宽带骨干网络的主流技术及其发展方向
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宽带骨干网络的主流 技术及其发展方向
讲稿人：文兴亮
宽带网的定义及其概述
宽带网：能传输宽带信号或超过一定速率的数字信号的网络。
FCC（Federal Communications Commission 美国联邦通讯委员会）2010 年07月24日为“宽带”这个词语下了一个定义，FCC认为宽带意味着 下载速率为4Mbps，上行速度为1Mbps。
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ATM信元有两种不同的格式：UNI和NNI格式
ATM信元
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ATM信元
GFC 一般流量控制 4bit VPI 虚通道标识 8/12bit VCI 虚连接标识 16bit PTI 净荷类型指示 3bit CLP 信元丢失优先级 1bit HEC 信头差错控制 8bit
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宽带骨干网络技术
较早出现的宽带骨干网络的分组交换技术有X.25、 帧中继，到后来的IP、ATM以及MPLS技术，经过几 十年的发展，目前，IP技术成为主流的宽带网络 技术，未来将朝着以光互联网技术为主流技术的 超宽带信息网络方向发展。 X.25 帧中继 ATM IP MPLS
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帧中继(FR : Frame Relay)
与X.25的主要差别有: （1）帧中继带宽较宽。 56Kbps到1．544Mbps 。 （2）帧中继的层次结构中只有物理层和链路层(等效于数 据链路层)，舍去了X.25的分组层(等效于网络层)。 （3）帧中继可以不用网络层而只使用链路层来实现复用 和转接。 （4）与X.25相比，帧中继在操作处理上做了大量的简化。 不需要考虑传输差错问题，其中间节点只做帧的转发操作， 不需要执行接收确认和请求重发等操作，差错控制和流量 控制均交由高层智能终端完成，大大缩短了节点的时延， 提高了网内部数据的传输速率。
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骨干网的定义
几台计算机连接起来，互相可以看到其他人的文 件，这叫局域网，整个城市的计算机都连接起来， 就是城域网，把城市之间连接起来的网就叫骨干 网。 骨干网”通常是用于描述大型网络结构时经常使 用的词语。骨干网一般都是广域网:作用范围几十 到几千公里。
ATM-面临的问题
统计复用带来的信元瞬时丢失 多目标控制增加了系统的复杂性 ATM网络的路由选择问题 用户接口的简化问题 IP对ATM的挑战
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IP
IP是英文Internet Protocol（网络互连协议）的 缩写，中文简称为“网协”，也就是为计算机网络 相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中， 它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互 通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行 通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机 系统，只要遵守 IP协议就可以与因特网互连互通。
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X.25
X.25 是 ISO 和 ITU-T 为广域网（WAN）通信所 建议的一种包交换数据网络协议，它定义数据终 端设备（DTE）和数据电路终端设备（DCE）之 间的数据以及控制信息的交换。 在X．25中，在一个分组的传输路径上的每个结 点都必须完整地接收一个分组，并且在发送之前 还必须完成错误检查。 一般只用于要求传输费用比较少，而远程传输速 率要求又不高的广域网使用环境。
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X.25
优点：易于安装和维护，按发送的分组数据来收 费 缺点：分发延迟
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帧中继(FR : Frame Relay)
一种面向连接的快速分组交换技术,它是从X.25分 组通信技术演变而来的,被称为第二代的 X.25 。 它主要用在公共或专用网上的局域网互联以及广 域网连接。 帧中继将分组通信的三层协议简化为两层，仅完 成物理层和链路层核心层的功能，网络不进行纠 错、重发、流量控制等，而将这些功能留给智能 终端去处理。 帧中继的最大问题是没有业务质量等级的相关规 定，不能确保高业务的QoS要求。
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ATM交换技术的特点
