第十一章 异步转移模式ATM.docx

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第十一章异步转移模式ATM

1什么是ATM

 人们一般习惯把电信网分为传输、复用、交换和终端等几个部分。

但是近年来随着程控时分交换和时分复用的发展，电信网中的传输、复用和交换这三个部分已越来越紧密地联系在一起了，开始使用传递（transfermode）来统一描述。

目前通信网上的传递方式可分为同步传递方式（STM）和异步传递方式（ATM）两种。

如ISDN用户线路上的2B+D，以及数字电话网中的数字复用等级等均属于同步传递方式，其特点是在由N路原始信号复合成的时分复用信号中，各路原始信号都是按一定时间间隔周期性出现，所以只要根据时间就可以确定现在是哪一路的原始信号。

而异步传递方式的各路原始信号不一定按照一定时间间隔周期性地出现，因而需要另外附加一个标志来表明某一段信息属于哪一段原始信号。

例如采用在信元前附加信头的标志就是异步传递方式。

宽带ISDN中ATM信元的信头就是一个例子。

 ATM与STM传输方式示意图如图11－1所示

2ATM与电路交换和分组交换的比较

 现代通信网中广泛使用的是电路交换和分组交换两种方式。

电路交换方式适用于电话业务。

分组交换适用于数据业务。

而ATM信元中承载的是宽带综合业务，既有电话业务，又有数据业务，还有其他业务。

ATM采用的是ATM交换方式，它是一种新的交换方式，它既像电话交换方式那样适用于电话业务，又像分组交换方式那样适用于数据业务，并且还能适用于其他业务。

 电路交换是以电路连接为目的的交换方式。

电路交换的过程，就是在通信时建立电路的连接，通信完毕时断开电路。

至于在通信过程中双方是否在互相传送信息，传送什么信息，这些都与交换系统无关。

在电话通信中的电路交换方式由于讲话双方总是一个在说，一个在听，因此电路空闲时间大约是50%，如果考虑到讲话过程中的停顿，那么空闲时间还要多一些。

当把电路交换方式用在计算机通信中，由于人机交互（键盘输入、阅读观察屏幕输出等）时间长，因而电路空闲的时间比50%还大，甚至可高达90%，所以电路交换方式最大的缺点就是电路利用率低。

 分组交换是以信息分发为目的，把从输入端进来的数据分组，根据其标志的地址域和控制域，把它们分发到各个目的地，而不是以电路为目的的交换方式。

分组交换是把信息分为一个个的数据分组，并且需要在每个信息分组中增加信息头及信息尾，表示该段信息的开始及结束，此外还要加上地址域和控制域，用以表示这段信息的类型和送往何处，加上错误校验码以检验传送中发生的错误。

 因而可以说，电路交换它只管电路而不管电路上传送的信息。

分组交换则对传送的信息进行管理。

电路交换的主要缺点是在通信过程中独占一条信道。

分组交换中，交换机根据数据分组上的地址域来确定送到目的地，因而，可以有许多个通信过程共享一个信道，这是分组交换的一个主要优点。

 然而，分组交换却具有信息传送的随机时延的缺点。

因为在电路交换中，如果电路忙，呼叫就被拒绝，只要电路一旦连通，就可以随时把信息传送过去。

在分组交换中，其共享的电路有时可能很空，信息可以马上就传送过去，有时可能很忙，信息就要在分组交换机中排队等候，排队的长度和等候时间是由电路的忙闲来决定的，这就是不确定的随机时延。

当然，在分组交换机中也采取了流量控制的措施，以便减少这种时延，即当在交换机中等待的数据分组过多时，交换机会向各个输入端发出命令，禁止它们继续发送信息，或者要求它们改用较低速率传送信息。

此外，在分组交换中，对收到错误的分组数据要求马上重发的反馈重发机制也增加了随机时延。

随机时延对于计算机通信（数据业务）问题不大，但对于话音业务来说，随机时延就不可容忍了。

     宽带ISDN中传送的是ATM信元，ATM信元从概念上讲与数据分组相似。

但是，由于宽带ISDN要提供各种业务，而对话音、电视图像、立体声音乐等是不能容忍随机性延迟的，因而对于ATM信元的交换就不能照搬分组交换方式，而需要一种新的交换方式，这就是ATM交换方式。

