现代通信网概论(杨武军)第9章

第9章ATM网络第9章ATM网络9.1ATM产生背景和协议结构9.2ATM网络9.3ATM信元9.4AAL9.5流量控制和拥塞控制思考题第9章ATM网络9.1ATM产生背景和协议结构9.1.1ATM产生背景现有的通信网是根据应用业务来区分的，如公用电话交换网(PSTN)、用户电报网、CATV网、分组交换公用数据网(PSPDN)、专用数据网等，即对每一种应用业务存在一种相应的网络进行传输与交换。由于网络的专门化，使得网络在不同业务的兼容性、灵活性和资源利用率等方面存在着严重的缺陷，因此建立了一个与业务无关的网络，使它能够传送现有所有业务，并能以一种低成本的方式不断引入新业务，这对运营商和用户均有利。第9章ATM网络1972年ITU-T提出了综合业务数字网(ISDN)的概念。特别是80年代初制定的一整套关于ISDN的系列建议，奠定了ISDN发展的基础。鉴于当时技术能力和业务需求的限制，首先提出的只能是窄带综合业务数字网(N-ISDN)。N-ISDN的提出为迈向一个统一的网络走出了第一步，它采用同步传送模式(STM)使得语音和数据在同一介质中传输。N-ISDN提供端到端的数字连接，定义了两种用户网络接口：基本速率接口(BRI)和基群速率接口(PRI)，实现了用户网络接口的标准化。第9章ATM网络N-ISDN只能为用户提供最高比特率约为1.5Mb/s或2Mb/s的各种业务。而且N-ISDN注重的只是用户网络接口上业务的综合，实际网络内仍是由电路交换和分组交换等若干分离的模块提供业务。因此，N-ISDN并未实现真正意义上的综合。随着高速电信技术的到来，很多新业务在20世纪80年代问世。它们通常包括话音、数据、图像和视频，带宽从56/64kb/s到155Mb/s,甚至更高；这些通信业务大多数是传统的，在整个呼叫期间需要固定的带宽。然而很多通信业务具有突发性，换而言之，用户有时保持沉默，然后在短期内突然以高速发送大量数据。这样即使在很长时间内所需要的平均带宽也变化甚微，用户也可能在短期内需要高得多的带宽。在某些情况下，应用是面向连接的，即用户在信息交换之前需要建立连接,如果是多媒体业务，单一的用户可能同时需要多条信道；另一种情况是无连接的应用，如电子邮件和其他LAN类型的数据通信。第9章ATM网络在早期,标准化组织考虑使用STM的可能性。除了灵活分配PRI的nB+mH0+kH1通道，还定义了两个新类型通道：32.768Mb/s的H2和132.032～138.240Mb/s的H4,希望在某些预定组合中,通过分配适当数量的通道满足应用的不同带宽需求。但实际上,通过动态分配不同数量的时隙，满足突发通信量对带宽的需求是非常困难的。第9章ATM网络1989年，ITU-T第18研究组在综合了已有研究成果的基础上,提出了一种新的信息传递方式--异步传送模式(ATM)，并将ATM作为实现宽带综合业务数字网(B-ISDN)的一个解决方案。ATM从此正式诞生。1990年，ITU-T又用加速程序推出了13个建议，它们定义了ATM的基本概念,并确定了大部分参数。ITU-T主要从公用网络运营者的观点出发，定义有关B-ISDN网的结构、逻辑描述、信令、业务分类等，对一些具体细节没有做出规定。ATM论坛(ATMForum)主要侧重于解决专用网或接入网中ATM技术的具体应用以及设备互连。因此它的规范涉及的领域比较广，包括ATM技术的各个方面。第9章ATM网络9.1.2ATM基本概念ATM是异步传送模式，它采用快速分组交换和统计复用技术。它具有如下基本特点。1．采用短而固定长度的短分组在ATM中采用短而固定长度的分组，称为信元(Cell)。信元由53个字节组成，其中5个字节是信元头，48个字节是净荷。固定长的短分组决定了ATM系统处理时间短、响应快，特别适合实时业务和高速应用。第9章ATM网络2．采用统计复用ATM是按信元进行统计复用的，在时间上没有固定的复用位置。