atm的业务与特性指导
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1 atm 业务及性能
1.1 atm 提供的业务种类
宽带业务的形式是多种多样的itu和atm论坛从不同的角度对业务进行了分类以下我们介绍
三种分类方法
1.1.1 从网络的角度进行分类
网络并不关心业务的具体形式而只需知道它对各种业务要提供怎样的承载能力从这个意义上
说这是网络承载业务分类的依据
itu从网络的角度根据恒定速率/可变速率要求/不要求端到端定时面向连接/无连接这三个方面
进行分类的这种承载业务模型为aal分类以及最初的服务质量定义了一种基本结构
atm论坛从流量控制的角度出发保留了itu的前两项区分标准区分了恒定比特率业务cbr
和可变比特率业务vbr 并根据实时/非实时性把vbr业务进一步分为实时vbr-rt 和非实时
vbr-nrt 两类另外考虑了日益增长的数据业务的要求网络以尽力而为best effort 的方式提
供数据业务进一步划分了可利用比特率业务abr 和未指定比特率业务ubr 前者保证一定
的丢失率要求后者不提供任何形式的保证并根据这五类业务的服务质量要求网络提供不同的流
量控制机制
这五类业务可以从两个方面来区分
从业务特性上区分如峰值信元速率pcr 可维持信元速率scr 最小信元速率mcr
最大突发长度mbs 它们描述业务本身的流量特性又称为源流量参数另一些业务特性参数并
不表示业务本身的流量而是体现业务对时间特性的要求如业务所能允许的信元抖动容限cdvt
等
从业务的atm层服务质量qos 上区分包括峰峰信元时延抖动peak-to-peakcdv 最大
信元传送时延maxctd 信元丢失率clr 信元错误率cer 严重出错的信元块比例secbr
信元误插入率cmr
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1.1.2 从媒体角度进行分类
不同业务由不同的媒体构成一种业务也可能由视频video 图像image 音频audio
数据data/text 多种媒体组成不同媒体有不同的统计特性对网络的要求也相差很大研究网络中
不同媒体的业务特性对提高网络利用率提高业务质量都是很有利的了解不同媒体的统计特性和
qos要求可以在保证业务服务质量的情况下通过合理分配资源实现较高的统计复用增益
1.1.3 从具体的业务形式和应用上进行分类
itu i.211将宽带业务分为两大类分配型业务和交互型业务交互型业务又可分为会话型业务
消息型业务检索型业务分配型业务又可分为不由用户控制的分配型业务和可由用户控制的分配型
业务每种业务又有视频图像音频数据各种媒体形式
1 交互型业务
会话型业务是一种实时双向通信业务通信双方的地位是相等的都以主动的方式加入会话典
型业务有会议电视电话业务多媒体会议中的图像交互计算机网络的互联等
消息型业务是一种不要求实时性的业务往往经过存储转发或消息处理消息型业务可以是单向
的也可以是双向的典型业务有高速传真email以及各种文件传送业务
检索型业务是一种双向通信业务通信的一方是主动的而另一方只是根据检索命令将对方需要
的信息传送过去这种业务对实时性的要求介于会话型和消息型之间不要求有严格的定时关系但
也不允许过长的响应时间典型的业务包括高清晰度的医疗图像检索宽带可视图文视频点播
vod 文件检索及各种查询业务
2 分配型业务
分配型业务是一种点到多点的广播业务其基本特征是接收方只能被动地接收对于用户不能控
制的分配型业务信息总是连续地传送着不同用户在不同的时间接入就会接收到不同的内容信息
的开始和结束都不受用户的控制典型的业务有高清晰度电视等可由用户控制的分配型业务中信
息是循环地播放的所以用户总能看到完整的一段信息典型的业务有电视图文广播远程教学等
应当说明从具体业务形式和应用上对业务进行分类时各种业务之间的区分并不象前两种分类
那样分明有的业务并没有充足的理由说它属于某一类而不属于另一类所以前面的叙述只是从总体
上介绍一下宽带网络可能提供的业务并未深究业务的具体类型
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1.2 atm 的业务性能
1.2.1 宽带业务特性
atm网络期望支持广泛的具有不同特征的应用这些业务的特性相差很大主要表现在三个方
面即比特率突发度和质量要求
突发度定义为峰值信元到达率与平均信元到达率之比显然这是一个大于1的正数突发度越大
