WCDMA 03 ATM 基本原理.doc

ATM基本原理内部公开资料编码产品名称ATM基本原理使用对象核心网工程师产品版本编写部门软交换产品部资料版本ATM基本原理拟 制：UMTS技术支持小组日 期：200705审 核：日 期：审 核：日 期：批 准：日 期：华 为 技 术 有 限 公 司版权所有 侵权必究目 录第1章 概述11.1 电路交换和分组交换的区别11.2 ATM交换21.3 ATM交换、电路交换和分组交换的区别2第2章 ATM技术的基本概念62.1 ATM信元结构62.2 虚连接112.3 ATM的交换过程152.4 ATM地址152.4.1 公用ATM地址（E.164地址）162.4.2 专用ATM地址（NSAP地址）162.4.3 对接ATM地址协商172.5 ATM的统计复用18第3章 ATM协议栈193.1 ATM的分层结构193.2 物理层203.3 ATM层203.4 ATM适配层21第4章 ATM业务类型234.1 CBR业务234.2 rt-VBR业务234.3 nrt-VBR业务234.4 UBR业务244.5 ABR业务24第5章 流量控制和拥塞控制与算法265.1 ATM网络的拥塞管理265.1.1 ATM网络拥塞管理的重要性265.1.2 网络拥塞管理的基本思想265.2 漏桶算法305.2.1 信元的守约305.2.2 容忍度（缓冲深度）325.2.3 结论345.3 流控算法分析355.3.1 GCRA算法分析355.3.2 第一级漏桶分析365.3.3 第二级漏桶分析375.3.4 CDVT的估算37第6章 IPOA协议和RFC1483396.1 概述396.2 IPOA基本工作原理396.3 RFC1483基本概念406.4 RFC1483B协议41第7章 ATM信令437.1 ILMI的基本概念437.2 UNI信令简介437.2.1 UNI 3.1437.2.2 Q.2931/2971447.2.3 IISP447.2.4 UNI 4.0447.2.5 PNNI 1.045第8章 IMA协议468.1 IMA概述46小 结48472008-09-18华为机密，未经许可不得扩散第47页, 共52页ATM基本原理内部公开第1章 概述1.1 电路交换和分组交换的区别最基本的两类交换模式是面向连接的电路交换和面向无连接的分组包交换。电路交换方式是面向连接的，按时隙交换，独占线路资源。打电话之前先拨电话号码，建立起两个人之间的连接线路，然后通话、挂断，这种通讯方式称为面向连接的交换，又因为通讯的两者有一条电路存在，所以称为电路交换。在网络资源分配上，电路交换中网络资源可由信令系统在连接建立时分配，分配给一个连接的网络资源不能被别的连接占用，只在连接拆除时才释放网络资源。基于电路交换的PSTN在语默期同样占有64K的时隙，独占线路资源。分组交换是面向无连接，无连接的意思是说通讯的两者之间，不具备唯一独立的链路，它采用的主要技术是包交换技术，将欲传输的数据打成包，实际上是具有特殊标记的字节，每个包有目的地址、源地址、错误控制信息等等，这样的数据包具有自己去找目的地的能力，这种非独占性传输的好处是，许多应用可以共享一个很小的带宽，利用率比较高。他们的主要区别体现在以下几方面：(1) 在交换形式上，电路交换采用固定时隙分配，也就是说，电路交换在根本上只能支持单一速率（如64kbit/s）的交换，这显然不能适应多种业务的要求；无连接的分组交换则利用包交换的形式，将用户信息封装在分组中进行交换，每个分组有一个分组头，分组头用于路由选择、差错控制和流量控制等功能，各个分组的长度和间隔时间都可改变，因此分组交换可以支持多种速率的交换。(2) 在路由选择上，电路交换中各连接的路由是在连接建立时由复杂的选路算法在整个网络中选择的，信令系统在路由经过的各个网络设备内填写路由表以标识交换信息，一个连接的所有信息都经过相同的路由；无连接的分组交换中，路由信息由各个分组头携带，交换设备查看到来的每个分组头中的地址信息，并根据当时的网络状态选择一条路由，将分组发到下一级网络设备中，因此同一业务的不同分组在网络中经过的路径不同。(3) 在网络资源分配上，电路交换中网络资源可由信令系统在连接建立时分配，分配给一个连接的网络资源不能被别的连接占用，只在连接拆除时才释放网络资源；无连接的分组交换中，分组只在发送时才占用网络资源，网络资源可由各个业务共享。1.2 ATM交换ATM即异步转移模式，ATM是一种基于信元的交换和复用技术，综合了电路交换和分组交换的特点：ATM是面向连接的，即任何一个ATM终端用户在与另一用户通信时都需要建立连接；另一方面ATM传输采用了固定长的信元，因而其又具有分组交换的特点，使各连接可以共享带宽资源。ATM（Asynchronous Transfer Mode）是一种以信元为单位的异步转移模式。