ATM网络.docx

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ATM网络

第一章  ATM参考模型

byflamephoenix

在ITU-T的I.321建议中定义了B-ISDN协议参考模型，如下图。

它包括三个面：

用户面、控制面和管理面，而在每个面中又是分层的，分为物理层、ATM层、AAL层和高层。

协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能：

用户平面：

采用分层结构，提供用户信息流的传送，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等；

控制平面：

采用分层结构，完成呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放；

管理平面：

包括层管理和面管理。

其中层管理采用分层结构，完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令。

同时层管理还处理与各层相关的OAM信息流；面管理不分层，它完成与整个系统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。

下面几章不直接讲述ATM的各层，而是与OSI七层模型相对应来讲。

第二章  物理层

byflamephoenix

一、ATM的物理层

二、物理接口

三、ATM交换机

一、ATM的物理层

ATM意即异步传输模式（asynchronoustransfermode）。

这种模式可以与同步T1线路做一对比。

在T1线路中每125us都有一个T1帧生成，该速率由主时钟控制，每帧的第k时隙中有从相同源来的1字节数据。

T1是同步的。

而ATM不严格要求信元交替地从不同的源到来，每一列从各个源来的信元，没有特别的模式，信元可以从任意不同的源到来，而且，不要求从一台计算机来的信元流是连续的，数据信元可以有间隔，这些间隔由特殊的空闲信元（idlecell）填充。

ATM并不标准化传输的信元格式。

实际上，它指出仅发送单个信元是可以的，并且指出信元可以被装入到T1，T3，SONET或FDDI（光纤LAN）线路上发送。

对于以上的这些例子，有标准规定信元如何封装到这些系统提供的帧里。

在最初的ATM标准中，主速率为155.52Mb/s，另外还有一个4倍于它的速率（622.08Mb/s）。

选择此速率是为了和SONET兼容，SONET是电话系统中用于光纤线路的分帧标准。

基于T3（44.736Mb/s）和FDDI（100Mb/s）上的ATM也已出现。

ATM的传输介质常常是光纤，但是100m以内的同轴电缆或5类双绞线也是可以的。

光纤可达数千米远。

每个链路处于计算机和一个ATM交换机之间或两个ATM交换机之间。

换句话说，ATM链路是点到点的（和LAN不一样，它在一条电缆上有许多发送方和接收方）。

通过让信元从一条线路进入交换机并且从多条线路输出，可以获得广播效果。

每条点到点链路是单向的。

对于全双工操作需要两条链路，每个方向的流量占用一条。

ATM的物理层包括两个子层，即物理介质子层（PM）和传输会聚（TC）子层。

其中物理介质子层提供比特传输能力，对比特定时和线路编码等方面作出了规定，并针对所采用的物理介质（如光纤、同轴电缆、双绞线等）定义其相应的特性；传输会聚子层的主要功能是实现比特流和信元流之间的转换。

