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SR6600产品ATM技术白皮书

SR6600产品ATM技术白皮书

关键词:ATMPVCAAL

    要:本文描述了ATM协议各层次的基本原理,以及实际应用的情况。并且描述了H3C SR6600产品对于ATM特性的具体实现以及典型组网应用。

缩略语:

缩略语

英文全名

中文解释

ATM

Asynchronous Transfer Mode

异步传输模式

PVC

Permanent Virtual Circuit

永久虚电路

AAL

ATM Adaptation Layer

ATM适配层

PMD

Physical Media Dependent sub-layer

物理媒介子层

TC

Transmission Convergence

传输汇聚子层

VCC

Virtual Channel connection

虚通道连接

VPC

Virtual Path Connection

虚通路连接

SAR

Segmentation And Reassembly

切片与重组

 

 



概述

ATM是一种信元中继技术,它把需要传送的信息切分成许多固定字节大小的信元进行传送。ATM之所以叫做异步传输,是因为信元之间的传送间隔不是周期性的。ATM可以传送的数据包括语音、视频以及一般的数据。ATM技术相关的标准化组织有ITU-TIETFANSIATM论坛,其中,ATM具体的标准制定由ATM论坛来完成。

技术应用背景

2.1  技术优点

ATM区别于其他链路层协议的地方在于其使用固定53字节长度的信元来传送信息。使用固定53字节的长度的好处在于便于信元之间的复用;长度小的信元传送时延小,固定字节长度便于使用硬件芯片来完成ATM的相关功能。

ATM相比PPPFR等其他协议结构上更为复杂,针对不同的上层业务进行适配、被多种物理介质承载,并拥有独有的QoS等。ATM固定长度的信元便于一个接口进行高速、高效率的复用不同PVC的报文。所以,ATM技术的优势还是比较明显的,但是ATM为了实现这些功能,代价就是协议上会更加复杂,实现的成本较高。

2.2  应用场合

ATM起初在骨干传输网中应用比较广泛,但是由于随着IP技术的发展,ATM作为IP的承载网,在宽带接入中也得到了广泛应用。下面列举几个比较典型应用:

2.2.1  2G/3G通信内部传输网

2G/3G通信网络中,基站与基站控制器之间通常是ATM IMA链路连接的,用户的语音数据以AAL2方式进行适配。基站控制器上面通常都有ATM交换机框。使用ATM IMA的原因是多链路传输可靠性高,ATM独有的AAL2适配方式让语音数据能够保证实时的传输。

2.2.2  数据传输骨干网

由于ATM传输的速率高,城市之间的骨干连接可以采用这种高速的ATM作为信息传输方式。高速的155Mb/s OC-3622Mb/s OC-12能够满足这种连接的带宽要求。

2.2.3  用户接入

现在家庭用户的终端接入方式越来越多的使用了ADSL技术。这种技术的物理承载方式是ATM,让ATM能在低速率应用上越来越广泛。

特性介绍

本文前面已经提到了ATM协议相对链路层协议来说要复杂一些,下面分成3个方面分别对ATM进行具体描述。

3.1  ATM的协议分层

3.1.1  ATM物理层

ATM物理层的功能是在具体的物理介质上传送ATM信元。其中,物理层又可以细分成PMDPhysical Media Dependent sub-layer,物理媒介)、TCTransmission Convergence,传输汇集)两个子层。PMD完成传送比特流,并且指定物理介质的特性。H3C ComwareV5软件平台支持的ATM物理媒介有SONET/SDHOC-3)、E1/T1E3/T325M STPADSLIMATC完成信元定界(cell delineation)、传输帧适配(transmission frame adaptation)、信元速率解耦(cell rate decoupling)功能。

下面以OC-3为例子,描述物理层的各个功能,物理层的细分功能如1所示:

图1 物理层细分功能

-

 

可以看到,物理层功能分成PMDTC两个子层。

物理层中,主要的一些功能下面介绍一下:

