在ATM网络支持IP技术介绍.doc

1、在 ATM网络支持 IP技术介绍 日期：2004-5-13 浏览次数： 6348 在过去十来年中，ATM 成为下一代网络的重要技术，它可以提供空前的可伸缩 性和性价比，以及对将来的实时业务、多媒体业务等的支持。在将来的信息体 系中，ATM 将扮演重要的角色。但是，目前的信息体系，即 LAN和 WAN，建立在 网络层协议如 IP、IPX、AppleTalk 等的基础上，因此，ATM 的成功及 Internet 的发展的关键是现有的网络技术和 ATM的互操作，而实现这一目的的关键是相 同的网络层协议，如 IP、IPX，同时应用于现有 的网络和 ATM上，因为给高层 协议和应用提供统一的网络视角是网

2、络层的任务。到目前为止，已有了多种在 ATM上运行 IP的方法，如：ATM 论坛的 LANE和 MPOA、IETF 的 CLIP和 NHRP、Ipsilon 网络公司的 IP交换和 Cisco公司的标记交换，下面将逐一介绍。 一、简介 ATM 和现有的协议体系，特别是网络层的 IP、IPX 等协议，在很长的时间 内共存，如何在单一网络上实现现有网络协议和 ATM、如何将 ATM与传统网络 互连，是广大研究人员、设计人员和业者研究的课题。然而，ATM 和 IP源于不 同的技术团体和基础，有着各自的应用。IP 的目的是以不确定的状态将分组发 送到目的地，它是非连接的，没有服务质量的保证；而 ATM

3、的目的是提供有保 证的综合业务，是面向连接的，基于快速的固定长度信元的交换。ATM 和 IP的 巨大差异使得有效地将二者集成成为难题。 在 ATM网络中支持 IP有两种不同的模型，这两种模型以不同的角度看待 ATM协议层和 IP的关系。 第一种是对等模型，在本质上将 ATM层看作 IP的对等层，这种模型建议在 ATM网络中使用与基于 IP的网络中相同的地址方案，因此 ATM端点将由 IP地 址来识别，ATM 信令将携带这样的地址，且 ATM信令的路由也使现有的网络层 路由协议。因为使用了现有的路由协议，对等模型就排除了开发新的 ATM路由 的需要。对等模型在简化了端系统地址管理的同时，很大程度

4、上增加了 ATM交 换机的复杂度，因为 ATM交换机必须具有多协议路由器的功能，支持现有的地 址方案和路由协议。此外，现有的路由协议是基于当前的 LAN和 WAN开发的， 不能很好地映射到 ATM中及使用 ATM的服务质量特性。 在目前的解决方案中，IP 交换和标记交换是基于对等模型的。 另一种模型称作子网或覆盖模型，将 ATM层与现有协议分开，定义了全新 的地址体系，即现有协议将运行于 ATM之上。此覆盖模型需要定义新的地址体 系和相关的路由协议，所有的 ATM系统需要同时被赋予 ATM地址和它要支持的 高层协议地址。ATM 地址空间逻辑地与高层协议的地址空间相分隔，没有任何 相关性。因此，

5、所有运行于 ATM子网上的协议需要某种 ATM地址解析协议以把 高层协议（如 IP）地址映射到相应的 ATM地址。这种将 ATM与高层协议分开的 方法允许各自独立的开发，在实用的工程角度这非常重要。 在目前的解决方案中，LANE、MPOA 和 CLIP是基于覆盖模型的。 二、LANE 1、如何在传统 LAN上运行 IP？ 在传统的 LAN中，当源主机想给同子网的目的主机发送分组时，它检查其 ARP缓存看是否已经知道与目的主机 IP地址相联系的硬件地址(MAC 地址)，如 果已经知道，就把带有目的主机的 IP地址和 MAC地址的分组发送出去。如果目 的 MAC地址未知，源主机就发送一个 ARP请

6、求分组，ARP 请求是本地广播分组， 将被子网中所有主机接收，目的主机识别到自己的 IP地址后，在 ARP回应分组 中回答其 MAC地址，源主机接收到 ARP回应并把它存到自己的 ARP表中，现在 源主机就可以发送含有正确的目的 IP地址和 MAC地址的分组了。 2、ATM LAN 必须仿真什么功能？ (1)由于传统 LAN是介质共享网络，很容易提供广播服务并实现 ARP，ATM 网必 须模仿这一功能，由 BUS（广播和未知服务器）实现。 (2)一般来说，传统 LAN中的每个主机都有其 MAC地址和 IP地址，直接连到 ATM网的主机除了具有 ATM地址外，也必须有 MAC地址和 IP地址。

