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1、第9章 ATM 网 络,9.1 ATM产生背景和协议结构9.2 ATM网络9.3 ATM信元9.4 AAL9.5 流量控制和拥塞控制思考题,9.1 ATM产生背景和协议结构,9.1.1 ATM产生背景 现有的通信网是根据应用业务来区分的，如公用电话交换网(PSTN)、用户电报网、CATV网、分组交换公用数据网(PSPDN)、专用数据网等，即对每一种应用业务存在一种相应的网络进行传输与交换。由于网络的专门化，使得网络在不同业务的兼容性、灵活性和资源利用率等方面存在着严重的缺陷，因此建立了一个与业务无关的网络，使它能够传送现有所有业务，并能以一种低成本的方式不断引入新业务，这对运营商和用户均有利。
2、,1972年ITU-T提出了综合业务数字网(ISDN)的概念。特别是80年代初制定的一整套关于ISDN的系列建议，奠定了ISDN发展的基础。鉴于当时技术能力和业务需求的限制，首先提出的只能是窄带综合业务数字网(N-ISDN)。N-ISDN的提出为迈向一个统一的网络走出了第一步，它采用同步传送模式(STM)使得语音和数据在同一介质中传输。N-ISDN提供端到端的数字连接，定义了两种用户网络接口：基本速率接口(BRI)和基群速率接口(PRI)，实现了用户网络接口的标准化。,N-ISDN只能为用户提供最高比特率约为1.5 Mb/s或2 Mb/s的各种业务。而且N-ISDN注重的只是用户网络接口上业务
3、的综合，实际网络内仍是由电路交换和分组交换等若干分离的模块提供业务。因此，N-ISDN并未实现真正意义上的综合。随着高速电信技术的到来，很多新业务在20世纪80年代问世。它们通常包括话音、数据、图像和视频，带宽从56/64 kb/s到155 Mb/s,甚至更高；这些通信业务大多数是传统的，在整个呼叫期间需要固定的带宽。然而很多通信业务具有突发性，在短期内突然以高速发送大量数据。这样即使在很长时间内所需要的平均带宽也变化甚微，用户也可能在短期内需要高得多的带宽。在某些情况下，应用是面向连接的，即用户在信息交换之前需要建立连接,如果是多媒体业务，单一的用户可能同时需要多条信道；另一种情况是无连接的
4、应用，如电子邮件和其他LAN类型的数据通信。,在早期,标准化组织考虑使用STM的可能性。除了灵活分配PRI的nB+mH0+kH1通道，还定义了两个新类型通道：32.768 Mb/s的H2和132.032138.240 Mb/s的H4,希望在某些预定组合中,通过分配适当数量的通道满足应用的不同带宽需求。但实际上,通过动态分配不同数量的时隙，满足突发通信量对带宽的需求是非常困难的。,1989年，ITU-T第18研究组在综合了已有研究成果的基础上,提出了一种新的信息传递方式-异步传送模式(ATM)，并将ATM作为实现宽带综合业务数字网(B-ISDN)的一个解决方案。ATM从此正式诞生。1990年，I
5、TU-T又用加速程序推出了13个建议，它们定义了ATM的基本概念,并确定了大部分参数。ITU-T主要从公用网络运营者的观点出发，定义有关B-ISDN网的结构、逻辑描述、信令、业务分类等，对一些具体细节没有做出规定。ATM论坛(ATM Forum)主要侧重于解决专用网或接入网中ATM技术的具体应用以及设备互连。因此它的规范涉及的领域比较广，包括ATM技术的各个方面。,9.1.2 ATM基本概念 ATM是异步传送模式，它采用快速分组交换和统计复用技术。它具有如下基本特点。1采用短而固定长度的短分组 在ATM中采用短而固定长度的分组，称为信元(Cell)。信元由53个字节组成，其中5个字节是信元头，
6、48个字节是净荷。固定长的短分组决定了ATM系统处理时间短、响应快，特别适合实时业务和高速应用。,2采用统计复用 ATM是按信元进行统计复用的，在时间上没有固定的复用位置。由于统计复用是按需分配带宽，可以满足不同用户传递不同业务的带宽需要。,3ATM采用面向连接并预约传输资源的方式工作 电路交换是通过预约传输资源保证实时信息的传输，同时端到端的连接使得信息在传输时，在任意的交换节点不必作复杂的路由选择(这项工作在呼叫建立时已经完成)。分组交换模式中仿照电路方式提出虚电路工作模式，目的也是为了减少传输过程中交换机为每个分组作路由选择的开销，同时可以保证分组顺序的正确性。但是分组交换取消了资源预定
