高速网络技术 High Speed Computer Network Technology

高速网络技术High Speed Computer Network Technology 邬春学 tyfond2@126.com http://www.sciencenet.cn/blog/tyfond.htm 上海理工大学 Thursday, October 23, 2014

内容提要 3.1 ATM技术概述 3.2 ATM的协议体系结构(逻辑连接和信元略) 3.3 ATM的服务类别 3.4 ATM的服务质量QoS 3.5 ATM局域网 3.6 WATM 3.7 IP与ATM结合 3.8 研究课题讨论

4.1 ATM技术概述 ATM是英文“Asynchronous Transfer Mode”（异步传输方式）的缩写。这里的“异步”与PC MODEM通信中使用的术语“异步”不是一回事。在ATM中“异步”是指ATM取得它的非通道化带宽分配的方法。当术语同步和异步用于传输方式时，是指多路复用的方案：把来自许多发送源的交通量混合在一起，输出到同一物理网络通路上。在同步传输方式中，每个发送源被分配一个基于位置的固定带宽；在频分复用（FDM）中是频段，在时分复用（TDM）中是时间槽。ATM则根本不是基于在数据流中的位置，而是用一个头来标志它是谁的交通量以及它前往何处。异步表明ATM的数据包可能出现的时间是不规则的，这种不规则的时间取决于应用程序的性质，而不是传输系统的成帧结构。

传输：信息在物理媒体上的传送 复用：多个信息流共用一条信道交换：在多个信息流汇集的中心点上，选择各个信息流的出向。参考书目：ITU-T I 系列建议：B-ISDN 转送方式（Transfer Mode)概念

媒质和信息传送方法： 光纤电缆卫星微波/无线电波技术指标：误码率速率时延 …… 传输（Transmission)

同步时分复用 分组时分复用异步时分复用复用(Multiplex)

同步时分复用（Synchronous Time Multiplex) • 定义帧和时隙 • 等分信道 • 仅凭时间轴上的位置就足以区分出各个信道 • 参考书目：复接技术、SDH 1 2 3 1 2 3 1 2 3

封装报头参考书目：分组交换、Internet、TCP/IP 分组时分复用 1 2 3 2 1

电路交换 同步时分交换数字逻辑电路实现同步时分交换

基于计算机的交换 存储转发分组交换

时延线路利用率用途：话音和数据比较

综合两种转送方式 综合提供两种业务后来发生了许多变化 80年代的想法：ATM的初衷

1980：窄带ISDN被采用 80年代早期：快速分组交换的研究 80年代中期：B-ISDN研究小组成立 1986：ATM被选作B-ISDN的方法 1989年6月：48+5选定(64+5 对 32+4) 1991年10月：ATM论坛成立 1992年7月：ATM论坛发布UNI v2 1993：UNI v3 近来：PNNI-1, UNI 4.0 ATM历史

STM STM(同步时分复用)使用时分复用(TDM) TDM中，时间分成时间片，固定数目的时间片k个分成一组构成一帧。帧按时间重复。对应于特定信道的时间片在帧中的相对位置固定。整个系统包括k个带宽相同的信道。

STM 用户被预先指定了传输的时间片无论他是否有数据要发。同一连接可以和多个TDM信道联系。这形成了多速率电路交换网络。 STM有所有电路交换的低效之处。

ATM 基于交换的点对点结构分组交换快速分组交换基于硬件的交换设计固定大小的小包

ATM 面向连接的范例没有链接对链接的流控和差错控制资源预定和呼叫录入控制异步时分复用

4.2 ATM的协议体系结构 图5.3 ATM的协议参考模型

4.2 ATM的协议体系结构 用户平面User plane（U-plane）：提供用户信息的传送，同时传送相关的控制信息（如流量控制，差错控制）。控制平面Control plane（C-plane）：用于建立网络连接并管理这些连接，同时还包括释放连接。管理平面Management plane（M-plane）：包括两个功能，层管理和面管理。面管理没有层结构，它执行与系统整体相关的管理功能和提供在所有平面之间的协调；层管理用来管理层中的实体，并执行OAM业务（operation，administration and management）。

物理层 ATM层 AAL层控制平面管理平面用户平面 4.2 ATM的协议体系结构 ATM协议

4.5 ATM的信元 ATM又称信元中继（cell relay）。在概念上同帧中继类似。ATM所面临的挑战是建立一种物理网络，包容所有先前的网络功能和服务，还要能适应未来服务需求的改变而免遭淘汰。内由一个现存的网络能够做到这一点。正因为如此，网络才会有五花八门的互相分离的类型。因此就像建造房屋那样，ATM要发明可以建造任何需要的或想要的种类的网的砖瓦。这种砖瓦就是ATM的信元。

