现代计算机网络原理3ATM

1、现代计算机网络原理_3异步传递模式（ATM）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 ATM1、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 ATMVideo ConferenceSensitiveSensitiveHighTelephoneConnectionlessConn

2、ection-orientedDelayDelayvarianceBandwidthrequirementConstantbit rateVariablebit rateSensitiveSensitiveLowInternetInsensitiveInsensitiveMedium 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 1、异步传递模式（ATM）产生的背景 为适应不同传输

3、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 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 switchBroadband ISDN (B-ISDN) Packet/Cell switch2 x B(earer) 64 kbit/s1 x D(ata) 16 kbit/s30 x B(earer)64 kbit/s1 x D(ata)64 kbit/sPrimary rateBasic rate

4、224 x B(earer)variableIn-band signallingATM 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 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 1、异步传递模式（AT

5、M）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 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 published1987 - ITU-T selects ATM for B-ISDN 1990 - ITU-T issues 13 recommendations1992 - First ATM LANs installed1993 - First ATM WANs installed第三章 ATM 2、ATM的基本原理 采用短的、固定长度

6、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 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 ATM48-BytePayload5-ByteHeader48-octet data fieldGFCVPIVPIVCIVCIVCIPTIHEC811st Octet2nd Octet3rd Octet4th Octet5th OctetBitsC

7、LP 2、ATM的基本原理 ATM信元的信元结构 第三章 ATM 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

8、 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 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 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 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

9、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 ATMPermanent (PVC)Switched (SVC)signalling 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 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 3、ATM网络的性能

10、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 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 3、ATM信元 ATM信元定界的基本方法：利用信元头中被

11、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 ATMCell-by-cellThis Graphic is the Propertyof Quill Training ServicesCorrect HECIncorrect HECCheckCell-by-cellCheckOctet-by-octetcheckconsecutivecorrect HECconsecutiveincorrect HECHUNTPre-SYNCHSYNCHad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

12、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。 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

13、章 ATM 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 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 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 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.113B-ISDN VocabularyI.121Broadband Aspects of ISDNI.150B-ISDN ATM CharacteristicsI.211B-ISDN Service Cha

14、racteristicsI.311B-ISDN Network AspectsI.321B-ISDN Protocol Reference ModelI.327B-ISDN Functional ArchitectureI.361B-ISDN ATM Layer SpecificationI.362B-ISDN ATM Adaption LayerI.413B-ISDN User-Network InterfaceI.432B-ISDN UNI Physical Layer SpecificationI.610OAM Principles of B-ISDN AccessQ.2931 B-IS

15、DN Access Signalling第三章 ATM 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 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 ATMATM LayerPhysical LayerAdaptationLayerTCSARCSLayer twoLayer oneHigher layersPM

16、D 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 5、ATM层 UNI（UserNetwork Interface）信元头结构 第三章 ATM48-octet data fieldGFCVPIVPIVCIVCIVCIPTIHEC811st Octet2nd Octet3rd Octet4th Octet5th

17、OctetBitsCLP 5、ATM层 NNI（NetworkNetwork Interface）信元头结构 第三章 ATM48-octet data fieldVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHEC811st Octet2nd Octet3rd Octet4th Octet5th OctetBits 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 ATM48-octet

18、 data fieldVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHECGFC 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 ATM48-octet data fieldVCIVCIVCIPTICLPHECVPIVPIGFCReal physical linkVPI 57VPI 68 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

19、可在接口初始化时协商确定 第三章 ATMVPI 57VPI 68VCI 39VCI 40VCI 38VCI 39VPI 68VPI 68VCI 39VCI44VCI 40VCI 41Physical Interfaces4- octet data fieldPTICLPHECVPIVPIGFCVCIVCIVCI 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

20、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 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 ATMMultiple channels destined for a common location can be quickly and simply switched by the network if they share a common VPIchannels131145117channels131145117 5、ATM层 特殊的VPI/VC

