评说ATM与千兆以太网

　　兼听则明信不信由你!分享经验成不成在人!

　　请看：IBM怎么说!

　　作者简介

　　作者：殷树民(Mr.AllenYin)

　　任职：IBM中国有限公司网络总经理

　　职业经历：

　　1984年毕业于台湾清华大学，获电机工程专业学士学位。1987年加入IBM台湾任客户服务业务代表，1990年任系统集成业务代表，1993年任网络业务代表，1995年升任网络销售经理。1997年5月被派往中国内地，任IBM中国公司网络总经理。拥有8年网络经验，曾负责中国工商银行全行网络系统、中国建设银行总行网络、台湾各大银行网管系统、台湾石油公司、台湾信托银行、台湾邮政储蓄银行等多个大型网络建设。

　　建立快速大中型园区的骨干网时，到底选择ATM还是GEN(千兆以太网)技术？哪个能够工作的更好？哪一个具有更长远的价值？从技术角度客观的分析看，应该说没有一种技术能够满足所有的网络需求！而在很长一段时间内也不会有。我们在此要集中讨论的是一些重要的技术因素，而这些因素在现在和不远的将来都是用户必须重点考虑的。

　　要在ATM和千兆以太网之间进行比较，首先应该了解每个技术的成熟程度如何？其中，ATM当然是已经广为人知的技术，千兆以太网则是以太网的进一步扩展。ATM的优势在于已在世界范围内被广泛应用在各种网络上，已经被证实为具有先进性和稳定性。而千兆以太网则提供了以太网廉价而且简易的特性。本文将从实践角度，结合IBM网络事业部(NHD)的经验，与信息技术人员(IT)共同分享IBM对ATM应用及其优势的认识，以及千兆以太网技术及其所肩负的期望。

　　关于ATM网络

　　一、ATM网络模型

　　对ATM网络模型可以这样勾画出来：

　　☆桌面既可配备令牌环网卡也可以配备以太网网卡(ATM桌面也是一种可能的模型，但是它自动的包含在ATM骨干网中)。

　　☆LAN边缘交换机出现在楼层配线架中，将使用者的工作站以独占的LAN网段接入，也可以以共享/交换混合方式接入。

　　☆现在ATM的光纤以OC3/OC12的速度(未来可能是OC48的速度)的“上行连接”把LAN交换机连接到ATM骨干网交换机。

　　☆通常有一个位于数据中心的交换机连接到其它所有建筑的交换机。

　　☆连接到中心交换机的是各种数据服务器。当前作为主导地位的连接速度是OC3；ATMOC12将越来越普遍，这种连接将逐渐移植到OC12。

　　☆通常在楼宇配线架中的ATM交换机和子系统被连接在一起。

　　☆在ATM交换机之间的连接过去常常使用OC3，但是OC12正在迅速的取代OC3。

　　二、ATM的优势

　　众所周知，ATM的一个巨大优势在于保证服务品质(QoS)。然而事实上目前信息技术（IT）人员真正开发QoS的比例是很小的，很少有短期项目计划需要QoS的应用。那么，这是否意味着IT人员选取ATM是作了错误的选择？答案毫无疑问是“不”。原因是ATM技术提供了重要的除了QoS以外的其他优点。这些优势既来自于ATM技术自身的特性，也来自于它对高层协议的支持能力。

　　1.骨干网交换能力

　　骨干网是基于高速ATM交换机的，一个ATM交换机（例如IBM8265）应当被看作一个拥有25.6Gbps(全双工)信息吞吐量的无阻塞交换机。换句话来说，IBM8265能够控制其全部56个155Mbps全双工通讯端口达到线速，或者是14个622Mbps全双工通讯端口达到线速，或者是以上两种的结合。而现在的大部分以太网不能维持这个吞吐量的总和。

　　来自竞争对手的所有LAN交换机或者有较低总吞吐量，或者提供某种形式多路复用。这种状况可能会随着新一代吞吐量超过10Gbps的千兆b以太网交换器的产生而改变，但是新一代的ATM交换机将具有OC48(2.5G)或更高的连接速度，从连接速率上将再次超过千兆以太网。

　　2.ATMPNNI同生成树(spanningtree)协议和OSPF路由协议的比较

　　如果我们考虑一个只基于LAN交换机的园区网络，IEEE802.1d生成树协议(Spanningtreeprotocol)用来确定两个LAN交换机的路径。我们要提醒您如果在两个LAN交换机之间存在几个可能的路由(route)，树状算法会“锁定”一些LAN交换机端口来避免循环的出现。这样在以太网交换连接网络中加入更多的连接不会带来更多的带宽，无法充分利用到多条平行链路的带宽。

