（通信与信息系统专业论文）atm接入平台的研究与实现.pdf

创新性声明 y0 s 2 _ 2 8 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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已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。 本人签名： 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舰定，即：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) 本人签名： 导师签名： 肆碰埋l 鲴鳢 日期：丝2 拿至冒2 丑 日期：( 如- 0 2 口7 摘要 摘要 ( 结合国家九五预研“a t m 用户接入设备”的工作和8 6 3 计划中“实用化综合 接入系统”项目，) 本文研究了用a t m 技术实现多业务接入平台所需的关键技 术。应用这些技术，在此8 6 3 项目中搭建了一种由两种设备c o t 和r t 组成 的基于环形拓扑的接入平台。这些技术包括基于s d h s o n e t 的信元传输技术， a t m 层的复接分接技术，信流管理和拥塞控制技术和各种各样的物理接口技 术。通过描述信元流在系统中所经过的各个机制单元，文中介绍了设计和实现的 各种模块和接口。为了使所选用的芯片集能适合我们的应用环境，系统中设计了 一种接口转换电路并对信流机制如何配置进行了探讨。给出了一些初步的测试结 果，最后就所建的a t m 平台的某些问题进行了讨论。 关键词： a t m 接入平台信流管理机制接口转换 2 a t m 接入平台的研究与实现 a b s t r a c t b a s e do nt h ef o r m e rw o r ko fa t mu s e ra c c e s se q u i p m e n t ，k e yt e c h n o l o g i e so fa t m m u l t i s e r v i c ea c c e s sp l a t f o r ma r er e s e a r c h e d w i t hac o m b i n a t i o no f t h e m ，ap r a c t i c a l i n t e g r a t e da c c e s ss y s t e mj se s t a b l i s h e di no r d e rt oc o m p l e t et h en a t i o n a l8 6 3h i t e c h r e s e a r c h p r o j e c t t h e s et e c h n o l o g i e sr a n g e f r o ma t mp h y s i c a lt r a n s m i s s i o no v e r s d h s o n e t ，a t m c e l lm u x d e m u x ，t r a f f i cm a n a g e m e n ta n d c o n g e s t i o nc o n t r o lt o v a r i o u sp h y 7 s i c a li n t e r f a c e s t h ei m p l e m e n t e da c c e s ss y s t e mc o n s i s t so ft w ot y p e so f e q u i p m e n t c o ta n dr t , a n di sc o n f i g u r e d 丑saa t m v p r i n g t h em o d u l e sa n d i n t e r f a c e si nt h ei m p l e m e n t a t i o na r ep r e s e n t e dw i t had e s c r i p t i o no fw h a tm e c h a n i s m s w o u l db em e t b y at r a f f i ci n t ot h es y s t e m a n i m p o r t a n ti n t e r f a c et r a n s l a t i o nc i r c u i t a n d c o n f i g u r a t i o no f t r a f f i cm a n a g e m e n tm e c h a n i s mi sa d o p t e dt oa p p l ys i m p l yt h es e l e c t e d i cc h i p si n t oo u r s p e c i f i ce n v i r o n m e n t s o m ep r e l i m i n a r yt e s tr e s u l t sa r ep r o v i d e d ，a n d s o m e p r