数据通信与计算机网络-ATM

1、1ATM技术的提出 ATM最早在1983年由CNET和AT&T开展研究，1984年Alcatel Bell研究中心公布ATM的概念，1988年CCITT TG18定名为ATM，（Asynchronous Transfer Mode）。Transfer Mode实际上是一种信息转发或交换的方式，ATM既不是电路交换，也不是分组交换，而是一种新的交换方式，称为信元交换(Cell Switch)。所谓Asynchronous（异步）体现在与TDM固定时隙相反，用户可以随时发信息。2ATM原理原理 ATM的定义的定义 ATM是一种传递模式，在这种模式中，信是一种传递模式，在这种模式中，信息被分成信元来

2、传递，而包含同一用户信息被分成信元来传递，而包含同一用户信息的信元不需要在传输链路上周期性地出息的信元不需要在传输链路上周期性地出现。因此这种传递模式是异步的。现。因此这种传递模式是异步的。ITU-T I.113ATM is “A transfer mode in which the information is organized into cells; it is asynchronous in the sense that the recurrence of cells containing information from an individual user is not neces

3、sarily periodic.”34三、ATM的复用方式 TDM采用固定时隙，存在时隙的浪费，参见图。而ATM不受时隙的影响，可以随时将信元复用到信道上。5ABA队列队列信息源信息源已分配信元已分配信元: A . B未分配信元未分配信元:信头信头净净 荷荷5字节字节48字节字节ATM信元信元ATM复用线复用线AAABtATM 信元和复用信元和复用6时隙时隙信信 元元ATM异步时分复用异步时分复用信道信道信元头信元头 信息段信息段虚拟信道虚拟信道VCj虚拟信道虚拟信道VCi时间时间 ATM的复用方式为标记复用。它把信道看成是由一个个等的复用方式为标记复用。它把信道看成是由一个个等长的时隙构成，

4、每个时隙内都正好装载一个长的时隙构成，每个时隙内都正好装载一个ATM信元。信元是信元。信元是ATM的基本传递单位，是一种极短（的基本传递单位，是一种极短（53字节）的固定长度的数字节）的固定长度的数据分组。每一信元包括一个信元头和一个信息段。信元通过虚据分组。每一信元包括一个信元头和一个信息段。信元通过虚拟信道拟信道VC传送，虚拟信道利用虚拟信道标记来表示，虚拟信道传送，虚拟信道利用虚拟信道标记来表示，虚拟信道标记包含在信元头之中。标记包含在信元头之中。7ATM异步时分复用原理异步时分复用原理 信元是信元是ATM的基本传递单位。每一信元包括一个的基本传递单位。每一信元包括一个信元头和一个信息段

5、。信元头和一个信息段。信元通过虚拟信道信元通过虚拟信道VC（Virtual Channel）传送，虚拟信道利用虚拟信道标记）传送，虚拟信道利用虚拟信道标记VCI（Virtual Channel Identifier）来表示，虚拟信道标记）来表示，虚拟信道标记包含在信元头之中。属于同一虚拟信道的信元群拥有包含在信元头之中。属于同一虚拟信道的信元群拥有相同的虚拟信道标记，但占用的时隙可以出现在不同相同的虚拟信道标记，但占用的时隙可以出现在不同的位置。各虚拟信道的标记之间没有固定关系。的位置。各虚拟信道的标记之间没有固定关系。通过通过虚拟信道标记可以在用户之间实现虚拟信道的动态分虚拟信道标记可以在用

6、户之间实现虚拟信道的动态分配 ， 从 而 各 虚 拟 信 道 可 以 具 有 不 同 的 传 输 速 率配 ， 从 而 各 虚 拟 信 道 可 以 具 有 不 同 的 传 输 速 率（1kb/s140Mb/s）。）。 “虚拟虚拟”（Virtual）即需要时立即设置，用完后）即需要时立即设置，用完后马上取消。马上取消。8 ATM传输技术是以分组传输模式为基础并融合了传输技术是以分组传输模式为基础并融合了电路传输模式高速化的优点发展而成的。电路传输模式高速化的优点发展而成的。 ATM用于交换，通过识别信元头中的虚拟信道标用于交换，通过识别信元头中的虚拟信道标记，把输入线上的虚拟信道标记转换成输出线

