摘要：本文概要介紹了各類ip與ATM結合技術的主要配置、協議組成、工作原理和系統優、缺點分析。

　　要害詞：ATM　IP　重疊技術　集成技術　局域網仿真技術　多協議標記交換

　　1　背景

　　ATM技術是八十年代末由電信提出的，為實現包括話音、數據和圖像在內的各種業務傳輸的寬帶綜合數據業務網B-ISDN而發展起來的網絡技術。ATM技術的實質是電路交換和分組交換的綜合。因此ATM技術具有很大的靈活性，任何時候都能按實際需要來占用資源；對特定業務，傳送速率隨信息到達的速率而變化；能夠適應任何類型的業務，無論其速率高低、突發性大小、實時性要求和質量要求如何，都能提供滿足的服務。ATM最初的思想就希望造就未來通信系統的統一平臺，制定ATM規范的ATM論壇一直在通過各種手段向ATM中容納進新的內容以保證ATM最初的目標。但這樣造成ATM技術異常的復雜，標準化的過程緩慢。此外，昂貴的設備價格也是目前困擾ATM技術普及推廣的一大因素，因此ATM一般只限于電信級骨干網的建設。

　　IP技術起源于六十年代，最初只用于計算機局域網的組建。近十年來，隨著Internet的快速普及，IP技術廣為流傳，已經成為一種事實上的開放系統互聯標準。IP技術實質上是一種不需要預先建立連接，而直接依靠于IP分組頭信息決定分組轉發路徑的數據傳輸技術。IP技術的主要特點是：IP協議是一種網絡級互聯協議，輕易實現異種網絡的互聯；采用無連接技術，非凡適合于電子郵件、信息檢索等非實時的短報文通信；具有統一的尋址體系，網絡可擴展性強；采用獨立服務的模塊化結構，可以支持多種不同應用，輕易增加新業務。IP技術所具有的最大優勢在于，它可以運行在任何介質和網絡上，可以保證異種網絡的互通，即“IPovereverything”。隨著寬帶IP技術的發展，包括話音、數據和圖像在內的各種業務均能在IP網上進行傳輸，出現了所謂的“EverythingonIP”的局面，IP業務也即將成為通信業務的主流。但IP技術在發展過程中也碰到了路由器瓶頸、服務質量難以保證等問題的困擾。

　　ATM和IP都是發展前景良好的技術，但它們在各自的發展過程中都碰到一些問題。假如把這兩項技術結合起來，利用ATM網絡為IP用戶提供高速直達數據鏈路，即可以充分利用ATM網絡的資源優勢，發展ATM上的IP用戶業務，又可以解決IP網絡發展中碰到的問題，進一步推動IP業務的發展。

　　2　IP與ATM結合技術的分類

　　目前，IP與ATM結合技術主要分為兩大類：重疊技術和集成技術。采用重疊技術時，IP層疊加在ATM層之上，ATM端點使用ATM地址選擇協議將IP分組包選擇路由。重疊技術的優點是采用標準的ATM論壇/ITU-T的信令標準，與標準的ATM網絡及業務兼容；缺點是傳送IP包的效率較低。采用集成技術時，ATM層被看作IP層的對等層，ATM端點只需使用IP地址來標識，在ATM網絡內使用現有的網絡層路由協議為IP分組選擇路由，在建立連接時使用非標準的ATM信令協議。采用集成技術時，不需要地址解析協議，但增加了ATM交換機的復雜性，使ATM交換機看起來更像一個多協議的路由器。集成技術的優點是傳送IP包的效率比較高，不需要地址解析協議；缺點是與標準的ATM技術融合較為困難。

　　3　重疊技術　　重疊技術的實現方式具體來說主要有三種，分別是CIPOA（ClassicalIPoverATM）、LANE（LANEmulation）和MPOA（Multi-PRotocoloverATM）。

