现代计算机网络原理A.ppt

2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,1,现代计算机网络原理_3 异步传递模式 （ATM）,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,2,1、异步传递模式（ATM）产生的背景 ATM：ATM: Asynchronous Transfer Mode/异步传递模式 现代通信的主要业务类别： 传统的电话话音、传真数据 传统的广播与电视节目信号 互联网上的各种数据业务 编码后的语音、图像、视频信号数据 交互式的视频会议语音、图像、文字、图形信息数据 各种测控信息数据,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,3,1、异步传递模式（ATM）产生的背景 不同业务对传输要求有很大的差异 如：,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,4,1、异步传递模式（ATM）产生的背景 不同业务对传输要求的差异 速率要求差异很大 数据流的突发性差异很大 对传输误比特率的要求不同 对传输延时、延时抖动的敏感性不同 对传输形式的要求不同： 点对点 点对多点（广播、组播） 多点对多点（多方会议）,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,5,1、异步传递模式（ATM）产生的背景 为适应不同传输要求构建的不同网络 共用电话交换网 广播电视网 分组数据交换网 计算机网（以太网/令牌环网/令牌总线网） 各种专用的测控网,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,6,1、异步传递模式（ATM）产生的背景 构建综合数字业务网（ISDN）的方案,第三章 ATM,Narrowband ISDN (N-ISDN) Circuit switch Broadband ISDN (B-ISDN) Packet/Cell switch,2 x B(earer) 64 kbit/s 1 x D(ata) 16 kbit/s,30 x B(earer) 64 kbit/s 1 x D(ata) 64 kbit/s,Primary rate,Basic rate,224 x B(earer) variable In-band signalling,ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,7,1、异步传递模式（ATM）产生的背景 构建综合数字业务网的基本设想 能够融合电路交换和分组交换两种技术的特点： 能够保留电路交换的优点，延时和延时抖动能够控制在所 期待的范围，适合实时和恒定速率业务的传输 具有数据分组交换的优点，信道统计复用，适合突发性高 的业务的传输，保持高的信道利用率,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,8,1、异步传递模式（ATM）产生的背景 光纤的大规模应用要求改变传统传输方式 传统的分组交换，逐段进行差错控制，节点处理复杂、 延时大，适合不太可靠的长距离铜缆传输介质,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,9,1、异步传递模式（ATM）产生的背景 光纤的大规模应用对改变传统传输方式的要求（续） 光纤的特点：容量大、可靠性高 新的传送模式可以只需要端到端的检错机制,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,10,1、异步传递模式（ATM）产生的背景 ATM发展的简要历史 1983 - First ATM papers published 1987 - ITU-T selects ATM for B-ISDN 1990 - ITU-T issues 13 recommendations 1992 - First ATM LANs installed 1993 - First ATM WANs installed,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,11,2、ATM的基本原理 采用短的、固定长度的分组数据单元：信元（Cell） 信元的头部（Header）结构简单，交换机无需做复杂处理 信元长度很短：53字节（538bits），转发延时小 长度固定：交换机易于处理、延时易于预测,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,12,2、ATM的基本原理 ATM信元：总长53字节，其中头部5字节，载荷48字节 载荷长度来历： 欧洲希望：32字节 美国希望：64字节 最终：,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,13,2、ATM的基本原理 ATM信元的信元结构,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,14,2、ATM的基本原理 用户-网络接口ATM信元的结构 GFC (Generic Flow Control)：一般流量控制 VPI (Virtual Path Identifier)：虚通道标识 VCI (Virtual Channel Identifier)：虚通路标识 PTI (Payload Type Identifier) (PTI)：净荷类型知识 CLP (Cell Loss Priority)：信元丢失优先级 HEC (Header Error Check)：信头差错控制 Data field: 数据域,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,15,2、ATM的基本原理 同步传输模式：每个用户在固定的时刻分配固定长度的时隙,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,16,2、ATM的基本原理 ATM的异步时分复用概念：某个特定VPI/VCI的链接的信元非等间隔，不占据固定的时隙。