ATM網絡的組網技術及其應用

從技術發展的角度來看，利用ATM組建寬帶Internet骨干網一般會經歷三個主要技術階段。本文對這三個階段所涉及的主要技術進行分析，并以美國下一代Internet試驗網VBNS為例加以說明。

1 引言

　　眾所周知，Internet近年來在全球獲得了爆炸性的增長，據統計Internet用戶數已達6400萬戶，平均每月增加95萬用戶，平均每30min就有一個網絡上網。用戶數的劇增、對帶寬要求較高的WWW應用的普及導致網上流量持續增加，造成了網絡擁塞。為了擴展Internet的帶寬，越來越多的Internet服務提供者開始采用ATM構造寬帶Internet骨干網，同時也為將來在Internet上提供綜合業務服務奠定基礎，如何利用ATM組建寬帶Internet骨干網？這是一個眾人關心的問題。從技術發展的角度來看，利用ATM組建TCP／IP骨干網絡一般會經歷三個主要技術階段。本文將對這三個階段所涉及的主要技術進行分析，并以美國下一代Internet試驗網vBNS（very high Bandwidth Network Service）為例加以說明。

2 第一階段：邊緣路由（edge routing）

　　這是目前技術所處的階段，所采用的協議或規范主要有三種：基于PVC的透明橋接（PVC bridging）、基于SVC或PVC的Classical Over ATM（RFC1577）和局域網仿真（LANE）。前兩種協議是由Internet的技術組織——IETF（Internet Engineering Task Force）推薦的，后一種是由ATM論壇（ATM FORUM）制定的。

2.1 基于PVC的透明橋接（PVC bridging）

　　透明橋接（transparent bridging）是一種將位于本地或遠地的LAN網段加以連接，形成一個邏輯子網的技術。在多個LAN網段的環境中，透明橋（transparent bridge）這一網絡設備可以對LAN幀（LAN frame）進行過濾，只將幀傳遞到目的網段而不是擴散到其他網段。它通過對每個LAN幀的源MAC（Media Aclearcase/" target="_blank" >ccess Control）地址進行檢查，從而確定發出該幀的設備位于哪個網段并記憶下來。以后，橋（bridge）就根據每個LAN幀的目的MAC地址將該幀傳送到相應的網段上。

　　圖1顯示兩個帶ATM端口的網絡設備通過基于PVC的透明橋接（PVC bridging)實現兩個異地LAN網段的互聯。這里需要強調的是每個LAN幀要經過特別封裝（encapsulation）后才在ATM鏈路上傳遞。該封裝所遵循的協議是RFC1483，它定義了以太網、令牌環、FDDI的數據包如何封裝到ATM信元中，從而實現傳統局域網幀在ATM上的傳送。

　　采用PVC bridging技術在ATM上建立TCP／IP骨干網絡非常簡單，在異地的網絡設備間建立ATM PVC連接，通過透明橋接便實現第二層的互連。這種組網方法簡單高效，互連在第二層即數據鏈路層上進行，可以達到很高的吞吐量，不足之處是PVC的數目隨骨干節點數增加而呈指數增長，組網不夠靈活。

2.2 CLassical IP Over ATM （CLIP）

　　CLIP（RFC1577）是IETF推薦的基于ATM論壇UNI3.0／3.1信令標準的IP-OVER-ATM協議，其原理與TCP／IP網絡中IP-MAC地址解析協議（ARP：Address Resolution Protocol）相似，需在網絡中建立IP-ATM地址解析服務器（ARP Server），ARP服務器可以在ATM設備中或通過服務器軟件實現。屬于同一IP子網的CLIP終端（client）向其ARP服務器提出IP-ATM地址解析請求，ARP服務器返回CLIP終端所要訪問的目的終端的ATM地址，源終端便通過ATM UNI3.0／3.1信令建立起與目的終端的SVC連接，實現與目的終端的通信。與PVC bridging相似，每個IP包也需要經過特別封裝后才能在ATM鏈路上傳遞，其遵循的協議也是RFC1483。

