第四章 ATM 网络技术

1. 第四章 ATM网络技术 • 异步转移模式（Asynchronous Transfer Mode，ATM）已被国际电信联盟电信标准部（ITU-T）于1992年6月定义为未来宽带综合业务数字网（B-ISDN）的传递模式。ATM是以名叫信元（cell）的固定长度信息块（分组）为信息传输和交换基本单位的快速分组交换技术。术语“转移”包括了传输和交换两个方面，所以转移模式意指信息在网络中传输和交换的方式。“异步”是指在传输和接续中用户端带宽的分配方式。

2. 4.1 ATM网络的基本概念4.2 ATM协议参考模型4.3 ATM的信元传输方式4.4 ATM的交换方式4.5 ATM网络管理

3. 4.1 ATM网络的基本概念 • ATM以信元在网中传送各种信息，每个信元长度为53字节。 • ATM与现存的各种传输模式的关系如下所示：

5. 4.1.1 ATM信元 • 由于ATM的交换控制是根据信头而进行的，所以ATM信元结构与信头格式的标准化是极其重要的。ITU-T在I.361建议中有明确的规定，一个ATM信元长53个字节，前面5个字节称为信头（header），后面48个字节称作信息域（information field），如图4.1所示。

7. 一般流量控制（GFC）：它由4bit组成，仅用于用户—网络接口。一般流量控制（GFC）：它由4bit组成，仅用于用户—网络接口。 • 虚通路标识符（VPI）：该字段在用户—网络接口由8bit组成，用于路由选择；而在网络—节点接口由12 bit组成，以增强网络中路由选择功能。 • 虚信道识别符（VCI）：它由16bit组成，用于ATM虚信道路由选择。

8. 信息类型（PT）：该字段的长度为3bit。 • 信元丢失优先级（CLP）：该字段由1bit组成，用于表示信元丢失的等级。 • 信头差错控制（HEC）：该字段长度为8bit。

9. 4.1.2 ATM虚连接 • ATM信头中的VPI/VCI一起标识一个ATM虚连接。在ATM系统中，虚路径（Virtual Path，VP）、虚通道（Virtual Channel，VC）和物理信道间的关系如图4.2所示，它们是一种等级关系。一个物理信道由多个VP组成，一个VP又由多个VC组成。

11. 在一条通信线路上具有相同的VPI的信元所占有的子信道叫做一个VP链路（VP Link）。 • 一个VPC中传送的具有相同的VCI的信元所占有的子信道叫做一个VC链路（VC Link）。

12. 注意：在组成一个VPC的各个VP链路上，ATM信元的VPI不必相同。同样，在组成一个VCC的各个VC链路上，ATM信元的VCI也不必相同。注意：在组成一个VPC的各个VP链路上，ATM信元的VPI不必相同。同样，在组成一个VCC的各个VC链路上，ATM信元的VCI也不必相同。 • VP交叉连接设备和VC交叉连接设备都叫做ATM交叉连接设备，它们的不同仅在于是处理ATM信元的VPI还是VCI。

13. 4.1.3 ATM与统计时分复用 • 复用技术是一种能使多个信号利用同一物理通道进行传输的技术。在传统的以电路交换为基础的传递模式中，为提高线路的利用率，常采用所谓的时分复用（TDM）技术。

14. 收、发双方的同步是通过固定时隙来实现的，因此，这种时分复用技术又可称为同步时分复用（Synchronous Time Division Multiplexing，STDM）。 • 与同步时分复用相对应的是异步时分复用。它是将一条线路按照传输速率所确定的时间周期划分为帧的形式，而一帧中又再划分成若干时隙来承载用户数据。

15. 4.2 ATM协议参考模型 • ATM技术标准和规范主要由ITU-T、ANSI和ATM Forum制定。 • ATM协议参考模型基于国际电联的标准产生，如图4.6所示。它由3个面组成，即控制面（control）、用户面（user）和管理面（management）。

