网络技术是从1990年代中期发展起来的新技术,它把互联网上分散的资源融为有机整体,实现资源的全面共享和有机协作,使人们能够透明地使用资源的整体能力并按需获取信息 。资源包括高性能计算机、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源、大型数据库、网络、传感器等 。当前的互联网只限于信息共享,网络则被认为是互联网发展的第三阶段 。近年来,Internet的快速发展对广域网带宽提出了更高的要求 。Internet服务供应商ISP一直在寻找更快的主干路由器互连方式 。最近面市的Inernet解决方案,导致许多ISP部署了多种IP-over-ATM技术,如局域网仿真和一般IP over ATM技术 。由于运营商提供的底层设施是在广域光纤链路上部署的同步光网络 SONET 或同步数字分层 SDH,因此人们越来越多地关注在SONET上直接运行IP,而不是采用ATM网络,以提高带宽效率 。但是在这两种备选方案中,到底哪种技术提供了最佳方案,业内一直存在着很大的争议 。
一、IP-over-ATM
Internet工程任务小组IETF把IP定义为,把多个异构网络连成一个大型互连网络的公共“粘合剂” 。各个网络可以采用不同的物理层、链路层和网络层技术 。但是,如果IP层在各个网络层的顶部运行,那么可以把多个网络无缝地互连起来 。Internet工程任务小组定义了运行IP的各种网络技术,包括广播局域网技术(如以太网)、电路交换广域网技术(如X.25)和分组交换广域网技术(如交换式多兆位数据服务SMDS) 。在20世纪90年代初,ATM的部署数量明显提高 。正是这个时候,IETF开始定义IP在ATM上的操作 。ATM论坛还着手定义不同的第二层和第三层协议在ATM上的操作,主要是从局域网角度的考虑 。下面汇总了这些工作获得的成果 。
1.一般IP over ATM (CIP) 。一般IP Over ATM CIP允许现有的IP用户转向采用ATM作为底层数据传输技术,同时仍然采用现有的为传统IP系统设计的应用 。ATM网络被分成多个逻辑IP子网(LIS),这些逻辑IP子网通过路由器互相通信 。由于ATM没有本机广播功能,因此,用基于客户机——服务器的ATMARP协议代替了传统的广播地址分解协议 ARP 。CIP采用默认的8字节封装,使用逻辑链路控制/子网访问控制 LLC/SNAP,在ATM传输IP和ATMARP分组 。这些分组使用AAL5直接映射到ATM信元中 。这些信元在开通的虚连接(PVC)或交换的虚连接(SVC)中传送 。为建立SVC,需要使用一种信令协议,如ATM论坛UNI 3.1/4.0或ITU-T Q.2931 。
2.局域网仿真 。根据ATM论坛给出的定义,局域网仿真 LANE是在ATM网络上提供的一种服务,它模拟现有的802.3以太网LAN及802.5令牌环LAN服务 。通过使用局域网仿真,现有的局域网应用可以在ATM网络上通信,就象使用类似MAC驱动器的接口连到传统局域网上一样 。提供的服务包括无连接单点广播和多点广播数据传送服务 。LANE在MAC层运行,可以与任何第三层协议一起使用 。相比之下,一般IP over ATM只能与IP一起运行 。仿真局域网(ELAN)包括一套装在ATM端点上的局域网仿真客户机及一种局域网仿真服务 。
LANE为各种功能提供了多个服务组件,如地址分解、配置和广播 。这些服务组件可以装在ATM端点或交换机上,可以集中或分布的方式实现 。一个ELAN类似于一个局域网网段,可以通过网桥或路由器与其它局域网网段通信 。为了通过ATM传输LANE控制和数据包,它使用了2字节LANE封装 。新版LANE规范还允许使用LLC/SNAP封装 。LANE分组使用SVC中传送的AAL5直接映射到ATM信元上 。
3.MultiProtocol over ATM MPOA 。ATM论坛定义了MultiProtocol over ATM MPOA,以克服局域网仿真和CIP的主要缺点,即这些协议要求不同子网(ELAN或LIS)上的主机通过中间路由器进行通信,这大大降低了分组吞吐量,因为每台路由器在路由时都必须重组第三层分组的信元,在转发时则需要再把分组分割成信元 。MPOA允许不同子网中的客户机在彼此之间建立直接的VCC或叫作捷径,然后直接在第三层转发分组,而不需任何中间的重组和分割过程 。在子网内部,MPOA采用LANE,MPOA客户机既可以装在与ATM相连的主机上,也可以作为把ATM子网与非ATM局域网网段连接起来的边缘设备的一部分 。这些边缘设备可以在第二层桥接分组,还可以在第三层,通过捷径VCC转发分组 。