現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-第8章

第8章ATM技術(shù)

8.1ATM的產(chǎn)生8.2ATM的基本概念和原理8.3ATM與IP結(jié)合8.4關(guān)于ATM前途的爭論

8.1ATM的產(chǎn)生

ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork）是綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)。它是通過單一線路發(fā)送數(shù)字語音呼叫和數(shù)據(jù)的一種電信標(biāo)準(zhǔn)。B-ISDN服務(wù)要求有高速通道來傳輸數(shù)字化的聲音、視像和多媒體信息。ATM（異步傳輸模式）是支持B-ISDN服務(wù)的一種交換技術(shù)，它是建立在電路交換和分組交換基礎(chǔ)上的一種快速分組交換技術(shù)，可以較好地對帶寬信息進行交換。

ATM雖產(chǎn)生于廣域網(wǎng)領(lǐng)域，但它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也適用于局域網(wǎng)領(lǐng)域，并最先在局域網(wǎng)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

8.2ATM的基本概念和原理

8.2.1ATM的主要特點

ATM主要特點歸結(jié)為：

(1)ATM是面向連接的傳輸方式。

(2)ATM采用固定長度的短信元作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝?，有利于高速交換。

(3)信頭的功能十分有限，其主要功能是用來根據(jù)虛電路標(biāo)志識別虛連接。(4)ATM采用統(tǒng)計時分復(fù)用的方式來進行數(shù)據(jù)傳輸。(5)能支持不同速率的各種業(yè)務(wù)。(6)傳輸誤碼率低，且容量很大。8.2.2ATM的組成原理

ATM網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由多個ATM交換機和ATM端點組成。ATM網(wǎng)絡(luò)與用戶（ATM端點）之間的接口稱為用戶網(wǎng)絡(luò)接口UNI。ATM交換機之間的接口稱為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口NNI。如圖8-1所示。

ATM中的虛連接由虛通路VP（VirtualPath）和虛通道VC（VirtualChannel）組成，分別用VPI和VCI來標(biāo)識。圖8-1ATM網(wǎng)絡(luò)的UNI和NNI接口ATM網(wǎng)絡(luò)UNIUNINNINNIATM交換機

圖8-2ATM連接標(biāo)識符VCI和VP1虛通道VCx虛通路VPx傳輸鏈路VPyVPzVCyVCzVCzVCx

VCy8.2.3ATM協(xié)議分層結(jié)構(gòu)

ATM的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是由ITU-T和ATM論壇等機構(gòu)制定，它又稱為B-ISDNATM協(xié)議參考模型，圖8-3描述了ATM的協(xié)議參考模型。這個模型采用平面的概念來分離用戶、控制和管理概念。它包括三個平面：

(1)用戶平面：支持?jǐn)?shù)據(jù)傳送、流量控制、差錯檢測以及其他的用戶功能；(2)控制平面：用于連接管理，包括對信令信息的管理；

(3)管理平面：提供層管理和平面管理兩種不同功能。圖8-3ATM的協(xié)議參考模型

高層高層ATM層ATM適配層（AAL）CSSAR物理層TCPM控制平面用戶平面管理平面平面管理層管理

3或4拆裝子層SAR2或3

2

1表8-1ATM模型中各層和相應(yīng)子層的功能ATM的層次ATM中的子層功能對應(yīng)的OSI層次AAL匯聚子層CS為高層應(yīng)用提供統(tǒng)一接口（匯聚）分割和組裝信元

ATM

虛通道和虛通路管理信元頭的生成和去除信元復(fù)用和交換流量控制

物理層傳輸匯聚子層TC信元速率匹配信元頭驗證傳輸幀適配物理介質(zhì)子層PM比特定時物理網(wǎng)絡(luò)接入

1.物理層

ATM物理層又分為：與介質(zhì)有關(guān)的物理介質(zhì)子層PM（PhysicalMedium）和傳輸匯聚子層TC（TransmissionConvergence）。

PM子層的作用是：在適當(dāng)?shù)奈锢斫橘|(zhì)上正確地發(fā)送和接收比特以及提供比特在物理介質(zhì)上的傳輸。它的作用類似于OSI七層模型中的物理層。

ATM并沒有對傳遞比特的形式進行標(biāo)準(zhǔn)化。

ATM物理傳輸介質(zhì)可以是光纖，當(dāng)在100米以內(nèi)傳輸時，也可以使用5類雙絞線。TC子層的作用是：為其上層的ATM層提供一個統(tǒng)一的接口。

