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计算机网络. 第 5 章 ATM. 异步传递方式 ATM ATM 的基本概念. 人们曾经设想过 “ 未来最理想的 ” 一种网络应当是宽带综合业务数字网 B-ISDN 。 B-ISDN 采用新的 ATM 交换技术。这种技术结合了电路交换和分组交换的优点。 虽然在 B-ISDN 并没有成功，但 ATM 技术还是获得了相当广泛的应用，并在因特网的发展中起到了重要的作用。. 异步传递方式 ATM (Asynchronous Transfer Mode). ATM 是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。

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  1. 计算机网络 第 5 章 ATM

  2. 异步传递方式 ATM ATM 的基本概念 • 人们曾经设想过“未来最理想的”一种网络应当是宽带综合业务数字网 B-ISDN。 • B-ISDN 采用新的 ATM 交换技术。这种技术结合了电路交换和分组交换的优点。 • 虽然在 B-ISDN 并没有成功，但 ATM 技术还是获得了相当广泛的应用，并在因特网的发展中起到了重要的作用。

  3. 异步传递方式 ATM(Asynchronous Transfer Mode) • ATM 是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接的快速分组交换技术。 • 采用同步数字体系（ SDH）／同步光纤网（SONET）为传输媒介，以异步传输方式为通信标准。 • ATM 采用定长分组作为传输和交换的单位。这种定长分组叫做信元(cell)。

  4. ATM 的主要优点如下： • 选择固定长度的短信元作为信息传输的单位，有利于宽带高速交换。信元长度为 53 字节，其首部（可简称为信头）为 5 字节。 • 能支持不同速率的各种业务。

  5. ATM 的主要优点如下： • ATM 使用光纤信道传输。由于光纤信道的误码率极低，且容量很大，因此在ATM 网内不必在数据链路层进行差错控制和流量控制(放在高层处理)，因而明显地提高了信元在网络中的传送速率。

  6. ATM 的缺点 • ATM 的一个明显缺点就是信元首部的开销太大，即 5 字节的信元首部在整个 53 字节的信元中所占的比例相当大。 • ATM 的技术复杂且价格较高。 • ATM 能够直接支持的应用不多。 • 10 千兆以太网的问世，进一步削弱了 ATM 在因特网高速主干网领域的竞争能力。

  7. 虚通路 VPx VCx VCy VCz VCx 虚通道 VCy VCx VCy VCz VPy VPz VCI 与 VPI（ VPI 包含 VCI） • ATM 连接用信元首部中的两级标号来识别。 • 虚通路标识符 VPI (Virtual Path Identifier) • 虚通道标识 VCI (Virtual Channel Identifier) 传输链路

  8. 虚通路 VPx VCx VCy VCz VCx 虚通道 VCy VCx VCy VCz VPy VPz VCI 与 VPI（ VPI 包含 VCI） • 一个虚通路 VP 是在两个或两个以上的端点之间的一个运送 ATM 信元的通信通路。 • 一个虚通路 VP 包含有许多相同端点的虚通道 VC，而这许多 VC 都使用同一个 VPI。 传输链路

  9. 虚通路 VPx VCx VCy VCz VCx 虚通道 VCy VCx VCy VCz VPy VPz VCI 与 VPI（ VPI 包含 VCI） • 在一个给定的接口，复用在一条链路上的许多不同的 VP，用它们的 VPI 来识别。 • 复用在一个 VP 中的不同的 VC，用它们的 VCI 来识别。 传输链路

  10. ATM 网络中的网络元素 • ATM端点（又称为 ATM 端系统）通过点到点链路与 ATM 交换机相连。 • ATM交换机是一个快速分组交换机（交换容量高达数百 Gb/s），其主要构件是： • 交换结构(switching fabric) • 若干个高速输入端口和输出端口 • 必要的缓存

  11. a e b f c g d h ATM 的交换结构 ATM 交换机 输入信元 输出信元 交换结构

  12. B-ISDN协议参考模型

  13. B-ISDN协议参考模型 • 用户平面：采用分层结构，提供用户信息流的传送，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等； • 控制平面：采用分层结构，完成呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放； • 管理平面：包括层管理和面管理。其中层管理采用分层结构，完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令。同时层管理还处理与各层相关的OAM信息流；面管理不分层，它完成与整个系统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。

  14. ATM 的协议参考模型和信元结构 1. ATM 的协议参考模型 ATM 的协议参考模型共有三层，大体上与 OSI的最低两层相当（但无法严格对应）。 ATM 的层次 CS子层 3 ATM 适配层 (AAL 层) SAR子层 ATM 层 2 TC 子层 物理层 1 PMD 子层