采用统计时分复用 保留了时隙的概念，但不是同步的时分复用， 而是基于统计的时分复用 以固定长度信元为单位，响应时间短 降低交换节点内部缓冲区的容量要求 减少信息在这些缓冲区中的排队时延
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IP与ATM的比较
IP ATM
特 点
面向无连接的交换技术
面向连接的交换技术
优 点
协议简单,开放,业界成熟标准的应用 程序接口API ,基于IP实现网络互联的技 术成熟,成本低
标准完善，技术先进，提供高 质量的QoS，具有传统电信网络所 不具有的支持高速综合业务的功 能 协议过于复杂，设备成本高， 无标准开放的API。
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传统IP骨干网络所面临的问题
Internet用户数指数增长，导致IPv4的地址数预计将在 2011年耗尽。 网络上开放的各种应用（视频，话音）导致网络信息流量 持续增长。 传统IP网络不能保证 QoS，特别是多媒体业务（IP电话， 视频点播）。 网络规模扩大导致路由器寻址时的跳数过多，传输时延增 大，网络性能下降 。路由器成为性能瓶颈 ，必须引进新 的技术来解决路由器瓶颈。 Internet上的主要路由协议基于分组在网上传输的最短路 径算法来设计，很少考虑时延、抖动、拥塞，使得网络工 程者很难进行流量工程。
缺 点
只提供尽力而为（best—effort）的 数据传输服务，不能提供有保证的QoS; 路由器成为性能瓶颈；IPv4的地址空间 已基本耗尽
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宽带IP骨干网的主流技术方案
——IP over ATM
优点：可以解决带宽问题；将ATM的QoS（服务 质量 ）能力引入internet，以满足各种实时业务 的性能要求。 缺点：ATM是面向连接，IP是无连接，两者有各 自的编址方案和选路规程，相互间的协调配合较 复杂。
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ATM-异步时分复用
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ATM信元
ATM使用固定长度的信元。每个信元包括5个字 节的头部和48个字节的负荷。
使用小信元可以减少高优先级信元的排队延迟 使用固定长度的信元使硬件中的交换实现起来更加容 易，从而支持较高的数据速率 UNI格式用在用户－网络接口处 UNI格式的信元包含通用流量控制字段 NNI格式则用于网络－网络接口处 NNI格式的信元没有通用流量控制字段，从而把VPI 字段从8位增加到12位
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分组层 数据链路层 物理层
数据链路层 物理层
ATM技术
ATM----Asynchronous Transfer Mode（ATM）异 步传输模式的缩写
ITU-T（国际电信联盟远程通信标准化组织 ）建议I.113中关于ATM定 义的原文为： A transfer mode in which the information is organized into cells ; it is asynchronous in the sense that the recurrence of cells containing information from an individual user is not necessarily periodic. ATM是将信息组织成信元，其包含的来自用户信息的各个信元不需要 周期性出现，即异步的传输模式。
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骨干网的定义
目前我国拥有九大骨干网： 中国公用计算机互联(CHINANET) 中国金桥信息网(CHINAGBN) 中国联通计算机互联网 (UNINET) 中国网通公用互联网(CNCNET) 中国移动互联网(CMNET) 中国教育和科研计算机网(CERNET) 中国科技网 (CSTNET) 中国长城网(CGWNET) 中国国际经济贸易互联网(CIETNET)
端到端的差错控制，ຫໍສະໝຸດ Baidu不是逐链路 的差错控制 只用VPI、VCI标识一个连接， 不需要源地址、目的地址和包序号
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ATM-协议参考模型
物理层：执行比特级功能。 ATM层：完成ATM信元流 的选路、交换和复用功能， 支持Qos保障、流量和拥 塞控制等功能。 ATM适配层：执行高层协 议的适配，将高层不同的 协议数据形式转换为能够 利用ATM信元来传输的格 式。
宽带网络可分为传输网络、交换网络和接入网络三部分。 因此，宽带网络技术也分为宽带传输技术、宽带交换技术 和宽带接入技术三部分。 宽带传输网络主要是以SDH为基础的大容量光纤网络。 宽带交换网络主要是采用ATM技术的综合业务数字网络。 宽带接入网络主要有光纤接入、铜线接入、混合光纤/铜 线接入、无线接入等方式
ATM-技术特征
面向分组方式 采用异步时分复用方式 不提供逐段链路的差错控制和流量控制 面向连接 信元头功能简化 信元的净荷长度较小
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ATM-异步时分复用
