ATM可以提供空前的可伸縮性和性價比，以及對將來的實時業務、多媒體業務等的支持,ATM將扮演重要的角色。但目前的信息體系，即LAN和WAN，建立在網絡層協議如IP、IPX、AppleTalk等的基礎上，因此，ATM的成功及Internet的發展的關鍵是現有的網絡技術和ATM的互操作，而實現這一目的的關鍵是相同的網絡層協議，如IP、IPX，同時應用于現有的網絡和ATM上，因為給高層協議和應用提供統一的網絡視角是網絡層的任務。到目前為止，已有了多種在ATM上運行IP的方法，如：ATM論壇的LANE和MPOA、IETF的CLIP和NHRP、Ipsilon網絡公司的IP交換和Cisco公司的標記交換，下面將逐一介紹。

一、簡介

ATM和現有的協議體系，特別是網絡層的IP、IPX等協議，在很長的時間內共存，如何在單一網絡上實現現有網絡協議和ATM、如何將ATM與傳統網絡互連，是廣大研究人員、設計人員和業者研究的課題。然而，ATM和IP源于不同的技術團體和基礎，有著各自的應用。IP的目的是以不確定的狀態將分組發送到目的地，它是非連接的，沒有服務質量的保證；而ATM的目的是提供有保證的綜合業務，是面向連接的，基于快速的固定長度信元的交換。ATM和IP的巨大差異使得有效地將二者集成成為難題。

在ATM網絡中支持IP有兩種不同的模型，這兩種模型以不同的角度看待ATM協議層和IP的關系。

第一種是對等模型，在本質上將ATM層看作IP的對等層，這種模型建議在ATM網絡中使用與基于IP的網絡中相同的地址方案，因此ATM端點將由IP地址來識別，ATM信令將攜帶這樣的地址，且ATM信令的路由也使現有的網絡層路由協議。因為使用了現有的路由協議，對等模型就排除了開發新的ATM路由的需要。對等模型在簡化了端系統地址管理的同時，很大程度上增加了ATM交換機的復雜度，因為ATM交換機必須具有多協議路由器的功能，支持現有的地址方案和路由協議。此外，現有的路由協議是基于當前的LAN和WAN開發的，不能很好地映射到ATM中及使用ATM的服務質量特性。

在目前的解決方案中，IP交換和標記交換是基于對等模型的。

另一種模型稱作子網或覆蓋模型，將ATM層與現有協議分開，定義了全新的地址體系，即現有協議將運行于ATM之上。此覆蓋模型需要定義新的地址體系和相關的路由協議，所有的ATM系統需要同時被賦予ATM地址和它要支持的高層協議地址。ATM地址空間邏輯地與高層協議的地址空間相分隔，沒有任何相關性。因此，所有運行于ATM子網上的協議需要某種ATM地址解析協議以把高層協議（如IP）地址映射到相應的ATM地址。這種將ATM與高層協議分開的方法允許各自獨立的開發，在實用的工程角度這非常重要。

在目前的解決方案中，LANE、MPOA和CLIP是基于覆蓋模型的。

二、LANE

1、如何在傳統LAN上運行IP？

在傳統的LAN中，當源主機想給同子網的目的主機發送分組時，它檢查其ARP緩存看是否已經知道與目的主機IP地址相聯系的硬件地址(MAC地址)，如果已經知道，就把帶有目的主機的IP地址和MAC地址的分組發送出去。

如果目的MAC地址未知，源主機就發送一個ARP請求分組，ARP請求是本地廣播分組，將被子網中所有主機接收，目的主機識別到自己的IP地址后，在ARP回應分組中回答其MAC地址，源主機接收到ARP回應并把它存到自己的ARP表中，現在源主機就可以發送含有正確的目的IP地址和MAC地址的分組了。

2、ATM LAN必須仿真什么功能？

(1)由于傳統LAN是介質共享網絡，很容易提供廣播服務并實現ARP，ATM網必須模仿這一功能，由BUS（廣播和未知服務器）實現。
(2)一般來說，傳統LAN中的每個主機都有其MAC地址和IP地址，直接連到ATM網的主機除了具有ATM地址外，也必須有MAC地址和IP地址。
(3)ATM主機必須提供與MAC協議給網絡層協議提供的接口服務相同的服務，如NDIS或ODI類驅動接口。

3、LANE如何工作？

顧名思義，LANE的功能是在ATM網絡上仿真LAN，LANE協議定義了仿真IEEE 802.3以太網或802.5令牌環網的機制。LANE協議定義了與現有LAN給網絡層提供的服務相同的接口，在ATM網絡中傳輸的數據以相應的LAN MAC分組格式封裝。