　　3.1　CIPOA（ATM上的傳統IP技術）

　　IETF工作組在RFC1483（AAL5上的多協議封裝）和RFC1577（ClassicalIPandARPoverATM）兩個文件中定義并規范了CIPOA。CIPOA的基本思想是利用IP對低層網絡技術的包容能力，在ATM網上支持IP協議。它繼續了IP的基本思想，僅把ATM網絡看作與以太網、令牌環網等物理子網處于同樣地位的一種異形子網。由于CIPOA規范只支持IP協議，所以它適用于只使用IP協議的互聯網和局域網。利用該規范，用戶可以在ATM網絡上直接運行現存的基于IP的網絡協議（如TCP、UDP）和基于IP應用協議（如WWW、FTP、NFS等）。CIPOA的協議結構如下所示：

網絡層　　　　　IP
　　　　　　　　RCF1577
數據鏈路層　　　RCF1483
　　　　　　　　ATM層
物理層　　　　　物理層
　　CIPOA引入了邏輯IP子網（LIS）的概念，所謂LIS是指根據用戶和網絡治理者的連接要求，對直接連接到ATM網絡的任意主機、路由器進行組合，這種組合形成了一個邏輯的IP子網，其中的主機和路由器可位于網絡中的任何地方，即與它們的地理位置無關。不同的LIS相互獨立操作和通信，在一個LIS內，IP包可以在點到點的ATM永久虛通道（PVC）和ATM交換虛通道（SVC）上傳送，位于兩個LIS內的主機間的IP連接需要經過一個路由器。

　　CIPOA網絡的基本工作原理是：在每一個LIS內設有一個地址解析服務器（ARPServer），負責完成IP地址和ATM地址的映射功能。當LIS中新增了一個IP主機時，該主機首先利用配置好的地址建立與ATM　ARP服務器的連接，ATMARP服務器檢測到來自新主機的連接后，向該主機發送反向ARP請求（InARP），從而獲得新增主機的IP地址和ATM地址，并在ATM　ARP服務器中的IP地址－ATM地址映射表中進行登記。當一個主機需要向被叫發送IP數據報時，由于它不知道對方的ATM地址，所以首先向ATM　ARP服務器發送ARP請求，獲得被叫的ATM地址，再建立到被叫的ATM連接并進行通信。

　　在重疊技術中，CIPOA技術成熟，實現簡單，在LIS上傳送的廣播業務量很少，網絡的資源利用率較高，同時簡化了LIS內主機間的通信步驟，改善了時延特性。但兩個LIS中的主機間進行通信時需要經過路由器，仍不能完全解決路由器瓶頸問題，并且每個LIS內都配置一個地址解析服務器，將引入額外的時延。此外，CIPOA只限于處理ATM上的IP協議，無法處理其它的網絡層協議。

　　3.2　LANE（局域網仿真技術）

　　ATM論壇定義的局域網仿真（LANE）技術為在ATM網絡上傳送現有的LAN協議創造了條件。采用ATM局域網仿真技術時，對原局域網用戶來說，ATM交換網絡的各種功能（如呼叫建立、信元拆裝等）都是透明的，原局域網終端的硬件和軟件系統不需做任何改動，即可利用ATM網絡提供的高速直達數據鏈路傳送LAN協議包。

　　LAN是對局域網的媒體訪問控制子層（MAC層）進行仿真，LANE的協議棧如下圖所示：

網絡層　　　　　IP、IPX等
　　　　　　　　LANE
數據鏈路層　　　RCF1483
　　　　　　　　ATM層
物理層　　　　　物理層
　　由ATM層替代傳統LAN的MAC子層，成為物理層和邏輯鏈路之間的一層，因此局域網邏輯鏈路層以上的軟件可以不做任何改動。LANE可以支持任何局域網的高層協議（如IP,IPX等）。

　　LANE的服務體系是基于CLIENT/SERVER的查詢和響應模型。在一個仿真的局域網絡（ELAN）中，需要配置局域網仿真客戶機（LEC）、局域網仿真配置服務器（LECS）、局域網仿真服務器（LES）和廣播/未知服務器（BUS）。LEC是所仿真的局域網的端系統，它向現有局域網提供MAC層的服務接口，代理原局域網中的所有終端向ATM網絡傳輸數據，完成地址解析，實現整個ELAN中的所有終端間的通信。LECS負責保存仿真局域網中的局域網仿真客戶機（LEC）配置信息，并向新安裝的LEC發送LES的ATM地址，每個治理域只有一個LECS，它可為一個或多個仿真局域網（ELAN）提供服務。LES負責實現MAC地址與ATM地址的映射功能，每個ELAN只有一個LES，每個LES有一個專有的ATM地址來標識。BUS負責處理廣播及未知的MAC地址，在仿真局域網內提供廣播和組播傳送功能。

