第七章 寬帶isdn的關(guān)鍵技術(shù)atm

1、第七章 寬帶ISDN的關(guān)鍵技術(shù)ATM,7.1 ATM的基本概念7.2 ATM協(xié)議結(jié)構(gòu)7.3 IP/ATM集成交換,7.1 ATM的基本概念7.1.1 ATM的發(fā)展背景帶ISDN的發(fā)展主要存在以下局限： （1）窄帶ISDN的信息傳輸速率有限 。 （2）窄帶ISDN是在數(shù)字電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的交換是基于64 kbit/s的電路交換方式，而電路交換方式對技術(shù)發(fā)展的適應(yīng)性較差。 （3

2、）窄帶ISDN雖然也綜合了分組交換業(yè)務(wù)，但是這種綜合僅在用戶—網(wǎng)絡(luò)接口上實現(xiàn) 。,7.1.2 ATM的基本工作原理 ATM是英文Asynchronous Transfer Mode（異步轉(zhuǎn)送方式）的縮寫。 1．信元 2．復(fù)用,,圖7-1 ATM多路復(fù)用,3．交換,,圖7-2 ATM交換的基本原理,7.1.3 ATM信元的,,結(jié)構(gòu)圖7-3 ATM信元的格式,①

3、GFC（Generil Flow Control）用于控制用戶向網(wǎng)上發(fā)送信息的流量。② VPI（Virtual Path Identifer）和VCI（Virtual Channel Identifier）用來將一條傳送ATM信元的信道劃分為多個子信道。 ③ PTI（Payload Type Indicator） ④ CLP（Cell Loss Priority） ⑤ HEC（Header Error Check）,7.1.4

4、 與電路交換方式和分組交換方式的比較1．電路交換方式,,圖7-4 同步時分復(fù)用中的幀和時隙,電路交換方式具有如下特點： ① 在通信開始時應(yīng)首先建立連接。 ② 一個連接在通信期間始終占用某一固定的數(shù)字子信道，這些數(shù)字子信道是依據(jù)其在時間軸上的位置確定的。 ③ 建立連接以后，信息在系統(tǒng)中的傳輸時延基本上是一個恒定值。 ④ 同步時分復(fù)用系統(tǒng)中的各個子信道的速率是固定分配的，不可能在不改變此系統(tǒng)的情況下臨時

5、調(diào)配各個子信道的速率。 ⑤ 交換節(jié)點對傳輸中出現(xiàn)的錯誤不進行校正，對節(jié)點的處理要求簡單。,,2．分組交換方式 通信網(wǎng)中傳輸、復(fù)用和交換的基本單位。分組交換方式具有如下特點： ①分組交換采用統(tǒng)計復(fù)用方法，可以將信道按照需要動態(tài)地分配給各個用戶，信道利用率較高。 ② 在分組交換中普遍采用逐段反饋重發(fā)的措施，以保證數(shù)據(jù)傳輸是無差錯的。 ③分組數(shù)據(jù)在通信網(wǎng)中傳送的時延是隨機的，這主要是因為數(shù)據(jù)分組在交換節(jié)點有可能要排隊

6、等待，另外，逐段反饋也可能引入附加的時延。 ④由于要進行逐段差錯控制，交換節(jié)點的處理負擔(dān)較重。,3．ATM兼具電路交換方式和分組交換方式的優(yōu)點ATM與分組交換方式的基本差別是： ① ATM信元的長度固定，并使用了空閑信元填充信道，這使信道被劃分為等長的時間小段，為提供固定比特率和固定時延的電信業(yè)務(wù)創(chuàng)造了條件。 ② 取消了逐段的差錯控制，減輕了交換節(jié)點的處理負擔(dān)。,7.1.5 ATM的特點1．采用統(tǒng)計

