評說ATM與千兆以太網

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作者簡介
作者：殷樹民(Mr.AllenYin)
任職：IBM中國有限公司網絡總經理
職業經歷：
1984年畢業于臺灣清華大學，獲電機工程專業學士學位。1987年加入IBM臺灣任客戶服務業務代表，1990年任系統集成業務代表，1993年任網絡業務代表，1995年升任網絡銷售經理。1997年5月被派往中國內地，任IBM中國公司網絡總經理。擁有8年網絡經驗，曾負責中國工商銀行全行網絡系統、中國建設銀行總行網絡、臺灣各大銀行網管系統、臺灣石油公司、臺灣信托銀行、臺灣郵政儲蓄銀行等多個大型網絡建設。
建立快速大中型園區的骨干網時，到底選擇ATM還是GEN(千兆以太網)技術？哪個能夠工作的更好？哪一個具有更長遠的價值？從技術角度客觀的分析看，應該說沒有一種技術能夠滿足所有的網絡需求！而在很長一段時間內也不會有。我們在此要集中討論的是一些重要的技術因素，而這些因素在現在和不遠的將來都是用戶必須重點考慮的。
要在ATM和千兆以太網之間進行比較，首先應該了解每個技術的成熟程度如何？其中，ATM當然是已經廣為人知的技術，千兆以太網則是以太網的進一步擴展。ATM的優勢在于已在世界范圍內被廣泛應用在各種網絡上，已經被證實為具有先進性和穩定性。而千兆以太網則提供了以太網廉價而且簡易的特性。本文將從實踐角度，結合IBM網絡事業部(NHD)的經驗，與信息技術人員(IT)共同分享IBM對ATM應用及其優勢的認識，以及千兆以太網技術及其所肩負的期望。


關于ATM網絡


一、ATM網絡模型

對ATM網絡模型可以這樣勾畫出來：
☆桌面既可配備令牌環網卡也可以配備以太網網卡(ATM桌面也是一種可能的模型，但是它自動的包含在ATM骨干網中)。
☆LAN邊緣交換機出現在樓層配線架中，將使用者的工作站以獨占的LAN網段接入，也可以以共享/交換混合方式接入。
☆現在ATM的光纖以OC3/OC12的速度(未來可能是OC48的速度)的“上行連接”把LAN交換機連接到ATM骨干網交換機。
☆通常有一個位于數據中心的交換機連接到其它所有建筑的交換機。
☆連接到中心交換機的是各種數據服務器。當前作為主導地位的連接速度是OC3；ATMOC12將越來越普遍，這種連接將逐漸移植到OC12。
☆通常在樓宇配線架中的ATM交換機和子系統被連接在一起。
☆在ATM交換機之間的連接過去常常使用OC3，但是OC12正在迅速的取代OC3。