7、(3)ATM主机必须提供与 MAC协议给网络层协议提供的接口服务相同的服务，如 NDIS或 ODI类驱动接口。 3、LANE 如何工作？ 顾名思义，LANE 的功能是在 ATM网络上仿真 LAN，LANE 协议定义了仿真 IEEE 802.3以太网或 802.5令牌环网的机制。LANE 协议定义了与现有 LAN给网 络层提供的服务相同的接口，在 ATM网络中传输的数据以相应的 LAN MAC分组 格式封装。每个 ELAN(Emulated LAN)由一组 LANE客户(LEC)和 LANE服务构成。 LEC还可以是作为 ATM主机代理的网桥和路由器。LE 服务由三个不同的功能实 体构成：LAN

8、 仿真配置服务器(LECS)、LAN 服务器(LES)和 BUS，这三个服务实 体可以各自存在，但通常位于同一设备，例如：LES 可以位于 ATM交换机、路 由器、网桥和工作站。 下面是 LANE中的工作站与另一工作站通信的步骤： (1)初始化 LEC 需要知道 LECS的 ATM地址并与其建立连接，这通过 ILMI或众所周知 (well-known)的 LECS地址完成，这个过程中的任何时刻 LEC都可以与手工配置 的 LECS地址建立双向配置直达 VCC。这个过程中，LEC 将获取该 ELAN的 LES 的 ATM地址。 (2)登记 这是 LEC给 LES提供地址信息，如 MAC地址的机制

9、。此过程中将在 LEC 和 LES之间建立一对连接，即双向点到点控制直达 VCC，及单向点到多点控制 分布 VCC。 (3)地址解析 这是 LEC从 LES学习目的站点 ATM地址的方法，由 ATM地址解析协议实现， 允许 LEC建立数据直达 VCC以传送帧。这时在 LEC和 BUS之间建立双向点到点 组播发送 VCC和单向点到多点组播转发 VCC。 (4)数据传输 当源站点和目的站点等待建立数据直达 VCC的过渡时期里，BUS 可以把帧 转发给该 ELAN中的所有 LEC，当数据直达 VCC建立后，通信就从原来的路由 (BUS)切换到新的路由，为了保证帧的顺序，信息清空协议(flush me

10、ssage protocol)被用以通知 BUS：在开始使用新的路由传输帧时，清空请求被发送到 BUS并转发到该 ELAN中所有 LEC，然后不再有帧通过 BUS（旧路由），所有帧 将通过数据直达 VCC（新路由）发送到目的站点。 需要说明的是：在 ATM论坛规范中描述的上述过程中，并没有提到从 IP地 址到 MAC地址的解析。下面是传统 LAN的主机与 ATM主机通信的全过程： (1)为确定目的站点的 MAC地址，源主机广播一个含有 IP地址的 ARP请求，这 是任何 IP网络的标准过程，ARP 请求到达传统 LAN上的 LAN/ATM网桥。 (2)在 LAN/ATM网桥上的 LEC将广播分

11、组通过组播发送 VCC转发给 BUS，BUS 通 过组播转发 VCC给 ELAN中的所有成员发送 ARP请求。 (3)目的站点收到 ARP请求并识别出自己的 IP地址，作为回应，它把自己的 MAC地址放到 ARP回应中。因为这还不是到 LAN/ATM网桥的直达 VCC，目的站点 的 LEC把 ARP回应通过组播发送 VCC发送给 BUS，BUS 通过组播发送 VCC将其转 发给 LAN/ATM网桥。 (4)LAN/ATM网桥通过传统 LAN把 ARP回应传给源主机。 (5)这时源主机拥有了目的站点的 MAC地址，开始通过 LAN传送数据。 (6)网桥通过组播发送 VCC把分组传给 BUS，BU

12、S 把分组转发到目的站点。 (7)同时，LAN/ATM 网桥上的 LEC通过控制直达 VCC向 LES发送 LE-ARP请求， 询问与目的站点的 MAC地址相对应的 ATM地址，如果 LES没有该映射，则通过 控制分布 VCC向所有 LEC发送 LE-ARP请求，目的站点 LEC收到该请求后把自己 的 ATM地址放进 LE-ARP回应并通过控制直达 VCC发回 LES。 (8)源 LEC通过控制直达 VCC从 LES收到 LE-ARP回应，抽取 ATM地址并在源和 目的之间建立数据直达 VCC。 (9)数据直达 VCC建立后，从网桥传来的分组将通过数据直达 VCC传输，取代 BUS。 4、LA

