（计算机系统结构专业论文）核心路由器atm网络的研究与实现.pdf

= 丝鳖坠垄些些些丝坚一 摘要 随着信息广、j k 的发展，网络规模迅速扩大，网络及其服务服务日益扩大，所以迫切 需婴更快处理速度的路由设备来完成与日俱增的报文交换工作。 本文的研究背景是核心路由器项目，它支持多种网络连接，a t m 网络也是其中之一。 本艾毫要川v e r i l o g 设计了核心路由器的a t m 网络的路由器接口专，设计了报文调度器， 作川f p g a 耍现 本丈汁丸楸州核心路由器硬件结构，从体系结构的角度分析r 核心路由器0 统路 【i 器的1 ：州之处。接着详细沦述了核心路由器k r m 网络实现的原理，包括“s a r ” ( s e g m e n t a t i 。na n dr e a s s e m b l y ) 功能和a a l 5 报文的格式，i p o a 基本思想，以及控制 芯片的设计_ 方案和实现途径等。然后又论述报文缓存区控制芯片的工作原理和逻辑功能 等，并对算法的可行性，正确性等进行论证。最后介绍了一种基于查表的c r c 一3 2 算法的 原州! 及髟翘件实现。 关键字：核心路由器a t m 线卡缓存控制 一一丽页一 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ni n d u s t r i a l ，t h en e t w o r k sa n dt h es e r v i c eo ni ta r e e x p a n d i n g ，s ow en e e dh i g h s p e e dr o u t e r su r g e n t l yt os w i t c hi n c r e a s i n gp a c k e t s s oc o i ei o u t e rw a sd e v e l o p e d ，w h i c hc a nf o r w a r d 【pp a c k e t sa tl i n e s p e e d i ts u p p o r t ss e v e r a l k i n d so fl a nc o n n e c t i o ni n c l u d i n ga t mt h i sp a p e rf o c u so nh o wt od e s i g n l i n ec a r do fr o u t e r f i t t i n gf o la t mn e t w o r k sw i t hv e r i l o g ，a n dh o wt od e s i g na n ds c h e d u l ep a c k e t ，t h e ni m p l e m e n ti t w i t hf p g a f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ea r c h i t e c t u r eo fc o r em u t e rt h i sp a p e ra n a l y s et h ed i f f e r e n c eb e t w e e n c o er o u t m + a n dt r a d i t i o n a lr o u t e rs e c o n d l y ，t h ep a p e rd e s c r i b et h ep r i n c i p l eo fa t m n e t w o r k ，a n d t h ef u n c t i o no f 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 ) a n dt h ef o r m a to f p a c k e t 丸l 5 a n d i n t r o d u c et h eb a s i ci d e ao fi p o a ，a n dt h ed e s i g np r o j e c ta n di m p l e m e n t i n go ft h ec o n t r o l c h i pl a t e r t h 。p a p e ri n t r o d u c et h el o g i cf u n c t i o na n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo f p a c k e tb u f f e rc o n t r o l c h i pa n dp r o v et h ef e a s i b i t ya n dc o r r e c t n e s so f t h ea r i t h m e t i ca tl a s tt h ep a p e ri n t r o d u c ec r c 3 2 a r i t h m e t i cb a s e do n1 0 0 ku pa n di m p l e m e n ti tw i t hh a r d w a r e k e yw o ! d ：c 0 1 er o u t e l ，a t ml i l l ec a r d ，b u f f e l e o n t r o 1 狐五一 国防科学技术大学研究生院学位论文 第1 章绪论 随着i n t e r n e t 应用日益广泛，信息网络渗透到世界各地，i n t e r n e t 的规模也越来越大。 