二、ATM的優勢

眾所周知，ATM的一個巨大優勢在于保證服務品質(QoS)。然而事實上目前信息技術（IT）人員真正開發QoS的比例是很小的，很少有短期項目計劃需要QoS的應用。那么，這是否意味著IT人員選取ATM是作了錯誤的選擇？答案毫無疑問是“不”。原因是ATM技術提供了重要的除了QoS以外的其他優點。這些優勢既來自于ATM技術自身的特性，也來自于它對高層協議的支持能力。
1.骨干網交換能力
骨干網是基于高速ATM交換機的，一個ATM交換機（例如IBM8265）應當被看作一個擁有25.6Gbps(全雙工)信息吞吐量的無阻塞交換機。換句話來說，IBM8265能夠控制其全部56個155Mbps全雙工通訊端口達到線速，或者是14個622Mbps全雙工通訊端口達到線速，或者是以上兩種的結合。而現在的大部分以太網不能維持這個吞吐量的總和。
來自競爭對手的所有LAN交換機或者有較低總吞吐量，或者提供某種形式多路復用。這種狀況可能會隨著新一代吞吐量超過10Gbps的千兆b以太網交換器的產生而改變，但是新一代的ATM交換機將具有OC48(2.5G)或更高的連接速度，從連接速率上將再次超過千兆以太網。
2.ATMPNNI同生成樹(spanningtree)協議和OSPF路由協議的比較
如果我們考慮一個只基于LAN交換機的園區網絡，IEEE802.1d生成樹協議(Spanningtreeprotocol)用來確定兩個LAN交換機的路徑。我們要提醒您如果在兩個LAN交換機之間存在幾個可能的路由(route)，樹狀算法會“鎖定”一些LAN交換機端口來避免循環的出現。這樣在以太網交換連接網絡中加入更多的連接不會帶來更多的帶寬，無法充分利用到多條平行鏈路的帶寬。
讓我們現在看一看路由恢復；事實上在IEEE802.1d標準中，只要LAN交換機一直同樹的根相連，就不會被強迫重計算路由。結果，一些冗余的配置不象期望的那樣被恢復；來自不同的廠商的設備有時會有特別的功能解決這一問題，但不是存在兼容性的問題。
　　至于IP路由網絡，它們是依賴與OSPF協議來確定包的傳輸路徑。首先，OSPF不能提供鏈路利用率信息；在路由初始設置中的“管理成本”是存在的唯一概念。第二，如同其名字所表示的，OSPF是基于“最短路徑”算法，這說明即使在網絡中存在多個路由，不管連接負荷如何，包總是走同樣的路徑。在廣域網(WAN)中遠程連接鏈路資源和延時仍然是主要問題，那么最短路徑方法是一個明智的策略。但是當我們考慮園區網時，建筑之間的光纖連接數量是重要的，而延遲是次要的，如果仍采用最短路徑優先，那么園區網絡將不能有效利用低負荷的鏈路來提高網絡資源利用率。
ATM專用網絡間接口(PNNI)協議用來在ATM交換機之間互換拓撲信息和信令。PNNI沒有任何IEEE802.1d或者OSPF的缺點。首先，PNNI了解鏈路的利用率和在任何時刻的給定鏈路上的特定QoS流量的使用信息。第二，它既實現了“最短路徑算法”也實現了“最寬路徑”(這是IBM的一個特別附加值)算法，后者允許ATM交換機去分配所有可能路徑上包含UBR的流量負荷。這導致了對網絡資源(沒有被動連接)的更好利用并且為其增加提供了更多的空間。至于恢復時間，PNNI恢復時間是在100毫秒量級，而對基于生成樹(spanningtree)或OSPF路由協議的網絡,其恢復時間位1～10秒量級。
3.簡單骨干網絡設計和安裝
