ATM 基本原理概述

1、ATM 基本原理概述ISSUE 1.1Page 2学习完本课程，您应该能够：掌握ATM交换的特点和方式掌握ATM信元的结构和ATM的一些基本概念了解ATM协议栈的结构掌握ATM在WCDMA中的应用Page 3第二章第二章 ATM基础知识和基本概念基础知识和基本概念第三章第三章 ATM协议和协议和QoS介绍介绍第四章第四章 IPOA基础知识基础知识第五章第五章 ATM在在WCDMA系统中的应用系统中的应用Page 4什么是ATM ATM即异步转移模式: 综合了传输、复用、交叉连接和交换的技术 ATM是快速分组交换技术、采用统计复用方式 一种结合了电路交换和分组交换的各自优点的技术 ATM能传送所

2、有类型的业务量(话音、数据、图像等)Page 5面向连接的概念面向连接：单一路径信元沿预先连接好的路径： S1, S4, S7, S8所有数据包沿着相同的路径，按照发送的顺序到达。时延比较固定、易控制无连接：多路径数据包1路径： S1, S2, S6, S8数据包2路径： S1, S4, S7, S8各数据包走不同的路径、不一定按发送的顺序到达S2S4S7S1S6S8S3S5S2S4S7S1S6S8S3S5Page 6传统交换方式的优缺点传统交换方式： 电路交换（Circuit Switching） 因同一连接的信息经过相同的路由，所以时延抖动小 易于高速率的交换 采用固定时隙分配，电路交换只

3、能支持单一速率 带宽浪费 分组交换（Packet Switching） 分组交换可以支持多种速率的交换 系统延迟不确定性 分组交换的交换速率不易提高Page 7ATM交换方式的特点ATM交换方式的特点：以信元为单位的异步转移模式，异步意味着来自任意用户的信息信元流不必是周期性的，便于实现线路带宽的共享和统计复用。ATM网络能同时传送多种类型的信息，承载多种通信业务，并且能够提供QoS（Quality of Service）服务。信元长度固定，容易实现硬件交换，实现高速交换。Page 8传送网：ATM VP交叉连接节点（VPX）和 ATM ADM设备交换网：ATM交换机，窄带向宽带演进的方式In

4、ternet网：ATM路由器，采用 IP交换技术、 多协议标记交换技术（MPLS）等 局域网：ATM局域网交换机，受到千兆以太网和三层交换机的挑战桌面应用：ATM网卡直接支持高层应用系统软件，已不可能大量使用ATM的应用Page 9ITU-T-致力于公网上ATM标准化工作，有代表性的标准：Q.2931/Q.2971、BISUP、I.610ATM Forum（华为是成员之一）-致力于专网上ATM的标准化工作，加速ATM产品的推广和使用，有代表性的标准有：UNI3.1、UNI4.0、ILMI、PNNI、MPOA、VTOA、LANE、TM4.0IETF-致力于ATM网承载IP业务的标准化工作，解决传

5、统路由器的瓶颈问题，有代表性的标准：RFC1483、RFC1577、IP Switch、MPLS制定ATM标准的组织Page 10第一章第一章 ATM技术简介技术简介第三章第三章 ATM协议和协议和QoS介绍介绍第四章第四章 IPOA基础知识基础知识第五章第五章 ATM在在WCDMA系统中的应用系统中的应用Page 112.1 ATM基础知识基础知识2.2 ATM交换的类型交换的类型2.3 ATM虚连接虚连接Page 12UNI用户到网络接口NNI网络到网络接口BICI宽带网间接口PNNI：私人网络间接口公共公共 UNIB-ICIUNINNINNINNIATM公网公网ATM专网专网ATM网络和

6、接口Page 13ATM信元格式GFC：一般流量控制：一般流量控制 VPI ：虚通道标识：虚通道标识VCI ：虚信道标识：虚信道标识 PTI ：净荷类型：净荷类型CLP：-信元丢失优先级信元丢失优先级 HEC：信头误码控制：信头误码控制UNI信元格式信元格式NNI信元格式信元格式PTICLPHECPAYLOADGFCVCIVPI13245653VPI81765432PTICLPHECPAYLOADVCIVPI1324565381765432Page 14Port 1 VPI=2VCI=37 VPI=3VCI=39NNIUNIUNIATM 交换交换Port VPI VCI 1 2 37 2 1

