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1ATM技术
ATM技术
目录
一.电路交换和分组交换的区别1
二.ATM异步交换模式1
三.ATM信元结构2
四.虚连接2
五.ATM的交换过程4
六.ATM地址4
七.ATM的统计复用5
八.ATM的分层结构5
九.ATM适配层的功能7
十.ATM网络的拥塞管理9
(一)ATM网络拥塞管理的重要性9
(二)网络拥塞管理的基本思想10
十一.漏桶算法13
(一)信元的守约13
(二)容忍度(缓冲深度)14
(三)结论17
十二.ATM流控原理18
(一)IP业务在ATM中的表现形式18
(二)PING、FTP业务的信元跟踪19
十三.UNI信令20
(一)UNI3.120
(二)Q.2931/297121
(三)IISP21
(四)UNI4.021
(五)PNNI1.022
十四.IMA协议22
(一)IMA概述22
(二)初步实现方案24
十五.ATM网络OAM的功能范围25
十六.OAM等级26
十七.OAM信息流的传送27
一.电路交换和分组交换的区别
最基本的两类交换模式是面向连接的电路交换和面向无连接的分组包交换,他们的主要区别体现在以下几方面:
在交换形式上,电路交换采用固定时隙分配,也就是说,电路交换在根本上只能支持单一速率(如64kbit/s)的交换,这显然不能适应多种业务的要求;无连接的分组交换则利用包交换的形式,将用户信息封装在分组中进行交换,每个分组有一个分组头,分组头用于路由选择、差错控制和流量控制等功能,各个分组的长度和间隔时间都可改变,因此分组交换可以支持多种速率的交换。
在路由选择上,电路交换中各连接的路由是在连接建立时由复杂的选路算法在整个网络中选择的,信令系统在路由经过的各个网络设备内填写路由表以标识交换信息,一个连接的所有信息都经过相同的路由;无连接的分组交换中,路由信息由各个分组头携带,交换设备查看到来的每个分组头中的地址信息,并根据当时的网络状态选择一条路由,将分组发到下一级网络设备中,因此同一业务的不同分组在网络中经过的路径不同。
在网络资源分配上,电路交换中网络资源可由信令系统在连接建立时分配,分配给一个连接的网络资源不能被别的连接占用,只在连接拆除时才释放网络资源;无连接的分组交换中,分组只在发送时才占用网络资源,网络资源可由各个业务共享。
二.ATM异步交换模式
ATM即异步转移模式,ATM是一种基于信元的交换和复用技术,综合了电路交换和分组交换的特点:
ATM是面向连接的,即任何一个ATM终端用户在与另一用户通信时都需要建立连接;另一方面ATM传输采用了固定长的信元,因而其又具有分组交换的特点,ATM又利用了统计复用的原理使各连接可以共享带宽资源。
三.ATM信元结构
ATM传送信息的基本载体是ATM信元,信元长度为53字节,分为信头和净荷两部分,信头为5字节,净荷为48字节。
图2-1ATM信元格式
信头内容在用户-网络接口(UNI)和网络节点接口(NNI)中略有差别(图2-1),主要由以下几部分构成。
VPI:
虚通路标识,NNI中为12比特,UNI中为8比特。
VCI:
虚通道标识,16比特,标识虚通路中的虚通道,VPI/VCI一起标识一个虚连接。
HEC:
信头差错控制,8比特,用于检测出有错误的信头。
HEC的另一个作用是进行信元定界,利用HEC字段和它之前的4字节的相关性可识别出信头位置。
由于在不同的链路中VPI/VCI的值不同,所以在每一段链路都要重新计算HEC。
PT:
净荷类型,3比特。
用于指示本信元为用户数据信元或OAM信元等。
比特3为0表示为数据信元、为1表示为OAM信元。