　　與PVC bridging相比，CLIP是在IP網絡層一級實現的，它屏蔽了下層物理網絡的異質性，并且支持SVC（當然也可以是PVC），因而組網更靈活，同時保持了較高的效率。

2.3 局域網仿真（LANE）

　　該規范是由ATM論壇制定，它定義如何將一個ATM網絡仿真成一個第二層的邏輯以大網或令牌環網段——仿真局域網（emulated LAN）。在仿真局域網的環境中（參見圖2），每個LANE的終端（LEC-LANE Client）（它可以是帶ATM網卡的主機，也可以是具有ATM端口的局域網交換機（Layer 2 LAN switch））在加入仿真局域網時，先要訪問LANE配置服務器（LECS-LANE Configuration Server），LECS上記錄著該LANE終端所屬的仿真局域網及其LANE服務器（LES）的ATM地址。LEC在獲得LES的地址后便與之建立通信，在LES上注冊成為該仿真局域網的一部分。為仿真傳統局域網網段，仿真局域網上也建立了一個覆蓋所有LANE終端的公共廣播域。LANE規范定義了一個廣播／未知終端服務器（BUS：Broadcast and Unknown Server），它把廣播包（broadcast packet）和組廣播包（multicast packet）傳遞到仿真局域網的每個成員，同時它還負責處理那些目的終端ATM地址不詳的包。與CLIP環境中的ARP服務器相似，LECS、LES和BUS既可以在ATM設備中也可以通過服務器軟件實現。

　　在一個仿真局域網中，一個IP終端欲和另一個IP終端通信，它先向BUS發出對目的終端IP地址的解析請求，BUS將該請求轉發到仿真局域網內的所有終端，目的終端收到該請求后即給出自己的MAC地址。源終端在得到目的終端的MAC地址后，向LES發出對該目的終端MAC地址的解析請求，LES回應以目的終端的ATM地址。于是源終端便得到目的終端ATM地址，它便可以通過ATM信令建立與目的終端的SVC連接。

　　利用局域網仿真技術在ATM上建立TCP／IP骨干網絡，需要在ATM網上設置LECS、LES、BUS服務器，與相關網絡設備共同組成虛擬網，網絡設備通過SVC建立連接，實現同一局域網段的互連。同CLIP相比，LANE在第二層即數據鏈路層一級進行，實現機制比較復雜，需占用較多的網絡資源，效率較低，但它可實現FDDI、以太網、令牌環間的互通；同時它還與ATM論壇即將發布的MPOA（MultiProtocol over ATM）規范相兼容，可以讓用戶平滑地過渡到MPOA環境。

2.4 應用實例——vBNS網絡

　　1994年美國國家科學基金會（NFS）出資五千萬美元，委托美國MCI等公司開展下一代高速Internet骨干網的研究工作。1995年MCI公司建成橫跨美國的下一代Internet試驗網——vBNS。參見圖3，vBNS以ATM作為TCP／IP網絡的骨干，各交換機間以SONET OC-3（155Mbit／s）相連。該網通過CISCO和NetStar公司的路由器與美國5個超級計算中心（SCC-Supercomputer Center），4個大型的Internet網絡接入點（NAP-Network Access Point）相連，并通過NAP或專線以DS-3（45 Mbit／s）或OC-3（155Mbii／s）與其他教育和科研單位互連。所有這些連接都支持CP／IP。網上與ATM相連的路由器間通過建立點到點的ATM PVC，形成全網狀連接，并以透明橋接實現第二層的互連，在此基礎上運行OSPF路由協議。由于采用PVC bridging在ATM上建立TCP／IP骨干網絡，vBNS突破了傳統Internet骨干網的帶寬瓶頸，并達到了很高的效率。在兩個超級計算中心的主機上進行的性能測試顯示UDP包（User Datagram Protocol packet）的峰值速率達到133Mbit／s，已非常接近IP包在ATM OC-3上傳送的理論峰值速率（135Mbit／s）。為降低網絡的復雜度和提高可靠性，MCI還計劃在1997年將各路由器間的PVC網狀連接改為SVC。

