第一章 ATM技術(shù)概述
1.1引言
在現(xiàn)代社會中，人們需要傳遞和處理的信息量越來越大，信息的種類也越來越多，其中對會議電視、高速
數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程教學(xué)、VOD等寬帶新業(yè)務(wù)的需求正迅速增長。原來的各種
網(wǎng)絡(luò)都只能傳輸一種業(yè)務(wù)，如電話網(wǎng)只能提供電話業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)只能提供數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)。這種情況對于用戶和網(wǎng)絡(luò)運營者來說都是不方便和不經(jīng)濟的，人們因此提出了ISDN（Integrated Services Digital Network）的概念，希望能夠用一種網(wǎng)絡(luò)來傳送各種業(yè)務(wù)。
ISDN的概念是于1972年提出的，由于當(dāng)時的技術(shù)和業(yè)務(wù)需求的限制，首先提出的是窄帶ISDN（N-ISDN）。目前N-ISDN技術(shù)已經(jīng)非常成熟，世界上已經(jīng)有了許多比較成熟的N-ISDN網(wǎng)。但是由于N-ISDN存在著帶寬有限、業(yè)務(wù)綜合能力有限、中繼網(wǎng)種類繁多、對新業(yè)務(wù)的適應(yīng)性差等局限性， 要求人們提出有更大的靈活性、更寬的帶寬、更強的業(yè)務(wù)綜合能力的新網(wǎng)絡(luò)。自80年代以來，一些與通信相關(guān)的基礎(chǔ)技術(shù)，如微電子、光電子技術(shù)等的
發(fā)展和光纖的傳輸距離和傳輸容量的提高，為新網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。
就是在這種環(huán)境下，出現(xiàn)了寬帶ISDN（B-ISDN）。B-ISDN能夠滿足：①提供高速傳輸業(yè)務(wù)的能力。②網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與業(yè)務(wù)特性無關(guān)。③信息的轉(zhuǎn)移方式與業(yè)務(wù)種類無關(guān)。為了研究
開發(fā)適應(yīng)B-ISDN的傳輸模式，人們提出了很多種解決
方案，如多速率電路交換、幀中繼、快速分組交換等。最后得到了一個最適合B-ISDN的傳輸模式──ATM（Asynchronous Transfer Mode）。
ATM技術(shù)作為B-ISDN的核心技術(shù)，已經(jīng)由ITU-T于1992年規(guī)定為B-ISDN統(tǒng)一的信息轉(zhuǎn)移模式。ATM技術(shù)克服了電路模式和分組模式的技術(shù)局限性，采用光通信技術(shù)，提高了傳輸質(zhì)量，同時，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上簡化操作，使網(wǎng)絡(luò)時延減小，而且采取了一系列其它技術(shù)，從而達(dá)到了B-ISDN的要求。
1.2 ATM信元（Cell）
ATM信元是ATM傳送信息的基本載體。ATM信元采用了固定長度的信元格式，只有53字節(jié)，其中5個字節(jié)為信頭，其余的48個字節(jié)為信元凈荷。信元的主要功能為確定虛通道，并完成相應(yīng)的路由控制。
ATM信元的格式如圖1-1所示：
圖1-1 ATM信元
信頭內(nèi)容在UNI（用戶網(wǎng)絡(luò)接口）和NNI（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口）略有區(qū)別，主要由以下幾部分構(gòu)成：
l GFC：一般流量控制，4比特。只用于UNI接口，目前置為“0000”將來可能用于流量控制。
l VPI：虛通道標(biāo)識，其中NNI為12比特，UNI為8比特。
l VCI：虛通路標(biāo)識，16比特，標(biāo)識虛通道內(nèi)的虛通路，VCI與VPI組合起來標(biāo)識一個虛連接。
l PTI：凈荷類型指示，3比特，用來指示信元類型，如表1所示。
表1 凈負(fù)荷類型
編碼 意義
000 用戶數(shù)據(jù)信元無擁塞 SDU類型=0
001 用戶數(shù)據(jù)信元無擁塞 SDU類型=1
010 用戶數(shù)據(jù)信元 擁塞 SDU類型=0
011 用戶數(shù)據(jù)信元 擁塞 SDU類型=1
100 分段OAM信息流相關(guān)信元
101 端到端OAM信息流相關(guān)信元
110 RM信元 資源管理用
111 保留
l CLP：信元丟失優(yōu)先級，1比特。用于信元丟失級別的區(qū)別，CLP是1，表示該信元為低優(yōu)先級，是0則為高優(yōu)先級，當(dāng)傳輸超限時，首先丟棄的是低優(yōu)先級信元。
l HEC：信頭差錯控制，8比特，監(jiān)測出有錯誤的信頭，可以糾正信頭中1比特的錯誤。HEC還被用于信元定界。
下面附上UNI信元信頭預(yù)賦值（表2）和NNI信元信頭預(yù)賦值（表3），信元信頭預(yù)賦值用于區(qū)別ATM層使用的信元和物理層使用的信元。
表2 UNI ATM信元信頭預(yù)賦值
八位組1 八位組2 八位組3 八位組4 用法
GFC VPI VCI PT CLP
0 0 0 0 1 空閑信元
0 0 0 100 1 物理層OAM信元
P 0 0 PPP 1 預(yù)留給物理層
GFC 0 0 XXX 0 無賦值信元
Y 0 XXX 0/1 無效信元
× 0 0001 0AA C 無信令
× 0 0010 0AA C 廣播信令
× 0 0101 0AA C 點到點信令
× 0 0011 0A0 A 段OAM F4
× 0 0100 0A0 A 端到端OAM F4
× 0 0110 110 A VP資源管理
× 0 0111 0AA A 保留VP未來功能
× 0 1SSS 0AA A 保留未來功能
× 000000000001 SSSS 0AA A 保留未來功能
× Z 100 A 段OAM F5
× Z 101 A 端到端OAM F5
× Z 110 A VC資源管理
× Z 111 A 保留VC未來功能
注： P 留給物理層使用 X 任意值 X=0時為本地
A 由ATM層使用 Y 除0外任意值
C 始端為0，可由網(wǎng)絡(luò)改變 S(SSS) 0(000)-1(111)任意值
Z 除0，011，0100，0110，0111外的任意值
表3 NNI ATM信元信頭預(yù)賦值
八位組1 八位組2 八位組3 八位組4 用法
VPI VCI PTI CLP
0 0 0 1 空閑信元
0 0 100 1 物理層OAM信元
0 0 PPP 1 預(yù)留給物理層
0 0 X 0 無賦值信元
Y 0 X 0/1 無效信元
X 0 0101 0AA C NNI信令
X 0 0011 0A0 C 段OAM F4信元
X 0 0100 0A0 C 端到端OAM F4
X 0 0110 110 A VP資源管理
X 0 0111 0AA A 保留VP未來功能
X 0 1SSS 0AA A 保留未來功能
X 000000000001 SSSS 0AA A 保留未來功能
X Y 100 A 段OAM F5信元
X Y 101 A 端到端OAM F5
X Z 110 A VC資源管理
X Y 111 A 保留VC未來功能
注： P 留給物理層使用 X 任意值X=0時為本地
A 由ATM層使用 Y 除0外的任意值
C 始端為0，由網(wǎng)絡(luò)改變 Z 除0，0110外的任意值
S(SSS) 0(000)-1(111)的任意值
ATM信元中信頭的功能比分組交換中分組頭的功能大大簡化了，不需要進行逐鏈路的差錯控制。只進行端到端的差錯控制，HEC只負(fù)責(zé)信頭的差錯控制，另外只用VPI、VCI標(biāo)識一個連接，不需要源地址、目的地址和包序號，信元順序由網(wǎng)絡(luò)保證。
1.3 B-ISDN參考模型
B-ISDN的協(xié)議參考模型如圖1-2所示。它包括一個用戶平面、一個控制平面和一個管理平面。用戶平面主要提供用戶信息流的傳輸，以及相應(yīng)的控制 ( 如流量控制、差錯控制 ) ?？刂破矫嬷饕峭瓿珊艚锌刂坪瓦B接控制的功能，通過處理信令來建立、管理和釋放呼叫與連接。管理平面提供兩種功能，即層管理和面管理功能。面管理完成與整個
系統(tǒng)相關(guān)的管理功能，并提供所有平面間的協(xié)調(diào)功能。層管理完成與協(xié)議實體內(nèi)的資源和參數(shù)相關(guān)的管理功能，處理與特定的層相關(guān)的操作和管理(OAM)信息流。
圖1-2 B-ISDN協(xié)議參考模型
用戶平面又分為物理層、ATM層、AAL層及高層，其各層間的數(shù)據(jù)傳輸如圖1-3所示。下面介紹各層功能。
1.3.1 物理層
物理層是承運信息流的載體，物理層有傳輸會聚TC和物理媒體連接兩個子層。
（1） 傳輸會聚TC子層
l TC子層負(fù)責(zé)將ATM信元嵌入正在使用的傳輸媒體的傳輸幀中，或相反從傳輸媒體的傳輸幀中提取有效的ATM層信元。ATM層信元嵌入傳輸幀的過程如下：ATM信元解調(diào)（緩存）&信頭差錯控制HEC產(chǎn)生&信元定界&傳輸幀適配&傳輸幀生成。從傳輸幀中提取有效ATM
圖1-3 ATM網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分層之間的數(shù)據(jù)傳輸
層信元的過程如下：傳輸幀接收&傳輸幀適配&信元定界&信頭差錯控制HEC檢驗&ATM信元排隊。傳輸會聚TC子層的主要功能是信元定界和信頭差錯控制HEC。
（2）物理媒體主要由ITU-T和ATM F建議的規(guī)范執(zhí)行，共有以下類型的連接：
l 基于直接信元傳輸?shù)倪B接
l 基于PDH網(wǎng)傳輸?shù)倪B接
l 基于SDH網(wǎng)傳輸?shù)倪B接
l 直接信元光纖傳輸
l UTOPIA接口（通用測試和運行物理接口）
l 管理和監(jiān)控信息流OAM傳輸接口
1.3.2 ATM層
ATM層利用物理層提供的信元（53字節(jié)）傳送功能，向外部提供傳送ATM業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元（48字節(jié)）的功能。ATM業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)部分（ATM-SDU）是任意的48字節(jié)長的數(shù)據(jù)段，它在ATM層中成為ATM信元的負(fù)載區(qū)部分。如圖1-3所示。
1.3.3 AAL層
AAL層的主要作用是將高層的用戶信息分段裝配成信元，吸收信元延時抖動和信元丟失，并進行流量控制和差錯控制。網(wǎng)絡(luò)只提供到ATM層為止的功能。AAL層的功能由用戶本身提供，或由網(wǎng)絡(luò)與外部的接口提供。
AAL用于增強ATM層的能力，以適合各種特定業(yè)務(wù)的需要。這些業(yè)務(wù)可能是用戶業(yè)務(wù)，也可能是控制平面和管理平面所需的功能業(yè)務(wù)。在ATM層上傳送的業(yè)務(wù)可能有很多種，但根據(jù)三個基本參數(shù)來劃分，可分為四類業(yè)務(wù)。三個參數(shù)是：源和目的之間的定時要求、比特率要求和連接方式。業(yè)務(wù)類劃分為A、B、C、D四類。
