ATM技術在計算機通信網中的應用

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ATM技術在計算機通信網中的應用- –

一、ATM的信元結構及原理
二、ATM的協議參考模型及各層功能
三、ATM與IP技術簡單對比
四、ATM技術在計算機通信網的應用之一:LANE
五、ATM技術在計算機通信網的應用之二:DSLAM

ATM技術在計算機通信網中的應用

一、ATM的信元結構及原理
二、ATM的協議參考模型及各層功能
三、ATM與IP技術簡單對比
四、ATM技術在計算機通信網的應用之一:LANE
五、ATM技術在計算機通信網的應用之二:DSLAM

摘要: 本文簡要介紹了ATM的信元、原理、協議結構,對ATM和IP技術進行簡單對比,最后分別以LANE和DSLAM為例,討論了ATM在計算機通信網中的應用。
關鍵詞 : ATM TCP/IP 信元 LANE ATM-DSLAM
計算機通信網涉及通信網絡計算機兩個領域,通信網絡為計算機之間的數據傳送和交換提供了必要的手段,而計算機技術滲透到通信網絡中,又提高了后者的各種性能。IP作為一種成熟技術,依靠網絡可用、盡力而為、以端為中心的特點,在Internet的迅速發展中起了積極的作用。ATM作為一種現代通信技術,以其網絡可靠、可管理、以路為中心的特點,在計算機通信網的應用,也正符合今后電信網和信息網的發展趨勢:數字化、寬帶化、分組化。技術因素和市場需求都是ATM發展的動力。被業界稱為”貴族技術”的ATM,面對IP業務的飛速發展,只有積極尋求ATM支持IP的最佳方案,才能將自己容入計算機通信網中。
一、ATM的信元結構及原理
ITU對ATM(AsynchronousTransferMode)的定義是:ATM是一種異步轉移模式。異步是指ATM統計復用的性質。轉移模式是指網絡中所采用的復用、交換、傳輸技術,即信息從一地轉移到另一地所用的傳遞方式。在這種轉移模式中,信息被組織成信元(CELL),來自某用戶信息的各個信元不需要周期性地出現。因此,ATM就是一種在網絡中以信元為單位進行統計復用和交換、傳輸的技術。
ATM是一種新型分組技術,信元實際上是具有固定長度的分組,信元總長度為53個字節,其中5個字節是信頭,48個字節是信息段,或稱凈荷。信頭包含表示信元去向的邏輯地址、優先等級等控制信息。信息段裝載來自不同用戶、不同業務的信息。任何業務的信息都經過切割封裝成統一格式信元。
ATM采用異步時分復方式,將來自不同信息源的信元匯集到一起,在緩沖器內排隊,隊列中的信元根據到達的先后按優先等級逐個輸出到傳輸線路上,形成首尾相接的信元流。具有同樣標志的信元在傳輸線上并不對應著某個固定的時隙,也不是按周期出現的。異步時分復用使ATM具有很大的靈活性,任何業務都按實際信息量來占用資源,使網絡資源得到最大限度的利用。