由于统计复用是按需分配带宽，可以满足不同用户传递不同业务的带宽需要。第9章ATM网络3．ATM采用面向连接并预约传输资源的方式工作电路交换是通过预约传输资源保证实时信息的传输，同时端到端的连接使得信息在传输时，在任意的交换节点不必作复杂的路由选择(这项工作在呼叫建立时已经完成)。分组交换模式中仿照电路方式提出虚电路工作模式，目的也是为了减少传输过程中交换机为每个分组作路由选择的开销，同时可以保证分组顺序的正确性。但是分组交换取消了资源预定的策略，虽然提高了网络的传输效率，但却有可能使网络接收超过其传输能力的负载，造成所有信息都无法快速传输到目的地。第9章ATM网络在ATM方式中采用的是分组交换中的虚电路形式，同时在呼叫建立过程中,向网络申请传输所希望使用的资源，网络根据当前的状态决定是否接受这个呼叫。其中资源的约定并不像电路交换中给出确定的电路或PCM时隙一样，而只协商将来通信过程可能使用的通信速率。采用预约资源的方式，保证网络上的信息可以在一定允许的差错率下传输。另外考虑到业务具有波动的特点和交换中同时存在连接的数量，根据概率论中的大数定理，网络预分配的通信资源肯定小于信源传输时的峰值速率。可以说ATM方式既兼顾了网络运营效率，又满足了接入网络的连接能够进行快速数据传输。第9章ATM网络4．协议简化分组交换协议设计运行的环境是误码率很高的模拟通信线路，需要进行逐段链路的差错控制；同时由于没有预约资源机制，任何一段链路上的数据量都有可能超过其传输能力，所以有必要执行逐段链路上的流量控制。而ATM协议运行在误码率很低的光纤传输网上，同时预约资源机制保证网络中传输的负荷小于网络的传输能力，所以ATM取消了网络内部节点链路上的差错控制和流量控制。对于通信过程中出现的差错，ATM将这些工作推给了网络边缘的终端设备完成。第9章ATM网络由于ATM网络中不进行流量控制和差错控制，所以信元头部变得异常简单，主要是标志虚电路，这个标志在呼叫建立阶段产生，用以表示信元经过网络中传输的路径。用这个标志可以很容易地将不同的虚电路信息复用到一条物理通道上。如果信元头部出现错误，则必然会导致信元的错投，浪费网络的计算和传输资源。及早发现信元头部出错是非常必要的，因此，要在信元的头部加上纠错和检错的机制以防止或降低错选路由。第9章ATM网络根据上面的描述可以知道，实际上ATM充分地综合了电路交换和分组交换的优点。它可以支持实时业务、数据透明传输，并采用端到端的通信协议。同时也具有分组交换支持可变比特率(VBR：VariableBitRate)业务的特点，并能对链路上传输的业务进行统计复用。所以ATM是下一代通信网交换、复用和传输的主要技术之一。第9章ATM网络9.1.3ATM协议参考模型ITU-TI.321建议提出的ATM协议参考模型，继承了N-ISDN协议模型的优点，用分开平面的概念来分离用户、控制和管理功能。因此，ATM协议参考模型包括三个平面：用户平面、控制平面和管理平面，见图9.1。(1)用户平面(U平面)：负责提供用户信息传送、端到端流量控制和恢复操作。(2)控制平面(C平面)：负责建立网络连接，管理连接以及连接的释放。控制平面主要完成信令功能。第9章ATM网络图9.1ATM协议参考模型面管理层管理管理面控制面用户面高层ATM层高层物理层ATM适配层(AAL)第9章ATM网络(3)管理平面(M平面)：有两个功能，即平面管理和层管理。平面管理没有分层结构，它负责所有平面的协调；层管理负责各层中的实体管理，并执行运行、管理和维护(OAM)功能。在每个平面内，采用了分层结构。层次划分考虑的是：为了实现综合交换、复用和传输，设计了业务无关层，它就是协议参考模型中的ATM层；为实现对不同类型业务的不同处理，设计了一组平行的业务相关层，它就是ATM适配层(AAL：ATMAdaptationLayer)；物理层则对ATM层屏蔽不同物理媒介的差异。因此也就有了ATM四层模型，即物理层、ATM层、AAL层和高层。表9.1给出了各个层的功能。