ATM基本原理.docx
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ATM基本原理
ATM基本原理
目录
第一章ATM技术概述4
1.1引言4
1.2ATM信元（Cell）4
1.3B-ISDN参考模型7
1.3.1物理层7
1.3.2ATM层8
1.3.3AAL层9
1.4ATM标准11
1.5ATM地址格式13
第二章ATM交换原理14
2.1ATM交换的特点14
2.2VP/VC交换15
2.3ATM交换原理17
2.4基本排队机制18
2.4.1输入排队18
2.4.2输出排队18
2.4.3中央排队19
2.5共享存储器交换机的模型19
2.5.1ATM交换结构19
2.5.1.2空分交换结构20
2.5.2共享存储器交换结构21
第三章ATM通信量管理23
3.1服务质量23
3.2通信量整形和控制23
3.3拥塞控制24
3.3.1许可证控制24
3.3.2资源预订24
3.3.3基于速率的拥塞控制25
第四章ATM与IP结合技术26
4.1简介26
4.2LANE27
4.2.1如何在传统LAN上运行IP27
4.2.2ATMLAN必须仿真什么功能27
4.2.3LANE如何工作27
4.2.4LANE的优点和局限29
4.3CLIP（ClassicalIPoverATM）29
4.3.1CLIP原理29
4.3.2CLIP的扩展30
4.4MPOA31
4.4.1MPOA的原则31
4.4.2MPOA的优点和限制31
4.5IP交换32
4.6标记交换33
4.7MPLS34
4.7.1MPLS工作原理34
4.7.2MPLS的应用35
第一章ATM技术概述
1.1引言
在现代社会中，人们需要传递和处理的信息量越来越大，信息的种类也越来越多，其中对会议电视、高速数据传输、远程教学、VOD等宽带新业务的需求正迅速增长。
原来的各种网络都只能传输一种业务，如电话网只能提供电话业务，数据通信网只能提供数据通信业务。
这种情况对于用户和网络运营者来说都是不方便和不经济的，人们因此提出了ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork）的概念，希望能够用一种网络来传送各种业务。
ISDN的概念是于1972年提出的，由于当时的技术和业务需求的限制，首先提出的是窄带ISDN（N-ISDN）。
目前N-ISDN技术已经非常成熟，世界上已经有了许多比较成熟的N-ISDN网。
但是由于N-ISDN存在着带宽有限、业务综合能力有限、中继网种类繁多、对新业务的适应性差等局限性，要求人们提出有更大的灵活性、更宽的带宽、更强的业务综合能力的新网络。
自80年代以来，一些与通信相关的基础技术，如微电子、光电子技术等的发展和光纤的传输距离和传输容量的提高，为新网络的实现提供了基础。
就是在这种环境下，出现了宽带ISDN（B-ISDN）。
B-ISDN能够满足：
①提供高速传输业务的能力。
②网络设备与业务特性无关。
③信息的转移方式与业务种类无关。
为了研究开发适应B-ISDN的传输模式，人们提出了很多种解决方案，如多速率电路交换、帧中继、快速分组交换等。
最后得到了一个最适合B-ISDN的传输模式──ATM（AsynchronousTransferMode）。
ATM技术作为B-ISDN的核心技术，已经由ITU-T于1992年规定为B-ISDN统一的信息转移模式。
ATM技术克服了电路模式和分组模式的技术局限性，采用光通信技术，提高了传输质量，同时，在网络节点上简化操作，使网络时延减小，而且采取了一系列其它技术，从而达到了B-ISDN的要求。
1.2ATM信元（Cell）
ATM信元是ATM传送信息的基本载体。
ATM信元采用了固定长度的信元格式，只有53字节，其中5个字节为信头，其余的48个字节为信元净荷。
信元的主要功能为确定虚通道，并完成相应的路由控制。
ATM信元的格式如图1-1所示：
图1-1ATM信元
信头内容在UNI（用户网络接口）和NNI（网络节点接口）略有区别，主要由以下几部分构成：