每個ELAN(Emulated LAN)由一組LANE客戶(LEC)和LANE服務構成。LEC還可以是作為ATM主機代理的網橋和路由器。LE服務由三個不同的功能實體構成：LAN仿真配置服務器(LECS)、LAN服務器(LES)和BUS，這三個服務實體可以各自存在，但通常位于同一設備，例如：LES可以位于ATM交換機、路由器、網橋和工作站。

下面是LANE中的工作站與另一工作站通信的步驟：

(1)初始化
LEC需要知道LECS的ATM地址并與其建立連接，這通過ILMI或眾所周知(well-known)的LECS地址完成，這個過程中的任何時刻LEC都可以與手工配置的LECS地址建立雙向配置直達VCC。這個過程中，LEC將獲取該ELAN的LES的ATM地址。
(2)登記
這是LEC給LES提供地址信息，如MAC地址的機制。此過程中將在LEC和LES之間建立一對連接，即雙向點到點控制直達VCC，及單向點到多點控制分布VCC。
(3)地址解析
這是LEC從LES學習目的站點ATM地址的方法，由ATM地址解析協議實現，允許LEC建立數據直達VCC以傳送幀。這時在LEC和BUS之間建立雙向點到點組播發送VCC和單向點到多點組播轉發VCC。
(4)數據傳輸
當源站點和目的站點等待建立數據直達VCC的過渡時期里，BUS可以把幀轉發給該ELAN中的所有LEC，當數據直達VCC建立后，通信就從原來的路由(BUS)切換到新的路由，為了保證幀的順序，信息清空協議(flush message protocol)被用以通知BUS：在開始使用新的路由傳輸幀時，清空請求被發送到BUS并轉發到該ELAN中所有LEC，然后不再有幀通過BUS（舊路由），所有幀將通過數據直達VCC（新路由）發送到目的站點。

需要說明的是：在ATM論壇規范中描述的上述過程中，并沒有提到從IP地址到MAC地址的解析。下面是傳統LAN的主機與ATM主機通信的全過程：

(1)為確定目的站點的MAC地址，源主機廣播一個含有IP地址的ARP請求，這是任何IP網絡的標準過程，ARP請求到達傳統LAN上的LAN/ATM網橋。
(2)在LAN/ATM網橋上的LEC將廣播分組通過組播發送VCC轉發給BUS，BUS通過組播轉發VCC給ELAN中的所有成員發送ARP請求。
(3)目的站點收到ARP請求并識別出自己的IP地址，作為回應，它把自己的MAC地址放到ARP回應中。因為這還不是到LAN/ATM網橋的直達VCC，目的站點的LEC把ARP回應通過組播發送VCC發送給BUS，BUS通過組播發送VCC將其轉發給LAN/ATM網橋。
(4)LAN/ATM網橋通過傳統LAN把ARP回應傳給源主機。
(5)這時源主機擁有了目的站點的MAC地址，開始通過LAN傳送數據。
(6)網橋通過組播發送VCC把分組傳給BUS，BUS把分組轉發到目的站點。
(7)同時，LAN/ATM網橋上的LEC通過控制直達VCC向LES發送LE-ARP請求，詢問與目的站點的MAC地址相對應的ATM地址，如果LES沒有該映射，則通過控制分布VCC向所有LEC發送LE-ARP請求，目的站點LEC收到該請求后把自己的ATM地址放進LE-ARP回應并通過控制直達VCC發回LES。
(8)源LEC通過控制直達VCC從LES收到LE-ARP回應，抽取ATM地址并在源和目的之間建立數據直達VCC。
(9)數據直達VCC建立后，從網橋傳來的分組將通過數據直達VCC傳輸，取代BUS。

4、LANE的優點和局限

因為LANE提供與現有MAC協議給網絡層提供的驅動相同的服務接口，不需要改變該驅動，這將加速ATM的發展和應用。但是，LANE的功能是使ATM的特性對高層協議透明，因此它使高層協議不能利用ATM固有的優點，尤其是其服務質量保證。新完成的LANE2.0版為ATM端系統間的通信提供局部管理的服務質量，該協議提供機制以確定是否支持期望的服務質量。每種局部定義的服務質量可以包含信息以指示以該服務質量建立的VCC是否可以被其他協議或應用所共享。

盡管LANE提供在ATM網絡子網內橋接的有效方式，但子網間的業務仍需要通過路由器轉發，因此，ATM路由器很可能成為瓶頸，下面談到的MPOA將解決子網間通信的效率問題。

三、CLIP(Classical IP over ATM)