7、上的虚记，把输入线上的虚拟信道标记转换成输出线上的虚拟信道标记，控制数据交换存储器的写入与读出，完拟信道标记，控制数据交换存储器的写入与读出，完成交换。成交换。 由于由于ATM使网络与业务无关，具有动态分配信道使网络与业务无关，具有动态分配信道和带宽的功能，兼有高、中、低速信息业务为一身，和带宽的功能，兼有高、中、低速信息业务为一身，使使ATM技术成为技术成为B-ISDN和信息高速公路的核心技术。和信息高速公路的核心技术。ATM9ATMATM异步转移模式异步转移模式 ATM ATM以异步时分复用技术为基础。以异步时分复用技术为基础。ATMATM的复用方式为标记复用。它把信的复用方式为标记复用。

8、它把信道看成是由一个个等长的时隙构成，每个时隙内都正好装载一个道看成是由一个个等长的时隙构成，每个时隙内都正好装载一个ATMATM信元。信元。信元是信元是ATMATM的基本传递单位，是一种极短（的基本传递单位，是一种极短（5353字节）的固定长度的数据分组。字节）的固定长度的数据分组。每一信元包括一个信元头和一个信息段。信元通过虚拟信道每一信元包括一个信元头和一个信息段。信元通过虚拟信道VCVC传送，虚拟信传送，虚拟信道利用虚拟信道标记来表示，虚拟信道标记包含在信元头之中。属于同一虚道利用虚拟信道标记来表示，虚拟信道标记包含在信元头之中。属于同一虚拟信道的信元群拥有相同的虚拟信道标记，但占用的

9、时隙可以出现在不同的拟信道的信元群拥有相同的虚拟信道标记，但占用的时隙可以出现在不同的位置。各虚拟信道的标记之间没有固定关系。通过虚拟信道标记可以在用户位置。各虚拟信道的标记之间没有固定关系。通过虚拟信道标记可以在用户之间实现虚拟信道的动态分配，从而各虚拟信道可以具有不同的传输速率之间实现虚拟信道的动态分配，从而各虚拟信道可以具有不同的传输速率（1kb/s140Mb/s1kb/s140Mb/s）。）。“虚拟虚拟”(Virtual)(Virtual)即需要时立即设置，用完后马上即需要时立即设置，用完后马上取消。取消。 ATMATM用于交换，通过识别信元头中的虚拟信道标记，把输入线上的虚拟用于交换

10、，通过识别信元头中的虚拟信道标记，把输入线上的虚拟信道标记转换成输出线上的虚拟信道标记，控制数据交换存储器的写入与读信道标记转换成输出线上的虚拟信道标记，控制数据交换存储器的写入与读出，完成交换。由于出，完成交换。由于ATMATM使网络与业务无关，具有动态分配信道和带宽的功使网络与业务无关，具有动态分配信道和带宽的功能，兼有高、中、低速信息业务为一身，使能，兼有高、中、低速信息业务为一身，使ATMATM技术成为技术成为B-ISDNB-ISDN和信息高速和信息高速公路的核心技术。公路的核心技术。 10MUXWasted bandwidthATMTDM4 3 2 1 4 3 2 1 4 3 2 1

11、4 3 1 3 2 2 1VoiceData packetsImagesFigure 7.3711Figure 19-1Multiplexing Using Different Packet Sizes12Figure 19-2Multiplexing Using Cells13Figure 19-3ATM Multiplexing14四 、ATM是面向连接的 ATM采用虚电路的方式交换信息，用户向网络提交信息之前要首先建立连接，声明所需的信元特性和QoS，包括峰值信元速率、最大包长、信元延时、信元丢失率等参数。 ATM传输和交换过程中采用两种连接形式，即虚通道(Virtual Channel

