BA000009 ATM原理深入ISSUE11.docx
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BA000009ATM原理深入ISSUE11
课程BA000009
ATM原理深入
ISSUE1.1
目录
第1章概述1
1.1电路交换和分组交换的区别1
1.2ATM交换1
第2章ATM技术的基本概念2
2.1ATM信元结构2
2.2虚连接3
2.3ATM的交换过程4
2.4ATM地址4
2.5ATM的统计复用5
第3章ATM协议栈6
3.1ATM的分层结构6
3.2物理层7
3.3ATM层7
3.4ATM适配层7
第4章ATM业务类型10
4.1CBR业务10
4.2rt-VBR业务10
4.3nrt-VBR业务10
4.4UBR业务11
4.5ABR业务11
第5章流量控制和拥塞控制与算法13
5.1ATM网络的拥塞管理13
5.1.1ATM网络拥塞管理的重要性13
5.1.2网络拥塞管理的基本思想13
5.2漏桶算法16
5.2.1信元的守约16
5.2.2容忍度（缓冲深度）19
5.2.3结论21
5.3流控算法分析22
5.3.1GCRA算法分析22
5.3.2第一级漏桶分析23
5.3.3第二级漏桶分析24
5.3.4CDVT的估算24
第6章IPOA协议和RFC148326
6.1概述26
6.2IPOA基本工作原理26
6.3RFC1483基本概念27
6.4RFC1483B协议28
第7章ATM信令30
7.1ILMI的基本概念30
7.2UNI信令简介30
7.2.1UNI3.130
7.2.2Q.2931/297131
7.2.3IISP31
7.2.4UNI4.031
7.2.5PNNI1.032
第8章IMA协议33
8.1IMA概述33
小结35
第1章概述
1.1电路交换和分组交换的区别
最基本的两类交换模式是面向连接的电路交换和面向无连接的分组包交换，他们的主要区别体现在以下几方面：
（1）在交换形式上，电路交换采用固定时隙分配，也就是说，电路交换在根本上只能支持单一速率（如64kbit/s）的交换，这显然不能适应多种业务的要求；无连接的分组交换则利用包交换的形式，将用户信息封装在分组中进行交换，每个分组有一个分组头，分组头用于路由选择、差错控制和流量控制等功能，各个分组的长度和间隔时间都可改变，因此分组交换可以支持多种速率的交换。
（2）在路由选择上，电路交换中各连接的路由是在连接建立时由复杂的选路算法在整个网络中选择的，信令系统在路由经过的各个网络设备内填写路由表以标识交换信息，一个连接的所有信息都经过相同的路由；无连接的分组交换中，路由信息由各个分组头携带，交换设备查看到来的每个分组头中的地址信息，并根据当时的网络状态选择一条路由，将分组发到下一级网络设备中，因此同一业务的不同分组在网络中经过的路径不同。
（3）在网络资源分配上，电路交换中网络资源可由信令系统在连接建立时分配，分配给一个连接的网络资源不能被别的连接占用，只在连接拆除时才释放网络资源；无连接的分组交换中，分组只在发送时才占用网络资源，网络资源可由各个业务共享。
1.2ATM交换
ATM即异步转移模式，ATM是一种基于信元的交换和复用技术，综合了电路交换和分组交换的特点：
ATM是面向连接的，即任何一个ATM终端用户在与另一用户通信时都需要建立连接；另一方面ATM传输采用了固定长的信元，因而其又具有分组交换的特点，使各连接可以共享带宽资源。
第2章ATM技术的基本概念
2.1ATM信元结构
ATM传送信息的基本载体是ATM信元，信元长度为53字节，分为信头和净荷两部分，信头为5字节，净荷为48字节。
图2-1ATM信元格式
信头内容在用户-网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）中略有差别（图2-1），主要由以下几部分构成。
●VPI：