13、NE 的优点和局限 因为 LANE提供与现有 MAC协议给网络层提供的驱动相同的服务接口，不 需要改变该驱动，这将加速 ATM的发展和应用。但是，LANE 的功能是使 ATM的 特性对高层协议透明，因此它使高层协议不能利用 ATM固有的优点，尤其是其 服务质量保证。新完成的 LANE2.0版为 ATM端系统间的通信提供局部管理的服 务质量，该协议提供机制以确定是否支持期望的服务质量。每种局部定义的服 务质量可以包含信息以指示以该服务质量建立的 VCC是否可以被其他协议或应 用所共享。 尽管 LANE提供在 ATM网络子网内桥接的有效方式，但子网间的业务仍需要 通过路由器转发，因此，ATM 路由

14、器很可能成为瓶颈，下面谈到的 MPOA将解决 子网间通信的效率问题。 三、CLIP(Classical IP over ATM) 1、原理 为了在 ATM网络上运行 IP，IETF 采用了逻辑独立 IP子网(LIS)的概念。象 通常的 IP子网一样，一个 LIS包含一组连接到单一 ATM网络的 IP节点（如主 机或路由器），它们属于同一 IP子网。ATM LIS 的行为很象传统的 IP子网， 为了在 LIS内解析节点的地址，每个 LIS提供一个 ATMARP服务器，该 LIS内的 所有节点(LIS 客户)被配置以该 ATMARP服务器的 ATM地址。当 LIS中一个节点 出现时，它首先建立与

15、ATMARP服务器的连接。一旦 ATMARP服务器检测到一个 新的 LIS客户的连接，它就向该客户发送一个反向 ARP请求，询问该节点的 IP 地址和 ATM地址，并保存在其 ATMARP表中。随后，LIS 中的任意想解析目的 IP 地址的节点将向该服务器发送 ATMARP请求，如果地址映射被找到，则服务器返 回 ATMARP回应，否则，它返回一个 ATM_NAK响应以表示没有该映射，服务器定 期清除地址映射表，除非客户对其周期性的反向 ARP请求给予响应。一旦 LIS 客户获取了与 IP地址相对应的 ATM地址，它就可以与该地址建立连接。分组封 装和地址解析的协议分别在 RFC1483和 R

16、FC1577中定义。 然而，因为 RFC1577中定义的地址解析协议保留了主机对于向子网外站点 发送分组必须经过缺省路由器的要求，所以捷径 VCC只能在同一子网内的节点 间建立，否则源站点必须把分组转发给缺省路由器，即使源、目的站点在同一 ATM网络内也是如此。这样，ATM 路由器就成了瓶颈，且服务质量无法实现。与 LANE相比，RFC1577 只支持 IP，而不支持其它网络层协议，如 IPX、AppleTalk。此外，CLIP 也不支持组播，这也是 RFC1577的重要缺点。 2、CLIP 的扩展 2.1、NHRP(Next Hop Resolution Protocol) 为了在同一 AT

17、M网络、不同子网间的站点间提供捷径路由，IETF 提出了 名为 NHRP的协议，NHRP 建立在 CLIP模型之上，但是用非广播多路访问网络 (NBMA)的概念取代了 LIS的概念，NBMA 意味着允许多个设备连到同一网络，但 可以配置到不同的广播域，并且支持不同 LIS中主机间的直接通信。帧中继和 X.25就是 NBMA网络的例子。NHRP 用 NHS(NHRP服务器)的概念替换 ARP服务器， 每个 NHS中含有“下一跳解析”缓存表，其内容为与该 NHS相关的所有节点的 IP到 ATM的地址映射。节点配置含 NHS的 ATM地址，并将自己的 ATM地址和 IP 地址用登记包在 NHS登记。

18、协议处理过程如下：当一个节点想通过 NBMA网络发 送分组，即需要解析特定的 ATM地址时，它生成并向 NHS发送 NHRP请求包，这 样的请求以及所有的 NHRP信息通过 IP包发送。如果目的站点由该 NHS服务， NHS就通过 NHS回应包返回其地址，否则 NHS查找其路由表以决定到达该目的 的下一个 NHS并转发该请求。在下一个 NHS处执行同样的算法直到真正知道所 请求的映射的 NHS，目的节点返回一个 NHRP回应，以相反的顺序经过同样的一 系列 NHS，到达请求节点，请求节点就可以建立一个直接数据连接。从而可以 越过子网边界建立 ATM VCC，使得子网间可以不通过路由通信。 2.

