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異步傳輸模式——ATM
[ 通信界 / 江代有 龍玲 / www.6611o.com / 2004/10/17 ]
 

江代有 龍玲 長安大學信息工程學院


  摘 要:介紹了ATM的概念、信元格式及速率,并分析了ATM交換原理、ATM交換機與ATM寬帶接口技術。

  關鍵詞:異步傳輸模式;寬帶;聯網;Internet

  隨著Internet與多媒體技術的飛速發展,Web上的圖像、音頻、視頻等多媒體內容越來越多,用戶需要有更高的接入速率。而現有的電路交換和分組交換很難勝任寬帶高速的交換任務。對于電路交換,當數據的傳輸速率及其突發性變化很大時,交換的控制就變得十分復雜;對于分組交換,當數據傳輸速率很高時,協議數據單元在各層的處理成為很大的開銷,無法滿足實時性很強的業務的時延要求。異步傳輸模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)就是建立在電路交換和分組交換基礎上的一種新的交換技術,他可以很好地進行寬帶信息交換。

1 ATM信元格式及速率

  ATM傳送信息的基本載體是ATM信元。ATM信元采用53 B的固定長度,其中48 B為數據,另附加5 B作為信頭。在信元交換過程中,主要是參照信頭的內容對信元進行處理。信頭內容在UNI和NNI中略有不同,如圖1所示。

  GFC(Generic FlowControl):一般流量控制,只用于UNI接口,目前沒用,置為0000。

  VPI(VirtualPath Identifier):虛通道標識,在一個接口上將若干個虛通路集中起來組成一個虛通道(VP),并以虛通道為網絡管理的基本單位。VPI在UNI中為8 b,在NNI中為12 b。

  VCI(VirtualChannelIdentifier):虛通路標識,標識虛通道內的虛通路,VPI/VCI一起標識一個虛連接。

  PTI(Payload Type):載荷類型指示,用于指明信元中的載荷(數據域中攜帶的數據)類型。

  CLP(CellLoss Priority):信元丟失優先級,用于擁塞控制。當網絡出現擁塞時,首先拋棄CLP等于1的信元。

  HEC(Header Error Control):信元差錯控制,用來檢測信頭中的錯誤,并可以糾正信頭中的1 b差。HEC的另一個作用是用于信元定界,利用HEC字段和他之前的4 B的相關性可識別出信頭位置。HEC的功能在物理層實現。

2 ATM交換原理

  與普通IP傳輸的非面向連接不同,ATM是一種面向連接的交換方式。ATM交換機是根據信元頭的信息,基于信元完成的。一個ATM交換機可能只使用信元頭的VPI部分,或只使用VCI部分,或者兩個部分都使用來決定如何轉發信元。其工作過程大致是:ATM交換機接收來自特定輸入端口的、帶有標記的VPI/VCI字段和表明屬于特定虛電路的信元,然后檢查路由表,從中找出從哪個輸出端口轉發該信元,并設置輸出信元的VPI/VCI值。就像電話呼叫的例子,只使用信元頭部的VPI字段進行ATM信元的大量交換是非常有用的。

  ATM采用了虛連接技術,將邏輯子網和物理子網分離。類似于電路交換,ATM首先選擇路徑,在2個通信實體之間建立虛通路,將路由選擇與數據轉發分開,使傳輸中間的控制較為簡單,解決了路由選擇瓶頸問題。設立虛通路和虛通道兩級尋址,虛通道是由兩結點間復用的一組虛通路組成的,網絡的主要管理和交換功能集中在虛通道一級,減少了網管和網控的復雜性。在一條鏈路上可以建立多個虛通路。在一條通路上傳輸的數據單元均在相同的物理線路上傳輸,且保持其先后順序,因此克服了分組交換中無序接收的缺點,保證了數據的連續性,更適合于多媒體數據的傳輸。

  在信頭的各個組成部分中,VPI和VCI是最重要的了。這兩個部分合起來構成了一個信元的路由信息,該信息表示這個信元從哪里來,到哪里去。為此常把這兩個部分合起來記作VPI和VCI。ATM交換就是依據各個信元上的VPI和VCI,來決定把他們送到哪一條輸出線上去。  每個ATM交換機建立一張對照表。對于每個交換端口的每一個VPI和VCI,都有對應表中的一個入口。當VPI和VCI分配給某一信道時,對照表將給出該交換機的一個對應輸出端口以及用于更新信頭的VPI和VCI值。

  當某一信元到達交換機時,交換機將讀出該信元信頭的VPI和VCI值,并與路由對照表比較。當找到輸出端口時,信頭的VPI和VCI被更新,信元被發往下一段路程。

  在ATM環境中,怎樣使用VP和VC呢?VP就像一個能夠攜帶許多VC(最多可達65 000條)的管道或通道,他可以是從交換機到交換機的虛擬線路,也可以是橫穿ATM網絡由終端到終端的所有線路。除了最大的專用局域網或廣域網外,65 000條VC在當今是足夠的。實際上支持復雜的VP并不需要這么多VC,許多ATM LAN發送點僅支持一條虛通道,即VPI=0。當只有一條VP被支持時,他不用作端到端的連接,所以這里并不要求VC一定在給定的VP中,這樣VC可連接任何一組站群而不受VP的影響。通常數據是在一條VC中傳送的。

  另一方面,交換機在典型情況下,必須支持成百上千條不同的VP,最大可能支持上百萬條不同的VC。通?蛻粝到y希望能夠提供給他們用戶一條通過網絡的專用VP,VP可以連接網絡中任意2個端到端用戶,若VP使用這種方式,則被稱為一條虛通道連接(VPC)或稱為一個“虛通道路徑(VPChannel)”。他可以帶有“永久虛擬線路(PVC,Permanent VirtualCircuits)”和“交換虛擬線路(SVC,Switched VirtualCircuits)”。