1、原理

為了在ATM網絡上運行IP，IETF采用了邏輯獨立IP子網(LIS)的概念。象通常的IP子網一樣，一個LIS包含一組連接到單一ATM網絡的IP節點（如主機或路由器），它們屬于同一IP子網。ATM LIS的行為很象傳統的IP子網，為了在LIS內解析節點的地址，每個LIS提供一個ATMARP服務器，該LIS內的所有節點(LIS客戶)被配置以該ATMARP服務器的ATM地址。當LIS中一個節點出現時，它首先建立與ATMARP服務器的連接。一旦ATMARP服務器檢測到一個新的LIS客戶的連接，它就向該客戶發送一個反向ARP請求，詢問該節點的IP地址和ATM地址，并保存在其ATMARP表中。隨后，LIS中的任意想解析目的IP地址的節點將向該服務器發送ATMARP請求，如果地址映射被找到，則服務器返回ATMARP回應，否則，它返回一個ATM_NAK響應以表示沒有該映射，服務器定期清除地址映射表，除非客戶對其周期性的反向ARP請求給予響應。一旦LIS客戶獲取了與IP地址相對應的ATM地址，它就可以與該地址建立連接。分組封裝和地址解析的協議分別在RFC1483和RFC1577中定義。

然而，因為RFC1577中定義的地址解析協議保留了主機對于向子網外站點發送分組必須經過缺省路由器的要求，所以捷徑VCC只能在同一子網內的節點間建立，否則源站點必須把分組轉發給缺省路由器，即使源、目的站點在同一ATM網絡內也是如此。這樣，ATM路由器就成了瓶頸，且服務質量無法實現。

與LANE相比，RFC1577只支持IP，而不支持其它網絡層協議，如IPX、AppleTalk。此外，CLIP也不支持組播，這也是RFC1577的重要缺點。

2、CLIP的擴展

2.1、NHRP(Next Hop Resolution Protocol)

為了在同一ATM網絡、不同子網間的站點間提供捷徑路由，IETF提出了名為NHRP的協議，NHRP建立在CLIP模型之上，但是用非廣播多路訪問網絡(NBMA)的概念取代了LIS的概念，NBMA意味著允許多個設備連到同一網絡，但可以配置到不同的廣播域，并且支持不同LIS中主機間的直接通信。幀中繼和X.25就是NBMA網絡的例子。

NHRP用NHS(NHRP服務器)的概念替換ARP服務器，每個NHS中含有“下一跳解析”緩存表，其內容為與該NHS相關的所有節點的IP到ATM的地址映射。節點配置含NHS的ATM地址，并將自己的ATM地址和IP地址用登記包在NHS登記。

協議處理過程如下：當一個節點想通過NBMA網絡發送分組，即需要解析特定的ATM地址時，它生成并向NHS發送NHRP請求包，這樣的請求以及所有的NHRP信息通過IP包發送。如果目的站點由該NHS服務，NHS就通過NHS回應包返回其地址，否則NHS查找其路由表以決定到達該目的的下一個NHS并轉發該請求。在下一個NHS處執行同樣的算法直到真正知道所請求的映射的NHS，目的節點返回一個NHRP回應，以相反的順序經過同樣的一系列NHS，到達請求節點，請求節點就可以建立一個直接數據連接。從而可以越過子網邊界建立ATM VCC，使得子網間可以不通過路由通信。

2.2、 組播

有兩種支持組播的方法。

第一種是通過組播服務器，所有想發送組播信息的節點與之建立點到點的連接，它與所有接收節點通過點到多點連接相連。組播服務器通過該點到點連接接收數據，通過點到多點連接重發數據。這種方法可以用于大型網絡，但組播服務器可能最終成為瓶頸。

第二種方法稱為組播網，該組中每個節點與其它節點建立點到多點連接。這樣，所有的節點都可以向其它節點發送和從它們接收數據。對于一個含N個節點的組來說，將需要N個點到多點連接，不適于含節點數目很多的組。

這兩種方法都用于Armitage建議的組播地址解析服務器(MARS)。MARS服務于一簇節點，一簇中所有的端系統配置以MARS的ATM地址。當一個端系統想向特定的組播群發信息時，它建立與MARS的連接，發出MARS_REQUEST信息，MARS返回MARS_MULTI信息，此信息含有該組的組播服務器的地址或組成員的地址，如果該組支持組播服務器，請求節點就建立與該服務器的連接，將數據發送給該服務器，由該服務器將數據轉發給組中的節點；在組播網方案中，請求節點與組中的節點建立點到多點連接并通過該連接發送數據。