●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。
●VPI：
虚通道标识，其中NNI为12比特，UNI为8比特。
●VCI：
虚通路标识，16比特，标识虚通道内的虚通路，VCI与VPI组合起来标识一个虚连接。
●PTI：
净荷类型指示，3比特，用来指示信元类型，如表1所示。
表1净负荷类型
编码
意义
000
用户数据信元无拥塞SDU类型=0
001
用户数据信元无拥塞SDU类型=1
010
用户数据信元拥塞SDU类型=0
011
用户数据信元拥塞SDU类型=1
100
分段OAM信息流相关信元
101
端到端OAM信息流相关信元
110
RM信元资源管理用
111
保留
●CLP：
信元丢失优先级，1比特。
用于信元丢失级别的区别，CLP是1，表示该信元为低优先级，是0则为高优先级，当传输超限时，首先丢弃的是低优先级信元。
●HEC：
信头差错控制，8比特，监测出有错误的信头，可以纠正信头中1比特的错误。
HEC还被用于信元定界。
下面附上UNI信元信头预赋值（表2）和NNI信元信头预赋值（表3），信元信头预赋值用于区别ATM层使用的信元和物理层使用的信元。
表2UNIATM信元信头预赋值
八位组1
八位组2
八位组3
八位组4
用法
GFC
VPI
VCI
PT
CLP
0
0
0
0
1
空闲信元
0
0
0
100
1
物理层OAM信元
P
0
0
PPP
1
预留给物理层
GFC
0
0
XXX
0
无赋值信元
Y
0
XXX
0/1
无效信元
×
0
0001
0AA
C
无信令
×
0
0010
0AA
C
广播信令
×
0
0101
0AA
C
点到点信令
×
0
0011
0A0
A
段OAMF4
×
0
0100
0A0
A
端到端OAMF4
×
0
0110
110
A
VP资源管理
×
0
0111
0AA
A
保留VP未来功能
×
0
1SSS
0AA
A
保留未来功能
×
000000000001
SSSS
0AA
A
保留未来功能
×
Z
100
A
段OAMF5
×
Z
101
A
端到端OAMF5
×
Z
110
A
VC资源管理
×
Z
111
A
保留VC未来功能
注：
P留给物理层使用X任意值X=0时为本地
A由ATM层使用Y除0外任意值
C始端为0，可由网络改变S（SSS）0（000）-1（111）任意值
Z除0，011，0100，0110，0111外的任意值
表3NNIATM信元信头预赋值
八位组1
八位组2
八位组3
八位组4
用法
VPI
VCI
PTI
CLP
0
0
0
1
空闲信元
0
0
100
1
物理层OAM信元
0
0
PPP
1
预留给物理层
0
0
X
0
无赋值信元
Y
0
X
0/1
无效信元
X
0
0101
0AA
C
NNI信令
X
0
0011
0A0
C
段OAMF4信元
X
0
0100
0A0
C
端到端OAMF4
X
0
0110
110
A
VP资源管理
X
0
0111
0AA
A
保留VP未来功能
X
0
1SSS
0AA
A
保留未来功能
X
000000000001
SSSS
0AA
A
保留未来功能
X
Y
100
A
段OAMF5信元
X
Y
101
A
端到端OAMF5
X
Z
110
A
VC资源管理
X
Y
111
A
保留VC未来功能
注：
P留给物理层使用X任意值X=0时为本地
A由ATM层使用Y除0外的任意值
C始端为0，由网络改变Z除0，0110外的任意值
S（SSS）0（000）-1（111）的任意值
ATM信元中信头的功能比分组交换中分组头的功能大大简化了，不需要进行逐链路的差错控制。
只进行端到端的差错控制，HEC只负责信头的差错控制，另外只用VPI、VCI标识一个连接，不需要源地址、目的地址和包序号，信元顺序由网络保证。
1.3B-ISDN参考模型
B-ISDN的协议参考模型如图1-2所示。
它包括一个用户平面、一个控制平面和一个管理平面。
用户平面主要提供用户信息流的传输，以及相应的控制（如流量控制、差错控制）。
