ATM原理與異步時(shí)分復(fù)用

ATM技技術(shù)術(shù)的的提提出出ATM最最早早在在1983年年由由CNET和和AT&T開開展展研研究究，，1984年年AlcatelBell研研究究中中心心公公布布ATM的的概概念念，，1988年年CCITTTG18定定名名為為ATM，，（（AsynchronousTransferMode）。。TransferMode實(shí)實(shí)際際上上是是一一種種信信息息轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)或或交交換換的的方方式式，，ATM既既不不是是電電路路交交換換，，也也不不是是分分組組交交換換，，而而是是一一種種新新的的交交換換方方式式，，稱稱為為信信元元交交換換(CellSwitch)。。所所謂謂Asynchronous（（異異步步））體體現(xiàn)現(xiàn)在在與與TDM固固定定時(shí)時(shí)隙隙相相反反，，用用戶戶可可以以隨隨時(shí)時(shí)發(fā)發(fā)信信息息。。ATM原原理ATM的的定義ATM是一種傳傳遞模式式，在這這種模式式中，信信息被分分成信元元來傳遞遞，而包包含同一一用戶信信息的信信元不需需要在傳傳輸鏈路路上周期期性地出出現(xiàn)。因因此這種種傳遞模模式是異異步的。。ITU-TI.113ATMis““Atransfermodeinwhichtheinformationisorganizedintocells;itisasynchronousinthesensethattherecurrenceofcellscontaininginformationfromanindividualuserisnotnecessarilyperiodic.””三、ATM的復(fù)復(fù)用方式式TDM采采用固定定時(shí)隙，，存在時(shí)時(shí)隙的浪浪費(fèi)，參參見圖。。而ATM不受受時(shí)隙的的影響，，可以隨隨時(shí)將信信元復(fù)用用到信道道上。ABA隊(duì)列信息源已分配信信元:A.B未分配信信元:??信頭凈荷荷5字節(jié)48字節(jié)節(jié)ATM信信元ATM復(fù)復(fù)用線AAABtATM信信元和和復(fù)用??時(shí)隙信元ATM異異步時(shí)分分復(fù)用信道信元頭信息段虛擬信道VCj虛擬信道VCi時(shí)間ATM的復(fù)用用方式式為標(biāo)標(biāo)記復(fù)復(fù)用。。它把把信道道看成成是由由一個(gè)個(gè)個(gè)等等長的的時(shí)隙隙構(gòu)成成，每每個(gè)時(shí)時(shí)隙內(nèi)內(nèi)都正正好裝裝載一一個(gè)ATM信元。。信元元是ATM的基本本傳遞遞單位位，是是一種種極短短（53字節(jié)））的固固定長長度的的數(shù)據(jù)據(jù)分組組。每每一信信元包包括一一個(gè)信信元頭頭和一一個(gè)信信息段段。信信元通通過虛虛擬信信道VC傳送，，虛擬擬信道道利用用虛擬擬信道道標(biāo)記記來表表示，，虛擬擬信道道標(biāo)記記包含含在信信元頭頭之中中。ATM異步步時(shí)分分復(fù)用用原理理信元是是ATM的基本本傳遞遞單位位。每每一信信元包包括一一個(gè)信信元頭頭和一一個(gè)信信息段段。信元通通過虛虛擬信信道VC（（VirtualChannel））傳送送，虛虛擬信信道利利用虛虛擬信信道標(biāo)標(biāo)記VCI（VirtualChannelIdentifier））來表表示，，虛擬擬信道道標(biāo)記記包含含在信信元頭頭之中中。屬屬于同同一虛虛擬信信道的的信元元群擁擁有相相同的的虛擬擬信道道標(biāo)記記，但但占用用的時(shí)時(shí)隙可可以出出現(xiàn)在在不同同的位位置。。各虛虛擬信信道的的標(biāo)記記之間間沒有有固定定關(guān)系系。通過虛擬信道道標(biāo)記可以在在用戶之間實(shí)實(shí)現(xiàn)虛擬信道道的動(dòng)態(tài)分配配，從而各虛虛擬信道可以以具有不同的的傳輸速率（（1kb/s—140Mb/s）?！疤摂M”（Virtual）即需要要時(shí)立即設(shè)置置，用完后馬馬上取消。ATM傳輸技技術(shù)是以分組組傳輸模式為為基礎(chǔ)并融合合了電路傳輸輸模式高速化化的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展展而成的。ATM用于交交換，通過識(shí)識(shí)別信元頭中中的虛擬信道道標(biāo)記，把輸輸入線上的虛虛擬信道標(biāo)記記轉(zhuǎn)換成輸出出線上的虛擬擬信道標(biāo)記，，控制數(shù)據(jù)交交換存儲(chǔ)器的的寫入與讀出出，完成交換換。