12、)连接和虚通路(Virtual Path)连接。15ATM连接的分类16Figure 19-5VP与与VC的概念的概念17Figure 19-6Example of VPs and VCs18五、ATM交换 ATM交换是基于VPI/VCI组合实现的。ATM交换机实际上是将一个输入的VPI/VCI信元，映射到输出VPI/VCI信元。图7.39。 交换方式有两种：VP交换和VC交换。 引入VP交换的好处：便于管理，简化ATM交换机；提高ATM交换的速率。 ATM由ITU-T主管，由ATM Forum管理具体的标准。19cATMSw1ATMSw4ATMSw2ATMSw3ATMDCCabdeVP3VP

13、5VP2VP1abcdeSw = switchFigure 7.3920Figure 19-4Architecture of an ATM Network21ATM层 ATM信元 虚连接 QoS参数 ATM服务类型 22Figure 19-27ATM Layer23一、 ATM信元 ATM信元大小的确定 ATM信元的结构 HEC控制算法 ATM信元的定界 241. ATM信元大小的确定 信元大小的确定取决于三个因素：传输效率、时延和实现的复杂性。 从实时通信来看，小的信元可以减小时延和排队时间，固定大小便于硬件处理和交换，但信元过小会降低传输效率。 欧洲提出32+4的方案。美国提出64+5的方

14、案，经过长期争论，最后ITU-T采取折衷的方式：（32+64）/2 = 48。 （不伦不类，不是二的幂次，后患无穷。） 252. ATM信元的结构 ATM信元 = 5字节的信头 + 48字节的信息图中字段的说明：GFC一般流量控制，只用于UNI，而在NNI中GFC的4比特用于VPI。VPI 虚通路， 对UNI是8比特，对NNI是12比特。VCI 虚通道，12比特PT = Payload Type = b0b1b2, b0=0data, b0=1 control; CLP= Cell Loss Priority比特, CLP=1表示可丢，CLP=0不可丢。HEC=Header Checksum，

15、8比特，是前四个字节的校验，采用CRC-8 = X8+X2+X+126Figure 19-9ATM信元的帧格式27GFC (4 bits)VPI (4 bits)VPI (4 bits)VCI (4 bits)VCI (8 bits)VCI (4 bits)PT (3 bits)CLP (1 bit)HEC (8 bits)ATM cell headerPayload (48 bytes)Figure 9.728Figure 19-8Virtual Connection Identifiers in UNIs and NNIs29Figure 19-28ATM Header30Figure 1

16、9-29PT Fields31Figure 19-30Service Classes32ATM适配层(AAL)层 AAL1类型 AAL2类型 AAL3/4类型 AAL5类型 SAAL类型 33ATM适配层(AAL) 作用有二：一是用户数据块与信元之间的映射，二是增强ATM的服务能力，以便满足应用的需要。 ATM将能够提供的业务按照时间性、数据率和连接类型分为A、B、C、D四类，相应地定义了五类AAL层的类别AAL15，其中AAL3/4合为一类。 AAL层分为CS和SAR两个子层，CS子层又分为SSCS和CPCS两个子层。 下面分别说明一下各种AAL层的结构及其处理过程。34A/DAALVoic

17、es1 , s2 Digital voice samplesA/DAALVideoCompressioncompressed framespicture framesAALDataBursty variable-length packetscellscellscellsFigure 9.335服务类型与AAL分类36AAL中SAR的PDU结构37AAL层的类型 一、 AAL1类型 针对电路交换业务 图9.10,9.11 二、 AAL2类型 针对低速率、短时延的分组业务 图9.13,9.14 三、 AAL3/4类型 针对无连接的可变速率数据 图9.15,9.16 四、 AAL5类型 面向连接的可

18、变速率数据 图9.18 不做任何处理，只增加8字节的Trailer，加上PAD后变为48字节的整数倍，然后送给SAR层。 五、 SAAL类型(Signaling AAL) 图9.20,9.21.38Figure 19-20ATM Layers39Figure 19-21ATM Layers in End-Point Devices and Switches40ATM的应用 ATM WANATM用于远程连接多种网络形式 ATM LANATM 用于局域网的连接41Figure 19-33ATM WAN42Figure 19-34Ethernet Switch and ATM Switch43 AT

