IP/ATM集成模型

1.IP/ATM集成基本原理

上述IP/ATM重叠模型总的思路是保持IP和ATM网络模式不变，解决IP报如何在ATM网络上传送的问题。它包含一系列的IP和ATM功能映射，如图2.58所示。其中，地址映射需要设置专门的服务器，既是网络的潜在瓶颈，又会引人数据传送的附加时延。IP选路全VC交换的映射要求网络既具有IP层的路由功能，又具有ATM层的交换信令功能，实现十分复杂。QoS的映射，由于IP网络的固有局限性，并没有解决。尽管ATM网络具有完善的QoS支持能力，但是在重叠模型中ATM网络仅仅提供了未定比特率(UBR)业务，用以支持IP网络的尽力而为服务。而IP多播能力却受到ATM多播能力的限制，其功能和规模都将受到影响。

图2.58     IP/ATM重叠模型的功能映射

 鉴于重叠模型二层网络功能重复，ATM能力又未能充分发挥的问题，IETF成员公司又提出了IP/ATM集成模型。其基本思路是将第三层的选路和第二层的转发融合在一起，转发采用ATM交换结构，而ATM交换结构的交换操作则受IP选路的控制。其网络节点既具有IP路由功能，又具有ATM交换功能，称之为交换／路由器(Switch/router)；网络协议则摒弃复杂的标准ATM信令，重新定义简化的分配协议。这样的模型不需要地址解析，IP报传送效率高，兼具IP选路的灵活性、健壮性和ATM交换的高速度、高性能的优点。

根据IP选路对ATM交换控制方式的不同，可将集成技术划分成两种类型：

·  数据驱动：根据IP数据流的类型控制ATM旁路通道的建立。一般来说，对于长报文流或实时性要求较高的报文流采用ATM直通连接传送，对于其它报文则采用常规IP选路逐跳转发。典型的数据驱动集成技术为原lpsilon公司的IP交换(IPSwitching)，其它尚有东芝公司的信元交换路由器(CSR—CellSwitchRouter)和NEC公司的快速ATM信元传送的IP交换(ipsofacto:IPswitchingoverfastATMcelltransport）。

·  控制驱动：由控制协议负责建立和保持IP路由和ATM VC之间的关系。它又可分为拓扑驱动和预留驱动两类。预留驱动的控制协议是资源预留协议(RSVP-Resource Reservation Protocol)，它将资源预留请求映射为ATM连接，可以确保IP数据传送的QoS。该项技术对于IP网络电话应用具有重要意义，将在第6章进一步讨论。拓扑驱动的控制协议就是IP路由协议，它将IP路由映射为ATM连接，其过程比预留驱动法简单，可以应用于大型网络，但是支持QoS的能力较弱。典型的拓扑驱动集成技术为Cisco公司的标签交换(TagSwitching)和以此为基础开发的、IETF标准化的多协议标记交换(MPI.5-Multi-Protocol Label Switching)，其它尚有IBM公司的基于聚合路由的IP交换(ARIS-Aggregated Route-Based IP Switching)。

下面简要介绍典型的数据驱动和拓扑驱动技术。

2.IP交换

IP交换机结构如图2.59所示。它由两部分组成：

•  ATM交换结构：其硬件和普通ATM交换机完全相同，但软件只保留交换控制和AAL.5适配功能，高层软件（包括信令、路由选择等）均去除。

•  IP交换控制器：运行标准的IP路由器软件，同时根据数据流类型控制ATM交换结构建立直通连接。

由此可见，IP交换内含两种转发方式：IP逐跳转发和ATM交换转发。

IP交换机运行两个协议：

•  通用交换管理协议(GSMP--GeneralSwitchManagementProto­col)：供IP交换控制器控制ATM交换结构。

•  lpsilon流管理协议(IFMP-IpsilonFlowManagementProtocol)：供IP交换机和邻节点通信，建立1P流和ATMVC的对应关系。

图2.59  IP交换机结构

IP交换机还装备了IP流分类软件，以决定IP数据报按何种方式转发。

系统启动时，在IP交换控制器之间建立缺省ATM VC，在该VC上逐跳转发无连接的IP数据报。由于第二层采用ATM传送，因此数据报需拆成信元，接收时由ATM交换结构交换至IP交换控制器，再由后者重装成数据报并选路，然后再拆成信元由选定的默认VC送出。

在转发过程中，IP交换控制器还识别IP数据流，如果发现是长报文流，就将其交给ATM交换结构传送，并经由1FMP通知前方节点。所谓IP流就是在相同源点和目的地点之间传送的一组IP数据报，具体来说，就是它们的IP/TCP/UDP头部中和路由相关的字段的值完全相同，包括源地址、目的地址、协议、源端口、目的端口和服务类型。判断长流有两种方法。一种方法是根据端口号识别其应用，如为FTP、Telnet、HTTP、RTP数据，则为长流，其中RTP是传送实时音频和视频数据的协议；如为DNS、SM1P、SNMP数据，则为短流。另一种方法是计数收到的每个流的数据报数目，如果在一定时间间隔内，收到的数据报数超过规定的门限值，就视作长流。

