现代网络技术-第8章

第8章ATM技术

8.1ATM的产生8.2ATM的基本概念和原理8.3ATM与IP结合8.4关于ATM前途的争论

8.1ATM的产生

ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork）是综合业务数字网。它是通过单一线路发送数字语音呼叫和数据的一种电信标准。B-ISDN服务要求有高速通道来传输数字化的声音、视像和多媒体信息。ATM（异步传输模式）是支持B-ISDN服务的一种交换技术，它是建立在电路交换和分组交换基础上的一种快速分组交换技术，可以较好地对带宽信息进行交换。

ATM虽产生于广域网领域，但它的网络结构也适用于局域网领域，并最先在局域网领域得到应用。

8.2ATM的基本概念和原理

8.2.1ATM的主要特点

ATM主要特点归结为：

(1)ATM是面向连接的传输方式。

(2)ATM采用固定长度的短信元作为数据传输的单位，有利于高速交换。

(3)信头的功能十分有限，其主要功能是用来根据虚电路标志识别虚连接。(4)ATM采用统计时分复用的方式来进行数据传输。(5)能支持不同速率的各种业务。(6)传输误码率低，且容量很大。8.2.2ATM的组成原理

ATM网络是网状拓扑结构，由多个ATM交换机和ATM端点组成。ATM网络与用户（ATM端点）之间的接口称为用户网络接口UNI。ATM交换机之间的接口称为网络节点接口NNI。如图8-1所示。

ATM中的虚连接由虚通路VP（VirtualPath）和虚通道VC（VirtualChannel）组成，分别用VPI和VCI来标识。图8-1ATM网络的UNI和NNI接口ATM网络UNIUNINNINNIATM交换机

图8-2ATM连接标识符VCI和VP1虚通道VCx虚通路VPx传输链路VPyVPzVCyVCzVCzVCx

VCy8.2.3ATM协议分层结构

ATM的协议标准是由ITU-T和ATM论坛等机构制定，它又称为B-ISDNATM协议参考模型，图8-3描述了ATM的协议参考模型。这个模型采用平面的概念来分离用户、控制和管理概念。它包括三个平面：

(1)用户平面：支持数据传送、流量控制、差错检测以及其他的用户功能；(2)控制平面：用于连接管理，包括对信令信息的管理；

(3)管理平面：提供层管理和平面管理两种不同功能。图8-3ATM的协议参考模型

高层高层ATM层ATM适配层（AAL）CSSAR物理层TCPM控制平面用户平面管理平面平面管理层管理

3或4拆装子层SAR2或3

2

1表8-1ATM模型中各层和相应子层的功能ATM的层次ATM中的子层功能对应的OSI层次AAL汇聚子层CS为高层应用提供统一接口（汇聚）分割和组装信元

ATM

虚通道和虚通路管理信元头的生成和去除信元复用和交换流量控制

物理层传输汇聚子层TC信元速率匹配信元头验证传输帧适配物理介质子层PM比特定时物理网络接入

1.物理层

ATM物理层又分为：与介质有关的物理介质子层PM（PhysicalMedium）和传输汇聚子层TC（TransmissionConvergence）。

PM子层的作用是：在适当的物理介质上正确地发送和接收比特以及提供比特在物理介质上的传输。它的作用类似于OSI七层模型中的物理层。

ATM并没有对传递比特的形式进行标准化。

ATM物理传输介质可以是光纤，当在100米以内传输时，也可以使用5类双绞线。TC子层的作用是：为其上层的ATM层提供一个统一的接口。

1)信元头验证每个信元中包含5个字节的信元头。

2)传输帧适配

TC子层的另一个重要作用是为传输介质子层生成帧格式。在基于信元的传输方式中，传输帧中正好含有一个信元。

在基于SONET、FDDI、T1、T3等基于帧的传输方式中，传输帧的有效负载不是信元大小的整数倍，信元被嵌在传输帧的有效负载内，信元边界没有固定位置，信元边界由信元划分功能决定。

3)信元定界在接收端，TC子层接收输入的比特流，对信元的边界进行定位，验证信元头，抛弃错误的信元，对OAM信元进行处理，将数据信元传送给ATM层。在这个过程中，最复杂的过程就是信元定界。2.ATM层

1)ATM层的功能

ATMATM层接收到AAL层提供的信元载体后，必须为其加上信元头以生成信元，这样信元才可以成功地在ATM网络上进行传输。

ATM网络用户网络接口UNI上的信元头结构如图8-4（a）所示，在网络接口NNI上的信元头结构如图8-4（b）所示。图8-4ATM信元头结构(a)UNI的信元头结构；(b)UNI的信元头结构GFCVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHECVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHEC8765432187654321GFC — 一般流量控制PTI — 负载类型标识VPI — 虚通路标识符CLP — 信元丢失优先级VCI — 虚通道标识符HEC — 信元头差错控制2)ATM地址建立虚连接时，源站需要指明建立连接的目的站的地址。ATM地址包括三个部分：