19、M的未来 “ATM is dead, Long live ATM.” ATM与ISDN遭受同样的命运？ “计划经济比不过市场经济” IP也在改进，增加QoS功能，速率也在提高，如LSR线速率路由器 IP over ATM over SDH over fiber IP over fiber or IP over DWDM44ATM特点特点 不进行逐段链路差错和流量控制不进行逐段链路差错和流量控制 面向连接面向连接 信头功能简单信头功能简单 信元长度小而固定信元长度小而固定 用户信息透明地穿过网络用户信息透明地穿过网络45ATM的优点的优点 支持任何业务（不同速率，不同突支持任何业务（不同速率，不

20、同突 发发性，不同实时性）性，不同实时性） 有效利用网络资源（统计复用）有效利用网络资源（统计复用） 单一通信网（单一通信网（B-ISDN）464.4.2 交换技术交换技术 1. 1. 信息交换方式信息交换方式多协议标签交换交换可传数据既可传话音、图象，又，网络与业务无关，）：异步时分数字交换异步转移模式（：数据通信分组多路独立转发）存储分组交换（分组转发）报文交换（存储输：话音、图象的实时传话、时隙交换）同步时分交换（数字电（模拟电话交换）空分电路交换电路交换MPLSIP ATM 信息交换指信息在不同线路、终端或网路之间的切换过程信息交换指信息在不同线路、终端或网路之间的切换过程或分发过程。

21、信息交换主要有电路交换、报文交换、分组交换、或分发过程。信息交换主要有电路交换、报文交换、分组交换、异步转移模式（异步转移模式（ATMATM）、）、IPIP交换、交换、MPLSMPLS等基本方式等基本方式 47（1）电路交换电路交换 电话和用户电报通信网采用的是电路交换方式。电话和用户电报通信网采用的是电路交换方式。这种方式的特点是：当一个人或终端要与远端的另一这种方式的特点是：当一个人或终端要与远端的另一个人或终端通信时，就向交换机送入被叫端的用户号个人或终端通信时，就向交换机送入被叫端的用户号码，交换机根据这一号码在主叫和被叫之间建立起一码，交换机根据这一号码在主叫和被叫之间建立起一条电路

22、，或指定时分线的某个时隙，主叫端的信息便条电路，或指定时分线的某个时隙，主叫端的信息便立即传送到被叫端，其时延仅仅是信息以光速传播时立即传送到被叫端，其时延仅仅是信息以光速传播时引起的传输时延，主、被叫之间能实时对话交换信息。引起的传输时延，主、被叫之间能实时对话交换信息。另外，在电路交换中，通信时建立的电路被一对用户另外，在电路交换中，通信时建立的电路被一对用户独占，且一直保持到双方挂机。独占，且一直保持到双方挂机。 48（2）报文交换报文交换 公众电报系统采用的是报文交换，一份被发送的公众电报系统采用的是报文交换，一份被发送的报文传送到交换中心后，先存储起来，当连接该交换报文传送到交换中心

23、后，先存储起来，当连接该交换机的中继线空闲时，再将这份报文转发到通信目的地机的中继线空闲时，再将这份报文转发到通信目的地通路上的另一个交换机存储起来，这种通路上的另一个交换机存储起来，这种“存储转发存储转发”的过程辗转进行，直到报文到达目的地为止，所以这的过程辗转进行，直到报文到达目的地为止，所以这种交换方式又称为种交换方式又称为“存储转发存储转发”交换方式。报文交交换方式。报文交换存在传输时延，不能实时对话。换存在传输时延，不能实时对话。 49（3）分组交换与帧中继分组交换与帧中继 指将待传送的报文或数据由交换机装配成规定长指将待传送的报文或数据由交换机装配成规定长度和格式的数据块度和格式的