此外,不論業務源的性質有多么不同(如速率高低、突發性大小、質量和實時性要求如何),網絡都按同樣的模式來處理,真正做到完全的業務綜合。為了提高處理速度、保證質量、降低時延和信元丟失率,ATM以面向連接的方式工作。通信開始時先建立虛電路,并將虛電路標志寫入信頭,網絡根據虛電路標志將信元送往目的地。虛電路是可以拆除釋放的。在ATM網絡的節點上完成的只是虛電路的交換。為了簡化網絡的控制,ATM將差錯控制和流量控制交給終端去做,不需逐段鏈路的差錯控制和流量控制。因此,ATM結合了電路交換和分組交換的優點,即ATM兼顧了分組交換方式統計復用、靈活高效和電路交換方式傳輸時延小、實時性好的優點。能在單一的主體網絡中攜帶多種信息媒體,承載多種通信業務,并且能夠保證QoS。ATM交換分為VP交換和VC交換兩種。VP交換指在交換的過程中只改變VPI的值,透傳VCI的值,而VC交換過程中VPI、VCI都改變。
二、ATM的協議參考模型及各層功能
在ITU-T的I.321建議中定義了B-ISDN協議參考模型,該模型為一個立體模型,包括三個面:用戶面U、控制面C和管理面M,而在每個面中又是分層的,分為物理層、ATM層、AAL層和高層。
協議參考模型中的三個面分別完成不同的功能:
1.用戶平面U:提供用戶信息流傳送的功能,同時也具有一定的控制功能,如流量控制、差錯控制等;
2.控制平面C:提供呼叫控制和連接控制功能,利用信令進行呼叫和連接的建立、監視和釋放;
3.管理平面M:提供兩種管理功能:包括層管理和面管理。層管理(分層),完成與各協議層實體的資源和參數相關的管理功能,如元信令,同時還處理與各層相關的OAM信息流;面管理(不分層),它完成與整個系統相關的管理功能,并對所有平面起協調作用。
ATM的協議參考模型中各層功能:
1.物理層又劃分為兩個子層:PM(物理媒體子層)和TC(傳輸會聚子層)。PM(物理媒體子層)負責線路編碼光電轉換、比特定時,以確保數據比特流的正確傳輸;傳輸會聚子層功能為信元速率解藕;HEC的產生/校驗;信元定界;傳輸幀適配;傳輸幀產生/恢復。
2.ATM層主要完成四項功能:一般流量控制;信頭的產生和提取;信元VPI/VCI的翻譯;信元復用和分路。
3.AAL(ATM自適應層)其功能是將高層功能適配成ATM信元。AAL層的目的是使不同類型的業務,包括管理平面和控制平面的信息,經過適配之后都可用統一的ATM信元形式來傳送。AAL層與業務有直接關系。AAL層對不同類型的業務進行不同的適配。對于ATM用戶,AAL在用戶終端設備中實現;對于非ATM用戶,AAL在UNI的網絡側設備中實現。AAL層又分為兩個子層:拆裝子層SAR和匯聚子層CS。在發送端,需要將業務流適配到ATM層,SAR將高層信息分段為固定長度和標準格式的ATM信元;在接收端,在向高層轉接ATM層信息時,SAR接收ATM信元,將其重新組裝成高層協議信息格式。CS執行定時信息的傳遞、差錯檢測和處理、信元傳輸延遲的處理、用戶數據單元的識別和處理等功能。