7、的策略，虽然提高了网络的传输效率，但却有可能使网络接收超过其传输能力的负载，造成所有信息都无法快速传输到目的地。,在ATM方式中采用的是分组交换中的虚电路形式，同时在呼叫建立过程中,向网络申请传输所希望使用的资源，网络根据当前的状态决定是否接受这个呼叫。其中资源的约定并不像电路交换中给出确定的电路或PCM时隙一样，而只协商将来通信过程可能使用的通信速率。采用预约资源的方式，保证网络上的信息可以在一定允许的差错率下传输。另外考虑到业务具有波动的特点和交换中同时存在连接的数量，根据概率论中的大数定理，网络预分配的通信资源肯定小于信源传输时的峰值速率。可以说ATM方式既兼顾了网络运营效率，又满足了接
8、入网络的连接能够进行快速数据传输。,4协议简化 分组交换协议设计运行的环境是误码率很高的模拟通信线路，需要进行逐段链路的差错控制；同时由于没有预约资源机制，任何一段链路上的数据量都有可能超过其传输能力，所以有必要执行逐段链路上的流量控制。而ATM协议运行在误码率很低的光纤传输网上，同时资源的预约机制保证网络中传输的负荷小于网络的传输能力，所以 ATM取消了网络内部节点链路上的差错控制和流量控制。对于通信过程中出现的差错，ATM将这些工作推给了网络边缘的终端设备完成。,由于ATM网络中不进行流量控制和差错控制，所以信元头部变得异常简单，主要是标志虚电路，这个标志在呼叫建立阶段产生，用以表示信元经
9、过网络中传输的路径。用这个标志可以很容易地将不同的虚电路信息复用到一条物理通道上。如果信元头部出现错误，则必然会导致信元的错投，浪费网络的计算和传输资源。及早发现信元头部出错是非常必要的，因此，要在信元的头部加上纠错和检错的机制以防止或降低错选路由。,根据上面的描述可以知道，实际上 ATM充分地综合了电路交换和分组交换的优点。它可以支持实时业务、数据透明传输，并采用端到端的通信协议。同时也具有分组交换支持可变比特率(VBR：Variable Bit Rate)业务的特点，并能对链路上传输的业务进行统计复用。所以ATM是下一代通信网交换、复用和传输的主要技术之一。,9.1.3 ATM协议参考模型
10、 ITU-T I.321建议提出的ATM协议参考模型，继承了N-ISDN协议模型的优点，用分开平面的概念来分离用户、控制和管理功能。因此，ATM协议参考模型包括三个平面：用户平面、控制平面和管理平面，见图9.1。(1)用户平面(U平面)：负责提供用户信息传送、端到端流量控制和恢复操作。(2)控制平面(C平面)：负责建立网络连接，管理连接以及连接的释放。控制平面主要完成信令功能。,图9.1 ATM协议参考模型,(3)管理平面(M平面)：有两个功能，即平面管理和层管理。平面管理没有分层结构，它负责所有平面的协调；层管理负责各层中的实体管理，并执行运行、管理和维护(OAM)功能。在每个平面内，采用了
11、分层结构。层次划分考虑的是：为了实现综合交换、复用和传输，设计了业务无关层，它就是协议参考模型中的ATM层；为实现对不同类型业务的不同处理，设计了一组平行的业务相关层，它就是ATM适配层(AAL：ATM Adaptation Layer)；物理层则对ATM层屏蔽不同物理媒介的差异。因此也就有了ATM四层模型，即物理层、ATM层、AAL层和高层。表9.1给出了各个层的功能。,表9.1 ATM各层功能,1物理层 物理层利用通信线路的比特流传送功能实现ATM信元的传送。这种传送功能是不可靠的。通过物理层传送的ATM信元可能丢失，它的信息域部分也可能发生错误。但是，在顺序传送多个ATM信元时，传送过程
12、不会发生顺序的颠倒。物理层(PHY)包含两个子层：物理媒介子层(PM：Physical Media Dependent Sublayer)和传输会聚子层(TC：Transmission Convergence Sublayer)。PM的功能依赖于传输媒介的外部特性(光纤、微波、双绞线等)，主要功能有比特传递和定时校准、线路编码和电光转换等。TC负责会聚物理层操作，它不依赖于具体媒介。TC子层完成如下主要功能：,(1)传输帧生成和恢复。发送侧将ATM信元装入传输帧结构中，接收侧从收到的帧中取出ATM信元。具体的操作取决于物理层上帧的类型。例如，信元可以装在SDH帧中，也可以装在PDH帧中。(2)