24、数据块分组，让这些分组独立地以分组，让这些分组独立地以“存储转发存储转发”的方式并且可以由不同的路径在网内的方式并且可以由不同的路径在网内传输，在接收端的交换机又重新把它们组装成完整的传输，在接收端的交换机又重新把它们组装成完整的报文或数据。分组交换的数据传输协议是报文或数据。分组交换的数据传输协议是X.25X.25。 帧中继是一种快速分组交换技术，数据传输的基帧中继是一种快速分组交换技术，数据传输的基本单元是帧。本单元是帧。 50（4）ATMATM异步转移模式异步转移模式 ATM ATM以异步时分复用技术为基础。以异步时分复用技术为基础。ATMATM的复用方式为标记复用。它把信的复用方式为标

25、记复用。它把信道看成是由一个个等长的时隙构成，每个时隙内都正好装载一个道看成是由一个个等长的时隙构成，每个时隙内都正好装载一个ATMATM信元。信元。信元是信元是ATMATM的基本传递单位，是一种极短（的基本传递单位，是一种极短（5353字节）的固定长度的数据分组。字节）的固定长度的数据分组。每一信元包括一个信元头和一个信息段。信元通过虚拟信道每一信元包括一个信元头和一个信息段。信元通过虚拟信道VCVC传送，虚拟信传送，虚拟信道利用虚拟信道标记来表示，虚拟信道标记包含在信元头之中。属于同一虚道利用虚拟信道标记来表示，虚拟信道标记包含在信元头之中。属于同一虚拟信道的信元群拥有相同的虚拟信道标记，

26、但占用的时隙可以出现在不同的拟信道的信元群拥有相同的虚拟信道标记，但占用的时隙可以出现在不同的位置。各虚拟信道的标记之间没有固定关系。通过虚拟信道标记可以在用户位置。各虚拟信道的标记之间没有固定关系。通过虚拟信道标记可以在用户之间实现虚拟信道的动态分配，从而各虚拟信道可以具有不同的传输速率之间实现虚拟信道的动态分配，从而各虚拟信道可以具有不同的传输速率（1kb/s140Mb/s1kb/s140Mb/s）。）。“虚拟虚拟”(Virtual)(Virtual)即需要时立即设置，用完后马上即需要时立即设置，用完后马上取消。取消。 ATMATM用于交换，通过识别信元头中的虚拟信道标记，把输入线上的虚拟

27、用于交换，通过识别信元头中的虚拟信道标记，把输入线上的虚拟信道标记转换成输出线上的虚拟信道标记，控制数据交换存储器的写入与读信道标记转换成输出线上的虚拟信道标记，控制数据交换存储器的写入与读出，完成交换。由于出，完成交换。由于ATMATM使网络与业务无关，具有动态分配信道和带宽的功使网络与业务无关，具有动态分配信道和带宽的功能，兼有高、中、低速信息业务为一身，使能，兼有高、中、低速信息业务为一身，使ATMATM技术成为技术成为B-ISDNB-ISDN和信息高速和信息高速公路的核心技术。公路的核心技术。 51（5）IP交换交换 Internet Internet是一个以统一标准协议是一个以统一标

28、准协议TCP/IPTCP/IP连接全球连接全球范围内的多个国家、部门、机构和个人的计算机网络范围内的多个国家、部门、机构和个人的计算机网络组成的一个数据通信网。组成的一个数据通信网。 路由器技术按照路由器技术按照TCP/IPTCP/IP协议实现计算机用户之间协议实现计算机用户之间的数据交互。的数据交互。 IPIP交换技术是在交换技术是在ATMATM交换机硬件的基础上附加一交换机硬件的基础上附加一个个IPIP路由软件及控制交换的驱动器构成。路由软件及控制交换的驱动器构成。52（6）MPLSMPLS多协议标签交换多协议标签交换 Internet应用的增长对网络的服务质量和网络的控制能力提应用的增长对网络的服务质量和网络的控制能力提出了更高的要求。由于传统的出了更高的要求。由于传统的IP网络不能很好地提供服务质量网络不能很好地提供服务质量（QoS）和支持流量工程。为此，国际标准组织）和支持流量工程。为此，国际标准组织IETF提出了提出了MPLS（Multiprotocol Label Switching：多协议标签交换）：多协议标签交换）的概念。的概念。MPLS在本质上是一种分组转发策略。基本的思路是在本质上是一种分组转发策略。基本的思路是在在MPLS域入口节点处基于转