A 類 ： 固定比特率(CBR)業(yè)務(wù):ATM適配層１(AAL1),支持面向連接的業(yè)務(wù),其比特率固定,常見業(yè)務(wù)為64Kbit/s話音業(yè)務(wù),固定碼率非壓縮的視頻通信及專用數(shù)據(jù)網(wǎng)的租用電路。
B類： 可變比特率(VBR)業(yè)務(wù):ATM適配層2(AAL2)。支持面向連接的業(yè)務(wù),其 比特率是可變的。常見業(yè)務(wù)為壓縮的分組語音通信和壓縮的視頻傳輸。該業(yè)務(wù)具有傳遞介面延遲物性,其原因是接收器需要重新組裝原來的非壓縮語音和視頻信息。
C類： 面向連接的數(shù)據(jù)服務(wù):AAL3/4。該業(yè)務(wù)為面向連接的業(yè)務(wù),適用于
文件傳遞和數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù),其連接是在數(shù)據(jù)被傳送以前建立的。它是可變比特率的,但是沒是介面?zhèn)鬟f延遲。
D 類：無連接數(shù)據(jù)業(yè)務(wù):常見業(yè)務(wù)為數(shù)據(jù)報業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)網(wǎng)業(yè)務(wù)。在傳遞數(shù)據(jù)前, 其連接不會建立。AAL3/4或AAL5均支持此業(yè)務(wù)。
參數(shù)、業(yè)務(wù)類別和相應(yīng)的AAL適配類型可由圖1-4所示。
業(yè)務(wù)參數(shù) A類 B類 C類 D類
源和目的定時 需要 不需要
比特率 固定 可變
連接方式 面向連接 無連接
AAL類型 AAL 1 AAL 2 AAL 3 AAL 4
AAL 5
用戶業(yè)務(wù)舉例 電路仿真 運動圖象視頻聲頻 面向連接數(shù)據(jù)傳輸 無連接數(shù)據(jù)傳輸
服務(wù)質(zhì)量 QoS1 QoS2 QoS3 QoS4
注：
AAL1：恒定比特率實時業(yè)務(wù)適配協(xié)議 AAL2：可變比特率實時業(yè)務(wù)適配協(xié)議
AAL3/4：數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送適配協(xié)議 AAL5：高效數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送適配協(xié)議
圖1-4 業(yè)務(wù)分類、AAL類型和服務(wù)質(zhì)量
各種ATM服務(wù)類型的特性比較如表4所示。
表4 ATM服務(wù)類型的特性比較
服務(wù)特性 CBR rt-VBR nrt-VBR ABR UBR
帶寬保證 是 是 是 可選 不
適用于實時通信 是 是 不 不 不
適用于突發(fā)通信 不 不 是 是 是
有關(guān)于擁塞的反饋 不 不 不 是 不
根據(jù)ATM層傳送業(yè)務(wù)量的要求，ITU-T和ATMF按業(yè)務(wù)要求的比特率各自提出了業(yè)務(wù)的分類。相互關(guān)系可參見圖1-5。
圖1-5 ATM層承載業(yè)務(wù)分類方式
恒定比特率CBR（constant bit rate）主要用來模仿銅線或者光導(dǎo)纖維。沒有差錯校驗，沒有流量控制，也沒有其余的處理。這個類別在當(dāng)前的電話系統(tǒng)和將來的B-ISDN系統(tǒng)中作了一個比較圓滑的過渡，因為話音級的PCM通道，T1電路以及其余的電話系統(tǒng)都使用恒定速率的同步數(shù)據(jù)傳輸。
可變比特率VBR（variable bit rate）被劃分為兩個子組別，分別是為實時傳輸和非實時傳輸而設(shè)立的。RT-VBR主要用來描述具有可變數(shù)據(jù)流并且要求嚴(yán)格實時的服務(wù)，比如交互式的壓縮視頻（例如電視會議）。NRT-VBR用于主要是定時發(fā)送的通信場合，在這種場合下，一定數(shù)量的延遲及其變化是可以被應(yīng)用程序所忍受的，如電子郵件。
可用比特率ABR（available bit rate）術(shù)語是為帶寬范圍已大體知道的突發(fā)性信息傳輸而設(shè)計的。ABR是唯一一種網(wǎng)絡(luò)會向發(fā)送者提供速度反饋的服務(wù)類型。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中擁塞發(fā)生時會要求發(fā)送者減小發(fā)送速率。假設(shè)發(fā)送者遵守這些請求，采用ABR通信的信元丟失就會很低。運行著的ABR有點象等待機會的機動旅客：如果有空余的座位（空間），機動的旅客就會無延遲地被送到空余座位處；如果沒有足夠的容量，他們就必須等待（除非有些最低帶寬是可用的）。
未指定比特率UBR（unspecified bit rate）不做任何承諾，對擁塞也沒有反饋，這種類型很適合于發(fā)送IP數(shù)據(jù)報。如果發(fā)生擁塞，UBR信元也會被丟棄，但是并不給發(fā)送者發(fā)送反饋，也不給發(fā)送者希望放慢速度的期望。
以上各層的功能與協(xié)議參考模型的關(guān)系如表5所示。
表5 B-ISDN各層的功能與協(xié)議參考模型的關(guān)系
高層 高層功能
AAL層 CS子層 會聚功能，即將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)變換成CS數(shù)據(jù)單元
SAR子層 分段與重組，在此層以信元為單位對CS數(shù)據(jù)分段或重組
ATM層 通用流量控制信頭頭的產(chǎn)生/提取信元VP/VC變換信元復(fù)用與分解
物理層 TC子層 信元速率解耦HEC信頭序列產(chǎn)生/檢驗信元定界傳輸幀適配傳輸幀產(chǎn)生/恢復(fù)
PM子層 比特定時物理媒體
1.4 ATM標(biāo)準(zhǔn)
ATM標(biāo)準(zhǔn)主要是由國際電信聯(lián)盟ITU-T開發(fā)和制定的。ATMF主要目的是通過可互操作的技術(shù)規(guī)范，加速ATM產(chǎn)品的開發(fā)和擴展。
用于ATM交換系統(tǒng)，由ITU-T提供的協(xié)議可參見圖1-6，至今為止，有關(guān)的建議還在繼續(xù)研究和制訂過程中。尤其是關(guān)于多媒體信令的建議，當(dāng)前大致完成能力集CS-1的部分，即關(guān)于點到點的基本呼叫連接控制。能力集CS-2即擴展到點到多點，并增附加業(yè)務(wù)參量，服務(wù)質(zhì)量QoS等控制功能的協(xié)議族，部分已通過，部分等待審議，部分需重新制訂。能力集CS-3即能實現(xiàn)ATM交換全部六種連接類型的信令協(xié)議族，尚在研究過程中。
ATMF所制定的技術(shù)規(guī)范集中在寬帶互連接口B-ICI；各類物理層接口，如DS1、DS3、E1、E3、155.52Mbit/S、622.08Mbit/S和通用測試和運行物理接口Utopia等；各類互通接口，如局域網(wǎng)仿真、電路仿真和幀中繼仿真等；ATM用戶網(wǎng)絡(luò)接口技術(shù)規(guī)范，用戶網(wǎng)絡(luò)接口信令UNI 4.0；專用網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)接口PNNI等。此外還制訂了相應(yīng)的測試規(guī)范。
1.5 ATM地址格式
ATM有3種地址格式。如圖1-7所示。第1字節(jié)指明該地址是3種地址格式中的哪一種。數(shù)據(jù)國家代碼（DCC）有20字節(jié)長，是基于OSI地址格式的；第2和第3字節(jié)指明國家；第4字節(jié)給出了基于地址部分的格式，其他包括3字節(jié)指明權(quán)限，2字節(jié)指明域（domain），1字節(jié)指明區(qū)域，還有6字節(jié)的地址，以及其他一些信息項。在國際代號設(shè)計碼（IC）地址格式中，第2和第3字節(jié)指定一個國際組織，而不是國家；地址的其余部分和格式與第1種相同。另一種是舊的使用15位十進制數(shù)的ISDN電話號碼（ITU-T E.164）作為地址的格式。
圖1-7 ATM地址格式
圖1-7中：AFI——格式標(biāo)識符（缺?。?br> DCC——2個字節(jié)的數(shù)據(jù)國家代碼
DFI——1個字節(jié)，與特定區(qū)域相關(guān)的格式標(biāo)識符
AA——3個字節(jié)的管理授權(quán)標(biāo)志
RD——2個字節(jié)的路由區(qū)域標(biāo)識
Area——2個字節(jié)的地區(qū)標(biāo)識
ES1——6個字節(jié)的末端系統(tǒng)標(biāo)識，它實際是IEEE 802規(guī)定的MAC地址
Sel——1字節(jié)的網(wǎng)絡(luò)訪問點（N
SAP）選擇標(biāo)識
ICD——2字節(jié) 的國際代號設(shè)計碼
E.164——8字節(jié)的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）中的電話號碼
第二章 ATM交換原理
ATM交換技術(shù)是ATM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心。交換結(jié)構(gòu)的性能將決定ATM網(wǎng)絡(luò)的性能和規(guī)模。交換機設(shè)計的方法將影響交換吞吐量、信元阻塞、信元丟失和交換延時等，交換結(jié)構(gòu)不僅影響交換機的性能和擴展特性，而且也影響交換機支持廣播方式和點到點方式的能力。
現(xiàn)代通信網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的交換方式有兩種：電路交換方式和分組交換方式。電路交換方式包括傳統(tǒng)電路交換、多速率電路交換、快速電路交換等，分組交換方式包括幀交換、幀中繼、快速分組交換等。電路交換方式適用于話音等實時性業(yè)務(wù)，而分組交換方式適用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在綜合業(yè)務(wù)環(huán)境下，不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的要求不同，電路交換方式和分組交換方式都不能滿足綜合業(yè)務(wù)環(huán)境下的使用要求。ATM交換技術(shù)是一種融合了電路交換方式和分組交換方式優(yōu)點而形成的新型交換方式。
2.1 ATM交換的特點
ATM交換具有以下特點：
（1）采用統(tǒng)計時分復(fù)用
傳統(tǒng)的電路交換中用STM（Synchronous Transfer Mode）方式將來自各種信道上的數(shù)據(jù)組成幀格式，每路信號占固定比特位組，在時間上相當(dāng)于固定的時隙，即屬于同步時分復(fù)用。在ATM方式中保持了時隙的概念，但是采用統(tǒng)計時分復(fù)用的方式，取消了STM中幀的概念，在ATM時隙中存放的實際上是信元。
