IP SWICTH，ATM under IP ?

伏建军
随着Internet/Intranet的迅猛增长，近年来ATM技术迅速转向LAN/WAN领域。IP over ATM是当今网络界一个新的热点。但是基于ISDN信令控制的面向连接的ATM基础技术与无连接特性的IP技术不相匹配。越来越多的多媒体应用要求IP跑得更快并支持QoS。在这种情况下，新的公司、新的技术开始涌现，Ipsilon网络公司的IP SWITCH技术就是其中比较成熟的、并已在现实网络中运用的一种。

一．问题的提出
    将ATM交换器集成到现有的IP网络中，需要解决技术上的不和谐因素。现有的IP over ATM，如LAN Emulation，Classical IP over ATM，基于ROLC的NARP和NHRP，MPOA等，都向第三层路由协议隐藏了网络真实拓扑结构。对于IP 而言，物理的网络成为一个很大的不透明的云（data-link cloud）。这样的做法首先导致了功能上的重复：在 ATM Cloud 中以及IP层都需要路由协议。并进一步导致管理与维护上的功能重复。此外还要求管理软件协调二者之间的互操作性。当故障发生时，管理员较难定位故障的位置。它们还可能导致在某一个位置上形成路由循环。
    此外，为了有效的复播（Multicast）能力，IP必需了解网络下层的拓扑结构，如果没有这些信息，Multicast包到达ATM云的叶结点时必须被这个云的路由服务器一个个复制才能穿过ATM云传输，大大降低了交换机的性能。
     Ipsilon相信一个更好的方案是将IP智能路由功能直接加在ATM交换机之上，同时不牺牲交换机的功能。Ipsilon认为IP作为第三层协议是必要的而且是足够的。它能扩展到全球互联网就足以证明这一点。IP是一个强壮的、独立于技术的协议，几乎所有的操作系统都支持 IP。相反ATM要求采用一套复杂的、未经全面测试的信令及协议，其中有许多是照搬TCP/IP的功能，实现其中某些协议更是举步维坚，例如，目前困扰ATM信令和路由协议的长得无法忍受的SVC连接建立时间。

二、新的更好的方案：IP SWITCH
1. 设计思想
Ipsilon新的方案围绕着两个重点：（1）通过使用Ipsilon的软件控制ATM交换引擎，完善的IP路由功能可以直接叠加到ATM交换硬件上；（2）根据一定的属性，IP包可以分类，相似的IP包可以划分成一个IP流，比如说通过FTP下载一个文件，可以看成从一个IP地址到另一个IP地址的一个IP流。综合这两点，IPSILON将IP路由功能与高速交换性能结合起来，创造了一类新的网络产品，称做IP SWITCH。
在IP SWITCH结构中，下层的交换介质可以是ATM，帧中继，甚至LAN交换介质，如千兆以太网。由于ATM在性价比、复播和服务质量等方面的优势，IPSILON在开始实现IPSWITCH时，把注意力集中在ATM上。然后，所有将讨论的概念、特性和优势也将适用于其它交换介质。为了简明起见，本文将继续把ATM作为IP SWITCH的下层交换介质。
2．IP SWITCH的结构
为了以无连接形式操作每一次交换过程，IP SWITCH完全改变了ATM的控制软件，移走了信令软件、任何ATM路由协议、LAN仿真服务器、路由服务器、地址解析服务器等。Ipsilon 开发了一个简明的底层控制协议GSMP(General Switch Management Protocol , RFC1987) ，以允许IP SWITCH控制器直接访问ATM硬件。还开发了IFMP协议（Ipsilon Flow Management Protocol, RFC1953&RFC1954）,以便把IP流与ATM的VC(Virtual Channel)关联起来。不能划分为流的IP包在控制器的控制下按传统路由器的方式转发，而IP流则可以在ATM交换引擎中交换。IP SWITCH的结构如图1所示。

3．流分类的概念
最新的研究表明，看似杂乱无章的网络数据，其格式上有自相似性。一个目的地确定的包到达后，其他相同目的地的包可能紧跟其后。Ipsilon根据IP/TCP/UDP包的头部信息，如源地址、目的地址、源端口、目的端口、应用类型、协议等，判别一系列IP包是否为IP流。判别的标准参考图2。

1995年Ipsilon在San Diego超级计算机中心的测试表明：在Internet/Intranet上超过80%的IP包适合交换（被划分为IP流），这80%的包占有90%以上的字节总数，请参考图3、图4。这个结果与我们的预测相符合，因为基于流的IP通信通常具有持续时间长数据量大的特点。读者可以到ftp://www.nlanr.net/Traces去查询详细分析结果。

