ATM教程

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三、连接建立

从技术上讲，连接建立并不是ATM层的一部分，而是由控制平台使用的一个高度复杂的叫做Q.2931(stiller,1995)的ITU协议来处理的。然而，逻辑上处理建立网络层连接的地点是网络层，并且类似的网络层协议都是在这里进行连接建立的，因此我们在这里讨论它。

用于连接建立和连接释放的消息

消息 由主机发送时的含义   由网络发送时的含义   
SETUP 请建立一条虚电路 进入呼叫
CALL PROCEEDING 我看见了进入呼叫 将尝试你的呼叫请求
CONNECT 我接受进入呼叫 接受你的呼叫请求
CONNECT ACK 谢谢接受 谢谢发出呼叫
RELEASE 请终止呼叫 另一端已足够坏
RELEASE COMPLETE   对RELEASE的确认 对RELEASE的确认

ATM网络允许建立多点播送通道。一个多点播送通道有一个发送者和多于一个的接收者。它们是通过如下方法建立起来的：用通常的方法在源端和目的端之间建立一条连接，接着发送ADD PARTY消息把第二个目的端连接到前一个呼叫返回的虚电路上去，接下来就可以发送其余的ADD PARTY来增加目的端的个数。

ATM有3种地址格式。第1字节指明该地址是3种地址格式中的哪一种。第1种有20字节长，是基于OSI地址格式的。第2和第3字节指明国家，第4字节给出了基于地址部分的格式，其他包括3字节指明权限，2字节指明域（domain），1字节指明区域，还有6字节的地址，以及其他一些信息项。在第2种地址格式中，第2和第3字节指定一个国际组织，而不是国家；地址的其余部分和格式与第1种相同。另一种是旧的使用15位十进制数的ISDN电话号码（CCITT E.164）作为地址的格式。

　

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四、路由选择和交换

当建立虚电路时，SETUP消息沿着网络从源端走向目的端。路由选择算法决定了消息要走的路径，从而也就决定了虚电路的路径。ATM标准中没有指定任何特定的路由选择算法，所以人们就可以从我们在本章前面几节中讨论的路由选择算法中选择一种，或者选用另外不同的算法。

交换机的大部分工作量是花费在如何从一个信元里的虚电路信息里得到输出线路的选择上。除了在每一个方向上的最后一个站段外，路由都是在VPI字段上进行的，而不是在VCI字段；在最后一个站段，信元在交换机和主机之间传送。在两台交换机之间只使用虚通路。

在局域网中，事情简单得多，一条简单的虚通路就可以为所有的虚电路所使用。

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五、服务类型

恒定比特率CBR（constant bit rate）主要用来模仿铜线或者光导纤维。没有差错校验，没有流量控制，也没有其余的处理。这个类别在当前的电话系统和将来的B-ISDN系统中作了一个比较圆滑的过渡，因为话音级的PCM通道，T1电路以及其余的电话系统都使用恒定速率的同步数据传输。

可变比特率VBR（variable bit rate）被划分为两个子组别，分别是为实时传输和非实时传输而设立的。RT-VBR主要用来描述具有可变数据流并且要求严格实时的服务，比如交互式的压缩视频（例如电视会议）。NRT-VBR用于主要是定时发送的通信场合，在这种场合下，一定数量的延迟及其变化是可以被应用程序所忍受的，如电子邮件。

可用比特率ABR（available bit rate）术语是为带宽范围已大体知道的突发性信息传输而设计的。ABR是唯一一种网络会向发送者提供速度反馈的服务类型。当网络中拥塞发生时会要求发送者减小发送速率。假设发送者遵守这些请求，采用ABR通信的信元丢失就会很低。运行着的ABR有点象等待机会的机动旅客：如果有空余的座位（空间），机动的旅客就会无延迟地被送到空余座位处；如果没有足够的容量，他们就必须等待（除非有些最低带宽是可用的）。

