第九章 异步传输模式 ATM

1. 第九章 异步传输模式ATM 概述 两种信息传递模式 ATM分层结构与基本功能 ATM局域网仿真技术

2. 电话网 • 将所有的话机和一个交换机相连接，由交换机根据用户的请求建立任意两部话机之间的通信通道

3. 城市电话网 • 不同地方的电话网络的交换机节点之间通过中继线群相连接后，不同本地网络中的话机才能够建立通信信道

4. 中继线路和用户线路 • 交换设备之间的线路称为中继线路 • 采用光纤作为传输媒体 • 传输方式采用数字式 • 多路数字话音信息通过时分方式复用中继线路 • 交换机和终端用户之间的电路连接称为用户线路 • 采用双绞线作为媒体 • 传输的是带宽为3.1kHz的模拟话音信号 • 和其直接相连的交换机进行数字化处理

5. 多路复用中继线路（一） • 频分复用

6. 多路复用中继线路（二） • 时分复用 • 将一条数字传输信道或一条中、高速数据电路，通过一个自动分配系统，按照一定的时间间隔分割成很多条较低速率的独立传输信道，这些信道可以为不同的通信过程使用 • 时分复用的对象是数字信号，所以话音信号要进行时分复用，必须经过脉冲编码调制(PCM-Pulse Code Modulation)将模拟信号数字化才能进行传递

7. 同步传递模式STM • 整个通信连接期间始终有一条电路被建立，并按照时分复用原理将信息从一个节点传递到另一个节点，当通信结束后，连接被撤销 • 同步传输模式STM过程 • PCM是通过对模拟信号抽样、量化和编码，将模拟信息转化成数字信号，为了保证话音的还原质量，必须保证每秒钟对话音信号进行8kHz抽样，对于每个抽样，进行8比特编码 • 交换节点之间进行n路话音复用：将125μs时间分成n个时隙，在每个时隙中，系统对一路话音进行抽样获得一个抽样值，每个抽样值为8比特编码，所以其中第0路话音信号占用0～7位，第1路话音信号占用8～15位，第n-1路话音信号占用8(n-1)～8n-1位，在所有帧中话音信号都是这样排列，信号在帧中的位置属于具体的通信通道 • 在接收端进行相反的操作，恢复出模拟的声音信号

8. STM中的帧和时隙 • 北美的T1格式：一帧中有24个时隙 • 欧洲的E1格式：一帧中有32个时隙，其中30个时隙用于话音传输，第0时隙用于传输帧同步信号，第16个时隙用于传输30个话路的信令，我国采用E1格式

9. 利用电话网络传输数据 • 用户线路依旧传输模拟话音信号 • 调制解调器，需要连接ISP • 电话接入双绞线改造成为数字用户环路DSL(Digital Subscriber Loop)，使得用户线路可发送数据 • 依然在模拟话音信号的信道上传输(N-ISDN) • 扩展信道带宽以提高数据传输速度(xDSL) • 使用光纤接入用户端(B-ISDN)

10. 综合服务数字网（ISDN） • 通过单一线路发送数字语音呼叫和数据的一种电信标准，用数字系统取代模拟系统，既要能够适应语音通信，又要能够适应非语音通信 • N-ISDN • 使用电路交换技术 • 通过PBX来实现的：数字PBX可以将一定数量的终端设备连接成为局部地区的专用网络，提供本地交换功能 • 提供两种速率：基本速率和主要速率 • B-ISDN • 使用ATM技术

11. 电路交换 • 电路交换是一种直接交换方式，是多个输入线和多个输出线之间直接形成传输信息的物理链路 • 电路交换分为四个阶段 • 静止阶段 • 呼叫控制阶段 • 数据传送阶段 • 清除阶段