控制平面主要是完成呼叫控制和连接控制的功能，通过处理信令来建立、管理和释放呼叫与连接。
管理平面提供两种功能，即层管理和面管理功能。
面管理完成与整个系统相关的管理功能，并提供所有平面间的协调功能。
层管理完成与协议实体内的资源和参数相关的管理功能，处理与特定的层相关的操作和管理（OAM）信息流。
图1-2B-ISDN协议参考模型
用户平面又分为物理层、ATM层、AAL层及高层，其各层间的数据传输如图1-3所示。
下面介绍各层功能。
1.3.1物理层
物理层是承运信息流的载体，物理层有传输会聚TC和物理媒体连接两个子层。
（1）传输会聚TC子层
●TC子层负责将ATM信元嵌入正在使用的传输媒体的传输帧中，或相反从传输媒体的传输帧中提取有效的ATM层信元。
ATM层信元嵌入传输帧的过程如下：
ATM信元解调（缓存）信头差错控制HEC产生信元定界传输帧适配传输帧生成。
从传输帧中提取有效ATM
图1-3ATM网络协议分层之间的数据传输
层信元的过程如下：
传输帧接收传输帧适配信元定界信头差错控制HEC检验ATM信元排队。
传输会聚TC子层的主要功能是信元定界和信头差错控制HEC。
（2）物理媒体主要由ITU-T和ATMF建议的规范执行，共有以下类型的连接：
●基于直接信元传输的连接
●基于PDH网传输的连接
●基于SDH网传输的连接
●直接信元光纤传输
●UTOPIA接口（通用测试和运行物理接口）
●管理和监控信息流OAM传输接口
1.3.2ATM层
ATM层利用物理层提供的信元（53字节）传送功能，向外部提供传送ATM业务数据单元（48字节）的功能。
ATM业务数据部分（ATM-SDU）是任意的48字节长的数据段，它在ATM层中成为ATM信元的负载区部分。
如图1-3所示。
1.3.3AAL层
AAL层的主要作用是将高层的用户信息分段装配成信元，吸收信元延时抖动和信元丢失，并进行流量控制和差错控制。
网络只提供到ATM层为止的功能。
AAL层的功能由用户本身提供，或由网络与外部的接口提供。
AAL用于增强ATM层的能力，以适合各种特定业务的需要。
这些业务可能是用户业务，也可能是控制平面和管理平面所需的功能业务。
在ATM层上传送的业务可能有很多种，但根据三个基本参数来划分，可分为四类业务。
三个参数是：
源和目的之间的定时要求、比特率要求和连接方式。
业务类划分为A、B、C、D四类。
A类：
固定比特率（CBR）业务:
ATM适配层１（AAL1）,支持面向连接的业务,其比特率固定,常见业务为64Kbit/s话音业务,固定码率非压缩的视频通信及专用数据网的租用电路。
B类：
可变比特率（VBR）业务:
ATM适配层2（AAL2）。
支持面向连接的业务,其比特率是可变的。
常见业务为压缩的分组语音通信和压缩的视频传输。
该业务具有传递介面延迟物性,其原因是接收器需要重新组装原来的非压缩语音和视频信息。
C类：
面向连接的数据服务:
AAL3/4。
该业务为面向连接的业务,适用于文件传递和数据网业务,其连接是在数据被传送以前建立的。
它是可变比特率的,但是没是介面传递延迟。
D类：
无连接数据业务:
常见业务为数据报业务和数据网业务。
在传递数据前,其连接不会建立。
AAL3/4或AAL5均支持此业务。
参数、业务类别和相应的AAL适配类型可由图1-4所示。
业务
参数
A类
B类
C类
D类
源和目的定时
需要
不需要
比特率
固定
可变
连接方式
面向连接
无连接
AAL类型
AAL1
AAL2
AAL3
AAL4
AAL5
用户业务举例
电路仿真
运动图象视频声频
面向连接数据传输
无连接数据传输
服务质量
QoS1
QoS2
QoS3
QoS4
注：
AAL1：
恒定比特率实时业务适配协议AAL2：
可变比特率实时业务适配协议
AAL3/4：
数据业务传送适配协议AAL5：
高效数据业务传送适配协议
图1-4业务分类、AAL类型和服务质量
各种ATM服务类型的特性比较如表4所示。
表4ATM服务类型的特性比较
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