17. ATM协议结构基于国际电联的标准产生，如图4.7所示。ATM协议结构分为三层，即ATM适配层（ALL）、ATM层和物理层。表4.1中总结了物理层、ATM层和ATM适配层执行的功能。ATM协议结构基于国际电联的标准产生，如图4.7所示。ATM协议结构分为三层，即ATM适配层（ALL）、ATM层和物理层。表4.1中总结了物理层、ATM层和ATM适配层执行的功能。

19. ATM层主要执行交换、路由选择和多路复用功能。ATM网实际是在终端用户间提供端到端ATM层接续。ATM层主要执行交换、路由选择和多路复用功能。ATM网实际是在终端用户间提供端到端ATM层接续。 • AAL主要功能是将业务信息适配到ATM信息流。应用特定业务在用户终端由ATM适配层提供。

20. 4.2.1 物理层 • 物理层主要处理相邻ATM层间ATM信元的传输。ATM层独立于物理层，它能够在各种类型物理链路上工作。 • ATM物理层的功能较一般物理层功能多。在常规网络中，物理层只是通过物理媒介传输比特流；但是在ATM网中，物理层向ATM层传递的是信元，而不是比特流。

21. 一、传输汇聚子层 • 1．传输帧适配 • 在面向帧的传输系统中，传输汇聚子层在发送器产生传输帧，并在接收器从比特流中恢复它。传输帧产生功能就是把帧相关信息和ATM信元，置于预定义的帧结构。

22. 2．HEC信元的产生和验证 • 物理层从ATM层传递53字节信元。这时，除了HEC字节，53字节是完全的。HEC字节由传输汇聚子层处理，并且在它传到物理媒介之前就插入信元首标的信头差错控制域。在接收端，物理层利用接收的HEC值，进行信元信头完整性差错检验。

23. 3．信元率解耦 • 一般来说，物理媒介要求连续比特流传输（拆线信道传输除外）。当收发器要求物理层连续传递信元流时，就产生这样的问题：如果没有足够的信元从ATM层传向物理层时，用什么填满传输管道？为了保持连续比特流在链路传输，传输汇聚子层就把空闲信元插入用户信元流，这些空闲信元在传输汇聚子层被接收器丢弃，因此它们不会被传到ATM层。

24. 4．信元定界 • 在一个比特流中界定各个信元的功能称作信元定界功能。信元定界就是确定信元的边界（信元的起始和结束位置）。由于信元间没有使用特别的分割符，ITU-T I.432建议定义了利用信元首标HEC域，进行信元定界的处理，信元定界方法如图4.10所示。

26. 图中定义了3种不同的状态：搜索态、预同步态和同步态。 图中定义了3种不同的状态：搜索态、预同步态和同步态。 • 分组交换系统中的HDLC帧定位功能是依靠特定的帧头和帧尾码来实现的。为了保证数据的透明传输，在帧中使用了“比特填充”方法，即在每5个连1后面插入一个0。

27. 二、物理媒介相关子层 • 两个子层要交换数据，它们必须互相同步。物理媒介相关子层的传输和检测功能实际就是在导线和光缆上传递和识别电信号和光信号。 • 使用前一种方法，一组4bit信息被编码成5bit码组传输；而用后一种技术，8bit信息被编码成10bit码组。

28. 接收信号检测比特边界要求：传递到物理媒介相关子层的码型是二进制代码，如果没有足够的代码转换，则难于检测比特边界。显然代码0和1间的转换不是用户数据可控制的。4位码可编码16个取值。如果以5位码传输，则可编码32个取值。如果从中选取16个值，就有充足的代码转换，从而使接收电路时钟同步比较容易。接收信号检测比特边界要求：传递到物理媒介相关子层的码型是二进制代码，如果没有足够的代码转换，则难于检测比特边界。显然代码0和1间的转换不是用户数据可控制的。4位码可编码16个取值。如果以5位码传输，则可编码32个取值。如果从中选取16个值，就有充足的代码转换，从而使接收电路时钟同步比较容易。 • 额外值要求：额外的代码值可用于传输链路两端控制信息的传递。

