深入探讨IP网与ATM网相结合的技术

ATM是上世纪通信领域交换技术的主要代表技术，而IP则是本世纪乃至未来网络融合发展的目标和方向。有鉴于传统网络到IP网络的过渡需求，ATM与IP需要彼此结合最终实现融合网络的发展要求。

1　背景

ATM技术是八十年代末由电信提出的，为实现包括话音、数据和图像在内的各种业务传输的宽带综合数据业务网B-ISDN而发展起来的网络技术。ATM技术的实质是电路交换和分组交换的综合。因此ATM技术具有很大的灵活性，任何时候都能按实际需要来占用资源;对特定业务，传送速率随信息到达的速率而变化;能够适应任何类型的业务，无论其速率高低、突发性大小、实时性要求和质量要求如何，都能提供满意的服务。ATM最初的思想就希望造就未来通信系统的统一平台，制定ATM规范的ATM论坛一直在通过各种手段向ATM中容纳进新的内容以保证ATM最初的目标。但这样造成ATM技术异常的复杂，标准化的过程缓慢。此外，昂贵的设备价格也是目前困扰ATM技术普及推广的一大因素，因此ATM一般只限于电信级骨干网的建设。

IP技术起源于六十年代，最初只用于计算机局域网的组建。近十年来，随着Internet的快速普及，IP技术广为流传，已经成为一种事实上的开放系统互联标准。IP技术实质上是一种不需要预先建立连接，而直接依赖于IP分组头信息决定分组转发路径的数据传输技术。IP技术的主要特点是：IP协议是一种网络级互联协议，容易实现异种网络的互联;采用无连接技术，特别适合于电子邮件、信息检索等非实时的短报文通信;具有统一的寻址体系，网络可扩展性强;采用独立服务的模块化结构，可以支持多种不同应用，容易增加新业务。IP技术所具有的最大优势在于，它可以运行在任何介质和网络上，可以保证异种网络的互通，即“IPovereverything”。随着宽带IP技术的发展，包括话音、数据和图像在内的各种业务均能在IP网上进行传输，出现了所谓的“EverythingonIP”的局面，IP业务也即将成为通信业务的主流。但IP技术在发展过程中也遇到了路由器瓶颈、服务质量难以保证等问题的困扰。

ATM和IP都是发展前景良好的技术，但它们在各自的发展过程中都遇到一些问题。如果把这两项技术结合起来，利用ATM网络为IP用户提供高速直达数据链路，即可以充分利用ATM网络的资源优势，发展ATM上的IP用户业务，又可以解决IP网络发展中遇到的问题，进一步推动IP业务的发展。

2　IP与ATM结合技术的分类

目前，IP与ATM结合技术主要分为两大类：重叠技术和集成技术。采用重叠技术时，IP层叠加在ATM层之上，ATM端点使用ATM地址选择协议将IP分组包选择路由。重叠技术的优点是采用标准的ATM论坛/ITU-T的信令标准，与标准的ATM网络及业务兼容;缺点是传送IP包的效率较低。采用集成技术时，ATM层被看作IP层的对等层，ATM端点只需使用IP地址来标识，在ATM网络内使用现有的网络层路由协议为IP分组选择路由，在建立连接时使用非标准的ATM信令协议。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的路由器。集成技术的优点是传送IP包的效率比较高，不需要地址解析协议;缺点是与标准的ATM技术融合较为困难。

3　重叠技术

重叠技术的实现方式具体来说主要有三种，分别是CIPOA(Classical IP over ATM)、LANE(LAN Emulation)和MPOA(Multi-protocol over ATM)。

