深入探讨IP网与ATM网相结合的技术

4　集成技术

目前有代表性的集成技术主要有三种：IP交换(IPSwitch)技术、标记交换(TagSwitch)技术和多协议标记交换(MPLS)技术。

4.1IP交换(IP Switch)

IP交换是Ipsilon公司提出的专门用于在ATM网络上传送IP分组的技术，它克服了CIPOA的一些缺陷，如在子网之间必须使用传统的路由器，提高了在ATM上传送IP分组的效率。

IP交换机由ATM交换机、IP交换控制器组成，IP交换控制器主要由路由软件和控制软件组成，ATM交换机的一个ATM接口与IP交换控制器的ATM接口相连，用于控制信号和用户数据的传送。在ATM交换机与IP交换控制器之间使用控制协议为RFC1987通用交换机管理协议(GSMP)，在IP交换机之间使用的协议是RFC1953Ipsilon流管理协议(IFMP)。GSMP是一个多用途的协议，使得IP交换控制器能对ATM交换机进行控制，完成直接ATM交换。它将IP交换控制器设置为主控制器，而把ATM交换机设置为从属被控设备，IP交换控制器利用该协议向ATM交换机发出各种要求，如：建立和释放经过ATM交换机的虚连接，在点到多点连接中增加或删除端点，进行配置信息查询等。IFMP用于在相邻的IP交换机控制器、IP交换网关或支持IFMP的网络接口卡之间的控制数据传送，以便把现有网络或主机接入IP交换网中或实现相应的控制功能。

IP交换网络将用户数据流分为两类：持续时间长、业务量大的用户数据流(如FTP数据、HTTP数据、多媒体音频、视频数据等)和持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据流(如DNS查询、SMTP数据、SNMP查询等)，对不同类型的流进行不同的处理。IP交换机的工作过程如下：

(1)IP交换机的ATM输入端口从上游节点接收输入业务流，并把这些业务流送往IP交换机控制器中的路由软件进行处理。IP交换机控制器根据输入业务流的TCP或UDP信头中的端口号码进行流分类。持续时间长、业务量大的用户数据流在ATM交换机硬件中直接进行交换;持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据流通过IP交换控制器中的IP路由软件进行传输，即与传统路由器一样，也是一跳接一跳(hopbyhop)进行存储转发传送。

(2)一旦一个业务流被标识为直接ATM交换，IP交换控制器将要求上游节点把该业务流放在一条新的虚通道上。

(3)如果上游节点同意建立虚通道，则该业务流就在这条虚通道上进行传送。

(4)同时，下游节点也要求IP交换控制器为该业务流建立一条呼出的虚通道。

(5)通过步骤(3)和(4)，该业务流被分离到特定的呼入虚通道和呼出虚通道上。

(6)通过旁路路由，IP交换控制器指示ATM交换机完成直接交换。

IP交换的实质是基于信息流的传输方案，它的特点是对于持续时间长，业务量大的用户数据流，利用ATM虚通道进行传输，因此传输时延小、容量大;而对于持续时间短、业务量小，呈突发分布的用户数据流，使用IP路由软件进行传输，从而节省了建立ATM虚电路的开销，提高了传输效率。IP交换的缺点是只支持IP协议，同时它的效率有赖于具体的用户业务环境，对于大多数是持续时间长、业务量大的用户数据情况下，能获得较高的效率;但对于大多数是持续时间短、业务量小、呈突发分布的用户数据的情况下，IP交换的效率将大幅降低。

4.2　标记交换(Tag Switching)

标记交换是Cisco公司提出的一种多层交换技术，它把ATM第二层交换技术和第三层路由技术结合起来，能充分利用ATM的QOS特性、支持多种上层协议，是一种性能比较优越的IP和ATM结合技术。

在标记交换网络中，处于边缘的路由器将每个输入帧的第三层地址映射为简单的标记，然后把帧转化为打了标记的ATM信元;打了标记的信元被映射到虚通道上，在网络核心由ATM交换机进行标记交换，并使用路由器与交换机直连，用于保存标记信息，实现寻找第三层路由的功能;最后，目的地的边缘路由器去掉信元中的标记，把信元转换为帧并将其送往接收用户。

在标记交换网络中的边缘路由器主要根据下列信息对IP包加上标记：

(1)目的地址前缀：以路由表中的路由为基础，允许来自多个源地址的IP包向同一个目的地址发送时共享同一个标记，从而节省了标记资源。

(2)边界路由：对标记交换系统的边缘路由器进行标记分配。在某些情况下，这种技术使用的标记比使用目的地址前缀技术少。

(3)业务量调节：使IP包沿着指定的且与路由算法选择的不同的路径流动，从而允许网络管理人员平衡中继线路上的负荷。

(4)应用业务流：同时考虑IP包的源地址和目的地址，以提供对诸如QOS等特性更精确的控制。

标记交换的关键在于采取基于拓扑结构的选路方式。它使用标记分配协议(TDP)与第三层路由协议，在标记交换网络的各设备间分发标纪信息，共同建立合适的直通路由。采用此种技术，使得只有在网络拓扑结构发生变化时，才需要使用TDP重新计算节点的标记，从而大幅度地了降低了整个网络的开销。