i n t e r n e ti i 的通信流量迅速增长几乎每半年翻一番，这已经迫使其传输平台向更高的通 信带宽方向发展。目前，每年数据流量的增长是普通话音流量增长的2 4 倍， 不久的将 来，数据流鼙将达到西音流量的5 倍，所以，建设宽带的骨干网就显得卜分必要。宽带 1 1 m 目主婪 岛性能路由器构成。 9 0 年代中划以后，路由器成为制约i n t e r n e t 骨干网发展的瓶颈。传统路由器采目软件 进行路由识别和转发，包转发能力较低，时延和时延抖动均比较大，在传送实时业务时 不能保证服务质量。因此，研制新型核心路由器就成为当前网络技术的热点之一。 1 11 引言 1 1 路由器发展概述 通信刚络足由若干系统和节点组成的集合，这些系统和节点负责传输连接在通信p 四络 【门用，二t 之m 的信息。在一个网络中主要包含两种系统：端系统和中间系统。端系统是 支持端用户j ”i 用或首服务的设备，中间系统是连接多个网络并允许这些嘲络的端系统栩 f l 之间进行通信的设备。 简单来说，路由器就是一种中间系统，它主要用来连接两个或者多个网络，这些叫络 可能同构也可能异构。一个路由器可以简单到只是一台有两块或更多网络接口一p - 的微机， 从接收接口进来的数据报，经过处理，转发到适当的发送接口。路由器是负责在网络层 对i p 包进行转发的主要设备，它还负责对i p 包进行灵活的路由选择，把数据逐段向目的 地转发。它屏蔽了下层网络的细节，使各类网络都在i p 层达到统一。， 发往互联网络的信息首先被送到与目的网络相连的路由器。路由器实际e 起着这个刚 络的分发【1 心的作用，它把信息送到目的子网。最后此信息被送到目的主机的目的端口 。 图i l 给出= r 一。个简单的互联刚络，其中由路由器将不同的网络连接起来。图中的网 络2 、3 、4i i 有主机，而网络5 、6 、7 上没有。网络5 、6 、7 仅仅是与局域网或广域网 i 的路由器相连。在此网络中，主机l 和2 必须配置成同样的网络号( 本例中为4 ) 。除 此之外，与问。一网络相连的路由器接口必须配置成同样的网络号。 第1 页 鬯堕型兰垫查奎兰竺茎兰堕兰垡笙苎 图1 - 1 一个简单的网络 从本质上说，路由器的作用是将报文分组从一个网络路由到另个网络。这句话暗含 着两个含义。第，一个路由器的多个接口不能被配置成相同的网络号( 但是，通过使 用子网掩码，可以在同一路由器的不同接口上配置相同的网络号，但是有不同的子网号) ： 第二，由于每条路由带有一个目的网络号，故在缺少目的网络号的情况下路由器不能转 发路由报文， 1 12 路由器的基本原理及其功能 在当今信息化社会中，人们对数据通信的要求日益增加。路由器作为i p 网的核心没 备，其技术己成为当前信息产业的关键技术。 路由器( r o u t e r ) 工作在o s i 参考模型的网络层( 如图l 一2 所示) ，完成不同网络之 问的数据存储、分组和转发。它可以根据报文来传输数据，完成网络层路由和转发任务。 由于在两个不同网络的网络层之间接报文传输数据时，需要改变两个不同类型网络报文 中的第二层地址，即决定在网络之间数据传输时的路由去向，所以称之为“路由器”。 路由器的基本用途是连接多个逻辑上分开的网络，必须具有判断网络地址和选择路 径的功能，能够在多个网络互联环境中建立灵活的连接，并可用完全不同的数据分组和 介质访问力法连接各种子网。路由器属于网络层的一种互联设备，它不关心通信各方使 用的硬件设备，但要求运行与网络层协议相一致的软件。 应用层 表示层 会晤层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 通信介质 路由器 交换机 集线器 图1 - 2 路由器在o s l 参考模型的位置 虽然路由器可以支持多种协议( 例如t c p i p 、i p x s p x 、a p p l e t a l k 等协议) ，但是全 球实际使用的路由器绝大多数运行t c p i p 协议。本文假定路由器主要运行t c p i p 协议 簇( 实际情况也是如此) 。网络层协议为i p v 4 ，因为这是目前使用最多的最流行的网络层 协议。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 核心路i - i t 器位t ：网络中心，也称为骨干路由器。通常使用高端路由器当作核心路由器。 核心路由器要求快速的包交换能力与高速的网络接口，通常采用模块化结构。这些路由 器j = j 其他核心路由器相连，为目的地之间提供穿越骨干的多条路径。 孩心路由器承担着企业级路由器之间广域网的大部分流量。核，山路由器通常通过几个 r 述接 - 1 进行配置，如图i 一3 所示。 