現代計算機網絡原理3ATM

1、現代計算機網絡原理_3異步傳遞模式（ATM）1、異步傳遞模式（ATM）產生的背景 ATM：ATM: Asynchronous Transfer Mode/異步傳遞模式 現代通信的主要業(yè)務類別： 傳統(tǒng)的電話話音、傳真數據 傳統(tǒng)的廣播與電視節(jié)目信號 互聯(lián)網上的各種數據業(yè)務 編碼后的語音、圖像、視頻信號數據 交互式的視頻會議語音、圖像、文字、圖形信息數據 各種測控信息數據第三章 ATM1、異步傳遞模式（ATM）產生的背景 不同業(yè)務對傳輸要求有很大的差異 如：第三章 ATMVideo ConferenceSensitiveSensitiveHighTelephoneConnectionlessConn

2、ection-orientedDelayDelayvarianceBandwidthrequirementConstantbit rateVariablebit rateSensitiveSensitiveLowInternetInsensitiveInsensitiveMedium 1、異步傳遞模式（ATM）產生的背景 不同業(yè)務對傳輸要求的差異 速率要求差異很大 數據流的突發(fā)性差異很大 對傳輸誤比特率的要求不同 對傳輸延時、延時抖動的敏感性不同 對傳輸形式的要求不同： 點對點 點對多點（廣播、組播） 多點對多點（多方會議） 第三章 ATM 1、異步傳遞模式（ATM）產生的背景 為適應不同傳輸

3、要求構建的不同網絡 共用電話交換網 廣播電視網 分組數據交換網 計算機網（以太網/令牌環(huán)網/令牌總線網） 各種專用的測控網第三章 ATM 1、異步傳遞模式（ATM）產生的背景 構建綜合數字業(yè)務網（ISDN）的方案第三章 ATM Narrowband ISDN (N-ISDN) Circuit switchBroadband ISDN (B-ISDN) Packet/Cell switch2 x B(earer) 64 kbit/s1 x D(ata) 16 kbit/s30 x B(earer)64 kbit/s1 x D(ata)64 kbit/sPrimary rateBasic rate

4、224 x B(earer)variableIn-band signallingATM 1、異步傳遞模式（ATM）產生的背景 構建綜合數字業(yè)務網的基本設想 能夠融合電路交換和分組交換兩種技術的特點： 能夠保留電路交換的優(yōu)點，延時和延時抖動能夠控制在所 期待的范圍，適合實時和恒定速率業(yè)務的傳輸 具有數據分組交換的優(yōu)點，信道統(tǒng)計復用，適合突發(fā)性高 的業(yè)務的傳輸，保持高的信道利用率 第三章 ATM 1、異步傳遞模式（ATM）產生的背景 光纖的大規(guī)模應用要求改變傳統(tǒng)傳輸方式 傳統(tǒng)的分組交換，逐段進行差錯控制，節(jié)點處理復雜、 延時大，適合不太可靠的長距離銅纜傳輸介質第三章 ATM 1、異步傳遞模式（AT

5、M）產生的背景 光纖的大規(guī)模應用對改變傳統(tǒng)傳輸方式的要求（續(xù)） 光纖的特點：容量大、可靠性高 新的傳送模式可以只需要端到端的檢錯機制第三章 ATM 1、異步傳遞模式（ATM）產生的背景 ATM發(fā)展的簡要歷史1983 - First ATM papers published1987 - ITU-T selects ATM for B-ISDN 1990 - ITU-T issues 13 recommendations1992 - First ATM LANs installed1993 - First ATM WANs installed第三章 ATM 2、ATM的基本原理 采用短的、固定長度

6、的分組數據單元：信元（Cell） 信元的頭部（Header）結構簡單，交換機無需做復雜處理 信元長度很短：53字節(jié)（538bits），轉發(fā)延時小 長度固定：交換機易于處理、延時易于預測 第三章 ATM 2、ATM的基本原理 ATM信元：總長53字節(jié)，其中頭部5字節(jié)，載荷48字節(jié) 載荷長度來歷： 歐洲希望：32字節(jié) 美國希望：64字節(jié) 最終： 第三章 ATM48-BytePayload5-ByteHeader48-octet data fieldGFCVPIVPIVCIVCIVCIPTIHEC811st Octet2nd Octet3rd Octet4th Octet5th OctetBitsC