3 第二階段：直接路由（direct routing）

3．1 邊緣路由的缺陷

　　雖然采用邊緣路由技術可以實現TCP／IP在ATM網絡上的傳送，但這種解決方案并不令人滿意。首先，無論是PVC bridging、CLIP還是LANE都只是在ATM上構造第二層的虛擬網（Layer 2 Virtual LAN），虛擬網中的終端或是屬于同一傳統局域網網段（LAN segment）、或是屬于同一IP子網。不同虛擬網之間的通信仍然需要經過傳統的路由器（一般情況下該路由器位于ATM網絡的邊緣，故將這幾種技術統稱為邊緣路由技術）。即使是兩個與ATM直接相連的設備，若屬于不同IP子網，源終端也必須先建立與路由器的連接，再通過路由實現與目的終端的通信，因而路由器成了TCP／IP網絡擴展和性能的瓶頸，并且IP的傳送引入了時延。其次，以第二層虛擬網的方式在ATM上建立TCP／IP骨干網絡會在網上引入廣播，消耗設備的CPU資源，浪費ATM骨干網的帶寬。第三，邊緣路由的方案沒有利用ATM的優勢：對多媒體通信的支持和服務質量（QoS：Quality of Service）的保證，即使TCP／IP所承載的高層應用需要對傳送平臺提出服務質量要求，邊緣路由技術也沒有定義如何將高層的服務質量要求傳達到ATM層。因此，有必要尋求進一步的解決方案。

3．2 虛擬路由器（Viriual Router）——MPOA模型

　　第二階段主要解決TCP／IP在ATM網上的直接路由問題，主要思路是采用客戶／服務器模式，邊緣設備向路由服務器詢問路由，路由服務器給出口答，邊緣設備根據回答直接建立與目的終端的SVC連接。該模式的典型代表有Ipsilon公司的IP Switching、CISCO公司的TAG Switching以及ATM論壇MPOA工作組制定的MP0A規范，這里主要介紹MPOA。

　　一個MPOA模型（如圖4所示）主要包括如下設備：

　　邊緣設備（edge devices）——它是一個智能交換機，一端與ATM相連，另一端與傳統局域網相連。它根據目的終端的網絡地址（如IP地址）或MAC地址完成傳統局域網段和ATM間的包交換。

　　ATM主機（ATM-attached hosts）——它是帶ATM網卡的主機，該網卡支持MPOA協議，使得該機主機可以和其他ATM主機或邊緣設備所連的傳統局域網進行通信。我們將邊緣設備和ATM主機統稱為終端（end-points）。

　　路由服務器（Route server）——它負責維護其服務的所有終端的網絡地址（如IP地址）、MAC地址和ATM地址信息，終端利用這些信息建立與其他終端的直接連接。它還運行RIP、OSPF或未來的I-PNNI路由協議（Integrated-PNNI，參見下文）與傳統路由器交換路由信息。路由服務器可以是一個單獨的產品，也可以在現有的路由器或交換機中實現。 ——MPOA模型的核心是虛擬路由器的概念。一個在ATM網上運行的MPOA模型相當于一個多層路由器：邊緣設備接收傳統局域網傳遞的數據，可視作路由器的接口卡；ATM網絡將各邊緣設備連接起來，可視作路由器的背板（backplane）；路由服務器負責處理地址和路由的解析、信息流的分析和控制，可視作路由器的控制處理器（control processor）。

　　采用MPOA在ATM上建立TCP／IP骨干網絡，要求在網上設置路由服務器，終端（邊緣設備和ATM主機）應支持MPOA協議或LANE協議，這種情況下該終端必須通過傳統路由器或支持MPOA的終端才可以與其他IP子網通信。當終端收到IP包時，它首先檢查IP包的目的地址以決定如何轉發，若目的地址仍在同一IP子網內，它便采用LANE協議解析目的終端的ATM地址然后建立與目的終端的ATM連接；若不在同一子網，它便向路由服務器提出IP地址的解析請求，路由服務器回應以目的終端的ATM地址，于是源終端便可以建立與目的終端的SVC連接。顯然，通過MPOA，ATM網絡設備之間可以實現直接路由，這突破了邊緣路由造成的擴展和性能的限制，減少了網上不必要的廣播流量，并為下一步利用ATM的服務質量特性支持Internet上的綜合業務服務奠定了基礎。