（2）以固定長度（53字節(jié)）的信元為傳輸單位，響應(yīng)時間短
ATM的信元長度比X.25網(wǎng)絡(luò)中的分組長度要小得多，這樣可以降低交換節(jié)點內(nèi)部緩沖區(qū)的容量要求，減少信息在這些緩沖區(qū)中的排隊時延，從而保證了實時業(yè)務(wù)短時延的要求。
（3）采用面向連接并預(yù)約傳輸資源的方式工作
在ATM方式中采用的是虛電路形式，同時在呼叫過程向網(wǎng)絡(luò)提出傳輸所希望使用的資源。考慮到業(yè)務(wù)具有波動的特點和網(wǎng)絡(luò)中同時存在連接的數(shù)量，網(wǎng)絡(luò)預(yù)分配的通信資源小于信源傳輸時的峰值速率（PCR）。
（4）在ATM網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部取消逐段鏈路的差錯控制和流量控制，而將這些工作推到了網(wǎng)絡(luò)的邊緣
X.25運行環(huán)境是誤碼率很高的頻分制模擬信道，所以X.25執(zhí)行逐段鏈路的差錯控制。又由于X.25無法預(yù)約網(wǎng)絡(luò)資源，任何鏈路上的數(shù)據(jù)量都可能超過鏈路的傳輸能力，因此X.25需要逐段鏈路的流量控制。而ATM協(xié)議運行在誤碼率較低的光纖傳輸網(wǎng)上，同時預(yù)約資源保證網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)呢?fù)載小于網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，ATM將差錯控制和流量控制放到網(wǎng)絡(luò)邊緣的終端設(shè)備完成。
（5）ATM支持綜合業(yè)務(wù)
ATM充分綜合了電路交換和分組交換的優(yōu)點，既具有電路交換“處理簡單”的特點，支持實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)透明傳輸，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不對數(shù)據(jù)作復(fù)雜處理，采用端-端通信協(xié)議；又具有分組交換的特點，如支持可變比特率業(yè)務(wù)，對鏈路上傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)采用統(tǒng)計時分復(fù)用等。所以ATM支持話音、數(shù)據(jù)、圖象等綜合業(yè)務(wù)。
2.2 VP/VC交換
在ATM中一個物理傳輸通道被分成若干的虛通路VP（Virtual Path），一個VP又由上千個虛通道VC（Virtual Channel）所復(fù)用。ATM信元的交換既可以在VP級進行，也可以在VC級進行。虛通路VP和虛通道VC都是用來描述ATM信元單向傳輸?shù)穆酚?。每個VP可以用復(fù)用方式容納多達(dá)65536個VC，屬于同一VC的信元群擁有相同的虛通道識別符VCI（VC Identifier），屬于同一VP的不同VC擁有相同的虛通路識別符VPI，VCI 和VPI都作為信元頭的一部分與信元同時傳輸。傳輸通道、虛通路VP、虛通道VC是ATM中的三個重要概念，其關(guān)系如圖2-1所示。
圖2-1 傳輸通道、虛通路VP、虛通道VC的關(guān)系
ATM的呼叫接續(xù)不是按信元逐個地進行選路控制，而是采用分組交換中虛呼叫的概念，也就是在傳送之前預(yù)先建立與某呼叫相關(guān)的信元接續(xù)路由，同一呼叫的所有信元都經(jīng)過相同的路由，直至呼叫結(jié)束。其接續(xù)過程是：主叫通過用戶網(wǎng)絡(luò)接口UNI發(fā)送一個呼叫請求的控制信號，被叫通過網(wǎng)絡(luò)收到該控制信號并同意建立連接后，網(wǎng)絡(luò)中的各個交換節(jié)點經(jīng)過一系列的信令交換后就會在主叫與被叫之間建立一條虛電路。虛電路是用一系列VPI/VCI表示的。在虛電路建立過程中，虛電路上所有的交換節(jié)點都會建立路由表，以完成輸入信元VPI/VCI值到輸出信元VPI/VCI值的轉(zhuǎn)換。
虛電路建立起來以后，需要發(fā)送的信息被分割成信元，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳送到對方。若發(fā)送端有一個以上的信息要同時發(fā)送給不同的接收端，則可建立到達(dá)各自接收端的不同虛電路，并將信元交替送出。
在虛電路中，相鄰兩個交換節(jié)點間信元的VCI/VPI值保持不變。此兩點間形成一條VC鏈，一串VC鏈相連形成VC連接VCC（VC Connection）。相應(yīng)地，VP鏈和VP連接VPC也以類似的方式形成。
VCI/VPI值在經(jīng)過ATM交換節(jié)點時，該VP交換點根據(jù)VP連接的目的地，將輸入信元的VPI值改為新的VPI值賦予信元并輸出，該過稱為VP交換?？梢奦P交換完成將一條VP上所有的VC鏈路全部送到另一條VP上，而這些VC鏈路的VCI值保持不變（如圖2-2所示）。VP交換的實現(xiàn)比較簡單，往往只是傳輸通道的某個等級數(shù)字復(fù)用線的交叉連接。
圖2-2 VP交換
VC交換要和VP交換同時進行，因為當(dāng)一條VC鏈路終止時，VP連接（即VPC）就終止了，這個VPC上的所有VC鏈路將各自執(zhí)行交換過程，加到不同方向的VPC中去。如圖2-3所示。
圖2-3 VC交換過程
2.3 ATM交換原理
ATM交換結(jié)構(gòu)應(yīng)該能夠完成兩方面基本功能，一是空間交換，即將信元從一條傳輸線上交換到另一條上，又叫路由選擇；另一功能是時間交換，即將信元從一個時隙轉(zhuǎn)移到另一時隙。下面介紹ATM交換的原理。
ATM交換機從基本構(gòu)成上可分為接口模塊、交換模塊、和控制模塊，如圖2-4所示。
圖2-4 ATM交換機的功能模塊
接口模塊位于交換機的邊緣，為交換機提供對外的接口。接口模塊可分為兩大類，一類是ATM接口模塊，提供標(biāo)準(zhǔn)的、ATM接口；另一類是業(yè)務(wù)接口模塊，提供與具體業(yè)務(wù)相關(guān)的接口。
ATM接口模塊完成物理層、ATM層的功能。業(yè)務(wù)接口模塊完成業(yè)務(wù)接口處理、AAL層和ATM層的功能。業(yè)務(wù)接口的處理包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層甚至更高層的功能，如業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的識別、分離或組裝用戶數(shù)據(jù)和信令。業(yè)務(wù)信令經(jīng)過分析轉(zhuǎn)換為ATM信令，由交換機的控制模塊進行處理，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)則根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型，進行不同類型的ATM適配。
交換模塊是整個交換機的核心模塊，它提供了信元交換的通路，通過交換模塊的兩個基本功能（排隊和選路），將信元從一個端口交換到另一個端口上去，從一個VP/VC交換到另一個VP/VC。交換模塊還完成一定的流量控制功能，主要是優(yōu)先級控制和ABR業(yè)務(wù)的流量控制。
控制模塊是交換機的中央樞紐，它完成ATM信元處理、資源管理和流量控制中的連接接納控制，以及設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)管理等功能、在實現(xiàn)時，設(shè)備管理和網(wǎng)管多在外接的管理維護
平臺上完成。
2.4 基本排隊機制
ATM交換結(jié)構(gòu)的基本排隊機制有輸入排隊、輸出排隊和中央排隊。如圖2-5所示。
圖2-5 基本排隊方式
2.4.1 輸入排隊
在這種情況下采用如圖2-5所示的方法來解決輸入端可能出現(xiàn)的競爭問題。在煤炭輸入線上設(shè)置隊列，對信元進行排隊，由一個仲裁機構(gòu)根據(jù)各輸出線的忙閑、輸入隊列的狀態(tài)、交換傳輸媒體的狀態(tài)來決定那些隊列中的信元可以進行交換。輸入排隊的特點有：
①存在信頭阻塞（HOL），如線1隊列上的第一個信元要到出線2上，若出線忙，隊列的第一個信元出不去，則它后面的信元的出線即使空著，這些信元也不能輸出，這就是信頭阻塞（HOL）。HOL降低了交換傳輸媒體的利用效率。
②需要專門的仲裁機制。仲裁機制越復(fù)雜，交換傳輸媒體的利用率就越高，但系統(tǒng)的實現(xiàn)就越復(fù)雜。
③從隊列本身的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法來看，輸入隊列是比較簡單的，可以用簡單的FIFO來實現(xiàn)，對存儲器速度的要求較低。
2.4.2 輸出排隊
輸出排隊中，交換傳輸媒體本身可保證輸入的任一個信元都可以被交換到輸出端，但輸出線的速率是有限的，所以要在輸出端進行排隊，解決輸出線的競爭。輸出隊列有以下特點。
①輸出隊列的控制比較簡單，在輸出隊列中，只需判斷信元的目的輸出線，由交換傳輸媒體將信元放到相應(yīng)的輸出隊列中就可以了。
②輸出隊列本身的管理比較簡單。輸出隊列可以由FIFO實現(xiàn)，擔(dān)它要求存儲器的速度較高，極端的情況是，N個入線的信元都要求輸出到同一條出線，為保證無信元丟失，要求存儲器的寫速率是入線速率的總和。
③輸出隊列的利用率較低。為達(dá)到同樣的信元丟失率，輸出隊列要求更大的存儲空間，因為一個輸出隊列只為一個輸出線利用，每個隊列都需要按照最壞的情況設(shè)計存儲容量。
2.4.3 中央排隊
中央排隊機制中，交換傳輸媒體分為兩部分，隊列設(shè)在兩個交換傳輸媒體中間，所有入線和出線共用一個緩沖器，所有信元都經(jīng)過這一個緩沖器進行緩存。
中央排隊的特點是：
①存儲管理復(fù)雜。由于存儲器不再由一個輸入、輸出線所用，所以隊列不能用簡單的FIFO實現(xiàn)，而必須用隨機尋址的存儲器來實現(xiàn)，還有一套復(fù)雜的管理機制。
②存儲器利用率高。由于存儲器有所有虛連接共享，相當(dāng)于對每一個輸入、輸出線都有一個長度可變的隊列。
③對存儲器的速度要求是三種方式中最高的。輸入、輸出端的存儲器讀寫速度都必須是所有的端口速率之和。
2.5 共享存儲器交換機的模型
2.5.1 ATM交換結(jié)構(gòu)
ATM交換結(jié)構(gòu)（Switching Fabric）是ATM交換單元的核心。大型交換機的交換單元由多個交換結(jié)構(gòu)互連而成，小的交換機有單個交換結(jié)構(gòu)構(gòu)成。ATM交換結(jié)構(gòu)分為時分交換結(jié)構(gòu)和空分交換結(jié)構(gòu)兩種，下面分別介紹。
2.5.1.1 時分交換結(jié)構(gòu)
在時分交換結(jié)構(gòu)中，各接口以時分復(fù)用的方式共享一條通信媒體。根據(jù)媒體不同，可分為共享總線和共享存儲器兩種。時分交換結(jié)構(gòu)的交換能力受到共享媒體的限制，但是由于每個信元都沿著共享媒體傳輸，所以時分交換結(jié)構(gòu)很容易實現(xiàn)點到多點傳送（Point-to-Multipoint）。