对OAM信元,1,2比特位表明了OAM信元的类型。
对数据信元,比特2用于前向拥塞指示(EFCI/ExplicitForwardCongestionIndication),当经过某一节点出现拥塞时,就将这一比特置为1;比特1用于表示是否为AAL5封装的最后一个信元(AAL5的最后一个信元此比特位为一,其他信元为零)。
四.虚连接
ATM是面向连接的交换,这个连接用VPI、VCI来标识。
VPI、VCI的取值只有局部意义,即只在通过物理媒质直接相连的两个接口之间有效,相同的值在其它接口可以重复使用。
从路由的角度看,VPI和VCI是信元在ATM网络中传输的路由地址,多个路由地址形成了一条并且标识一条连接。
当交换网络接收到信元时,根据信元头中的VPI和VCI查找映射表,确定输出的VPI和VCI。
如图2-2所示,userA发出的VPI/VCI=0/40的信元,经switchB后VPI/VCI被交换成VPI/VCI=1/45;经switchC后VPI/VCI=100/45;经switchD后VPI/VCI=3/50;经switchE后VPI/VCI=2/60,最后送到userF。
这里(0,40)(1,45)(100,45)(3,50)(2,60)标识了A与F之间的一个连接。
图2-2ATM连接的示意图
ATM交换分为VP交换和VC交换两种。
VP交换就是指在交换的过程中只改变VPI的值,透传VCI的值,而VC交换过程中VPI、VCI都改变。
因此在使用中,VP就相当于一个大的管道,而VC相当于一个小的管道。
虚通路与虚通道的关系如图2-3所示。
图2-3VC、VP和物理传输通道的关系
ATM连接建立的方式有两种:
1、PVC(P)
PVC即PermanentVC,是通过网管预先建立的,不论是否有业务通过或终端设备接入,PVC一直保持,直到由网管释放。
2、SVC(P)
SVC即SwitchedVC,是用户需要通信时,通过终端设备由信令建立的虚通道。
SVC类似于电话网的用户线路,用户每次在通信前必须发起呼叫请求,网络通过信令为通信双方建立起相应虚通道后,进行通信,通信完成后,由信令释放SVC。
五.ATM的交换过程
各类业务在经适配进入ATM网后,便由ATM交换机或交叉连接设备提供交换和中继功能,从而到达目的地。
ATM交换机或交叉连接设备的作用是:
根据输入信元的VPI/VCI标识以及它本身在建立连接时产生的路由表,将该信元转发到相应的输出端口,并对该信元的头部进行适当处理,如改变其VPI/VCI值,在拥塞时有可能改变CLP值,最后还要重新计算HEC值,以保护新产生的信元头。
ATM交换机实质上是一个能将输入端口中的信元,按照其路由标记送到它所要求的输出端口的功能块。
因此,ATM交换机最主要的功能是路由功能。
六.ATM地址
在IP网络中,如果两台主机要相互通信,必须知道对方的IP地址;如果希望给朋友发邮件,必须知道对方的E-Mail地址,因此地址是设备的重要标识。
在ATM网络中如果是SVC方式的连接,必须知道双方的ATM地址(PVC方式则没有必要)。
ATM地址有两种,一种是E.164地址,与电话号码类似;另外一种是NSAP地址。
NASP方式的ATM地址的长度为20个字节,也由两部分组成:
“网络前缀”(13字节)+“用户部分”(7个字节)[=“用户标识”(6个字节)+选择符(1个字节)]。
“网络前缀”由交换机提供,“用户部分”由用户设备提供,一般情况,组成“用户部分”的“用户标识”(6个字节)就是用户设备的MAC地址(6个字节),“选择符”(1个字节)用来区分用户设备的子用户。
哪些是用户侧设备呢?
