2011年軟件水平考試網絡工程師全面復習資料(19)
六.ATM局域網技術
ATM意即異步傳輸模式(asynchronous transfer mode)。ATM技術是八十年代后期由ITU-T針對電信網支持寬帶多媒體業務而提出的。經過近十年的研究，到九十年代中期ATM技術已基本成熟，由ITU-T和ATM論壇制定的相關的國際標準也基本齊全，并有多個電信設備廠商和計算機網絡設備廠商推出了商用化的ATM設備。此后，ATM網絡的建設也得到了長足的發展，全世界許多網絡(公用網或專用網)都已安裝并使用了ATM網路設備。
ATM的傳輸介質常常是光纖，但是100m以內的同軸電纜或5類雙絞線也是可以的。光纖可達數千米遠。每個鏈路處于計算機和一個ATM交換機之間或兩個ATM交換機之間。換句話說，ATM鏈路是點到點的(和LAN不一樣，它在一條電纜上有許多發送方和接收方)。通過讓信元從一條線路進入交換機并且從多條線路輸出，可以獲得廣播效果。每條點到點鏈路是單向的。對于全雙工操作需要兩條鏈路，每個方向的流量占用一條。
ATM的物理層包括兩個子層，即物理介質子層(PM)和傳輸會聚(TC)子層。其中物理介質子層提供比特傳輸能力，對比特定時和線路編碼等方面作出了規定，并針對所采用的物理介質(如光纖、同軸電纜、雙絞線等)定義其相應的特性;傳輸會聚子層的主要功能是實現比特流和信元流之間的轉換。
1. IP技術對ATM技術的影響
IP技術是互聯網的核心，在互聯網中對于高層協議而言，通過統一的IP協議層(第三層)屏蔽了各種低層協議和物理網絡技術(如X.25、DDN、以太網、令牌環、幀中繼、ATM、SDH、WDM)的差異，實現了 "IP over everything"的目標。IP技術成功的關鍵是其概念、方法與思想，例如其層次結構的包容性與開放性，以及簡單、實用、有效的原則。目前互聯網的另一個目標是實現"everything on IP"，其中的 "everything"是指所有業務，包括數據、圖像和話音等，這些業務既有實時的，也有非實時的。要實現這樣的目標，對于目前的IP技術來說是有相當大困難的，需要新技術來幫助解決。
目前電信界有一種觀點認為：隨著IP技術和互聯網的發展，未來的電信網將由IP技術一統天下，而ATM技術將退出歷史舞臺。其實只要仔細分析和研究IP技術和ATM技術各自的特點，就不難發現這種觀點是片面的。對于網絡(電信網或計算機網)建設而言，它的發展是不會隨著新技術的出現而發生突變(革命)的，而只能是逐步演進?，F有電信網已形成的資源十分龐大，不可能一夜消失。而且現有的IP網絡雖然通過采用新技術(例如：IP over SDH或IP over WDM)，在一定程度解決了傳送帶寬的瓶頸問題，但仍然還是傳統的路由器加專線的組網方式，存在逐跳尋址與轉發等問題，不能保證服務質量(QoS)和信息安全。ATM技術所具有的端到端QoS保證、完善的流量控制和擁塞控制、靈活的動態帶寬分配與管理、支持多業務，以及技術綜合能力等方面的優勢，目前仍是IP技術所不及的。
有一點是肯定的，世上沒有一種萬能的技術。由于IP與ATM都是基于分組(包)交換的技術，而且都有各自的優勢，因此，在電信網與互聯網融合與演變的過程中都將發揮作用。目前IP技術的優勢在于提供統一的數據應用平臺，而ATM技術的優勢在于提供統一的網絡平臺。
2.ATM技術的特點、 應用范圍和發展趨勢
(一)ATM技術的特點
ATM作為電信網的一種新技術，不僅適用于高速信息傳送和對服務質量(QoS)的支持，還具備了綜合多種業務的能力，以及動態帶寬分配與連接管理能力和對已有技術的兼容性。
1.對服務質量(QoS)的支持
(1)ATM采用固定短長度的信元傳送信息。信息交換是在第二層完成的而且協議簡單簡化了網絡節點中信息存貯管理與處理的復雜性，加快了信息交換的速率減少了信元在節點緩沖區中的排隊時延和時延抖動，有利于信息傳送的時間透明性，特別適合在核心網中用于信息傳送。
(2)ATM采用面向連接的通信方式通信之前要建立虛通道(VP)和虛通路(VC)，避免了復雜的信元順序控制工作加上用戶接入時的流量控制和合理的QoS與網絡資源管理控制，以及各種差錯控制技術，可以使信元丟失率降低到各種業務可以接受的程度，滿足各類業務的語義透明性。
(3)在ATM方式下，輔之以必要的網絡管理功能和信令處理與連接控制功能，可以設置多種優先級(連接優先級，信元優先級等)管理功能，滿足各種使用要求。
2.ATM的綜合能力 ATM以信元的方式傳送信息，與業務的特性、比特率無關，只要將各類業務的信息在入網時轉化為統一格式的信元，就可以在網絡中進行傳輸與交換，因此，高靈活性使之具有各種綜合能力。
