（通信与信息系统专业论文）路由器155mbs+atm网络接口的软件结构.pdf

上海交通大学硕士学位论文 路由器1 5 5 m b sa t m 网络接口的软件结构 摘要 异步传输模式( a 1 m ) 是基于b i s d n 标准的。许多年来，它凭 借其处理综合业务的特性和对服务质量的完备保障得到了全世界的 认可，得到了广泛地应用。虽然i n t e m e t 的蓬勃发展以及a t m 技术 本身的复杂性和高成本导致目前a t m 的发展趋于缓慢。但相对于 t c p h p 几十年的发展，它仍是一个相当年轻的技术。相信随着a t m 软硬件技术的日趋成熟，人们对服务质量支持的要求不断提高以及 a t m 与i p 的逐渐融合，a t m 技术会继续焕发其生命力。 本课题源于多协议路由器预研任务，继而又成为路由器产业化过 程的重要组成部分，是路由器中主要的高速端口之一。1 5 5 m b s a t m 网络接口软件设计的主要任务是研究a t mo nl i n u x 的实现，并在 l i n u x 的a t m 子系统下对自主开发的1 5 5 m b s a t m 网络端口提供软 件驱动支持。使其能满足多协议路由器异种网互连的功能以及达到小 区接入路由器端口所需的性能。 本文的主要内容大致分为三部分： 第一部分首先简单介绍了a t m 网络技术，包括b i s d n 协议模 型、a t m 支持的业务类别、q o s 参数以及i p o a 技术，然后概述了 在l i n u x 中提供a t m 支持的几项关键技术，包括a t m 信令系统、 第i 页 上海交通大学硕士学位论文 a t m a r p 等。 第二部分也是本文最重要的部分首先介绍了l i n u x 的模块编程特 点、设备驱动程序概念及一般网络驱动程序的结构，然后详细描述了 在l i n u x a t m 子系统下开发a t m 驱动程序的接口。最后进入主要的 驱动程序设计过程，先介绍自主开发的1 5 5 m b sa t m 网络接口的硬 件特点，然后细致分析了所开发的l i n u x 软件驱动程序的基本结构。 第三部分针对该1 5 5 m b s a t m 网络接口软硬件业务调度的特点 提出了一种可平滑c b r 业务量的信元调度方法，然后就l i n u x 作为 路由器操作系统可能导致的接收活锁问题，提出了一种较简便的解决 方法，并设计了一种将其应用于a t m 网络接口的方案。最后给出了 15 5 m b s 网络接口的性能测试结果。 关键词a t i do nl i n u x ，网络设备驱动程序，信元调度，接收活锁 第i i 页 上海交通大学硕士学位论文 s o f t w a r ea r c hlt e c t u r e0 f15 5 m b s a t mn e t w o r kin t e r f a c eo fr o u t e r a b s t r a c t a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( a t m ) i sb a s e do nt h eb i s d n s t a n d a r d f o ry e a r s ，i th a sb e e nr e c o g n i z e db yp e o p l ea l lo v e rt h ew o r l d f o ri t sc a p a b i l i t yo fp r o c e s s i n gi n t e g r a t e ds e r v i c e sa n dp r o v i d i n gag o o d q o sg u a r a n t e es ot h a ti t i sw i d e l yu s e dn o w a d a y s r e c e n t l yt h er a p i d g r o w t ho fi n t e m e ta sw e l la st h ec o m p l e x i t ya n dh i 曲p r i c eo fa t m t e c h n o l o g i e sh a v el e dt ot h es l o wa d v a n c eo fa t m b u tc o m p a r e dw i t h t h el o n gh i s t o r yo ft c p i p ，a t mi ss t i l lv e r yy o u n g w i t ht h eg r a d u a l m a t u r a t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r et e c h n o l o g yo fa t m ，w i t ht h e i n c r e a s eo f p e o p l e sr e q u i r e m e n to fh i g hq o sa n dw i t ht h ei n t e g r