121 课题背景 图1 - 3 核心路由器的作用 1 2 本文的主要的工作 高性能汁算机和信息网络水平是国家经济信息系统的基础，它反映j 一个国家的综 合实力。在信息网络渗透到世界各地后，发达国家必将利用其技术、经济和文化优势， 以虹隐蔽的方式控制世界，通过知识产权这具有强烈“知识私有”倾向的手段，来掌 握其它国家经济发展的命脉。 当汁算机的速度以每一年半翻一翻的速度增长的同时，网络带宽则以3 倍十汁算机发 展速度向前推进，即每六个月翻一番。先进计算机的信息处理能力已与支撑它的网络能 力密切相关，不发展高速计算机网络技术，高性能计算能力就会受到限制。因此必须大 力发展与信息高速公路直接相关的高速计算机网络技术，它是国家经济及高技术发展的 迫切需要。 随着i n t e r n e t 的广泛应用，人们对于网络基础设施的建设更加重视，目前我们的网络 建瞍主要通过国外的网络产品来集成，尽管有一些国产化的低端网络设备，但网络中枢、 控制交换中心的刚络设备基本上由国外产品所占领。一方面，说明国产网络设备与国外产 品存在一定的差距，在网络先进技术的采用上还没有跟上世界网络的发展步伐：另一方 面，也反映出目前这种格局存在极大的网络安全隐患。因此，研制具有自主版权的高性能 的核心路由器具有重要意义。 本文所讨论的核一1 5 , 路由器正是为了填补此类网络设备在国内地空白。它采用了高速 的硬件接【_ ：i 芯片和高速的交换设备，以及分布式的主从控制软件，从而使得报文得以在 剖十网中得到线逮转发。使我国高速信息设备领域达到了世界先进水平。 】22 课题任务 本课题根据要求设计了核心路由器的a t m 接口模块。该模块的主要为了使路由器具 一一1 弱f 一 眵么 导龟 惑 国防科学技术大学研究生院学位论文 杆 ：= | 疗可已经广泛a t m 网络技术中，使核心路由器能够支持a t m 网络，并且要求保证报 史线速发送利接收。 按照任务要求，a t m 线卡上的网络协议芯片采用p m c 公司的p m 5 3 5 1 芯片，它集成了 4 个端口，包岔了物理层和m a c 层协议芯片。论文的后续部分将具体描述线卡的各个部分 的细节。数据缓存控制模块主要实现p m 5 3 5i 与上层协议的接口，管理与上一级逻辑模块 之问交互的报文数据的缓冲存储及流动。当p m 5 3 5 1 工作在a t m 模式下时，接收并转发给 控杯蓉片的是a t m 信元，控制芯片要把这些信元重组成完整报文；同时，该控制芯片要 将完整报文分解成a t m 信元发送给p m 5 3 5 l ，即完成分解重组操作( s a r s e g m e n t a t i o na n d r e a s s e m b l y ) 。要完成这项操作，需要对接收的信元进行缓存，控制芯片将对这些缓存队 列进行调度。， 要解决上述问题，需要仔细研究p m 5 3 5 l 的特性，对4 个端口采用轮转的方式访问， 并在外部数据缓存中对信元进行分解、重组等操作的解决方案，并且用f p g a 可编程逻 辑芯片进行硬件实现。 123 研究成果 在本课遄研究过程中主要取得以下成果： 针刘梭心路由器的结构特点，研究提出了种可行的，可靠的a t m 网络的报文 数据缓存和转发的解决方案。 垃刑f p g a 实现- 6 2 2 m 的接口模块。 设汁了一种基于查表的c r c 一3 2 算法。 第4 页 幽防科学技术大学研究生院学位沦文 第2 章核心路由器的体系结构 路由设备是刚络中最基本、最重要的设备之一，并且随着网络流量的不断增大，对 其性能要求日盏突出。近几年，i n t e r n e t 通信流量的迅速增长向路由器的设计提出了新的 挑战。一方面，随着光传输技术的发展，i n t e r n e t 主干链路速率的提高，路由器必须不断 地提高内部交换能力：另一方面，为了支持不断涌现的新应用，路由器必须提供一定的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证。 为了适应i n t e r n e t 的发展，自1 9 9 7 年下半年以来，一些公司陆续推出采用数字号用 集成电路( a s i c ) 进行报文转发的核心路由器。核心路由器主要用在i n t e r n e t 和企业级骨干 网l ，支持多种局域网连接和各种速率等级的i po v e r p p p s o n e t 广域连接。 这章e 要概述核心路由器的硬件结构，从体系结构的角度分析了核心路由器与传 统蝎【；e 【 ； 的4 i 同之处，阐明了核心路由器的性能优势的原因所在，然后详细介绍了银河 f i 两核心路d i 器的硬件结构，各部分的功能，以及基本工作原理。 2 1 传统路由器的体系结构 传统路由器自8 0 年代问世以来，它的般组成结构如图2 - 1 所示 圈 图2 - 1 传统路由器 l i n ec a r d 即线卡，负责接收和发送报文，对应不同的网络接1 2 1 ，路由器可以有 多种不同的线卡。传统路由器中，线卡只完成网络接口功能，并不具备报文转发 功能。 c p u 负责完成报文转发、调度等实时业务，也负责运行路由协议、完成路由计算、 路由表的建立和修改、管理网络接口以及支持网络管理等非实时性的系统功能， 而且这些功能全部用软件来实现。 