ATM還是IP

2019-11-04 11:49:46

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供稿：網(wǎng)友

　　面對ATM、ip和光通信等新技術(shù)，那些已經(jīng)投入巨資發(fā)展現(xiàn)有網(wǎng)絡的電信運營商和正雄心勃勃走向信息化的大企業(yè)難免會感覺到手足無措。那么，究竟應該如何選擇和利用層出不窮的網(wǎng)絡新技術(shù)呢？未來“三網(wǎng)合一”的大趨勢不容質(zhì)疑，但究竟采用什么技術(shù)，是ATM還是IP？它們分別該處于一個什么位置，人們還在爭論不休。

ATM和IP的技術(shù)特點

ATM技術(shù)是在八十年代末由電信界提出，力圖通過電信網(wǎng)來綜合包括話音、數(shù)據(jù)和圖像在內(nèi)的各種業(yè)務。傳統(tǒng)的電信網(wǎng)最早以話音通信為目標，都采用電路交換方式。近二十年內(nèi)，由于受計算機技術(shù)發(fā)展的影響，傳統(tǒng)電信網(wǎng)經(jīng)歷了程控數(shù)字化和向窄帶ISDN的發(fā)展。窄帶ISDN是電信網(wǎng)企圖實現(xiàn)多業(yè)務的一次初步嘗試。在當時的背景下，話音通道自然地采用了64kbps，數(shù)據(jù)通信帶寬也以64kbps為單位，這在當時基本是足夠的。在窄帶ISDN的基礎(chǔ)上，更由于分組交換和數(shù)據(jù)通信可能的前景，電信界開始提出寬帶ISDN，即以ATM技術(shù)為基礎(chǔ)可提供寬帶多業(yè)務的數(shù)字網(wǎng)絡。ATM技術(shù)采用53字節(jié)大小作為信元，可以說是傳統(tǒng)電路交換和分組交換之間的一種折衷。雖然它內(nèi)部以分組的方式實現(xiàn)，但它提供的是面向連接的業(yè)務。
ATM最初的思想就希望造就未來通信的統(tǒng)一平臺，但無論技術(shù)還是用戶的需求都在不斷地發(fā)生著變化，制定ATM規(guī)范的ATM論壇一直在通過各種手段向ATM中容納進新的內(nèi)容以保證ATM最初的目標。但這樣造成ATM技術(shù)異常的復雜，標準化的過程變慢。
IP技術(shù)最初只用于很小數(shù)量的計算機組成的網(wǎng)絡，它不同于電信網(wǎng)絡的設(shè)計思想。電信網(wǎng)絡力圖由網(wǎng)絡來提供所有業(yè)務，用戶終端盡可能是廉價、易用的設(shè)備。而IP協(xié)議信仰的是“端到端”思想，并認為網(wǎng)絡所需提供的只是端到端的連接，所有增值功能都在網(wǎng)絡之外由終端完成。由于IP互連的是極具發(fā)展活力和智能，并且在不斷深入到人們工作和生活的計算機，所以也就不難理解Internet雖然誕生于60年代，一直沉寂了幾十年，但卻在近十年內(nèi)得到了飛速的發(fā)展和廣泛應用。
ATM與IP各自的技術(shù)特點也反映出電信界和計算機界各自的特點，電信在過去的一個世紀內(nèi)逐步發(fā)展，并幾乎一直受到政府規(guī)范的制約，電信產(chǎn)品和服務要求高可靠性和終端設(shè)備之間的互操作性。而計算機行業(yè)的產(chǎn)品以更新快而聞名，并要求低成本，但可容忍一定程度的不可靠。
人們對ATM技術(shù)一直期望很高，在話音通信方面，AAL1電路仿真方式在今天的技術(shù)背景下已不再有效，因為不斷發(fā)展和成熟的語音壓縮技術(shù)已可以將一路語音信號從64kbps壓縮到8kbps甚至更低而不損害語音質(zhì)量。采用VBR和AAL2傳送語音目前標準還不完善。另外，在LAN環(huán)境由于千兆位以太網(wǎng)的崛起，ATM的優(yōu)勢不復存在，在廣域網(wǎng)領(lǐng)域，ATM受到來自幀中繼技術(shù)的競爭。最終讓人們開始重新考慮ATM。近幾年來，隨著Internet的廣泛延伸和Internet應用的不斷增多，還由于Internet終端——計算機功能的進一步增強，IP在逐步統(tǒng)一局域網(wǎng)和桌面系統(tǒng)之后又開始向ATM的地位發(fā)起挑戰(zhàn)。IP協(xié)議所具有的最大優(yōu)勢在于，它可以運行在任何介質(zhì)和網(wǎng)絡上，可以保證異種網(wǎng)絡的互通，即“IPovereverything"。并且，IP技術(shù)順應了計算機不斷普及，功能越來越強這一趨勢，隨著PC應用的擴展而逐步擴大。Web、電子貿(mào)易甚至IP語音等應用不斷地推動著IP領(lǐng)域的不斷擴大。由于IP可以實現(xiàn)廣泛互通，IP甚至還用來承載其它協(xié)議，即將其它協(xié)議數(shù)據(jù)包封裝在IP包中，甚至可以實現(xiàn)“EverythingoverIP"，例如PPTP、L2TP等。具有廣闊市場應用前景的VPN(虛擬專用網(wǎng))技術(shù)便是采用IP協(xié)議來承載并實現(xiàn)互通，利用公用Internet來建立安全的企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡的一種應用。最近幾年，POS(PacketOverSDH)技術(shù)發(fā)展很快，更使得IP技術(shù)如虎添翼。采用IPoverSDH和DWDM(密集波分復用)技術(shù)可以大大提高IP鏈路的帶寬，具有極高的性價比，為IP進入更為廣泛的應用領(lǐng)域鋪平了道路。