12. 分组交换 • 在分组交换网中，用户信息封装在分组中。分组中有分组头，其中包含一些附加信息。这些附加信息用来在网络中进行路由选择、差错纠正、流量控制等。 • 分组交换有两种方式 • 面向连接方式(虚电路)：面向连接方式是类似电话通信方式，有连接建立、通信和撤销连接三个阶段。连接建立阶段根据用户的请求，经过网络寻址功能选择固定的路径建立连接。用户数据沿这条连接进行传输，数据传输结束后，连接被撤销。 • 无连接方式(数据报)：在通信过程中，每一个分组的分组头中都包含有发送和接收用户的网络地址。网络对每一个分组独立地执行寻址功能。这样，在两个用户之间的一次通信中，各个分组可能经由不同的路径。 • 分组长度是可变的。因此，网络内需要一个相当复杂的缓冲器管理。同时，分组转发机制也引人了网络延迟，这使得分组交换技术很难用于实时业务。但对于低速数据来说，分组交换仍然是成功有效的

13. 电路交换和分组交换的区别

14. 异步传输模式ATM • ATM网络采用面向连接的快速分组交换技术，它是通过建立虚电路来进行数据传输的 • ATM采用固定长度的数据包：信元 • 固定长度的信元使得联网和交换的排队延迟时间更容易预测。同时，较小的信元长度降低了交换节点内部缓冲器的容量，限制了信息在缓冲器的排队延迟 • 与可变长度的数据包相比，ATM信元更便于简单可靠地进行处理，很高的可预估性使ATM硬件可以更有效的实现 • 信元头的功能要比普通的分组交换精简的多，其主要功能是用来根据虚电路标志识别虚连接，除此之外，信元头还支持一些非常有限的功能 • ATM采用统计时分复用的方式来进行数据传输：根据各种业务的统计特性，在保证业务质量要求的情况下，在各个业务之间动态地分配网络带宽，以达到最佳的资源利用率；利用统计复用有可能使输入带宽的总和大于总带宽 • ATM采用预约传输资源的方式工作 • ATM标准的制定：ITU-T(the telecommunication standardisation sector of International Telecommunications Union)，国际通信联盟(ITU)的前身是国际电报电话咨询委员会(CCITT) ；ATM论坛，属于民间组织

15. ATM综合了电路交换和分组交换的优点 • 具有电路交换的“处理简单”的特点，支持实时业务、数据透明传输(网络内部不对数据作复杂处理)、并采用端到端的通信协议 • 具有分组交换支持变比特率VBR业务的特点、并能对链路上传输的业务进行统计复用

16. STM和ATM的比较 • 传统的STM方式将来自各种信道上的数据组成帧格式，每路信号占用固定比特位组，在时间上相当于固定的时隙，任何信道是通过位置进行标识。在ATM方式中保持时隙的概念，但是时隙中装载的信息不是按照固定的周期来自各通信过程，而是来自于实际需要传送的数据通道，这样通信过程不能由时隙进行标识，所以必须保留分组的复用标志 • 由于是按需分配带宽，所以取消了STM方式中帧的概念，可以看到在ATM时隙中存放的实际就是分组交换中的分组，在这里称为信元 • 在ATM方式中采用的是分组交换中的虚电路形式，同时在呼叫过程向网路提出传输所希望使用的资源，其中资源的约定并不像电路交换中给出确定的电路或PCM时隙，只是用以表示将来通信过程所可能使用的通信速率。与STM不同，在ATM中，一个数据连接只在有数据要传输时才被分配时隙进行传输，而没有数据需要传输时，则不占用带宽，可以解决STM中出现的带宽浪费的问题

17. STM和ATM的比较图示

18. 9.3 ATM分层结构与基本功能 • ATM的传输过程可以包括以下几个阶段：连接建立、数据传输和连接终止 • ATM网络是网状拓扑结构，由多个ATM交换机组成。ATM网络与用户之间的接口称为用户网络接口UNI，ATM交换机之间的接口称为网络与网络接口NNI • ATM中的虚连接由虚通路(VP:Virtual Path)和虚通道(VC:Virtual Channel)组成，分别用VPI和VCI来标识 • 多个虚通道可以复用一个虚通路 • 多个虚通路可以复用一条传输链路 • 在一个传输链路上，每个虚连接可以用VPI和VCI的值唯一标识 • ATM是多工传输