 近年来，由于光纤通信的迅速发展，不仅通信能力极大提高，而且传输错误也微乎其微，因而在分组交换的基础上产生了帧中继等快速分组交换方式，把检错纠错功能放在终端设备，从而减少了时延，提高了速率。

ATM交换方式也属于快速分组交换，但它不仅仅是简化了控制，提高了速率的分组交换，同时为了满足实时业务的要求，还使用了一些电路交换中的方法。

ATM改进了电路交换的功能，使其能灵活地适配不同速率的业务；ATM改进了分组交换功能，满足实时性业务的要求。

所以ATM交换方式又可以看作是电路交换方式和分组交换方式的结合。

 电路交换，分组交换和ATM交换方式的比较如表11－1所示。

优点

缺点

电路交换

1适合固定速率的业务。

2没有接入时延。

1信息速率种类较少。

2网络资源及电路利用率不高

分组交换

1适合可变速率的业务。

2通过合并若干个分组，可以达到各种速率

1由于时延大，不适合实时业务。

2可变的分组长度增加了处理成本。

ATM交换

1通过给一个逻辑连接分配若干个信元，可以达到各种速率。

2可以更好地利用网络资源，如动态容量分配，统计复用等不同速率的连接。

1面向分组，对于实时业务需要附加的机制。

2分组装拆会引起一些时延

3ATM的基本概念和原理

3.1ATM的基本特征

    ATM的基本特征是信息的传输、复用和交换都是以信元（cell）为基本单位。

按照CCITT的建议，每个信元的长度为53个字节，其中前面5个字节为信头，用来表示这个信元来自何处，到何处去，是什么类型等。

后面48个字节是要在线路上传送的信息。

由于ATM有信头，所以会有一部分线路传输能力用在信头上。

因此，用户可以使用的传输速率将不是155.52Mbit／s，而是155.52Mbit/53*48=140Mbit／s。

 ATM是定长度的信元，它可以适应用户不同速率分配的要求。

例如，某用户要与A、B、C三个用户通信，其速率分别为20、40、60Mbit／s，这样在用户线路上每出现一个给A的信元，就会有两个给B的信元和三个给C的信元。

由于上述三个通信用户合起来的速率是120Mbit／s，尚未达到155.52Mbit／s，因此线路还会有一些时间处于空闲状态。

所以ATM可以非常灵活地适配各种不同速率的要求，用户几乎可以按任何方式把信道分割成任意多个不同速率的子信道。

只要它们的速率之和不超过信道的总容量，即155.52Mbit／s就可以。

3.2ATM的信元结构

    ATM信元结构如图11－2所示。

 图中：

UNI为用户－网络接口；NNI为网络－节点接口；GFC为一般流量控制域；VPI为虚路径标识符；VCI为虚通道标识符；PT为净荷类型，即后面48个字节信息域的信息类型；RES为保留位，可以用作将来扩展定义，现在指定它恒为0；CLP为信元丢弃优先权，在发生信元冲突时，CLP用来说明该信元是否可以丢掉；HEC为信头校验码，检验多项式

