atm的業務與特性指導
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1 atm 業務及性能
1.1 atm 提供的業務種類
寬帶業務的形式是多種多樣的itu和atm論壇從不同的角度對業務進行了分類以下我們介紹
三種分類方法
1.1.1 從網絡的角度進行分類
網絡並不關心業務的具體形式而只需知道它對各種業務要提供怎樣的承載能力從這個意義上
說這是網絡承載業務分類的依據
itu從網絡的角度根據恒定速率/可變速率要求/不要求端到端定時面向連接/無連接這三個方面
進行分類的這種承載業務模型為aal分類以及最初的服務質量定義了壹種基本結構
atm論壇從流量控制的角度出發保留了itu的前兩項區分標準區分了恒定比特率業務cbr
和可變比特率業務vbr 並根據實時/非實時性把vbr業務進壹步分為實時vbr-rt 和非實時
vbr-nrt 兩類另外考慮了日益增長的數據業務的要求網絡以盡力而為best effort 的方式提
供數據業務進壹步劃分了可利用比特率業務abr 和未指定比特率業務ubr 前者保證壹定
的丟失率要求後者不提供任何形式的保證並根據這五類業務的服務質量要求網絡提供不同的流
量控制機制
這五類業務可以從兩個方面來區分
從業務特性上區分如峰值信元速率pcr 可維持信元速率scr 最小信元速率mcr
最大突發長度mbs 它們描述業務本身的流量特性又稱為源流量參數另壹些業務特性參數並
不表示業務本身的流量而是體現業務對時間特性的要求如業務所能允許的信元抖動容限cdvt
等
從業務的atm層服務質量qos 上區分包括峰峰信元時延抖動peak-to-peakcdv 最大
信元傳送時延maxctd 信元丟失率clr 信元錯誤率cer 嚴重出錯的信元塊比例secbr
信元誤插入率cmr
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1.1.2 從媒體角度進行分類
不同業務由不同的媒體構成壹種業務也可能由視頻video 圖像image 音頻audio
數據data/text 多種媒體組成不同媒體有不同的統計特性對網絡的要求也相差很大研究網絡中
不同媒體的業務特性對提高網絡利用率提高業務質量都是很有利的了解不同媒體的統計特性和
qos要求可以在保證業務服務質量的情況下通過合理分配資源實現較高的統計復用增益
1.1.3 從具體的業務形式和應用上進行分類
itu i.211將寬帶業務分為兩大類分配型業務和交互型業務交互型業務又可分為會話型業務
消息型業務檢索型業務分配型業務又可分為不由用戶控制的分配型業務和可由用戶控制的分配型
業務每種業務又有視頻圖像音頻數據各種媒體形式
1 交互型業務
會話型業務是壹種實時雙向通信業務通信雙方的地位是相等的都以主動的方式加入會話典
型業務有會議電視電話業務多媒體會議中的圖像交互計算機網絡的互聯等
消息型業務是壹種不要求實時性的業務往往經過存儲轉發或消息處理消息型業務可以是單向
的也可以是雙向的典型業務有高速傳真email以及各種文件傳送業務
檢索型業務是壹種雙向通信業務通信的壹方是主動的而另壹方只是根據檢索命令將對方需要
的信息傳送過去這種業務對實時性的要求介於會話型和消息型之間不要求有嚴格的定時關系但
也不允許過長的響應時間典型的業務包括高清晰度的醫療圖像檢索寬帶可視圖文視頻點播
vod 文件檢索及各種查詢業務
2 分配型業務
分配型業務是壹種點到多點的廣播業務其基本特征是接收方只能被動地接收對於用戶不能控
制的分配型業務信息總是連續地傳送著不同用戶在不同的時間接入就會接收到不同的內容信息
的開始和結束都不受用戶的控制典型的業務有高清晰度電視等可由用戶控制的分配型業務中信
息是循環地播放的所以用戶總能看到完整的壹段信息典型的業務有電視圖文廣播遠程教學等
應當說明從具體業務形式和應用上對業務進行分類時各種業務之間的區分並不象前兩種分類
那樣分明有的業務並沒有充足的理由說它屬於某壹類而不屬於另壹類所以前面的敘述只是從總體
上介紹壹下寬帶網絡可能提供的業務並未深究業務的具體類型
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1.2 atm 的業務性能
1.2.1 寬帶業務特性
atm網絡期望支持廣泛的具有不同特征的應用這些業務的特性相差很大主要表現在三個方
面即比特率突發度和質量要求
突發度定義為峰值信元到達率與平均信元到達率之比顯然這是壹個大於1的正數突發度越大
