ATM交换技术,ATM交换技术的特点有

('第一章ATM技术概述1.1引言在现代社会中，人们需要传递和处理的信息量越来越大，信息的种类也越来越多，其中对会议电视、高速数据传输、远程教学、VOD等宽带新业务的需求正迅速增长。原来的各种网络都只能传输一种业务，如电话网只能提供电话业务，数据通信网只能提供数据通信业务。这种情况对于用户和网络运营者来说都是不方便和不经济的，人们因此提出了ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork）的概念，希望能够用一种网络来传送各种业务。ISDN的概念是于1972年提出的，由于当时的技术和业务需求的限制，首先提出的是窄带ISDN（N-ISDN）。目前N-ISDN技术已经非常成熟，世界上已经有了许多比较成熟的N-ISDN网。但是由于N-ISDN存在着带宽有限、业务综合能力有限、中继网种类繁多、对新业务的适应性差等局限性，要求人们提出有更大的灵活性、更宽的带宽、更强的业务综合能力的新网络。自80年代以来，一些与通信相关的基础技术，如微电子、光电子技术等的发展和光纤的传输距离和传输容量的提高，为新网络的实现提供了基础。就是在这种环境下，出现了宽带ISDN（B-ISDN）。B-ISDN能够满足：①提供高速传输业务的能力。②网络设备与业务特性无关。③信息的转移方式与业务种类无关。为了研究开发适应B-ISDN的传输模式，人们提出了很多种解决方案，如多速率电路交换、帧中继、快速分组交换等。最后得到了一个最适合B-ISDN的传输模式──ATM（AsynchronousTransferMode）。ATM技术作为B-ISDN的核心技术，已经由ITU-T于1992年规定为B-ISDN统一的信息转移模式。ATM技术克服了电路模式和分组模式的技术局限性，采用光通信技术，提高了传输质量，同时，在网络节点上简化操作，使网络时延减小，而且采取了一系列其它技术，从而达到了B-ISDN的要求。1.2B-ISDN参考模型B-ISDN的协议参考模型如图1-1所示。它包括一个用户平面、一个控制平面和一个管理平面。用户平面主要提供用户信息流的传输，以及相应的控制(如流量控制、差错控制)。控制平面主要是完成呼叫控制和连接控制的功能，通过处理信令来建立、管理和释放呼叫与连接。管理平面提供两种功能，即层管理和面管理功能。面管理完成与整个系统相关的管理功能，并提供所有平面间的协调功能。层管理完成与协议实体内的资源和参数相关的管理功能，处理与特定的层相关的操作和管理(OAM)信息流。图1-1B-ISDN协议参考模型用户平面又分为物理层、ATM层、AAL层及高层，其各层间的数据传输如图1-3所示。下面介绍各层功能。1.31物理层物理层是承运信息流的载体，物理层有传输会聚TC和物理媒体连接两个子层。（1）传输会聚TC子层\uf06cTC子层负责将ATM信元嵌入正在使用的传输媒体的传输帧中，或相反从传输媒体的传输帧中提取有效的ATM层信元。ATM层信元嵌入传输帧的过程如下：ATM信元解调（缓存）\uf0ae信头差错控制HEC产生\uf0ae信元定界\uf0ae传输帧适配\uf0ae传输帧生成。从传输帧中提取有效AT层信元的过程如下：传输帧接收\uf0ae传输帧适配\uf0ae信元定界\uf0ae信头差错控制HEC检验\uf0aeATM信元排队。传输会聚TC子层的主要功能是信元定界和信头差错控制HEC。（2）物理媒体主要由ITU-T和ATMF建议的规范执行，共有以下类型的连接：\uf06c基于直接信元传输的连接\uf06c基于PDH网传输的连接\uf06c基于SDH网传输的连接\uf06c直接信元光纤传输\uf06cUTOPIA接口（通用测试和运行物理接口）\uf06c管理和监控信息流OAM传输接口1.3.1ATM层ATM层利用物理层提供的信元（53字节）传送功能，向外部提供传送ATM业务数据单元（48字节）的功能。ATM业务数据部分（ATM-SDU）是任意的48字节长的数据段，它在ATM层中成为ATM信元的负载区部分。如图1-2所示。图1-2ATM网络协议分层之间的数据传输各层的功能与协议参考模型的关系如表1所示。