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(zhēng)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(guò)單一線路發(fā)送數(shù)字語(yǔ)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(lái)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(duì)帶寬信息進(jìn)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(diǎn)

ATM主要特點(diǎn)歸結(jié)為：

(1)ATM是面向連接的傳輸方式。

(2)ATM采用固定長(zhǎng)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(lái)根據(jù)虛電路標(biāo)志識(shí)別虛連接。(4)ATM采用統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用的方式來(lái)進(jìn)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(gè)ATM交換機(jī)和ATM端點(diǎn)組成。ATM網(wǎng)絡(luò)與用戶(hù)（ATM端點(diǎn)）之間的接口稱(chēng)為用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)接口UNI。ATM交換機(jī)之間的接口稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(lái)標(biāo)識(shí)。圖8-1ATM網(wǎng)絡(luò)的UNI和NNI接口ATM網(wǎng)絡(luò)UNIUNINNINNIATM交換機(jī)

圖8-2ATM連接標(biāo)識(shí)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(jī)構(gòu)制定，它又稱(chēng)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(gè)模型采用平面的概念來(lái)分離用戶(hù)、控制和管理概念。它包括三個(gè)平面：

(1)用戶(hù)平面：支持?jǐn)?shù)據(jù)傳送、流量控制、差錯(cuò)檢測(cè)以及其他的用戶(hù)功能；(2)控制平面：用于連接管理，包括對(duì)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(hù)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(duì)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(yàn)證傳輸幀適配物理介質(zhì)子層PM比特定時(shí)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(lèi)似于OSI七層模型中的物理層。

ATM并沒(méi)有對(duì)傳遞比特的形式進(jìn)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?xún)?nèi)傳輸時(shí)，也可以使用5類(lèi)雙絞線。TC子層的作用是：為其上層的ATM層提供一個(gè)統(tǒng)一的接口。

1)信元頭驗(yàn)證每個(gè)信元中包含5個(gè)字節(jié)的信元頭。

2)傳輸幀適配

TC子層的另一個(gè)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(gè)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(méi)有固定位置，信元邊界由信元?jiǎng)澐止δ軟Q定。

3)信元定界在接收端，TC子層接收輸入的比特流，對(duì)信元的邊界進(jìn)行定位，驗(yàn)證信元頭，拋棄錯(cuò)誤的信元，對(duì)OAM信元進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)信元傳送給ATM層。在這個(gè)過(guò)程中，最復(fù)雜的過(guò)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(jìn)行傳輸。

ATM網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)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(lèi)型標(biāo)識(shí)VPI?—?虛通路標(biāo)識(shí)符CLP?—?信元丟失優(yōu)先級(jí)VCI?—?虛通道標(biāo)識(shí)符HEC?—?信元頭差錯(cuò)控制2)ATM地址建立虛連接時(shí)，源站需要指明建立連接的目的站的地址。ATM地址包括三個(gè)部分：

AFI（AuthorityandFormatIdentifier）字段：指明ATM地址的類(lèi)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(guó)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(gè)國(guó)際組織。

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

ATM中的連接可以是點(diǎn)到點(diǎn)的連接，也可以是點(diǎn)到多點(diǎn)的連接。從建立的方式來(lái)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(dòng)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(guò)程，用于建立虛連接的UNI信令請(qǐng)求由缺省連接（VPI=5，VCI=0）跨越ATM的用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)接口UNI傳送。圖8-6(a)描述了建立虛連接的過(guò)程。圖8-6虛連接(a)虛連接建立；(b)虛連接拆除SetupSetupCallProccedingCallProccedingConnectACKConnectACKConnectConnect源站點(diǎn)交換機(jī)1交換機(jī)2目的站點(diǎn)(a)ReleaseReleaseComplete源站點(diǎn)交換機(jī)1交換機(jī)2目的站點(diǎn)(b)ReleaseCompleteRelease

(1)源站點(diǎn)通過(guò)缺省虛連接（通常VPI=5，VCI=0）向目的站點(diǎn)發(fā)出連接建立（Setup）請(qǐng)求，該請(qǐng)求中包含源站點(diǎn)ATM地址、目的站點(diǎn)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(diǎn)回送呼叫確認(rèn)（CallProceeding），表明呼叫建立已啟動(dòng)。