根据ATM层传送业务量的要求，ITU-T和ATMF按业务要求的比特率各自提出了业务的分类。
相互关系可参见图1-5。
图1-5ATM层承载业务分类方式
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。
以上各层的功能与协议参考模型的关系如表5所示。
表5B-ISDN各层的功能与协议参考模型的关系
高层
高层功能
AAL层
CS子层
会聚功能，即将业务数据变换成CS数据单元
SAR子层
分段与重组，在此层以信元为单位对CS数据分段或重组
ATM层
通用流量控制
信头头的产生/提取
信元VP/VC变换
信元复用与分解
物理层
TC子层
信元速率解耦
HEC信头序列产生/检验
信元定界
传输帧适配
传输帧产生/恢复
PM子层
比特定时
物理媒体
1.4ATM标准
ATM标准主要是由国际电信联盟ITU-T开发和制定的。
ATMF主要目的是通过可互操作的技术规范，加速ATM产品的开发和扩展。
用于ATM交换系统，由ITU-T提供的协议可参见图1-6，至今为止，有关的建议还在继续研究和制订过程中。
尤其是关于多媒体信令的建议，当前大致完成能力集CS-1的部分，即关于点到点的基本呼叫连接控制。
能力集CS-2即扩展到点到多点，并增附加业务参量，服务质量QoS等控制功能的协议族，部分已通过，部分等待审议，部分需重新制订。
能力集CS-3即能实现ATM交换全部六种连接类型的信令协议族，尚在研究过程中。
ATMF所制定的技术规范集中在宽带互连接口B-ICI；各类物理层接口，如DS1、DS3、E1、E3、155.52Mbit/S、622.08Mbit/S和通用测试和运行物理接口Utopia等；各类互通接口，如局域网仿真、电路仿真和帧中继仿真等；ATM用户网络接口技术规范，用户网络接口信令UNI4.0；专用网络网络接口PNNI等。
此外还制订了相应的测试规范。
1.5ATM地址格式
ATM有3种地址格式。
如图1-7所示。
第1字节指明该地址是3种地址格式中的哪一种。
数据国家代码（DCC）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。
在国际代号设计码（IC）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（ITU-TE.164）作为地址的格式。
图1-7ATM地址格式
图1-7中：
AFI——格式标识符（缺省）
DCC——2个字节的数据国家代码
DFI——1个字节，与特定区域相关的格式标识符
AA——3个字节的管理授权标志
RD——2个字节的路由区域标识
Area——2个字节的地区标识
ES1——6个字节的末端系统标识，它实际是IEEE802规定的MAC地址
Sel——1字节的网络访问点（NSAP）选择标识
ICD——2字节的国际代号设计码
E.164——8字节的综合业务数字网（ISDN）中的电话号码
第二章ATM交换原理
ATM交换技术是ATM网络技术的核心。
交换结构的性能将决定ATM网络的性能和规模。
交换机设计的方法将影响交换吞吐量、信元阻塞、信元丢失和交换延时等，交换结构不仅影响交换机的性能和扩展特性，而且也影响交换机支持广播方式和点到点方式的能力。
现代通信网中广泛应用的交换方式有两种：
电路交换方式和分组交换方式。
电路交换方式包括传统电路交换、多速率电路交换、快速电路交换等，分组交换方式包括帧交换、帧中继、快速分组交换等。
电路交换方式适用于话音等实时性业务，而分组交换方式适用于数据业务。
在综合业务环境下，不同业务对网络的要求不同，电路交换方式和分组交换方式都不能满足综合业务环境下的使用要求。
ATM交换技术是一种融合了电路交换方式和分组交换方式优点而形成的新型交换方式。
2.1ATM交换的特点
ATM交换具有以下特点：
（1）采用统计时分复用
传统的电路交换中用STM（SynchronousTransferMode）方式将来自各种信道上的数据组成帧格式，每路信号占固定比特位组，在时间上相当于固定的时隙，即属于同步时分复用。