表1B-ISDN各层的功能与协议参考模型的关系高层高层功能AAL层CS子层会聚功能，即将业务数据变换成CS数据单元SAR子层分段与重组，在此层以信元为单位对CS数据分段或重组ATM层通用流量控制,信头头的产生/提取;信元VP/VC变换信元复用与分解物理层TC子层信元速率解耦;HEC信头序列产生/检验;信元定界;传输帧适配传输帧产生/恢复PM子层比特定时;物理媒体物理层AAL层ATM层高层信息AAL-SDUAAL-PCI48字节传送信息48字节负荷区5字节信头53字节信元53字节信元比特流第二章ATM交换原理ATM交换技术是ATM网络技术的核心。交换结构的性能将决定ATM网络的性能和规模。交换机设计的方法将影响交换吞吐量、信元阻塞、信元丢失和交换延时等，交换结构不仅影响交换机的性能和扩展特性，而且也影响交换机支持广播方式和点到点方式的能力。现代通信网中广泛应用的交换方式有两种：电路交换方式和分组交换方式。电路交换方式包括传统电路交换、多速率电路交换、快速电路交换等，分组交换方式包括帧交换、帧中继、快速分组交换等。电路交换方式适用于话音等实时性业务，而分组交换方式适用于数据业务。在综合业务环境下，不同业务对网络的要求不同，电路交换方式和分组交换方式都不能满足综合业务环境下的使用要求。ATM交换技术是一种融合了电路交换方式和分组交换方式优点而形成的新型交换方式。2.1ATM交换的特点ATM交换具有以下特点：（1）采用统计时分复用传统的电路交换中用STM（SynchronousTransferMode）方式将来自各种信道上的数据组成帧格式，每路信号占固定比特位组，在时间上相当于固定的时隙，即属于同步时分复用。在ATM方式中保持了时隙的概念，但是采用统计时分复用的方式，取消了STM中帧的概念，在ATM时隙中存放的实际上是信元。（2）以固定长度（53字节）的信元为传输单位，响应时间短ATM的信元长度比X.25网络中的分组长度要小得多，这样可以降低交换节点内部缓冲区的容量要求，减少信息在这些缓冲区中的排队时延，从而保证了实时业务短时延的要求。（3）采用面向连接并预约传输资源的方式工作在ATM方式中采用的是虚电路形式，同时在呼叫过程向网络提出传输所希望使用的资源。考虑到业务具有波动的特点和网络中同时存在连接的数量，网络预分配的通信资源小于信源传输时的峰值速率（PCR）。（4）在ATM网络内部取消逐段链路的差错控制和流量控制，而将这些工作推到了网络的边缘X.25运行环境是误码率很高的频分制模拟信道，所以X.25执行逐段链路的差错控制。又由于X.25无法预约网络资源，任何链路上的数据量都可能超过链路的传输能力，因此X.25需要逐段链路的流量控制。而ATM协议运行在误码率较低的光纤传输网上，同时预约资源保证网络中传输的负载小于网络的传输能力，ATM将差错控制和流量控制放到网络边缘的终端设备完成。（5）ATM支持综合业务ATM充分综合了电路交换和分组交换的优点，既具有电路交换“处理简单”的特点，支持实时业务、数据透明传输，在网络内部不对数据作复杂处理，采用端-端通信协议；又具有分组交换的特点，如支持可变比特率业务，对链路上传输的业务采用统计时分复用等所以ATM支持话音、数据、图象等综合业务。2.2VP/VC交换在ATM中一个物理传输通道被分成若干的虚通路VP（VirtualPath），一个VP又由上千个虚通道VC（VirtualChannel）所复用。ATM信元的交换既可以在VP级进行，也可以在VC级进行。虚通路VP和虚通道VC都是用来描述ATM信元单向传输的路由。每个VP可以用复用方式容纳多达65536个VC，属于同一VC的信元群拥有相同的虚通道识别符VCI（VCIdentifier），属于同一VP的不同VC拥有相同的虚通路识别符VPI，VCI和VPI都作为信元头的一部分与信元同时传输。传输通道、虚通路VP、虚通道VC是ATM中的三个重要概念，其关系如图2-1所示。图2-1传输通道、虚通路VP、虚通道VC的关系ATM的呼叫接续不是按信元逐个地进行选路控制，而是采用分组交换中虚呼叫的概念也就是在传送之前预先建立与某呼叫相关的信元接续路由，同一呼叫的所有信元都经过相同的路由，直至呼叫结束。其接续过程是：主叫通过用户网络接口UNI发送一个呼叫请求的控制信号，被叫通过网络收到该控制信号并同意建立连接后，网络中的各个交换节点经过一系列的信令交换后就会在主叫与被叫之间建立一条虚电路。