对于输出，ATM层提供信元序列，PDM子层进行必要的编码，并且以比特流的方式发送它们。

对于输入，PDM子层从网络中获得输入的比特，并且向TC子层提交一个比特流。

信元的边界并没有标记出来，TC子层负责找出信元在何处开始和结束。

但这不仅困难，而且在理论上行不通，因此TC层去掉了这一功能。

因为TC层管理分帧，所以它属于数据链路功能，因此我们在第3章讨论它。

二、物理接口

ITU-T和ATM论坛将物理接口分为三类，即基于SDH、基于信元和基于PDH。

下面从不同的角度介绍：

传统的数字信令。

DS0

64kbit/s

DS1（T1）

1.544Mbit/s

DS2（T2）

6.312Mbit/s

（4DS1,96DS0）

DS3（T3） 

44.736Mbit/s

（28DS1,672DS0） 

DS4

274.176Mbit/s 

（4032DS0）

SONET的同步传送信令（STS）

STS-1（OC-1）

51.84Mbit/s

STS-3（OC-3）

155.52Mbit/s

（3STS-1）

STS-12（OC-12）

622.08Mbit/s

（12STS-1）

STS-24（OC-24）

1244.16Mbit/s

（24STS-1）

STS-48（OC-48） 

2488.32Mbit/s 

（48STS-1） 

ANSI标准

STS-1

51.84Mbit/s

STS-3c

155.52Mbit/s

STS-12c 

622.08Mbit/s

DS3

44.736Mbit/s 

CCITT标准

DS1

1.544Mbit/s

E1

2.048Mbit/s

DS2

6.312Mbit/s

E2

8.448Mbit/s

E3

34.368Mbit/s

DS3

44.736Mbit/s

E4

139.264Mbit/s

STM-1

155.52Mbit/s（与STS-3相同）

STM-4 

622.08Mbit/s（与STS-12相同）

三、ATM交换机

1、ATM基本排队原理

ATM交换有两条根本点：

信元交换和各虚连接间的统计复用。

信元交换即将ATM信元通过各种形式的交换媒体，从一个VP/VC交换到另一个VP/VC上。

统计复用表现在各虚连接的信元竞争传送信元的交换介质等交换资源，为解决信元对这些资源的竞争，必须对信元进行排队，在时间上将各信元分开，借用电路交换的思想，可以认为统计复用在交换中体现为时分交换，并通过排队机制实现。

排队机制是ATM交换中一个极为重要的内容，队列的溢出会引起信元丢失，信元排队有是交换时延和时延抖动的主要原因，因此排队机制对ATM交换机性能有着决定性的影响。

基本排队机制有三种：

输入排队、输出排队和中央排队。

这三种方式各有缺点，如输入排队有信头阻塞，交换机的负荷达不到60%；输出排队存储器利用率低，平均队长要求长，而中央排队存储器速率要求高、存储器管理复杂。

同时，三种方式有各有优点，输入队列对存储器速率要求低，中央排队效率高，输出队列则处于两者之间，所以在实际应用中并没有直接利用这三种方式，而是加以综合，采取了一些改进的措施。

改进的方法主要有：

减少输入排队的队头阻塞。

采用带反压控制的输入输出排队方式。

带环回机制的排队方式。

共享输出排队方式。

在一条输出线上设置多个输出子队列，这些输出子队列在逻辑上作为一个单一的输出队列来操作。

2、ATM交换机构

为实现大容量的交换，也为了增加ATM交换机的可扩展性，往往构造小容量的基本交换单元，再将这些交换单元按一定的结构构造成ATM交换机构（Fabric），对于ATM交换机构来说，研究的主要问题是各交换单元之间的传送介质结构及选路方法，以及如何降低竞争，减少阻塞。

