IP-over-SONET和IP-over-ATM的技术比较

出处：朗讯科技（中国）有限公司互联网络部作者：朗讯科技时间：2004-11-26 16:15:00

近年来，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的快速发展对广域网带宽提出了更高的要求。Ｉｎｔｅｒｎｅｔ服务供应商ＩＳＰ　一直在寻找更快的主干路由器互连方式。最近面市的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ解决方案，导致许多ＩＳＰ部署了多种ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ技术，如局域网仿真和一般ＩＰｏｖｅｒＡＴＭ技术。由于运营商提供的底层设施是在广域光纤链路上部署的同步光网络 ＳＯＮＥＴ　或同步数字分层 ＳＤＨ　，因此人们越来越多地关注在ＳＯＮＥＴ上直接运行ＩＰ，而不是采用ＡＴＭ网络，以提高带宽效率。但是在这两种备选方案中，到底哪种技术提供了最佳方案，业内一直存在着很大的争议。

一、ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ
    Ｉｎｔｅｒｎｅｔ工程任务小组ＩＥＴＦ　把ＩＰ定义为，把多个异构网络连成一个大型互连网络的公共“粘合剂”。各个网络可以采用不同的物理层、链路层和网络层技术。但是，如果ＩＰ层在各个网络层的顶部运行，那么可以把多个网络无缝地互连起来。Ｉｎｔｅｒｎｅｔ工程任务小组定义了运行ＩＰ的各种网络技术，包括广播局域网技术（如以太网）、电路交换广域网技术（如Ｘ．２５）和分组交换广域网技术（如交换式多兆位数据服务ＳＭＤＳ）。在２０世纪９０年代初，ＡＴＭ的部署数量明显提高。正是这个时候，ＩＥＴＦ开始定义ＩＰ在ＡＴＭ上的操作。ＡＴＭ论坛还着手定义不同的第二层和第三层协议在ＡＴＭ上的操作，主要是从局域网角度的考虑。下面汇总了这些工作获得的成果。
    1.一般IP over ATM (CIP)。一般ＩＰＯｖｅｒＡＴＭ ＣＩＰ　允许现有的ＩＰ用户转向采用ＡＴＭ作为底层数据传输技术，同时仍然采用现有的为传统ＩＰ系统设计的应用。ＡＴＭ网络被分成多个逻辑ＩＰ子网（ＬＩＳ），这些逻辑ＩＰ子网通过路由器互相通信。由于ＡＴＭ没有本机广播功能，因此，用基于客户机——服务器的ＡＴＭＡＲＰ协议代替了传统的广播地址分解协议 ＡＲＰ　。ＣＩＰ采用默认的８字节封装，使用逻辑链路控制／子网访问控制 ＬＬＣ／ＳＮＡＰ　，在ＡＴＭ传输ＩＰ和ＡＴＭＡＲＰ分组。这些分组使用ＡＡＬ５直接映射到ＡＴＭ信元中。这些信元在开通的虚连接（ＰＶＣ）或交换的虚连接（ＳＶＣ）中传送。为建立ＳＶＣ，需要使用一种信令协议，如ＡＴＭ论坛ＵＮＩ３．１／４．０或ＩＴＵ－ＴＱ．２９３１。
    ２．局域网仿真。根据ＡＴＭ论坛给出的定义，局域网仿真 ＬＡＮＥ　是在ＡＴＭ网络上提供的一种服务，它模拟现有的８０２．３以太网ＬＡＮ及８０２．５令牌环ＬＡＮ服务。通过使用局域网仿真，现有的局域网应用可以在ＡＴＭ网络上通信，就象使用类似ＭＡＣ驱动器的接口连到传统局域网上一样。提供的服务包括无连接单点广播和多点广播数据传送服务。ＬＡＮＥ在ＭＡＣ层运行，可以与任何第三层协议一起使用。相比之下，一般ＩＰｏｖｅｒＡＴＭ只能与ＩＰ一起运行。仿真局域网（ＥＬＡＮ）包括一套装在ＡＴＭ端点上的局域网仿真客户机及一种局域网仿真服务。
