第五章 ATM网络技术.ppt

第五章ATM网络技术 讲师用PPT 中国网通 集团 有限公司2006年11月1日 中国网通运维人员岗位培训丛书 数据专业 目标 掌握ATM网络的基本概念掌握ATM网络VP与VC的概念熟悉ATM网络参考模型掌握ATM各层协议的原理和功能掌握ATM网络信令原理掌握ATM网络流量管理原理熟悉ATM网络管理技术了解ATM网络与其它网络的互联技术熟悉ATM网络的组织结构 5 1 ATM网络基本原理 目录 5 2 ATM协议参考模型 5 3 物理层 5 4 ATM层协议 5 5 ATM适配层协议 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 ATM信令 ATM流量管理 ATM网络管理 ATM网络与其它网络互连技术 ATM网络组织 5 1 1概述 ATM起因 ATM协议的简单结构 5 1ATM网络基本原理 图5 1SDH的帧结构 图5 2ATM协议层结构 ATM 即异步传输模式 是一种分组交换和复用技术 它采用固定长度的分组 即信元 在传输通道中非周期性的传送各类信息 5 1ATM网络基本原理 5 1 2虚通道和虚信道 虚通道和虚信道 在ATM网络中定义了两种逻辑通道 即虚通道 VP 和虚信道 VC 图5 3ATM概念的交通运输比拟举例 5 1ATM网络基本原理 虚信道连接 VCC VCC是ATM网络中的两个用户之间建立的端到端虚电路 连接相邻VC交换节点之间的虚信道称为虚信道链路 而VCC就是由若干端虚信道链路串接而成的 虚通道连接 VPC 和VCC一样 连接相邻VP交换节点之间的虚信道称为虚信道链路 而VPC就是由若干端虚信道链路串接而成的 图5 6ATM网络中的VPC和VCC 5 1ATM网络基本原理 在灵活性方面 ATM采用统计型的时分复用方式 也就是按需动态分配带宽 5 1 3ATM特点 取消了每条链路上的差错保护和流量控制 ATM技术认为物理传输媒质是可靠的 端到端的差错控制即可满足大部分业务的要求 因此在ATM网络的各级链路上仅对信元头进行差错控制 采用面向连接的方式 在信息由终端传送到网络之前 网络先为其逻辑虚连接的建立预留必要的资源 当用户提出的呼叫请求被网络接纳后 网络即为该呼叫建立一条虚连接 当信息传输完毕 网络释放资源 这样的方式允许网络在各种情况下保证最小的信元丢失率 减少了信头的功能 为了确保网络中的高速处理能力 ATM信头的功能大大减少 主要起标识符的作用 ATM硬件实现得到简化 处理速度大大提高 采用短小的净荷长度 短小的净荷长度可以减小组装 拆卸信元以及信元在网络中排队等待所引入的时延 提高传输速率 减少时延抖动 更适合于对时延变化有苛刻要求的业务 5 1 ATM网络基本原理 目录 5 2 ATM协议参考模型 5 3 物理层 5 4 ATM层协议 5 5 ATM适配层协议 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 ATM信令 ATM流量管理 ATM网络管理 ATM网络与其它网络互连技术 ATM网络组织 5 2ATM协议参考模型 标准化组织 有关ATM和B ISDN的标准化组织大致可分为两类 正式标准化组织和企业论坛 企业论坛主要有4个 1 ATM论坛 2 Internet工程任务规划局 IETF 3 帧中继论坛 4 SMDS利益集团 5 2 1ATM协议标准 正式国际标准化组织有 1 国际电信联盟的电信标准分部 简称ITU T 2 美国国家标准局 ANSI 3 欧洲电信标准局 ETSI 5 2ATM协议参考模型 用户面 UserPlane 提供用户信息的传送 而且包括所有相关的机制 如流量控制和差错恢复等 采用分层控制结构 控制面 ControlPlane 提供呼叫和连接的控制功能 主要涉及的是各种信令功能完成呼叫或连接的建立 监控和释放 采用分层结构 管理面 ManagementPlane 提供面管理和层管理功能 5 2 2ATM协议模型 