ATM网络支持IP业务的技术与方案

　　----已采用ATM技术的运营商，面对IP业务的飞速发展，都在寻求ATM支持IP的最佳方案。
　　
　　----目前普遍的共识是选用MPLS作为公用骨干网的解决方案。MPLS首先将在公用ATM骨干网上引入，它采用集成模式，将IP技术与ATM技术良好地结合在一起，兼具了ATM的高速性能、QoS性能、流量控制性能与IP的灵活性、可扩充性，是一种较为理想的骨干IP网技术。

　　----国际电信标准组织ITU-T已将IP标准的研究放在首位，今年9月，SG13的IP专家组会议对公用ATM网传送IP的MPLS技术方案提出了建议草案 I.ipatm。该草案全面提出了网络的总体要求、网络体系结构、协议体系结构、业务映射的要求等，并对公用ATM网采用MPLS的解决方案做了明确的说明。本文对该建议草案的主要内容做一概括介绍。

　　网络体系结构

　　----ATM传送IP技术有一些总体要求，包括网络的技术方案必须独立于所支持的IP协议版本；必须具备支持大型网络的足够的可扩展性；必须包含在ATM网络上支持高效而且具有可扩充性的IP 组播能力；必须具有足够的鲁棒性以支持大型网络。这些要求对于所有确定的IP业务都是适用的。　

　　----在ATM上支持IP层业务的框架体系结构被定义为支持IP业务所需的网络体系结构与协议体系结构的结合。

　　----IPOA的参考网络结构如图1所示，该配置显示了支持IP业务的各种可能的情况。虚线框显示的是公共网。虚线框中的方框显示的是公共网中的一般配置，它们包括ATM核心，IPOA网络与边缘路由器。虚线框外是一些不同的网络，它们显示了公共网向各种特定网络提供各种特定的IP业务的情况。从公共网的角度来看，这些网络都可以认为是用户网络。这里需要说明的是，在本文中所涉及的公共网仅限于具有ATM核心的公共网。

　　----在图1中，有两种参考点。第1类参考点是公共网与用户网络的边界。而第2类参考点则是公共网与IPOA网络的接口。参考点1的配置可以依赖于用户网络的设施以及所提供IP业务的定义。边缘路由器可能需要互通功能与/或适配功能。本文的重点是第2类参考点以及公共网中使用的技术。

　　----图2显示了公共ATM网络与专用ATM网上IP业务的参考配置。在专用与公共IPOA网络中，IP业务是利用ATM的交换功能与IP的业务功能 (IPSF)来实现的。在这种情况下，ATM交换功能与IP业务功能之间的接口应该定义在P或者是M参考点上。IP业务功能指的是实现IPOA所需的功能，IPSF的一个典型例子就是地址解析业务。作为一种终端系统，IPSF实际上就是一台具有ATM接口的路由器。

　　----IPSF功能与ATM交换功能可以在同一设备上实现，在这种情况下我们就没有必要定义参考点P上的接口了。IPSF功能与ATM交换功能也可以分别在不同的设备上实现，在这种情况下，对与M或P点上接口的定义依赖于IPSF是在核心ATM网络里面还是外面。

　　----ATM网络之外的ISP与终端系统(ES)可以接入专用或者是公共ATM网络。每一终端系统都有一套完整的IPOA协议栈，若与专用IPOA相连，则使用专用UNI；若与公共IPOA相连，则使用公共UNI。

　　----该网络的主要特点是网络与业务互通。在网络互通环境中，借助于两个网络之间的互通功能（IWF），IP协议控制信息(PCI)与载荷数据可以通过ATM网络被透明地传输到另外一个IP网络。典型的情况是，IWF仅仅使用一种适配功能对IP分组进行封装并将其透明地传到远端IWF。

　　----对于现有的IP与ATM网络的互通，典型的情况是网络互通，亦即用ATM提供骨干或者是核心网络来传输IP协议。在这种情况下，ATM网络可以看作是第三层（或更高层）协议的下层传输。

　　协议体系结构

　　----图3描述了公共网在ATM上传送IP的协议参考模型。要注意的一点是：下层的关于层管理、平面（或系统）管理与控制平面的概念都得到了扩展，以便包含第三层以及更上层的功能块。

