I/ATM重叠模型

该项研究由ATM论坛和IETF分别进行，其基本思路是用宽带ATM网络作为IP网的底层传送网络，连接各IP主机、网桥和路由器，让各网点生成的IP数据流在ATM高速网络上传送，藉以提高IP网络的速度，因此可以统称为ATM上传送IP(IP over ATM)方案。

在逻辑上可以认为整个网络由两层网络叠加而成：第三层（网络层）的IP网和第二层（链路层）的ATM网。由于这两个网类型完全不同，有各自独立的数据封装结构、地址格式和选路方式，因此要实现在ATM上传送IP数据报必然要用到两个基本技术：

． 地址解析(address resolution):IP地址翻译。其功能是将IP网络选定的下一站或目的地的IP地址或MAC地址翻译成ATM地址，然后交给ATM网络建立至该点的VC连接。地址解析一般由专用服务器完成。

·   协议适配：其主要功能是将网络层及其以上高层数据经适配后转换成ATM信元，交ATM网络传送。

IETF研究的目标是解决IP网络的性能问题，因此它提出的方案只涉及IP网络数据流在ATM上的传递。ATM论坛研究的目标是扩展ATM网络的应用，因此它提出的方案不但解决IP Over ATM问题，也适用于其它网络，如局域网、帧中继网数据在ATM网络上传送的问题。下面简要介绍主要的技术方案。

1.经典的ATM上传送IP规范(CIPOA-Classical IP over ATM)。该方法由IETF提出。它的基本思路是保持IP网络结构不变，将ATM网络局限用于一个逻辑IP子网(US-Logical IP Subnet)之内。同LIS中的IP用户通信由ATM网络提供直通连接；不同LlS中的两个IP用户通信仍要经过路由器，也就是说由用户A经其所在LIS的ATM网络接至路由器，再由路由器经另一LlS的ATM网络接至用户B。

所谓LIS指的是这样一些IP网络设备的集合：

·  它们占一个IP网络地址，即构成一个IP子网。

·  部署在一个数据链路网络上，该网络或者是基于相同的硬件技术（如，以太网），或者是基于多种硬件技术的桥接网。

在IP网络中，不同LIS间的数据分组必须经过路由器选路后转发，路由器相当于不同LIS之间的网关，是IP层的分组交换网元，负责转发可变长度的IP数据报。由此可知，CIPOA中的ATM网络的作用是取代US中的低速数据链路层网络。

图2.48    CIPOA的LlS内部通信方式

图2.48示出同一LlS中的两个IP用户是如何通过ATM网络传送数据包的。图中ATMARP服务器称为ATM地址解析协议服务器，负责为LlS中的各个IP用户提供IP地址至ATM地址解析服务，IP用户将为ARP客户。服务器可以设置在专门的平台上，也可以设置在路由器或ATM交换机中。

设，用户A要发起和用户B的通信。其过程是：

①用户A向ATM ARP服务器发送ARP请求，请求中携带用户B的IP地址，要求将其翻译成ATM地址。

②ATMARP服务器查询数据库获得用户B的ATM地址，回送给用户A。

③用户A利用ATM信令建立至B的VC连接，称之为交换式VC(SVC)，并由此连接向B发送数据。

④用户B向ATMARP服务器发送ARP请求，请求告知A的ATM地址。

⑤ATMARP服务器告之B用户A的ATM地址。

⑥用户B建立至A的连接，并发送数据。其后，A、B之间通信无需ATM ARP服务器介入。

A、B之间的ATM连接的释放通过超时机制完成。因为IP网络无连接网络，并无传统意义上的呼叫概念，任一IP用户不会发出拆除连接的信号，因此当A,B间会话结束，检测到在已建连接上规定时间内没有数据流通过，A、B间的ATM连接就自动释放。当然也可能在A、B间存在有永久性连接(PVC)，如果是这样，就不需要ATM连接建立和释放过程了。