1)信元頭驗證每個信元中包含5個字節(jié)的信元頭。

2)傳輸幀適配

TC子層的另一個重要作用是為傳輸介質(zhì)子層生成幀格式。在基于信元的傳輸方式中，傳輸幀中正好含有一個信元。

在基于SONET、FDDI、T1、T3等基于幀的傳輸方式中，傳輸幀的有效負(fù)載不是信元大小的整數(shù)倍，信元被嵌在傳輸幀的有效負(fù)載內(nèi)，信元邊界沒有固定位置，信元邊界由信元劃分功能決定。

3)信元定界在接收端，TC子層接收輸入的比特流，對信元的邊界進行定位，驗證信元頭，拋棄錯誤的信元，對OAM信元進行處理，將數(shù)據(jù)信元傳送給ATM層。在這個過程中，最復(fù)雜的過程就是信元定界。2.ATM層

1)ATM層的功能

ATMATM層接收到AAL層提供的信元載體后，必須為其加上信元頭以生成信元，這樣信元才可以成功地在ATM網(wǎng)絡(luò)上進行傳輸。

ATM網(wǎng)絡(luò)用戶網(wǎng)絡(luò)接口UNI上的信元頭結(jié)構(gòu)如圖8-4（a）所示，在網(wǎng)絡(luò)接口NNI上的信元頭結(jié)構(gòu)如圖8-4（b）所示。圖8-4ATM信元頭結(jié)構(gòu)(a)UNI的信元頭結(jié)構(gòu)；(b)UNI的信元頭結(jié)構(gòu)GFCVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHECVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHEC8765432187654321GFC?—?一般流量控制PTI?—?負(fù)載類型標(biāo)識VPI?—?虛通路標(biāo)識符CLP?—?信元丟失優(yōu)先級VCI?—?虛通道標(biāo)識符HEC?—?信元頭差錯控制2)ATM地址建立虛連接時，源站需要指明建立連接的目的站的地址。ATM地址包括三個部分：

AFI（AuthorityandFormatIdentifier）字段：指明ATM地址的類型和格式；

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

DSP（DomainSpecificPart）字段：包含真正的路由信息。

根據(jù)AFI和IDI字段性質(zhì)的不同，ATM地址可以分為三種格式（如圖8-5所示）：圖8-5ATM地址的3種格式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

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

DCC格式：在這種格式中，IDI字段為DCC（DataCountryCode），由它確定不同國家。

ICD格式：在這種格式中，IDI字段為ICD（InternationalCodeDesignator），表示登記分配的各個國際組織。

E.164形式：在這種地址格式中，IDI是E.164號碼，它是一種由CCITT規(guī)定的舊式15位十進制ISDN電話號碼。3)ATM虛連接的建立

ATM中的連接可以是點到點的連接，也可以是點到多點的連接。從建立的方式來分，有兩種最基本連接：永久虛連接（PVC）和交換虛連接（SVC）。交換虛連接SVC是一種由連接信令自動建立的連接。連接信令是用于建立ATM連接的基于ITU-T標(biāo)準(zhǔn)的過程，用于建立虛連接的UNI信令請求由缺省連接（VPI=5，VCI=0）跨越ATM的用戶網(wǎng)絡(luò)接口UNI傳送。圖8-6(a)描述了建立虛連接的過程。圖8-6虛連接(a)虛連接建立；(b)虛連接拆除SetupSetupCallProccedingCallProccedingConnectACKConnectACKConnectConnect源站點交換機1交換機2目的站點(a)ReleaseReleaseComplete源站點交換機1交換機2目的站點(b)ReleaseCompleteRelease

(1)源站點通過缺省虛連接（通常VPI=5，VCI=0）向目的站點發(fā)出連接建立（Setup）請求，該請求中包含源站點ATM地址、目的站點ATM地址、傳輸特性以及QoS參數(shù)等。

(2)網(wǎng)絡(luò)向要求建立連接的源站點回送呼叫確認(rèn)（CallProceeding），表明呼叫建立已啟動。

(3)Setup沿網(wǎng)絡(luò)向目的地站點傳播。在傳播的每一步，都會返回CallProceeding確認(rèn)。

(4)目的站點接收到連接建立請求后，若連接條件滿足，則返回連接（Connect），表明接受呼叫。(5)在Connect返回源站點過程中，每一步均會產(chǎn)生連接確認(rèn)（ConnectACK），最后源站點用連接確認(rèn)（ConnectACK）響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。(1)要求拆除虛連接的源站點向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出拆除虛連接（Release）請求，相鄰的交換機接到該消息后，向源站點返回ReleaseComplete。

