ATM网络的组网技术及其应用

从技术发展的角度来看，利用ATM组建宽带Internet骨干网一般会经历三个主要技术阶段。本文对这三个阶段所涉及的主要技术进行分析，并以美国下一代Internet试验网VBNS为例加以说明。
1 引言
众所周知， Internet近年来在全球获得了爆炸性的增长，据统计Internet用户数已达6400万户，平均每月增加95万用户，平均每30min就有一个网络上网。用户数的剧增、对带宽要求较高的WWW应用的普及导致网上流量持续增加，造成了网络拥塞。为了扩展Internet的带宽，越来越多的Internet服务提供者开始采用ATM构造宽带Internet骨干网，同时也为将来在Internet上提供综合业务服务奠定基础，如何利用ATM组建宽带Internet骨干网？这是一个众人关心的问题。从技术发展的角度来看，利用ATM组建TCP／IP骨干网络一般会经历三个主要技术阶段。本文将对这三个阶段所涉及的主要技术进行分析，并以美国下一代Internet试验网vBNS（very high Bandwidth Network Service）为例加以说明。
2 第一阶段：边缘路由（edge routing）
这是目前技术所处的阶段，所采用的协议或规范主要有三种：基于PVC的透明桥接（PVC bridging）、基于SVC或PVC的Classical Over ATM（RFC1577）和局域网仿真（LANE）。前两种协议是由Internet的技术组织——IETF（Internet Engineering Task Force）推荐的，后一种是由ATM论坛（ATM FORUM）制定的。
2.1 基于PVC的透明桥接（PVC bridging）
透明桥接（transparent bridging）是一种将位于本地或远地的LAN网段加以连接，形成一个逻辑子网的技术。在多个LAN网段的环境中，透明桥（transparent bridge）这一网络设备可以对LAN帧（LAN frame）进行过滤，只将帧传递到目的网段而不是扩散到其他网段。它通过对每个LAN帧的源MAC（Media Access Control）地址进行检查，从而确定发出该帧的设备位于哪个网段并记忆下来。以后，桥（bridge）就根据每个LAN帧的目的MAC地址将该帧传送到相应的网段上。
图1显示两个带ATM端口的网络设备通过基于PVC的透明桥接（PVC bridging)实现两个异地LAN网段的互联。这里需要强调的是每个LAN帧要经过非凡封装（encapsulation）后才在ATM链路上传递。该封装所遵循的协议是RFC1483 ，它定义了以太网、令牌环、FDDI的数据包如何封装到ATM信元中，从而实现传统局域网帧在ATM上的传送。
采用PVC bridging技术在ATM上建立TCP／IP骨干网络非常简单，在异地的网络设备间建立ATM PVC连接，通过透明桥接便实现第二层的互连。这种组网方法简单高效，互连在第二层即数据链路层上进行，可以达到很高的吞吐量，不足之处是PVC的数目随骨干节点数增加而呈指数增长，组网不够灵活。
2.2 CLassical IP Over ATM （CLIP）
CLIP（RFC1577）是IETF推荐的基于ATM论坛UNI3.0／3.1信令标准的IP-OVER-ATM协议，其原理与TCP／IP网络中IP-MAC地址解析协议（ARP：Address Resolution Protocol）相似，需在网络中建立IP-ATM地址解析服务器（ARP Server）， ARP服务器可以在ATM设备中或通过服务器软件实现。属于同一IP子网的CLIP终端（client）向其ARP服务器提出IP-ATM地址解析请求， ARP服务器返回CLIP终端所要访问的目的终端的ATM地址，源终端便通过ATM UNI3.0／3.1信令建立起与目的终端的SVC连接，实现与目的终端的通信。与PVC bridging相似，每个IP包也需要经过非凡封装后才能在ATM链路上传递，其遵循的协议也是RFC1483 。