IP SWITCH还支持流的集束能力（图5）。可以由IP/TCP/UDP包头部的详细信息组成细颗粒的流，如Port-Pair流（这个流中的IP包具有相同的源/目的地址、相同的源/目的TCP/UDP端口号），进一步忽略TCP/UDP端口号，把相似的Port-Pair流集束成Host-Pair流（两个主机之间的流）。甚至集束成两个子网之间的IP流。流的集束能力可以提高IP交换的效率，减少VC的占用数量，并有扩充到Internet骨干网的伸缩性，也为系统管理员制定QoS策略提供了灵活性。IP SWITCH还实现了Rate-Shaping功能，还可以对流的带宽进行静态/动态分配（速率整形）。

4．实现

由于采用了GSMP和IFMP协议，允许IP SWITCH直接控制ATM交换机硬件并直接处理IP包头部信息，因而简化了地址映射，如图6所示。而减少地址映射的步骤可以节约带宽，减少延迟和复杂性，同时也使IP流映射到VC交换成为可能。

基于流分类和IP流的概念，基于流的IP包（一般来说有持续时间长、包长度较大的特点），被IP SWITCH控制器推（Push down）到交换机硬件中走“切入直通”（Cut-Through）的捷径交换方式，生存周期短的IP包则在控制器的控制下，按传统路由器标准逐段转发(hop-by-hop)。IP SWITCH在hop-by-hop与Cut-Through两种方式之间自动切换。“切入直通”（Cut-Through）的具体实现过程已有很多文章介绍过，这里不在重复，请参见图7，IP SWITCH控制器的框图则如图8所示。(也有人把Cut-Through概括为“路由一次，随后交换”)

IP SWITCH流分类的决定以及流标记（Label）的过程完全是本地的行为。当有多个IP SWITCH交换机时，每个交换机作独自的“切入直通”（Cut-Through）捷径交换，当所有的捷径建立后，同样有端到端的效果，这就是IP SWITCH基于流的无连接模式下的连接的概念，如图9所示。

好处也在于此：当识别了数据流并直接通过多个交换机后，端到端等待时间与ATM论坛信令一样。一旦确定了直通路径，就没有必要将信元重新装入IP交换之间的数据包。

MPOA在多交换机网络上可能还处于劣势。为了建立起连接，每个交换机必须将输入端口的VPI/VCI映射到输出端口的VPI/VCI。为了跨越整个网络传递这类信息，数据包必须从数据源开始，经过每个交换机直到目的地。当连接出错时，必须从头再做一便这样的过程以重新建立连接。

相反IP SWITCH使用初始IP包穿过连接，取消了连接建立的等待时间可能对大型文件的传输影响不大，但对较短的业务则很关键。而且当连接出错时，可以从连接断处重新做Cut-Through。

5．Point-to-Point 网络模式

局域网仿真（LANE）和传统的IP over ATM（CIP）等方案试图在ATM层之上建立一个逻辑共享网络模式，而Ipsilon采用的是更为自然的网络模式：Point-to-Point模式。事实上这种模式在Internet中已经存在，现有的路由协议也能很好地处理点对点的连接。Internet的成功证明了没有ATM论坛的数据链路云（Data-link Cloud）的概念仍能伸缩至很大规模的网络。相反，采用云的模式（Cloud Model），使多层地址映射变得很多很复杂，以至于ATM的QoS和Multicast全对高一级的协议层屏蔽。而在数据链路云中，仍然需要基于处理器的路由器遍历子网。这种局限性将ATM网络在发生严重的性能瓶颈之前的结点限制在250个左右。

6．与现有的ATM兼容

那些已经采用了ATM硬件的网络设计者可以通过一下兼容特性利用IP SWITCH：

与RFC1483 IP包封装和RFC1577 Classical IP over ATM 兼容
与ATM PVC兼容
与ATM PVP兼容

7．可移植性和开放性

GSMP是一个短小精干的协议，大约有2000行代码。在Ipsilon网络公司的帮助下，已经成功地把它移植到DEC的GiGaSwitch/ATM中，配合IP SWITCH控制器和网关，实现了GiGaSwitch/IP SWITCH解决方案。另外越来越多的厂商宣布了对IFMP协议的支持，Ipsilon也把自己的产品提交到MCNC测试中心与十多家公司的产品做互联性测试。HP也将为IP SWITCH开发分析测试仪。

Ipsilon的开放性平台还可以把第三方的软件集成到IP SWITCH中。如CheckPoint的防火墙Firewall-1，又如Accrue软件公司的Accrue Insight软件，此软件允许ISP检查网络及服务的响应时间、评估Web-hosting和Co-Location服务的性能。Ipsilon与Cabletron公司的合作还可以把Cabletron的策略管理和计帐服务集成到IP SWITCH结构中。他们的合作还包括产品的互操作性、SecureFast结构扩展到IP SWITCH体系中以及IP SWITCH的所有网络设备可被Cabletron的SPECTRUM网管平台进行全面的管理。

