（通信与信息系统专业论文）aal5协议控制器的设计与实现.pdf

捅要 结合a t m 技术在网络处理器中的应用，本文对a a l 5 协议控制器的工作原 理进行了研究，并且给出了一套硬件设计实现方案。 论文首先对a t m 协议进行了介绍。给出了a t m 协议参考模型，阐述了a a l 5 协议内容，并且就各种业务类型及其服务质量要求进行了讲解。接下来详细分析 了a a l 5 协议控制器的工作原理，描述了该控制器的发送和接收过程，并对其关 键技术进行了研究，包括流量控制及信元调度、v p i v c i 地址映射机制、存储结 构、中断处理机制和u t o p i a 接口工作模式。 在原理分析的基础上，本文提出了a a l 5 协议控制器的具体硬件实现方案， 分别给出了发送和接收部分的结构模块图，并对各个模块的功能原理进行了阐述。 用硬件描述语言v e r i l o gh d l 实现该控制器的发送部分，在m o d e l s i m 软件中进行 了功能仿真，最后给出了仿真结果及正确性分析。 关键词：a a l 5 协议控制器流量控制a t m网络处理器 v e r i l o gh d l a b s t r a c t c o m b i n e dw i t ht h eu s a g eo fa t m t e c h n o l o g yi nt h en e t w o r kp r o c e s s o r , t h i sp a p e r r e s e a r c h e si nt h ep r i n c i p l eo fa a l 5 p r o t o c o lc o n t r o l l e ra n dr a i s e sah 莉w a r e r e a l i z a t i o ns c h e m e f i r s t l y , t h i sp a p e rm a k e sab r i e fi n t r o d u c t i o no fa t m p r o t o c o la n dt h ec o n t e n to f t h ea a l 5p r o t o c o li s d i s c u s s e d w i t ht h ep r e s e n t a t i o no fa t mp r o t o c 0 1r e f e r e n c e m o d e l ，d i f f e r e n tk i n d so fs e r v i c e sa n dt h e i rd i f f e r e n tl e v e lo fq o sa r ed e t a i l e d t h e n t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fa a l 5p r o t o c o lc o n t r o l l e ri s a n a l y z e di nd e t a i l t h et r a n s m i t a n dr e c e i v ep r o c e s si sd e s c r i b e da n dw i t has p e c i a le m p h a s i so ni t sk e yt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gf l o wc o n t r o l ，s c h e d u l e ，v p i v c im a p p i n gm e c h a n i s m ，s t o r a g es t r u c t u r e ， i n t e r r u p tm e c h a n i s ma n dd i f f e r e n tm o d e so fu t o p i ai n t e 嘞c e b a s e du p o nt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e ，t h i sp a p e rp r o p o s e sap l a nf o rt h e h a r d w a r er e a l i z a t i o no fa a l 5p r o t o c o lc o n t r o l l e r t h em o d u l es c h e m ei s 画v e nf o r b o t hr e c e i v ea n dt r a n s m i tw i t he x p l a n a t i o no nt h e i rf u n c t i o n a lp r i n c i p l e t h et 啪s m i t p a r to ft h ec o n t r o l l e ri sr e a l i z e di nv e r i l o gh d la n di t sf u n c t i o ni ss i m u l a t e d 、析t ht h e s o f t w a