第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,1/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第1页8.1 概述 ATM（Asynchronous Transfer Mode）即异步传输模式，是以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式高速化的优点发展而成的可以满足各种通信业务的需求。 ATM是未来的宽带综合业务数字网（B-ISDN）的低层传输技术。 ATM的传送模式本质上是一种高速分组传送模式。它将话音、数据及图象等所有的数字信息分解成长度固定（48字节）的数据块，并加上5字节的信息头，形成53字节的完整信元（cell）。 ATM采用统计复用方式将来自不同信息源的信元汇集到一起，在一个缓冲器内排队，然后按照先进先出（FIFO）的原则将队列中的信元逐个输出到传输线路，在传输线路上形成首尾相接的信元流。因为是统计复用，使任何业务都能按实际需要来占用资源，网络资源得到最大限度的利用。 ATM网络可以适用于任何业务，不论其特性如何（速率高低、突发性大小、质量和实时性要求如何），网络都按同样的模式来处理，真正作到了完全的业务综合。ATM还可以采用硬件方式高速地对信头进行识别和交换处理。 ATM采用星形拓扑结构，由ATM交换机完成对信元的交换。 ATM提供面向连接的服务，信道上采用统计复用模式 ATM技术的基本特点可以归纳为： 1）面向连接的服务 2）固定信元长度 3）星形拓扑结构 4）统计复用 5）提供多种服务类型 ATM技术1989年由ITU-T提出，目前仍在发展中，可通过ATM论坛了解其技术发展和标准化规程。第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,1/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第2页8.2 B-ISDN 协议参考模型协议参考模型PRM（Protocol Reference Module）协议参考模型。国际电联标准化组织ITU-T在建议I.321中给出了B-ISDN的参考模型， B-ISDN是一个基于ATM的网络，已广泛用于描述基于ATM的通信实体。B-ISDN协议参考模型，P118图8-1。包括三个平面，即：用户平面、控制平面和管理平面。高层AAL层ATM物理层高层AAL层ATM物理层用户平面控制平面用户平面（U平面）：传送用户信息，还具有流控、差错控制等功能。用户平面具有层次结构。控制平面（C平面）：传送信令信息。也具有层次结构，负责建立网络连接和管理连接，呼叫控制和连接控制功能，但使用永久虚电路（PVC）时不需要控制平面。管理平面（M平面）：分为层管理和平面管理两个不同的功能。平面管理不分层，执行系统整体有关的功能，负责所有平面的协调；层管理具有层次结构，负责各层中的实体，并执行运营、监控和维护功能（OAM）。详细功能请参见ITU-T建议Q.940。B-ISDN PRM中各层功能见下页。第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,1/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第3页会聚CSAAL分段和重组SAR流控（GFC）信元头产生/提取信元VPI/VCI转换信元多路复用和分组ATM层信元速率分隔HEC序列产生/检验信元边界提取传输帧适配传输帧产生/恢复TC物理层位时序物理介质PM高层功能高层层次管理 AAL：ATM适配层ATM：异步传输模式CS：会聚子层HEC：信头差错控制PM：物理介质SAR：分段和重组TC：传输会聚VCI：虚通道标志符VPI：虚通路标志符B-ISDN功能层次表第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,1/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第4页8.3 ATM信元格式信元格式信元是ATM网的基本传输单位，每个信元由5个字节的头和48字节净荷组成。信元从第1个字节开始顺序向下发送，在同1个字节中从第8 比特开始发送。最先传输的位为最高位（MSB）信头（5字节）信息段（48字节）ATM固定信元结构信头（5字节）净荷（48字节）8 7 6 5 4 3 2 1发送次序 bit发送次序153ATM的信元结构有两种，一种用在用户/网络接口，简称UNI信元；另一种用在网络内部接口，简称NNI接口。