当一个新的主机用户连接到LIS上时，它应首先建立与ARP服务器的连接，然后ARP服务器向该主机发送反向ARP请求，获得该主机的IP地址，并在服务器中的IP地址－ATM地址映射表中进行登记。

图2.49示出包含多个US的CIPOA一般网络结构。每个LIS配置一个ARP服务器，内部通信链路为多个ATM交换机构成的ATM网络。不同LIS的用户，如A和B之间的通信路径为A－路由器－B。一般说来，两个远程主机所在的LIS并不相邻，这时它们的通信路径将包含多个路由器。

在信源、信宿和路由器处，都存在一个IP数据报至ATM信元的适配封装问题。IETF规定了两种适配方法。一种是广为使用的逻辑链路控制(LLC)封装方法，可以封装所有类型的局域网，如以太网、令牌环网、FDDI、DQDB协议数据，协议类犁可由封装头部标识，封装后的IP数据报再经AAL5适配后拆成多个ATM信元，接收时则作相反处理。这种封装方法主要用于PVC。另一种是简单的VC复用封装，每个VC只能传送一种网络协议数据，协议类型在VC连接建立阶段申明。这种封装方法开销小，主要用于SVC。

信息流每经一个路由器就要进行一次较为复杂的处理过程：首先将由前一个LIS收到的ATM信元流装配复原为IP数据报，再进行IP选路确定下一跳路由器，地址解析确定其ATM地址，建立至该路由器的ATM连接，最后将IP数据报适配封装成ATM信元流由下一个LlS发出。其过程如图2.50所示。

图2.49CIPOA的一般网络结构

图2.50CIPOA中路由器操作示图

这正是CIPOA的最大的缺陷。因为网络中大量的数据是不同LIS间的业务流，它们都要经过路由器，不但会引入额外的处理时延，而且使路由器成为网络中的瓶颈。其理由是明显的：传统路由器最快的处理能力也只能达到每秒5x10⁵个分组，这样的速度还满足不了最慢的ATM交换机的需要。另外，CIPOA的地址解析方法未定义IP广播地址和ATM地址间的映射，因此它不支持广播方式和多点传送方式的应用。

CIPOA最成功之处是解决了IP地址和ATM地址之间的直接映射，可以有效地提高LIS内部通信的速度，这正是它比下面介绍的局域网仿真方法优异之处。

2.局域网仿真(LANE-LANEmulation)

该方法由ATM论坛提出，其主要目的是用ATM网络互连各个局域网，构成一个大的仿真局域网。所连的每个局域网被视为仿真局域网的一个网段，经仿真网桥和ATM网络相连。另外，ATM主机经协议适配后和该ATM网络相连也可成为仿真局域网中的一台主机。其网络结构如图2.51所示。

对于仿真局域网来说，传统局域网和它接口的桥接器（仿真网桥）以及经协议适配的直接相连的ATM主机都是端系统，称之为局域网仿真客户(LEC)。每个LEC分配有一个唯一的ATM地址。对于桥接器来说，它有双重身份。一方面是ATM网络的一个用户，用ATM地址标识自己，并通过ATM地址和其它桥接器或ATM主机通信。另一方面它又是传统局域网中一个特定的设备，通过MAC地址识别局域网中各个主机，并代理它们和其它网段中的主机通信。当某一局域网中的一个主机要和另一局域网中一个主机通信时，它首先将被叫主机的MAC地址传给本网的桥接器，后者要据此确定被叫网络桥接器的ATM地址，然后才能经ATM网络将数据报传至被叫的局域网。因此，在LANE的应用环境下，地址解析的功能主要是MAC地址至ATM地址的翻译。

和CIPOA一样，每个仿真局域网也配备有一套服务器，其主要

图2.51   LANE网络结构

功能是完成地址解析。它由3个服务器组成：

·  局域网仿真服务器(LES)：提供MAC地址至ATM地址的翻译，相当于CIPOA中的ATM ARP服务器。

·  局域网仿真广播和未知地址服务器(BUS)：负责处理广播MAC地址，完成在仿真局域网内的广播(broadcast)和多播(multicast)通信。它还负责被叫ATM地址暂时还未知的数据报的传送。