虚电路是用一系列VPI/VCI表示的。在虚电路建立过程中，虚电路上所有的交换节点都会建立路由表，以完成输入信元VPI/VCI值到输出信元VPI/VCI值的转换。虚电路建立起来以后，需要发送的信息被分割成信元，经过网络传送到对方。若发送端有一个以上的信息要同时发送给不同的接收端，则可建立到达各自接收端的不同虚电路并将信元交替送出。在虚电路中，相邻两个交换节点间信元的VCI/VPI值保持不变。此两点间形成一条VC链，一串VC链相连形成VC连接VCC（VCConnection）。相应地，VP链和VP连接VPC也以类似的方式形成。VCI/VPI值在经过ATM交换节点时，该VP交换点根据VP连接的目的地，将输入信元的VPI值改为新的VPI值赋予信元并输出，该过称为VP交换。可见VP交换完成将一条VP上所有的VC链路全部送到另一条VP上，而这些VC链路的VCI值保持不变（如图2-2所示）。VP交换的实现比较简单，往往只是传输通道的某个等级数字复用线的交叉连接。图2-2VP交换VC交换要和VP交换同时进行，因为当一条VC链路终止时，VP连接（即VPC）就终止了，这个VPC上的所有VC链路将各自执行交换过程，加到不同方向的VPC中去。如图2-3所示。图2-3VC交换过程2.3ATM交换原理ATM交换结构应该能够完成两方面基本功能，一是空间交换，即将信元从一条传输线上交换到另一条上，又叫路由选择；另一功能是时间交换，即将信元从一个时隙转移到另一时隙。下面介绍ATM交换的原理。ATM交换机从基本构成上可分为接口模块、交换模块、和控制模块，如图2-4所示。图2-4ATM交换机的功能模块接口模块位于交换机的边缘，为交换机提供对外的接口。接口模块可分为两大类，一类是ATM接口模块，提供标准的、ATM接口；另一类是业务接口模块，提供与具体业务相关的接口。ATM接口模块完成物理层、ATM层的功能。业务接口模块完成业务接口处理、AAL层和ATM层的功能。业务接口的处理包括物理层、数据链路层甚至更高层的功能，如业务数据帧结构的识别、分离或组装用户数据和信令。业务信令经过分析转换为ATM信令，由交换机的控制模块进行处理，业务数据则根据不同的业务类型，进行不同类型的ATM适配。交换模块是整个交换机的核心模块，它提供了信元交换的通路，通过交换模块的两个基本功能（排队和选路），将信元从一个端口交换到另一个端口上去，从一个VP/VC交换到另一个VP/VC。交换模块还完成一定的流量控制功能，主要是优先级控制和ABR业务的流量控制。控制模块是交换机的中央枢纽，它完成ATM信元处理、资源管理和流量控制中的连接接纳控制，以及设备管理、网络管理等功能、在实现时，设备管理和网管多在外接的管理维护平台上完成。2.4基本排队机制ATM交换结构的基本排队机制有输入排队、输出排队和中央排队。如图2-5所示。图2-5基本排队方式2.4.1输入排队在这种情况下采用如图2-5所示的方法来解决输入端可能出现的竞争问题。在煤炭输入线上设置队列，对信元进行排队，由一个仲裁机构根据各输出线的忙闲、输入队列的状态、交换传输媒体的状态来决定那些队列中的信元可以进行交换。输入排队的特点有：①存在信头阻塞（HOL），如线1队列上的第一个信元要到出线2上，若出线忙，队列的第一个信元出不去，则它后面的信元的出线即使空着，这些信元也不能输出，这就是信头阻塞（HOL）。HOL降低了交换传输媒体的利用效率。②需要专门的仲裁机制。仲裁机制越复杂，交换传输媒体的利用率就越高，但系统的实现就越复杂。③从队列本身的结构和实现方法来看，输入队列是比较简单的，可以用简单的FIFO来实现，对存储器速度的要求较低。2.4.2输出排队输出排队中，交换传输媒体本身可保证输入的任一个信元都可以被交换到输出端，但输出线的速率是有限的，所以要在输出端进行排队，解决输出线的竞争。输出队列有以下特点。①输出队列的控制比较简单，在输出队列中，只需判断信元的目的输出线，由交换传输媒体将信元放到相应的输出队列中就可以了。②输出队列本身的管理比较简单。输出队列可以由FIFO实现，担它要求存储器的速度较高，极端的情况是，N个入线的信元都要求输出到同一条出线，为保证无信元丢失，要求存储器的写速率是入线速率的总和。③输出队列的利用率较低。