两种信元的信头格式有所不同。各字段含义简述如下：GFC：一般流量控制，4bit，在NNI中无GFCVPI：虚通路标识，在UNI中8bit，在NNI中为12bitGFCVPIVPIVCIVCIVCIPTCLPHECVPIVPIVCIVCIVCIPTCLPHEC（a）UNI（b）NNIVCI：虚信道标识，16bit，VPI和VCI构成ATM的路由信息。PTI：净荷类型，3bit，8种类型，其中4种为用户信息类型，3种为网络管理信息，1种保留未用。CLP：信元丢失优先级，当网络拥塞时，丢弃CLP=1的信元。HEC：信头差错控制码，为多项式码，用来检验信头错误。第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,2/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第5页8.4 物理层物理层物理层利用通信线路的比特流传送ATM信元。通过物理层传送的ATM信元可能会丢失或发生错误。物理层主要的功能包括：线路编码、时钟提取、信元定界和HEC检验等。ATM主要在光纤介质中传输，也可在双绞线和同轴电缆上传输，传输功能与具体介质相关。物理层分为物理介质子层和传输会聚子层。信元速率分隔HEC序列产生/检验信元边界提取传输帧适配传输帧产生/恢复TC物理层位时序物理介质PM8.5 ATM的虚路径（虚通路的虚路径（虚通路VP）和虚通道（和虚通道（VC）在ATM层，连接被分为两个层次：虚通道和虚路径。虚连接分为两个层次便于网络管理和简化连接处理。在一条物理链路中可包含若干虚路径（VP），数量由信头中的VPI决定；在一条虚路径中可以包含若干虚通道（VC），数量由VCI决定。一个虚路径可由多个虚通道组成。物理链路VP1VPnVC图8-5物理链路、VP、VC的关系ATM信元的交换既可以在VP级进行，也可以在VC级进行。一条物理链路中的需通路，由VPI和VCI共同确定。用户与用户之间、用户与网络之间、网络与网络之间均可以建立VC，也可以建立VP。第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,2/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第6页VCVP用户到用户（端-端） 传送用户数据、信令局网互连用户到网络访问与本地连接相关的功能（接入网信令）连接交换机或服务器网络到网络网络流量管理，路由信息预定义网络流量的路径VP和VC的用途在一条物理链路上具有相同VPI的信元所占有的子通路称为一个VP链路，多个串联的VP链路构成一个VP连接。一个VP连接中传送具有相同VCI的信元所占有的子信道称为一个VC链路，多个串联的VC链路构成一个VC连接。VCI和VPI只是本地编号，不具有全局的含义。虚路径和虚通路都是单向的，即发送和接收的VPI和VCI值是不同的。ATM交换机1ATM交换机2ATM交换机3UNINNINNIUNIVPI=1VCI=1VPI=2VCI=45VPI=5VCI=45VPI=20VCI=30虚信道连接（VCC）虚通路连接（VPC）VP和VC连接虚通路和虚路径可以是点到点的连接，也可以是点到多点的多播方式。第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,2/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）第7页8.6 ATM的连接与交换的连接与交换8.6 .1 ATM的连接ATM系统采用面向连接的工作方式，但连接为逻辑连接，即虚电路方式。可以是用户长期占用的永久虚电路（PVC），任何时候都可以使用；也可以是通信前临时申请的交换虚电路（SVC）。源端ATM交换机ATM交换机目的端SETUPSETUPSETUPCONNECTCONNECT ACKRELEASERELEASERELEASERELEASE COMPLETERELEASE COMPLETERELEASE COMPLETECALL PROCEEDINGCALL PROCEEDINGCONNECTCONNECT ACKCONNECTCONNECT ACKSETUP：请求建立连接CALL PROCEEDING：正在建立连接CONNECT：接受该连接请求CONNECT ACK：对CONNECT的应答RELEASE：请求释放连接RELEASE COMPLETE：连接释放完成建立建立ATMATM连接连接拆除拆除ATMATM连接连接第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,2/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第8页8.6 .2 ATM的交换所谓ATM交换，是指在ATM网中，ATM信元从输入端的逻辑信道到输出端的逻辑信道的信息传递。