r em o d e l s i m f i n a l l y , t h ec o r r e c t n e s so f t h e r e s u l ti sa n a l y z e d k e y w o r d ：a a l 5p r o t o c o lc o n t r o l l e rf l o wc o n t r o la t m n e t w o r kp r o c e s s o r v e r i l o gh d l 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特另, l d n 以标注和致谢巾所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切相关责任。 来人签名：一至缝塾 闩期矽盟，( 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子利技大学本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 。本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权二l 弓。 日期：兰! ! z ：! ：竺 第一章绪论 第一章绪论 1 1a t m 技术的发展及网络处理器技术 异步传递方式a t m 是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种面向连接 的快速分组交换技术，它采用定长分组作为传输和交换的单位。八十年代后期， i t u t 针对电信网支持宽带多媒体业务提出a t m 技术。经过近十年的研究，到九 十年代中期a t m 技术已基本成熟，由i t u t 和a t m 论坛制定的相关的国际标准 也基本齐全，并有多个电信设备厂商和计算机网络设备厂商推出了商用化的a t m 设备。此后，a t m 网络的建设也得到了长足的发展，全世界许多网络( 公用网或 专用网) 都已安装并使用了a t m 网络设备。 与此同时，i p 技术也得到迅猛发展，而且现有的i p 网络虽然通过采用新技 术( 例如：i po v e rs d h 或i po v e rw d m ) ，在一定程度解决了传送带宽的瓶颈问 题，但仍然还是传统的路由器加专线的组网方式，存在逐跳寻址与转发等问题， 不能保证服务质量( q o s ) 和信息安全。a t m 技术所具有的端到端q o s 保证、 完善的流量控制和拥塞控制、灵活的动态带宽分配与管理、支持多业务，以及技 术综合能力等方面的优势，目前仍是i p 技术所不及的。有一点是肯定的，世上没 有一种万能的技术。由于i p 与a t m 都是基于分组交换的技术，而且都有各自的 优势，因此，在电信网与互联网融合与演变的过程中都将发挥作用。目前i p 技术 的优势在于提供统一的数据应用平台，而a t m 技术的优势在于可以提供统一的 网络平台。 a t m 技术的主要特点1 2 l 有： 1 选择固定长度的短信元作为信息传输的单位，有利于宽带高速交换。信元 长度为5 3 字节，其首部为5 字节。长度固定的首部可使a t m 交换机的功能尽量 简化，只用硬件电路就可对信元进行处理，因而缩短了每一个信元的处理时间。 在传输实时话音或视频业务时，短的信元有利于减小时延，也节约了结点交换机 为存储信元所需的存储空间。 2 能支持不同速率的各种业务。a t m 允许终端有足够多比特时就去利用信 道，从而取得灵活的带宽共享。来自各终端的数字流在链路控制器中形成完整的 信元后，即按先到先服务的规则，经统计复用器，以统一的传输速率将信元插入 一个空闲时隙内。链路控制器调节信息源进网的速率。不同类型的服务都可以复 用在一起，高速率信源就占有较多的时隙。交换设备只需按网络最大速率来设置， 它与用户设备的特性无关。 3 采用面向连接的通信方式。通信之前要建立虚通道( v p ) 和虚通路( v c ) ， 避免了复杂的信元顺序控制工作，加上用户接入时的流量控制和合理的q o s 与网 2 a a l 5 协议控制器的设计与实现 络资源管理控制，以及各种差错控制技术，可以使信元丢失率降低到各种业务可 以接受的程度，满足各类业务的语义透明性。 4 a t m 具有动态频带分配与路由功能。对用户可根据需要灵活地配置网络 接口所用带宽，使带宽对用户按需分配，合理利用。 5 a t m 网络取消了逐段链路地差错控制和流量控制，而采用端到端的差错 控制，这样减少了操作复杂性，提高了网络的通信处理能力。 6 辅之以必要的网络管理功能、信令处理与连接控制功能，可以设置多种优 先级( 连接优先级，信元优先级等) 管理功能，满足各种使用要求。 7 a t m 作为一项独立的技术，充分考虑了与已有技术的融合，a t m 的兼容 性表现在两方面：( 1 ) 对现有广域网技术( 包括分组交换及电路交换技术) 的兼 容：a t m 可以兼容帧中继( f r ) 业务、专线数据业务( d d n ) ，并且支持p s t n 和n i s d n 业务；( 2 ) 对现有i p 技术的融合：a t m 对i p 技术既有数据链路层的 兼容( 如局域网仿真l a n e ) ，又有第三层( 网络层) 的兼容( 如c i p o a 、m p o a 及m p l s ) 。 