o b l e m so f t h ei m p l e m e n t e da t mp l a t f o 姗a r ed i s c u s s e di nt h ee n d k e yw o r d s ：a t m a c c e s sp l a t f o r mt r a f f i cm a n a g e m e n tm e c h a n i s m i n t e r f a c et r a n s l a t i a n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 网络技术与市场现状 社会和经济的发展使人们对通信的要求在不断提高，通信技术的进步又反过 来刺激着这种需求。通信网络直接决定着用户通信的范围、费用、可靠性和通信 方式。 当今最有影响力的通信网络是电信网、因特网( 计算机互联网) 和广播电视 网。电信网以经营传统话音业务起家，经历了长时间的发展，拥有占统治地位的 直接用户和电信基础设施。目前，电信网正在不断进行技术改造和设备更新，以 适应移动用户的大规模增长和数据业务需求的增加。有预测认为，到2 0 0 5 年，全 球移动电话用户和因特网用户将双双突破十亿，并成为电信运营商的主要收入来 源。广播电视网拥有庞大的用户群，有线电视网的普及，光纤和同轴电缆的宽带 传输性能，使以前纯粹从事电视广播业务的经营者拥有介入交互通信的巨大潜 力。这在技术上已经不存在障碍，事实上，国内许多有线电视网络已经做好了这 方面的准备，一旦政策放开，他们能够很快的为用户提供包括话音、因特网接入 之类的交互式通信服务。 因特网是现在人们所熟知的世界上最大的计算机互联网，它的发展后来居 上，并且对前两者产生了巨大的影响。因特网服务供应商，内容供应商和普通用 户都是电信网和广电网努力争取的用户。几乎所有的计算机操作系统都支持互联 网所采用的通信协议t c p i p 协议，并提供丰富的应用编程接口( a p i ) ；因 特网上已经拥有了大量的服务供应商、内容供应商、应用软件和用户；虚拟专用 网、电子商务、信息共享已经带来了实实在在的效率提升。所有这些因素使因特 网的发展不可遏制，成为最有希望为用户提供综合业务的网络。再建一个与其相 匹敌的网络是不可能的，因特网将主导网络的演变。为了提供话音、图像、实时 点播、多媒体交互通信等服务，因特网正在试图为用户提供有质量保证的服务 ( q o s ) 。 可以看出虽然三网合一已经少有人提及，但目前三大网络的发展趋势确实是 以因特网为主导的相互融合。经营者一方面努力保持自己传统的经营范围，另一 方面迫于竞争的压力不断渗入对方的领域。三网各具所长，它们相互交叉的领域 会在今后几年不断扩大。很快我们就能看到，一个普通用户通过电话线到某个因 特网站点点播自己喜爱的影视节目，然后经过有线电视电缆下载或实时播放的情 形。 6 a t m 接入平台的研究与实现 接纳更多用户，承诺更高带宽的坚实基础是近年来光通信技术的突破性进 展。密集波分复用技术( d w d m ) 可以使基础光纤设施的带宽指数倍增，每波长 2 5 g b p s ，每光纤1 6 或3 2 波长的技术已经开始应用，预计可应用的目标是每波长 达到4 0 g b p s ，每光纤2 0 0 波长。这一领域最引人注目的发展方向是全光网应 用光交换机取代成为瓶颈的电交换节点。美好的前景使很多人认为类似i p 这样 的网络层协议可以直接运行在光物理层之上，省去中间层的开销，甚至可以以波 长为单位提供给用户。更多的人依然认为，即使带宽的费用在下降，也远没有达 到任意取用的地步。利用a t m ( 异步转移模式) 和s o n e t s d h ( 同步转移模式) 来合理的管理和充分利用d w d m 的带宽仍然是必要的，如图卜1 。 m ，其他应用 a n v i s d h d w d m 图i 1a t m 的应用 1 2a t m 技术的特点及应用 异步转移模式( a t m ) 最初是c c i t t ( i t u t ) 为实现宽带综合业务数字 网( b i s d n ) 而提出的一种传输和交换技术。它兼具电路交换和包交换的优点， 采用长度为5 3 个字节的定长包称之为信元，其中包括5 个字节的标头和4 8 字节的载荷域，用于承载业务。通过定义不同的a t m 适配层( a a l ) 功能来提 供针对不同业务特性的服务能力。a t m 一般利用光纤和s o n e t s d h 技术来进行物 理传输。 a t m 技术具有如下的特点： a t m 是一种统计时分复用技术，提高了带宽的利用率，同时带宽分配十分灵 活，可支持各种速率甚至变速率的业务 由于采用了长度不大的定长包格式，利于用硬件实现快速包交换 能够支持多种业务，根据业务区分，进行不同的适配，提供不同的服务质量 保证 a t m 是一种面向连接的技术，用户只有在建立连接之后才能进行通信，有利 于流量管理和拥塞控制 第一章绪论 7 a t m 的高速度已经在骨干网络中得到应用，电信运营公司和i s p 用a t m 来 实现核心交换和传送设备：在网络边缘，a t m 也被作为不同业务的汇聚技术而受 到重视，作为一种多业务平台，a t m 可以把a t m 业务，帧中继业务( f r ) ， p s t n ，i p ，n i s d n 和x 2 5 等业务汇聚传送到公网上。