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对在公用ATM网络上传送IP解决方案的要求

时间:2004-08-04 来源: 作者: 点击:
本文依据针对MPLS的解决方案提出的建议草案I.ipatm,首先介绍了公用ATM网上传输IP的总体要求与体系结构,随后对目前推荐采用MPLS解决方案的原因进行了简要分析。 已采用ATM(异步转移模式)技术的运营商,面对IP业务的飞速发展,正在积极寻求使用ATM传送IP的最佳方案。
  

本文依据针对MPLS的解决方案提出的建议草案I.ipatm,首先介绍了公用ATM网上传输IP的总体要求与体系结构,随后对目前推荐采用MPLS解决方案的原因进行了简要分析。
  
已采用ATM(异步转移模式)技术的运营商,面对IP业务的飞速发展,正在积极寻求使用ATM传送IP的最佳方案。目前普遍认为MPLS(多协议标记交换)是未来公用骨干网的解决方案。MPLS首先将在公用ATM骨干网上引入。它采用集成模式,将IP技术与ATM技术良好地结合在一起,从而兼具了ATM的高速性能、QoS(服务质量)性能、流量控制性能与IP的灵活性、可扩充性,它不仅能够解决当前网络中存在的大量问题,而且能够支持许多新的功能,所以是一种较为理想的骨干IP网技术。作为国际电信标准的权威ITU-T已将IP标准的研究放在首位,1999年9月SG13的IP专家组会议针对采用MPLS的解决方案提出了公用ATM网上传送IP的建议草案I.ipatm。全面提出了网络的总体要求、网络体系结构、协议体系结构和业务映射的要求等,并对推荐采用的MPLS解决方案作了明确的说明。本文将对该建议草案的主要内容作一概括的介绍。

1网络总体要求
本节对于各种ATM传输IP的技术提出了一些总体要求。这些要求对于所有确定的IP业务都是适用的。下面各项是强制性的要求:

网络的技术方案必须独立于所支持的IP协议版本;
网络的技术方案必须具备支持大型网络的足够的可扩展性;
网络的技术方案必须包含在ATM网络上支持高效而且具有可扩充性的IP组播的能力;
网络的技术方案必须具有足够的鲁梆性以便支持大型网络。

2网络体系结构
在ATM上支持IP层业务的框架体系结构被定义为支持IP业务所需的网络体系结构与协议体系结构的结合。

2.1网络结构
IPOA的参考网络结构如图1所示。该配置显示了支持IP业务的各种可能的情况。虚线框显示的是公共网。在本文中所涉及的公共网仅限于具有ATM核心的公共网。虚线框中的方框显示的是公共网中的一般配置。它们包括ATM核心,IPOA网络与边缘路由器。虚线框外是一些不同的网络,它们显示了公共网向各种特定网络提供各种特定的IP业务的情况。从公共网的角度来看,这些网络都可以认为是用户网络。






注:
1:Internet服务提供商可能也提供ATM核心。
2:第1类与第2类参考点可以是ISDNS,T等标准化的参考点,也可以是非标准化的接口。
图1IPOA参考网络结构

图2.2显示了公共ATM网络与专用ATM网上IP业务的参考配置。在专用与公共IPOA网络中,IP业务是利用ATM的交换功能与IP的业务功能(IPSF)来实现的。在这种情况下,ATM交换功能与IP业务功能之间的接口应该定义在P或者是M参考点上(参见建议I.364)。IP业务功能(IPSF)指的是实现IPOA所需的功能。IPSF的一个典型例子就是地址解析业务。作为一种终端系统,IPSF实际上就是一台具有ATM接口的路由器。




图2:ATM上实现IP业务的参考配置

IPSF功能与ATM交换功能可以在同一设备上实现。在这种情况下就没有必要定义参考点P上的接口了。IPSF功能与ATM交换功能也可以分别在不同的设备上实现。在这种情况下,对与M或P点上接口的定义依赖于IPSF是在核心ATM网络里面还是外面。
ATM网络之外的ISP与终端系统(ES)可以接入专用或者是公共ATM网络。每一终端系统都有一套完整的IPOA协议栈,若与专用IPOA相连,则使用专用UNI,若与公共IPOA相连,则使用公共UNI。
2.2网络与业务互通
在网络互通环境中,借助于两个网络之间的互通功能(IWF),IP协议控制信息(PCI)与载荷数据可以通过ATM网络被透明地传输到另外一个IP网络。典型的情况是,IWF仅仅使用一种适配功能对IP分组进行封装并将其透明地传到远端IWF。
对于现有的IP与ATM网络的互通,典型的情况是网络互通,亦即由ATM提供骨干或者是核心网络来传输IP协议。在这种情况下,ATM网络可以看作是第三层(与更高层)协议的下层传输。
对于业务互通的情况,IWF终止IP协议的传输并将PCI翻译为ATMPCI,以便实现传输控制与管理等功能。由于在一般情况下,并不是每个网络都能够支持所有的功能,业务互通功能可以只是在两种技术之间进行一种最佳转换。然而,这种转换不会造成任何的用户数据丢失,因为互通IWF上的PCI转换不会影响用户数据。前面图1与图2显示了与IPOA有关的网络互通。