13、信元定界。在源端点它负责定义信元的边界，而在接收端点是从接收到的连续比特流中确定各个信元的起始位置，恢复所有信元。ITU-T建议利用信元头中的前四个字节和HEC来定界。(3)信头处理。在源端点它负责产生信头差错控制域(HEC：Head Error Check)，而在接收端点它负责对HEC进行处理，以确定该信头在传送过程中是否有错。,(4)信元速率解耦。ATM层送来的信元速率可能和线路上的信息传送速率不一致，为了填补信元间的空隙，发送端插入空闲信元，以适配传输线路上的带宽容量，接收端剔除空闲信元。与OSI模型相比，ATM物理层大体包括了OSI的物理层和数据链路层。其中，PM子层相当于OSI物理层
14、；TC子层相当于OSI数据链路层，但其功能大大地简化了，只保留了对信元头的校验和信元定界功能。,2ATM层 ATM层利用物理层提供的传送功能，向外部提供传送ATM信元的能力。ATM层是与物理层相互独立的。不管信元是在光纤、双绞线上，还是在其他媒介上传送，无论速率如何，ATM层均以统一的信元标准格式完成复用、交换和选路。ATM层具有以下四种主要功能：(1)信元复用和解复用。在源端点负责对来自各个逻辑连接的信元进行复接，在目的端对接收的信元流进行解复用。(2)VPI/VCI处理。在每个ATM节点为信元选路，建立端到端的逻辑连接。ATM逻辑连接是通过虚通路标识VPI(VP Identifier)和虚
15、信道标识VCI(VC Identifier)来识别的。,(3)信头产生和处理。在呼叫建立阶段，各节点分配VPI/VCI；在信息传送阶段各节点翻译VPI/VCI，如在目的端点可以把VPI/VCI翻译成服务接入点(SAP)。(4)一般流量控制。在用户网络接口(UNI)处，用ATM信头中的一般流量控制域来实现流量控制。总之，ATM层的主要工作是产生ATM信元的信头并进行处理。ATM层可以为不同的用户指定不同的VPI/VCI。ATM层具有OSI网络层的功能。,3AAL层 AAL层介于ATM层和高层之间，负责将不同类型业务信息适配成ATM信元。适配的原因是由于各种业务(语音、数据和图像等)所要求的业务质
16、量(如时延、差错率等)不同。在把各个业务的原信号处理成信元时，应消除其质量条件的差异。换个角度说，ATM层只统一了信元格式，为各种业务提供了公共的传输能力，而并没有满足大多数应用层(高层)的要求，故需要用AAL层来做ATM层与应用层之间的桥梁。AAL层具有OSI传输层、会话层和表示层的功能。,4高层 高层根据不同的业务(数据、信令或用户信息等)特点，完成其端到端的协议功能。如支持计算机网络通信和LAN的数据通信，支持图像和电视业务及电话业务等。高层对应于OSI的应用层。传送用户信息的端到端ATM协议模型见图9.2。,图9.2 端到端ATM协议模型,上述各层(物理层、ATM层、AAL层)的功能全
17、部或部分地呈现在具体ATM设备中，比如在ATM终端或终端适配器中，为了适配不同的应用业务，需要有AAL层功能支持不同业务的接入；在ATM交换设备和交叉连接设备中，需要用到信头的选路信息，因而ATM层是必须有的支持；而在传输系统中需要物理层功能的支持。,9.2 ATM 网 络,9.2.1 ATM网络组成和接口 1ATM网络组成,图9.3 ATM网络组成,1)ATM交换机 ATM交换机是ATM宽带网络中的核心设备，它完成物理层和ATM层的功能。对于物理层，它的主要工作是对不同传送媒质电器特性的适配；对于ATM层，它的主要工作是完成ATM信元的交换，也就是ATM信头中VPI/VCI的变换。VPI/V
18、CI的变换方法有两种，即自选路由法和转发表控制法。,(1)自选路由法。自选路由法是通过给信元加一些寻路标识来提供快速选路功能的。在自选路由交换中，VPI/VCI的翻译任务必须在交换网络的输入端完成。输入端在信头前插入内部标识符m和n，因而交换网络内部的信元格式大于53个字节。信头扩展要求增加内部网络的速度。每个连接(从输入到输出)都有一个特定的交换网内部标识符，这个内部标识符因交换矩阵而异。在一个点到多点的连接中，给VPI/VCI分配一个多路交换标识，根据它复制信元并选路送往各目的端。图9.4是自选路由交换单元构成的交换网络对信头的处理过程。,图9.4 自选路由交换,(2)转发表控制法。转发表
19、控制方法需要在交换矩阵内存储大量的路由表，每个表项都包括新的VPI/VCI和对应的输出端口号或链路号。当信元到达 ATM交换机后，如果交换机读到的 VPI/VCI与路由表中的一致，就会很快自动找到输出端口并更新信头的VPI/VCI值，发往下一个节点(信头必须按输出端口的要求进行转换)。图9.5是转发表控制法交换单元构成的交换网络对信头的处理过程。,图9.5 转发表控制交换,2)ATM端系统 ATM端系统有两类：在纯ATM网络中，端系统就是各种终端(如PC、工作站、视频解码器、电缆或xDSL调制解调器等)，是产生和接收ATM信元的；在互连的网络中，端系统就是互连设备(如路由器)，也叫做虚终端，不