为此,MPOA客户机监视着第三层分组流量,如果发现到特定信宿有一条连续的分组流,那么客户机会询问MPOA服务器,请其提供ATM地址,以建立到信宿的捷径VCC 。MPOA服务器与该ATM子网的路由服务器进行交互,以获得必要的信息 。可能需要沿着路由的路径,使用IETF定义的下站分解协议(NHRP),把分解请求传播到询问的信宿上,直到获得距请求的信宿最近的ATM出口点 。MPOA用于分布式虚拟路由器中 。把ATM子网连到传统局域网网段上的边缘设备有点类似于虚拟路由器使用的接口卡 。把边缘设备连接起来的整个ATM网络是虚拟路由器转发底板 。分组转发功能与路由计算功能分离开来,后者由路由服务器完成 。分组转发与路由计算相分离,较传统的路由器提高了效率,实现了更高的分组吞吐量 。分组使用LANE或LLC/SNAP封装传送 。这些分组使用SVC中传送的AAL5,直接映射到ATM信元中 。
4.多协议标准交换 MPLS 。目前,业内把大量工作都集中在开发一种在ATM交换机上集成而不是重叠IP路由器的解决方案 。许多厂商提出把IP和ATM集成起来的建议方案,IETF已经指定了一种一体化机制,称为多协议标记交换(MPLS) 。在MPLS模式下,每台路由器也是一台交换机 。除通常的第三层包头外,分配给快捷路径的分组还带有固定长度的标记 。通过这些标记,可以使用固定宽度的查找表(而传统路由器中则采用最长的前缀匹配方法),非常迅速地转发分组 。MPLS将定义自己的标记分配协议 LDP,该协议将与第三层路由协议紧密交互,建立所需的快捷路径 。此外,MPLS允许根据多种标准建立快捷路径,如信宿IP地址、服务类别和服务策略,从而可以非常灵活地进行网络工程设计 。MPLS并不仅仅局限于ATM,相反,其目标是对任何链路层技术,只要这种技术能够支持识别快捷路径的固定长度的标记,那么MPLS都可以在这种技术上运行 。
二、IP/PPP/SONET
在IETF开发工作和已宣布的厂商计划基础上,当前的业内发展方向是,采用点到点协议 PPP作为传送SONET有效负载中IP数字报的机制 。IP/PPP/SONET负责以STS-1 51.84 Mbit/s、STS-3c 155.52 Mbit/s和STS-12c 622.08 Mbit/s速率,把IP数据包映射到SONET有效负载中 。
IP/PPP/SONET映射显示了PPP的使用方法,路由信号标记字节(SONET路径开销的一部分)的值被设定为207 。PPP协议数据单位与SONET有效负载一样,都是字节,它通过“protocol”字段提供多路复用函数,允许传送其它协议数据单位,如IPX 。PPP还包括控制协议 链路控制协议和网络控制协议,用来启动和配置链路层协议和网络层协议 。PPP具有简单、稳定和使用广泛等优点 。可以运用这种方法的IETF RFC包括:RFC 1661,W. Simpson,“点到点协议 PPP”;RFC 1662,W. Simpson,“在类似HDLC的分帧中采用PPP”;RFC 1619,W. Simpson,“PPP over SONET/SDH”;RFC 1700,J. Reynolds,J. Postel“分配数量” 。
三、IP-over-SONET与IP-over-ATM比较
与IP-over-ATM相比,IP-over-SONET操作有着许多差别,部分重要问题汇总如下 。
1.协议开销 。到目前为止,ISP考虑部署IP-over-SONET而不是IP-over-ATM的最大原因,是ATM信元包头(每53字节中有5个字节)导致的开销,有时称为信元税 。AAL5(填充,8字节报尾)和LLC/SNAP封装(8字节)也增加了额外的开销 。
在ATM上运行时,IP只实现了大约80%的可用线路速率,而在SONET上运行时,它可以实现95%的线路速率 。当昂贵的广域链路或受到带宽限制的其它链路用于主干路由器互连时,运行IP-over-SONET所增加的容量具有极大的吸引力 。对带宽充足的环境,如局域网、带宽效率并不是太大的问题 。
2.带宽管理 。ATM提供了全系列功能,可以管理为流经一条链路的各条信息流(VCC)分配的带宽 。它根据要求的服务质量,为这些VCC分配灵活的带宽 。由于其信元交换特点,ATM允许多条信息流同时共享同一条链路,并保障为每条信息流分配一定数量的带宽 。而PPP则没有提供任何带宽管理功能 。它提供了一条简单的点到点链路,IP层必须调度其分组传输,保证每条信息流获得公平的链路带宽份额 。在速度慢的链路上可能会出现问题,因为在这些链路上,属于优先级低的信息流的大型分组传输,可能会堵住其它优先级高的分组的传输 。例如优先级低的文件传送流中的大型分组可能会延迟小得多、但对时间更加敏感的语音分组 。IP-over-SONET在具有带宽限制的链路上,为对延迟敏感的实时应用提供了带宽效率优势,而这种延迟可变性可能会在一定程度上抵消这种优势 。