，这个字节用来保证整个信头的正确传输。

3.3ATM的虚路径和虚通道

 在信元结构中，VPI和VCI是最重要的两部分。

这两部分合起来构成了一个信元的路由信息，也就是这个信元从哪里来，到哪里去。

ATM交换机就是根据各个信元上的VPI－VCI来决定把它们送到哪一条线路上去。

 用同步时分复用的办法可以把一条通信线路分割成若干个子信道，如一条窄带ISDN用户线路可以分割成两个64kbit／sB信道和一个16kbit／s的D信道。

在异步传递方式中，使用虚路径和虚通道的概念，也可以把一条通信线路划分成若干个子信道。

例如在一条宽带ISDN用户线路上，要进行5个通信，其中到A地三个通信，到B地两个通信，这些通信里有电话通信，数据通信，图像通信等。

可以用VPI=1表示向A地的通信，VPI=2表示向B地的通信。

到A地的三个通信分别用VCI=4、VCI=5、VCI=6来代表，到B地的两个通信用VCI=5、VCI=6来表示。

在线路上所有VPI=1的信元属于一个子信道，所有VPI=2的信元属于另一个子信道，一般把这两个子信道都叫做虚路径，每个虚路径还可划分为若干个虚通道。

图11－3所举的例子就是2个虚路径和5个虚通道。

    宽带ISDN用户线路采用ATM方式的重要优点是可以灵活地把用户线路分割成速率不同的各个子信道，以适应不同的通信要求。

这些子信道就是虚路径和虚通道。

在不同的时刻，用户的通信要求不同，虚路径和虚通道的使用就不一样。

当需要某一个通信时，ATM交换机就可为该通信选择一个空闲中的VPI和VCI，在通信过程中，该VPI－VCI就始终表示该通信在进行，当该通信使用完毕后，某VPI－VCI就可以为其他通信所用了。

这仲通信过程就称为建立虚路径、虚通道和拆除虚路径、虚通道。

 一条虚路径是一种可适用于所有虚通道的逻辑结构。

一个虚路径标识符内可放入多条虚通道。

路径／通道概念的使用允许ATM交换设备以相同的方式在一条路径上处理所有的通道。

路径可以将许多通道绑在一起作公共处理。

对于要求服务类的连接（通道）公共处理是需要的。

 图11－4说明了一条物理链路上的虚路径和虚通道之间的逻辑关系，可以看到逻辑路径可携带多条逻辑通道。

    这是从逻辑角度而不是物理角度看路径和通道。

在物理介质上，虚路径和通道并不是并行传输的，ATM不利用频率或微波的多路复用。

虚路径和虚通道在物理介质上是以相同的波长传输的，区分的方法是在信元标头中插入不同的VPI／VCI值。

图11－5说明了从物理角度看信元在物理链路上传输。

在路径上的所有输入虚通道都可导向某些输出通道，这便于数据单元的管理。

这种处理的优点是更快地吞吐及在交换设备上较低的内部延迟。

    每个连接分配一个唯一的虚路径标识符（VPI）和虚通道标识符（VCI）。

VPI／VCI的组合用来区分ATM网络内部的一个连接。

采用VPI／VCI标识符，ATM网上的许多端点可以互相映射。

在同一虚路径上可容纳许多虚通道，在单条虚路径上可支持多达65536条虚通道。

每个ATM端点可支持256条虚路径，每条虚路径可支持65536条虚通道。

ATM网上单一物理UNI接口可支持的总的路径和通道的组合是16777216个开发连接。

3.4ATM信元

    在宽带ISDN用户线路上传送的信息都是ATM信元，所以信令也用ATM信元来传送，传送信令的ATM信元叫做信令信元。

为了区别信令信元和其他ATM信元，将信令信元的信头规定一个特定值。

例如，可以规定一个特定的VPI－VCI专供信令信元使用，其他ATM信元都不可以使用。

也可以规定一个其他的ATM信元永远不用的净负荷类型（PT），专供信令信元使用。

 除了承载用户信息的信元和信令信元之外，还有空闲信元如运行维护信元（OAM）。

如果在线路上没有其他消息发送，则发送“空闲信元”可以起“填充”空闲信道的作用。

运行维护信元上承载的是宽带ISDN的运行和维护的信息，如故障，告警等信息，它是ATM交换机经常定时发送的48字节信息域，其内容是事先规定好的，收到这些信元的交换机，根据这些信元误码来判断线路质量，如是否有故障告警等。

 ATM信元是定长的，所以时间是被划分成一个个等长的小片段，每个小片段就是ATM的信元，它有点类似于同步时分复用情况，但不同于分组交换网中的情况。

 话音、活动图像等恒定速率的实时性信号，在装入一个个ATM信元后，应该是每隔一个固定的时间间隔出现一次。

例如，64kbit／s话音信号装入155.52Mbit／s的ATM信元，因为每个信元内有48×8=384bit用户信息，所以每秒钟内只出现64000／384=167个装载该话音信号的ATM信元，即每隔6ms出现一次。