4 第三階段：共享路由（shared routing）

　　第三階段主要解決TCP／IP網絡采用與ATM網絡相同的路由協議，使得網絡組織更為有效，并可以利用ATM特性提供Internet上的綜合業務服務。該階段采用何種技術及規范目前還在研究，在這里主要介紹ATM論壇正在討論的PNNI擴展路由（PAR-PNNI Augmented Routing）和綜合PNNI路由（I-PNNI-Integrated PNNI Routing）方案。

　　現有的支持TCP／IP在ATM上傳送的方案（如LANE、MPOA等）都是基于分層路由（layeredrouting）的觀點：在路由器看來，ATM網絡提供一組點到點的電路連接，路由器在此基礎上執行OSPF、RIP等路由協議，IP路由并未參與ATM的路由。這種分層觀點存在著限制。如果網絡管理員不預先確定連接關系，兩個通過ATM網絡相連的路由器（直接與ATM相連或通過邊緣設備與ATM相連）是無法發現對方并自動建立路由連接的。另外，ATM論壇制定的PNNI協議定義了ATM網絡內交換機之間的信令和路由協議，通過該協議ATM交換機可以根據一系列的選擇策略（包括服務質量的要求）來確定路由，并自動發現最佳路由。PNNI還對ATM網絡按路由域進行層次劃分，使得網絡可以擴展到很大的規模（數千個交換機）。若采用分層路由在ATM上建立TCP／IP骨干網絡，PNNI的這些優越特性就無法利用到。

　　為了彌補上述不足，更有效地在ATM上建立TCP／IP骨干網絡，人們提出了PNNI擴展路由和綜合PNNI路由方案。第一步是建立PNNI擴展路由，允許與ATM相連的路由器參與ATM網絡的路由，即路由器在執行傳統路由協議（如OSPF、RIP）的同時，在ATM端口上也執行PNNI協議，與ATM網絡交換路由信息，從而可以使路申器更有效地利用ATM SVC連接支持高層的應用，包括對服務質量的支持。更重要的是PAR允許路由器通過PNNI協議傳遞相關IP信息，使得路由器不需網絡管理員預先設置，便可以自動發現其他與ATM網絡相連的路由器并與其建立SVC連接，然后在此基礎上執行OSPF等路由協議，建立TCP／IP骨干網絡。上述機制對ATM交換機來說是透明的，交換機并不需要做任何升級，它只需把PAR路由器當作一般ATM交換機看待。

　　第二步是建立綜合PNNI路由。在PAR環境中，PAR路由器一定是與ATM直接相連的，并且要同時運行PNNI和傳統路由協議（如OSPF、RIP）；而在I-PNNI環境中，所有路由器（包括不與ATM直接相連的路由器）之間只運行一種新的路由協議——I-PNNI，I-PNNI與PNNI可以互通，也可以在ATM交換機上運行。通過在路由器上運行I-PNNI，所有路由器都參與ATM網絡的路由，傳統局域網與ATM網絡實現無縫的連接。寬帶Internet網絡可以利用ATM及PNNI路由協議的優點，提供具有服務質量保證的綜合業務服務、建立分層的網絡結構，使得TCP／IP網絡可以擴展到很大的規模。

　　需要說明的是，I-PNNI與MPOA是兼容的MP0A只是定義虛擬路由器的概念以及各部分的功能，路由服務器負責路由的計算，而終端負責包傳遞。MPOA并沒有定義路由服務器采用何種路協議與傳統路由器交換路由信息，I-PNNI路由協議可作為一種選擇。

5 總結

　　綜上所述，利用ATM組建TCP／IP網絡一般會經歷三個技術階段：邊緣路由、直接路由和共享路由。目前邊緣路由技術比較成熟，直接路由方面出臺了一些技術方案，誰將成為主流還需假以時日，共享路由技術還處于研究階段。網絡運營乾在利用ATM組建寬帶Internet時，既要考慮當前組網的高效性和靈活性，又要兼顧向一下階段的平滑過渡（中國電信）

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