    ＬＡＮＥ为各种功能提供了多个服务组件，如地址分解、配置和广播。这些服务组件可以装在ＡＴＭ端点或交换机上，可以集中或分布的方式实现。一个ＥＬＡＮ类似于一个局域网网段，可以通过网桥或路由器与其它局域网网段通信。为了通过ＡＴＭ传输ＬＡＮＥ控制和数据包，它使用了２字节ＬＡＮＥ封装。新版ＬＡＮＥ规范还允许使用ＬＬＣ／ＳＮＡＰ封装。ＬＡＮＥ分组使用ＳＶＣ中传送的ＡＡＬ５直接映射到ＡＴＭ信元上。
    ３．ＭｕｌｔｉＰｒｏｔｏｃｏｌｏｖｅｒＡＴＭ ＭＰＯＡ　。ＡＴＭ论坛定义了ＭｕｌｔｉＰｒｏｔｏｃｏｌｏｖｅｒＡＴＭ ＭＰＯＡ　，以克服局域网仿真和ＣＩＰ的主要缺点，即这些协议要求不同子网（ＥＬＡＮ或ＬＩＳ）上的主机通过中间路由器进行通信，这大大降低了分组吞吐量，因为每台路由器在路由时都必须重组第三层分组的信元，在转发时则需要再把分组分割成信元。ＭＰＯＡ允许不同子网中的客户机在彼此之间建立直接的ＶＣＣ或叫作捷径，然后直接在第三层转发分组，而不需任何中间的重组和分割过程。在子网内部，ＭＰＯＡ采用ＬＡＮＥ，ＭＰＯＡ客户机既可以装在与ＡＴＭ相连的主机上，也可以作为把ＡＴＭ子网与非ＡＴＭ局域网网段连接起来的边缘设备的一部分。这些边缘设备可以在第二层桥接分组，还可以在第三层，通过捷径ＶＣＣ转发分组。为此，ＭＰＯＡ客户机监视着第三层分组流量，如果发现到特定信宿有一条连续的分组流，那么客户机会询问ＭＰＯＡ服务器，请其提供ＡＴＭ地址，以建立到信宿的捷径ＶＣＣ。ＭＰＯＡ服务器与该ＡＴＭ子网的路由服务器进行交互，以获得必要的信息。可能需要沿着路由的路径，使用ＩＥＴＦ定义的下站分解协议（ＮＨＲＰ），把分解请求传播到询问的信宿上，直到获得距请求的信宿最近的ＡＴＭ出口点。ＭＰＯＡ用于分布式虚拟路由器中。把ＡＴＭ子网连到传统局域网网段上的边缘设备有点类似于虚拟路由器使用的接口卡。把边缘设备连接起来的整个ＡＴＭ网络是虚拟路由器转发底板。分组转发功能与路由计算功能分离开来，后者由路由服务器完成。分组转发与路由计算相分离，较传统的路由器提高了效率，实现了更高的分组吞吐量。分组使用ＬＡＮＥ或ＬＬＣ／ＳＮＡＰ封装传送。这些分组使用ＳＶＣ中传送的ＡＡＬ５，直接映射到ＡＴＭ信元中。
    ４．多协议标准交换 ＭＰＬＳ　。目前，业内把大量工作都集中在开发一种在ＡＴＭ交换机上集成而不是重叠ＩＰ路由器的解决方案。许多厂商提出把ＩＰ和ＡＴＭ集成起来的建议方案，ＩＥＴＦ已经指定了一种一体化机制，称为多协议标记交换（ＭＰＬＳ）。在ＭＰＬＳ模式下，每台路由器也是一台交换机。除通常的第三层包头外，分配给快捷路径的分组还带有固定长度的标记。通过这些标记，可以使用固定宽度的查找表（而传统路由器中则采用最长的前缀匹配方法），非常迅速地转发分组。ＭＰＬＳ将定义自己的标记分配协议 ＬＤＰ　，该协议将与第三层路由协议紧密交互，建立所需的快捷路径。此外，ＭＰＬＳ允许根据多种标准建立快捷路径，如信宿ＩＰ地址、服务类别和服务策略，从而可以非常灵活地进行网络工程设计。ＭＰＬＳ并不仅仅局限于ＡＴＭ，相反，其目标是对任何链路层技术，只要这种技术能够支持识别快捷路径的固定长度的标记，那么ＭＰＬＳ都可以在这种技术上运行。

二、ＩＰ／ＰＰＰ／ＳＯＮＥＴ
在ＩＥＴＦ开发工作和已宣布的厂商计划基础上，当前的业内发展方向是，采用点到点协议 ＰＰＰ　作为传送ＳＯＮＥＴ有效负载中ＩＰ数字报的机制。ＩＰ／ＰＰＰ／ＳＯＮＥＴ负责以ＳＴＳ－１ ５１．８４Ｍｂｉｔ／ｓ　、ＳＴＳ－３ｃ １５５．５２Ｍｂｉｔ／ｓ　和ＳＴＳ－１２ｃ ６２２．０８Ｍｂｉｔ／ｓ　速率，把ＩＰ数据包映射到ＳＯＮＥＴ有效负载中。