标记交换的主要优点是：标记交换不依赖于路由过程中使用的特定网络层协议，因此标记交换技术支持不同的路由协议(如OSPE、BGP、OSIISIS等)以及各种网络层协议(如IP、IPX等);标记交换还借助标准的多点广播协议，利用ATM交换机现有的广播硬件支持多点广播功能;另外，通过为不同的服务质量等级分配不同的标记，并在标记交换机中使用排队和缓冲机制加以控制，使得标记交换可以保证具有一定服务质量要求的用户数据的传送;在网络内部，标记交换机按照信元上的标记进行寻路，不再依赖于特定的第三层地址(如IP地址)，使得网络的分级组织容易实现，网络的扩展能力较强。标记交换技术实际上已将ATM交换机用作多协议路由器，从而形成了更加统一的网络模型并增加了网络间配置的共同性。

标记交换虽然有很多优点，但由于标记交换是Cisco的专有技术，要求网络中端到端都有Cisco的设备才能完成通信，推广使用受到了限制。

4.3MPLS(多协议标记交换)

近来MPLS越来越引起人们的关注，人们普遍看好MPLS在广域网中的应用。作为一种ATM与IP相结合的技术，MPLS是在标记交换的基础上发展而来，并正成为集成技术的标准模型。目前，IETF已制定了MPLS标准草案。

MPLS网络由核心部分的标签交换路由器(LSR)和边缘部分的标签边缘路由(LER组成)。LER位于ATM骨干网络的边缘并作为MPLS的入口/出口路由器。LER执行全部的第三层功能;运行标签分发协议(LDP)，实现标签的分配、绑定功能。LSR执行的标准交换可以看作ATM交换机和传统路由器的结合，具有第三层转发分组和第二层交换分组的功能。

MPLS的基本思想是采用标记交换的机理，是一种基于拓扑结构的选路机制，MPLS网络的工作过程一般包括以下4个步骤：

(1)使用现有的路由协议，例如OSPF、IGRP等建立到终点网路的连接，同时使用LDP完成标签到终点网路的映射。

(2)输入端LER接收到分组，完成第三层功能，并对分组进行标签粘贴。

(3)LSR对带有标签的分组不再进行任何第三层处理，只依据分组上的标签进行交换。

(4)由输出端的LER去掉标签，并传送分组给终端用户。

MPLS的主要特点是：MPLS在网络中的分组转发是基于定长标签，由此简化了转发机制，使得转发路由器容量很容易扩展;充分采用原有的IP路由，在此基础上加以改进，保证了MPLS网络路由的灵活性;采用ATM的高效传输变换方式，抛弃了复杂的ATM信令，无缝地将IP技术的优点融合到ATM高效硬件转发中;MPLS网络的数据传输和路由计算分开，是一种面向连接的传输技术，它同时支持X.25、帧中继、ATM、PPP、SDH、DWDM等，保证了多种网络的互联互通，将各种不同的网络传输技术统一在同一个MPLS平台上，即MPLS垫层;MPLS支持大规模层次化的网络拓扑结构，具有良好的网络扩展性;MPLS的标签合并机制支持不同的数据流的合并传输，提高了网络传输效率;MPLS网络中显示路由的直接使用，使得流量工程的应用变得简单，增强了IP网络流量控制和自愈恢复能力，为支持更多的新业务提供了保障;同时MPLS在保证连接可靠性的条件下取消了专线连接的要求，使得各种新业务可以在基于MPLS的IP网上实现;MPLS技术进一步促进了网络功能的划分，它将复杂的事务处理推到网络边缘去完成，核心网只负责完成传送功能，这有利于在一个规模庞大的网络中维护IP协议的扩展性;MPLS网络中标签堆的使用将庞大的路由表变得很小，极大地改善了路由扩展能力。

此外，MPLS还具备以下优势：首先是将先进技术迅速转化为实际的应用产品的问题。一方面在于MPLS在定长标签的严格区配下简化了转发过程，而且这个转发的硬件基础是便宜、成熟的ATM交换技术，这大大减少了设备制造商的研发投资，加快了MPLS设备的面市时间和产品的成熟稳定性。另一方面由于MPLS将路由与分组转发从IP网中分离开来，这使得在MPLS网中可以通过修正转发方法来推动路由技术的演进，新的路由技术可以在不间断网络运行的情况下直接应用到网络中，而不必改动现有路由器上的转发技术，这是目前的各种网络技术不易做到的。其次，MPLS简化了ATM与IP的集成技术，推动了它们的统一，从而起到平衡用户在ATM和IP网上的巨大投资，消除了现有网络的限制，由此减少了网络维护成本和扩展性问题。总之，MPLS可用于多种链路层技术，做到对下层与上层的多协议，最大限度地兼顾了原有的各种技术，保护了现有投资和网络资源，促进了网络互连互通和网络的融合。

MPLS目前仍有一些问题还在研究之中，如MPLS与PSTN之间信令的转换和交互式通信的平滑性问题;如何将MPLS与光纤传输网(OTN)、DWDM技术结合起来，实现交叉连接与标签交换的统一;MPLS的组播技术和MPLS的网络管理的还需要进一步完善;如何实现MPLS到桌面的应用;如何将MPLS技术引入到无线网络中等。

综上所述，交换功能与路由功能的结合是当网络技术发展的一种趋势。ATM技术与IP技术为目前两大最优秀的网络技术，必将不断融合，终实现统一。