目前还没有哪一种协议能 像a t m 那样很好的提供多业务、多速率的支持能力。 1 3 实用化宽带接入平台的引入 骨干网的发展速度超过了接入网，因为骨干网络上的问题相对容易界定并集 中处理。用户希望用速度更快、带宽更大、价格更低的方式接入骨干网络，享用 骨干网络发展带来的好处。但把现有的用户环线全部进行宽带化更新是不可能 的，利用电信和有线电视的基础设施进行改造是可行的办法；即使可以投入大量 的资金铺设新的宽带用户接入线，也有多种宽带技术可供选择，而且从经济上考 虑，现有的接入网资源也不应很快废弃。必须发展一种综合式的接入系统以适应 这种需求：它能够为潜在的用户分配足够的带宽；能够接入传统业务和新出现的 业务；能充分体现新近涌现的接入技术的优势，并能为可能出现的接入技术和业 务留有余地；能提供一种统一、简便的网络管理能力，以可以接受的费用效率比 ( c o s te f f i c i e n c y ) 增加系统的可用性，可靠性和扩展性；系统应该适应骨干网络 的发展。 在这样的背景下，国家8 6 3 计划3 1 7 主题提出了研制“实用化综合接入系 统”的重大课题。该课题的目标是建立一个能支持多种用户业务的实用化宽带接 入系统。能完成p o t s 、n i s d n 的b r i ，p r i 、f r 、d d n 、a d s l 和1 0 1 0 0 m b a s e t 等用户业务的接入。整个系统由两种设备，即业务接入点僻卜远端设备) 和业务分配点( c o 卜局端设备) 。l i t 主要完成对各种业务的接入功能和多业务 的复接分接功能，不包括业务问的交换以及信令的处理。c o t 主要完成不同接入 网之间业务的复接和分接功能，同时它负责用户的连接管理和网络的资源管理。 系统可以配置成环形或者星形。项目要求设计的系统具有支持8 个环的能力，每 个环最多可挂按8 个r t ；物理传输采用s t m 4 ，速率为6 2 2 0 8 m b p s ，并提供双 环冗余备份功能；为提高接入网传输资源利用率，环上的各种业务需采用分组传 送方式，整个环路的传输带宽能够进行动态分配，由环路上的多个r t 共享。 上海贝尔公司承接了这一课题，并邀请我校i s n 国家重点实验室a t m 研究 组作为合作伙伴，使作者有机会参与了该项目，我们称之为“宽带综合接入系 统”b i a s 。在此之前，作者曾参加了国家九五军事预研重点项目“区域机动 通信网用户接入设备研究”的调试工作。该项目已于去年通过鉴定。 a t m 接入平台的研究与实现 通过分析，我们认为应用a t m 技术可以很好的达到课题的要求。总体设计 将主要的单业务的多用户接入设备和实现业务汇聚、传输、分配的综合接入网络 分离开来。我们负责设计并实现核心的a t m 综合接入环网。通过用户接入设备 的集线功能使大部分业务，如f r ，d d n ，b r i ，p r i 等对综合接入环网呈现为e 1 接口。在r t 和c o t 上都提供了以太网的1 0 0 1 0 b 骶e t 接口。环上还为a d s l 的 接入复用器( d s l a m ) 和其他设备提供了s t m 1 的光接口。作者所完成的工作 是设计实现了整个系统的物理层和a t m 层功能( 除了交换结构部分) ，为达到 系统目标提出并改进了一些设计方案。这些工作使系统能够在管理面的配合下， 对经过适配的具有不同特性的a t m 用户信息流提供有q o s 保证的服务。从这一 点上看来，作者的工作就是实现a t m 多业务接入平台，为整个b i a s 系统的a t m 环网提供基础功能。图1 2 示出综合接入系统的基本组成，系统是按照环形拓扑 来实现的，但是底层平台可以支持星形或者网形的配置。 图1 - 2 综合接入系统的组成 第二章a t m 平台关键技术 第二章a t m 平台关键技术 9 本章先简要介绍a t m 的协议参考模型和各层功能划分，在此基础上讨论a t m 平台的核心技术。物理层的传输技术、a t m 层的复接分接技术、信流管理和拥塞 控制是a t m 平台向上提供服务能力的关键。其中信流管理是本章讨论的重点。 后面章节中更深入的讨论将围绕这些技术展开。 2 1a t m 协议参考模型( p r m ) 参考o s i r m ，i t u t 制订了a t m 的协议参考模型( p r o t o c o lr e f e r e n c e m o d e l - - p r m ) 。协议参考模型明确界定了各层应该实现的相对独立的功能。对 p r m 的理解有助于我们应用模块化方法设计b i a s 系统。 2 1 1a t m 的协议参考模型 o s i r m 主要针对包交换的数据网络。a t m 使用信元交换方式，与包交换没 有质的不同。a t m 包括传输和交换，相当于o s i r m 中的数据链路层和物理层的 功能。a t m 可以分为3 个基本的层次：a t m 适配层( a a l ) ，a t m 层和物理层 ( p h y ) 。