3.服务质量 。服务质量QoS与端到端分组延迟、抖动、丢包和吞吐量等参数有关 。ATM提供了一套丰富的可以针对每条VCC协商确定的QoS参数 。交换机中的智能排队和调度机制保证了可以提供协商的QoS 。ATM提供了各种服务等级,可以满足不同的应用要求 。例如,具有非常特殊的QoS要求的应用,可以使用恒定比特率(CBR)或可变比特率(VBR)服务 。而要求具有弹性特点的应用则可以使用可用比特率(ABR)或未指定比特率(UBR)服务 。这些本机ATM功能允许在IP层简便地提供QoS,在IP层,具有特定QoS要求的每条信息流都可以映射到自己的具有特定QoS的VCC上 。例如,语音流可以映射到实时CBR或VBR连接上,而文件传输可以映射到ABR连接上 。PPP在单一的点到点链路上运行,不提供任何QoS功能 。如前所述,IP层必须智能化地管理其分组传输,以保证为信息流提供适当的QoS 。尽管ATM提供了丰富的QoS参数集,基于QoS的服务限定于连接两台路由器的ATM路径 。为了向IP分组提供端到端QoS,路由器还必须提供智能排队和调度机制 。从这个意义上看,当IP网络重叠在ATM网络顶部时,路由器把ATM连接视为点到点链路,这与PPP相类似,尽管实际通信可能会发生在由ATM交换机组成的网络上 。
4.地址和路由 。ATM被定义成完整的网络层,它为末端系统寻址和连接路由提供了广泛的功能 。ATM网络可以跨越巨大的地理区域,在路由器之间提供了通用的互连机制,而不管这些路由器位于什么位置 。相比之下,PPP仅在直接的点到点链路上运行,没有寻址或路由功能 。为了创建主干网络,必须在主干路由器之间开通点到点链路 。必须开通多条链路,以实现链路的容错性 。在某些情况下,可能需要配置全网状结构,以使跨越主干所需的站数达到最小 。全网状结构不仅成本很高,而且可能并不可行,因为在广域中连接纯SONET链路的通路有限 。在与SVC配合使用时,ATM在路由器之间实现了任意路由器连接,而不需配置全网状结构 。即使ATM网络中的某些链路出现故障,动态SVC路由功能仍可以发现迂回路由,而一直确保任何两台路由器之间的连接 。ATM最有用的功能是,运营商可以在一个ATM接口上,简便地建立与其它路由器的连接 。在主干路由器网络中,大多数路由器将需要互相通信,这意味着最终将需要全网状连接,而不管采用的是点到点链路还是SVC 。但是,ATM还可以实现更加灵活的网络工程设计能力,因为它能够在不同的链路上路由SVC,并能够通过相同的接入链路,把一台路由器连接到多个信宿上 。ATM流量控制协议采用多种功能,如呼叫接纳控制CAC、通信整形和用户参数控制UPC或策略制订,确保信息流一直位于协商的通信合同的边界之内 。超过的通信将打上标记,可以在网络过载时丢掉这些分组 。因此最终用户可以根据带标记的分组或丢掉的分组,了解与拥塞有关的隐含信息 。ATM的信元级丢弃与TCP的分组级流量控制交互能力较差,为了尽量消除这一问题,业内已经为ATM开发了多种挂接技术,如部分丢包PPD或早期丢包EPD,以识别分组 AAL帧边界,在过载情况下丢掉整个帧 。最近,ATM论坛定义了ABR服务 。它表明了ATM端点可以向网络中发送通信的允许速率,为流量控制提供了显示反馈信息 。这种速率可以随着网络负载变化而变化,允许用户获得可用带宽,而不会使网络过载 。在理想状态下,ABR将消除网络中的信元丢失,把拥塞状况推向ATM网络的边界 。这将要求路由器缓冲更多的分组 。PPP没有提供流量控制机制,因此TCP的流量控制直接在PPP链路上运行 。如前所述,不管路由器是通过ATM相连还是直接通过SONET相连,路由器都查看彼此之间的(一定带宽)管道,必须采用适当的缓冲机制,以确保合理的吞吐量 。
5.多协议封装 。ATM为多种协议共享同一链路提供了两种机制,第一种机制称为VCC多路复用,它把每种协议分配给各个VCC 。ATM层多路复用及反多路复用VCC,因此用户不需增加任何其它封装包头,来区别各种协议 。第二种机制称为LLC多路复用,这种机制允许多种协议共享同一个VCC 。它在每个分组中增加一个8字节封装包头,以鉴别它属于哪个协议 。当可用的VCC数量有限,且在各种协议之间共享VCC时,可以使用这种形式的多路复用 。PPP提供了一种类似于ATM中LLC多路复用的多协议封装形式 。它采用1字节或2字节协议标识符字段作为封装包头 。在最主要的方面,PPP和ATM的多协议封装功能是同等的 。
