IP与ATM结合的技术MPLS

宇缨 2000/4/1

ATM与IP的性能对比


　　1．ATM概况

　　ATM的概念起源于1983年美国贝尔研究所Joh Tumer提出的快速分组交换(FPS)和1984年法国电信CENT提出的异步时分交换(ATD)思想。1990年国际电信联盟正式建议将ATM作为宽带综合业务数字网(B-ISDN)的基础技术和技术体制，全面开始ATM标准、基础理论和实际技术的研究，并于1992年7月由美国Fore Systems公司率先研制出ASX- 100系列ATM交换机。

　　ATM将信息划分为48个字节定长信元和5个字节控制信息的信元头，它继承了分组交换的统计复用技术，用户若无信息发送，可不占用时隙，该时隙可让别的用户使用，从而提高了信道利用率。并全部用硬件处理信息，简化了传统分组交换协议的层次，网络节点不需要执行复杂的差错控制和流量控制等功能，处理时延大大降低，因而交换机速率可以达到很高(155.25Mb/s、622.08Mb/s、2.448Gb/s……)，ATM具有分组交换和电路交换的优点：

　　(1)传输速率可以灵活改变，既可以传送交换速度低至1kb/s的遥测信号，又能支持变速业务；

　　(2)交换时延低，既支持非实时性业务，又支持实时性业务，同时提供数据、话音、图像、电视和多媒体等业务，实现各种业务的综合应用；

表1 atm与ip的性能对比

	atm	ip
协议结构	lane、mpoa、q.2931（高层）	ftp、telnet、smtp
		tcp、udp、rsvp
	aal（atm适配层）	ip、arp、icmp（网络层）
	atm
	atm物理层	ethernet等物理层
转发	面向连接	面向数据分组
路由	双向	多向
路径	能动态变化	呼叫时固定
广播	一对多点	多点对多点
信令	发端启动的q.2931	收端启动的rsvp
分组长度	固定信元长度	可变信元长度
状态	状态化（硬态）	非状态化（软态）

　　(3)信道利用率高，采用统一的统计时分技术，实现信元的复用和交换。

　　2. IP概况

　　IP技术最初只用于少量计算机组成的网络互连，它不同于电信网络的设计思想，电信网络力图由网络自身提供所有业务，用户终端尽可能是廉价、易用的设备。而IP协议信奉的是“端到端”思想，并认为网络所需提供的只是端到端的连接，所有增值功能都在网络之外由终端完成。由于IP互联技术极具发展活力和智能，伴随Internet的诞生和进步，在近十年内得到了飞速的发展和广泛应用。

　　IP原本是Internet的网络层协议和重要的技术基础，因此，人们说到IP往往就意味着Internet，就意味着无连接通信方式和无连接通信技术。Internet是一个路由器加专线的存储转发型网络，而IP协议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协议，IP协议具有其他通信协议所没有的突出优点：

　　(1)IP为一种网络互连协议，容易实现异种网络互连；

　　(2)IP协议采用无连接技术，特别适合于电子邮件、信息检索等非实时的短报文通信；

　　(3)具有统一的寻址体系，网络可扩展性强；

　　(4)IP协议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。

　　3.ATM与IP的性能对比

　　ATM协议框架中的ATM层对应于OSI协议参考模型的第2层，但其协议应该完成的功能不是OSI第2层规定的数据链路层功能， 而是多路复用、路由和交换功能。ATM的上层应用可能是基于Q. 2931的新应用或不基于Q.2931的现有应用，通过AAL层适配，将不同业务应用接纳进来。如果是现有的应用，则需要通过LANE和MPOA才能使原来没有广播子网概念的ATM具有子网的功能， 才能使现有的协议(例如ARP、IP、IPX)正常地在ATM上运行。

　　TCP/IP协议框架中的IP层对应于OSI协议参考模型中的网络层， 其协议与OSI第3层规定的网络层协议相当，完成路由选择和分组转发功能。IP的上层应用可能是基于RSVP的或不基于RSVP协议的。对于不基于RSVP协议的现有Internet应用，可以通过简单的TCP或UD P运输层协议传送文电；而基于RSVP协议的新应用(例如语音和视频等实时应用)，则必须通过RSVP文电，为某分组流进行接纳控制和带宽预约，以保证服务质量。


