异步传输模式

1、第七章 异步传输模式 本章将讨论异步传输模式(ATM)协议, 内容包括ATM信元、UNI、NNI、ATM多路复用和路由选择操作等, 并且分析了53字节的合理性, 讨论了延迟、纠/检错和同步问题. 17.1 ATM的用途 ATM的用途是提供高速、低延迟、多路复用和交换网络, 以支持各种类型的用户业务, 如语音、数据和视频应用.ATM将用户业务分成定长的单元,大小为53字节,其中5个字节为头部. 每个信元用头部的虚电路标识符来区别.ATM提供有限的纠/检错工作, 以面向连接方式工作.ATM的流量控制和拥塞控制和低速网络有较大的不同.ATM网络不但对现在的网络兼容, 也能适应未来新业务的要求.ATM

2、网络是实现B-ISDN的一种选择. 27.2 相关的标准 ATM的标准大部分有ITU-T、ANSI ATM和FORUM颁布, 表7.1. 37.3 一种ATM拓扑 ATM是B-ISDN的一部分, 它的设计是用来支持公共或专用网络, 相应有两种形式的用户到网络接口(UNI). 4图7.2中给出了一个可能的拓扑. 57.4 VPI和VCI标号 VCI 虚信道标识符VPI 虚路径标识符ATM网络用面向连接的方式工作, 用VPI+VCI来标识虚电路, 以提供PVC和SVC的服务.与VPI+VCI类似的有: 帧中继中的DLCI和X.25中的LGN+LCN等.67.5 ATM的层 图7.3表示了ATM的层

3、. ATM适配层AAL的目的是匹配不同类型的业务到ATM 层. 7图7.4是两个对等实体的层配合. 网络中不涉及到用户AAL操作, 用户AAL操作在网络的边界发生, 由接入的ATM交换机完成.在网络中, 对于非用户业务, 如信令消息和网络管理消息, AAL被用来接收信元并重装这些消息, 以使交换机知道对这些消息作和处理.8B-ISDN参考模型基于OSI和ISDN标准, 图7.5. 9图7.6是图7.5另外一种描述. 控制平面含有Q.2931协议, 用于在ATM网络中建立连接.Q.2931下面是SAAL, SAAL有三个子层构成, AAL5、SSCOP和SSCF.用户平面包含和应用特定协议, 如

4、语音、视频和数据等.管理平面提供管理服务.107.6 ATM协议数据单元(信元) ATM信元在UNI和NNI略有不同, 图7.7.其中的类型标识符PT在ATM论坛中得到了比较大的扩展, 可用于拥塞通知操作, 类似帧中继中的拥塞告知位(FECN和BECN). 117.7 ATM操作详述 7.7.1 物理层接口 标准化组织为ATM在以下媒体上制定了规范： (a) SONET/SDH; (b)44.736Mbit/s载波; (c)100Mbit/sFDDI系统; (d)铜缆等.12 为了使ATM在DS3载波系统上运行, ATM论坛制定了物理层会聚协议(PLCP), 图7.8. 每帧由12行ATM信元

5、组成, 每行有4个字节的开销. 开销用于组帧、差错检验、比特填充、告警条件、路径开销标志以及保留字节.13ATM论坛规定了100Mbit/s多模光纤系统接口. 在FDDI中, 助记符JK表示线路空闲, TT用来表示信元开始, QQ用于对信元信号丢失进行编码. 同时这些操作不使用MAC层, 直接使用FDDI的物理层. 147.7.2 铜缆上的ATM ATM论坛制定了在3类非屏蔽双绞线上运行的ATM规范, 其速率为(a)51.84Mbit/s, (b)25.92Mbit/s, (c)12.96Mbit/s. 表7.3总结了针对第3类和第5类电缆的允许速率和传输距离. 15 7.7.3 信元大小的基

6、本原理 信元长度有以下特点：(a)适合于语音网络,(b)有助于前向纠错操作,(c)使在出错情况下必须传输的比特数减到最小, (d)与现在的载波传输设备协同运行. 小信元避免了处理长PDU使固有的延迟.信元长度的选取应考虑：(a)与现有设备配合, (b)提供可接受的传输效率, (c)不至于过于复杂而难以实施. 167.7.4 网络透明操作 本节讨论ATM信元及其与出错、延迟、信元大小的关系. 对于业务数据单元(SDU), 要考虑三个重要概念.语义透明: 不出错地把用户SDU从信源传送到目的地;SDU大小透明: 适应用户的变长SDU;时间透明: 在信源和目的地之间以固定的延迟传送用户SDU. 17