  15. (1) 物理层（分为两个子层） 靠下面的是 PMD 子层，即 物理媒体相关子层 (Physical Medium Dependent Sublayer) ATM 的层次 CS子层 3 ATM 适配层 (AAL 层) SAR子层 ATM 层 2 TC 子层 物理层 1 PMD 子层

  16. (1) 物理层（分为两个子层） 靠上面是 TC 子层 传输汇聚子层 (Transmission Convergence Sublayer) ATM 的层次 CS子层 3 ATM 适配层 (AAL 层) SAR子层 ATM 层 2 TC 子层 物理层 1 PMD 子层

  17. 物理层中的 PMD 子层 • PMD子层负责在物理媒体上正确传输和接收比特流。它完成只和媒体相关的功能，如线路编码和解码、比特定时以及光电转换等。 ATM 的层次 CS子层 3 ATM 适配层 (AAL 层) SAR子层 ATM 层 2 TC 子层 物理层 1 PMD 子层

  18. 物理层中的 TC 子层 • TC子层实现信元流和比特流的转换，包括速率适配（空闲信元的插入）、信元定界与同步、传输帧的产生与恢复等。 • 在发送时，TC 子层将 ATM 层交下来的信元流转换成比特流，再交给下面的 PMD 子层。 • 在接收时，TC 子层将 PMD 子层交上来的比特流转换成信元流，标记出每一个信元的开始和结束，并交给 ATM 层。 • TC 子层的存在使得 ATM 层实现了与下面的传输媒体完全无关。典型的 TC 子层就是 SONET/SDH。

  19. 9 行  9 字节 的开销和指针 53 字节 53 字节 53 字节 53 字节 53 字节 53 字节 53 字节 5 字节首部 有效载荷 放入 ATM 信元 ATM 信元流装入一个 STM-1 帧的例子 270 字节 261 字节 … 9 行 … …

  20. (2) ATM 层 • 主要完成交换和复用功能，与传送 ATM 信元的物理媒体或物理层无关。 ATM 的层次 CS子层 3 ATM 适配层 (AAL 层) SAR子层 ATM 层 2 TC 子层 物理层 1 PMD 子层

  21. ATM层的功能 • 信元的复用与分用 • 信元的 VPI/VCI 转换（就是将一个入信元的 VPI/VCI 转换成新的数值） • 信元首部的产生与提取 • 流量控制

  22. (3) ATM 适配层 AAL • AAL (ATM Adaptation Layer)层的作用就是增强 ATM 层所提供的服务，并向上面高层提供各种不同的服务。 ATM 的层次 CS子层 ATM 适配层 (AAL 层) 3 SAR子层 2 ATM 层 TC 子层 物理层 1 PMD 子层

  23. 话音信号 A/D AAL 层 ATM 层 53 字节信元 48 字节数据块 数字化的采样信号 视频信号 A/D AAL 层 ATM 层 压缩的编码信号 图像帧 48 字节数据块 53 字节信元 数据信号 ATM 层 AAL 层 48 字节数据块 53 字节信元 长度可变的突发数据分组 AAL 层将 48 字节长的数据块交给 ATM 层，加上 5 字节的首部后变成 53 字节的信元

  24. AAL 层的两个子层 • AAL 层又划分为两个子层 • CS 子层 • SAR 子层 ATM 的层次 CS子层 ATM 适配层 (AAL 层) 3 SAR子层 2 ATM 层 TC 子层 物理层 1 PMD 子层

  25. 汇聚子层 CS(Convergence Sublayer) • 使 ATM 系统可对不同的应用（如文件传送、点播视像等）提供不同的服务。每一个 AAL 用户通过相应的服务访问点 SAP（即应用程序的地址）接入到 AAL 层。在 CS 子层形成的协议数据单元叫做 CS-PDU。

  26. 拆装子层 SAR (Segmentation And Reassembly) • 在发送时， SAR 子层将 CS 子层传下来的协议数据单元 CS-PDU 划分成为 48 字节的单元，交给 ATM 层作为信元的有效载荷。 • 在接收时，SAR 子层进行相反的操作，将 ATM 层交上来的 48 字节长的有效载荷装配成 CS-PDU。 • SAR 子层就使得 ATM 层与上面的应用无关。

  27. 交换机 交换机 ATM 层 ATM 层 物理层 物理层 物理层 物理层 ATM 层和 AAL 层 • 在 ATM 交换机中只有物理层和 ATM 层。 ATM 端点 ATM 端点 ATM 网络 IP 层 IP 层 AAL层 AAL层 ATM层 ATM层 物理层 物理层 ATM 网络

  28. ATM 端点 ATM 端点 AAL层 AAL层 ATM 层和 AAL 层 • AAL 层只能驻留在 ATM 端点之中。 交换机 交换机 ATM 网络 IP 层 IP 层 ATM层 ATM层 ATM 层 ATM 层 物理层 物理层 物理层 物理层 物理层 物理层 ATM 网络