所谓“转移模式”，就是在电信网路中信息传输、复用和交换的方式。异步意味着来自任一用户的信息信元流不必是周期性的。ATM是一种特殊的分组传送技术，提供QOS保障，满足实时业务和非实时业务的需求。1987年ITU-T将异步转移模式（ATM）选为B-ISDN中的转移模式。ATM的突出特点是可以灵活地支持现有的和将来可能出现的各种业务，能达到很高的网络资源利用率，支持高速交换。1.3 ATM交换、电路交换和分组交换的区别ATM结合了电路交换和分组交换的优点，是面向连接的分组交换。无连接的分组交换利用包交换的形式，将用户信息封装在分组中进行交换，每个分组有一个分组头，分组头用于路由选择、差错控制和流量控制等功能，交换设备查看到来的每个分组头中的地址信息，并根据当时的网络状态选择一条路由，将分组发到下一级网络设备中，因此同一业务的不同分组在网络中经过的路径不同。各个分组的长度和间隔时间都可改变，因此分组交换可以支持多种速率的交换。这种逐段转发方式使分组网络不能提供可靠的服务质量。ATM是面向连接的，即任何一个ATM终端用户在与另一用户通信时都需要建立连接；另一方面ATM传输采用了53字节固定长度的信元，因而其又具有分组交换的特点，使各连接可以共享带宽资源。ATM能在单一的主体网络中携带多种信息媒体，承载多种通信业务，并且能够保证QoS。前面介绍了ATM能够支持现有的和将来可能出现的各种业务，下面具体地看看ATM的网络应用和桌面应用。在传送网中有ATM VP交叉连接节点（VPX）和ATM ADM设备。在交换网中有ATM交换机，这是窄带向宽带演进的方式。这是ATM的主要应用。在Internet网中有ATM路由器，采用IP交换技术、 多协议标记交换技术（MPLS）等。在局域网有ATM局域网交换机，但受到千兆以太网和三层交换机的挑战。在桌面应用有ATM网卡，直接支持高层应用系统软件，已不可能大量使用。制定ATM标准的组织主要有：ITU-T、ATM论坛和IETF。ITU-T致力于公网上ATM标准化工作，有代表性的标准有：Q.2931/Q.2971、BISUP、I.610。ATM Forum致力于专网上ATM的标准化工作，加速ATM产品的推广和使用，有代表性的标准有：UNI3.1、UNI4.0、ILMI、PNNI、MPOA、VTOA、LANE、TM4.0。华为是ATM论坛成员之一。IETF致力于ATM网承载IP业务的标准化工作，解决传统路由器的瓶颈问题，有代表性的标准有：RFC1483、RFC1577、IP Switch、MPLS。ATM基本原理内部公开第2章 ATM技术的基本概念2.1 ATM信元结构ATM是一种基于信元的交换和复用技术，ATM传送信息的基本载体是ATM信元，ATM信元和分组交换中的分组类似，但又有自己的特点。ATM信元是定长的，而且信元的长度较小，只有53字节，分为信头和净荷两部分，信头为5字节，净荷为48字节。图2-1 ATM信元格式信头内容在用户-网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）中略有差别（图2-1），主要由以下几部分构成。l VPI：虚通路标识，NNI中为12比特，UNI中为8比特。l VCI：虚通道标识，16比特，标识虚通路中的虚通道，VPI/VCI一起标识一个虚连接。l HEC：信头差错控制，8比特，用于检测出有错误的信头。HEC的另一个作用是进行信元定界，利用HEC字段和它之前的4字节的相关性可识别出信头位置。由于在不同的链路中VPI/VCI的值不同，所以在每一段链路都要重新计算HEC。l PT：净荷类型，3比特。用于指示本信元为用户数据信元或OAM信元等。 例如：PT000，用户数据信元，未经历拥塞；PT100，OAM F5段相关信元。l CLP：信元丢失优先级，1比特。 用于拥塞控制，当经过某一节点出现拥塞时，就将这一比特置为1。l GFC：一般流量控制，4比特，只用于UNI接口，目前置为0000，将来可能用于流量控制或在共享媒体的网络中标示不同的接入。ATM是一种基于信元的交换和复用技术，ATM传送信息的基本载体是ATM信元，ATM信元和分组交换中的分组类似，但又有自己的特点。ATM信元是定长的，而且信元的长度较小，只有53字节，分为信头和净荷两部分，信头为5字节，净荷为48字节。信头内容在用户网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）中略有差别，主要由以下几部分构成。GFC：一般流量控制，4比特，只用于UNI接口，目前置为0000，将来可能用于流量控制或在共享媒体的网络中标示不同的接入。VPI：虚通道标识，NNI中为12比特，UNI中为8比特。VCI：虚通路标识，16比特，标识虚通道中的虚通路，VPI/VCI一起标识一个虚连接。PT：净荷类型，3比特。表示净荷是数据信元还是管理信元。