19、2、 组播 有两种支持组播的方法。 第一种是通过组播服务器，所有想发送组播信息的节点与之建立点到点的 连接，它与所有接收节点通过点到多点连接相连。组播服务器通过该点到点连 接接收数据，通过点到多点连接重发数据。这种方法可以用于大型网络，但组 播服务器可能最终成为瓶颈。 第二种方法称为组播网，该组中每个节点与其它节点建立点到多点连接。 这样，所有的节点都可以向其它节点发送和从它们接收数据。对于一个含 N个 节点的组来说，将需要 N个点到多点连接，不适于含节点数目很多的组。 这两种方法都用于 Armitage建议的组播地址解析服务器(MARS)。MARS 服 务于一簇节点，一簇中所有的端系统配置以

20、 MARS的 ATM地址。当一个端系统想 向特定的组播群发信息时，它建立与 MARS的连接，发出 MARS_REQUEST信息， MARS返回 MARS_MULTI信息，此信息含有该组的组播服务器的地址或组成员的 地址，如果该组支持组播服务器，请求节点就建立与该服务器的连接，将数据 发送给该服务器，由该服务器将数据转发给组中的节点；在组播网方案中，请 求节点与组中的节点建立点到多点连接并通过该连接发送数据。 四、MPOA 1、MPOA 的原则 MPOA 的目的是在 LANE环境中有效地传输子网间的 unicast数据。MPOA 集 成了 LANE和 NHRP以保留 LANE，同时通过旁路路由器

21、提高子网间通信的效率。 MPOA允许网络层路由记算和数据传送物理地分离，这称为虚拟路由。路由计算 由位于路由器中的服务器-即 MPS-执行，数据传送由边缘设备中的客户-即 MPC-执行。在入口点，MPC 检测通过 ELAN传送给含有 MPS的路由器的数据流， 当它发现能够旁路当前路由路径的捷径时，它使用基于 NHRP的协议请求与目的 节点建立捷径，如果可行，该 MPC在其入口表中记录下该信息，建立捷径 VCC，通过该捷径 VCC发送帧。对于使用捷径的分组，MPC 从分组中去掉数据链 路层(DLL)封装。在出口点，MPC 从其它 MPC接收网络数据，对于通过捷径接收 到的帧，该 MPC加上适当的

22、 DLL封装把它们传送给上层协议。该 DLL封装信息 由 MPS提供并存贮在出口缓存中。MPS 是路由器的逻辑成分，给 MPC提供网络 层转发信息，它包含 NHRP中定义的完整的 NHS。MPS 与本地 NHS和路由功能交 互以回答入口 MPC的 MPOA请求，并给出口 MPC提供 DLL封装信息。下面是 ELAN内和 ELAN间通信过程的简单描述。 ELAN 内通信从一个 MPOA主机或 LAN主机到同一 ELAN的另一 MPOA主机或 LAN主机，这些数据流使用 ELAN做地址解析和数据传输。ELAN 间通信从一个 MPOA主机或 LAN主机到不同 ELAN的 MPOA主机或 LAN主机，

23、短数据流使用缺省 的路径，长数据流使用捷径，缺省的路径利用 ELAN和路由器，捷径使用 LANE 和 NHRP做地址解析和捷径。捷径是这样工作的：如果源节点和目的节点不在同 一个 MPS的管理域，入口 MPS将 MPOA解析请求翻译成 NHRP解析请求，通过 NHRP将该请求转发给出口 MPS，当出口 MPS收到出口 MPC的回应后，它生成 NHRP解析回应并把它发回给入口 MPS，当入口 MPC得到入口 MPS的 MPOA解析回 应后，它与出口 MPC之间就可以建立捷径了。 2、MPOA 的优点和限制 MPOA 从根本上将数据传送和路由计算分开，将功能分布到不同的设备， 从而减少了参与路由计

24、算的设备数目和端设备的复杂性。它可以以统一的方式 支持二层和三层网络互连，因此保证了 ATM环境中大规模的互连。它可以同时 有效地处理突发数据和长期的数据流，但是，MPOA 的复杂性有很大的争议。 五、IP 交换 IP 交换的目的是在快速交换硬件上获得最有效的 IP实现，将非连接的 IP 和面向连接的 ATM的优点互补。IP 交换是标准的 ATM交换加上连接于 ATM交换 机端口上的智能的软件控制器，即 IP交换控制器。IP 交换机将数据流的初始 分组交给标准的路由模块(IP 交换机的一部分)处理，当 IP交换机看到一个流 中足够的分组，认为它是长期的，就同相邻的 IP交换机或边缘设备建立流标