为达到同样的信元丢失率，输出队列要求更大的存储空间，因为一个输出队列只为一个输出线利用，每个队列都需要按照最坏的情况设计存储容量。2.4.3中央排队中央排队机制中，交换传输媒体分为两部分，队列设在两个交换传输媒体中间，所有入线和出线共用一个缓冲器，所有信元都经过这一个缓冲器进行缓存。中央排队的特点是：①存储管理复杂。由于存储器不再由一个输入、输出线所用，所以队列不能用简单的FIFO实现，而必须用随机寻址的存储器来实现，还有一套复杂的管理机制。②存储器利用率高。由于存储器有所有虚连接共享，相当于对每一个输入、输出线都有一个长度可变的队列。③对存储器的速度要求是三种方式中最高的。输入、输出端的存储器读写速度都必须是所有的端口速率之和。2.5共享存储器交换机的模型2.5.1ATM交换结构ATM交换结构（SwitchingFabric）是ATM交换单元的核心。大型交换机的交换单元由多个交换结构互连而成，小的交换机有单个交换结构构成。ATM交换结构分为时分交换结构和空分交换结构两种，下面分别介绍。2.5.1.1时分交换结构在时分交换结构中，各接口以时分复用的方式共享一条通信媒体。根据媒体不同，可分为共享总线和共享存储器两种。时分交换结构的交换能力受到共享媒体的限制，但是由于每个信元都沿着共享媒体传输，所以时分交换结构很容易实现点到多点传送（Point-to-Multipoint）。\uf06c共享总线结构共享总线结构一般如图2-6所示，它由总线和总线仲裁模块构成，各个接口模块都挂在总线上，当一个接口模块有信元要交换时，由接口模块首先发出总线申请，由总线仲裁模块决定是否允许发送，如果允许，则接口模块把信元发送到总线上，总线上各个接口模块根据信元携带的路由信息判断是否接收该信元，如果信元的目的地址为本模块，则从总线上把该信元拷贝下来，这样就完成了一个信元交换。图2-6共享总线交换结构共享总线交换结构的特点是结构简单，容易实现点到多点通信，容易实现优先级控制，但是它的吞吐量有限。\uf06c共享存储器结构共享存储器结构的交换方式是目前比较流行的一种ATM交换方式。由于我们设计的交换机采用的就是共享存储器结构，所以将在下面详细介绍。2.5.1.2空分交换结构在空分交换结构中，输入和输出端口之间有一组通路，这些通路并行工作使不同输入端口的信元可以同时由交换单元传送。这样交换单元的总容量就是每个通路的带宽乘以并行传送一个信元的的通路平均数之积。因此，理论上采用空分交换结构的ATM交换机的总容量没有上限。空分交换结构可分为全互联网和多极互联网（MIN）。在ATM交换机中利用多级互连网将一些相同结构的小容量交换单元，构成一个大容量的交换结构。交换单元是一个独立的交换单位，多为一个或一组交换芯片，可以完成4×4、8×8、16×16等容量的交换，实现方式多种多样，如可以采用共享存储器、全互连网结构。目前比较流行的连接各个交换单元的多级互连网是Banyan网，如图2-7所示。图2-7中所示是一种形式的Banyan网，它的基本单元是2×2的交换单元。这是一种自选路由的网络，以目的地址为选路信息，有N比特的目的地址就有N级网络，每级解释选路信息的一比特，交换单元中标有1的出线，表示选路信息的当前比特为1时从此线出。图2-7Banyan网2.5.2共享存储器交换结构共享存储器的交换结构如图2-8所示，它一般由路由选择、存储器控制、信元传输媒体和中央存储器构成。共享存储器交换结构的交换容量由存储器的容量决定。目前典型的共享存储器交换结构都采用共享输出队列的排队机制。采用地址链表管理存储器。地址链表中存放着共享存储器的空闲地址，当一个信元到达时，就从链表中弹出一个地址，信元就存储在这个地址所指的存储区中；同时信头进入选路控制器，由它识别信元的出口线，每个出口线都对应着一个输出队列，选路控制器将信元存放的地址推入相应的输出队列中，这样各出口线只要图2-8共享存储器交换结构从输出队列中取出地址，就可根据这个地址从共享存储体中取出信元了。共享存储器交换结构的特点：（1）点到多点通信实现较复杂，一种方法是将信元拷贝多份，分别放入各个队列中；一种方法是不进行信元拷贝，而是设置一个计数器，每向一个目的输出端口传送一次信元计数器就减一，一直到零，表示已向所有目的输出端口传送了广播/点到多点信元，这时才可释放该信元所占用的存储地址。