CLP：信元丢失优先级，1比特，用于拥塞控制。ATM网中传送的信元有两种优先级别，通过信元头中的CLP位来区分，CLP=0表示优先级高，CLP=1表示优先级低。当网络发生拥塞时首先选择CLP=1的信元丢弃以缓解拥塞，牺牲掉低优先级信元来保证高优先级信元的传送质量。HEC：信头差错控制，8比特，检测出有错误的信头，可纠正信头中1比特的差错。HEC的另一个作用是进行信元定界，利用HEC字段和它之前的4字节的相关性可识别出信头位置。由于在不同的链路中VPI/VCI的值不同，所以在每一段链路都要重新计算HEC。ATM交换分为VP交换和VC交换两种。VP交换就是指在交换的过程中只改变VPI的值，透传VCI的值。而VC交换过程中VPI、VCI都改变。因此在使用中，VP就相当于一个大的管道，而VC相当于一个小的管道。ATM交换机是如何完成交换功能的呢？各类业务在经适配进入ATM网后，便由ATM交换机或交叉连接设备提供交换和中继功能，从而到达目的地。ATM交换机或交叉连接设备的作用是：根据输入信元的VPI/VCI标识以及它本身在建立连接时产生的路由表，将该信元转发到相应的输出端口，并对该信元的头部进行适当处理，如改变其VPI/VCI值，在拥塞时有可能改变CLP值，最后还要重新计算HEC值，以保护新产生的信元头。ATM的交换过程如图所示。VPI/VCI=2/37的信元从端口1进入ATM交换机，通过查路由表，将信元的VPI/VCI变为1/51，然后从端口2送出。下一个交换机从端口3收到VPI/VCI=1/51的信元，通过查路由表，将信元的VPI/VCI变为3/39，然后从端口4送出。ATM交换机实质上是一个能将输入端口中的信元，按照其路由标记送到它所要求的输出端口的功能块。因此，ATM交换机最主要的功能是路由功能。ATM通过VC建立连接有两种方式：交换虚通路（SVC）连接和永久虚通路（PVC）连接。PVC是通过网管预先建立的，不论是否有业务通过或终端设备接入，PVC一直保持，直到由网管释放。因此，PVC类似于电话网中的租用线路，经过PVC连接的用户需要通信时，不会因通信网络资源不够而导致通信失败。现在在ATM网中基本上都是使用PVC。SVC是用户需要通信时，通过终端设备由信令建立的虚通路。SVC类似于电话网的用户线路，只有经过呼叫请求，网络为通信双方建立起相应虚通路后，才能进行通信，通信完成后，由信令释放SVC。使用SVC的用户对网络资源的利用率高，通信费用较低。2.2 虚连接ATM信元的信头与分组交换中分组头的功能相比大大简化了，如不再进行逐段链路的检错和纠错，由于链路质量的提高，端到端的差错控制只在需要时由终端处理，HEC只负责信头的差错控制。另外，信头只用VPI和VCI标识一个连接，而无需源地址、目的地址和包序号，信元顺序也由各网元保证。在信头中最重要的部分是VPI和VCI，即虚通道标识和虚通路标识。ATM网络的操作类似于电话呼叫接续过程，在通信前必须在源和目的端之间建立连接，这个连接是一个虚连接，称为VCC，用VPI/VCI来标识。ATM技术中最重要的特点就是信元的复用、交换和传输过程，均在虚通路（VC）上进行。虚通路由VCI标识，它是ATM网络链路端点之间的一种逻辑联系，是在两个或多个端点之间传送ATM信元的通信通路，可用于用户到用户、用户到网络、网络到网络的信息转移。虚通道（VP）是在给定参考点上具有同一虚通道标识VPI的一组虚通路。虚通路VC在传输过程中，组合在一起构成虚通道VP。因此ATM网络中不同用户的信元是在不同的VP、VC中传送的，而不同的VP/VC则是利用各自的VP标识（VPI）和VC标识（VCI）进行区分。ATM是面向连接的交换，这个连接用VPI、VCI来标识。VPI、VCI的取值只有局部意义，即只在通过物理媒质直接相连的两个接口之间有效，相同的值在其它接口可以重复使用。每个VPI/VCI在相应的VP/VC交换节点被处理，相同的VPI/VCI值在不同VP/VC链路段并不代表同一个“虚连接”。从路由的角度看，VPI和VCI是信元在ATM网络中传输的路由地址，多个路由地址标识了一条连接。当交换网络接收到信元时，根据信元头中的VPI和VCI查找映射表，确定输出的VPI和VCI。如图所示，用户A发出的VPI/VCI=1/40的信元，经交换机B后VPI/VCI被交换成2/44；经交换机C后VPI/VCI=3/44；经交换机D后VPI/VCI=4/50，最后送到用户E。这里（1，40）（2，44）（3，44）（4，50）标识了A与E之间的一个连接。从路由的角度看，VPI和VCI是信元在ATM网络中传输的路由地址，多个路由地址形成了一条并且标识一条连接。当交换网络接收到信元时，根据信元头中的VPI和VCI查找映射表，确定输出的VPI和VCI。