第9章ATM网络表9.1ATM各层功能层功能层号会聚CS拆装SARAAL一般流量控制信头处理VPI/VCI处理信元复用和解复用ATM信元速率去耦HEC序列产生和信头检查信元定界传输帧适配传输帧生成和恢复TC层管理比特定时物理媒体PMPHY第9章ATM网络1．物理层物理层利用通信线路的比特流传送功能实现ATM信元的传送。这种传送功能是不可靠的。通过物理层传送的ATM信元可能丢失，它的信息域部分也可能发生错误。但是，在顺序传送多个ATM信元时，传送过程不会发生顺序的颠倒。物理层(PHY)包含两个子层：物理媒介子层(PM：PhysicalMediaDependentSublayer)和传输会聚子层(TC：TransmissionConvergenceSublayer)。PM的功能依赖于传输媒介的外部特性(光纤、微波、双绞线等)，主要功能有比特传递和定时校准、线路编码和电光转换等。TC负责会聚物理层操作，它不依赖于具体媒介。TC子层完成如下主要功能：第9章ATM网络(1)传输帧生成和恢复。发送侧将ATM信元装入传输帧结构中，接收侧从收到的帧中取出ATM信元。具体的操作取决于物理层上帧的类型。例如，信元可以装在SDH帧中，也可以装在PDH帧中。(2)信元定界。在源端点它负责定义信元的边界，而在接收端点是从接收到的连续比特流中确定各个信元的起始位置，恢复所有信元。ITU-T建议利用信元头中的前四个字节和HEC来定界。(3)信头处理。在源端点它负责产生信头差错控制域(HEC：HeadErrorCheck)，而在接收端点它负责对HEC进行处理，以确定该信头在传送过程中是否有错。第9章ATM网络(4)信元速率解耦。ATM层送来的信元速率可能和线路上的信息传送速率不一致，为了填补信元间的空隙，发送端插入空闲信元，以适配传输线路上的带宽容量，接收端剔除空闲信元。与OSI模型相比，ATM物理层大体包括了OSI的物理层和数据链路层。其中，PM子层相当于OSI物理层；TC子层相当于OSI数据链路层，但其功能大大地简化了，只保留了对信元头的校验和信元定界功能。第9章ATM网络2．ATM层ATM层利用物理层提供的传送功能，向外部提供传送ATM信元的能力。ATM层是与物理层相互独立的。不管信元是在光纤、双绞线上，还是在其他媒介上传送，无论速率如何，ATM层均以统一的信元标准格式完成复用、交换和选路。ATM层具有以下四种主要功能：(1)信元复用和解复用。在源端点负责对来自各个逻辑连接的信元进行复接，在目的端对接收的信元流进行解复用。(2)VPI/VCI处理。在每个ATM节点为信元选路，建立端到端的逻辑连接。ATM逻辑连接是通过虚通路标识VPI(VPIdentifier)和虚信道标识VCI(VCIdentifier)来识别的。第9章ATM网络(3)信头产生和处理。在呼叫建立阶段，各节点分配VPI/VCI；在信息传送阶段各节点翻译VPI/VCI，如在目的端点可以把VPI/VCI翻译成服务接入点(SAP)。(4)一般流量控制。在用户网络接口(UNI)处，用ATM信头中的一般流量控制域来实现流量控制。总之，ATM层的主要工作是产生ATM信元的信头并进行处理。ATM层可以为不同的用户指定不同的VPI/VCI。ATM层具有OSI网络层的功能。第9章ATM网络3．AAL层AAL层介于ATM层和高层之间，负责将不同类型业务信息适配成ATM信元。适配的原因是由于各种业务(语音、数据和图像等)所要求的业务质量(如时延、差错率等)不同。在把各个业务的原信号处理成信元时，应消除其质量条件的差异。换个角度说，ATM层只统一了信元格式，为各种业务提供了公共的传输能力，而并没有满足大多数应用层(高层)的要求，故需要用AAL层来做ATM层与应用层之间的桥梁。AAL层具有OSI传输层、会话层和表示层的功能。第9章ATM网络4．高层高层根据不同的业务(数据、信令或用户信息等)特点，完成其端到端的协议功能。如支持计算机网络通信和LAN的数据通信，支持图像和电视业务及电