a t i o no f a t ma n di p , i ti sb e l i e v e dt h a ta t m t e c h n o l o g yw i l lc o n t i n u et ob l o o m s o f t w a r ed e s i g no ft h e15 5 m b sa t mn e t w o r ki n t e r f a c ei sr e q u i r e d b yt h em u l t i p r o t o c o lr o u t e rp r o j e c ta n dt h e ni tb e c a m ea ni m p o r t a n tp a r t o ft h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h er o u t e r i ti so n eo ft h em a i nh i 曲一s p e e d i n t e r f a c e so ft h er o u t e r t h em a i nt a s ko ft h i s d e s i g ni s t o s t u d yt h e t e c h n i q u e s o fb u i l d i n ga t ms u p p o r tu n d e rl i n u xa n d p r o v i d et h e s o f t w a r ed e v i c ed r i v e rf o r15 5 m b sa t mn e t w o r ki n t e r f a c e ，w h i c hw i l l 第i i i 页 上海交通大学硕士学位论文 m a k et h er o u t e rc a p a b l eo fi n t e m e t w o r k i n gw i t hh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k a tt h es a m et i m e ，i tm u s ta l s os a t i s f yt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n to ft h e p o r to f a na c c e s sr o u t e r t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ri si n c l u d e di nt h ef o l l o w i n g t h r e ep a n s ： ( 1 ) t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f a t m i nt h i sp a r t ，ab r i e f i n t r o d u c t i o n i sm a d ef o ra t mn e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n gb i s d np r o t o c o l m o d e l ，a t mt r a f f i cc l a s s e s ，q o sp a r a m e t e r sa n di p o a t h e nf e a t u r e so f a t mo nl i n u xs u c ha sa t m s i g n a l i n ga n da t m a r p a r ed e s c r i b e d ( 2 ) d e v e l o p m e n to ft h ea t md e v i c ed r i v e r c o n c e p t so fl i n u x m o d u l e sa n dd e v i c ed r i v e r sa r ed e s c r i b e df i r s t ，a n dt h e nad e t a i l e d i n t r o d u c t i o no fl i n u xa n d e v i c ed r i v e ri n t e r f a c e t h em a i nd i s c u s s i o n i sf o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h el i n u xd e v i c ed r i v e ro fa1 5 5 m b s a ：r mn e t w o r ki n t e r f a c e ( 3 ) t h eo p t i m i z a t i o no f t h es o f t w a r e i nt h i sp a r tt h ec e l ls c h e d u l i n g a l g o r i t h mi sd i s