　　----功能模块之间的接口可以是内部的、子层或平面之间的非标准化的通信接口，也可以是外部的、标准化的协议接口。

　　----通用模型中的每一层次都有对应的层管理功能模块。层管理功能模块只负责对该层管理与协议控制信息（PCI）的处理；层间的通信只能通过平面管理功能进行，这一功能使用平面管理中的协作功能（CoF）模块来执行。

　　----IPOA的各种网络应用中不需要都包含所有的功能模块。这样，上述功能模块可以看作是实现各种特定的网络（或NE）应用的基本“构件”。网络必须保持不同模块之间的基本关系与顺序，以便保证一致的可操作性。　

　　----下面对IPOA协议参考模型的功能进行描述。

　　----IP-SSCS/AAL5功能

　　----IP-SSCS/AAL5功能模块集成了将IP负载映射到AAL5上所需的各种传输功能，该模块提供了RFC1483中IETF采纳的、基于IEEE802.2的链路层控制/子网附加点(LLC/SNAP)协议中定义的封装与多协议复用功能。

　　----IP层功能

　　----IP层的功能提供了通过一个互通的系统实现源到目的地的IP转发(IP数据报传送)的能力。IP转发指的是接收到一个分组、使用一种开销很低的判决程序决定如何处理该分组的过程。

　　----IPOA协议的结构必须独立于IP的版本。目前，IP有两个版本，IPv4(IP版本4)与IPv6(IP版本6)。IP层的功能应与IETF在RFC791与RFC2460（分别对应于IPv4与IPv6）中的定义相同。

　　----IP层的功能并不能提供一种可靠的通信设施。在数据传输过程中，无论是端到端还是每一跳之间都没有确认的过程。

　　----IP层管理功能

　　----IP层管理功能有两种基本功能：寻址与分段。IP层功能使用IP头标中携带的地址将IP数据包发送到目的地。对于传输路径的选择使用的是信令与路由功能模块。如果有必要的话，IP层功能还将利用IP头标中的特定域来对IP数据包进行分段与重装。

　　----IPv4主要使用4种机制来提供它的业务：服务类型、生存期、选项与头标校验和。IPv6是Internet协议的新版本，它的变化主要有下面四个方面：扩展的寻址能力，头标格式的简化，对于扩展与可选功能支持的提高，流标记能力与认证(保密能力)。

　　----IP层管理功能并不对数据提供差错控制，除了在头标中有一个校验和之外，协议中没有重传与流控机制。

　　----传输层功能

　　----传输层包括面向连接型的TCP功能与无连接型UDP功能。

　　----TCP功能为进程之间提供可靠的连接。TCP功能与IETF在RFC793中的定义是一致的，TCP功能包括下列设施：基本的数据传输、可靠性、流控、复用、连接、优先级与安全。

　　----UDP功能提供的是数据报传输。UDP功能与IETF在RFC768中的定义是一致的，UDP是面向事务的，传输与重复保护没有保障。在ATM上使用传输层功能不应改变传输层本身的功能。

　　----网络管理功能模块

　　----网络管理功能依赖于特定的IPOA网络应用。通常地，它们包括与下面的管理有关的一些TMN功能，如故障管理、性能管理、配置管理、安全管理等。

　　----信令与路由控制功能

　　----这一功能包括了IP与ATM控制中的信令与路由功能模块。IP控制与信令包括了含选路在内的各种IP控制，ATM控制包括了ATM信令与选路。

　　IP业务映射

　　----IP业务是通过用户与提供者之间的接口以IP(因特网协议)包(数据包)形式传送数据的一种数据传输业务。在这种情况下，要求提供者不必知道 IP包内的数据属性。用户与提供者之间实际或隐含的契约是提供者对净荷内容不加更改(控制域可以改变或不变)地将IP包传送到目的地（一个IP地址或另一个运营者/用户接口）。该契约可以隐含一组由用户在向提供者提出会话请求时指定的传送质量参数(如BER、端到端延迟、序列正确与否等)。具体实现时可以采用指定IP包携带的数据属性的速记方式指定这些参数。例如，如果用户指定这些包携带话音，则可以直接映射一组特定的传送质量参数。但是应当注意，这种情况不同于用户请求一次话音呼叫，它实际上是期望提供者将用户数据作为话音数据处理。又例如，进行变换编码或在TDM设施上承载数据，此种情形是话音业务而不是IP业务。