在ATM方式中保持了时隙的概念，但是采用统计时分复用的方式，取消了STM中帧的概念，在ATM时隙中存放的实际上是信元。
（2）以固定长度（53字节）的信元为传输单位，响应时间短
ATM的信元长度比X.25网络中的分组长度要小得多，这样可以降低交换节点内部缓冲区的容量要求，减少信息在这些缓冲区中的排队时延，从而保证了实时业务短时延的要求。
（3）采用面向连接并预约传输资源的方式工作
在ATM方式中采用的是虚电路形式，同时在呼叫过程向网络提出传输所希望使用的资源。
考虑到业务具有波动的特点和网络中同时存在连接的数量，网络预分配的通信资源小于信源传输时的峰值速率（PCR）。
（4）在ATM网络内部取消逐段链路的差错控制和流量控制，而将这些工作推到了网络的边缘
X.25运行环境是误码率很高的频分制模拟信道，所以X.25执行逐段链路的差错控制。
又由于X.25无法预约网络资源，任何链路上的数据量都可能超过链路的传输能力，因此X.25需要逐段链路的流量控制。
而ATM协议运行在误码率较低的光纤传输网上，同时预约资源保证网络中传输的负载小于网络的传输能力，ATM将差错控制和流量控制放到网络边缘的终端设备完成。
（5）ATM支持综合业务
ATM充分综合了电路交换和分组交换的优点，既具有电路交换“处理简单”的特点，支持实时业务、数据透明传输，在网络内部不对数据作复杂处理，采用端-端通信协议；又具有分组交换的特点，如支持可变比特率业务，对链路上传输的业务采用统计时分复用等。
所以ATM支持话音、数据、图象等综合业务。
2.2VP/VC交换
在ATM中一个物理传输通道被分成若干的虚通路VP（VirtualPath），一个VP又由上千个虚通道VC（VirtualChannel）所复用。
ATM信元的交换既可以在VP级进行，也可以在VC级进行。
虚通路VP和虚通道VC都是用来描述ATM信元单向传输的路由。
每个VP可以用复用方式容纳多达65536个VC，属于同一VC的信元群拥有相同的虚通道识别符VCI（VCIdentifier），属于同一VP的不同VC拥有相同的虚通路识别符VPI，VCI和VPI都作为信元头的一部分与信元同时传输。
传输通道、虚通路VP、虚通道VC是ATM中的三个重要概念，其关系如图2-1所示。
图2-1传输通道、虚通路VP、虚通道VC的关系
ATM的呼叫接续不是按信元逐个地进行选路控制，而是采用分组交换中虚呼叫的概念，也就是在传送之前预先建立与某呼叫相关的信元接续路由，同一呼叫的所有信元都经过相同的路由，直至呼叫结束。
其接续过程是：
主叫通过用户网络接口UNI发送一个呼叫请求的控制信号，被叫通过网络收到该控制信号并同意建立连接后，网络中的各个交换节点经过一系列的信令交换后就会在主叫与被叫之间建立一条虚电路。
虚电路是用一系列VPI/VCI表示的。
在虚电路建立过程中，虚电路上所有的交换节点都会建立路由表，以完成输入信元VPI/VCI值到输出信元VPI/VCI值的转换。
虚电路建立起来以后，需要发送的信息被分割成信元，经过网络传送到对方。
若发送端有一个以上的信息要同时发送给不同的接收端，则可建立到达各自接收端的不同虚电路，并将信元交替送出。
在虚电路中，相邻两个交换节点间信元的VCI/VPI值保持不变。
此两点间形成一条VC链，一串VC链相连形成VC连接VCC（VCConnection）。
相应地，VP链和VP连接VPC也以类似的方式形成。
VCI/VPI值在经过ATM交换节点时，该VP交换点根据VP连接的目的地，将输入信元的VPI值改为新的VPI值赋予信元并输出，该过称为VP交换。
可见VP交换完成将一条VP上所有的VC链路全部送到另一条VP上，而这些VC链路的VCI值保持不变（如图2-2所示）。
VP交换的实现比较简单，往往只是传输通道的某个等级数字复用线的交叉连接。
图2-2VP交换
VC交换要和VP交换同时进行，因为当一条VC链路终止时，VP连接（即VPC）就终止了，这个VPC上的所有VC链路将各自执行交换过程，加到不同方向的VPC中去。
如图2-3所示
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