3.靈活的動態帶寬分配與連接管理能力
(1)ATM具有統計復用的特點網絡資源可以按需分配，網絡資源的利用率高。
(2)在ATM方式下，網絡具有支持多方連接的能力其中包括支持廣播(broadcast)型連接和多播(multicast)型連接的能力。
4.ATM對已有技術的兼容性 ATM作為一項獨立的技術充分考慮了與已有技術的融合，ATM的兼容性表現在兩方面：
(1)對現有廣域網技術(包括分組交換及電路交換技術)的兼容：ATM可以兼容幀中繼(FR)業務、專線數據業務(DDN)，并且支持PSTN和N-ISDN業務。
(二)ATM的應用領域
根據ATM技術的特點和電信網技術的發展，就ATM技術本身而言，要對它的應用領域進行重新定位。由于ATM終端和信令復雜，端到端ATM連接(信元到桌面)的想法已基本落空，其原因是在用戶駐地網支持話音業務它不如PSTN，支持數據業務它不如千兆以太網。然而，在核心網和邊緣接入網中ATM技術仍然大有作為，在這里ATM作為多業務平臺的優勢可以得到充分發揮。此外，ATM與IP的結合將增加ATM的競爭能力。因此，ATM的應用領域主要有以下幾個方面：
1.支持現有電信網逐步從傳統的電路交換技術向分組(包)交換技術演變。
(1)支持現有電話網(如PSTN/ISDN)的演變，并作為其中繼匯接網;
(2)支持并作為第三代移動通信網(要支持移動IP)的核心交換與傳送網;
(3)支持現有數據網(FR/DDN)的演變，作為數據網的核心，并提供租用電路，利用ATM實現校園網或企業網間的互連。
2.為Internet骨干傳送網互連核心路由器，支持IP網的持續發展。
3.與IP技術結合，取長補短，共同作為未來信息網的核心技術。由于IP與ATM技術， 有各自的優勢，在傳統電信網與互聯網融合與演變的過程中都將發揮各自的重要作用，如果把這兩項技術結合起來，利用ATM網絡為IP用戶提供高速直達數據鏈路，既可以使ATM網絡運營部門充分利用ATM網絡資源，發展ATM網絡上的IP用戶業務，又可以解決Internet網絡發展中遇到的瓶頸問題，推動IP業務的進一步發展，使這兩項技術的潛力充分發揮出來，獲得巨大的經濟效益。
(三)ATM技術的發展趨勢
1.ATM支持話音技術的研究 在未來的電信網中，從用戶數的角度考慮，傳統的電話用戶仍將占主導地位，因此，ATM必須考慮如何支持話音的問題。ITU-T在1997年9月年通過了支持話音業務和短分組業務適配的第二類ATM適配層協議AAL2 I.363.2建議 在1999年2月通過了面向話音業務的建議I.366.
2 用于中繼的AAL2業務特定會聚子層SSCS ，并于1999年12月通過了支持AAL2交換的信令協議建議Q.2630.1(AAL2信令協議-能力集1)，基本完成了ATM支持話音業務的標準化工作。采用AAL2協議來支持話音業務不論是效率方面，還是時延性能方面，都要優于IP電話。AAL2技術的應用主要有以下幾個方面：
(1)以低時延的性能支持話音和其他實時業務傳送，用于PSTN或其它網絡的中繼傳輸;
(2)用于第三代移動通信系統(IMT-2000)，在BS和MSC之間以AAL2協議支持低速話音和數據信息的傳送;
(3)用AAL2交換機代替ATM交換機(ATM層僅提供PVC交叉連接功能)，提供端到端的ATM話音和數據業務。
2.簡化ATM技術的研究 ATM技術的缺點之一就是網絡的復雜性，為了推動ATM技術的應用，就必須對ATM技術進行簡化和優化，以達到簡化網絡，降低網絡成本的目的。目前，ITU-T和ATM論壇正在進行這方面的工作，例如目前ITU-T正在制定的ATM輕型信令(light signaling)標準就是為了簡化原有復雜的信令標準，以降低網絡的復雜性。另外，在流量控制、網絡管理等方面也都有需要進行相應的研究工作。
3.ATM與IP技術的結合
目前，IP與ATM結合技術主要分為兩大類：重疊技術和集成技術。采用重疊技術時，ATM端點使用ATM地址和IP地址(或MAC地址)兩者來標識，網絡中設置服務器完成ATM地址和IP地址(或MAC地址)的地址映射功能，在發端用戶得到收端用戶的ATM地址之后，建立ATM SVC連接并在其上傳送IP數據包。這方面的典型技術有：LANE、IPOA、MPOA等，重疊技術的優點是采用標準的ATM論壇或ITU-T的信令標準，與標準的ATM網絡及業務兼容;缺點是傳送IP包的效率較低。采用集成技術時，ATM層被看作IP層的對等層，ATM端點只需使用IP地址來標識，在建立連接時使用非標準的ATM信令協議。采用集成技術時，不需要地址解析協議，但增加了ATM交換機的復雜性，使ATM交換機看起來更像一個多協議的路由器。