(2)Release沿ATM網(wǎng)絡(luò)向目的站點傳播。在網(wǎng)絡(luò)中傳播的每一步，都會得到ReleaseComplete確認(rèn)。

(3)Release到達目的站點后，虛連接將被拆除。

4)ATM交換原理

ATM中的連接有兩級：虛通路連接（VPC）和虛通道連接（VCC），如圖8-7所示。

圖8-7VC交換和VP交換VC交換VC11VC12VC13VC14P交換VP12VP13VP11VP14VP15VC1VC2VC135VC145VC1VC2VC11VC12

圖8-8VP交換與連接映射表

圖8-9VPI/VCI虛連接交換過程3.ATM適配層

ATM適配層AAL負(fù)責(zé)處理從高層應(yīng)用送來的數(shù)據(jù)。在發(fā)送方，AAL負(fù)責(zé)將從用戶應(yīng)用傳來的數(shù)據(jù)包分割成為固定長度的ATM有效數(shù)據(jù)（48字節(jié)），在接收方，AAL將ATM信元的有效負(fù)載重組成為用戶數(shù)據(jù)包，傳遞給高層應(yīng)用。表8-2ATM網(wǎng)絡(luò)向用戶提供的四種服務(wù)服務(wù)類別A類B類C類D類AAL類型AAL1，AAL5AAL2，AAL5AAL3/4，AAL5AAL3/4，AAL5比特率恒定可變是否需要同步需要不需要連接方式面向連接無連接應(yīng)用舉例64kb/s話音變比特率圖像面向連接數(shù)據(jù)無連接數(shù)據(jù)圖8-10ATM的砂漏模型51Mb/sUTP100Mb/s光釬155Mb/s光釬其他AAL1AAL2AAL3/4AAL5不同類別的應(yīng)用AAL層ATM層物理層53字節(jié)

下面以AAL5為例說明CS子層和SAR子層的功能。

AAL5的CS子層為SAR子層做分割準(zhǔn)備。

AAL5的SAR子層只有分段和重組功能，它只包括將CS子層的數(shù)據(jù)包分割成為48字節(jié)的信元有效數(shù)據(jù)，或反過來的操作。圖8-11AAL5的CS子層和SAR子層功能CPCS-PDU有效數(shù)據(jù)PADUULenCRC用戶-PDUCPCS-PDUSAP-PDU用戶層CS子層SAR子層………48字節(jié)48字節(jié)48字節(jié)

8.2.4ATM交換機結(jié)構(gòu)

ATM信元交換機結(jié)構(gòu)的一般模式如圖8-12所示，它包含若干條輸入線路和若干條輸出線路。該交換機結(jié)構(gòu)在一個時鐘周期中通常同步地將各個輸入線路上的信元通過交換機內(nèi)部的交換結(jié)構(gòu)發(fā)送到相應(yīng)的輸出線路上。圖8-12交換機結(jié)構(gòu)模型信元信元輸出線路輸入線路交換機

交換機有多種類型，但所有的交換機都要實現(xiàn)下面兩個基本目標(biāo)：

(1)要盡量減少信元交換中信元的丟失率。

(2)在同一條虛通道上進行傳輸?shù)男旁捻樞虿荒鼙桓淖?。圖8-13交換結(jié)構(gòu)的分類交換結(jié)構(gòu)共享存儲共享總線時分結(jié)構(gòu)BanyanDelta循環(huán)空分結(jié)構(gòu)

8.3ATM與IP結(jié)合

8.3.1IPOAIPOA（ClassicalIPOverATM）就是在ATM網(wǎng)絡(luò)上傳輸IP數(shù)據(jù)報的解決方案。IPOA的基本思想是：在傳輸IP數(shù)據(jù)報時把ATM網(wǎng)絡(luò)看作是另一種異型網(wǎng)絡(luò)，即與以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)以及X.25分組交換網(wǎng)等物理網(wǎng)絡(luò)上傳輸IP數(shù)據(jù)報的情況相類似。1.組網(wǎng)環(huán)境

IPOA的組網(wǎng)環(huán)境如圖8-14所示。圖中連接ATM網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備有主機、路由器及ARP服務(wù)器。

2.IPOA的協(xié)議和體系結(jié)構(gòu)圖8-15表示IPOA的體系結(jié)構(gòu)。IPOA將ATM網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作局域網(wǎng)來處理。RFC1577協(xié)議彌補了RFC1483只支持ATMPVC的弱點，利用ATM動態(tài)SVC功能來支持ATM網(wǎng)絡(luò)上的直接連接的IP站點。

RFC1577協(xié)議在信道傳輸IP數(shù)據(jù)包時仍利用RFC1483的LLC封裝格式，但增加了在同一個LIS中任意ATM站點之間進行動態(tài)連接的功能。