7、51 Port 2Port 1ATM 交换交换Port VPI VCI 1 1 51 2 3 39 Port 2ATM终端设备终端设备ATM终端设备终端设备用户用户B用户用户AATM网络设备网络设备ATM网络设备网络设备信元和用户数信元和用户数据的互相转化据的互相转化信元和用户数信元和用户数据的互相转化据的互相转化VPI=1 VCI=51ATM信元的交换过程Page 152.1 ATM基础知识基础知识2.2 ATM交换的类型交换的类型2.3 ATM虚连接虚连接Page 16ATM交换分类ATM的交换本质上是分组交换ATM交换分为VP（Virtual Path）交换和VC（Virtual Cha

8、nnel）交换两种VPI和VCI仅在两个物理节点间只有局部意义虚通路连接（VCC）虚通道连接（VPC）VP交换VC交换VC交换NNINNIVPI = 2 VCI = 44VPI = 1 VCI = 40VPI = 3 VCI = 44VPI = 4 VCI = 50UNIUNIABCDEPage 17VC交换和VP交换一般情况下：一般情况下：lVP交换交换只改变只改变VPI的值的值不改变不改变VCI的值的值lVC交换交换既改变既改变VPI的值的值又改变又改变VCI的值的值VCI 1VCI 2VCI 3VCI 4VPI 5VPI 4VCI 1VCI 2VCI 1VCI 2VP交换交换VC 交换交

9、换VCI 3VCI 4VCI 1VCI 2Page 182.1 ATM基础知识基础知识2.2 ATM交换的类型交换的类型2.3 ATM虚连接虚连接Page 19ATM虚连接UNI信元信元 VPI =1 VCI =1UNI信元信元 VPI =20 VCI =30NNI信元信元 VPI =26 VCI =44NNI信元信元 VPI =6 VCI =44NNI信元信元 VPI =2 VCI =44123 123132123ATM虚连接（虚连接（VC） PortVPIVCI126442244 PortVPIVCI12442644PortVPIVCI164422030PortVPIVCI11122644

10、AB A需要传送数据到B，首先在信元要经过的ATM节点上建立一系列的交换表格，保证信元经逐次转发后最终到达B。这些表格建立后A到B间的信元所经路径是一致的（至少在一次呼叫内如此），这种路径称为ATM虚连接。Page 20ATM物理连接虚通路连接（VCC）虚通道（VP）包括多条VC虚通路连接（VCC）包括多条VP虚通路（VC）ATM端节点之间的逻辑通路虚通路（VC）虚通路（VC）E3OC-3OC-12虚通道（VP）虚通道（VP）虚连接标识 = VPI/VCI虚通道VP与虚通路VCPage 21ATM中虚连接的分类 ATM的虚连接分为两种 虚通道VPC(Virtual Path Connectio

11、n) 虚信道VCC(Virtual Channel Connection) 无论哪种虚连接，根据建立方式的不同都可分为： 交换虚连接SVC(Switching Virtual Connection) 永久虚连接PVC(Permanent Virtual Connection)Page 22UNI信元信元虚通道和虚信道ATM终端设备终端设备AATM终端设备终端设备CATM网络设备网络设备EATM网络设备网络设备GATM网络设备网络设备FUNI信元信元NNI信元信元NNI信元信元VC交换交换VC交换交换VP交换交换虚信道（虚信道（VCC）虚通道（虚通道（VPC）虚信道（虚信道（VCC）UNI信元信

12、元UNI信元信元ATM终端设备终端设备BATM终端设备终端设备D 为提高G的交换效率，所有发自A、B并要经过F的信元，E在转发时将它们的VPI统一填写为某一固定值，发送到G。G进行VP交换后到达F，F再根据VCI的值进行VC交换分发到C、D（反向业务流也如此处理）。这些信元从E到F，VCI值不变。相当于在E、F间建立了以VPI为标识的信元管道，称之为虚通道。而终端A、B、C和D之间的虚连接称为虚信道。Page 23第一章第一章 ATM技术简介技术简介第二章第二章 ATM基础知识和基本概念基础知识和基本概念第四章第四章 IPOA基础知识基础知识第五章第五章 ATM在在WCDMA 系统中的应用系统