  在一個VP通道中,系統用戶可以建立PVC和SVC,而無需系統以任何方式參與,甚至系統的交換機也不必直接支持SVC。VP通道能夠提供一條路徑將公用網中不同的公司互相隔離開來。在使用公用ATM服務器的這條路徑中,就需要用復合VP通道互聯用戶網絡中的網點。

  在公用ATM網絡環境中,若系統不提供VP通道的能力(有些可能沒有),則系統只能提供PVC,這是因為交換機不能直接支持SVC(有些從不支持),有些系統也不希望支持SVC(因為他使企業間帳目復雜化,并增加了保密數據的流量)。若無VP通道,系統通常在網絡端點用VPI=0,產生和結束PVC。

  在公用網絡中,PVC是用戶提前申請并由系統建立的。PVC在對外連接“ATM網絡設備”(如以太網或帶ATM的FDDI轉換器、ATM集線器)時是相當有用的。許多非ATM信號源可通過單個PVC動態多路復合返回到指定點。在ATM主機間使用PVC也可限制預定端點的通信。在公用網中這是符合要求的。

  在專有網絡(LAN或WAN)中,由于終端站可以自己申請建立SVC,所以SVC是站點之間的通信更可取的路徑。這就是當今大多數專用非ATM LAN和WAN的工作方式。因此,占用網絡ATM交換機必須直接支持SVC。但是,若終端站或邊緣設備不支持SVC或是按要求不允許申請連接SVC,這時在專用網中有用PVC的,PVC必須由網絡控制者提前建立。但由于路徑是預定的,所以當網絡出現故障時,PVC比SVC優越性差。故此,在專用網絡中虛通道VP不重要甚至不需要了,如圖4所示。

3 ATM交換機

  在B-ISDN中,ATM交換機連接著用戶線路和中繼線路。在用戶線路上和中繼線路上傳送的都是ATM信元。ATM信元交換機的通用模型及其原理如圖5所示。其通用模型有一些輸入線路和一些輸出線路,通常在數量上相等(因為線路是雙向的)。在每一個周期從每一輸入線路取得一個信元(如果有的話)。通過內部的交換結構(switching fabric),并且逐步在適當的輸出線路上傳送。從這一角度上看,ATM交換機是同步的。而且,他不關心信息的內容和形式。他簡單地把信息分割成相同長度的分組,并給分組加上頭部,以使分組能到達目的地。ATM信頭只有很少的幾項功能,這使其能被網絡無時延地處理。

  所有的ATM交換機都有2個共同的目標:一個是 以盡可能低的丟失率交換所有的信元;另一個是決不能在虛電路上記錄信元?梢哉f,ATM交換機的任務,就是根據ATM信頭上虛通道標識符和虛通路標識符,把送入的ATM信元轉送到相應的中繼線或用戶線上去。舉例來說,用戶A正在使用虛通道VPI=2、虛通路VCI=1向北京發送一幅圖片;同時又在使用VPI=3、VCI=1向北京發送一段語音;同時還在用VPI=4、VCI=2從深圳接收數據。那么,交換機就應該把從用戶線A上收到的VPI=2、VCI=1的ATM信元轉送到中繼線C上,把從用戶線A上收到的VPI=3、VCI=1的ATM信元也轉送到中繼線C上;同時把從中繼線D上收到的VPI=4、VCI=2的ATM信元轉送到用戶A上。

  由于在B-ISDN上,用戶線和中繼線上傳送的都是ATM信元,所以對ATM交換機來說,可以在許多情況下對中繼線和用戶線不予區分,這樣就可以得到一個抽象的ATM模型。聯接在這個交換機模型上的一部分線路向這個交換機抄送出ATM信元,因而叫做這個交換機的入線;另一部分線路則從這個交換機接收ATM信元,因而叫做這個交換機的出線。ATM交換機的功能就是根據送入的ATM信元的VPI和VCI,把他們送到相應的出線上去。

  為了完成上述ATM信元的工作,一個ATM交換機一般由3個基本部分構成:入線處理和出線處理部分、ATM交換單元、ATM控制部分。其中,ATM交換單元完成交換動作;ATM控制單元對ATM交換單元的動作進行控制;入線處理部分對各入線上的ATM信元進行處理,使他們成為適合送入ATM交換單元的形式;出線處理部分對ATM交換單元送出的ATM信元進行處理,使他們成為適合于傳輸的形式。

  我們知道,在通信線路上常常是傳送一個比特一個比特的串行信號,而在ATM交換單元中為了提高速度,常常需要一次讀入若干比特的并行信號。因此,諸如串/并轉換等功能,在入、出線處理部件里總是需要的。事實上,為了簡化交換單元的設計,我們也總是把那些可以在入線和出線就能處理的事放入到入、出線處理部件上工作。

  交換機的主要功能是提供一種方法,將來自輸入端口的信元快速、有效地路由到輸出端口。ATM交換設備將進行單個信元的輸入處理、標頭的轉換以及輸出處理。信元標頭必須按輸出端口的要求進行轉換。為確保信元進入適當的物理鏈路,交換機必須對信員進行輸出處理。

參考文獻

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[2] 張紅科,裘正定.ATM網絡互連原理與工程[M].北京:清華大學出版社,1997.

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[5] 劉符,韓煜國.寬帶通信原理、設計、應用[M].北京:人民郵電出版社,1998.

 

作者:江代有 龍玲 合作媒體:現代電子技術 編輯:顧北

 

 

 
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