4.5 ATM的信元 ATM可以看作是一种特殊的分组型传递方式，建立在异步时分复用基础上，使用不连续的数据块进行数据传输，并允许在单个物理接口上复用多条逻辑连接。在ATM中，每一个逻辑连接上的信息流量都被组织成固定大小的称为信元（cell）的分组。每个信元包含5字节的信息头与48字节的信息段。 ATM的目标是要提供一种高速，低延迟的多路复用和交换网络以支持用户所需进行的多种类型的业务传输，如声音，图像，视频，数据等。

ATM的信元格式 4.5 ATM的信元

4.5 ATM的信元 ATM的信元格式

4.5 ATM的信元 GFC字段可用在本地用户网络接口的信元流量控制上。它能够用来帮助用户进行通信流量的控制以支持各种不同的服务质量。这个字段的一个可能的用途是提供一个为了按照服务类型对信息流进行控制的多优先级的指针。在任何情况下，GFC机制旨在用来缓和网络中的短期超载情况。

4.5 ATM的信元 虚通道标识符VPI 网络路由选择字段的一部分。它在用户-网络接口是8 Bit的，在网络节点接口则是12 Bit的。虚通路标识符VCI用于端用户之间的路由选择。它的功能很像一个服务访问点（service access piont）。

4.5 ATM的信元 载荷类型PT（Payload Type）字段指示出信息字段中所装信息的类型。第一个比特是0值就表示用户信息，即从上一个高层来的信息。在这种情况下，第二个比特表示是否拥塞已经发生；第三个比特称为服务数据单元（SDU）的类型比特，它可用来区分同属一个连接的两类ATM SDU。SDU指的是48字节的信元负荷。载荷类型字段第一个比特值是1，就表示这个信元承载网络管理或维护信息。这种表示使得可以将网络管理信元插入到用户的VCC中而不影响用户的数据。因此，它能提供带内控制信息。

4.5 ATM的信元 信元丢弃优先级CLP（Cell Loss Priority）用来在网络发生拥塞的情况下为网络提供指导。CLP为0值是表示一个相对高优先级的信元，这种信元不应该被丢弃，除非没有其它可用的选择。CLP值为1，表示这个信元在网络内可以丢弃。

4.5 ATM的信元 头部差错控制HEC（Header Error Control）字段该字段是基于头部剩余32 bit进行计算的。用来产生编码的多项式是X8 +X2 +X+1。该编码不仅可用于差错检测，而且在某些情况下也可用于差错纠正。这是因为编码中有足够的冗余信息可用于从一定差错模式中恢复原有信息。差错保护功能提供了从首部有单个比特的差错中恢复过来，并且在突发差错情况下使接受方将首部有差错的信元当成正确信元的概率大大降低。光纤传输系统的差错通常包括单个比特差错和相对较大的突发性差错。

4.5 ATM的信元 ATM信元长度 ATM信元长度只有53字节。在一个以太网上允许的最小帧长度是64字节。 ATM信元长度设置的这样小是有许多原因的。它基本上是语音需求和图像文件传送这样的数据应用需求之间的一个折衷。整个思想是避免等待长分组完成传输所引起的长的不可预料的时延。

4.6 ATM的服务类别 在ATM网络中，端系统使用服务种类来表示所需的服务类型。ATM论坛定义过以下的服务种类： ·实时服务 · 恒定比特率（CBR） · 实时可变比特率（rt-VBR） · 非实时服务 · 非实时可变比特率（nrt-VBR） · 可用比特率（ABR） · 不指明比特率（UBR）

4.3 ATM的服务类别 ·CBR服务也许是最容易定义的服务。CBR用于支持这样的应用，它需要在整个连接持续期间具有连续可用的恒定数据率，并对传输时延有相对严格的上限要求。CBR通常用于未压缩声音和视像信息。其应用的例子包括： ·视频会议（videoconferencing） ·交互的声音（如电话） ·声音/视像分发（如电视、远程学习、收费电视） ·声音/视像度区（如点播视像、声音图书馆）

4.3 ATM的服务类别 实时可变比特率（rt-VBR） rt-VBR服务是用于对时间敏感的应用；这类应用对于时延和时延抖动有严格的要求。适合于rt-VBR的应用与适合于CBR的应用的主要不同之处是：rt-VBR应用的传输速率会随时间变化。相同的，一个rt-VBR信源具有突发性特征。Rt-VBR服务比CBR服务允许网络有更大的灵活性。网络能够在相同的容量上浮用大力哪个连接，而且仍然对每一个连接提供所需的服务。

非实时可变比特率（nrt-VBR） 4.3 ATM的服务类别对于一些非实时的应用，可以通过描述通信流量特性从而使网络能够在丢失和时延方面提供服务质量的实质性改进。这些应用可以使用nrt-VBR服务。对于这样的服务，端系统指明峰值信元速率、持续信元速率或平均信元速率，以及一个衡量信元突发性或密集程度的度量。利用这些信息，网络就能够分配资源以便提供相对地的时延和最小的信元丢失。nrt-VBR服务能够用于具有严格时间响应要求的数据传输。