输出信道的确定是根据连接建立信令的要求在众多的输出信道中进行选择来完成的，输入信元必须根据输入端口号和输入VPI/VCI查找到输出端口号及输出的VPI/VCI。ATM交换机分析信头并查表输入信元数据信头输出信元数据信头入口出口物理端口号VPIVCI物理端口号VPIVCI1105320421024531653875ATM交换机中的虚连接表交叉连接设备（Cross Connect），仅根据信元中的VPI的值对信元进行路由和转发，可实现VP级的交换，交换机不更改信元的VCI值。第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,3/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第9页8.7 ATM业务类型业务类型ATM能够较好地对多媒体业务提供支持。ATM业务类型恒定比特率业务（恒定比特率业务（CBR）：）：固定带宽连接，对时延要求严格，如话音， 速率为64kb/s，实时性要求高，不能丢包。实时变比特率业务（实时变比特率业务（rt-VBR）：）：如视频会议系统，要求时延短、不抖动和变形，可丢少量数据包。非实时变比特率业务（非实时变比特率业务（nrt-VBR）：）：允许一定的延迟和抖动。可用比特率业务（可用比特率业务（ABR）：）：吞吐量和时延要求不确定，对信元丢失率要求不高的应用，信元发送速率可以根据网络的要求而变化。ABR具有反馈业务类型。非特定比特率业务（非特定比特率业务（UBR）：）：非紧急应用或是对业务质量没有特定要求的应用。服务特征CBRrt-VBRnrt-VBRABRUBR是否要保证带宽YYYYN是否适合实时应用YYNNN是否适合突发应用NNYYY是否有拥塞反馈NNNYYATM业务对照表第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,3/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第10页8.8 拥塞控制拥塞控制拥塞：ATM交换机的处理能力小于当前要求转发的数量。网络过流一般会引发拥塞，拥塞会造成数据传输延迟，严重时会造成系统死锁，必须采取措施进行控制。在网络通信中，流量控制和拥塞控制一般是联系在一起考虑解决的。ATM预防与控制拥塞的措施接纳控制（接纳控制（admission control）：）：用户在连接前必须向网络提交传输数据流的特性参数以及期望的服务。系统在连接时，判断将当前网络资源能否满足需求，满足接纳，否则拒绝建立连接。资源预约（资源预约（resource reservation）：）：连接时向系统申请一些资源（如带宽、缓冲区大小）等，系统对这些资源进行保留。基于速率的拥塞控制（基于速率的拥塞控制（admission control）：）：事先规定数据报的速率并在交换与传输时遵守，超过此速率系统采取措施。数据流整形（数据流整形（traffic shaping）：）：在发送端对数据流进行合乎网络传输控制参数的处理。流量监控（流量监控（traffic policing）：）：对网络传输流量进行实时监测，超出上限值，采取控制措施。拥塞控制的方法： 在慢速网络中一般采用反馈机制进行拥塞控制，当发现拥塞时才通知发送端降低数据包发送速度，具有一定的滞后性。 高速网络一般采用预防控制的方法，当发现可能会导致网络拥塞性，就提前采取措施预防与控制拥塞。第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,3/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第11页8.9 AAL层层8.9.1 AAL的服务类型 AAL层解决如何将高层协议的数据分割为信元。相当于ATM网络的传输层协议。一般位于ATM端设备上（用户侧），在通信子网内传输的是ATM信元（无AAL层）。 ATM网络所要支持的应用类型是多种多样的，ITU-T把不同的应用按照其所需要的服务类型分成A、B、C、D四类，这四类应用考虑到实时服务或非实时服务、恒定比特服务和可变比特服务、面向连接服务和非连接服务等方面。