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1、第七章 宽带ISDN的关键技术ATM,7.1 ATM的基本概念7.2 ATM协议结构7.3 IP/ATM集成交换,7.1 ATM的基本概念7.1.1 ATM的发展背景带ISDN的发展主要存在以下局限：（1）窄带ISDN的信息传输速率有限。（2）窄带ISDN是在数字电话网的基础上发展起来的，网络内部的交换是基于64 kbit/s的电路交换方式，而电路交换方式对技术发展的适应性较差。（3）窄带ISDN虽然也综合了分组交换业务，但是这种综合仅在用户网络接口上实现。,7.1.2 ATM的基本工作原理 ATM是英文Asynchronous Transfer Mode（异步转送方式）的缩写。1信元 2复用
2、,图7-1 ATM多路复用,3交换,图7-2 ATM交换的基本原理,7.1.3 ATM信元的,结构图7-3 ATM信元的格式,GFC（Generil Flow Control）用于控制用户向网上发送信息的流量。VPI（Virtual Path Identifer）和VCI（Virtual Channel Identifier）用来将一条传送ATM信元的信道划分为多个子信道。PTI（Payload Type Indicator）CLP（Cell Loss Priority）HEC（Header Error Check）,7.1.4 与电路交换方式和分组交换方式的比较1电路交换方式,图7-4 同步
3、时分复用中的帧和时隙,电路交换方式具有如下特点：在通信开始时应首先建立连接。一个连接在通信期间始终占用某一固定的数字子信道，这些数字子信道是依据其在时间轴上的位置确定的。建立连接以后，信息在系统中的传输时延基本上是一个恒定值。同步时分复用系统中的各个子信道的速率是固定分配的，不可能在不改变此系统的情况下临时调配各个子信道的速率。交换节点对传输中出现的错误不进行校正，对节点的处理要求简单。,2分组交换方式 通信网中传输、复用和交换的基本单位。分组交换方式具有如下特点：分组交换采用统计复用方法，可以将信道按照需要动态地分配给各个用户，信道利用率较高。在分组交换中普遍采用逐段反馈重发的措施，以保证数
4、据传输是无差错的。分组数据在通信网中传送的时延是随机的，这主要是因为数据分组在交换节点有可能要排队等待，另外，逐段反馈也可能引入附加的时延。由于要进行逐段差错控制，交换节点的处理负担较重。,3ATM兼具电路交换方式和分组交换方式的优点ATM与分组交换方式的基本差别是：ATM信元的长度固定，并使用了空闲信元填充信道，这使信道被划分为等长的时间小段，为提供固定比特率和固定时延的电信业务创造了条件。取消了逐段的差错控制，减轻了交换节点的处理负担。,7.1.5 ATM的特点1采用统计时分复用方式2取消了逐段的差错控制和流量控制（1）适当的资源分配和队列容量设计使队列溢出的概率很低，信元丢失率可压低到1
5、0-810-12；（2）在呼叫建立时审查用户申请的带宽，当确信网络中有足够的资源时才接受这个呼叫。3采用面向连接的方式4信头的功能被简化5信元长度固定，信息段长度短,7.2 ATM协议结构7.2.1 B-ISDN的协议参考模型,图7-5 ATM协议参考模型,用户平面主要用于用户信息的传输，采用分层结构。控制平面负责呼叫控制和连接控制。管理平面包括面管理和层管理两类功能。,1物理层（1）物理媒体子层（2）传输会聚子层 传输帧的产生和恢复 信元定界 产生信头错误检验码（HEC）传输帧自适应 信元速率解耦,2ATM层ATM层负责交换、选路由和信元复用。信头的产生提取 信元交换 信元的复用和分路 AT
6、M层管理 3ATM适配层（AAL）4高层,7.2.2 物理层规范 物理层是ATM协议参考模型的最下面一层，负责在相邻的节点之间为ATM层传输ATM信元，使ATM层能独立于传输介质，能够在多种物理链路上运行。1物理媒体子层 物理媒体子层（PM）的功能接近于在传统网络中的物理层。物理媒体子层在发送方向上从传输会聚子层取得比特流，并把比特流在链路上透明地传输。物理媒体子层和传输会聚子层之间交换数据流时需要互相同步。物理媒体子层的另一个功能是线路编码和解码。,2传输会聚子层（1）传输帧自适应（2）信元头差错检测（HEC）,图7-6 接收端差错控制过程,（3）信元定界和扰码,（4）信元速率解耦7.2.3