IEEE802.1d和OSPF路由協議在設計之前需要對以上的問題進行設計，并對路由器或交換機進行復雜的配置。ATM骨干網絡設計實質上是即插即用(plugandplay)的。在IBM8265中，所有的交換機自動的發現是否同其它的交換機或者一個ATMUNI設備(例如路由器或者一個LAN交換機)相連。在8265交換機上不需要輸入任何路由參數：你僅僅需要給每個交換機輸入一個ATM地址，然后以你所希望的拓撲物理來連接所有的交換機，(若需要的話還可以連接一些平行冗余鏈路)那么其余的所有工作就完全由8265動態完成。
4.ATM改進IP網絡
對IP網絡，骨干網絡的增加意味著在OSPF區域路由器的增長。每個路由器的添加需要手工對新連接進行確認。如果在路由之間使用一個ATM骨干網絡，它能夠被看作一個有“指定(designated)"路由器的多路訪問網絡(multi－aclearcase/" target="_blank" >cces.network)，因此在路由器之間拓撲信息的交換量被大大減少了，而新路由器的增加被動態地完成。
另外，ATM改進了IP的多路廣播功能。對基于點對點的OSPF協議，路由應當在每個連接上發送IP多路廣播包；如果一個ATM骨干網被用作一個多路訪問網絡，一個IP多路廣播包一旦被路由送到LAN仿真廣播未知服務(BUS)，IP廣播包就被ATM交換機復制。
　　更多的改進能夠通過引進ATM上的多重協議(MPOA)中了解到，它將在網絡模型的演化中被討論。
5.建立扁平型網絡
在園區骨干網內使用路由器同二層交換網絡相比，主要區別是廣播的控制。事實上IP地址空間被分成為小的“子網”，并且IP廣播被限制在這個子網。而許多的IT人員希望建立只有一個子網的扁平型網絡，允許IP地址管理對用戶的移動是“友好”和“透明”的。
IBM的MSS提供了在ATM網絡的廣播管理功能。在MSS之前，控制廣播的方法是不成熟的并且需要對傳輸狀態“誰要和誰進行通訊”有一個完全的了解。這個方法需要網絡管理人員在端口基礎上手工設置過濾器。MSS通過ELAN的BUS功能控制廣播，避免這個冗長的過程，并且對第三層的廣播進行了一些智能化處理。例如，如果廣播是一個尋址請求，MSS能夠轉換為unicastframe，僅僅送給一個專門處理這種廣播包的工作站處理。結果使得有害的廣播數量大大減少，在過去不可想象的平坦型網絡現在成為可能了。另外，因為技術是不斷在發展的，但是并不需要進行管理員調整。對其它的廣播類型，例如IP多重廣播包，MSS能夠整理出在哪個仿真局域網(emulatedLAN)上哪些IP多重廣播組是激活的，并且確定IP多重廣播包向哪里發送。
6.中心VLAN配置
我們要交替使用虛擬局域網絡(VLAN)和仿真局域網絡(ELAN)這兩個詞。ATM提供基于ATM論壇協議的標準建立VLAN?，F今有各種帶有來自不同供應商的VLAN的ATM網絡都在使用當中。
VLAN的概念已被廣泛了解，但在ATM環境VLAN的設置被集中在稱為局域網仿真配置服務器(LECS)的單元當中就很少被人了解，并且在ATM交換機自身中沒有VLAN的定義出現。同以太網802.1pVLAN比較，802.1pVLAN的定義存在于LAN交換機自身當中并且在端口的基礎上被設置。當骨干網絡擴充，維持一個協調的VLAN定義可能會成為一個嚴重的問題，這就需要提供一個良好的VLAN管理工具。然而這些工具通常只在特定的供應商提供的產品上才是有效。
7.固定的信元大小
當前的LAN仿真并不利用任何的ATMQoS。因此象使用LANE協議那樣，從數據服務器運行視頻應用，可能導致你的視頻應用以UBR服務運行。盡管在這種模式下，ATM網絡并不保證任何的帶寬，但是由于使用固定大小的信元進行傳輸，這樣大大減少了網絡的抖動。這對于聲頻的傳輸甚至是更加重要的，這是因為它對網絡抖動是更加敏感并且聲頻包不能容忍在長數據包之后被排隊。