7、時分復(fù)用方式2．取消了逐段的差錯控制和流量控制（1）適當(dāng)?shù)馁Y源分配和隊列容量設(shè)計使隊列溢出的概率很低，信元丟失率可壓低到10-8~10-12；（2）在呼叫建立時審查用戶申請的帶寬，當(dāng)確信網(wǎng)絡(luò)中有足夠的資源時才接受這個呼叫。3．采用面向連接的方式4．信頭的功能被簡化5．信元長度固定，信息段長度短,7.2 ATM協(xié)議結(jié)構(gòu)7.2.1 B-ISDN的協(xié)議參考模型,,圖7-5 ATM協(xié)議參考模型,用戶平面主要用于用戶信息的傳輸

8、，采用分層結(jié)構(gòu)。控制平面負責(zé)呼叫控制和連接控制。管理平面包括面管理和層管理兩類功能。,1．物理層（1）物理媒體子層（2）傳輸會聚子層 ① 傳輸幀的產(chǎn)生和恢復(fù) ② 信元定界 ③ 產(chǎn)生信頭錯誤檢驗碼（HEC） ④ 傳輸幀自適應(yīng) ⑤ 信元速率解耦,2．ATM層ATM層負責(zé)交換、選路由和信元復(fù)用。 ① 信頭的產(chǎn)生／提取 ② 信元交換 ③ 信元的復(fù)用和分路 ④ ATM層管理 3．AT

9、M適配層（AAL） 4．高層,7.2.2 物理層規(guī)范 物理層是ATM協(xié)議參考模型的最下面一層，負責(zé)在相鄰的節(jié)點之間為ATM層傳輸ATM信元，使ATM層能獨立于傳輸介質(zhì)，能夠在多種物理鏈路上運行。1．物理媒體子層 物理媒體子層（PM）的功能接近于在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的物理層。 物理媒體子層在發(fā)送方向上從傳輸會聚子層取得比特流，并把比特流在鏈路上透明地傳輸。 物理媒體子層和傳輸會聚子層之間交換數(shù)據(jù)流時需要互相

10、同步。 物理媒體子層的另一個功能是線路編碼和解碼。,2．傳輸會聚子層（1）傳輸幀自適應(yīng)（2）信元頭差錯檢測（HEC）,,圖7-6 接收端差錯控制過程,（3）信元定界和擾碼,,（4）信元速率解耦7.2.3 ATM層規(guī)范1．ATM層連接,,圖7-8 ATM網(wǎng)絡(luò)中邏輯連接的等級結(jié)構(gòu),（1）虛信道和虛信道連接（2）虛通道和虛通道連接（3）VC、VP及傳輸通道的關(guān)系,圖7-9 虛信道VC、虛通道VP及傳輸通道之間

11、的關(guān)系,（4）VP交換和VC交換,,圖7-10 VP交換,,圖7-11 VC和VP交換,（5）ATM連接的建立和釋放（6）連接的服務(wù)質(zhì)量（7）在ATM網(wǎng)絡(luò)中采用VP和VC兩級交換的原因,,圖7-12 虛信道連接示例,,圖7-13 虛通道連接+虛信道連接示例,2．流量控制和擁塞控制（1）ATM網(wǎng)絡(luò)流量和擁塞控制的復(fù)雜性 流量控制的目的是防止擁塞的發(fā)生。擁塞控制的目的是在擁塞發(fā)生時盡量減小擁塞的影響和持續(xù)時間，使網(wǎng)絡(luò)

12、能盡快恢復(fù)運行到可接受的性能水平上。,① ATM網(wǎng)絡(luò)要支持各種不同類型的業(yè)務(wù)，包括恒定位速率業(yè)務(wù)（CBR）和可變位速率（VBR）有的業(yè)務(wù)還具有實時性要求。當(dāng)前對各種類型的業(yè)務(wù)流量特征的研究還不夠深入。② 單個源可能產(chǎn)生具有不同業(yè)務(wù)流量特征的業(yè)務(wù)，例如多媒體業(yè)務(wù)就同時包括話音、數(shù)據(jù)和圖像。③ 具有不同業(yè)務(wù)流量特征（如CBR和VBR）的業(yè)務(wù)進入同一傳輸鏈路一起多路統(tǒng)計復(fù)用，使對網(wǎng)絡(luò)性能的可預(yù)測性變得十分復(fù)雜。 ④ 高傳輸速率限制了網(wǎng)絡(luò)