基于a t m 技术的上述特点，a t m 有着广泛的应用领域，并且随着a t m 技 术的发展不断地进行重新定位，主要表现在： 1 支持现有电信网逐步从传统的电路交换技术向分组交换技术演变。( 1 ) 支 持现有电话网( 如p s t n i s d n ) 的演变，并作为其中继汇接网；( 2 ) 支持并作 为第三代移动通信网( 要支持移动i p ) 的核心交换与传送网；( 3 ) 支持现有数据 网( f 刚d d n ) 的演变，作为数据网的核心，并提供租用电路，利用a t m 实现校 园网或企业网间的互连。 2 为i n t e m e t 骨干网提供互连核心路由器，支持i p 网的持续发展。 3 与i p 技术结合，取长补短，共同作为未来信息网的核心技术。由于i p 与 a t m 技术，有各自的优势，在传统电信网与互联网融合与演变的过程中都将发挥 各自的重要作用，如果把这两项技术结合起来，利用a t m 网络为i p 用户提供高 速直达数据链路，既可以使a t m 网络运营部门充分利用a t m 网络资源，发展 a t m 网络上的i p 用户业务，又可以解决i n t e m e t 网络发展中遇到的瓶颈问题，推 动i p 业务的进一步发展，使这两项技术的潜力充分发挥出来，获得巨大的经济效 益。 随着a t m 技术和其他网络技术的发展，各种新型业务不断涌现，伴随它们 而来的是对网络处理速度和智能程度的更高要求，如何提高网络设备的处理速度 和可编稃能力成为当务之急。 传统的网络处理设备基本可分为两大类，一类是基于通用处理器来构建的， 另一类是基于专用处理器( a s i c ) 来实现的。通用处理器的优点是功能灵活，能够 处理多种网络业务，通过更新升级网络处理软件即可适应网络业务的更新和升级： 第一章绪论 3 其缺点是处理速度比较慢，只能应用在中低端速率场合( 如低端路由器) 。针对通 用处理器处理速度慢的不足，人们设计了专用处理器来进行网络业务处理，将某 些网络处理功能固化为特殊的硬件结构，以实现高速的网络处理( 如高速的2 层 以太网交换机) 。专用处理器的缺点是网络处理功能单一，灵活性不好，为提供新 的网络处理功能以适应新的网络业务，需要重新设计硬件结构，因此开发周期长， 开发成本高，市场存活时间短。 为了更好地适应网络宽带化和综合化的趋势，弥补通用处理器和专用处理器 在网络处理方面的不足，人们设计了网络处理器。网络处理器有效地综合了通用 处理器和专用处理器各自的优势，在网络处理功能和性能之间取得了较好的平衡， 已被设备制造商和网络运营商认定为新一代网络设备的核心，其价值也逐步为市 场所承认。 网络处理器具备完全的可编程能力，可以实现o s i 网络协议栈2 7 层的处 理，对诸如信元、分组数据流等多种协议数据类型的支持满足边缘设备的需求： 同时简单高效的编程开发特征为网络处理器走向市场奠定了基础；强大的处理能 力可以实现高带宽的线速处理：开放的高度集成的体系结构使得基于网络处理器 的网络设备易于系统扩展。网络处理器的主要任务是数据包的分析、处理及转发， 因而其主要的功能l ”】包括以下几部分： 夺拆帧和组帧：分解和重新装配各种协议数据单元； 包分析：查找地址表，识别协议数据单元的协议类型、端口号、目标u r l 地址等信息，进行分类； 令包处理：如修改t t l 字段，重新计算c r c ，加密解密，压缩和解压； 输出队列管理：包括接入控制、流量整形和流量工程。 接入控制：根据用户的安全接入要求抛弃某些包； 流量整形：将数据流做整形处理以满足某些协议或应用要求的时延和 抖动指标： 流量工程：根据数据流传输的优先级别控制它们的发送。 基于其强大功能，网络处理器可以被用于实现从边缘网络至核心网络的一系 列应用，如：w a n m a n 边缘路由器：多业务接入平台：支持i p 、a t m 和m p l s ； 企业网骨干交换机：防火墙和安全路由器；i p v 6 路由器；虚拟专用网：服务质量 q o s ；计费、负载均衡及3 g 通信等。 1 2 论文主要工作及内容安排 本文结合a t m 技术在网络处理器中的应用，对a a l 5 协议控制器的工作原 理进行了研究，提出一套硬件实现方案。该协议控制器用硬件描述语言v e r i l o g h d l 编程实现，在m o d e l s i m 软件中进行了功能仿真。 4a a l 5 协议控制器的设计与实现 具体章节的内容安排如下： 第一章首先介绍了a t m 技术的发展历程，接着阐述了其特点和应用领域， 最后引出了网络处理器，介绍了它的产生背景、主要功能特点和应用。 第二章对a t m 协议进行了介绍。首先给出了a t m 协议参考模型和a t m 的 信元结构，接着就a a l 5 协议的内容进行了介绍，最后分析了a t m 的服务特性， 给出了五种业务类型的业务量参数及q o s 参数要求。 第三章研究了a a l 5 协议控制器的工作原理。