如果这些ATM信元在经过宽带ISDN后的随机性时延不大于某一规定值，那么就可以在接收端重新组合成无失真的话音信号。

3.5ATM的错误检验与时延

 ATM交换中取消了信息反馈重发，这点可以从ATM信元的定义中看出，它没有对整个信元作错误检验，而是对信头部分的错误检验（HEC）。

实际上，当某一个ATM信元的信头部分错了，也不会反馈重发，而是把该ATM信元丢弃。

这是因为一方面光纤传输线路质量很高，出现差错的可能性很小，另一方面对于要求实时性高的话音和电视图像，小部分的差错对其影响不大。

对于不能容忍差错的计算机数据业务，则可以通过在终端上附加反馈重发功能的办法来消除通信网中发生的传送差错。

 除了反馈重发造成的随机时延外，一个ATM信元还可能会在交换机内部及中继线路上延迟，在中继线路上的延迟，主要是排队造成的。

ATM交换机具有当线路上没有足够通信能力来满足用户通信要求时，可以发送一个信令信元给终端，告诉它现在“忙”。

ATM可以根据用户业务类型对通信能力规范其要求，对有的业务在“忙”时可以丢掉一些信元，对有的业务，则可以在交换机中多等一会儿。

但那些可以丢掉一些信元的业务，也可能会有一些信元比较重要，绝不可以丢掉，对于这样的信无，可以使用ATM信头中的信元丢弃优先级（CLP）予以标志。

为了不使ATM交换系统的控制处理负担太重，可以采用虚路径（VP）和虚通道（VC）两级管理的办法。

通过虚路径对交换机连接到各地的线路进行宏观管理，通过虚通道对各个通信进行微观管理。

在正常情况下，交换机向各个方向的信息流量分布总是可以统计或估计的，可而可以预先对虚路径进行大致的分配。

这样，在呼叫到来时就会给有空余通信能力的虚路径中分配一个虚通道。

在虚路径和虚通道两级管理时，ATM交换机也可分为进行虚路径交换和虚通道交换两类，当虚通道交换机找不到虚路径放置新的呼叫时，它可以通知有关的虚路径交换机调整虚路径。

当然，虚路径交换机自己也可以根据各条虚路径上的信息流量来进行调整。

4.1ATM协议模型的作用

    ATM提供了一套网络用户服务，但与网络上传输的信息类型无关。

这些服务由ATM协议参考模型定义。

模型定义出对高层的服务和操作维护ATM网络所需的功能。

如图11－6所示。

4.2ATM协议参考模型

 图11－7为ATM协议参考模型。

 ATM在逻辑上可按三个层面描述:

