ATM协议技术与标准 C

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1 资料编码产品名称宽带产品 使用对象工程师 / 合作方工程师 / 用户产品版本所有版本 编写部门固网宽带技术支持部资料版本 V1.0 ATM 协议技术与标准 拟制 : 王震 日期 : 审核 : 陈锐 日期 : 审核 : 日期 : 批准 : 任远 日期 : 华为技术有限公司 版权所有侵权必究 华为机密, 未经许可不得扩散

2 修订记录 日期 修订版本 描述 作者 V1.0 完成初稿 王震 华为机密, 未经许可不得扩散

3 目录 第 1 章 ATM 概述 电路交换和分组交换的区别 ATM 交换... 1 第 2 章 ATM 技术基本概念 ATM 信元结构 虚连接 ATM 的交换过程 ATM 地址 ATM 的统计复用... 5 第 3 章 ATM 协议栈 ATM 的分层结构 物理层 ATM 层 ATM 适配层... 8 第 4 章 ATM 业务类型 CBR 业务 rt-vbr 业务 nrt-vbr 业务 UBR 业务 ABR 业务 第 5 章流量控制和拥塞控制与算法 ATM 网络的拥塞管理 ATM 网络拥塞管理的重要性 网络拥塞管理的基本思想 漏桶算法 信元的守约 容忍度 ( 缓冲深度 ) 结论 ATM 流控原理的实际应用 IP 业务在 ATM 中的表现形式 PING FTP 业务的信元跟踪 流控算法分析 GCRA 算法分析 第一级漏桶分析 第二级漏桶分析 CDVT 的估算 华为机密, 未经许可不得扩散

4 第 6 章 IPOA 协议和 RFC 概述 IPOA 基本工作原理 RFC1483 基本概念 RFC1483B 协议 第 7 章 ATM 信令 ILMI 的基本概念 UNI 信令简介 UNI Q.2931/ IISP UNI PNNI 第 8 章 IMA 协议 IMA 概述 初步实现方案 第 9 章 ATM 网络维护 ATM 网络运行维护管理 (OAM) OAM 的功能范围 OAM 等级 OAM 信息流的传送 第 10 章小结 第 11 章附录华为宽带产品的流控举例 Metro3000 流控参数对 IP 包最大帧长的影响 PCR 对最大帧长的影响 结论 : Metro3000 流控参数变化对文件传输速度的影响 PCR 与文件传输速度的关系 结论 : 流控参数配置原则 华为机密, 未经许可不得扩散

5 关键词 : ATM 信元虚连接 ATM 业务类型流量控制拥塞控制 ATM 信令 IPOA IMA OAM 摘要 : 本文主要介绍 ATM 协议原理和标准, 包括 VP VC 的概念, 信元的结构,ATM 交换的特点 ATM 协议栈结构以及 ATM 拥塞管理 流量控制与流控算法 另外还介绍了 ATM 的几种典型封装协议 最后通过华为 METRO3000 产品为例, 说明了 ATM 流控参数对上层数据传送的影响 缩略语清单 : 参考资料清单 : 华为机密, 未经许可不得扩散

6 第 1 章 ATM 概述 1.1 电路交换和分组交换的区别 最基本的两类交换模式是面向连接的电路交换和面向无连接的分组包交换, 他们的主要区别体现在以下几方面 : 在交换形式上, 电路交换采用固定时隙分配, 也就是说, 电路交换在根本上只能支持单一速率 ( 如 64kbit/s) 的交换, 这显然不能适应多种业务的要求 ; 无连接的分组交换则利用包交换的形式, 将用户信息封装在分组中进行交换, 每个分组有一个分组头, 分组头用于路由选择 差错控制和流量控制等功能, 各个分组的长度和间隔时间都可改变, 因此分组交换可以支持多种速率的交换 在路由选择上, 电路交换中各连接的路由是在连接建立时由复杂的选路算法在整个网络中选择的, 信令系统在路由经过的各个网络设备内填写路由表以标识交换信息, 一个连接的所有信息都经过相同的路由 ; 无连接的分组交换中, 路由信息由各个分组头携带, 交换设备查看到来的每个分组头中的地址信息, 并根据当时的网络状态选择一条路由, 将分组发到下一级网络设备中, 因此同一业务的不同分组在网络中经过的路径不同 在网络资源分配上, 电路交换中网络资源可由信令系统在连接建立时分配, 分配给一个连接的网络资源不能被别的连接占用, 只在连接拆除时才释放网络资源 ; 无连接的分组交换中, 分组只在发送时才占用网络资源, 网络资源可由各个业务共享 1.2 ATM 交换 ATM 即异步转移模式,ATM 是一种基于信元的交换和复用技术, 综合了电路交换和分组交换的特点 :ATM 是面向连接的, 即任何一个 ATM 终端用户在与另一用户通信时都需要建立连接 ; 另一方面 ATM 传输采用了固定长的信元, 因而其又具有分组交换的特点,ATM 又利用了统计复用的原理使各连接可以共享带宽资源 华为机密, 未经许可不得扩散第 1 页, 共 53 页