但p r m 是对用a t m 技术构建的宽带综合业务数字网( b i s d n ) 的 功能划分，这与一个采用分组方式的数据业务网毕竟不同：它要针对从实时到非 实时的业务范围、考虑与非a t m 网络的互连、并要处理面向连接的控制协议。 这种区别使p r m 在分层协议的基础上引入了面的概念。 图2 - la t m 协议参考模型 0 a t m 接入平台的研究与实现 图2 1 给出a t m 的协议模型。它分为用户面、控制面和管理面。用户面和 控制面在高层和a a l 层是分开的，它们共用相同的a t m 层和物理层。表2 - 1 显 示了各层协议的进一步划分和应该实现的功能。 表2 1p r m 的各层功能 层子层功能 应用 高层传送层和网络层协议( 如t c p i p ) a t m 信令协议 高层p d u 转换 a a l 层c s高层p d u 定界 为高层提供的服务 s a r分段和重装 信元标头产生提取 信元交换 a t m 层信元复接和分接 信元v p i ，、，c i 的转换 信元速率解耦 m a c 层一般流量控制( g f c ) 信元速率解耦 物h e c 产生校验 t c 信元定界 理传输结构适配 传输结构生成恢复 层 比特传输，比特定时 p m d线路编码，光电转换 物理媒介 注： c s 汇聚子层s s c s 业务特定c s c p c s 共同部分c ss a p 分段与重装 a t mf o r u m 定义的参考模型中a t m 层可以完成信元速率解耦功能 “在u n i 为可选层，当物理层使用共事媒质时使用，详见参考文献1 4 18 2 2 节 第二章a t m 平台关键技术 t c传输汇聚子层p m d 物理媒介相关子层 擞溅瀑分为两个子层：传输汇聚子层( t c ) 和物理媒介相关子层( p m d ) 。p m d 子 层负责通过物理媒介向t c 子层提供比特传输能力，包括比特传输和比特定时。 p m d 还可以包括线路编码、调制解调和光电转换等直接和物理媒介相关的功能。 通过p m d 的这些功能，t c 子层将a t m 信元装载到物理传输帧中，以比特流的 形式交给p m d 加载到物理媒介上。t c 子层的存在使a t m 可以利用各种传输媒 介，如双绞线，同轴电缆，光纤等，做到与媒介无关。t c 子层的信元速率解耦 功能通常通过插入和提取空闲信元( i d l ec e l l s ) 来实现。利用这种方法来适配 a t m 层与物理层之间的信元速率与传输系统运载能力之间的差异。t c 还负责在 发送时产生信元头中的h e c 域并在接收时进行校验，标头错误且不可纠的信元 将被丢弃。光纤是a t m 理想的物理传输媒介，因为它不仅带宽高，速度快，误 码率低而且有成熟的传输体系结构( 即s d h s o n e t 体系) 可以利用，下一章中 讨论的物理层模块即以此实现t c 子层的功能。 瓣鬻溷的功能直接决定平台支持多业务的能力。信元的复接和分接可以看作 n ：m ( m n ) 的特殊类型的交换。多条来自不同的高层应用甚至具有不同的信 流特性的连接可以通过a t m 层汇聚起来，向物理层提供一种类型的s d u 。信元 v p i v c i 的转换一般在信元交换时进行。n ：n 的交换功能( s w i t c h i n g ) 也属于 a t m 层，但对它的讨论不在本文的范围。a a l 层至a t m 层的业务数据单元 ( a t m - s d u ) 是4 8 字节的净荷，信元标头产生和提取要在a t m 层中完成。信 元区分功能的主要作用是在a t m 层标识不同类型的信元。利用标头中的p t i 值 和v p i v c i 值，可以区别用于不同的控制和管理功能的信元和载有用户信息的信 元。另外，a t mf o r u m 规定的分层模型中，a t m 层可以加入信元速率解耦功 能，因为在有些u n i 接口上，a t m 层和物理层之间的接口也是恒定速率的。 a t m 层速率解耦是通过插入和提取未指派信元( u n a s s i g n e dc e l l s ) 来完成的。丢 失优先级指示( c l p ) 用于选择性信元丢弃以及信流管理和拥塞控制，放在后面章 节讨论。 藕黼用以适配各种应用，共分为四类：a a l l ，a a l 2 ，a a l 3 4 和 a a l 5 ，分别对应不同类型的应用，在这里不再深入研究。 要注意到的是用户面( u s e r p l a n e ) 和控制面( c o n t r o lp l a n e ) 在a a l 层以下 是没有区别的，用户信元和控制信元都是a t m 层的p d u 。a a l 层以及更高层才 分为用户面和控制面。用户面要实现端到端的用户信息传送，这需要一系列协 议，这些协议总是在预先建立好的v p 或v c 连接上执行，其中包括信流管理、 拥塞控制和一些错误恢复功能。在a t m 用户端点要实现图2 - 1 协议参考模型中 用户面所有各层的功能，而在交换节点( 或称转移点) 只需要完成物理层和 1 2 a t m 接入平台的研究与实现 a t m 层的功能。控制面( c o n t r o lp l a n e ) 的功能是呼叫连接控制，通过信令协议 实现交换虚连接( s v c ) 的建立、维持和释放。