·局域网仿真配置服务器(LECS)：保存仿真局域网中LEC的配置信息，并向新安装的LEC发送LES的ATM地址。

服务器可以装在任一个和ATM网络相连的设备上。为了保证可靠性，一般装在网络设备上，如路由器和ATM交换设备上，而不装在主机或工作站终端上。

对于ATM网络来说，无论是仿真局域网服务器还是仿真局域网客户，都是终端用户，因此它们和ATM网络之间的接口统称为LU­NI，即局域网仿真用户一网络接口。该接口在公共的AAl.5适配层之上增加了一些保证可靠传送的适配功能，其用途是供LEC和LE服务器之间以及各类LE服务器之间传送控制消息用的。ATM主机和LAN主机经由LUNI通信的协议栈如图2.52所示。

图2.52   LANE通信协议栈

用户数据的适配十分简单，它保持原有局域网的帧结构基本不变，信源和信宿的MAC地址完整保留，在此基础上增加一个标识LEC身份的LE头部，该标识(LECID)在注册时由LES统一分配。然后，此扩展的局域网帧经AAL5适配和分析，形成ATM信元发往ATM网络。

LEC间通信的基本过程是，主叫LEC提取被叫MAC地址后，首先向LES发起ARP请求，获得解析后的ATM地址，然后据此建立至被叫侧LEC的ATM连接(SVC)，或利用已有的PVC将数据传往被叫所在的局域网。

为了减小地址解析对数据传送带来的时延影响，LANE采取了两条加速措施：

·  地址缓存(caching)技术：LEC每通过ARP协议获得一组MAC地址－ATM地址映射关系后，都将其缓存保留一段时间。这样，当LEC有数据需发送时，它首先搜索本地的地址缓存器，如果有和目的MAC地址匹配的记录存在，则立即可知其ATM地址，并可知对应的VC连接，这样就可避免因ARP请求操作带来的时延，对于高速数据业务的传送十分有利。

·  未知地址数据广播技术：如果在本地的地址缓冲器中没有和目的MAC地址匹配的记录，则LEC必须向LES发送ARP请求。在收到ARP返回结果之前，所有发往这一目的MAC地址的数据帧都作为广播帧处理，将其发往BUS。BUS再将其广播发给所有的LEC,目的MAC地址在其管辖范围内的LEC接收该数据帧并作转发处理。待收到LES的ARP返回结果后，再改由直达连接将数据送往目的LEC。