IP與ATM技術(shù)的融合

Internet應用的不斷發(fā)展對IP骨干網(wǎng)絡帶寬提出了新的要求。傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡采用的是純路由器方式，即在廣域網(wǎng)環(huán)境中通過路由器進行IP包的拆裝和轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式造成中間轉(zhuǎn)接次數(shù)多，延時大并且?guī)挷粔蚋摺Ａ硗猓珹TM交換機的開發(fā)和使用已有一段過程，已有不少專門用于ATM接口和交換的硬件。IP需要利用ATM技術(shù)來提高傳輸速度，ATM也要具有承載IP的能力以拓展其應用領(lǐng)域。ATM論壇和制定IP標準的IETF組織較早就開始了這方面的工作。IP與ATM的融合有兩種方式：一種是疊加方式，一種是集成方式。
ClassicalIPoverATM(CIP)
IETF組織于1993年到1994年定義了CIP，CIP可以讓IP的現(xiàn)有用戶轉(zhuǎn)移到使用ATM作為其傳輸技術(shù)，而保持其現(xiàn)有的基于IP的應用不變。在CIP中，ATM網(wǎng)分成通過路由器進行相互通信的邏輯IP子網(wǎng)(LIS)。由于ATM本身沒有廣播功能，所以，基于服務器/客戶機模式的ATMARP協(xié)議代替了傳統(tǒng)的廣播式ARP協(xié)議。CIP還使用LLC/SNAP缺省的8字節(jié)封裝來在ATM上傳送IP和ATMARP數(shù)據(jù)包。這些數(shù)據(jù)包直接通過AAL5適配層映射為成ATM信元。這些信元可以在PVC或SVC上傳送。假如要建立SVC，就要使用ATM論壇的UNI3.1/4.0或Q.2931規(guī)范。CIP協(xié)議以ATMARP解決了IP地址和ATM地址的直接映射問題，可以在LIS利用ATM的高帶寬。但是CIP只定義了LIS內(nèi)的協(xié)議，當不同LIS內(nèi)的計算機需要通信時，仍必須經(jīng)過中間路由器，仍存在帶寬瓶頸。
MultiPRotocoloverATM(MPOA)
為了解決CIP的缺陷，并將ATM高速傳輸引入路由器間的鏈路，ATM論壇在1997年7月定義了MPOA標準。MPOA集成了LANE、CIP、NHRP的功能，在子網(wǎng)內(nèi)部，MPOA使用LANE。MPOA引入了虛擬邊緣交換機、MPOA客戶、MPOA服務器的概念，并將數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和路由功能相分離。MPOA可以讓不同子網(wǎng)的客戶建立直接的虛電路連接，即直通路由。這樣就可以直接轉(zhuǎn)發(fā)三層的數(shù)據(jù)包，而不再需要重組和分段。
MPOA客戶可以是以ATM連接的計算機，還可以是將ATM子網(wǎng)與非ATM局域網(wǎng)段相連的邊緣交換機。這些邊緣交換機可在第二層橋接數(shù)據(jù)包，并在直通虛電路上直接在第三層轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。MPOA客戶要監(jiān)視第三層數(shù)據(jù)包流量，假如檢測到通往某第三層地址的連續(xù)數(shù)據(jù)流，該客戶就向MPOA服務器要求獲得一個該第三層地址的ATM地址來建立通往該目的地的直通虛電路。MPOA服務器與目的地所在ATM子網(wǎng)的路由服務器通信來獲取必要的路由信息。它還可以使用NHRP協(xié)議將地址解析要求沿路由路徑發(fā)送到要求的目的地，來得知到達最靠近所要求的地址的ATM網(wǎng)絡出口。