未指定比特率UBR（unspecified bit rate）不做任何承诺，对拥塞也没有反馈，这种类型很适合于发送IP数据报。如果发生拥塞，UBR信元也会被丢弃，但是并不给发送者发送反馈，也不给发送者希望放慢速度的期望。

各种ATM服务类型的特性

　

服务特性 CBR   RT-VBR   NRT-VBR   ABR  UBR   
带宽保证 是 是 是 可选   不
适用于实时通信 是 是 不 不 不
适用于突发通信 不 不 是 是 是
有关于拥塞的反馈   不 不 不 是 不

　

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六、服务质量

服务质量在ATM网络中是一个重要的话题，这部分因为ATM网络都是用作实时传输的，比如音频和视频。当一条虚电路建立时，传输层（典型地为主机中的一个进程，“客户”）和ATM网络层（例如：一个网络操作者，也即“运载提供者”）都要遵守一个定义服务的协定。

协定的第一部分是通信量描述符（traffic descriptor）。它描述要提供的载荷。协定的第二个部分指定客户所要求的和通信提供者同意的服务质量。无论是载荷还是服务，都是要以可度量的数量来描述的，这样约定就可以被客观的决定。

为了使具体的通信量协定成为可能，ATM标准定义了一系列的服务质量Qos(quality of service)，客户和通信提供者可以协商这些参数的值。对于每一个服务质量参数，其最差情况下的值被指定了，要求通信提供者必须要达到或者超过该值。在某些情况下，参数是一个最小值，而在另外一些情况下它是一个最大值。也是在这里，服务质量在每个方向上都是单独指定的。其中一些比较重要的列在了下表中，但它们并不是对所有的服务类型都适用。

一些服务质量参数

参数 缩写词   含义
峰值信元速率 PCR 信元发送的最大速率
持续信元速率 SCR 长时间的平均信元传输速率
最小信元速率 MCR 最小的可接受的信元传输速率
信元延迟变化极值 CDVT 最大的可接受的信元抖动
信元丢失比率 CLR 信元丢失或提交得太迟的比例
信元传送延迟 CTD 信元提交时拖延的时间（中间值和最大值）   
信元延迟变化 CDV 信元提交时间的变化幅度
信元错误比率 CER 提交无错信元的比例
严重错误信元块比率 SECBR 出错信元的比例
信元错误目的地比率   CMR 信元提交至错误目的地的比例

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七、通信量整形和控制

使用和增强服务质量参数的机制是基于（部分地）一种特定的算法，也即通用信元速率算法GCRA(generic cell rate algorithm)。它的工作原理是检查每一个信元，看是否遵从了虚电路的参数。

GCRA有两个参数，它们指定了最大的允许到达率（PCR）和其中可以忍受的到达时间变化量（CDVT）。PCR的倒数，T=1/PCR是最小的信元到达间隔值。

GCRA算法被称为虚拟调度算法(virtual scheduling algorithm)，然而从另一种角度来看，它等同于一个漏桶算法。可把一个合乎协定的信元想象成是倒入一个漏桶的T单位的流体。这个桶以1单位/us的速度漏液体，因此Tus之后它就空了。如果信元正好是以1信元/Tus的速度到达，那么每一个到达的信元都会发现桶刚刚空出来，该信元会把桶内重新装上T单位的液体。因此当一个信元到达时，液体水位升至T，以后就线性递减直到为零。

当一个信元提前Lus到达时，桶就应该溢出。对于一给定的T，如果我们把L设置得很小，桶的容量将会很难超过T，因此所有的信元必须以一种非常规范的间隔顺序发送。然而，如果我们现在增加L的值，使它远远大于T，桶将会容纳很多的信元，因为T+L>>T。这就意味着发送者可以以峰值速率一个接一个地发送一些突发性数据，而它们仍然能够被正确地接收。

GCRA正常情况下是通过给定参数T和L来指定的。T正好是PCR的倒数；L就是CDVT。GCRA也用来保证在任何一段较长时间内平均信元传输速率不会超过SCR。

除了提供了一条规则来看哪一个信元是合乎协定的，哪一个是不合乎协定的之外，GCRA也用于通信整形，以消除某些突发性传输。CDVT越小就意味着越好的平滑效果，但也增大了因为不合乎协定而丢弃信元的机率。在一些实现中把GCRA漏桶和一个令牌桶结合起来，以提供进一步的平滑。