　　LEC是如何與LES進行通信完成地址解析并把用戶數據通過ATM數據直達鏈路傳送給另一個真地址解析協議（LE-ARP）請求，詢問收端的ATM地址。假如收端已在LES上注冊，則LES就在LE-ARP應答中將收端ATM地址返回給發ARP請求轉發給ELAN上的所有LEC，收端LEC收到該請求后，就在LE-ARP應答中將自己的ATM地址返回給LES，再由LES返回就通過ATM　SVC呼叫建立到收端的虛連接，并在其上進行數據傳送。

　　LANE對局域網從MAC層進行仿真，屏蔽了網絡層以及其上的高層協議，從而使ATM網絡可以支持多種協議的傳送。這既是它的優點，也是它的缺點。優點是為LAN用戶的互連創造了便利條件，缺點是無法利用ATM的多業務及相應的特性，網絡層的QOS（如IP協議中的RSVP）也無法對應到ATM交換結構中，同時由于最大幀大長度的限制，網絡規模的擴展也受到限制；而且兩個ELAN內的用戶進行通信時要經過路由器，仍不能完全解決路由器瓶頸問題；最后，一個ELAN目前只能同時仿真一種局域網，不能完成異種局域網的轉換問題。

　　3.3　MPOA（ATM上的多種協議技術）

　　為了克服LANE和CIPOA的局限性，ATM論壇推出了ATM上的多協議規范（MPOA）。MPOA集成了LANE、CIPOA、NHRP和Mars規范的功能，同時還引入了虛擬路由器的概念。MPOA是一個功能強大的網絡層路由解決方案，使任何具有MPOA功能的設備都可以和另一臺設備通過ATM交換建立直接連接，不必再經過中間的路由器。這種直接跨越ATM網絡建立直接連接的技術有時也稱為“直通”或“零跳”路由。

　　MPOA實際上采用了三種互補的技術來構成其基本功能：ATM論壇的局域網仿真（LANE）協議、IETF的下一跳解析協議（NHRP）以及虛擬路由器的概念。LANE是在ATM上仿真第二層的局域網技術，使得ATM透明于上層應用，是MPOA的一個內部組成部分，適用于子網內部的通信。NHRP提供了一種擴展的地址解析協議，是基于網絡層的尋址技術，答應下一跳的客戶在不同的邏輯子網間發送查詢，從而答應子網間直接建立ATM連接，讓確定的數據流不需使用中間的路由器。虛擬路由器是指將傳統路由器的功能分離到網絡中各個不同的組成部分中去，也就是說，將網絡中一系列設備集合共同完成傳統路由器在網絡中的功能，從而降低了成本，提高了效率。

　　MPOA標準模型包括三個部分：邊界設備、ATM直連主機和路由服務器。邊界設備使用網絡層和MAC層目的地址在傳統的局域網與ATM接口間傳送數據包，以使傳統的局域網能夠通過ATM進行高效傳輸。ATM直連主機具有能夠實現多協議信息傳輸標準功能的ATM網絡接口卡，它答應ATM直連主機的相互通信，并答應ATM直連主機通過邊界設備與傳統局域網進行通信。路由服務器是一組功能的集合體，它既可由作為單個產品實現，也可在現有路由器和交換機中構建，它使用某些路由協議算法和構造響應MPOA系統的請求。它完成網絡層對ATM層地址的映射，對未知的服務器的多路廣播以及對網絡層、MAC層和ATM地址的維護功能。