ATM协议模型包括3个面和4层功能 如图所示 其中3个面分别是 4个功能层分别是 物理层 完成传输信息 比特 信元 功能 ATM层 负责交换 路由选择和信元复用 ATM适配层 AAL 负责将各种业务的信息适配成ATM信元流 高层 根据不同的业务特点完成高层功能 5 2ATM协议参考模型 B ISDN层次和子层与OSI层次关系 5 2ATM协议参考模型 ATM信元种类 空闲信元 IdleCell 用于适配传输速率和信元速率之间的差别 有效信元 ValidCell 信元头部经过HEC检验纠错保证正确的信元 无效信元 InvalidCell 信元头部发生错误且无法通过HEC改正的信元 分配信元 AssigenedCell 通过ATM层向上层提供服务的信元 未分配信元 UnassigenedCell 没有承载用户信息的ATM信元 5 1 ATM网络基本原理 目录 5 2 ATM协议参考模型 5 3 物理层 5 4 ATM层协议 5 5 ATM适配层协议 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 ATM信令 ATM流量管理 ATM网络管理 ATM网络与其它网络互连技术 ATM网络组织 5 3物理层 物理层为ATM层提供以下两种功能 一种是传送有效信元 另一种是传送定时信息 以实现较高层的服务 物理层分为两个子层 如图 5 3物理层 物理介质子层简称为PM子层 负责在物理媒体上正确传输和接收比特 主要包括 比特传送比特定位线路编码光电转换 物理层常用接口的标准 ANSI标准T1 624定义的SONET接口ITU T建议书I 432定义的SDH接口ITU T定义的PDH接口 速率为2 048Mbit s的E1 5 3 1物理介质子层 传输汇聚子层简称为TC子层 主要功能有 传输帧适配 产生适合在物理介质传输的信息流HEC控制信元定界信元速率耦合扰码等 5 3物理层 5 3 2传输汇聚子层 5 3物理层 传输帧的产生和适配有两种方法 基于信元的传输基于SDH的传输 图5 11基于信元接口的帧结构 5 3物理层 基于SDH的传输 图5 12155 520Mbit sSDH接口的帧结构 5 3物理层 信元率耦合 即速度匹配功能具有同步时隙的物理介质需要该功能 为了使信元流适应于传输比特率 需要在发送端插入空闲信元 并在接收端剔除空闲信元 此过程称为信元率耦合 信元差错控制 HEC 图5 14HEC接收端行为 5 3物理层 信元定界 从PM子层的比特流或字节流中识别出正确信元的过程称为信元定界 信元定界利用HEC和信头的前4个字节的相关性来实现 图5 15信元定界状态图 5 3物理层 扰码 扰码格式 对基于SDH方式的物理层 采用 X43 1 的自同步扰码SSS 对基于信元方式的物理层 采用分散抽样扰码DSS 它通过将一个伪随机序列PRBS X31 X28 1 模2加到信元上来实现 采用扰码的原因 避免信头中出现误码 加强信元定界的可靠性和安全性 扰码的作用 使信元负载字段中的数据随机化 5 1 ATM网络基本原理 目录 5 2 ATM协议参考模型 5 3 物理层 5 4 ATM层协议 5 5 ATM适配层协议 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 ATM信令 ATM流量管理 ATM网络管理 ATM网络与其它网络互连技术 ATM网络组织 5 4ATM层协议 信元是ATM的基本数据单位 共53个字节 前5个字节的信元头 后48个字节的净荷 其格式如下 5 4 1ATM信元 图5 16ATM信元格式 5 4ATM层协议 ATM层功能 构造信元 信元接收和信头有效性检测 利用VPI VCI进行信元中继 前向传递和复制 利用VPI VCI进行信元复用和分用 区分信元净荷类型 解释已定义的和预保留的信头值 信元优先级处理 支持多类业务质量 QOS 用法参数控制 UPC 简明前向拥塞指示 EFCI 一般流量控制 GFC 连接分配和取消 5 4ATM层协议 