首先描述了a a l 5 协议控制器 的发送和接收过程，接着介绍了其中的关键技术，包括调度控制单元a p c 、 v p i v c i 地址映射机制、存储结构、中断处理机制和u t o p i a 接口的工作模式。 第四章结合前面给出的原理分析，提出了a a l 5 协议控制器的具体硬件实现 方案，给出了发送和接收部分的结构模块图，并对各个模块的功能原理进行了介 绍。最后部分给出了该设计的发送部分在m o d e l s i m 软件中的仿真结果，并且进 行了正确性分析。 第二章a t m 协议简介 5 第二章a t m 协议简介 a t m 是一种传递模式，在这一模式中，信息被分割成信元，头部字段作前缀， 用来标识虚通路，任何准备好的要传送数据的用户都可能获得时隙，也就是说被 传输的信元并不像同步传递模式s t m 中的数据那样必须是周期性的，所以这种 传递模式是异步的。所谓“传递模式 ，指的是电信网所采用的复用、交换、传输 技术，简单讲就是信息从一个地点“传递”到另一个地点所用的传递方式。 2 1a t m 协议参考模型 制定a t m 标准的最主要的组织机构有i t u t 和a t m 论坛( a t mf o r u m ) 以及i e t f 等。下面介绍i t u t 制订的a t m 协议参考模型i 1 。如图2 1 所示，它 由三个面组成，即用户平面，控制平面和管理平面。 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：包括层管理和而管理。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o a m 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。 图2 1a t m 协议参考模型 a t m 的协议参考模型分为四层，即物理层、a t m 层、a t m 适配层和高层。 以下主要介绍下三层的功能2 1 。 ( 1 ) 物理层 物理层又分为物理媒体相关p m d ( p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n t ) 子层和传输 汇聚t c ( t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e ) 子层。 6a a l 5 协议控制器的设计与实现 夺p m d 子层是较低的子层，负责在物理媒体上正确传输和接收比特流。它 完成只和媒体相关的功能，如线路编解码、比特定时以及光电转换等。 对不同的传输媒体p m d 子层是不同的。 夺t c 子层实现信元流和比特流的转换，包括速率适配( 空闲信元的插入) 、 信元定界与同步、传输帧的产生与恢复等。 ( 2 ) a t m 层 a t m 层主要完成交换和复用功能，与传送a t m 信元的物理媒体或物理层无 关。 每一个a t m 连接都用信元头中的标号来识别。标号包括v p i 和v c i 。一个 虚信道v c 是在两个或两个以上的端点之间的一个运送a t m 信元的通信通路。 而一个虚通路v p 是一组具有相同端点的虚信道，而这一组虚信道使用同一个虚 通路标识符v p i 。在一个给定的接口上，属于两个不同v p 的v c 可以具有相同 的v c i 。因此，要同时使用v p i 和v c i 这两个参数才能完全识别一个虚信道v c 。 由上一节可知，理论上，一个主处理器最多可建立2 5 6 条虚通路，而每一个虚通 路所包含的虚信道的数目最多可达6 5 5 3 6 条。 v p i v c i 在经过交换机路由选择转发后，其值将会改变。 总结得，a t m 层完成的功能有：信元的复用与分用；信元的v p i v c i 转换 ( 就是将一个输入信元的v p i v c i 转换成新的数值) ；产生与提取信元头；一般 的流量控制。 ( 3 ) a t m 适配层 a t m 适配层即为a a l ( a t ma d a p t a t i o nl a y e r ) ，其作用是增强a t m 层所 提供的服务，并向上面高层提供各种不同的服务。 根据不同业务的特点，如比特率是否恒定，是否需要同步，是面向连接还是 无连接等，i t u t 规定将a t m 网络可向用户提供的服务分为a 、b 、c 、d 四种 不同类别。并规定了四种a a l 分别对应于以上服务类别。后来将这四种a a l 更 改为可支持不只一种类别的服务。并将a a l 3 与a a l 4 合并为一种，称为a a l 3 4 。 随着技术的更新，接着提出了a a l 5 ，它支持各种服务类别。 a a l 层可分为两个子层：汇聚子层c s ( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 和拆装子层 s a r ( s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e m b l y ) 。 夺c s 子层：使a t m 系统可以对不同的应用( 如文件传送、点播视像等) 提供不同的服务。每一个a a l 用户通过服务访问点s a p ( 即应用程序的 地址) 接入到a a l 层。