复用是通信领域中的一个基本概念，其含义是来 自多个信源的信息能够利用同一物理介质通道进 行传输。在通信系统中，复用是提高物理介质的 使用效率的主要手段。复用技术应用的前提是物 理介质所能提供的传输带宽大于所有信源的信息 带宽。 在ATM中使用了异步时分复用（ATDM）的概念 电路交换网中广泛使用的同步时分复用（STDM）
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ATM-服务模型
ATM支持四种服务模型：
CBR（恒定比特速率）：数据按照恒定的速度进行收 发，网络提供预留的带宽和服务保证。 UBR（未定比特速率）：数据的接收不受约束，如果 带宽充足，则发送，否则丢弃。网络不提供预留带宽 和服务保证。 ABR（可用比特速率）：与UBR类似，但网络能够提 供拥塞反馈。端节点可以根据网络提供的拥塞反馈来 降低发送的速率，从而减少由于拥塞造成的数据丢失。 VBR（可变比特速率）：与CBR类似，当网络不是处 在使用高峰时提供预留带宽，它允许突发的数据传输。
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帧中继(FR : Frame Relay)
分组层 数据链路层 物理层 路由选择、虚电路复用 数据成帧、差错/流量控制 电气机械等特性、比特流传输 (a)X.25 协议 数据链路层 物理层 数据成帧、路由选择 电气机械等特性、比特流传 输 (b)帧中继协议 图 1-1 帧中继协议与 X.25 的比较
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ATM技术
ATM是以信元为基础的一种分组交换和复用技 术，它是一种为了多种业务设计的通用的面向连 接的传输模式。它适用于局域网和广域网，它具 有高速数据传输率和支持许多种类型如声音、数 据、传真、实时视频、CD质量音频和图像的通 信
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IP
IP (Internet protocol):互联网协议。 IPv4：互联网协议第4版本； IPv6：互联网协议第6版本。 IP (Intellectual property):知识产权。 半导体产业中的IP定义为用于ASIC或 FPGA/CPLD中的预先设计的电路功能模块 。IP 分为软IP、固IP和硬IP。
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IP over ATM的两种模式
重叠模式（Overlay Model）（20世纪90年代 中期） 设计者的出发点是考虑今后向基于ATM的宽带综 合业务网过渡。 集成模式(Integration Model)（20世纪90年代 后期） 设计者的出发点是考虑如何设计一个高性能的基 于IP的宽带综合业务网。
宽带骨干网络的主流 技术及其发展方向
讲稿人：文兴亮
宽带网的定义及其概述
宽带网：能传输宽带信号或超过一定速率的数字信号的网络。
FCC（Federal Communications Commission 美国联邦通讯委员会）2010 年07月24日为“宽带”这个词语下了一个定义，FCC认为宽带意味着 下载速率为4Mbps，上行速度为1Mbps。
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ATM信元有两种不同的格式：UNI和NNI格式
ATM信元
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ATM信元
GFC 一般流量控制 4bit VPI 虚通道标识 8/12bit VCI 虚连接标识 16bit PTI 净荷类型指示 3bit CLP 信元丢失优先级 1bit HEC 信头差错控制 8bit
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宽带骨干网络技术
较早出现的宽带骨干网络的分组交换技术有X.25、 帧中继，到后来的IP、ATM以及MPLS技术，经过几 十年的发展，目前，IP技术成为主流的宽带网络 技术，未来将朝着以光互联网技术为主流技术的 超宽带信息网络方向发展。 X.25 帧中继 ATM IP MPLS
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帧中继(FR : Frame Relay)
与X.25的主要差别有: （1）帧中继带宽较宽。 56Kbps到1．544Mbps 。 （2）帧中继的层次结构中只有物理层和链路层(等效于数 据链路层)，舍去了X.25的分组层(等效于网络层)。 （3）帧中继可以不用网络层而只使用链路层来实现复用 和转接。 （4）与X.25相比，帧中继在操作处理上做了大量的简化。 不需要考虑传输差错问题，其中间节点只做帧的转发操作， 不需要执行接收确认和请求重发等操作，差错控制和流量 控制均交由高层智能终端完成，大大缩短了节点的时延， 提高了网内部数据的传输速率。
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骨干网的定义
几台计算机连接起来，互相可以看到其他人的文 件，这叫局域网，整个城市的计算机都连接起来， 就是城域网，把城市之间连接起来的网就叫骨干 网。 骨干网”通常是用于描述大型网络结构时经常使 用的词语。骨干网一般都是广域网:作用范围几十 到几千公里。