c u s s e df i r s tf o r t h es h a p i n go fc b r t r a f f i c t h e na s o l u t i o no f r e c e i v el i v e l o c ki nt h el i n u xr o u t e ri si n t r o d u c e da n di ti s m o d i f i e dt ob ei m p l e m e n t e du n d e ra t mo nl i n u x t h er e s u l to f p e r f o r m a n c et e s to f t h e15 5 m b sn i c i sp r o v i d e da tl a s t 第i v 页 上海交通大学硕士学位论文 k e yw o r d sa t mo i ll i n u x ，n e t w o r kd e v i c ed r i v e r ，c e l l s c h e d u l i n g ，r e c e i v el i v e l o c k 第v 页 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 ，、 保密功，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 己埙并 日期：幽口绰j 月涝日 指导教师签名：龇 日期础d 2 年f 月如日 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：弓缓彳 e t 期：矗。9 - 年1 月形日 上海交通大学硕士学位论文 1 1a t m 技术的发展前景 第一章绪论 i n t e r n e t 在过去几年得到了迅猛的发展，其中潜在的巨大的商业利益使许多 大公司和产业集团都愿意在i n t e m e t 上投入大量的人力和资金，i n t e r n e t 网络几乎 主宰了目前所有的数据通信业务，而且正逐渐向话音及视频业务渗透，已可以提 供一些基本的话音及视频服务。i n t e m e t 发展越快、越成功，对a t m 技术构成的 阻力越大，因为要人们放弃已经在i n t e r a c t 上所投入的大量的软硬件成本会变得 越来越困难。另一方面，由于a t m 技术的出发点是综合网络中的所有业务，因 此实现起来较其它技术复杂，设备成本高，同样的网络传输能力下，a t m 设备 的价格往往较以太网设备的高出数倍，这成了阻碍a t m 普及的一个重要因素。 尽管如此，a t m 却仍然在技术上具有其优越性。 以太网网络速度的提高在一定程度上缩小了消息包之间时延变化的范围，但 是由于包的长度是不固定的，长消息包和短消息包中承载的信息的打包时延差异 很大，从而限制了消息流通过网络的时延抖动的降低程度，同样地，i p 技术也 会引入较大的时延抖动，不适合于实时业务，尽管目前已经可以在i n t e m e t 提供 一些语音和图像业务，但其质量普遍较差，只有在网络带宽资源有较多冗余时， 才可以获得较为满意的服务质量。可见i p 技术无法满足实时业务的服务质量， 而只能以较低的带宽利用率来换取服务质量的提高，但由于i p 技术对资源分配 采用抢占的方式，抢的人多了，服务质量难免会降低，从而会出现质量时好时坏 的现象。a t m 则不同，固定长度的信元使各信元的打包和拆包时延基本相当， 较小的信元长度也有效地降低了打包和拆包时延，同时，a t m 从一开始就采取 各种方式保障业务的服务质量要求，只有在网络确认可以满足用户的服务质量要 求时，才会接纳用户的服务请求。为了弥补1 p 技术在服务质量方面的缺陷，人 们开始考虑在以太网以及t c p i p 协议中加入服务质量特性，一些机构开始或已 经进行了一些标准化工作，例如i e t f 的r s v p ( r e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议以及 i e e e 的正在制定中的i e e e 8 0 2 1 p 和i e e e 8 0 2 1 q 协议等，但是受i p 技术自身特 点的限制，这些协议的具体实现都较复杂，而且只有在端到端的所有节点上都提 供相同的q o s 功能时，才可以为连接提供q o s 功能，因此这方面的工作进展较 慢。总的说来，目前为i p 技术提供的q o s 功能都太简单，它们要么针对网络中 所有业务，要么基于简单分类，通过对缓冲区的特别操作来提供初级的q o s 功 能，而且许多技术目前仍属未公开技术，各公司问产品互通性差，在网络中的应 用效果还不明朗，相反a t m 中的q o s 功能要丰富得多，因为它针对每一个虚通 道( v c ) 提供不同的服务质量。 a t m 对信元中承载的消息不进行逐段纠错，而只由高层确认信息的完整性， 这一点是充分利用光纤技术发展的结构。