体系结构和传输原理

4.2.2　ATM体系结构和传输原理

1．ATM参考模型

图4-14表示了B-ISDN ATM的结构。它由用户面、控制面和管理面三个分离的平面组成。用户面为用户提供信息流及相关的流量控制、差错控制等。控制面提供呼叫和连接控制功能，处理呼叫和建立连接所需信令，进行连接的监控和释放。管理面执行各个层次和面的管理操作，面的管理涉及到整个系统的管理协调功能，管理面没有分层。用户面和控制面的分层结构如同OSI模型，可以分为物理层、ATM层、ATM自适应层（AAL）和高层几部分。

图4-14　ATM模型

物理层是信元流的载体，又分成传输会聚（TC）子层和物理载体（PM）子层。TC子层的功能是将信元流变换成能在物理媒质上传输的比特流，如传输幀的形成与恢复、差错控制、信元速率调整和信元定界等。PM子层提供比特传输与比特定位能力。

ATM层在物理层之上，主要实现以下功能：

（1）信元复用与交换。ATM层提供虚通路（VC）和虚通道（VP）两种类型的连接。本来直接由VC就能构成ATM层，导入VP可以在网内设置交叉连接设备，而不必对各个VC（呼叫）进行处理，从而提高了信息处理能力。在实际的巨型网中，这样做极有实用价值。

（2）提供和控制各种不同的业务质量。在呼叫建立阶段，网络是否受理用户呼叫，决定于如下三要素：

①用户请求业务质量（QoS）的等级；

②信源业务量特性；

③网络资源状况。

然后，将不同业务质量要求的虚通路分配到不同的虚通道中。整个信息传送过程是受到监控的，要保证不发生拥塞，维持正常通信。

AAL层介于ATM层和高层之间，它是为了使ATM层能适应不同类业务需要而设置的过渡层，支持用户面和控制面高层功能，其业务独立。此外，它还支持ATM网与非ATM网的连接。

AAL的基本功能是在ATM层之上实现话音、数据和图像等通信业务。不同的业务要求不同类型的AAL。根据是否建立连接、收发端间是否需要定时和业务速率是否可变，AAL把ATM业务分为A，B，C，D四类。A类业务具有恒定比特率、实时处理和面向连接的特性，其应用有语音、恒定速率视频业务等电路交换业务。B类业务具有可变比特率、实时处理和面向连接的特性，其应用有可变比特率（VBR）的视频和语音服务，如电视电话会议等。C，D类业务皆为可变比特率业务，无实时处理要求。C类业务是面向连接的，D类业务不需要面向连接。C，D类业务皆可应用于数据业务。X.25数据和信令等面向连接数据业务就是C类业务，LAN互连等非连接型业务是D类业务。

每种类型的AAL皆被分为装拆（SAR）和会聚（CS）两个子层。SAR子层将用户数据单元装配成ATM信元，或将信元拆卸成信息块。CS子层位于AAL上部，与高层相接，其主要功能是从AAL业务接入点接收数据单元，将其作为CS规程数据单元的有效负荷以及错码检测、流量控制等，其业务独立。

2．ATM信元

进入ATM网传送的各种业务信息，如话音、数据及图像等，首先被转化为数字形式并统一分成固定长度的数据分组，加上信头后形成信元。信元是ATM网中最基本的信息传输单位。信元格式与业务类型无关。

ATM网有两种接口标准，即用于ATM网络与用户之间连接的用户-网络接口UN I（Μser-Network Interface），以及用于ATM交换机之间连接的网络-网络间接口NN I（Network-Network Interface）。信元结构在两种接口上有所不同，UN I接口的信元结构如图4-15所示。

图4-15　ATM UN I接口信元结构

GFC：一般流量控制字段，提供UN I接口上的流量控制，占4位。该字段仅在UN I接口中出现，作用是在主机和网络之间，可以标识连接在ATM交换机同一链路上的不同用户。

VPI：虚通道标识符，在UN I中占8位，在NN I中为12位。它的作用类似于分组交换中的逻辑信道群号，由端到端传输的若干个虚通路组成。

VCI：虚通路标识符，共占16位，用来识别端到端的逻辑连接，相当于逻辑信道号。

PTI：负荷类型标识，占2位，表示本信元是网络维护和控制信元还是用户信元。

CLP：信元丢弃优先级，用于拥塞控制，占1位。当网络发生拥塞时，系统据此决定该信元是否可丢弃，以保证网络的服务质量。

HEC：信元误码控制字段，1字节，对整个信元头进行差错检测和控制。当信元头传输出错时，接收方将进行出错处理。

3．异步传输模式

异步传输模式的基础是时分多路复用技术。时分多路复用技术把线路的使用时间按固定的长度划分成一个个小单位，称为时间片，然后把时间片的使用权分给不同的用户。分配到时间片的用户可以在该时间片内传输数据，这样就实现了多个用户对线路的时分复用。固定数量的时间片又构成了“帧”，帧将重复出现。

网络上的数据信息传输方式可以分成两种：同步传输模式STM和异步传输模式ATM。STM模式中，用户的一个连接（即一条电路）在整个会话期间始终使用帧中同一位置上的时间片，如图4-16（a）所示。STM有两个特点，一是如果时间片的长度和帧的频率确定了，每个连接的数据传输速率也就确定了，例如，如果时间片的长度为传输8位需要的时间，帧出现的周期为125µs，则每个连接的速率为64kbps；二是收发双方的同步建立在帧同步上，一旦帧同步了，接收者只要在固定的时间点上接收数据。在STM模式中，一个固定的时间片一旦分配给了一个连接，它便只能传输该连接上的数据，而不能用于其他连接。如果该连接上没有数据要传输，则相应的时间片只能空闲不用。同样，一个连接上用户需要的数据速率超过分配到的数据速率时，也不能使用其他空闲的时间片。这样，如果几个连接上的负载不均匀时就会造成带宽的浪费。

