采用ATM传送IP协议实现局域网互连的技术

海风8866

目前，有很多机构都拥有局域网，当局域网间互连时，用户就可以自由地进行数据和文件交换。由于局域网彼此间相距吵是太远，可通过网桥和路由器很方便地连接在一起，使用户产生一个错觉，认为这些LAN本身就是一个完整的大网，而不是若干独立的局域网的集合。本文先容如何把多个相距较远的局域网通过互连产生上述效果的工作原理。

    如果几个局域网地处同一个地方（例如在同一个楼房或同一个校园内）那么最典型的应用是使用网桥或路由器通过一个FDDI光纤网构成局域网间互。像这样的网间互连对于处在某个局域网MAC子层上的用户来说是透明的。一般来说，虽然数据的传输经过了多个中继系统，但是用户感觉不到。如果几个局域网互相之间的距离较远，可以通过专线或是通过公用通信网来实现。对这种网络互连的实行需要认真考虑。单个局域网的速率一般为10Mbps，而无论是通过专线还是利用公用通信网实现广域的局域网互连，其有效带宽一般都远远低于这个速率。

    本文主要讨论现有的局域网如何通过ATM网络来实现网间互连。通过ATM网络建立的网间互连，在功能上可以与单个局域网中的功能相媲美，而且通信的双方相互独立，他们之间的操作是透明的，好象双方同处一地。每个局域网与ATM网络之间通过网间互连单元（IWU）进行了互通。这种网间互连不仅可以在MAC层（介质访问控制子层）上进行（通过网桥），也可以通过路由器在网络层上进行。

    在ATM网上运行IP协议，在网络层上实现网间互连。其优点是，可在各LAN子网上采用本地传输技术；其次是由于网络层地址是分级式的，而且为路由选择提供地域信息，它不象硬件地址（即，MAC层地址）那样直接，这就使得地址分辨更加简单。另外，在网络层上使用路由器为各局域网提供了安全保护（防火干墙）。到达的数据报可以根据其源地址进行鉴别。在一个ATM网络连接中可以包含由多个不同数据源送来的业务量，所以安全检查更加困难。采用ATM技术时，这是应当考虑的重要因素。人们常说ATM技术也适用于局域网或广域网，而且预言，ATM技术迟早会取代局域网、网桥和路由器。这将是一种端到端的无缝连接。但这只是一种可能，至少在近期或更长的一段时期内它还不大可能代替现有的局域网，而且随着局域网技术的迅猛发展，例如100Mbps以太网、千兆比特以太网或交换式局域网的出现，必将在很长一段时期内推迟ATM应用于的步伐。共享媒介式局域网技术已经扩展到广域通信的范围了，而且性能良好。网络层协议（如IP协议）支撑分级式地址，便于进行路由选择。图1描述了一具CLON（无连接叠网）的结构图。（a）图描述了远程局域网通过网间互连单元（IWU）实现网间互连的网络结构；（b）图描述了终端站上IWU和CLS上的协议堆，此图假定IP是网络协议。这种网间传输的实质是，IWU将无连接LAN的业务量传送到某一CLS上，在那里进行分组交换，把分组送到目的地IWU。