7 第 2 章 ATM 技术基本概念 2.1 ATM 信元结构 ATM 传送信息的基本载体是 ATM 信元, 信元长度为 53 字节, 分为信头和净荷两部分, 信头为 5 字节, 净荷为 48 字节 信信 (5 字字 ) GFC VPI VPI VCI VPI 5 VPI VCI 1 信信信信 (48 字字 ) VCI VCI PT CLP HEC VCI VCI PT CLP HEC ATM 信信 UNI 信信信信 NNI 信信信信 图 2-1 ATM 信元格式 信头内容在用户 - 网络接口 (UNI) 和网络节点接口 (NNI) 中略有差别 ( 图 2-1), 主要由以下几部分构成 VPI: 虚通路标识,NNI 中为 12 比特,UNI 中为 8 比特 VCI: 虚通道标识,16 比特, 标识虚通路中的虚通道,VPI/VCI 一起标识一个虚连接 HEC: 信头差错控制,8 比特, 用于检测出有错误的信头 HEC 的另一个作用是进行信元定界, 利用 HEC 字段和它之前的 4 字节的相关性可识别出信头位置 由于在不同的链路中 VPI/VCI 的值不同, 所以在每一段链路都要重新计算 HEC PT: 净荷类型,3 比特 用于指示本信元为用户数据信元或 OAM 信元等 比特 3 为 0 表示为数据信元 为 1 表示为 OAM 信元 对 OAM 信元,1,2 比特位表明了 OAM 信元的类型 对数据信元, 比特 2 用于前向拥塞指示 (EFCI/Explicit Forward Congestion Indication), 当经过某一节点出现拥塞时, 就将这一比特置为 1; 比特 1 用于表示是否为 AAL5 封装的最后一个信元 (AAL5 的最后一个信元此比特位为一, 其他信元为零 ) 华为机密, 未经许可不得扩散第 2 页, 共 53 页

8 CLP: 信元丢失优先级,1 比特 用于拥塞控制, 当经过某一节点出现拥塞时, 就将这一比特置为 1 GFC: 一般流量控制,4 比特, 只用于 UNI 接口, 目前置为 0000, 将来可能用于流量控制或在共享媒体的网络中标示不同的接入 2.2 虚连接 ATM 是面向连接的交换, 这个连接用 VPI VCI 来标识 VPI VCI 的取值只有局部意义, 即只在通过物理媒质直接相连的两个接口之间有效, 相同的值在其它接口可以重复使用 从路由的角度看,VPI 和 VCI 是信元在 ATM 网络中传输的路由地址, 多个路由地址形成了一条并且标识一条连接 当交换网络接收到信元时, 根据信元头中的 VPI 和 VCI 查找映射表, 确定输出的 VPI 和 VCI 如图 2-2 所示,userA 发出的 VPI/VCI=0/40 的信元, 经 switchb 后 VPI/VCI 被交换成 VPI/VCI=1/45; 经 switchc 后 VPI/VCI=100/45; 经 switchd 后 VPI/VCI=3/50; 经 switche 后 VPI/VCI=2/60, 最后送到 userf 这里(0,40)(1,45)(100,45) (3,50)(2,60) 标识了 A 与 F 之间的一个连接 switchc switchd switchb cell cell vpi/vci=100/45 vpi/vci=1/45 vpi/vci=3/50 cell switche cell vpi/vci=0/40 vpi/vci=2/60 cell usera userf 图 2-2 ATM 连接的示意图 ATM 交换分为 VP 交换和 VC 交换两种 VP 交换就是指在交换的过程中只改变 VPI 的值, 透传 VCI 的值, 而 VC 交换过程中 VPI VCI 都改变 因此在使用中,VP 就相当于一个大的管道, 而 VC 相当于一个小的管道 虚通路与虚通道的关系如图 2-3 所示 华为机密, 未经许可不得扩散第 3 页, 共 53 页

9 图 2-3 VC VP 和物理传输通道的关系 ATM 连接建立的方式有两种 : 1 PVC(P) PVC 即 Permanent VC, 是通过网管预先建立的, 不论是否有业务通过或终端设备接入,PVC 一直保持, 直到由网管释放 2 SVC(P) SVC 即 Switched VC, 是用户需要通信时, 通过终端设备由信令建立的虚通道 SVC 类似于电话网的用户线路, 用户每次在通信前必须发起呼叫请求, 网络通过信令为通信双方建立起相应虚通道后, 进行通信, 通信完成后, 由信令释放 SVC 2.3 ATM 的交换过程 各类业务在经适配进入 ATM 网后, 便由 ATM 交换机或交叉连接设备提供交换和中继功能, 从而到达目的地 ATM 交换机或交叉连接设备的作用是 : 根据输入信元的 VPI/VCI 标识以及它本身在建立连接时产生的路由表, 将该信元转发到相应的输出端口, 并对该信元的头部进行适当处理, 如改变其 VPI/VCI 值, 在拥塞时有可能改变 CLP 值, 最后还要重新计算 HEC 值, 以保护新产生的信元头 ATM 交换机实质上是一个能将输入端口中的信元, 按照其路由标记送到它所要求的输出端口的功能块 因此,ATM 交换机最主要的功能是路由功能 2.4 ATM 地址 在 IP 网络中, 如果两台主机要相互通信, 必须知道对方的 IP 地址 ; 如果希望给朋友发邮件, 必须知道对方的 地址, 因此地址是设备的重要标识 华为机密, 未经许可不得扩散第 4 页, 共 53 页

10 在 ATM 网络中如果是 SVC 方式的连接, 必须知道双方的 ATM 地址 (PVC 方式则没有必要 ) ATM 地址有两种, 一种是 E.164 地址, 与电话号码类似 ; 另外一种是 NSAP 地址 NASP 方式的 ATM 地址的长度为 20 个字节, 也由两部分组成 : 网络前缀 (13 字节 )+ 用户部分 (7 个字节 )[= 用户标识 (6 个字节 ) + 选择符 (1 个字节 )] 网络前缀 由交换机提供, 用户部分 由用户设备提供, 一般情况, 组成 用户部分 的 用户标识 (6 个字节 ) 就是用户设备的 MAC 地址 (6 个字节 ), 选择符 (1 个字节 ) 用来区分用户设备的子用户 哪些是用户侧设备呢? 带 ATM 接口 (155M 光口或电口 ) 的 ATM-LANSWITCH 插上 ATM 网卡的计算机 (ATM 网卡通过光纤与交换机互连 ), 该计算机的 ATM 地址就是计算机的 网络前缀 + 该 ATM 网卡的用户部分 ( 网卡自带的 ) NSAP 方式的地址, 第一个字节必须是 0x39 0x45 0x47 中的一个 2.5 ATM 的统计复用 图 3-1 ATM 复用 ATM 的最大特点, 就是对任何形式的业务分布都能达到最佳的网络资源利用率 要达到这一目标就要对网络资源进行统计复用 所谓统计复用就是根据各种业务的统计特性, 在保证业务质量要求的前提下, 在各业务间动态地分配网络资源, 以达到最佳的资源利用率 如图 3-1 所示, 用户 D C A 的数据按到达的先后顺序排列到输出线路上, 而用户 B 因为此时没有数据, 故不占用输出线路的带宽资源, 从这个意义上说,ATM 连接是一个虚连接 华为机密, 未经许可不得扩散第 5 页, 共 53 页