ＩＰ／ＰＰＰ／ＳＯＮＥＴ映射显示了ＰＰＰ的使用方法，路由信号标记字节（ＳＯＮＥＴ路径开销的一部分）的值被设定为２０７。ＰＰＰ协议数据单位与ＳＯＮＥＴ有效负载一样，都是字节，它通过“ｐｒｏｔｏｃｏｌ”字段提供多路复用函数，允许传送其它协议数据单位，如ＩＰＸ。ＰＰＰ还包括控制协议 链路控制协议和网络控制协议　，用来启动和配置链路层协议和网络层协议。ＰＰＰ具有简单、稳定和使用广泛等优点。可以运用这种方法的ＩＥＴＦＲＦＣ包括：ＲＦＣ１６６１，Ｗ．Ｓｉｍｐｓｏｎ，“点到点协议 ＰＰＰ　”；ＲＦＣ１６６２，Ｗ．Ｓｉｍｐｓｏｎ，“在类似ＨＤＬＣ的分帧中采用ＰＰＰ”；ＲＦＣ１６１９，Ｗ．Ｓｉｍｐｓｏｎ，“ＰＰＰｏｖｅｒＳＯＮＥＴ／ＳＤＨ”；ＲＦＣ１７００，Ｊ．Ｒｅｙｎｏｌｄｓ，Ｊ．Ｐｏｓｔｅｌ“分配数量”。

三、ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ与ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ比较
    与ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ相比，ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ操作有着许多差别，部分重要问题汇总如下。
    １．协议开销。到目前为止，ＩＳＰ考虑部署ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ而不是ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ的最大原因，是ＡＴＭ信元包头（每５３字节中有５个字节）导致的开销，有时称为信元税。ＡＡＬ５（填充，８字节报尾）和ＬＬＣ／ＳＮＡＰ封装（８字节）也增加了额外的开销。
    在ＡＴＭ上运行时，ＩＰ只实现了大约８０％的可用线路速率，而在ＳＯＮＥＴ上运行时，它可以实现９５％的线路速率。当昂贵的广域链路或受到带宽限制的其它链路用于主干路由器互连时，运行ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ所增加的容量具有极大的吸引力。对带宽充足的环境，如局域网、带宽效率并不是太大的问题。
    ２．带宽管理。ＡＴＭ提供了全系列功能，可以管理为流经一条链路的各条信息流（ＶＣＣ）分配的带宽。它根据要求的服务质量，为这些ＶＣＣ分配灵活的带宽。由于其信元交换特点，ＡＴＭ允许多条信息流同时共享同一条链路，并保障为每条信息流分配一定数量的带宽。而ＰＰＰ则没有提供任何带宽管理功能。它提供了一条简单的点到点链路，ＩＰ层必须调度其分组传输，保证每条信息流获得公平的链路带宽份额。在速度慢的链路上可能会出现问题，因为在这些链路上，属于优先级低的信息流的大型分组传输，可能会堵住其它优先级高的分组的传输。例如优先级低的文件传送流中的大型分组可能会延迟小得多、但对时间更加敏感的语音分组。ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ在具有带宽限制的链路上，为对延迟敏感的实时应用提供了带宽效率优势，而这种延迟可变性可能会在一定程度上抵消这种优势。