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,17,2、ATM的基本原理 ATM交换的基本概念：采用虚连接的工作方式，各交换节点预先建立入/出口间的通道。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,18,2、ATM的基本原理 ATM交换的基本概念（续） 两种虚连接的工作方式： （1）交互式虚连接（SVC）：每次通信前根据用户请求，利用控制信令确定路由、确定服务类别和传输质量（QoS）、建立链接表、通信结束后释放信道资源； （2）永久虚连接（PVC）：根据用户的租赁要求，预先配置好网络，建立固定的传输路径和相应的链接表，用户随时可以传输数据。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,19,Permanent (PVC) Switched (SVC),2、ATM的基本原理 ATM交换的基本概念：永久虚连接与交换式交换式,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,20,3、ATM网络的性能特征 时间透明性：反映系统对传输延时的控制能力 ATM网络能够根据用户对传输延时的需求，确定服务的类别，保证特定的传输延时； 端到端延时的主要原因： 传输/传播时延（TD） 打包时延（PD） 解包时延（DD） 交换时延（SD）：SDFDQD FD：固定交换时延 QD：排队时延,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,21,3、ATM网络的性能特征 信息透明性：反映系统对传输差错的控制能力 ATM网络能够根据用户对传输差错控制的不同要求，确定服务的类别，保证传输的可靠性； 传输出错的主要原因： 信道/设备内噪声的随机干扰误比特、信元误插/丢失 交换设备的缓冲资源不足拥塞时信元溢出被丢弃,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,22,3、ATM信元 信元头的主要功能 标识特定的虚连接（VPI/VCI） 确定拥塞时信元丢弃的先后（CLP） 区分信元的类别（PTI）：用户数据/系统维护信息 信元头的差错控制 基本功能：信元检错 可选功能：1比特信元纠错 信元定界 承载用户数据/系统信令与维护信息,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,23,3、ATM信元 ATM信元定界的基本方法：利用信元头中被保护的部分与HEC字段之间根据检错/纠错建立的特定关联关系来定界。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,24,第三章 ATM,3、ATM信元 ATM信元定界的基本方法： （1）承载信元的数据帧可以区分不同的字节的起止位置； （2）在搜索状态，以字节为单位确定连续的5个字节，利用信元头中被保护的部分与HEC字段之间根据检错/纠错建立的特定关联关系来确定该2个字节是否信元头； （3）若非信元头，顺延一个字节，然后判断连续的5个字节是否信元头，一直到搜索到信元头为止； （4）找到一个可能的信元头后，以一个信元间隔为单位，判断下一个信元头的位置是否正确，若重复 次均正确，则进入跟踪状态，否则回到搜索状态； （5）在跟踪状态，如果出现 次连续的跟踪错误，则重新回到搜索状态，否则保持跟踪状态不变。,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,25,3.1、ATM信元的传输效率 ATM信元的效率传输的字节数的关系，随着传送字节数的增加，传输效率会按锯齿状发生变换，但最终趋于90。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,26,3.2、ATM信元大小与打包时延的关系 打包时延与ATM信元大小成正比,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,27,3.3、ATM信元大小与排队时延的关系 ATM信元大小与排队时延的关系。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,28,3.3、ATM信元大小的选择 综合上述： 效率 打包时延 排队时延 等因素，选择信元的载荷为48字节也较为有利。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,29,4、ATM的标准化组织 国际电联：国际电联制定了ATM的基本框架协议 I.113 B-ISDN Vocabulary I.121 Broadband Aspects of ISDN I.150 B-ISDN ATM Characteristics I.211 B-ISDN Service Characteristics I.311 B-ISDN Network Aspects I.321 B-ISDN Protocol Reference Model I.327 B-ISDN Functional Architecture I.361 B-ISDN ATM Layer Specification I.362 B-ISDN ATM Adaption Layer I.413 B-ISDN User-Network Interface I.432 B-ISDN UNI Physical Layer Specification I.610 OAM Principles of B-ISDN Access Q.2931 B-ISDN Access Signalling,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,30,4、ATM的标准化组织 ATM论坛：致力于推广ATM技术的民间组织，主要由设备提供商、通信软件服务提供商、运营商及有关的研究机构发起和组成； 迄今为止ATM论坛已经以白皮书形式发布了许多有关接口、信令等技术细节方面的行业标准，这些标准很可能成为未来国际电联的技术标准。