13、節(jié)點進行處理的時間。,（2）ATM層流量控制的目標(biāo) ① 靈活性 ② 簡單性 ③ 強壯性 （3）ATM網(wǎng)絡(luò)流量控制措施 ① 連接準(zhǔn)許控制（CAC） 業(yè)務(wù)流量參數(shù) 業(yè)務(wù)質(zhì)量參數(shù) 信元時延變化容限CDV,② 用戶／網(wǎng)絡(luò)參數(shù)控制。,,,圖7-15 遵守約定和不遵守約定的信元,3．ATM層的管理,,圖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,,圖7-17 性能

14、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,,圖7-18 激活／去活信元的功能域格式,7.2.4 ATM適配層AAL1．AAL概述 ? 在源點和目的地之間是否需要明確的定時； ? 傳送所需的位速率是固定的還是可變的； ? 采用的是面向連接的工作方式還是無連接工作方式。,,,圖7-19 當(dāng)前定義的AAL適配層,2．AAL-

15、1,,圖7-20 AAL層的一般結(jié)構(gòu),,圖7-21 AAL1協(xié)議數(shù)據(jù)單元,（1）SAR子層,,圖7-22 AAL-1的SAR-PDU格式,（2）CS子層① 處理ATM信元延遲的變化 ② 處理順序計數(shù)。 ③ 提供傳送定時信息的機制。,,圖7-23 AAL-1的非P格式和P格式的示意圖,3．AAL-2? 拆裝用戶信息；? 處理信元時延的變化；? 處理丟失了的或誤插入的信元；? 在接收端恢復(fù)源時鐘頻率；?

16、在接收端恢復(fù)源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)； 監(jiān)視誤碼，并進行可能的糾錯。（1）AAL-2的基本結(jié)構(gòu)（2）CPS數(shù)據(jù)單元,,圖7-24 AAL-2各層及ATM層的數(shù)據(jù)單元的相互關(guān)系,① CPS-Packet（CPS分組）,,圖7-25 CPS-Packet的格式,CPS-Packet由CPS-PH和CPS-PP兩大部分組成。CPS-PH占3個字節(jié)，包括以下四個部分：信道標(biāo)識（CID）、長度指示（LI）、用戶至用戶指示（UUI）、 信息頭差錯控

17、制（HEC）。,② CPS-PDU,,圖7-26 CPS-PDU的格式,CPS-PDU的起始段STF包含以下3個部分： ? 偏移段（OSF） 序號（SN） 奇偶校驗位（P）,4．AAL-3/4,,圖7-27 AAL-3/4中各子層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元之間的關(guān)系,下面介紹AAL-3/4的SAR子層和CS子層協(xié)議。（1）SAR子層,,圖7-28 AAL-3/4的SAR-PDU的格式,AAL-3/4的SAR子層功能是

18、：完成CPCS-PDU的拆裝 錯誤檢測及處理復(fù)用／分路丟棄傳送過程中的CPCS-PDU,（2）會聚子層（CS）協(xié)議,,圖7-29 CPCS-PDU的格式,5．AAL-5（1）CPCS子層,,圖7-30 ALL-5的CPCS-PDU格式,（2）SAR子層,7.3 IP/ATM集成交換1．TCP/IP協(xié)議結(jié)構(gòu)（1）TCP/IP分層模式,,圖7-31 TCP/IP和OSI網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),① 應(yīng)用層 ② 傳輸層