20、是产生和接收信息的端点的，不过，可以连接不同的网络，这些网络可以采用相同或不同的技术。,2ATM通信网接口 用ATM技术可以构建ATM公用网和专用网。公用网为所有用户服务，而专用网为某一企业或单位用户服务。无论是公用网还是专用网，都是通过实现用户网络接口(UNI：User Network Interface)、网络节点接口(NNI：Network Netnode Interface)和宽带互连接口(B-ICI：Broadband Inter-carrier Interface)的功能和信令为用户提供包括信元中继在内的各种业务的传送。,1)用户网络接口 用户网络接口完成用户网络接口的信令处理和V
21、P/VC交换操作。根据ATM网络类型，用户网络接口分为公用用户网络接口(简称UNI)和专用用户网络接口 PUNI(Private UNI)。专用网用户经PUNI与专用网ATM交换机连接。用户或专用网与公用网的连接通过UNI实现。,2)网络节点接口 网络节点接口完成网络节点间的信令处理和VP/VC交换操作。NNI是公用网中交换机的接口，PNNI(Private NNI)是专用网中交换机之间的接口。网络节点接口标准包括各种物理接口、ATM层接口、管理接口和相关信令的定义。PNNI还包括专用网络节点接口路由选择的技术规范。,3)B-ICI 不同运营商组建的ATM 网间通过B-ICI互连。其技术规范包
22、括各种物理接口、ATM层接口、管理接口和高层功能接口。高层接口用于ATM和各种业务互通。,3典型ATM物理层接口介绍 1)SDH接口 SDH接口用于光纤骨干网。它以SDH传输帧为基本结构将信元流映射到SDH净荷内。SDH的基本帧为STM-1，多个 STM-1帧可以多路复用为高速信号，STM-N信号就是以N倍STM-1速率传输的信号，它携带N倍STM-1帧信息容量。目前，基于SDH传输方式有两种接口用于ATM网，即STM-l和STM-4。它们的速率分别是155.52 Mb/s和622.08 Mb/s。,2)PDH接口 为了和原有的传输系统兼容，PDH接口也是典型的ATM网络物理接口。它以PDH帧
23、为基本结构将ATM信元映射到PDH帧的时隙中。我国常用的PDH接口有两种：E1和E3。E1的速率为2.048 Mb/s，E3的速率为34.368 Mb/s。它们的线路编码形式为HDB3，传输线是同轴电缆。,3)基于FDDI的4B/5B接口 ATM论坛为专用UNI定义了FDDI物理层的125Mbaud(兆波特)多模光纤接口。此接口的物理媒介子层采用4B/5B线路编码，速率为100 Mb/s，线路编码形式为非归零(NRZ)编码。这种4B/5B 编码接口没有帧加载于物理链路中，即4B/5B没有帧结构，因此在信元传输方式上，不是将一组信元装在帧结构中进行传输的，而是从起始信元开始逐个传输的，因此称4B
24、/5B编码的接口为基于信元的接口。,9.2.2 ATM的逻辑连接 ATM采用面向连接的工作方式，为了提供端到端的信息传送能力，ATM层在接入点之间建立虚连接，并在整个呼叫期间保持虚连接。根据宽带网络的特点，ATM层的逻辑连接是在两个等级上建立的，即虚信道(Channel)级和虚通路(Path)级。1虚信道和虚信道连接(Virtual Channel and Virtual Channel Connection)虚信道VC指的是ATM信元的单向通信能力。它是一个一般性的概念，与其相关联的两个实在概念是虚信道链路(VC Link)和虚信道连接(VCC：Virtual Channel Connect
25、ion)。虚信道链路是两个相邻ATM实体间传递ATM信元的单向通信能力，用一个VCI(VC Identifier)来标识。在ATM 复用线上具有相同VCI的信元是在同一个VC上传送的。,级连的VC链路组成VCC。一条VCC在两个VCC端点之间延伸。在点到多点的情况下，一条VCC有两个以上的端点。VCC端点是ATM层和AAL层交换信元净荷的地方。在虚信道等级上，VCC可以提供用户到用户，用户到网络或网络到网络的信息传送。在同一个VCC上，信元的次序始终保持不变。VC交换机完成VC路由选择的功能，这个功能包括将输入VC链路的VCI值翻译成输出VC链路的VCI值。,2虚通路和虚通路连接(Virtua