相反，i p 技术由于在其开发初期，光 纤传输技术还不成熟，传输网络的差错率较高，而采用了逐段纠错的技术，这部 分功能随着光纤技术的发展已显得多余，但是以太网技术及t c p i p 协议已相当 成熟，其软硬件投资已很大，要彻底删除或更改这些功能已经不可能，只有仍将 其保留，这部分功能即使在网络速率和节点处理能力都大大提高的情况下仍是一 种浪费，且必然影响到网络传输效率。由于a t m 在中间节点上不负责检查业务 第1 页 上海交通大学硕士学位论文 的完整性，因此a t m 从本质上来说是简化了但是由于a t m 追求较高的网络 利用率以及提供了针对每个连接的q o s 功能，使信令和控制变得复杂，但是这 种复杂度的压力会随着软硬件水平的提高得到缓解，考虑到技术的进步，a t m 采用的用复杂度换取网络利用率的提高和功能的丰富是值得的，况且a t m 在管 理和信令方面采用了分几步走的策略，其复杂度会随着技术的发展逐步提高。 除此之外，a t m 还是一项开放的技术，它只对网络的低层作了定义，而在 高层不仅可以开发新的协议，而且可以沿用各种成熟的协议，除了要求在骨干网 中采用a t m 技术以外，它不排除其它技术包括未来的新技术在网络中出现的可 能，并为这些技术提供与a t m 之问的接口，通信界已经在这方面作了很多工作， 例如a t m 论坛就在最近两三年陆续提出了局域网仿真( l a n e ) 、话音通信v t o a 以及m p o a 等工业标准，大大地促进了a t m 技术与其它技术的结合。相比之下， 目前i p 技术所走的实际上只是双网的路线，即i p 技术主要负责数掘业务，而由 公用电话网( p s t n ) 提供语音及视频业务，这种方案一方面是不得己而为之， 另一方面也可以起到保护p s t n 已有投资的目的，但是从社会发展的角度来看， p s t n 必然会被逐渐淘汰，以后仍需重新建设或者利用i p 技术提供质量上并不优 良的语音及视频业务。从技术的角度来看，一个单一的网络肯定比多个网络的综 合体更具优势，因为单一网络中无须考虑网络之| 日j 的接口，简化网络的控制，单 一的网络不仅有利于降低设备成本，也有利于提高业务的服务质量。 因此，a t m 应用在未来仍具有很好的发展前景，值得我们为其付出迸一步的 努力。 1 215 5 m b sa t m 接口软硬件设计的背景、任务 本课题源于9 5 国防预研项目“异种网互连多协议、多接口路由器” ( m u l t i - p r o t o c o lr o u t e r , 简称m p r ) 课题的研究，并将其产业化，发展为一款接 入路由器郴r 3 6 0 1 路由器，主要用于将企业或者小区接入到因特网，可以使 企业运作网络化，也可以使小区上网用户花比拨号要少的费用却能获得比拨号方 式更好的网络性能。图1 一l 所示是我们将我们所研究所研制的m p r 3 6 0 1 路由器 应用到智能小区的拓扑结构图： 由图中可见，该路由器主要包含1 0 0 m 和1 5 5 ma t m 端口，其中1 0 0 m 端 口主要用于与小区局域网的互联，而a t m 端口主要用于通过a t m 骨干网建立 p v c 为小区用户提供i n l e m e t 浏览和视屏点播服务。可见a t m 端口是一个至关 重要的端口。 路由器采用l i n u x 操作系统，为了降低该路由器的成本，加快其产业化，并提高 其安全性，我们自行研制开发了一块1 5 5 m b p s a t m 网卡用于路由器a t m 端口， 而对1 5 5 m b p s a t m 网卡提供l n u x 下的软件支持就成为一个十分重要的问题。 现有的a t mo n l i n u x 的支持由一个以w e r n e r a l m e s b e r g e r 为首的4 人专 案小组负责开发，该子系统已集成到现有的l i n u x 2 4 内核，但仍处于p r e a l p h a 阶段。目前已提供对s o c k e ta p i 的扩展，实现了对a t mp v c 和s v c 连接的支 持，其它一些面向应用和研究的相关协议例如i p o a 、l a n e 、a r e q u i p a 也已在 l i n u x a t m 上逐步实现，该系统提供了一部分的a t mq o s 支持，而具体的实现 将根据特定硬件提供相应的软件驱动程序来协同实现。 第2 页 上海交通大学硕士学位论文 图1 1 祥和智能小区因特网接入拓扑结构图 f i g1 1 。b p o l o g yo f i n t e m e t a c c e s s f o r x i a n g h e i n t e l l i g e n t v i l l a g e 为了实现m 路由，需要提供在a t m 上支持j p 的机制。且前得到广泛应用 的a t m 网络与i p 互连的方法主要有三种：i p o a ( i po v e ra t m ) 和局域网仿真 ( l a ne m u l a t i o n ) 和m p o a 。 i p o a ( i po v e ra t m ) 是最早出现的一种协议。