虚通路标识，NNI中为12比特，UNI中为8比特。
●VCI：
虚通道标识，16比特，标识虚通路中的虚通道，VPI/VCI一起标识一个虚连接。
●HEC：
信头差错控制，8比特，用于检测出有错误的信头。
HEC的另一个作用是进行信元定界，利用HEC字段和它之前的4字节的相关性可识别出信头位置。
由于在不同的链路中VPI/VCI的值不同，所以在每一段链路都要重新计算HEC。
●PT：
净荷类型，3比特。
用于指示本信元为用户数据信元或OAM信元等。
例如：
PT＝000，用户数据信元，未经历拥塞；PT＝100，OAMF5段相关信元。
●CLP：
信元丢失优先级，1比特。
用于拥塞控制，当经过某一节点出现拥塞时，就将这一比特置为1。
●GFC：
一般流量控制，4比特，只用于UNI接口，目前置为0000，将来可能用于流量控制或在共享媒体的网络中标示不同的接入。
2.2虚连接
ATM是面向连接的交换，这个连接用VPI、VCI来标识。
VPI、VCI的取值只有局部意义，即只在通过物理媒质直接相连的两个接口之间有效，相同的值在其它接口可以重复使用。
从路由的角度看，VPI和VCI是信元在ATM网络中传输的路由地址，多个路由地址形成了一条并且标识一条连接。
当交换网络接收到信元时，根据信元头中的VPI和VCI查找映射表，确定输出的VPI和VCI。
如图2-2所示，userA发出的VPI/VCI=0/40的信元，经switchB后VPI/VCI被交换成VPI/VCI=1/45；经switchC后VPI/VCI=100/45；经switchD后VPI/VCI=3/50；经switchE后VPI/VCI=2/60，最后送到userF。
这里（0,40）（1,45）（100,45）（3,50）（2,60）标识了A与F之间的一个连接。
图2-1ATM连接的示意图
ATM交换分为VP交换和VC交换两种。
VP交换就是指在交换的过程中只改变VPI的值，透传VCI的值，而VC交换过程中VPI、VCI都改变。
因此在使用中，VP就相当于一个大的管道，而VC相当于一个小的管道。
虚通路与虚通道的关系如图2-3所示。
图2-2VC、VP和物理传输通道的关系
ATM连接建立的方式有两种：
1、PVC（P）
PVC即PermanentVC，是通过网管预先建立的，不论是否有业务通过或终端设备接入，PVC一直保持，直到由网管释放。
2、SVC（P）
SVC即SwitchedVC，是用户需要通信时，通过终端设备由信令建立的虚通道。
SVC类似于电话网的用户线路，用户每次在通信前必须发起呼叫请求，网络通过信令为通信双方建立起相应虚通道后，进行通信，通信完成后，由信令释放SVC。
2.3ATM的交换过程
各类业务在经适配进入ATM网后，便由ATM交换机或交叉连接设备提供交换和中继功能，从而到达目的地。
ATM交换机或交叉连接设备的作用是：
根据输入信元的VPI/VCI标识以及它本身在建立连接时产生的路由表，将该信元转发到相应的输出端口，并对该信元的头部进行适当处理，如改变其VPI/VCI值，在拥塞时有可能改变CLP值，最后还要重新计算HEC值，以保护新产生的信元头。
ATM交换机实质上是一个能将输入端口中的信元，按照其路由标记送到它所要求的输出端口的功能块。
因此，ATM交换机最主要的功能是路由功能。
2.4ATM地址
在IP网络中，如果两台主机要相互通信，必须知道对方的IP地址；如果希望给朋友发邮件，必须知道对方的E-Mail地址，因此地址是设备的重要标识。
在ATM网络中如果是SVC方式的连接，必须知道双方的ATM地址（PVC方式则没有必要）。
ATM地址有两种，一种是E.164地址，与电话号码类似；另外一种是NSAP地址。
NASP方式的ATM地址的长度为20个字节，也由两部分组成：
“网络前缀”（13字节）+“用户部分”（7个字节）[=“用户标识”（6个字节）+选择符（1个字节）]。