　　----IPIntserv技术

　　----Intserv是根据每个IP流QoS等级的精确描述，由具有RSVP功能的路由器中的RSVP协议和流的接纳控制支持IP的QoS分类。　

　　----在Intserv流中，定义了两类业务——保证业务（GuaranteedService，GS）和受控负载业务（ControlledLoadService，CLS）。对于GS业务，流的最大排队时延是受到控制的，路由上的任何时延都会影响最大排队时延。而 CLS没有固定的时延保证，但业务流要与在网络轻载情况下的流质量相当，实际上CLS要求有长期的带宽保证。总之，这两种业务都要求用令牌漏斗协议来定义流的特性，超出的业务流被当作“尽力而为”型业务量处理。

　　----IPDiffserv技术

　　----IETF的diffserv模型是基于每跳行为（PerHopBahaviors，PHB）的概念，diffservPHB由路由上的每个本地路由器所具有的前转行为来定义。目前，IETF已定义两种主要的PHB：

　　加速前转PHB（ExpeditedForwardingPHB，EF-PHB）

　　----EF-PHB的特征是带宽具有可配置性并在同一链路上不受其他业务量的影响。EF-PHB可以用来在Diffserv域中建立要求具有低丢失率、低时延与低时延抖动的端到端业务。

　　可确定的前转PHB组（AssuredForwardingPHBGroup，AF-PHB组）

　　----AF-PHB组的特征是有4个AF等级，每个等级分配有一定量的转发资源（比如在一个Diffserv节点上的缓存与带宽等）。在每一个AF等级中，各个IP分组被标记上三种可能的丢弃优先级。当发生拥塞时，分组的丢弃优先级将决定在某一AF等级中各分组的相对重要性。4个AF等级的相对性能之间没有标准的关系，AF-PHB组可以实现以较高的可能性保证业务所要求的信息速率。

　　----支持QoS敏感(aware)型IP业务的网络模型

　　----在IETF给出的框架中，端到端的QoS是由网络边缘的Intserv区域与网络核心的Diffserv区域一起提供的,这一方式常被称为“核心边缘”方式。当然这里提出的网络模型，还会考虑到其他一些可能性，而且链路层媒体在这里总是假定为ATM。　

　　----支持QoS敏感型IP业务可能的网络模型如图4、图5和图6所示。

　　----情况1：ATM网络上的Intserv

　　----在这一模型中，两个Intserv终端（stub）网络之间的通信由IPOA核心网络支持。核心网络中的IPOA设备可以同时提供 Intserv与Diffserv能力。要支持端到端的集成型业务，网络只需要激活IPOA设备上的Intserv功能。两个业务级协议(SLA1与 SLA2)都要求能够满足intserv业务的要求。

　　----情况2：ATM网络上的Diffserv

　　----在这一模型中，两个Diffserv终端（stub）网络之间的通信由IPOA核心网络支持。核心网络中的IPOA设备可以同时提供 Intserv与Diffserv能力。要支持端到端的区别型业务，网络只需要激活IPOA设备上的Diffserv功能。两个业务级协议(SLA1与 SLA2)都要求能够满足diffserv业务的要求。

　　----情况3：通过ATM网络上的Diffserv区域支持Intserv业务。

　　----在这一模型中，两个Intserv终端（stub）网络之间的通信由IPOA核心网络支持。核心网络中，有一些区域只支持Diffserv，而其他的区域则可以同时提供Intserv与Diffserv能力。在这种情况下，Intserv将通过Diffserv区域透明地传输，而且网络将有两种业务级协议。

　　----业务映射功能清单

　　----业务映射功能不依赖于周围的网络结构，它只依赖于需要进行映射的界面两侧支持IP与ATMQoS的方式。

　　----图7显示了我们考虑的在网络结构中所必需的IP业务到ATM业务映射的各种可能的组合。

　　----ATM支持IP将只解决映射6和映射12业务，在这种情况下，在ATM部分的网络出口上，并不需要有第5与第10种映射功能，这是因为在目的 IP网络中，对于QoS的支持是完全基于IP信息的（比如，RSVP消息或者是IP分组中的DS域），而这些信息是由ATM网络透明地传输的。当本地的 ATM业务量必须经由一个纯IP网络传输或者目的地就是一个纯IP网络时，将可能需要有第5与第10种映射功能。