11 第 3 章 ATM 协议栈 3.1 ATM 的分层结构 ATM 协议参考模型分成三个平面 : 用户面 控制面和管理面, 三个功能层 : 物理层 ATM 层和 ATM 适配层 (AAL) 图 4-1 ATM 协议参考模型 协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能 : 用户平面 : 采用分层结构, 提供用户信息流的传送, 同时也具有一定的控制功能, 如流量控制 差错控制等 ; 控制平面 : 采用分层结构, 完成呼叫控制和连接控制功能, 利用信令进行呼叫和连接的建立 监视和释放 ; 管理平面 : 包括层管理和面管理 其中层管理采用分层结构, 完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能 同时层管理还处理与各层相关的 OAM 信息流 ; 面管理不分层, 它完成与整个系统相关的管理功能, 并对所有平面起协调作用 各层还可细分为几个子层, 各层和子层的功能如表 3-1 所示 表 3-1 ATM 协议参考模型的分层及其功能 高层 高层功能 层 AAL CS SAR 会聚 分段与组装 管 理 华为机密, 未经许可不得扩散第 6 页, 共 53 页

12 一般流量控制 ATM 层 信元头产生与提取 信元 VPI/VCI 翻译 信元复用和解复用 TC 信元速率解耦 HEC 序列的产生 / 检验 物 理 层 信元定界 传输帧适配 传输帧产生 / 恢复 PM 比特定时 物理媒介 3.2 物理层 物理层主要是提供 ATM 信元的传输通道, 将 ATM 层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流, 同时在接收到物理媒介上传来的连续比特流后, 取出有效的信元传给 ATM 层 ITU-T 和 ATM 论坛将物理接口分为三类, 即基于 SDH 基于信元和基于 PDH 对于 SDH/SONET PDH 等具有帧结构的传输系统而言的, 在这些系统中传送 ATM 信元时, 必须将 ATM 信元装入传输帧中 因此在物理层要有传输帧产生 / 恢复 信元速率去耦的作用是插入一些空闲信元将 ATM 层信元速率适配成传输线路的速率 3.3 ATM 层 ATM 层主要完成信元复用 / 解复用, 有关信头的操作, 以及流量控制 信元复用 / 解复用在 ATM 层和物理层的 TC 子层接口处完成, 发送端 ATM 层将具有不同 VPI/VCI 的信元复用在一起交给物理层 ; 接收端 ATM 层识别物理层送来的信元的 VPI/VCI, 并将各信元送到不同的模块处理, 如识别出信令信元就交控制面处理, 若为 OAM 等管理信元则交管理面处理 信头操作指 VPI/VCI 翻译, 翻译的依据是连接建立时所分配的 VPI VCI 的值 华为机密, 未经许可不得扩散第 7 页, 共 53 页

13 3.4 ATM 适配层 ATM 协议技术与标准文档密级 : 内部公开 ATM 适配层 (AAL) 位于 ATM 层之上, 这一层是和业务相关的, 即针对不同的业务, 采用不同的适配方法 但都要将上层传来的信息流 ( 长度 速率各异 ) 分割成 48 字节长的 ATM 业务数据单元, 同时将 ATM 层传来的 ATM 业务数据单元组装 恢复再传给上层 由于上层信息种类繁多,AAL 层处理比较复杂, 所以分了两个子层 : 汇聚子层 (CS) 和拆装子层 (SAR) 为了提高交换网络的速率, 对 ATM 层作了尽可能的简化, 而 ATM 层未提供处理的信元丢失 误传 时延 时延抖动等与业务服务质量密切相关的功能, 由 AAL 层完成 不同类型的业务需要不同的适配,ITU-T 研究各种业务的特点, 根据源和目的的定时 比特率 连接方式将业务分为 4 类, 并相应地定义了 AAL1 AAL2 AAL3/4 及 AAL5 1 AAL1 AAL1 协议针对的是固定速率的 面向连接的业务, 在信源和信宿之间需要定时信息的传送 这类业务典型的例子是目前的电路交换业务, 如话音业务 各类 NISDN 业务 AAL1 的帧结构如下 : 信信信 CS 首首 47 byte 的信信 CSI SC CRC-3 奇奇奇奇 1bit 3bit 3bit 1bit 对于 AAL 1 中 CS 首标部分字段的解释 CSI 标识不同的应用, 如时钟信号传递和结构化数据传递等 ; SC 放置每个信元的序号, 用于检测信元丢失及误插入 ; CRC-3 和奇偶校验位用来保证序号域中信元序号的正确传输 ; 2 AAL2 AAL2 是为端到端具有定时关系的可变比特率 (VBR) 业务提出的, 如 VBR 音响和电视 3 AAL3/4 现有局域网的远程互连一般采用 X.25 或帧中继技术, 存在着程度不等的瓶颈, 因此, 利用 ATM 技术实现局域网的远程互连, 是 ATM 网初期的重要应用 华为机密, 未经许可不得扩散第 8 页, 共 53 页