三、ATM與IP技術簡單對比
1. 服務質量保證方面
無論對運營者還是用戶,QoS是服務信譽的標志。由于面向連接與面向無連接之分,IP技術和ATM技術在服務質量(QoS)保證方面有根本的不同。IP包的長度是不固定的,長信息包和短信息包中信息打包、拆包時延差別很大,從而引入了較大的時延抖動,不適于實時業務。當用戶增加時,服務質量則降低,導致服務質量不穩定。目前一些示范實時應用實際上是用低帶寬利用率換取高服務質量。ATM技術使用固定長度信元使打包、拆包時延相當,減小時延抖動,并且小信元長度降低了時延值。另外,ATM采用流量控制技術,在連接建立之前,就通過信令協商能否保證用戶的服務質量要求,只有當網絡確認之后才接受入網,保證為每一個虛電路提供不同的服務質量。這是真正意義上的服務質量(QoS)。為彌補IP技術在服務質量上的缺陷,TETF提出如RSVP(Resource Reservation Protocol)協議。但由于IP自身限制,協議實現復雜,進展緩慢。
2. 協議簡化問題
從發展歷程上看,lP技術在開發初期,傳輸技術不理想,于是采用逐段糾錯,反饋重傳等技術,這使得協議復雜。隨著光纖技術的發展,傳輸和處理能力的提高,這些部分已顯多余。但由于軟、硬件投資問題,IP自身成了障礙,只能保留這些功能。這必然影響網絡傳輸效率。ATM技術充分利用光纖技術發展,簡化差錯控制,在中間節點不檢查業務完整性,大大簡化了協議。ATM流量控制和信令是為了用精確的控制得到網絡利用率的提高和服務質量的保證。雖然復雜些,卻是值得的。
TCP/IP是互聯網的基礎協議,TCP/IP協議框架中的IP層對應于OSI參考模型中的網絡層,完成路由選擇和分組轉發功能,而TCP對應于OSI參考模型中的傳送層,完成端到端之間的數據收妥確認與差錯糾正等。可以看出,IP協議實質上是一種不需要預先建立連接,而直接依賴于IP分組報頭信息決定分組轉發路徑的數據協議。從技術上講,它具有以下幾大特點:一是分布式結構;二是端到端原則,所有增值功能都在網絡之外由終端完成;三是IP網可以建立在任何傳輸通道上,可以保證異種網絡的互通;四是具有統一的尋址體系,網絡可擴展性強。
ATM以面向連接的方式工作,通信開始時先建立虛電路,并將虛電路標志寫入信頭,網絡根據虛電路標志將信元送往目的地。為了簡化網絡的控制,ATM將差錯控制和流量控制交給終端去做,不需逐段鏈路的差錯控制和流量控制。可以提高處理速度、保證質量、降低時延和信元丟失率。ATM結合了電路交換和分組交換的優點,即ATM具有統計復用、靈活高效和傳輸時延小、實時性好的優點。能在單一的主體網絡中攜帶多種信息媒體,承載多種通信業務,并且能夠保證Qos。
相對于ATM技術,IP技術在服務質量保證、安全性、統計復用、流量管理和擁塞控制等方面,都有先天的不足。當用戶數量比較少時,這些問題還不那么突出,而一旦用戶數量增加得較快,網上的數據流量增大,問題就出來了。因此在服務質量保證方面,IP技術不如ATM技術。