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

(4)目的站點(diǎn)接收到連接建立請(qǐng)求后，若連接條件滿(mǎn)足，則返回連接（Connect），表明接受呼叫。(5)在Connect返回源站點(diǎn)過(guò)程中，每一步均會(huì)產(chǎn)生連接確認(rèn)（ConnectACK），最后源站點(diǎn)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(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出拆除虛連接（Release）請(qǐng)求，相鄰的交換機(jī)接到該消息后，向源站點(diǎn)返回ReleaseComplete。

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

(3)Release到達(dá)目的站點(diǎn)后，虛連接將被拆除。

4)ATM交換原理

ATM中的連接有兩級(jí)：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(guò)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(lái)的數(shù)據(jù)。在發(fā)送方，AAL負(fù)責(zé)將從用戶(hù)應(yīng)用傳來(lái)的數(shù)據(jù)包分割成為固定長(zhǎng)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(hù)數(shù)據(jù)包，傳遞給高層應(yīng)用。表8-2ATM網(wǎng)絡(luò)向用戶(hù)提供的四種服務(wù)服務(wù)類(lèi)別A類(lèi)B類(lèi)C類(lèi)D類(lèi)AAL類(lèi)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(wú)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(wú)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(lèi)別的應(yīng)用AAL層ATM層物理層53字節(jié)

下面以AAL5為例說(shuō)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(guò)來(lái)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(hù)-PDUCPCS-PDUSAP-PDU用戶(hù)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(jī)結(jié)構(gòu)

ATM信元交換機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)在一個(gè)時(shí)鐘周期中通常同步地將各個(gè)輸入線路上的信元通過(guò)交換機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)模型信元信元輸出線路輸入線路交換機(jī)

交換機(jī)有多種類(lèi)型，但所有的交換機(jī)都要實(shí)現(xiàn)下面兩個(gè)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(jìn)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(lèi)交換結(jié)構(gòu)共享存儲(chǔ)共享總線時(shí)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(bào)的解決方案。IPOA的基本思想是：在傳輸IP數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)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(bào)的情況相類(lèi)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(jī)、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(lái)處理。RFC1577協(xié)議彌補(bǔ)了RFC1483只支持ATMPVC的弱點(diǎn)，利用ATM動(dòng)態(tài)SVC功能來(lái)支持ATM網(wǎng)絡(luò)上的直接連接的IP站點(diǎn)。

RFC1577協(xié)議在信道傳輸IP數(shù)據(jù)包時(shí)仍利用RFC1483的LLC封裝格式，但增加了在同一個(gè)LIS中任意ATM站點(diǎn)之間進(jìn)行動(dòng)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(jī)ARP服務(wù)器主機(jī)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(gè)LIS中存在一個(gè)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(gè)主機(jī)要求向目的主機(jī)發(fā)送IP數(shù)據(jù)包時(shí)，由于源主機(jī)只知道目的主機(jī)的IP地址，而不知道目的主機(jī)的ATM地址，因此兩者無(wú)法建立ATM連接。圖8-16ATM地址解析過(guò)程ARP服務(wù)器目的主機(jī)源主機(jī)ARP請(qǐng)求ARP回答SVC呼叫請(qǐng)求

4.IPOA的缺點(diǎn)

(1)IPOA在建立連接和傳輸IP數(shù)據(jù)包的過(guò)程中，若要跨LIS，則就要經(jīng)過(guò)路由器。因此，如果網(wǎng)絡(luò)的范圍越大，則可能經(jīng)過(guò)的路由器越多，網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)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(diǎn)，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(shí)際上，通過(guò)局域網(wǎng)仿真技術(shù)，將一個(gè)大的ATM網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)邏輯子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)為一個(gè)仿真局域網(wǎng)ELAN（定義了一個(gè)邏輯組），廣播消息只能在這個(gè)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(hù)和三種服務(wù)器：

(1)局域網(wǎng)仿真客戶(hù)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(guò)程在LAN仿真中，實(shí)體之間是使用一系列ATM連接進(jìn)行相互通信的。LEC將這些通信分為兩類(lèi)：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(kuò)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(guò)在桌面使用LAN交換機(jī)、在主干使用ATM交換機(jī)來(lái)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(jī)傳送來(lái)的網(wǎng)絡(luò)