总线连接各线卡与c p u 的数据通路。 由图l | 可以看出，线卡( 网络接口控制器) 收到的所有报文都通过总线的力式送到 c p u ，通过软件进行路由查表、转发和调度。c p u 输出的报文再通过总线送往线卡，由 线卡发出。这是一种以c p u 为核心的集中式体系结构。 第5 页 圈圈 圈 国防科学技术大学研究生院学位沦文 由于所柏报丈的路由、转发和调度都由c p u 通过软件完成，而且c p u 还必；贝担负运 行 l ! 由协议、生成路 扫表、管理网络接口、支持网管等任务，因此c p u 的负担很重c p u 的汁算能j 和i 0 能力以及总线带宽限制了传统路由器的性能，这类路由器每秒处理报文 的个数一般小f 二l m 个吞吐率一般小于1 g b p s 。 9 0 年代初，由于i n t e r n e t 的规模不是很大，传统路由器还是较好的满足了数据网络通 信的需求，且性价比较高。到9 0 年代中期，这种路由器由于上述的限制，已经发展到了 顶点，难以再有提高，而i n t e r n e t 商业化取得巨大成功，对骨干网的传输速度要求急剧增 加，传统路由器便成为制约发展的瓶颈。 2 2 一般核心路由器体系结构 解决传统路山器的报文转发速度问题，关键是设计新颖的体系结构。路由器体系结 构已经过几代演化，近几年兴起的可以线速转发报文的核心路由器多采用以交换开关为 核心的分布式体系结构，如图2 - 2 所示： 图2 - 2 核心路由器 i n t e l l i g e n tl i n ec a r d 即智能线卡。核心路由器的线卡不仅完成网络接口的功能， i ( ij i 仃刘报丈进行路由煎提、转发和恫度的功能，称为智能线+ 。智能线 上 ，f ：仪有完成l 硎络接口功能的硬件模块，而且还有可以完成报文路由决策的号用硬 件模块。 c p u 只负责运行路由协议、完成路由计算、路由表的建立和修改、管理网络接v i 以及支持网络管理等非实时性的系统功能。各智能线卡上使用的转发表也由其负 责生成。 s w i t c h 即交换开关。它替代了以往的总线式传输，使得可以同时存在多条数据通 路，大大提高了带宽。 这种体系结构的思想是将路由计算、控制、网管等非实时任务与报文转发等实时任 务分开，由不同部分来完成。前者由c p u 运行软件来完成，后者由专门的硬件来完成。 c p u 只需负责控制通路的处理，原来由c p u 实现的数据通路功能下放到各线卡上由专门 的硬件模块执行。智能线卡承担了9 9 以上的报文流量的转发任务，其上的路由转发模 块制接收的报艾“接进行路由查表和转发，并通过交换开关交换到出r 的智能线膏发帆 c p u 只承担1 1 ：6 少数的特殊报文的处理。这种结构大大减轻了c p u 的负担，消除了由c p u 的汁算能力和i 0 能力带来的瓶颈。另外，以交换开关代替以往的总线传输方式，也消除 7 总线带宽带来的瓶颈。核心路由器每秒处理报文的个数至少可达1 0 2 0 m 个，吞吐率一 般大于4 0 g b p s 。 第6 页 幽防科学技术大学研究生院学位论文 231 核心路由器系统结构 2 3 核心路由器的硬件结构 我f l j p ) i 设计的核心路由器在具体实现的硬件结构上与前节所述略有不同。该核心路 由器采用高速分布式路由体系结构和先进的高速交换阵列，可以线速转发i p 报文。硬件 系统主要由高速交换模块、中心控制模块和接口模块等组成。每个中心控制模块和接口 模块都自含一个c p u ，运行网络实时操作系统。核心路由器结构如图2 - 3 所示： | 接口模块l | 接口模块 i 【接口模块b一局i 接口模块 速 ： 交 换 【接口模块b模 蚓接1 ：3 模块 块 中心控制模块i o；刮中心控制模块 图2 - 3 核心路由器结构图 高速交换模块：即前节所述的s w i t c h 交换开关，它是核心路由器系统的核，1 5 , ， 它盥接关系着核心路由器的性能。我们的交换模块采用基于输入队列的c r o s s b a r 交换结构。其基本结构包括交换阵列及其仲裁逻辑，以及对于每个接口模块都有 输入缓冲区及其控制逻辑、输出缓冲区及其控制逻辑。 中心控制模块：中心控制模块是整个系统的控制中一l 、，其上搭载有一块c p u 卡， 该c p u 称为主控c p u ，它负责运行路由协议、生成路由表、支持网管等任务， 作刚桐当于前节所述体系结构中的c p u 。核心路由器包含两个相同的相互热备份 的。l 、心控制模块，这两个模块在交换开关中使用同一对输入输出端1 5 i 。 接口模块：接口模块作用相当于前节所述体系结构中的智能线卡。它不仅完成网 络接口的功能，而且可以根据本地的转发表对报文进行路由决策、转发以及调度 等。每个接口模块上也搭载有一块c p u 卡，该c p u 称为从c p u ，从c p u 负责 完成本地一些局部的控制任务。 232 接 模块结构 f 面我们再详细介绍一下接口模块的结构，如图2 4 所示 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位沦文 o p o 卡 p c je 3 u s i 转发板l i 线卡l 图2 4 接口模块硬件结构 接口模块的i - 体是一块转发板，其上插有一块c p u 卡及一块线卡。