在c s 子层形成的协议数据单元叫做c s p d u 。 夺s a r 子层：在发送时，将c s 子层传下来的协议数据单元c s p d u 划分 成长度为4 8 字节的单元，交给a t m 层作为信元的净负荷。在接收时， 第二章a t m 协议简介 7 功能相反，s a r 将a t m 层交上来的4 8 字节长的净负荷装配成c s p d u 。 这样，s a r 子层就使得a t m 层与上面的应用无关。 2 2a t m 的信元结构 a t m 信元是传输、交换和复用的基本单位，是a t m 的基本信息单元。即a t m 以固定信息分组在网中传输各种通信信息。a t m 信元格式有用户到网络接口 t r n i 叫s e r - t o n e t w o r ki n t e r f a c e ) 和网络到网络接口n n l o q e t w o r k t o - n e t w o r k i n t e r f a c e ) 两类信元。每类信元都有5 3 个字节，其中前5 个字节是信元头部，其余 4 8 个字节为信息域。它们的格式如图2 2 所示。 g f cv p i v p i v c i v c i c l v c ip t p h e c 信息域 字节 v p i v p iv c i v c l c l v c li r r p h e c 信息域 ( a ) 用户网络接口( b ) 网络节点接口 图2 2a t m 信元格式 下面介绍信元头部中各字段的作用【2 j ： ( 1 ) 一般流量控制g f c ( g e n e r i cf l o wc o n t r 0 1 ) ：长度为4 位，仅用于u n i 。 功能为在共享媒质上控制a t m 接入的业务流量，减小用户边出现的短期过载。 现在的点到点配置不需要这一字段的接入控制功能，通常将其设置为0 0 0 0 。 ( 2 ) 虚通路标识符v p i 虚信道标识符v c i ( v i r t u a lp a t hl d e n t i f i e r v i r t u a l c h a n n e li d e n t i f i e r ) ：又称为路由字段，用于路由选择。v c i 长度为1 6 位，而v p i 有两种长度，u n i 使用的v p i 为8 位，n n i 使用的为1 2 位。 ( 3 ) 信息类型p t ( p a y l o a dt y p e ) ：长度为3 位，用来区分该信元是用户信 息还是管理信息。第一个比特是信息类型，为o 表示是用户数据，为1 表示网络 数据。第二个比特是拥塞指示，为0 表示未经阻塞，为l 表示经过拥塞。第三个 比特用来区分服务数据单元s d u 的类型。 ( 4 ) 信元丢失优先级c l p ( c e l ll o s sp r i o r i t y ) ：长度为l 位，指示信元的丢 失优先级。当网络负荷很重时，首先丢弃c l p = i 的信元以缓解网络可能出现的拥 塞。同时，网络还可能将违反通信合约的信元的c l p 从0 改为l ，这个过程称为 “打标记”。 8a a l 5 协议控制器的设计与实现 ( 5 ) 首部差错控制h e c ( h e a d e re r r o rc o n t r 0 1 ) ：长度为8 位，是对信元头 部前四个字节的循环冗余校验，由物理层产生和进行校验。h e c 可进行多个比特 的检错和单个比特的纠错。 2 3a a l 5 协议介绍 a a l 5 是针对a a l 3 4 协议中的不足之处，a t m 论坛提出的一种新的丸虬 协议，a a l 5 现已成为最重要的a a l 协议类型。 a a l 5 是一种简化的a a l 规程，划分为s a r 子层和c s 子层，c s 子层又可 分为特定服务汇聚子层s s c s ( s e r v i c es p e c i f i cc s ) 和共同部分汇聚子层c p c s ( c o m m o np a r tc s ) 。s s c s 位于较高的一层，包含与支持的服务相关的一些特 定功能。对于某些服务，如果不需要这样的特定功能，则s s c s 子层就可以不要。 c p c s 位于较低的一层，是所有类型a a l 层的共同部分。在发送时，c p c s 负责 将应用层交下来的服务数据单元s d u 封装成c p c s p d u 。在接收时功能则相反， 取出c p c s p u d 中的净负荷交到应用层。 c s 子层 c p c s p d u 尾部 c p c s p d u 净负荷 l p a dlc p c s u uic p il 净负荷长度l c r c 字书，1 - 6 5 5 3 5“0 , 4 7 1i24 s a r 子层 a 层 ；：鼍勰争公猷成c 孝p c 伸s - p d 翘u , e 习s a r - p d u 一- ，一一，一。一 一一- 一一 | 8 0 胪。| 黼头仓撕头 5 字节信元头 图2 3a a l 5 中a t m 层与a a l 层工作方式 图2 3 为a a l 5 将用户数据分割为4 8 字节的数据块传递给a t m 层的过程i 冽。 