26、l Path and Virtual Path Connection)一个综合通信网要支持多个终端用户的多种通信业务，网中会出现大量的速率不等的虚信道，在高速环境下对这些虚信道进行管理，难度很大。为此，引入了分级的方法，即将多个虚信道组成虚通路VP(Virtual Path)。与VC相似，定义VP链路和VP连接(VPC)两个概念。VP链路是一束具有相同端点的 VC链路，端到端的多段VP链路组成VPC，VP链路用VPI来标识。一条VPC在两个VPC端点之间延伸，在点到多点的情况下，一条VPC有两个以上的端点。VPC端点是VCI产生、变换或终止的地方。,在虚通路等级上，VPC可以提供用户到用户，用
27、户到网络或网络到网络的信息传送。一个VPC中的每一条VC链路都能保证其上面的信元不改变次序。VP交换机完成VP路由选择的功能，即将输入VP链路的VPI值翻译成输出VP链路的VPI值。,3VCC和VPC之间的关系,图9.6 传输线路，VP和VC之间的关系,在一个给定接口上，两个分别属于不同VP的VC可以有同样的VCI值。因此在一个接口上用VPI和VCI两个值才能完全地标识一个VC。虚信道连接VCC和虚通路连接VPC的关系如图9.7所示。VCC由多段VC链路组成，每段VC链路有各自的VCI，因此在VCC上任何一个特定的VCI都没有端到端的意义。每条VC链路和其他与其同路的VC链路一起组成了一个VP
28、C。这个VPC可以由多段VP链路连接而成，每当VP被交换时，VPI就要改变，但是整个VPC中的全部VC链路都不改变自己的VCI值。因此我们得出的结论是：VCI值改变时支持它的VPI一定相应地改变，而VPI改变时，其中的VCI不一定改变。换句话说，VP可以单独交换，而VC的交换必然和VP交换一起进行。,图9.7 VCC和VPC的关系,虚连接(VC：Virtual Connection)有两种：一种称为永久虚连接(PVC：Permanent Virtual Connection)，指网络两端点间固定的连接，可以通过管理功能来修改；另一种为交换虚连接(SVC：Switched Virtual Con
29、nection)，通过信令系统建立，每次建立的都可能不一样。,9.2.3 VP交换和VC交换 1VC交换 VPI和VCI作为逻辑链路标识，只是局部有效的，也就是说，每个VPI/VCI的作用范围只局限在链路级，即链路及与之相连的收/发器。每个交换节点在读取VPI/VCI值后，根据本地的转发表，查找对应的输出VPI/VCI进行交换并改变VPI/VCI的值。因此，信元流过VPC/VCC时要经过多次中继，见图9.8。,图9.8 VC交换,图中交换机1的3端口和交换机2的2端口之间有一条传输线路，交换机2的4端口连接交换机3的1端口。发端用户使用VPI1/VCI6接入交换机1；交换机1将输入VPI1/V
30、CI6转换为输出VPI2/VCI15，交换机2再将输入VPI2/VCI15转换为输出VPI16/VCI8。这里VPI和VCI组合构成了网络的每段链路。最后，交换机3将 VPI16/VCI8转换成目的地的VPIl/VCI6。目的地的VPI和VCI不必与起点的VPI和VCI相同。这种交换机根据整个VPI和VCI字段来交换的方式叫VC交换。,2VP交换 在高速的骨干网中，可能同时有几百万个用户通信，其中可能同时有几千个VC在使用同一个VP。如果网中的所有交换机都进行VC交换，就要对几百万个独立的通信选路转发。这会增加骨干节点处理难度，降低转发速率。如果骨干交换机把这些VC做为一个完整单元看待，只根据
31、VPI字段选路转发信息，这种交换方式就叫VP交换。VP交换意味着只根据VPI字段来进行交换。它是将一条VP上所有的VC链路全部转送到另一条VP上去，而这些VC链路的VCI值都不改变，如图9.9所示。VP交换的实现比较简单，可以看成传输通道中某个等级数字复用线的交叉连接。在骨干网外，交换机仍然进行VC交换。,ATM网络中VP和VC上的通信可以是对称双向、不对称双向或单向的。ITU-T建议为一个通信的两个传输方向分配同一个VCI值，对VPI值也按同样方法分配。这种分配方法容易实现，且有利于辨别同一通信过程涉及的两个传输方向。,图9.9 VP交换,9.3 ATM 信 元,1ATM信元的组成 ATM信