　　IP向ATM提出的挑战


　　为了解决传统路由器利用软件来实现路由计算和包转发使得包转发速度不能满足因特网骨干网需求这个问题，人们只能求助于ATM。于是，ATM在世纪90年代中期成为因特网骨干网的主流，且在校园网、企业网方面发展了MPOA、标记交换(MPLS)等在ATM上运行IP的新方法。人们对ATM技术一直期望很高，但技术和用户的需求都在不断地发生变化，在话音通信方面，AAL1电路仿真方式在今天的技术背景下已不再有效，采用VBR和AAL2传送语音目前标准还不完善；在LAN由于千兆位以太网的崛起，ATM的优势不复存在；在广域网领域，ATM受到来自帧中继技术的竞争。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最初造就未来通信统一平台的目标，这使得ATM技术异常的复杂，标准化的过程变慢。

　　近几年来，随着Internet的广泛延伸和应用的不断增多，以及Internet终端—计算机功能的进一步增强，IP在逐步统一局域网和桌面系统之后又开始向ATM的地位发起挑战。IP协议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“IP over everything”。随着宽带IP技术的发展，在IP网上传输话音、视频等实时业务，保证服务质量等问题正逐步得到解决。目前正在发展多种算法和协议，将话音、视频业务及传统的数据通信业务转移到IP网上，出现了所谓的“Everything on IP”的局面。IP业务即将成为通信业务的主流，但传统电信传输网的基础网是SDH、ATM而不是IP。

　　既然IP业务已经成为通信业务的主流，为什么不能按照IP业务的需求来重新优化设计电信传输网络呢?

　　从网络的分层结构来看，ATM位于IP和物理层之间。目前在城域网主要采用SONET(同步光纤网)或SDH(同步数字层次网)作为物理层，ATM可以承载各种业务，使用IP协议的数据只是其中之一，其他的诸多业务是直接运行在ATM之上的而不通过IP这样的网络层，如话音业务利用ATM的线路仿真功能(Circuit Emulation)。ATM是各种业务的核心，即使ATM传送IP包的效率不高，但其支持多业务信息流的能力已足以使其受到电信服务提供商的青睐。可是，今天的情况发生了变化，IP成为各种业务的核心，数据、话音和视频业务都可由IP来承载。既然如此，还有什么必要在IP和SDH/SONET之间加入一个ATM层呢?去掉ATM层会大大提高IP的传输效率，特别是当数据的业务量超过话音和视频业务量时。

　　ATM与IP各自的技术特点也反映出电信界和计算机界各自的特点，电信在过去的一个世纪内逐步发展，并几乎一直受到政府规范的制约，电信产品和服务要求高可靠性和终端设备之间的互操作性。而计算机行业的产品以更新快而闻名，并要求低成本，但可容忍一定程度的不可靠。


　　IP与ATM相结合的技术—MPLS (多协议标记交换)


　　虽然，ATM 面临IP的诸多挑战，但目前ATM仍然是城域网的主要选择，原因主要是在可扩展性、可维护性、QoS、容错性、流量控制等方面，ATM优势很多，近来普遍看好的解决方案是使ATM与IP相结合技术而应用于广域网，使用ATM技术来承载IP，这种方法可以综合利用二者的长处。

　　IP与ATM技术相结合的难点在于二者不同的连接技术、寻址方式和相应的选路功能、选路规程和地址结构等。目前，IP与ATM相结合的技术有：ATM Forum定义的LANE、IETF定义的CIPOA、ATM Forum定义的MPOA，尤其是IETF考虑制定的多协议标记交换(Multi-Protocol Label Switching，MPLS)，它提出了一种将第三层数据流(如IP)映射到第二层(如ATM和帧中继这样的交换式网络)的方法。

　　从IP协议与ATM协议的关系划分看， MPLS属于集成模型的类别，它基于标记交换机制，在ATM层上直接承载IP业务，与重叠模型相比，提高了业务的性能和网络的效率。当ATM网络设备引入MPLS功能后，将同时支持IP业务和其他ATM业务。

