数据通信与计算机网络

1. 数据通信与计算机网络

2. *第10章异步传输模式ATM • 本章主要介绍ATM的基本概念、ATM协议及工作原理，并对ATM的参考模型及各层次的功能予以描述，对于IP与ATM的结合问题也予以涉及。通过本章学习，重点了解以下内容： • 了解ATM技术的产生背景 • 了解ATM的基本概念 • 理解ATM协议的参考模型及各层次功能 • 了解ATM与IP的结合

3. 10.1 ATM技术概述 10.1.1 ATM的由来 20世纪70年代出现的ISDN（Integrated Services Digital Network）是综合服务数字网 20世纪80年代以来，跨越广域网实现LAN的互联越来越多。同时随着多媒体技术的出现，人们对可视图文、视频电话、视频会议、图像传输等通信业务需求迅速增加，对带宽的需求也越来越高。结果是B-ISDN (Broadband-ISDN, 宽带综合业务数字网) 标准的问世。 ATM是支持B-ISDN服务的一种交换技术。

4. 10.1 ATM技术概述 10.1.1 ATM的由来 异步传输模式ATM (Asynchronous Transfer Mode) 是建立在电路交换和分组交换基础上的一种新的交换技术。 ATM是面向连接的，它通过建立虚电路来进行数据传输。ATM采用固定长度的数据包，称作信元。 ATM采用统计时分复用的方式来进行数据传输。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情况下，在各个业务之间动态地分配网络带宽，以达到最佳的资源利用率。

5. 10.1 ATM技术概述 10.1.2 同步光纤网络SONET和同步数字系列SDH ATM的物理基础目前主要是采用标淮的光纤传输网络。SONET和SDH是以光缆作为传输媒体的数字传输速率标准。美国首先在1988年推出了标准同步光纤网SONET (Synchronous Optical Network)，为光纤传输系统定义了线路速率的等级结构，其传输速率以51.84Mb/s为基础，大约对应于T3／E3的传输速率。 ITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列SDH (Synchronous Digital Hierarchy)，即1988年通过的G.707~709等三个建议书。 SDH/SONET定义了标准光信号，规定了波长为1310nm和1550nm的激光源。在物理层为宽带接口并使用了帧技术以传递信息，为数字信号的复用和操作过程定义了帧结构。

6. 10.2 ATM的基本原理 10.2.1 ATM网络的构成 ATM网络是网状拓扑结构，包括两种网络元素，即ATM端点和ATM交换机。ATM端点就是在网络中能够产生或接收信元的源站或目的站。ATM端点与ATM交换机相连。ATM交换机与ATM交换机相连，构成ATM网络。

7. 10.2 ATM的基本原理 10.2.1 ATM网络的构成

8. 10.2 ATM的基本原理 10.2.1 ATM网络的构成 用户网络接口UNI(User-Network Interface) 这是ATM端点与它们所连接的ATM交换机之间的接口。 网络结点接口NNI(Network-Node Interface) 这是在ATM网络中两个ATM交换机之间或两个ATM网络之间的接口。

9. 10.2 ATM的基本原理 10.2.2 ATM的体系结构 ITU-T制定的ATM参考模型借鉴了ISO的OSI参考模型，但同时引入了“平面”的概念。为了便于理解，我们暂时略去“平面”的问题，先给出ATM的分层结构，如图。

10. 10.2 ATM的基本原理 • 10.2.3 ATM适配层AAL • ATM适配层记为AAL (ATM Adaptation Layer)，其作用是增强ATM层所提供的服务功能，并向上面高层提供各种不同的服务。AAL的主要功能是： • 将用户的应用数据单元ADU划分为信元或将信元重装成为应用数据单元ADU； • 对比特差错进行监控和处理； • 处理丢失和错误交付的信元； • 流量控制和定时控制。