  29. ATM 在哪一层？ • 当孤立地观察一个 ATM 网络时，ATM 网络像一个广域网，因为它可以覆盖很大的地理范围，有自己网络的硬件地址和进行信元转发的结点交换机，并且向上提供虚电路服务。 • 从 IP 层来看，整个的 ATM 网络又相当于两个 IP 结点之间的一条数据链路，因而整个 ATM 网络又好像是处在数据链路层。 • 可见 ATM 体系结构中的层次和 OSI 的层次很难有严格的对应关系。

  30. 砂漏模型 不同类别的应用 AAL1 AAL2 AAL3/4 AAL5 AAL 层 信元 53 字节 ATM 层 51 Mb/s UTP 100 Mb/s 光纤 155 Mb/s 光纤 其他 物理层

  31. 2. ATM 的信元结构 ATM 信元有两种不同的首部 ATM 信元 字节 5 48 有 效 载 荷 首 部 网络到网络接口 NNI (Network-to-Network Interface) 在 UNI GFC VPI VCI PT HEC 比特 4 8 16 3 1 8 CLP 用户到网络接口 UNI (User-to-Network Interface) 在 NNI VPI VCI PT HEC 比特 12 16 3 1 8

  32. 通用流量控制 GFC (Generic Flow Control) 4 bit 字段，通常置为 0。 GFC 用来在共享媒体上进行接入流量控制， 现在的点到点配置不需要这一控制功能。 ATM 信元 字节 5 48 有 效 载 荷 首 部 在 UNI GFC VPI VCI PT HEC 比特 4 8 16 3 1 8 CLP 在 NNI VPI VCI PT HEC 比特 12 16 3 1 8

  33. VPI/VCI，路由字段，总共24 bit。 VPI/VCI 和帧中继中的 DLCI 字段的作用相似。 UNI 的 VPI/VCI字段中的 VPI 占 8 bit UNI 的 VPI/VCI字段中的 VCI 占 16 bit ATM 信元 字节 5 48 有 效 载 荷 首 部 在 UNI VPI VCI GFC PT HEC 比特 4 8 16 3 1 8 CLP 在 NNI VPI VCI PT HEC 比特 12 16 3 1 8

  34. NNI 的 VPI/VCI字段中的 VPI 占 12 bit NNI 的 VPI/VCI字段中的 VCI 占 16 bit ATM 信元 字节 5 48 有 效 载 荷 首 部 在 UNI GFC VPI VCI PT HEC 比特 4 8 16 3 1 8 CLP 在 NNI VPI VCI PT HEC 比特 12 16 3 1 8

  35. PT PT 有效载荷类型 PT (Payload Type) 3 bit字段， 用来区分该信元是用户信息或非用户信息。 ATM 信元 字节 5 48 有 效 载 荷 首 部 在 UNI GFC VPI VCI HEC 比特 4 8 16 3 1 8 CLP 在 NNI VPI VCI HEC 比特 12 16 3 1 8

  36. CLP 信元丢失优先级 CLP (Cell Loss Priority) 1 bit字段，指示信元的丢失优先级。 ATM 信元 字节 5 48 有 效 载 荷 首 部 在 UNI GFC VPI VCI PT HEC 比特 4 8 16 3 1 8 在 NNI VPI VCI PT HEC 比特 12 16 3 1 8

  37. HEC CLP HEC 首部差错控制 HEC (Header Error Control) 8 bit 字段，只对首部的前四个字节 （但不包括有效载荷部分）进行 CRC 检验，并将检验结果放在 HEC 字段中。 ATM 信元 字节 5 48 有 效 载 荷 首 部 在 UNI GFC VPI VCI PT 比特 4 8 16 3 1 8 在 NNI VPI VCI PT 比特 12 16 3 1 8

  38. SETUP SETUP SETUP CALL PROCEEDING CALL PROCEEDING CALL PROCEEDING 连 接 建 立 CONNECT CONNECT CONNECT ACK CONNECT CONNECT ACK CONNECT ACK RELEASE 连 接 释 放 RELEASE RELEASE COMPLETE RELEASE RELEASE COMPLETE RELEASE COMPLETE ATM 网络 交换机 X 交换机 Y A B NNI NNI UNI UNI 数据传送阶段 t

  39. ATM的主要信令报文

  40. VCI和 VPI 的转换 • ATM 信元在 ATM 网络中传输时，一定是在某个特定的虚连接上按序传送的。 • ATM 信元的首部一定要有这个虚连接的标识符 VPI/VCI，以便惟一地标识该信元属于哪一个虚通路。 • 所有的 VPI/VCI 值只在每一段物理链路上具有惟一的值。 • 每经过一段链路，信元的 VPI/VCI 值都可能改变数值。