MPOA提供的是一種分布的、虛路由器。ATM子網(wǎng)與原存LAN段的邊緣設(shè)備從某種程度上類似于虛路由器的接口卡，連接邊緣設(shè)備的ATM網(wǎng)絡可看作虛路由器轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)。包轉(zhuǎn)發(fā)功能與路由計算功能分離，路由計算由路由服務器來完成。這種功能分離與傳統(tǒng)的路由器相比可以獲得更高的效率和更高的包吞吐量。MPOA中數(shù)據(jù)包采用LANE和LLC/SNAP封裝。這些包通過AAL5直接映射為ATM信元，并通過SVC(交換式虛電路)傳送。MPOA能支持包括IP在內(nèi)的多種網(wǎng)絡層協(xié)議。
IP交換(IPswitching)
以上的協(xié)議都是疊加方式實現(xiàn)IP與ATM的融合，集成方式包括IP交換和MPLS(多協(xié)議標記交換)。
IP交換是Ipsilon公司提出的專門用于在ATM望上傳送IP數(shù)據(jù)包的技術(shù)。IP交換通過直接交換或存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式實現(xiàn)高速IP分組傳輸。IP交換機保留了ATM交換機硬件，但不需要ATM復雜的信令。
　　IP交換機的ATM輸入端口從上游節(jié)點接受到輸入數(shù)據(jù)流，并把這些數(shù)據(jù)流送到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(jù)輸入數(shù)據(jù)流的TCP和UDP包頭中的端口號來進行數(shù)據(jù)流的分類。對于持續(xù)時間長大、數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)流，IP交換機將直接利用ATM交換機硬件進行交換；對于持續(xù)時短、數(shù)據(jù)量小、呈突發(fā)分布的數(shù)據(jù)流，將通過IP交換機中的IP路由軟件進行一跳接一跳和存儲轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送。
多協(xié)議標記交換(MPLS)
IP交換是Ipsilon公司在1996年提出的廠家標準，后來Cisco公司又提出了同樣是將IP與ATM以集成方式結(jié)合的標記交換。主要區(qū)別在于IP交換基于IP流量建立直通路由，而標記交換基于網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)建立直通路徑。考慮到將IP技術(shù)和ATM交換機集成結(jié)合的優(yōu)越性能，IETF開始定義一個統(tǒng)一的MPLS標準。在MPLS模型中，每一個路由器也是一個交換機，即交換式路由器。已分配直通路由的數(shù)據(jù)包除了通常的第三層包頭外，還將帶有一個固定長度的標記。使用這些標記通過使用固定長度的查找表(傳統(tǒng)的路由器使用的是最長前綴匹配)可以使得數(shù)據(jù)包快速轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS還將定義標記分配協(xié)議(TDP)，它與第三層路由協(xié)議緊密融合，共同來建立合適的直通路由。另外，MPLS可以讓直通路由基于多種準則來建立，如目的IP地址、服務級別、服務策略等，這樣可以答應很靈活的網(wǎng)絡規(guī)劃和設(shè)計。
IPoverSDH與IPoverATM技術(shù)的比較
IPoverSDH是POS(PacketoverSDH)技術(shù)中的一種。按照OSI的7層模型，SDH協(xié)議是物理層，IP為網(wǎng)絡層，將IP直接運行于SDH之上顯然還需要數(shù)據(jù)鏈路層作為IP與SDH接口。IETF已標準化了PPP來實現(xiàn)這一功能，這些標準包括RFC1619、RFC1549和RFC1548。PPP協(xié)議定義了多協(xié)議數(shù)據(jù)包的封裝格式和用來建立、配置并測試數(shù)據(jù)鏈路連接的LCP(鏈路控制協(xié)議)，還有用來區(qū)分IP,AppleTalk,DECnet,IPX等不同協(xié)議的NCP(網(wǎng)絡控制協(xié)議)。