Ipsilon还公布了IFMP-C的源代码，鼓励第三方厂家开发IP SWITCH周边设备。支持IFMP-C的设备接入到IP SWITCH的ATM端口后，被IP SWITCH控制器自动识别，无须任何参数设置，具有即插即用的效果。有兴趣的读者可以到www.ipsilon.com上去查找，还可以找到GSMP、IFMP的技术文档。

8. IP SWITCH功能特点概述

全面的流分类和管理：具有足够的灵活性和伸缩性
纯IP互操作：“If you know IP, you know IP SWITCH.”
硬件提速的IP Multicast：利用交换机硬件复制Multicast包
无缝的QoS：不是基于ATM论坛的标准，却是第一个针对IP优化的QoS
支持CIDR协议，支持可变长子网管理（VLSM）
支持BGPv4，它是大多数ISP使用的尖端的IP路由协议
支持IPX的RIP和SAP（Service Advertising Protocol）
网桥：即将支持NETBEUI/NETBIOS、SNA等非路由协议，实现桥接功能
支持Rate-Shape(Traffic Shape)：带宽成为商品的今天，有效地管理分配带宽很重要
与现有管理过程和工具无缝融合：支持Telnet、Traceroute、SNMP、MIBⅡ、SNMPv2
集成在IP SWITCH内部的基于WEB的图形化网管：用浏览器全面实现配置和监控
支持VPNs以及Server Load Balancing Services
支持VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol）：同时实现路由冗余和负载平衡
即将支持Packet over SONET：大型ISP可开展光纤接入服务

由上可以看出，Ipsilon公司针对公司/校园的Intranet和ISP做了很多功能上的优化。特别是Rate-Shaping(Traffic Shape)，很少有闻其他厂商宣布实现此功能。它允许IP SWITCH为每个流动态地分配带宽，实现带宽从64kbps到622Mbps的完全控制，Rate-Shaping的一个实例如图10所示：

三、产品系列

1 IP SWITCH 处理器

IP SWITCH处理器在IP SWITCH系统中起两个作用：控制器和网关。作为控制器则是系统的大脑，作为网关则可把快速以太网、FDDI、X.21、V.35接入到高速的ATM交换引擎中，保证与现有网络的互连。

2 ATM1600

ATM1600是IP SWITCH系统的肌肉、硬件引擎，共有16个155Mbps ATM接口，每个端口都是支持SONET/SDH无阻塞带宽的ATM介质。 IP SWITCH 还可以使ATM1600将多个SONET端口集成一组，形成一个更宽的虚连接，配置时当作单个逻辑接口。

3 FAS1200

FAS1200提供最大24个接入IP SWITCH系统的以太网/高速以太网接口，对以太网交换机、高速以太网集线器和高性能服务器来说是理想的骨干网。

4 FAS200

FAS200是FAS1200的简化机型，提供最大4个以太网/高速以太网接口接入到IP SWITCH系统。它适用于Remote Office和ISP的光纤接入应用。

5 FAS116

FAS116是IP交换与以太网交换机的集成，它提供一个100Mbps、16个10Mbps的以太网接口，以及一个155M的ATM端口接入到IP SWITCH系统。

6 ATM适配卡

Ipsilon提供基于SUN SBUS总线和PCI总线的ATM适配卡，以便把主机和服务器直接接入IP SWITCH系统。

四、新产品和发展方向

本月初，Ipsilon公司宣布了她的最新产品IP SWITCH 6400，它采用冗余交换引擎结构、提供高达10Gbps的IP带宽（可伸缩到20G）、支持最多120个基于帧或180个基于信元的端口，IP SWITCH控制器也被集成在机柜之中。IP SWITCH 6400可以提供最多120个快速以太网端口、15个千兆以太网端口、30个FDDI端口、30个HSSI端口、60个V.35端口、180个DS3端口（45M）、60个OC3端口（155M）以及15个OC12端口（622M）。

IP SWITCH的核心是流分类的思想。前面提到过，在IP SWITCH结构中，下层的交换介质不局限于ATM，IP SWITCH日渐成熟后，必将向其他交换介质扩张，如IP Switch over FDDI， IP Switch over Gigabit Ethernet， IP Switch over Frame Relay，IP Switch over Optical switch。

本文试图给IP SWITCH一个全面详细的介绍，若有不妥之处，敬请指正。我的E-mail地址为lcowi@bj.col.com.cn

本文转自中文Linux论坛