四、MPOA

1、MPOA的原則

MPOA的目的是在LANE環境中有效地傳輸子網間的unicast數據。MPOA集成了LANE和NHRP以保留LANE，同時通過旁路路由器提高子網間通信的效率。MPOA允許網絡層路由記算和數據傳送物理地分離，這稱為虛擬路由。路由計算由位于路由器中的服務器--即MPS--執行，數據傳送由邊緣設備中的客戶--即MPC--執行。

在入口點，MPC檢測通過ELAN傳送給含有MPS的路由器的數據流，當它發現能夠旁路當前路由路徑的捷徑時，它使用基于NHRP的協議請求與目的節點建立捷徑，如果可行，該MPC在其入口表中記錄下該信息，建立捷徑VCC，通過該捷徑VCC發送幀。對于使用捷徑的分組，MPC從分組中去掉數據鏈路層(DLL)封裝。

在出口點，MPC從其它MPC接收網絡數據，對于通過捷徑接收到的幀，該MPC加上適當的DLL封裝把它們傳送給上層協議。該DLL封裝信息由MPS提供并存貯在出口緩存中。

MPS是路由器的邏輯成分，給MPC提供網絡層轉發信息，它包含NHRP中定義的完整的NHS。MPS與本地NHS和路由功能交互以回答入口MPC的MPOA請求，并給出口MPC提供DLL封裝信息。

下面是ELAN內和ELAN間通信過程的簡單描述。

ELAN內通信從一個MPOA主機或LAN主機到同一ELAN的另一MPOA主機或LAN主機，這些數據流使用ELAN做地址解析和數據傳輸。ELAN間通信從一個MPOA主機或LAN主機到不同ELAN的MPOA主機或LAN主機，短數據流使用缺省的路徑，長數據流使用捷徑，缺省的路徑利用ELAN和路由器，捷徑使用LANE和NHRP做地址解析和捷徑。捷徑是這樣工作的：如果源節點和目的節點不在同一個MPS的管理域，入口MPS將MPOA解析請求翻譯成NHRP解析請求，通過NHRP將該請求轉發給出口MPS，當出口MPS收到出口MPC的回應后，它生成NHRP解析回應并把它發回給入口MPS，當入口MPC得到入口MPS的MPOA解析回應后，它與出口MPC之間就可以建立捷徑了。

2、MPOA的優點和限制

MPOA從根本上將數據傳送和路由計算分開，將功能分布到不同的設備，從而減少了參與路由計算的設備數目和端設備的復雜性。它可以以統一的方式支持二層和三層網絡互連，因此保證了ATM環境中大規模的互連。它可以同時有效地處理突發數據和長期的數據流，但是，MPOA的復雜性有很大的爭議。

五、IP交換

IP交換的目的是在快速交換硬件上獲得最有效的IP實現，將非連接的IP和面向連接的ATM的優點互補。IP交換是標準的ATM交換加上連接于ATM交換機端口上的智能的軟件控制器，即IP交換控制器。IP交換機將數據流的初始分組交給標準的路由模塊(IP交換機的一部分)處理，當IP交換機看到一個流中足夠的分組，認為它是長期的，就同相鄰的IP交換機或邊緣設備建立流標記，后續的分組就可以高速地標記交換，將緩慢的路由模塊旁路。特別的IP交換網關或邊緣設備負責從非標記分組向標記分組和分組到ATM數據的轉換。

每個將現有網絡設備連到IP交換機的IP交換網關或邊緣設備在啟動時建立一個到IP交換控制器的虛信道作為缺省的轉發信道，從現有網絡設備接收到分組時，邊緣設備通過缺省轉發信道將分組傳送給IP交換控制器。

IP交換控制器執行傳統的路由協議，如RIP、OSPF和BGP，將分組以正常的方式通過缺省轉發信道轉發給下一個節點，這可能是另一個IP交換機或邊緣設備。IP交換控制器還執行數據流分類，它識別長期的數據流，因為這樣的數據可以用ATM硬件的cut-through交換來優化，其余的通信仍然使用缺省的方式，即點到點的存貯轉發路由。

當長期的數據流被識別，IP交換控制器要求上一節給之打標記，使用新的虛信道，如果源邊緣設備同意，該數據流就通過新的虛信道流向IP交換控制器。下一節點也執行同一動作。當該流獨立使用特殊的輸入信道和輸出信道，IP交換控制器指示交換機建立適當的硬件端口映射，旁路路由軟件和相關的處理開支。這個過程繼續下去，該流的前面幾個分組使從源邊緣設備到目的邊緣設備建立直接的連接。此設計使IP交換機以僅受交換引擎限制的速率轉發分組。第一代IP交換機支持高達每秒5.3M分組的吞吐量。此外，因為不需要將ATM信元封裝到中介IP交換機的IP分組中，IP網中的吞吐量也得到了優化。