转发扳和c p u 蕾 对f 不唰类型的网络接口模块来说是相同的，与特定网络接口相关的部分是线卡。所以， 将小同网络接口类型的线卡插在转发板上，就成为不同的接口模块。核心路由器目前支 持的接 = _ 】模块有：单端口25 g i po v e rs d h s o n e t 模块、单端口1 5 5 m i po v e rs d h s o n e t 模块、双端口干兆位以太网模块和8 端口1 0 1 0 0 m 以太网模块。其实以上模块的区别仅 在r 线卡部分，而转发板和c p u 卡部分是相同的。各部分的功能分别为： c p up - 的从c p u 主要完成些本地控制的功能，如：完成本地转发表的更新， 保吐i 叫e 控c p u 生成的路由表的一致性：负责各种特殊报文的处理：管理和统 计m 1 b ：配置处理本地转发板和线卡的工作方式及数据传输和错误处理。 转发板主要处理网络报文在线卡和高速交换开关模块之间的数据传送，是用硬件 完成报文的路由决策和转发的关键部分，主要逻辑模块为转发引擎和输出引擎。 其中： l 转发g l 擎分析输入报文口层报文头，查找路由信息，作出转发决策，并完成 删络安令处理，过滤报文，检查数据报文的完艇性等任务； 2 输出引擎负责输出报文的处理，分片传输，形成新的校验和等等。 线卡丰要处理各种网络接口的物理层、数据链路层的数据收发；分析链路层帧头， 根据分析结果过滤帧头，形成送往转发板的输入报文；从转发板接收输出报文， 装配链路层帧头，完成地址解析；完成链路芯片的配置控制，以及寄存器访问操 作等等。电就是说与具体网络接1 2 1 类型相关的逻辑功能都在线卡上实现。从网络 七接收的一股的网络报文经过线卡后都将以【p 报文的形式送往转发板，从转发板 输出到线 的报文也将是i p 报文，i p 层以下的网络功能，数据链路层帧的封装、 拆封等等都由线卡上的逻辑模块实现。各种不同网络类型的线卡是大不相同的， 但是它们都提供一个完全相同的与转发板的接口，即d 层的接1 2 1 ，且接口定义电 完全相同。网络接口类型对于转发板来说是透明的。 核心路由器的详细硬件结构见图2 - 5 第8 页 幽防，i ： 学技术大学研究生院学位论文 网 络 接 1 图25 核心路由器的详细硬件结构 233 核，巴、路由器工作原理 银河k 衡9 1 0 8 数据通路从线 开始，经过转发板的，转发扳内部、转发板到交换开 关的接u 、交换开关内部、交换开关到转发板的接口、转发板、再到线卡的接f _ 】，其中 的数据通路。苑度均为7 2 b i t ，其中6 4 b i t 用于传送报文数据，8 b i t 用于同步传送关了- 当前报 义的额外信息，这8 b i t 称为带外信息。电就是说，带外信息由线卡在接收报文后产生， 伴随报文数据的整个流程，报文再到线卡准备发送时带外信息取消。 核心路由器硬件系统的大致工作原理如下： l 线p - 从刚络接口上接收各种网络帧，分析其帧头信息，对于一般的封装了i p 报 文的帧，滤去帧头，将i p 报文送往转发板；对于封装了非口报文的帧，不剥帧 头，夺带外信息中置“报文上c p u 的标志”，将整个报文送往转发板。 2 转发扳上的转发引擎接收从线卡上送来的报文并分析：对于一般的i p 报文，分 析其1 p 层报文头荠查转发表，做出转发决策，将报文附带转发信息送往交换开 关模块；对于某些特殊的i p 报文( 如出错、带选项等等) 以及线卡送来的非p 报文，则在带外信息中置一定的标志，表示报文将送上c p u 由软件进行处理， 这种报文电送往交换开关。 3 炎掀 天模块接收从转发引擎送来的报文及转发信息，根据一定的仲裁及调度 算法，将报文变换到目的接r q 模块，送往目的接口模块的输出引擎处理。 4 输出引擎从交换开关模块接收报文，对于一般的i p 报文，对其进行t t l 值减一， 重新形成i p 头校验和等处理，对于超过本接口模块的m t u 的报文还要进行分 片处理，然后将报文送往线卡发送；对于置了上c p u 标志的报文，输出引擎将 其送往c p u 由软件处理。 5 线i - ；x 转发板上的输出引擎接收报文，对于i p 报文，进行必要的数据链路层及 物娜联朗议处理，封装成适当的帧格式，然后从网络接口上发送出去。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 6 另外，主控c p u 运行路由协议，进行路由计算，生成并维护路由表。主控c p u 也通过交换什关模块与各个从c p u 进行交互，各个从c p u 根据主控的路由表来 q i 成和维护本地的转发表，供转发引擎使用，以查找路由信息。 第1 ( 】页 崮防利学技术大学研究生院学位论文 第3 章a t m 线卡结构和实现机理 我们所设汁的核心路由器需要支持的接口是4 端口的1 5 5 m 的a t m 接口。它是在保 持以前的p o s 接口芯片不变的情况下，只改变f p g a 中的逻辑设计。 本谍题l j 要是承担了a t m 线卡硬件设计的工作。本章将阐述我们的设计思想、设计 过氍中邋到的技术难题及提出的解决办法，然后详细介绍了，a t m 线 的硬件结构以及i ： | 1 ：f ! j 乏理。 