　　MPOA系統規定了具體實現某種功能的邏輯組成部件：MPOA客戶（MPC）和MPOA服務器（MPS），它們可以在不同的硬件配置上實現。

　　MPC檢測通信流，一旦發現就請求MPS為其提供收端的ATM地址，得到該地址后通過SVC呼叫建立到收端的ATM連接，并在其上傳送數據；MPS負責維護本地的網絡層、MAC層和ATM地址信息以及路由表，MPS處理來自MPC的址解析請求并作出應答，MPS之間通過NHRP進行聯絡，以解決跨子網的地址解析問題。

　　MPOA的實質是虛擬路由技術，即使用邊界設備完成大部分交換功能，使用路由服務器建立路由表，為邊界設備提供路由。它的優點是不僅能在一個子網內建立ATM虛通道連接，而且能夠在不同的子網間建立直接的ATM虛通道連接，跨子網的通信不再經過路由器，解決了路由器瓶頸問題。缺點是系統結構比較復雜，具體實現比較困難。缺點是系統結構比較復雜，具體實現比較困難，而且仍存在一些問題需要解決，如基于NHRP協議的地址解析響應時間延遲較大等。

　　4　集成技術

　　目前有代表性的集成技術主要有三種：IP交換（IPSwitch）技術、標記交換（TagSwitch）技術和多協議標記交換（MPLS）技術。

　　4.1IP交換（IPSwitch）

　　IP交換是Ipsilon公司提出的專門用于在ATM網絡上傳送IP分組的技術，它克服了CIPOA的一些缺陷，如在子網之間必須使用傳統的路由器，提高了在ATM上傳送IP分組的效率。

　　IP交換機由ATM交換機、IP交換控制器組成，IP交換控制器主要由路由軟件和控制軟件組成，ATM交換機的一個ATM接口與IP交換控制器的ATM接口相連，用于控制信號和用戶數據的傳送。在ATM交換機與IP交換控制器之間使用控制協議為RFC1987通用交換機治理協議（GSMP），在IP交換機之間使用的協議是RFC1953Ipsilon流治理協議（IFMP）。GSMP是一個多用途的協議，使得IP交換控制器能對ATM交換機進行控制，完成直接ATM交換。它將IP交換控制器設置為主控制器，而把ATM交換機設置為從屬被控設備，IP交換控制器利用該協議向ATM交換機發出各種要求，如：建立和釋放經過ATM交換機的虛連接，在點到多點連接中增加或刪除端點，進行配置信息查詢等。IFMP用于在相鄰的IP交換機控制器、IP交換網關或支持IFMP的網絡接口卡之間的控制數據傳送，以便把現有網絡或主機接入IP交換網中或實現相應的控制功能。

　　IP交換網絡將用戶數據流分為兩類：持續時間長、業務量大的用戶數據流（如FTP數據、HTTP數據、多媒體音頻、視頻數據等）和持續時間短、業務量小、呈突發分布的用戶數據流（如DNS查詢、SMTP數據、SNMP查詢等），對不同類型的流進行不同的處理。IP交換機的工作過程如下：

　　（1）IP交換機的ATM輸入端口從上游節點接收輸入業務流，并把這些業務流送往IP交換機控制器中的路由軟件進行處理。IP交換機控制器根據輸入業務流的TCP或UDP信頭中的端口號碼進行流分類。持續時間長、業務量大的用戶數據流在ATM交換機硬件中直接進行交換；持續時間短、業務量小、呈突發分布的用戶數據流通過IP交換控制器中的IP路由軟件進行傳輸，即與傳統路由器一樣，也是一跳接一跳（hopbyhop）進行存儲轉發傳送。

　　（2）一旦一個業務流被標識為直接ATM交換，IP交換控制器將要求上游節點把該業務流放在一條新的虛通道上。

　　（3）假如上游節點同意建立虛通道，則該業務流就在這條虛通道上進行傳送。

　　（4）同時，下游節點也要求IP交換控制器為該業務流建立一條呼出的虛通道。

　　（5）通過步驟（3）和（4），該業務流被分離到特定的呼入虛通道和呼出虛通道上。

　　（6）通過旁路路由，IP交換控制器指示ATM交換機完成直接交換。

　　IP交換的實質是基于信息流的傳輸方案，它的特點是對于持續時間長，業務量大的用戶數據流，利用ATM虛通道進行傳輸，因此傳輸時延小、容量大；而對于持續時間短、業務量小，呈突發分布的用戶數據流，使用IP路由軟件進行傳輸，從而節省了建立ATM虛電路的開銷，提高了傳輸效率。IP交換的缺點是只支持IP協議，同時它的效率有賴于具體的用戶業務環境，對于大多數是持續時間長、業務量大的用戶數據情況下，能獲得較高的效率；但對于大多數是持續時間短、業務量小、呈突發分布的用戶數據的情況下，IP交換的效率將大幅降低。