“网络前缀”由交换机提供，“用户部分”由用户设备提供，一般情况，组成“用户部分”的“用户标识”（6个字节）就是用户设备的MAC地址（6个字节），“选择符”（1个字节）用来区分用户设备的子用户。
哪些是用户侧设备呢？
带ATM接口（155M光口或电口）的ATM-LANSWITCH、插上ATM网卡的计算机（ATM网卡通过光纤与交换机互连），该计算机的ATM地址就是计算机的“网络前缀”+该ATM网卡的用户部分（网卡自带的）。
NSAP方式的地址，第一个字节必须是0x39、0x45、0x47中的一个。
2.5ATM的统计复用
ATM的最大特点，就是对任何形式的业务分布都能达到最佳的网络资源利用率。
要达到这一目标就要对网络资源进行统计复用。
所谓统计复用就是根据各种业务的统计特性，在保证业务质量要求的前提下，在各业务间动态地分配网络资源，以达到最佳的资源利用率。
如图3-1所示，用户D、C、A的数据按到达的先后顺序排列到输出线路上，而用户B因为此时没有数据，故不占用输出线路的带宽资源，从这个意义上说，ATM连接是一个虚连接。
第3章ATM协议栈
3.1ATM的分层结构
ATM协议参考模型分成三个平面：
用户面、控制面和管理面，三个功能层：
物理层、ATM层和ATM适配层（AAL）。
图3-1ATM协议参考模型
协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能：
●用户平面：
采用分层结构，提供用户信息流的传送，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等；
●控制平面：
采用分层结构，完成呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放；
●管理平面：
包括层管理和面管理。
其中层管理采用分层结构，完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能。
同时层管理还处理与各层相关的OAM信息流；面管理不分层，它完成与整个系统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。
各层还可细分为几个子层，各层和子层的功能如表3-1所示。
表3-1ATM协议参考模型的分层及其功能
高层
高层功能
层管理
AAL
CS
会聚
SAR
分段与组装
ATM层
一般流量控制
信元头产生与提取
信元VPI/VCI翻译
信元复用和解复用
物
理
层
TC
信元速率解耦
HEC序列的产生/检验
信元定界
传输帧适配
传输帧产生/恢复
PM
比特定时
物理媒介
3.2物理层
物理层主要是提供ATM信元的传输通道，将ATM层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流，同时在接收到物理媒介上传来的连续比特流后，取出有效的信元传给ATM层。
ITU-T和ATM论坛将物理接口分为三类，即基于SDH、基于信元和基于PDH。
对于SDH/SONET、PDH等具有帧结构的传输系统而言的，在这些系统中传送ATM信元时，必须将ATM信元装入传输帧中。
因此在物理层要有传输帧产生／恢复。
信元速率去耦的作用是插入一些空闲信元将ATM层信元速率适配成传输线路的速率。
3.3ATM层
ATM层主要完成信元复用／解复用，有关信头的操作，以及流量控制。
信元复用／解复用在ATM层和物理层的TC子层接口处完成，发送端ATM层将具有不同VPI/VCI的信元复用在一起交给物理层；接收端ATM层识别物理层送来的信元的VPI/VCI，并将各信元送到不同的模块处理，如识别出信令信元就交控制面处理，若为OAM等管理信元则交管理面处理。
信头操作指VPI/VCI翻译，翻译的依据是连接建立时所分配的VPI、VCI。
3.4ATM适配层
ATM适配层（AAL）位于ATM层之上，这一层是和业务相关的，即针对不同的业务，采用不同的适配方法。
