如何在ATM網(wǎng)絡(luò)支持IP

ATM可以提供空前的可伸縮性和性價(jià)比，以及對將來的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、多媒體業(yè)務(wù)等的支持,ATM將扮演重要的角色。但目前的信息體系，即LAN和WAN，建立在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議如IP、IPX、AppleTalk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(shí)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(shí)應(yīng)用于現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)和ATM上，因?yàn)榻o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(yùn)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。

一、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(shí)間內(nèi)共存，如何在單一網(wǎng)絡(luò)上實(shí)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(jì)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(tuán)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(diǎn)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?yàn)槭褂昧爽F(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(shí)，很大程度上增加了ATM交換機(jī)的復(fù)雜度，因?yàn)锳TM交換機(jī)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交換和標(biāo)記交換是基于對等模型的。

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(yùn)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(shí)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(yùn)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(dú)立的開發(fā)，在實(shí)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。

二、LANE

1、如何在傳統(tǒng)LAN上運(yùn)行IP？

在傳統(tǒng)的LAN中，當(dāng)源主機(jī)想給同子網(wǎng)的目的主機(jī)發(fā)送分組時(shí)，它檢查其ARP緩存看是否已經(jīng)知道與目的主機(jī)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(jī)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(jī)就發(fā)送一個(gè)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(jī)接收，目的主機(jī)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(jī)接收到ARP回應(yīng)并把它存到自己的ARP表中，現(xiàn)在源主機(jī)就可以發(fā)送含有正確的目的IP地址和MAC地址的分組了。

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(shí)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(shí)現(xiàn)。
(2)一般來說，傳統(tǒng)LAN中的每個(gè)主機(jī)都有其MAC地址和IP地址，直接連到ATM網(wǎng)的主機(jī)除了具有ATM地址外，也必須有MAC地址和IP地址。
(3)ATM主機(jī)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(dòng)接口。

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(jī)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(gè)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(jī)代理的網(wǎng)橋和路由器。LE服務(wù)由三個(gè)不同的功能實(shí)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(gè)服務(wù)實(shí)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(jī)、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(gè)過程中的任何時(shí)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(gè)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(jī)制。此過程中將在LEC和LES之間建立一對連接，即雙向點(diǎn)到點(diǎn)控制直達(dá)VCC，及單向點(diǎn)到多點(diǎn)控制分布VCC。
(3)地址解析
這是LEC從LES學(xué)習(xí)目的站點(diǎn)ATM地址的方法，由ATM地址解析協(xié)議實(shí)現(xiàn)，允許LEC建立數(shù)據(jù)直達(dá)VCC以傳送幀。這時(shí)在LEC和BUS之間建立雙向點(diǎn)到點(diǎn)組播發(fā)送VCC和單向點(diǎn)到多點(diǎn)組播轉(zhuǎn)發(fā)VCC。
(4)數(shù)據(jù)傳輸
當(dāng)源站點(diǎn)和目的站點(diǎn)等待建立數(shù)據(jù)直達(dá)VCC的過渡時(shí)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(shí)，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(diǎn)。

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(jī)與ATM主機(jī)通信的全過程：

(1)為確定目的站點(diǎn)的MAC地址，源主機(jī)廣播一個(gè)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(diǎn)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?yàn)檫@還不是到LAN/ATM網(wǎng)橋的直達(dá)VCC，目的站點(diǎn)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(jī)。
(5)這時(shí)源主機(jī)擁有了目的站點(diǎn)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(diǎn)。
(7)同時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)LEC收到該請求后把自己的ATM地址放進(jìn)LE-ARP回應(yīng)并通過控制直達(dá)VCC發(fā)回LES。
(8)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、LANE的優(yōu)點(diǎn)和局限

因?yàn)長ANE提供與現(xiàn)有MAC協(xié)議給網(wǎng)絡(luò)層提供的驅(qū)動(dòng)相同的服務(wù)接口，不需要改變該驅(qū)動(dòng)，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(diǎn)，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(jī)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。

三、CLIP(Classical IP over ATM)

1、原理

為了在ATM網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行IP，IETF采用了邏輯獨(dú)立IP子網(wǎng)(LIS)的概念。象通常的IP子網(wǎng)一樣，一個(gè)LIS包含一組連接到單一ATM網(wǎng)絡(luò)的IP節(jié)點(diǎn)（如主機(jī)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(diǎn)的地址，每個(gè)LIS提供一個(gè)ATMARP服務(wù)器，該LIS內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)(LIS客戶)被配置以該ATMARP服務(wù)器的ATM地址。當(dāng)LIS中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，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(gè)新的LIS客戶的連接，它就向該客戶發(fā)送一個(gè)反向ARP請求，詢問該節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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?yàn)镽FC1577中定義的地址解析協(xié)議保留了主機(jī)對于向子網(wǎng)外站點(diǎn)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(diǎn)間建立，否則源站點(diǎn)必須把分組轉(zhuǎn)發(fā)給缺省路由器，即使源、目的站點(diǎn)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(shí)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(diǎn)。

2、CLIP的擴(kuò)展

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(diǎn)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(gè)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(jī)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(gè)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(diǎn)的IP到ATM的地址映射。節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)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(gè)NHS并轉(zhuǎn)發(fā)該請求。在下一個(gè)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(diǎn)返回一個(gè)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(diǎn)，請求節(jié)點(diǎn)就可以建立一個(gè)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。

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(diǎn)與之建立點(diǎn)到點(diǎn)的連接，它與所有接收節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)到多點(diǎn)連接相連。組播服務(wù)器通過該點(diǎn)到點(diǎn)連接接收數(shù)據(jù)，通過點(diǎn)到多點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)建立點(diǎn)到多點(diǎn)連接。這樣，所有的節(jié)點(diǎn)都可以向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送和從它們接收數(shù)據(jù)。對于一個(gè)含N個(gè)節(jié)點(diǎn)的組來說，將需要N個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)連接，不適于含節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，一簇中所有的端系統(tǒng)配置以MARS的ATM地址。當(dāng)一個(gè)端系統(tǒng)想向特定的組播群發(fā)信息時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)；在組播網(wǎng)方案中，請求節(jié)點(diǎn)與組中的節(jié)點(diǎn)建立點(diǎn)到多點(diǎn)連接并通過該連接發(fā)送數(shù)據(jù)。