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八、拥塞控制

ATM网络必须既要处理由于大于系统处理能力的通信量而引起的长期拥塞，又要处理由于通信中的突发性传输而引起的短期拥塞。结果人们使用了几种不同的策略。它们当中最重要的可分为3类：

1、许可证控制

很多ATM网络中有以固定速率产生数据的实时通信源。告诉这一类的通信源减慢发送速率是行不通的（想象一种有一个红灯的新型数字电话。当通知拥塞发生时，红灯就会亮，讲话者将被要求速率减慢25%）。

因此，ATM网络把防止拥塞发生放在第一的位置。然而，对于CBR、VBR、UBR类通信量，根本就没有动态拥塞控制，因此在这里预防拥塞发生将远远比拥塞发生后再去恢复强得多。预防拥塞的一个主要工具是许可证控制。当一台主机需要一条新的虚电路时，它必须描述出希望被提供的通信和服务，网络便作出检查来看是否有可能，在不对已存在连接造成有害的影响的前提下处理该连接。可能需要检查多条可能的线路，从而发现哪一条将可以做此项工作。

2、资源预订

同许可证控制密切相关的是事先预定资源的技巧，这通常是在呼叫建立时进行。因为通信量描述符给出了信元发送峰值速率，网络就有可能沿通路预留足够的带宽来处理该峰值速率。

3、基于速率的拥塞控制

在CBR和VBR通信中，因为信息源固有的实时和半实时的特性，所以即使在发生拥塞的情况下，一般也不可能让发送者减慢发送速率。在VBR服务中，没有人会担心。如果有太多的信元，把多出来的丢弃掉就是。

在ABR通信中，网络去通知一个或多个发送者并且请求它们暂时减慢发送速率直到网络恢复，这是可能的也是合理的。

怎样检测、通知和控制ABR通信中的拥塞是ATM标准发展过程中的一个热门话题，问题集中在以下两个方面：一是基于信用的解决方案，一种是基于速度的解决方案。

交换机厂商们反对基于信用的解决方案。他们不想进行所有计算，以记住这些信用，同时，也不想预先提供很多缓冲区，并认为所需要的开销总量太大。因此，采用了基于速度的拥塞控制系统。其基本模型是每个发送端在k信元数据之后传送一个特殊的资源管理RM(resource management)信元。这个信元的传输通路与k信元相同，但是它由交换机进行特殊处理。当RM信元到达接收端时，对它进行检测、修改并且再将它发送回发送端。另外，还提供了其他两种拥塞控制装置。第一种是超载荷交换机能够自发地产生RM信元，并将它们发送回发送端。第二种是超载荷交换机能够对从发送端传送到接收端的信元数据设置其中间PTI位的值。当然这两种方法没有一个是完全可靠的。

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第五章 传输层（ATM教程）

一、ATM中的传输层

很难说清ATM是否有传输层。一方面，ATM层具有网络层的功能，并且其上还有一层（AAL），从分层角度看AAL便是传输层。一些专家同意这一观点。此处所使用的协议之一（AAL5）功能上类似于UDP，而UDP无疑是传输层协议。另一方面，没有任何一个AAL协议像TCP那样提供可靠的端到端的连接（尽管这些协议只需做很小的变化即可）。另外，在多数应用中，在AAL之上还使用了另一个传输层。不再细究了，就在这一章中讨论AAL层及其协议，而不管它是不是真正的传输层。

ATM网络的AAL层与TCP具有本质区别，其主要原因是设计者对传输音频和视频数据流更有兴趣，为此迅速传送比精确地传送更重要。ATM层连续输出53字节的信元。信元中没有差错控制、没有流量控制以及其他种类的控制。所以，它不能很好地满足多数应用的要求。为了弥补这一不足，在建议I.363中，ITU在ATM层之上定义了一个端到端的层。这一层称为ATM适配层AAL(ATM adaptation layer)，它经历了一段曲折的历史：充满了错误、反复修订以及未完成的工作。