29. 4.2.2 ATM层 • ATM层在同一ATM层单元间传递信元。它利用物理层业务在ATM层用户间顺序传送信元，在始发端，它从ATM适配层接收48字节信元信息，再加4字节首标（HEC字节除外）组成ATM信元，然后将它传送到物理层进行HEC处理和传输。

30. 一、信元结构和编码 • 1．一般流量控制 • 一般流量控制（GFC）用于控制终端到网络的业务流量。由于在用户网络接口定义了两套进程，即控制的和非控制的，因此也就有两级接续，即受控接续和非控接续。

31. 2．接续识别符 • ATM是面向接续的技术，它要求端到端接续在业务量开始流通前就建立。ATM接续既可以利用管理功能预建立，也可以使用信令根据需要动态建立。 • ATM信元首标包含28bit路由选择域，它由两个识别符构成，即虚通路标识符（VPI）和虚信道标识符（VCI）。

32. ３．信息类型指示符（PTI） • 信息类型指示符域3比特长。比特3是最左位也是最高有效位，它用于规定信元是携带用户数据还是携带操作、管理和维护（OAM）数据。当该比特等于零时，比特2用于指示信元是否通过拥塞交换。比特1用于区分最后用户信元。

33. 4．信元丢失优先级比特（CLP） • ATM信元首标的信元丢失优先级域，用于表示信元丢失优先等级。由于接续的统计多路复用性，ATM网不可避免要有一些信元丢失。 • 5．首标差错控制（HEC） • 首标差错控制域主要有两个功能：① 检测信元首标的比特差错，丢弃首标差错信元；② 信元定界。

34. 二、虚通路识别符和虚信道识别符预留置 • 4.2.3 ATM适配层 • 不同业务具有不同的特性，并且对应用功能的要求也不同，如数据话务不要求业务时钟频率信息，话音业务不需要了解比特差错等。

35. 各种应用功能根据其业务要求和话务特性分为若干业务等级。不同的ATM适配层定义了不同的业务等级。ITU-T根据3个参数分类ATM业务： 各种应用功能根据其业务要求和话务特性分为若干业务等级。不同的ATM适配层定义了不同的业务等级。ITU-T根据3个参数分类ATM业务： • ① 源点和终点间定时关系； • ② 比特率（固定的或者可变的）； • ③ 接续方式（面向接续业务或者无接续业务）。

36. 诸如话音和视频一类实时业务要求通信应用端到端定时关系，这主要是因为话音和视频帧的接收速率要求和它们的始发速率相同。 诸如话音和视频一类实时业务要求通信应用端到端定时关系，这主要是因为话音和视频帧的接收速率要求和它们的始发速率相同。 • ATM网的固定比特率业务要求通信单元间的定时关系。 • 实时应用和一些数据业务要求在网中预定资源，这将保证向它们提供的业务不受其他源生话务干扰。

37. 其中4级如下定义： • A级，是对应源点和终点间具有定时关系的固定比特率面向接续业务。 • B级，是对应源点和终点间具有定时关系的可变比特率面向接续业务。 • C级，是对应源点和终点间不具有定时关系的可变比特率面向接续业务。

38. D级，是对应源点和终点间不具有定时关系的可变比特率无接续业务。D级，是对应源点和终点间不具有定时关系的可变比特率无接续业务。 • 除上述4级之外，还有两级业务定义如下： • X级：ATM适配层，话务类型（CBR或者VBR）和定时要求都在此级由用户定义。 • Y级：允许网络提供的ATM层传递特性在接续建立后发生变化。

39. ATM适配层在业务质量一致的对应上层单元之间，提供透明和顺序的AAL业务数据单元（AAL-SDU）传递。ATM适配层在业务质量一致的对应上层单元之间，提供透明和顺序的AAL业务数据单元（AAL-SDU）传递。 • ATM适配层功能分为两个子层，即分段和重组子层（SAR）以及汇聚子层（CS）。

