰。IP協(xié)議所具有的最大優(yōu)勢在于，它可以運行在任何介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò )上，可以保證異種網(wǎng)絡(luò )的互通，即“IP
over everything”。隨著(zhù)寬帶IP技術(shù)的發(fā)展，在IP網(wǎng)上傳輸話(huà)音、視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，保證服務(wù)質(zhì)量等問(wèn)題正逐步得到解決。目前正在發(fā)展多種算法和協(xié)議，將話(huà)音、視頻業(yè)務(wù)及傳統的數據通信業(yè)務(wù)轉移到IP網(wǎng)上，出現了所謂的“Everything
on IP”的局面。IP業(yè)務(wù)即將成為通信業(yè)務(wù)的主流，但傳統電信傳輸網(wǎng)的基礎網(wǎng)是SDH、ATM而不是IP。
既然IP業(yè)務(wù)已經(jīng)成為通信業(yè)務(wù)的主流，為什么不能按照IP業(yè)務(wù)的需求來(lái)重新優(yōu)化設計電信傳輸網(wǎng)絡(luò )呢?
從網(wǎng)絡(luò )的分層結構來(lái)看，ATM位于IP和物理層之間。目前在城域網(wǎng)主要采用SONET(同步光纖網(wǎng))或SDH(同步數字層次網(wǎng))作為物理層，ATM可以承載各種業(yè)務(wù)，使用IP協(xié)議的數據只是其中之一，其他的諸多業(yè)務(wù)是直接運行在A(yíng)TM之上的而不通過(guò)IP這樣的網(wǎng)絡(luò )層，如話(huà)音業(yè)務(wù)利用ATM的線(xiàn)路仿真功能(Circuit
Emulation)。ATM是各種業(yè)務(wù)的核心，即使ATM傳送IP包的效率不高，但其支持多業(yè)務(wù)信息流的能力已足以使其受到電信服務(wù)提供商的青睞。可是，今天的情況發(fā)生了變化，IP成為各種業(yè)務(wù)的核心，數據、話(huà)音和視頻業(yè)務(wù)都可由IP來(lái)承載。既然如此，還有什么必要在IP和SDH/SONET之間加入一個(gè)ATM層呢?去掉ATM層會(huì )大大提高IP的傳輸效率，特別是當數據的業(yè)務(wù)量超過(guò)話(huà)音和視頻業(yè)務(wù)量時(shí)。
ATM與IP各自的技術(shù)特點(diǎn)也反映出電信界和計算機界各自的特點(diǎn)，電信在過(guò)去的一個(gè)世紀內逐步發(fā)展，并幾乎一直受到政府規范的制約，電信產(chǎn)品和服務(wù)要求高可靠性和終端設備之間的互操作性。而計算機行業(yè)的產(chǎn)品以更新快而聞名，并要求低成本，但可容忍一定程度的不可靠。
IP與ATM相結合的技術(shù)—MPLS
(多協(xié)議標記交換)
雖然，ATM 面臨IP的諸多挑戰，但目前ATM仍然是城域網(wǎng)的主要選擇，原因主要是在可擴展性、可維護性、QoS、容錯性、流量控制等方面，ATM優(yōu)勢很多，近來(lái)普遍看好的解決方案是使ATM與IP相結合技術(shù)而應用于廣域網(wǎng)，使用ATM技術(shù)來(lái)承載IP，這種方法可以綜合利用二者的長(cháng)處。
IP與ATM技術(shù)相結合的難點(diǎn)在于二者不同的連接技術(shù)、尋址方式和相應的選路功能、選路規程和地址結構等。目前，IP與ATM相結合的技術(shù)有：ATM
Forum定義的LANE、IETF定義的CIPOA、ATM Forum定義的MPOA，尤其是IETF考慮制定的多協(xié)議標記交換(Multi-Protocol
Label Switching，MPLS)，它提出了一種將第三層數據流(如IP)映射到第二層(如ATM和幀中繼這樣的交換式網(wǎng)絡(luò ))的方法。
從IP協(xié)議與ATM協(xié)議的關(guān)系劃分看，
MPLS屬于集成模型的類(lèi)別，它基于標記交換機制，在A(yíng)TM層上直接承載IP業(yè)務(wù)，與重疊模型相比，提高了業(yè)務(wù)的性能和網(wǎng)絡(luò )的效率。當ATM網(wǎng)絡(luò )設備引入MPLS功能后，將同時(shí)支持IP業(yè)務(wù)和其他ATM業(yè)務(wù)。
MPLS的前身可追溯以前名為IP
Switching的技術(shù)，其基本想法是將路由和數據轉發(fā)功能分開(kāi)，從而達到加快IP傳送速度的目的。在MPLS模型中，每一個(gè)路由器也是一個(gè)交換機，即交換式路由器。已分配直通路由的數據包除了通常的第三層IP數據包包頭外，還將增加
