ATM面臨的挑戰和未來的數據骨干網

2019-11-03 10:11:14

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ATM面臨的挑戰和未來的數據骨干網摘要：從綜合業務、服務質量、容量及無級帶寬分配方面討論ATM所面臨的挑戰，并且對未來的骨干網進行了討論。關鍵詞：ATM 綜合傳送平臺服務質量容量帶寬分配骨干網1.ATM面臨的挑戰 ATM自出現以來，經過十幾年的發展，已經逐步在現代通信網中被采用，ATM的概念也深入人心。雖然在局域網中，ATM遭遇千兆以太網而進展緩慢，但在廣域網中，ATM以其顯著的優點成為寬帶數據骨干網的主流。國外許多大型的商用或實驗網，無一例外的以ATM以其底層承載手段。值得注意的是，近年來由于 ip協議族的發展、ASIC技術的進步、基于IP應用的激增，數據骨干網出現一些新的模型，ATM技術也因此面臨著新的挑戰。必須明確的是：單純就ATM而言，它是完美的技術，但ATM沒有機會將現有設施推倒重來，構建一個純ATM網；相反ATM必須支持主流的IP協議才能夠生存。在這一背景下，ATM的優勢就發生了變化。本文所指的數據骨干網卜要是電信級（Carrier scale）骨干網，企業級骨干網（enterPRisebackbone）不作為我們討論的重點。下面就ATM所公認的優勢。逐條分析ATM面臨的挑戰。1.1綜合傳送平白面臨危機 ATM是伴隨B－ISDN的概念提出的，因而任其設計的開始就面向多種業務，希望成為綜合傳送下臺。而時至今日，ATM上的綜合業務又如何呢？在語音方面，ATM的表現明顯個盡如人意。這是同為PSTN已十分成熟（不僅有規模的網絡，還有健全的網管），VTOA標準將語言作為CBR業務，完全為了和PSTN互通，之后ITL－T定義的AAL2－ CU，希望通過微信元的結構來減小承載以言的時延提高效率，這逐漸被采用。與此同時VoIP（IP上的語音）的呼聲漸起。VoIP之所以有競爭力是因為它采取了語音壓縮的思路。語言打包前經過壓縮，這樣降低了每路語音的成本，具有價格優勢；而且在已有的數據網中再提供IP語音不需要增加帶寬，其邊際成本趨于零。所以說，承載語音只是ATM的“義務”而不是ATM強項。任數據方面，ATM主要被用作一種鏈路居手段，承載上層的IP業務，從RFC1483、RFC1577、LANE到MPOA，無論是PVC是SVC，ATM部被視為路由器問專線的直接替代品，在引人了大量的封裝和協議開銷后，取得了部分的QOS支持。這些復雜的IP/ATM方案和清晰的POS模型形成了鮮明對比。POS即通過SDH直接傳送IP包，又稱IP OverSDH，POS是對傳統路出器網絡的自然擴展，內接借助SDH提供的點到點物理連接，速率提高到G級。所以在數據應用的方面，由于模型的復雜性、管理外銷、對裝效率等問題，使ATM承載IP比采用POS模型大為遜色。在視頻方面，ATM主要承載多媒體應用。包括：視頻會議、VOD、遠程醫療、遠程教學等。通常這些應用在WAN環境中多走專用方案，通過專線互連。ATM通常為之提供電路仿自，這個能體現ATM的優勢，只是為了兼容。目前這些業務在電信件務小所占的比重很小、成本較高，多處于實驗階段。相反基于IP的多媒體應用卻日趨普遍，如Microsoft的Netmeeting－Netscape的Cool Talk,Real Audio/Video等，將圖像、語音和數據統一通過IP網絡傳送。 ITU－TH.323標準的出臺，更加規范了網絡邊緣LAN環境中的多媒體應用，廠商紛紛推出基于IP的多媒體應用平臺，如PictureTel的Live200系統。這些應用可以自然擴展到IP的WAN環境，它們的優勢是：簡單、成本低，可大范圍采用。但問題是較粗糙，還個能有效的保證質量，必須依靠IP QOS的發展才能提供公眾服務。所以從整體上看，由于成本、市場的諸多原因，目前ATM任專用多媒體系統中占優勢，但會受到廉價IP多媒體應用的沖擊。 ATM之所以沒有成為語音、數據、視頻等綜合業務的平臺，并不足由于它不完善，相反ATM過于完善了（over－specd），其協議體系的復雜性造成了ATM系統研制、配置、管理、故障定位的難度，例如ATM論壇的PNNI協議是最復雜的路由協議，迄今為止沒有廠商能完全實現，為此ATM論壇也曾暫停了許多過于前瞻性標準的制定。除了自身問題之外，更重要的是：IP協議的成功，使大量高層應用和底層鏈路技術向IP層匯集，這種應用上的投資本身就有馬太效應，使得網絡技術繼續向IP集中。