（2）存储器控制机制较复杂。（3）由于存储器是一种非常通用的器件，并且存储器电路设计具有重复性，所以共享存储器交换结构从成本和交换容量上比共享总线结构要好。（4）存储器为所有输出共享，所以存储器利用率较高。（5）共享存储器结构本身也是无阻塞的，信元丢失只发生于队列溢出时。在共享存储器交换结构中，排队管理的方式决定了共享内存的利用效率。目前较流行的排队管理如图2-9所示。在图中所示的例子中，每个输出端口对应4个队列，每个队列一个优先级。除了输出队列外，还有CPU队列，用来存放需要送到CPU的信令、OAM、网管等信元。在共享内存中，为每一个队列设置少量的保留内存，不论该内存是否使用都为其保留。这种内存部分共享方式的内存管理效率比内存全部共享方式的利用率要低，但是不会出现一个或几个队列把共享内存全部占据的情况。图2-9共享存储器的排队管理第三章ATM通信量管理3.1服务质量服务质量在ATM网络中是一个重要的话题，这部分因为ATM网络都是用作实时传输的，比如音频和视频。当一条虚电路建立时，传输层（典型地为主机中的一个进程，“客户”）和ATM网络层（例如：一个网络操作者，也即“运载提供者”）都要遵守一个定义服务的协定。协定的第一部分是通信量描述符（trafficdescriptor）。它描述要提供的载荷。协定的第二个部分指定客户所要求的和通信提供者同意的服务质量。无论是载荷还是服务，都是要以可度量的数量来描述的，这样约定就可以被客观的决定。为了使具体的通信量协定成为可能，ATM标准定义了一系列的服务质量QoS(qualityofservice)，客户和通信提供者可以协商这些参数的值。对于每一个服务质量参数，其最差情况下的值被指定了，要求通信提供者必须要达到或者超过该值。在某些情况下，参数是一个最小值，而在另外一些情况下它是一个最大值。也是在这里，服务质量在每个方向上都是单独指定的。其中一些比较重要的列在了表6中，但它们并不是对所有的服务类型都适用。表6一些服务质量参数参数缩写词含义峰值信元速率PCR信元发送的最大速率持续信元速率SCR长时间的平均信元传输速率最小信元速率MCR最小的可接受的信元传输速率信元延迟变化极值CDVT最大的可接受的信元抖动信元丢失比率CLR信元丢失或提交得太迟的比例信元传送延迟CTD信元提交时拖延的时间（中间值和最大值）信元延迟变化CDV信元提交时间的变化幅度信元错误比率CER提交无错信元的比例严重错误信元块比率SECBR出错信元的比例信元错误目的地比率CMR信元提交至错误目的地的比例3.2通信量整形和控制使用和增强服务质量参数的机制是基于（部分地）一种特定的算法，也即通用信元速率算法GCRA(genericcellratealgorithm)。它的工作原理是检查每一个信元，看是否遵从了虚电路的参数。GCRA有两个参数，它们指定了最大的允许到达率（PCR）和其中可以忍受的到达时间变化量（CDVT）。PCR的倒数，T=1/PCR是最小的信元到达间隔值。GCRA算法被称为虚拟调度算法(virtualschedulingalgorithm)，然而从另一种角度来看，它等同于一个漏桶算法。可把一个合乎协定的信元想象成是倒入一个漏桶的T单位的流体。这个桶以1单位/us的速度漏液体，因此Tus之后它就空了。如果信元正好是以1信元/Tus的速度到达，那么每一个到达的信元都会发现桶刚刚空出来，该信元会把桶内重新装上T单位的液体。因此当一个信元到达时，液体水位升至T，以后就线性递减直到为零。当一个信元提前Lus到达时，桶就应该溢出。对于一给定的T，如果我们把L设置得很小，桶的容量将会很难超过T，因此所有的信元必须以一种非常规范的间隔顺序发送。然而，如果我们现在增加L的值，使它远远大于T，桶将会容纳很多的信元，因为T+L>>T。这就意味着发送者可以以峰值速率一个接一个地发送一些突发性数据，而它们仍然能够被正确地接收。GCRA正常情况下是通过给定参数T和L来指定的。T正好是PCR的倒数；L就是CDVT。GCRA也用来保证在任何一段较长时间内平均信元传输速率不会超过SCR。除了提供了一条规则来看哪一个信元是合乎协定的，哪一个是不合乎协定的之外，GCRA也用于通信整形，以消除某些突发性传输。CDVT越小就意味着越好的平滑效果，但也增大了因为不合乎协定而丢弃信元的机率。