服务类型A类B类C类D类源端和目的端是否需要同步需要不需要比特率固定可变连接方式面向连接无连接实例64kbps语音变比特率图象（压缩的视频）面向连接数据（虚电路）无连接数据（数据报）AAL服务类型为了提供以上四种服务，定义了四种不同类型的AAL协议：AAL1、AAL2、AAL3/4和AAL5。对于D类业务目前还没有专门的AAL协议。对于不使用任何一种AAL协议，直接利用ATM层功能，常称为AAL0，即AAL层为空的意思。8.9.2 AAL层的结构 AAL层又被分为两个子层：分段重组（SAR）子层和会聚（CS）子层。第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,3/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第12页会聚子层（CS）分段重组子层（SAR）ATM层物理层AAL层分段重组子层（分段重组子层（SAR）： 发送端：将数据分割成合适的片段（48字节）作为信元的净荷部分准备提交ATM层进行交换和传输。该片段包括头部和尾部信息。 接收端：从ATM提交的信元中分离出净荷部分重组为数据单元供高层协议使用。会聚子层（会聚子层（CS）：）： 为应用层（高层）提供接口，功能与高层协议有关，包括差错控制、定时等。在发送端，会聚子层也要给应用层的数据加上一些头信息和尾部信息。操作过程为：AAL-PDUCS-PDUCS头CS尾CS子层SAR-PDU净荷SAR头SAR尾SAR子层CS-PDUSAR-PDU信元净荷（48B）信头ATM层信元ATM协议操作过程AAL提供的服务：提供的服务： 流（流（Stream）式服务：式服务：不保留信息之间的边界。发送与接收可能不一致。 消息服务：消息服务：保留信息之间的边界。发送与接收一致。AAL1：与A类业务有关，不使用反馈重发方法纠错。AAL2：B类业务，变速率数据通信AAL3/4：C类业务，面向连接的服务AAL5：C类业务，对AAL3/4的简化，适合大的数据分组。第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,4/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第13页AAL1： AAL1用来传输A类数据流。A类数据流要求实时传输，具有恒定的比特率并且需要连接服务。由于对不允许延迟，可不使用差错控制、流量控制。 CS子层：检测丢失和误插入的信元，消除网络传输延迟的变化，以恒定的速率将信元交给高层。将高层数据按47字节分割，CS无头部和尾部信息。47字节数据（CS-PDU）CSISCCRC 偶校验 1bit 3bit 3bit 1bit SAR-PDU信元格式（1字节头，47字节数据）CSI：会聚子层指示SC：序列计数，用于检测丢失或误插入的信元。CSI与SC作为序号CRC：对CSI和SC的校验。CRC与校验位又称为序号保护。AAL2： AAL1协议协议是为传输压缩后的视频信息而设计的，它提供有连接的变比特率（VBR）应用提供服务。但目前还没有完整定义。AAL3/4： AAL3/4是两个标准合并的结果。AAL3提供连接的服务，支持X.25协议。AAL4希望提供无连接数据服务，支持IP协议。具有多路复用功能，多个会话可以共同使用一条虚连接，由目的端区分不同会话的消息。净荷（165535字节）CPIBtagBASizePad 1 1 2 可变 03 1 1 2 字节 AAL3/4 的CS-PDU格式（长度必须为4的倍数）ALETagLength第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,4/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第14页CPI：通用部分标识符，表示消息的类型以及BASize和Length进行长度计算的单位。Btag和Etag：用来对数据进行界定，CS通过检验它们的值是否相等，来确定中间是否有丢失或误插入的信元。BASize：接收缓冲区的大小。 Length：净荷部分长度。 Pad：填充字节 AL：对齐，保证尾部信息为32bit。SAR子层：将CS-PDU分割为44字节的数据片，格式为：净荷STSNMIDLI2bit 4bit 10bit 44字节 6bit 10bitCRCAAL3/4 的SAR-PDU格式（2字节头、2字节尾，44字节净荷）ST：消息分段类型，有第一分段、中间分段、最后一个分段、单分段类型。SN：序号，分段顺序。MID：消息标志，多路复用标识符。 LI：净荷有效长度 CRC：对SAR-PDU进行冗余校验。AAL3/4需要占用较多的控制字节，效率不高。AAL5： 对AAL3/4的改进，协议处理简单，额外开销小。 