管理面( m a n a g e m e n tp l a n e ) 分 为层管理( l a y e rm a n a g e m e n t ) 和面管理( p l a n em a n a g e m e n t ) ，层管理对应各 层实体，面管理不分层，负责各面的协调和系统管理。 2 1 2 信元格式中各功能域与各层协议的映射 在分层体系结构中，层间交互的数据单元被称为业务数据单元( s e r v i c ed a t a u n i t s d u ) ，实现本层协议的数据单元称为协议数据单元( p r o t o c o ld a t a u n i t ) 。各层的功能实体所操作的数据对象就是p d u 中的各个功能字段。数据对 圈2 2 信元字段映射 象的定义对应着加在它之上的操作，在a t m 中，了解信元中各字段的操作层次 有助于深入理解它的体系结构和各层功能。图2 - 2 表示了信元格式中各功能域与 各层协议的映射关系。p a y l o a d 只被a a l 层处理；h e c 用于物理层；g f c 用于 m a c 层，如果有的话；其余字段用在a t m 层。 2 2a t m 信流合约与服务类别 a t m 要为信流提供有质量保证的服务( q u a l i t yo fs e r v i c e q o s ) ，要尽量 提高网络的有效吞吐率，同时必须能够监测和控制网络的状态以避免陷入拥塞， 这些都需要有适用的措施。采取措施的依据是连接建立时用户与网络预先达成的 服务约定，称为信流合约。采取何种措施和信流特性有紧密的关系。为此，i n j - t 和a t mf o r u m 都进行了u n ! 接口中a t m 层所提供豹服务的分类工作，将能提 第二章a t m 平台关键技术 供类似的q o s 保证的服务划分为一类，类中的信流可以采用相同的信流管理机 制，通过不同的q o s 参数和信流参数来指定。 2 2 1 信流合约 作为a t m 信流管理的基本组成部分，信流合约在a t m 层规定了源信流的特 性以及该应用的q o s 要求。一条连接的信流合约包括连接信流描述语和一套相应 的q o s 参数。 2 2 1 1信流参数和源信流描述语 在a t m 层，源端的信流特性由信流参数来指定，这些参数用来在连接建立 前达成用户和网络都必须遵守的信流合约。信流参数的制定应该符合以下要求： 应该是端系统可以理解的，并要能进行符合性测试 对制定符合网络性能要求的资源分配策略有所帮助 能够被u p c 约束 a t mf o r u m 在t m 4 0 中制订的信流参数包括峰值信元率( p e a kc e l lr a t e p c r ) ，可维持信元率( s u s t a i n a b l ec e l lr a t e s c r ) ，最大突发长度 ( m a x i m u mb u r s ts i z e - - m b s ) 和最小信元速率( m i n i m u mc e l lr a t e m c r ) 。 峰值信元率p c r 表征信源能发送出的最大速率，以每秒发送多少信元计。可 维持信元率s c r 则相当于信源能发出的平均速率，也以每秒信元计数。最大突发 长度m b s 表征源端以峰值速率连续发送信元的最大个数。最小信元速率m c r 只 在a b r 业务中应用，表示一条a b r 连接应得到的最小带宽保证。m c r 可以设 为0 ，即网络无需做出带宽承诺。所有这些信流参数的集合称为“源信流描述 语”( d e s c r i p t o r ) ，信流描述语的实例，即某个信源产生信流的量化参数值，构 成对该信流的描述。 一种连续状态漏桶算法被用来监测流量。我们可以设想一个以速率r 滴漏的 有固定容积k 的水桶，当监测信流是否符合p c r 参数时，源端产生的信流灌入 这个假想的桶中，当信元率小于等于r 时，漏桶不会溢出，当信元率大于r 时， 漏桶的水位逐渐增高，当插过k 时就会溢出，从而知道信流中的一些信元没有守 约。漏桶的容积k 表征了允许信流中信元“聚拢”( c l u m p i n g ) 的程度。这种算 法也用于p c r 和s c r 的监测虚拟漏桶算法又称为通用信元速率算法( g e n e r i c c e l lr a t ea l g o r i t h m g c r a ) ，它也可以用流程图表示。g c r a 算法的实例表示 为g c r a ( i ，l ) ，参数i 表示增量，对应速率；l 表示限量，对应容限。详见 t m 4 0 1 6 1 。对违约信元可以作不同的处理，或者立即丢弃，或者打上违约标记( 令 c l p = 1 ) ，当网络发生拥塞时予以丢弃。 1 4 a t m 接入平台的研究与实现 一个辅助的参数突发容限( b u r s tt o l e r a n c e b t ) 也经常用到，它表 示信流以最大速率p c r 连续发送的时间，超过这个时间发出的信元会被认为是违 约的。b t 可用下式得到： 连接信流描述语从总体上描述一条a t m 连接的特性。