25、记， 后续的分组就可以高速地标记交换，将缓慢的路由模块旁路。特别的 IP交换网 关或边缘设备负责从非标记分组向标记分组和分组到 ATM数据的转换。每个将 现有网络设备连到 IP交换机的 IP交换网关或边缘设备在启动时建立一个到 IP 交换控制器的虚信道作为缺省的转发信道，从现有网络设备接收到分组时，边 缘设备通过缺省转发信道将分组传送给 IP交换控制器。IP 交换控制器执行传 统的路由协议，如 RIP、OSPF 和 BGP，将分组以正常的方式通过缺省转发信道 转发给下一个节点，这可能是另一个 IP交换机或边缘设备。IP 交换控制器还 执行数据流分类，它识别长期的数据流，因为这样的数据可以用 A

26、TM硬件的 cut-through交换来优化，其余的通信仍然使用缺省的方式，即点到点的存贮 转发路由。当长期的数据流被识别，IP 交换控制器要求上一节给之打标记，使 用新的虚信道，如果源边缘设备同意，该数据流就通过新的虚信道流向 IP交换 控制器。下一节点也执行同一动作。当该流独立使用特殊的输入信道和输出信 道，IP 交换控制器指示交换机建立适当的硬件端口映射，旁路路由软件和相关 的处理开支。这个过程继续下去，该流的前面几个分组使从源边缘设备到目的 边缘设备建立直接的连接。此设计使 IP交换机以仅受交换引擎限制的速率转发 分组。第一代 IP交换机支持高达每秒 5.3M分组的吞吐量。此外，因为不

27、需要 将 ATM信元封装到中介 IP交换机的 IP分组中，IP 网中的吞吐量也得到了优化。 Ipsilon 给 IETF提出了两种协议。通用交换管理协议(GSMP, RFC1987)允 许 IP交换机控制器访问交换机硬件并动态转变交换模式：存贮转发或 cut- through。Ipsilon 流量管理协议(IFMP, RFC1953)用于在边缘设备和 IP交换控 制器间交换控制信息并将 IP流与 ATM虚信道联系起来。IP 交换的一个重要特 性是流的分类和交换在本地执行，而不是基于端到端的基础上，这保留了 IP的 非连接本质，并允许 IP交换机绕过失效节点路由而不需要从源主机重新建立通 道。此

28、外，流分类使 IP交换同样有效地支持长期和突发数据。然而，IP 交换 是基于流的，在大型网络中其伸缩性是值得质疑的，在很大的网络中流的数目 可能最终超过可用的虚通道数。有五家公司正式宣称支持 Ipsilon的 IP交换， 它们是：Ericsson、General Datacomm、Hitachi America Ltd. 、NEC America Inc. 和 DEC Ipsilon。它们试图使此技术成为事实上的标准-MPLS。 六、标记交换 另一个选择是 Cisco公司的标记交换。标记交换网络包含三个成 分：标记边缘路由器、标记交换机和标记分发协议。标记边缘路由器位于标记 交换网络边缘的含完

29、整 3层功能的路由设备，它们检查到来的分组，在转发给 标记交换网络前打上适当的标记，当分组退出标记交换网络时删去该标记。作 为具有完整功能的路由器，标记边缘路由器也可应用增值的 3层服务，如安全、 记费和 QoS分类。标记边缘路由器的能力不需要特别的硬件，它作为 Cisco软 件的一个附加特性来实现，原有的路由器可以通过软件升级具有标记边缘路由 器的功能。标记交换机是标记交换网络的核心。所谓标记是短的、固定长度的 标签，使标记交换机能用快速的硬件技术来做简单快速的表查询和分组转发。 标记可以位于 ATM信元的 VCI域、IPv6 的 flow label域或在 2层和 3层头信 息之间，这使得

30、标记交换可用于广泛的介质之上，包括 ATM连接、以太网等。 标记分发协议提供了标记交换机和其它标记交换机或标记边缘路由器交换标记 信息的方法。标记边缘路由器和标记交换机用标准的路由协议(如 BGP、OSPF) 建立它们的路由数据库。相邻的标记交换机和边缘路由器通过标记分发协议彼 此分发存贮在标记信息库(TIB)中的标记值。 下面是标记交换网络的基本处理过程。 (1)标记边缘路由器和标记交换机用标准的路由协议识别路由，它们完全可以与 非标记交换的路由器互操作。 (2)标记边缘路由器和交换机通过标记分发协议给用标准路由协议生成的路由表 赋以标记信息并分发，标记边缘路由器接收标记分发协议信息并建立转

