1、第八章 ATM技術(shù)（4學時,1/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第1頁,8.1 概述 ATM（Asynchronous Transfer Mode）即異步傳輸模式，是以分組傳送模式為基礎(chǔ)并融合了電路傳送模式高速化的優(yōu)點發(fā)展而成的可以滿足各種通信業(yè)務的需求。 ATM是未來的寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）的低層傳輸技術(shù)。 ATM的傳送模式本質(zhì)上是一種高速分組傳送模式。它將話音、數(shù)據(jù)及圖象等所有的數(shù)字信息分解成長度固定（48字節(jié)）的數(shù)據(jù)塊，并加上5字節(jié)的信息頭，形成53字節(jié)的完整信元（cell）。 ATM采用統(tǒng)計復用方式將來自不同信息源的信元匯集到一

2、起，在一個緩沖器內(nèi)排隊，然后按照先進先出（FIFO）的原則將隊列中的信元逐個輸出到傳輸線路，在傳輸線路上形成首尾相接的信元流。因為是統(tǒng)計復用，使任何業(yè)務都能按實際需要來占用資源，網(wǎng)絡(luò)資源得到最大限度的利用。 ATM網(wǎng)絡(luò)可以適用于任何業(yè)務，不論其特性如何（速率高低、突發(fā)性大小、質(zhì)量和實時性要求如何），網(wǎng)絡(luò)都按同樣的模式來處理，真正作到了完全的業(yè)務綜合。ATM還可以采用硬件方式高速地對信頭進行識別和交換處理。 ATM采用星形拓撲結(jié)構(gòu)，由ATM交換機完成對信元的交換。 ATM提供面向連接的服務，信道上采用統(tǒng)計復用模式 ATM技術(shù)的基本特點可以歸納為： 1）面向連接的服務 2）固定信元長度 3）星形拓

3、撲結(jié)構(gòu) 4）統(tǒng)計復用 5）提供多種服務類型 ATM技術(shù)1989年由ITU-T提出，目前仍在發(fā)展中，可通過ATM論壇了解其技術(shù)發(fā)展和標準化規(guī)程。,第八章 ATM技術(shù)（4學時,1/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第2頁,8.2 B-ISDN 協(xié)議參考模型 PRM（Protocol Reference Module）協(xié)議參考模型。 國際電聯(lián)標準化組織ITU-T在建議I.321中給出了B-ISDN的參考模型， B-ISDN是一個基于ATM的網(wǎng)絡(luò)，已廣泛用于描述基于ATM的通信實體。 B-ISDN協(xié)議參考模型，P118圖8-1。包括三個平面，即：用戶平面、控

4、制平面和管理平面。,高層,AAL層,ATM,物理層,高層,AAL層,ATM,物理層,用戶平面,控制平面,用戶平面（U平面）：傳送用戶信息，還具有流控、差錯控制等功能。用戶平面具有層次結(jié)構(gòu)。 控制平面（C平面）：傳送信令信息。也具有層次結(jié)構(gòu)，負責建立網(wǎng)絡(luò)連接和管理連接，呼叫控制和連接控制功能，但使用永久虛電路（PVC）時不需要控制平面。 管理平面（M平面）：分為層管理和平面管理兩個不同的功能。平面管理不分層，執(zhí)行系統(tǒng)整體有關(guān)的功能，負責所有平面的協(xié)調(diào)；層管理具有層次結(jié)構(gòu)，負責各層中的實體，并執(zhí)行運營、監(jiān)控和維護功能（OAM）。詳細功能請參見ITU-T建議Q.940。 B-ISDN PRM中各層功

5、能見下頁。,第八章 ATM技術(shù)（4學時,1/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第3頁,高層功能,高層,層 次 管 理,AAL：ATM適配層 ATM：異步傳輸模式 CS：會聚子層 HEC：信頭差錯控制 PM：物理介質(zhì) SAR：分段和重組 TC：傳輸會聚 VCI：虛通道標志符 VPI：虛通路標志符,B-ISDN功能層次表,第八章 ATM技術(shù)（4學時,1/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第4頁,8.3 ATM信元格式 信元是ATM網(wǎng)的基本傳輸單位，每個信元由5個字節(jié)的頭和48字節(jié)凈荷組成。 信元從第1個字節(jié)開始

