IP與ATM結(jié)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(shù)字網(wǎng)(B-ISDN)的基礎(chǔ)技術(shù)和技術(shù)體制，全面開始ATM標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)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(jī)。

　　ATM將信息劃分為48個(gè)字節(jié)定長信元和5個(gè)字節(jié)控制信息的信元頭，它繼承了分組交換的統(tǒng)計(jì)復(fù)用技術(shù)，用戶若無信息發(fā)送，可不占用時(shí)隙，該時(shí)隙可讓別的用戶使用，從而提高了信道利用率。并全部用硬件處理信息，簡化了傳統(tǒng)分組交換協(xié)議的層次，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不需要執(zhí)行復(fù)雜的差錯(cuò)控制和流量控制等功能，處理時(shí)延大大降低，因而交換機(jī)速率可以達(dá)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(shù)據(jù)、話音、圖像、電視和多媒體等業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的綜合應(yīng)用；

表1 atm與ip的性能對比

	atm	ip
協(xié)議結(jié)構(gòu)	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(zhuǎn)發(fā)	面向連接	面向數(shù)據(jù)分組
路由	雙向	多向
路徑	能動態(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)端啟動的q.2931	收端啟動的rsvp
分組長度	固定信元長度	可變信元長度
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(tǒng)一的統(tǒng)計(jì)時(shí)分技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信元的復(fù)用和交換。

　　2. IP概況

　　IP技術(shù)最初只用于少量計(jì)算機(jī)組成的網(wǎng)絡(luò)互連，它不同于電信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)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)，用戶終端盡可能是廉價(jià)、易用的設(shè)備。而IP協(xié)議信奉的是“端到端”思想，并認(rèn)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(nèi)得到了飛速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

　　IP原本是Internet的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和重要的技術(shù)基礎(chǔ)，因此，人們說到IP往往就意味著Internet，就意味著無連接通信方式和無連接通信技術(shù)。Internet是一個(gè)路由器加專線的存儲轉(zhuǎn)發(fā)型網(wǎng)絡(luò)，而IP協(xié)議實(shí)質(zhì)上是一種不需要預(yù)先建立連接，而直接依賴于IP分組頭信息決定分組轉(zhuǎn)發(fā)路徑的數(shù)據(jù)協(xié)議，IP協(xié)議具有其他通信協(xié)議所沒有的突出優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)IP為一種網(wǎng)絡(luò)互連協(xié)議，容易實(shí)現(xiàn)異種網(wǎng)絡(luò)互連；

　　(2)IP協(xié)議采用無連接技術(shù)，特別適合于電子郵件、信息檢索等非實(shí)時(shí)的短報(bào)文通信；

　　(3)具有統(tǒng)一的尋址體系，網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性強(qiáng)；

　　(4)IP協(xié)議采用獨(dú)立服務(wù)的模塊化結(jié)構(gòu)，可以支持多種不同應(yīng)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(yīng)于OSI協(xié)議參考模型的第2層，但其協(xié)議應(yīng)該完成的功能不是OSI第2層規(guī)定的數(shù)據(jù)鏈路層功能， 而是多路復(fù)用、路由和交換功能。ATM的上層應(yīng)用可能是基于Q. 2931的新應(yīng)用或不基于Q.2931的現(xiàn)有應(yīng)用，通過AAL層適配，將不同業(yè)務(wù)應(yīng)用接納進(jìn)來。如果是現(xiàn)有的應(yīng)用，則需要通過LANE和MPOA才能使原來沒有廣播子網(wǎng)概念的ATM具有子網(wǎng)的功能， 才能使現(xiàn)有的協(xié)議(例如ARP、IP、IPX)正常地在ATM上運(yùn)行。