l 共享總線結(jié)構(gòu)
共享總線結(jié)構(gòu)一般如圖2-6所示，它由總線和總線仲裁模塊構(gòu)成，各個接口模塊都掛在總線上，當(dāng)一個接口模塊有信元要交換時，由接口模塊首先發(fā)出總線申請，由總線仲裁模塊決定是否允許發(fā)送，如果允許，則接口模塊把信元發(fā)送到總線上，總線上各個接口模塊根據(jù)信元攜帶的路由信息判斷是否接收該信元，如果信元的目的地址為本模塊，則從總線上把該信元拷貝下來，這樣就完成了一個信元交換。
圖2-6 共享總線交換結(jié)構(gòu)
共享總線交換結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)點到多點通信，容易實現(xiàn)優(yōu)先級控制，但是它的吞吐量有限。
l 共享存儲器結(jié)構(gòu)
共享存儲器結(jié)構(gòu)的交換方式是目前比較流行的一種ATM交換方式。由于我們設(shè)計的交換機采用的就是共享存儲器結(jié)構(gòu)，所以將在下面詳細(xì)介紹。
2.5.1.2 空分交換結(jié)構(gòu)
在空分交換結(jié)構(gòu)中，輸入和輸出端口之間有一組通路，這些通路并行工作使不同輸入端口的信元可以同時由交換單元傳送。這樣交換單元的總?cè)萘烤褪敲總€通路的帶寬乘以并行傳送一個信元的的通路平均數(shù)之積。因此，理論上采用空分交換結(jié)構(gòu)的ATM交換機的總?cè)萘繘]有上限?？辗纸粨Q結(jié)構(gòu)可分為全互聯(lián)網(wǎng)和多極互聯(lián)網(wǎng)（MIN）。
在ATM交換機中利用多級互連網(wǎng)將一些相同結(jié)構(gòu)的小容量交換單元，構(gòu)成一個大容量的交換結(jié)構(gòu)。交換單元是一個獨立的交換單位，多為一個或一組交換芯片，可以完成4×4、8×8、16×16等容量的交換，實現(xiàn)方式多種多樣，如可以采用共享存儲器、全互連網(wǎng)結(jié)構(gòu)。目前比較流行的連接各個交換單元的多級互連網(wǎng)是Banyan網(wǎng)，如圖2-7所示。
圖2-7中所示是一種形式的Banyan網(wǎng)，它的基本單元是2×2的交換單元。這是一種自選路由的網(wǎng)絡(luò)，以目的地址為選路信息，有N比特的目的地址就有N級網(wǎng)絡(luò)，每級解釋選路信息的一比特，交換單元中標(biāo)有1的出線，表示選路信息的當(dāng)前比特為1時從此線出。
圖2-7 Banyan網(wǎng)
2.5.2 共享存儲器交換結(jié)構(gòu)
共享存儲器的交換結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，它一般由路由選擇、存儲器控制、信元傳輸媒體和中央存儲器構(gòu)成。
共享存儲器交換結(jié)構(gòu)的交換容量由存儲器的容量決定。目前典型的共享存儲器交換結(jié)構(gòu)都采用共享輸出隊列的排隊機制。采用地址鏈表管理存儲器。地址鏈表中存放著共享存儲器的空閑地址，當(dāng)一個信元到達(dá)時，就從鏈表中彈出一個地址，信元就存儲在這個地址所指的存儲區(qū)中；同時信頭進入選路控制器，由它識別信元的出口線，每個出口線都對應(yīng)著一個輸出隊列，選路控制器將信元存放的地址推入相應(yīng)的輸出隊列中，這樣各出口線只要從輸出隊列中取出地址，就可根據(jù)這個地址從共享存儲體中取出信元了。
共享存儲器交換結(jié)構(gòu)的特點：
（1）點到多點通信實現(xiàn)較復(fù)雜，一種方法是將信元拷貝多份，分別放入各個隊列中；一種方法是不進行信元拷貝，而是設(shè)置一個計數(shù)器，每向一個目的輸出端口傳送一次信元，計數(shù)器就減一，一直到零，表示已向所有目的輸出端口傳送了廣播/點到多點信元，這時才可釋放該信元所占用的存儲地址。
（2）存儲器控制機制較復(fù)雜。
（3）由于存儲器是一種非常通用的器件，并且存儲器電路設(shè)計具有重復(fù)性，所以共享存儲器交換結(jié)構(gòu)從成本和交換容量上比共享總線結(jié)構(gòu)要好。
（4）存儲器為所有輸出共享，所以存儲器利用率較高。
（5）共享存儲器結(jié)構(gòu)本身也是無阻塞的，信元丟失只發(fā)生于隊列溢出時。
在共享存儲器交換結(jié)構(gòu)中，排隊管理的方式?jīng)Q定了共享
內(nèi)存的利用效率。目前較流行的排隊管理如圖2-9所示。在圖中所示的例子中，每個輸出端口對應(yīng)4個隊列，每個隊列一個優(yōu)先級。除了輸出隊列外，還有CPU隊列，用來存放需要送到CPU的信令、OAM、網(wǎng)管等信元。在共享內(nèi)存中，為每一個隊列設(shè)置少量的保留內(nèi)存，不論該內(nèi)存是否使用都為其保留。這種內(nèi)存部分共享方式的內(nèi)存管理效率比內(nèi)存全部共享方式的利用率要低，但是不會出現(xiàn)一個或幾個隊列把共享內(nèi)存全部占據(jù)的情況。
第三章 ATM通信量管理
3.1 服務(wù)質(zhì)量
服務(wù)質(zhì)量在ATM網(wǎng)絡(luò)中是一個重要的話題，這部分因為ATM網(wǎng)絡(luò)都是用作實時傳輸?shù)?，比如音頻和視頻。當(dāng)一條虛電路建立時，傳輸層（典型地為主機中的一個進程，“客戶”）和ATM網(wǎng)絡(luò)層（例如：一個網(wǎng)絡(luò)操作者，也即“運載提供者”）都要遵守一個定義服務(wù)的協(xié)定。
協(xié)定的第一部分是通信量描述符（traffic descriptor）。它描述要提供的載荷。協(xié)定的第二個部分指定客戶所要求的和通信提供者同意的服務(wù)質(zhì)量。無論是載荷還是服務(wù)，都是要以可度量的數(shù)量來描述的，這樣約定就可以被客觀的決定。
為了使具體的通信量協(xié)定成為可能，ATM標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列的服務(wù)質(zhì)量QoS(quality of service)，客戶和通信提供者可以協(xié)商這些參數(shù)的值。對于每一個服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，其最差情況下的值被指定了，要求通信提供者必須要達(dá)到或者超過該值。在某些情況下，參數(shù)是一個最小值，而在另外一些情況下它是一個最大值。也是在這里，服務(wù)質(zhì)量在每個方向上都是單獨指定的。其中一些比較重要的列在了表6中，但它們并不是對所有的服務(wù)類型都適用。
表6 一些服務(wù)質(zhì)量參數(shù)
參數(shù) 縮寫詞 含義
峰值信元速率 PCR 信元發(fā)送的最大速率
持續(xù)信元速率 SCR 長時間的平均信元傳輸速率
最小信元速率 MCR 最小的可接受的信元傳輸速率
信元延遲變化極值 CDVT 最大的可接受的信元抖動
信元丟失比率 CLR 信元丟失或提交得太遲的比例
信元傳送延遲 CTD 信元提交時拖延的時間（中間值和最大值）
信元延遲變化 CDV 信元提交時間的變化幅度
信元錯誤比率 CER 提交無錯信元的比例
嚴(yán)重錯誤信元塊比率 SECBR 出錯信元的比例
信元錯誤目的地比率 CMR 信元提交至錯誤目的地的比例
3.2 通信量整形和控制
使用和增強服務(wù)質(zhì)量參數(shù)的機制是基于（部分地）一種特定的算法，也即通用信元速率算法GCRA(generic cell rate algorithm)。它的工作原理是檢查每一個信元，看是否遵從了虛電路的參數(shù)。
GCRA有兩個參數(shù)，它們指定了最大的允許到達(dá)率（PCR）和其中可以忍受的到達(dá)時間變化量（CDVT）。PCR的倒數(shù)，T=1/PCR是最小的信元到達(dá)間隔值。
GCRA算法被稱為虛擬調(diào)度算法(virtual scheduling algorithm)，然而從另一種角度來看，它等同于一個漏桶算法?？砂岩粋€合乎協(xié)定的信元想象成是倒入一個漏桶的T單位的流體。這個桶以1單位/us的速度漏液體，因此Tus之后它就空了。如果信元正好是以1信元/Tus的速度到達(dá)，那么每一個到達(dá)的信元都會發(fā)現(xiàn)桶剛剛空出來，該信元會把桶內(nèi)重新裝上T單位的液體。因此當(dāng)一個信元到達(dá)時，液體水位升至T，以后就線性遞減直到為零。
當(dāng)一個信元提前Lus到達(dá)時，桶就應(yīng)該溢出。對于一給定的T，如果我們把L設(shè)置得很小，桶的容量將會很難超過T，因此所有的信元必須以一種非常規(guī)范的間隔順序發(fā)送。然而，如果我們現(xiàn)在增加L的值，使它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于T，桶將會容納很多的信元，因為T+L>;>;T。這就意味著發(fā)送者可以以峰值速率一個接一個地發(fā)送一些突發(fā)性數(shù)據(jù)，而它們?nèi)匀荒軌虮徽_地接收。
GCRA正常情況下是通過給定參數(shù)T和L來指定的。T正好是PCR的倒數(shù)；L就是CDVT。GCRA也用來保證在任何一段較長時間內(nèi)平均信元傳輸速率不會超過SCR。
除了提供了一條規(guī)則來看哪一個信元是合乎協(xié)定的，哪一個是不合乎協(xié)定的之外，GCRA也用于通信整形，以消除某些突發(fā)性傳輸。CDVT越小就意味著越好的平滑效果，但也增大了因為不合乎協(xié)定而丟棄信元的機率。在一些實現(xiàn)中把GCRA漏桶和一個令牌桶結(jié)合起來，以提供進一步的平滑。
3.3 擁塞控制
ATM網(wǎng)絡(luò)必須既要處理由于大于系統(tǒng)處理能力的通信量而引起的長期擁塞，又要處理由于通信中的突發(fā)性傳輸而引起的短期擁塞。結(jié)果人們使用了幾種不同的策略。它們當(dāng)中最重要的可分為3類：
3.3.1 許可證控制
很多ATM網(wǎng)絡(luò)中有以固定速率產(chǎn)生數(shù)據(jù)的實時通信源。告訴這一類的通信源減慢發(fā)送速率是行不通的（想象一種有一個紅燈的新型數(shù)字電話。當(dāng)通知擁塞發(fā)生時，紅燈就會亮，講話者將被要求速率減慢25%）。
因此，ATM網(wǎng)絡(luò)把防止擁塞發(fā)生放在第一的位置。然而，對于CBR、VBR、UBR類通信量，根本就沒有動態(tài)擁塞控制，因此在這里預(yù)防擁塞發(fā)生將遠(yuǎn)遠(yuǎn)比擁塞發(fā)生后再去恢復(fù)強得多。預(yù)防擁塞的一個主要工具是許可證控制。當(dāng)一臺主機需要一條新的虛電路時，它必須描述出希望被提供的通信和服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)便作出檢查來看是否有可能，在不對已存在連接造成有害的影響的前提下處理該連接?？赡苄枰獧z查多條可能的線路，從而發(fā)現(xiàn)哪一條將可以做此項工作。
3.3.2 資源預(yù)訂
同許可證控制密切相關(guān)的是事先預(yù)定資源的技巧，這通常是在呼叫建立時進行。因為通信量描述符給出了信元發(fā)送峰值速率，網(wǎng)絡(luò)就有可能沿通路預(yù)留足夠的帶寬來處理該峰值速率。