    CLON的工作方式

    现在让大家来看一下从局域网A的主机发送一个数据包到局域网B的主机的数据传递过程。该数据报的报头包含有通信双方站点的源IP地址和目的IP地址。发送方主机的IP路由选择功能识别，本地的IWU为转接的第一站，然后该数据报被装入一具MAC帧并送往此IWU。在这个IWU的IP层，数据报的目的地址告诉它应当进一步送到网络的各一端。该IWU的IP层路由表确定了下一个转接站是局域网B的IWU，然后数据报连同下一个IWU的IP地址一起被送到协议堆的下一层，即无连接的CLNAP协议（这是一个由ITU-T定义的协议，与X.25相似，但它是无连接的）。CLNAP协议负责把远端IWU的IP地址转换为一个等效的E.164地址，然后在它的路由表中查看此E.164地址所对应的下一个转接站，这是一个直接连接的CLS的E.164地址一起被送到AAL层，AAL层为第一个CLS建立交换虚电路（SVC）[如果事先还没有永久虚电路（PVC）存在]。当这个CLNAP数据报到达CLS时，CLNAP报头的目的地址告诉它应该送往的下一个转接站CLS。此CLNAP数据报和下一个转接站CLS的E.164地址一起被送到AAL层，AAL层采用交换SVC/PVC方式将数据报传送到下一个CLS。通过这种方法数据报从源IWU经主干网及一系列CLS到达目的地IWU和主机。AAL层之间的连接终接于每个CLS或IWU，而CLNAP和IP业务量则终接于IWU。CLS起分组交换机的作用，交换在CLNAP层中实现。而ATM层对此分组交换操作是感觉不到的。对于ATM层而言，CLS就和端站没有什么区别了。这和分组交换方式经常被作基于帧的传送方式。在此方式中，IWU和CLS所提供的功能介于局域网的无连接服务和ATM的面向连接的服务之间。协议地址的处理（从IP地址到ATM地址的转换，或相反）在IWU和CLS的CLNAP层中实现。利用Mil3企业设计的网络模拟器OP-NET可模拟ATM主干网。

    无连接的叠加网络

    传统的局域网是无连接技术，而ATM是一种面向连接的技术，所以要实现网络的互连必须考虑两种技术之间的转换，如通过在ATM主干网上采用无连接服务器（CLS）来实现。实际上，CLS的任务是完成局域网业务量的交换。这些CLS彼此间相互连接，并和负责局域网与主干网互连的IWU相连。这些连接在一起的IWU和CLS组成了基于ATM的无连接的叠加网（CLON）。目前，大部分IWU均在网络层上运行。

    CLON的设计方案

    CLS的结构

    CLS节点既可以集成在ATM交换中，又可以作为一个独立的设备。前者要求交换机不仅为有信元交换的能力，而且还要提供无连接分组交换的能力。信元交换按照正常的ATM交换方式进行。这种无连接分组交换机必须具有独立的ATM地址从而使信元交换单元能把无连接信元送到该交换机。在独立设备的方式下，CLS作为端站附属于ATM交换网。包含有无连接的通信链路的虚通道（VC）被交换至CLS，并在高一层进行处理，决定下一个转发节点并将信元送回ATM交换机。近来一些厂商（如IPsilon）推出了把IP路由器和ATM交换机综合在一起的CLS服务器，在此设备中，实时通信业务量在ATM层进行交换，而短信息流（例如，数据库查询信息）则不采用ATM连接，而是按照通常的方式走IP路由。这里所先容的模型网采用了独立式的构造，因为它具有更大的灵活性。

    CLS的拓扑结构

    CLS的数量及其拓扑局取决于无连接数据流量的大小，从源至目的地的数据流的方式，性能要求以及可靠性的考虑。可采用全网状型、混合型、树型、环型等拓扑结构。

    地址的转换

    在ATM网上传送IP的方案中，其核心是地址的转换机制。从图1的结构中可以看出，IP数据流的传送以及IWU的转发在端站处终止。当IP把一个数据报送到源IWU的CLNAP层时，CLNAP层必须把下一转接站的IP地址转换为等效的ATM（E.164）地址。由于大型网或公用网的IWU的数量经常发生变化，因此在大型网络中地址的转换必须是动态的。依据在ATM论坛上所提出的LANE工程，CLON可以划分为若干个域，每一个域配备一个地址转换服务器。在每一个域中，地址转换功能可以高在CLS中。每当IWU和CLON建立连接时，提供服务的CLS就为此IWU提供该域的ARP服务器。当CLON的规模很小时，一个服务器就足够了。随着CLON规模的不断扩大，可以再建立更多的SRPＣＬＳ。为使无法分辨的地址能够往下传递，这些ＡＲＰＣＬＳ必须相互连接在一起。这就要求把同一个ＣＬＯＮ内的所有相邻的ＡＲＰCLS的ATM地址都成为每一个ARP CLS的配置参数。当一个IWU将下一转换站的IP地址送到其下一层时，IWU就要查本地的高速缓存，将地址转换为ATM地址。如果查不到，则应把此地址转交给ARPＣＬＳ进行处理。如果该ＡＲＰ ＣＬＳ成功地完成地址转换，则将转换结果回送给源ＩＷＵ。如果ＡＲＰCLS 仍不能完成地址转换，则应向所有相邻 的ARPＣＬＳ 传送此直到完成地址分辨为止。仅当目的地ＩＷＵ脱离ＣＬＯＮ时，此地址转换过程才会失败。如果地址转换成功，则转换结果被回送源ＩＷＵ并更新其缓冲区。

