ATM的基本原理

课程说明课程说明课程说明课程说明课程介绍本课程主要介绍ATM的基本原理对于初级水平读者第56789章可以不做深入了解课程目标本课程主要目标9掌握VPVC的概念信元的结构9掌握ATM交换的特点9了解ATM协议栈结构9掌握ATM拥塞管理和流量控制与流控算法9掌握ATM的的几种典型封装协议[请输入资料名称]华为技术1第一第一第一第一节节节节ATM概述概述概述概述1.1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1.2ATM交换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ATM专题教材-2-第二节第二节第二节第二节ATM技术基本概念技术基本概念技术基本概念技术基本概念2.1ATM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字节信头5字节信元净荷48字节GFCVPIVPIVCIVCIVCIPTCLPHEC12345678VPIVPIVCIVCIVCIPTCLPHEC12345678ATM信元UNI信元结构NNI信元结构图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HECPT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12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).CLP信元丢失优先级1比特用于拥塞控制当经过某一节点出现拥塞时就将这一比特置为1ATM专题教材-3-GFC一般流量控制4比特只用于UNI接口目前置为0000将来可能用于流量控制或在共享媒体的网络中标示不同的接入2.2虚连接ATM是面向连接的交换这个连接用VPIVCI来标识VPIVCI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cellcellcellcellcellvpi/vci=0/40vpi/vci=1/45vpi/vci=100/45vpi/vci=3/50vpi/vci=2/60userAuserFswitchBswitchCswitchDswitchE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VPIVCI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ATM专题教材-4-图2-3VCVP和物理传输通道的关系ATM连接建立的方式有两种1PVCPPVC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2SVCPSVC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SVC2.3ATM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2.4ATM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专题教材-5-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0x390x450x47中的一个2.5ATM的统计复用图3-1ATM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3-1所示用户DCA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ATM专题教材-6-第第第第三三三三节节节节ATM协议栈协议栈协议栈协议栈3.1ATM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4-1ATM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ATM专题教材-7-表3-1ATM协议参考模型的分层及其功能比特定时物理媒介PM信元速率解耦HEC序列的产生/检验信元定界传输帧适配传输帧产生/恢复TC物理层一般流量控制信元头产生与提取信元VPI/VCI翻译信元复用和解复用ATM层分段与组装SAR会聚CSAAL层管理高层功能高层3.2物理层物理层主要是提供ATM信元的传输通道将ATM层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流同时在接收到物理媒介上传来的连续比特流后取出有效的信元传给ATM层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对于SDH/SONETPDH等具有帧结构的传输系统而言的在这些系统中传送ATM信元时必须将ATM信元装入传输帧中因此在物理层要有传输帧产生恢复信元速率去耦的作用是插入一些空闲信元将ATM层信元速率适配成传输线路的速率3.3ATM层ATM层主要完成信元复用解复用有关信头的操作以及流量控制信元复用解复用在ATM层和物理层的TC子层接口处完成发送端ATM层将具有不同VPI/VCI的信元复用在一起交给物理层接收端ATM层识别物理层送来的信元的VPI/VCI并将各信元送到不同的模块处理如识别出信令信元就交控制面处理若为OAM等管理信元则交管理面处理ATM专题教材-8-信头操作指VPI/VCI翻译翻译的依据是连接建立时所分配的VPIVCI的值3.4ATM适配层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类并相应地定义了AAL1AAL2AAL3/4及AAL51AAL1AAL1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的帧结构如下信元头CS首标47byte的净荷CSISCCRC-3奇偶校验1bit3bit3bit1bit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2AAL2AAL2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3AAL3/4ATM专题教材-9-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4AAL5AAL5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AALAAL5的