    ３．服务质量。服务质量ＱｏＳ　与端到端分组延迟、抖动、丢包和吞吐量等参数有关。ＡＴＭ提供了一套丰富的可以针对每条ＶＣＣ协商确定的ＱｏＳ参数。交换机中的智能排队和调度机制保证了可以提供协商的ＱｏＳ。ＡＴＭ提供了各种服务等级，可以满足不同的应用要求。例如，具有非常特殊的ＱｏＳ要求的应用，可以使用恒定比特率（ＣＢＲ）或可变比特率（ＶＢＲ）服务。而要求具有弹性特点的应用则可以使用可用比特率（ＡＢＲ）或未指定比特率（ＵＢＲ）服务。这些本机ＡＴＭ功能允许在ＩＰ层简便地提供ＱｏＳ，在ＩＰ层，具有特定ＱｏＳ要求的每条信息流都可以映射到自己的具有特定ＱｏＳ的ＶＣＣ上。例如，语音流可以映射到实时ＣＢＲ或ＶＢＲ连接上，而文件传输可以映射到ＡＢＲ连接上。ＰＰＰ在单一的点到点链路上运行，不提供任何ＱｏＳ功能。如前所述，ＩＰ层必须智能化地管理其分组传输，以保证为信息流提供适当的ＱｏＳ。尽管ＡＴＭ提供了丰富的ＱｏＳ参数集，基于ＱｏＳ的服务限定于连接两台路由器的ＡＴＭ路径。为了向ＩＰ分组提供端到端ＱｏＳ，路由器还必须提供智能排队和调度机制。从这个意义上看，当ＩＰ网络重叠在ＡＴＭ网络顶部时，路由器把ＡＴＭ连接视为点到点链路，这与ＰＰＰ相类似，尽管实际通信可能会发生在由ＡＴＭ交换机组成的网络上。
    ４．地址和路由。ＡＴＭ被定义成完整的网络层，它为末端系统寻址和连接路由提供了广泛的功能。ＡＴＭ网络可以跨越巨大的地理区域，在路由器之间提供了通用的互连机制，而不管这些路由器位于什么位置。相比之下，ＰＰＰ仅在直接的点到点链路上运行，没有寻址或路由功能。为了创建主干网络，必须在主干路由器之间开通点到点链路。必须开通多条链路，以实现链路的容错性。在某些情况下，可能需要配置全网状结构，以使跨越主干所需的站数达到最小。全网状结构不仅成本很高，而且可能并不可行，因为在广域中连接纯ＳＯＮＥＴ链路的通路有限。在与ＳＶＣ配合使用时，ＡＴＭ在路由器之间实现了任意路由器连接，而不需配置全网状结构。即使ＡＴＭ网络中的某些链路出现故障，动态ＳＶＣ路由功能仍可以发现迂回路由，而一直确保任何两台路由器之间的连接。ＡＴＭ最有用的功能是，运营商可以在一个ＡＴＭ接口上，简便地建立与其它路由器的连接。在主干路由器网络中，大多数路由器将需要互相通信，这意味着最终将需要全网状连接，而不管采用的是点到点链路还是ＳＶＣ。但是，ＡＴＭ还可以实现更加灵活的网络工程设计能力，因为它能够在不同的链路上路由ＳＶＣ，并能够通过相同的接入链路，把一台路由器连接到多个信宿上。ＡＴＭ流量控制协议采用多种功能，如呼叫接纳控制ＣＡＣ　、通信整形和用户参数控制ＵＰＣ　或策略制订，确保信息流一直位于协商的通信合同的边界之内。超过的通信将打上标记，可以在网络过载时丢掉这些分组。因此最终用户可以根据带标记的分组或丢掉的分组，了解与拥塞有关的隐含信息。ＡＴＭ的信元级丢弃与ＴＣＰ的分组级流量控制交互能力较差，为了尽量消除这一问题，业内已经为ＡＴＭ开发了多种挂接技术，如部分丢包ＰＰＤ　或早期丢包ＥＰＤ　，以识别分组 ＡＡＬ帧　边界，在过载情况下丢掉整个帧。最近，ＡＴＭ论坛定义了ＡＢＲ服务。它表明了ＡＴＭ端点可以向网络中发送通信的允许速率，为流量控制提供了显示反馈信息。这种速率可以随着网络负载变化而变化，允许用户获得可用带宽，而不会使网络过载。在理想状态下，ＡＢＲ将消除网络中的信元丢失，把拥塞状况推向ＡＴＭ网络的边界。这将要求路由器缓冲更多的分组。ＰＰＰ没有提供流量控制机制，因此ＴＣＰ的流量控制直接在ＰＰＰ链路上运行。如前所述，不管路由器是通过ＡＴＭ相连还是直接通过ＳＯＮＥＴ相连，路由器都查看彼此之间的（一定带宽）管道，必须采用适当的缓冲机制，以确保合理的吞吐量。
