ATM基础知识

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由于最近接触到ATM,所以收集了一些ATM的基础知识并加以总结。

1. ATM信元头

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(general flow control):一般流量控制,该域有4bit,只用于UNI接口,功能仅限本地;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(virtual path identifier):虚通道标识,NNI中为12比特,UNI中为8比特。
VCI(virtual channel identifier):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。
CLP(cell loss priority):信元丢失等级
CLP=0 网络将尽量为其提供带宽,防止丢失
CLP=1 根据带宽情况,允许信元丢失
PTI(payload type identifier):标识净荷的类型,3比特。表示净荷是数据信元还是管理信元。
HEC(header error control):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。

2. VP/VC

ATM交换分为VP交换和VC交换两种。
VC:描述具有相同VCI标识的一种单向传输ATM信元的概念。
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。

VP:描述具有相同VPI标识的一种单向传输ATM信元的概念。
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。

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。

3.PVC/SVC

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。

4. ATM的分层结构

5. ATM AAL层的4种封装方式

为了提高交换网络的速率,对ATM层作了尽可能的简化,而ATM层未提供如何处理信元丢失、误传、时延、时延抖动等与业务服务质量密切相关的功能,所以由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4类,并相应地定义了AAL1、AAL2、AAL3/4及AAL5。

AAL1: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。

AAL2: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。
这类AAL尚未定义好。ITU-T也可能通过对AAL1的增强来得到AAL2功能。

AAL3/4:用于对以下业务的适配:
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。

AAL5: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。

目前为止,基本都在用AAL5封装,所以目前为止只需关注AAL5。

6. ATM QOS

ATM网络中拥塞管理的基本思想在于: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。

ATM网的流量管理机制可分成如下几个阶段:
1.呼叫请求建立连接阶段,其关键技术是连接允许控制(CAC)。
2.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/网络参数控制(UPC/NPC)。
3.拥塞控制阶段,关键技术是选择信元丢弃与拥塞指示。

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。

从流量控制的角度出发,ATM分为5类业务:
1.CBR(constant bit rate):固定比特率
CBR业务通常是指那些在整个连接的生命周期内都需要连续的静态的带宽的连接。
在CBR中源端可以在任何时候以PCR的速率发出信元,并可以持续任意长的时间。
CBR业务通常是一些对时延变化有严格限制的实时应用,如语音,视频和电路仿真

2.VBR-rt:实时可变比特率
对时延和时延变化有严格的限制
主要应用有话音和视频业务。
它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业务可以支持实时资源的统计复用。

3.VBR-nrt:非实时可变比特率
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,VBR-nrt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.ABR:可利用比特率业务
比其他类的服务优先级低,对时延和时延变化没有边界限制,即不支持实时应用。
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。

5.UBR:非指定比特率业务
所有服务中级别最低的,跟尽力传输类似,没有吞吐量的保证
支持非实时的应用,如文件传输和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。

这5类业务可按以下两个方面来区分:
1.从业务特性上区分:
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。
突发度BS是业务的峰值信元速率与可持续信元速率之比(PCR/SCR)。

2.从业务的ATM层服务质量(QoS)上区分:
峰-峰信元时延抖动(peak-to-peak CDV)、最大信元传送时延(max CTD)、信元抖动容限(CDVT)、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)。

最大信元传递时延MCTD:是信元从一个端点到另一个端点所需要的时间。
信元抖动容限CDVT:是信元间隔的上限。
信元丢失率CLR:是可以接受的因网络拥塞而导致信元丢失比例。

7.ATM的基本处理过程

1. 上层的语音、视频、数据、图像等业务先送到ATM适配层,用AAL1或AAL5适配,即用AAL的帧格式来封装上层数据
2. 然后分割成48字节长的ATM业务数据单元。

3. 48字节长的ATM业务数据单元被送到ATM层,在ATM层要加上5字节的信元头,信元头中要标识出VPI和VCI,VPI和VCI是在连接建立时就分配好的。
4. ATM层将具有不同VPI/VCI的信元复用在一起交给物理层。
5. 在物理层将ATM信元封装到传输帧中,然后经物理接口送出。

8.常见问题

1. 由于ATM是基于信元转发的,但路由器上的ATM口记录的是packets和frame(5字节的信元头已经被拆除并重组),所以不能直观的体现实际带宽,只能估算。
2. 在设置VBR-nrt时,需要制定PCR,SCR和MBR,如果PCR和SCR是相同的,那么在新版本的IOS中MBR就只能设置1,也就是没有突发。
3. 有时CDVT与电信要求的不匹配,导致容忍程度超过电信的协议值,所以产生了丢包,导致从cell组装层frame时,发现crc错误,因此产生丢包。
4. 小包能通,大包不同,这时需要看是否设置QOS,如果设置了,要看Q是否出现丢包,如果没有,那么可能是配置与电信不匹配。

9. 相关链接

1. Understanding the VBR-nrt Service Category and Traffic Shaping for ATM VCs  [ATM Traffic Management]

2. Understanding the CBR Service Category for ATM VCs  [ATM Traffic Management]

3. Understanding the Maximum Number of Active Virtual Circuits on Cisco ATM Router Interfaces  [Permanent Virtual Circuits (PVC) and Switched Virtual Circuits (SVC)]

本文出自 Frank's Blog

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