　　TCP/IP協(xié)議框架中的IP層對應(yīng)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(guī)定的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議相當(dāng)，完成路由選擇和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能。IP的上層應(yīng)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(xiàn)有Internet應(yīng)用，可以通過簡單的TCP或UD P運(yùn)輸層協(xié)議傳送文電；而基于RSVP協(xié)議的新應(yīng)用(例如語音和視頻等實(shí)時(shí)應(yīng)用)，則必須通過RSVP文電，為某分組流進(jìn)行接納控制和帶寬預(yù)約，以保證服務(wù)質(zhì)量。


　　IP向ATM提出的挑戰(zhàn)


　　為了解決傳統(tǒng)路由器利用軟件來實(shí)現(xiàn)路由計(jì)算和包轉(zhuǎn)發(fā)使得包轉(zhuǎn)發(fā)速度不能滿足因特網(wǎng)骨干網(wǎng)需求這個(gè)問題，人們只能求助于ATM。于是，ATM在世紀(jì)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(biāo)記交換(MPLS)等在ATM上運(yùn)行IP的新方法。人們對ATM技術(shù)一直期望很高，但技術(shù)和用戶的需求都在不斷地發(fā)生變化，在話音通信方面，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傳送語音目前標(biāo)準(zhǔn)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(fù)存在；在廣域網(wǎng)領(lǐng)域，ATM受到來自幀中繼技術(shù)的競爭。制定ATM規(guī)范的ATM論壇一直在通過各種手段向ATM中容納進(jìn)新的內(nèi)容以保證ATM最初造就未來通信統(tǒng)一平臺的目標(biāo)，這使得ATM技術(shù)異常的復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)化的過程變慢。

　　近幾年來，隨著Internet的廣泛延伸和應(yīng)用的不斷增多，以及Internet終端—計(jì)算機(jī)功能的進(jìn)一步增強(qiáng)，IP在逐步統(tǒng)一局域網(wǎng)和桌面系統(tǒng)之后又開始向ATM的地位發(fā)起挑戰(zhàn)。IP協(xié)議所具有的最大優(yōu)勢在于，它可以運(yùn)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”。隨著寬帶IP技術(shù)的發(fā)展，在IP網(wǎng)上傳輸話音、視頻等實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，保證服務(wù)質(zhì)量等問題正逐步得到解決。目前正在發(fā)展多種算法和協(xié)議，將話音、視頻業(yè)務(wù)及傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到IP網(wǎng)上，出現(xiàn)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(tǒng)電信傳輸網(wǎng)的基礎(chǔ)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)的需求來重新優(yōu)化設(shè)計(jì)電信傳輸網(wǎng)絡(luò)呢?

　　從網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)來看，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(shù)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(shù)據(jù)只是其中之一，其他的諸多業(yè)務(wù)是直接運(yùn)行在ATM之上的而不通過IP這樣的網(wǎng)絡(luò)層，如話音業(yè)務(wù)利用ATM的線路仿真功能(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�？墒牵�今天的情況發(fā)生了變化，IP成為各種業(yè)務(wù)的核心，數(shù)據(jù)、話音和視頻業(yè)務(wù)都可由IP來承載。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層會大大提高IP的傳輸效率，特別是當(dāng)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)量超過話音和視頻業(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(jì)算機(jī)界各自的特點(diǎn)，電信在過去的一個(gè)世紀(jì)內(nèi)逐步發(fā)展，并幾乎一直受到政府規(guī)范的制約，電信產(chǎn)品和服務(wù)要求高可靠性和終端設(shè)備之間的互操作性。而計(jì)算機(jī)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(jié)合的技術(shù)—MPLS (多協(xié)議標(biāo)記交換)


　　雖然，ATM 面臨IP的諸多挑戰(zhàn)，但目前ATM仍然是城域網(wǎng)的主要選擇，原因主要是在可擴(kuò)展性、可維護(hù)性、QoS、容錯(cuò)性、流量控制等方面，ATM優(yōu)勢很多，近來普遍看好的解決方案是使ATM與IP相結(jié)合技術(shù)而應(yīng)用于廣域網(wǎng)，使用ATM技術(shù)來承載IP，這種方法可以綜合利用二者的長處。