7、出错和出错率 误码的概率特性是非常重要的, 光纤的误码特性见图7.9. 由于光纤很少出错, ATM不进行复杂的重发, 它可以纠正出错单比特的信元头部而丢弃那些出现多比特差错的头部. 18差错纠正和检测 ATM的HEC操作用于保护信元的头部. 它可以纠单比特错并检测多比特差错. 图7.10表示了纠/检错的逻辑. ATM 的HEC是非常精致的设计, 还可以用于信元的同步.19可变和固定大小的负载 SDU采用定长或变长取决于 (a)传输效率, (b)交换速度和网络延迟. 经过仔细考虑, 在1989年日内瓦大会时ITU-T决定将信元大小定为48字节. 20下面考虑传输延迟, 图7.11. 某些用户通信

8、之间需要可预测和固定的时延, 它们有AAL层来负责实现. 下面通过一个示例来说明各部分时延的相对关系, 图7.11. C/S 12000s(信源和信宿各一半); PD 2000s(信源和信宿之间的距离500公里); SD 72s(三个交换机); QD 225s(三个交换机). 合计为14.297ms, 符合ITU-T对语音业务的要求. 21 同时应该看到, 打包和传播时延为主要部分. 上面的示例为一个纯ATM网络, 也可能经过几次转接, 时延估计会复杂一些. 227.7.5 ATM标号 在ATM网络中, 将不同的虚电路复用在一条物理电路中. 根据Q.2931可以为用户提供预先建立的PVC或按需

9、连接的SVC.同时可能要考虑建立点到点或点到多点的连接. 23 7.7.6 多路复用VCI和VPI 图7.13中表示了VPI和VCI的相对概念. 247.7.7 ATM按需连接 SVC需要一个连接建立和拆除的过程. ATM的连接控制规程被称为Q.2931. 在UNI处, 需要支持的功能见表7.3. 表7.4中是一些连接控制消息. 25 需要指明, X类规程是一个用户自己定义的服务质量(QOS)操作. QOS不能在用户之间协商. 26 下面简单讨论建立(SETUP)消息, 这个消息中包含了建立连接所必须的参数.ATM的AAL参数业务类型;业务子类型;AAL 3/4的最大SDU长度;CBR速率;A

10、AL1的时钟恢复类型;AAL5中的模式(消息模式或流模式);AAL1的纠错方法.27 7.7.8 ATM交换 ATM交换的难点在于综合交换, 必须使排队和交换延迟最小化. ATM交换所面临的业务流的特征是不确定的, ATM交换的实现可以由不同的交换结构来实现. 28图7.14中表明了VPI和VCI交换机的不同.29在图7.15中继续说明了这种情况. 30图7.16说明了ATM交换机是如何运行的. 31 在交换结构中, Banyan 网络是经常用到的结构. 这种网络的特点在于唯一和自选路由, 并且可以实现点到点或点到多点的连接. 经过一些处理后, 可以解决交换网络内部冲突, 出线冲突和入线冲突.

11、 现代交换机的信元丢失率可达. 32 在图7.19中是地址解析示例, 表明如何自选路由. 33 图7.20表明为了解决三种冲突, 可以有不同的排队模式. 34 在图7.21中为一台并行交换模型, 能十分有效 解决各种冲突和提高吞吐率. 357.7.9 业务种类 AAL的设计是支持不同类型的业务和应用, 表7.5对业务类型进行了总结. 相应有A,B,C,D四类业务, X类业务的QOS和计时要求由用户自己定义. 在下面要讨论的不同AAL将配合不同的业务, 不过现在这些分类有了不小的变化. 367.7.10 AAL类型 AAL1 目标支持CBR的应用, 并且要完成: (a)对用户信息的分段和重装,(

12、b)处理可变信元延迟, (c)检测失序和丢失的信元, (d)在接收端恢复源时钟的频率, 图7.22.37AAL2AAL3/4 这是一个合并的类型. 图7.23表示了AAL3/4的PDU.38AAL3/4的各层功能类似MAN和SMDS的相应部分, 图7.24 39 AAL3/4由CS和SAR组成, CS主要负责检错, SAR负责分段和重装. AAL3/4可以接收和处理达到65536字节的用户PDU, 支持两种类型的数据传输: (a)报文模式业务, (b)流模式业务. 40AAL5 AAL5的设计目的是为了ATM与帧中继的互通. 后来被用来支持所有的高速数据应用, 相对于AAL3/4减少了开销.