表明業務峰值比特率與均值比特率相關越大即業務的速率變化越大當突發度為1時業務為恒定比
特率業務圖1給出了幾種業務的突發度和它們的峰值速率
在bisdn中各種業務對業務質量有多樣化的要求因此itu和atm論壇均定義了壹些服務質量
qos 參數這些qos參數已在上壹節表4-1給出它們用於重要的網絡功能控制業務服務質量
提高網絡性能如呼叫接納控制cac 用法參數控制upc 和資源分配ra 等
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圖1 壹些atm業務的突發度
1.2.2 atm 網中的多種媒體
1 atm網中的數據通信
atm是從快速分組交換發展而來的所以應該說與圖像和語音相比在寬帶atm網中實現數據
通信是最容易的數據通信的特點是對時延特性要求不高對於最大時延和時間抖動都有很大的容限
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信元丟失或錯誤對數據通信的影響也不大信元丟失壹般由高層的重發機制來解決但需要有合適的
算法以避免網絡擁塞時大量重發引起網絡性能進壹步下降因為對於高層來說丟失壹個信元就必
須重發長度達幾千字節的壹整幀這立刻會給本已很擁擠的網絡增加很大的負擔從而使網絡性能進
壹步下降造成惡性循環根據所要求的服務質量數據業務可以利用vbr-nrt abr ubr實現
但是局域網仿真ip over atm等各種利用atm實現局域網互聯的方案在性能和實現上也還有
許多難點特別是大範圍網絡內的路由選擇以及如何實現不同qos等級等問題還有待解決
2 atm網中的話音通信
雖然利用aal1的恒定速率話音通信可能是寬帶網中最容易定義的壹種業務也是人們最為熟悉
的業務但它卻可能是atm網上難以很好地實現的業務
話音業務的特點是速率比較低壹般為64kbit/s 若采用語音壓縮技術可能達16kbit/s以下另
壹方面話音業務對時延和時延抖動的要求還很高由於速率低組裝壹個atm信元所需的時間就長
也就是說對於64kbit/s速率的話音組裝壹個53字節的信元要5.875ms 當回音與自已發出的聲音間
的時延超過25ms時人耳就能區分出來而根據日本nec的試驗當時延大於18ms時就應加回波抑制
也就是說對於64kbit/s的話音無回波抵消器時最大傳輸距離允許2425km 更長距離的通話就不得不
加回波抑制了對更低速率的話音問題就更為嚴重為不加回波抑制器解決的唯壹方法就是設法
減小組裝信元的時延方法主要有兩種壹是將多路話音復用在壹個aal1之上這樣對於單路話音來
說組裝信元的時延就小了代價是控制復雜因為必須有額外的信息用於收端重新從信元中恢復各路
話音二是話音數據未裝滿壹個信元就發送這時減小時延的代價是浪費了帶寬
目前還在研究的另壹個問題是利用語音的靜音消除技術提高網絡效率這和以往的話音插空技術
的出發點是壹樣的在話音通信時只有40 的時間真正是有話音的其余60 的時間是語默期如
果合理利用靜音消除技術同樣帶寬的通路上就可以接入2.5倍的用戶
恒定速率話音業務的另壹個問題是采用流量控制的有效性例如考慮壹個跨越多個區域經過
多個交換機的cbr業務在每個交換機中都要對業務進行壹次漏桶操作顯然每經過壹次交換
由於排隊機制cdv就會增加進入下壹級交換的信息流就會有更大的抖動但是在信令建立連接時
路徑上的各個交換機所確認的流量描述都是壹樣的各交換機中漏桶的參數也是壹樣的這樣路徑上
離信源越遠的交換機中漏桶的有效性就越值得懷疑當然最保險的作法是按照路徑cdv累加可能達
到的最大值建立連接和設置漏桶的參數但是建立連接的實體可能並不知道這個連接可能經過的整
個路徑所以在大範圍的atm網中cdv積累還是壹個有待解決的問題
話音業務是恒定速率電路交換業務的壹個典型代表這是目前通信的主要業務形式因此atm
網必須很好地支持電路交換業務atm論壇專門為此制定了電路仿真建議目前已有設備實現了電路
仿真
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3 atm網中的視頻業務
在寬帶網中視頻圖像用戶和業務量將占統治地位由於壓縮編碼技術的引入視頻傳輸速
率大大下降同時因每幀圖像的信息冗余不同恒定圖像質量的視頻業務具有很高的突發度如果以
峰值恒定速率傳送vbr視頻將造成網絡資源的極大浪費同時用戶會承受較高的費用atm網絡能
夠很經濟地支持具有突發性的可變比特率業務然而人們對於vbr視頻的特性的了解遠遠不如對話
音和數據通信特性的熟悉