此時IETF恰當的提出了IntServ和IPng的概念。IntSerV是Internet上的集成業務，即在IP網絡小提供語音、視頻、和傳統數據業務傳送能力，通過擴展傳統Internet的業務模型，來適應不同的應用。IntServ概念的本身就類似B-ISDN中綜合業務的概念，只不過業務的匯集點是IP業務的傳送是通過IP網絡。IPng即下一代IP，足一個包含了眾多協議的協議族，如IPV6、RSVP、RTP／RTCP等，IPng對IntServ技術上的有力支持。所以從趨勢卜來看，ATM技術作為綜合業務的傳送平臺正受到挑戰。雖然也有直接利用ATM優異傳性的“純”ATM（NatiVATM）應用的進展（如ATM論壇純ATMAP的定義），但和IP上眾多應用相比，顯得勢單力薄。這更多的是因為IP協議作為標準本身的慣性，而不是ATM技術上的不足；相反由于ATM也“屈從”于IP，反使它顯出許多“缺陷”。1.2 服務質量——后起之秀取而代之 ATM最引人注目的特點就是：能針對連接提供QOS保障，這成為ATM用于電信級網絡一個最主要的原因。對連接提供QOS分為兩個方面：連接建立時，沿途傳遞資源預留信息的機制；數據傳送時，沿途節點對質量承諾的保證機制。這兩個時間上先后、功能上配合的機制共同完成了對連接的QOS的支持。傳統的IP網絡只有盡力承載（best effort）能力，沒何任何有效的業務質量保證機制。但隨著Intsery概念的提出，IP網上實時業務的出現，產生了IP QOS的概念。IETF也成立了許多工作組完成相關的協議，如Intsery、RSVP、issll、diffsery、rap。目前IP QOS正處在完善的階段，相應RFC正在陸續出臺。對于IP網絡而言，保證業務質量也需要以上的兩步。RSVP是IP協議中資源預約的機制，它類似于ATM的信令，雖然RSVP并不是基于連接而是基于流的，也沒有像ATM信令一樣的預約粒度，但RSVP提供了簡潔的，信宿請求的資源預約能力。第二步將由路由器完成，路由器完全可以采取類似ATM交換機緩沖、反饋、丟棄的方案，如基于每個流的隊列、WFQ（加權公正排隊）等。事實上，目前許多骨干級路由器，如朗訊的6400系列、Cisco的12000系列，都有相應的QoS算法，和靜態QOS（static QOS）能力。如LUcent6400系列具有6400個獨立的隊列，用戶對特定QOS的需求可以事先向運營部門提出，他們將用戶特定源宿、端口、協議的對應關系配置于某個隊列，以此保障用戶數據的業務質量，這類似于ATM的PVC。由上看來，ATM具有對QOS內駐（build－in）的支持能力，目前路由器對QOS支持的程度和粒度都不及ATM交換機。但路由器也具備了提供QOS的基本素質，不存在原則上的障礙。隨著IETF工作組相關協議的完善，高端路由器、LSR的出現，ATM在QOS上的優勢將受到挑戰。1.3容量和無級帶寬分配不再顯優勢 ATM交換機是硬件實現的對帶標記信息包的轉發，由于基于索引方式，轉發速度高，容量大，適合于骨干網。但隨著路由器結構的變化，許多大容量路由器也相繼出現，不但老牌廠家推出了G級產品。如Cisco、朗訊、Ascend而且很多剛起步（starups）的公司也致力于此，如JuninerNetwork、AviciSystems、NetCoreSystems、Nexabit-Networks等，他們大多是得到了電信公司的風險投資，這本身就說明了電信廠商的期望。更重要的是這些G級路由器兼容MPLS協議，能向LSR過渡，使吞吐量向T級跨進。 ATM連接由VPI／VCI來標識，帶寬原則卜可是從0到物理帶寬的任何值，這就是ATM連接帶寬的無級分配。對于POS而言，路由器問的連接速率必須符合SONET／SDH的速率等級，這樣看來ATM更靈活。但分析會發現：對于IP網絡而言，流（stream、flow）的概念相當于ATM的虛連接，大量的流共存于同一物理通路中，對帶寬的占用同樣是無級的；而且由于實現限制，ATM交換機在給定物理端口上的連接數目是有限的，對于高速率的端口而言這同樣意味著不可能有真正無級的帶寬分配。2 未來的數據骨干網目前數據網中70％的流量是IP協議，而且越來越多的應用呈現分組化的趨勢。在此前提下，廣域數據骨干網的結構在第三層上主要是路由器，而二層分為兩大類：傳統的點到點專線和ATM虛連接。從ARPAnet開始，分組節點設備經由專線直連就是分組網的基本結構。這一模型救現今的IP網絡所繼承，只是隨著業務量的增長，連接速率不斷升級；網中路由器性能也不斷提高，并隨IP協議族的增補，提供了高級功能如COS／QOS。