7、LP 2、ATM的基本原理 ATM信元的信元結構 第三章 ATM 2、ATM的基本原理 用戶-網絡接口ATM信元的結構 GFC (Generic Flow Control)：一般流量控制 VPI (Virtual Path Identifier)：虛通道標識 VCI (Virtual Channel Identifier)：虛通路標識 PTI (Payload Type Identifier) (PTI)：凈荷類型知識 CLP (Cell Loss Priority)：信元丟失優(yōu)先級 HEC (Header Error Check)：信頭差錯控制 Data field: 數據域 第三章 ATM

8、 2、ATM的基本原理 同步傳輸模式：每個用戶在固定的時刻分配固定長度的時隙 第三章 ATM 2、ATM的基本原理 ATM的異步時分復用概念：某個特定VPI/VCI的鏈接的信元非等間隔，不占據固定的時隙。 第三章 ATM 2、ATM的基本原理 ATM交換的基本概念：采用虛連接的工作方式，各交換節(jié)點預先建立入/出口間的通道。 第三章 ATM 2、ATM的基本原理 ATM交換的基本概念（續(xù)） 兩種虛連接的工作方式： （1）交互式虛連接（SVC）：每次通信前根據用戶請求，利用控制信令確定路由、確定服務類別和傳輸質量（QoS）、建立鏈接表、通信結束后釋放信道資源； （2）永久虛連接（PVC）：根據用戶

9、的租賃要求，預先配置好網絡，建立固定的傳輸路徑和相應的鏈接表，用戶隨時可以傳輸數據。 第三章 ATMPermanent (PVC)Switched (SVC)signalling 2、ATM的基本原理 ATM交換的基本概念：永久虛連接與交換式交換式 第三章 ATM 3、ATM網絡的性能特征 時間透明性：反映系統(tǒng)對傳輸延時的控制能力 ATM網絡能夠根據用戶對傳輸延時的需求，確定服務的類別，保證特定的傳輸延時； 端到端延時的主要原因： 傳輸/傳播時延（TD） 打包時延（PD） 解包時延（DD） 交換時延（SD）：SDFDQD FD：固定交換時延 QD：排隊時延 第三章 ATM 3、ATM網絡的性能

10、特征 信息透明性：反映系統(tǒng)對傳輸差錯的控制能力 ATM網絡能夠根據用戶對傳輸差錯控制的不同要求，確定服務的類別，保證傳輸的可靠性； 傳輸出錯的主要原因： 信道/設備內噪聲的隨機干擾誤比特、信元誤插/丟失 交換設備的緩沖資源不足擁塞時信元溢出被丟棄 第三章 ATM 3、ATM信元 信元頭的主要功能 標識特定的虛連接（VPI/VCI） 確定擁塞時信元丟棄的先后（CLP） 區(qū)分信元的類別（PTI）：用戶數據/系統(tǒng)維護信息 信元頭的差錯控制 基本功能：信元檢錯 可選功能：1比特信元糾錯 信元定界 承載用戶數據/系統(tǒng)信令與維護信息 第三章 ATM 3、ATM信元 ATM信元定界的基本方法：利用信元頭中被

11、保護的部分與HEC字段之間根據檢錯/糾錯建立的特定關聯(lián)關系來定界。 第三章 ATMCell-by-cellThis Graphic is the Propertyof Quill Training ServicesCorrect HECIncorrect HECCheckCell-by-cellCheckOctet-by-octetcheckconsecutivecorrect HECconsecutiveincorrect HECHUNTPre-SYNCHSYNCHad第三章 ATM 3、ATM信元 ATM信元定界的基本方法： （1）承載信元的數據幀可以區(qū)分不同的字節(jié)的起止位置； （2）在搜