11. 10.2 ATM的基本原理 10.2.3 ATM适配层AAL 为实现上的方便，AAL层又划分为两个子层，即CS子层和SAR子层。 汇聚子层CS (Convergence Sublayer) 使ATM系统可以对不同的应用(如文件传送、点播视像等)提供不同的服务。每一个AAL用户通过服务访问点SAP (即应用程序的地址)接入到AAL层。在CS子层形成的协议数据单元叫做CS-PDU。 拆装子层SAR (Segmentation And Reassembly) 在发送时，将CS子层传下来的协议数据单元CS-PDU划分成为长度为48字节的单元，交给ATM层作为信元的净负荷。在接收时，SAR子层进行相反的操作，将ATM层交上来的48字节长的净负荷装配成CS-PDU。这样，SAR子层就使得ATM层与上面的应用无关。

12. 10.2 ATM的基本原理 AAL子层协议数据单元

13. 10.2 ATM的基本原理 10.2.4 ATM层 ATM层主要完成交换和复用功能。在ATM层构成53字节的信元并实现网络传输。 ATM层提供的基本服务是完成ATM网上用户和设备之间的信息传输。其功能主要有： 信元头生成和去除、一般流量控制、连接的分配和取消、信元复用和交换、网络阻塞控制、汇集信元到物理接口以及从物理接口分检信元等。

14. 10.2 ATM的基本原理 10.2.4 ATM层 1．ATM信元

15. 10.2 ATM的基本原理 10.2.4 ATM层 1．ATM信元 GFC（Generic Flow Control）字段 PTI(Payload Type Indicator)字段 CLP(Cell Loss Priority)字段 HEC(Header Error Control)字段

16. 10.2 ATM的基本原理 10.2.4 ATM层 1．ATM信元 VPI/VCI（Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier）字段：VPI称作虚通道标识符，VCI称作虚通路标识符。一个虚通路VC是在两个或两个以上的地点之间的一个运送ATM信元的通信通路；一个虚通道VP是一组具有相同端点的虚通路，而这一组虚通路使用同一个虚通道标识符VPI。

17. 10.2 ATM的基本原理 10.2.4 ATM层 2．ATM交换

18. 10.2 ATM的基本原理 10.2.4 ATM层 2．ATM交换

19. 10.2 ATM的基本原理 10.2.5 ATM物理层 ATM物理层又分为与媒体有关的物理媒体子层PMD (Physical Medium Dependent) 和传输汇聚子层TC (Transmission Convergence)。 PMD子层的作用是在适当的物理媒体上正确地发送和接收比特以及负责比特在物理媒体上的正确传输。 TC子层的作用是为其上的ATM层提供一个统一的接口。在发送方，它从ATM层接收信元，组装成特定的形式(如信元、SONET数据帧、FDDI数据帧等) 以使其在物理媒体子层上传输。在接收方，TC从来自PMD子层的比特或字节流中提取信元，验证信元头，并将有效信元传递给ATM层

20. 10.2 ATM的基本原理 10.2.5 ATM物理层 TC子层具有OSI模型中数据链路层的功能，主要功能如下： 信元头验证：每个信元中包含5个字节的头部。信元头中的最后一个字节，也就是HEC字段，其功能是进行信元头的差错控制。信元有效负载中的传输错误由高层控制。 传输帧适配：TC子层的另一个重要作用是为传输媒体子层生成帧格式。 在基于信元的传输方式中，传输帧中刚好含有一个信元。信元被连续地传输、不存在任何规则的时间帧同步。 在基于SONET、FDDI、T1、T3等传输帧的传输方式中，传输帧的有效负载不是信元大小的整数倍，信元被嵌在传输帧的有效负载内，信元边界没有固定位置，信元边界由信元划分功能决定。

21. 10.2 ATM的基本原理 10.2.5 ATM物理层 信元定界：在接收端，TC子层接收输入的比持流，对信元的边界进行定位，验证信元头，抛弃错误的信元，对OAM信元进行处理，将数据信元传送给ATM层。在这个过程中，最复杂的过程就是信元定界。在TC子层，使用有限状态机来完成信元定界。 δ次连续正 确的HEC α次连续的 不正确HEC