UNI上预先分配的信头值 5 4ATM层协议 预分配的VPI和VCI 5 4ATM层协议 负载类型指示符 PTI 5 1 ATM网络基本原理 目录 5 2 ATM协议参考模型 5 3 物理层 5 4 ATM层协议 5 5 ATM适配层协议 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 ATM信令 ATM流量管理 ATM网络管理 ATM网络与其它网络互连技术 ATM网络组织 5 5ATM适配层协议 5 5 1协议模型 5 5ATM适配层协议 拆装子层SAR 汇聚子层CS 信息格式装拆 ATM信元负载编号 ATM负载字节填充和去除 组成 公共部分汇聚子层CPCS业务特定汇聚子层SSCS 功能 对高层应用的数据进行检错纠错处理 对于实时业务必须考虑收发业务时钟的同步 5 5ATM适配层协议 业务类型 5 5ATM适配层协议 1 恒定比特率实时业务适配 AAL1 应具备的功能 传送和递交恒定比特率的业务数据单元信源和信宿之间必须传递定时信息能够在信源和信宿之间传送用户数据中包含的特定结构信息 数据单元结构 5 5ATM适配层协议 时钟信息传送方法 1 同步残留时间标志SRTS法 图5 19SRTS接收端工作过程 5 5ATM适配层协议 2 自适应时钟法 图5 20自适应时钟法接收端工作过程 5 5ATM适配层协议 结构信息传送SDT 非P格式 P格式 图5 21结构信息传送 5 5ATM适配层协议 前向纠错编码FEC 采用Reed Solomen编码 图5 22AAL1中RS码 5 5ATM适配层协议 2 可变比特率实时业务适配 AAL2 应具备的功能 分层结构 信源和信宿存在定时关系 为了降低信息传输的延时抖动 需要在信元负载区尚未填充满就将未满信元送出必须采取面向连接的方式传送数据允许在同一虚信道连接VCC复用多个连接过程 5 5ATM适配层协议 AAL2连接复用 5 5ATM适配层协议 数据格式 5 5ATM适配层协议 CPS 分组数据格式 CPS PDU数据格式 5 5ATM适配层协议 AAL2复用和解复用实例 5 5ATM适配层协议 两种业务传送工作模式 3 数据业务传送适配协议 AAL3 4 消息 Messsage 工作模式 5 5ATM适配层协议 流 Stream 工作模式 5 5ATM适配层协议 业务传送模式有两种同等层的操作过程 确保操作 AssuredOperation 该操作重传丢失或损坏的AAL SDU 由于强制进行流量控制 所以该操作仅适合点到点的AAL连接 非确保操作 Non AssuredOperation 在该方式下 丢失或损坏的AAL SDU不保证重传和纠正 流量控制是可选的 5 5ATM适配层协议 AAL3 4规定了4种不同的数据类型 消息开始BOM ST 10 表示后面SAR PDU负载区中承载的是 个SAR SDU的第一段 消息继续COM ST 00 表示后面SAR PDU负载区中承载的是一个SAR SDU的中间部分 消息结束EOM ST 01 表示后面SAR PDU负载区中承载的是一个SAR SDU的结束段 单段消息SSM ST 11 后面SAR PDU负载区中承载的是一个完整的SAR SDU SAR PDU格式 5 5ATM适配层协议 公共会聚子层CPCS PDU格式 SAR子层功能 将来自CPCS PDU的信息分成48字节的单位利用ATM层信头中类型指示域PT中AUU指示CPCS PDU开始 中间和结束 会聚子层CS 分成CPCS和SSCS两个子层SSCS格式和协议目前没有定义CPCS格式如下 5 5ATM适配层协议 4 高效数据业务传送适配 AAL5 5 1 ATM网络基本原理 目录 5 2 ATM协议参考模型 5 3 物理层 5 4 ATM层协议 5 5 ATM适配层协议 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 ATM信令 ATM流量管理 ATM网络管理 