3.3.3 基于速率的擁塞控制
在CBR和VBR通信中，因為信息源固有的實時和半實時的特性，所以即使在發(fā)生擁塞的情況下，一般也不可能讓發(fā)送者減慢發(fā)送速率。在VBR服務(wù)中，沒有人會擔(dān)心。如果有太多的信元，把多出來的丟棄掉就是。
在ABR通信中，網(wǎng)絡(luò)去通知一個或多個發(fā)送者并且請求它們暫時減慢發(fā)送速率直到網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，這是可能的也是合理的。
怎樣檢測、通知和控制ABR通信中的擁塞是ATM標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過程中的一個熱門話題，問題集中在以下兩個方面：一是基于信用的解決方案，一種是基于速度的解決方案。
交換機廠商們反對基于信用的解決方案。他們不想進行所有計算，以記住這些信用，同時，也不想預(yù)先提供很多緩沖區(qū)，并認(rèn)為所需要的開銷總量太大。因此，采用了基于速度的擁塞控制系統(tǒng)。其基本模型是每個發(fā)送端在k信元數(shù)據(jù)之后傳送一個特殊的資源管理RM(resource management)信元。這個信元的傳輸通路與k信元相同，但是它由交換機進行特殊處理。當(dāng)RM信元到達(dá)接收端時，對它進行檢測、修改并且再將它發(fā)送回發(fā)送端。另外，還提供了其他兩種擁塞控制裝置。第一種是超載荷交換機能夠自發(fā)地產(chǎn)生RM信元，并將它們發(fā)送回發(fā)送端。第二種是超載荷交換機能夠?qū)陌l(fā)送端傳送到接收端的信元數(shù)據(jù)設(shè)置其中間PTI位的值。當(dāng)然這兩種方法沒有一個是完全可靠的。
第四章 ATM與IP結(jié)合技術(shù)
在過去十來年中，ATM成為下一代網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)，它可以提供空前的可伸縮性和性價比，以及對將來的實時業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)等的支持。在將來的信息體系中，ATM將扮演重要的角色。但是，目前的信息體系，即LAN和WAN，建立在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議如IP、IPX等的基礎(chǔ)上，因此，ATM的成功及Internet的發(fā)展的關(guān)鍵是現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和ATM的互操作，而實現(xiàn)這一目的的關(guān)鍵是相同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，如IP、IPX，同時應(yīng)用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和ATM上，因為給高層協(xié)議和應(yīng)用提供統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)視角是網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)。到目前為止，已有了多種在ATM上運行IP的方法，如：ATM論壇的LANE和MPOA、IETF的CLIP和NHRP、Ipsilon網(wǎng)絡(luò)公司的IP交換和Cisco公司的標(biāo)記交換，下面將逐一介紹。
4.1 簡介
ATM和現(xiàn)有的協(xié)議體系，特別是網(wǎng)絡(luò)層的IP、IPX等協(xié)議，在很長的時間內(nèi)共存，如何在單一網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和ATM、如何將ATM與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互連，是廣大研究人員、設(shè)計人員和業(yè)者研究的課題。然而，ATM和IP源于不同的技術(shù)團體和基礎(chǔ)，有著各自的應(yīng)用。IP的目的是以不確定的狀態(tài)將分組發(fā)送到目的地，它是非連接的，沒有服務(wù)質(zhì)量的保證；而ATM的目的是提供有保證的綜合業(yè)務(wù)，是面向連接的，基于快速的固定長度信元的交換。ATM和IP的巨大差異使得有效地將二者集成成為難題。
在ATM網(wǎng)絡(luò)中支持IP有兩種不同的模型，這兩種模型以不同的角度看待ATM協(xié)議層和IP的關(guān)系。
第一種是對等模型，在本質(zhì)上將ATM層看作IP的對等層，這種模型建議在ATM網(wǎng)絡(luò)中使用與基于IP的網(wǎng)絡(luò)中相同的地址方案，因此ATM端點將由IP地址來識別，ATM信令將攜帶這樣的地址，且ATM信令的路由也使現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議。因為使用了現(xiàn)有的路由協(xié)議，對等模型就排除了開發(fā)新的ATM路由的需要。對等模型在簡化了端系統(tǒng)地址管理的同時，很大程度上增加了ATM交換機的復(fù)雜度，因為ATM交換機必須具有多協(xié)議路由器的功能，支持現(xiàn)有的地址方案和路由協(xié)議。此外，現(xiàn)有的路由協(xié)議是基于當(dāng)前的LAN和WAN開發(fā)的，不能很好地映射到ATM中及使用ATM的服務(wù)質(zhì)量特性。
在目前的解決方案中，IP交換、標(biāo)記交換、MPLS是基于對等模型的。
另一種模型稱作子網(wǎng)或覆蓋模型，將ATM層與現(xiàn)有協(xié)議分開，定義了全新的地址體系，即現(xiàn)有協(xié)議將運行于ATM之上。此覆蓋模型需要定義新的地址體系和相關(guān)的路由協(xié)議，所有的ATM系統(tǒng)需要同時被賦予ATM地址和它要支持的高層協(xié)議地址。ATM地址空間邏輯地與高層協(xié)議的地址空間相分隔，沒有任何相關(guān)性。因此，所有運行于ATM子網(wǎng)上的協(xié)議需要某種ATM地址解析協(xié)議以把高層協(xié)議（如IP）地址映射到相應(yīng)的ATM地址。這種將ATM與高層協(xié)議分開的方法允許各自獨立的開發(fā)，在實用的工程角度這非常重要。
在目前的解決方案中，LANE、MPOA和CLIP是基于覆蓋模型的。
4.2 LANE
4.2.1 如何在傳統(tǒng)LAN上運行IP
在傳統(tǒng)的LAN中，當(dāng)源主機想給同子網(wǎng)的目的主機發(fā)送分組時，它檢查其ARP緩存看是否已經(jīng)知道與目的主機IP地址相聯(lián)系的硬件地址(MAC地址)，如果已經(jīng)知道，就把帶有目的主機的IP地址和MAC地址的分組發(fā)送出去。
如果目的MAC地址未知，源主機就發(fā)送一個ARP請求分組，ARP請求是本地廣播分組，將被子網(wǎng)中所有主機接收，目的主機識別到自己的IP地址后，在ARP回應(yīng)分組中回答其MAC地址，源主機接收到ARP回應(yīng)并把它存到自己的ARP表中，現(xiàn)在源主機就可以發(fā)送含有正確的目的IP地址和MAC地址的分組了。
4.2.2 ATM LAN必須仿真什么功能
(1)由于傳統(tǒng)LAN是介質(zhì)共享網(wǎng)絡(luò)，很容易提供廣播服務(wù)并實現(xiàn)ARP，ATM網(wǎng)必須模仿這一功能，由BUS（廣播和未知
服務(wù)器）實現(xiàn)。
(2)一般來說，傳統(tǒng)LAN中的每個主機都有其MAC地址和IP地址，直接連到ATM網(wǎng)的主機除了具有ATM地址外，也必須有MAC地址和IP地址。
(3)ATM主機必須提供與MAC協(xié)議給網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議提供的接口服務(wù)相同的服務(wù)，如NDIS或ODI類驅(qū)動接口。
4.2.3 LANE如何工作
顧名思義，LANE的功能是在ATM網(wǎng)絡(luò)上仿真LAN，LANE協(xié)議定義了仿真IEEE 802.3以太網(wǎng)或802.5令牌環(huán)網(wǎng)的機制。LANE協(xié)議定義了與現(xiàn)有LAN給網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)相同的接口，在ATM網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以相應(yīng)的LAN MAC分組格式封裝。
每個ELAN(Emulated LAN)由一組LANE客戶(LEC)和LANE服務(wù)構(gòu)成。LEC還可以是作為ATM主機代理的網(wǎng)橋和路由器。LE服務(wù)由三個不同的功能實體構(gòu)成：LAN仿真配置服務(wù)器(LECS)、LAN服務(wù)器(LES)和BUS，這三個服務(wù)實體可以各自存在，但通常位于同一設(shè)備，例如：LES可以位于ATM交換機、路由器、網(wǎng)橋和工作站。
下面是LANE中的工作站與另一工作站通信的步驟：
(1)初始化
LEC需要知道LECS的ATM地址并與其建立連接，這通過ILMI或眾所周知(well-known)的LECS地址完成，這個過程中的任何時刻LEC都可以與手工配置的LECS地址建立雙向配置直達(dá)VCC。這個過程中，LEC將獲取該ELAN的LES的ATM地址。
(2)登記
這是LEC給LES提供地址信息，如MAC地址的機制。此過程中將在LEC和LES之間建立一對連接，即雙向點到點控制直達(dá)VCC，及單向點到多點控制分布VCC。
(3)地址解析
這是LEC從LES學(xué)習(xí)目的站點ATM地址的方法，由ATM地址解析協(xié)議實現(xiàn)，允許LEC建立數(shù)據(jù)直達(dá)VCC以傳送幀。這時在LEC和BUS之間建立雙向點到點組播發(fā)送VCC和單向點到多點組播轉(zhuǎn)發(fā)VCC。
(4)數(shù)據(jù)傳輸
當(dāng)源站點和目的站點等待建立數(shù)據(jù)直達(dá)VCC的過渡時期里，BUS可以把幀轉(zhuǎn)發(fā)給該ELAN中的所有LEC，當(dāng)數(shù)據(jù)直達(dá)VCC建立后，通信就從原來的路由(BUS)切換到新的路由，為了保證幀的順序，信息清空協(xié)議(flush message protocol)被用以通知BUS：在開始使用新的路由傳輸幀時，清空請求被發(fā)送到BUS并轉(zhuǎn)發(fā)到該ELAN中所有LEC，然后不再有幀通過BUS（舊路由），所有幀將通過數(shù)據(jù)直達(dá)VCC（新路由）發(fā)送到目的站點。
需要說明的是：在ATM論壇規(guī)范中描述的上述過程中，并沒有提到從IP地址到MAC地址的解析。下面是傳統(tǒng)LAN的主機與ATM主機通信的全過程：
(1)為確定目的站點的MAC地址，源主機廣播一個含有IP地址的ARP請求，這是任何IP網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)過程，ARP請求到達(dá)傳統(tǒng)LAN上的LAN/ATM網(wǎng)橋。