ATM-面临的问题
统计复用带来的信元瞬时丢失 多目标控制增加了系统的复杂性 ATM网络的路由选择问题 用户接口的简化问题 IP对ATM的挑战
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IP
IP是英文Internet Protocol（网络互连协议）的 缩写，中文简称为“网协”，也就是为计算机网络 相互连接进行通信而设计的协议。在因特网中， 它是能使连接到网上的所有计算机网络实现相互 通信的一套规则，规定了计算机在因特网上进行 通信时应当遵守的规则。任何厂家生产的计算机 系统，只要遵守 IP协议就可以与因特网互连互通。
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X.25
X.25 是 ISO 和 ITU-T 为广域网（WAN）通信所 建议的一种包交换数据网络协议，它定义数据终 端设备（DTE）和数据电路终端设备（DCE）之 间的数据以及控制信息的交换。 在X．25中，在一个分组的传输路径上的每个结 点都必须完整地接收一个分组，并且在发送之前 还必须完成错误检查。 一般只用于要求传输费用比较少，而远程传输速 率要求又不高的广域网使用环境。
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X.25
优点：易于安装和维护，按发送的分组数据来收 费 缺点：分发延迟
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帧中继(FR : Frame Relay)
一种面向连接的快速分组交换技术,它是从X.25分 组通信技术演变而来的,被称为第二代的 X.25 。 它主要用在公共或专用网上的局域网互联以及广 域网连接。 帧中继将分组通信的三层协议简化为两层，仅完 成物理层和链路层核心层的功能，网络不进行纠 错、重发、流量控制等，而将这些功能留给智能 终端去处理。 帧中继的最大问题是没有业务质量等级的相关规 定，不能确保高业务的QoS要求。
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ATM交换技术的特点
采用统计时分复用 保留了时隙的概念，但不是同步的时分复用， 而是基于统计的时分复用 以固定长度信元为单位，响应时间短 降低交换节点内部缓冲区的容量要求 减少信息在这些缓冲区中的排队时延
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IP与ATM的比较
IP ATM
特 点
面向无连接的交换技术
面向连接的交换技术
优 点
协议简单,开放,业界成熟标准的应用 程序接口API ,基于IP实现网络互联的技 术成熟,成本低
标准完善，技术先进，提供高 质量的QoS，具有传统电信网络所 不具有的支持高速综合业务的功 能 协议过于复杂，设备成本高， 无标准开放的API。
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传统IP骨干网络所面临的问题
Internet用户数指数增长，导致IPv4的地址数预计将在 2011年耗尽。 网络上开放的各种应用（视频，话音）导致网络信息流量 持续增长。 传统IP网络不能保证 QoS，特别是多媒体业务（IP电话， 视频点播）。 网络规模扩大导致路由器寻址时的跳数过多，传输时延增 大，网络性能下降 。路由器成为性能瓶颈 ，必须引进新 的技术来解决路由器瓶颈。 Internet上的主要路由协议基于分组在网上传输的最短路 径算法来设计，很少考虑时延、抖动、拥塞，使得网络工 程者很难进行流量工程。
缺 点
只提供尽力而为（best—effort）的 数据传输服务，不能提供有保证的QoS; 路由器成为性能瓶颈；IPv4的地址空间 已基本耗尽
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宽带IP骨干网的主流技术方案
——IP over ATM
优点：可以解决带宽问题；将ATM的QoS（服务 质量 ）能力引入internet，以满足各种实时业务 的性能要求。 缺点：ATM是面向连接，IP是无连接，两者有各 自的编址方案和选路规程，相互间的协调配合较 复杂。
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ATM-异步时分复用
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ATM信元
ATM使用固定长度的信元。每个信元包括5个字 节的头部和48个字节的负荷。
使用小信元可以减少高优先级信元的排队延迟 使用固定长度的信元使硬件中的交换实现起来更加容 易，从而支持较高的数据速率 UNI格式用在用户－网络接口处 UNI格式的信元包含通用流量控制字段 NNI格式则用于网络－网络接口处 NNI格式的信元没有通用流量控制字段，从而把VPI 字段从8位增加到12位
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分组层 数据链路层 物理层
数据链路层 物理层
ATM技术
ATM----Asynchronous Transfer Mode（ATM）异 步传输模式的缩写