因此在源信流描述语 之外，增加了信元时延抖动容限( c e l ld e l a yv a r i a t i o nt o l e r a n c e c d v t ) 和信 元与连接守约( c e l lc o n f o r m a n c ea n dc o n n e c t i o nc o m p l i a n c e ) 的定义。 信元时延抖动容限c d v t 指定了a t m 网络所能容忍的信流以超出p c r 速率 进行发送的上限。虽然信源会采取一些措施( 如整形- - s h a p i n g ) 来改变信流的特 性，但经过转接点之后( 主要是由于缓存和复接) ，信流时延特性会发生变化。 c d v t 表征了信流中信元的“聚拢”程度。在定义p c r 监测的漏桶算法中， c d v t 正比于漏桶容积。 网络必须知道一条连接是否守约。在t m 4 0 中，应用双漏桶算法来逐个信元 地判断产生的信流是否符合合约中p c r 和s c r 的规定，这称为使用参数控制 ( u p c ) 。一条守约连接并不要求其中所有信元都遵守合约。而网络必须保证守 约连接的q o s 。 2 2 2 服务类别及其q o s 要求 a t m 应用业务的范围过于广泛，其信流特性之间存在着很大差异，而且新的应 用层出不穷。提供一种机制来适应所有应用的q o s 要求是十分困难的，合适的办 法是用有限的业务类别来涵盖整个应用空间。 2 2 2 1 q o s 参数 q o s 参数用来向a t m 层表示高层应用的q o s 要求。终端在请求建立一条连 接时，应该将q o s 参数和信流参数一起提交给网络。连接建立以后，网络将不断 地监测该信流是否遵守着建立连接时签订的信流合约，以决定是否有必要保证它 的q o s 。q o s 参数包括最大信元转移时延( m a x i m u mc e l l t r a n s f e rd e l a y _ m c t d ) ，信元时延抖动峰峰值( p e a k - t o - p e a kc e l ld e l a yv a r i a t i o n c d v p p ) ， 以及信元丢失率( c e l ll o s sr a t i o c l r ) 。 最大信元转移时延m c t d 定义为信元进入源端u n i 到离开目的端u n i 所用 的时间，即信元转移时延( c t d ) 的最大值。m c t d 包括线路传输时延，交换时 弦 上胀 岵一 一 一 砑 他勉 第二章a t m 平台关键技术 1 5 延和排队时延。m c t d 结合统计置信度来表征q o s 要求。当置信度为1 一a 时，表 示信流中的信元所经历的转移时延以1 一a 的概率不超过给定的m c t d 。 信元时延抖动峰峰值c d v p p 用以界定a t m 网络所引起的时延变化，定义为 某条连接中所有信元所经历的时延( c t d ) 之差的最大值。这种定义又被称为 “两点”信元时延抖动( t w o p o i n tc d v ) ，因为c t d 是从网络上的两个测量点 上得到的。它等价于最大c t d 减去最小c t d 。 信元丢失率c l r 指明连接保持期间信元丢失的概率。c l r 等于在连接保持 期间丢失的信元数和传送的全部信元数的比值。 2 2 2 2 服务分类与性能要求 i t u t 曾经根据应用的特性将业务分为4 个类型：a ，b ，c ，d 。这种分类 最初是希望能制订出相应的适配功能，并不能准确地描述业务特性。因此，一种 新的服务模型被采用，这种模型只由信流参数和q o s 参数确定。这些参数用于在 用户和网络之间建立信流合约。通过量化了的参数，所有的应用都可以表示为这 些参数的某种组合。但是，用这种纯粹由参数表示的方法也无法定义出一套单一 的信流管理机制( t mm e c h a n i s m ) ，对应用空间上从实时到非实时，从流型 ( s t r e a m ) 到块型( b l o c k ) 的所有应用都给予有效的支持。所以，引入了服务类 别的思想，将所有的应用划归若干服务类别，针对每种服务类别可以制订一套相 应的t m 机制。 t m 4 0 一共定义了5 种服务类别：恒定比特率( c b r ) ，实时可变比特率 ( r t v b r ) ，非实时可变比特率( 埘v b r ) ，未定比特率( u b r ) 和可用比特 率( a b r ) ，每种都有各自的信流和q o s 特性。见表2 2 。 表2 - 2a t m 服务类别与属性 a t m 层服务类别 属性c b rr c v b rn n v b ru b ra b r p c r ，指定指定指定 信流参数c d v t 8 c r 。 m b s ，不适用指定不适用 c d v t m c r不适用不适用指定 1 6 a t m 接入平台的研究与实现 c d v p p 指定未指定 q o s 参数m c t d c l r指定 未指定 注 其它反馈未指定指定 所研制的b i a s 系统明确要求支持c b r 和a b r 业务。c b r 对信元时延、时 延抖动和信元丢失率要求高；用a b r 流控机制可以使网络可用带宽得到充分的 利用，在为用户提供公平服务的基础上，提高系统的有效吞吐率。