12、索狀態(tài)，以字節(jié)為單位確定連續(xù)的5個字節(jié)，利用信元頭中被保護的部分與HEC字段之間根據檢錯/糾錯建立的特定關聯(lián)關系來確定該2個字節(jié)是否信元頭； （3）若非信元頭，順延一個字節(jié)，然后判斷連續(xù)的5個字節(jié)是否信元頭，一直到搜索到信元頭為止； （4）找到一個可能的信元頭后，以一個信元間隔為單位，判斷下一個信元頭的位置是否正確，若重復 次均正確，則進入跟蹤狀態(tài)，否則回到搜索狀態(tài)； （5）在跟蹤狀態(tài)，如果出現 次連續(xù)的跟蹤錯誤，則重新回到搜索狀態(tài)，否則保持跟蹤狀態(tài)不變。 3.1、ATM信元的傳輸效率 ATM信元的效率傳輸的字節(jié)數的關系，隨著傳送字節(jié)數的增加，傳輸效率會按鋸齒狀發(fā)生變換，但最終趨于90。 第三

13、章 ATM 3.2、ATM信元大小與打包時延的關系 打包時延與ATM信元大小成正比 第三章 ATM 3.3、ATM信元大小與排隊時延的關系 ATM信元大小與排隊時延的關系。 第三章 ATM 3.3、ATM信元大小的選擇 綜合上述： 效率 打包時延 排隊時延 等因素，選擇信元的載荷為48字節(jié)也較為有利。 第三章 ATM 4、ATM的標準化組織 國際電聯(lián)：國際電聯(lián)制定了ATM的基本框架協(xié)議I.113B-ISDN VocabularyI.121Broadband Aspects of ISDNI.150B-ISDN ATM CharacteristicsI.211B-ISDN Service Cha

14、racteristicsI.311B-ISDN Network AspectsI.321B-ISDN Protocol Reference ModelI.327B-ISDN Functional ArchitectureI.361B-ISDN ATM Layer SpecificationI.362B-ISDN ATM Adaption LayerI.413B-ISDN User-Network InterfaceI.432B-ISDN UNI Physical Layer SpecificationI.610OAM Principles of B-ISDN AccessQ.2931 B-IS

15、DN Access Signalling第三章 ATM 4、ATM的標準化組織 ATM論壇：致力于推廣ATM技術的民間組織，主要由設備提供商、通信軟件服務提供商、運營商及有關的研究機構發(fā)起和組成； 迄今為止ATM論壇已經以白皮書形式發(fā)布了許多有關接口、信令等技術細節(jié)方面的行業(yè)標準，這些標準很可能成為未來國際電聯(lián)的技術標準。第三章 ATM 4、ATM協(xié)議的參考模型 參考模型定義 了三層協(xié)議 ATM適配層 ATM層 ATM物理層 第三章 ATMATM LayerPhysical LayerAdaptationLayerTCSARCSLayer twoLayer oneHigher layersPM

16、D 4、ATM協(xié)議的參考模型 ATM適配層的主要功能 數據流/數據包等如何裁減(適配)到ATM的信元載荷中； 定義服務類別 ATM層 定義信元結構 確定如何建立、維護和釋放虛電路 （實現選路、交換、復用、QoS支持、流量控制等） ATM物理層 媒體依賴子層（PMD）：接口方式，信元流比特流 信元的識別定界、差錯控制編譯碼第三章 ATM 5、ATM層 UNI（UserNetwork Interface）信元頭結構 第三章 ATM48-octet data fieldGFCVPIVPIVCIVCIVCIPTIHEC811st Octet2nd Octet3rd Octet4th Octet5th

17、OctetBitsCLP 5、ATM層 NNI（NetworkNetwork Interface）信元頭結構 第三章 ATM48-octet data fieldVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHEC811st Octet2nd Octet3rd Octet4th Octet5th OctetBits 5、ATM層 信元頭各有關域的功能 （1）在UNI信元中包含有GFC（Generic Flow Control field）域，可用于用戶與網絡接口間進行流量控制 兩種接口工作模式： 受控模式：每次發(fā)送需獲得允許發(fā)送標識方可發(fā)送 非受控模式：GFC000 第三章 ATM48-octet