這方面的典型技術有：IP交換、多協議標簽交換(MPLS)等，集成技術的優點是傳送IP包的效率比較高，不需要地址解析協議;缺點是與標準的ATM技術融合較為困難。通過近兩年對各種IP與ATM結合技術的研究已得出結論，即重疊技術(例如：LANE、IPOA、MPOA等)更適用于專用網或規模小的網絡;而集成技術(例如：IP交換、MPLS等)則更適用于規模大的公用網。ITU-T已于2000年3月通過了在公用ATM網絡上傳送IP信息的建議Y.1310(公用ATM網絡傳送IP)，該建議明確了在采用ATM技術的公共網絡(包括業務提供網絡和承載網絡)上傳送IP信息的推薦技術解決方案是多協議標簽交換(MPLS)，并且明確公用ATM網絡支持的IP目標業務是差別服務(Differserv)、 集成服務(Intserv)和IP虛擬專用網(IP VPN)。
3. ATM局域網技術
為了把ATM技術引入到局域網上來，ATM論壇和Internet工程任務組(IETF)作了不懈的努力，推出了幾個具有重要實際意義的ATM局域網協議。其中以ATM論壇的局域網仿真和ATM多協議技術(MPOA)最具代表性。
A. 局域網仿真
——局域網仿真是在ATM 網絡環境下仿真傳統局域網業務的網絡方案。由于在局域網仿真中，ATM網絡只是以網絡數據鏈路層的角色出現，并且是基于MAC子層的仿真技術，所以現有的網絡層協議(如IP,IPX等)不需要任何更改就可以運行于局域網仿真環境。
——在局域網仿真中有兩種網絡信息：一種是仿真客戶與仿真服務器、配置服務器之間的控制信息;另一種是仿真客戶之間，以及仿真客戶與廣播未名服務器間的數據信息。如圖3所示，當仿真客戶1希望與仿真客戶2通信時，仿真客戶1必須首先知道仿真客戶2的ATM地址。如果仿真客戶1的緩器中存有仿真客戶2的ATM地址，那么仿真客戶1就利用該地址與仿真客戶2建立直接的ATM虛電路連接來實現通信(如e);否則，仿真客戶1向局域網仿真服務器發送一個地址解析請示分組(如a)，局域網仿真服務器利用該分組攜帶的仿真客戶2的MAC地址在緩存器中檢索，如果檢索成功，局域網仿真服務器把仿真客戶2的ATM地址反饋給仿真客戶1，否則，把該MAC地址送到廣播未名服務器(如b)，利用廣播未名服務器的廣播功能，向整個網絡廣播該MAC地址，仿真客戶2接收到該廣播信息，把地址反饋給局域網仿真服務器，局域網仿真服務器再送給仿真客戶1。在局域網仿真服務器未反饋回仿真客戶2地址這段時間里，仿真客戶1把數據分組分發給廣播未名服務器，由服務器以廣播形式送給仿真客戶2(如c,d)。
——從上述的通信規程可以看到，由于局域網仿真建立于數據鏈路層的MAC子層上，所以可以透明地支持傳統網絡層的各種協議，兼容性很好;網絡實現簡單，能夠實現不同廠家設備的無縫連接。但是局域網仿真也存在許多缺陷：
——①網絡是基于客戶機/服務器結構的，由于受服務器的限制，網絡客數不可能很大，這樣就限制了網絡的規模;
——②由于不能支持備份服務器，所以服務器的可靠性決定了網絡的可靠性，一旦服務器發生故障，那么整個網絡就不能工作了;
——③局域網仿真在實現子網間通信時，仍然需要路由器的參與，這樣路由器有限的路由、分組轉發功能就成了網絡的瓶頸。
B. ATM多協議規程技術
——為了解決局域網仿真在子網間通信能力低的缺點，ATM論壇又推出了它的ATM多協議規程(MPOA:Multi-Protocol Over ATM)技術。MPOA技術的基本目標是把局域網仿真技術與Internet工程任務組的下一節點解釋協議(NHRP)技術捆綁起來，這樣做的目的是保留局域網仿真在子網內通信高效率的優點，同時引入下一節點解釋協議在不同子網間有效通信的優勢，使整個寬帶網絡的通信完全拋開傳統路由器的干預，通信效率大幅度提高。
——由于MPOA支持數據鏈路層和網絡層的互連，所以能夠透明支持傳統網絡協議，實現大規模的互連網絡;不同子網間的通信可以跨過傳統路由器的干預，建立直接連接來提高網絡效率;減少了參與路由連接過程中的物理設備，所以降低了網絡路由的復雜性，提高了效率。但是MPOA技術在實現子網間的最優路由時，可能會帶來ATM層和網絡層路由和尋址的協調性問題;網絡在建立最優路由時的判別標準，以及最優路由連接的維護仍然需要研究;而且網絡仍然需要地址解析服務器的存在，子網間的路由信息數據庫就必須保證同步，這樣就在建立連接時引入了不必要的時延，使得網絡設計和操作的復雜性沒有得到徹底簡化。
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