如图，c s 子层将从应用层接到数据作为本子层的净负荷，并加上尾部组成一个完 整的c p c s p d u 。s a r 子层将c p c s p d u 拆分成4 8 字节固定长度的s a r - p d u 单元，并由a t m 层在s a r - p d u 前加上5 字节的信元头，组成5 3 字节的a t m 信 元进行传输。由于a t m 网络采用了面向连接的传输方式，信元在传输过程中顺 序不会改变，因此，在s a r 子层将一个c p c s p d u 拆分成多个信元时，只需在 最后一个信元的信元头做上标记，即能区分两个不同的分组。利用标记信元头的 p t 字段可完成此功能。若为一个分组中的最后一个信元，则p t 设为0 0 1 ，而其 黑一 第二章a t m 协议简介 9 他信元的p t 设为0 0 0 。 在c p c s - p d u 中，为了保证c p c s p d u 的长度为4 8 字节的整数倍，需在净 负荷和尾部之间加入o - 4 7 字节的填充字段p a d 。尾部由四个部分8 字节组成。 c p c s - u u 是用户到用户字段，用于透明传输上层用户的端到端信息，不属于a a l 层：c p i 字段目前保留不用；净负荷长度字段用来标识净负荷的长度，使得接收 端可根据其值正确删除p a d ，由于该字段长度为两个字节，因此净负荷的最大长 度为6 5 5 3 5 字节；c r c 字段为3 2 位差错校验。 2 4a t m 服务特性分析 由于a t m 支持的业务范围很广，因此对网络传输的要求也大不相同，需要 对其业务量进行管理。当用户建立连接时都必须与网络达成一个合约：即用户在 通信过程中受与网络达成的合约的约束，同时网络按合约提供相应的服务，满足 用户所要求的q o s 。a t m 服务类型将服务质量q o s 要求和业务特性与网络行为 ( 过程和参数) 对应起来，对指定的一类应用给出一个q o s 承诺和业务参数的组 合说明i 引。 a t m 连接的业务量参数由源业务量参数、信元时延变化容限( c d v t ) 和一致 性定义组成。源业务量参数表示了a t m 信息源的业务量特性，具体参数描述如 下： 峰值信元速率p c r ：用户可以发送信元的最大瞬时速率。 持续信元速率s c r ：一段时间内的平均信元速率。s c r 并不是任意一段 时间内的平均信元速率。它是一个a t m 连接上的平均信元速率的上限 值。 最大突发长度m b s ：以峰值信元速率能够连续发送的最大信元数目。 最小信元速率m c r ：用户允许的最小信元传送速率。若网络达不到此速 率，则用户可拒绝该连接。 一致性定义基于通用信元速率算法( 6 c r a ) ：在网络的输入处，用来明确地判 定每个输入信元是否符合该连接建立时商定的一致性定义；网络按一致性定义监 控输入到网络中的业务，预防有意或无意地过量信息涌入网络、影响其他一致性 定义要求的用户服务质量。这样，对一条连接上逐信元地判定是否符合一致性定 义时，就要引入一个c d v t 值。 主要的q o s 参数有： 令信元丢失率c l r ：指的是由于错误或拥挤而没有提交给信宿的丢失信元 数的百分比。 信元转移延迟c t d ：一个信元在网络的入口点和出口点之问经历的延迟 称为信元转移延迟。它包括传播延迟、在各种中间交换机处的排队延迟 1 0a a l 5 协议控制器的设计与实现 和排队点处的服务时间三部分。 令信元延迟变化c d v ：是对c t d 变化的度量。c d v 大表明对延迟敏感的 业务，比如声音和视频传输需要提供大的缓冲器。 其他q o s 参数：信元错误率c e r 、信元块严重错误率s e c b r 和信元错 插率c m r 。 i t u u 提出了a 、b 、c 、d 四种服务类别，但这种类别划分并不适合通信量 的管理，因此，a t m 论坛又按照用户所要求的比特率特点提出了将业务划分为五 种类型1 9 j 分别为： ( 1 ) 恒定比特率c b r ( c o n s t a n tb i tr a t e ) 用户要求固定带宽的连接，带宽 大小由p c r 说明。该类服务对c d t 和c d v 有严格要求，最适用于实时的应用， 如话音和视频信号传输。 ( 2 ) 实时可变比特率v b r r t ( r e a l t i m ev a r i a b l eb i tr a t e ) ：在连接期间的 带宽要求随时间变化，或速率随时间变化，表现为突发，其带宽值用p c r 、s c r 、 m b s 表征。支持实时应用，即时延和时延变化有严格要求的应用，如视频监控和 压缩话音通信等业务。 ( 3 ) 非实时可变比特率v b r n r t ( n o n - r e a l t i m e v a r i a b l eb i tr a t e ) ：支持非 实时突发业务，其带宽值也用p c r 、s c r 、m b s 表征，但不像实时v b r 那样有 特定的时延界限。 ( 4 ) 不指明比特率u b r ( u n s p e c i f i e db i tr a t e ) - 支持非实时、即对时延和 时延变化没有严格要求的业务，如文件传送和电子邮件。