AFI（AuthorityandFormatIdentifier）字段：指明ATM地址的类型和格式；

IDI（InitialDomainIdentifier）字段：指明地址分配和管理的授权；

DSP（DomainSpecificPart）字段：包含真正的路由信息。

根据AFI和IDI字段性质的不同，ATM地址可以分为三种格式（如图8-5所示）：图8-5ATM地址的3种格式DCC格式的ATM地址；(b)ICD格式的ATM地址；(c)E.164格式的ATM地址AFIDCCHO-DSPESISEL

字节121061IDI(a)AFIICDHO-DSPESISEL字节121061IDI(b)AFIE.164HO-DSPESISEL字节18461IDI(c)

DCC格式：在这种格式中，IDI字段为DCC（DataCountryCode），由它确定不同国家。

ICD格式：在这种格式中，IDI字段为ICD（InternationalCodeDesignator），表示登记分配的各个国际组织。

E.164形式：在这种地址格式中，IDI是E.164号码，它是一种由CCITT规定的旧式15位十进制ISDN电话号码。3)ATM虚连接的建立

ATM中的连接可以是点到点的连接，也可以是点到多点的连接。从建立的方式来分，有两种最基本连接：永久虚连接（PVC）和交换虚连接（SVC）。交换虚连接SVC是一种由连接信令自动建立的连接。连接信令是用于建立ATM连接的基于ITU-T标准的过程，用于建立虚连接的UNI信令请求由缺省连接（VPI=5，VCI=0）跨越ATM的用户网络接口UNI传送。图8-6(a)描述了建立虚连接的过程。图8-6虚连接(a)虚连接建立；(b)虚连接拆除SetupSetupCallProccedingCallProccedingConnectACKConnectACKConnectConnect源站点交换机1交换机2目的站点(a)ReleaseReleaseComplete源站点交换机1交换机2目的站点(b)ReleaseCompleteRelease

(1)源站点通过缺省虚连接（通常VPI=5，VCI=0）向目的站点发出连接建立（Setup）请求，该请求中包含源站点ATM地址、目的站点ATM地址、传输特性以及QoS参数等。

(2)网络向要求建立连接的源站点回送呼叫确认（CallProceeding），表明呼叫建立已启动。

(3)Setup沿网络向目的地站点传播。在传播的每一步，都会返回CallProceeding确认。

(4)目的站点接收到连接建立请求后，若连接条件满足，则返回连接（Connect），表明接受呼叫。(5)在Connect返回源站点过程中，每一步均会产生连接确认（ConnectACK），最后源站点用连接确认（ConnectACK）响应网络。(1)要求拆除虚连接的源站点向网络发出拆除虚连接（Release）请求，相邻的交换机接到该消息后，向源站点返回ReleaseComplete。

(2)Release沿ATM网络向目的站点传播。在网络中传播的每一步，都会得到ReleaseComplete确认。

(3)Release到达目的站点后，虚连接将被拆除。

4)ATM交换原理

ATM中的连接有两级：虚通路连接（VPC）和虚通道连接（VCC），如图8-7所示。

图8-7VC交换和VP交换VC交换VC11VC12VC13VC14P交换VP12VP13VP11VP14VP15VC1VC2VC135VC145VC1VC2VC11VC12

图8-8VP交换与连接映射表

图8-9VPI/VCI虚连接交换过程3.ATM适配层

ATM适配层AAL负责处理从高层应用送来的数据。在发送方，AAL负责将从用户应用传来的数据包分割成为固定长度的ATM有效数据（48字节），在接收方，AAL将ATM信元的有效负载重组成为用户数据包，传递给高层应用。表8-2ATM网络向用户提供的四种服务服务类别A类B类C类D类AAL类型AAL1，AAL5AAL2，AAL5AAL3/4，AAL5AAL3/4，AAL5比特率恒定可变是否需要同步需要不需要连接方式面向连接无连接应用举例64kb/s话音变比特率图像面向连接数据无连接数据图8-10ATM的砂漏模型51Mb/sUTP100Mb/s光钎155Mb/s光钎其他AAL1AAL2AAL3/4AAL5不同类别的应用AAL层ATM层物理层53字节

下面以AAL5为例说明CS子层和SAR子层的功能。

AAL5的CS子层为SAR子层做分割准备。

AAL5的SAR子层只有分段和重组功能，它只包括将CS子层的数据包分割成为48字节的信元有效数据，或反过来的操作。图8-11AAL5的CS子层和SAR子层功能CPCS-PDU有效数据PADUULenCRC用户-PDUCPCS-PDUSAP-PDU用户层CS子层SAR子层………48字节48字节48字节