(1)        HEC的产生和校验

HEC是信元头的最后一个字节,主要作用是保护信元头,防止信元头出现传输差错。利用HEC,在接收端,可以进行单一比特的错误恢复,或者多比特错误的检测、错误报文丢弃的功能。

l              信元加扰、解扰

加扰、解扰操作针对的是信元的载荷。信元发送的时候对载荷进行加扰,接收的时候进行解扰。这个操作的目的是为了让载荷数据更加随机化,带来的好处是提高信元定界操作的效率。

l              信元映射

信元映射是把一个个的信元插入到一个OC-3帧当中。具体插入方法见下面图形所示:

2显示的是一个SDH帧,它是一个9行、270列的一个矩阵,其中AU4指针指向了VC4容器的位置,这个容器里面依次序放着一个个的ATM信元。

图2 信元插入到SDH帧中的方法

 

l              信元定界

原始的比特流中,确定出信元的边界,从中识别出一个个的信元。信元定界使用前面提到的HEC来完成。

3.1.2  ATM

ATM层完成给他的上层(AAL层)提供传输固定长度的业务数据单元的功能。具体的功能包括:信元复用/解复用、信元头的产生与删除、信元的流量管理、信元速率适配。

1. ATM信元格式

图3 ATM信元头格式

 

2. 信元头中各个字段功能

l              GFC:一般流量控制,目前未使用,设置成0000

l              VPI:虚通路标示;

l              VCI:虚通道标示;

l              PTI:净荷类型,3bit

PTI各种组合的含义如下表所示:

表1 信元头中的PTI含义

 

l              CLP:信元丢失优先级;

l              HEC:信头差错控制,头部前4字节的校验和,可以纠正1bit的错误,发生错误时可以保护信元,而不是丢弃它,同时也可以用于信元定界;

l              ATM信元类型:F4/F5 OAM信元,VC/VP资源管理信元。

3. 虚通道与虚通路(Virtual Channel & Virtual Path

ATM是基于连接的,对于ATM来说存在虚通道VC与虚通路VP两种不同层次的虚连接。VCCVirtual Channel Connection)表示两个端点之间的一个连接,而VPCVirtual Path Connection)表示多个VCC捆绑到一起后形成一个虚通道。VPCVCCVPIVCI来表示。比如PVC 1/32PVC 1/33,它们都属于一个VP=1的管道里面的两条VC,而PVC 1/32PVC 2/32分别是属于两个不同VP管道里面的两条VC。上面提到的各个VC里面的信元其实都是在同一个物理接口下面进行传输的,靠VPI/VCI来区别它是属于哪个VPVC,所以通道是一个逻辑概念,实际物理是上不存在这样的通道的。

图4 虚通道与虚通路

 

4. ATM层的管理功能

l              ATM信令管理

l              差错管理

l              性能管理

l              连接管理

l              资源管理

3.1.3  ATM适配层

AAL介于ATM层与上层应用之间,AAL的上层包括很多种应用,比如:语音、视频、数据等,根据不用种类的应用需求,AAL能够做到这些应用能很好的与ATM层进行适配,具体来说,根据不同的上层是什么应用,AAL能够把上层的载荷转换成ATM信元,然后递交给ATM层进行处理。

AAL的服务类型种类:Class AClass BClass CClass D

Class A:基于连接的,恒定比特率业务,例如:恒定比特率未压缩视频

Class B:基于连接的,可变比特率业务,例如:压缩语音、视频

Class C:基于连接的,数据业务,例如:建立连接的文件传输

Class D:基于无连接的,数据业务,例如:电子邮件

1. AAL1

适合需要时钟同步需要的电路模拟业务,适用于Class A业务:CBR业务,例如:64kbit/s标准语音、未压缩视频。

AAL1给上层业务提供的服务:

l              以恒定的比特率转换上层的服务数据(SDU),并且以相同的速率传输;

l              在源/目的两端传输时间同步信息;

l              对于AAL不能恢复的错误,汇报给上层处理。

为了完成上面的功能,AAL1需要完成的功能有:

l              分片与重组(SAR);

l              处理不同信元之间的延迟;

l              处理丢失的信元;

l              接收端恢复源端的时钟信息;

l              对于可能出现的AAL本身使用的协议控制信息差错进行监控与差错处理。

图5 AAL1格式

 