19、③ 網(wǎng)絡(luò)層 ④ 網(wǎng)絡(luò)接口層,,圖7-32 IP數(shù)據(jù)報頭部的格式,（2）IP地址,,圖7-33 IP地址的格式,2．IP/ATM結(jié)合的兩種模型,,圖7-34 數(shù)據(jù)報轉(zhuǎn)發(fā)示例,7.3.2 MPLS的基本原理1．MPLS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),,,圖7-35 MPLS的基本結(jié)構(gòu),2．MPLS傳送示例,,圖7-36 IP數(shù)據(jù)包通過MPLS網(wǎng)絡(luò)示例,① 邊緣標(biāo)簽交換路由器（LERl）在轉(zhuǎn)發(fā)信息庫中按傳統(tǒng)的最長匹配算法進行L3層查找，

20、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址172.4/16（其中172.4為網(wǎng)絡(luò)地址，16為網(wǎng)絡(luò)地址的長度）在轉(zhuǎn)發(fā)信息庫中查到標(biāo)簽5，進行標(biāo)簽的壓入操作（Push），向IP頭壓入一個標(biāo)簽5，稱為FTN（轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC到下一站點標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)入口NHFEC的映射）。 ② 標(biāo)簽交換路由器（LSR2）根據(jù)頂層入標(biāo)簽5查找標(biāo)簽信息庫（LIB），進行標(biāo)簽的交換操作（Swap），用標(biāo)簽9替換標(biāo)簽5，這稱為入標(biāo)簽映射ILM（Incoming Label Map）； ③ 倒數(shù)第二

21、跳LSR3所做的和LSR2一樣，用標(biāo)簽2替代標(biāo)簽9； ④ LER4根據(jù)入標(biāo)簽2查找標(biāo)簽信息庫（LIB），進行標(biāo)簽的彈出操作（Pop），得到目的地址為172.4.2.1的IP包，然后按L3層轉(zhuǎn)發(fā)給下一站點。,7.3.3 標(biāo)簽分配協(xié)議（LDP）和基于限制路由的標(biāo)簽分配協(xié)議（CR-LDP）1．標(biāo)簽分配協(xié)議（LDP）（1）轉(zhuǎn)發(fā)等價類FEC ? IP地址前綴，提供一個含有一個或多個IP地址前綴的集合，符合其中一個或多個I

22、P地址前綴的包被映射到相應(yīng)的LSP； ? 主機地址，以一個32位的IP地址作為單元。,,圖7-37 LDP消息格式,（2）LDP消息,LDP消息有四大類: 發(fā)現(xiàn)消息（Discovery Messages） 會話消息（Session Messages）公布消息（Advertisement Messages） 通知消息（Notification Messages）,下面簡要介紹幾條常見的LDP消息。① 問候消息

23、② 初始化消息③ 地址消息④ 標(biāo)簽映射消息 ⑤ 標(biāo)簽請求消息⑥ 標(biāo)簽釋放消息,（3）標(biāo)簽分配協(xié)議① LDP發(fā)現(xiàn)過程a）基本發(fā)現(xiàn)過程b）擴展發(fā)現(xiàn)過程② LDP會話的建立和維護a）LDP會話的建立 傳輸連接的建立。 會話的初始化。 b）LDP會話的維護,③ 標(biāo)簽的分配和管理a）標(biāo)簽分配控制 在獨立標(biāo)簽分配控制方式下，LSR可以在任何時候向?qū)Φ裙?jié)點發(fā)出標(biāo)簽映射通告。 使用有序標(biāo)簽分配控制時，LSR

24、只能將已經(jīng)存在下一跳標(biāo)簽映射的FEC 在本節(jié)點分配的標(biāo)簽綁定分發(fā)給上游， b）標(biāo)簽保留 保守標(biāo)簽保留方式， 自由標(biāo)簽保留方式， c）標(biāo)簽通告,2．基于限制路由的標(biāo)簽分配協(xié)議CR-LDP ? 基本和／或擴展的發(fā)現(xiàn)機制； ? 有序控制下游按需標(biāo)簽通告模式中使用的標(biāo)簽請求消息； ? 有序控制下游按需標(biāo)簽通告模式中使用的標(biāo)簽映射消息； ? 通知消息；