    ５．多协议封装。ＡＴＭ为多种协议共享同一链路提供了两种机制，第一种机制称为ＶＣＣ多路复用，它把每种协议分配给各个ＶＣＣ。ＡＴＭ层多路复用及反多路复用ＶＣＣ，因此用户不需增加任何其它封装包头，来区别各种协议。第二种机制称为ＬＬＣ多路复用，这种机制允许多种协议共享同一个ＶＣＣ。它在每个分组中增加一个８字节封装包头，以鉴别它属于哪个协议。当可用的ＶＣＣ数量有限，且在各种协议之间共享ＶＣＣ时，可以使用这种形式的多路复用。ＰＰＰ提供了一种类似于ＡＴＭ中ＬＬＣ多路复用的多协议封装形式。它采用１字节或２字节协议标识符字段作为封装包头。在最主要的方面，ＰＰＰ和ＡＴＭ的多协议封装功能是同等的。
    ６．容错。通过使用一种动态路由协议（称为专用网络节点接口ＰＮＮＩ协议），在发生故障的链路和交换机周围路由连接，ＡＴＭ提供了故障恢复能力。目前，ＰＮＮＩ只在建立初始连接过程中提供迂回路由功能。ＰＰＰ没有任何容错功能，因为它在单一链路上运行。但是，底层ＳＯＮＥＴ层提供了内置的保护功能，在运行光环发生故障时，可以把交换机切换到迂回光环上；当在ＳＯＮＥＴ上运行时，还可以在ＡＴＭ上应用这一功能。

四、部署方案
    上面几节比较了ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ和ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ的相对标准。从本质上看，在使用ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ时，路由器是通过快速点到点链路相连的，而在使用ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ时，路由器是通过一个由多条链路组成的网络相连的，这些链路承载着多路复用的连接，每条连接都与灵活的带宽和协商的服务质量相关。这两种技术方案之间的差异可以归结为速度和灵活性的对比。根据特定应用中哪个因素更加重要，我们可以实施以下部署方案。
    １．ＩＳＰ主干。ＩＳＰ主干一般要求高速互连主干路由器，以使分组吞吐量达到最大化。因此，ＩＳＰ及其供应商对运行ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ、以把主干路由器互连起来有着非常浓厚的兴趣。但是，由于ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ缺乏带宽管理、服务质量和灵活的网络工程设计能力，因此降低了ＩＳＰ及其供应商的兴趣。此外，高速ＳＯＮＥＴ链路可以极快的速率传送分组，这一速率可能要高于大多数路由器可以处理的速率。在不要求服务质量的昂贵的或具有带宽限制的广域链路上，采用ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ把高速主干路由器互连起来具有许多优势。
    ２．企业内部网。跨越广泛区域的企业内部网面临着许多与ＩＳＰ主干相同的问题。从成本角度看，ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ可能具有许多优势。但是，这些优势必须与获得必要的设备和服务所需的成本进行权衡对比。ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ还是一个新兴市场，设备成本可能相对较高。相比之下，ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ正迅速成为一种商品，竞争的加剧正推动着设备成本下降。类似的，运营商可以以比ＳＯＮＥＴ链路更加低廉的价格销售ＡＴＭ链路，因为ＡＴＭ为运营商提供了灵活的带宽管理功能。此外，部署ＡＴＭ允许简便地共享广域带宽，实现非ＩＰ应用，如ＳＮＡ、ＩＰＸ、Ａｐｐｌｅｔａｌｋ、ＤＥＣｎｅｔ等等。