ITU-T（国际电信联盟远程通信标准化组织 ）建议I.113中关于ATM定 义的原文为： A transfer mode in which the information is organized into cells ; it is asynchronous in the sense that the recurrence of cells containing information from an individual user is not necessarily periodic. ATM是将信息组织成信元，其包含的来自用户信息的各个信元不需要 周期性出现，即异步的传输模式。
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骨干网的定义
目前我国拥有九大骨干网： 中国公用计算机互联(CHINANET) 中国金桥信息网(CHINAGBN) 中国联通计算机互联网 (UNINET) 中国网通公用互联网(CNCNET) 中国移动互联网(CMNET) 中国教育和科研计算机网(CERNET) 中国科技网 (CSTNET) 中国长城网(CGWNET) 中国国际经济贸易互联网(CIETNET)
端到端的差错控制，ຫໍສະໝຸດ Baidu不是逐链路 的差错控制 只用VPI、VCI标识一个连接， 不需要源地址、目的地址和包序号
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ATM-协议参考模型
物理层：执行比特级功能。 ATM层：完成ATM信元流 的选路、交换和复用功能， 支持Qos保障、流量和拥 塞控制等功能。 ATM适配层：执行高层协 议的适配，将高层不同的 协议数据形式转换为能够 利用ATM信元来传输的格 式。
宽带网络可分为传输网络、交换网络和接入网络三部分。 因此，宽带网络技术也分为宽带传输技术、宽带交换技术 和宽带接入技术三部分。 宽带传输网络主要是以SDH为基础的大容量光纤网络。 宽带交换网络主要是采用ATM技术的综合业务数字网络。 宽带接入网络主要有光纤接入、铜线接入、混合光纤/铜 线接入、无线接入等方式
ATM-技术特征
面向分组方式 采用异步时分复用方式 不提供逐段链路的差错控制和流量控制 面向连接 信元头功能简化 信元的净荷长度较小
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ATM-异步时分复用
复用是通信领域中的一个基本概念，其含义是来 自多个信源的信息能够利用同一物理介质通道进 行传输。在通信系统中，复用是提高物理介质的 使用效率的主要手段。复用技术应用的前提是物 理介质所能提供的传输带宽大于所有信源的信息 带宽。 在ATM中使用了异步时分复用（ATDM）的概念 电路交换网中广泛使用的同步时分复用（STDM）
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ATM-服务模型
ATM支持四种服务模型：
CBR（恒定比特速率）：数据按照恒定的速度进行收 发，网络提供预留的带宽和服务保证。 UBR（未定比特速率）：数据的接收不受约束，如果 带宽充足，则发送，否则丢弃。网络不提供预留带宽 和服务保证。 ABR（可用比特速率）：与UBR类似，但网络能够提 供拥塞反馈。端节点可以根据网络提供的拥塞反馈来 降低发送的速率，从而减少由于拥塞造成的数据丢失。 VBR（可变比特速率）：与CBR类似，当网络不是处 在使用高峰时提供预留带宽，它允许突发的数据传输。
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帧中继(FR : Frame Relay)
分组层 数据链路层 物理层 路由选择、虚电路复用 数据成帧、差错/流量控制 电气机械等特性、比特流传输 (a)X.25 协议 数据链路层 物理层 数据成帧、路由选择 电气机械等特性、比特流传 输 (b)帧中继协议 图 1-1 帧中继协议与 X.25 的比较
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ATM技术
ATM是以信元为基础的一种分组交换和复用技 术，它是一种为了多种业务设计的通用的面向连 接的传输模式。它适用于局域网和广域网，它具 有高速数据传输率和支持许多种类型如声音、数 据、传真、实时视频、CD质量音频和图像的通 信
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IP
IP (Internet protocol):互联网协议。 IPv4：互联网协议第4版本； IPv6：互联网协议第6版本。 IP (Intellectual property):知识产权。 半导体产业中的IP定义为用于ASIC或 FPGA/CPLD中的预先设计的电路功能模块 。IP 分为软IP、固IP和硬IP。
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IP over ATM的两种模式
重叠模式（Overlay Model）（20世纪90年代 中期） 设计者的出发点是考虑今后向基于ATM的宽带综 合业务网过渡。 集成模式(Integration Model)（20世纪90年代 后期） 设计者的出发点是考虑如何设计一个高性能的基 于IP的宽带综合业务网。