40. 一、固定比特率业务的ATM适配层 • ATM适配层类型1（AAL1）：适用于要求接续端点间定时关系的固定比特率CBR业务，例如CBR音频和CBR视频。 • AAL1汇聚子层包括的功能有：信元延迟变量的处理；顺序计数的处理；定时信息的传递方式；源点和终点间结构信息的传递；前向纠错（FEC）。 • AAL1分段和重组子层协议数据单元（SAR-PDU）首标如图4.14所示。

42. 汇聚子层需要时钟执行其功能。现在已经定义了3种方法处理定时关系，即自适应时钟法、网络同步时钟和同步剩余时间标记（SRTS）方法。汇聚子层需要时钟执行其功能。现在已经定义了3种方法处理定时关系，即自适应时钟法、网络同步时钟和同步剩余时间标记（SRTS）方法。 • AAL1现在定义的另一功能是，单向视频业务比特差错和信元丢失的纠正方法。

43. 二、可变比特率业务的ATM适配层 • AAL1是惟一定义于固定比特率业务的适配层，其他ATM适配层协议都定义于可变比特率业务。 • 可变比特率业务特定汇聚子层（VBR SSCS）定义了两种方式业务：信息方式和数据流方式。 • 这两种业务方式都能提供两种同级操作过程：安全操作和非安全操作。

44. 汇聚子层协议数据单元容量在可变比特业务中，不必是信元信息域的倍数。因此，CS-PDU的最末信息段或协议数据单元的任何信息段，可以不填满全部信元信息域。 汇聚子层协议数据单元容量在可变比特业务中，不必是信元信息域的倍数。因此，CS-PDU的最末信息段或协议数据单元的任何信息段，可以不填满全部信元信息域。 • 1．ATM适配层类型２（AAL2） • AAL2开发用于要求端到端定时关系的面向接续可变比特率业务。

45. AAL2具有支持实时、变速和短包业务的特点，允许在一个ATM连接上承载多个AAL2连接，在保证服务质量的前提下提高信道利用率。AAL2具有支持实时、变速和短包业务的特点，允许在一个ATM连接上承载多个AAL2连接，在保证服务质量的前提下提高信道利用率。 • AAL2协议结构：AAL2分为两个子层，即公共部分子层（CPS）和特定业务汇聚子层（SSCS）。SSCS在CPS之上。AAL2交换在基于ATM层之上的CPS进行。

46. （1）CPS子层 • CPS子层提供的基本功能有：① AAL2通过ATM网络提供从CPS用户到另一个CPS用户传送CPS-SDU；② 提供业务对等层操作，包括：传送CPS-SDU数据，最大字节数45（缺省）或64字节；复用和解复用多路AAL2信道；在每一个AAL2信道保证CPS-SDU序列的完整性；

47. ③ AAL2的CPS连接是一个基于端到端的AAL2信道连接；AAL2通道是一个双向虚通道，两个方向使用相同的通道指示值；AAL2多个通道建立在一个ATM层永久虚电路（PVC）或交换虚电路（SVC）上。

48. （2）SSCS子层 • ITU-T I.366.2规定了用于中继的SSCS协议，主要是面向速率较低，而且对时延敏感的业务流，如话音业务等。 • 2．ATM适配层类型3/4（AAL3/4） • AAL3/4定义用于源和端间不需定时的面向接续和无接续可变比特率业务。它的基本功能支持无接续网络接入（C级）和面向接续的帧中继业务（D级）。

49. AAL3/4分段和重组子层功能有： • ① 差错检测和处理：它利用CRC-10/SN检测和处理比特差错，以及丢失或者误插入SAR-PDU的检测和处理； • ② 多路复用和多路分解：它允许利用MID域将若干CPCS接续，多路复用到一个ATM层接续中； • ③ 放弃：它提供方法放弃部分传递的SAR-SDU。

50. 3．ATM适配层类型5（AAL5） • 与AAL3/4相类似，AAL5用于可变比特率业务，但是它不需要源和端之间的定时。 • （1）SAR子层 • SAR子层从CPCS接收变长的SDU，产生相应的SAR-PDU；SAR-PDU包含48字节的SAR-SDU，其格式如图4.21所示。