由于ATM使使網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)務(wù)無關(guān)，具有有動(dòng)態(tài)分配信信道和帶寬的的功能，兼有有高、中、低低速信息業(yè)務(wù)務(wù)為一身，使使ATM技術(shù)術(shù)成為B-ISDN和信信息高速公路路的核心技術(shù)術(shù)。ATMATM異異步步轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移移模模式式ATM以以異步時(shí)時(shí)分復(fù)用用技術(shù)為為基礎(chǔ)。。ATM的復(fù)用用方式為為標(biāo)記復(fù)復(fù)用。它它把信道道看成是是由一個(gè)個(gè)個(gè)等長長的時(shí)隙隙構(gòu)成，，每個(gè)時(shí)時(shí)隙內(nèi)都都正好裝裝載一個(gè)個(gè)ATM信元。。信元是是ATM的基本本傳遞單單位，是是一種極極短（53字節(jié)節(jié)）的固固定長度度的數(shù)據(jù)據(jù)分組。。每一信信元包括括一個(gè)信信元頭和和一個(gè)信信息段。。信元通通過虛擬擬信道VC傳送送，虛擬擬信道利利用虛擬擬信道標(biāo)標(biāo)記來表表示，虛虛擬信道道標(biāo)記包包含在信信元頭之之中。屬屬于同一一虛擬信信道的信信元群擁擁有相同同的虛擬擬信道標(biāo)標(biāo)記，但但占用的的時(shí)隙可可以出現(xiàn)現(xiàn)在不同同的位置置。各虛虛擬信道道的標(biāo)記記之間沒沒有固定定關(guān)系。。通過虛虛擬信道道標(biāo)記可可以在用用戶之間間實(shí)現(xiàn)虛虛擬信道道的動(dòng)態(tài)態(tài)分配，，從而各各虛擬信信道可以以具有不不同的傳傳輸速率率（1kb/s—140Mb/s））?！疤撎摂M”(Virtual)即即需要時(shí)時(shí)立即設(shè)設(shè)置，用用完后馬馬上取消消。ATM用用于交換換，通過過識(shí)別信信元頭中中的虛擬擬信道標(biāo)標(biāo)記，把把輸入線線上的虛虛擬信道道標(biāo)記轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成輸輸出線上上的虛擬擬信道標(biāo)標(biāo)記，控控制數(shù)據(jù)據(jù)交換存存儲(chǔ)器的的寫入與與讀出，，完成交交換。由由于ATM使網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)業(yè)務(wù)無關(guān)關(guān)，具有有動(dòng)態(tài)分分配信道道和帶寬寬的功能能，兼有有高、中中、低速速信息業(yè)業(yè)務(wù)為一一身，使使ATM技術(shù)成成為B-ISDN和信信息高速速公路的的核心技技術(shù)。MUX`WastedbandwidthATMTDM4321432143214313221VoiceDatapacketsImagesFigure7.37Figure19-1MultiplexingUsingDifferentPacketSizesFigure19-2MultiplexingUsingCellsFigure19-3ATMMultiplexing四、ATM是是面向連連接的ATM采采用虛電路的方式交交換信息息，用戶戶向網(wǎng)絡(luò)絡(luò)提交信信息之前前要首先先建立連連接，聲聲明所需需的信元元特性和和QoS，包括括峰值信信元速率率、最大大包長、、信元延延時(shí)、信信元丟失失率等參參數(shù)。ATM傳輸輸和交交換過過程中中采用用兩種種連接接形式式，即即虛通通道(VirtualChannel)連接接和虛虛通路路(VirtualPath)連接接。ATM連接接的分分類Figure19-5VP與VC的概念Figure19-6ExampleofVPsandVCs五、ATM交換ATM交換換是基于VPI/VCI組合合實(shí)現(xiàn)的。。ATM交交換機(jī)實(shí)際際上是將一一個(gè)輸入的的VPI/VCI信信元，映射射到輸出VPI/VCI信元元。圖7.39。交換方式有有兩種：VP交換和和VC交換換。引入VP交交換的好處處：①便于于管理，簡(jiǎn)簡(jiǎn)化ATM交換機(jī)；；②提高ATM交換換的速率。。ATM由ITU-T主管，由由ATMForum管理具具體的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)。