带ATM接口(155M光口或电口)的ATM-LANSWITCH、插上ATM网卡的计算机(ATM网卡通过光纤与交换机互连),该计算机的ATM地址就是计算机的“网络前缀”+该ATM网卡的用户部分(网卡自带的)。
NSAP方式的地址,第一个字节必须是0x39、0x45、0x47中的一个。
七.ATM的统计复用
图2-4ATM复用
ATM的最大特点,就是对任何形式的业务分布都能达到最佳的网络资源利用率。
要达到这一目标就要对网络资源进行统计复用。
所谓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前提下,在各业务间动态地分配网络资源,以达到最佳的资源利用率。
如图2-4所示,用户D、C、A的数据按到达的先后顺序排列到输出线路上,而用户B因为此时没有数据,故不占用输出线路的带宽资源,从这个意义上说,ATM连接是一个虚连接。
八.ATM的分层结构
ATM协议参考模型分成三个平面:
用户面、控制面和管理面,三个功能层:
物理层、ATM层和ATM适配层(AAL)。
图3-1ATM-协议参考模型
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。
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。
各层还可细分为几个子层,各层和子层的功能如表3-1所示。
表3-1ATM协议参考模型的分层及其功能
九.ATM适配层的功能
ATM适配层(AAL)位于ATM层之上,这一层是和业务相关的,即针对不同的业务,采用不同的适配方法。
但都要将上层传来的信息流(长度、速率各异)分割成48字节长的ATM业务数据单元,同时将ATM层传来的ATM业务数据单元组装、恢复再传给上层。
由于上层信息种类繁多,AAL层处理比较复杂,所以分了两个子层:
汇聚子层(CS)和拆装子层(SAR)。
为了提高交换网络的速率,对ATM层作了尽可能的简化,而ATM层未提供处理的信元丢失、误传、时延、时延抖动等与业务服务质量密切相关的功能,由AAL层完成。
不同类型的业务需要不同的适配,ITU-T研究各种业务的特点,根据源和目的的定时、比特率、连接方式将业务分为4类,并相应地定义了AAL1、AAL2、AAL3/4及AAL5。
1、AAL1
AAL1协议针对的是固定速率的、面向连接的业务,在信源和信宿之间需要定时信息的传送。
这类业务典型的例子是目前的电路交换业务,如话音业务、各类NISDN业务。
AAL1的帧结构如下:
对于AAL1中CS首标部分字段的解释
CSI标识不同的应用,如时钟信号传递和结构化数据传递等;
SC放置每个信元的序号,用于检测信元丢失及误插入;
CRC-3和奇偶校验位用来保证序号域中信元序号的正确传输;
2、AAL2
AAL2是为端到端具有定时关系的可变比特率(VBR)业务提出的,如VBR音响和电视。
3、AAL3/4
现有局域网的远程互连一般采用X.25或帧中继技术,存在着程度不等的瓶颈,因此,利用ATM技术实现局域网的远程互连,是ATM网初期的重要应用。
在ATM网中,数据业务有两类:
远程计算机局域网互连对应于无连接的数据业务,另一类是面向连接的数据业务。
AAL3/4协议用于对这些业务的适配。
4、AAL5
AAL5支持收发端之间没有时间同步要求的可变比特率业务,它提供与AAL3/4类似的业务,主要用来传递计算机数据、UNI信令信息和ATM上的帧中继。
定义AAL5的主要原因是减少开销,使其成为简单而有效的AAL。
AAL5的帧结构如下:
其中:
PAD——填充字段,由硬件层自动完成,将PDU负载的长度调整成适合ATM信元传输的长度。
CPCS-UU——未用。