在一些实现中把GCRA漏桶和一个令牌桶结合起来，以提供进一步的平滑。3.3拥塞控制ATM网络必须既要处理由于大于系统处理能力的通信量而引起的长期拥塞，又要处理由于通信中的突发性传输而引起的短期拥塞。结果人们使用了几种不同的策略。它们当中最重要的可分为3类：3.3.1许可证控制很多ATM网络中有以固定速率产生数据的实时通信源。告诉这一类的通信源减慢发送速率是行不通的（想象一种有一个红灯的新型数字电话。当通知拥塞发生时，红灯就会亮，讲话者将被要求速率减慢25%）。因此，ATM网络把防止拥塞发生放在第一的位置。然而，对于CBR、VBR、UBR类通信量，根本就没有动态拥塞控制，因此在这里预防拥塞发生将远远比拥塞发生后再去恢复强得多预防拥塞的一个主要工具是许可证控制。当一台主机需要一条新的虚电路时，它必须描述出希望被提供的通信和服务，网络便作出检查来看是否有可能，在不对已存在连接造成有害的影响的前提下处理该连接。可能需要检查多条可能的线路，从而发现哪一条将可以做此项工作。3.3.2资源预订同许可证控制密切相关的是事先预定资源的技巧，这通常是在呼叫建立时进行。因为通信量描述符给出了信元发送峰值速率，网络就有可能沿通路预留足够的带宽来处理该峰值速率。3.3.3基于速率的拥塞控制在CBR和VBR通信中，因为信息源固有的实时和半实时的特性，所以即使在发生拥塞的情况下，一般也不可能让发送者减慢发送速率。在VBR服务中，没有人会担心。如果有太多的信元，把多出来的丢弃掉就是。在ABR通信中，网络去通知一个或多个发送者并且请求它们暂时减慢发送速率直到网络恢复，这是可能的也是合理的。怎样检测、通知和控制ABR通信中的拥塞是ATM标准发展过程中的一个热门话题，问题集中在以下两个方面：一是基于信用的解决方案，一种是基于速度的解决方案。交换机厂商们反对基于信用的解决方案。他们不想进行所有计算，以记住这些信用，同时，也不想预先提供很多缓冲区，并认为所需要的开销总量太大。因此，采用了基于速度的拥塞控制系统。其基本模型是每个发送端在k信元数据之后传送一个特殊的资源管理RM(resourcemanagement)信元。这个信元的传输通路与k信元相同，但是它由交换机进行特殊处理。当RM信元到达接收端时，对它进行检测、修改并且再将它发送回发送端。另外，还提供了其他两种拥塞控制装置。第一种是超载荷交换机能够自发地产生RM信元，并将它们发送回发送端。第二种是超载荷交换机能够对从发送端传送到接收端的信元数据设置其中间PTI位的值。当然这两种方法没有一个是完全可靠的。第四章ATM与IP结合技术在过去十来年中，ATM成为下一代网络的重要技术，它可以提供空前的可伸缩性和性价比，以及对将来的实时业务、多媒体业务等的支持。在将来的信息体系中，ATM将扮演重要的角色。但是，目前的信息体系，即LAN和WAN，建立在网络层协议如IP、IPX等的基础上，因此，ATM的成功及Internet的发展的关键是现有的网络技术和ATM的互操作，而实现这一目的的关键是相同的网络层协议，如IP、IPX，同时应用于现有的网络和ATM上，因为给高层协议和应用提供统一的网络视角是网络层的任务。到目前为止，已有了多种在ATM上运行IP的方法，如：ATM论坛的LANE和MPOA、IETF的CLIP和NHRP、Ipsilon网络公司的IP交换和Cisco公司的标记交换，下面将逐一介绍。4.1简介ATM和现有的协议体系，特别是网络层的IP、IPX等协议，在很长的时间内共存，如何在单一网络上实现现有网络协议和ATM、如何将ATM与传统网络互连，是广大研究人员、设计人员和业者研究的课题。然而，ATM和IP源于不同的技术团体和基础，有着各自的应用。IP的目的是以不确定的状态将分组发送到目的地，它是非连接的，没有服务质量的保证；而ATM的目的是提供有保证的综合业务，是面向连接的，基于快速的固定长度信元的交换。ATM和IP的巨大差异使得有效地将二者集成成为难题。在ATM网络中支持IP有两种不同的模型，这两种模型以不同的角度看待ATM协议层和IP的关系。第一种是对等模型，在本质上将ATM层看作IP的对等层，这种模型建议在ATM网络中使用与基于IP的网络中相同的地址方案，因此ATM端点将由IP地址来识别，ATM信令将携带这样的地址，且ATM信令的路由也使现有的网络层路由协议。