21、I标识 VPI = 0VCI = 0 to 15ITU-T 信令VPI = 0VCI = 16 to 31ATM Forum 附加信令VPI = ALLVCI = 1 to 5 （一般保留用于特殊用途） 详细参加书P81表32第三章 ATMATM SwitchVirtual Channel SwitchVirtual Path SwitchVCI1VCI2VCI3VCI4VCI1VCI2VCI3VCI4VCIaVCIbVCIaVCIbVPI1VPI2VPI3VPI1VPI2VPI4VPI5VPI5 5、ATM层 VPI/VCI标识在交换过程中的应用 第三章 ATM 5、ATM层 VPI/VCI

22、标识与交换映射表 第三章 ATMATM Cell ATM CellsVPI/VCI = A/B VPI/VCI = X/Y12Switch Map (1)VPIVCIInterface VPI VCI A B 2 X Y - - - - -VPI/VCI is of LOCAL SignificanceOnlyVirtual Channel ConnectionVirtual Channel LinkVirtual Channel LinkCPE ACPE BSwitching Node 5、ATM层 利用VPI/VCI标识实现虚信道连接的概念 第三章 ATM 5、ATM层 PTI：信元类型标

23、识（3bits） 第三章 ATMPTI Coding (MSB first)InterpretationUser data cell, congestion not experienced, SDU type = 0 User data cell, congestion not experienced, SDU type = 1 User data cell, congestion experienced, SDU type = 0 User data cell, congestion experienced, SDU type = 1 Segment OAM F5 flow-related

24、cell End-to-end OAM F5 flow-related cell Resource management cellReserved for future functions000 001 010 011 100 101 110 11148-octet data fieldVPIVPIVCIVCIVCICLPHECGFCPTI 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

25、=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 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 ATMCLP = 0CLP = 0CLP = 1CLP = 1Private UNIPrivate NNIPublic UNIPublic NNI48-octet data fieldVPIVPI

26、VCIVCIVCIHECGFCPTICLP 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 ATM48-octet data fieldVPIVPIVCIVCIVCICLPGFCPTIHEC 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)

27、 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 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 ATMSecti

28、onADMLinePathADMADMRepeatersInsertedDataDroppedDataRepeatersInsertedDataDroppedData 5、物理层 SDH/SONET双向光交换网第三章 ATMADM: Add Drop MultiplexerRepeaterSectionMultiplexerSectionPathPayloadPointer0 Sec.125 Sec. 5、物理层 SDH/SONET数据帧结构第三章 ATM 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

29、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 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 5、ATM适配层 ATM适配层的主

30、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 ATMAdaptation LayerSARCSHigher layer dataHHThe use of a CS is not required byall AALsEtc. HT HT HT 5、ATM适配层 业务类别(Service Catagories) CBRConstant Bit Rate VBR-RTVariable Bit Rate - Real Time VBR-NRTVariable Bit Rate - Non-Real Time ABRAvailable Bit Rate UBR

31、Unspecified Bit Rate GFRGuaranteed Frame Rate (later) 第三章 ATM 5、ATM适配层 ITU-T (rec. I 362) 定义的业务分类方法第三章 ATMClass AClass BClass CClass DTiming betweensource and destinationRequiredNot requiredBit rateConstantVariableConnection modeConnection-orientedConnectionlessAAL 1AAL 2AAL 3AAL 4AAL 5RelevantAdapt

32、ation Layer 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 5、ATM适配层 ATM适配层的结构第三章 ATM 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

33、第三章 ATM 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 ATMAALApplicationATMPHYApplicationAALATMPHYATMPHYATMPHYATM NetworkUNIUNINNISourceDestination 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 ATM47 bytes47 bytes48 bytes48 bytes53 bytes 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

34、恢复 无特定的会聚层数据报（未定义CS-PDU） 第三章 ATM 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 ATM47 bytes48 bytesCSI1 bitSN3 bitCRC3 bitP1 bit1 byte (8 bits) 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

35、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 ATM48 bytes47 bytes53 bytesATM cellATM cellSecondary AAL 2 headerInitial AAL2 headerUser 1User 2User 3 5、ATM适配层 AAL2多路业务流的复合传输第三章 ATM 5、ATM适配层 AAL2数据分组的格式第三章 ATM47 bytesUser 1User 23 bytes (24 bits)CIDLIUUIHEC8 bits6 bits5 bits5 bits48 bytesOffsetSNP1 byte (8 bit

36、s)6 bits1 bit1 bit 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 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 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 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