18、 data fieldVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHECGFC 5、ATM層 信元頭各有關域的功能 （2）VPI：虛通道標識 可標識 256(UNI-8bits)/4096(NNI-12bits)條不同的虛通道 最大的實際可用的虛通道數可在接口初始化時協(xié)商確定第三章 ATM48-octet data fieldVCIVCIVCIPTICLPHECVPIVPIGFCReal physical linkVPI 57VPI 68 5、ATM層 信元頭各有關域的功能 （3）VCI：虛通路標識 可標識 65536 (16bits-UNI & NNI)條不同的虛通路 最大的實際可用的虛通路數

19、可在接口初始化時協(xié)商確定 第三章 ATMVPI 57VPI 68VCI 39VCI 40VCI 38VCI 39VPI 68VPI 68VCI 39VCI44VCI 40VCI 41Physical Interfaces4- octet data fieldPTICLPHECVPIVPIGFCVCIVCIVCI 5、ATM層 VPI/VCI ATM面向連接功能的實現依賴VPI/VCI對虛連接的標識； VPI/VCI僅在一條物理鏈路（本地）有效； 每經過一個ATM交換機，VPI/VCI根據虛連接建立時設定查找表確定輸出端口，同時變換為下一段物理鏈路的VPI/VCI取值； 設立VPI，VCI兩級的

20、標識有利于對虛連接的管理，便于核心交換機高速交換； 理論上，在一條物理信道上，可同時支持的虛連接數 N28216 (UNI) N212216 (NNI)第三章 ATM 5、ATM層 VPI/VCI兩級標識管理有利于支持高速交換的示例 第三章 ATMMultiple channels destined for a common location can be quickly and simply switched by the network if they share a common VPIchannels131145117channels131145117 5、ATM層 特殊的VPI/VC

21、I標識 VPI = 0VCI = 0 to 15ITU-T 信令VPI = 0VCI = 16 to 31ATM Forum 附加信令VPI = ALLVCI = 1 to 5 （一般保留用于特殊用途） 詳細參加書P81表32第三章 ATMATM SwitchVirtual Channel SwitchVirtual Path SwitchVCI1VCI2VCI3VCI4VCI1VCI2VCI3VCI4VCIaVCIbVCIaVCIbVPI1VPI2VPI3VPI1VPI2VPI4VPI5VPI5 5、ATM層 VPI/VCI標識在交換過程中的應用 第三章 ATM 5、ATM層 VPI/VCI

22、標識與交換映射表 第三章 ATMATM Cell ATM CellsVPI/VCI = A/B VPI/VCI = X/Y12Switch Map (1)VPIVCIInterface VPI VCI A B 2 X Y - - - - -VPI/VCI is of LOCAL SignificanceOnlyVirtual Channel ConnectionVirtual Channel LinkVirtual Channel LinkCPE ACPE BSwitching Node 5、ATM層 利用VPI/VCI標識實現虛信道連接的概念 第三章 ATM 5、ATM層 PTI：信元類型標

23、識（3bits） 第三章 ATMPTI Coding (MSB first)InterpretationUser data cell, congestion not experienced, SDU type = 0 User data cell, congestion not experienced, SDU type = 1 User data cell, congestion experienced, SDU type = 0 User data cell, congestion experienced, SDU type = 1 Segment OAM F5 flow-related

24、cell End-to-end OAM F5 flow-related cell Resource management cellReserved for future functions000 001 010 011 100 101 110 11148-octet data fieldVPIVPIVCIVCIVCICLPHECGFCPTI 5、ATM層 PTI：信元類型標識（3bits） PTI (bit 3): 標識所在信元是用于管理功能的信元(bit=1)或者是用戶/信令信元(bit=0).PTI (bit 2): 標識本信元在傳輸過程中是否經歷有擁塞的交換機(bit=0:無擁塞；bit

25、=1:有擁塞) 該比特也稱為 EFCI (Explicit Forward Congestion Indicator)PTI (bit 1): 用于標識本信元是否承載ATM適配層中AAL5 業(yè)務數據單元(SDU)數據的最后一個信元.第三章 ATM 5、ATM層 CLP：信元丟失優(yōu)先級標識 當交換機發(fā)現用戶發(fā)送的流過載，會對信元的該域進行標識 (bit=1)，當網絡發(fā)生擁塞時，丟棄具有標識的信元第三章 ATMCLP = 0CLP = 0CLP = 1CLP = 1Private UNIPrivate NNIPublic UNIPublic NNI48-octet data fieldVPIVPI