CPI——目前唯一的用处就是将CPCS-PDU的尾部定位成64比特(8字节)(CPCS-UU+CPI+Length+CRC),编码为“0x00”。
Length——指示了负载字段的长度,单位是“八位位组”。
编码“0x00”用于“中断”功能。
CRC——保护除了CRC自身以外的所有CPCS-PDU字节。
一十.ATM网络的拥塞管理
(一)ATM网络拥塞管理的重要性
根据ITU-T的定义,ATM网络的拥塞指的是网络元素(如交换机、复接器或传输设备等)的一种状态,在这种状态下网络不能保证已建立连接的服务质量或者不能接纳新的连接请求。
出现拥塞的原因有两方面:
一是由于网络中流量强度不可预测地随机波动而造成网络负荷过重;二是由于网络本身出现故障。
任何一个实用的电信网都需要解决网络拥塞的管理问题,也就是解决有限的网络资源与用户需求间的矛盾----在满足用户对服务质量要求的前题下尽可能地充分利用网络资源。
ATM网与以往的电路交换方式或分组交换方式的网络相比这一问题显得更加突出,这是因为ATM网络的拥塞管理既重要又困难。
说它重要是因为ATM是一种异步时分、统计型复用的信息传送方式,而统计复用在提高网络资源利用率、增强灵活性的同时不可避免地增加了引起网络拥塞的风险。
拥塞管理的困难又表现在两个方面:
一方面,ATM网中传送的是各种类型的业务信息综合而成的数据流,其流量特性十分复杂难于控制;另一方面,由于ATM网络传输速率高,一旦某处发生拥塞而不能及时解决,拥塞范围将迅速扩大。
由此可见,ATM网的拥塞管理是个很重要的问题。
(二)网络拥塞管理的基本思想
由于ATM网络拥塞管理的复杂性,以往在电路交换网与分组交换中采用的拥塞管理方法不再适用。
电路交换网中拥塞控制的基本思想是资源预分配与即时拒绝,在为呼叫请求建立一条连接的同时分配一部分被这条连接所独占的资源,当网络资源不足时拒绝新的呼叫请求。
这种方法的主要缺陷是缺乏灵活性,与ATM动态分配资源的特性相矛盾。
分组交换网中目前普遍使用X.25协议中的窗口流量控制技术来控制拥塞,其基本思想是通过反馈的方法来限制发送端发出过多的流量,这种方法控制的速度较慢,不适合用于高速的ATM网络。
为了满足ATM网中拥塞管理的要求,ITU-T提出了一套新的拥塞控制机制。
其基本思想在于:
引入预防性控制措施,不再是出现拥塞之后再采取措施来消除拥塞,而是通过精心管理网络资源而避免拥塞的出现。
拥塞管理的功能分成两个层次,第一层是预防性措施,称为流量控制(TrafficControl),是为防止网络出现拥塞而采取的一系列措施,包括网络资源管理(NRM)、连接允许控制(CAC)、使用参数控制(UPC)以及优先级控制等;第二层是反应性措施,称为拥塞控制(CongestionControl),是当网络出现拥塞后为将拥塞的强度、影响范围、持续时间减到最小而采取的一系列措施,包括信元选择性丢弃与拥塞指示等。
ATM网中拥塞控制由流量控制与拥塞控制功能配合完成。
用户向网络发出呼叫请求时需要向网络提交即将发送的流量特性,以及对服务质量的要求,网络此时执行连接允许控制CAC功能,确定网络是否有足够的资源来支持这一新的呼叫请求。
如果能支持就建立相应的虚电路连接,并同用户协商允许通过这条虚电路输入网络的流量的特性参数。
只有用户实际输入网络的流量特性满足协定的特性参数时,网络才保证对它的服务质量。
在通信过程中执行使用参数控制UPC功能,监测每条虚电路中实际输入网络的流量,一旦发现超越了协定参数就采取措施加以限制。
以上这些功能的目的都在于防止拥塞的出现,属于流量控制范围。
ATM网一旦检测到出现拥塞状况,则启动拥塞控制功能,首先是有选择地丢弃掉重要程度相对低的信元以缓解拥塞,同时进行拥塞状态信息的前向、反向指示。
当这些措施仍不能很好地控制住拥塞时网络将进行释放连接或重选路由。