cATMSw1ATMSw4ATMSw2ATMSw3ATMDCCabdeVP3VP5VP2VP1abcdeSw=switchFigure7.39Figure19-4ArchitectureofanATMNetworkATM層ATM信元虛連接QoS參數(shù)ATM服務(wù)類型Figure19-27ATMLayer一、ATM信元元ATM信元大小的的確定ATM信元元的結(jié)構(gòu)HEC控制制算法ATM信元元的定界1.ATM信元元大小的確確定信元大小的的確定取決決于三個(gè)因因素：傳輸輸效率、時(shí)時(shí)延和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)的復(fù)雜性性。從實(shí)時(shí)通信信來看，小小的信元可可以減小時(shí)時(shí)延和排隊(duì)隊(duì)時(shí)間，固固定大小便便于硬件處處理和交換換，但信元元過小會(huì)降降低傳輸效效率。歐洲提出32+4的方案。美美國提出64+5的方案，經(jīng)經(jīng)過長期爭(zhēng)爭(zhēng)論，最后后ITU-T采取折衷的的方式：（（32+64）/2=48。（不倫不類類，不是二二的冪次，，后患無窮窮。）2.ATM信元元的結(jié)構(gòu)ATM信元元=5字節(jié)的信信頭+48字節(jié)節(jié)的信息圖中字段的的說明：①GFC一一般流量控控制，只用用于UNI，而在NNI中GFC的4比特用于于VPI。。②VPI虛虛通路，，對(duì)UNI是8比比特，對(duì)NNI是12比特。。③VCI虛虛通道，，12比特特④PT=PayloadType=b0b1b2,b0=0data,b0=1control;⑤CLP=CellLossPriority比比特,CLP=1表示可丟丟，CLP=0不可可丟。⑥HEC=HeaderChecksum，，8比特，，是前四個(gè)個(gè)字節(jié)的校校驗(yàn)，采用用CRC-8=X^8+X^2+X+1Figure19-9ATM信元元的幀格式式GFC(4bits)VPI(4bits)VPI(4bits)VCI(4bits)VCI(8bits)VCI(4bits)PT(3bits)CLP(1bit)HEC(8bits)ATMcellheaderPayload(48bytes)Figure9.7Figure19-8VirtualConnectionIdentifiersinUNIsandNNIsFigure19-28ATMHeaderFigure19-29PTFieldsFigure19-30ServiceClassesATM適配層層(AAL)層AAL1類型AAL2類型AAL3/4類型AAL5類型SAAL類型ATM適配層層(AAL)作用有二：一一是用戶數(shù)據(jù)據(jù)塊與信元之之間的映射，，二是增強(qiáng)ATM的服務(wù)務(wù)能力，以便便滿足應(yīng)用的的需要。ATM將能夠夠提供的業(yè)務(wù)務(wù)按照時(shí)間性性、數(shù)據(jù)率和和連接類型分分為A、B、、C、D四類類，相應(yīng)地定定義了五類AAL層的類類別AAL1~5，其中中AAL3/4合為一類類。AAL層分為為CS和SAR兩個(gè)子層層，CS子層層又分為SSCS和CPCS兩個(gè)子子層。下面分別說明明一下各種AAL層的結(jié)結(jié)構(gòu)及其處理理過程。A/DAALVoices1,s2…DigitalvoicesamplesA/DAALVideo…CompressioncompressedframespictureframesAALDataBurstyvariable-lengthpacketscellscellscellsFigure9.3服務(wù)類型與AAL分類AAL中SAR的PDU結(jié)構(gòu)AAL層的類類型一、AAL1類型型針對(duì)電路交換換業(yè)務(wù)圖9.10,9.11二、AAL2類型型針對(duì)低速率、、短時(shí)延的分分組業(yè)務(wù)圖圖9.13,9.14三、AAL3/4類類型針對(duì)無無連接接的可可變速速率數(shù)數(shù)據(jù)圖圖9.15,9.16四、AAL5類類型面向連連接的的可變變速率率數(shù)據(jù)據(jù)圖圖9.18不做任任何處處理，，只增增加8字節(jié)節(jié)的Trailer，加加上PAD后變變?yōu)?8字字節(jié)的的整數(shù)數(shù)倍，，然后后送給給SAR層層。