表明业务峰值比特率与均值比特率相关越大即业务的速率变化越大当突发度为1时业务为恒定比
特率业务图1给出了几种业务的突发度和它们的峰值速率
在bisdn中各种业务对业务质量有多样化的要求因此itu和atm论坛均定义了一些服务质量
qos 参数这些qos参数已在上一节表4-1给出它们用于重要的网络功能控制业务服务质量
提高网络性能如呼叫接纳控制cac 用法参数控制upc 和资源分配ra 等
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图1 一些atm业务的突发度
1.2.2 atm 网中的多种媒体
1 atm网中的数据通信
atm是从快速分组交换发展而来的所以应该说与图像和语音相比在宽带atm网中实现数据
通信是最容易的数据通信的特点是对时延特性要求不高对于最大时延和时间抖动都有很大的容限
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信元丢失或错误对数据通信的影响也不大信元丢失一般由高层的重发机制来解决但需要有合适的
算法以避免网络拥塞时大量重发引起网络性能进一步下降因为对于高层来说丢失一个信元就必
须重发长度达几千字节的一整帧这立刻会给本已很拥挤的网络增加很大的负担从而使网络性能进
一步下降造成恶性循环根据所要求的服务质量数据业务可以利用vbr-nrt abr ubr实现
但是局域网仿真ip over atm等各种利用atm实现局域网互联的方案在性能和实现上也还有
许多难点特别是大范围网络内的路由选择以及如何实现不同qos等级等问题还有待解决
2 atm网中的话音通信
虽然利用aal1的恒定速率话音通信可能是宽带网中最容易定义的一种业务也是人们最为熟悉
的业务但它却可能是atm网上难以很好地实现的业务
话音业务的特点是速率比较低一般为64kbit/s 若采用语音压缩技术可能达16kbit/s以下另
一方面话音业务对时延和时延抖动的要求还很高由于速率低组装一个atm信元所需的时间就长
也就是说对于64kbit/s速率的话音组装一个53字节的信元要5.875ms 当回音与自已发出的声音间
的时延超过25ms时人耳就能区分出来而根据日本nec的试验当时延大于18ms时就应加回波抑制
也就是说对于64kbit/s的话音无回波抵消器时最大传输距离允许2425km 更长距离的通话就不得不
加回波抑制了对更低速率的话音问题就更为严重为不加回波抑制器解决的唯一方法就是设法
减小组装信元的时延方法主要有两种一是将多路话音复用在一个aal1之上这样对于单路话音来
说组装信元的时延就小了代价是控制复杂因为必须有额外的信息用于收端重新从信元中恢复各路
话音二是话音数据未装满一个信元就发送这时减小时延的代价是浪费了带宽
目前还在研究的另一个问题是利用语音的静音消除技术提高网络效率这和以往的话音插空技术
的出发点是一样的在话音通信时只有40 的时间真正是有话音的其余60 的时间是语默期如
果合理利用静音消除技术同样带宽的通路上就可以接入2.5倍的用户
恒定速率话音业务的另一个问题是采用流量控制的有效性例如考虑一个跨越多个区域经过
多个交换机的cbr业务在每个交换机中都要对业务进行一次漏桶 *** 作显然每经过一次交换
由于排队机制cdv就会增加进入下一级交换的信息流就会有更大的抖动但是在信令建立连接时
路径上的各个交换机所确认的流量描述都是一样的各交换机中漏桶的参数也是一样的这样路径上
离信源越远的交换机中漏桶的有效性就越值得怀疑当然最保险的作法是按照路径cdv累加可能达
到的最大值建立连接和设置漏桶的参数但是建立连接的实体可能并不知道这个连接可能经过的整
个路径所以在大范围的atm网中cdv积累还是一个有待解决的问题
话音业务是恒定速率电路交换业务的一个典型代表这是目前通信的主要业务形式因此atm
网必须很好地支持电路交换业务atm论坛专门为此制定了电路仿真建议目前已有设备实现了电路
仿真
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3 atm网中的视频业务
在宽带网中视频图像用户和业务量将占统治地位由于压缩编码技术的引入视频传输速
率大大下降同时因每帧图像的信息冗余不同恒定图像质量的视频业务具有很高的突发度如果以
峰值恒定速率传送vbr视频将造成网络资源的极大浪费同时用户会承受较高的费用atm网络能
够很经济地支持具有突发性的可变比特率业务然而人们对于vbr视频的特性的了解远远不如对话
音和数据通信特性的熟悉
atm在给图像通信带来机会的同时也带来了新的问题这主要是信元丢失时延和时延抖动对图