ATM交换机构分类方法不一，有一种分法为：

时分交换和空分交换，其中时分交换包括共享总线、共享环和共享存储器结构，空分交换包括全互连网和多级互连网。

3、ATM交换机

ATM信元交换机的通用模型如下图所示。

它有一些输入线路和一些输出线路，通常在数量上相等（因为线路是双向的）。

在每一周期从每一输入线路取得一个信元（如果有的话）。

通过内部的交换结构（switchingfabric），并且逐步在适当的输出线路上传送。

从这一角度上来看，ATM交换机是同步的。

一个通用的ATM交换机

交换机可以是流水线的，即进入的信元可能过几个周期后才出现在输出线路上。

信元实际上是异步到达输入线路的，因此有一个主时钟指明周期的开始。

当时钟滴答时完全到达的任何信元都可以在该周期内交换。

未完全到达的信元必须等到下一个周期。

信元通常以ATM速率到达，一般在150Mb/s左右，即大约超过360,000信元/s，这意味着交换机的周期大约为2.7um。

一台商用交换机可能有16条~1,024条输入线路，即它必须能在每2.7um内接收和交换16个~1,024个信元。

在622Mb/s的速率上，每700ns就有一批信元进入交换结构。

由于信元是固定长度并且较小（53字节），这就可能制造出这样的交换机。

若使用更长的可变长分组，高速交换会更复杂，这就是ATM使用短的、固定长度信元的原因。

4、ATM交换机的分类

各种ATM交换设备由于应用场合的不同，完成的功能也略有差异，主要区别有接口种类、交换容量、处理的信令这几方面。

在公用网中，有接入交换机、节点交换机和交叉连接设备。

接入交换机在网络中的位置相当于电话网中的用户交换机，它位于ATM网络的边缘，将各种业务终端连入ATM网中。

节点交换机的地位类似于现有电话网中的局用交换机，它完成VP/VC交换，要求交换容量较大，但接口类型比接入交换机简单，只有标准的ATM接口，主要是NNI接口，还有UNI接口或B-ICI接口，信令方面，只要求处理ATM信令。