如图2-2所示，userA发出的VPI/VCI=0/40的信元，经switchB后VPI/VCI被交换成VPI/VCI=1/45；经switchC后VPI/VCI=100/45；经switchD后VPI/VCI=3/50；经switchE后VPI/VCI=2/60，最后送到userF。这里（0,40)(1,45)(100,45) (3,50)(2,60)标识了A与F之间的一个连接。图2-2 ATM连接的示意图ATM交换分为VP交换和VC交换两种。VP交换就是指在交换的过程中只改变VPI的值，透传VCI的值，而VC交换过程中VPI、VCI都改变。因此在使用中，VP就相当于一个大的管道，而VC相当于一个小的管道。虚通路与虚通道的关系如图2-3所示。图2-3 VC、VP和物理传输通道的关系ATM连接建立的方式有两种：1、PVC（P）PVC即Permanent VC，是通过网管预先建立的，不论是否有业务通过或终端设备接入，PVC一直保持，直到由网管释放。2、SVC（P）SVC即Switched VC，是用户需要通信时，通过终端设备由信令建立的虚通道。SVC类似于电话网的用户线路，用户每次在通信前必须发起呼叫请求，网络通过信令为通信双方建立起相应虚通道后，进行通信，通信完成后，由信令释放SVC。 2.3 ATM的交换过程各类业务在经适配进入ATM网后，便由ATM交换机或交叉连接设备提供交换和中继功能，从而到达目的地。ATM交换机或交叉连接设备的作用是：根据输入信元的VPI/VCI标识以及它本身在建立连接时产生的路由表，将该信元转发到相应的输出端口，并对该信元的头部进行适当处理，如改变其VPI/VCI值，在拥塞时有可能改变CLP值，最后还要重新计算HEC值，以保护新产生的信元头。ATM交换机实质上是一个能将输入端口中的信元，按照其路由标记送到它所要求的输出端口的功能块。因此，ATM交换机最主要的功能是路由功能。2.4 ATM地址在IP网络中，如果两台主机要相互通信，必须知道对方的IP地址；如果希望给朋友发邮件，必须知道对方的E-Mail地址，因此地址是设备的重要标识。在ATM网络中如果是SVC方式的连接，必须知道双方的ATM地址（PVC方式则没有必要）。ATM地址有两种，一种是E.164地址，与电话号码类似；另外一种是NSAP地址。NASP方式的ATM地址的长度为20个字节，也由两部分组成：“网络前缀”（13字节）+“用户部分”（7个字节）=“用户标识”（6个字节）+选择符（1个字节）。“网络前缀”由交换机提供，“用户部分”由用户设备提供，一般情况，组成“用户部分”的“用户标识”（6个字节）就是用户设备的MAC地址（6个字节），“选择符”（1个字节）用来区分用户设备的子用户。哪些是用户侧设备呢？带ATM接口（155M光口或电口）的ATM-LANSWITCH、插上ATM网卡的计算机（ATM网卡通过光纤与交换机互连），该计算机的ATM地址就是计算机的“网络前缀”+该ATM网卡的用户部分（网卡自带的）。NSAP方式的地址，第一个字节必须是0x39、0x45、0x47中的一个。ATM地址UNI 3.1支持两种ATM地址：公用ATM地址、专用ATM地址。公用ATM地址（E.164地址）2.4.1 公用ATM地址（E.164地址）公用ATM地址也就是ITU-T采用的E.164地址。地址结构如下：地址由最多15个十进制数字（IA5字符）组成（国家代码+国内目的码+子用户代码）。2.4.2 专用ATM地址（NSAP地址）ATM论坛基于OSI的NSAP语法定义了一种地址格式，通常也就叫做NSAP地址，虽然严格来说叫做ATM专用网络地址或ATM端点标识更合适一些。ATM的NSAP地址占用20字节，如下图所示：ATM的NSAP地址分为两个部分：IDP（Initial Domain Part）、DSP（Domain Specific Part）。IDP唯一标识了DSP的管理机构，DSP包含真正地址信息。IDP由AFI（Authority and Format Identifier）和IDI（Initial Domain Identifier）构成。IDI（Initial Domain Identifier）指明地址分配和管理授权；AFI则指定IDI的类型和格式。DSP通常又按等级结构分为High Order DSP（HO-DSP）和low order part即ESI（End System Identifier）。ESI一般就用6字节的MAC地址。另外，SEL用于终端站内的本地多路复用，并无任何网络上的意义。ATM的NASP地址目前定义了三种格式：1、DCC ATM format。格式如下图：其中，AFI=0x39；此时，DCC（Data Country Code）指明了由ISO 3166规定的不同国家。这个地址由ISO National Member Body管理。2、ICD ATM format。格式如下图：其中，AFI=0x47；此时，ICD（International Code Designator）指明了由ISO 6523登记授权的机构（英国标准学会）。