图2.60   IP交换工作原理

IP交换的工作原理如图2.60所示，其长流处理过程为：

①起始阶段：报文流经由缺省VC传送，由IP交换控制器负责选路和转发。

②控制器识别报文流为长流，为输入端口分配一个空闲标记(VCI=x)，为控制端口亦分配一个空闲标记(VCI=x'），并经GSMP指令ATM交换结构建立x-x'路径。然后经缺省VC向上游节点发送IFMP改向消息，消息中给出流标识和分配的标记(VCI=X)。

③上游节点将该报文流和分配的标记绑定，将该流的后续信元改为由VCl=x发经本节点。虽然此流仍然由控制器重新组装，并经选路后由缺省VC发往下游节点，但是由于该流已改由VCl=x'进人控制器，其选路结果已予缓存，不必再运行选路软件，因此转发速度明显提高。

④下游节点同样确定此流为长报文流，经IFMP改向消息通知本节点，将后续数据改由VCI=y发出。

⑤该数据流经由VCI=x-->VCI=x'（控制器)-->VCI=y路径完成转发。

⑥控制器通过GSMP指令ATM交换结构建立x-->y的直通连接，其后该扳文流将直接由ATM交换结构硬件完成转发，控制器不再介入。

在上述过程中，改向VCI是由下游节点指定的，称之为“下游分配”方式。其好处是不需要改向证实消息，一旦上游节点由指定的VC转发数据，就隐含表示上游节点已执行改向操作。

另外，改向转发报文的报头可以压缩，凡是在改向消息的流标记中已标明的头部字段可以不必再发送，接收方可以自行恢复。

IP交换的ATM直通连接是由各个节点的本地直通路径级联而成的，不是像NHRP那样通过地址解析服务器的协同操作端到端建立而成的。各个节点是否切换到直通路径，由其自行决定，但是在同一运营网络中，各节点的本地直通决策规则应该相同。

上述分布式决策策略会给ATM直通连接的建立带来额外的时延，同时两种转发机制的切换比较复杂，且只能提高长报文流的传送性能，这是IP交换的主要不足之处。

3.标记交换

无论是tag还是label，其含义和机理都相同，可统称为标记。标记交换的特点是在建立路由表的同时予先建立好路由和标记的映射关系。当入口节点收到IP数据报，经过选路确定路由后，就加上对应的标记予以发送。中间节点的IP报转发就简化为标记替换(LabelSwapping)，和ATM交换机理相同，可由硬件完成。这样就可大大加快数据报传送的速度，且既适用于长报文流，也适用于短报文流传送。标记交换可采用不同的标记替换技术，即包括ATM、帧中继等在内的不同的第二层交换技术。目前主要应用是IP和ATM的结合，此时标记就是VPI/VCI。

图2.61  标记交换网络结构

标记交换网络结构如图2.61所示。它包含两类网络部件：

·  边缘路由器：位于网络边缘，仅具IP路由功能。内建转发信息库(FIB)，存储标记和与之绑定的目的地址前缀，即路由和标记的映射关系。

·  核心标记交换机：位于网络内部，具有IP路由功能和ATM交换功能。内建FIB和标记转发信息库(TFIB),TFIB存储每个路由的输入标记和输出标记，包括输出端口及其链路及信息，ATM交换结构据此建立内部端口翻译表，控制信元交换。

网络基本工作过程为：

①初始化：根据路由协议和专用的标记分配协议，绑定路由和标记，即建立FIB和TFIB。

②入口边缘路由器收到1P报，查询FIB，将标记加人各个信元头部，发往标记交换机。

③标记交换机查询TFIB，得到其输出标记，交换后将该标记替换原来的输入标记，发往下一标记交换机。

④出口边缘路由器去除标记，将信元重新组装为原来的IP报，送往目的主机。

由上述分析可知，标记交换的一个关键问题是如何绑定路由和标记信息。由于标记仅具局部意义，必须逐段分配，因此标记交换定义了专用分配协议，在Tag Switching中称为标签分配协议(TDP)，在MPLS中称为标记分配协议(LDP)。标记分配有两种基本方式：下游分配和上游分配。图2.62示出下游分配的基本过程。

图2.62   下游标记分配过程

该路由为A→B，其中A、B分别为入口和出口边缘路由器。标记分配由B发起，根据路由协议确定上一站标记交换机为LS3，分配至LS3的标记为L4，经分配协议通知LS_3。LS₃再分配上一段的标记L3通知LS2，并将L3和L4分别作为输入标记和输出标记写入TFIB。如此一直回溯到入口路由器A。每个标记交换机负责分配用于输入数据分组的标记，从相邻节点接收用于输出数据分组的标记。上游标记分配连接与之类似，只是方向相反而已。

标记和数据流的对应关系可根据需要确定。最简单的划分是将具有相同源地址和目的地址的数据报赋予相同的标记，更精细的划分可考虑协议和端口，进一步还可考虑对QoS的不同要求。这就是所谓标记的粒度(granularity），藉此标记交换可支持QoS功能。

标记交换实现简单，可用于大型网络；能提供多媒体应用中所需的QoS和多播功能，并能支持多种协议，因此是IP/ATM集成中最有发展前景的一项技术。