19. 虚连接的建立和信元传输 • 当发送端希望与接收端建立虚连接时，它首先通过UNI向ATM网络发送一个建立连接的请求。接收端接到该请求并同意建立连接后，一条虚连接才会被建立。虚连接用VPI／VCI来标识。连接建立后，虚连接上所有中继交换机中都会建立连接映像表。 • 在虚连接中，相邻两个交换机间信元的VPI／VCI值保持不变。当信元经过交换机时，其信元头中VPI／VCI值将根据要发送的目的地，参照连接映像表被映射成新的VPI／VCI。这样，通过一系列VP、VC交换，信元被准确地传送到目的地。

20. 虚连接的类型和服务质量参数(QoS) • 虚连接的类型有两种 • 永久虚连接（PVC）：PVC是由网络管理等外部机制建立的虚拟连接，该连接在网络中一直存在 • 交换虚连接（SVC）：SVC是在进行数据传输之前通过信令协议自动建立的，数据传输之后便被拆除 • 每个ATM虚连接都有一个服务质量参数（QoS）来标定所传输的数据。QoS主要包括数据传输所需要的带宽、数据负载类型（CBR或ABR等）以及数据优先级、时延、时延抖动等

21. ATM的信元格式 • ATM中的信息传输采用固定长格式，一律为53字节。其中包括48个字节的数据和5个字节的信元头。 • ATM信元长度的选择是考虑到以下几个方面的因素：传输率、打包时延、在交换机中的排队时延以及交换机中存储器的大小等。 • ATM的信元头由五个字节组成。ATM信元头的功能很有限，主要用来标识虚连接。另外，也完成一些功能有限的流量控制，拥塞控制，差错控制等功能，虚连接由信元头中的VPI/VCI标识

22. ATM的基本功能和特点 • ATM可以看做是一种特殊的分组型传递方式，它建立在异步时分复用的基础上，并使用固定长度的信元。 • ATM的传输过程 • 连接建立：当用户希望通过ATM网络传输数据时，首先通过信令向目的站点提出建立虚连接的请求，同时给出该连接所需要的QoS参数。若这些要求能够被满足，则连接被建立，发送端得到一个VPI/VCI。 • 数据传输：这时，发端就可以通过这条虚连接将数据发送给接收端。当数据经过ATM交换机时，要进行VP、VC交换，这时，信元头中的VPI、VCI被赋予新值。 • 连接终止：数据传输结束后，虚连接被拆除。 • ATM的特点：适应高带宽应用的需求；能同时传输多种数据信息；具有良好的可扩展性；LAN和WAN具有统一的结构以及为应用提供特点的QoS参数等。

23. 9.3.1 ATM的分层 • 采用了和OSI模型类似的逻辑层次结构用于ATM B-ISDN网。 • 同时，这个模型还采用平面的概念来分离用户、控制和管理。

24. B-ISDN/ATM网络协议参考模型 • 协议参考模型包括3个面，分别表示用户信息、控制和管理三个方面的功能 • 用户面：支持数据传送、流量控制、差错检测以及其他的用户功能，采用分层控制结构 • 控制面：主要用于连接管理，包括对信令信息的管理，采用分层结构 • 管理面：维护网络和执行操作功能 • 面管理：实现与整个系统有关的管理功能，并实现所有面之间的协调。面管理不分层 • 层管理：实现网络资源和协议参数的管理，处理操作维护OAM信息流，采用分层结构

25. 每个平面中的分层 • 在每个平面中，采用了OSI的分层方法，各层相对独立，分为物理层、ATM层、ATM适配层和高层 • 物理层：主要讨论物理媒体的问题，如电压、比特定时、信元头验证以及信元速率匹配等问题，其功能相当于OSI七层模型中的物理层和数据链路层。 • ATM层：主要讨论信元及其传输，它定义了信元格式、虚连接的建立和拆除以及路由选择等。信元的拥塞控制也是在这里定义的。它的功能相对于OSI模型中的网络层。 • ATM适配层：CCITT在ATM层之上定义了ATM适配层，即AAL层。来为高层应用提供信元分割和会聚功能，将业务信息适配成ATM信元流

26. ATM协议模型中各层和相应子层的功能

27. 9.3.2 ATM高层及其服务 • ATM高层实际上指高层与业务相关的功能，高层是与业务密切相关联的，ITU-T定义了ATM网络业务分类，网络业务分为A、B、C、D四类，每一类分别对应不同的网络业务，其中包括定时、比特率及连接模式