　　让我们现在看一看路由恢复；事实上在IEEE802.1d标准中，只要LAN交换机一直同树的根相连，就不会被强迫重计算路由。结果，一些冗余的配置不象期望的那样被恢复；来自不同的厂商的设备有时会有特别的功能解决这一问题，但不是存在兼容性的问题。

　　至于IP路由网络，它们是依赖与OSPF协议来确定包的传输路径。首先，OSPF不能提供链路利用率信息；在路由初始设置中的“管理成本”是存在的唯一概念。第二，如同其名字所表示的，OSPF是基于“最短路径”算法，这说明即使在网络中存在多个路由，不管连接负荷如何，包总是走同样的路径。在广域网(WAN)中远程连接链路资源和延时仍然是主要问题，那么最短路径方法是一个明智的策略。但是当我们考虑园区网时，建筑之间的光纤连接数量是重要的，而延迟是次要的，如果仍采用最短路径优先，那么园区网络将不能有效利用低负荷的链路来提高网络资源利用率。

　　ATM专用网络间接口(PNNI)协议用来在ATM交换机之间互换拓扑信息和信令。PNNI没有任何IEEE802.1d或者OSPF的缺点。首先，PNNI了解链路的利用率和在任何时刻的给定链路上的特定QoS流量的使用信息。第二，它既实现了“最短路径算法”也实现了“最宽路径”(这是IBM的一个特别附加值)算法，后者允许ATM交换机去分配所有可能路径上包含UBR的流量负荷。这导致了对网络资源(没有被动连接)的更好利用并且为其增加提供了更多的空间。至于恢复时间，PNNI恢复时间是在100毫秒量级，而对基于生成树(spanningtree)或OSPF路由协议的网络,其恢复时间位1～10秒量级。

　　3.简单骨干网络设计和安装

　　IEEE802.1d和OSPF路由协议在设计之前需要对以上的问题进行设计，并对路由器或交换机进行复杂的配置。ATM骨干网络设计实质上是即插即用(plugandplay)的。在IBM8265中，所有的交换机自动的发现是否同其它的交换机或者一个ATMUNI设备(例如路由器或者一个LAN交换机)相连。在8265交换机上不需要输入任何路由参数：你仅仅需要给每个交换机输入一个ATM地址，然后以你所希望的拓扑物理来连接所有的交换机，(若需要的话还可以连接一些平行冗余链路)那么其余的所有工作就完全由8265动态完成。

　　4.ATM改进IP网络

　　对IP网络，骨干网络的增加意味着在OSPF区域路由器的增长。每个路由器的添加需要手工对新连接进行确认。如果在路由之间使用一个ATM骨干网络，它能够被看作一个有“指定(designated)"路由器的多路访问网络(multi－accessnetwork)，因此在路由器之间拓扑信息的交换量被大大减少了，而新路由器的增加被动态地完成。

　　另外，ATM改进了IP的多路广播功能。对基于点对点的OSPF协议，路由应当在每个连接上发送IP多路广播包；如果一个ATM骨干网被用作一个多路访问网络，一个IP多路广播包一旦被路由送到LAN仿真广播未知服务(BUS)，IP广播包就被ATM交换机复制。

　　更多的改进能够通过引进ATM上的多重协议(MPOA)中了解到，它将在网络模型的演化中被讨论。

　　5.建立扁平型网络

　　在园区骨干网内使用路由器同二层交换网络相比，主要区别是广播的控制。事实上IP地址空间被分成为小的“子网”，并且IP广播被限制在这个子网。而许多的IT人员希望建立只有一个子网的扁平型网络，允许IP地址管理对用户的移动是“友好”和“透明”的。

　　IBM的MSS提供了在ATM网络的广播管理功能。在MSS之前，控制广播的方法是不成熟的并且需要对传输状态“谁要和谁进行通讯”有一个完全的了解。这个方法需要网络管理人员在端口基础上手工设置过滤器。MSS通过ELAN的BUS功能控制广播，避免这个冗长的过程，并且对第三层的广播进行了一些智能化处理。例如，如果广播是一个寻址请求，MSS能够转换为unicastframe，仅仅送给一个专门处理这种广播包的工作站处理。结果使得有害的广播数量大大减少，在过去不可想象的平坦型网络现在成为可能了。另外，因为技术是不断在发展的，但是并不需要进行管理员调整。对其它的广播类型，例如IP多重广播包，MSS能够整理出在哪个仿真局域网(emulatedLAN)上哪些IP多重广播组是激活的，并且确定IP多重广播包向哪里发送。

　　6.中心VLAN配置

　　我们要交替使用虚拟局域网络(VLAN)和仿真局域网络(ELAN)这两个词。ATM提供基于ATM论坛协议的标准建立VLAN。现今有各种带有来自不同供应商的VLAN的ATM网络都在使用当中。