像质量的影响
在以往的图像通信中信道的影响主要是误码率而这种错误是比较分散的atm网中由于排
列溢出等原因会引起整个信元的丢失采用aal1适配时对于2m 每秒25帧cif格式的信源丢
失一个信元相当于丢失了近两行的数据更重要的是在丢失的信元中极有可能包含了量化表运
动矢量等信息这样就会影响多达几帧的图像质量所以必须对信元丢失进行处理方法之一是利用
分层编码对于重要信息保证低的信元丢失率方法之二是利用交织的方法将信元丢失的影响分散到
各个图像编码帧中
时延由以下各因素引起发送和接收器的图像编解码处理分段重组传输时延排队时延交
换时延等前三项的值对于所有信元是一样的可称为绝对时延后两项的值则和网络当时的状态有
关对于各信元是不同的可称为相对时延所以时延的影响也是两方面的一是绝对时延对于交
互式业务对时延是有规定的过大的时延反映出来的是对方太慢的反应速度实验表明400ms的单
程时延已是不可忍受了对于电视这样的广播业务则对绝对时延没有要求另一个是信元之间的相对
时延这种相对时延超过一定的值时它的影响和信元丢失是一样的比如对于分层编码的图像
当高质量连接上的信元已经到达图像的轮廓已经出现时如果低质量连接上的信元还没到解码器
就得认为这个信元是丢了当这个信元再到达接收器时它携带的信息已没有意义了
atm网对图像通信的另一个重要影响是时延抖动这也就是同一连接上不同信元间的相对时延
均衡时延抖动的基本方法是在接收端采用缓存当时延抖动超过一定的值时缓冲器可能溢出到达
的信元就会丢失大容量的缓存可以均衡更大时延抖动减少由于时延抖动引起信元的丢失代价是
时延的绝对值加大了实际应用中应根据具体应用研究时延和信元丢失哪个影响更大些并在
它们之间作一折衷
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1.3 atm 在计算机网上的应用
1.3.1 atm 局域网
atm局域网是指以atm结构为基本框架的在一定范围内的专用网络它以atm交换机作为网络中
的交换节点通过atm接入设备把各种业务接入到atm网络实现相互间的通信atm网络具有带宽
大速度高并且能提供业务质量qos服务等多种优点使得atm局域网在性能上大大优于传统共享
媒介的局域网发展atm局域网面临以下几个问题
与现有局域网的综合
扩展性
网络管理
1.3.2 atm 局域网仿真
传统局域网提供各种数据通信业务现有大部分局域网以ieee802标准为基础ieee802标准定义
了一种共享媒体模式的结构通过共享媒体将各个节点连接起来形成一个网络网络中的节点也称
为客户每个客户按照一定的带宽占用共享媒体共享媒体是网络节点间传递信息的通道ieee802
标准定义了三种网络提供10mbit/s带宽的以太网提供4mbit/s带宽的令牌环网和提供16mbit/s带宽的
令牌总线网
为实现向atm的平滑过渡atm论坛定义了一种atm业务称为局域网仿真lane 简单地
说局域网仿真是在atm上模拟传统局域网通过atm网将多个传统局域网和终端设备互联在atm
网上构造新的局域网这些局域网节点间的通信行为与传统的局域网完全相同atm论坛制定了局域
网仿真的标准1995年公布了1.0版标准1996年推出2.0版协议主要规定了luni 局域网仿真用户
网络接口的标准luni定义了以太网和令牌环网上的pc及工作站在atm网络中的通信方式以及
atm服务器与传统局域网设备通信的方法luni还可以在全atm网络中支持传统局域网这样即使
将来atm适配卡取代了局域网适配卡传统的协议和应用也能继续使用
局域网仿真对局域网隐藏了atm交换结构局域网终端感觉不到atm的存在因此无需修改终端
设备的软硬件就可以利用atm网络的各种优点更重要的是它使得传统的局域网适配器ndis 网
络设备接口规范和odi 开放数据链路接口驱动设备以及所有第2层和第2层以上的协议可以继续使
用
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1.3.3 ip over atm
ip over atm是ietf为实现ip在atm中的传输而制定的协议它将传统的ip网络连接到atm 支持
ip终端间的数据通信
ip协议是internet protocol的英文缩写可译为互联网协议ip协议是目前世界范围通信网所广泛采
用的标准它提供两个实体间无连接传送数据的网络层协议
上面提到局域网仿真对业务隐藏了低层作为网络支撑的atm 这既是局域网仿真的优点又是它