圖8-14IPOA組網(wǎng)環(huán)境高層TCP、UDPIP

AAL5ATM層物理層RFC1577RFC1483IPOA

ATM網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)服務(wù)器主機ARP服務(wù)器主機路由器路由器LIS1LIS2

圖8-15IPOA體系結(jié)構(gòu)3.IPOA工作原理

(1)ARP服務(wù)器：為了解決IP地址與ATM地址的直接映射，每個LIS中存在一個ARP服務(wù)器，它由ATM統(tǒng)一編址，負(fù)責(zé)IP地址與ATM地址的映射。

(2)ATM連接與傳輸：在ATM網(wǎng)絡(luò)上有一個主機要求向目的主機發(fā)送IP數(shù)據(jù)包時，由于源主機只知道目的主機的IP地址，而不知道目的主機的ATM地址，因此兩者無法建立ATM連接。圖8-16ATM地址解析過程ARP服務(wù)器目的主機源主機ARP請求ARP回答SVC呼叫請求

4.IPOA的缺點

(1)IPOA在建立連接和傳輸IP數(shù)據(jù)包的過程中，若要跨LIS，則就要經(jīng)過路由器。因此，如果網(wǎng)絡(luò)的范圍越大，則可能經(jīng)過的路由器越多，網(wǎng)絡(luò)的延時就越大。由于路由器成為網(wǎng)絡(luò)性能的瓶頸，因此，IPOA僅適合小型ATM網(wǎng)絡(luò)。

(2)不支持IP廣播包的傳送。若在ATM網(wǎng)絡(luò)上要傳輸IP廣播包，則不能使用IPOA。8.3.2ATM局域網(wǎng)仿真

ATM網(wǎng)絡(luò)雖然有很多優(yōu)點，但相比之下，其配置和使用比以太網(wǎng)等局域網(wǎng)要復(fù)雜得多。

1.LANE協(xié)議結(jié)構(gòu)

LANE的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖8-17所示。LANE協(xié)議位于AAL層的上面，用于LANE的AAL協(xié)議是AAL5。圖8-17局域網(wǎng)仿真分層協(xié)議

LANEAAL5ATM層物理層應(yīng)用層IPIPXATM層物理層物理層MAC子層應(yīng)用層IPIPX橋接LANEAAL5ATM層物理層物理層MAC子層以太網(wǎng)L-UNIL-UNI網(wǎng)橋ATM網(wǎng)絡(luò)

2.LANE的組成原理實際上，通過局域網(wǎng)仿真技術(shù)，將一個大的ATM網(wǎng)絡(luò)劃分為多個邏輯子網(wǎng)，每個子網(wǎng)為一個仿真局域網(wǎng)ELAN（定義了一個邏輯組），廣播消息只能在這個ELAN內(nèi)傳播。LANE提供的功能是：數(shù)據(jù)封裝和傳輸、地址解析以及多播組的管理。ATM論壇規(guī)定了LANE使用的客戶和三種服務(wù)器：

(1)局域網(wǎng)仿真客戶LEC（LANEmulationClient）。

(2)局域網(wǎng)仿真服務(wù)器LES（LANEmulationSever）。

(3)廣播和未知地址服務(wù)器BUS（BroadcastandUnknownServer）。

(4)局域網(wǎng)仿真配置服務(wù)器LECS（LANEmulationConfigurationServer）。3.LANE中的連接過程在LAN仿真中，實體之間是使用一系列ATM連接進行相互通信的。LEC將這些通信分為兩類：數(shù)據(jù)通信和控制通信。

(1)控制連接（ControlConnection）有以下幾種：配置直接虛通道（ConfigurationDirectVCC）控制直接虛通道（ControlDirectVCC）控制分布虛通道（ControlDistributedVCC）(2)數(shù)據(jù)連接（DataConnection）有以下幾種：數(shù)據(jù)直接虛通道（DataDirectVCC）組播發(fā)送虛通道（MulticastSendVCC）組播轉(zhuǎn)發(fā)虛通道（MulticastForwardVCC）8.3.3MPOA

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大，以及多媒體等大數(shù)據(jù)量應(yīng)用的不斷普及，基于傳統(tǒng)路由器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)正在受到挑戰(zhàn)。通常，網(wǎng)絡(luò)管理者是通過在桌面使用LAN交換機、在主干使用ATM交換機來提高網(wǎng)絡(luò)性能的。

路由器通常接收到LAN子網(wǎng)上的主機傳送來的網(wǎng)絡(luò)