PAD：填充 UU：用户指示 CPI：通用部分指示 UU与CPI目前未使用，建议设置为0。 CS-PDU净荷PAD1字节 1字节 2字节 4字节UUAAL5的CS-PDU消息格式CPILengthCRC第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,4/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第15页8.10 ATM局网仿真局网仿真局网仿真就是要在ATM网络上模拟传统局域网的功能，在ATM网上构造新的局域网，使得ATM网络上的设备和传统局域网上的设备能够透明通信。使用局网仿真技术进行通信的网络构成仿真局网（ELAN，Emulation LAN，在ATM网络上仿真局域网）。传统的以太网等局域网与ATM网络差别：1）以太网等是无连接的，而ATM网络为连接服务。2）以太网采用共享信道，而ATM是点到点服务。3）以太网上的MAC地址与网络拓扑无关，而ATM地址由网络分配确定。局域网仿真的协议模型：高层协议MAC层物理层物理层物理层 桥接功能 局网仿真MAC层 AAL5 ATMATM层物理层 物理层物理层ATMAAL5局网仿真高层协议以太网主机ATM网桥（ATM端设备）ATM交换机ATM主机（ATM端设备）LAN1ATM网桥ATM交换机ATM主机第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,4/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第16页 ATM网桥实现ATM网络和以太网等局域网之间的互连，完成局网仿真功能 。使用AAL5作为适配层，把以太网上的帧封装到ATM信元中，然后在ATM网上发送，同时也负责把ATM网络上的信元重组成数据帧，发送到以太网上。通过ATM网桥，传统的局域网上的主机就可以与ATM网络上的主机进行透明地通信。ATM交换机在局网仿真中只起简单的交换作用。 局网仿真采用客户机/服务器模式，ATM网络的端设备（主机和网桥）为客户端，称为LEC。有三种类型的服务器：广播与未知地址服务器（广播与未知地址服务器（BUS）：）：该服务器实现广播和多播（Multicast）功能。局网仿真服务器（局网仿真服务器（LES）：）：保存ELAN中每个LEC的的MAC地址与ATM地址之间的映射关系，实现LEC注册和MAC地址与ATM地址的转换。局网仿真配置服务器（局网仿真配置服务器（LECS）：）：保存ELAN的配置信息。该配置信息由网络管理员设置。地址解析协议（LE_ARP）：实现MAC地址与ATM地址之间的转换。有时MAC地址和ATM地址并非一一对应关系。LECLESLE_ARP请求帧LE_ARP应答帧LE_ARP工作过程ELAN的工作过程：分为系统初始化和数据通信两阶段。首先LEC必须执行系统初始化工作，获得有关参数和许可。初始化主要过程为： 1）LEC与LECS配置服务器建立虚连接，交换各自的网络参数，如ATM地址、MAC地址、帧参数等。 2）LEC与LES建立连接，该过程实际完成注册功能，也指定了LEC与ELAN的隶属关系。 3）若需要进行广播通信，LEC还需要向BUS服务器注册登记。 系统初始化完成后，就可以进行数据传输了。第八章第八章 ATM技术（技术（4学时学时,4/4）计算机网络与Internet教程讲义（电子版）信控学院通信工程教研室第17页8.11 MPOAMPOA（Multi Protocol Over ATM，ATM的多协议承载）的多协议承载）1996年由新桥公司提出的新技术，主要解决在ATM网络上如何使用路由机制，解决在ATM网络上路由器瓶颈问题。MPOA通过在进行通信的源端和目的端之间建立直接的ATM连接，把一个数据流直接映射到一个ATM的VC连接上。充分利用ATM交换机的高效率和低时延的特性。由于数据流和VC之间具有直接的对应关系，所以可以把应用对服务质量的要求直接转换为ATM的服务质量参数，给应用程序提供可靠的服务质量保证。ATM子网1路由器1ATM子网2ATM子网3路由器2NHRP协议NHRP协议NHRP协议：是MPOA重要组成部分（例如IP Over ATM），主要是实现网络层地址（如IP地址）到ATM地址的转换，与LE_ARP不同可以实现跨子网的地址转换，而LE_ARP只能在一个逻辑子网中进行地址转换。利用NHRP，ATM网络的边缘设备（子网互连设备，如路由器）可以直接与另一个ATM网络的边缘设备建立ATM连接，直接通信。ATM与IP融合技术，特别MPOA有利于优势互补，解决带宽应用问题，提供基于IP的实时多媒体业务。