由此可见,ATM网的流量管理机制可分成如下几个阶段:
呼叫请求建立连接阶段。
其关键技术是连接允许控制。
通信过程中对入网流量的监测与控制,关键技术是使用参数控制。
拥塞控制阶段,关键技术是选择信元丢弃与拥塞指示。
网络拥塞管理的主要功能
连接允许控制(CAC)
当网络收到呼叫请求后首先启动CAC功能,检测当前网络资源的分配与占用情况,对照用户呼叫请求中提交的流量特性与服务质量要求,确定当前可供使用的网络资源能否满足用户要求。
如果能够满足要求并在建立新连接的同时仍能保证已有连接的服务质量,则网络将接纳这一呼叫并建立相应的虚电路,否则拒绝用户的请求。
CAC功能在建立连接的同时还完成两方面的功能:
其一是同用户协商相应虚电路中允许入网流量的特性参数供UPC利用;其二是为相应的虚电路分配资源。
入网流量的监控
入网流量监控功能根据所处的位置分成使用参数控制(UPC)与网络参数控制(NPC)。
前者位于用户/网络接口而后者用在网络接口上,两者的功能类似,下面主要介绍UPC功能。
在通信过程中用户实际输入网络的流量特性可能超越CAC功能执行过程中所确定的值,对这种情况需要加以限制否则将影响网络的服务质量。
为此在用户/网络接口设立了监测与限制机制,以确保每条虚电路中实际入网的流量特性参数符合协商值,这一机制即是UPC功能。
目前UPC中的限制措施主要是对属于超越协商值的那部分流量的信元打上标记,表示这部分信元的服务质量不能保证,一旦网络发生拥塞首先丢弃这类信元。
漏桶算法是目前研究最多的一种业务流监控方法,ITU-T建议I.371和ATM论坛UNI采用了漏桶算法。
其基本思想是:
设一有限容量的漏桶(桶的深度对应某种流量参数或容差参数),到达的信元进入漏桶,经漏桶渗漏后输出到网络。
该漏桶以每单位时间一个容量单位的连续速率向外渗漏(该速率对应于某种业务的信元速率参数),同时每当一个信元到达时,其容量加1。
当信元到达速率超过漏桶渗漏速率时,连续累积的信元会使漏桶充满,这时如果还有信元到达该信元就会溢出漏桶(即被丢弃),该信元即是违约信元。
图5-1所示为带有缓存器的漏桶系统,其漏桶操作描述如下:
到达的信元首先进入排队缓存器,当缓存器占满时,新到达的信元即是违约信元而被丢弃。
进入缓存器的信元,必须取得一个令牌后才能进入网络。
令牌以固定速率R产生,并放在令牌池中(令牌池可放M个令牌),当令牌池占满时,令牌生成就暂停直到令牌池再次出现空位时为止。
漏桶操作确保了符合流量协商值的信元才能进入网络。
对违约信元的处理有立即丢弃和打上标记并允许进入网络二种方法。
图5-1一种漏桶模型
选择性信元丢弃(EPD、PPD)
ATM网中传送的信元有两种优先级别,通过信元头中的CLP位来区分,CLP=0表示优先级高,CLP=1表示优先级低。
当网络发生拥塞时首先选择CLP=1的信元丢弃以缓解拥塞。
CLP=1的信元有两个来源,一是由用户产生,说明此信元所承载的信息属于低优先级,二是UPC将某些CLP=0的信元改成CLP=1,说明此信元属于超越协定值的流量部分。
实际上ATM网拥塞时就是牺牲掉这些信元来保证高优先级信元的传送质量。
目前常用的两种信元丢弃策略:
早期包丢弃(EPD)和部分包丢弃(PPD)。
EPD功能和PPD功能是通过一个参数PD来配置的,当配置了该参数使能,则EPD和PPD同时使能了(注意:
必须是AAL5的连接,才能使能该参数)。
使能了该参数以后,会出现以下的结果:
1、当发送流量超过申请带宽的时候,UPC开始丢弃信元,PPD发挥作用,丢弃同一个AAL5包中的除去包尾的其余信元。
2、PPD功能并不能保证UPC不丢弃AAL5包的最后一个信元,因此会出现上一个包的最后一个信元被丢弃了,影响到下一个包,使两个包成为了一个坏包。