上图中各个字段含义如下:

l    CSI:(Convergence Sublayer Identifier),用来传递定时信息和结构信息,这一位是由CS提供的,缺省值为0

l    SCSARPDU的一个次序标号,其值为07,发送方周期的取这8个值,接收方可以根据这个值来判断是否发生了信元丢失和误传,判断过程和相应措施在CS子层中实现。

l    CRC:保护前面4位的CRC位。

l    EPC:奇偶校验位。

2. AAL2

主要用于传输低速、小字节、可变长度的对时延敏感的应用数据。比如:蜂窝电话、压缩语音、无线通信的数据。

AAL2的目标是尽量缩短信元组装的时间,减小时延,并且提高网络带宽的使用效率。适合需要时钟同步的,具有突发数据流特征的业务,适用于Class BVBR业务,例如:以压缩的、以数据包方式传送的语音、视频,例如:VoATM

一路语音通话的编码速率是8kb/s,那么一路语音通话装满一个ATM信元载荷需要50ms,这个时间对于语音通话来说太长了。另一方面,如果基站不等装满一个信元就发送,那么ATM链路的带宽将被浪费。

图6 AAL2在无线通信中的应用

 

通常情况下,会有多个用户同时在使用网络,一种节约带宽的办法是把多个用户的数据复用到同一个ATM信元里面。通过这种方式,我们不必等待单个用户的数据填满一个ATM信元,而是同时把多个用户的数据填满一个ATM信元,这样我们可以更加有效利用带宽。既然多个用户的数据被同时填在一个信元里面,为了区分出每个用户的数据,需要对每个用户的数据进行标识。AAL2需要完成的功能就是对不同用户的数据进行标识,区分出不同用户数据的边界,并且把不同用户的数据复用到48字节的信元载荷里面去。9显示对于上面的语音数据,AAL2是如何封装与复用的。

图7 不同用户的语音报文进行AAL2适配

 

图8 AAL2封装过程图

 

用户的数据增加一个CPS-PH头后形成一个CPS-Packet,这个包的格式如下:

图9 CPS-Packet包格式

 

其中,CPS-Packet头中各个比特含义如下:

l              CID:通道标识,8位;

l              LI:长度标识,6位;

l              UUI:端到端的用户标识,5位;

l              HEC:头差错校验,5位。

图10 CPS-PDU包格式

 

CPS-PDU包头的几位含义如下:

l              OSF:第1CPS-Packet在本CPS-PDU中的位置,6位;

l              SN:序列号,2的整数次幂,1位;

l              P:基偶校验位,1位。

CPS-Packet可能被分割成2个部分,在2CPS-PDU中承载,例如:图8中的User3的报文。如果CPS-Packet不能够填满整个48字节的ATM信元载荷部分,需要在后面填充0以达到48字节。

 

3. AAL3/4

本适配方式适合基于连接(Class C)、无连接(Class D)的数据业务,这种业务没有时钟要求,报文是可变长度、可变比特率的。其中,AAL3是基于连接的,AAL4是基于无连接的,后来,随着协议标准的不断优化,这两种适配模式基本处理流程基本上一样,所以就融合成了AAL3/4。目前AAL3/4主要用于在ATM网络上发送SMDS网络数据的。

图11 AAL3/4数据生成过程图

上层用户数据增加4字节头和4字节尾后形成CPCS-PDU,然后被切割成许多44字节的单元,这些单元增加2字节头和2字节尾后形成48字节的SAR-PDUSAR-PDU成为信元的载荷。

图12 CPCS-PDU格式图

 

l              CPI:消息类型;

l              Btag:开始标签;

l              BASize:缓冲区分配大小;

l              AL:全0,用于尾部的32字节对齐;

l              Etag:结束标签,必须与Btag相等;

l              Length:必须与BASize表示的大小相等。

 

图13 SAR-PDU格式图

 