圖1

協(xié)議開銷和帶寬效率：
與POS相比，ATM信元方式開銷太大(每53個字節(jié)就有5個字節(jié)的開銷)。另外AAL5適配層還有填充字段和8字節(jié)的尾字段，用于承載IP包所需的LLC/SNAP封裝還有8字節(jié)的開銷。研究數(shù)據(jù)顯示，當使用IPoverATM時，IP只可以獲得SDH帶寬的80％，而使用IPoverSDH卻可以獲得95％。對于昂貴的廣域網(wǎng)帶寬或用于互連骨干網(wǎng)路由器的鏈路來說，后者所能增加的帶寬十分誘人。不過，對于帶寬充足的場合，比如局域網(wǎng)環(huán)境中，帶寬的效率則不那么重要。
帶寬治理和服務質(zhì)量：
ATM提供了豐富的治理虛電路帶寬分配的能力。它基于用戶所要求的服務質(zhì)量靈活地分配帶寬。由于其信元交換的特點，ATM可以在為每條數(shù)據(jù)流保證一定量帶寬的同時，讓多條數(shù)據(jù)流同時共享一條鏈路。PPP協(xié)議沒有帶寬治理能力，它提供的是一種點到點的鏈路。在IPoverSDH中，只能靠IP層來安排數(shù)據(jù)包的傳送，并保證每條信息流接收到各自公平的鏈路帶寬分配。在低速鏈路上，低優(yōu)先級的大數(shù)據(jù)包會阻塞其它高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)包的傳送。例如，一個低優(yōu)先級的文件傳送流的大數(shù)據(jù)包會延誤更小的卻對時延更敏感的語音數(shù)據(jù)包的傳送。所以對于有限帶寬上的對延時敏感的實時應用，這一因素會抵銷POS在帶寬效率上所具有的優(yōu)勢。
服務質(zhì)量(QoS)與諸如端到端包延時、抖動、包丟失和吞吐量等參數(shù)有關(guān)。ATM在這方面尤為出色，它具有保證每條虛電路的QoS的能力。ATM交換機通過智能排隊算法和適當?shù)囊?guī)劃機制保證提供協(xié)商好的QoS參數(shù)，并且ATM還提供滿足不同應用需求的不同服務級別。例如，具有非凡服務質(zhì)量需要的應用可以使用恒比特率(CBR)和可變比特率(VBR)業(yè)務，具有彈性需求的應用可以使用可用比特率(ABR)和未指定比特率(UBR)業(yè)務。ATM自身的這些性能使得ATM可以將每一具有特定服務質(zhì)量要求的信息流映射到相互獨立德具有特定QoS參數(shù)的虛電路上，通過IPoverATM，很輕易在IP層提供服務質(zhì)量。例如，語音數(shù)據(jù)流可以映射到一個實時的CBR和VBR連接上，而文件傳送的數(shù)據(jù)流可以映射到一個VBR連接上。
不過，雖然ATM提供了豐富的QoS參數(shù)，但基于QoS的業(yè)務只局限于連接兩個邊緣路由器的ATM鏈路上，并不具備端到端的QoS能力。為了給IP數(shù)據(jù)包提供端到端的QoS，路由器還必須具備智能化的排隊和規(guī)劃機制。
尋址和路由
ATM網(wǎng)絡具有完整的尋址和路由連接功能，并且ATM網(wǎng)絡可以覆蓋到廣泛的地域，提供高速廣域網(wǎng)連接。而PPP只是在點到點鏈路上使用，沒有尋址和路由能力。使用POS構(gòu)造互連通的骨干網(wǎng)絡，必須在骨干路由器之間配置點到點鏈路。為了防止鏈路故障，還必須指配多條冗余鏈路，同時為了盡量讓IP包的路由轉(zhuǎn)發(fā)在骨干網(wǎng)中經(jīng)歷更少的中轉(zhuǎn)路由器，采用POS建立骨干網(wǎng)并不輕易。一個全部采用POS的骨干網(wǎng)不僅會價格昂貴，而且也不現(xiàn)實，在廣域網(wǎng)環(huán)境中，SDH鏈路往往比較有限。
而在骨干網(wǎng)中采用ATM，通過SVC(交換式虛電路)，則不需要作靜態(tài)鏈路配置，ATM可以在路由器之間提供動態(tài)連接。即使ATM網(wǎng)絡上某些鏈路出了故障，動態(tài)SVC路由還可以發(fā)現(xiàn)其它的路由器并保證任兩個路由器之間的連接。這種方式最有用的性能是可以在一個ATM接口上建立通向其它路由器的多個連接，而ATM接口可以從運營商那里得到。相比之下，采用ATM作骨干網(wǎng)技術(shù)，可以更為靈活地設(shè)計網(wǎng)絡，它可以在不同等鏈路上路由SVC，并在建立一個路由器與多個目的地的連接。
容錯性能：
ATM提供了從故障鏈路和交換機恢復的能力，并使用一種稱為PNNI(PrivateNetworktoNetworkInterface)的動態(tài)路由協(xié)議在交換機間建立呼叫連接。當前，PNNI提供了一種當初始連接建立失敗時重新路由的能力。ATM論壇正在增加當連接已建立后出現(xiàn)網(wǎng)絡故障的自動重新路由。PPP沒有任何容錯能力，因為它僅在一條鏈路上運作，不過底層的SDH具有在光纖環(huán)路被切斷時的保護切換能力。一般ATM網(wǎng)絡也使用SDH，所以這種能力也適用于ATM。