交叉连接设备与现有电话网中的交叉连接设备作用相似，它在主干网中完成VP交换，不需要进行信令处理，从而实现极高速率的交换。

在ATM专用网中，有专用网交换机、ATM局域网交换机。

专用网交换机作用相当于公用网中的节点交换机，具有专用网的UNI和NNI接口，完成P-UNI和P-NNI的信令处理，有较强的管理和维护功能。

ATM局域网交换机完成局域网业务的接入，ATM局域网交换机应具有局域网接口和ATMP-UNI接口，处理局域网的各层协议以及ATM信令。

第三章  数据链路层

byflamephoenix

一、ATM中的数据链路层

二、信元传输

三、信元接收

一、ATM中的数据链路层

ATM物理层大体包括了OSI物理层和数据链路层，包括功能像OSI物理层的物理介质决定了子层和与数据链路功能一样的传输汇集（TC）子层。

对于ATM，没有特殊的物理层特性。

相反，是由SONET，FDDI及其他传输系统运送ATM信元的。

因此，我们这里将集中于TC子层的数据链路功能。

当一个应用程序产生了一条要发送的消息后，此消息要进入传输线路上，向下传到ATM协议栈，加上头部和尾部，并把分段放入ATM信元中。

最后，这些信元到达TC子层进行传输。

让我们看一下出了门后，在路上所发生的事情。

二、信元传输

第一步是进行头部的校验和。

每个信元都有一个5字节的头部，头部中包括4字节的虚拟电路及控制信息和1字节的校验和。

校验和只包括了前4个头部字节，而不占用有效载荷字节。

它是由32个头部位除以多项式x^8+x^2+x+1后，所得的余数构成的。

校验和加上常数01010101。

做出只校验头部的决定，是为了减少由于头部错误，而造成不正确传递信元的可能，也为了避免其校验开始要大得多的有效载荷字段的校验。

如果确需校验有效载荷字段，就要上到较高的层上完成这一功能。

由于校验和字段只位于头部，因此这8位校验和字段被称为头部错误控制HEC（headererrorcontrol）。

一旦产生出HEC，并插入信元头部，那么此信元就作好了发送准备。

传输手段分成两组：

异步的和同步的。

当使用异步方式时，只要准备好了发送它，就可以发送，没有时间限制。

使用同步方式，信元就必须按照事先确定的时间节拍发送。

如果在需要时无数据信元可用，TC子层就必须发明一个，这种信元称为空闲信元（idlecell）。

无数据信元的另一种类型是操作和维护OAM（operationandmaitenance）信元。

ATM机制也使用OAM信元来交换控制及其他必需的信息，以保证系统的运行。

把ATM输出速率与从事传输系统的速率相匹配是TC子层的重要任务。

在接收方，空闲信元在TC子层中进行处理，但OAM信元交给了ATM层。

TC子层的另一项重要任务是：

如果有的话，针对从事传输的系统，产生成帧信息。

比如，一个ATM摄象机在线路上只产生一系列信元，但它也可能用ATM信元产生SONET帧，嵌入SONET有效载荷中。

在后一种情况下，TC子层将产生SONET或帧，并把ATM信元打包，这并不完全是一个不必要的步骤，因为SONET有效载荷不能支持53字节信元的整数倍。

尽管电话公司明确地使用SONET作为ATM的传输系统，但是也可以定义成把ATM对应到其他系统的有效载荷字段，并且这种新帧已在工作。

尤其是，映射成T1，T3或FDDI帧也是可以的。

三、信元接收

在输出处，TC子层的工作是取得一系列信元，在每个信元上增加一个HEC，把此结果转变成比特流，并通过加入OAM信元，将比特流匹配为进行物理传输系统的速率。

在输入处，TC层准确地进行逆变换。

它取来到达的比特流，设定信元边界，确定信元头（丢弃拥有不合法头部的信元），处理OAM信元，并把数据信元上传给ATM层。

最困难的部分是在到来的比特流中设定信元边界。

在某些情况下，进行传输的物理层提供了帮助。

然而，有时物理层对成帧并不能提供帮助。

这时应该怎么办？

技巧是使用HEC。

随着比特流到达TC子层，保留一个40位移位寄存器，比特流从左边进入，右边出来。

TC子层然后审查这40位，看是否可能存在一个合法的信元头部。

如果有，最右边的8位将是合法的HEC，而最左边的32位则不是。

如果不存在这种情况，则缓冲区没有存在一个合法信元，在这种情况下，缓冲区中所有的位都向右移动一位，使得后端空出一位，于是一个新的输入位就加到最左端。

不断重复此过程，直到定位一个合法的HEC。

此时，明确了信元边界，因为移位寄存器包括了一个有效的头部。

第四章  网络层

一、ATM中的网络层

二、信元格式

三、连接建立

四、路由选择和交换

五、服务类型

六、服务质量

七、通信量整形和控制

八、拥塞控制

一、ATM中的网络层

ATM层处理从源端到目的端移动着的信元，在ATM交换机中的确包含了路由选择算法和协议，它也处理全局寻址问题。

因此从功能上说，ATM层发挥着和网络层相同的功能。

ATM层并不能保证百分之百的可靠性，不过一个网络层的协议也不需要如此。

因为ATM层具有网络层的功能，而不具有数据链路层所具备的功能，并且，ATM层同现有的网络层类似，因此我们仍在本章中讨论ATM层协议。

唯一的问题是ATM层不具有数据链路层协议所具有的特性：

一个用于导线两端的机器之间的单站段协议，就像第3章中的协议1到协议6。

ATM层却具有网络层协议的功能：

端到端虚电路连接、交换、路由选择。

对于面向连接的协议来说，ATM层是不同寻常的，因为它不提供任何确认。

但ATM层仍然提供了强有力的保障：

沿着一条虚电路发送的信元将永远不会失去顺序。

如果阻塞发生了，允许ATM子网丢弃信元，但是在任何情况下，它都不能对在一条单独的虚电路中传递的信元重新排序。

然而，对于在不同的虚电路中传递的信元并没有提供顺序上的保障。

二、信元格式

在ATM层，有两个接口是非常重要的，即用户-网络接口UNI（user-networkinterface）和网络-网络接口NNI（network-networkinterface）。