四、ATM技術在計算機通信網的應用之一:LANE
1. ATM LANE的概念
顧名思義,LANE(Emulated LAN)的功能是在ATM網絡上仿真LAN,LANE協議定義了仿真IEEE802.3以太網或802.5令牌環網的機制。LANE協議定義了與現有LAN給網絡層提供的服務相同的接口,在ATM網絡中傳輸的數據以相應的LAN MAC分組格式封裝。
在ATM網上模擬傳統局域網,通過ATM網將多個傳統局域網和終端設備互聯。在ATM網上構造新的局域網,這些局域網接點間的通信行為與傳統局域網完全相同。局域網仿真對局域網隱藏了ATM交換結構,局域網終端感覺不到ATM網絡的存在,因此無需修改終端設備的軟硬件,就可以利用ATM網絡的各種優點。由下圖可見,仿真協議主要在ATM主機和ATM LAN橋上實現。ATMLAN橋是局域網和ATM網間的轉換器,它采用ALL5協議對局域網數據作適配,產生ATM信元,或重組ATM信元,恢復局域網的數據幀。ATM主機在ATM適配層與高層協議間加入局域網仿真功能,使ATM主機模擬傳統局域網設備的行為,與局域網通信。ATMLANE是專為LAN接入而設置的,意即ATM的局域網仿真(LANEmulation)。對傳統IP終端而言,ATM網絡就像是一個局域網,其中包含若干由路由器連接起來的IP子網。
LANE 基于客戶端/服務器模式(Client/Server),一個LANE服務器可對多個LANE 客戶端。LANE支持多種協議(MPOA:Multi-ProtocoloverATM)傳送,允許不同的LANE之間的互聯;LANE 充分支持LAN中的無連接特性;LANE支持單播、多播及廣播傳送;
ATM局域網的優點:
信息實時傳送,因為ATM的傳輸、交換時延較小,可以保證信息的實時傳遞;具有較強的網絡處理能力,各種業務包括話音、數據、圖像等均可以統一轉換為ATM信元在ATM網中傳輸、處理;傳輸速率高,易于局域網和公用網間的互通;
局域網仿真提供OSI-RM層中下兩層的功能,即用ATM網絡模擬局域網數據鏈路層和物理層的功能,而與高層所有的業務、協議和應用無關。ATM交換機不直接參與局域網仿真,只為ATM信元提供虛通路。
2. 局域網仿真結構
局域網仿真從邏輯上看由服務器和一組局域網仿真客戶組成。
局域網仿真服務器從功能上可以劃分為三種:
a.廣播與未知地址服務器(BUS:Broadcast&&UnknownServer)實現廣播和多點通信功能,既仿真傳統LAN的廣播機制,在LEC間直接鏈路建立前單播LEC數據,一個LANE中只有一個BUS;
b. 局域網仿真服務器(LES:LANE Server)是地址服務器,它保存LANE中每個LEC的MAC地址
與ATM地址的對應關系表,以實現MAC地址與ATM地址的轉換;(提供MAC地址得注冊和解析手段;響應LEC的上述請求;一個LANE中只有一個LES;)
c. 局域網仿真結構服務器(LECS:LANE Configuration Server)ATM網絡中可以有多個LANE存在,LECS保存LANE的結構信息,將LEC配置到LANE中;(維護一個ATM網絡中多個LANE內的LEC、LES和BUS的配置信息;為每個LEC提供其所屬LES的ATM地址)
局域網仿真客戶LEC可以在ATM工作站和ATM網橋上實現,其主要功能為:實現局域網的MAC幀和ATM信元的相互轉換;保存MAC和ATM及VPI/VCI的對應關系表;與局域網仿真服務器共同完成地址解析功能;啟動信令建立ATM虛連接,為傳送數據提供通路;與ATM層管理接口,實現管理功能;(在ATM終端系統上仿真以太網或令牌環網結點,至少得綁定一個MAC地址,其功能是封裝IP數據報交給ATM網傳送,同時轉譯ATM分組,重新組成IP數據報。)
每個LANE由一組LANE客戶(LEC)和LANE服務構成。LEC還可以是作為ATM主機代理的網橋和路由器。LANE服務由三個不同的功能實體構成:LAN仿真配置服務器(LECS)、LAN服務器(LES)和BUS,這三個服務實體可以各自存在,但通常位于同一設備,例如:LES可以位于ATM交換機、路由器、網橋和工作站。
圖中LECS、LES和BUS集中在ATM工作站上,LEC1將以太網接入ATM網,LEC2將令牌環網接
入ATM網,LEC3將FDDI網接入ATM網,LEC4是ATM主機。LUNI是局域網仿真用戶網絡接口,LEC和服務器都通過LUNI和ATM網連接。4個LEC和服務器構成一個仿真局域網LANE。