14 在 ATM 网中, 数据业务有两类 : 远程计算机局域网互连对应于无连接的数据业务, 另一类是面向连接的数据业务 AAL3/4 协议用于对这些业务的适配 4 AAL5 AAL5 支持收发端之间没有时间同步要求的可变比特率业务, 它提供与 AAL3/4 类似的业务, 主要用来传递计算机数据 UNI 信令信息和 ATM 上的帧中继 定义 AAL5 的主要原因是减少开销, 使其成为简单而有效的 AAL AAL5 的帧结构如下 : CPCS 信信 PAD CPCS-UU CPI Length CRC ( 最最 字字 )(0-47 字字 ) (1 字字 ) (1 字字 )(2 字字 )(4 字字 ) 其中 : PAD 填充字段, 由硬件层自动完成, 将 PDU 负载的长度调整成适合 ATM 信元传输的长度 CPCS-UU 未用 CPI 目前唯一的用处就是将 CPCS-PDU 的尾部定位成 64 比特 (8 字节 ) (CPCS-UU+CPI+Length+CRC), 编码为 0x00 Length 指示了负载字段的长度, 单位是 八位位组 编码 0x00 用于 中断 功能 CRC 保护除了 CRC 自身以外的所有 CPCS-PDU 字节 华为机密, 未经许可不得扩散第 9 页, 共 53 页

15 第 4 章 ATM 业务类型 ATM 层所提供的业务体系有五种业务类型 : 固定比特率业务 CBR 实时可变比特率业务 rt-vbr 非实时可变比特率业务 nrt-vbr 可用比特率业务 ABR 未指定比特率业务 UBR 这些业务类型与流量特性以及网络的 QOS 需求有关 一般来说, 路由 CAC 以及资源分配这些功能结构对每种业务类型都是不同的 4.1 CBR 业务 恒定比特流业务 (CBR) 的定义恒定比特流业务用于在连接的生命期中需要静态带宽的连接 这个带宽由 PCR 值来确定 网络对于使用 CBR 的用户提供的最基本的保证是, 一旦连接建立以后, 对于符合一致性测试的所有的信元必须提供协商好的 ATM 层的 QoS 的保证 在 CBR 业务中, 源端可以在任何时候以任意长的时间用 PCR 的流量发送信元而 QoS 必须得到保证 CBR 业务一般用来支持对时延变化要求较高的实时业务 ( 例如 : 声音, 图象, 电路仿真 ), 但是, 并不局限于这些业务 在 CBR 中, 源端可以以协商的 PCR 或者低于 PCR( 也可能停止发送 ) 的速率发送信元 如果信元的时延大于给定的最大信元传输时延 (maxctd), 被认为是极大地降低了性能 4.2 rt-vbr 业务 实时的可变比特率 (rt-vbr) 业务的定义 rt-vbr 业务也是一种实时的应用, 也就是说对时延和时延变化有严格的限制, rt-vbr 的主要应用有话音和视频业务 rt-vbr 连接的特性主要靠峰值信元速率 (PCR) 平均信元速率(SCR) 最大突发长度(MBS) 和信元延迟容限 ( CDVT) 来描述 源端发送信元的速率是可变的, 也就是说源端可以被认为是 突发性的 rt-vbr 业务可以支持实时资源的统计复用 4.3 nrt-vbr 业务 非实时的可变比特率 (nrt-vbr) 业务的定义 华为机密, 未经许可不得扩散第 10 页, 共 53 页

16 nrt-vbr 业务支持一种突发性的非实时的应用, 连接特性是通过 PCR SCR 以及 MBS 来描述的 对那些满足流量合同的信元,nrt-VBR 业务可以保证很低的信元丢失率但是对时延没有限制 nrt-vbr 业务可以支持连接的统计复用 4.4 UBR 业务 未定义比特率业务 (UBR) 业务的定义 UBR 业务支持非实时的应用, 也就是那些对时延和时延变化要求都不太严格的应用, 如一些传统的计算机通信应用, 象文件传输和 等 UBR 业务不存在任何的服务质量的承诺, 连接的信元丢失率和信元传输时延均没有数值保证 网络可以选择在 CAC 和 UPC 中是否需要运用 PCR 在网络对 PCR 没有强制性的要求的时候,PCR 的值没有什么意义 UBR 连接的拥塞控制可以在高层或者端到端的基础上进行 4.5 ABR 业务 可用比特率 (ABR) 业务的定义 ABR 业务中网络在连接建立时的传输特性可以在后来被更改 有一种流控机制支持对源端的反馈来控制源端发送信元的速率, 这种反馈是通过特定的控制信元叫做资源管理 (RM) 信元来实现的 可以预期终端系统在根据反馈调整流量的时候会有一个很低的信元丢失率, 然后获得一个公平的可以利用的带宽 对给定的连接,ABR 业务对时延和时延变化没有边界限制, 也就是说 ABR 不支持实时的应用 在 ABR 连接建立的时候, 终端系统会指定一个所需要的最大带宽和一个最小可用的带宽 这是通过峰值信元速率 (PCR) 和最小信元速率 (MCR) 来描述的 其中 MCR 的值可以为零, 网络所提供的带宽可以变化但不能小于 MCR ATM 论坛从流量控制的角度出发, 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 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 华为机密, 未经许可不得扩散第 11 页, 共 53 页

17 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) 表 4-1 ATM 业务的分类 特性 ATM 业务分类 CBR VBR-rt VBR-nrt ABR UBR 业务特性 PCR, CDVT Ü Ü Ü Ü Ü SCR, MBS, CDVT Ü Ü MCR Ü QoS 参数 peak-to-peak CDV Ü Ü û û û maxctd Ü Ü û û û CLR Ü Ü Ü Ü û 注 : Ü 表示 有规定, û 表示 未规定, 表示 无关 华为机密, 未经许可不得扩散第 12 页, 共 53 页