13、中的应用Page 242.1 ATM协议介绍协议介绍 2.2 业务业务Qos介绍介绍Page 25高层高层ATM适配层适配层 （SAAL）ATM层层物理层物理层ATM适配层适配层 （AAL）高层高层用户业务和信令用户业务和信令上层信息与上层信息与ATM信元间的转换信元间的转换信元交换和复用信元交换和复用解复用解复用帧结构、物理介帧结构、物理介质质处理各层间处理各层间协调，无分协调，无分层结构层结构分别管理各层分别管理各层协议实体中的协议实体中的资源和参数资源和参数呼叫连接呼叫连接与控制与控制用户信息传输、流用户信息传输、流量控制和差错恢复量控制和差错恢复面管理面管理层管理层管理控制平面控制平面

14、用户平面用户平面ATM协议结构模型Page 26ATM子层模型ATM参考模型参考模型OSI七层协议七层协议比特定时比特定时网络介质网络介质信元率解耦信元率解耦HEC产生产生/验证验证信元定界信元定界传输帧适配传输帧适配传输帧传输传输帧传输/恢复恢复流量控制流量控制信头产生和提取信头产生和提取VPI/VCI转换转换信元复用和分路信元复用和分路执行高层所需服务执行高层所需服务高层协议数据包和信高层协议数据包和信元净荷间的相互转化元净荷间的相互转化高层高层PMDTCPHYATMAALCSSAR层层管管理理7应用层应用层6表示层表示层5会话层会话层4传输层传输层3网络层网络层2数据链路层数据链路层1物

15、理层物理层Page 27适配层适配层ATM层层物理层物理层ATM物理层功能2个子层: 传输汇聚 子层(TC) 传输帧的产生、恢复与适配 信头差错控制 信元定界和扰码 信元速率去耦 物理媒体相关子层(PMD) 线路编码、比特定时 物理媒介Page 28适配层适配层ATM层层物理层物理层ATM层功能 信元交换 服务质量保证 信元头的插入/移动 净荷类型的有关功能 复用/去复用不同连接的信元Page 29适配层适配层ATM层层物理层物理层ATM适配层功能执行高层所需的服务高层协议数据单元和ATM信元净荷的相互转化Page 30ATM适配层功能示意ATM适配层功能示意图：适配层功能示意图：利用利用AT

16、M网络的数据传网络的数据传送和交换能力，为各类送和交换能力，为各类电信业务提供服务。电信业务提供服务。ATM PayloadConstantBit RateData BurstsVariable Bit RateATM Cell MultiplexingAAL SDUPage 31AAL2结构业务特定会聚子层业务特定会聚子层（SSCS）公共部分子层公共部分子层 （CPS）SSCS-PDUCPS-PDUAAL-PDUCPS-SDUAAL层层AAL-SAPATM-SDUATM-SAPATM层层 AAL2分为两个子层：分为两个子层：公共部分子层（公共部分子层（CPS）和业务特定汇聚子层和业务特定汇聚

17、子层（SSCS）。公共部分子）。公共部分子层内部包含了层内部包含了SAR层的层的功能，所以没有专门的功能，所以没有专门的SAR子层。对于子层。对于AAL2来来说，无论承载何种业务说，无论承载何种业务CPS总是相同的。但根总是相同的。但根据承载的业务不同，据承载的业务不同，SSCS必须根据业务的种必须根据业务的种类作不同的定义，甚至类作不同的定义，甚至SSCS可以为空（无可以为空（无SSCS层）。层）。Page 32AAL LayerAAL2适配过程AAL-SAPSSCS-PDU PayloadSSCS-PDU HeaderSSCS-PDU TailAAL-SDUCPS-SDUCPS-PPCPS

18、-PHCPS-PacketCPS-PacketSSCS-PDU 45Bit MaxSTFCPS-PacketCCPS-PacketCPS-PacketSTFSTF1#3#2#1#3#2#CPS-PDU Payload 47 BitCPS-PDUATM-SDUATM-SAPATM PayloadSSCSCPSSN8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4 3 2 18 7 6 5 4 3 2 1CID LI UUI HEC CPS-PH ATM Layer8 76 5 4 32 1OSF PSTF CPS-PacketPS-PacketPADATM-HeaderPage 33AAL5结构

19、会聚子层业务特定会聚子层业务特定部分（部分（SSCS）会聚子层公共部分会聚子层公共部分（CPCS）分段和重装子层（分段和重装子层（SAR）SSCS-PDUCPCS-PDUSAR-PDUAAL-PDUCPCS-SDUSAR-SDUATM-SDUAAL层层CS子子层层AAL-SAPATM-SAPATM层层 AAL5分为两个子层：汇分为两个子层：汇聚子层（聚子层（CS）和分段和重）和分段和重装子层（装子层（SAR）。汇聚子）。汇聚子层又可以分为业务特定部层又可以分为业务特定部分（分（SSCS）和公共部分）和公共部分（CPCS）。）。ALL5为提高适为提高适配效率将配效率将AAL3/4的的CPCS和和