28. ATM支持的服务 • CBR（恒定比特率）：主要用来模拟电路交换，如 TI电路等。比特以恒定的速率从一端传到另一端。传输过程中没有错误检测、流量控制或其他操作。 • VBR（可变比特率）：这类服务又分为两个子类，分别称为RT-VBR（实时可变比特率）和NRT-VBR（非实时可变比特率）。RT-VBR主要用来提供具有严格实时要求的可变比特率服务，如实时视频会议等。在这类服务中，ATM网络不能在信元的传输中引人波动，因为这会引起显示的抖动。在NRT-VBR服务中，及时传送很重要，但应用中可以容忍一定量的抖动。例如，多媒体电子邮件。 • ABR（可用比特率）：这类服务主要是为带宽并不确定的突发式的通信设计的。如，当用户使用Web浏览器来查询信息时，便使用这类服务。这时，用户对带宽的需要是不确定的，如果用户在访问数据量断续的主页和用户正在阅读当前主页，所需带宽很少或几乎为零；而当用户下载图像密集的主页时，所需带宽会猛增。使用ABR服务，可以使用户避免长时间申请一个固定带宽，例如，用户可以将自己所用的虚连接指定为：在通常状况下，带宽为2Mbps，但带宽可以升高为 10Mbps。在ABR服务中，当网络发生阻塞时，会向信息发送者返回消息来请求减缓发送。ABR服务是惟一的一种具有这种反馈机制的服务类型

29. 续前 • UBR（不定比特率）：这类服务不对用户作出任何承诺，同时，也不对网络阻塞作出任何反馈。用它来传送IP包是非常合适的。当网络发生拥塞时，UBR信元将被丢弃，网络不会向发送者返回任何反馈信息。文件传递、电子邮件以及公告牌等服务使用UBR是完全可以的

30. 9.3.3 ATM适配层 • ATM适配层(AAL)负责处理从高层应用来的信息，在发送方，负责将从用户应用传来的数据包分割成为固定长度的ATM有效负载(48字节)，在接收方，将ATM信元的有效负载重组成为用户数据包，传递给高层应用。 • 虽然 AAL层的功能与 OSI模型中的传输层的功能是有差别的，由于 AAL层位于具有网络层功能的ATM层之上，并具有一些类似传输层的功能，我们可以将其与传输层对应起来。 • AAL层、服务分类及网络业务的对应关系如下： • AAL1 CBR A类 • AAL2 VBR B类 • AAL3/4 ABR UBR C/D类 • AAL5 ABR UBR C/D类 • 现在用得最多的是 AAL1和 AAL5。对于恒定比特率的业务，采用 AALI进行适配；而对于可变比特率的数据业务，如局域网、帧中继、X.25等，则采用AAL5进行适配。AAL一直未形成完善的协议标准；AAL3/4则由于协议开销较大和控制复杂而逐渐被AAL5所取代。

31. 会聚子层(CS)和拆装子层(SAR) • 会聚子层CS • 是与业务相关的，它负责为来自用户平面的信息(如IP包)作分割准备，以使CS层能将这些信息再拼成原样。 • CS层将一些控制信息——子网头或尾附加到从上层传来的用户信息上，一起放在信元的有效负载中。 • 拆装子层SAR • 是将来自CS子层的数据包(CS-PDU)分割成44～48字节的信元有效负载，并将SAR层的少量控制信息(如果有)作为头、尾附加其上，将其重组为SAR-PDU。 • 此外，在某些服务类型中，SAR子层还可以具有其他一些功能，如误码检测、连接复用等。在某些服务类型中，SAR或／和 CS子层可以为空。

32. CS子层和SAR子层的操作

33. AAL5 • CS子层将控制信息附加到有用户平面来的数据包，并利用填充字段将用户数据包填充成48字节的整数倍，使之成为CS-PDU • SAR子层只有分段和重组的功能，它只包括将CS子层的数据包分割成为48字节的信元有效负载，或反过来的操作