前者定义了主机和ATM网络之间的边界（在很多情况下是在客户和载体之间），后者应用于两台ATM交换机（ATM意义上的路由器）之间。

两种格式的ATM信元头部如下图。

信元传输是最左边的字节优先，在一个字节内部是最左边的比特优先。

图（a）UNI中的ATM头部；（b）NNI中的ATM头部

三、连接建立

从技术上讲，连接建立并不是ATM层的一部分，而是由控制平台使用的一个高度复杂的叫做Q.2931（stiller,1995）的ITU协议来处理的。

然而，逻辑上处理建立网络层连接的地点是网络层，并且类似的网络层协议都是在这里进行连接建立的，因此我们在这里讨论它。

用于连接建立和连接释放的消息

消息

由主机发送时的含义 

由网络发送时的含义 

SETUP

请建立一条虚电路

进入呼叫

CALLPROCEEDING

我看见了进入呼叫

将尝试你的呼叫请求

CONNECT

我接受进入呼叫

接受你的呼叫请求

CONNECTACK

谢谢接受

谢谢发出呼叫

RELEASE

请终止呼叫

另一端已足够坏

RELEASECOMPLETE 

对RELEASE的确认

对RELEASE的确认

ATM网络允许建立多点播送通道。

一个多点播送通道有一个发送者和多于一个的接收者。

它们是通过如下方法建立起来的：

用通常的方法在源端和目的端之间建立一条连接，接着发送ADDPARTY消息把第二个目的端连接到前一个呼叫返回的虚电路上去，接下来就可以发送其余的ADDPARTY来增加目的端的个数。

ATM有3种地址格式。

第1字节指明该地址是3种地址格式中的哪一种。

第1种有20字节长，是基于OSI地址格式的。

第2和第3字节指明国家，第4字节给出了基于地址部分的格式，其他包括3字节指明权限，2字节指明域（domain），1字节指明区域，还有6字节的地址，以及其他一些信息项。