31、发数据 库。 (3)当标记边缘路由器收到需要通过标记交换网络转发的分组，它分析其网络层 头信息，执行可用的网络层服务，从其路由表中给该分组选择路由，打上标记 然后转发到下一节点的标记交换机。 (4)标记交换机收到带标记的分组，仅基于标记来进行交换，而不分析网络层头 信息。 (5)分组到达出口点的标记边缘路由器，标记被剥除，然后继续转发。 在标记交换网络中，标记分发协议和标准路由协议可以用目标前缀标记算法集 合起来，此算法可以在数据流穿过网络前在 TIB中建立标记信息。这有两个意 义。一个是流中的所有分组都可以被标记交换，即使是突发短数据也是如此； 此外它是基于拓扑的，在每个源/目的分配一个标签

32、。而在 IP交换中只有长期 数据流在一定数目的分组经过后才建立捷径。因此，标记交换比基于流的机制 更有效地使用标签，避免了一个一个流的建立过程，这使之具有了公共因特网 服务网络所需要的很好的伸缩性，在公共因特网中，流的数目是巨大的，其改 变速率也是很高的。其他厂商也有类似的机制，如 Cabletron的 SFVN(Secure Fast Virtual Networking)、Cascade 的 IP Navigator、DEC 的 IP packet switching、Frame Relay Technologies 的 Framenet Virtual WAN switching 和 I

33、BM的 ARIS(Aggregate Route-based IP Switching)等。 七、结束语 本文简单介绍了在 ATM网络上支持 IP的一些方案，这些方案基于这样的 一个假定，即：传统的 LAN和路由器通过 ATM网相连，或者说，硬件平台是 ATM网，而应用是基于 IP的。其它内容这里不作介绍。 第一章 ATM 参考模型（ATM 教程） 日期：2004-5-13 浏览次数： 9394 出处：flamephoenix 在 ITU-T的 I.321建议中定义了 B-ISDN协议参考模型，如下图。它包括三个面： 用户面、控制面和管理面，而在每个面中又是分层的，分为物理层、ATM 层、 A

34、AL层和高层。 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，如元信令。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。 下面几章不直接讲述 ATM的各层，而是与 OSI七层模型相对应来讲。 第二章 物理层（ATM 教程） 日期：

35、2004-5-13 浏览次数： 14104 出处：flamephoenix 一、ATM 的物理层 二、物理接口 三、ATM 交换机 一、ATM 的物理层 ATM意即异步传输模式（asynchron ous transfer mode)。这种模式可以与同 步 T1线路做一对比。在 T1线路中每 125us都有一个 T1帧生成，该速率由主时 钟控制，每帧的第 k时隙中有从相同源来的 1字节数据。T1 是同步的。而 ATM 不严格要求信元交替地从不同的源到来，每一列从各个源来的信元，没有特别 的模式，信元可以从任意不同的源到来，而且，不要求从一台计算机来的信元 流是连续的，数据信元可以有间隔，这些间

36、隔由特殊的空闲信元（idle cell） 填充。 ATM并不标准化传输的信元格式。实际上，它指出仅发送单个信元是可以的， 并且指出信元可以被装入到 T1，T3，SONET 或 FDDI（光纤 LAN）线路上发送。 对于以上的这些例子，有标准规定信元如何封装到这些系统提供的帧里。 在最初的 ATM标准中，主速率为 155.52Mb/s，另外还有一个 4倍于它的速率 （622.08Mb/s）。选择此速率是为了和 SONET兼容，SONET 是电话系统中用于 光纤线路的分帧标准。基于 T3（44.736Mb/s）和 FDDI（100Mb/s）上的 ATM也 已出现。 ATM的传输介质常常是光纤，但是

37、 100m以内的同轴电缆或 5类双绞线也是可以 的。光纤可达数千米远。每个链路处于计算机和一个 ATM交换机之间或两个 ATM交换机之间。换句话说，ATM 链路是点到点的（和 LAN不一样，它在一条电 缆上有许多发送方和接收方）。通过让信元从一条线路进入交换机并且从多条 线路输出，可以获得广播效果。每条点到点链路是单向的。对于全双工操作需 要两条链路，每个方向的流量占用一条。 ATM的物理层包括两个子层，即物理介质子层（PM）和传输会聚（TC）子层。 其中物理介质子层提供比特传输能力，对比特定时和线路编码等方面作出了规 定，并针对所采用的物理介质（如光纤、同轴电缆、双绞线等）定义其相应的 特性