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,31,4、ATM协议的参考模型 参考模型定义 了三层协议 ATM适配层 ATM层 ATM物理层,第三章 ATM,ATM Layer,Physical Layer,Adaptation Layer,TC,SAR,CS,Layer two,Layer one,Higher layers,PMD,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,32,4、ATM协议的参考模型 ATM适配层的主要功能 数据流/数据包等如何裁减(适配)到ATM的信元载荷中； 定义服务类别 ATM层 定义信元结构 确定如何建立、维护和释放虚电路 （实现选路、交换、复用、QoS支持、流量控制等） ATM物理层 媒体依赖子层（PMD）：接口方式，信元流比特流 信元的识别定界、差错控制编译码,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,33,5、ATM层 UNI（UserNetwork Interface）信元头结构,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,34,5、ATM层 NNI（NetworkNetwork Interface）信元头结构,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,35,5、ATM层 信元头各有关域的功能 （1）在UNI信元中包含有GFC（Generic Flow Control field）域，可用于用户与网络接口间进行流量控制 两种接口工作模式： 受控模式：每次发送需获得允许发送标识方可发送 非受控模式：GFC000,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,36,5、ATM层 信元头各有关域的功能 （2）VPI：虚通道标识 可标识 256(UNI-8bits)/4096(NNI-12bits)条不同的虚通道 最大的实际可用的虚通道数可在接口初始化时协商确定,第三章 ATM,Real physical link,VPI 57,VPI 68,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,37,5、ATM层 信元头各有关域的功能 （3）VCI：虚通路标识 可标识 65536 (16bits-UNI & NNI)条不同的虚通路 最大的实际可用的虚通路数可在接口初始化时协商确定,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,38,5、ATM层 VPI/VCI ATM面向连接功能的实现依赖VPI/VCI对虚连接的标识； VPI/VCI仅在一条物理链路（本地）有效； 每经过一个ATM交换机，VPI/VCI根据虚连接建立时设定查找表确定输出端口，同时变换为下一段物理链路的VPI/VCI取值； 设立VPI，VCI两级的标识有利于对虚连接的管理，便于核心交换机高速交换； 理论上，在一条物理信道上，可同时支持的虚连接数 N28216 (UNI) N212216 (NNI),第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,39,5、ATM层 VPI/VCI两级标识管理有利于支持高速交换的示例,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,40,5、ATM层 特殊的VPI/VCI标识 VPI = 0 VCI = 0 to 15 ITU-T 信令 VPI = 0 VCI = 16 to 31 ATM Forum 附加信令 VPI = ALL VCI = 1 to 5 （一般保留用于特殊用途） 详细参加书P81表32,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,41,5、ATM层 VPI/VCI标识在交换过程中的应用,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,42,5、ATM层 VPI/VCI标识与交换映射表,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,43,5、ATM层 利用VPI/VCI标识实现虚信道连接的概念,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,44,5、ATM层 PTI：信元类型标识（3bits）,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,45,5、ATM层 PTI：信元类型标识（3bits） PTI (bit 3): 