6、順序向下發(fā)送，在同1個字節(jié)中從第8 比特開始發(fā)送。最先傳輸?shù)奈粸樽罡呶唬∕SB）,信頭（5字節(jié)）,信息段（48字節(jié)）,ATM固定信元結(jié)構(gòu),信頭（5字節(jié)）,凈荷（48字節(jié)）,8 7 6 5 4 3 2 1,發(fā)送次序 bit,發(fā) 送 次 序,1 53,ATM的信元結(jié)構(gòu)有兩種，一種用在用戶/網(wǎng)絡(luò)接口，簡稱UNI信元；另一種用在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部接口，簡稱NNI接口。兩種信元的信頭格式有所不同。 各字段含義簡述如下： GFC：一般流量控制，4bit，在NNI中無GFC VPI：虛通路標識，在UNI中8bit，在NNI中為12bit,（a）UNI,（b）NNI,VCI：虛信道標識，16bit，VPI和VCI構(gòu)成A

7、TM的路由信息。 PTI：凈荷類型，3bit，8種類型，其中4種為用戶信息類型，3種為網(wǎng)絡(luò)管理信息，1種保留未用。 CLP：信元丟失優(yōu)先級，當網(wǎng)絡(luò)擁塞時，丟棄CLP=1的信元。 HEC：信頭差錯控制碼，為多項式碼，用來檢驗信頭錯誤。,第八章 ATM技術(shù)（4學時,2/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第5頁,8.4 物理層 物理層利用通信線路的比特流傳送ATM信元。通過物理層傳送的ATM信元可能會丟失或發(fā)生錯誤。 物理層主要的功能包括：線路編碼、時鐘提取、信元定界和HEC檢驗等。 ATM主要在光纖介質(zhì)中傳輸，也可在雙絞線和同軸電纜上傳輸，傳輸功能與具體

8、介質(zhì)相關(guān)。 物理層分為物理介質(zhì)子層和傳輸會聚子層。,8.5 ATM的虛路徑（虛通路VP）和虛通道（VC） 在ATM層，連接被分為兩個層次：虛通道和虛路徑。虛連接分為兩個層次便于網(wǎng)絡(luò)管理和簡化連接處理。 在一條物理鏈路中可包含若干虛路徑（VP），數(shù)量由信頭中的VPI決定；在一條虛路徑中可以包含若干虛通道（VC），數(shù)量由VCI決定。一個虛路徑可由多個虛通道組成。,物理鏈路,VP1,VPn,VC,圖8-5物理鏈路、VP、VC的關(guān)系,ATM信元的交換既可以在VP級進行，也 可以在VC級進行。一條物理鏈路中的需 通路，由VPI和VCI共同確定。 用戶與用戶之間、用戶與網(wǎng)絡(luò)之間、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)之間均可以建立V

9、C，也可以建立VP。,第八章 ATM技術(shù)（4學時,2/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第6頁,VP和VC的用途,在一條物理鏈路上具有相同VPI的信元所占有的子通路稱為一個VP鏈路，多個串聯(lián)的VP鏈路構(gòu) 成一個VP連接。 一個VP連接中傳送具有相同VCI的信元所占有的子信道稱為一個VC鏈路，多個串聯(lián)的VC鏈路 構(gòu)成一個VC連接。 VCI和VPI只是本地編號，不具有全局的含義。虛路徑和虛通路都是單向的，即發(fā)送和接收的 VPI和VCI值是不同的。,ATM 交換機1,ATM 交換機2,ATM 交換機3,UNI,NNI,NNI,UNI,VPI=1 VCI=1

10、,VPI=2 VCI=45,VPI=5 VCI=45,VPI=20 VCI=30,虛信道連接（VCC）,虛通路連接（VPC）,VP和VC連接,虛通路和虛路徑可以是點到點的連接，也可以是點到多點的多播方式。,第八章 ATM技術(shù)（4學時,2/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,第7頁,8.6 ATM的連接與交換 8.6 .1 ATM的連接 ATM系統(tǒng)采用面向連接的工作方式，但連接為邏輯連接，即虛電路方式?？梢允怯脩糸L期占用的永久虛電路（PVC），任何時候都可以使用；也可以是通信前臨時申請的交換虛電路（SVC）。,源端,ATM交換機,ATM交換機,目的端,SETUP,SETUP,S