ST:分片类型,含义如下:

l              10:开始片,00:中间片,01:结束片,11:一个完整分片;

l              SN:序列号,必须是16的整数倍;

l              MID:消息标识;

l              LI:长度标识符。

4. AAL5

AAL5适合基于连接的数据业务,这种业务没有时钟要求,报文是可变长度、可变比特率的,在ATM网络上传送数据主要使用这种方式。

图14 AAL5CS-PDU格式

 

l              Pad:使CS-PDU48字节对齐;

l              UU:用户层的信息;

l              CPI:公共部分标识,预留给将来支持AAL5其他功能使用;

l              Length:表示CS-PDU中,用户数据的长度,也就是CPCS payload的长度。接收端使用这个字段来识别用户数据与Pad之间的边界;

l              CRC:对整个CS-PDU的校验。

3.2  ATM的流量管理

ATM的流量管理能力使得ATM区别于其他类型的通信技术。接入ATM网络中通信的设备都需要与网络服务提供者就提供的QoS服务能力达成一致的协议,这个协议就是流量合同。通信的双方需要遵守这个合同,否则将会导致网络拥塞。下面是一些服务质量参数:

表2 服务质量参数描述

参数

缩略词

说明

峰值信元速率

PCR

信元发送的最大速率

持续信元速率

SCR

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

信元提交时延迟的时间(中间值和最大值)  

信元延迟变化

CDV

 信元延迟时间的变化幅度

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

 

3.2.1  拥塞控制

ATM的拥塞控制是以预防为基本思想,也就是引入预防措施来管理网络资源,而不是在出现拥塞之后采取措施来消除拥塞。

一般的拥塞分成两个方面:

l              事前的拥塞避免,采取流量控制的一系列方法,包括网络资源管理,连接允许控制,使用参数控制等。

l              事后拥塞措施,采用拥塞控制方法来对拥塞的强度、范围、持续时间等进行降低。

3.2.2  服务类型

ATM提供下面五种服务类型:CBRrt-VBRnrt-VBRABRUBR

l              CBR

恒定比特率的业务,在通信过程中需要静态带宽的业务。网络对使用CBR业务的用户提供恒定的带宽保证,这部分带宽在任何时候都不能被其他业务、用户占用。CBR业务一般用来支持对时延要求比较高的业务,例如点路模拟业务。

l              rt-VBR

实时的可变比特率业务,这种业务对时延变化有严格的限制。rt-VBR业务主要有语音、视频。源端的特征一般来说是具有突发性的。

l              nrt-VBR

非实时可变比特率业务。这种业务对时延没有限制,但是对信元丢失比较敏感。

l              ABR

可变比特率的业务。它的特点体现在网络发生拥塞的时候,能够和源端进行反馈。具体来说就是当网络中发生拥塞后,网络给源端发送RM信元来通知这一点,源端收到这一消息后控制自己的发送速率来降低拥塞。ABR业务对信元的时延和时延变化没有限制,也就是说ABR不支持实时应用。所以,通过上面可以看出,配置ABR的一端按照设定的参数,向网络尽可能的发送报文占用带宽,直到达到设定的参数的上限或者直到网络通知自己网络已经拥塞了,才降低自己的发送速率。

l              UBR

未定义比特率的业务。这种业务不对服务质量作任何的承诺,信元丢失率与信元时延没有任何保证,所以UBR很适合传输IP报文。传输过程中,UBR业务只是“尽量”传输,如果发生拥塞,那么UBR业务的优先级最低,UBR信元将首先被丢弃。UBR在建立的时候不用分配带宽。

3.3  ATM的多协议封装

ATM多协议封装由RFC 2684来定义,指的是上层数据报文交给ATM的适配层发送之前,需要进行封装,目的是为了区分上层协议类型,对端收到报文后,可以根据封装判定是IP报文还是其他什么报文,便于上送上层不同的软件进行处理。