IP和ATM各自的位置

如今，人們已基本上對IP技術(shù)的前景達成共識，即認為IP協(xié)議將一統(tǒng)應用平臺。至于底層傳送技術(shù)是采用ATM還是IP，或者準確地說是采用IPoverATM還是IPoverSDH?
當使用POS，路由器由基于SDH的快速點到點鏈路連接，然而使用IPoverATM，路由器由傳送復用多個虛電路連接的鏈路組成的網(wǎng)絡連接，并可以為所復用的每個連接保證靈活的帶寬和服務質(zhì)量。歸根到底，兩種技術(shù)最為顯著的區(qū)別在于速度和靈活性。在什么場合哪種因素更重要，哪種技術(shù)就更好。
在網(wǎng)絡速度最重要的情況下，POS技術(shù)更有吸引力。在帶寬治理的網(wǎng)絡靈活性重要的情況下，IPverATM是更好的解決方案。對于提供多種業(yè)務的大運營商來說，尤其是傳統(tǒng)的電信運營商，他們大多已在骨干網(wǎng)絡上采用了SDH技術(shù)，他們更愿意采用ATMoverSDH并采用IPoverATM來提供IP業(yè)務，因為他們需要靈活的帶寬治理，并保證用戶的服務質(zhì)量。不過ATM技術(shù)比較復雜，將會需要更高的設(shè)備費用和運行維護費用。
國外的ISP往往會建設(shè)自己的光纖骨干網(wǎng)，他們一般需要在骨干路由器之間進行高速的互連以達到數(shù)據(jù)包吞吐量最大化，并且由于主要只經(jīng)營IP業(yè)務，所以他們一般會采用IPoverSDH。
技術(shù)發(fā)展會使IPoverATM更有前景。正在制定中的MPLS協(xié)議采用集成模式緊密地將將IP和ATM的優(yōu)勢相結(jié)合，拋棄了重疊模式和由此所帶來的復雜性和帶寬的低效率。
AT＆T公司現(xiàn)在分別運行著幾種不同的網(wǎng)絡，除了傳統(tǒng)長途電信網(wǎng)以外，還有ATM網(wǎng)絡和IP網(wǎng)絡，并且在三種網(wǎng)絡上都提供話音通信業(yè)務。這樣會帶來網(wǎng)絡的運行和維護費用成本增加，但這是傳統(tǒng)運營商向未來網(wǎng)絡演進過程中不可避免并較為切實的一種途徑。Level3等新興電信公司則以光纖網(wǎng)為基礎(chǔ)，以ATM來提供話音業(yè)務，IP提供數(shù)據(jù)業(yè)務。對于設(shè)備供給商來說，也很少有將產(chǎn)品發(fā)展全部寄托于要么ATM或是IP的單一的解決方案。諸如Cisco、Ascend這樣的大供給商也分別有相應的產(chǎn)品序列。Cisco已經(jīng)提供POS的線路卡，Cisco12000千兆比交換式路由器和Cisco7500路由器都可支持POS，它還推出了多種具備IPoverATM和標記交換能力的ATM交換機系列。
對于用戶來說，有時會需要ATM，有時是幀中繼，而有時卻是IP。每一種網(wǎng)絡技術(shù)都具有自己的價格、性能和業(yè)務特點。對于電信運營商來說，未來成功的多業(yè)務融合網(wǎng)絡將會是集成有多種已存在多年的技術(shù)的網(wǎng)絡：ATM位于核心，作為底層傳輸技術(shù)，幀中繼和IP作為較低速的接入，IP來集成網(wǎng)絡的應用功能。

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