　　MPLS的前身可追溯以前名为IP Switching的技术，其基本想法是将路由和数据转发功能分开，从而达到加快IP传送速度的目的。在MPLS模型中，每一个路由器也是一个交换机，即交换式路由器。已分配直通路由的数据包除了通常的第三层IP数据包包头外，还将增加 一个固定长度的包含特定路由信息的标记，并使路由器为不同的业务流预先分配好不同的路径，即不同的标记以保证这些业务的服务质量。由于标记(实际上就是一个整数)就意味着路径，所以，路由器转发数据包时也无需做传统意义上的路由判断(如查找路由表)，从而提高了IP的转发速度。

　　MPLS还有助于解决广域网中虚连接数量随节点数的增加而呈爆炸性增长的问题，MPLS与ATM的结合对广域网可能会产生重大影响，特别是对现存的ATM广域网来说尤其如此。使用这些标记通过使用固定长度的查找表(传统的路由器使用的是最长前缀匹配)，可以使数据包快速转发。MPLS还将定义标记分配协议(TDP)，它与第三层路由协议紧密融合，共同来建立合适的直通路由。另外， MPLS可以让直通路由基于多种准则来建立，如目的IP地址、服务级别、服务策略等，这样可以允许很灵活的网络规划和设计。

表1 atm与ip的性能对比

	atm	ip
协议结构	lane、mpoa、q.2931（高层）	ftp、telnet、smtp
		tcp、udp、rsvp
	aal（atm适配层）	ip、arp、icmp（网络层）
	atm
	atm物理层	ethernet等物理层
转发	面向连接	面向数据分组
路由	双向	多向
路径	能动态变化	呼叫时固定
广播	一对多点	多点对多点
信令	发端启动的q.2931	收端启动的rsvp
分组长度	固定信元长度	可变信元长度
状态	状态化（硬态）	非状态化（软态）

　　图1

　　MPLS还将成为实施流量工程的主要方法，此外，还将为自愈恢复和网络管理提供有力的支持。IP网管理上采用OSPF协议的结果是都选择最短路径，这可能会在一些热门节点上出现拥塞，如何监视流量，防止和化解拥塞？早期的因特网骨干网是用人工修改SDH通道的路由，改变路由矩阵来控制流量。在ATM被用于因特网骨干网上时，用虚电路来连接路由器。虚电路上的流量是可以监视的，改变虚电路也很方便，控制流量能力大大提高。 MPLS可以在ATM交换机中根据标记，为一个IP实时业务数据流建立虚电路，保证QoS。当吉位路由交换机取代ATM用于因特网骨干网时，控制流量的流量工程被再次提出来。其解决办法是采用MPLS在IP网上为某一路由路径建立标记交换路径，借助标记号可以将这一路径变为显式的，从而监视其流量，同时也可以方便地改变路由，重新设置路径。


　　目前支持MPLS的产品


　　支持MPLS的ATM交换机可以执行IP路由器的几乎全部功能，同时又可以作为一个传统的ATM交换机，它与传统的ATM交换机的区别在于建立ATM交换机信元地址VCI表项的控制软件，支持MPLS的ATM交换机使用IP路由选择协议和标记分配协议（LDP）建立标记。

　　Lucent公司推出的支持MPLS的产品IP Navigator，与B-STDX、CBX 500等可构成多业务解决方案，除提供ATM、FR、IP等传统业务，还具有满足语音服务质量的Voice Over IP，由于采用ATM，因而适合组建大型一体化网络；也能够在一个MPLS网络上同时建立多个VPN，支持不同用户的多种应用。

　　Marconi的ASX-4000将ATM和IP路由集为一身，内部采用信元交换结构，在物理端口上可以支持2.5Gb/s、622Mb/s、155Mb/s的ATM端口、622Mb/s、155Mb/s的IP PoS端口和千兆以太口，支持ATM的路由协议PNNI和IP的路由协议，如OSPF、BGP等。此外，Cisco的Cisco 7500系列、GSR 12000等都是具有各自一定特色的MPLS产品。

摘自：软件世界<

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