五、SAAL類類型(SignalingAAL)圖9.20,9.21.Figure19-20ATMLayersFigure19-21ATMLayersinEnd-PointDevicesandSwitchesATM的應(yīng)應(yīng)用ATMWANATM用于于遠(yuǎn)程程連接接多種種網(wǎng)絡(luò)絡(luò)形式式ATMLANATM用用于局局域網(wǎng)網(wǎng)的連連接Figure19-33ATMWANFigure19-34EthernetSwitchandATMSwitchATM的未未來“ATMisdead,LongliveATM.””ATM與ISDN遭遭受同同樣的的命運(yùn)運(yùn)？“計(jì)劃劃經(jīng)濟(jì)濟(jì)比不不過市市場(chǎng)經(jīng)經(jīng)濟(jì)””IP也也在改改進(jìn)，，增加加QoS功功能，，速率率也在在提高高，如如LSR線線速率率路由由器IPoverATMoverSDHoverfiberIPoverfiberorIPoverDWDMATM特點(diǎn)點(diǎn)不進(jìn)行行逐段段鏈路路差錯(cuò)錯(cuò)和流流量控控制面向連連接信頭功功能簡(jiǎn)簡(jiǎn)單信元長長度小小而固固定用戶信信息透透明地地穿過過網(wǎng)絡(luò)絡(luò)ATM的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)支持任任何業(yè)業(yè)務(wù)（（不同同速率率，不不同突突發(fā)發(fā)性，，不同同實(shí)時(shí)時(shí)性））有效利利用網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)資資源（（統(tǒng)計(jì)計(jì)復(fù)用用）單一通通信網(wǎng)網(wǎng)（B-ISDN））4.4.2交換技技術(shù)1.信信息息交換換方式式信息交交換指指信息息在不不同線線路、、終端端或網(wǎng)網(wǎng)路之之間的的切換換過程程或分分發(fā)過過程。。信息息交換換主要要有電電路交交換、、報(bào)文文交換換、分分組交交換、、異步步轉(zhuǎn)移移模式式（ATM）、、IP交換換、MPLS等等基本本方式式（1））電路交交換電話話和和用用戶戶電電報(bào)報(bào)通通信信網(wǎng)網(wǎng)采采用用的的是是電電路路交交換換方方式式。。這這種種方方式式的的特特點(diǎn)點(diǎn)是是：：當(dāng)當(dāng)一一個(gè)個(gè)人人或或終終端端要要與與遠(yuǎn)遠(yuǎn)端端的的另另一一個(gè)個(gè)人人或或終終端端通通信信時(shí)時(shí)，，就就向向交交換換機(jī)機(jī)送送入入被被叫叫端端的的用用戶戶號(hào)號(hào)碼碼，，交交換換機(jī)機(jī)根根據(jù)據(jù)這這一一號(hào)號(hào)碼碼在在主主叫叫和和被被叫叫之之間間建建立立起起一一條條電電路路，，或或指指定定時(shí)時(shí)分分線線的的某某個(gè)個(gè)時(shí)時(shí)隙隙，，主主叫叫端端的的信信息息便便立立即即傳傳送送到到被被叫叫端端，，其其時(shí)時(shí)延延僅僅僅僅是是信信息息以以光光速速傳傳播播時(shí)時(shí)引引起起的的傳傳輸輸時(shí)時(shí)延延，，主主、、被被叫叫之之間間能能實(shí)實(shí)時(shí)時(shí)對(duì)對(duì)話話交交換換信信息息。。另另外外，，在在電電路路交交換換中中，，通通信信時(shí)時(shí)建建立立的的電電路路被被一一對(duì)對(duì)用用戶戶獨(dú)獨(dú)占占，，且且一一直直保保持持到到雙雙方方掛掛機(jī)機(jī)。。（2））報(bào)文文交交換換公眾眾電電報(bào)報(bào)系系統(tǒng)統(tǒng)采采用用的的是是報(bào)報(bào)文文交交換換，，一一份份被被發(fā)發(fā)送送的的報(bào)報(bào)文文傳傳送送到到交交換換中中心心后后，，先先存存儲(chǔ)儲(chǔ)起起來來，，當(dāng)當(dāng)連連接接該該交交換換機(jī)機(jī)的的中中繼繼線線空空閑閑時(shí)時(shí)，，再再將將這這份份報(bào)報(bào)文文轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)到到通通信信目目的的地地通通路路上上的的另另一一個(gè)個(gè)交交換換機(jī)機(jī)存存儲(chǔ)儲(chǔ)起起來來，，這這種種““存存儲(chǔ)儲(chǔ)－－轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)””的的過過程程輾輾轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)進(jìn)行行，，直直到到報(bào)報(bào)文文到到達(dá)達(dá)目目的的地地為為止止，，所所以以這這種種交交換換方方式式又又稱稱為為““存存儲(chǔ)儲(chǔ)－－轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)””交交換換方方式式。。