3协议体系结构
3.1ATM传送IP协议参考模型的一般描述
图3描述了公共网中在ATM上传送IP的协议参考模型。要注意的一点是下层的关于层管理、平面(或系统)管理与控制平面的概念都得到了扩展以便包含第三层及以上层的功能块。图3中显示的模块只是各种功能的逻辑表示,所以这些模块并不是对具体的物理实现的规定。功能模块之间的接口可以是内部的子层或平面之间的非标准化通信接口,也可以是外部的标准化协议接口。
通用模型中的每一层次都有对应的层管理功能模块。层管理功能模块只负责该层管理与协议控制信息(PCI)的处理。层次间的通信只能通过平面管理功能进行。这一功能通过平面管理中的协作功能(CoF)模块来执行的。
IPOA的各种网络应用中不需要都包含所有的功能模块。这样,上述功能模块可以看作是实现各种特定的网络(或NE)应用的基本“构件”。然而,必须保持不同模块之间的基本关系与顺序以便保证一致的可操作性。



图3:IPOA协议参考模型

3.2IPOA协议参考模型的功能性描述
3.2.1IP-SSCS/AAL5功能
IP-SSCS/AAL5功能模块集成了将IP负载映射到AAL5上所需的各种传输功能,该模块提供了RFC1483中IETF采纳的,基于IEEE802.2的链路层控制/子网附加点(LLC/SNAP)协议中定义的封装与多协议复用功能。

3.2.2IP层功能
IP层的功能提供了通过一个互通的系统实现源到目的地的IP转发(IP数据报传送)的能力。IP转发指的是接收到一个分组后,使用一种开销很低的判决过程决定如何处理该分组的过程。对分组可以本地传送或外部转发。对于进行外部转发的业务量,IP转发过程还要决定IP分组的发送接口,而且如果有必要的话,还可以除掉一层媒体的封装而代之以另外一个,或者是对媒体层封装中的特定域加以修改。
IPOA协议的结构必须独立于IP的版本。目前,IP有两个版本,IPv4(IP版本4)与IPv6(IP版本6)。IP层的功能应与IETF在RFC791与RFC2460(分别对应于IPv4与IPv6)中的定义相同。
IP层的功能并不能提供一种可靠的通信设施。传输过程中,无论是端到端还是每一跳之间都没有确认过程。
应该注意的是,在ATM上使用SSCS/AAL5功能时,不应改变IP层的功能。
3.2.3IP层管理功能
IP层管理有两种基本功能:寻址与分段。IP层功能使用IP头标中携带的地址将IP数据包发送到目的地。对于传输路径的选择使用的是信令与路由功能模块。如果有必要的话,IP层功能还将利用IP头标中的特定域来对IP数据包进行分段与重装。
IPv4主要使用4种机制来提供它的业务:服务类型,生存期,选项,与头标校验和。IPv6是Internet协议的新版本,是对IPv4的升级版本。新版本中的变化主要有下面四个方面:扩展的寻址能力,头标格式的简化,对于扩展与可选功能支持的提高,流标记能力与认证、保密能力。
IP层管理功能并不对数据提供差错控制,除了在头标中有一个校验和之外。协议中没有重传与流控机制。

3.2.4传输层功能
传输层包括面向连接型的TCP功能与无连接型UDP功能。这依赖于应用程序的类型。
  TCP功能为进程之间提供可靠的连接。TCP功能与IETF在RFC793中的定义是一致的。TCP功能包括下列设施:基本的数据传输,可靠性,流控,复用,连接,优先级与安全。
UDP功能提供的是数据报传输。UDP功能与IETF在RFC768中的定义是一致的。UDP是面向事务的,传输与重复保护是没有保障的。在ATM上使用传输层功能时不应改变传输层功能。

3.2.5应用层功能
应用层与相关的层管理功能模块包括用户与网络特定的应用,例如HTTP,FTP,TELNET等。对于应用层功能的描述不在本建议的范围之内。
注意在TCP/IP协议结构中,应用层功能一般包括了会话与表示层的功能。
3.2.6网络管理功能模块
网络管理功能依赖于特定的IPOA网络应用。通常,它们包括与下面的管理有关的一些TMN功能:故障管理、性能管理、配置管理、安全管理等。
3.2.7信令与路由控制功能
这一功能包括了IP与/或ATM控制中的信令与路由功能模块。IP控制与信令包括了含选路在内的各种IP控制。ATM控制包括了ATM信令与选路。