后面还会讨论 这两种业务。 2 3a t m 的信流管理和拥塞控制 在讨论a t m 信流和q o s 参数和服务分类之后，我们进一步研究通过怎样的 机制来确保q o s 。总的说来，a t m 的信流管理机制和拥塞控制措施都服务于这 个目的。 2 3 1 信流管理 a t m 的信流管理可以分为两大类：基于连接的( c o n n e c t i o nb a s e d ) 信流管理 和逐信元的( c e l l b y c e l l ) 信流管理。它们分别从宏观和微观两个方面来管理信 流的行为。下面分别介绍他们所采用的措施。 2 3 1 1 基于连接的信流管理 基于连接的信流管理机制是在连接建立阶段在每个连接的基础上施行的。这 种机制适合于那些信流行为可以预见的应用，因为逐信元的行为可以在建立连接 时得到准确描述。基于连接的信流管理措施包括连接接纳控制( c o n n e c t i o n a d m i s s i o nc o n t r o l c a c ) 和网络资源管理( n e t w o r kr e s o u r c em a n a g e m e n t n r m ) 。 连接接纳控制连接接纳控制( c a c ) 用于在收到建立连接的请求后，网络 决定是否接受该请求。因此，c a c 要判断连接所经各点是否具有足够的资源来满 足待建连接的q o s 要求，如果有，还要在用户和网络之间建立信流合约。连接接 纳控制是保证网络资源不被过度使用，且已建的连接q o s 不被损害的关键，同时 也是一个难点。c a c 一般应用于建立s v c ( 多为实时流型业务) ，在建立p v c 时可以没有。 m 在a b r 源埔能根据网络控制指令调整速率时c l r 会很低是否定量给出与其体网络有关 第二章a t m 平台关键技术 1 7 网络资源管理a t m 网络有两个最重要的资源：带宽和缓存器。n r m 负责在 连接建立时将所需的带宽和缓存资源分配给应用，在沿通路的所有交换节点上管 理可用的带宽和缓存。c a c 判断是否有足够的资源来接纳新的连接也得靠n r m 提供的可用资源信息。n r m 还可以将属于同一种服务类别的应用信流汇聚到一 个v p 连接上进行管理，以简化信流管理机制。n r m 管理是基于连接的带宽和缓 存管理方法，它必须结合逐信元的相应方法才能对各种应用提供支持。 2 3 1 1 逐信元的信流管理 在连接建立之后，信流是否遵从建立时达成的合约，若不遵从需采取怎样的 强制措施，都要靠逐信元的信流管理来实现。逐信元信流管理的机制包括使用参 数控制( u s a g ep a r a m e t e rc o n t r o l u p c ) ，信流成形( t r a f f i cs h a p i n g ) ，调度 ( s c h e d u l i n g ) ，缓存管理( b u f f e rm a n a g e m e n t ) ，c l p 控制( c l pc o n t r 0 1 ) 和 反馈控制( f e e d b a c kc o n t r 0 1 ) 。这些方法在实现a t m 综合接入平台的工作中都 有涉及，下面分别做简要介绍。 使用参数控制u p c 的目的是防止不守约的连接影响其它守约应用的q o s 。 u p c 通过在u n i 接口上实现的一套警管( p o l i c i n g ) 机制来监视和控制源端提交 给网络的信流。对那些违约的信元，u p c 可以将其丢弃( d r o p ) 或采用标记 ( t a g ) 的方法降低它的丢失优先级( c l p ) 。在网络内部( n n i ) 也可以实现 u p c 功能，一般称为网络参数控制( n e t w o r kp a r a m e t e rc o n t r o l n p c ) 。u p c 可以用漏桶，平移滑窗或跳跃滑窗等多种方法来实现，前提是应达到t m 4 0 所给 的理论算法的性能1 2 1 。 信流成形是终端为了防止发出的信流由于超过信流合约的规定被网络丢弃而 对信元间隔进行的调整措施。信流成形所用的参数，如p c r ，可以根据网络的反 馈控制信息而动态的调整。在网络内部有时也要执行信流成形，因为经过复用点 之后，原先分布良好的信元流会产生“聚拢”( c l u m p i n g ) ，不再符合合约。信 流成形可以采取的方法包括缓冲，留空( s p a c i n g ) ，调度，成帧等，有时是这些 方法的组合。成形是保证信流q o s 的关键措施。 调度( s c h e d u l i n g ) 是逐信元的带宽分配措施，一般在交换节点的输出端口 处执行。当有多个输出到该端口的属于不同连接的信元需要发送时，调度算法实 时地决定将输出端口的信元时隙分配给哪一个。调度算法必须保证那些对带宽有 严格要求的应用能获得足够的资源，而对那些采用尽力传送( b e s te f f o a ) 机制的 应用，调度算法应尽量使带宽在它们之间公平分配。最简单的调度算法就是先进 先出( f i f o ) ，多数基于包的数据网络都采用这种算法，但是由于所有的数据包 不加区别的排入队中，它不能保证q o s 性能。