3 11a t m 技术 3 1a t m 线卡的基本原理 i t u t 已定义了一系列有关b i s d n 的标准，它有两层与a t m 相关：a t m 层和a t m 适毗层( a a l 层) 。a t m 层对所有服务是公用的，a a l 层则与具体服务相关。a a l 层负 责把高层信息映射成a t m 的信元，然后经b i s d n 传送；同时收集a t m 信元装载的用 j 、t 信息，按商层踟议要求传送给高层。a a l 层旨在解决不是基于a t m 的传送协议使用a t m 服垮的问题 a t m 能够以肛常快的速度传输各种各样的信息，它采用的方法是将数据划分为多个 等人小的f i 冗井给这些信元附上一个头以保证每一个信元能够发送到目的地去。这种a t m 信冗结构能够传输声音、视频以及数据。由于a t m 是一个基于交换的技术，所以它能够 很容易地伸缩。当通信负载增加或者当网络大量增加时，你只要给网络添加更多的a t m 交换机就可吼了。a t m 物理链接对许多电缆类型都能够进行操作，包括类型3 、4 和5l r r p 、 s t p 、同轴电缆，以及多模式和单模式的光纤电缆( 对每一种电缆而言，都具备适当的速 度) ，、可用的a t m 传输速度是2 5 m b p s 、5 1 m b p s 、l5 5 m b p s 、6 2 2 m b p s 、12 g b p s 以及24 g b p s 。 比较低的速度，6 2 2 m b p s 及以下，用于l a n 应用，而6 2 2 m b p s 以上的速度是用fw a n 的， 图3 一j 足a t m 叻一议分层的结构图。 图3 - 1a t m 协议分层结构图 第l l 页 幽防科学技术大学研究生院学位论文 3i1la t m 物理层 a t m 物理层将信元流转换为可传输的比特并处理物理媒介( 电缆) 的功能。电子及物 理接口，线1 1 # 速度以及传输控制都是在这一层定义的。a t m 工作组的一个关键目标是为 塔砒多类。0 电缆指定标准。、物理层划分为两个子层：传输集中( t c ) 亍二层和物理介质依赖 f p m d ) 子层这些f 层用于将实际的a t m 传输与物理接口分离开来，这就是为什么a t m 能够在l i 佝接l 1 和介质之间传输的原因。t c 子层的功能有两个：首先，在接收结点， j ，处理来自p m d 子层的形式为比特流的信元：第二，通过将空闲信元插入到比特流中， 了层能够处理物理接口以及a t m 层上传输速度的变化。这一点是必须的，因为交换中的 a tm 层应当能够以比信道传输速度更快的速度来处理信元。 p m d 子层的主要作用是适应不同的传输介质以及与该介质相关的不同的接口速度。 物理a t m 接口的实现是为了电子或光学信号的通信。由于人们最初的设想是将其是作为 种w a n 技术，所以a t m 最初是设计用于使用s o n e t 的光纤的。如今，a t m 能够在 汁多4 i h 的他输力法及介质上进行l 作。a t m 论坛根据物理接口为a t m 接l 时日定r 以 p 推荐类型： 速度为l0 0 m b p s 的f d d i 。 速度为15 5 m p s 的光纤通道。 速度为15 5 m b p s 的s o n e t o c 一3 。 速度为6 2 2 m b p s 的s o n e t o c 1 2 。 速度勾l5 4 4 m b p s 的d s 1 。 速度为4 5 m b p s 的d s 一3 。 速度为20 4 8 m b p s 的e 一1 。 速度为3 43 6 8 m b p s 的e 一3 。 速度为2 56 m b p s 的双绞线。 3 l12a t m 层 a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 目1 异步传输模式，它是以信元为载体，面向连接的 力- = 传输信息。，是以建立虚通道的力式来建立链接。 a t m 信厄是信息的基本载体，特点是定长5 3 个字节，其中5 个字节用作信兀头，4 8 个j ：节为信元净茼装载用户要传送的信息，信头中包含该信元的路由信息和控制信息 4 8 字节信息段5 字节信头 图3 - 2 信头格式如图3 3 所示 第j 2 页 幽防科学技术大学研究生院学位论文 i 闻网 网i 网 i 词 网同i c l p i 同 图3 - 3 信元头结构 g f c ： 股流量控制 v p i ：虚通噬标识 v c ：虚通路标识 p t ：负倚类犁指示 c l p ：信几五失优先级 h e c ：信头差错控制 信元的路由信息含于信元头中。由于信元头太短，无法存放具体的地址信息，所以 信儿内地址价息j i 是个标号。路由交换的过程如下：当交换单元从某输入端凄到路由 枷；l j 为m 的信元时，就去查询路由表，以确定信元的输出端口及新的标号。新的标号将 仵| 。一个交换站使用。a t m 信元中用作路由的标号时v p ! 和v c i 域。显然路由表是预先 设定好的，其设定可以是静态的，亦可以是动态的。