38、；传输会聚子层的主要功能是实现比特流和信元流之间的转换。 对于输出，ATM 层提供信元序列，PDM 子层进行必要的编码，并且以比特流的方 式发送它们。对于输入，PDM 子层从网络中获得输入的比特，并且向 TC子层提 交一个比特流。信元的边界并没有标记出来，TC 子层负责找出信元在何处开始 和结束。但这不仅困难，而且在理论上行不通，因此 TC层去掉了这一功能。因 为 TC层管理分帧，所以它属于数据链路功能，因此我们在第 3章讨论它。 page 二、物理接口 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。下 面从不同的角度介绍： 传统的数字信令。 DS0 64

39、kbit/s DS1(T1) 1.544Mbit/s DS2(T2) 6.312Mbit/s (4 DS1,96 DS0) DS3(T3) 44.736Mbit/s (28 DS1,672 DS0) DS4 274.176Mbit/s (4032 DS0) SONET的同步传送信令(STS) STS-1(OC-1) 51.84Mbit/s STS-3(OC-3) 155.52Mbit/s (3STS-1) STS-12(OC-12) 622.08Mbit/s (12STS-1) STS-24(OC-24) 1244.16Mbit/s (24STS-1) STS-48(OC-48) 2488.3

40、2Mbit/s (48STS-1) ANSI标准 STS-1 51.84Mbit/s STS-3c 155.52Mbit/s STS-12c 622.08Mbit/s DS3 44.736Mbit/s CCITT标准 DS1 1.544Mbit/s E1 2.048Mbit/s DS2 6.312Mbit/s E2 8.448Mbit/s E3 34.368Mbit/s DS3 44.736Mbit/s E4 139.264Mbit/s STM-1 155.52Mbit/s（与 STS-3相同） STM-4 622.08Mbit/s（与 STS-12相同） page 三、ATM 交换机 1、A

41、TM 基本排队原理 ATM交换有两条根本点：信元交换和各虚连接间的统计复用。信元交换即将 ATM 信元通过各种形式的交换媒体，从一个 VP/VC交换到另一个 VP/VC上。统计复 用表现在各虚连接的信元竞争传送信元的交换介质等交换资源，为解决信元对 这些资源的竞争，必须对信元进行排队，在时间上将各信元分开，借用电路交 换的思想，可以认为统计复用在交换中体现为时分交换，并通过排队机制实现。 排队机制是 ATM交换中一个极为重要的内容，队列的溢出会引起信元丢失，信 元排队有是交换时延和时延抖动的主要原因，因此排队机制对 ATM交换机性能 有着决定性的影响。基本排队机制有三种：输入排队、输出排队和中

42、央排队。 这三种方式各有缺点，如输入排队有信头阻塞，交换机的负荷达不到 60%；输 出排队存储器利用率低，平均队长要求长，而中央排队存储器速率要求高、存 储器管理复杂。同时，三种方式有各有优点，输入队列对存储器速率要求低， 中央排队效率高，输出队列则处于两者之间，所以在实际应用中并没有直接利 用这三种方式，而是加以综合，采取了一些改进的措施。改进的方法主要有： 减少输入排队的队头阻塞。 采用带反压控制的输入输出排队方式。 带环回机制的排队方式。 共享输出排队方式。 在一条输出线上设置多个输出子队列，这些输出子队列在逻辑上作为一个单一 的输出队列来操作。 2、ATM 交换机构 为实现大容量的交换

43、，也为了增加 ATM交换机的可扩展性，往往构造小容量的 基本交换单元，再将这些交换单元按一定的结构构造成 ATM交换机构(Fabric)， 对于 ATM交换机构来说，研究的主要问题是各交换单元之间的传送介质结构及 选路方法，以及如何降低竞争，减少阻塞。 ATM交换机构分类方法不一，有一种分法为：时分交换和空分交换，其中时分 交换包括共享总线、共享环和共享存储器结构，空分交换包括全互连网和多级 互连网。 3、ATM 交换机 ATM信元交换机的通用模型如下图所示。它有一些输入线路和一些输出线路， 通常在数量上相等（因为线路是双向的）。在每一周期从每一输入线路取得一 个信元（如果有的话）。通过内部的

44、交换结构（switching fabric），并且逐 步在适当的输出线路上传送。从这一角度上来看，ATM 交换机是同步的。 一个通用的 ATM交换机 交换机可以是流水线的，即进入的信元可能过几个周期后才出现在输出线路上。 信元实际上是异步到达输入线路的，因此有一个主时钟指明周期的开始。当时 钟滴答时完全到达的任何信元都可以在该周期内交换。未完全到达的信元必须 等到下一个周期。 信元通常以 ATM速率到达，一般在 150Mb/s左右，即大约超过 360,000信元 /s，这意味着交换机的周期大约为 2.7um。一台商用交换机可能有 16条1,024 条输入线路，即它必须能在每 2.7um内接收和