不指明比特率（UBR） 4.3 ATM的服务类别在任一给定时间，ATM网络的一部分容量用在承载CBR以及两类VBR的通信量上。由于一下一点或两点原因，网络会由一些富裕容量可用：（1）并不是所有的资源都被用于CBR和VBR业务量。（2）VBR业务量的突发性特征意味着有时实际使用的容量会少于分配到的容量。所有为使用的容量都可以供UBR使用。这种服务适合于能够容忍可变时延和一些信元丢失的应用，基于TCP的服务就是这种应用的典型。

不指明比特率（UBR） 4.3 ATM的服务类别使用ABR的应用指明了一个它所使用的峰值信源速率PCR（Peak Cell Rate）以及所需要的最小信源速率MCR（Minimun Cell Rate）。网络分配资源以便使得所有ABR应用都接受到的容量达到其MCR值。然后，任何未使用的容量都在全体ABR应用之间可公平的共享。ABR机制使用向信源发出显示反馈能确保公平的分配容量。ABR未使用的资源可供UBR服务使用。使用ABR应用的一个例子是局域网互连。

迄今为止的主流 原因：宽带、快速的数据平台优势正在丧失 ATM业务（数据） 4.3 ATM的服务类别

优于IP：质量 优于广播电视：双向优于普通电信电路：调度、广播、信令问题：范围不够广泛 4.3 ATM的服务类别 ATM业务（图像、VOD）

不够广泛的应用 AAL 2 IP电话 4.3 ATM的服务类别 ATM业务（话音）

SDH电路调度 ATM优势 4.3 ATM的服务类别 ATM业务（电路调度）

话音/数据混合传输的场合 例：移动通信 4.3 ATM的服务类别 ATM业务（混合业务）

4.4 ATM的服务质量QoS（Quality of service） 服务质量对于ATM网络是一个非常重要的事项，其部分原因是因为它们用于诸如声频和视频这类实时交通。在建立一条虚电路时，端点用户（典型的是在主机中的一个进程，代表客户）和 ATM网络层（代表网络运营者，或称载体部门）必须达成一个定义服务的协定。在公用网络的情况下，这个协定可以具有法律的效应。例如，如果载体部门同意信元丢失率不会超过每千兆位一个信元，而网络在实际运行过程中每千兆位丢失两个信元，那么客户就可以控告网络运营者违约。

4.4 ATM的服务质量QoS（Quality of service） 客户和网络之间的协定 1. 将要提供的流量 2.协定的服务 4.答应的必要条件

4.4 ATM的服务质量QoS（Quality of service） 服务质量参数

4.5 ATM局域网 u 第一代：以CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多路存取)和令牌环局域网为代表。第一代局域网提供了终端到主机的连接，并且以中等数据率支持客户服务器体系结构。第二代：以光纤令牌环局域网100Mbps的光纤分布式数据接口FDDI（Fiber Distributed Data Interface）为代表。它满足了主干局域网的需要，并且支持高性能的工作站。第三代：以ATM局域网为代表。第三代局域网被设计成能够提供聚集的吞吐量和所需的多媒体应用的实时运输的保证。

4.5 ATM局域网 第三代局域网实时信息传输规模可变的吞吐量高传输容量易于在LAN和WAN之间进行互连

4.5 ATM局域网 局域网仿真以太网和令牌环网等局域网技术在今天已经被广泛的应用，并且，在这些网络上有许多的应用。但是，一些新的应用（入视频会议video conferencing）要求有更高的带宽，服务质量（QoS）的支持，以及扩展网络更容易的方法。ATM则是能满足这些要求的技术。因此，将ATM技术应用于局域网是一种很有吸引力的解决方案。从另一方面讲，现存的象PC，服务器，工作站等设备（例如以太网的网卡）和许多应用，都包含了大量的投资，是不可能在一夜之间被代替的。因而，ATM论坛描述了这样一种方法，它允许ATM逐渐的进入现存的遗留下来的局域网。这种方法就叫做局域网仿真（Local area network emulation,LANE）。

4.5 ATM局域网 局域网仿真的基本原则 LANE被用来代替MAC层。ATM通过在两个终结点建立点到点的连接来代替通过共享介质进行“广播和过滤”的传输技术。LANE可以向高层提供象“标准的”MAC层设备一样的服务。LANE使得ATM的点到点的虚连接看起来就像一个共享的介质，因而能够做到对高层的协议透明。LANE的另外一个重要的优势就是它不会影响ATM交换机。所有LANE上的过程都是建立在标准的ATM协议之上的。这也被称为一种“重叠模式”。

4.5 ATM局域网 局域网仿真协议结构

高速网络技术 High Speed Computer Network Technology