u b r 用p c r 来表征， 但网络可以不用它来规定业务量管理行动，而只是以“最大努力 来传送这类业 务。在此基础上有一种c i s c o 的扩展的业务类型u b r + ，用户指定p c r 和m c r ， 网络试图保证m c r ，但当阻塞严重时，m c r 仍然不被保证。 ( 5 ) 可用比特率a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e ) a b r 服务不对c d v 实施控制， 它不适用于实时应用，但它要求保持较低的信元丢失率。连接建立时，端系统以 p c r 和m c r 分别指明最大需求带宽和最小可用带宽，m c r 可以为零。连接建立 后，根据网络当前负载情况的反馈信息调整发送速率，但不能小于m c r 。 第三章a a l 5 协议控制器工作原理 第三章a a l 5 协议控制器工作原理 a t m 协议体系应用于宽带高速网络通信，因此协议在网络设备中的运行和处 理速度至关重要。a t m 基于定长、短尺寸信元的基本特点决定了硬件实现机制在 a t m 应用中的地位，为了进一步提高协议处理的性能，在a t m 网络边缘( 终端、 网关) 应用中，需要将硬件实现机制从物理层、a t m 层一直延伸到a a l 层( a t m 适配层) ，尤其是针对需要大量数据处理的用户业务平面的适配层处理。结合当前 的网络处理器技术，这里给出一种a a l 5 协议控制器的设计方案，并对其工作原 理进行了详细阐述。 3 1a a l 5 协议控制器工作过程概述 该a a l 5 协议控制器主要实现a a l 5 协议的从l 层功能，完成了a a l 5 协 议处理与从l 5 业务流的流量控制。它通过u t o p i al e v e li i 接口与外部p h y 进 行连接。如图3 1 所示为从l 5 协议控制器的工作过程【l j 。以下分别对数据的发 送与接收过程进行描述。 图3 1a a l 5 协议控制器工作过程 3 1 1发送过程 在发送使能前，先对a a l 5 协议控制器进行初始化并创建发送数据结构。当 有数据准备发送时，先将指向第一个b d 的指针写入发送连接表t c t ( t r a n s m i t c o n n e c t i o nt a b l e ) 。然后发送a t mt r a n s m i t 命令，将当前连接号( c h a n n e lc o d e ) 插入a t m 速率控制a p c ( a t mp a c ec o n t r 0 1 ) 单元。a p c 单元对a t m 业务流发 送进行流量控制。它读取每个连接的流量参数，并根据参数分配带宽。a p c 可支 持8 个优先级的实时和非实时的业务类型。来自p h y 的t x c l a v 信号有效时， 1 2a a l 5 协议控制器的设计与实现 a p c 去调度一个连接，发送开始。a a l 5 协议控制器根据该连接号从t c t 中读取 该连接的表项( 包含该连接对应的t x b d 表的信息) ，然后打开第一个b d 发送数 据，每次发送一个信元。 在发送a a l 5 信元时，依次从b d 所指向的缓存中读出4 8 字节，加上信元头， 然后通过u t o p i a 接口将信元发送出去。其中，这里添加的信元头只有前4 字节， 其值由t c t 中的信元头字段结合t x b d 中的c l p 、c n g 域共同决定，h e c 字段 则是由物理层添加的，这里只为其预留比特位。在从l 层，根据a a l 5 协议在 c p c s p d u 净负荷后添加所需的填充( p a d d i n g ) 和尾部，并在一帧的最后一个信 元中发送。c p c s p d u 的尾部包括c p c s u u + c p i 、c p c s p d u 净负荷长度和3 2 位c r c 校验。2 字节的c p c s u u + c p i 域可由用户指定，若未指定则置为零。通 过将信元头p t 域中最后一个比特位置l 来表示a a l 5 帧的最后一个信元。只要 有连接被调度，则持续轮询该连接所对应的b d 表，如有数据发送则重复上述过 程。发送过程中，若遇到发送缓存未准备好的情况，如果一帧发送已经开始，则 发送该帧的最后一个信元，尾部长度域置0 ，表示放弃本帧发送( a b o r t ) ，并且关 闭该连接；否则让a p c 再重新调度一个连接进行发送。在一帧发送期间b u f f e r 未准备好或者一个b u f f e r 中的数据发送完时，对应事件插入中断队列，向主处理 器发出中断请求。 主处理器通过将t c t s t p t 】( s t o pt r a n s m i t ) 置位可以关闭对应连接，该连接 被移出a p c ，不再对它进行调度。如果想再次激活该连接，需要由主处理器再发 送a t mt r a n s m i t 命令将该连接插入a p c 。 3 1 2 接收过程 在接收使能i j ，先对a a l 5 协议控制器进行初始化，并创建接收数据结构。 为每个a t m 连接分配一个r x b d 表。