ATM网络与其它网络互连技术 ATM网络组织 5 6ATM信令 ATM网络常用信令标准 UNI信令 UNI3 0 UNI3 1 UNI4 0NNI信令 PNNI1 0 IISP ATM网络接口信令类型 用户 网络接口信令UNI User NetworkInterface网络 网络接口信令NNI Network NetworkInterface ATM连接的建立有两种方式 基于永久性建立机制的PVC PermanentVirtualConnection 基于按需建立机制的SVC SwitchedVirtualConnection 5 6ATM信令 5 6 1ATMUNI信令 图5 45UNI参考配置点 5 6ATM信令 信令的作用 用以向ATM网络的复杂操作或规则集合指明发生了某种事件 信令的传送 信令消息和用户数据信息可在相同的信道中传送 信令带内传送 也可采用独立的信道传送 信令带外传送 信令带外传送方式比带内传送更具灵活性 ATM信令传送 采用独立的信令信道 连接用于信令消息的传送 信令操作过程 信令操作是以连接建立请求和响应为基础的 协议一般可处理以下网络状态 呼叫初始化呼叫处理呼叫传送连接建立连接释放 1 信令过程概述 5 6ATM信令 2 ATM寻址方式 图5 46专用ATM地址格式 AFI 39 AFI 47 AFI 45 ATM地址是ATM终端系统的标识 ATM地址可用于动态连接过程的建立 连接建立后将返回连接标以符即VPI VCI数值 ATM网络地址一般采用OSI规定的网络业务接入点NSAP规范 地址长度为20字节 所有呼叫控制消息的格式包括两部分内容 5 6ATM信令 3 连接控制消息 适于所有消息的信息单元消息类型相关的信息单元 5 6ATM信令 4 点到点连接的操作过程 5 6ATM信令 5 6 2临时交换机间信令IISP 产生的原因 专用网络互通的PNNI协议功能非常强大 也非常复杂 无法短时间内完成 为了能尽快推广ATM交换机 需要一种用于各种交换机之间互通的协议 ATM论坛使用CISCO开发的一种基于UNI的简单信令协议作为PNNI的替代协议 简称IISP协议 工作原理 将UNI信令用于交换机到交换机的通信 使用每个交换机内配置好的地址前缀表在交换机间发送信令请求 不需要VC路由协议 交换机接受到一个信令请求时 检查目的ATM地址与前缀表是否一致 并通知具有最长前缀匹配的端口 然后使用UNI过程 将信令请求发送该端口 PNNI协议的网络接口规范由两个核心部分组成 路由选择和信令 5 6ATM信令 5 6 3ATMPNNI信令 1 PNNI概述 5 6ATM信令 PNNI协议采用分层结构 5 6ATM信令 ATM网络前缀 2 PNNI寻址方式和网络前缀 PNNI前缀 地址总结 工作在网络侧的ATM交换机是采用专用的网络前缀支持的 一个ATM网络前缀是地址域中前x位 x取值范围在0至地址长度之间 网络前缀是不包括ESI和SEL部分的ATM地址 网络层次是以地址前缀为基础的 前缀的任意比特均表示一个层次 PNNI层次结构可支持多达105个层次 PNNI协议中的前缀是系统的ATM地址的前n位 前缀最多可包括除SEL字节之外的多达19字节 152比特 一般PNNI前缀字节越长 可提供的寻址信息更细致 不同集合的地址可以进行地址总结地址的可达可采用地址总结广播 5 6ATM信令 物理网络 3 PNNI物理网络和逻辑视图 逻辑视图 由实际交换机 包括网络节点 终端系统和互联线路组成 是PNNI网络的最低层次 5 6ATM信令 节点和节点地址 ATM终端系统地址有20字节 其中前19字节用于PNNI路由选择 最后1字节用于节点配置其范围内的不同ATM终端系统 4 PNNI组成单元 对等组和对等组负责节点 对等组标识符和终端系统地址 对等组在网络中是通过其负责节点和网络中其他组或其成员进行通信 对等组负责节点可由相应选举算法产生 最高优先级的节点成为该对等组的负责节点 如果两个节点优先级相同 则根据节点标识符决定负责节点 负责节点可表示对等组或逻辑组 