34. 9.3.4 ATM层——ATM网络的核心 • ATM层为ATM网络中的用户和用户应用提供一套公共的传输服务。ATM层提供的基本服务是完成ATM网上用户和设备之间的信息传输。 • ATM层其功能可以通过ATM信元头中的字段来体现。主要有：信元头生成和去除、一般流量控制、连接的分配和取消、信元复用和交换、网络阻塞控制、汇集信元到物理接口以及从物理接口分检信元等。 • ATM层接收到AAL层提供的信元载体后，必须为其加上信元头以生成信元，这样信元才可以成功地在ATM网络上进行传输。 • 当ATM层将信元载体向高层AAL层传输时，必须去除信元头。 • 信元载体提交给AAL层后，ATM层也将信元头信息提交给AAL层。所提交的信息包括用户信元类型、接收优先级以及阻塞指示。

35. ATM的信元头格式 • ATM信元头有5个字节组成，信元头结构分为UNI上的信元头和NNI上的信元头

36. 信元头中各字段的说明 • GFC字段：被定义成用来提供UNI接口上的流量控制，以减轻网络中可能出现的瞬间业务量过载。该字段只出现在UNI接口的信元头中出现，即在主机和网络之间起作用，而在NNI接口的信元头中，则没有GFC字段。 • CLP字段：进行阻塞控制，以保证一定的业务质量。CLP标识信元的两种优先级，CLP=1为低优先级，CLP=0为高优先级。当网络阻塞时，首先丢弃低优先级的信元，这样可以在一定的情况下保证业务质量。 • 信元的复用和交换主要通过信元头中VPI和VCI来实现。通过复用在一条传输链路上 的不同虚连接进行传输的信息是通过VPI/VCI来区分的。信元交换、路径选择是ATM交换机和交叉连接设备根据连接映像表对VPI和VCI进行交换实现的。连接映像表在虚连接被建立时，由信令过程创建。 • PTI字段：由3bit组成，用来区分信元类型，是用户数据信元，还是系统内作为维护和控制的OAM信元。 • HEC字段：信元头验证，将在后面叙述

37. ATM地址 • 建立虚连接时，源站点需要指明要建立连接的目的站点的地址。 • ATM地址包括三个部分： • AFI(Authority and Format Identifier)字段，指明 ATM地址的类型和格式 • IDI(Initial Domain Identifier)字段，指明地址分配和管理的授权 • DSP(Domain Specific Part)字段，包含真正的路由信息。 • 根据AFI和IDI字段性质的不同，ATM地址可以分为三种形式 • DCC格式(国家)：在这种格式中，IDI字段为 DCC(Data Country Code)，它表示由ISO 3166确定的不同国家。这个地址是由各个国家的ISO国家成员组织来进行管理的。 • ICD格式(国际组织)：在这种格式中，IDI字段为 ICD(International Code Designator)，由ISO 6523登记机构分配，表示各个国际组织。 • E.164形式(ISDN号码)：在这种地址形式中，IDI是 E.164号码，它是一种由前 CCITT规定的旧式15位十进制ISDN号码。

38. ATM地址格式

39. ATM地址 • ATM论坛建议各组织和网络服务厂商使用DCC或ICD格式的ATM地址。 • ATM地址中DSP字段 • HO-DSP • RD：路由信息域 • AREA：地区标识符 • ESI：被指定为一个48位的MAC地址。这样将有助于同时支持使用这种地址的LAN设备和依赖MAC地址的LAN协议，如 IPX等。 • ATM地址中的 SEL字段用于终端站点内的本地多路复用，没有任何网络上的意义。 • ATM论坛采用ILMI(临时本地管理接口)协议来对ATM终端系统进行地址登记。ATM可以通过UNI将自己的MAC地址发送给ATM交换机，并从该处获得完整的ATM地址的其余部分。

40. ATM虚连接的建立 • ATM中的连接可以是点到点的连接，也可以是点到多点的连接 • 建立的方式： • 永久虚连接(PVC)：通过网络管理等外部机制建立的；存在时间较长，主要用于经常要进行数据传输的两站点间 • 交换虚连接(SVC)：由信令协议自动建立的连接，通过连接信令建立基于ITU-T标准的ATM连接