atm在給圖像通信帶來機會的同時也帶來了新的問題這主要是信元丟失時延和時延抖動對圖
像質量的影響
在以往的圖像通信中信道的影響主要是誤碼率而這種錯誤是比較分散的atm網中由於排
列溢出等原因會引起整個信元的丟失采用aal1適配時對於2m 每秒25幀cif格式的信源丟
失壹個信元相當於丟失了近兩行的數據更重要的是在丟失的信元中極有可能包含了量化表運
動矢量等信息這樣就會影響多達幾幀的圖像質量所以必須對信元丟失進行處理方法之壹是利用
分層編碼對於重要信息保證低的信元丟失率方法之二是利用交織的方法將信元丟失的影響分散到
各個圖像編碼幀中
時延由以下各因素引起發送和接收器的圖像編解碼處理分段重組傳輸時延排隊時延交
換時延等前三項的值對於所有信元是壹樣的可稱為絕對時延後兩項的值則和網絡當時的狀態有
關對於各信元是不同的可稱為相對時延所以時延的影響也是兩方面的壹是絕對時延對於交
互式業務對時延是有規定的過大的時延反映出來的是對方太慢的反應速度實驗表明400ms的單
程時延已是不可忍受了對於電視這樣的廣播業務則對絕對時延沒有要求另壹個是信元之間的相對
時延這種相對時延超過壹定的值時它的影響和信元丟失是壹樣的比如對於分層編碼的圖像
當高質量連接上的信元已經到達圖像的輪廓已經出現時如果低質量連接上的信元還沒到解碼器
就得認為這個信元是丟了當這個信元再到達接收器時它攜帶的信息已沒有意義了
atm網對圖像通信的另壹個重要影響是時延抖動這也就是同壹連接上不同信元間的相對時延
均衡時延抖動的基本方法是在接收端采用緩存當時延抖動超過壹定的值時緩沖器可能溢出到達
的信元就會丟失大容量的緩存可以均衡更大時延抖動減少由於時延抖動引起信元的丟失代價是
時延的絕對值加大了實際應用中應根據具體應用研究時延和信元丟失哪個影響更大些並在
它們之間作壹折衷
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1.3 atm 在計算機網上的應用
1.3.1 atm 局域網
atm局域網是指以atm結構為基本框架的在壹定範圍內的專用網絡它以atm交換機作為網絡中
的交換節點通過atm接入設備把各種業務接入到atm網絡實現相互間的通信atm網絡具有帶寬
大速度高並且能提供業務質量qos服務等多種優點使得atm局域網在性能上大大優於傳統***享
媒介的局域網發展atm局域網面臨以下幾個問題
與現有局域網的綜合
擴展性
網絡管理
1.3.2 atm 局域網仿真
傳統局域網提供各種數據通信業務現有大部分局域網以ieee802標準為基礎ieee802標準定義
了壹種***享媒體模式的結構通過***享媒體將各個節點連接起來形成壹個網絡網絡中的節點也稱
為客戶每個客戶按照壹定的帶寬占用***享媒體***享媒體是網絡節點間傳遞信息的通道ieee802
標準定義了三種網絡提供10mbit/s帶寬的以太網提供4mbit/s帶寬的令牌環網和提供16mbit/s帶寬的
令牌總線網
為實現向atm的平滑過渡atm論壇定義了壹種atm業務稱為局域網仿真lane 簡單地
說局域網仿真是在atm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節點間的通信行為與傳統的局域網完全相同atm論壇制定了局域
網仿真的標準1995年公布了1.0版標準1996年推出2.0版協議主要規定了luni 局域網仿真用戶
網絡接口的標準luni定義了以太網和令牌環網上的pc及工作站在atm網絡中的通信方式以及
atm服務器與傳統局域網設備通信的方法luni還可以在全atm網絡中支持傳統局域網這樣即使
將來atm適配卡取代了局域網適配卡傳統的協議和應用也能繼續使用
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網絡的各種優點更重要的是它使得傳統的局域網適配器ndis 網
絡設備接口規範和odi 開放數據鏈路接口驅動設備以及所有第2層和第2層以上的協議可以繼續使
用
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1.3.3 ip over atm
ip over atm是ietf為實現ip在atm中的傳輸而制定的協議它將傳統的ip網絡連接到atm 支持
ip終端間的數據通信
ip協議是internet protocol的英文縮寫可譯為互聯網協議ip協議是目前世界範圍通信網所廣泛采
用的標準它提供兩個實體間無連接傳送數據的網絡層協議