这些节点又称为逻辑组节点 14字节的对等组标识符中 第1字节是层次指示符 其余13字节用于对等组标识 标识符信息由两部分组成 分配的前缀层次和前13字节的终端系统地址 5 6ATM信令 节点标识符 节点可有两种类型 逻辑组节点和非逻辑组节点 相应存在两种节点标识符 节点标识符长度22个字节 链路连接类型和路由控制信道 物理链路连接 VPI 0 VCI 18 虚通道连接 VPI 此VPC的VPI VCI 18 交换虚连接SVCC 信令分配 内部链路 用于连接对等组内部各节点的逻辑链路称为内部链路或水平链路 外部链路 连接不同对等组节点的链路称为外部链路 上联链路 用于向更高层次的逻辑组传送边界节点的互联性信息的链路称为上联链路 高层对等组的负责节点间采用上联链路来传递信息 5 6ATM信令 PNNI消息交换是由PNNI数据报承载的PNNI数据报由3个部分组成 5 PNNI数据报 PNNI数据报类型有4种 PNNI头部PNNI分组归属于该分组的信息组 邻域发现数据报HelloPNNI拓扑状态数据报PTSPPNNI拓扑状态元素PTSE数据库汇总PTSE请求 5 6ATM信令 PNNI数据报格式 5 6ATM信令 6 拓扑数据同步和信息传送 拓扑数据库的同步和传播采用了初始数据库交换并向同组节点洪泛传送的方法 7 PNNI信令 路由选择责任中继列表DTL回溯和备选路由的选择呼叫建立和释放操作 5 6ATM信令 呼叫过程 5 1 ATM网络基本原理 目录 5 2 ATM协议参考模型 5 3 物理层 5 4 ATM层协议 5 5 ATM适配层协议 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 ATM信令 ATM流量管理 ATM网络管理 ATM网络与其它网络互连技术 ATM网络组织 5 7ATM流量管理 5 7 1流量控制 由于ATM技术支持高速传输和基于信元的工作机制 信元流量的控制必须是包含以下诸多方面 如连接允许控制 用法控制 网络资源管理 端到端的流量控制以及端系统的主动参与控制过程 另外 完备的流量控制也可使ATM网络支持包括语音 视频和多媒体数据在内的多种流量类型业务 流量管理过程的一个重要方面是监测用户是否获得了要求的业务质量的服务 5 7ATM流量管理 5 7 1流量控制 连接接纳控制 CAC 用法参数控制信元丢失优先级和选择性丢弃选择性分组丢弃 5 7ATM流量管理 5 7 2拥塞控制 拥塞控制定义在ATM中 拥塞定义为一种不正常的状态 在这种状态下 用户提供给网络的负载接近或超过了网络的设计极限 从而不能保证流量合同中规定的QoS 这种现象主要是因为网络资源受限或突然出现故障所致 拥塞控制的因素一些应用的特性对拥塞的产生负有一定责任 例如 连接模式 重传策略 认证策略 响应机制和流量控制 与应用特性相反 一定的网络特性对控制拥塞起到了积极作用 如排队策略 服务调度策略 信元废弃策略 路由选择 传播时延 处理时延和连接模式 5 7ATM流量管理 5 7 2拥塞控制 拥塞管理4种拥塞管理方法 资源分配用法参数控制 UPC 废弃完全预约连接接纳控制 CAC 网络工程拥塞回避拥塞回避的目的是避免严重拥塞 而使网络的负载进入轻度拥塞区域 也就是说 拥塞回避试图工作在吞吐量关于负载曲线的 转折 点上 拥塞回避方法有 前向显拥塞通知 EFCI 用法参数控制 UPC 标记 过预约 Overbooked 连接接纳控制 CAC 阻塞呼叫 流量控制 5 7ATM流量管理 5 7 2拥塞控制 拥塞恢复拥塞恢复是对网络进入严重拥塞区域的一种响应 拥塞恢复方法包括 选择性废弃信元 动态UPC 丢失反馈和连接终结 5 1 ATM网络基本原理 目录 5 2 ATM协议参考模型 5 3 物理层 5 4 ATM层协议 5 5 ATM适配层协议 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 ATM信令 ATM流量管理 ATM网络管理 