22. 管理平面 平面管理 层管理 高 层 高 层 控制平面 用户平面 CS ATM适配层（AAL） SAR ATM 层 TC 物理层 PMD 10.3 ATM的连接管理 10.3.1 ATM参考模型 ITU-T制定的ATM参考模型不但具有层次结构，还具有平面的概念，是一个立体的体系结构 用户平面用来传送用户数据、流量控制、差错控制和其他用户功能信息； 控制平面处理为建立和释放连接所需的信令； 管理平面提供层管理和平面管理两种不同的功能 ；

23. 10.3 ATM的连接管理 10.3.2 ATM地址 ATM是面向连接的，通信之前需要首先建立虚电路。虚连接建立时，源站点需要指明需要建立连接的目的站点的地址。 由ATM论坛根据开放系统互连OSI的网络服务访问点NSAP (Network Service Access Point) 格式定义了ATM专用UNI的ATM地址。它采用20个字节。 ATM地址包括三个部分： AFI (Authority and Format Identifier)字段——授权和格式标识符，用于指出起始域标识符(IDI)的类型和格式，指明地址命名方式； IDI (Initial Domain Identifier) 字段——起始域标识符，指明地址的位置和管理权限； DSP (Domain Specific Part) 字段——域特定部分，指明专用网UNI的识别信息。

24. 10.3 ATM的连接管理 10.3.2 ATM地址 字节 1 2 10 6 1 IDI DCC格式的ATM地址 字节 1 2 10 6 1 IDI ICD格式的ATM地址 字节 1 8 4 6 1 IDI E.164 格式的ATM地址

25. 10.3 ATM的连接管理 10.3.3 ATM虚连接机制

26. ① 源站点通过缺省虚连接 (通常为VPI=5，VCI=0) 向目的站点发出连接建立 (Setup) 请求。该请求中包含源站点ATM地址、目的站点ATM地址、传输特性以及QoS参数等。 ② 网络向要求建立连接的源站点回送呼叫确认 (Call Proceeding)，表明呼叫建立已启动。并不再接收呼叫建立信息。 ③ Setup沿网络向目的地站点传播。在传播的每步，目的都会返回Call Proceeding 确认。 ④ 目的站点接收到连接建立请求后，若连接条件满足，则返回连接(Connect)，表明接受呼叫。然后，网络用连接 (Connect) 响应源站点，源站点被接受。 ⑤ 在Connect返回源站点过程中，每一步均会产生连接确认 (Connect Ack)，最后源站点用连接确认 (Connect Ack) 响应网络。 当数据传输完成后，虚连接要被拆除。虚连接拆除的过程如图10-11的下部。 ① 要求拆除虚连接的源站点向网络发出拆除虚连接 (Release) 请求，相邻的交换机接到该消息后，向源站点返回Release Complete。 ② Release沿ATM网络向目的站点传播。在网络中传播的每一步，都会得到Release Complete确认。 ③ Release到达目的站点后，虚连接将被拆除。 10.3 ATM的连接管理 10.3.3 ATM虚连接机制

27. 10.4 IP Over ATM 10.4.1 传统IPOA IPOA的协议结构如图所示，从网络协议结构上讲，它也遵循开放系统互连OSI七层协议模型，IPOA位于OSI数据链路层与网络层之间。它仅通过网络层协议IP来支持上层应用。

28. 10.4 IP Over ATM 10.4.2 局域网仿真LANE 局域网仿真(LANE) 是在ATM上模拟传统的局域网，通过ATM网络把多个传统局域网和ATM终端设备互连，在ATM网络上面构造成新的局域网，这些局域网上节点间的通信行为与传统的局域网完全相同。所有协议(如IPX或IP) 和各种应用程序都可不加改动地在仿真局域网ELAN（Emulated LAN）上运行。由于这些局城网能够互连在一起工作，因而局城网上的计算机能够享用ATM网络的各种优点。

29. 10.4 IP Over ATM 除上述两种ATM的扩展应用外，ATM论坛还提出了MPOA(MultiProtocolOver ATM)，用以在ATM上运行多种协议。近年来还出现了第三层交换（或称IP交换—IP Switching）技术，不断的促进着ATM的发展和进步。