改进的方法是引入优先级机制。当 输出端口上只有两种类型的业务而且它们的q o s 要求相差较大时，如c b r 和 1 8 a t m 接入平台的研究与实现 a b r ，采用两级静态优先级调度算法可以使高优先级的业务q o s 得到保障。而同 不分优先级的机制相比，低优先级的q o s 只有少许的下降a t m 原理和应用 1 5 7 】。一般而言，可应用的优先级数目对应着可保证的q o s 级别。但是如果业务 类别之间的q o s 差别不大，静态优先级调度是无法提供良好支持的。此时可以使 用加权轮询调度算法( w e i g h t e dr o u n dr o b i n w r r ) 。w r r 循环服务所有输 出端的队列，在一个周期中每个队列接受服务的次数通过设置轮询权值来确定。 权值大的队列获得出端口信元时隙的频率自然高于权值小的队列。通过这种方法 在不同业务间分配带宽。在我们实现的a t m 平台中采用了这种方法。当然最好 的管理方式是采用每连接一个队列的方式，但这会引起管理的复杂性。 缓存管理同调度策略关系紧密。采用f i f o 方式调度，缓存肯定是采用先来 先存( f c f b ) 的策略，而分级调度一定对应分队列缓存。缓存管理的另一问题 是如何在缓存溢出，或将要溢出时丢弃信元。同样的丢弃方法在不同的应用看来 具有不同的意义：丢弃一个信元对流型( s t r e a m i n g ) 业务来说只损失3 8 4 比特的 信息“：对t c p 这样的应用，丢弃组成某一信包的信元中的任意一个都会在高层 引起整个信包的丢弃。因此对于后者，再传送该包中的其它信元已毫无意义，而 且会占用资源，引起系统有效吞吐率下降。最好是将发生信元丢弃的信包中的所 有信元一并丢掉。第五类适配a a l 5 中，用信元p t i 域中的一个比特标识了属于 某个c p c s 帧的最后一个信元，这为按包丢弃创造了条件。例如一种称为部分信 包丢弃( p a r t i a lp a c k e td i s c a r d p p d ) 的简单策略，是在发生缓存溢出时，从刚 到达的信元直到属于同一包的信元都会被丢弃。它的缺点是仍会保留部分无用的 信元。另一种方法称为早期信包丢弃( e a r l yp a c k e td i s c a r d e p d ) ，它是在判 断缓存将会溢出时，丢弃属于该包的所有信元。这种判断通过设置e p d 门限值来 实现。显然，e p d 门限值应该精心的选择以适应不同的应用场合，并且使获得的 效益足以抵消缓存有效容量降低带来的溢出概率增加。由于警管机制也可以丢弃 信元，因此也可以采用p p d 的方法，称为“按帧警管”( f r a m e b a s e d p o l i c i n g ) 。是否采用按帧警管可根据实现情况决定1 6 l 。 丢失优先级( c l p ) 控制被网络用来降低信流中信元的受保护程度。当网络 经历拥塞时，会通过丢弃信元来降低业务负荷。网络会首先丢弃低优先级的信元 ( c l p = 1 ) 。前面所讲的u p c 中对不符合信流合约的信元就可以采用降低优先 级的举措。 反馈控制用来管理那些信流特性难以预测的应用，这些应用在建立连接时所 定的合约并非在整个连接活动期间都可用。因此，引入了反馈机制使源端及时了 w 有的情况下会损失定时信息 一简单的分析衰明当倌元丢失率为p c 一包平均由n 个信元组成且1 1 值较大时，信包丢失牢p - 口1 1p e 第二章a t m 平台关键技术 解连接通路上的资源利用状况，使其及时调整发送信流以避免信元丢失和网络捌 塞。反馈信息可以由网络或接收端显式给出，在双向通信中，也可以由源端监测 反向信流特性隐式得到。前面提到的a b r 服务类别就是使用显式反馈方式来提 高网络资源利用率、保证服务公平性并提高有效吞吐率的。 从上面的介绍可以看出，这些信流管理措施之间有着紧密的联系。整个信流 管理机制在将这些措施有机的结合在一起之后，才能支持q o s 要求不同的、范围 广泛的业务。 2 3 3c b r 和a b r 的信流管理措施 c b r 业务和a b r 业务是项目明确要求系统支持的两种业务，前者主要用于 e l 电路仿真( c i r c u i te m u l a t i o n ) ，后者用来接入以太网业务( 通过a a l 5 ) 。结 合前面的内容，我们在这里将这两种业务可以采取的信流管理措施综述如下。 图2 - 3p c r 参考模型 a t m 接入平台的研究与实现 根据表2 2 ，c b r 业务在建立连接时向网络提供的信流参数只有p c r 和 c d v t ，网络为一条c b r 连接保证的q o s 为c d v p p 、m c d t 和c l r 。在信流进 入网络时，使用u p c 来检测p c r 和c d v t 是否被遵守。图2 3 是a t mf o r u m u n l 3 0 规范中给出的p c r 参考模型，模型指出了执行u p c 的位置。信流经过交 换节点后应当被重新整形，尽量消除节点引入的抖动。同其它业务相比，在输出 端口c b r 信流应当接收最高优先级的服务，以减少排队时延。而它在每个节点 所占的缓冲资