ATM传输技术

,*,计算机网络,异步传输模式,ATM,*,第,10,章,异步传输模式,ATM,本章主要介绍,ATM,的基本概念、,ATM,协议及工作原理，并对,ATM,的参考模型及各层次的功能予以描述，对于,IP,与,ATM,的结合问题也予以涉及。通过本章学习，重点了解以下内容：,了解,ATM,技术的产生背景,了解,ATM,的基本概念,理解,ATM,协议的参考模型及各层次功能,了解,ATM,与,IP,的结合,1,10.1,ATM,技术概述,10.1.1,ATM,的,产生,20,世纪,70,年代出现的,ISDN,（,Integrated Services Digital Network,）,是综合服务数字网,它是通过单一线路发送数字语音呼叫和数据的一种电信标准。,2,20,世纪,80,年代以来，跨越广域网实现,LAN,的互联越来越多。同时随着多媒体技术的出现，人们对可视图文、视频电话、视频会议、图像传输等通信业务需求迅速增加，对带宽的需求也越来越高。结果是,B-ISDN (Broadband-ISDN,宽带综合业务数字网,),标准的问世。,ATM,是支持,B-ISDN,服务的一种交换技术。,3,10.1.2,传统的交换和信息传递方式,网络上传统的交换方式有两种：电路交换和分组交换。,电路交换,电路交换长期以来用于电话网，目前仍然在,N-ISDN,中使用。在这种传统方式中，整个通信连接期间始终有一条电路被建立，并按照时分复用（,TDM,）,原理将信息从一个结点传递到另一个结点。当通信结束后，连接被撤销。这种技术也叫同步传递模式,STM,。,4,分组交换,在分组交换网中，用户信息封装在分组中。分组中有分组头，其中包含一些附加信息。这些附加信息用来在网络中进行路由选择、差错检验、流量控制。,分组交换有两种方式：面向连接方式和无连接方式。,5,10.1.3,快速分组交换和异步传输,模式,ATM,快速组成交换的方式有很多，其最基本的特征就是具有最小网络功能的分组交换。最常见的是帧中继和,ATM,。,我们介绍,ATM,。,6,异步传输模式,ATM (Asynchronous Transfer Mode),是建立在电路交换和分组交换基础上的一种新的交换技术。,ATM,是面向连接的，它是通过建立虚电路来进行数据传输的。,ATM,采用固定长度的数据包。每个,ATM,数据为信元。固定长度的,ATM,信元具有以下的优点：,7,固定长度的数据信元使得连网和交换的排队延迟更容易预测。同时，较小的信元长度降低了交换结点内部缓冲器的容量，限制了信息在这些缓冲的排队延迟。,与可变长度的数据包相比，,ATM,信元更便于简单可靠地进行处理。,ATM,的信元头只包括5个字节，其主要功能是用来根据虚电路标志识别虚连接。,8,ATM,采用统计时分复用的方式来进行数据传输。统计复用就是根据各种业务的统计特性，在保证业务质量要求的情况下，在各个业务之间动态地分配网络带宽，以过到最佳的资源利用率。这种方式可以解决,STM,中出现的带宽浪费的问题。,9,10.1,ATM,技术概述,同步光纤网络,SONET,和同步数字系列,SDH,ATM,的物理基础目前主要是采用标淮的光纤传输网络。,SONET,和,SDH,是以光缆作为传输媒体的数字传输速率标准。美国首先在,1988,年推出了标准同步光纤网,SONET (Synchronous Optical Network),，,为光纤传输系统定义了线路速率的等级结构，其传输速率以,51.84,Mb/s,为基础，大约对应于,T3,E3,的传输速率。,10,ITU-T,以美国标准,SONET,为基础，制订出国际标准同步数字系列,SDH (Synchronous Digital Hierarchy),，,即,1988,年通过的,G.707709,等三个建议书。,SDH/SONET,定义了标准光信号，规定了波长为,1310,nm,和,1550,nm,的激光源。在物理层为宽带接口并使用了帧技术以传递信息，为数字信号的复用和操作过程定义了帧结构。,11,10.2,ATM,的基本概念和原理,ATM,采用面向连接的传输方式，将数据分割成固定长度的信元，通过虚连接进行交换。一个,ATM,的传输过程可以包括三个阶段：连接建立，数据传输和连接终止。,12,10.2,ATM,的基本概念和原理,ATM,网络的构成,ATM,网络是网状拓扑结构，包括两种网络元素，即,ATM,端点和,ATM,交换机。,ATM,端点就是在网络中能够产生或接收信元的源站或目的站。,ATM,端点与,ATM,交换机相连。,ATM,交换机与,ATM,交换机相连，构成,ATM,网络。