    以上的述的分布式地址转换过程必须以很快的速度进行，因为正在查询的ＩＷＵ在等待结果时，必须将无连接的信息流缓存起来。同时，服务于ＩＷＵ的ＣＬＳ必须将本地ＡＲＰCLS的ATM地址配置好。如需要进行转换的网络层地址有多种类型，则每个ARPCLS必须按类型分别设置地址表。

    发送策略

    重装模式CLS

    一个CLS节点可通过多种操作方式来达到自己的目的。它可以采用AALＡＴＭ适配层基于帧的传统传输方式。这种方式要求将来自分段组装层（ＳＡＲ）的协议数据单元（ＰＤＵ）被重新组装成为一个完整的ＣＰＣＳPDU，在送往下一转接站之前再次重新分段。由于AAL连接（包括CPCS和SAR两个子层）都在CLS处终止，因此CPCSＰＤU将在CLS中建立并送到CLNAP层。CLNAP层从此信元的头部取出目的地址，如目的地址指明本数据报需要送到下一转接站，便将携带下一转接站的E.164地址的数据报再送回CPCS层，最终送到SAR层和ATM层。在这种操作方式下，分组交换无连接服务功能驻留于CLS的CLNAP层。这种CLS操作方式也有许多不足之处。每个SAR ＰＤＵ 必须暂存在缓冲区中，直到所有的ＣＰＣＳ ＰＤＵ段全部到达为止。因此，每一个ＣＬＳ都会产生时延。另外，ＣＬＳ的工作性能取决于ＡＴＭ连接的传输速度、ＣＰＣＳ PDU的长度和在SAR层上完成的交织质量。

    流式（Streaming）CLS

    如果使用AAL3/4，则大家可以利用SARPDU头部的信息标识符（MID）把信元流送到目的地。所有属于同一个CPCSPCU的SAR 信元均共享一个MID值。属于同一个CPCS PDU的一组信元中的第一个信元，在SAR 信头是以类型BOM标识的。由于 ATM的信头、SAR PDU的信头以及CPCS的信头均为固定长度（分别为5、2、4个字节），所以高层的地址信息很容易从第一个信元的负载信息中提取。目的地IWU的E. 164地址包含在BOM信元的负载信息的第7个第14个8 位组。这个地址是用来确定通向目的地的下一个转接站是哪一个CLS或IWU。一旦确定了信息传送的路由，就计算新的VPI和VCI的值并储存在此CLS的本地VP/VC表中。然后将SAR PDU（BOM类型）装入ATM信元中并马上发送出去。当此信元组的最后一个信元（具有结束标志EOM）到达后，这张VPI/VCI转换表就马上被更新。虽然这种操作方式违反了OSI参考模型基本原则，但它却十分有效，降低了端到端的时延，减少了每个CLS所需要的缓冲区。按这种方式操作的CLS称作流式CLS（SM-CLS），它不是分组交换，而是信元交换，即AAL层信元（AAL3/4层采用44个字节）的交换。在CLS上的ATM交换过程觉察不到在AAL层上进行的这种交换。CPCS PDU越大，则操作的效率就越高。

    综述

    相对距离较远的局域网如何利用高速主干网进行网间互连的技术，并以IP协议为例讲述了如何在网络层实现这种互连。通过在主干网中使用无连接服务器解决了局域网的无连接传输和主干网的面向连接的传输之间的矛盾。这些服务器以分组交换方式，构成了一个ATM网的上一个分组交换叠加网。这种分组交换即可以在IP的数据报实现（重装模式下），也可以在适配层实现（例如在SM-CLS模式下）。在SM-CLS模式下可以收到更好的效果。