18 第 5 章流量控制和拥塞控制与算法 5.1 ATM 网络的拥塞管理 ATM 网络拥塞管理的重要性 根据 ITU-T 的定义,ATM 网络的拥塞指的是网络元素 ( 如交换机 复接器或传输设备等 ) 的一种状态, 在这种状态下网络不能保证已建立连接的服务质量或者不能接纳新的连接请求 出现拥塞的原因有两方面 : 一是由于网络中流量强度不可预测地随机波动而造成网络负荷过重 ; 二是由于网络本身出现故障 任何一个实用的电信网都需要解决网络拥塞的管理问题, 也就是解决有限的网络资源与用户需求间的矛盾 ---- 在满足用户对服务质量要求的前题下尽可能地充分利用网络资源 ATM 网与以往的电路交换方式或分组交换方式的网络相比这一问题显得更加突出, 这是因为 ATM 网络的拥塞管理既重要又困难 说它重要是因为 ATM 是一种异步时分 统计型复用的信息传送方式, 而统计复用在提高网络资源利用率 增强灵活性的同时不可避免地增加了引起网络拥塞的风险 拥塞管理的困难又表现在两个方面 : 一方面,ATM 网中传送的是各种类型的业务信息综合而成的数据流, 其流量特性十分复杂难于控制 ; 另一方面, 由于 ATM 网络传输速率高, 一旦某处发生拥塞而不能及时解决, 拥塞范围将迅速扩大 由此可见,ATM 网的拥塞管理是个很重要的问题 网络拥塞管理的基本思想 由于 ATM 网络拥塞管理的复杂性, 以往在电路交换网与分组交换中采用的拥塞管理方法不再适用 电路交换网中拥塞控制的基本思想是资源预分配与即时拒绝, 在为呼叫请求建立一条连接的同时分配一部分被这条连接所独占的资源, 当网络资源不足时拒绝新的呼叫请求 这种方法的主要缺陷是缺乏灵活性, 与 ATM 动态分配资源的特性相矛盾 分组交换网中目前普遍使用 X.25 协议中的窗口流量控制技术来控制拥塞, 其基本思想是通过反馈的方法来限 华为机密, 未经许可不得扩散第 13 页, 共 53 页

19 制发送端发出过多的流量, 这种方法控制的速度较慢, 不适合用于高速的 ATM 网络 为了满足 ATM 网中拥塞管理的要求,ITU-T 提出了一套新的拥塞控制机制 其基本思想在于 : 引入预防性控制措施, 不再是出现拥塞之后再采取措施来消除拥塞, 而是通过精心管理网络资源而避免拥塞的出现 拥塞管理的功能分成两个层次, 第一层是预防性措施, 称为流量控制 (Traffic Control), 是为防止网络出现拥塞而采取的一系列措施, 包括网络资源管理 (NRM) 连接允许控制(CAC) 使用参数控制(UPC) 以及优先级控制等 ; 第二层是反应性措施, 称为拥塞控制 (Congestion Control), 是当网络出现拥塞后为将拥塞的强度 影响范围 持续时间减到最小而采取的一系列措施, 包括信元选择性丢弃与拥塞指示等 ATM 网中拥塞控制由流量控制与拥塞控制功能配合完成 用户向网络发出呼叫请求时需要向网络提交即将发送的流量特性, 以及对服务质量的要求, 网络此时执行连接允许控制 CAC 功能, 确定网络是否有足够的资源来支持这一新的呼叫请求 如果能支持就建立相应的虚电路连接, 并同用户协商允许通过这条虚电路输入网络的流量的特性参数 只有用户实际输入网络的流量特性满足协定的特性参数时, 网络才保证对它的服务质量 在通信过程中执行使用参数控制 UPC 功能, 监测每条虚电路中实际输入网络的流量, 一旦发现超越了协定参数就采取措施加以限制 以上这些功能的目的都在于防止拥塞的出现, 属于流量控制范围 ATM 网一旦检测到出现拥塞状况, 则启动拥塞控制功能, 首先是有选择地丢弃掉重要程度相对低的信元以缓解拥塞, 同时进行拥塞状态信息的前向 反向指示 当这些措施仍不能很好地控制住拥塞时网络将进行释放连接或重选路由 由此可见,ATM 网的流量管理机制可分成如下几个阶段 : 呼叫请求建立连接阶段 其关键技术是连接允许控制 通信过程中对入网流量的监测与控制, 关键技术是使用参数控制 拥塞控制阶段, 关键技术是选择信元丢弃与拥塞指示 网络拥塞管理的主要功能连接允许控制 (CAC) 当网络收到呼叫请求后首先启动 CAC 功能, 检测当前网络资源的分配与占用情况, 对照用户呼叫请求中提交的流量特性与服务质量要求, 确定当前可供使用的网络资源能否满足用户要求 如果能够满足要求并在建立新连接的同 华为机密, 未经许可不得扩散第 14 页, 共 53 页

20 时仍能保证已有连接的服务质量, 则网络将接纳这一呼叫并建立相应的虚电路, 否则拒绝用户的请求 CAC 功能在建立连接的同时还完成两方面的功能 : 其一是同用户协商相应虚电路中允许入网流量的特性参数供 UPC 利用 ; 其二是为相应的虚电路分配资源 入网流量的监控入网流量监控功能根据所处的位置分成使用参数控制 (UPC) 与网络参数控制 (NPC) 前者位于用户/ 网络接口而后者用在网络接口上, 两者的功能类似, 下面主要介绍 UPC 功能 在通信过程中用户实际输入网络的流量特性可能超越 CAC 功能执行过程中所确定的值, 对这种情况需要加以限制否则将影响网络的服务质量 为此在用户 / 网络接口设立了监测与限制机制, 以确保每条虚电路中实际入网的流量特性参数符合协商值, 这一机制即是 UPC 功能 目前 UPC 中的限制措施主要是对属于超越协商值的那部分流量的信元打上标记, 表示这部分信元的服务质量不能保证, 一旦网络发生拥塞首先丢弃这类信元 漏桶算法是目前研究最多的一种业务流监控方法,ITU-T 建议 I.371 和 ATM 论坛 UNI 采用了漏桶算法 其基本思想是 : 设一有限容量的漏桶 ( 桶的深度对应某种流量参数或容差参数 ), 到达的信元进入漏桶, 经漏桶渗漏后输出到网络 该漏桶以每单位时间一个容量单位的连续速率向外渗漏 ( 该速率对应于某种业务的信元速率参数 ), 同时每当一个信元到达时, 其容量加 1 当信元到达速率超过漏桶渗漏速率时, 连续累积的信元会使漏桶充满, 这时如果还有信元到达该信元就会溢出漏桶 ( 即被丢弃 ), 该信元即是违约信元 图 5-1 所示为带有缓存器的漏桶系统, 其漏桶操作描述如下 : 到达的信元首先进入排队缓存器, 当缓存器占满时, 新到达的信元即是违约信元而被丢弃 进入缓存器的信元, 必须取得一个令牌后才能进入网络 令牌以固定速率 R 产生, 并放在令牌池中 ( 令牌池可放 M 个令牌 ), 当令牌池占满时, 令牌生成就暂停直到令牌池再次出现空位时为止 漏桶操作确保了符合流量协商值的信元才能进入网络 对违约信元的处理有立即丢弃和打上标记并允许进入网络二种方法 华为机密, 未经许可不得扩散第 15 页, 共 53 页