　　VLAN的概念已被广泛了解，但在ATM环境VLAN的设置被集中在称为局域网仿真配置服务器(LECS)的单元当中就很少被人了解，并且在ATM交换机自身中没有VLAN的定义出现。同以太网802.1pVLAN比较，802.1pVLAN的定义存在于LAN交换机自身当中并且在端口的基础上被设置。当骨干网络扩充，维持一个协调的VLAN定义可能会成为一个严重的问题，这就需要提供一个良好的VLAN管理工具。然而这些工具通常只在特定的供应商提供的产品上才是有效。

　　7.固定的信元大小

　　当前的LAN仿真并不利用任何的ATMQoS。因此象使用LANE协议那样，从数据服务器运行视频应用，可能导致你的视频应用以UBR服务运行。尽管在这种模式下，ATM网络并不保证任何的带宽，但是由于使用固定大小的信元进行传输，这样大大减少了网络的抖动。这对于声频的传输甚至是更加重要的，这是因为它对网络抖动是更加敏感并且声频包不能容忍在长数据包之后被排队。

　　三、ATM的问题：

　　目前，同以太网相比ATM被认为是一个复杂的技术。真正的问题在于以下两点：

　　1.价格问题

　　事实上，一个ATM上连接口或者一个ATM网卡应该包含负责对帧(frame)和信元(cell)之间进行转换的分段和重装功能(SAR)。同样的，在一个连接的基础上这些被实现就意味着要有更多并行的连接需要被处理，这就需要更多的内存在包发送之前把得到的信元重新组合。这个过程和相应内存的增加费用使ATM上连接口或者网卡价格比较昂贵。而以太网环境中，数据通过网卡包头不需要改变，因而价格比较便宜。一些LAN交换机通过将SAR功能内置在交换矩阵自身的结构中来解决较高的ATM上连接口价格的问题。这种ATM上连接口实际是一个没有很多逻辑的物理接口。但这只是一些LAN交换机的情况。其它克服ATM上连接口价格问题的可选方案是仅在建筑之间和数据中心交换机之间使用ATM连接，在楼层配线架装备和建筑内交换机之间使用以太网连接(现在是100Mbps，以后是千兆以太网)。这个网络模型就是所谓的“混合模型”。这允许廉价的LAN交换机在楼层上使用，当然这样就失去了一些上面所提到的ATM的好处。

　　2.协议的开销问题

　　ATM网络的另外一个主要问题就是在48字节的信元中需要5字节的协议开销。这样一个10.4％的开销可以认为是对网络带宽的浪费。这个开销还要加进40字节的IP包头。目前市场中有着象电视会议系统(videoconferencing)或者(videoondemand)这样纯ATM应用，这种应用中ATM协议的开销就如同IP包和MAC帧的协议开销一样不可避免。因此，ATM的效率是同应用相关的。

　　四、ATM网络模型如何在两到三年中继续发展？

　　第一种演变是在LAN交换机中引入MPOA。简而言之，MPOA在楼层配线架(floorwiringcabinets)中使得第二层设备被简化，而具有了第三层交换的全部功能。对于不能(或者不想)建立平坦型网络的IT人员，由于MPOA能够实现上面所提到的缩减网络管理而不降低网络性能，因此MPOA是一个很好的选择。另外一个重要的发展是OC48(2.5G)速度的引入。历史曾经说明随着网络使用者的增长，桌面微处理器性能的不断提高以及象Internet这样使用的增长，就需要网络不断的增加其带宽。没有什么表明现象这一趋势会减缓，而且事实上它可能是在更快的增长。

　　关于千兆以太网络

　　一、千兆以太网网络模型

　　基于千兆以太网网络的基本配置如下：

　　☆桌面系统需要装配以太网网卡。

　　☆LAN交换机放置在楼层配线架，它将使用者的系统和专用的网段或者共享/交换混合方式在连接起来。

　　☆LAN交换机上有一个100Mbps的以太网光纤上连模块，将LAN交换机和一个千兆以太网骨干网交换机连接起来。

　　☆通常位于数据中心的一个交换机将连接其它建筑的交换机。

　　☆连接到中心交换机的是各种数据服务器。目前主要采用快速以太网连接速度；将来千兆以太网的网卡会越来越普遍，并且服务器的功能将变得更强大，这种连接将移植到千兆以太网。

　　☆在大楼交换机之间的多条连接仅仅在交换机也是运行OSPF协议的第三层交换时才有意义。

　　☆在建筑和数据中心交换机之间的连接将转换为千兆以太网网络。以上模型的一个变化是从楼层LAN交换机用两条快速以太网上行连接到两个不同的大楼交换机上；这样做能够在建筑交换机损坏时提供对网络的保护。