11、ETUP,CONNECT,CONNECT ACK,RELEASE,RELEASE,RELEASE,RELEASE COMPLETE,RELEASE COMPLETE,RELEASE COMPLETE,CALL PROCEEDING,CALL PROCEEDING,CONNECT,CONNECT ACK,CONNECT,CONNECT ACK,SETUP：請求建立連接 CALL PROCEEDING：正在建立連接 CONNECT：接受該連接請求 CONNECT ACK：對CONNECT的應答 RELEASE：請求釋放連接 RELEASE COMPLETE：連接釋放完成,建立ATM連接,拆除ATM

12、連接,第八章 ATM技術(shù)（4學時,2/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第8頁,8.6 .2 ATM的交換 所謂ATM交換，是指在ATM網(wǎng)中，ATM信元從輸入端的邏輯信道到輸出端的邏輯信道的信息傳遞。輸出信道的確定是根據(jù)連接建立信令的要求在眾多的輸出信道中進行選擇來完成的，輸入信元必須根據(jù)輸入端口號和輸入VPI/VCI查找到輸出端口號及輸出的VPI/VCI。,ATM交換機 分析信頭并查表,輸入信元,輸出信元,ATM交換機中的虛連接表,交叉連接設(shè)備（Cross Connect），僅根據(jù)信元中的VPI的值對信元進行路由和轉(zhuǎn)發(fā)，可實現(xiàn)VP級的交換，交換機不

13、更改信元的VCI值。,第八章 ATM技術(shù)（4學時,3/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第9頁,8.7 ATM業(yè)務類型 ATM能夠較好地對多媒體業(yè)務提供支持。,ATM業(yè)務類型,恒定比特率業(yè)務（CBR）：固定帶寬連接，對時延要求嚴格，如話音， 速率為64kb/s，實時性要求高，不能丟包。 實時變比特率業(yè)務（rt-VBR）：如視頻會議系統(tǒng)，要求時延短、不抖動和變形，可丟少量數(shù)據(jù)包。 非實時變比特率業(yè)務（nrt-VBR）：允許一定的延遲和抖動。 可用比特率業(yè)務（ABR）：吞吐量和時延要求不確定，對信元丟失率要求不高的應用，信元發(fā)送速率可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的要求而變

14、化。ABR具有反饋業(yè)務類型。 非特定比特率業(yè)務（UBR）：非緊急應用或是對業(yè)務質(zhì)量沒有特定要求的應用。,ATM業(yè)務對照表,第八章 ATM技術(shù)（4學時,3/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第10頁,8.8 擁塞控制 擁塞：ATM交換機的處理能力小于當前要求轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)量。網(wǎng)絡(luò)過流一般會引發(fā)擁塞，擁塞會造成數(shù)據(jù)傳輸延遲，嚴重時會造成系統(tǒng)死鎖，必須采取措施進行控制。在網(wǎng)絡(luò)通信中，流量控制和擁塞控制一般是聯(lián)系在一起考慮解決的。,ATM預防與控制擁塞的措施,接納控制（admission control）：用戶在連接前必須向網(wǎng)絡(luò)提交傳輸數(shù)據(jù)流的特性參數(shù)以及期望的服

15、務。系統(tǒng)在連接時，判斷將當前網(wǎng)絡(luò)資源能否滿足需求，滿足接納，否則拒絕建立連接。,資源預約（resource reservation）：連接時向系統(tǒng)申請一些資源（如帶寬、緩沖區(qū)大?。┑龋到y(tǒng)對這些資源進行保留。,基于速率的擁塞控制（admission control）：事先規(guī)定數(shù)據(jù)報的速率并在交換與傳輸時遵守，超過此速率系統(tǒng)采取措施。,數(shù)據(jù)流整形（traffic shaping）：在發(fā)送端對數(shù)據(jù)流進行合乎網(wǎng)絡(luò)傳輸控制參數(shù)的處理。,流量監(jiān)控（traffic policing）：對網(wǎng)絡(luò)傳輸流量進行實時監(jiān)測，超出上限值，采取控制措施。,擁塞控制的方法： 在慢速網(wǎng)絡(luò)中一般采用反饋機制進行擁塞控制，當發(fā)現(xiàn)

16、擁塞時才通知發(fā)送端降低數(shù)據(jù)包發(fā)送速度，具有一定的滯后性。 高速網(wǎng)絡(luò)一般采用預防控制的方法，當發(fā)現(xiàn)可能會導致網(wǎng)絡(luò)擁塞性，就提前采取措施預防與控制擁塞。,第八章 ATM技術(shù)（4學時,3/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第11頁,8.9 AAL層 8.9.1 AAL的服務類型 AAL層解決如何將高層協(xié)議的數(shù)據(jù)分割為信元。相當于ATM網(wǎng)絡(luò)的傳輸層協(xié)議。一般位于ATM端設(shè)備上（用戶側(cè)），在通信子網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)氖茿TM信元（無AAL層）。 ATM網(wǎng)絡(luò)所要支持的應用類型是多種多樣的，ITU-T把不同的應用按照其所需要的服務類型分成A、B、C、D四類，這四類應用考慮到