,13,10.2,ATM,的基本原理,ATM,网络的构成,14,10.2,ATM,的基本原理,ATM,网络的构成,用户网络接口,UNI(User-Network Interface),这是,ATM,端点与它们所连接的,ATM,交换机之间的接口。,网络结点接口,NNI(Network-Node Interface),这是在,ATM,网络中两个,ATM,交换机之间或两个,ATM,网络之间的接口。,15,ATM,中的虚连接由虚通路（,VP：Virtual Path）,和虚通道（,VC：Virtual Channel）,组成，分别用,VPI,和,VCI,来标识。多个虚通道可以复用一个虚通路，而多个虚通路又可以复用一条传输链路。,虚连接有两种：永久虚连接（,PVC,）,和交换虚连接（,SVC,）。,16,ATM,中的信息传输采用固定格式，一律为53字节。其中包括48个字节的数据和5个字节的信元头。,17,10.2,ATM,的基本原理,10.2.1,ATM,的体系结构,ITU-T,制定的,ATM,参考模型借鉴了,ISO,的,OSI,参考模型，但同时引入了“平面”的概念。为了便于理解，我们暂时略去“平面”的问题，先给出,ATM,的分层结构，如图。,18,19,B-ISDN,的,ATM,协议模型如图所示它包括三个平面：用户平面支持数据传送、流量控制、差错检测以及其他的用户功能；控制平面主要用于连接管理，包括对信令信息的管理；管理平面用来维护网络和执行操作功能。在每个平面中，采用了,OSI,分层方法，各层相对独立。分为物理层、,ATM,层、,ATM,适配层（,AAL）,和高层。,CCITT,在,ATM,层之上定义了,ATM,适配层，即,AAL,层。,20,10.2.2,ATM,高层,ATM,高层实际上泛指高层与业务相关的功能。,ATM,网络提供的服务分为,A、B、C、D,和,X,五类。,A,类服务为面向连接的恒定比特率（,CBR）,服务，主要提供恒定比特率的语音和图像业务，,DSI/EI,电路仿真业务；,B,类服务为可变比特率（,VBR）,服务，主要用来传输可变比特率的语音、视频服务，同时还用来传输优先级较高的数据；,C,类服务定义为,ATM,上的帧中继，主要提供面向连接的数据服务；,D,类服务表示,ATM,上的无连接的数据服务；,X,类服务许可用户或厂家定义他们自己的服务类型。,21,ATM,为用户提供的服务主要包括如下几类。,CBR（,恒定比特率）：这类服务又分为两个子类，分别称为,RT-VBR（,实时可变比特率）和,NRT-VBR（,非实时可变比特率）。,RT-VBR,主要用来提供具有严格实时要求的可变比特率服务，如实时视频会议等。,22,在,NRT-VBR,服务中，及时传送很重要，但应用中可以容忍一定量的抖动。例如，多媒体电子邮件。,ABR（,可用比特率）：这类服务主要是为带宽并不确定的突发式的通信设计的。,UBR,（,不定比特率）：这类服务不对用户做出任何承诺，同时，也不对网络阻塞做出任何反馈。用它来传送,IP,包是合适的。,23,24,10.2,ATM,的基本原理,10.2.3,ATM,适配层,AAL,ATM,适配层记为,AAL (ATM Adaptation Layer)，,其作用是增强,ATM,层所提供的服务功能，并向上面高层提供各种不同的服务。,AAL,的主要功能是：,将用户的应用数据单元,ADU,划分为信元或将信元重装成为应用数据单元,ADU；,对比特差错进行监控和处理；,处理丢失和错误交付的信元；,流量控制和定时控制。,25,10.2,ATM,的基本原理,10.2.3,ATM,适配层,AAL,为实现上的方便，,AAL,层又划分为两个子层，即,CS,子层和,SAR,子层。,汇聚子层,CS,(Convergence,Sublayer,),使,ATM,系统可以对不同的应用,(,如文件传送、点播视像等,),提供不同的服务。每一个,AAL,用户通过服务访问点,SAP (,即应用程序的地址,),接入到,AAL,层。在,CS,子层形成的协议数据单元叫做,CS-PDU,。,26,会聚子层,CS,是与业务相关的，它负责为来自用户平面的信息（如,IP,包）做分割准备，以使,CS,层能将这些信息再拼成原样。,CS,层将一些控制信息子网头或尾附加到从上层传来的用户信息上，一起放在信元的有效负载中。,27,拆装子层,SAR,(Segmentation And Reassembly),在发送时，将,CS,子层传下来的协议数据单元,CS-PDU,划分成为长度为,48,字节的单元，交给,ATM,层作为信元的净负荷。