　　二、千兆以太网的优势

　　1.简易性

　　简易性是期待千兆以太网所具有的价值。这一点可能是真实的，但是，从现有的千兆网络看来，这一特点还不明显。这在稍后我们就会提到。但是如果网络仅仅是以太网的，那么事实就是：利用IEEE802.1生成树协议(spanningtree)或者OSPF路由协议，千兆以太网产品的引入不会需要对ATM局域网仿真信令(ATMLANEmulationsignaling)或者PNNI进行任何的培训。因此即使千兆以太网网络比现在的10/100以太网复杂一些，对于那些熟悉以太网、802.1d协议以及OSPF路由协议的人会发现千兆以太网比ATM协议要容易掌握。但上面所讨论为802.1d和OSPF的问题仍然存在。

　　同样千兆以太网并没有本质上改变对园区骨干网络的设计方法。对大多数人认为这是一个要点，通常人们在处理所熟悉的技术时会有比较便宜和一种舒适的感觉，而且可以减少培训的时间和所需掌握的新技术。另外一种考虑是千兆以太网网络可通过对现有网络升级而不需要进行彻底改变来实现，但实际上升级的难度很大程度上决定于已经存在的基础设备情况。

　　2.价格

　　同相应的ATM设备比较，千兆以太网在LAN交换机的上连接口和数据服务器的网卡是低价格的。在杂志或者各种顾问报告中可以找到提示价格并且象前面所说的那样通常会比ATM优惠50％左右。这主要是因为两个原因：

　　a.千兆以太网标准使用了低价的光纤(这将限制千兆以太网网络的设备距离)

　　b.易于实现，千兆以太网采用与以太网同样的帧格式，无需转换。

　　三、千兆以太网的问题

　　1."简易性”是真的吗？

　　同它的名字一样，千兆以太网同标准以太网不是完全相同的。首先对帧的要求不同；还有时间同步(Timing)和电缆类型的考虑也是不同的。这说明装备这样的网络需要培训，并且需要新工具来管理网络。尽管千兆以太网比ATM只要较少的培训，但能否将你所现有的网络升级到千兆以太网网络实际上还很大程度上依赖现存的LAN交换机、路由以及数据服务器的能力。

　　对2～3年前所购买的大部分LAN交换机、数据服务器以及路由器而言，你会发现，首先它不能升级具有千兆以太网接口(这些产品已经被新一代来自具有千兆以太网接口的制造商的产品所替代)。其次，或者它能够被“策略性”的升级，但是也只能够得到“连接”却不能具有相应的性能。如果你需要你的网络具有同样的性能，那么你必须购买当前新一代的产品。

　　许多经验丰富的IT技术人员都知道所遇到的许多网络问题都是由于未成熟的新技术引进而造成的。因此问题出现是独立于所使用的技术。以太网是众所周知的技术，但是它也存在很多种形式(粗同轴电缆、细同轴电缆、10BaseT转发器、可管理和不可管理的、交换机等等)。包含ATM在内的各种技术，每一代都有它自己的发现以及难题。千兆以太网也会同其它技术一样经历这个过程。

　　2.距离

　　如前面所提到的，千兆以太网使用低价的光纤媒质，对于单模光纤会限制在3公里的传输距离,而多模光纤只有550米。这就表明需要有其它的长距离传输技术(或许是ATM)或者其它昂贵的光纤转发器。因此，虽然价格是一个优势，但是当需要长距离传输时，可能最终解决方案的整体价格并不便宜。

　　3.优先级还是QoS?

　　千兆以太网可以对运行的数据流有优先级的区别处理(priority)或者CoS(ClassofService)的功能，但千万不要将优先级(priority)和在ATM交换技术中使用的QoS混淆起来。有些厂商在推广其千兆路由器产品时会有意无意的将这两个概念混为一谈。这可以用一个道路交通的例子来说明：

　　对于QoS就相当于当有贵宾来访时可以在机场到目的地之间预留一条专用的车道，在贵宾通过之前此车道不能被其他车辆占用。这样贵宾车的顺利通行能得到充分的保证。

　　而优先级是相当于高优先级的车辆(如急救车)在通过道口时可以有比其他车辆更高的优先权，但如果当时道路本身就已经相当拥挤或被堵塞，那么急救车也只能在缓缓的车流中慢慢爬行。所以说这两种技术是有本质区别的。

　　4.帧尺寸问题

　　当千兆以太网在共享环境中使用时，这就成为了一个问题。事实上，由于当千兆以太网在共享模式下使用时的“时间同步”问题，IEEE801.3z标准规定了最小的帧长是512字节。这个最小帧长能够严重的影响网络的利用；在最坏的情况下(传输整个只有64个字节)千兆以太网有效信息通过量降低到120Mbps(只有连接负载的12％)。最近一个Internet上IP传输包的统计数据表明，IP网传输中超过80％的流量是低于512字节的。