41. ATM虚连接建立的过程 • Setup(连接建立请求)：源站点通过缺省虚连接(通常为VPI=0，VCI=5)向目的站点发出连接建立请求。该请求中包含源站点ATM地址、目的站点ATM地址、传输特性以及 QoS参数等。 • Call Proceeding(呼叫确认)：网络向要求建立连接的源站点回送呼叫确认，表明呼叫建立已启动。并不再接收呼叫建立信息。 • Setup沿网络向目的的站点传播。在传播的每一步都会返回 Call Proceeding确认。 • Connect(连接)：目的站点接收到连接建立请求后，若连接条件满足，则返回连接，表明接受呼叫。然后，网络用连接响应源站点，源站点被接受。 • Connect Ack(连接确认)：在Connect返回源站点过程中，每一步均会产生连接确认，最后源站点用连接确认响应网络。

42. ATM虚连接的建立图示

43. 虚连接的拆除 • Release(拆除连接)：要求拆除虚连接的源站点向网络发出拆除连接 • Release Complete(拆除完成)：相邻的交换机接到该消息后，向源站点返回 Release Complete。 • Release沿ATM网络向目的站点传播。在网络中传播的每一步，都会得到Release Complete确认。 • Release到达目的站点后，虚连接将被拆除。

44. 虚连接技术 • ATM采用了虚连接技术，将路由选择和数据传输分离，两个通信实体之间通过控制信令建立虚连接，在这一过程中，进行路由选择，虚连接建立起来后，路由选择过程便结束了，剩下的任务就是数据传输了，信元按照确定好的虚连接进行传输。通过将路由选择和数据传输分离开来，简化了数据传输中间的控制，提高了数据传输的速度。 • ATM标准本身并没有特定的路由协议，采用哪一种路由协议由ATM交换机厂商自己决定。

45. 虚连接拆除的图示 • 当数据传输完成后，虚连接要被拆除。虚连接拆除的过程如下

46. ATM中的连接：虚通道连接和虚路径连接 • 虚通道连接VCC： • 相当于两个用户之间建立的端到端的虚连接 • VCC是通过若干个VC交换节点相连，连接相邻交换节点之间的虚通道称为虚通道链路(VCL)，因此VCC是由VCL串接而成的 • 某条特定VCC中的各段VCL的标识符VCI是各不相同的 • VCL的端点——VC交换机完成相应VCL的VCI变换 • 虚通路连接VPC： • 表示属于一组VC子层ATM信元的路径。引入虚通路VP概念可以使网络对具有相同要求、相同方向上的传输，进行成组监测、管理和控制，以此简化操作过程，降低网络费用，提高网络的响应能力。考虑到ATM网络中容纳的传输带宽和媒体种类以及通信连接的数量，可以知道如果ATM传输网没有VP子网功能，宽带网络根本无法应付这样复杂和巨大的控制和管理工作 • VPC是通过若干个VP交换节点相连，连接相邻交换节点之间的虚通路称为虚通路链路(VPL)，因此VPC是由VPL串接而成的 • 某条特定VPC中的各段VPL的标识符VPI是各不相同的 • VPL的端点——VP交换机完成相应VPL的VPI变换 • 由于VPC是嵌入在VCC中的，所以，经过VC交换也会改变VPI的值

47. ATM传输网络层之间的关联

48. ATM交换 • 虚连接建立后，被赋予VPI/VCI值作为标识，并在虚连接经过的每个ATM交换机上建立一个连接映射表。每个VPI/VCI值只在相应的用户和交换机间或相邻交换机间的局部有意义。当信元经过交换机时，VPI/VCI值需要进行交换。交换是根据交换机中的连接映射表进行的。 • VP交换：根据VP连接的目的站点，将输入信元的VPI值更改为可导向目的站点的新VPI值。在交换过程中，该VP中所有VC同时进行交换，VCI的值保持不变。通常交换机之间的交换都采用VP交换。 • VC交换：如果某一虚通路VC需要指向特定的目的站点。则进行VC交换，在VC交换中，信元头中的VPI和VCI的值通常同时发生改变。

49. VP交换和连接映射表

50. VC交换和VP交换