因为使用了现有的路由协议，对等模型就排除了开发新的ATM路由的需要。对等模型在简化了端系统地址管理的同时，很大程度上增加了ATM交换机的复杂度，因为ATM交换机必须具有多协议路由器的功能，支持现有的地址方案和路由协议。此外，现有的路由协议是基于当前的LAN和WAN开发的，不能很好地映射到ATM中及使用ATM的服务质量特性。在目前的解决方案中，IP交换、标记交换、MPLS是基于对等模型的。另一种模型称作子网或覆盖模型，将ATM层与现有协议分开，定义了全新的地址体系，即现有协议将运行于ATM之上。此覆盖模型需要定义新的地址体系和相关的路由协议，所有的ATM系统需要同时被赋予ATM地址和它要支持的高层协议地址。ATM地址空间逻辑地与高层协议的地址空间相分隔，没有任何相关性。因此，所有运行于ATM子网上的协议需要某种ATM地址解析协议以把高层协议（如IP）地址映射到相应的ATM地址。这种将ATM与高层协议分开的方法允许各自独立的开发，在实用的工程角度这非常重要。在目前的解决方案中，LANE、MPOA和CLIP是基于覆盖模型的。4.2LANE4.2.1如何在传统LAN上运行IP在传统的LAN中，当源主机想给同子网的目的主机发送分组时，它检查其ARP缓存看是否已经知道与目的主机IP地址相联系的硬件地址(MAC地址)，如果已经知道，就把带有目的主机的IP地址和MAC地址的分组发送出去。如果目的MAC地址未知，源主机就发送一个ARP请求分组，ARP请求是本地广播分组，将被子网中所有主机接收，目的主机识别到自己的IP地址后，在ARP回应分组中回答其MAC地址，源主机接收到ARP回应并把它存到自己的ARP表中，现在源主机就可以发送含有正确的目的IP地址和MAC地址的分组了。4.2.2ATMLAN必须仿真什么功能(1)由于传统LAN是介质共享网络，很容易提供广播服务并实现ARP，ATM网必须模仿这一功能，由BUS（广播和未知服务器）实现。(2)一般来说，传统LAN中的每个主机都有其MAC地址和IP地址，直接连到ATM网的主机除了具有ATM地址外，也必须有MAC地址和IP地址。(3)ATM主机必须提供与MAC协议给网络层协议提供的接口服务相同的服务，如NDIS或ODI类驱动接口。4.2.3LANE如何工作顾名思义，LANE的功能是在ATM网络上仿真LAN，LANE协议定义了仿真IEEE802.3以太网或802.5令牌环网的机制。LANE协议定义了与现有LAN给网络层提供的服务相同的接口，在ATM网络中传输的数据以相应的LANMAC分组格式封装。每个ELAN(EmulatedLAN)由一组LANE客户(LEC)和LANE服务构成。LEC还可以是作为ATM主机代理的网桥和路由器。LE服务由三个不同的功能实体构成：LAN仿真配置服务器(LECS)、LAN服务器(LES)和BUS，这三个服务实体可以各自存在，但通常位于同一设备，例如：LES可以位于ATM交换机、路由器、网桥和工作站。下面是LANE中的工作站与另一工作站通信的步骤：(1)初始化LEC需要知道LECS的ATM地址并与其建立连接，这通过ILMI或众所周知(well-known)的LECS地址完成，这个过程中的任何时刻LEC都可以与手工配置的LECS地址建立双向配置直达VCC。这个过程中，LEC将获取该ELAN的LES的ATM地址。(2)登记这是LEC给LES提供地址信息，如MAC地址的机制。此过程中将在LEC和LES之间建立一对连接，即双向点到点控制直达VCC，及单向点到多点控制分布VCC。(3)地址解析这是LEC从LES学习目的站点ATM地址的方法，由ATM地址解析协议实现，允许LEC建立数据直达VCC以传送帧。这时在LEC和BUS之间建立双向点到点组播发送VCC和单向点到多点组播转发VCC。(4)数据传输当源站点和目的站点等待建立数据直达VCC的过渡时期里，BUS可以把帧转发给该ELAN中的所有LEC，当数据直达VCC建立后，通信就从原来的路由(BUS)切换到新的路由，为了保证帧的顺序，信息清空协议(flushmessageprotocol)被用以通知BUS：在开始使用新的路由传输帧时，清空请求被发送到BUS并转发到该ELAN中所有LEC，然后不再有帧通过BUS（旧路由），所有帧将通过数据直达VCC（新路由）发送到目的站点。