AAL的目标是向应用提供有用的服务，并将它们与在发送端（方）将数据分割为信元、在接收端（方）将信元重新组织为数据的机制隔离开来。它按照3个坐标轴来组织服务空间：

1、实时服务和非实时服务。
2、恒定比特率服务和变化的比特率服务。
3、面向连接的服务和非连接的服务。

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原则上，用3个坐标轴和每个坐标轴上的2个值可以定义8种不同的服务，如下图。ITU觉得只有其中的4个有使用价值，并分别命名为类A、B、C、D。其他几种则未得到支持。从ATM4.0开始，该图有些过时，所以在这里提出它来主要是作为背景信息，以帮助读者了解为什么AAL协议设计为目前这个样子。目前主要的不同是传输类（ABR、CBR、NRT-VBR、RT-VBR和UBR）之间，而不是这些AAL支持的服务类之间。

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为了处理这4类服务，ITU定义了4个协议而后来发现对于类C和类D的技术要求十分相似，从而将AAL3和AAL4合为AAL3/4。计算机工业当时昏然不觉，后来才发现它们都不令人满意。后来暂且定义了另一种协议--AAL5来解决这个问题。

　

二、ATM适配层的结构

ATM适配层的上面部分称为会聚子层(cenvergence sublayer)。其作用是向应用程序提供一个接口。它又是由两个子部分组成：一个是对所有应用程序都通用的公共部分（相对于给定的AAL协议），另一个是与应用程序相关的子部分。其中每个部分的作用都是与协议相关的，但是可以包括报文分帧和错误检测。

在发送端，会聚子层负责接收来自于应用程序的比特流（数据）或随机长度的报文，并将它们分为44~48字节的单元以便传输。确切的大小有赖于所用的协议，因为一些协议要占用48字节ATM载荷中的一部分作为自己的头。在接收端，该子层将信元重组为原始的报文。通常情况下，报文分界（如果存在）是要保留的。

AAL下面的部分称为分割和重组SAR(segmentation and reassembly)子层。它将会聚子层交给它的数据单元加上头和尾从而构成信元有效载荷。接着，这些载荷被交给ATM层进行传送。在接收端，SAR子层将信元重组为报文。SAR子层基本上只涉及信元，而会聚子层则与报文打交道。

SAR子层对于某些（但不是所有的）服务类来说，还有另外一些功能。特别是，它有时候可以进行错误检测和多路复用。SAR子层对于所有服务类都是存在的但功能的强弱则依赖于其特定的协议。

　

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三、AAL1

AAL1是用于A类传输的协议。A类传输是指实时的、恒定比特率的、面向连接的传输，例如非压缩的音频和视频数据。输入的是比特流，不存在报文分界。对于这种传输，并没有使用像停--等这样的错误检测协议，因为由超时和重发机制引入的延迟是不能接受的。但是，丢失信元时会通知应用程序，由它采取措施（如果可能的话）来进行弥补。

AAL1使用了一个会聚子层和SAR子层。会聚子层检测丢失和误入的信元，平缓输入的数据速率从而以恒定的速度发送信元。最后，会聚子层将输入的报文或比特流分解为46字节或47字节的单元，然后交给SAR子层处理。在另一端（接收方）它取出这些数据单元，重组为原始的输入。AAL1的会聚子层没有自己的协议头信息。

相反，AAL1的SAR子层有自己的协议。其信元格式如下图。两种格式都是以1字节的头开始：其中包含3字节的信元序号SN（用于检测是否丢失或误入了信元）；该字段之后是3位的序号保护字段SNP（即校验和），可以改正信元序号字段中的单个错误并检测出现两个错误的情况。

当必须保留报文分界时使用P信元。指针(Pointer)字段用于给出下一段报文起始位置的偏移量。