20、SAR部分作了适当的简化，部分作了适当的简化，因此这种适配方式不支持因此这种适配方式不支持多高层用户复用的功能。多高层用户复用的功能。Page 34AAL5适配过程AAL LayerAAL-SAPCPCSATM LayerAAL-SDUCPS-PDU PayloadPAD CPS-PDU TailUU CPI Length CRC 81 81161321CPS-PDU N48 BytesPAD047BitsSAR-SDU ATM-SAPSAR-PDU #1SAR-PDU #2SAR-PDU #3SAR-PDU #4ATM-SDU #1ATM-SDU #2ATM-SDU #3ATM-SDU #4

21、Cell #1Cell #2Cell #3Cell #4ATM Payload:ATM Header (AUU=0):ATM Header (AUU=1)AUUPTI3 2 1 SARPage 35AAL适配方式分类 目前AAL层有5种适配方式，用于承载不同类型的数据业务。本课程的重点是AAL2和AAL5，因为在CDMA 1X的BSC系统中，语音业务使用AAL2承载，其他业务和信令使用AAL5承载。业务业务A类类B类类C类类D类类比特率比特率固定固定可变可变可变可变可变可变信源、信宿定时关系信源、信宿定时关系需要需要需要需要不需要不需要不需要不需要连接方式连接方式面向连接面向连接 面向连接面向

22、连接 面向连接面向连接无连接无连接适配适配AAL1AAL2AAL3/4AAL5Page 362.1 ATM协议介绍协议介绍 2.2 业务业务Qos介绍介绍Page 37信元话音数据视频面向连接快速分组交换统计复用支持多速率、多业务支持话音、数据和图象对实时业务提供完全的QoS保证ATM的特点Page 38ContractContractATM网络通信契约：流量参数、QoS参数通信契约的签订Page 39lPCR 峰值信元速率峰值信元速率lSCR 可维持信元速率可维持信元速率lMCR 最小信元速率最小信元速率lMBS 最大突发度最大突发度流量参数Page 40开销QoS流量参数低高Toleran

23、ce1 字节5 字节头47 字节负荷信元抖动信元丢失PCR峰值信元速率实时视频和音频CBR业务Page 41负荷QoS流量参数LOWHIGHTolerance1-8字节5 字节信元头1-47 字节负荷信元丢失(NRT)信元丢失 (RT)PCRSCR峰值信元速率可维持信元速率MBS最大突发长度信元丢失分组音频和视频VBR业务Page 42公共广域网负荷5 字节头44 字节负荷QoS流量参数低高没有质量保证全凭上帝保佑ToleranceCell 丢失Cell 抖动4 字节UBR业务Page 43局域网互联Overhead No celloverhead Uses congestionfeedbac

24、kinstead5 ByteHeader48 BytePayloadQoS流量参数低高PCRMCR峰值信元速率最小信元速率Tolerance信元丢失信元抖动ABR业务Page 44p 最大信元传递时延MCTD：信元从一个端点到另一个端点所需要的时间p 信元抖动容限CDVT：信元间隔的上限p 信元丢失率CLR：可以接受的因网络拥塞而导致信元丢失比例QoS参数Page 45连接允许控制（CAC） 在呼叫请求建立连接阶段确定网络是否有足够的资源建立一条连接使用/网络参数控制（UPC/NPC） 通信过程中对入网流量的监测与控制选择信元丢弃与拥塞指示 拥塞发生后有选择地丢弃掉重要程度相对低的信元以缓解拥

25、塞，同时进行 拥塞状态信息的前向、反向指示ATM网络的拥塞管理Page 46第一章第一章 ATM技术简介技术简介第二章第二章 ATM基础知识和基本概念基础知识和基本概念第三章第三章 ATM协议和协议和QoS介绍介绍第五章第五章 ATM在在WCDMA系统中的应用系统中的应用Page 472.1 IPOA协议介绍协议介绍 2.2 ARP协议介绍协议介绍Page 48IPOA协议栈ATM网络物理层网络物理层将将IP地址映射为地址映射为ATM PVC或或SVC高层应用高层应用ATMAALIPTCP/UDP高层应用高层应用ATMAALIPTCP/UDP将将IP数据包转化为数据包转化为ATM Payloa