 用户平面——是用户协议之间的接口，如IP或SMDS和ATM等协议的接口互相协调。

 管理平面——使ATM栈的各层互相协调。

 控制平面——使信令传送以及虚电路的建立和拆除互相协调。

 ATM协议由通信所需的有关ATM层组成，每层的功能见表11－2。

4.3适配层AAL

    ATM适配层（AAL），负责适配从用户平面来的信息，以形成ATM网可利用的格式。

 送给ATM的信息可有多种格式，ATM网可以传输数据、语音以及视频信息，每一种都要求ATM网络有不同的适配。

因此，ATM定义了不同类型的AAL服务。

数据协议必须生成与ATM网适配的信息单元（包）。

TCP／IP是最常用的一种协议。

TCP／IP协议将交给ATM适配层一个IP数据包，这个包可能非常大，其长度也许是几百或几千字节。

ATM网只传输53字节的单元，AAL必须为IP包作分割准备，然后将其分割成ATM层可接受的单元——信元（cell）。

    ATM层利用53个字节中的5个字节提供网络服务（路由、优先级以及阻塞控制），只有48个字节作为用户信息载体。

因此，ATM适配层必须将大的IP包适配成ATM网络可接受的格式。

AAL将IP包分割成48字节的单元用来作为信元的载体部分，信元载体信息再提交给ATM层，作为信元的一部分。

再看一下图11－7，AAL分成两个主要子层：

汇聚子层（CS）和分割拼接子层（SAR）。

层管理

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

会聚功能分段与重组，在此层内以信元为单位对CS数据单元分段或重组，即将业务数据变换成CS数据单元〖

ATM层

流量普控，信头的产生／提取，信元的VPI／VCI交换、信元复用和分用

物理层

TC子层

信元速率解耦，HEC信头序列产生／验证信元定界（识别），传输帧自适应产生／恢复

PM子层

比特定时，物理载体

    汇聚子层CS（Convergence）：

AAL的CS层负责为来自用户平面（如IP包）的信息单元作分割准备。

进行这种准备的目的是让CS层能够将这些包再拼接成原始状态。

 为执行这一功能，CS要求有控制信息，控制信息附在用户信息上。

CS控制信息包括标头和后缀或只是后缀。

控制信息的利用是由AAL服务的类型决定的。

CS控制信息将与用户数据一起放在信元的载体部分。

 分割及拼接子层SAR（SegmentationandReassemlely）：

SAR子层将来自汇聚层的信息单元（叫作汇聚子层协议数据单元CS－PDU）分割成48字节的载体。

ATM层只能处理53字节的信息单位，其中含有48个字节的载体部分。

这部分是用户实际通信的有用信息（包括像TCP／IP信息这样的协议开销）。

穿越边界从ATM适配层AAL进入ATM层的信息单元只能是48个字节长（一个信元载体），从ATM层返回到AAL层的信息单元也只能是48字节，任何其他单元都不能通过AAL和ATM层之间的这条分界线。

 ATM适配层具有一种称作层管理项（LME）的控制功能，层管理项也可称为管理项（ME）。

管理项的功能是启动和控制对ATM层的连接请求。

另外，它协调提交给ATM层的用户数据和控制信息。

 AAL的作用和5种类型的业务归纳如下：

 ATM适配层的作用，是把来自协议栈高层的用户通信业务量转换成可以纳入ATM信元的定长字节与格式，并在目的地地址把它转换成原来形式，也可以完成不同速率和特性的业务入网适配。

 ITU（国际电信联盟）定义了5种类型的AAL。

AAL1传输数字话音、视频之类比特率恒定的通信业务。

适用于对信元丢弃与时延均敏感的场合，并用来仿真常规的租用线路，但要耗去有效负荷中48字节的1个字节，即为信头信息增加1个字节，以供编排序列号码之用，信元中的有效负荷只剩下47个字节。