i p o a 协议使用a r p 服务器 进行i p 地址到a t m 地址的映射，为各个端设备提供a t m 地址查询服务，根据 查得的a t m 地址使用v c ( p v c 或s v c ) 在端设备间建立a t m 连接，在这个 a t m 连接上传送i p 分组。在i p o a 方式下，a t m 网络实质上是i p 设备之间的 一条粗管道，为口设备提供一条高速的点到点信道。i p o a 主要用于i p 广域网， 例如路由器之间的高速连接，而不是用于i p 局域网。 l a n e ( 局域网仿真) 是将a t m 网络仿真成以太网或令牌环网，统称仿真 局域网e l a n ( e m u l a t e d l a n ) 。e l a n 上的i p 协议完全在传统的局域网接口上， 例如以太网接口上运行，a t m 网络对于i p 协议是透明性的。由于a t m 网络被 仿真成为以太网，这样无论是仿真以太网接口还是i p 协议都不支持q o s ，这样 a t m 网络内的q o s 到达l a n e 端口时就不能再使用。即是说，l a n e 屏蔽了a t m 网络的q o s 特性。 m p o a ( m u l t i p l ep r o t o c o lo v e ra t m ) 则试图在a t m 上实现更强更高效的 功能。它的模型实际上描述了一种分布式的路由服务器一虚拟路由器。在路 由服务器建立路由表以便为边界设备提供路由，能够使某个子网中的m p o a 设 备与另一子网的m p o a 设备直接建立连接，使不同子网相互通信。由于m p o a 服务器的实现软件相当复杂，其运行效率和运行稳定性都还不甚满意，所以迄今 尚未得到广泛的应用。 针对互连网路由器的整体特点以及为了保留a t m 的q o s 特性，我们采用了 i p o - q e i a t m 协议。 第3 页 上海交通大学硕士学位论文 1 5 5 m b s a t m 网络接口软件设计的主要目标，是在l i n u x a t m 系统下对我们 自主开发的1 5 5 m b sa t mn i c 提供s a r 和p h y 的驱动支持。我们侧重于用户 面的实现。控制面，也就是信令部分的功能主要包含在l i n u xa t m 系统的信令 模块中。对上层协议，主要是支持通过i p o a 实现网络互连。 综上所述，本课题研究和开发的主要内容为： l i n u xa t m 系统中a t m 驱动的设计方法研究； 为自主研发的1 5 5m b s a t mn i c 提供驱动程序； s a r 信元调度机制研究； 路由器接收活锁问题的研究 1 3 本论文内容安排 本论文的内容安排如下： 第二章a t m 协议概述及l i n u x 对a t m 的支持简介 本章先对a t m 协议参考模型和i p o a 技术进行简单介绍，然后概述l i n u x 环境下a t m 网络子系统的几项关键技术，包括a p l ，信令系统和a t m a r p 第三章l i n u x 下的网络驱动程序 本章先介绍了l i n u x 模块编程的特点和一般l i n u x 网络设备驱动程序的结构 构，然后详细掐述了l i n u x 中a t m 驱动程序的接口。 第四章1 5 5 m b s a t m 网络接口的软件结构 本章侧重于1 5 5 m b sa t m 接口的具体实现。首先描述了相关硬件设计，接 下来对驱动设计的几个重点问题如初始化过程，v c 的打开和关闭、数据的收发， 中断处理等逐一介绍，并给出了主要的软件流程图。 第五章改进驱动程序性能的研究 本章从a t m 服务质量和路由器操作系统两方面讨论了提高路由器网络端口 性能的方法，将主要描述a t ms a r 层的信元调度机制和解决路由器接收活锁以 提高包转发率的方案。 第六章性能测试及结论 对1 5 5 m b s a t m 接口的测试方案、测试结果进行分析介绍，对完成情况进行 总结，并提出改进建议及今后的研究方向。 第4 荑 上海交通大学硕士学位论文 2 1 a t m 简介 2 1 1b i s d n 参考模型 第二章a t m0 1 3lin u x 概述 在i t u t 的1 3 2 1 建议中定义了b i s d n 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、a t m 层、a a l 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 - 1b - i s d n 参考模型 f i g u r e2 - 1b - i s d nr e f e r e n c em o d e l 表2 1 总结了物理层( p l a y s i c a ll a y e r ) 、a t m 层( a t ml a y e r ) 和a t m 适配 层( a t m a d a p t a t i o nl a y e r ) 执行的功能。 b i s d n 协议参考模型中，从下到上分别是物理层、a t m 层、a t m 适配层和 高层。