图2.53   LANE内部通信过程

图2.53给出LANE内部通信过程的示意图。设局域网l的主机A要向局域网4的主机B发送数据，其过程为：

①主机A向其网桥LEC₁发送数据，目的MAC地址为MA2。

②LECl查本地缓存器，未发现匹配表项，向LES发送ARP请求消息。

③同时，LEC₁将数据送往BUS。

④)BUS将数据广播发送给LEC₂～LEC_4,LEC4接收该数据帧，并广播发送给主机B。

⑤LES返回地址解析结果。

⑥LEC₁经BUS通知LEC₄停止广播发送，然后暂停发送至主机2的数据帧。

⑦LEC₄向LEC₁回送响应。

⑧LEC₁切换至直达VC连接，将后续数据帧发送给LEC₄。

在进行数据通信之前，首先必须建立该仿真局域网，也就是初始化过程。对千每个LEC要执行以下过程：

①LEC建立至LECS的控制VC连接(VCC)，获得LES地址及仿真局域网的最大帧长。

②LEC建立与LES的双向控制VCC，并发出加入请求，获得分配的LECID以及BUS的ATM地址。

③LEC经已建VCC将其代理的所有MAC地址登录在LES上。

④LEC建立与BUS的双向数据连接。

在通信过程中，仿真局域网中有三类ATM数据连接：

·  数据直连VC连接(datadirectVCC):LEC之间传送用户数据的双向点对点连接。

·  多播发送VC连接(multicast send VCC):LEC和BUS之间的双向点到点连接，主要用以传送LEC发往BUS的多播或广播数据。

·  多播前转VC连接(multicast forWard VCC):BUS至各个LEC的点到多点连接。用以将由多播发送VCC收到的数据转发给各LEC。如上所述，在LANE中LES完成的是MAC地址至ATM地址的解析，并不能完成IP地址至ATM地址的解析。如果仿真局域网要传送IP数据报，必须采用两步解析方法：IP地址→.MAC地址→.ATM地址。其过程如图2.54所示。

图2.54    LANE的IP地址解析方法

①主叫主机向BUS发送IPARP请求，内含目的IP地址。

②BUS向所有LEC广播发送该IPARP请求。

③被叫主机收到此请求后，返回其MAC地址。

④BUS将该MAC地址回送主叫主机。

⑤主叫主机再向LES发送LANEARP请求，内含被叫主机的MAC地址。

⑥LES返回被叫的ATM地址。

这种两步解析方法会增加IP数据报的传送时延，是LANE的一个缺陷。另外，和CIPOA类似，和其它仿真局域网通信必须经过传统的路由器或网桥，路由器亦将成为LANE组网的一个瓶颈。LANE的另一个问题是，它是以MAC层转换为基础的，网络层及以上层协议对于ATM网络来说是不可见的，因此没有办法把网络层的QoS请求传递到ATM层，也就是说ATM支持多业务和QoS的能力无法为LANE用户所利用。在仿真能力上，LANE只能仿真一种局域网，例如以太网或令牌环网，而不能同时仿真这两种网络。

LANE的主要优点是能够处理多播和广播数据的传送；由于网络层协议对ATM网络不可见，因此可以支持除IP以外的多种网络层协议；可以相当好地利用ATM网作为骨干网互连现有的局域网。

3.ATM上多协议规范(MPOA-Multiprotocol over ATM)

这是ATM论坛综合LANE、CIPOA以及IETF的一些改进规范提出的一种较为完善的叠加式扩展网络带宽的ATM技术。它的设计目标是：

·  继承LANE支持多种网络协议和支持局域网互连的能力。

·  继承CIPOA直接完成IP地址至ATM地址解析的能力。

·  提供不同子网中的主机或局域网经由直通ATM连接直接相连的能力，以消除路由器瓶颈问题。为此，需采用IETF为改进CIPOA提出的下一跳解析协议(NHRP-NextHopResolution Protocol)。

·  提供多播处理能力，为此，需采用IETF提出的多播地址解析服务器(MARS—MulticastAddressResolutionServer)。

因此MPOA集成了LANE、CIPOA、NHRP和MARS规范的功能，不但能支持多种网络协议，而且还克服了LANE和CIPOA的诸多缺陷。

首先说明NHRP的基本原理。如前所述，如果两个用户分属千不同的LIS，尽管它们之间存在直接的ATM连接，但是按照IP选路的原则，不同子网用户间的数据传送只能经过中间路由器一跳一跳地转发。NHRP的思路是增强每个LIS中的ARP服务器的功能，使它们不但能为位于本LIS中的目的用户提供地址解析服务，而且能通过相互合作，给出不在本LIS中的目的用户的ATM地址。在NHRP中，此服务器不再称为ARP服务器，而改称为NHS。其工作过程可用图2.55予以说明。

设，LlS₁中有一个用户需向IP地址为IPal的用户发送数据，它向NHS₁发送NHRP请求消息。NHS1搜索其数据库未能发现匹配的地址，就根据其内建的路由表，向通向IPal的下一站LIS的NHS₂查询。如此接力查询，如到达NHS₄,IPal属于其管辖范围，则原路返回其ATM地址直至NHS₁，据此主被叫用户间就可建立起直达的ATM连接，旁路中间的所有路由器。根据网络结构，最后解析得到的ATM地址可能是被叫主机的ATM地址，也可能是被叫所属局域网的网桥地址，或者是最靠近被叫的路由器地址。