(2)在LAN/ATM網(wǎng)橋上的LEC將廣播分組通過組播發(fā)送VCC轉(zhuǎn)發(fā)給BUS，BUS通過組播轉(zhuǎn)發(fā)VCC給ELAN中的所有成員發(fā)送ARP請求。
(3)目的站點收到ARP請求并識別出自己的IP地址，作為回應(yīng)，它把自己的MAC地址放到ARP回應(yīng)中。因為這還不是到LAN/ATM網(wǎng)橋的直達(dá)VCC，目的站點的LEC把ARP回應(yīng)通過組播發(fā)送VCC發(fā)送給BUS，BUS通過組播發(fā)送VCC將其轉(zhuǎn)發(fā)給LAN/ATM網(wǎng)橋。
(4)LAN/ATM網(wǎng)橋通過傳統(tǒng)LAN把ARP回應(yīng)傳給源主機。
(5)這時源主機擁有了目的站點的MAC地址，開始通過LAN傳送數(shù)據(jù)。
(6)網(wǎng)橋通過組播發(fā)送VCC把分組傳給BUS，BUS把分組轉(zhuǎn)發(fā)到目的站點。
(7)同時，LAN/ATM網(wǎng)橋上的LEC通過控制直達(dá)VCC向LES發(fā)送LE-ARP請求，詢問與目的站點的MAC地址相對應(yīng)的ATM地址，如果LES沒有該映射，則通過控制分布VCC向所有LEC發(fā)送LE-ARP請求，目的站點LEC收到該請求后把自己的ATM地址放進LE-ARP回應(yīng)并通過控制直達(dá)VCC發(fā)回LES。
(
源LEC通過控制直達(dá)VCC從LES收到LE-ARP回應(yīng)，抽取ATM地址并在源和目的之間建立數(shù)據(jù)直達(dá)VCC。
(9)數(shù)據(jù)直達(dá)VCC建立后，從網(wǎng)橋傳來的分組將通過數(shù)據(jù)直達(dá)VCC傳輸，取代BUS。
4.2.4 LANE的優(yōu)點和局限
因為LANE提供與現(xiàn)有MAC協(xié)議給網(wǎng)絡(luò)層提供的驅(qū)動相同的服務(wù)接口，不需要改變該驅(qū)動，這將加速ATM的發(fā)展和應(yīng)用。但是，LANE的功能是使ATM的特性對高層協(xié)議透明，因此它使高層協(xié)議不能利用ATM固有的優(yōu)點，尤其是其服務(wù)質(zhì)量保證。新完成的LANE2.0版為ATM端系統(tǒng)間的通信提供局部管理的服務(wù)質(zhì)量，該協(xié)議提供機制以確定是否支持期望的服務(wù)質(zhì)量。每種局部定義的服務(wù)質(zhì)量可以包含信息以指示以該服務(wù)質(zhì)量建立的VCC是否可以被其他協(xié)議或應(yīng)用所共享。
盡管LANE提供在ATM網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)內(nèi)橋接的有效方式，但子網(wǎng)間的業(yè)務(wù)仍需要通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)，因此，ATM路由器很可能成為瓶頸，下面談到的MPOA將解決子網(wǎng)間通信的效率問題。
4.3 CLIP(Classical IP over ATM)
4.3.1 CLIP原理
為了在ATM網(wǎng)絡(luò)上運行IP，IETF采用了邏輯獨立IP子網(wǎng)(LIS)的概念。象通常的IP子網(wǎng)一樣，一個LIS包含一組連接到單一ATM網(wǎng)絡(luò)的IP節(jié)點（如主機或路由器），它們屬于同一IP子網(wǎng)。ATM LIS的行為很象傳統(tǒng)的IP子網(wǎng)，為了在LIS內(nèi)解析節(jié)點的地址，每個LIS提供一個ATMARP服務(wù)器，該LIS內(nèi)的所有節(jié)點(LIS客戶)被配置以該ATMARP服務(wù)器的ATM地址。當(dāng)LIS中一個節(jié)點出現(xiàn)時，它首先建立與ATMARP服務(wù)器的連接。一旦ATMARP服務(wù)器檢測到一個新的LIS客戶的連接，它就向該客戶發(fā)送一個反向ARP請求，詢問該節(jié)點的IP地址和ATM地址，并保存在其ATMARP表中。隨后，LIS中的任意想解析目的IP地址的節(jié)點將向該服務(wù)器發(fā)送ATMARP請求，如果地址映射被找到，則服務(wù)器返回ATMARP回應(yīng)，否則，它返回一個ATM_NAK響應(yīng)以表示沒有該映射，服務(wù)器定期清除地址映射表，除非客戶對其周期性的反向ARP請求給予響應(yīng)。一旦LIS客戶獲取了與IP地址相對應(yīng)的ATM地址，它就可以與該地址建立連接。分組封裝和地址解析的協(xié)議分別在RFC1483和RFC1577中定義。
然而，因為RFC1577中定義的地址解析協(xié)議保留了主機對于向子網(wǎng)外站點發(fā)送分組必須經(jīng)過缺省路由器的要求，所以捷徑VCC只能在同一子網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點間建立，否則源站點必須把分組轉(zhuǎn)發(fā)給缺省路由器，即使源、目的站點在同一ATM網(wǎng)絡(luò)內(nèi)也是如此。這樣，ATM路由器就成了瓶頸，且服務(wù)質(zhì)量無法實現(xiàn)。
與LANE相比，RFC1577只支持IP，而不支持其它網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，如IPX、AppleTalk。此外，CLIP也不支持組播，這也是RFC1577的重要缺點。
4.3.2 CLIP的擴展
4.3.2.1 NHRP(Next Hop Resolution Protocol)
為了在同一ATM網(wǎng)絡(luò)、不同子網(wǎng)間的站點間提供捷徑路由，IETF提出了名為NHRP的協(xié)議，NHRP建立在CLIP模型之上，但是用非廣播多路訪問網(wǎng)絡(luò)(NBMA)的概念取代了LIS的概念，NBMA意味著允許多個設(shè)備連到同一網(wǎng)絡(luò)，但可以配置到不同的廣播域，并且支持不同LIS中主機間的直接通信。幀中繼和X.25就是NBMA網(wǎng)絡(luò)的例子。
NHRP用NHS(NHRP服務(wù)器)的概念替換ARP服務(wù)器，每個NHS中含有“下一跳解析”緩存表，其內(nèi)容為與該NHS相關(guān)的所有節(jié)點的IP到ATM的地址映射。節(jié)點配置含NHS的ATM地址，并將自己的ATM地址和IP地址用登記包在NHS登記。
協(xié)議處理過程如下：當(dāng)一個節(jié)點想通過NBMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送分組，即需要解析特定的ATM地址時，它生成并向NHS發(fā)送NHRP請求包，這樣的請求以及所有的NHRP信息通過IP包發(fā)送。如果目的站點由該NHS服務(wù)，NHS就通過NHS回應(yīng)包返回其地址，否則NHS查找其路由表以決定到達(dá)該目的的下一個NHS并轉(zhuǎn)發(fā)該請求。在下一個NHS處執(zhí)行同樣的算法直到真正知道所請求的映射的NHS，目的節(jié)點返回一個NHRP回應(yīng)，以相反的順序經(jīng)過同樣的一系列NHS，到達(dá)請求節(jié)點，請求節(jié)點就可以建立一個直接數(shù)據(jù)連接。從而可以越過子網(wǎng)邊界建立ATM VCC，使得子網(wǎng)間可以不通過路由通信。
4.3.2.2 組播
有兩種支持組播的方法。
第一種是通過組播服務(wù)器，所有想發(fā)送組播信息的節(jié)點與之建立點到點的連接，它與所有接收節(jié)點通過點到多點連接相連。組播服務(wù)器通過該點到點連接接收數(shù)據(jù)，通過點到多點連接重發(fā)數(shù)據(jù)。這種方法可以用于大型網(wǎng)絡(luò)，但組播服務(wù)器可能最終成為瓶頸。
第二種方法稱為組播網(wǎng)，該組中每個節(jié)點與其它節(jié)點建立點到多點連接。這樣，所有的節(jié)點都可以向其它節(jié)點發(fā)送和從它們接收數(shù)據(jù)。對于一個含N個節(jié)點的組來說，將需要N個點到多點連接，不適于含節(jié)點數(shù)目很多的組。
這兩種方法都用于Armitage建議的組播地址解析服務(wù)器(MARS)。MARS服務(wù)于一簇節(jié)點，一簇中所有的端系統(tǒng)配置以MARS的ATM地址。當(dāng)一個端系統(tǒng)想向特定的組播群發(fā)信息時，它建立與MARS的連接，發(fā)出MARS_REQUEST信息，MARS返回MARS_MULTI信息，此信息含有該組的組播服務(wù)器的地址或組成員的地址，如果該組支持組播服務(wù)器，請求節(jié)點就建立與該服務(wù)器的連接，將數(shù)據(jù)發(fā)送給該服務(wù)器，由該服務(wù)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給組中的節(jié)點；在組播網(wǎng)方案中，請求節(jié)點與組中的節(jié)點建立點到多點連接并通過該連接發(fā)送數(shù)據(jù)。
4.4 MPOA
4.4.1 MPOA的原則
MPOA的目的是在LANE環(huán)境中有效地傳輸子網(wǎng)間的unicast數(shù)據(jù)。MPOA集成了LANE和NHRP以保留LANE，同時通過旁路路由器提高子網(wǎng)間通信的效率。MPOA允許網(wǎng)絡(luò)層路由記算和數(shù)據(jù)傳送物理地分離，這稱為虛擬路由。路由計算由位于路由器中的服務(wù)器--即MPS--執(zhí)行，數(shù)據(jù)傳送由邊緣設(shè)備中的客戶--即MPC--執(zhí)行。
在入口點，MPC檢測通過ELAN傳送給含有MPS的路由器的數(shù)據(jù)流，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)能夠旁路當(dāng)前路由路徑的捷徑時，它使用基于NHRP的協(xié)議請求與目的節(jié)點建立捷徑，如果可行，該MPC在其入口表中記錄下該信息，建立捷徑VCC，通過該捷徑VCC發(fā)送幀。對于使用捷徑的分組，MPC從分組中去掉數(shù)據(jù)鏈路層(DLL)封裝。
在出口點，MPC從其它MPC接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，對于通過捷徑接收到的幀，該MPC加上適當(dāng)?shù)腄LL封裝把它們傳送給上層協(xié)議。該DLL封裝信息由MPS提供并存貯在出口緩存中。
MPS是路由器的邏輯成分，給MPC提供網(wǎng)絡(luò)層轉(zhuǎn)發(fā)信息，它包含NHRP中定義的完整的NHS。MPS與本地NHS和路由功能交互以回答入口MPC的MPOA請求，并給出口MPC提供DLL封裝信息。
下面是ELAN內(nèi)和ELAN間通信過程的簡單描述。