用户面和控制面在高层和a a l 层是分开的，在a t m 层和物理层采用相 同的方式处理信息。 第5 页 上海交通大学硕士学位论文 层名称功能 高层高层功能 汇聚子层 业务特定( s s c s ) 汇聚 ( c s ) 公共部分( c p c s ) 功能 a a l 层 分段与重组子层分段和重组 ( s a r ) 一股流量控制 信元头产生和拆下 层 a t m 层v p l n c i 的翻译 信元多路复用和多路分解 管 信元速率解藕 理 信元定界 传输汇聚子层 传输帧产生和提取 ( t c )传输i 喷适配 物理层首标差错控制信号产生和证实 物理媒质子层比特定时 ( p m ) 物理媒体 袁2 - 1b - i s d n 的协议分层和功能描述 t a b l e2 - 1p r o t o c o ll a y e r sa n df u n c t i o nd e s c r i p t i o n so fb - 1 s d n a a l 层是业务相关的。即针对不同的业务，其处理方法不尽相同，但都要将 上层传来的信息流分割成4 8 字节长的a t m s d u 传给a t m 层，间时要将a t m 层传来的a t m s d u 组装、恢复再传给上层。 由于为了提高交换网络的效率，对a t m 层作了尽可能的简化，a t m 层未提供处 理信元丢失、误传、时延、时延抖动等与业务服务质量密切相关的功能。这些功 能交由a a l 层完成。因此，与这些要求相关的处理应视业务不同而异。 根据i t u t 的1 3 6 2 建谢7 j 中，按照业务在信源和信宿间是否有定时关系、业务 比特速率是否恒定和是否面向连接等特征的不同，a t m 业务被划分为四大类( 按 a t mf o r u m 的标准则应划分为七大类) ，如表2 2 所示。而a t m 的a a l 层的功 能又分为五种类型，即a a l 0 、a a l l 、a a l 2 、a a l 3 4 和a a l 5 。每一种a a l 业务可由一个或多个相同类型的和或不同类型的a a l 来提供。一般a 类业务使 用a a l l ，b 类业务使用a a l 2 ，c 类和d 类业务使用a a l 3 4 或由a a l 3 4 简 化出来的a a l 5 。目前a a l 2 尚在制定中，a a l 3 4 已经不被a t mf o r u m 支持， 出现了a a l c u ( 微用户协议适配，用于无线a t m 的小信元) 。 由于上层信息种类繁多，a a l 层处理比较复杂，所以又为两层，下层是拆装 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 ys u b l a y e r ) ，上层是汇聚子层 c s ( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 。 第6 页 上海交通大学硕士学位论文 业务类别a b cd 信源、信宿定 需要不需要 时关系 比特率恒定可变 连接模式面向 连 接无连接 表2 2a t m 的a a l 业务分类 t a b l e2 - 2a a ls e r v i c et y p e s 拆装子层：发送端将c s 子层的信息分割成4 8 子节的信元净荷，接收端进 行相反处理。汇聚子层：与业务相关，处理高层的数据分组，完成时延、时延抖 动、丢失、定时等功能。由于在多协议路由器m p r 3 6 0 1 中，1 5 5 m b s a t m 网络 接口主要支持a a l 5 和a a l 0 ( 无从l ，原信元方式) ，以下将详细介绍a a l 5 协议。 2 1 2a t i a 信元格式 在a 1 m 层，有两个接口是非常重要的，即用户网络接口u n i ( u s e r - n e t w o r k i n t e r f a c e ) 和网络网络接口n n ( n e t w o r k - n e t w o r ki n t e r f a c e ) 。前者定义了主机和 a t m 网络之间的边界( 在很多情况下是在客户和载体之间) ，后者应用于两台 a t m 交换机( 删意义上的路由器) 之间。两种格式的a t m 信元头部如下图。 信元传输是最左边的字节优先，在一个字节内部是最左边的比特优先。 ( b ) 口c 通用流量控弗ir t i 有效载衙类型 f l i ：虚通路标识符 c 1 2 ：信元丢弃优先权 v c i 虚通道标识符地c 信头错误校验 图2 2( a ) u n l 中的 t m 信元头部；( b ) n n l 中的a t m 信元头部 f i g2 - 2 ( a ) a t mc e l lh e a d e ri nu n i ：( b ) a t mc e l lh e a d e ri nn n i 一般流量控制g f c ( g e n e r a l f l o w c o n t r 0 1 ) 只用于u n i 上，g f c 可以限制每个终端流入网络的业务量，以避免网络的 短期过载。 