3、E.164 ATM format。格式如下图：其中，AFI=0x45；这种E.164地址与 前面提到的E.164地址（公用ATM地址）编码方式不同，地址仍是最大15个数字，采用BCD编码，用8个字节来表示15个数字的地址信息 ，前面补“0000”以取得最大长度，最后一个字节的低4位补“1111”。2.4.3 对接ATM地址协商华为侧配置的地址是NSAP地址，包括DCC、ICD和E.164三种；爱立信的15位地址是指公用ATM地址的E.164地址。NSAP的E.164和公用ATM地址的E.164地址有一定联系：这种E.164地址与 前面提到的E.164地址（公用ATM地址）编码方式不同，地址仍是最大15个数字，采用BCD编码，用8个字节来表示15个数字的地址信息 ，前面补“0000”以取得最大长度，最后一个字节的低4位补“1111”。邮件最下边有具体的地址格式介绍。for example: 爱立信：the E164 number is 777777777777777, 华为MGW：the ATM address is 45777777777777777F0000000000000000000000.这里DSP、ESL和SEL填的都是0。由于地址转换有点麻烦，并且不知道爱立信是如何填写NSAP地址中的其他字节，所以一个简单的做法是：1、暂时分配一个15位的E.164地址给华为，并告知爱立信，然后按此地址和套用上边的转换方法配置华为的本地和邻节点的NSAP。2、由于在Iu口Q.AAL2的建立是RNC发起的，所以跟爱立信对接时会收到爱立信的ERQ消息。跟踪Q.AAL2接口，看看爱立信发过来的ERQ消息里的NSAP信元，如果跟华为的本地NSAP不同，可以根据此信元内容来更新华为侧的本地NSAP地址配置。2.5 ATM的统计复用ATM的最大特点，就是对任何形式的业务分布都能达到最佳的网络资源利用率。要达到这一目标就要对网络资源进行统计复用。所谓统计复用就是根据各种业务的统计特性，在保证业务质量要求的前提下，在各业务间动态地分配网络资源，以达到最佳的资源利用率。如图3-1所示，用户D、C、A的数据按到达的先后顺序排列到输出线路上，而用户B因为此时没有数据，故不占用输出线路的带宽资源，从这个意义上说，ATM连接是一个虚连接。第3章 ATM协议栈3.1 ATM的分层结构ATM协议参考模型分成三个平面：用户面、控制面和管理面，三个功能层：物理层、ATM层和ATM适配层（AAL）。图3-1 ATM协议参考模型协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能：l 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；l 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；l 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。同时层管理还处理与各层相关的OAM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。各层还可细分为几个子层，各层和子层的功能如表3-1所示。表3-1 ATM协议参考模型的分层及其功能高层高层功能层管理AALCS会聚SAR分段与组装ATM层一般流量控制信元头产生与提取信元VPI/VCI翻译信元复用和解复用物理层TC信元速率解耦HEC序列的产生/检验信元定界传输帧适配传输帧产生/恢复PM比特定时物理媒介3.2 物理层物理层主要是提供ATM信元的传输通道，将ATM层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流，同时在接收到物理媒介上传来的连续比特流后，取出有效的信元传给ATM层。ITU-T和ATM论坛将物理接口分为三类，即基于SDH、基于信元和基于PDH。对于SDH/SONET、PDH等具有帧结构的传输系统而言的，在这些系统中传送ATM信元时，必须将ATM信元装入传输帧中。因此在物理层要有传输帧产生恢复。 信元速率去耦的作用是插入一些空闲信元将ATM层信元速率适配成传输线路的速率。3.3 ATM层ATM层主要完成信元复用解复用，有关信头的操作，以及流量控制。信元复用解复用在ATM层和物理层的TC子层接口处完成，发送端ATM层将具有不同VPI/VCI的信元复用在一起交给物理层；接收端ATM层识别物理层送来的信元的VPI/VCI，并将各信元送到不同的模块处理，如识别出信令信元就交控制面处理，若为OAM等管理信元则交管理面处理。信头操作指VPI/VCI翻译，翻译的依据是连接建立时所分配的VPI、VCI。