3、EPD功能在交换机发生拥塞的时候起作用,当拥塞发生的时候,交换机将按照包而不是信元来丢弃,但是EPD功能并不能区分哪些包是正常的包,哪些包是坏包,因此并不能选择性地丢弃坏包。
拥塞信息指示
选择性信元丢弃是在网络发生拥塞的地点进行的,在有些情况下仅仅依靠这一处采取措施不足以控制拥塞,而要求整个网络协调行动,这就要求某处发生拥塞后能及时地将拥塞信息传递给网络的其它部分,以便采取措施协助对拥塞的控制。
拥塞信息指示根据方向可分成前向拥塞指示与反馈拥塞指示。
一十一.漏桶算法
(一)信元的守约
漏桶算法的正式名称是一般信元速率算法GCRAGenericCellRateAlgorithm。
它的基本思想其实也很简单,假设用户设备和ATM交换机直接相连,很明显,用户端发送信元的速率越大,在相同的时间段之内ATM交换机从该用户收到的信元就越多,如果用户发送的速率太大造成交换机那边在短时间之内收到的信元过多,超过了双方事先所达成的协议或者超过了交换机的承受能力并导致网络拥塞,这时候交换机肯定就要采取一些惩罚性的措施,要么将违约的信元直接丢弃,要么将违约的信元打标记将信元头的CLP位置1,在网络发生拥塞时优先丢弃,这样漏桶算法用一句话概括就是:
用户发送的信元到达ATM交换机可以比这个信元预期到达的时间晚,也可以早一点,但是不能太早。
从这句话可以看出,漏桶算法的两个关键点,一个是信元预期到达的时间,什么叫预期?
另外一个就是信元到达的时间不能太早,什么叫太早?
如何定量?
我们假设一用户向网络申请一项业务所申请的最大网络带宽为PCR,记T=1/PCR,则T意味着用户每隔不小于T的时间向网络发送一个信元,看下面的图5-2,记初始时刻交换机在收到用户信元1的时间点为t1。
图5-2-a所代表的是一种大多数的正常情况,后续的信元2在信元1到达T时间后准时到达,而且信元3预期在t2+T也就是t1+2T时刻到达。
图5-2-b表示信元2迟到了,信元2本来预期在t1+T时刻到达,但它实际到达交换机的时刻t2>t1+T,需要注意的是虽然信元2迟到了,但是信元3预期到达交换机的时间为t2+T,并不是t1+2T。
图5-2-c所显示的情况为用户端发送的速率大于所约定的PCR值,导致信元2到达交换机的时间早于所预期的t1+T,虽然此时t2 图5-2-d可以看出用户的信元发送速率太大,导致信元2到达交换机太早,t1+T-t2>L,交换机认为用户所发送过来的信元2违约。 图5-2GCRA基本思想 (二)容忍度(缓冲深度) 在刚才的图5-2-c所显示的例子中,由于用户端发送信元的速率大于PCR,或者说产生信元突发现象,结果信元2到达交换机的时间比预期的稍早,但由于t1+T-t2<=L,系统还是认为信元2不违约。 图5-3连续突发信元 在图5-3中,用户端连续以大于PCR的速率突发了4个信元,第一个信元到达交换机的时间比预期的t0+T早了时间e,其中e=L/3,由于信元1提前的时间e<=L,没有违约;紧接着信元2、信元3分别比它们预期到达的时间提前了2e和3e,都不算违约,但是由于累积效应信元4到达的时间比所预期的早得太多,超过了L的容限,被交换机认为违约。 另外,在刚才的图5-2-c中信元3预期到达的时间是t1+2T,不是t2+T,从图5-3我们也可以看出为什么这样做是对用户信元所发送信元流保持一种严格的监控策略。 图5-4漏桶示意图 继续前面所讨论过的例子来介绍一下漏桶算法名称的来历。 在正常情况下,每隔T时间交换机收到一个信元,我们假设用户发送的信元不是送到ATM交换机,而是送到一个有出口的漏桶如图5-4所示,每到达一个信元,该信元
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