13、图7.25为AAL5的PDU 格式.41 在ATM与帧中继互连中, 应考虑: 保证帧中继QOS的端到端完整性;帧中继用户意识不到ATM操作;帧中继DLCI必须映射为ATM的VPI/VCI, 反之亦然;帧中继的DE位必须映射为ATM的CLP位;保证QOS的端到端完整性;保证帧的顺序从端到端不变;保证拥塞和流量控制从端到端的一致性; 427.7.11 ATM网络中的业务管理 一个结构合理的ATM网络应能公平地管理业务, 并能为不同种类的应用(如语音、视频、数据)有效地分配容量. ATM网络必须根据网络用户要求的服务水平(QOS)提供高性能价格比的服务, 并能够支持各种应用对延迟的不同要求.ATM网

14、络应能适应一些不可预见的情况. 43网络应能够监视用户业务, 用户和网络必须共同承担QOS操作. 为了能够说明业务多样性, 表7.6给出了可变比特率的一些特征.44自然比特率 图7.26给予了一定的描述. 45ITU-T建议I.35B定义了许多基于ATM网络的性能参数, 图7.27对这些参数进行了总结, 它们是:(a)成功传输的信元,(b)丢失的信元,(c)插入的信元,(d)严重损坏的信元.46 在图7.28中, 假定用户和ATM网络之间达成了一个服务合同, 其中规定一些QOS参数. ATM网络服务供应商可以在出现拥塞时确定如何处理业务. 47传输监视机(TMM) 图7.29给出了另外一种业务

15、监督和管理策略. 487.7.12 ATM论坛和ITU-T业务控制和拥塞控制 ATM论坛和ITU-T对UNI处的CBR、VBR业务定义了监视业务的算法. 使用的参数为: (a)CBR连接的PCR,(b)VBR连接的PCR, SCR和最大的突发长度(MBS). 另一个参数是突发容限(BT), 它限制了在把业务标记为过多业务之前能以高于SCR的速率传输的业务量. 49通用信元速率算法(GCRA) 用于监视用户业务. 在图7.30中给出了描述.关于带宽分配和管理的方案远没有得到解决, 事实上这是ATM最困难之处. 50 7.8 ATM B-ISDN交换运营商 接口(B-ICI) ATM网络互通规范由

16、ITU-T在G.708推荐标准中以网络接点接口(NNI)的方式颁布, 而由ATM论坛颁布的相应部分则被称作宽带交换运营商接口(B-ICI)1.0版. 这两种规范的主要差别在物理层: NNI规定采用SDH, 而B-ICI规定采用SONET或DS3. 51图7.31给出了B-ICI和其他接口和协议之间的关系.ATM B-ICI的功能强大, 是一个可以发送和接收来自不同系统的业务的互通单元. 52 7.8.1B-ICI的物理层要求B-ICI的物理层要求与ATM NNI一致. 7.8.2B-ICI的业务管理B-ICI在网络之间规定业务合同, 对于每个方向业务合同包括如下几个参数(a)连接业务描述符,

17、(b)请求的QOS种类, (c)对所属的ATM连接的定义. 这些参数包括: 峰值信元速率、持续信元速率、突发容限、信元延迟变异容限以及基于GCRA的一致定义 53 7.8.3参考业务负载B-ICI规范就网络运营商如何按照业务合同中的性能目标来确定和管理业务负载, 提供了准则. 表7.7列出了3种业务类型的参考业务负载. 54 7.8.4B-ICI的层管理操作B-ICI层管理操作使用B-ISDN /SONET/ SDH F4,F5的运行、管理和维护(OAM)信息流. 557.9 ATM需要注意的其他方面 7.9.1 ATM网络的寻址ATM地址模仿OSI的网络服务访问点(NSAP), NSAP在I