的缺点它使得运行在atm之上的网络层协议无法利用atm的业务质量qos 因此业务只能使用atm
的abr或ubr连接来传送数据在目前这个缺陷的影响似乎并不严重因为几乎所有网络层协议都
是为现存的lan或wan设计的而lan或wan本身对qos没有严格的要求它们都不保证按照某种
qos在网络中传送数据因此现有的网络层协议既不对atm提出特定的qos要求也不对高层提供
qos服务
但是随着技术的发展这种情况将无法适应新的要求首先atm越来越普及随之出现的许多
新的业务要求利用atm的qos服务因为qos是atm最吸引人的优点之一新的多媒体业务要求话音
图像和数据等各种业务的综合传输这需要建立能够支持多种综合业务的全新的网络结构以支持多
种网络协议和业务每种业务对网络提出不同的qos要求如交互式话音业务要尽量减少延时和抖动
网络都必须满足
ip over atm解决了qos问题它在结构上与局域网仿真有许多相似之处它们的主要区别是局
域网仿真从mac层接入atm 而ip over atm从ip层直接映射到atm上接入层的不同使ip over atm
克服了局域网仿真的某些缺陷但同时也带来了新的问题
与局域网仿真相比ip over atm有许多优点前面已经提到过ip over atm可以利用atm网络
的业务质量qos 因此能够支持多媒体业务ip over atm在ip层将传统局域网接入atm网地址解析
实现了ip地址和atm地址的直接映射比局域网仿真地址解析的两重地址映射简单而且地址解析的
时延小
但ip over atm也有自身的缺点首先它只支持ip网络其他的网络层协议如ipx decnet等得不
到支持因此它的使用受到了限制其次ip广播地址和点对多点的组播地址无法映射到atm地址上
因此ip over atm不支持局域网的广播和组播业务而局域网仿真用广播服务器bus实现了广播功能
另外ip over atm没有解决连接建立的延时问题因为它与lane不同它在地址解析路由选择和
连接建立未完成时不存在默认的数据路由在lane中源节点可以把数据先发送到bus
ip over atm和局域网仿真都没有解决仿真局域网elan 或逻辑ip子网lis 网间通信的问题
不同elan或lis的主机通信必须采用外部路由器转接atm路由器成为通信的瓶颈从而也无法在两
个节点间建立满足qos要求的连接为解决这个问题atm支持多协议mpoa应运而生
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1.3.4 atm 支持多协议mpoa
mpoa multiprotocol over atm 是lane和ip over atm之后的又一种用atm网络支持传统局域
网的方案
mpoa业务的基本功能是在atm网络框架上实现点到点的网络层连接这种连接可 以是atm主
机间或atm主机与传统子网间的连接mpoa提供一种网络结构有效地将网桥和路由器与atm网络
综合支持多种协议多种网络技术和iee802.1虚拟局域网它在atm上支持第层以上的协议在
atm设备间提供直接的atm连接以减少时延和三层处理开销mpoa吸收了atm论坛和ietf的许多
协议采用了ietf的nhrp协议和atm论坛的局域网仿真协议将其修改成更适合mpoa的格式除
此以外mpoa还致力于解决其他协议未解决的问题其中有名的是将路由选择功能与三层转发功能
分离出来这就是所谓的虚拟路由器
mpoa将路由器功能分散用交换网络完成数据转发路由服务器完成路由选择功能这样可提
高扩展性降低成本易于增加容量实现冗余虚拟路由器简化了企业范围对网络的管理实现独
立于地理位置的标准虚拟子网网络层接入可利用qos 减少多余的协议开销与现有的网络实现互通
mpoa还有待于深入研究和发展制定统一的标准为atm和lan互联提供基础
1.3.5 虚拟局域网技术
交换型局域网的发展是虚拟局域网vlan 的基础vlan从传统lan的概念引申出来在功能
和 *** 作上与传统lan基本相同提供一定范围内终端系统的互联和数据传输它与传统lan的主要区
别在于“虚拟”二字即网络的构成与传统lan不同由此也导致了性能上的差异
vlan大致等效于一个广播域即vlan模拟了一组终端设备虽然它们位于不同的物理网段上
但是并不受物理位置的束缚相互间通信就好象它们在同一个局域网中一样
vlan有两个主要优点
减少工作站移动和变化所需的费用
建立虚拟工作组
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