标识所在信元是用于管理功能的信元(bit=1)或者是用户/信令信元(bit=0). PTI (bit 2): 标识本信元在传输过程中是否经历有拥塞的交换机(bit=0:无拥塞；bit=1:有拥塞) 该比特也称为 EFCI (Explicit Forward Congestion Indicator) PTI (bit 1): 用于标识本信元是否承载ATM适配层中AAL5 业务数据单元(SDU)数据的最后一个信元.,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,46,5、ATM层 CLP：信元丢失优先级标识 当交换机发现用户发送的流过载，会对信元的该域进行标识 (bit=1)，当网络发生拥塞时，丢弃具有标识的信元,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,47,5、ATM层 HEC：信元头差错控制与信元间定界 检错功能（强制）：g(x)=x8+x2+x+1 纠错功能（可选）：实现1比特错误的检测和纠正 定界：利用被（保护）检错位与监督位之间的约束关系 来实现信元的定界。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,48,5、物理层 定义物理层承载ATM信元的方式和接口标准 已经定义的物理层信元传输接口 SDH（同步数字序列）接口：STM1/2/3(155/622/2488Mbps) PDH（准同步数字序列）接口：E1/3/4(2/34/139Mbps) DS1/DS3(1.544/44,736Mbps) 直接信元传输接口：ITU155/622Mbps ATM论坛STP/UTP:155/25.6Mbps FDDI信元传输接口：ATM论坛100Mbps SONET接口: (与SDH速率适配的北美标准) ,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,49,5、物理层 物理层由TC和PMD两个子层构成 TC(Transmission Convergence):传输会聚子层功能 HEC域中监督位的生成与接收校验 信元加扰与解扰 信元定界 PMD(Physical Medium Dependent)媒体子层功能 比特定时 线路波形编码和物理信号特征 物理连接器结构,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,50,Section,ADM,Line,Path,ADM,ADM,Repeaters,Inserted Data,Dropped Data,Repeaters,Inserted Data,Dropped Data,5、物理层 SDH/SONET双向光交换网,第三章 ATM,ADM: Add Drop Multiplexer,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,51,Repeater Section,Multiplexer Section,Path,Pointer,0 Sec.,125 Sec.,5、物理层 SDH/SONET数据帧结构,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,52,5、物理层 SDH/SONET数据帧结构 Repeater Section 域: 用于传递与线路信号增强设备(repeaters)之间交互的控制信息. 通常称为 F1 flow； Multiplexer Section 域: 用于传递两个相邻复接器(Multiplexer)间交互的控制信息；通常称为 F2 flow Path 域: 用于传递进出该帧数据SDH/SONET网络端口的信息；通常称为 F3 flow. Point 域：用于控制调整设备间的时钟差异； Payload 域：用于传输ATM信元。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,53,5、物理层 SDH/SONET数据帧承载信元的形式 在没有信息传输或ATM设备与SDH/SONET网络的设备传输速 率不匹配时，可通过插入或删除空信元实现信元速率解偶.,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,54,5、ATM适配层 ATM适配层的主要功能 数据流/数据包等如何裁减(适配)到ATM的信元载荷中； 定义服务类别。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,55,5、ATM适配层 业务类别(Service Catagories) CBR Constant Bit Rate VBR-RT Variable Bit Rate - Real Time VBR-NRT Variable Bit Rate - Non-Real Time ABR Available Bit Rate UBR Unspecified Bit Rate GFR Guaranteed Frame Rate (later),第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,56,5、ATM适配层 ITU-T (rec. I 362) 定义的业务分类方法,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,57,5、ATM适配层 ATM适配层类型 （1）AAL1：用于A类业务 （2）AAL2：用于B类业务 （3）AAL3/4：用于C、D类业务 （4）AAL5：用于C、D类业务,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,58,5、ATM适配层 ATM适配层的结构,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,59,5、ATM适配层 ATM适配层的结构 （1）会聚（CS）子层 业务特定的会聚子层（SSCS）：根据特定的业务需求加入 公共部分会聚子层（CPCS）：确定一个公共数据报单元 （2）拆装子层（SAR） 根据不同类别的AAL类型，将CPCS数据报裁减成特定的信 元、加入控制信息或做相反的变换。 