与PVC bridging相比， CLIP是在IP网络层一级实现的，它屏蔽了下层物理网络的异质性，并且支持SVC（当然也可以是PVC），因而组网更灵活，同时保持了较高的效率。
2.3 局域网仿真（LANE）
该规范是由ATM论坛制定，它定义如何将一个ATM网络仿真成一个第二层的逻辑以大网或令牌环网段——仿真局域网（emulated LAN）。在仿真局域网的环境中（参见图2），每个LANE的终端（LEC-LANE Client）（它可以是带ATM网卡的主机，也可以是具有ATM端口的局域网交换机（Layer 2 LAN switch））在加入仿真局域网时，先要访问LANE配置服务器（LECS-LANE Configuration Server）， LECS上记录着该LANE终端所属的仿真局域网及其LANE服务器（LES）的ATM地址。LEC在获得LES的地址后便与之建立通信，在LES上注册成为该仿真局域网的一部分。为仿真传统局域网网段，仿真局域网上也建立了一个覆盖所有LANE终端的公共广播域。LANE规范定义了一个广播／未知终端服务器（BUS：Broadcast and Unknown Server），它把广播包（broadcast packet）和组广播包（multicast packet）传递到仿真局域网的每个成员，同时它还负责处理那些目的终端ATM地址不详的包。与CLIP环境中的ARP服务器相似， LECS、LES和BUS既可以在ATM设备中也可以通过服务器软件实现。
在一个仿真局域网中，一个IP终端欲和另一个IP终端通信，它先向BUS发出对目的终端IP地址的解析请求， BUS将该请求转发到仿真局域网内的所有终端，目的终端收到该请求后即给出自己的MAC地址。源终端在得到目的终端的MAC地址后，向LES发出对该目的终端MAC地址的解析请求， LES回应以目的终端的ATM地址。于是源终端便得到目的终端ATM地址，它便可以通过ATM信令建立与目的终端的SVC连接。
利用局域网仿真技术在ATM上建立TCP／IP骨干网络，需要在ATM网上设置LECS、LES、BUS服务器，与相关网络设备共同组成虚拟网，网络设备通过SVC建立连接，实现同一局域网段的互连。同CLIP相比， LANE在第二层即数据链路层一级进行，实现机制比较复杂，需占用较多的网络资源，效率较低，但它可实现FDDI、以太网、令牌环间的互通；同时它还与ATM论坛即将发布的MPOA（MultiProtocol over ATM）规范相兼容，可以让用户平滑地过渡到MPOA环境。
2.4 应用实例——vBNS网络
1994年美国国家科学基金会（NFS）出资五千万美元，委托美国MCI等公司开展下一代高速Internet骨干网的研究工作。1995年MCI公司建成横跨美国的下一代Internet试验网——vBNS 。参见图3 ， vBNS以ATM作为TCP／IP网络的骨干，各交换机间以SONET OC-3（155Mbit／s）相连。该网通过CISCO和NetStar公司的路由器与美国5个超级计算中心（SCC-Supercomputer Center）， 4个大型的Internet网络接入点（NAP-Network Access Point）相连，并通过NAP或专线以DS-3（45 Mbit／s）或OC-3（155Mbii／s）与其他教育和科研单位互连。所有这些连接都支持CP／IP 。网上与ATM相连的路由器间通过建立点到点的ATM PVC ，形成全网状连接，并以透明桥接实现第二层的互连，在此基础上运行OSPF路由协议。由于采用PVC bridging在ATM上建立TCP／IP骨干网络， vBNS突破了传统Internet骨干网的带宽瓶颈，并达到了很高的效率。在两个超级计算中心的主机上进行的性能测试显示UDP包（User Datagram Protocol packet）的峰值速率达到133Mbit／s ，已非常接近IP包在ATM OC-3上传送的理论峰值速率（135Mbit／s）。为降低网络的复杂度和提高可靠性， MCI还计划在1997年将各路由器间的PVC网状连接改为SVC 。