但都要将上层传来的信息流（长度、速率各异）分割成48字节长的ATM业务数据单元，同时将ATM层传来的ATM业务数据单元组装、恢复再传给上层。
由于上层信息种类繁多，AAL层处理比较复杂，所以分了两个子层：
汇聚子层（CS）和拆装子层（SAR）。
为了提高交换网络的速率，对ATM层作了尽可能的简化，而ATM层未提供处理的信元丢失、误传、时延、时延抖动等与业务服务质量密切相关的功能，由AAL层完成。
不同类型的业务需要不同的适配，ITU-T研究各种业务的特点，根据源和目的的定时、比特率、连接方式将业务分为４类，并相应地定义了AAL1、AAL2、AAL3/4及AAL5。
1、AAL1
AAL1协议针对的是固定速率的、面向连接的业务，在信源和信宿之间需要定时信息的传送。
这类业务典型的例子是目前的电路交换业务，如话音业务、各类NISDN业务。
AAL1的帧结构如下：
AAL1主要适用于信源和信宿间有严格定时关系且面向连接的CBR类业务；
CSI标识不同的应用，如时钟信号传递和结构化数据传递等；
SC放置每个信元的序号，用于检测信元丢失及误插入。
SNSNP（CRC-3）；
CRC-3和奇偶校验位用来保证序号域中信元序号的正确传输；
2、AAL2
AAL2是为端到端具有定时关系的可变比特率（VBR）业务提出的，如VBR音响和电视。
3、AAL3/4
现有局域网的远程互连一般采用X.25或帧中继技术，存在着程度不等的瓶颈，因此，利用ATM技术实现局域网的远程互连，是ATM网初期的重要应用。
在ATM网中，数据业务有两类：
远程计算机局域网互连对应于无连接的数据业务，另一类是面向连接的数据业务。
AAL3/4协议用于对这些业务的适配。
4、AAL5
AAL5支持收发端之间没有时间同步要求的可变比特率业务，它提供与AAL3/4类似的业务，主要用来传递计算机数据、UNI信令信息和ATM上的帧中继。
定义AAL5的主要原因是减少开销，使其成为简单而有效的AAL。
AAL5的帧结构如下：
其中：
PAD——填充字段，由硬件层自动完成，将PDU负载的长度调整成适合ATM信元传输的长度。
CPCS-UU——未用。
CPI——目前唯一的用处就是将CPCS-PDU的尾部定位成64比特（8字节）（CPCS-UU+CPI+Length+CRC），编码为“0x00”。
Length——指示了负载字段的长度，单位是“八位位组”。
编码“0x00”用于“中断”功能。
CRC——保护除了CRC自身以外的所有CPCS-PDU字节。
第4章ATM业务类型
ATM层所提供的业务体系有五种业务类型：
固定比特率业务CBR、实时可变比特率业务rt-VBR、非实时可变比特率业务nrt-VBR、可用比特率业务ABR、未指定比特率业务UBR。
这些业务类型与流量特性以及网络的QOS需求有关。
一般来说，路由、CAC以及资源分配这些功能结构对每种业务类型都是不同的。
4.1CBR业务
恒定比特流业务（CBR）的定义
恒定比特流业务用于在连接的生命期中需要静态带宽的连接。
这个带宽由PCR值来确定。
网络对于使用CBR的用户提供的最基本的保证是，一旦连接建立以后，对于符合一致性测试的所有的信元必须提供协商好的ATM层的QoS的保证。
在CBR业务中，源端可以在任何时候以任意长的时间用PCR的流量发送信元而QoS必须得到保证。
CBR业务一般用来支持对时延变化要求较高的实时业务（例如：
声音，图象，电路仿真），但是，并不局限于这些业务。
在CBR中，源端可以以协商的PCR或者低于PCR（也可能停止发送）的速率发送信元。
如果信元的时延大于给定的最大信元传输时延（maxCTD），被认为是极大地降低了性能。
4.2rt-VBR业务
实时的可变比特率（rt-VBR）业务的定义
rt-VBR业务也是一种实时的应用，也就是说对时延和时延变化有严格的限制，rt-VBR的主要应用有话音和视频业务。
rt-VBR连接的特性主要靠峰值信元速率（PCR）、平均信元速率（SCR）、最大突发长度（MBS）和信元延迟容限（CDVT）来描述。