　　4.2　標記交換（TagSwitching）

　　標記交換是Cisco公司提出的一種多層交換技術，它把ATM第二層交換技術和第三層路由技術結合起來，能充分利用ATM的QOS特性、支持多種上層協議，是一種性能比較優越的IP和ATM結合技術。

　　在標記交換網絡中，處于邊緣的路由器將每個輸入幀的第三層地址映射為簡單的標記，然后把幀轉化為打了標記的ATM信元；打了標記的信元被映射到虛通道上，在網絡核心由ATM交換機進行標記交換，并使用路由器與交換機直連，用于保存標記信息，實現尋找第三層路由的功能；最后，目的地的邊緣路由器去掉信元中的標記，把信元轉換為幀并將其送往接收用戶。

　　在標記交換網絡中的邊緣路由器主要根據下列信息對IP包加上標記：　

　　（1）目的地址前綴：以路由表中的路由為基礎，答應來自多個源地址的IP包向同一個目的地址發送時共享同一個標記，從而節省了標記資源。

　　（2）邊界路由：對標記交換系統的邊緣路由器進行標記分配。在某些情況下，這種技術使用的標記比使用目的地址前綴技術少。

　　（3）業務量調節：使IP包沿著指定的且與路由算法選擇的不同的路徑流動，從而答應網絡治理人員平衡中繼線路上的負荷。

　　（4）應用業務流：同時考慮IP包的源地址和目的地址，以提供對諸如QOS等特性更精確的控制。

　　標記交換的要害在于采取基于拓撲結構的選路方式。它使用標記分配協議（TDP）與第三層路由協議，在標記交換網絡的各設備間分發標紀信息，共同建立合適的直通路由。采用此種技術，使得只有在網絡拓撲結構發生變化時，才需要使用TDP重新計算節點的標記，從而大幅度地了降低了整個網絡的開銷。

　　標記交換的主要優點是：標記交換不依靠于路由過程中使用的特定網絡層協議，因此標記交換技術支持不同的路由協議（如OSPE、BGP、OSIISIS等）以及各種網絡層協議（如IP、IPX等）；標記交換還借助標準的多點廣播協議，利用ATM交換機現有的廣播硬件支持多點廣播功能；另外，通過為不同的服務質量等級分配不同的標記，并在標記交換機中使用排隊和緩沖機制加以控制，使得標記交換可以保證具有一定服務質量要求的用戶數據的傳送；在網絡內部，標記交換機按照信元上的標記進行尋路，不再依靠于特定的第三層地址（如IP地址），使得網絡的分級組織輕易實現，網絡的擴展能力較強。標記交換技術實際上已將ATM交換機用作多協議路由器，從而形成了更加統一的網絡模型并增加了網絡間配置的共同性。

　　標記交換雖然有很多優點，但由于標記交換是Cisco的專有技術，要求網絡中端到端都有Cisco的設備才能完成通信，推廣使用受到了限制。

　　4.3MPLS（多協議標記交換）

　　近來MPLS越來越引起人們的關注，人們普遍看好MPLS在廣域網中的應用。作為一種ATM與IP相結合的技術，MPLS是在標記交換的基礎上發展而來，并正成為集成技術的標準模型。目前，IETF已制定了MPLS標準草案。

　　MPLS網絡由核心部分的標簽交換路由器（LSR）和邊緣部分的標簽邊緣路由（LER組成）。LER位于ATM骨干網絡的邊緣并作為MPLS的入口/出口路由器。LER執行全部的第三層功能；運行標簽分發協議（LDP），實現標簽的分配、綁定功能。LSR執行的標準交換可以看作ATM交換機和傳統路由器的結合，具有第三層轉發分組和第二層交換分組的功能。