ELAN內(nèi)通信從一個MPOA主機或LAN主機到同一ELAN的另一MPOA主機或LAN主機，這些數(shù)據(jù)流使用ELAN做地址解析和數(shù)據(jù)傳輸。ELAN間通信從一個MPOA主機或LAN主機到不同ELAN的MPOA主機或LAN主機，短數(shù)據(jù)流使用缺省的路徑，長數(shù)據(jù)流使用捷徑，缺省的路徑利用ELAN和路由器，捷徑使用LANE和NHRP做地址解析和捷徑。捷徑是這樣工作的：如果源節(jié)點和目的節(jié)點不在同一個MPS的管理域，入口MPS將MPOA解析請求翻譯成NHRP解析請求，通過NHRP將該請求轉(zhuǎn)發(fā)給出口MPS，當(dāng)出口MPS收到出口MPC的回應(yīng)后，它生成NHRP解析回應(yīng)并把它發(fā)回給入口MPS，當(dāng)入口MPC得到入口MPS的MPOA解析回應(yīng)后，它與出口MPC之間就可以建立捷徑了。
4.4.2 MPOA的優(yōu)點和限制
MPOA從根本上將數(shù)據(jù)傳送和路由計算分開，將功能分布到不同的設(shè)備，從而減少了參與路由計算的設(shè)備數(shù)目和端設(shè)備的復(fù)雜性。它可以以統(tǒng)一的方式支持二層和三層網(wǎng)絡(luò)互連，因此保證了ATM環(huán)境中大規(guī)模的互連。它可以同時有效地處理突發(fā)數(shù)據(jù)和長期的數(shù)據(jù)流，但是，MPOA的復(fù)雜性有很大的爭議。
4.5 IP交換
IP交換的目的是在快速交換硬件上獲得最有效的IP實現(xiàn)，將非連接的IP和面向連接的ATM的優(yōu)點互補。IP交換是標(biāo)準(zhǔn)的ATM交換加上連接于ATM交換機端口上的智能的
軟件控制器，即IP交換控制器。IP交換機將數(shù)據(jù)流的初始分組交給標(biāo)準(zhǔn)的路由模塊(IP交換機的一部分)處理，當(dāng)IP交換機看到一個流中足夠的分組，認(rèn)為它是長期的，就同相鄰的IP交換機或邊緣設(shè)備建立流標(biāo)記，后續(xù)的分組就可以高速地標(biāo)記交換，將緩慢的路由模塊旁路。特別的IP交換網(wǎng)關(guān)或邊緣設(shè)備負(fù)責(zé)從非標(biāo)記分組向標(biāo)記分組和分組到ATM數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。
每個將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連到IP交換機的IP交換網(wǎng)關(guān)或邊緣設(shè)備在啟動時建立一個到IP交換控制器的虛信道作為缺省的轉(zhuǎn)發(fā)信道，從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接收到分組時，邊緣設(shè)備通過缺省轉(zhuǎn)發(fā)信道將分組傳送給IP交換控制器。
IP交換控制器執(zhí)行傳統(tǒng)的路由協(xié)議，如RIP、OSPF和BGP，將分組以正常的方式通過缺省轉(zhuǎn)發(fā)信道轉(zhuǎn)發(fā)給下一個節(jié)點，這可能是另一個IP交換機或邊緣設(shè)備。IP交換控制器還執(zhí)行數(shù)據(jù)流分類，它識別長期的數(shù)據(jù)流，因為這樣的數(shù)據(jù)可以用ATM硬件的cut-through交換來優(yōu)化，其余的通信仍然使用缺省的方式，即點到點的存貯轉(zhuǎn)發(fā)路由。
當(dāng)長期的數(shù)據(jù)流被識別，IP交換控制器要求上一節(jié)給之打標(biāo)記，使用新的虛信道，如果源邊緣設(shè)備同意，該數(shù)據(jù)流就通過新的虛信道流向IP交換控制器。下一節(jié)點也執(zhí)行同一動作。當(dāng)該流獨立使用特殊的輸入信道和輸出信道，IP交換控制器指示交換機建立適當(dāng)?shù)挠布丝谟成洌月仿酚绍浖拖嚓P(guān)的處理開支。這個過程繼續(xù)下去，該流的前面幾個分組使從源邊緣設(shè)備到目的邊緣設(shè)備建立直接的連接。此設(shè)計使IP交換機以僅受交換引擎限制的速率轉(zhuǎn)發(fā)分組。第一代IP交換機支持高達(dá)每秒5.3M分組的吞吐量。此外，因為不需要將ATM信元封裝到中介IP交換機的IP分組中，IP網(wǎng)中的吞吐量也得到了優(yōu)化。
Ipsilon給IETF提出了兩種協(xié)議。通用交換管理協(xié)議(GSMP, RFC1987)允許IP交換機控制器訪問交換機硬件并動態(tài)轉(zhuǎn)變交換模式：存貯轉(zhuǎn)發(fā)或cut-through。Ipsilon流量管理協(xié)議(IFMP, RFC1953)用于在邊緣設(shè)備和IP交換控制器間交換控制信息并將IP流與ATM虛信道聯(lián)系起來。
IP交換的一個重要特性是流的分類和交換在本地執(zhí)行，而不是基于端到端的基礎(chǔ)上，這保留了IP的非連接本質(zhì)，并允許IP交換機繞過失效節(jié)點路由而不需要從源主機重新建立通道。
此外，流分類使IP交換同樣有效地支持長期和突發(fā)數(shù)據(jù)。
然而，IP交換是基于流的，在大型網(wǎng)絡(luò)中其伸縮性是值得質(zhì)疑的，在很大的網(wǎng)絡(luò)中流的數(shù)目可能最終超過可用的虛通道數(shù)。
有五家公司正式宣稱支持Ipsilon的IP交換，它們是：Ericsson、General Datacomm、Hitachi America Ltd. 、NEC America Inc. 和DEC Ipsilon。它們試圖使此技術(shù)成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)--MPLS。
4.6 標(biāo)記交換
另一個選擇是Cisco公司的標(biāo)記交換。標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)包含三個成分：標(biāo)記邊緣路由器、標(biāo)記交換機和標(biāo)記分發(fā)協(xié)議。
標(biāo)記邊緣路由器位于標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)邊緣的含完整3層功能的路由設(shè)備，它們檢查到來的分組，在轉(zhuǎn)發(fā)給標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)前打上適當(dāng)?shù)臉?biāo)記，當(dāng)分組退出標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)時刪去該標(biāo)記。作為具有完整功能的路由器，標(biāo)記邊緣路由器也可應(yīng)用增值的3層服務(wù)，如安全、記費和QoS分類。標(biāo)記邊緣路由器的能力不需要特別的硬件，它作為Cisco軟件的一個附加特性來實現(xiàn)，原有的路由器可以通過軟件升級具有標(biāo)記邊緣路由器的功能。
標(biāo)記交換機是標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)的核心。所謂標(biāo)記是短的、固定長度的標(biāo)簽，使標(biāo)記交換機能用快速的硬件技術(shù)來做簡單快速的表查詢和分組轉(zhuǎn)發(fā)。標(biāo)記可以位于ATM信元的VCI域、IPv6的flow label域或在2層和3層頭信息之間，這使得標(biāo)記交換可用于廣泛的介質(zhì)之上，包括ATM連接、以太網(wǎng)等。
標(biāo)記分發(fā)協(xié)議提供了標(biāo)記交換機和其它標(biāo)記交換機或標(biāo)記邊緣路由器交換標(biāo)記信息的方法。標(biāo)記邊緣路由器和標(biāo)記交換機用標(biāo)準(zhǔn)的路由協(xié)議(如BGP、OSPF)建立它們的路由
數(shù)據(jù)庫。相鄰的標(biāo)記交換機和邊緣路由器通過標(biāo)記分發(fā)協(xié)議彼此分發(fā)存貯在標(biāo)記信息庫(TIB)中的標(biāo)記值。
下面是標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)的基本處理過程。
(1)標(biāo)記邊緣路由器和標(biāo)記交換機用標(biāo)準(zhǔn)的路由協(xié)議識別路由，它們完全可以與非標(biāo)記交換的路由器互操作。
(2)標(biāo)記邊緣路由器和交換機通過標(biāo)記分發(fā)協(xié)議給用標(biāo)準(zhǔn)路由協(xié)議生成的路由表賦以標(biāo)記信息并分發(fā)，標(biāo)記邊緣路由器接收標(biāo)記分發(fā)協(xié)議信息并建立轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)庫。
(3)當(dāng)標(biāo)記邊緣路由器收到需要通過標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的分組，它分析其網(wǎng)絡(luò)層頭信息，執(zhí)行可用的網(wǎng)絡(luò)層服務(wù)，從其路由表中給該分組選擇路由，打上標(biāo)記然后轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點的標(biāo)記交換機。
(4)標(biāo)記交換機收到帶標(biāo)記的分組，僅基于標(biāo)記來進行交換，而不分析網(wǎng)絡(luò)層頭信息。
(5)分組到達(dá)出口點的標(biāo)記邊緣路由器，標(biāo)記被剝除，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。
在標(biāo)記交換網(wǎng)絡(luò)中，標(biāo)記分發(fā)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)路由協(xié)議可以用目標(biāo)前綴標(biāo)記算法集合起來，此算法可以在數(shù)據(jù)流穿過網(wǎng)絡(luò)前在TIB中建立標(biāo)記信息。這有兩個意義。一個是流中的所有分組都可以被標(biāo)記交換，即使是突發(fā)短數(shù)據(jù)也是如此；此外它是基于拓?fù)涞模诿總€源/目的分配一個標(biāo)簽。而在IP交換中只有長期數(shù)據(jù)流在一定數(shù)目的分組經(jīng)過后才建立捷徑。因此，標(biāo)記交換比基于流的機制更有效地使用標(biāo)簽，避免了一個一個流的建立過程，這使之具有了公共因特網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)所需要的很好的伸縮性，在公共因特網(wǎng)中，流的數(shù)目是巨大的，其改變速率也是很高的。
4.7 MPLS
4.7.1 MPLS工作原理
按照當(dāng)前的定義，MPLS是基于標(biāo)記的IP路由選擇方法，稱為多協(xié)議標(biāo)記交換。這些標(biāo)記可以被用來代表逐跳式或者顯式路由，并指明服務(wù)質(zhì)量（QoS）、虛擬專網(wǎng)以及影響一種特定類型的流量（或一個特殊用戶的流量）在網(wǎng)絡(luò)上的傳輸方式的其它各類信息。