动态连接必须在信息传输前临时申 请建立。 a t m 网络使用虚拟电路来创建发送和接收结点之间的路径。一个虚拟电路是一个网 络 - n 个结点之问的一个路径，看上去是一个专用的点到点链接，对于用户而言是透明 的a t mf 、w | j ! 种类型的虚拟电路：永久性虚拟电路，交换机虚拟电路以及灵活永久 虚拟电路。 l 水久虚拟电路( p v c ) 这是一个专用的虚电路，具有一个预先分配的路径，并且在两个指定的端点之间有 个固定分配的带宽。这种类型的电路一旦创建之后就总是工作的，这样能够消除由 二 安装以及电路的拆卸引起的延迟。在一个网络中，两个a t m 兼容的路由器之间的链接就 址 个p v c 的例r 。这种电路必须在任何时候都是活动的，这样每一个路由器能够方便 地a ：各个路| ：i = i 器之间的传输及更新路由信息。p v c 是由服务提供商或网络管理员手工建 立的。要建立一一个p v c ，你必须从一个服务提供商或从你的机构的私有网络管理员那里 要求该p v c ，然后手工建立p v c 。如果你从一个服务提供商那里得到p v c ，那么你必须 提供目标地址、平均带宽或提交信息率( c 取) ，以及p v c 的持续时间( 如果你是从一个私 有网络那里请求p v c 的话，那么本地网络管理员会知道这些参数1 ，然后可能需要交个 月的服务费朋p v c 服务提供商或网络管理员能够使用一个远程终端创建p v c ，并且能 够渊整电路的带宽或做其他的调整。p v c 的一个缺点是该电路必须手工地创建或维护。 2 交换机虚拟电路( s v c ) 交换机虚拟电路是在需要的时候创建，不需要的时候就拆卸的电路。它是一个临时 连接，根据传输设备的要求而创建的，只有在设备通信的时候才工作。在通信完成之后， 电路就拆卸了，并且所有的资源都返还到资源池中。s v c 是一个动态建立的电路，由发 信写的软件、参数、通信设备以及a t m 装置创建的，其中参数是由设备应用定义的，并 匕小婴水frf 涉。s v c 是由以l j 过程创建的： 第1 3 页 幽防科学技术大学研冗生院学位论文 f 1 ) a t m 交换机从传输设备发送的传输要求。交换机将设备要求的带宽提供给废设 衙，j _ ：日蛐i 小没仃所要求的带宽，则交换机就会拒绝该清求。如果没有特别的带宽要求， 交换目l 就会分眦个缺省的带宽。 ( 2 1 连接龊求破发送到接收设备，一旦找到了接收设备，交换机就会将有天虚拟信道 的v m ( 虚拟路径标氓符) 信息发回给发送设备要求连接的设备。 ( 3 ) 在发送没备得到v p i 信息之后，交换机就结束设置指定的v c t ( 虚拟信道标识符) 的 r 作。s v c 有一个优点，就是用户要求建立或拆卸svc 对于用户而言都是透明的。这 些电路不需登手j 二建立，这样网络管理员就无须干涉。s v c 的确定是要求建立或拆卸会 引起延迟，但是如果网络设计得好的话，这些延迟对用户而言也是透明的。 3 灵活永久虚拟电路( s p v c ) 这种类型的电路联合了p v c 及s v c 的特征。一个s p v c ，就像一个p v c 那样，必 坝f 工配置，只是在终端设备上有这一要求。而另一方面，为了到达交换机或者要经过 的交换杌，每个f 等输都有自己定义好的路径，这点与s v c 一样。建立与拆卸时间不会 引起延迟，刚为电路是预先手工配韫好了的，这点与p v c 一样。与s v c 类似，s p v c 电 提供可选择路由错误的容错力。s p v c 的另外一个优点就是它提供了一个专用带宽；但是， 1 p v c 样，眩带宽在空闲或低利用率期间会被浪费。s p v c 的缺点是需要管理员进行 创矬，面例络管理员还要进行培训l 。 l j = a t m 启动信元传输之前，必须在各交换单元建立路由表，所以a t m 要求先连 衙传送。a t m 连接类似x2 5 中的虚电路，可以在注册时建立，犹如永久需电路，也可 以：传送时按照规定的信令协议( q2 9 3 1 ) 动态建立。a t m 连接保汪按序递交信元。连 接u ，以点到点，也可以一点到多点。点到点连接可以时双向的，且正反向带宽可以相同 或1 i 同。 a t m 定义了二级连接：虚通道连接( v c c ：v i r t u a lc h a n n e lc o n n e c t i o n ) 和虚路径 ( v p c ：v i r t u a lp a t hc o n n e c t i o n ) 。 a t m 引入二级连接旨在获得如下好处： ( 1 ) 简化网络结构：可以把网络传输功能分 成v c c 和v p c 相关的二类分别处理。( 2 ) 提高网络性能及可靠性：网络可以处理更少 的相对集中的实体。( 3 ) 减少建立连接的处理次数，并缩短连接建立时问：住已有v p c 卜建立一新的v c c 十分简单( 4 ) 增强网络服务：基于v p c ，用户可以定义闭台的用户 纰，旧纰闭合的虚通道构成虚拟悯络。 a t m 采用报艾分组方式。传统报文分组网中的滑窗流控己不能适应一些有实时要求 的瞳用，例如声齑、视频。又因为传统流控方式无法对不同的高层应用提供不同的流控 机制，因此a t m 层采用速率控制。