4IP业务
IP业务是通过“用户”与“提供者”之间的接口以IP(因特网协议)包(数据包)形式传送数据的一种数据传输业务。在这种情况下,提供者不必知道IP包内的数据属性。“用户”与“提供者”之间实际或隐含的契约是“提供者”对净荷内容不加更改(控制域可以改变或不变)地将IP包传送到目的地(一个IP地址或另一个运营者/用户接口)。该契约可以隐含一组由用户在向提供者提出会话请求时指定的传送质量参数(如BER、端到端延迟、序列正确与否等)。实际中,可以采用指定IP包携带数据属性的“速记”方式指定这些参数。例如,如果“用户”指定这些包携带话音,则可以直接映射到一组特定的传送质量参数。但是应当注意,这种情况不同于用户请求一次话音呼叫,允许但实际上是期望提供者将用户数据作为话音数据处理,例如,进行变换编码和/或在TDM设施上承载数据,此种情形是话音业务而不是IP业务。
4.1IPIntserv技术
Intserv是根据每个IP流的QoS等级的精确描述,由具有RSVP功能的路由器中的RSVP协议和流的接纳控制支持IP的QoS分类。
在Intserv流中,定义了两类业务――保证业务(GuaranteedService—GS)和受控负载业务(ControlledLoadService--CLS)。对于GS业务,流的最大排队时延是受到控制的,路由上的任何时延都会影响最大排队时延。而CLS没有固定的时延保证,但业务流要与在网络轻载情况下的流质量相当,实际上CLS要求有长期的带宽保证。总之,这两种业务都要求用令牌漏斗协议来定义流的特性,超出的业务流被当作“尽力而为”型业务量处理

4.2IPDiffserv技术
IETF的diffserv模型是基于每跳行为(PerHopBahaviors――PHB)的概念,diffservPHB由路由上的每个本地路由器所具有的前转行为来定义。目前,IETF已定义两种主要的PHB:
加速前转(EF)PHB(ExpeditedForwardingPHB—EFPHB)
EF-PHB的特征是带宽具有可配置性并在同一链路上不受其它业务量的影响。EF-PHB可以用来在Diffserv域中建立要求具有低丢失率、低时延与低时延抖动的端到端业务。
可确定的前转(AF)PHB组(AssuredForwardingPHBGroup—AF-PHB组)
AF-PHB组的特征是有四个AF等级,给每个等级分配一定量的转发资源(比如在一个Diffserv节点上的缓存与带宽等)。在每一个AF等级中,各个IP分组被标记上三种可能的丢弃优先级。当发生拥塞时,分组的丢弃优先级将决定在某一AF等级中各分组的相对重要性。然而,在四个AF等级的相对性能之间没有标准的关系。AF-PHB组可以实现以较高的可能性保证业务所要求的信息速率。

4.3业务映射功能清单
业务映射功能不依赖于周围的网络结构而只依赖于需要进行映射的界面两侧支持IP与ATMQoS的方式。图4显示了我们考虑的网络结构中所必需的IP业务到ATM业务映射的各种可能的组合。



图4业务映射功能清单

对于ATM支持IP将只解决映射6和映射12,而且只要是在IP/ATM混合的网络中要在ATM部分上支持BestEffort以外的IP业务,就需要有这两种映射。注意,在这种情况下,在ATM部分的网络出口上,并不需要有第5与第10种映射功能,这是因为在目的地IP网络中,对于QoS的支持是完全基于IP信息的(比如,RSVP消息或者是IP分组中DS域),而这些信息是由ATM网络透明地传输的。当本地的ATM业务量必须经由一个纯IP网络传输或者目的地就是一个纯IP网络时,将可能需要有第5与第10种映射功能,这一点还有待进一步研究。
第3与第4种映射功能只属于IP区域,对它们的研究是IETF工作的一部分。同时,起始于/终止于扩展ATM参数与QoS等级的所有映射都属于是ATM论坛的工作(在ATM专网中支持)。

4.4将IP集成型业务映射到ATM业务
当连接两个有Intserv能力路由器的ATM连接必须支持有GS[RFC2212]或者CLS[RFC2211]要求的IP流时,就会产生将IP集成型业务映射到ATM业务的问题。而这一问题与在ATM支持IP的特定技术无关。预计将有两种映射方式:一对一映射和多对一映射。