图2.55  NHRP工作原理

在上述过程中，中间NHS和信源NHS都将暂存该信宿的地址映射关系，下次再出现同样请求时，这些NHS可直接作出响应，无需再发送NHRP请求消息了。NHS必须运行相应的路由协议才能确定转发NHRP请求信息的下一站地址。

图2.56直通连接和缺省连接

图2.56示出CIPOA的缺省连接和NHRP的直通连接的区别。前者要通过中间路由器转发，导致传送时延的显著增加；后者直接由人口路由器连接至出口路由器，所以常又称为捷径(shortcut)连接。

下面再简单说明一下MARS的概念。它也是基于客户机／服务器设计原则。参加某个广播组的多播客户成员名单存储在MARS中，在系统配置阶段，网络管理员为多播客户机分配指定的MARS。在地址解析时，该服务器将1P多播地址映射为一组多播客户机的ATM端地址。

至此我们可以对MPOA的功能特点作一分析。图2.57示出MPOA的模型结构。它由如下3个功能部件组成：

图2.57    MPOA的模型结构

•  边缘设备(edgedevice)：所谓边缘指的是其位置位于ATM网络的边缘，其功能是实现传统局域网和ATM网络的连接，相当于LANE中的桥接器，但它支持地址缓冲、NHRP和网络层分析等，智能程度更高。

•  ATM直连主机(ATM-attachedhost)：又称为MPOA主机。这类主机配备有一个ATM卡，与ATM网络直接相连，并以MPOA协议作为该网卡驱动程序的一部分。藉此，可与其它MPOA主机或经边缘设备连接的传统局域网进行高速通信。

•  路由服务器：其功能就是完成地址解析，提供路由信息。它负责维护本地的网络层、MAC层和ATM地址信息以及路由表，通过NHRP和其它路由服务器通信，提供直通路由的地址解析，可运行路由协议和传统路由器互通路由信息。

路由服务器可以通过一个专用设备来实现，也可以由路由器或交换机上的一组软件来实现。其功能相当于LANE中的LE服务器和CIPOA中的ARP服务器，但功能更为强大，且支持多种网络层协议。

在MPOA中数据发送的基本过程是：设传统局域网上主机发出一数据帧，边缘设备分析信宿地址。如果目的地是同一子网上的主机，则边缘设备就利用局域网仿真完成对信宿ATM地址的解析，然后建立至信宿所在局域网的VC连接，此时边缘设备起到一个网桥的作用。如果需要确定路由，边缘设备需首先确定信宿边缘设备的网络层地址（如1P地址），然后向路由服务器查询与之对应的ATM地址，获得此地址后，即可建立至信宿的直通连接。

为了减少询问路由服务器的次数，边缘设备具有地址缓存功能，可以缓存曾经访问过的目的地址ATM地址。此外，MPOA允许数据报传送有两种路由方式：至同一目的地的数据流的起始数据报经缺省路由逐跳传送，同时启动对数据报的计数；若数据流密度超过一定阙值，就向路由服务器发送地址解析请求，建立直通ATM连接传送。

MPOA模型的一个重要特点是引入了“虚拟路由器”的概念。所谓虚拟路由器指的是由一组网络设备共同完成路由器的功能，具体说来，就是路由服务器、ATM交换机和边缘设备协同提供了一个多协议路由器的功能，因此也可称为分布式路由器。

路由器的一般结构包括1/0接口、路由选择器和数据报转发引擎三部分，在MPOA模型中，路由服务器就相当于路由选择器，ATM交换网络就相当于转发引擎，而边缘设备就相当于1/0接口。将路由器功能分布到网络中去以后，就可以很灵活地根据需要增加任一部分的容量，从而解决了网络规模问题。同时，不同子网间的通信由虚拟路由器全局处理，不再需要传统路由器进行逐跳转发，能够充分发挥ATM高速传送的优势。