虚通道标识符v p i 和虚通路标识符v c i a t m 采用了面向连接的工作方式，为了提供端到端的信息传输能力，a t m 层在接入点之间建立虚电路，并在整个呼口q 期间保持虚电路连接。 第7 页 上海交通犬学硕士学付论文 虚通路v c ( v c c h a n n e l ) 是一个描述同一个虚电路连接的a t m 信元的单向传 输能力的一般概念。v c 链路( v cl i n k ) 表示v c 上两个相邻的a t m 实体间单向 传输a t m 信元的能力，用v c i ( v ci d e n t i f i e r ) 标识。级连的v c 链路组成虚通 路连接v c cfv cc o n n e c t i o n1 ，用户通过信令系统建立的虚电路连接就是信源 与信宿间的v c c 。 由于b i s d n 是一个大型的综合通信网，支持多个终端上用户的多种通信业 务，因此网中会出现大量的速率不等的虚通路。在高速环境下对这些虚通路的管 理难度很大。为此，引入了分级方法，即将多个虚通路组成虚通道v p ( v i r t u a l p a t h ) 。v p 也是个一般性概念，同样也涉及v p 链路和v p c 两个实在的概念。 v p 链路是束具有相同端点的v c 链路。v p c 的端点是v c i 产生、变换或中止 的地方。在一给定接口上，两个属于不同v p 的v c 可以有相同的v c i 值。 v c 和v p 的交换实际上就是路由选择，交换机按照v c c 和v p c 建立时存 入的v p i v c i 路由表进行翻译，将信元送到相应的新链路上。v p 交换将一条 v p 上所有的v c 链路全部转移到另一条v p 上去，而这些v c 链路的v c i 值都 不变。v p 交换比较简单，往往只是传输通道中某个等级数字复用线的交叉连接。 v c 交换必然伴随v p 交换，v c 链路中止了，v p c 就中止，该v p c 上的v c 链 路可以加入到不同方向的新的v p c 中去。 v c c 和v p c 的建立有三种方式：种为永久型，保证网络两端点间的固定 连接；一种为半永久型，可以通过管理功能来修改；另一种是交换型，用户接入 时使用信令系统建立连接。 净荷类型p t ( p a y l o a dt y p e ) p t 用于说明信元净荷的类型。当适配层使用a a l 5 时，p t 也可用于识别信 元是否是c p c s 的尾部信元。p t 编码见表2 3 。 p t 编码 意义 0 0 0 用户数据信元，未经历拥塞，a u u 为零 0 0 1 用户数据信元，未经历拥塞，a u u = 1 0 1 0 用户数据信元，经历拥塞，a u u = 0 0 1 1 用户数据信元，经历拥塞，a u u = 1 1 0 0 分段o a m 信息流相关信元 1 0 1 端到端o a m 信息流相关信元 1 1 0 r m ( 资源管理) 信元 1 1 1 预留 表2 3p t 信息类型指示 t a b l e2 - 3p a y l o a di n f o r m a t i o nt y p e s a u u ( a t m 层用户到a t m 层用户指示) 用来指示信元是否是c p c s 的尾部信元， 将在下面仔细解释。 信元丢失优先级c l p ( c e l ll o s sp r i o r i t y1 当网络发生拥塞时，一个最直接的缓解方法是丢弃信元。c l p 可以由用户或 网络设置，a t m 层依此处理网络拥塞时信元的丢弃。c l p = 0 为高优先级，表示 该信元比较重要或属于应收保护的数据流，最好不要丢弃；c l p = i 为低优先级， 表示该信元不重要或对应用户的业务流量超过了它被允许入网的流量，可以丢 弃。 第8 页 上海交通大学硕士学位论文 信元差错控制码( h e a d e re r r o rc o n t r 0 1 ) 用于保护信头，针对信头前4 个字节的c r c 8 校验，也用作信元定界，生成 多项式为+ # + 工+ 1 。h e c 的产生和检测一般认为是物理层t c 子层的功 能，a t m 层与t c 子层交互时h e c 字段为空闲字节。 以上是般的l r n i 用户信元的格式。还有几种特殊信元如未分配信元、空闲 信元、元信令信元、o a m 信元等，其信头固定，用户信元不能使用这些信元。 a a l 层介于a t m 层和高层之间，它是为了使a t m 层适应不同类型业务的 需要而设置的。a a l 不仅支持用户面的高层功能，也支持控制面和管理面的高 层功能，此外还支持a t m 网与非a t m 网之间的连接。由于目前a t mo l ll i n u x 主要采用a a l 5 作为a a l 层协议，在此特别介绍一下a a l 5 。 a a l 5 协议的引入为面向连接的高层协议提供了新的传输工具，它假定高层 维护连接管理，并且a t m 产生最小限度的错误，因此减少了协议处理和传输开 销。