目前，路由協(xié)議在一個指定源和目的地之間選擇最短路徑，不論該路徑是否超載。利用顯式路由選擇，服務(wù)提供商可以選擇特殊流量所經(jīng)過的路徑，使流量能夠選擇一條低延遲的路徑。
MPLS協(xié)議實現(xiàn)將第三級的包交換轉(zhuǎn)換成第二級的交換。MPLS可以使用各種第二層的協(xié)議，MPLS工作組到目前為止已經(jīng)把在幀中繼、ATM和PPP鏈路以及IEEE 802.3局域網(wǎng)上使用的標(biāo)記實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。MPLS在幀中繼和ATM上運行的一個好處是它為這些面向連接的技術(shù)帶來了IP的任意連通性。目前MPLS的主要發(fā)展方向是在ATM方面。這主要是因為ATM具有很強的流量管理功能，能提供QoS方面的服務(wù)，ATM和MPLS技術(shù)的結(jié)合能充分發(fā)揮在流量管理和QoS方面的作用。
標(biāo)記是用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的報頭。報頭的格式取決于網(wǎng)絡(luò)特性。在路由器網(wǎng)絡(luò)中，標(biāo)記是單獨的32位報頭。在ATM中，標(biāo)記置于虛電路標(biāo)識符/虛通道標(biāo)識符(VCI/VPI)信元報頭。在核心，只解讀標(biāo)記，而不讀數(shù)據(jù)包報頭。對于MPLS可擴展性非常關(guān)鍵的一點是標(biāo)記只在通信的兩個設(shè)備之間有意義。
IP包進入網(wǎng)絡(luò)核心時，邊緣路由器給它分配一個標(biāo)記。自此，MPLS 設(shè)備就會自始至終查看這些標(biāo)記信息，將這些有標(biāo)記的包交換至其目的地（參見原理圖）。由于路由處理減少，網(wǎng)絡(luò)的等待時間也就隨之減少，而可伸縮性卻有所增加。
MPLS數(shù)據(jù)包的服務(wù)質(zhì)量類型可由MPLS邊緣路由器根據(jù)IP包的各種參數(shù)來決定，如IP的源地址、目的地址、端口號、TOS值等參數(shù)。如對于到達(dá)同一目的地的IP包，可根據(jù)其TOS值的要求來建立不同的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，以達(dá)到其對傳輸質(zhì)量的要求。同時，通過對特殊路由的管理，還能有效的解決網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡和擁塞問題。如當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)擁塞時，MPLS可實時的建立新的轉(zhuǎn)發(fā)路由來分擔(dān)其流量，以緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。
目前，廠商采用的協(xié)議有兩種，一種是基于限制的路由標(biāo)記分配協(xié)議(Constraintba
sed Routing Label Distribution Protocol,CRLDP)，另一種是資源保留協(xié)議（Resource Reservation Protocol，RSVP)。標(biāo)記分配協(xié)議(LDP)在邊沿和核心設(shè)備之間提供通信，與路由選擇協(xié)議，如OSPF、ISIS、EIGRP(增強的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)路由選擇協(xié)議)或BGP等相結(jié)合在邊沿和核心設(shè)備之間分配標(biāo)記，建立標(biāo)記交換路徑。目前，MPLS工作組對這兩種方法都使用。雖然選擇常常是件積極的事情，但在解決同一問題有兩個標(biāo)準(zhǔn),顯然將會帶來嚴(yán)重的互操作性問題。許多廠商同樣也發(fā)現(xiàn)自己肩負(fù)著實施兩套協(xié)議的擔(dān)子。
4.7.2 MPLS的應(yīng)用
MPLS將幫助運營商提供更好的IP 服務(wù)。像AT ＆ T、Level 3、MCI WorldCom和UUNET已經(jīng)開始布署和營銷他們的MPLS網(wǎng)絡(luò)了。而運營商們也面臨著一個大問題，這就是：是用MPLS簡化他們現(xiàn)存的ATM網(wǎng)絡(luò)，還是建立沒有ATM的MPLS網(wǎng)絡(luò)。問題的答案取決于要傳輸什么類型的數(shù)據(jù)。包網(wǎng)絡(luò)用MPLS 結(jié)構(gòu)體系就較好，而語音和位同步數(shù)據(jù)則用ATM最為理想。
MPLS將會帶來更多的帶寬控制、吞吐量保證和虛擬專用網(wǎng)功能性。在MPLS的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，甚至象IP語音這樣的包語音服務(wù)也會得到改進，因為等待時間縮短了，擁塞控制加強了。總而言之，所有這一切的結(jié)果都是為了讓用戶從服務(wù)提供商享受到更好的服務(wù)。因此，當(dāng)選擇供應(yīng)商或評估合同時，要留意對方提供MPLS的情況。
很明顯，MPLS主要是面向服務(wù)提供商和運營商。不過，它也擁有將會使
企業(yè)用戶受益的許多特征，不論這些企業(yè)是使用公共的還是專用的WAN服務(wù)。
4.7.2.1 虛擬專用網(wǎng)
MPLS對服務(wù)提供商具有很大潛在好處的一項應(yīng)用就是對VPN服務(wù)的支持。將MPLS用于VPN是通過使用ATM或幀中繼永久虛擬電路（PVC）或各種形式的隧道來建立VPN，以將客戶的路由器互連起來。
使用MPLS的VPN可以提供基于PVC模式的許多有利條件?？蛻艨梢赃x擇自己的定址計劃，這些計劃可能會也可能不會與其它客戶或服務(wù)提供商的計劃重疊。每個客戶都可以相信，數(shù)據(jù)只會被發(fā)送到該客戶的VPN內(nèi)的站點上。正因如此，加密常常是不需要的，這點不同于許多隧道方式。不過，和PVC模式不同，MPLS VPN模式隨著站點和客戶的不斷增加可以達(dá)到很高的可伸縮性。它也支持一個VPN內(nèi)的站點中任意兩點之間的通信模式，而無需安裝一個完整的PVC網(wǎng)格或者在服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)上將流量往回傳輸。對于每一個MPLS VPN 客戶，服務(wù)提供商的網(wǎng)絡(luò)似乎提供了一個虛擬專用骨干網(wǎng)，客戶可以通過它與機構(gòu)內(nèi)的其它站點取得聯(lián)系，而不能與任何其它客戶的站點取得聯(lián)系。
從客戶的角度而言，MPLS VPN模式的一個重要有利條件是，在很多情況下，相對于PVC模式，路由選擇可以得到大大簡化。MPLS VPN客戶不是通過一個由許多PVC組成的技術(shù)復(fù)雜的虛擬骨干網(wǎng)來管理路由選擇，而是可以使用服務(wù)提供商作為通往該公司的所有站點的默認(rèn)路線。
VPN服務(wù)提供商常常需要向客戶提供一系列服務(wù)質(zhì)量（QoS）。MPLS VPN利用新的差分服務(wù)技術(shù)來支持QoS。這些技術(shù)根據(jù)各種策略如源站點、應(yīng)用類型等，允許客戶流量在進入提供商網(wǎng)絡(luò)時被分類。在這個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，流量類型由標(biāo)題位或者由不同的標(biāo)記來識別，路由器利用它們來確定排隊待遇，并因此確定時延和損失之類的QoS參數(shù)。
4.7.2.2 流量工程
MPLS為服務(wù)提供商提供的另一好處是在流量工程領(lǐng)域。流量工程一詞指控制網(wǎng)絡(luò)中的通信流的能力，目的在于減少擁塞并充分利用可用的功能。
例如，在下圖所示的這個流量工程例子中，有兩條從路由器C到路由器E的路徑。如果一個路由器選擇了其中一條從C到E的最短路徑，那么它就會傳送所有預(yù)定前往那些通過E可以抵達(dá)的網(wǎng)絡(luò)通信。因而在該路徑上帶來的流量可能會造成擁塞，而另一條路徑則負(fù)載不足。為了最大限度地提高整個網(wǎng)絡(luò)的性能，將一部分流量從一條鏈路轉(zhuǎn)移到另一條鏈路也許是可取的辦法。
雖然人們在這個簡單的例子中可以設(shè)定C－D－E路徑的成本等于C－F－G－E路徑的成本，但這種負(fù)載均衡方法在復(fù)雜的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中會變得十分麻煩（雖然這種方法不是不可能）。使用MPLS實現(xiàn)的顯示路徑可用作解決這一問題的一種更加簡單和靈活的方式，以便讓一條擁擠的路徑上的一部分流量被轉(zhuǎn)移到一條不太擁擠的路徑上。
流量工程問題的解決方案即通過各種不同的控制模塊建立標(biāo)記和標(biāo)記交換路徑。例如，流量控制模塊可以建立一條從A 到C到D到E的標(biāo)記交換路徑，另一條從B到C到F到G到E的路徑。通過定義一些選擇某些信息包來跟隨這些路徑的策略，可以對網(wǎng)絡(luò)上的通信流進行管理。
MPLS今后將會利用基于限制的路由選擇來確定流量工程策略。在這種環(huán)境中，只需指定網(wǎng)絡(luò)的不同點之間預(yù)計流動的負(fù)載量（一個流量矩陣）,路由選擇系統(tǒng)將會計算出傳送該負(fù)載的最佳路徑，并因此確定顯式路徑。
4.7.2.3 IP與ATM集成
MPLS能夠讓ATM交換機執(zhí)行IP路由器的幾乎所有的功能。它之所以擁有這一能力，是因為MPLS的轉(zhuǎn)發(fā)模式——標(biāo)記交換——與ATM交換機硬件提供的轉(zhuǎn)發(fā)模式完全相同。傳統(tǒng)的ATM交換機與ATM標(biāo)記交換機之間的主要差別在于用來建立交換機上的VCI表項的控制軟件。ATM標(biāo)記交換機使用IP路由選擇協(xié)議和標(biāo)記分配協(xié)議（LDP）來建立這樣的標(biāo)記項。
一個ATM標(biāo)記交換機可以同時作為一個傳統(tǒng)的ATM交換機。在這種環(huán)境中，交換資源（如VCI空間或帶寬）在傳統(tǒng)的ATM控制面和MPLS控制面之間被劃分。MPLS控制面可以用來提供基于IP的服務(wù)，而ATM控制面則提供像電路仿真這樣的面向ATM的服務(wù)或者PVC服務(wù)。
MPLS是一項能夠為服務(wù)提供商實現(xiàn)許多新的服務(wù)的通用技術(shù)。它帶來了一種利用QoS（包括內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)）來提供虛擬專網(wǎng)服務(wù)的靈活方法，這樣為服務(wù)提供商提供了良好的可伸縮性，允許使用各種QoS，并減少了VPN客戶的管理負(fù)擔(dān)。MPLS的流量工程特征作為一種管理路由網(wǎng)絡(luò)的流量和鏈路利用率的方式是很有用的。最后，作為一種集成ATM和IP技術(shù)的方法，它對希望使用ATM骨干網(wǎng)來建立一個多服務(wù)網(wǎng)絡(luò)的提供商來說是有利的。