上面提到局域網仿真對業務隱藏了低層作為網絡支撐的atm 這既是局域網仿真的優點又是它
的缺點它使得運行在atm之上的網絡層協議無法利用atm的業務質量qos 因此業務只能使用atm
的abr或ubr連接來傳送數據在目前這個缺陷的影響似乎並不嚴重因為幾乎所有網絡層協議都
是為現存的lan或wan設計的而lan或wan本身對qos沒有嚴格的要求它們都不保證按照某種
qos在網絡中傳送數據因此現有的網絡層協議既不對atm提出特定的qos要求也不對高層提供
qos服務
但是隨著技術的發展這種情況將無法適應新的要求首先atm越來越普及隨之出現的許多
新的業務要求利用atm的qos服務因為qos是atm最吸引人的優點之壹新的多媒體業務要求話音
圖像和數據等各種業務的綜合傳輸這需要建立能夠支持多種綜合業務的全新的網絡結構以支持多
種網絡協議和業務每種業務對網絡提出不同的qos要求如交互式話音業務要盡量減少延時和抖動
網絡都必須滿足
ip over atm解決了qos問題它在結構上與局域網仿真有許多相似之處它們的主要區別是局
域網仿真從mac層接入atm 而ip over atm從ip層直接映射到atm上接入層的不同使ip over atm
克服了局域網仿真的某些缺陷但同時也帶來了新的問題
與局域網仿真相比ip over atm有許多優點前面已經提到過ip over atm可以利用atm網絡
的業務質量qos 因此能夠支持多媒體業務ip over atm在ip層將傳統局域網接入atm網地址解析
實現了ip地址和atm地址的直接映射比局域網仿真地址解析的兩重地址映射簡單而且地址解析的
時延小
但ip over atm也有自身的缺點首先它只支持ip網絡其他的網絡層協議如ipx decnet等得不
到支持因此它的使用受到了限制其次ip廣播地址和點對多點的組播地址無法映射到atm地址上
因此ip over atm不支持局域網的廣播和組播業務而局域網仿真用廣播服務器bus實現了廣播功能
另外ip over atm沒有解決連接建立的延時問題因為它與lane不同它在地址解析路由選擇和
連接建立未完成時不存在默認的數據路由在lane中源節點可以把數據先發送到bus
ip over atm和局域網仿真都沒有解決仿真局域網elan 或邏輯ip子網lis 網間通信的問題
不同elan或lis的主機通信必須采用外部路由器轉接atm路由器成為通信的瓶頸從而也無法在兩
個節點間建立滿足qos要求的連接為解決這個問題atm支持多協議mpoa應運而生
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1.3.4 atm 支持多協議mpoa
mpoa multiprotocol over atm 是lane和ip over atm之後的又壹種用atm網絡支持傳統局域
網的方案
mpoa業務的基本功能是在atm網絡框架上實現點到點的網絡層連接這種連接可 以是atm主
機間或atm主機與傳統子網間的連接mpoa提供壹種網絡結構有效地將網橋和路由器與atm網絡
綜合支持多種協議多種網絡技術和iee802.1虛擬局域網它在atm上支持第層以上的協議在
atm設備間提供直接的atm連接以減少時延和三層處理開銷mpoa吸收了atm論壇和ietf的許多
協議采用了ietf的nhrp協議和atm論壇的局域網仿真協議將其修改成更適合mpoa的格式除
此以外mpoa還致力於解決其他協議未解決的問題其中有名的是將路由選擇功能與三層轉發功能
分離出來這就是所謂的虛擬路由器
mpoa將路由器功能分散用交換網絡完成數據轉發路由服務器完成路由選擇功能這樣可提
高擴展性降低成本易於增加容量實現冗余虛擬路由器簡化了企業範圍對網絡的管理實現獨
立於地理位置的標準虛擬子網網絡層接入可利用qos 減少多余的協議開銷與現有的網絡實現互通
mpoa還有待於深入研究和發展制定統壹的標準為atm和lan互聯提供基礎
1.3.5 虛擬局域網技術
交換型局域網的發展是虛擬局域網vlan 的基礎vlan從傳統lan的概念引申出來在功能
和操作上與傳統lan基本相同提供壹定範圍內終端系統的互聯和數據傳輸它與傳統lan的主要區
別在於“虛擬”二字即網絡的構成與傳統lan不同由此也導致了性能上的差異
vlan大致等效於壹個廣播域即vlan模擬了壹組終端設備雖然它們位於不同的物理網段上
但是並不受物理位置的束縛相互間通信就好象它們在同壹個局域網中壹樣
vlan有兩個主要優點
減少工作站移動和變化所需的費用
建立虛擬工作組