21 图 5-1 一种漏桶模型 选择性信元丢弃 (EPD PPD) ATM 网中传送的信元有两种优先级别, 通过信元头中的 CLP 位来区分, CLP=0 表示优先级高,CLP=1 表示优先级低 当网络发生拥塞时首先选择 CLP=1 的信元丢弃以缓解拥塞 CLP=1 的信元有两个来源, 一是由用户产生, 说明此信元所承载的信息属于低优先级, 二是 UPC 将某些 CLP=0 的信元改成 CLP=1, 说明此信元属于超越协定值的流量部分 实际上 ATM 网拥塞时就是牺牲掉这些信元来保证高优先级信元的传送质量 目前常用的两种信元丢弃策略 : 早期包丢弃 (EPD) 和部分包丢弃 (PPD) EPD 功能和 PPD 功能是通过一个参数 PD 来配置的, 当配置了该参数使能, 则 EPD 和 PPD 同时使能了 ( 注意 : 必须是 AAL5 的连接, 才能使能该参数 ) 使能了该参数以后, 会出现以下的结果 : 1 当发送流量超过申请带宽的时候,UPC 开始丢弃信元,PPD 发挥作用, 丢弃同一个 AAL5 包中的除去包尾的其余信元 AAL5 的 PDU 信信信信信信 保保保 PDU 包的最包包个信信 全全丢丢 丢丢 2 PPD 功能并不能保证 UPC 不丢弃 AAL5 包的最后一个信元, 因此会出现上一个包的最后一个信元被丢弃了, 影响到下一个包, 使两个包成为了一个坏包 华为机密, 未经许可不得扩散第 16 页, 共 53 页

22 3 EPD 功能在交换机发生拥塞的时候起作用, 当拥塞发生的时候, 交换机将按照包而不是信元来丢弃, 但是 EPD 功能并不能区分哪些包是正常的包, 哪些包是坏包, 因此并不能选择性地丢弃坏包 拥塞信息指示选择性信元丢弃是在网络发生拥塞的地点进行的, 在有些情况下仅仅依靠这一处采取措施不足以控制拥塞, 而要求整个网络协调行动, 这就要求某处发生拥塞后能及时地将拥塞信息传递给网络的其它部分, 以便采取措施协助对拥塞的控制 拥塞信息指示根据方向可分成前向拥塞指示与反馈拥塞指示 5.2 漏桶算法 信元的守约 漏桶算法的正式名称是一般信元速率算法 GCRA Generic Cell Rate Algorithm 它的基本思想其实也很简单, 假设用户设备和 ATM 交换机直接相连, 很明显, 用户端发送信元的速率越大, 在相同的时间段之内 ATM 交换机从该用户收到的信元就越多, 如果用户发送的速率太大造成交换机那边在短时间之内收到的信元过多, 超过了双方事先所达成的协议或者超过了交换机的承受能力并导致网络拥塞, 这时候交换机肯定就要采取一些惩罚性的措施, 要么将违约的信元直接丢弃, 要么将违约的信元打标记将信元头的 CLP 位置 1, 在网络发生拥塞时优先丢弃, 这样漏桶算法用一句话概括就是 : 用户发送的信元到达 ATM 交换机可以比这个信元预期到达的时间晚, 也可以早一点, 但是不能太早 从这句话可以看出, 漏桶算法的两个关键点, 一个是信元预期到达的时间, 什么叫预期? 另外一个就是信元到达的时间不能太早, 什么叫太早? 如何定量? 我们假设一用户向网络申请一项业务所申请的最大网络带宽为 PCR, 记 T=1/PCR, 则 T 意味着用户每隔不小于 T 的时间向网络发送一个信元, 看下面的图 5-2, 记初始时刻交换机在收到用户信元 1 的时间点为 t1 图 5-2- a 所代表的是一种大多数的正常情况, 后续的信元 2 在信元 1 到达 T 时间后准时到达, 而且信元 3 预期在 t2+t 也就是 t1+2t 时刻到达 图 5-2- b 表示信元 2 迟到了, 信元 2 本来预期在 t1+t 时刻到达, 但它实际到达交换机的时刻 t2>t1+t, 需要注意的是虽然信元 2 迟到了, 但是信元 3 预期到达交换机的时间为 t2+t, 并不是 t1+2t 华为机密, 未经许可不得扩散第 17 页, 共 53 页