五、ATM技術在計算機通信網的應用之二:DSLAM
DSLAM(Digital Subscriber Liner Access Multiplexer)的定義為數字用戶線接入復用器,局端設備,完成ADSL接入業務的匯聚和分發。
ATM DSLAM原理上傳的數據信號在ADSL Modem中,通過AAL5分段和組裝子層(SAR)功能實現MAC幀到ATM信元之間的轉換,經DSL調制后,信號被傳輸到局端的DSLAM側,局端的DSLAM對ADSL信號進行解調,并恢復成ATM信元格式。ATM DSLAM對許多這樣的上傳信號進行處理,對ATM信號按照某種條件進行復接或者交換。同時對各種ATM業務進行分類管理,實現恒定比率(CBR)、實時可變化率(xt-VBR)、準實時可變比率(nrt-VBR)、不定比率(UBR)等多種ATM業務類型的設置,對不同類型的ATM業務設置不同的流控參數、優先級別等,以保證對高性能服務質量QoS有不同要求的用戶的支持,同時提供永久虛電路(PVC)的上連和與上層ATM交換機建立連接。在信號下行時,下發的信號是以ATM信元格式傳送給ATM DSLAM的,這些被接收的ATM信號,帶著相關的ATM信息,比如ATM業務類型、PVC數據以有其它一些參數等。由ATM對不同的業務參數進行識別,并采取不同的處理措施,包括包丟棄原則、緩存機制、流控機制等,以實現不同業務的QoS保證,然后分接到各個對應的ADSL信號的調制,之后輸出到對端的ADSL Modem中。
目前的DSLAM分為ATM-DSLAM和IP-DSLAM。二者的主要區別是:ATM-DSLAM 是全程ATM的連接,而IP-DSLAM則是將ATM連接到DSLAM設備的相關功能板(以太網板)、實現ATM的終結,然后將ATM信元轉換為以太網幀進行傳輸。從組網方式看:ATM-DSLAM和IP-DSLAM都作為接入設備來使用,但ATM-DSLAM是上連ATM匯聚交換機,而IP-DSLAM是上連三層交換機。從業務應用看:ATM-DSLAM應用PVC實現隧道機制、安全機制和帶寬承諾機制,QoS的性能也較好,適合開放VPN業務。而IP DSLAM的PVC由于在端局設備終結,IP在數據安全性及帶寬控制方面又有先天的不足,且QoS性能較差,所以更適合訪問型的Internet業務。從用戶認證看:ATM-DSLAM的認證是通過將PVC終結在ATM寬帶接入服務器(BAS)上實現的。而IP-DSLAM的PVC的映射將VLAN標識符(ID)送給IP-BAS來對用戶進行認證(也就是說如果沒有VLAN ID送給上層的BAS,就無法對用戶進行認證)。因此必須要求IP DSLAM支持VLAN的數較多,以在PVC和VLAN ID上進行一對一的映射和唯一利用VLAN ID來表示用戶。
ATMDSLAM設備基于ATM先進的技術設計,完全支持多種ATM業務,如CBR、rt-VBR、nrt-UBR、UBR等,對這些業務提供不同的處理措施、不同的緩存空間和調度優先級以及不同級別的業務整形功能等,使得不同的ATM業務類型在整個業務傳輸過程中,得到與之相適應的帶寬及高性能QoS支持的保證。ATM是面向連接的傳輸,具有天然的安全隔離機制,既PVC,因此不會發生信息泄露情況。
2. DSLAM 應用
DSLAM應用時具有較簡潔的網絡拓撲結構,可根據用戶需要、組網情況以及局端DSLAM到用戶端的(ADSL/VDSL)Modem雙絞線布放范圍不同,選擇ADSL/VDSL接入。基于ATM技術的DSLAM除提供ADSL/VDSL等接入方式外,還支持CES、FR等專線業務,適合多業務接入應用的情況。
DSLAM作為接入層設備通過ATM端口匯聚到端局ATM交換機,通過城域網ATM交換機進入ATM骨干網,為用戶提供Internet接入和各種專線業務。
針對不同類型ADSL接入用戶,DSLAM與其他設備配合,如BAS(Broadband Access Server)組網,可提供了靈活多變的計費方式:
(1)對于普通家庭用戶使用PPPoE方式接入對BAS發起呼叫,BAS和Radius服務器、Billing服務器配合完成用戶的認證、流量管理和記費等功能。
(2)對于SOHO用戶,在Modem上配置PPPoA和NAT,整個辦公室共享一個賬號,SOHO中的計算機通過Modem訪問Internet和其他業務。由Modem對BAS發起PPPoA呼叫,業務選擇網關和Radius服務器、Billing服務器配合完成用戶認證、流量管理和記費等功能。
(3)對于公司的分支機構與公司總部的連接,可以通過ATM骨干網和匯聚層的ATM交換機,建立Modem(配置IPoA和NAT,以專線包月形式計費)到公司總部間的PVC連接,這樣可以訪問公司總部的服務器。以上,介紹了ATM技術在LAN和Internet中的應用。
六、總結
ATM技術是一項優秀的傳輸、交換、復用、交叉連接技術。目前,ATM技術以一種更務實的姿態進入實用中,對ATM技術的理解也應在思想上更新。互聯網的可持續發展需要ATM支持,以提高服務質量和擴容;ATM也需要互聯網來發展、應用、展示自己。隨著能充分利用ATM的應用增加,ATM的優勢日漸突出。Internet的發展正是一個機遇,尤其是互聯網業務的多媒體化需求,對ATM技術將是一個巨大的推動。

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