　　----第3与第4种映射功能只属于IP区域，对它们的研究是IETF工作的一部分。同时，起始于/终止于扩展ATM参数与QoS等级的所有映射都属于ATM论坛的工作(在ATM专网中支持)。

　　----将IP集成型业务映射到ATM业务

　　----当两个有Intserv能力的路由器的ATM连接必须支持有GS[RFC2212]或者CLS[RFC2211]要求的IP流时，就会产生将IP集成型业务映射到ATM业务的问题。这一映射主要有两种方式：一对一映射和多对一映射。

　　----将保障型业务(GS)映射到ATM无需对ATM作任何扩展。然而，选择的映射方案必须满足下列要求：选择的ATC必须能够支持时延要求；选择的ATC必须能够为流保留一定的带宽。

　　----将负载控制型(CLS)业务映射到ATM同样无需对ATM作任何扩展，但选择的映射方案必须能够为流保留一定的带宽。

　　----将IP区别型业务映射到ATM业务

　　----在Diffserv域中，PHB可以作为一个定义IP业务的重要要素。然而，PHB本身适于端到端IP与QoS无关的业务。这样， Diffserv与ATM之间的映射基础应当是IP业务与ATM业务。特别地，IP业务可以定义为符合业务量调整规范的一组PHB实现，ATM业务可以定义为一组具有QoS等级[I.356]的ATM传输能力[I.371]。

　　----为了给用户提供业务，Diffserv的服务提供商必须将PHB实现与业务量调整及业务提供策略相结合。但ATM还没有解决PHB的问题，PHB与ATM传输能力之间的映射并不适宜。所以，业务映射可以看作是一种特定的区别型业务到一种ATM业务的映射。基于所考虑的IP业务的定义，Diffserv到ATM的映射可以通过两个服务提供商之间的协商得以明确实现。

　　MPLS方案优势

　　----我们建议采用MPLS作为公共网中在ATM上支持IP的最佳技术，这不仅因为MPLS支持目前所确定的所有IP业务，而且还有下述原因。

　　----适应于较大规模的网络

　　----众所周知，MPOA非常适用于小规模的网络，应用于较大规模的网络就要受到限制。而MPLS正是为满足大规模网络的各种要求（如灵活性、可扩充性与可管理性等要求）而设计的。

　　----适应于多种承载网络

　　----大规模的网络可以使用包括ATM在内的多种承载技术。从一个较宽的范围来讲，应该选取一种对于IPOA是最优，而且对于其他的链路层技术也是最优的技术。MPLS正是能够覆盖这一范围的唯一技术。

　　----路由控制的灵活性

　　----从选路的角度来讲，MPLS技术可以使我们获得同时选择使用固定路由或者是动态路由方式的可能性。具体使用哪种方式取决于网络操作者的选择。

　　----能同时支持MPLS和ATM控制协议

　　----较理想的情况是有一种独立于链路层协议的控制技术。同时，同一交换机上也可以使用ATM控制，这种情况称为“shipsinthenight"方式。

　　----IP业务的业务量工程

　　----目前，ATM拥有最完整的业务量工程能力。MPLS借用了一些ATM技术的能力，如QoS、选路、资源管理等，而且引入了显式路由的概念，它有助于将业务量要求映射到网络拓扑之上。

　　----利用现有投资

　　----考虑到现有的ATM与其他技术的投资，在各种链路层技术上传输IP要求有一种同一的交换技术。在当前的承载网络中，ATM硬件能够对IP业务量的传输使用一种固定方式，而且MPLS被认为是CIPOA的演进方向。

　　----支持VPN业务

　　----MPLS的主要优点是能够以无连接方式或者是显式路由方式提供面向连接的业务。这种特点使得MPLS尤其适用于动态隧道技术，而动态隧道技术是目前支持VPN业务的有效传送手段。

　　----QoS保证

　　----IPDiffserv与MPLS具有明显的默契，因为它们的设计都满足业务提供商的需求。由于标记的扩展语义可以携带Diffserv信息，借助于标记、端到端的标记交换路径及一定的资源预留机制，网络将可以保证QoS机制在特定MPLS域中的一致性。