在接收过程中可静态也可全局分配缓存， 静态分配指每个b d 对应的缓存是固定的，全局分配即从一个全局缓存池中取出 有效的缓存分配给不同连接对应的b d 。 在传输信元之前，通过u t o p i ai i 信元级握手进行数据传输。当p h y 将接 收信元信号r x c l a v 置为有效时，表示在p h y 的接收f i f o 中有一个完整的信 元等待a a l 5 协议控制器接收，则此时接收过程开始。控制器从u t o p i a 接1 2 1 读 取一个完整的信元，将信元头中的v p i n c i 送入连接标识映射单元进行匹配，如 果匹配失败，则丢弃该信元；如果匹配成功，则得到该连接对应的连接号，利用 连接号在接收连接表r c t ( r e c e i v ec o n n e c t i o nt a b l e ) 中找到与该连接对应的 r x b d 表的相关参数。同时检查信元头的c l p 、c n g 和是否最后一个信元位，为 l 时将r x b d 中的相应位置l 。 在接收a a l 5 信元时，控制器将4 8 字节的有效载荷复制到当前b d 指向的缓 第三章a a l 5 协议控制器工作原理 存中，并计算整个c p c s p d u 的3 2 位循环冗余校验c r c 。当最后一个a a l 5 信 元到达时，接收器从c p c s p d u 尾部提取出各域，校验帧长度，检查c r c 3 2 和 c p c s u u + c p i 域，并置相应的r x b d 状态位。然后将该信元复制到相应的缓存 中，包括其中的填充和a a l 5 尾部。 在接收一帧的过程中，若遇到没有缓存可用的情况，则将r c t i n f 清零，控 制器进入空闲状态，并丢弃属于当前帧的所有后续到达的信元。且仅当该帧的最 后一个信元到达后，控制器才将r c t i n f 置1 ，又可以打开新的缓存，接收下一 帧的信元。在接收b u f f e r 忙、当前b u f f e r 接收完数据和一帧数据接收完的情况下 发生中断，并插入到中断队列中。 3 2a p c 单元工作原理及其设计 a p c 单元基于流控参数进行调度，因而实现了业务的流量控制。其主要目的 是确定下一个有数据要发送的连接。a p c 调度时用到的参数有： 每个a t m 连接的带宽； a t m 通信速率峰值信元速率( p c r ) ，持续信元速率( s c r ) 和最小 信元速率( m c r ) ； 优先级实时业务( 如c b r ，v b r 1 玎) 安排在高优先级发送，非实时 业务( 如v b r - n r t , a b r ，v b r ) 安排在低优先级发送。共设有8 个优先 级可供使用。 a t m 协议支持的业务类型包括c b r 、v b r r t 、v b r n r t 、a b r 、u b r 和 u b r + 。如表3 1 所示，a t m 论坛定义了各种业务类型对应的通信量参数和优先 级。 表3 1a t m 业务类型 业务类型 信元速率实时二i b - 实时 优先级 c b rp c r 实时l ( 最高级) v b r r tp c r ，s c r 实时 2 v b r - n r tp c r ，s c r 非实时 3 a b rp c r 非实时 4 u b i hp c r ，m c r 非实时 5 u b rp c r 非实时6 ( 最低级) a p c 单元由两个部分组成：存于d p r a m 中的a p c 数据结构和基于这种数 据结构的信元发送连接调度算法。 3 2 1a p c 数据结构 a p c 数据结构( 如图3 2 所示) 包括三个部分：与每个p h y 相对应的a p c 参数表、a p c 优先级表和与每个优先级对应的连接调度表。 1 4a a l 5 协议控制器的设计与实现 a p c 参数表a p c 优先级表a p c 调度表 p h y # o 优先级1 一 优先级1 调度表 l 参数表 刁 优先级2 一 优先级2 调度表 i p h y # l 参数表 优先级3 一一1 优先级3 调度表 i 州州 优先级4- t优先级4 调度表 i 优先级5 一一一 优先级5 调度表 i 优先级6 叫 优先级6 调度表 i 优先级7 优先级7 调度表 l n tt r h i 抖川l 参数农 j 优先级8 一 优先级8 调度表 l 图3 2a p c 数据结构 3 2 1 1a p c 参数表 a p c 参数表的基地址由参数a p c p b a s e 给出，它指向p h y # 0 的a p c 参 数表。对于多p h y 模式，每个p i t y 的表结构是一样的，每张表占3 2 字节。每个 p h y 的a p c 参数表起始地址是a p c pb a s e + p h y # 3 2 。a p c 参数表的主要参 数如下： a p c lf i r s t ：该p h y 的第一个优先级表的入口地址。 a p c ll a s t ：该p h y 的最后一个优先级表的入口地址，初始化为 a p c lf i r s t + 8 ( 优先级的数目一1 ) 。 a p c lp t r ：