17、實時服務或非實時服務、恒定比特服務和可變比特服務、面向連接服務和非連接服務等方面。,AAL服務類型,為了提供以上四種服務，定義了四種不同類型的AAL協(xié)議：AAL1、AAL2、AAL3/4和AAL5。 對于D類業(yè)務目前還沒有專門的AAL協(xié)議。對于不使用任何一種AAL協(xié)議，直接利用ATM層功能，常稱為AAL0，即AAL層為空的意思。,8.9.2 AAL層的結(jié)構(gòu) AAL層又被分為兩個子層：分段重組（SAR）子層和會聚（CS）子層。,第八章 ATM技術(shù)（4學時,3/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第12頁,分段重組子層（SAR）： 發(fā)送端：將數(shù)據(jù)分割成合適

18、的片段（48字節(jié)）作為 信元的凈荷部分準備提交ATM層進行交換和傳輸。該片段 包括頭部和尾部信息。 接收端：從ATM提交的信元中分離出凈荷部分重組 為數(shù)據(jù)單元供高層協(xié)議使用。 會聚子層（CS）： 為應用層（高層）提供接口，功能與高層協(xié)議有關(guān)， 包括差錯控制、定時等。在發(fā)送端，會聚子層也要給應 用層的數(shù)據(jù)加上一些頭信息和尾部信息。 操作過程為：,AAL-PDU,CS-PDU,CS頭,CS尾,CS子層,SAR-PDU凈荷,SAR頭,SAR尾,SAR子層,CS-PDU,SAR-PDU,信元凈荷（48B）,信頭,ATM層,信元,ATM協(xié)議操作過程,AAL提供的服務： 流（Stream）式服務：不保留信

19、息之間的邊界。發(fā)送與接收可能不一致。 消息服務：保留信息之間的邊界。發(fā)送與接收一致。 AAL1：與A類業(yè)務有關(guān)，不使用反饋重發(fā)方法糾錯。 AAL2：B類業(yè)務，變速率數(shù)據(jù)通信 AAL3/4：C類業(yè)務，面向連接的服務 AAL5：C類業(yè)務，對AAL3/4的簡化，適合大的數(shù)據(jù)分組。,第八章 ATM技術(shù)（4學時,4/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第13頁,AAL1： AAL1用來傳輸A類數(shù)據(jù)流。A類數(shù)據(jù)流要求實時傳輸，具有恒定的比特率并且需要連接服務。 由于對不允許延遲，可不使用差錯控制、流量控制。 CS子層：檢測丟失和誤插入的信元，消除網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲的變化

20、，以恒定的速率將信元交給高層。將高層數(shù)據(jù)按47字節(jié)分割，CS無頭部和尾部信息。,47字節(jié)數(shù)據(jù)（CS-PDU）,CSI,SC,CRC,偶校驗,1bit 3bit 3bit 1bit,SAR-PDU信元格式（1字節(jié)頭，47字節(jié)數(shù)據(jù)）,CSI：會聚子層指示 SC：序列計數(shù)，用于檢測丟失或 誤插入的信元。CSI與SC作為序號 CRC：對CSI和SC的校驗。CRC與校驗位又稱為序號保護。,AAL2： AAL1協(xié)議是為傳輸壓縮后的視頻信息而設(shè)計的，它提供有連接的變比特率（VBR）應用提供服務。但目前還沒有完整定義。,AAL3/4： AAL3/4是兩個標準合并的結(jié)果。AAL3提供連接的服務，支持X.25協(xié)議

21、。AAL4希望提供無連接數(shù)據(jù)服務，支持IP協(xié)議。具有多路復用功能，多個會話可以共同使用一條虛連接，由目的端區(qū)分不同會話的消息。,凈荷（165535字節(jié)）,CPI,Btag,BASize,Pad,1 1 2 可變 03 1 1 2 字節(jié),AAL3/4 的CS-PDU格式（長度必須為4的倍數(shù)）,AL,ETag,Length,第八章 ATM技術(shù)（4學時,4/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第14頁,CPI：通用部分標識符，表示消息的類型以及BASize和Length進行長度計算的單位。 Btag和Etag：用來對數(shù)據(jù)進行界定，CS通過檢驗它們的值是否相等