在接收时，,SAR,子层进行相反的操作，将,ATM,层交上来的,48,字节长的净负荷装配成,CS-PDU,。,这样，,SAR,子层就使得,ATM,层与上面的应用无关。,28,10.2,ATM,的基本原理,AAL,子层协议数据单元,29,10.2,ATM,的基本原理,10.2.4,ATM,层,ATM,层主要完成交换和复用功能。在,ATM,层构成53字节的信元并实现网络传输。,ATM,层提供的基本服务是完成,ATM,网上用户和设备之间的信息传输。其功能主要有：,信元头生成和去除、一般流量控制、连接的分配和取消、信元复用和交换、网络阻塞控制、汇集信元到物理接口以及从物理接口分检信元等。,30,ATM,层接收到,AAL,层提供的信元载体后，必须为其加上信元头以生成信元，这样信元才可以成功地在,ATM,网络上进行传输。当,ATM,层将信元载体向高层,AAL,层传输时，必须去除信元头。信元载体提交给,AAL,层后，,ATM,层也将信元头信息提交给,AAL,层。所提交的信息包括用户信元类型、接收优先级以及阻塞指示。,31,10.2,ATM,的基本原理,10.2.4,ATM,层,1,ATM,信元,32,10.2,ATM,的基本原理,10.2.4,ATM,层,1,ATM,信元,GFC,（,Generic Flow Control,）,字段,(一般流量控制),PTI(Payload Type Indicator),字段,（负载类型标志）,CLP(Cell Loss Priority),字段,（信元丢失优先级）,HEC(Header Error Control),字段,（信元头差错控制）,33,10.2,ATM,的基本原理,10.2.4,ATM,层,1,ATM,信元,VPI/VCI,（,Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier,）,字段：,VPI,称作虚通道标识符，,VCI,称作虚通路标识符。一个虚通路,VC,是在两个或两个以上的地点之间的一个运送,ATM,信元的通信通路；一个虚通道,VP,是一组具有相同端点的虚通路，而这一组虚通路使用同一个虚通道标识符,VPI,。,34,35,10.2,ATM,的基本原理,10.2.4,ATM,层,2,ATM,交换,36,37,10.2,ATM,的基本原理,10.2.4,ATM,层,2,ATM,交换,38,39,10.2,ATM,的基本原理,10.2.5,ATM,物理层,ATM,物理层又分为与媒体有关的物理媒体子层,PMD (Physical Medium Dependent),和传输汇聚子层,TC (Transmission Convergence),。,PMD,子层的作用是在适当的物理媒体上正确地发送和接收比特以及负责比特在物理媒体上的正确传输。,40,TC,子层的作用是为其上的,ATM,层提供一个统一的接口。在发送方，它从,ATM,层接收信元，组装成特定的形式,(,如信元、,SONET,数据帧、,FDDI,数据帧等,),以使其在物理媒体子层上传输。在接收方，,TC,从来自,PMD,子层的比特或字节流中提取信元，验证信元头，并将有效信元传递给,ATM,层,41,10.2,ATM,的基本原理,10.2.5,ATM,物理层,TC,子层具有,OSI,模型中数据链路层的功能，主要功能如下：,信元头验证：,每个信元中包含5个字节的头部。信元头中的最后一个字节，也就是,HEC,字段，其功能是进行信元头的差错控制。信元有效负载中的传输错误由高层控制。,传输帧适配,：,TC,子层的另一个重要作用是为传输媒体子层生成帧格式。,42,在基于信元的传输方式中，传输帧中刚好含有一个信元。信元被连续地传输、不存在任何规则的时间帧同步。,在基于,SONET、FDDI、T1、T3,等传输帧的传输方式中，传输帧的有效负载不是信元大小的整数倍，信元被嵌在传输帧的有效负载内，信元边界没有固定位置，信元边界由信元划分功能决定。,43,10.2,ATM,的基本原理,10.2.5,ATM,物理层,信元定界：,在接收端，,TC,子层接收输入的比持流，对信元的边界进行定位，验证信元头，抛弃错误的信元，对,OAM,信元进行处理，将数据信元传送给,ATM,层。在这个过程中，最复杂的过程就是信元定界。在,TC,子层，使用有限状态机来完成信元定界。