其工作过程是【】2 j ：发送端高层的数据分组经s s c s 处理后，进行c p c s 处理， 其工作主要是c r c 一3 2 校验，c p c s 只有检错功能，不管定时和时延，c p c s p d u 封装好后进行s a r 处理。a a l 5 的s a r 子层非常简单，只是将c p c s p d u 划分 成4 8 字节长的s a r p d u ，不需要任何开销，在接收时实现逆向功能。然后将 4 8 字节信元流交给a t m 层发送，接收端进行相反处理。 c p c s p d u 如图2 3 所示： 0 4 78 b i t $ b i t1 6 b i t3 2 b i t 图2 - 3 a a l 5c p c s - p d u 格式 f i g u r e2 - 3a a l 5c p c s p d uf o r m a t 图中各字段意义如下： c p c s p d u 净荷：1 6 5 5 3 5 字节； p a d ：填充位，o 4 7 字节，使c p c s p d u 总长为4 8 字节的整数倍； u u ：l 字节，用于c p c s 用户信息的透明传输； c p i ：公用部分指示符，l 字节，作用是对c p c s p d u 头的剩余部分进行解释。 l e n g t h ：2 字节，指示c p c s p d u 净荷长度： c r c ：循环冗余校验( 3 2 位) ，用于校验整个c p c s p d u ，初值置为全为“l ”， 生成多项式为：g ( x ) = x 3 2 + x 2 6 + x 2 3 + x 2 2 + x 1 6 + x 1 2 + x l l + x 1 04 - x 84 - x 7 4 - s a r 子层缺少协议开销有以下含义： 由于没有序号，接收方必须假定所有的s a rp d u 都按序到达，以便重组。 c p c sp d u 中的c r c 字段就是为了保证这一点。 没有m i d 字段意味着不可能将来自不同的c p c sp d u 的信元交叉。因此每 个连续的s a rp d u 都承载了一部分当前的c p c sp d u 或下一个c p c sp d u 的一部分。为了区分这两种情况，要用到a t m 信元头部p t 字段中的a u u 第9 页 上海交通大学硕士学位论文 类型比特。一个c p c sp d u 包括零个或多个a u u = 0 的s a rp d u ，最后是 一个a u u = 1 的s a r p d u 。 没有l i ( 长度信息) 字段意味着s a r 实体无法区分c p c sp d u 字节和最后 一个s a rp d u 中的填充字节。因此s a r 实体就无法在最后一个s a r p d u 中找到c p c s p d u 的尾部。因此要求c p c sp d u 的净荷被填充为4 8 字节的 整数倍。 i p 协议不仅是i n t e m e t 上的网络层协议，还是很多局域网的支撑协议，是支 持u n i x 操作系统的通信平台的基础。传统的或者现实中的大量数据应用仍然通 过i p a p i ( s o c k e t ) 。制订新的a t m 上层协议，使现有的网络应用可继续在a t m 网上使用，可以充分保护用户已有的投资。技术关键在于：在t c p d p 与a t m 网 之间定义一个过渡的层次，将t c p h p 和a t m 这两个不同体系的网络协议“缝合” 起来。这个“缝合”技术主要完成两个任务：一是如何将过渡层从上面收到的分 组封装到a a l p d u 中去；二是如何完成高层地址( i p 地址或m a c 地址) 与 a t m 地址的映射，因为过渡层收到上层来的分组时，上层只提供了信宿的高层 地址，而未提供信宿的a t m 地址。地址解析的功能便是由信宿的高层地址解析 出信宿的a t m 地址。这种“缝合”的技术，目前有两种方案：一个是a t m 论 坛制定的局域网仿真l a n e ，一个是i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 制 定的i p o a 。 目前i p o a 的两个主要文本是r f c l 4 8 3 1 1 3 】和r f c l 5 7 7 1 。r f c l 4 8 3 主要讲 述如何利用a a l 5 协议对多种现有上层协议进行封装( e n c a p s u l a t i o n ) 。r f c l 5 7 7 主要解决a t m 地址和i p 地址之间的映射。 利用a a l 5c p c s p d u 对分组进行封装主要有两种方法：l l c ( l o g i cl i n k c o n t r 0 1 ) 封装和v c 复接。在a t m 网建设初期，或者在专用a t m 网中，一般 大都提供p v c 或s p v c ，此时，许多高层网络协议的协议数据单元p d u 都在同 一条v c 中传输。如何将这些在同一条v c 中传输的p d u 区分开来昵? 可以利 用三字节的l l c 头来区分。i p - p d u 的l l c 头标识为a a a a 0