報(bào)報(bào)文文交交換換存存在在傳傳輸輸時(shí)時(shí)延延，，不不能能實(shí)實(shí)時(shí)時(shí)對(duì)對(duì)話話。。（3）分組交換換與幀中中繼指將待傳傳送的報(bào)報(bào)文或數(shù)數(shù)據(jù)由交交換機(jī)裝裝配成規(guī)規(guī)定長度度和格式式的數(shù)據(jù)據(jù)塊───分組，，讓這些些分組獨(dú)獨(dú)立地以以“存儲(chǔ)儲(chǔ)－轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)”的方方式并且且可以由由不同的的路徑在在網(wǎng)內(nèi)傳傳輸，在在接收端端的交換換機(jī)又重重新把它它們組裝裝成完整整的報(bào)文文或數(shù)據(jù)據(jù)。分組組交換的的數(shù)據(jù)傳傳輸協(xié)議議是X.25。。幀中繼是是一種快快速分組組交換技技術(shù)，數(shù)數(shù)據(jù)傳輸輸?shù)幕颈締卧鞘菐＃?）ATM異異步轉(zhuǎn)移移模式ATM以以異步時(shí)時(shí)分復(fù)用用技術(shù)為為基礎(chǔ)。。ATM的復(fù)用用方式為為標(biāo)記復(fù)復(fù)用。它它把信道道看成是是由一個(gè)個(gè)個(gè)等長長的時(shí)隙隙構(gòu)成，，每個(gè)時(shí)時(shí)隙內(nèi)都都正好裝裝載一個(gè)個(gè)ATM信元。。信元是是ATM的基本本傳遞單單位，是是一種極極短（53字節(jié)節(jié)）的固固定長度度的數(shù)據(jù)據(jù)分組。。每一信信元包括括一個(gè)信信元頭和和一個(gè)信信息段。。信元通通過虛擬擬信道VC傳送送，虛擬擬信道利利用虛擬擬信道標(biāo)標(biāo)記來表表示，虛虛擬信道道標(biāo)記包包含在信信元頭之之中。屬屬于同一一虛擬信信道的信信元群擁擁有相同同的虛擬擬信道標(biāo)標(biāo)記，但但占用的的時(shí)隙可可以出現(xiàn)現(xiàn)在不同同的位置置。各虛虛擬信道道的標(biāo)記記之間沒沒有固定定關(guān)系。。通過虛虛擬信道道標(biāo)記可可以在用用戶之間間實(shí)現(xiàn)虛虛擬信道道的動(dòng)態(tài)態(tài)分配，，從而各各虛擬信信道可以以具有不不同的傳傳輸速率率（1kb/s—140Mb/s））。“虛虛擬”(Virtual)即即需要時(shí)時(shí)立即設(shè)設(shè)置，用用完后馬馬上取消消。ATM用用于交換換，通過過識(shí)別信信元頭中中的虛擬擬信道標(biāo)標(biāo)記，把把輸入線線上的虛虛擬信道道標(biāo)記轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成輸輸出線上上的虛擬擬信道標(biāo)標(biāo)記，控控制數(shù)據(jù)據(jù)交換存存儲(chǔ)器的的寫入與與讀出，，完成交交換。由由于ATM使網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)業(yè)務(wù)無關(guān)關(guān)，具有有動(dòng)態(tài)分分配信道道和帶寬寬的功能能，兼有有高、中中、低速速信息業(yè)業(yè)務(wù)為一一身，使使ATM技術(shù)成成為B-ISDN和信信息高速速公路的的核心技技術(shù)。（5）IP交換換Internet是一一個(gè)以統(tǒng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)協(xié)議路由器技術(shù)按照TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)用戶之間的數(shù)據(jù)交互。IP交換技術(shù)是在ATM交換機(jī)硬件的基礎(chǔ)上附加一個(gè)IP路由軟件及控制交換的驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成。（6）