3 第二阶段：直接路由（direct routing）
3．1 边缘路由的缺陷
虽然采用边缘路由技术可以实现TCP／IP在ATM网络上的传送，但这种解决方案并不令人满足。首先，无论是PVC bridging、CLIP还是LANE都只是在ATM上构造第二层的虚拟网（Layer 2 Virtual LAN），虚拟网中的终端或是属于同一传统局域网网段（LAN segment）、或是属于同一IP子网。不同虚拟网之间的通信仍然需要经过传统的路由器（一般情况下该路由器位于ATM网络的边缘，故将这几种技术统称为边缘路由技术）。即使是两个与ATM直接相连的设备，若属于不同IP子网，源终端也必须先建立与路由器的连接，再通过路由实现与目的终端的通信，因而路由器成了TCP／IP网络扩展和性能的瓶颈，并且IP的传送引入了时延。其次，以第二层虚拟网的方式在ATM上建立TCP／IP骨干网络会在网上引入广播，消耗设备的CPU资源，浪费ATM骨干网的带宽。第三，边缘路由的方案没有利用ATM的优势：对多媒体通信的支持和服务质量（QoS：Quality of Service）的保证，即使TCP／IP所承载的高层应用需要对传送平台提出服务质量要求，边缘路由技术也没有定义如何将高层的服务质量要求传达到ATM层。因此，有必要寻求进一步的解决方案。
3．2 虚拟路由器（Viriual Router）——MPOA模型
第二阶段主要解决TCP／IP在ATM网上的直接路由问题，主要思路是采用客户／服务器模式，边缘设备向路由服务器询问路由，路由服务器给出口答，边缘设备根据回答直接建立与目的终端的SVC连接。该模式的典型代表有Ipsilon公司的IP Switching、CISCO公司的TAG Switching以及ATM论坛MPOA工作组制定的MP0A规范，这里主要介绍MPOA 。
一个MPOA模型（如图4所示）主要包括如下设备：
边缘设备（edge devices）——它是一个智能交换机，一端与ATM相连，另一端与传统局域网相连。它根据目的终端的网络地址（如IP地址）或MAC地址完成传统局域网段和ATM间的包交换。
ATM主机（ATM-attached hosts）——它是带ATM网卡的主机，该网卡支持MPOA协议，使得该机主机可以和其他ATM主机或边缘设备所连的传统局域网进行通信。我们将边缘设备和ATM主机统称为终端（end-points）。
路由服务器（Route server）——它负责维护其服务的所有终端的网络地址（如IP地址）、MAC地址和ATM地址信息，终端利用这些信息建立与其他终端的直接连接。它还运行RIP、OSPF或未来的I-PNNI路由协议（Integrated-PNNI ，参见下文）与传统路由器交换路由信息。路由服务器可以是一个单独的产品，也可以在现有的路由器或交换机中实现。——MPOA模型的核心是虚拟路由器的概念。一个在ATM网上运行的MPOA模型相当于一个多层路由器：边缘设备接收传统局域网传递的数据，可视作路由器的接口卡；ATM网络将各边缘设备连接起来，可视作路由器的背板（backplane）；路由服务器负责处理地址和路由的解析、信息流的分析和控制，可视作路由器的控制处理器（control processor）。
采用MPOA在ATM上建立TCP／IP骨干网络，要求在网上设置路由服务器，终端（边缘设备和ATM主机）应支持MPOA协议或LANE协议，这种情况下该终端必须通过传统路由器或支持MPOA的终端才可以与其他IP子网通信。当终端收到IP包时，它首先检查IP包的目的地址以决定如何转发，若目的地址仍在同一IP子网内，它便采用LANE协议解析目的终端的ATM地址然后建立与目的终端的ATM连接；若不在同一子网，它便向路由服务器提出IP地址的解析请求，路由服务器回应以目的终端的ATM地址，于是源终端便可以建立与目的终端的SVC连接。显然，通过MPOA ， ATM网络设备之间可以实现直接路由，这突破了边缘路由造成的扩展和性能的限制，减少了网上不必要的广播流量，并为下一步利用ATM的服务质量特性支持Internet上的综合业务服务奠定了基础。