3.4 ATM适配层ATM适配层（AAL）位于ATM层之上，这一层是和业务相关的，即针对不同的业务，采用不同的适配方法。但都要将上层传来的信息流（长度、速率各异）分割成48字节长的ATM业务数据单元，同时将ATM层传 来的ATM业务数据单元组装、恢复再传给上层。由于上层信息种类繁多，AAL层处理比较复杂，所以分了两个子层：汇聚子层（CS）和拆装子层（SAR）。为了提高交换网络的速率，对ATM层作了尽可能的简化，而ATM层未提供处理的信元丢失、误传、时延、时延抖动等与业务服务质量密切相关的功能，由AAL层完成。不同类型的业务需要不同的适配，ITU-T研究各种业务的特点，根据源和目的的定时、比特率、连接方式将业务分为类，并相应地定义了AAL1、AAL2、AAL3/4及AAL5。1、AAL1AAL1协议针对的是固定速率的、面向连接的业务，在信源和信宿之间需要定时信息的传送。这类业务典型的例子是目前的电路交换业务，如话音业务、各类NISDN业务。AAL1的帧结构如下：AAL1主要适用于信源和信宿间有严格定时关系且面向连接的CBR类业务；CSI标识不同的应用，如时钟信号传递和结构化数据传递等；SC放置每个信元的序号，用于检测信元丢失及误插入。SN SNP（CRC-3）；CRC-3和奇偶校验位用来保证序号域中信元序号的正确传输；2、AAL2AAL2是为端到端具有定时关系的可变比特率（VBR）业务提出的，如VBR音响和电视。3、AAL3/4现有局域网的远程互连一般采用X.25或帧中继技术，存在着程度不等的瓶颈，因此，利用ATM技术实现局域网的远程互连，是ATM网初期的重要应用。在ATM网中，数据业务有两类：远程计算机局域网互连对应于无连接的数据业务，另一类是面向连接的数据业务。AAL3/4协议用于对这些业务的适配。4、AAL5AAL5支持收发端之间没有时间同步要求的可变比特率业务，它提供与AAL3/4类似的业务，主要用来传递计算机数据、UNI信令信息和ATM上的帧中继。定义AAL5的主要原因是减少开销，使其成为简单而有效的AAL。AAL5的帧结构如下：其中：PAD填充字段，由硬件层自动完成，将PDU负载的长度调整成适合ATM信元传输的长度。CPCS-UU未用。CPI目前唯一的用处就是将CPCS-PDU的尾部定位成64比特（8字节）（CPCS-UU+CPI+Length+CRC)，编码为“0x00”。Length指示了负载字段的长度，单位是“八位位组”。编码“0x00”用于“中断”功能。CRC保护除了CRC自身以外的所有CPCS-PDU字节。第4章 ATM业务类型ATM层所提供的业务体系有五种业务类型：固定比特率业务CBR、实时可变比特率业务rt-VBR、非实时可变比特率业务nrt-VBR、可用比特率业务 ABR、未指定比特率业务 UBR。这些业务类型与流量特性以及网络的QOS需求有关。一般来说，路由、CAC以及资源分配这些功能结构对每种业务类型都是不同的。4.1 CBR业务恒定比特流业务（CBR）的定义恒定比特流业务用于在连接的生命期中需要静态带宽的连接。这个带宽由PCR值来确定。网络对于使用CBR的用户提供的最基本的保证是，一旦连接建立以后，对于符合一致性测试的所有的信元必须提供协商好的ATM层的QoS的保证。在CBR业务中，源端可以在任何时候以任意长的时间用PCR的流量发送信元而QoS必须得到保证。CBR业务一般用来支持对时延变化要求较高的实时业务（例如：声音，图象，电路仿真），但是，并不局限于这些业务。在CBR中，源端可以以协商的PCR或者低于PCR（也可能停止发送）的速率发送信元。如果信元的时延大于给定的最大信元传输时延（maxCTD），被认为是极大地降低了性能。4.2 rt-VBR业务实时的可变比特率（rt-VBR）业务的定义rt-VBR业务也是一种实时的应用，也就是说对时延和时延变化有严格的限制，rt-VBR的主要应用有话音和视频业务。 rt-VBR连接的特性主要靠峰值信元速率（PCR）、平均信元速率（SCR）、最大突发长度（MBS）和信元延迟容限（CDVT）来描述。源端发送信元的速率是可变的，也就是说源端可以被认为是“突发性的”。rt-VBR业务可以支持实是资源的统计复用。4.3 nrt-VBR业务非实时的可变比特率（nrt-VBR）业务的定义 nrt-VBR业务支持一种突发性的非实时的应用，连接特性是通过PCR、SCR以及MBS来描述的。对那些满足流量合同的信元，nrt-VBR业务可以保证很低的信元丢失率但是对时延没有限制。nrt-VBR业务可以支持连接的统计复用。4.4 UBR业务未定义比特率业务（UBR）业务的定义UBR业务支持非实时的应用，也就是那些对时延和时延变化要求都不太严格的应用，如一些传统的计算机通信应用，象文件传输和email等。UBR业务不存在任何的服务质量的承诺，连接的信元丢失率和信元传输时延均没有数值保证。网络可以选择在CAC和UPC中是否需要运用PCR。