　　MPLS的基本思想是采用標記交換的機理，是一種基于拓撲結構的選路機制，MPLS網絡的工作過程一般包括以下4個步驟：

　　（1）使用現有的路由協議，例如OSPF、IGRP等建立到終點網路的連接，同時使用LDP完成標簽到終點網路的映射。

　　（2）輸入端LER接收到分組，完成第三層功能，并對分組進行標簽粘貼。

　　（3）LSR對帶有標簽的分組不再進行任何第三層處理，只依據分組上的標簽進行交換。

　　（4）由輸出端的LER去掉標簽，并傳送分組給終端用戶。

　　MPLS的主要特點是：MPLS在網絡中的分組轉發是基于定長標簽，由此簡化了轉發機制，使得轉發路由器容量很輕易擴展；充分采用原有的IP路由，在此基礎上加以改進，保證了MPLS網絡路由的靈活性；采用ATM的高效傳輸變換方式，拋棄了復雜的ATM信令，無縫地將IP技術的優點融合到ATM高效硬件轉發中；MPLS網絡的數據傳輸和路由計算分開，是一種面向連接的傳輸技術，它同時支持X.25、幀中繼、ATM、PPP、SDH、DWDM等，保證了多種網絡的互聯互通，將各種不同的網絡傳輸技術統一在同一個MPLS平臺上，即MPLS墊層；MPLS支持大規模層次化的網絡拓撲結構，具有良好的網絡擴展性；MPLS的標簽合并機制支持不同的數據流的合并傳輸，提高了網絡傳輸效率；MPLS網絡中顯示路由的直接使用，使得流量工程的應用變得簡單，增強了IP網絡流量控制和自愈恢復能力，為支持更多的新業務提供了保障；同時MPLS在保證連接可靠性的條件下取消了專線連接的要求，使得各種新業務可以在基于MPLS的IP網上實現；MPLS技術進一步促進了網絡功能的劃分，它將復雜的事務處理推到網絡邊緣去完成，核心網只負責完成傳送功能，這有利于在一個規模龐大的網絡中維護IP協議的擴展性；MPLS網絡中標簽堆的使用將龐大的路由表變得很小，極大地改善了路由擴展能力。

　　此外，MPLS還具備以下優勢：首先是將先進技術迅速轉化為實際的應用產品的問題。一方面在于MPLS在定長標簽的嚴格區配下簡化了轉發過程，而且這個轉發的硬件基礎是便宜、成熟的ATM交換技術，這大大減少了設備制造商的研發投資，加快了MPLS設備的面市時間和產品的成熟穩定性。另一方面由于MPLS將路由與分組轉發從IP網中分離開來，這使得在MPLS網中可以通過修正轉發方法來推動路由技術的演進，新的路由技術可以在不間斷網絡運行的情況下直接應用到網絡中，而不必改動現有路由器上的轉發技術，這是目前的各種網絡技術不易做到的。其次，MPLS簡化了ATM與IP的集成技術，推動了它們的統一，從而起到平衡用戶在ATM和IP網上的巨大投資，消除了現有網絡的限制，由此減少了網絡維護成本和擴展性問題。總之，MPLS可用于多種鏈路層技術，做到對下層與上層的多協議，最大限度地兼顧了原有的各種技術，保護了現有投資和網絡資源，促進了網絡互連互通和網絡的融合。

　　MPLS目前仍有一些問題還在研究之中，如MPLS與PSTN之間信令的轉換和交互式通信的平滑性問題；如何將MPLS與光纖傳輸網（OTN）、DWDM技術結合起來，實現交叉連接與標簽交換的統一；MPLS的組播技術和MPLS的網絡治理的還需要進一步完善；如何實現MPLS到桌面的應用；如何將MPLS技術引入到無線網絡中等。

　　綜上所述，交換功能與路由功能的結合是當網絡技術發展的一種趨勢。ATM技術與IP技術為目前兩大最優秀的網絡技術，必將不斷融合，終實現統一。