专注SIP通讯产品与方案

网络技术的IP/ATM重叠模型

        该项研究由ATM论坛和IEfF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(IPoverATM)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(address11垃olution):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。
  LETF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IPOverATM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-ClassicalIPoverATM)。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(LIS-LogicalIPSubnet)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-LIS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LIS中的低速数据链路层网络。
CIPOA的LlS内部通信方式
  图2.48示出同-LIS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ATMARP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。
(2)ATMARP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。
(5)ATMARP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之间通信尤需ATMARP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网络是尤连接网络,并尤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LlS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LIS的CIPOA一般网络结构。每个LIS配置-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。
CIPOA的一般网络结构
        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(ILC)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AA1、5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。
CIPOA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Sx对个分组,这样的速度还满足不『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。
LANE网络结构
  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ATMARP服务器。
·局域网仿真广播和未知地址服务器(BLIS):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AA1、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。
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I.ES统一分配。然后,此扩展的局域网帧经AA15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I.ES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LF5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BLIS。BLIS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。
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1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,H的MAC地址为MA2。
(2)LECl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BLIS。
(4)BLIS将数据广播发送给LE位-LE,LECi接收该数据帧,并广播发送给主机B。
(5)LES返回地址解析结果。
(6)LEC1经BLIS通知LECi停止广播发送,然后暂停发送至主机2的数据帧。
(7)LECi向LEC1回送响应。
(8)LEC1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。对于每个LEC要执行以下过程:
(1)LEC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。
(2)LEC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BLIS的ATM地址。
(3)LEC经已建VCC将其代理的所有MAC地址登录在LES上。
(4)LEC建立与BLIS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(multicastsendVCC):LEC和BLIS之间的双向点到点连接,主要用以传送LEC发往BLIS的多播或广播数据。
  ·多播前转VC连接(multicastfoIWardVCC):BLIS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。
LANE的IP地址解析方法
(1)主叫主机向BLIS发送IPARP请求,内含目的IP地址。
(2)BLIS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。
(4)BLIS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。
(6)LES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-MultiprotocoloverATM)这是ATM论坛综合LANE、CIPOA以及1ETF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1EfF为改进CIPOA提出的下一跳解析协议(NHRP-NextHopResolutionProtocol)。
  ·提供多播处理能力,为此,需采用1EfF提出的多播地址解析服务器(MARS—MulticastAddressResolutionServer)。
  肉此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,如果两个用户分属于不同的IJS,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lJS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IJS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NHSi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。
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。
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IP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:
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MP0A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IP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。