45、交换 16个1,024 个信元。在 622Mb/s的速率上，每 700ns就有一批信元进入交换结构。由于信元是固定长 度并且较小（53 字节），这就可能制造出这样的交换机。若使用更长的可变长 分组，高速交换会更复杂，这就是 ATM使用短的、固定长度信元的原因。 4、ATM 交换机的分类 各种 ATM交换设备由于应用场合的不同，完成的功能也略有差异，主要区别有 接口种类、交换容量、处理的信令这几方面。 在公用网中，有接入交换机、节点交换机和交叉连接设备。接入交换机在网络 中的位置相当于电话网中的用户交换机，它位于 ATM网络的边缘，将各种业务 终端连入 ATM网中。节点交换机的地位类似于现有电话

46、网中的局用交换机，它 完成 VP/VC交换，要求交换容量较大，但接口类型比接入交换机简单，只有标 准的 ATM接口，主要是 NNI接口，还有 UNI接口或 B-ICI接口，信令方面，只 要求处理 ATM信令。交叉连接设备与现有电话网中的交叉连接设备作用相似， 它在主干网中完成 VP交换，不需要进行信令处理，从而实现极高速率的交换。 在 ATM专用网中，有专用网交换机、ATM 局域网交换机。专用网交换机作用相 当于公用网中的节点交换机，具有专用网的 UNI和 NNI接口，完成 P-UNI和 P- NNI的信令处理，有较强的管理和维护功能。ATM 局域网交换机完成局域网业务 的接入，ATM 局域网

47、交换机应具有局域网接口和 ATM P-UNI接口，处理局域网 的各层协议以及 ATM信令。 第三章 数据链路层（ATM 教程） 日期：2004-5-13 浏览次数： 5566 一、ATM 中的数据链路层 二、信元传输 三、信元接收 一、ATM 中的数据链路层 ATM物理层大体包括了 OSI物理层 和数据链路层，包括功能像 OSI物理层的物 理介质决定了子层和与数据链路功能一样的传输汇集（TC）子层。对于 ATM， 没有特殊的物理层特性。相反，是由 SONET，FDDI 及其他传输系统运送 ATM信 元的。因此，我们这里将集中于 TC子层的数据链路功能。 当一个应用程序产生了一条要发送的消息后，

48、此消息要进入传输线路上，向下 传到 ATM协议栈，加上头部和尾部，并把分段放入 ATM信元中。最后，这些信 元到达 TC子层进行传输。让我们看一下出了门后，在路上所发生的事情。 二、信元传输 第一步是进行头部的校验和。每个信元都有一个 5字节的头部，头部中包括 4 字节的虚拟电路及控制信息和 1字节的校验和。校验和只包括了前 4个头部字 节，而不占用有效载荷字节。它是由 32个头部位除以多项式 x8+x2+x+1后， 所得的余数构成的。校验和加上常数 01010101。 做出只校验头部的决定，是为了减少由于头部错误，而造成不正确传递信元的 可能，也为了避免其校验开始要大得多的有效载荷字段的校验

49、。如果确需校验 有效载荷字段，就要上到较高的层上完成这一功能。由于校验和字段只位于头 部，因此这 8位校验和字段被称为头部错误控制 HEC（header error control）。 一旦产生出 HEC，并插入信元头部，那么此信元就作好了发送准备。传输手段 分成两组：异步的和同步的。当使用异步方式时，只要准备好了发送它，就可 以发送，没有时间限制。 使用同步方式，信元就必须按照事先确定的时间节拍发送。如果在需要时无数 据信元可用，TC 子层就必须发明一个，这种信元称为空闲信元（idle cell）。 无数据信元的另一种类型是操作和维护 OAM（operation and maitenance）信 元。ATM 机制也使用 OAM信元来交换控制及其他必需的信息，以保证系统的运 行。把 ATM输出速率与从事传输系统的速率相匹配是 TC子层的重要任务。 在接收方，空闲信元在 TC子层中进行处理，但 OAM信元交给了 ATM层。 TC子层的另一项重要任务是：如果有的话，针对从事传输的系统，产生成帧信 息。比如，一个 ATM摄象机在线路上只产生一系列信元，但它也可能用 ATM信 元产生 SONET帧，嵌入 SONET有效载荷中。在后一种情况下，TC 子层将产生 SONET或帧，并把 ATM信元打包，这并不完全是一