32、元由53个字节的固定长度组成，其中前5个字节为信元头，后48个字节为信息域。信元的大小与业务类型无关，任何业务的信息都经过切割封装成相同长度、统一格式的信元。信元结构如图9.10所示。信元从第1个字节开始顺序向下发送，在同一字节中从第8位开始发送。信元内所有的信息段都以首先发送的比特为最高比特(MSB)。,图9.10 信元组成结构,2ATM信元头 图9.11给出ATM信元的信头格式。ATM信头的结构在UNI和NNI上稍有不同。ATM信元头各部分功能如下：GFC(Generic Flow Control)：一般流量控制，占4 bit。为了控制共享传输媒体的多个终端的接入而定义了GFC，由GFC控
33、制用户终端方向的信息流量，减小用户侧出现的短期过载。VPI：虚通路标识码。UNI和 NNI中的VPI字段分别是8 bit和12 bit，可分别标识 28条和212条虚通路。VCI：虚信道标识码。用于虚信道路由选择，它既适用于UNI，也适用于NNI。该字段有16 bit，故对每个 VP定义了216条虚信道。,图9.11 ATM信元信头格式(a)UNI格式；(b)NNI格式,PTI(Payload Type)：信息类型指示段，也叫净荷类型指示段，占3bit，用来标识信息字段中的内容是用户信息还是控制信息。CLP(Cell Loss Priority)：信元丢失优先级，占1bit，用于表示信元的相对
34、优先等级。在ATM网中，接续采用统计多路复用方式，所以当发生过载、拥塞而必须扔掉某些信元时，优先级低的信元先于优先级高的信元被抛弃。CLP可用来确保重要的信元不丢失。具体应用是CLP=0的信元具有高优先级；CLP=l的信元优先级低。HEC(Header Error Check)：信头差错控制，占8bit，用于信头差错的检测、纠正及信元定界。这种无需任何帧结构就能对信元进行定界的能力是ATM特有的优点。ATM由于信头的简化，从而大大地简化了网络的交换和处理功能。,3信元的传输 用户有通信需求时，首先请求建立连接，请求中携带通信的被叫地址、本次通信需要的带宽和服务质量(QoS)。请求消息从源端沿着
35、信令VC走向目的端。沿途各交换节点依据网络资源决定是否接纳呼叫。若接受呼叫，就给各段链路分配VPI/VCI，并在各交换机内建立控制转发的转发表，路由选择算法决定消息要通达目的地的路径，从而也决定了虚连接的路径。,信元传送阶段，高层用户信息经过切割封装成信元送给入端交换机，交换机按已确定的转发表转发信息至目的地。目的地将一个个信元重新恢复成原始信息递交给高层用户。信元的传送过程见图9.12。在通信期间沿途各交换机要监视和管理连接，预防网络内流量过载。通信结束后，用呼叫结束请求拆除VPC和 VCC，释放分配的 VPI和 VCI。从技术上讲，连接建立和拆除并不是ATM层的功能，而是由控制平面使用的一
36、个高度复杂的，叫做Q.2931(Stiller，1995)的协议来处理的。然而，逻辑上处理建立网络层连接的地点是网络层，并且类似的网络层协议都是在这里进行连接建立的。,图9.12 ATM信元传送,9.4 AAL,AAL的作用是将各种高层信息变换成标准信元净荷，或者做相反变换。AAL可进一步分为两个子层：信元拆装子层和会 聚子层。信元拆装子层(SAR：Segmentation and Reassembly Sublayer)位于ALL层的下面，其作用是将一个虚连接的全部信元净荷组装成数据单元并交给高层或在相反方向上将高层信息拆成一个虚连接上的信元净荷。,会聚子层(CS：Convergence S
37、ublayer)位于ALL层的上面，其作用与各类业务相关，根据业务质量要求，提供不同业务所需的附加功能。如控制信元的延时抖动，在接收端恢复发送端的时钟频率，以及对帧进行差错控制和流控等。如果需要，会聚子层还可细化为公共部分汇聚子层(CPCS：Common Part Convergence Sublayer)和业务特定汇聚子层(SSCS：Service Specific Convergence Sublayer)。ITU-T按照信源和信宿之间的定时关系、比特率、连接方式将AAL层业务分成四类，见表9.2。,表9.2 AAL支持的业务类型,A类：信源和信宿之间需要定时关系，业务具有恒定的比特率(C
38、BR：Constant Bit Rate)，是面向连接的。A类业务具有类似于电路交换网络提供的业务特点，因此把ATM网络提供的这类业务称为“电路仿真(Circuit Simulation)”业务。B类：信源和信宿之间需要定时关系，业务也是面向连接的，但是信息传送可以是变比特率(VBR)的。A、B类的不同点是业务是否具有恒定比特率。显然类型B具有更大的自由度，适合恒定质量的压缩信息，如音频、视频传送，但是这种业务类型对网络的资源管理、流量监测和控制提出了更高的要求。,C类：信源和信宿之间不存在定时关系，传输速率是可变的，但具有面向连接的特征。此类业务适合面向连接的数据和信令传输，与传统的X.25