23 图 5-2- c 所显示的情况为用户端发送的速率大于所约定的 PCR 值, 导致信元 2 到达交换机的时间早于所预期的 t1+t, 虽然此时 t2<t1+t, 但是 t1+t-t2<=l, 其中 L 是一个预先设置好的时间容限, 仍然认为信元 2 是不违约的, 同样需要注意的是, 此时信元 3 预期的到达时间是 t1+2t, 而不是 t2+t, 这样做的目的是不放松对用户信元的严格监管, 避免对信元的过度纵容, 导致用户信元在一段时间内实际的发送速率超过预先设定的 PCR 图 5-2- d 可以看出用户的信元发送速率太大, 导致信元 2 到达交换机太早, t1+t-t2>l, 交换机认为用户所发送过来的信元 2 违约 图 5-2 GCRA 基本思想 容忍度 ( 缓冲深度 ) 在刚才的图 5-2- c 所显示的例子中, 由于用户端发送信元的速率大于 PCR, 或者说产生信元突发现象, 结果信元 2 到达交换机的时间比预期的稍早, 但由于 t1+t-t2<=l, 系统还是认为信元 2 不违约 华为机密, 未经许可不得扩散第 18 页, 共 53 页

24 图 5-3 连续突发信元 在图 5-3 中, 用户端连续以大于 PCR 的速率突发了 4 个信元, 第一个信元到达交换机的时间比预期的 t0+t 早了时间 e, 其中 e=l/3, 由于信元 1 提前的时间 e<=l, 没有违约 ; 紧接着信元 2 信元 3 分别比它们预期到达的时间提前了 2e 和 3e, 都不算违约, 但是由于累积效应信元 4 到达的时间比所预期的早得太多, 超过了 L 的容限, 被交换机认为违约 另外, 在刚才的图 5-2- c 中信元 3 预期到达的时间是 t1+2t, 不是 t2+t, 从图 2 我们也可以看出为什么这样做是对用户信元所发送信元流保持一种严格的监控策略 图 5-4 漏桶示意图 继续前面所讨论过的例子来介绍一下漏桶算法名称的来历 在正常情况下, 每隔 T 时间交换机收到一个信元, 我们假设用户发送的信元不是送到 ATM 交换机, 而是送到一个有出口的漏桶如图 5-4 所示, 每到达一个信元, 该信元占据漏桶 T 体积的空间, 同时从漏桶的出口不停地匀速流出信元, 每单位时间 华为机密, 未经许可不得扩散第 19 页, 共 53 页

25 流出 1 体积的信元, 漏桶总的容量为 T+L, 在正常情况下, 到达一个信元占据 T 体积的漏桶空间, 隔 T 时间之后下一个信元到达, 此时上一个信元刚好从漏桶中流尽, 因此在这个时刻漏桶总共被占据的空间仍然是 T 现在我们回过头来再看一下图 5-3 中信元突发的例子, 信元 1 比预期的提前 e 时间到达, 显然此时上一个信元在漏桶中还没有流尽, 剩下 e 体积的信元, 加上刚到达的信元 1, 所以此时漏桶总共被占据的空间为 T+e, 在信元 1 到达 T-e 时间之后, 信元 2 到达, 此时漏桶中剩下的信元为 T+e-(T-e)=2e, 这样漏桶总共被占据的空间为 T+2e, 同理信元 3 到达时漏桶被占据的空间为 T+3e=T+L, 漏桶刚好被占满, 这样信元 4 到达时, 漏桶中剩下的信元数 >L, 结果造成信元 4 在漏桶中溢出, 信元违约 从刚才的分析我们可以看出, 为什么漏桶的容量定为 T+L 前面说过漏桶算法的关键在于信元到达的时间不能太早, 否则的话被认为违约, 现在我们可以看得出来, 这个太早主要是由一个时间容限 L 来衡量的, 从漏桶的观点来看信元到得太早, 漏桶中还没有流尽的信元数 >L, 导致该信元在漏桶中溢出被认为违约 ; 另外在刚才的漏桶分析中我们说漏桶中装的是信元, 漏桶中不停流出的也是信元, 其实更准确地说漏桶中所装的是时间, 这一点应该不难理解, 而且在我们的讨论中漏桶的容量 T 和 L 都是一个时间概念 漏桶算法分析完了, 我们现在回到本文开头所讨论的 ATM 业务 8750 中对于 nrt-vbr 和 rt-vbr 两种业务, 采用两级漏桶的方式进行流控, 每个信元依次到两个漏桶过一下, 第一级漏桶控制 PCR, 第二级漏桶控制 SCR, 根据前面所讨论的结果,GCRA 算法的漏桶取决于两个参数 T 和 L, 在 8750 中第一级漏桶的 T=1/PCR,L=CDVT, 第二级漏桶的 T=1/SCR,L=(MBS-1) (1/SCR+1/PCR ) 对于违约的信元,8750 可以选择丢弃或打标记, 而且 8750 可以选择对 CLP=0 或 CLP=1 的信元进行漏桶判断 为了对漏桶算法有一个具体的感性认识, 下面给出 8750 产品中所实现的 GCRA 算法流程图 图 5-5 GCRA 算法图 在图 5-5 中 :Tconforming cell= 时间增量 : 两个信元理论到达时间的间隔 华为机密, 未经许可不得扩散第 20 页, 共 53 页