7、 ATM层规范1ATM层连接,图7-8 ATM网络中逻辑连接的等级结构,（1）虚信道和虚信道连接（2）虚通道和虚通道连接（3）VC、VP及传输通道的关系,图7-9 虚信道VC、虚通道VP及传输通道之间的关系,（4）VP交换和VC交换,图7-10 VP交换,图7-11 VC和VP交换,（5）ATM连接的建立和释放（6）连接的服务质量（7）在ATM网络中采用VP和VC两级交换的原因,图7-12 虚信道连接示例,图7-13 虚通道连接+虚信道连接示例,2流量控制和拥塞控制（1）ATM网络流量和拥塞控制的复杂性 流量控制的目的是防止拥塞的发生。拥塞控制的目的是在拥塞发生时尽量减小拥塞的影响和持续时间，
8、使网络能尽快恢复运行到可接受的性能水平上。,ATM网络要支持各种不同类型的业务，包括恒定位速率业务（CBR）和可变位速率（VBR）有的业务还具有实时性要求。当前对各种类型的业务流量特征的研究还不够深入。单个源可能产生具有不同业务流量特征的业务，例如多媒体业务就同时包括话音、数据和图像。具有不同业务流量特征（如CBR和VBR）的业务进入同一传输链路一起多路统计复用，使对网络性能的可预测性变得十分复杂。高传输速率限制了网络节点进行处理的时间。,（2）ATM层流量控制的目标 灵活性 简单性 强壮性（3）ATM网络流量控制措施 连接准许控制（CAC）业务流量参数 业务质量参数 信元时延变化容限CDV,
9、用户网络参数控制。,图7-15 遵守约定和不遵守约定的信元,3ATM层的管理,图7-16 F4和F5信元的信息段的格式,（1）故障管理信元（2）性能管理信元,图7-17 性能管理信元的功能域格式,MSN TUC TS BIP-16 BER L/M,4激活去活信元,图7-18 激活去活信元的功能域格式,7.2.4 ATM适配层AAL1AAL概述 在源点和目的地之间是否需要明确的定时；传送所需的位速率是固定的还是可变的；采用的是面向连接的工作方式还是无连接工作方式。,图7-19 当前定义的AAL适配层,2AAL-1,图7-20 AAL层的一般结构,图7-21 AAL1协议数据单元,（1）SAR子层
10、,图7-22 AAL-1的SAR-PDU格式,（2）CS子层 处理ATM信元延迟的变化 处理顺序计数。提供传送定时信息的机制。,图7-23 AAL-1的非P格式和P格式的示意图,3AAL-2 拆装用户信息；处理信元时延的变化；处理丢失了的或误插入的信元；在接收端恢复源时钟频率；在接收端恢复源数据结构；监视误码，并进行可能的纠错。（1）AAL-2的基本结构（2）CPS数据单元,图7-24 AAL-2各层及ATM层的数据单元的相互关系,CPS-Packet（CPS分组）,图7-25 CPS-Packet的格式,CPS-Packet由CPS-PH和CPS-PP两大部分组成。CPS-PH占3个字节，包
11、括以下四个部分：信道标识（CID）、长度指示（LI）、用户至用户指示（UUI）、信息头差错控制（HEC）。,CPS-PDU,图7-26 CPS-PDU的格式,CPS-PDU的起始段STF包含以下3个部分：偏移段（OSF）序号（SN）奇偶校验位（P）,4AAL-3/4,图7-27 AAL-3/4中各子层的协议数据单元之间的关系,下面介绍AAL-3/4的SAR子层和CS子层协议。（1）SAR子层,图7-28 AAL-3/4的SAR-PDU的格式,AAL-3/4的SAR子层功能是：完成CPCS-PDU的拆装 错误检测及处理复用分路丢弃传送过程中的CPCS-PDU,（2）会聚子层（CS）协议,图7-2
12、9 CPCS-PDU的格式,5AAL-5（1）CPCS子层,图7-30 ALL-5的CPCS-PDU格式,（2）SAR子层,7.3 IP/ATM集成交换1TCP/IP协议结构（1）TCP/IP分层模式,图7-31 TCP/IP和OSI网络体系结构,应用层 传输层 网络层 网络接口层,图7-32 IP数据报头部的格式,（2）IP地址,图7-33 IP地址的格式,2IP/ATM结合的两种模型,图7-34 数据报转发示例,7.3.2 MPLS的基本原理1MPLS的网络结构,图7-35 MPLS的基本结构,2MPLS传送示例,图7-36 IP数据包通过MPLS网络示例,边缘标签交换路由器（LERl）在