39、协议支持的业务是一致的。D类：信源和信宿之间不存在定时关系，传输速率可变且具有无连接特征，适合传送无连接的数据，例如交换的多兆比特数据业务(SMDS：Switched Multimegabit Data Services)在ATM网络上的实现，以及IP数据包在ATM上的传送。,上述业务类型可以分为实时传输业务和数据传输业务。由于实时业务必须采用面向连接的方式，但是有速率是否恒定之分，因此ITU-T制定了AAL1和AAL2两种适配协议，分别针对实时业务的A和B两种类型。数据传输业务、计算机数据或信令信息的速率一般是可变的，区别在于是否采用面向连接方式。ITU-T制定的AAL3/4适配协议支持C和
40、D两类数据业务的传输，ATM论坛提出的AAL5适配协议支持C类数据业务的传输。,9.4.1 AAL1 AAL1是用于A类业务传输的协议。A类传输是指实时的、恒定比特率的、面向连接的传输。例如非压缩的音频和视频数据，输入的是比特流，不存在报文分界。对于这种传输，没有使用错误检测协议，因为由超时和重发机制引入的延迟是不能接受的。但是，丢失信元时会通知应用程序，由它采取措施(如果可能的话)来进行弥补。AAL1分为两个子层：分段和重装子层(SAR)、会聚子层(CS)。,1SAR,图9.13 AAL1的SAR-PDU净荷,发端SAR子层从CS子层接收47字节的数据块，然后加上1字节的控制信息，组成SAR
41、-PDU。接收端SAR子层从ATM层获得48字节数据块，分离出控制信息，把47字节SAR-PDU净荷上送至CS子层。1字节的信元头中，包含1 bit汇聚子层指示符CSI和3 bit的信元序号SN，之后的3位序号保护字段CRC和1 位奇偶校验和SNP，可以纠正信元序号字段中的单比特错误，并且可以检测出两个比特的错误。CSI用于传送CS子层间的信息(如定时和结构信息)。,2CS会聚子层和特定的业务密切相关，AAL1会聚子层完成下列功能：(1)信元延时变化(CDV:Cell Delay Variation)处理；(2)定时信息传递；(3)信源和信宿之间的结构信息传递；(4)丢失或错插信元的监视及可能
42、的纠错动作；(5)向管理层报告端到端性能状况。,AAL1的会聚子层没有自己的协议头信息。对于恒定比特率业务，ATM适配层业务数据单元以固定速率提交AAL用户。然而，由于ATM是分组交换网，在接收端可能出现信元延时变化(抖动)，CS子层采用缓冲区处理ATM适配层的信元延时变化，当缓冲区上溢或下溢时，采用在信息流中分别插入特定比特模式组成的信元或丢弃多余比特策略进行处理。为了降低净荷的组装延时，SAR-PDU可以只部分地装载用户信息，其余位用填充比特补充。,对于丢失和错插信元的处理，CS子层在发送数据时采用编号(基于模8的序号)的方式，为每个SAR-PDU设置一个序号，接收端的CS根据序号判断信元
43、是否有丢失、重复和错插。为了传递信源和信宿之间的定时关系，CS子层在接收端需要执行时钟恢复功能。在接收器中恢复发端时钟有三种方法，即自适应时钟法(Adaptive Clock Method)、网络同步时钟法和同步剩余时间标记法(SRTS：Synchronous Residual Time Stamp)。,ITU-T建议使用SRTS处理端到端的同步问题。这种方法利用剩余时间标记(RTS)测量发送器的业务时钟和公共参考时钟的差别，并将这个差别传送到接收端。RTS利用连续SAR-PDU中的CSI比特传送，接收端根据收到的RTS恢复业务时钟。这里，发送器和接收器都从网络得到公共参考时钟。如果发送器和接
44、收器通过同步网(如基于SDH或SONet的网络)通信，可使用网络同步时钟法同步。如果不存在网络同步时钟(如基于PDH)，可以采用自适应时钟恢复法。这种方法建立在接收端缓冲区充满程度的基础上，根据缓冲区中的数据多少，可间接地知道接收方时钟和业务时钟之间的偏差，并据此调整接收方时钟频率，使之达到和业务时钟的同步。,AAL用户可以传送具有某种结构的数据流(如8 kHz的帧结构业务)，CS子层必须能够支持这种结构信息的传送。信源和信宿之间结构数据的传送和恢复是用指针来标识结构的边界，指针字段指出结构数据起始位置的偏移量。这种方法支持基于字节的固定结构，特别适合基于8 kHz结构的电路方式的业务。,9.