源端发送信元的速率是可变的，也就是说源端可以被认为是“突发性的”。
rt-VBR业务可以支持实是资源的统计复用。
4.3nrt-VBR业务
非实时的可变比特率（nrt-VBR）业务的定义
nrt-VBR业务支持一种突发性的非实时的应用，连接特性是通过PCR、SCR以及MBS来描述的。
对那些满足流量合同的信元，nrt-VBR业务可以保证很低的信元丢失率但是对时延没有限制。
nrt-VBR业务可以支持连接的统计复用。
4.4UBR业务
未定义比特率业务（UBR）业务的定义
UBR业务支持非实时的应用，也就是那些对时延和时延变化要求都不太严格的应用，如一些传统的计算机通信应用，象文件传输和email等。
UBR业务不存在任何的服务质量的承诺，连接的信元丢失率和信元传输时延均没有数值保证。
网络可以选择在CAC和UPC中是否需要运用PCR。
在网络对PCR没有强制性的要求的时候，PCR的值没有什么意义。
UBR连接的拥塞控制可以在高层或者端到端的基础上进行。
4.5ABR业务
可用比特率（ABR）业务的定义
ABR业务中网络在连接建立时的传输特性可以在后来被更改。
有一种流控机制支持对源端的反馈来控制源端发送信元的速率，这种反馈是通过特定的控制信元叫做资源管理（RM）信元来实现的。
可以预期终端系统在根据反馈调整流量的时候会有一个很低的信元丢失率，然后获得一个公平的可以利用的带宽。
对给定的连接，ABR业务对时延和时延变化没有边界限制，也就是说ABR不支持实时的应用。
在ABR连接建立的时候，终端系统会指定一个所需要的最大带宽和一个最小可用的带宽。
这是通过峰值信元速率（PCR）和最小信元速率（MCR）来描述的。
其中MCR的值可以为零，网络所提供的带宽可以变化但不能小于MCR。
ATM论坛从流量控制的角度出发，并根据这五类业务的服务质量要求，网络提供不同的流量控制机制。
●从业务特性上区分，如峰值信元速率（PCR）、可维持信元速率（SCR）、最小信元速率（MCR）、最大突发长度（MBS），它们描述业务本身的流量特性，又称为源流量参数；另一些业务特性参数并不表示业务本身的流量，而是体现业务对时间特性的要求，如业务所能允许的信元抖动容限（CDVT）等。
从业务的ATM层服务质量（QoS）上区分，包括峰－峰信元时延抖动（peak-to-peakCDV）、最大信元传送时延（maxCTD）、信元丢失率（CLR）、信元错误率（CER）、严重出错的信元块比例（SECBR）、信元误插入率（CMR）。
第5章流量控制和拥塞控制与算法
5.1ATM网络的拥塞管理
5.1.1ATM网络拥塞管理的重要性
根据ITU-T的定义，ATM网络的拥塞指的是网络元素（如交换机、复接器或传输设备等）的一种状态，在这种状态下网络不能保证已建立连接的服务质量或者不能接纳新的连接请求。
出现拥塞的原因有两方面：
一是由于网络中流量强度不可预测地随机波动而造成网络负荷过重；二是由于网络本身出现故障。
任何一个实用的电信网都需要解决网络拥塞的管理问题，也就是解决有限的网络资源与用户需求间的矛盾----在满足用户对服务质量要求的前题下尽可能地充分利用网络资源。
ATM网与以往的电路交换方式或分组交换方式的网络相比这一问题显得更加突出，这是因为ATM网络的拥塞管理既重要又困难。
说它重要是因为ATM是一种异步时分、统计型复用的信息传送方式，而统计复用在提高网络资源利用率、增强灵活性的同时不可避免地增加了引起网络拥塞的风险。
拥塞管理的困难又表现在两个方面：
一方面，ATM网中传送的是各种类型的业务信息综合而成的数据流，其流量特性十分复杂难于控制；另一方面，由于ATM网络传输速率高，一旦某处发生拥塞而不能及时解决，拥塞范围将迅速扩大。
由此可见，ATM网的拥塞管理是个很重要的问题。
5.1.2网络拥塞管理的基本思想
由于ATM网络拥塞管理的复杂性，以往在电路交换网与分组交换中采用的拥塞管理方法不再适用。