三、ATM的問題：

目前，同以太網相比ATM被認為是一個復雜的技術。真正的問題在于以下兩點：
1.價格問題
事實上，一個ATM上連接口或者一個ATM網卡應該包含負責對幀(frame)和信元(cell)之間進行轉換的分段和重裝功能(SAR)。同樣的，在一個連接的基礎上這些被實現就意味著要有更多并行的連接需要被處理，這就需要更多的內存在包發送之前把得到的信元重新組合。這個過程和相應內存的增加費用使ATM上連接口或者網卡價格比較昂貴。而以太網環境中，數據通過網卡包頭不需要改變，因而價格比較便宜。一些LAN交換機通過將SAR功能內置在交換矩陣自身的結構中來解決較高的ATM上連接口價格的問題。這種ATM上連接口實際是一個沒有很多邏輯的物理接口。但這只是一些LAN交換機的情況。其它克服ATM上連接口價格問題的可選方案是僅在建筑之間和數據中心交換機之間使用ATM連接，在樓層配線架裝備和建筑內交換機之間使用以太網連接(現在是100Mbps，以后是千兆以太網)。這個網絡模型就是所謂的“混合模型”。這允許廉價的LAN交換機在樓層上使用，當然這樣就失去了一些上面所提到的ATM的好處。
2.協議的開銷問題
ATM網絡的另外一個主要問題就是在48字節的信元中需要5字節的協議開銷。這樣一個10.4％的開銷可以認為是對網絡帶寬的浪費。這個開銷還要加進40字節的IP包頭。目前市場中有著象電視會議系統(videoconferencing)或者(videoondemand)這樣純ATM應用，這種應用中ATM協議的開銷就如同IP包和MAC幀的協議開銷一樣不可避免。因此，ATM的效率是同應用相關的。


四、ATM網絡模型如何在兩到三年中繼續發展？

第一種演變是在LAN交換機中引入MPOA。簡而言之，MPOA在樓層配線架(floorwiringcabinets)中使得第二層設備被簡化，而具有了第三層交換的全部功能。對于不能(或者不想)建立平坦型網絡的IT人員，由于MPOA能夠實現上面所提到的縮減網絡管理而不降低網絡性能，因此MPOA是一個很好的選擇。另外一個重要的發展是OC48(2.5G)速度的引入。歷史曾經說明隨著網絡使用者的增長，桌面微處理器性能的不斷提高以及象Internet這樣使用的增長，就需要網絡不斷的增加其帶寬。沒有什么表明現象這一趨勢會減緩，而且事實上它可能是在更快的增長。


關于千兆以太網絡


一、千兆以太網網絡模型

基于千兆以太網網絡的基本配置如下：
☆桌面系統需要裝配以太網網卡。
☆LAN交換機放置在樓層配線架，它將使用者的系統和專用的網段或者共享/交換混合方式在連接起來。
☆LAN交換機上有一個100Mbps的以太網光纖上連模塊，將LAN交換機和一個千兆以太網骨干網交換機連接起來。
☆通常位于數據中心的一個交換機將連接其它建筑的交換機。
☆連接到中心交換機的是各種數據服務器。目前主要采用快速以太網連接速度；將來千兆以太網的網卡會越來越普遍，并且服務器的功能將變得更強大，這種連接將移植到千兆以太網。
☆在大樓交換機之間的多條連接僅僅在交換機也是運行OSPF協議的第三層交換時才有意義。
☆在建筑和數據中心交換機之間的連接將轉換為千兆以太網網絡。以上模型的一個變化是從樓層LAN交換機用兩條快速以太網上行連接到兩個不同的大樓交換機上；這樣做能夠在建筑交換機損壞時提供對網絡的保護。


二、千兆以太網的優勢

1.簡易性
簡易性是期待千兆以太網所具有的價值。這一點可能是真實的，但是，從現有的千兆網絡看來，這一特點還不明顯。這在稍后我們就會提到。但是如果網絡僅僅是以太網的，那么事實就是：利用IEEE802.1生成樹協議(spanningtree)或者OSPF路由協議，千兆以太網產品的引入不會需要對ATM局域網仿真信令(ATMLANEmulationsignaling)或者PNNI進行任何的培訓。因此即使千兆以太網網絡比現在的10/100以太網復雜一些，對于那些熟悉以太網、802.1d協議以及OSPF路由協議的人會發現千兆以太網比ATM協議要容易掌握。但上面所討論為802.1d和OSPF的問題仍然存在。
同樣千兆以太網并沒有本質上改變對園區骨干網絡的設計方法。對大多數人認為這是一個要點，通常人們在處理所熟悉的技術時會有比較便宜和一種舒適的感覺，而且可以減少培訓的時間和所需掌握的新技術。另外一種考慮是千兆以太網網絡可通過對現有網絡升級而不需要進行徹底改變來實現，但實際上升級的難度很大程度上決定于已經存在的基礎設備情況。
2.價格
同相應的ATM設備比較，千兆以太網在LAN交換機的上連接口和數據服務器的網卡是低價格的。在雜志或者各種顧問報告中可以找到提示價格并且象前面所說的那樣通常會比ATM優惠50％左右。這主要是因為兩個原因：
a.千兆以太網標準使用了低價的光纖(這將限制千兆以太網網絡的設備距離)
b.易于實現，千兆以太網采用與以太網同樣的幀格式，無需轉換。