每一条连接可以有不同的速率要求。目前有多种速率 控制实现方案。大体上是在连接时协商速率要求。例如：提出峰值速率及可能的最大持 续h , j 问，劂络负责监视有无违反规定，一旦发现，或者立即丢弃信元，或者将信元中c l p 位置l 标记为低优先级，表示该信元在必要时丢弃。如何监视网络有多种方案，而且更 佳的方法仍庄探求中。， 在信元中有一。位c l p 标志，该标志为1 时，表示该信元在网络要求丢弃信元情况时 ( 例如，资源紧张) ，将为优先丢弃对象。标志为0 时，则应尽力保留。优先控制机制 可在a t m 交换单元、多路服用单元以及在a t m 适配层的缓冲器中实现。具体方案有多 种，例如可以在缓冲器中保留一小部分空间。当信元到达率低于某一闽值时，这部分缓 h ，器接收所仃信几：r 。旦到达率高于该闽值，这部分缓冲器只接受c l p 为0 的信庀，不 内连接可囱不刚的控制策略， 用户一刚络接口( u n i ) 信元中有4 位一般流控位( g f c ) 。如何使用尚未完全定义。 它f lj 崩作用，。接入网络的不同优先级。例如几个u n i 共享一公共资源时即j ，川jg f c 圳以 控制。g f c 仪罚j 二u n i 而不用于网络节点间的接口( n n i ) 。 第1 4 页 吲舫科学技术大学研究生院学位论文 3113a t m 适配层( a a l ) a a l ：分为分段与重组子层( s a p , ) 和汇聚子层。分段与重组子层负责把岛层的帧 何流分解为a t m 信元：反之，把a t m 信元流组成帧位流。汇聚子层( c s ) 处理丢失及 误投的信元，恢复时钟，完成多路复用分用功能，c s 子层是面向服务的，它本身还可分 为j 特定服务相关的c s 子层和公共c s 子层。 图3 4 所示为a a l 的结构 图3 - 4a a l 层结构 c sf 联负责为来自用户面的高层信息单元作分割准备，目的是让接收方c s f 层能 够将这此分纰还炽成原始高层信息。为此，c s 将添加控制信息作为标头和后缀或j l 是后 缀i ；f , l 加侄l 抄。信息l 。控制信息的使用由a a l 服务类型决定。c s 控制信息与高层数据 最终都是a t m 信元负载的一部分。 c p c s 检查信元的丢失和错误，提供误码的保护。s s c s 对不同业务提供不同功能， 例如时延处理，流量控制等。 s a p 子层将来自c s 的c s ，p d u 分割为a t m 信元的负荷，或将a t m 信元负载重组 为c s p d u ，分段重组时维持s a r p d u 的传输顺序，提供误码检查与保护功能。 31l4a a l 5 的结构及功能 因为本课题所实现主要是a a l 5 的帧，所以以f 重点介绍a a l 5 。 a a l 5 又称s e a l ( s i m p l ea n de f f i c i e n ta d a p t a t i o nl a y e r ) 。s e a l 把顺序和一致性榆 盘侈交给更t 宙i 用户一a t m 网络的终端用户，从而使a a l 5 开销百分比降到数据网络用户 习惯的5 j 右，而a a l 3 4 顺序和一致性检查花费近4 个字节的开销。a a l 5 的有傲负 载为4 8 亨亿可以充分发挥现在3 2 位和6 4 位处理器体系结构的处理能力。而a a l 3 4 的仃效负载为4 4 字节，只有4 是4 4 的因子，4 和8 都是4 8 的因子，a a l 5 可以看作a a l 3 4 的 个“j i 集”，从这个意义上讲二者具有相同的服务和功能。 图3 - 5 所乐为a a l 5 帧的格式和a t m 信元之间的关系。 a a l 5 格式 l12 4 9 - 节 sscs。i。1。“。“。cpcs u uc e i 4 镀ic r c “、 j 4 c p c s ic p c s - s d up a d 1c p c s - p d u ) 尾f 。 _ 、，。、| 洲匿因耍盟竭瞳习卫蟹圃 vr中的pti中的 a l 彤；【la l 兀= l 图3 - 5 a a l 5 帧格式示意图 a a l 5 l - x , d 点到点网络，所以比a a l 3 4 的开销少，复杂性低。只须在数据单元、| 二加 上个短的尾部，使形成c p c s p d u 。a a l 5 随后将该c p c s p d u 简单地划分为一系列4 8 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学 觅论义 寸似也有效载倚，花s a r 子层不须添加任何开销，a 八l 5 的全部开销只存在于信兀序列 i l j i l t 历一个佑，该信元可由信元头的p t i 域编码标识，它包含a a l 5c p c s p d u 的尾。 使用a a l 5 时，发送者必须使c p c s 的尾部位于信元序列的最后一个信元，即 c p c s p d u 必须加上一部分无用数据，使最后c p c s p d u 长度为4 8 的整数倍。，p a d 域长 o 一4 7 字节，这些额外的数据编码为全1 ，在接收端被忽略。