25、 ? 標(biāo)簽撤銷和釋放消息； ? 環(huán)路檢測機制。,（1）嚴(yán)格／非嚴(yán)格顯式路由（2）業(yè)務(wù)特征描述,,圖7-38 顯示路由TLV,（2）業(yè)務(wù)特征描述① 峰值速率表征了最大可以何種速率向CR-LSP提交業(yè)務(wù)。峰值速率可用于進行資源分配，由兩個流量參數(shù)PDR和PBS定義。② 協(xié)定速率定義了MPLS域劃分給CR-LSP使用的速率，可以由兩個流量參數(shù)CDR和CBS定義。③ 超標(biāo)突發(fā)長度可以用于MPLS域

26、邊界上的流量調(diào)節(jié)，可以用于測定一個CR-LSP上發(fā)送的流量超過協(xié)定速率的程度。 ④ 頻率指定以何種粒度到達CR-LSP的恒定業(yè)務(wù)速率（CDR）可用。⑤ 權(quán)值確定各CR-LSP在其協(xié)定速率以上對可能的額外帶寬的相對共享程度，這種共享程度要取決于不同的MPLS域。,（3）路由鎖定（4）搶占（5）資源分類7.3.4 MPLS標(biāo)記捆綁的驅(qū)動方式1．?dāng)?shù)據(jù)驅(qū)動 標(biāo)記捆綁和發(fā)布的開銷是數(shù)據(jù)流量特征函數(shù)。 整個數(shù)據(jù)流

27、的時延及其經(jīng)過標(biāo)記交換或轉(zhuǎn)發(fā)后的流量特征，與標(biāo)記捆綁處理過程密切相關(guān). 數(shù)據(jù)驅(qū)動要求高性能的數(shù)據(jù)流分類能力，很多情況下出于特定需要，要求能夠靈活使用各種流合并和流分類策略。,2．控制驅(qū)動（1）基于拓撲的控制驅(qū)動 標(biāo)記捆綁和標(biāo)記發(fā)布過程中網(wǎng)絡(luò)資源和處理器資源的消耗與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有關(guān)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，路由器維護的路由表越長，相應(yīng)的資源消耗也就越多。 只要有路由存在，就存在相應(yīng)的標(biāo)記捆綁，所以一般情況下，標(biāo)記

28、是預(yù)先分配的，當(dāng)數(shù)據(jù)到達路由器后就可以立即進行標(biāo)記交換，相對于數(shù)據(jù)驅(qū)動而言，不存在標(biāo)記捆綁過程的時延。,? 標(biāo)記捆綁能夠和路由具有相同的粒度，例如可以將具有相同目的子網(wǎng)地址的IP分組作為轉(zhuǎn)發(fā)同等類（FEC），而在分配標(biāo)記時統(tǒng)一進行考慮，從而能夠像IP網(wǎng)絡(luò)一樣很好地支持流合并功能。 由于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的變動，目前的路由協(xié)議都不可避免地可能會出現(xiàn)暫態(tài)路由環(huán)路，從而產(chǎn)生LSP環(huán)路，有可能使大量數(shù)據(jù)滯留在網(wǎng)絡(luò)中消耗絡(luò)帶寬資源甚

29、至造成網(wǎng)絡(luò)阻塞。,（2）基于請求的控制驅(qū)動? 標(biāo)記捆綁和標(biāo)記發(fā)布過程中網(wǎng)絡(luò)資源和處理器資源的消耗與請求消息的多少密切相關(guān)。 由于標(biāo)記交換路徑和標(biāo)記捆綁是通過類似信令的方式預(yù)先建立的，所以一般情況下，標(biāo)記是預(yù)先分配的，數(shù)據(jù)到達路由器后就可以立即進標(biāo)記交換。 所需標(biāo)記的數(shù)量與流的數(shù)量有關(guān)，類似ATM網(wǎng)絡(luò)，這種方式難以支持流合并，網(wǎng)絡(luò)擴展性差，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時，相對于拓撲驅(qū)動要消耗更多的標(biāo)記資源。