3.1　CIPOA(ATM上的传统IP技术)

IETF工作组在RFC1483(AAL5上的多协议封装)和RFC1577(ClassicalIPandARPoverATM)两个文件中定义并规范了CIPOA。CIPOA的基本思想是利用IP对低层网络技术的包容能力，在ATM网上支持IP协议。它继承了IP的基本思想，仅把ATM网络看作与以太网、令牌环网等物理子网处于同样地位的一种异形子网。由于CIPOA规范只支持IP协议，所以它适用于只使用IP协议的互联网和局域网。利用该规范，用户可以在ATM网络上直接运行现存的基于IP的网络协议(如TCP、UDP)和基于IP应用协议(如WWW、FTP、NFS等)。CIPOA的协议结构如下所示：

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是指根据用户和网络管理者的连接要求，对直接连接到ATM网络的任意主机、路由器进行组合，这种组合形成了一个逻辑的IP子网，其中的主机和路由器可位于网络中的任何地方，即与它们的地理位置无关。不同的LIS相互独立操作和通信，在一个LIS内，IP包可以在点到点的ATM永久虚通道(PVC)和ATM交换虚通道(SVC)上传送，位于两个LIS内的主机间的IP连接需要经过一个路由器。

CIPOA网络的基本工作原理是：在每一个LIS内设有一个地址解析服务器(ARPServer)，负责完成IP地址和ATM地址的映射功能。当LIS中新增了一个IP主机时，该主机首先利用配置好的地址建立与ATM　ARP服务器的连接，ATMARP服务器检测到来自新主机的连接后，向该主机发送反向ARP请求(InARP)，从而获得新增主机的IP地址和ATM地址，并在ATM　ARP服务器中的IP地址-ATM地址映射表中进行登记。当一个主机需要向被叫发送IP数据报时，由于它不知道对方的ATM地址，所以首先向ATM　ARP服务器发送ARP请求，获得被叫的ATM地址，再建立到被叫的ATM连接并进行通信。

在重叠技术中，CIPOA技术成熟，实现简单，在LIS上传送的广播业务量很少，网络的资源利用率较高，同时简化了LIS内主机间的通信步骤，改善了时延特性。但两个LIS中的主机间进行通信时需要经过路由器，仍不能完全解决路由器瓶颈问题，并且每个LIS内都配置一个地址解析服务器，将引入额外的时延。此外，CIPOA只限于处理ATM上的IP协议，无法处理其它的网络层协议。

3.2　LANE(局域网仿真技术)

ATM论坛定义的局域网仿真(LANE)技术为在ATM网络上传送现有的LAN协议创造了条件。采用ATM局域网仿真技术时，对原局域网用户来说，ATM交换网络的各种功能(如呼叫建立、信元拆装等)都是透明的，原局域网终端的硬件和软件系统不需做任何改动，即可利用ATM网络提供的高速直达数据链路传送LAN协议包。

LAN是对局域网的媒体访问控制子层(MAC层)进行仿真，LANE的协议栈如下图所示：

网络层　　　　　IP、IPX等

LANE

数据链路层　　　RCF1483

ATM层

物理层　　　　　物理层

由ATM层替代传统LAN的MAC子层，成为物理层和逻辑链路之间的一层，因此局域网逻辑链路层以上的软件可以不做任何改动。LANE可以支持任何局域网的高层协议(如IP,IPX等)。

LANE的服务体系是基于CLIENT/SERVER的查询和响应模型。在一个仿真的局域网络(ELAN)中，需要配置局域网仿真客户机(LEC)、局域网仿真配置服务器(LECS)、局域网仿真服务器(LES)和广播/未知服务器(BUS)。LEC是所仿真的局域网的端系统，它向现有局域网提供MAC层的服务接口，代理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中的所有终端间的通信。LECS负责保存仿真局域网中的局域网仿真客户机(LEC)配置信息，并向新安装的LEC发送LES的ATM地址，每个管理域只有一个LECS，它可为一个或多个仿真局域网(ELAN)提供服务。LES负责实现MAC地址与ATM地址的映射功能，每个ELAN只有一个LES，每个LES有一个专有的ATM地址来标识。BUS负责处理广播及未知的MAC地址，在仿真局域网内提供广播和组播传送功能。