13、转发信息库中按传统的最长匹配算法进行L3层查找，根据网络地址172.4/16（其中172.4为网络地址，16为网络地址的长度）在转发信息库中查到标签5，进行标签的压入操作（Push），向IP头压入一个标签5，称为FTN（转发等价类FEC到下一站点标签转发入口NHFEC的映射）。标签交换路由器（LSR2）根据顶层入标签5查找标签信息库（LIB），进行标签的交换操作（Swap），用标签9替换标签5，这称为入标签映射ILM（Incoming Label Map）；倒数第二跳LSR3所做的和LSR2一样，用标签2替代标签9；LER4根据入标签2查找标签信息库（LIB），进行标签的弹出操作（Pop），得
14、到目的地址为的IP包，然后按L3层转发给下一站点。,7.3.3 标签分配协议（LDP）和基于限制路由的标签分配协议（CR-LDP）1标签分配协议（LDP）（1）转发等价类FEC IP地址前缀，提供一个含有一个或多个IP地址前缀的集合，符合其中一个或多个IP地址前缀的包被映射到相应的LSP；主机地址，以一个32位的IP地址作为单元。,图7-37 LDP消息格式,（2）LDP消息,LDP消息有四大类:发现消息（Discovery Messages）会话消息（Session Messages）公布消息（Advertisement Messages）通知消息（Notification Messages
15、）,下面简要介绍几条常见的LDP消息。问候消息 初始化消息 地址消息 标签映射消息 标签请求消息 标签释放消息,（3）标签分配协议 LDP发现过程a）基本发现过程b）扩展发现过程 LDP会话的建立和维护a）LDP会话的建立 传输连接的建立。会话的初始化。b）LDP会话的维护,标签的分配和管理a）标签分配控制 在独立标签分配控制方式下，LSR可以在任何时候向对等节点发出标签映射通告。使用有序标签分配控制时，LSR只能将已经存在下一跳标签映射的FEC 在本节点分配的标签绑定分发给上游，b）标签保留 保守标签保留方式，自由标签保留方式，c）标签通告,2基于限制路由的标签分配协议CR-LDP 基本和或
16、扩展的发现机制；有序控制下游按需标签通告模式中使用的标签请求消息；有序控制下游按需标签通告模式中使用的标签映射消息；通知消息；标签撤销和释放消息；环路检测机制。,（1）严格非严格显式路由（2）业务特征描述,图7-38 显示路由TLV,（2）业务特征描述 峰值速率表征了最大可以何种速率向CR-LSP提交业务。峰值速率可用于进行资源分配，由两个流量参数PDR和PBS定义。协定速率定义了MPLS域划分给CR-LSP使用的速率，可以由两个流量参数CDR和CBS定义。超标突发长度可以用于MPLS域边界上的流量调节，可以用于测定一个CR-LSP上发送的流量超过协定速率的程度。频率指定以何种粒度到达CR-L
17、SP的恒定业务速率（CDR）可用。权值确定各CR-LSP在其协定速率以上对可能的额外带宽的相对共享程度，这种共享程度要取决于不同的MPLS域。,（3）路由锁定（4）抢占（5）资源分类7.3.4 MPLS标记捆绑的驱动方式1数据驱动 标记捆绑和发布的开销是数据流量特征函数。整个数据流的时延及其经过标记交换或转发后的流量特征，与标记捆绑处理过程密切相关.数据驱动要求高性能的数据流分类能力，很多情况下出于特定需要，要求能够灵活使用各种流合并和流分类策略。,2控制驱动（1）基于拓扑的控制驱动 标记捆绑和标记发布过程中网络资源和处理器资源的消耗与网络规模有关，网络规模越大，路由器维护的路由表越长，相应的
18、资源消耗也就越多。只要有路由存在，就存在相应的标记捆绑，所以一般情况下，标记是预先分配的，当数据到达路由器后就可以立即进行标记交换，相对于数据驱动而言，不存在标记捆绑过程的时延。,标记捆绑能够和路由具有相同的粒度，例如可以将具有相同目的子网地址的IP分组作为转发同等类（FEC），而在分配标记时统一进行考虑，从而能够像IP网络一样很好地支持流合并功能。由于网络拓扑结构的变动，目前的路由协议都不可避免地可能会出现暂态路由环路，从而产生LSP环路，有可能使大量数据滞留在网络中消耗络带宽资源甚至造成网络阻塞。,（2）基于请求的控制驱动 标记捆绑和标记发布过程中网络资源和处理器资源的消耗与请求消息的多少密切相关。由于标记交换路径和标记捆绑是通过类似信令的方式预先建立的，所以一般情况下，标记是预先分配的，数据到达路由器后就可以立即进标记交换。所需标记的数量与流的数量有关，类似ATM网络，这种方式难以支持流合并，网络扩展性差，当网络规模较大时，相对于拓扑驱动要消耗更多的标记资源。利用CR-LDP等信令，并结合QoS路由、显示路由等手段，能很好地支持集成服务，区分服务、虚拟专用网VPN和流量工程。,