在网络对PCR没有强制性的要求的时候，PCR的值没有什么意义。UBR连接的拥塞控制可以在高层或者端到端的基础上进行。4.5 ABR业务可用比特率（ABR）业务的定义ABR业务中网络在连接建立时的传输特性可以在后来被更改。有一种流控机制支持对源端的反馈来控制源端发送信元的速率，这种反馈是通过特定的控制信元叫做资源管理（RM）信元来实现的。可以预期终端系统在根据反馈调整流量的时候会有一个很低的信元丢失率，然后获得一个公平的可以利用的带宽。对给定的连接，ABR业务对时延和时延变化没有边界限制，也就是说ABR不支持实时的应用。在ABR连接建立的时候，终端系统会指定一个所需要的最大带宽和一个最小可用的带宽。这是通过峰值信元速率（PCR）和最小信元速率（MCR）来描述的。其中MCR的值可以为零，网络所提供的带宽可以变化但不能小于MCR。ATM论坛从流量控制的角度出发，并根据这五类业务的服务质量要求，网络提供不同的流量控制机制。l 从业务特性上区分，如峰值信元速率（PCR）、可维持信元速率（SCR）、最小信元速率（MCR）、最大突发长度（MBS），它们描述业务本身的流量特性，又称为源流量参数；另一些业务特性参数并不表示业务本身的流量，而是体现业务对时间特性的要求，如业务所能允许的信元抖动容限（CDVT）等。从业务的ATM层服务质量（QoS）上区分，包括峰峰信元时延抖动（peak-to-peakCDV）、最大信元传送时延（maxCTD）、信元丢失率（CLR）、信元错误率（CER）、严重出错的信元块比例（SECBR）、信元误插入率（CMR）。BA000009 ATM原理深入 ISSUE1.1第6章 IPOA协议和RFC1483第5章 流量控制和拥塞控制与算法5.1 ATM网络的拥塞管理5.1.1 ATM网络拥塞管理的重要性根据ITU-T的定义，ATM网络的拥塞指的是网络元素（如交换机、复接器或传输设备等）的一种状态，在这种状态下网络不能保证已建立连接的服务质量或者不能接纳新的连接请求。出现拥塞的原因有两方面：一是由于网络中流量强度不可预测地随机波动而造成网络负荷过重；二是由于网络本身出现故障。任何一个实用的电信网都需要解决网络拥塞的管理问题，也就是解决有限的网络资源与用户需求间的矛盾-在满足用户对服务质量要求的前题下尽可能地充分利用网络资源。ATM网与以往的电路交换方式或分组交换方式的网络相比这一问题显得更加突出，这是因为ATM网络的拥塞管理既重要又困难。说它重要是因为ATM是一种异步时分、统计型复用的信息传送方式，而统计复用在提高网络资源利用率、增强灵活性的同时不可避免地增加了引起网络拥塞的风险。拥塞管理的困难又表现在两个方面：一方面，ATM网中传送的是各种类型的业务信息综合而成的数据流，其流量特性十分复杂难于控制；另一方面，由于ATM网络传输速率高，一旦某处发生拥塞而不能及时解决，拥塞范围将迅速扩大。由此可见，ATM网的拥塞管理是个很重要的问题。5.1.2 网络拥塞管理的基本思想由于ATM网络拥塞管理的复杂性，以往在电路交换网与分组交换中采用的拥塞管理方法不再适用。电路交换网中拥塞控制的基本思想是资源预分配与即时拒绝，在为呼叫请求建立一条连接的同时分配一部分被这条连接所独占的资源，当网络资源不足时拒绝新的呼叫请求。这种方法的主要缺陷是缺乏灵活性，与ATM动态分配资源的特性相矛盾。分组交换网中目前普遍使用X.25协议中的窗口流量控制技术来控制拥塞，其基本思想是通过反馈的方法来限制发送端发出过多的流量，这种方法控制的速度较慢，不适合用于高速的ATM网络。为了满足ATM网中拥塞管理的要求，ITU-T提出了一套新的拥塞控制机制。其基本思想在于：引入预防性控制措施，不再是出现拥塞之后再采取措施来消除拥塞，而是通过精心管理网络资源而避免拥塞的出现。拥塞管理的功能分成两个层次，第一层是预防性措施，称为流量控制（Traffic Control），是为防止网络出现拥塞而采取的一系列措施，包括网络资源管理（NRM）、连接允许控制（CAC）、使用参数控制（UPC）以及优先级控制等；第二层是反应性措施，称为拥塞控制（Congestion Control），是当网络出现拥塞后为将拥塞的强度、影响范围、持续时间减到最小而采取的一系列措施，包括信元选择性丢弃与拥塞指示等。ATM网中拥塞控制由流量控制与拥塞控制功能配合完成。用户向网络发出呼叫请求时需要向网络提交即将发送的流量特性，以及对服务质量的要求，网络此时执行连接允许控制CAC功能，确定网络是否有足够的资源来支持这一新的呼叫请求。如果能支持就建立相应的虚电路连接，并同用户协商允许通过这条虚电路输入网络的流量的特性参数。只有用户实际输入网络的流量特性满足协定的特性参数时，网络才保证对它的服务质量。在通信过程中执行使用参数控制UPC功能，监测每条虚电路中实际输入网络的流量，一旦发现超越了协定参数就采取措施加以限制。以上这些功能的目的都在于防止拥塞的出现，属于流量控制范围。