26、VCIVCIVCIHECGFCPTICLP 5、ATM層 HEC：信元頭差錯控制與信元間定界 檢錯功能（強制）：g(x)=x8+x2+x+1 糾錯功能（可選）：實現1比特錯誤的檢測和糾正 定界：利用被（保護）檢錯位與監(jiān)督位之間的約束關系 來實現信元的定界。第三章 ATM48-octet data fieldVPIVPIVCIVCIVCICLPGFCPTIHEC 5、物理層 定義物理層承載ATM信元的方式和接口標準 已經定義的物理層信元傳輸接口 SDH（同步數字序列）接口：STM1/2/3(155/622/2488Mbps) PDH（準同步數字序列）接口：E1/3/4(2/34/139Mbps)

27、 DS1/DS3(1.544/44,736Mbps) 直接信元傳輸接口：ITU155/622Mbps ATM論壇STP/UTP:155/25.6Mbps FDDI信元傳輸接口：ATM論壇100Mbps SONET接口: (與SDH速率適配的北美標準) 第三章 ATM 5、物理層 物理層由TC和PMD兩個子層構成 TC(Transmission Convergence):傳輸會聚子層功能 HEC域中監(jiān)督位的生成與接收校驗 信元加擾與解擾 信元定界 PMD(Physical Medium Dependent)媒體子層功能 比特定時 線路波形編碼和物理信號特征 物理連接器結構第三章 ATMSecti

28、onADMLinePathADMADMRepeatersInsertedDataDroppedDataRepeatersInsertedDataDroppedData 5、物理層 SDH/SONET雙向光交換網第三章 ATMADM: Add Drop MultiplexerRepeaterSectionMultiplexerSectionPathPayloadPointer0 Sec.125 Sec. 5、物理層 SDH/SONET數據幀結構第三章 ATM 5、物理層 SDH/SONET數據幀結構 Repeater Section 域: 用于傳遞與線路信號增強設備(repeaters)之間交互

29、的控制信息. 通常稱為 F1 flow； Multiplexer Section 域: 用于傳遞兩個相鄰復接器(Multiplexer)間交互的控制信息；通常稱為 F2 flow Path 域: 用于傳遞進出該幀數據SDH/SONET網絡端口的信息；通常稱為 F3 flow. Point 域：用于控制調整設備間的時鐘差異； Payload 域：用于傳輸ATM信元。第三章 ATM 5、物理層 SDH/SONET數據幀承載信元的形式 在沒有信息傳輸或ATM設備與SDH/SONET網絡的設備傳輸速 率不匹配時，可通過插入或刪除空信元實現信元速率解偶.第三章 ATM 5、ATM適配層 ATM適配層的主

30、要功能 數據流/數據包等如何裁減(適配)到ATM的信元載荷中； 定義服務類別。 第三章 ATMAdaptation LayerSARCSHigher layer dataHHThe use of a CS is not required byall AALsEtc. HT HT HT 5、ATM適配層 業(yè)務類別(Service Catagories) CBRConstant Bit Rate VBR-RTVariable Bit Rate - Real Time VBR-NRTVariable Bit Rate - Non-Real Time ABRAvailable Bit Rate UBR

31、Unspecified Bit Rate GFRGuaranteed Frame Rate (later) 第三章 ATM 5、ATM適配層 ITU-T (rec. I 362) 定義的業(yè)務分類方法第三章 ATMClass AClass BClass CClass DTiming betweensource and destinationRequiredNot requiredBit rateConstantVariableConnection modeConnection-orientedConnectionlessAAL 1AAL 2AAL 3AAL 4AAL 5RelevantAdapt