6.容错 。通过使用一种动态路由协议(称为专用网络节点接口PNNI协议),在发生故障的链路和交换机周围路由连接,ATM提供了故障恢复能力 。目前,PNNI只在建立初始连接过程中提供迂回路由功能 。PPP没有任何容错功能,因为它在单一链路上运行 。但是,底层SONET层提供了内置的保护功能,在运行光环发生故障时,可以把交换机切换到迂回光环上;当在SONET上运行时,还可以在ATM上应用这一功能 。
四、部署方案
上面几节比较了IP-over-ATM和IP-over-SONET的相对标准 。从本质上看,在使用IP-over-SONET时,路由器是通过快速点到点链路相连的,而在使用IP-over-ATM时,路由器是通过一个由多条链路组成的网络相连的,这些链路承载着多路复用的连接,每条连接都与灵活的带宽和协商的服务质量相关 。这两种技术方案之间的差异可以归结为速度和灵活性的对比 。根据特定应用中哪个因素更加重要,我们可以实施以下部署方案 。
1.ISP主干 。ISP主干一般要求高速互连主干路由器,以使分组吞吐量达到最大化 。因此,ISP及其供应商对运行IP-over-SONET、以把主干路由器互连起来有着非常浓厚的兴趣 。但是,由于IP-over-SONET缺乏带宽管理、服务质量和灵活的网络工程设计能力,因此降低了ISP及其供应商的兴趣 。此外,高速SONET链路可以极快的速率传送分组,这一速率可能要高于大多数路由器可以处理的速率 。在不要求服务质量的昂贵的或具有带宽限制的广域链路上,采用IP-over-SONET把高速主干路由器互连起来具有许多优势 。
2.企业内部网 。跨越广泛区域的企业内部网面临着许多与ISP主干相同的问题 。从成本角度看,IP-over-SONET可能具有许多优势 。但是,这些优势必须与获得必要的设备和服务所需的成本进行权衡对比 。IP-over-SONET还是一个新兴市场,设备成本可能相对较高 。相比之下,IP-over-ATM正迅速成为一种商品,竞争的加剧正推动着设备成本下降 。类似的,运营商可以以比SONET链路更加低廉的价格销售ATM链路,因为ATM为运营商提供了灵活的带宽管理功能 。此外,部署ATM允许简便地共享广域带宽,实现非IP应用,如SNA、IPX、Appletalk、DECnet等等 。
3.园区主干 。由于园区主干大都采用比较低廉的物理接口,如多模光纤100-155 Mbps、屏蔽双绞线或非屏蔽双绞线五类UTP Cat-5铜线155 Mbps上TAXI带来的经济性,因此这些网络部署SONET的可能性较小 。即使部署SONET,但由于带宽可能会非常充足,因此IP-over-SONET带宽效率可能并不能与IP-over-ATM的灵活性相抗衡 。
4.运营商网络 。运营商正在其网络中部署SONET,它们还极有可能部署ATM over SONET,以为付费客户提供灵活的带宽管理功能,确保服务质量 。结果,与在SONET上直接开通IP相比,他们可以更加简便地提供IP-over-ATM服务 。
目前网络界有两个明显的发展趋势,第一个发展趋势是IP正迅速成为构建分组网络首选的网络层技术,正在推动着全球Internet的发展;第二个发展趋势是运营商正在广泛部署SONET,SONET有可能成为广域网上路由器互连的物理设施 。当原始速度非常关键时,IP-over-SONET要有更大吸引力 。而当灵活的带宽管理、服务质量和网络工程非常重要时,IP-over-ATM则提供了一个更好的解决方案 。与成本有关的问题将凌驾于所有这些问题之上 。这些成本包括开通服务的成本以及维持服务的成本 。ATM是一种复杂的技术,自然会引发更高的网络运行和维护成本 。根据这些特点,ISP及某些企业内部网最有可能在受到限制的环境中部署IP-over-SONET 。相比之下,运营商和园区主干将首选IP-over-ATM 。新兴技术可能会使得IP-over-ATM更具吸引力 。人们特别关注的焦点之一是IETF的MPLS开发工作 。MPLS在使用ATM中大大提高了网络工程和带宽管理的灵活性 。此外,它把IP和ATM路由紧密地集成起来,消除了当前IP-over-ATM解决方案的重叠模型和低效性 。随着当前IP-over-ATM技术(如局域网仿真和MPOA)的部署量提高和运行IP-over-ATM的新技术的出现,IP-over-ATM的发展势头将变得更加明显 。
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