  41. 入 入 出 出 端口 VPI/VCI 端口 VPI/VCI 1 9/35 4 6/35 入 入 出 出 端口 VPI/VCI 端口 VPI/VCI 4 3/17 2 9/35 入 入 出 出 端口 VPI/VCI 端口 VPI/VCI 4 6/35 2 42/55 端点 A 通过 ATM 交换机 X, Y 和 Z 与端点 B 建立了一条逻辑连接 ATM 网络 交 换 机 X 交 换 机 Z 3/17 42/55 交 换 机 Y 6/35 9/35 A 1 B 1 4 2 4 2 1 4 3 3 2 3 交换机 Y 的 VPI/VCI 转换表 交换机 X 的 VPI/VCI 转换表 交换机 Z 的 VPI/VCI 转换表

  42. 　拥塞控制 • 接纳控制：希望防患于未然，减少拥塞发生的可能性。和接纳控制一起使用的还有资源预约。 • 数据流整形：ATM上的用户虽然给出了所产生的数据流的特征，但实际应用所产生的数据可能并不一定完全符合这些要求。ATM端系统中常常要进行数据整形，使得应用产生的数据符合在进行资源预约时递交给网络的流量特征。 • 流量控制：网络使用流量监视手段来监控每条连接上数据是否符合其要求的流量的数据。如果有数据流量超过预约值，则超过预约的信元的CLP标识会被ATM交换机置为1，在发生网络拥塞时，这些信元将首先被丢失。 • 资源预约 • 基于速率的拥塞控制方法

  43. ATM的服务种类 • ATM论坛依据通信量特性和QoS等定量参数，提出了将ATM的服务按照比特率的特点划分为以下5个种类(category)，即 • 恒定比特率(Constant Bit Rate，CBR) • 实时可变比特率(real-time Variable Bit Rate，rt-VBR) • 非实时可变比特率 (non-real-time Variable Bit Rate，nrt-VBR) • 不指明比特率(Unspecified Bit Rate，UBR) • 可用比特率(Available Bit Rate，ABR) 。

  44. AAL业务分类

  45. AAL 层举例：AAL5 • 所有的支持交换虚连接 SVC (Switched Virtual Connection)的 ATM 交换机和端点都必须支持 AAL5。 • 用户数据先传递给 AAL5 的汇聚子层 CS，作为汇聚子层的数据。 • SAR 的协议数据单元 SAR-PDU 是由 CS 子层交来的48字节的数据块组成。 • 每个 SAR-PDU 再加上 5 个字节的 ATM 信元首部就构成了一个完整的 ATM 信元。

  46. PT ＝ 000 PT ＝ 000 PT ＝ 000 AAL5 将用户数据分割为48 字节的数据块交给 ATM 层 字节 2 2 4 用户数据（例如，IP 数据报） CRC 检验 保留 长度 CS-PDU 填充 尾部 1~65535 字节 CS 子层 AAL5 层 48 字节 48 字节 48 字节 48 字节 SAR-PDU SAR 子层 发送 ATM 层 ATM 信元 53 字节 ATM 信元 53 字节 ATM 信元 53 字节 ATM 信元 53 字节 PT ＝ 001 表示是最后一个信元

  47. ATM与IP的结合 • 叠加模型：ATM看做是数据链路层协议，在其上运行IP协议。（经典IPOA、局域网仿真LANE,MPOA) • 集成模型：将第三层的路由选择功能和第二层的交换功能综合在一起（MPLS)

  48. 传统局域网和ATM网络 • 传统局域网以非连接方式传输数据，ATM采用面向连接的点对点的通道复用方式传输数据。 • 局域网式共享媒体的，易实现广播或组播通信；ATM采用较复杂技术实现。 • 局域网以不定长度帧为单位单位传输数据，ATM采用固定长度信元。 • 局域网使用MAC地址，与网络拓扑无关；ATM使用ATM地址，由网络分配确定 • 要ATM支持局域网，需要：局域网仿真（LANE）

  49. ATM局域网仿真 • ATM网络虽然有很多优点，但是相比之下，其配置和使用比以太网等LAN都要复杂得多。 • 用户希望在向ATM转化的过程中仍然保留现有LAN的业务，使得整个过渡能够平稳进行。 • LAN仿真就是要在ATM网上模拟传统LAN网的一些特性在ATM网上构造新的LAN，让ATM网络上的设备和传统LAN网上的设备能够透明通信。

  50. ATM局域网仿真 • 看做是ATM网络提供的一种服务 • 局域网仿真不仅提供与ATM站点的连接，而且提供与传统局域网站点的连接。 • 局域网仿真最主要的功能是将MAC地址解析为ATM地址。

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