ATM采用统计时分复用的方式来进行数据传输。统计复用方法根据各种应用数据流的统计特性，在保证服务质量要求的前提下，为各个应用数据流动态地分配网络带宽，以达到最佳的带宽利用率。这种方式可以解决STM中出现的带宽浪费的问题。与同步时分复用不同，在ATM中，一个连接只在有数据要传输时才被分配时间片进行传输，而没有数据需要传输时，则不占用带宽，如图4-16（b）所示。因此，ATM在处理实时传输时能达到非常好的性能。在STM复用机制中，各个连接向用户提供的带宽的总和应小于传输线路的实际带宽，而利用统计复用的ATM有可能使用户提供带宽的总和大于传输线路的带宽。由于一个连接在帧中使用的时间片的位置不固定，有时会占用多个时间片，因此，数据的接收者需要检查每个时间片，以找出需要接收的数据，这就需要每个使用时间片的数据带有连接的标识。

图4-16　同步和异步传输模式

4．ATM的连接机制

ATM将用户数据分割成固定长度的信元，通过虚连接进行交换，提供面向连接的传输服务。ATM的传输过程可以分成连接建立、数据传输和连接终止等几个阶段。ATM中的虚连接由虚通路号和虚通道号标识，分别用VPI和VCI表示。多个虚通道可以复用一个虚通路，而多个虚通路又可以复用一条传输通道，传输通道TP是ATM设备间的真实物理连接，它们之间的关系如图4-17所示。

图4-17　ATM的虚通道、虚通路和传输通道的关系

当用户希望通过ATM网络传输数据时，首先利用UN I接口通过ATM网络向目的站点发送一个建立虚连接的请求，同时给出该连接所需要的QoS参数。该请求经过ATM网络中的中继交换器最后到达目的站点。目的站点收到该请求后，如愿意建立连接，并能满足所需要的服务质量，则响应源站点的请求。这时一条虚连接建立起来了，源站点得到了一个VPI/VCI，可以通过这条虚连接将数据发送给目的站点了。连接建立后，虚连接上所有中继交换机中都会建立连接映像表，记录连接的状态。

当数据传输完毕时，需要拆除虚连接。虚连接的拆除由传输数据的某一方向网络交换机发出“拆除连接”要求，启动拆除过程；交换机向启动者发送“拆除完成”，并在虚连接上传递“拆除连接”要求；拆除要求到达目的站点后，虚连接就被拆除了。

在虚连接中，相邻两个交换机间传递的信元的VPI/VCI值保持不变。当信元经过交换机时，其信元头中VPI/VCI值将根据发送的目的地，参照连接映像表被映射成新的VPI/VCI。这样，通过一系列VP、VC交换，信元被准确地传送到目的地。

虚连接又分成永久虚连接（PVC）和交换虚连接（SVC）。PVC和SVC的不同点在于SVC是根据用户要求，在进行数据传输之前通过协议建立的，有一个连接的过程，数据传输完毕后便被拆除；PVC是由网络管理等外部机制建立的连接，该连接在网络中一直存在，主要用于经常要进行数据交换的站点。

每个ATM虚连接都用一个服务质量参数（QoS）表示数据在该连接上传输能得到的服务质量。QoS主要包括数据传输所需要的带宽、数据负载类型（恒定速率、可变速率等）、数据优先级、时延、时延抖动等。

5．ATM交换原理

一个由VPI/VCI标识的虚连接只有局部意义，即在不同的ATM交换机连接上，同一个虚连接的VPI/VCI值将会变化，进行VP/VC的交换。交换的结果使从某一物理端口输入的信元到另一物理端口输出，同时逻辑端口号也改变了。

ATM中的虚连接有两级：虚通路连接（VPC）和虚通道连接（VCC）。虚通道VC的连接是ATM连接的基本形式，实现端到端或用户到用户的连接，由VCI和VPI值共同标识。虚通路VP的连接是指成束的虚通道作为一个单元一起交换，用于交换的路由信息只限于信元头中的VPI部分。虚通路连接一般用于两地之间的大量用户的数据传输。

虚连接在ATM的交换中也分为两类：虚通路交换（VP交换）和虚通道交换（VC交换）。虚连接建立后，以VPI/VCI值作为虚连接的标识。虚连接经过的每个ATM交换机上都有一个虚连接映射表，说明VPI/VCI值的变换关系。当信元经过交换机时，根据交换机中的连接映射表对信元的VPI/VCI值进行变换，产生新的VPI/VCI值，实现VC交换和VP交换。图4-18给出一个ATM上VPI、VCI交换的例子，使用的虚连接映射表如表4-2所示。

在ATM交换机的TP1端口输入的虚通路有两条，VPI为5的虚通路经交换输出时VPI成为4，其中所有的VC同时进行交换，VCI的值保持不变；VPI为3的虚通路经过交换分成两条，VPI值分别为1和3，VCI也进行了交换，原来VCI为1的虚通道连接，现在的VCI值成为4，VCI2交换成VCI1。原来在一个TP端口的VP，现在出现在两个TP端口上。这说明原来路径相同的两个虚通路连接，从这个ATM交换机开始利用不同的物理线路走向各自的目的地。VP和VC的交换使信元头的VPI和VCI的值发生了改变。

表4-2　ATM交换虚连接映射表

图4-18　ATM交换机中的VC交换和VP交换