Ipsilon給IETF提出了兩種協議。通用交換管理協議(GSMP, RFC1987)允許IP交換機控制器訪問交換機硬件并動態轉變交換模式：存貯轉發或cut-through。Ipsilon流量管理協議(IFMP, RFC1953)用于在邊緣設備和IP交換控制器間交換控制信息并將IP流與ATM虛信道聯系起來。

IP交換的一個重要特性是流的分類和交換在本地執行，而不是基于端到端的基礎上，這保留了IP的非連接本質，并允許IP交換機繞過失效節點路由而不需要從源主機重新建立通道。

此外，流分類使IP交換同樣有效地支持長期和突發數據。

然而，IP交換是基于流的，在大型網絡中其伸縮性是值得質疑的，在很大的網絡中流的數目可能最終超過可用的虛通道數。

有五家公司正式宣稱支持Ipsilon的IP交換，它們是：Ericsson、General Datacomm、Hitachi America Ltd. 、NEC America Inc. 和DEC Ipsilon。它們試圖使此技術成為事實上的標準--MPLS?！?/P>

六、標記交換

另一個選擇是Cisco公司的標記交換。標記交換網絡包含三個成分：標記邊緣路由器、標記交換機和標記分發協議。

標記邊緣路由器位于標記交換網絡邊緣的含完整3層功能的路由設備，它們檢查到來的分組，在轉發給標記交換網絡前打上適當的標記，當分組退出標記交換網絡時刪去該標記。作為具有完整功能的路由器，標記邊緣路由器也可應用增值的3層服務，如安全、記費和QoS分類。標記邊緣路由器的能力不需要特別的硬件，它作為Cisco軟件的一個附加特性來實現，原有的路由器可以通過軟件升級具有標記邊緣路由器的功能。

標記交換機是標記交換網絡的核心。所謂標記是短的、固定長度的標簽，使標記交換機能用快速的硬件技術來做簡單快速的表查詢和分組轉發。標記可以位于ATM信元的VCI域、IPv6的flow label域或在2層和3層頭信息之間，這使得標記交換可用于廣泛的介質之上，包括ATM連接、以太網等。

標記分發協議提供了標記交換機和其它標記交換機或標記邊緣路由器交換標記信息的方法。標記邊緣路由器和標記交換機用標準的路由協議(如BGP、OSPF)建立它們的路由數據庫。相鄰的標記交換機和邊緣路由器通過標記分發協議彼此分發存貯在標記信息庫(TIB)中的標記值。

下面是標記交換網絡的基本處理過程。

(1)標記邊緣路由器和標記交換機用標準的路由協議識別路由，它們完全可以與非標記交換的路由器互操作。
(2)標記邊緣路由器和交換機通過標記分發協議給用標準路由協議生成的路由表賦以標記信息并分發，標記邊緣路由器接收標記分發協議信息并建立轉發數據庫。
(3)當標記邊緣路由器收到需要通過標記交換網絡轉發的分組，它分析其網絡層頭信息，執行可用的網絡層服務，從其路由表中給該分組選擇路由，打上標記然后轉發到下一節點的標記交換機。
(4)標記交換機收到帶標記的分組，僅基于標記來進行交換，而不分析網絡層頭信息。
(5)分組到達出口點的標記邊緣路由器，標記被剝除，然后繼續轉發。

在標記交換網絡中，標記分發協議和標準路由協議可以用目標前綴標記算法集合起來，此算法可以在數據流穿過網絡前在TIB中建立標記信息。這有兩個意義。一個是流中的所有分組都可以被標記交換，即使是突發短數據也是如此；此外它是基于拓撲的，在每個源/目的分配一個標簽。而在IP交換中只有長期數據流在一定數目的分組經過后才建立捷徑。因此，標記交換比基于流的機制更有效地使用標簽，避免了一個一個流的建立過程，這使之具有了公共因特網服務網絡所需要的很好的伸縮性，在公共因特網中，流的數目是巨大的，其改變速率也是很高的。

其他廠商也有類似的機制，如Cabletron的SFVN(Secure Fast Virtual Networking)、Cascade的IP Navigator、DEC的IP packet switching、Frame Relay Technologies的Framenet Virtual WAN switching和IBM的ARIS(Aggregate Route-based IP Switching)等。

七、結束語

本文簡單介紹了在ATM網絡上支持IP的一些方案，這些方案基于這樣的一個假定，即：傳統的LAN和路由器通過ATM網相連，或者說，硬件平臺是ATM網，而應用是基于IP的。其它內容這里不作介紹。