    ３．园区主干。由于园区主干大都采用比较低廉的物理接口，如多模光纤１００－１５５Ｍｂｐｓ　、屏蔽双绞线或非屏蔽双绞线五类ＵＴＰＣａｔ－５　铜线１５５Ｍｂｐｓ　上ＴＡＸＩ带来的经济性，因此这些网络部署ＳＯＮＥＴ的可能性较小。即使部署ＳＯＮＥＴ，但由于带宽可能会非常充足，因此ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ带宽效率可能并不能与ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ的灵活性相抗衡。
    ４．运营商网络。运营商正在其网络中部署ＳＯＮＥＴ，它们还极有可能部署ＡＴＭｏｖｅｒＳＯＮＥＴ，以为付费客户提供灵活的带宽管理功能，确保服务质量。结果，与在ＳＯＮＥＴ上直接开通ＩＰ相比，他们可以更加简便地提供ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ服务。
    目前网络界有两个明显的发展趋势，第一个发展趋势是ＩＰ正迅速成为构建分组网络首选的网络层技术，正在推动着全球Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的发展；第二个发展趋势是运营商正在广泛部署ＳＯＮＥＴ，ＳＯＮＥＴ有可能成为广域网上路由器互连的物理设施。当原始速度非常关键时，ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ要有更大吸引力。而当灵活的带宽管理、服务质量和网络工程非常重要时，ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ则提供了一个更好的解决方案。与成本有关的问题将凌驾于所有这些问题之上。这些成本包括开通服务的成本以及维持服务的成本。ＡＴＭ是一种复杂的技术，自然会引发更高的网络运行和维护成本。根据这些特点，ＩＳＰ及某些企业内部网最有可能在受到限制的环境中部署ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＳＯＮＥＴ。相比之下，运营商和园区主干将首选ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ。新兴技术可能会使得ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ更具吸引力。人们特别关注的焦点之一是ＩＥＴＦ的ＭＰＬＳ开发工作。ＭＰＬＳ在使用ＡＴＭ中大大提高了网络工程和带宽管理的灵活性。此外，它把ＩＰ和ＡＴＭ路由紧密地集成起来，消除了当前ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ解决方案的重叠模型和低效性。随着当前ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ技术（如局域网仿真和ＭＰＯＡ）的部署量提高和运行ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ的新技术的出现，ＩＰ－ｏｖｅｒ－ＡＴＭ的发展势头将变得更加明显。

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