ATM网络与其它网络互连技术 ATM网络组织 5 8ATM网络管理 5 8 1网络管理概述 ATM网络管理主要是提供给网络管理人员进行网络控制 配置和监控操作 以向网络用户提供合适的业务 ATM网络采用面向连接的工作协议 网络拓扑构建和维持是网络管理的重要部分 网络管理人员期望能在不影响网络中通信业务量的前提下可管理网络中的变化 如节点增加删除 并期望能够及时获得网络当前的各种状态 如节点或中继的设备 5 8ATM网络管理 5 8 2ATM相关的MIB 图5 57ATM相关的MIB树 5 8ATM网络管理 ILMI IntegratedLocalManagementInterface 最初的目标是支持两个ATM系统本地信息的交换 ATM端系统使用ILMI协议可自动获得有关接口的配置和状态信息 这里的接口信息包括接口的物理和链路的配置 ATM地址登记信息以及其他相关的业务 另外 在和相邻节点的信息交换过程中 可获得有关构建初始网络拓扑信息 提供信令的路由信息以及进行便于个人工作的配置数据等信息 5 8 3本地管理接口ILMI 5 1 ATM网络基本原理 目录 5 2 ATM协议参考模型 5 3 物理层 5 4 ATM层协议 5 5 ATM适配层协议 5 6 5 7 5 8 5 9 5 10 ATM信令 ATM流量管理 ATM网络管理 ATM网络与其它网络互连技术 ATM网络组织 5 9ATM网络与其他网络互连 5 9 1帧中继互连 ATM和帧中继协议的互联必须考虑以下因素 数据帧和信元的转换和映射 帧中继的阻塞指示 FECN和BECN 与ATM阻塞指示的映射 帧中继丢弃指示和ATM信元丢弃优先级映射 业务量管理参数映射 差错监测和状态管理支持 使用数据封装的应用或更高层次 5 9ATM网络与其他网络互连 5 9 1帧中继互连 网络互联帧中继 ATMPVC网络互联功能提供帧中继端系统和ATM端系统互通的能力 互联操作的完成可设置在不同的位置 如帧中继系统帧中继网络或ATM端系统等 注意 在网络互联的工作方式中 ATM一般是作为传输通道 端到端传输的信息仍是帧中继格式而并不是信元格式 也就是说 互联方式对ATM端系统并不是透明的 即端系统应能理解帧中继有关的信息 5 9ATM网络与其他网络互连 5 9 1帧中继互连 网络互联 5 9ATM网络与其他网络互连 5 9 1帧中继互连 业务互联帧中继和ATMPVC业务互联功能提供帧中继业务和ATM业务的互联 参见图5 61 注意在网络互联中 ATM是作为传输方式 端到端的信息传输单元是帧结构 而不是信元结构 而在业务互联中 帧中继用户和ATM网络用户并不知道通信连接经历了不同网络协议的转换过程 帧中继终端或CPE并不需了解存在ATM网络和ATM终端 对于ATM终端也有类似情况存在 业务互联映射包括帧中继的帧和ATM的信元映射 具体有地址映射和高层协议的封装 5 9ATM网络与其他网络互连 5 9 1帧中继互连 业务互联 5 9ATM网络与其他网络互连 5 9 2局域网仿真 ATM网络上提供局域网仿真LANE LANEmulation 的目的是实现LAN通过ATM网络进行互连 LAN仿真协议模型 5 9ATM网络与其它网络互连技术 5 9 3IPOverATM 5 9ATM网络与其它网络互连技术 IPOA体系结构 IPOA包括两个协议RFC1483 主要描述了在AAL5上多个协议的封装方式RFC1577 利用ATM动态SVC兼容能力来支持直接连接的ATM站 但只支持IP和ARP b AAL5CPCS PDU格式 a IPOA体系结构 5 9ATM网络与其它网络互连技术 RFC1483的两种数据封装 基于VC的多路复用 LLC封装 5 9ATM网络与其它网络互连技术 路由协议的LLC封装 桥接协议的LLC封装 Ethernet 802 3 5 9ATM网络与其它网络互连技术 路由协议的VC多路复用技术 桥接协议的VC多路复用技术 Ethernet 802 3 格式和AAL5CPCS PDU负载区格式一样 不