LEC是如何与LES进行通信完成地址解析并把用户数据通过ATM数据直达链路传送给另一个真地址解析协议(LE-ARP)请求，询问收端的ATM地址。如果收端已在LES上注册，则LES就在LE-ARP应答中将收端ATM地址返回给发ARP请求转发给ELAN上的所有LEC，收端LEC收到该请求后，就在LE-ARP应答中将自己的ATM地址返回给LES，再由LES返回就通过ATM　SVC呼叫建立到收端的虚连接，并在其上进行数据传送。

LANE对局域网从MAC层进行仿真，屏蔽了网络层以及其上的高层协议，从而使ATM网络可以支持多种协议的传送。这既是它的优点，也是它的缺点。优点是为LAN用户的互连创造了便利条件，缺点是无法利用ATM的多业务及相应的特性，网络层的QOS(如IP协议中的RSVP)也无法对应到ATM交换结构中，同时由于最大帧大长度的限制，网络规模的扩展也受到限制;而且两个ELAN内的用户进行通信时要经过路由器，仍不能完全解决路由器瓶颈问题;最后，一个ELAN目前只能同时仿真一种局域网，不能完成异种局域网的转换问题。

3.3　MPOA(ATM上的多种协议技术)

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，同时还引入了虚拟路由器的概念。MPOA是一个功能强大的网络层路由解决方案，使任何具有MPOA功能的设备都可以和另一台设备通过ATM交换建立直接连接，不必再经过中间的路由器。这种直接跨越ATM网络建立直接连接的技术有时也称为“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)以及虚拟路由器的概念。LANE是在ATM上仿真第二层的局域网技术，使得ATM透明于上层应用，是MPOA的一个内部组成部分，适用于子网内部的通信。NHRP提供了一种扩展的地址解析协议，是基于网络层的寻址技术，允许下一跳的客户在不同的逻辑子网间发送查询，从而允许子网间直接建立ATM连接，让确定的数据流不需使用中间的路由器。虚拟路由器是指将传统路由器的功能分离到网络中各个不同的组成部分中去，也就是说，将网络中一系列设备集合共同完成传统路由器在网络中的功能，从而降低了成本，提高了效率。

MPOA标准模型包括三个部分：边界设备、ATM直连主机和路由服务器。边界设备使用网络层和MAC层目的地址在传统的局域网与ATM接口间传送数据包，以使传统的局域网能够通过ATM进行高效传输。ATM直连主机具有能够实现多协议信息传输标准功能的ATM网络接口卡，它允许ATM直连主机的相互通信，并允许ATM直连主机通过边界设备与传统局域网进行通信。路由服务器是一组功能的集合体，它既可由作为单个产品实现，也可在现有路由器和交换机中构建，它使用某些路由协议算法和构造响应MPOA系统的请求。它完成网络层对ATM层地址的映射，对未知的服务器的多路广播以及对网络层、MAC层和ATM地址的维护功能。

MPOA系统规定了具体实现某种功能的逻辑组成部件：MPOA客户(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为其提供收端的ATM地址，得到该地址后通过SVC呼叫建立到收端的ATM连接，并在其上传送数据;MPS负责维护本地的网络层、MAC层和ATM地址信息以及路由表，MPS处理来自MPC的址解析请求并作出应答，MPS之间通过NHRP进行联络，以解决跨子网的地址解析问题。

MPOA的实质是虚拟路由技术，即使用边界设备完成大部分交换功能，使用路由服务器建立路由表，为边界设备提供路由。它的优点是不仅能在一个子网内建立ATM虚通道连接，而且能够在不同的子网间建立直接的ATM虚通道连接，跨子网的通信不再经过路由器，解决了路由器瓶颈问题。缺点是系统结构比较复杂，具体实现比较困难。缺点是系统结构比较复杂，具体实现比较困难，而且仍存在一些问题需要解决，如基于NHRP协议的地址解析响应时间延迟较大等。