一個(gè)固定長(cháng)度的包含特定路由信息的標記，并使路由器為不同的業(yè)務(wù)流預先分配好不同的路徑，即不同的標記以保證這些業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。由于標記(實(shí)際上就是一個(gè)整數)就意味著(zhù)路徑，所以，路由器轉發(fā)數據包時(shí)也無(wú)需做傳統意義上的路由判斷(如查找路由表)，從而提高了IP的轉發(fā)速度。
MPLS還有助于解決廣域網(wǎng)中虛連接數量隨節點(diǎn)數的增加而呈爆炸性增長(cháng)的問(wèn)題，MPLS與ATM的結合對廣域網(wǎng)可能會(huì )產(chǎn)生重大影響，特別是對現存的ATM廣域網(wǎng)來(lái)說(shuō)尤其如此。使用這些標記通過(guò)使用固定長(cháng)度的查找表(傳統的路由器使用的是最長(cháng)前綴匹配)，可以使數據包快速轉發(fā)。MPLS還將定義標記分配協(xié)議(TDP)，它與第三層路由協(xié)議緊密融合，共同來(lái)建立合適的直通路由。另外，
MPLS可以讓直通路由基于多種準則來(lái)建立，如目的IP地址、服務(wù)級別、服務(wù)策略等，這樣可以允許很靈活的網(wǎng)絡(luò )規劃和設計。
表1 atm與ip的性能對比 | |
atm | ip |
|
協(xié)議結構 | lane、mpoa、q.2931（高層） |
ftp、telnet、smtp |
| |
tcp、udp、rsvp |
| aal（atm適配層） |
ip、arp、icmp（網(wǎng)絡(luò )層） |
| atm |
|
| atm物理層 | ethernet等物理層 |
| 轉發(fā) | 面向連接 | 面向數據分組 |
| 路由 | 雙向 | 多向 |
| 路徑 | 能動(dòng)態(tài)變化 | 呼叫時(shí)固定 |
| 廣播 | 一對多點(diǎn) | 多點(diǎn)對多點(diǎn) |
| 信令 | 發(fā)端啟動(dòng)的q.2931 | 收端啟動(dòng)的rsvp |
| 分組長(cháng)度 | 固定信元長(cháng)度 | 可變信元長(cháng)度 |
| 狀態(tài) | 狀態(tài)化（硬態(tài)） | 非狀態(tài)化（軟態(tài)） |
圖1
MPLS還將成為實(shí)施流量工程的主要方法，此外，還將為自愈恢復和網(wǎng)絡(luò )管理提供有力的支持。IP網(wǎng)管理上采用OSPF協(xié)議的結果是都選擇最短路徑，這可能會(huì )在一些熱門(mén)節點(diǎn)上出現擁塞，如何監視流量，防止和化解擁塞？早期的因特網(wǎng)骨干網(wǎng)是用人工修改SDH通道的路由，改變路由矩陣來(lái)控制流量。在A(yíng)TM被用于因特網(wǎng)骨干網(wǎng)上時(shí)，用虛電路來(lái)連接路由器。虛電路上的流量是可以監視的，改變虛電路也很方便，控制流量能力大大提高。
MPLS可以在A(yíng)TM交換機中根據標記，為一個(gè)IP實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數據流建立虛電路，保證QoS。當吉位路由交換機取代ATM用于因特網(wǎng)骨干網(wǎng)時(shí)，控制流量的流量工程被再次提出來(lái)。其解決辦法是采用MPLS在IP網(wǎng)上為某一路由路徑建立標記交換路徑，借助標記號可以將這一路徑變?yōu)轱@式的，從而監視其流量，同時(shí)也可以方便地改變路由，重新設置路徑。
目前支持MPLS的產(chǎn)品
支持MPLS的ATM交換機可以執行IP路由器的幾乎全部功能，同時(shí)又可以作為一個(gè)傳統的ATM交換機，它與傳統的ATM交換機的區別在于建立ATM交換機信元地址VCI表項的控制軟件，支持MPLS的ATM交換機使用IP路由選擇協(xié)議和標記分配協(xié)議（LDP）建立標記。
Lucent公司推出的支持MPLS的產(chǎn)品IP
Navigator，與B-STDX、CBX 500等可構成多業(yè)務(wù)解決方案，除提供ATM、FR、IP等傳統業(yè)務(wù)，還具有滿(mǎn)足語(yǔ)音服務(wù)質(zhì)量的Voice Over
IP，由于采用ATM，因而適合組建大型一體化網(wǎng)絡(luò )；也能夠在一個(gè)MPLS網(wǎng)絡(luò )上同時(shí)建立多個(gè)VPN，支持不同用戶(hù)的多種應用。
Marconi的ASX-4000將ATM和IP路由集為一身，內部采用信元交換結構，在物理端口上可以支持2.5Gb/s、622Mb/s、155Mb/s的ATM端口、622Mb/s、155Mb/s的IP
PoS端口和千兆以太口，支持ATM的路由協(xié)議PNNI和IP的路由協(xié)議，如OSPF、BGP等。此外，Cisco的Cisco 7500系列、GSR 12000等都是具有各自一定特色的MPLS產(chǎn)品。
摘自：軟件世界<
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