ATM网一旦检测到出现拥塞状况，则启动拥塞控制功能，首先是有选择地丢弃掉重要程度相对低的信元以缓解拥塞，同时进行拥塞状态信息的前向、反向指示。当这些措施仍不能很好地控制住拥塞时网络将进行释放连接或重选路由。由此可见，ATM网的流量管理机制可分成如下几个阶段：l 呼叫请求建立连接阶段。其关键技术是连接允许控制。l 通信过程中对入网流量的监测与控制，关键技术是使用参数控制。l 拥塞控制阶段，关键技术是选择信元丢弃与拥塞指示。3、网络拥塞管理的主要功能l 连接允许控制（CAC）当网络收到呼叫请求后首先启动CAC功能，检测当前网络资源的分配与占用情况，对照用户呼叫请求中提交的流量特性与服务质量要求，确定当前可供使用的网络资源能否满足用户要求。如果能够满足要求并在建立新连接的同时仍能保证已有连接的服务质量，则网络将接纳这一呼叫并建立相应的虚电路，否则拒绝用户的请求。CAC功能在建立连接的同时还完成两方面的功能：其一是同用户协商相应虚电路中允许入网流量的特性参数供UPC利用；其二是为相应的虚电路分配资源。l 入网流量的监控入网流量监控功能根据所处的位置分成使用参数控制（UPC）与网络参数控制（NPC）。前者位于用户网络接口而后者用在网络接口上，两者的功能类似，下面主要介绍UPC功能。在通信过程中用户实际输入网络的流量特性可能超越CAC功能执行过程中所确定的值，对这种情况需要加以限制否则将影响网络的服务质量。为此在用户网络接口设立了监测与限制机制，以确保每条虚电路中实际入网的流量特性参数符合协商值，这一机制即是UPC功能。目前UPC中的限制措施主要是对属于超越协商值的那部分流量的信元打上标记，表示这部分信元的服务质量不能保证，一旦网络发生拥塞首先丢弃这类信元。漏桶算法是目前研究最多的一种业务流监控方法，ITU-T建议I.371和ATM论坛UNI采用了漏桶算法。其基本思想是：设一有限容量的漏桶（桶的深度对应某种流量参数或容差参数），到达的信元进入漏桶，经漏桶渗漏后输出到网络。该漏桶以每单位时间一个容量单位的连续速率向外渗漏（该速率对应于某种业务的信元速率参数），同时每当一个信元到达时，其容量加1。当信元到达速率超过漏桶渗漏速率时，连续累积的信元会使漏桶充满，这时如果还有信元到达该信元就会溢出漏桶（即被丢弃），该信元即是违约信元。图5-1所示为带有缓存器的漏桶系统，其漏桶操作描述如下：到达的信元首先进入排队缓存器，当缓存器占满时，新到达的信元即是违约信元而被丢弃。进入缓存器的信元，必须取得一个令牌后才能进入网络。令牌以固定速率R产生，并放在令牌池中（令牌池可放M个令牌），当令牌池占满时，令牌生成就暂停直到令牌池再次出现空位时为止。漏桶操作确保了符合流量协商值的信元才能进入网络。对违约信元的处理有立即丢弃和打上标记并允许进入网络二种方法。图5-1 一种漏桶模型l 选择性信元丢弃(EPD、PPD)ATM网中传送的信元有两种优先级别，通过信元头中的CLP位来区分，CLP=0表示优先级高，CLP=1表示优先级低。当网络发生拥塞时首先选择CLP=1的信元丢弃以缓解拥塞。CLP=1的信元有两个来源，一是由用户产生，说明此信元所承载的信息属于低优先级，二是UPC将某些CLP=0的信元改成CLP=1，说明此信元属于超越协定值的流量部分。实际上ATM网拥塞时就是牺牲掉这些信元来保证高优先级信元的传送质量。目前常用的两种信元丢弃策略：早期包丢弃（EPD）和部分包丢弃（PPD）。EPD功能和PPD功能是通过一个参数PD来配置的，当配置了该参数使能，则EPD和PPD同时使能了（注意：必须是AAL5的连接，才能使能该参数）。使能了该参数以后，会出现以下的结果：1、当发送流量超过申请带宽的时候，UPC开始丢弃信元，PPD发挥作用，丢弃同一个AAL5包中的除去包尾的其余信元。2、PPD功能并不能保证UPC不丢弃AAL5包的最后一个信元，因此会出现上一个包的最后一个信元被丢弃了，影响到下一个包，使两个包成为了一个坏包。3、EPD功能在交换机发生拥塞的时候起作用，当拥塞发生的时候，交换机将按照包而不是信元来丢弃，但是EPD功能并不能区分哪些包是正常的包，哪些包是坏包，因此并不能选择性地丢弃坏包。l 拥塞信息指示选择性信元丢弃是在网络发生拥塞的地点进行的，在有些情况下仅仅依靠这一处采取措施不足以控制拥塞，而要求整个网络协调行动，这就要求某处发生拥塞后能及时地将拥塞信息传递给网络的其它部分，以便采取措施协助对拥塞的控制。拥塞信息指示根据方向可分成前向拥塞指示与反馈拥塞指示。5.2 漏桶算法5.2.1 信元的守约漏桶算法的正式名称是一般信元速率算法GCRA Generic Cell Rate Algorithm 。它的基本思想其实也很简单，假设用户设备和ATM交换机直接相连，很明显，用户端发送信元的速率越大，在相同的时间段之内ATM交换机从该用户收到的信元就越多，如果用户发