26、dPage 49TCP/IP数据帧处理App DataTCP HeaderTCP headerApp DataIP HeaderIP HeaderTCP HeaderApp DataLLCSAR-SDU#1SAR-SDU#2SAR-SDU#3SAR-PDU#4SAR-PDU#5TCPIPSNAP/LLCAAL5CSSARATMPHY 在在SAR-PDU前加上前加上5Bytes的的ATM信元头，并根据信元头，并根据IP地址和地址和PVC/SVC的映射关的映射关系填写系填写VPI/VCI的值，将已构造完成的的值，将已构造完成的ATM信元交由物理层传送。信元交由物理层传送。具体的数据传输协议和物理介

27、质，完成ATM信元的传送LLCIP HeaderTCP HeaderApp DataPADCPCS-PDU TailPage 502.1 IPOA协议介绍协议介绍 2.2 ARP协议介绍协议介绍Page 51IPOA下下ARP协议的实现协议的实现典型组网图典型组网图ATM网络网络ARP服务器服务器以太网以太网WAN路由器路由器Page 52IPOA下下ARP协议的实现协议的实现SVC情况情况主机向ARP服务器登记其IP地址和ATM地址主机主机1ARP服务器服务器IP:192 .168 .1 .1ATM:50412081IP:192 .168 .1 .2ATM:50412082ATM网络网络主机

28、主机2Page 53IPOA下ARP协议的实现SVC情况ARP服务器建立IP地址和ATM地址映射表主机主机1ARP服务器服务器ATM网络网络主机主机2IP:192 .168 .1.2 ATM:50412082IP:192 .168 .1.1 ATM:50412081Page 54IPOA下ARP协议的实现SVC情况 主机1以主机2的IP地址为索引，向ARP服务器要求解析主机2的ATM地址。主机主机1ARP服务器服务器IP:192 .168 .1 .2ATM:？ATM网络网络Page 55IPOA下ARP协议的实现SVC情况 ARP服务器在IP地址和ATM地址映射表中查出主机2的ATM地址，并通

29、知主机1。主机主机1ARP服务器服务器IP:192 .168 .1 .2ATM: 50412082ATM网络网络IP:192 .168 .1 .2 ATM:50412082IP:192 .168 .1 .1 ATM:50412081Page 56IPOA下ARP协议的实现SVC情况主机主机1ARP服务器服务器ATM网络网络主机主机2 主机1使用主机2的ATM地址，通过呼叫建立连接主机2的SVC。实现两者间的IP数据包交换。Page 57IPOA下ARP协议的实现PVC情况主机主机A IP:192 .168 .1 .1ATM网络网络主机主机B IP:192 .168 .1 .2PVC 在这种方式

30、下，任意两个有通信要求的IPOA终端间必须建立PVC。主机A和主机B间如果要实现IP数据交互首先要配置一条PVC。Page 58IPOA下ARP协议的实现PVC情况 主机A作为本端IPOA客户在所有已配置的PVC上，发送InvATMARP消息来请求对端IPOA客户（主机B和其他主机）的IP地址。主机B也如此操作。主机主机A IP:192 .168 .1 .1ATM网络网络主机主机B IP:192 .168 .1 .2PVCInvATMARPInvATMARPVPIVCIIP Address133？.？.？.？XXYY？.？.？.？VPIVCIIP Address233？.？.？.？ZZYY？.

31、？.？.？Page 59IPOA下ARP协议的实现PVC情况 主机A、B分别将自己的IP地址回应给对方，于是双方均在自己的系统中建立对方的IP地址和PVC的映射表，当然，该表中还有其他做出回应的主机IP地址和PVC的映射。主机主机A IP:192 .168 .1 .1ATM网络网络主机主机B IP:192 .168 .1 .2PVCACKACKVPIVCI233XXYYIP Address192 .168 .1.2xxx .xxx .xxx .xxxVPIVCI133ZZYYIP Address192 .168 .1.1xxx .xxx .xxx .xxxPage 60IPOA下ARP协议的实现PVC情况 主机A如果有以目的地为主机B的IP数据包，主机A的ATM层在收到该数据包转化后的AAL-PDU就会根据主机B的IP查找IP地址和PVC的映射表，索引出相应的PVC，并据此填写ATM信元头中的VPI/VCI。该信元即可由ATM网络传送到主机B。主机主机A IP:192.168.1