32、ation Layer 5、ATM適配層 ATM適配層類型 （1）AAL1：用于A類業(yè)務 （2）AAL2：用于B類業(yè)務 （3）AAL3/4：用于C、D類業(yè)務 （4）AAL5：用于C、D類業(yè)務第三章 ATM 5、ATM適配層 ATM適配層的結構第三章 ATM 5、ATM適配層 ATM適配層的結構 （1）會聚（CS）子層 業(yè)務特定的會聚子層（SSCS）：根據特定的業(yè)務需求加入 公共部分會聚子層（CPCS）：確定一個公共數據報單元 （2）拆裝子層（SAR） 根據不同類別的AAL類型，將CPCS數據報裁減成特定的信 元、加入控制信息或做相反的變換。 可根據不同的傳輸要求確定是否需要特定的CS子層的功能

33、第三章 ATM 5、ATM適配層 ATM適配層的作用 ATM適配層涉及不同類別業(yè)務端到端的的傳輸控制功能 網絡節(jié)點中的交換機只涉及ATM層的控制功能第三章 ATMAALApplicationATMPHYApplicationAALATMPHYATMPHYATMPHYATM NetworkUNIUNINNISourceDestination 5、ATM適配層 AAL1：主要用于傳輸對延時敏感的固定速率（CBR）的業(yè)務 第三章 ATM47 bytes47 bytes48 bytes48 bytes53 bytes 5、ATM適配層 AAL1會聚層子（CS）主要功能 完成時序恢復：處理時延變化 時鐘

34、恢復 無特定的會聚層數據報（未定義CS-PDU） 第三章 ATM 5、ATM適配層 AAL1的SAR子層功能: 傳遞會聚子層標識（CSI） 順序/丟失控制（SN） CSI、SN字段保護（SNP）： 3bits CRC（X3X1）校驗1bit 奇偶校驗第三章 ATM47 bytes48 bytesCSI1 bitSN3 bitCRC3 bitP1 bit1 byte (8 bits) 5、ATM適配層 AAL2：主要用于傳輸可變速率的實時業(yè)務 AAL2支持多個不同業(yè)務流的復合傳輸 AAL2包含SSCS與CPS兩個子層 SSCS可根據不同的特定業(yè)務的需求加入 CPS的主要功能 多個不同業(yè)務流的復用

35、與分路 時鐘和同步處理 CPS-SDU數字分組序列傳輸的完整性保證第三章 ATM48 bytes47 bytes53 bytesATM cellATM cellSecondary AAL 2 headerInitial AAL2 headerUser 1User 2User 3 5、ATM適配層 AAL2多路業(yè)務流的復合傳輸第三章 ATM 5、ATM適配層 AAL2數據分組的格式第三章 ATM47 bytesUser 1User 23 bytes (24 bits)CIDLIUUIHEC8 bits6 bits5 bits5 bits48 bytesOffsetSNP1 byte (8 bit

36、s)6 bits1 bit1 bit 5、ATM適配層 AAL2 CPS分組各個域（1st Header）的功能CID Field：標識不同的業(yè)務流，可支持多達248個獨立業(yè)務流 LI Field：標識不同業(yè)務流每個數據分組的載荷長度，長度可變 UUI Field： 用于端到端不同業(yè)務流內協(xié)商功能，如用于協(xié)商最 大的傳輸單元（MTU）的大小HEC：用于對上述各個域的差錯控制和保護（X5X21）第三章 ATM 5、ATM適配層 AAL2 PDU分組各個域（2nd Header）的功能 Offset Field：標識從該PDU（2nd Header）之后的下一字節(jié)到 凈荷中的第一個CPS分組的起始位置之間的字節(jié)數 SN Field：1比特的順序控制 P Field：1比特的奇偶校驗差錯控制第三章 ATM 5、ATM適配層 AAL3/4：主要應用于傳輸對延時不敏感的數據業(yè)務 ALL3/4 原設計可以支持各類數據業(yè)務，包括面向連接、非面 向連接等，提供順序控制和差錯控制等功能； ALL3/4 的工作方式在傳輸過程中有較低的效率，其應用逐步 被AAL5所替代。 第三章 ATM 5、ATM適配層 AAL3/4的主要工作模式 確保方式 支持CS-PDU出錯重傳 支持流量控制 限于點到點的AAL連接 非確保方式 出錯不重傳 流量控制功能可