可根据不同的传输要求确定是否需要特定的CS子层的功能,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,60,5、ATM适配层 ATM适配层的作用 ATM适配层涉及不同类别业务端到端的的传输控制功能 网络节点中的交换机只涉及ATM层的控制功能,第三章 ATM,AAL,Application,ATM,PHY,Application,AAL,ATM,PHY,ATM,PHY,ATM,PHY,ATM Network,UNI,UNI,NNI,Source,Destination,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,61,5、ATM适配层 AAL1：主要用于传输对延时敏感的固定速率（CBR）的业务,第三章 ATM,47 bytes,47 bytes,48 bytes,48 bytes,53 bytes,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,62,5、ATM适配层 AAL1会聚层子（CS）主要功能 完成时序恢复：处理时延变化 时钟恢复 无特定的会聚层数据报（未定义CS-PDU）,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,63,5、ATM适配层 AAL1的SAR子层功能: 传递会聚子层标识（CSI） 顺序/丢失控制（SN） CSI、SN字段保护（SNP）： 3bits CRC（X3X1）校验1bit 奇偶校验,第三章 ATM,47 bytes,48 bytes,CSI,1 bit,SN,3 bit,CRC,3 bit,P,1 bit,1 byte (8 bits),2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,64,5、ATM适配层 AAL2：主要用于传输可变速率的实时业务 AAL2支持多个不同业务流的复合传输 AAL2包含SSCS与CPS两个子层 SSCS可根据不同的特定业务的需求加入 CPS的主要功能 多个不同业务流的复用与分路 时钟和同步处理 CPS-SDU数字分组序列传输的完整性保证,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,65,48 bytes,47 bytes,53 bytes,ATM cell header,ATM cell header,Secondary AAL 2 header,Initial AAL2 header,User 1,User 2,User 3,5、ATM适配层 AAL2多路业务流的复合传输,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,66,5、ATM适配层 AAL2数据分组的格式,第三章 ATM,48 bytes,Offset,SN,P,1 byte (8 bits),6 bits,1 bit,1 bit,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,67,5、ATM适配层 AAL2 CPS分组各个域（1st Header）的功能 CID Field：标识不同的业务流，可支持多达248个独立业务流 LI Field：标识不同业务流每个数据分组的载荷长度，长度可变 UUI Field： 用于端到端不同业务流内协商功能，如用于协商最 大的传输单元（MTU）的大小 HEC：用于对上述各个域的差错控制和保护（X5X21）,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,68,5、ATM适配层 AAL2 PDU分组各个域（2nd Header）的功能 Offset Field：标识从该PDU（2nd Header）之后的下一字节到 净荷中的第一个CPS分组的起始位置之间的字节数 SN Field：1比特的顺序控制 P Field：1比特的奇偶校验差错控制,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,69,5、ATM适配层 AAL3/4：主要应用于传输对延时不敏感的数据业务 ALL3/4 原设计可以支持各类数据业务，包括面向连接、非面 向连接等，提供顺序控制和差错控制等功能； ALL3/4 的工作方式在传输过程中有较低的效率，其应用逐步 被AAL5所替代。,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,70,5、ATM适配层 AAL3/4的主要工作模式 确保方式 支持CS-PDU出错重传 支持流量控制 限于点到点的AAL连接 非确保方式 出错不重传 流量控制功能可选 支持点到点、点到多点的AAL连接,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,71,5、ATM适配层 AAL3/4 CPCS-PDU的格式,第三章 ATM,2008 Copyright,SCUT DT&P Labs,72,5、ATM适配层 AAL3/4 会聚子层（CS） CPCS-PDU报头和报尾中各域的功能 CPI：公共部分标识 Btag/Etag：起始/终止标记 BAsize：缓冲器分配容量 A