三、千兆以太網的問題

1."簡易性”是真的嗎？
同它的名字一樣，千兆以太網同標準以太網不是完全相同的。首先對幀的要求不同；還有時間同步(Timing)和電纜類型的考慮也是不同的。這說明裝備這樣的網絡需要培訓，并且需要新工具來管理網絡。盡管千兆以太網比ATM只要較少的培訓，但能否將你所現有的網絡升級到千兆以太網網絡實際上還很大程度上依賴現存的LAN交換機、路由以及數據服務器的能力。
　　對2～3年前所購買的大部分LAN交換機、數據服務器以及路由器而言，你會發現，首先它不能升級具有千兆以太網接口(這些產品已經被新一代來自具有千兆以太網接口的制造商的產品所替代)。其次，或者它能夠被“策略性”的升級，但是也只能夠得到“連接”卻不能具有相應的性能。如果你需要你的網絡具有同樣的性能，那么你必須購買當前新一代的產品。
許多經驗豐富的IT技術人員都知道所遇到的許多網絡問題都是由于未成熟的新技術引進而造成的。因此問題出現是獨立于所使用的技術。以太網是眾所周知的技術，但是它也存在很多種形式(粗同軸電纜、細同軸電纜、10BaseT轉發器、可管理和不可管理的、交換機等等)。包含ATM在內的各種技術，每一代都有它自己的發現以及難題。千兆以太網也會同其它技術一樣經歷這個過程。
2.距離
如前面所提到的，千兆以太網使用低價的光纖媒質，對于單模光纖會限制在3公里的傳輸距離,而多模光纖只有550米。這就表明需要有其它的長距離傳輸技術(或許是ATM)或者其它昂貴的光纖轉發器。因此，雖然價格是一個優勢，但是當需要長距離傳輸時，可能最終解決方案的整體價格并不便宜。
3.優先級還是QoS?
千兆以太網可以對運行的數據流有優先級的區別處理(priority)或者CoS(ClassofService)的功能，但千萬不要將優先級(priority)和在ATM交換技術中使用的QoS混淆起來。有些廠商在推廣其千兆路由器產品時會有意無意的將這兩個概念混為一談。這可以用一個道路交通的例子來說明：
　　對于QoS就相當于當有貴賓來訪時可以在機場到目的地之間預留一條專用的車道，在貴賓通過之前此車道不能被其他車輛占用。這樣貴賓車的順利通行能得到充分的保證。
　　而優先級是相當于高優先級的車輛(如急救車)在通過道口時可以有比其他車輛更高的優先權，但如果當時道路本身就已經相當擁擠或被堵塞，那么急救車也只能在緩緩的車流中慢慢爬行。所以說這兩種技術是有本質區別的。
4.幀尺寸問題
當千兆以太網在共享環境中使用時，這就成為了一個問題。事實上，由于當千兆以太網在共享模式下使用時的“時間同步”問題，IEEE801.3z標準規定了最小的幀長是512字節。這個最小幀長能夠嚴重的影響網絡的利用；在最壞的情況下(傳輸整個只有64個字節)千兆以太網有效信息通過量降低到120Mbps(只有連接負載的12％)。最近一個Internet上IP傳輸包的統計數據表明，IP網傳輸中超過80％的流量是低于512字節的。

原文轉自：http://www.kjueaiud.com