ATM上面的多协议封装有下面两种方式:

l              LLC封装(LLC Encapsulation

这种封装是在同一条PVC上面传送多种协议报文时采用的封装格式。其中,又分成“ISO NLPIDrouted PDU”的封装方式,以及“非ISO NLPIDrouted PDU”封装方式。它们的区别在于前一种方式使用NLPID表示多协议,LLC的头是0xFE 0xFE 0x03,后面跟的是NLPID头;后一种使用SNAP头来表示多协议,LLC头是0xAA 0xAA 0x03,后面跟的是SNAP头;SNAP头的格式如下:

图15 SNAP头格式

 

OUI表示指定编号的组织,例如:

l              OUI00 00 00表示PIDEtherType

l              OUT00 80 C2802.1组织,表示PID为协议ID

l              MUX封装(VC Multiplexing)。

使用不同的pvc来承载不同协议的报文,每条PVC上面只能承载一种协议的报文。这种封装方式下,对于routed PDU,报文前面什么都不用加,对于bridged PDU,增加PAD字段,例如:对于802.3PAD00 00

H3C SR6600产品实现的ATM特性

4.1  H3C Comware V5实现的ATM特性

ATM芯片实现了AAL层以下的功能,比如:SAR、信元发送等。而H3C公司的统一软件平台ComwareV5全面地实现了ATM多协议封装,在此基础上实现了丰富的应用,包括PPPoA Client/ServerPPPoEoA Client/ServerIPoEoAIPoA

由于目前ATMPVC应用较多,SVC应用较少,H3CATM特性暂不支持ATM SVC、以及与ATM SVC有关的应用。

4.2  H3C SR6600产品实现的ATM特性

SR6600H3C推出的高端业务汇聚路由器,SR6600路由器采用业界领先的多核多线程处理器技术,并且在SR6608上实现了分布式架构,可以作为中小型企业用户的核心层设备或大型企业网的汇聚/核心层设备,也可以作为运营商或者大型企业网的接入路由器。

目前客户实际网络中仍存在相当数量的ATM链路,为了满足相关的应用,SR6600采用兼容性设计,在其先进的硬件平台上,沿用H3C公司的MIM ATM-OC3板卡提供丰富的ATM特性和强大的ATM转发性能。

由于H3C SR6600采用了Comware V5软件平台很好地继承了该平台丰富的ATM特性并且针对SR6600路由器涉及的多核多线程处理器以及分布式架构进行增强开发,有效提升了ATM性能和ATM应用的可靠性。

H3C SR6600一期支持的ATM特性有

l              PPPoAPPP over ATM,主要用于ATM承载PPP接入

l              IPoAATM上面直接承载IP协议

l              PPPoEoA ServerPPPoE承载在ATM上面,主要用于接入ADSL PPPoE拨号用户

l              IPoEoA:普通的以太网承载到ATM上面,可用于ATM2层桥接两个以太网

l              ATM OAMOAM主要包括OAM loopbackOAM F4/F5OAM AIS/RDI功能,主要功能是检测、管理PVC,包括监测PVC的状态,故障通告等功能

l              ATM MIB:符合RFC 2515

l              ATM 报文传输优先级

l              ATMVP监管:在VP一级上进行流量监管

l              ATM PVC QoS:支持以下四种PVC速率限制,cbrubrvbr-nrtvbr-rt

l              ATM可靠性:板卡支持热插拔,主备倒换时ATM业务不中断

H3C SR6600 ATM典型组网案例

5.1  典型组网案例

H3C SR6608作为汇聚层路由器,应用较多的ATM特性为IPoA

图16 SR6608 ATM典型应用组网图

17SR6608ATM的典型应用组网。该组网反映的是某银行的各个分支节点,通过H3C MSR50路由器的ATM模块,运行IPoA协议,经由总行的H3C SR6608路由器汇聚接入到核心网络中。SR6608配置了多块MIM ATM-OC3板卡,在多条PVC上配置了IPoA应用,PVC上针对关键业务如视频、语音配置相应的QoS策略,保证其应用带宽,同时充分发挥其分布式ATM特性处理性能强、可靠性高的优势,保证整个网络高效稳健地运行。

 

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