电路交换网中拥塞控制的基本思想是资源预分配与即时拒绝，在为呼叫请求建立一条连接的同时分配一部分被这条连接所独占的资源，当网络资源不足时拒绝新的呼叫请求。
这种方法的主要缺陷是缺乏灵活性，与ATM动态分配资源的特性相矛盾。
分组交换网中目前普遍使用X.25协议中的窗口流量控制技术来控制拥塞，其基本思想是通过反馈的方法来限制发送端发出过多的流量，这种方法控制的速度较慢，不适合用于高速的ATM网络。
为了满足ATM网中拥塞管理的要求，ITU-T提出了一套新的拥塞控制机制。
其基本思想在于：
引入预防性控制措施，不再是出现拥塞之后再采取措施来消除拥塞，而是通过精心管理网络资源而避免拥塞的出现。
拥塞管理的功能分成两个层次，第一层是预防性措施，称为流量控制（TrafficControl），是为防止网络出现拥塞而采取的一系列措施，包括网络资源管理（NRM）、连接允许控制（CAC）、使用参数控制（UPC）以及优先级控制等；第二层是反应性措施，称为拥塞控制（CongestionControl），是当网络出现拥塞后为将拥塞的强度、影响范围、持续时间减到最小而采取的一系列措施，包括信元选择性丢弃与拥塞指示等。
ATM网中拥塞控制由流量控制与拥塞控制功能配合完成。
用户向网络发出呼叫请求时需要向网络提交即将发送的流量特性，以及对服务质量的要求，网络此时执行连接允许控制CAC功能，确定网络是否有足够的资源来支持这一新的呼叫请求。
如果能支持就建立相应的虚电路连接，并同用户协商允许通过这条虚电路输入网络的流量的特性参数。
只有用户实际输入网络的流量特性满足协定的特性参数时，网络才保证对它的服务质量。
在通信过程中执行使用参数控制UPC功能，监测每条虚电路中实际输入网络的流量，一旦发现超越了协定参数就采取措施加以限制。
以上这些功能的目的都在于防止拥塞的出现，属于流量控制范围。
ATM网一旦检测到出现拥塞状况，则启动拥塞控制功能，首先是有选择地丢弃掉重要程度相对低的信元以缓解拥塞，同时进行拥塞状态信息的前向、反向指示。
当这些措施仍不能很好地控制住拥塞时网络将进行释放连接或重选路由。
由此可见，ATM网的流量管理机制可分成如下几个阶段：
●呼叫请求建立连接阶段。
其关键技术是连接允许控制。
●通信过程中对入网流量的监测与控制，关键技术是使用参数控制。
●拥塞控制阶段，关键技术是选择信元丢弃与拥塞指示。
3、网络拥塞管理的主要功能
●连接允许控制（CAC）
当网络收到呼叫请求后首先启动CAC功能，检测当前网络资源的分配与占用情况，对照用户呼叫请求中提交的流量特性与服务质量要求，确定当前可供使用的网络资源能否满足用户要求。
如果能够满足要求并在建立新连接的同时仍能保证已有连接的服务质量，则网络将接纳这一呼叫并建立相应的虚电路，否则拒绝用户的请求。
CAC功能在建立连接的同时还完成两方面的功能：
其一是同用户协商相应虚电路中允许入网流量的特性参数供UPC利用；其二是为相应的虚电路分配资源。
●入网流量的监控
入网流量监控功能根据所处的位置分成使用参数控制（UPC）与网络参数控制（NPC）。
前者位于用户／网络接口而后者用在网络接口上，两者的功能类似，下面主要介绍UPC功能。
在通信过程中用户实际输入网络的流量特性可能超越CAC功能执行过程中所确定的值，对这种情况需要加以限制否则将影响网络的服务质量。
为此在用户／网络接口设立了监测与限制机制，以确保每条虚电路中实际入网的流量特性参数符合协商值，这一机制即是UPC功能。
目前UPC中的限制措施主要是对属于超越协商值的那部分流量的信元打上标记，表示这部分信元的服务质量不能保证，一旦网络发生拥塞首先丢弃这类信元。
漏桶算法是目前研究最多的一种业务流监控方法，ITU-T建议I.371和ATM论坛UNI采用了漏桶算法。
其基本思想是：
设一有限容量的漏桶（桶的深度
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