在第2种地址格式中，第2和第3字节指定一个国际组织，而不是国家；地址的其余部分和格式与第1种相同。

另一种是旧的使用15位十进制数的ISDN电话号码（CCITTE.164）作为地址的格式。

四、路由选择和交换

当建立虚电路时，SETUP消息沿着网络从源端走向目的端。

路由选择算法决定了消息要走的路径，从而也就决定了虚电路的路径。

ATM标准中没有指定任何特定的路由选择算法，所以人们就可以从我们在本章前面几节中讨论的路由选择算法中选择一种，或者选用另外不同的算法。

交换机的大部分工作量是花费在如何从一个信元里的虚电路信息里得到输出线路的选择上。

除了在每一个方向上的最后一个站段外，路由都是在VPI字段上进行的，而不是在VCI字段；在最后一个站段，信元在交换机和主机之间传送。

在两台交换机之间只使用虚通路。

在局域网中，事情简单得多，一条简单的虚通路就可以为所有的虚电路所使用。

五、服务类型

恒定比特率CBR（constantbitrate）主要用来模仿铜线或者光导纤维。

没有差错校验，没有流量控制，也没有其余的处理。

这个类别在当前的电话系统和将来的B-ISDN系统中作了一个比较圆滑的过渡，因为话音级的PCM通道，T1电路以及其余的电话系统都使用恒定速率的同步数据传输。

可变比特率VBR（variablebitrate）被划分为两个子组别，分别是为实时传输和非实时传输而设立的。

RT-VBR主要用来描述具有可变数据流并且要求严格实时的服务，比如交互式的压缩视频（例如电视会议）。

NRT-VBR用于主要是定时发送的通信场合，在这种场合下，一定数量的延迟及其变化是可以被应用程序所忍受的，如电子邮件。

可用比特率ABR（availablebitrate）术语是为带宽范围已大体知道的突发性信息传输而设计的。

ABR是唯一一种网络会向发送者提供速度反馈的服务类型。

当网络中拥塞发生时会要求发送者减小发送速率。

假设发送者遵守这些请求，采用ABR通信的信元丢失就会很低。

运行着的ABR有点象等待机会的机动旅客：

如果有空余的座位（空间），机动的旅客就会无延迟地被送到空余座位处；如果没有足够的容量，他们就必须等待（除非有些最低带宽是可用的）。

未指定比特率UBR（unspecifiedbitrate）不做任何承诺，对拥塞也没有反馈，这种类型很适合于发送IP数据报。

如果发生拥塞，UBR信元也会被丢弃，但是并不给发送者发送反馈，也不给发送者希望放慢速度的期望。

各种ATM服务类型的特性

服务特性

CBR 

RT-VBR 

NRT-VBR 

ABR

UBR 

带宽保证

是

是

是

可选 

不

适用于实时通信

是

是

不

不

不

适用于突发通信

不

不

是

是

是

有关于拥塞的反馈 

不

不

不

是

不

六、服务质量

服务质量在ATM网络中是一个重要的话题，这部分因为ATM网络都是用作实时传输的，比如音频和视频。

当一条虚电路建立时，传输层（典型地为主机中的一个进程，“客户”）和ATM网络层（例如：

一个网络操作者，也即“运载提供者”）都要遵守一个定义服务的协定。

协定的第一部分是通信量描述符（trafficdescriptor）。

它描述要提供的载荷。

协定的第二个部分指定客户所要求的和通信提供者同意的服务质量。

无论是载荷还是服务，都是要以可度量的数量来描述的，这样约定就可以被客观的决定。

为了使具体的通信量协定成为可能，ATM标准定义了一系列的服务质量Qos（qualityofservice），客户和通信提供者可以协商这些参数的值。

对于每一个服务质量参数，其最差情况下的值被指定了，要求通信提供者必须要达到或者超过该值。

在某些情况下，参数是一个最小值，而在另外一些情况下它是一个最大值。

也是在这里，服务质量在每个方向上都是单独指定的。

其中一些比较重要的列在了下表中，但它们并不是对所有的服务类型都适用。

一些服务质量参数

参数

缩写词 

含义

峰值信元速率

PCR

信元发送的最大速率

持续信元速率

SCR

长时间的平均信元传输速率

最小信元速率

MCR

最小的可接受的信元传输速率

信元延迟变化极值

CDVT

最大的可接受的信元抖动

信元丢失比率

CLR

信元丢失或提交得太迟的比例

信元传送延迟

CTD

信元提交时拖延的时间（中间值和最大值） 

信元延迟变化

CDV

信元提交时间的变化幅度

信元错误比率

CER

提交无错信元的比例

严重错误信元块比率

SECBR

出错信元的比例

信元错误目的地比率 

CMR

信元提交至错误目的地的比例

七、通信量整形和控制

使用和增强服务质量参数的机制是基于（部分地）一种特定的算法，也即通用信元速率算法GCRA（genericcellratealgorithm）。

它的工作原理是检查每一个信元，看是否遵从了虚电路的参数。

GCRA有两个参数，它们指定了最大的允许到达率（PCR）和其中可以忍受的到达时间变化量（CDVT）。

PCR的倒数，T=1/PCR是最小的信元到达间隔值。

GCRA算法被称为虚拟调度算法（virtualschedulingalgorithm），然而从另一种角度来看，它等同于一个漏桶算法。

可把一个合乎协定的信元想象成是倒入一个漏桶的T单位的流体。

这个桶以1单位/us的速度漏液体，因此Tus之后它就空了。

如果信元正好是以1信元/Tus的速度到达，那么每一个到达的信元都会发现桶刚刚空出来，该信元会把桶内重新装上T单位的液体。

因此当一个信元到达时，液体水位升至T，以后就线性递减直到为零。

当一个信元提前Lus到达时，桶就应该溢出。

对于一给定的T，如果我们把L设置得很小，桶的容量将会很难超过T，因此所有的信元必须以一种非常规范的间隔顺序发送。

然而，如果我们现在增加L的值，使它远远大于T，桶将会容纳很多的信元，因为T+L>>T。

这就意味着发送者可以以峰值速率一个接一个地发送一些突发性数据，而它们仍然能够被正确地接收。

GCRA正常情况下是通过给定参数T和L来指定的。

T正好是PCR的倒数；L就是CDVT。

GCRA也用来保证在任何一段较长时间内平均信元传输速率不会超过SCR。

除了提供了一条规则来看哪一个信元是合乎协定的，哪一个是不合乎协定的之外，GCRA也用于通信整形，以消除某些突发性传输。

CDVT越小就意味着越好的平滑效果，但也增大了因为不合乎协定而丢弃信元的机率。

在一些实现中把GCRA漏桶和一个令牌桶结合起来，以提供进一步的平滑。

八、拥塞控制

ATM网络必须既要处