22、，來確定中間是否有丟失或誤插入的信元。 BASize：接收緩沖區(qū)的大小。 Length：凈荷部分長度。 Pad：填充字節(jié) AL：對齊，保證尾部信息為32bit。 SAR子層：將CS-PDU分割為44字節(jié)的數(shù)據(jù)片，格式為：,凈荷,ST,SN,MID,LI,2bit 4bit 10bit 44字節(jié) 6bit 10bit,CRC,AAL3/4 的SAR-PDU格式（2字節(jié)頭、2字節(jié)尾，44字節(jié)凈荷）,ST：消息分段類型， 有第一分段、中間分 段、最后一個分段、 單分段類型。 SN：序號，分段順序。,MID：消息標志，多路復用標識符。 LI：凈荷有效長度 CRC：對SAR-PDU進行冗余校驗。 AAL

23、3/4需要占用較多的控制字節(jié)，效率不高。,AAL5： 對AAL3/4的改進，協(xié)議處理簡單，額外開銷小。 PAD：填充 UU：用戶指示 CPI：通用部分指示 UU與CPI目前未使用，建議設(shè)置為0。,CS-PDU凈荷,PAD,1字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié) 4字節(jié),UU,AAL5的CS-PDU消息格式,CPI,Length,CRC,第八章 ATM技術(shù)（4學時,4/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第15頁,8.10 ATM局網(wǎng)仿真 局網(wǎng)仿真就是要在ATM網(wǎng)絡(luò)上模擬傳統(tǒng)局域網(wǎng)的功能，在ATM網(wǎng)上構(gòu)造新的局域網(wǎng)，使得ATM網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備和傳統(tǒng)局域網(wǎng)上的設(shè)備能夠透明通信

24、。使用局網(wǎng)仿真技術(shù)進行通信的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成仿真局網(wǎng)（ELAN，Emulation LAN，在ATM網(wǎng)絡(luò)上仿真局域網(wǎng)）。 傳統(tǒng)的以太網(wǎng)等局域網(wǎng)與ATM網(wǎng)絡(luò)差別： 1）以太網(wǎng)等是無連接的，而ATM網(wǎng)絡(luò)為連接服務。 2）以太網(wǎng)采用共享信道，而ATM是點到點服務。 3）以太網(wǎng)上的MAC地址與網(wǎng)絡(luò)拓撲無關(guān)，而ATM地址由網(wǎng)絡(luò)分配確定。 局域網(wǎng)仿真的協(xié)議模型：,LAN1,ATM網(wǎng)橋,ATM 交換機,ATM 主機,第八章 ATM技術(shù)（4學時,4/4）,計算機網(wǎng)絡(luò)與Internet教程講義（電子版）,信控學院通信工程教研室,第16頁,ATM網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)ATM網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)等局域網(wǎng)之間的互連，完成局網(wǎng)仿真功能 。使用AAL

25、5作為適配層，把以太網(wǎng)上的幀封裝到ATM信元中，然后在ATM網(wǎng)上發(fā)送，同時也負責把ATM網(wǎng)絡(luò)上的信元重組成數(shù)據(jù)幀，發(fā)送到以太網(wǎng)上。通過ATM網(wǎng)橋，傳統(tǒng)的局域網(wǎng)上的主機就可以與ATM網(wǎng)絡(luò)上的主機進行透明地通信。ATM交換機在局網(wǎng)仿真中只起簡單的交換作用。 局網(wǎng)仿真采用客戶機/服務器模式，ATM網(wǎng)絡(luò)的端設(shè)備（主機和網(wǎng)橋）為客戶端，稱為LEC。 有三種類型的服務器： 廣播與未知地址服務器（BUS）：該服務器實現(xiàn)廣播和多播（Multicast）功能。 局網(wǎng)仿真服務器（LES）：保存ELAN中每個LEC的的MAC地址與ATM地址之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)LEC注冊和MAC地址與ATM地址的轉(zhuǎn)換。 局網(wǎng)仿真配置服務器（LECS）：保存ELAN的配置信息。該配置信息由網(wǎng)絡(luò)管理員設(shè)置。 地址解析協(xié)議（LE_ARP）：實現(xiàn)MAC地址與ATM地址之間的轉(zhuǎn)換。有時MA