需要说明的是：在ATM论坛规范中描述的上述过程中，并没有提到从IP地址到MAC地址的解析。下面是传统LAN的主机与ATM主机通信的全过程：(1)为确定目的站点的MAC地址，源主机广播一个含有IP地址的ARP请求，这是任何IP网络的标准过程，ARP请求到达传统LAN上的LAN/ATM网桥。(2)在LAN/ATM网桥上的LEC将广播分组通过组播发送VCC转发给BUS，BUS通过组播转发VCC给ELAN中的所有成员发送ARP请求。(3)目的站点收到ARP请求并识别出自己的IP地址，作为回应，它把自己的MAC地址放到ARP回应中。因为这还不是到LAN/ATM网桥的直达VCC，目的站点的LEC把ARP回应通过组播发送VCC发送给BUS，BUS通过组播发送VCC将其转发给LAN/ATM网桥。(4)LAN/ATM网桥通过传统LAN把ARP回应传给源主机。(5)这时源主机拥有了目的站点的MAC地址，开始通过LAN传送数据。(6)网桥通过组播发送VCC把分组传给BUS，BUS把分组转发到目的站点。(7)同时，LAN/ATM网桥上的LEC通过控制直达VCC向LES发送LE-ARP请求，询问与目的站点的MAC地址相对应的ATM地址，如果LES没有该映射，则通过控制分布VCC向所有LEC发送LE-ARP请求，目的站点LEC收到该请求后把自己的ATM地址放进LE-ARP回应并通过控制直达VCC发回LES。(8)源LEC通过控制直达VCC从LES收到LE-ARP回应，抽取ATM地址并在源和目的之间建立数据直达VCC。(9)数据直达VCC建立后，从网桥传来的分组将通过数据直达VCC传输，取代BUS。4.2.4LANE的优点和局限因为LANE提供与现有MAC协议给网络层提供的驱动相同的服务接口，不需要改变该驱动，这将加速ATM的发展和应用。但是，LANE的功能是使ATM的特性对高层协议透明，因此它使高层协议不能利用ATM固有的优点，尤其是其服务质量保证。新完成的LANE2.0版为ATM端系统间的通信提供局部管理的服务质量，该协议提供机制以确定是否支持期望的服务质量。每种局部定义的服务质量可以包含信息以指示以该服务质量建立的VCC是否可以被其他协议或应用所共享。尽管LANE提供在ATM网络子网内桥接的有效方式，但子网间的业务仍需要通过路由器转发，因此，ATM路由器很可能成为瓶颈，下面谈到的MPOA将解决子网间通信的效率问题。4.3CLIP(ClassicalIPoverATM)4.3.1CLIP原理为了在ATM网络上运行IP，IETF采用了逻辑独立IP子网(LIS)的概念。象通常的IP子网一样，一个LIS包含一组连接到单一ATM网络的IP节点（如主机或路由器），它们属于同一IP子网。ATMLIS的行为很象传统的IP子网，为了在LIS内解析节点的地址，每个LIS提供一个ATMARP服务器，该LIS内的所有节点(LIS客户)被配置以该ATMARP服务器的ATM地址。当LIS中一个节点出现时，它首先建立与ATMARP服务器的连接。一旦ATMARP服务器检测到一个新的LIS客户的连接，它就向该客户发送一个反向ARP请求，询问该节点的IP地址和ATM地址，并保存在其ATMARP表中。随后，LIS中的任意想解析目的IP地址的节点将向该服务器发送ATMARP请求，如果地址映射被找到，则服务器返回ATMARP回应，否则，它返回一个ATM_NAK响应以表示没有该映射，服务器定期清除地址映射表，除非客户对其周期性的反向ARP请求给予响应。一旦LIS客户获取了与IP地址相对应的ATM地址，它就可以与该地址建立连接。分组封装和地址解析的协议分别在RFC1483和RFC1577中定义。然而，因为RFC1577中定义的地址解析协议保留了主机对于向子网外站点发送分组必须经过缺省路由器的要求，所以捷径VCC只能在同一子网内的节点间建立，否则源站点必须把分组转发给缺省路由器，即使源、目的站点在同一ATM网络内也是如此。这样，ATM路由器就成了瓶颈，且服务质量无法实现。与LANE相比，RFC1577只支持IP，而不支持其它网络层协议，如IPX、AppleTalk。此外，CLIP也不支持组播，这也是RFC1577的重要缺点。',)