目前看來，中低速（＜E3）網絡多采取傳統的路由器模型；對于STM－1/OC－3速率以上的骨干連接，采用POS的還不多，主要在于G級路由器還存在一個成熟期，標準有待完善。由于業務的激增，國外許多數據骨干網都升級到了STM－1／SFM－4速率。如USSprint、USMCI、UUnetvBNS（US）、Ca*netII（Canada）、JAMES（歐洲）都用ATM作為傳送網，即采用IP/ATM／SDH的結構。這是考慮到：ATM仍是目前唯一能夠真正的提供QOS的協議;ATM不但能承載IP，還能提供其他的業務如FR ATM接入等；許多高性能設備都有ATM接口。從結構上看，這些網基本上是以ATM PVP／PVC互連路由器，同時有多個并行的PVP／PC來區別不同的QOS，此外還引入了PNNI許多特性，如連接的快速重建和自愈、負荷分擔、QOS路由等，稱為靈巧PVC（Smart PVC）。這些被ATM互連的路由器形成G級接人點（Giga POP），網絡邊緣的IP業務在此被匯接。這些基于IP/ATM／SDH的骨干網也存在問題，首當其沖是它的擴展性。因為同級網中路由器必須是全網狀網相連，存在O（n2）擴展性問題，大量PVC帶來故障恢復的困難；且這些路由器在邏輯（IP層）上相隔一跳，因而不能引入IP的路由層次（routing hieractry），不能構成大規模的網絡。由于以上問題，PVP／PVC連接僅限于骨干網中路由器，邊緣ATM網絡和ATM骨干網實際上是分離的。加之ATM交換機呼叫性能的限制，網絡不能大量提供由網絡邊緣應用激活的、穿越骨干網的ATM SVC。而且由于邊緣、骨干ATM網的割裂，純ATM應用的缺乏，IP協議族對QOS的支持和向下層映射機制的不完善，底層ATM網的QOS能力還遠不能被充分利用。隨著網絡的演進，大容量光纖傳輸技術的出現（WDM、DWDM），數據骨干網將會向SFM－1/4甚至更高速率發展。對于IP/ATM／SDH結構，由于ATM市場份額的增加QOS上的優勢，ATM在電信運營商的骨干網中的應用將增加。但同時IP網絡將由盡力承載逐漸成為受控環境，這使POS將得到逐步采用，尤其是對純粹的數據業務運營商。實際上從各方面來看，網絡界現巴隊TM／SDH結構為當前一代，而將POS視為取而代之者。特別值得一提的是，新近由AT&T和BT成立的全球臺資公司Global Venter在其技術白皮書中明確表示其骨干網絡將把IP直接建于SDH/DWDM之上，僅在必要時才用ATM兼容傳統的應用，兩大電信巨人的選擇向人們暗示了POS的前景。隨著MPLS標準的完善，會把和傳統IP網絡兼容的MPLS－LSR引入現實的骨干網中，使以上的兩種模型得到統一。MPLS即IETF提出的多協議標記交換，其核心設備為標記交換路由器（LSR），它在標記（Labe）索引下進行高速的交換。MPLS的主要優點是：轉發速度高，擴展性好，不必地址解析，且可收入QOS、負荷分擔等功能。目前MPLS標準核心部分已完成，不久標準將出臺。 LSR的引人對POS而言是一個自然接替。那時對IP/ATM/SDH網絡而言，存在著兩個出路：一方面，IP/ATM/SDH中的IP/ATM會發展成為LSR；另一方面，ATM網還會獨立存在，MPLS協議提供方案來兼容它。MPLS對ATM網絡的兼容目前有兩種方案：一種是混合交換機（hybrid switches，即ships in the night模型）方案；另一種是VCID方案。所謂混合交換機是指：利用ATM網絡中虛連接互連LSR，ATM網絡充當鏈路層的角色這被看作類似于IP/ATM模型，但有著本質的區別：ATM網絡不是為所有的LSR提供全網狀網的連接，而是僅對邏輯上相鄰的LSR提供點到點連接，這就徹底地解決了IP/ATM擴展性問題。無論哪種方案都說明對于MPLS傳統的ATM協議僅處于被兼容的地位，已沒有繼續發展的必要。兼容MPLS將是G級路由器和ATM交換機共同的發展方向，MPLS網絡將會由核心而邊緣地融合兩種寬帶網絡結構，此時ATM骨干網將會變成以LSR為核心的MPLS網。由于ATM的信令、路由協議在MPLS網中可不必存在，這使ATM作為一種完整的協議體系將會逐漸淡化。但ATM交換技術（交換矩陣、QOS機制、提供策略等）仍會得到繼續的發展，并融入LSR的設計中。這樣的演進過程略顯粗糙，也許MPLS仍然不是最后的統一者。

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