　　IP與ATM技術(shù)相結(jié)合的難點(diǎn)在于二者不同的連接技術(shù)、尋址方式和相應(yīng)的選路功能、選路規(guī)程和地址結(jié)構(gòu)等。目前，IP與ATM相結(jié)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(biāo)記交換(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)，它提出了一種將第三層數(shù)據(jù)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屬于集成模型的類別，它基于標(biāo)記交換機(jī)制，在ATM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(dāng)ATM網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能分開，從而達(dá)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(jī)，即交換式路由器。已分配直通路由的數(shù)據(jù)包除了通常的第三層IP數(shù)據(jù)包包頭外，還將增加 一個(gè)固定長度的包含特定路由信息的標(biāo)記，并使路由器為不同的業(yè)務(wù)流預(yù)先分配好不同的路徑，即不同的標(biāo)記以保證這些業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。由于標(biāo)記(實(shí)際上就是一個(gè)整數(shù))就意味著路徑，所以，路由器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時(shí)也無需做傳統(tǒng)意義上的路由判斷(如查找路由表)，從而提高了IP的轉(zhuǎn)發(fā)速度。

　　MPLS還有助于解決廣域網(wǎng)中虛連接數(shù)量隨節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加而呈爆炸性增長的問題，MPLS與ATM的結(jié)合對廣域網(wǎng)可能會產(chǎn)生重大影響，特別是對現(xiàn)存的ATM廣域網(wǎng)來說尤其如此。使用這些標(biāo)記通過使用固定長度的查找表(傳統(tǒng)的路由器使用的是最長前綴匹配)，可以使數(shù)據(jù)包快速轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS還將定義標(biāo)記分配協(xié)議(TDP)，它與第三層路由協(xié)議緊密融合，共同來建立合適的直通路由。另外， MPLS可以讓直通路由基于多種準(zhǔn)則來建立，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(guī)劃和設(shè)計(jì)。

表1 atm與ip的性能對比

	atm	ip
協(xié)議結(jié)構(gòu)	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(zhuǎn)發(fā)	面向連接	面向數(shù)據(jù)分組
路由	雙向	多向
路徑	能動態(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)端啟動的q.2931	收端啟動的rsvp
分組長度	固定信元長度	可變信元長度
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(fù)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(jié)果是都選擇最短路徑，這可能會在一些熱門節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)擁塞，如何監(jiān)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，改變路由矩陣來控制流量。在ATM被用于因特網(wǎng)骨干網(wǎng)上時(shí)，用虛電路來連接路由器。虛電路上的流量是可以監(jiān)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ATM交換機(jī)中根據(jù)標(biāo)記，為一個(gè)IP實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流建立虛電路，保證QoS。當(dāng)吉位路由交換機(jī)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。其解決辦法是采用MPLS在IP網(wǎng)上為某一路由路徑建立標(biāo)記交換路徑，借助標(biāo)記號可以將這一路徑變?yōu)轱@式的，從而監(jiān)視其流量，同時(shí)也可以方便地改變路由，重新設(shè)置路徑。


　　目前支持MPLS的產(chǎn)品


　　支持MPLS的ATM交換機(jī)可以執(zhí)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(tǒng)的ATM交換機(jī)，它與傳統(tǒng)的ATM交換機(jī)的區(qū)別在于建立ATM交換機(jī)信元地址VCI表項(xiàng)的控制軟件，支持MPLS的ATM交換機(jī)使用IP路由選擇協(xié)議和標(biāo)記分配協(xié)議（LDP）建立標(biāo)記。

　　Lucent公司推出的支持MPLS的產(chǎn)品IP Navigator，與B-STDX、CBX 500等可構(gòu)成多業(yè)務(wù)解決方案，除提供ATM、FR、IP等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)，還具有滿足語音服務(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，支持不同用戶的多種應(yīng)用。

　　Marconi的ASX-4000將ATM和IP路由集為一身，內(nèi)部采用信元交換結(jié)構(gòu)，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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