4 第三阶段：共享路由（shared routing）
第三阶段主要解决TCP／IP网络采用与ATM网络相同的路由协议，使得网络组织更为有效，并可以利用ATM特性提供Internet上的综合业务服务。该阶段采用何种技术及规范目前还在研究，在这里主要介绍ATM论坛正在讨论的PNNI扩展路由（PAR-PNNI Augmented Routing）和综合PNNI路由（I-PNNI-Integrated PNNI Routing）方案。
现有的支持TCP／IP在ATM上传送的方案（如LANE、MPOA等）都是基于分层路由（layeredrouting）的观点：在路由器看来， ATM网络提供一组点到点的电路连接，路由器在此基础上执行OSPF、RIP等路由协议， IP路由并未参与ATM的路由。这种分层观点存在着限制。假如网络治理员不预先确定连接关系，两个通过ATM网络相连的路由器（直接与ATM相连或通过边缘设备与ATM相连）是无法发现对方并自动建立路由连接的。另外， ATM论坛制定的PNNI协议定义了ATM网络内交换机之间的信令和路由协议，通过该协议ATM交换机可以根据一系列的选择策略（包括服务质量的要求）来确定路由，并自动发现最佳路由。PNNI还对ATM网络按路由域进行层次划分，使得网络可以扩展到很大的规模（数千个交换机）。若采用分层路由在ATM上建立TCP／IP骨干网络， PNNI的这些优越特性就无法利用到。
为了弥补上述不足，更有效地在ATM上建立TCP／IP骨干网络，人们提出了PNNI扩展路由和综合PNNI路由方案。第一步是建立PNNI扩展路由，答应与ATM相连的路由器参与ATM网络的路由，即路由器在执行传统路由协议（如OSPF、RIP）的同时，在ATM端口上也执行PNNI协议，与ATM网络交换路由信息，从而可以使路申器更有效地利用ATM SVC连接支持高层的应用，包括对服务质量的支持。更重要的是PAR答应路由器通过PNNI协议传递相关IP信息，使得路由器不需网络治理员预先设置，便可以自动发现其他与ATM网络相连的路由器并与其建立SVC连接，然后在此基础上执行OSPF等路由协议，建立TCP／IP骨干网络。上述机制对ATM交换机来说是透明的，交换机并不需要做任何升级，它只需把PAR路由器当作一般ATM交换机看待。
第二步是建立综合PNNI路由。在PAR环境中， PAR路由器一定是与ATM直接相连的，并且要同时运行PNNI和传统路由协议（如OSPF、RIP）；而在I-PNNI环境中，所有路由器（包括不与ATM直接相连的路由器）之间只运行一种新的路由协议——I-PNNI ， I-PNNI与PNNI可以互通，也可以在ATM交换机上运行。通过在路由器上运行I-PNNI ，所有路由器都参与ATM网络的路由，传统局域网与ATM网络实现无缝的连接。宽带Internet网络可以利用ATM及PNNI路由协议的优点，提供具有服务质量保证的综合业务服务、建立分层的网络结构，使得TCP／IP网络可以扩展到很大的规模。
需要说明的是， I-PNNI与MPOA是兼容的MP0A只是定义虚拟路由器的概念以及各部分的功能，路由服务器负责路由的计算，而终端负责包传递。MPOA并没有定义路由服务器采用何种路协议与传统路由器交换路由信息， I-PNNI路由协议可作为一种选择。
5 总结
综上所述，利用ATM组建TCP／IP网络一般会经历三个技术阶段：边缘路由、直接路由和共享路由。目前边缘路由技术比较成熟，直接路由方面出台了一些技术方案，谁将成为主流还需假以时日，共享路由技术还处于研究阶段。网络运营乾在利用ATM组建宽带Internet时，既要考虑当前组网的高效性和灵活性，又要兼顾向一下阶段的平滑过渡（中国电信）