4.4.1一对一映射
当一个ATM连接完全用于支持一个IP流时,将使用一对一映射。从严格的角度讲,映射过程包括对可以满足IP业务QoS承诺(GS或CLS)的ATM业务(即,ATC与相关的QoS等级)的选择,从这种角度来看,可能有好几种映射。然而,从较宽泛的角度来看,映射过程可以进一步被看作是一种按照承载的流的特征,向ATM级传输尽可能多的信息的方式,这样,下游的ATM网络将可以根据这些信息来承载某一连接(例如,将连接与其它连接复用)。从这一角度看,可以对各种可能的映射进行分级,确定其中的一些映射是优于其它映射的。

4.4.2多对一映射
当一个ATM连接可以支持不止一个IP流时,将使用多对一映射。在这种情况下,映射的过程将包括在对于可以支持一组IP流的QoS承诺的ATM业务的选择中。因为IP流的起始与终止一般都是异步的,这一映射过程可以看作是一种基于IP级的(令牌桶与QoS要求)流描述之上的CAC过程,这一过程将依据在一条业已存在的ATM连接上将一个流与其它已有的流一并传输的可能性或者是对连接参数重新进行协商的需要作出决定。
5推荐采用的网络解决方案
建议采用MPLS作为公共网中在ATM上支持IP的最佳技术。MPLS支持目前所确定的IP所有业务。选择MPLS作为最佳技术的原因主要包括:
  1适应于较大规模的网络。众所周知,MPOA非常适用于小规模的网络,然而应用于较大规模的网络就要受到限制。而MPLS正是为满足大规模网络的各种要求(如灵活性,可扩充性与可管理性等要求)而设计的。
  2适应于多种承载网络。大规模的网络可以使用包括ATM在内的多种承载技术。从一个较宽的范围来讲,应该选取一种对于IPOA是最优,而且对于其它的链路层技术也是最优的技术。而MPLS则可能正是能够覆盖这一范围的唯一技术。
  3路由控制的灵活性。从选路的角度来讲,MPLS技术可以使我们获得同时选择使用固定路由或者是动态路由方式的可能性。具体使用哪种方式取决于网络操作者的选择。
  4能同时支持MPLS和ATM控制协议。较理想的情况是有一种独立于链路层协议的控制技术。同时,同一交换机上也可以使用ATM控制,这种情况称为“shipsinthenight”方式。
  5 IP业务的业务量工程。目前,ATM拥有最完整的业务量工程能力。然而,IPOA的重叠模型无法高效地使用所有的ATM能力,而且在使用全连通的PVC方式时,其应用的可扩充性将受到N平方问题的限制。MPLS借用了一些ATM技术的能力,如QoS、选路、资源管理等方面,而且引入了显式路由的概念,它有助于将业务量要求映射到网络拓扑之上。这样,使用MPLS可以获得新的,更多的业务量管理性能。
  6利用现有投资。考虑到现有的ATM与其它技术的投资,另外,在各种链路层技术上传输IP的需求也是显而易见的,所以需要有一种同一的交换技术。当前的承载网络中,ATM硬件对IP业务量的传输使用的是一种固定方式,而MPLS则被认为是CIPOA近期的演进方向,因为显式选路可以建立在现有固定PVC的基础上,而且MPLS网络结构的灵活性足以满足潜在的网络演进需求。
  7支持VPN业务。MPLS的主要优点是能够以无连接方式或者是显式路由方式提供面向连接的业务,这种特点使得MPLS尤其适用于动态隧道技术。而动态隧道技术是目前支持VPN业务的有效传送手段。但目前由于提供基于MPLS的VPN的方式不是唯一的,这使得将它同其它IPOA技术进行比较较为困难。
  8 QoS方面。IPDiffserv与MPLS具有明显的默契,因为它们的设计中都满足了业务提供商的需求。由于标记的扩展语义可以携带Diffserv信息,借助于标记与端到端的标记交换路径及一定的资源预留机制,将可以保证QoS机制在特定MPLS域中的一致性。


作者简介
  赵慧玲1982年毕业于北京邮电大学,硕士生导师。现任电信传输研究所副所长、信息产业部邮电科技委委员、国家网络与交换标准研究组主席、国家863通信主题信息网专业专家组成员、信息产业部电信研究院网络战略研究组成员、全国青联委员。1999年被国家人事部授予“中青年有突出贡献专家”的称号。从事宽带网技术标准和ISDN技术的标准与测试工作,曾撰写有8部技术专著。

  吴江1992年考入上海复旦大学电子工程系电子学与信息系统专业,1997年毕业后进入原邮电部电信科学研究院就读研究生,在电信传输研究所主要从事IP及ATM相关领域方面的研究。

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