45、4.2 AAL2 AAL1是针对简单的、面向连接的、实时数据流而设计的，除了具有对丢失和错插信元的检测机制外，它没有对净荷错误的检测功能。对于单纯的未经压缩的音频或视频数据，或者其中偶尔有一些较重要的位的其他任何数据流，AAL1就已经足够了。对于压缩的音频或视频数据，数据传输速率随时间会有很大的变化。例如，很多压缩方案在传送视频数据时，先周期性地发送完整的视频数据，然后只发送相邻顺序帧之间的差别，最后再发送完整的一帧。当镜头静止不动并且没有东西发生移动时，则差别帧很小。其次，必须要保留报文分界，以便能区分出下一个满帧的开始位置，甚至在出现丢失信元或损坏数据时也是如此。由于这些原因，需要一种更完
46、善的协议，AAL2就是针对这一目的而设计的。,AAL2用于传送要求端到端定时关系的面向连接的可变比特率业务，ITU-T于1997年才提交此变比特率实时业务适配标准。根据适配业务的特点，AAL2必须完成以下功能：(1)由于数据传输速率是可变的，因此VBR业务和AAL1支持的CBR业务是不同的。由于任意时间段内信息长度是可变的，传送数据结构信息时，不能采用AAL1的1 bit CSI标志方法。(2)由于信源和信宿之间存在定时关系，因此，发送端必须将信源编码器产生的数据及时送出，即使信元净荷区尚未填充满，但为了降低信息传输的延时抖动(在发送端尽量减少打包延时)，也必须将未填满业务信息的信元送出。,(
47、3)由于信源和信宿之间进行实时业务传送，因此必须采取面向连接的方式降低信元寻径开销，减少网络延时。此外，由于传送的信息具有变比特率，为了降低网络带宽分配的复杂性，同时也是终端之间通信的需要，允许在同一虚信道连接上支持多个AAL2用户。,1AAL2分层结构 AAL2采用和AAL1相同的分层方法，分为会聚子层CS和分段重装子层SAR。CS子层进一步划分为与业务密切相关的业务特定会聚子层SSCS和公共部分会聚子层CPCS。其中SSCS和特定业务相关，I.366.1定义了用于数据单元分段的SSCS，I.366.2定义了用于语音窄带业务的SSCS；CPCS和SAR是所有AAL2协议必需的，因此又将CPC
48、S和SAR合并，称为公共部分子层(CPS：Common Part Sublayer)。AAL2用户可以选择满足特定QoS要求的AAL-SAP完成传送AAL-SDU的操作。,AAL2利用的是下层ATM层的传输能力，不同的AAL2用户可以在AAL2层上连接复用。由于SSCS和特定业务有关，所以AAL复用操作通常在CPS层完成。如果AAL2支持的业务没有特殊的要求，SSCS可以仅提供AAL原语和CPS原语之间的映射，而不完成任何功能。,图9.14所示，AAL2层从AAL-SAP接收AAL-SDU，SSCS层(如果存在)添加相应的SSCS-PDU头部信息(地址、长度指示等)和SSCS-PDU尾部信息(
49、校验序列和调整填充字节等)构成SSCS-PDU。SSCS-PDU提交给CPS，成为CPS-SDU。CPS-SDU和CPS分组头CPS-PH组成CPS分组。CPS分组经过分割，加上相应的开始码STF构成CPS-PDU。注意，由于在CPS内完成两层封装，CPS相当于CPCS-PDU头，STF相当于 SAR-PDU头。,图9.14 AAL2协议单元的格式,公共部分子层CPS完成在收、发端CPS之间传递CPS-SDU。CPS用户分成两类：SSCS实体和层管理实体LM。CPS完成的功能如下：(1)CPS-SDU数据传送，CPS-SDU 最长45字节(默认)或64字节；(2)AAL2信道的复用和分解；(3
50、)传输延时的处理和定时信息的传递及时钟的恢复；(4)CPS-SDU数据的完整性保证。,2AAL2 CPS子层数据结构 CPS层的数据格式由CPS分组和CPS-PDU组成。ITU-T I.363.2定义CPS分组格式如图9.15所示，其中CPS头部CPS-PH包括8 bit信道标识号(CID：Channel Identifier)，6 bit长度指示(LI：Length Indication)，5 bit CPS用户间指示UUI(User-User Indication)和CPS分组头保护(HEC：Header Error Control)。CPS分组净荷(CPS-PP：CPS Packet P