,44,次连续的,不正确,HEC,次连续正,确的,HEC,45,10.3,ATM,的连接管理,10.3.1,ATM,参考模型,ITU-T,制定的,ATM,参考模型不但具有层次结构，还具有平面的概念，是一个立体的体系结构,高 层 高 层,管理平面,ATM,适配层（,AAL）,CS,SAR,ATM,层,物理层,TC,PMD,控制平面 用户平面,层管理,平面管理,用户平面,用来传送用户数据、流量控制、差错控制和其他用户功能信息；,控制平面,处理为建立和释放连接所需的信令；,管理平面,提供层管理和平面管理两种不同的功能,；,46,10.3,ATM,的连接管理,10.3.2,ATM,地址,ATM,是面向连接的，通信之前需要首先建立虚电路。虚连接建立时，源站点需要指明需要建立连接的目的站点的地址。,由,ATM,论坛根据开放系统互连,OSI,的网络服务访问点,NSAP (Network Service Access Point),格式定义了,ATM,专用,UNI,的,ATM,地址。它采用,20,个字节。,47,ATM,地址包括三个部分：,AFI (Authority and Format Identifier),字段授权和格式标识符，用于指出起始域,标识符,(,IDI),的类型和格式，指明地址命名方式；,IDI (Initial Domain Identifier),字段起始域标识符，指明地址的位置和管理权限；,DSP (Domain Specific Part),字段域特定部分，指明专用网,UNI,的识别信息。,48,10.3,ATM,的连接管理,10.3.2,ATM,地址,AFI,DCC,HO-DSP,ESI,SEL,AFI,ICD,HO-DSP,ESI,SEL,AFI,E.164,HO-DSP,ESI,SEL,字节,1 2106 1,字节,1 2106 1,字节,1 8 4 61,DCC,格式的,ATM,地址,ICD,格式的,ATM,地址,E.164,格式的,ATM,地址,IDI,IDI,IDI,49,10.3,ATM,的连接管理,10.3.3,ATM,虚连接机制,50, 源站点通过缺省虚连接 (通常为,VPI=5，VCI=0),向目的站点发出连接建立 (,Setup),请求。该请求中包含源站点,ATM,地址、目的站点,ATM,地址、传输特性以及,QoS,参数等。, 网络向要求建立连接的源站点回送呼叫确认 (,Call Proceeding)，,表明呼叫建立已启动。并不再接收呼叫建立信息。,Setup,沿网络向目的地站点传播。在传播的每步，目的都会返回,Call Proceeding,确认。,10.3,ATM,的连接管理,10.3.3,ATM,虚连接机制,51, 目的站点接收到连接建立请求后，若连接条件满足，则返回连接(,Connect)，,表明接受呼叫。然后，网络用连接 (,Connect),响应源站点，源站点被接受。, 在,Connect,返回源站点过程中，每一步均会产生连接确认 (,Connect,Ack,)，,最后源站点用连接确认 (,Connect,Ack,),响应网络。,52,当数据传输完成后，虚连接要被拆除。虚连接拆除的过程如图10-11的下部。, 要求拆除虚连接的源站点向网络发出拆除虚连接 (,Release),请求，相邻的交换机接到该消息后，向源站点返回,Release Complete。, Release,沿,ATM,网络向目的站点传播。在网络中传播的每一步，都会得到,Release Complete,确认。,Release,到达目的站点后，虚连接将被拆除。,53,10.4,IP Over ATM,10.4.1,传统,IPOA,IPOA,的协议结构如图所示，从网络协议结构上讲，它也遵循开放系统互连,OSI,七层协议模型，,IPOA,位于,OSI,数据链路层与网络层之间。它仅通过网络层协议,IP,来支持上层应用。,54,10.4,IP Over ATM,10.4.2,局域网仿真,LANE,局域网仿真,(,LANE),是在,ATM,上模拟传统的局域网，通过,ATM,网络把多个传统局域网和,ATM,终端设备互连，在,ATM,网络上面构造成新的局域网，这些局域网上节点间的通信行为与传统的局域网完全相同。所有协议,(,如,IPX,或,IP),和各种应用程序都可不加改动地在仿真局域网,ELAN,（,Emulated LAN,）,上运行。由于这些局城网能够互连在一起工作，因而局城网上的计算机能够享用,ATM,网络的各种优点。,55,56,除上述两种,ATM,的扩展应用外，,ATM,论坛还提出了,MPOA(,MultiProtocolOver,ATM),，,用以在,ATM,上运行多种协议。近年来还出现了第三层交换（或称,IP,交换,IP Switching,）,技术，不断的促进着,ATM,的发展和进步。,10.4,IP Over ATM,57,