8.2.4ATM交换机结构

ATM信元交换机结构的一般模式如图8-12所示，它包含若干条输入线路和若干条输出线路。该交换机结构在一个时钟周期中通常同步地将各个输入线路上的信元通过交换机内部的交换结构发送到相应的输出线路上。图8-12交换机结构模型信元信元输出线路输入线路交换机

交换机有多种类型，但所有的交换机都要实现下面两个基本目标：

(1)要尽量减少信元交换中信元的丢失率。

(2)在同一条虚通道上进行传输的信元的顺序不能被改变。图8-13交换结构的分类交换结构共享存储共享总线时分结构BanyanDelta循环空分结构

8.3ATM与IP结合

8.3.1IPOAIPOA（ClassicalIPOverATM）就是在ATM网络上传输IP数据报的解决方案。IPOA的基本思想是：在传输IP数据报时把ATM网络看作是另一种异型网络，即与以太网、令牌环网以及X.25分组交换网等物理网络上传输IP数据报的情况相类似。1.组网环境

IPOA的组网环境如图8-14所示。图中连接ATM网络的设备有主机、路由器及ARP服务器。

2.IPOA的协议和体系结构图8-15表示IPOA的体系结构。IPOA将ATM网络当作局域网来处理。RFC1577协议弥补了RFC1483只支持ATMPVC的弱点，利用ATM动态SVC功能来支持ATM网络上的直接连接的IP站点。

RFC1577协议在信道传输IP数据包时仍利用RFC1483的LLC封装格式，但增加了在同一个LIS中任意ATM站点之间进行动态连接的功能。

图8-14IPOA组网环境高层TCP、UDPIP

AAL5ATM层物理层RFC1577RFC1483IPOA

ATM网络以太网服务器主机ARP服务器主机路由器路由器LIS1LIS2

图8-15IPOA体系结构3.IPOA工作原理

(1)ARP服务器：为了解决IP地址与ATM地址的直接映射，每个LIS中存在一个ARP服务器，它由ATM统一编址，负责IP地址与ATM地址的映射。

(2)ATM连接与传输：在ATM网络上有一个主机要求向目的主机发送IP数据包时，由于源主机只知道目的主机的IP地址，而不知道目的主机的ATM地址，因此两者无法建立ATM连接。图8-16ATM地址解析过程ARP服务器目的主机源主机ARP请求ARP回答SVC呼叫请求

4.IPOA的缺点

(1)IPOA在建立连接和传输IP数据包的过程中，若要跨LIS，则就要经过路由器。因此，如果网络的范围越大，则可能经过的路由器越多，网络的延时就越大。由于路由器成为网络性能的瓶颈，因此，IPOA仅适合小型ATM网络。

(2)不支持IP广播包的传送。若在ATM网络上要传输IP广播包，则不能使用IPOA。8.3.2ATM局域网仿真

ATM网络虽然有很多优点，但相比之下，其配置和使用比以太网等局域网要复杂得多。

1.LANE协议结构

LANE的协议结构如图8-17所示。LANE协议位于AAL层的上面，用于LANE的AAL协议是AAL5。图8-17局域网仿真分层协议

LANEAAL5ATM层物理层应用层IPIPXATM层物理层物理层MAC子层应用层IPIPX桥接LANEAAL5ATM层物理层物理层MAC子层以太网L-UNIL-UNI网桥ATM网络

2.LANE的组成原理实际上，通过局域网仿真技术，将一个大的ATM网络划分为多个逻辑子网，每个子网为一个仿真局域网ELAN（定义了一个逻辑组），广播消息只能在这个ELAN内传播。LANE提供的功能是：数据封装和传输、地址解析以及多播组的管理。ATM论坛规定了LANE使用的客户和三种服务器：

(1)局域网仿真客户LEC（LANEmulationClient）。

(2)局域网仿真服务器LES（LANEmulationSever）。

(3)广播和未知地址服务器BUS（BroadcastandUnknownServer）。

(4)局域网仿真配置服务器LECS（LANEmulationConfigurationServer）。3.LANE中的连接过程在LAN仿真中，实体之间是使用一系列ATM连接进行相互通信的。LEC将这些通信分为两类：数据通信和控制通信。

(1)控制连接（ControlConnection）有以下几种：配置直接虚通道（ConfigurationDirectVCC）控制直接虚通道（ControlDirectVCC）控制分布虚通道（ControlDistributedVCC）(2)数据连接（DataConnection）有以下几种：数据直接虚通道（DataDirectVCC）组播发送虚通道（MulticastSendVCC）组播转发虚通道（MulticastForwardVCC）8.3.3MPOA

随着网络规模的不断扩大，以及多媒体等大数据量应用的不断普及，基于传统路由器的网络结构正在受到挑战。通常，网络管理者是通过在桌面使用LAN交换机、在主干使用ATM交换机来提高网络性能的。

路由器通常接收到LAN子网上的主机传送来的网络