AAL2用于分组话音之类对时间参数敏感的可变比特率通信业务。

AAL3／4处理面向突发性连接的通信业务，如差错消息或变速率无连接业务、文档传送业务，它可用于容许延时但不容许信元丢弃的业务。

为保证信元丢弃尽可能的小，AAL3／4对每一信元实施差错检测，并采用一种较复杂的纠错机制，要耗去有效负荷每48字节中的4个字节。

AAL5适用于处理开销比AAL3／4小的突发性LAN数据流，故也可称它为简单有效的自适应层（SEAL）。

AAL业务分类示于表11－3。

业务分类

A

B

C

D

X

连接模式

连接型

非连接型

连接型

〗端－端的定时

要求

不要求

由用户定义

比特率

恒定（CBR）

可变（VBR）

由用户定义

应用举例

固定比特率的话音、活动图像

可变比特率的话音、活动图像

数据通信

数据通信LAN间连接

AAL类型

类型1

类型2

类型3

类型4

用户定义

4.4ATM层

 ATM层负责生成信元，它接受来自AAL的48字节载体并附加上相应5字节信元标头。

ATM层支持连接的建立，并汇集到同一输出端口的不同应用的信元，同样也分离从输入端口到各种应用或输出端口的信元。

当ATM层看到信元载体时，它并不知道、也不关心载体的内容，载体只不过是要被传输的0或1信息符号。

 因为ATM层不管载体的内容，所以它与服务无关，它只负责为载体生成信元标头并附给载体，以形成信元标准格式。

跨越ATM层到物理层的信息单元只能是53个字节的信元。

 ATM支持点对点、一点对多点以及多点对多点连接。

ATM层的主要功能和责任如下：

 ·一般流量控制；

 ·信元标头生成；

 ·信元标头去除；

 ·VPI和VCI值的转换；

 ·汇集信元到物理接口；

 ·从物理接口分检信元；

 ·信元速率调整；

 ·网络阻塞控制；

 ·信元放弃；

 ·交通整形；

 ·交通管制；

 ·连接分配和取消。

 4.5物理层

 ATM模型的最下面一层是物理层。

物理层由传输汇聚子层和物理介质相关层组成。

物理层功能是物理线路编码和信息的传输。

传输汇聚子层的功能是实现物理层汇聚协议（PLCP）。

PLCP负责确保整个物理链路上信息的有效传输和接收。

物理介质相关（PMD）子层负责物理介质性质、bit定时及线路编码。

 ATM论坛为用户到网络的接口定义了下列物理层接口：

 ·SONETSTS－3数据速率为155.52Mbit／s；

 ·DS－3数据速率是44.736Mbit／s；

 ·4B／5B协议，数据速率是100Mbit／s；

 ·8B／10B协议，数据速率是155.52Mbit／s。

    ATM接口描述了特定的线路编码，以此来确定ATM信元能以正确的可识别的格式到达，这些接口可以由光纤或铜线物理介质支持。

光纤介质可采用单模或多模，铜介质可以是同轴电缆、屏蔽或非屏蔽双绞线。

 SONET是同步光纤骨干网，SDH的速率基础与SONET相同。

两者有微小差别。

差别之一是SDH的基本速率为STS－3C，速率为15552Mbit／s。

    DS－3接口用于实现ATM网络的广域连接。

 4B／5B接口用于实现ATM网络的局域连接。

 8B／10B接口用于ATM网络局域连接。

46协议参考模型（OSI）的数据流

 现以1024字节TCP信息域为例说明OSI模型的数据流，见图11－8。

5ATM交换结构

 交换结构将决定ATM网络的规模和性能，其设计方法将影响它的吞吐量、信元阻塞、信元丢失以及交换延迟等。

交换机路由来自输入端口的信元到输出端口的方法。

交换机性能和扩展特性、支持广播和多点转发的能力等都取决于交换结构。

交换机主要功能是提供将来自输入端口的信元快速有效地路由到输出端的方法。

而ATM交换机将进行单个信元的输入处理，信头的转换以及信元输出处理，以确保信头按输出端口要求转换和信元进入合适的物理链路。

交换设计可分为下列两大类：

 ·时分交换结构：

包括共享存储和共享总线；

 ·空分交换结构：

包括Banyan,Delta以及循环交换。

5.1时分结构

 多路时分交换结构在处理信元交换过程中共享公共的内部设施。

时分结构通过一个共享设施，如内部底板或内存，路由所有交换信息从输入端口到输出端口。

多路时分最直接的形式是使用共享总线。

信元通过这个共享设施进行传输，必须先请求，获准后才可存取总线。

共享存储交换结构要求交换机中的所有端口共享对交换存储器的存取。

 共享设施要求在获准存取前，交通必须等待资源的可用性，如果资源正在使用，则交通必须等待这一资源的释放。

竞争公共享资源是时分结构的主要特征之一。

所有的交通使用单个的设施，所以一个瞬间只能对一个信元进行操作。

在大型网络中，一次处理一个信元，即使速度很快，共享设施仍会成为潜在的瓶颈。

随着吞吐量需求的增长，由于存取共资源的冲突机会增加，所以时分结构的吞叶量会下降。

 像共享总线系统这样的共享设施的主要优点就是易于扩展交换端口，只要将扩充端口板插入系统就可增加端口，可是，所有端口必须共享公共资源，或是总线或是内存。

随着必须存取共享设施的设备数目增加，这些设施被占用的机会也增加。

因此，资源的竞争会引起延迟，在等待资源可用时，必须采用缓冲机制.

 时分交换有一个设备吞吐量的固定上限，这种交换能力的限制不能随端口的增加而增加。

所以，当对公共资源的需求增加时，网络性能会受到影响。

交换的吞吐量是由公共资