26 (1/PCR 或 1/SCR), 就是漏桶中的 T, TAT= 下一个信元理论到达时间,t = 时间变化界限, 就是漏桶中的 L 结论 从 5.2.1,5.2.2 的讨论中我们可以得出如下两个结论 : 从实施漏桶算法对到达的信元进行流量监控的交换机的角度来说, 首先 :L 越大则漏桶的容量越大, 信元越不容易违约, 漏桶可以容纳更多的突发信元 这个结论比较容易理解, 因为 L 是一个时间容限值, 越大意味着信元可以比预期时间提前更早到达, 对信元的监控也更宽松, 在实际中 L 一般比 T 大很多, 例如在 8750 中所有控制 PCR 的 CDVT 默认值是 1024 代表 微妙, 在以后的版本中,CDVT 的默认值将增大为 10240, 如果 PCR 是 155Mbps 的话 T 不到 3 微妙,L 比 T 大对一些刚接触 GCRA 算法的人来说也许觉得不可理解, 因为如果 L 大于 T 的话, 那么在图 5-2 中将意味着信元 2 比信元 1 提前到达, 这显然是不合理也是不允许的, 之所以会有这个疑问可以说是犯了一个从静止的角度看问题的错误, 之所以把时间容限 L 定得比较大是因为在实际中信元的突发一般都是连续多个的, 不是单个的, 这样连续多个的信元突发 连续多个的信元比预期时间提前到达, 显然在图 5-4 中这将造成漏桶中剩下的信元数累积得越来越多, 如果 L 比较小的话, 信元早就溢出了 ; 另外一方面, 由于 ATM 是面向连接的技术, 它不保证信元不被丢弃, 但是它严格保证同一条 VC 上的信元按序交付, 因此只要系统各部分都运行正常, 在实际中是不可能出现后发送的信元先到达的情况的, 退一步说万一因某种原因造成信元顺序发生错误的情况, 对 GCRA 算法流程来说是将错就错, 先到达的信元被认为是对方先发送的, 不会影响算法的执行因此 L 比 T 大, 不是说允许后发送的信元先到达, 而是为了容纳更多的信元突发 第二个结论 : 在实施漏桶算法的交换机中,PCR 或 SCR 越大, 即 T 越小, 则信元越不容易违约 这么说的话也许不好理解, 因为在图 3 中 T 是漏桶容量的一部分,T 越小能容纳的信元数越少, 应该是信元越容易违约才对, 乍一看还是那么回事 但是我们回过头去看, 在刚开始介绍漏桶算法的时候, 提到漏桶算法有两个关键点 : 一个是信元不能到得太早, 这个太早已经分析过了, 主要就是时间容限 L, 另外一个关键点就是信元的预期到达时间, 显然信元的预期到达时间就是和 T 有关信元不能到得太早, 什么叫太早? 怎么衡量, 其实就是拿信元的实际到达时间和预期时间相比较, 看有没有超过那个容限 L, 因此从这里可以看得出来,L 和 T 实际上是密切相关的两者, 虽然有不同的意义, 而且在图 5-4 中看来好象两者是构成漏桶容量的两个部分 实际上我们前面所说的漏桶的容量等于 T+L, 这只是一个形象的说法, 严格说来漏桶的真正容量并不是两者简单的相加关系, 而是一种更复杂的深层次的关 华为机密, 未经许可不得扩散第 21 页, 共 53 页

27 系, 模糊一点来看的话,T 越小则信元预期到达的时间越早, 那么那个关键的太早就更不容易达到 刚才所介绍的这两个重要结论对于我们的工程开局是很有指导意义的, 在实际的网络流量中 ATM 信元突发量有可能比较大, 在 ATM 交换机中大量信元违约造成不断丢包, 这时可试着通过增大 L 和减小 T 的方法来放宽对信元的监管, 在交换机那边要么提高 PCR 的值, 要么增大 CDVT 或者增大 SCR, 增大 MBS 的值, 另外一个很重要的因素是需要了解 ATM 交换机对于违约的信元所采取的策略是直接丢弃还是打标记, 显然如果是打标记的话, 即使信元突发度比较高也不会造成太大的影响 但是如果把打标记改为丢弃的话几乎一个违约包都 PING 不通 5.3 ATM 流控原理的实际应用 IP 业务在 ATM 中的表现形式 在一个没有流量整形的系统中, 一个 IP 包经过 AAL5 SAR 后, 可以形成多个 ATM 信元背靠背发送, 进入 ATM 交换设备的数据大多是一个突发 不平稳的动态的流量模型 (On-Off 模型 ) 如果在以太网环境中, 最多的情况是有 32 个信元以峰值信元速率突发, 瞬时的 PCR 可能等于线速 (155Mbps 或 622Mbps) 在一个应用中会形成以下的流量: PCR=1/T SCR=MBS/T1 T MBS T1 CDV IP IP Cell Time PING FTP 业务的信元跟踪 在 MA5100 不进行流控的情况下, 在 ATM 光口处观察从 LAN 端口发出的 IP 数据流, 和上面的模型一致 例如对 PING 长包时有如下结果 : PING BYTE, 被分解为 7 个 MAC 帧 217 个信元 下表记录了每个 MAC 帧的第一个信元及最后一个信元的到达时间 : 信元计数 信元到达时间 (1/10us) 间隔 (1/10us) 帧内信元平均间隔 (1/10us) 华为机密, 未经许可不得扩散第 22 页, 共 53 页

28 由上面的数据可以计算得到每个 MAC 帧在 ATM 上的速率接近 ATM 线速, 如 果加入帧与帧之间的间隔, 完整的一个 PING 包的速率接近 100M, 即 LAN 端口的线速 通过其它业务 (FTP VOD 文件拷贝) 的测试也体现了同样 的效果 这表明实际业务流在 ATM 中均是以突发形式存在的 5.4 流控算法分析 GCRA 算法分析 在 GCRA 算法有两种等价的表示方法 : 虚调度算法和连续状态漏桶算法 (leaky bucket algorithm) 算法流程图如下: 华为机密, 未经许可不得扩散第 23 页, 共 53 页

29 信信 K 在在在 ta(k) 到到 TAT<ta(k)? YES X'=X-(ta(k)-LCT) NO TAT=ta(k) X'<0? YES Non Conforming Cell YES TAT>ta(k)+L? NO TAT=TAT+I Conforming Cell 虚虚虚虚虚 YES Non Conforming Cell NO NO X'>L? X=X'+1 LCT=ta(k) Conforming Cell 连连的连连虚虚 X'=0 TAT: 下一信元的期望到达时刻 ta(k): 第 k 个信元的实际到达时刻 X: 漏桶计数器的值 X': 辅助变量 LCT: 上次遵守合约的时间 GCRA 算法采用公式 GCRA(I,L) 来描述 其中 I 是时间增量, 表示相对当前时刻下一个信元到达时间间隔的理论值 ( 期望值 ) L 是信元时延偏差容限, 表示相对期望值下一信元可以提前到达的最大容忍范围 对应双漏桶算法, 则可以表示为第一级漏桶处理 PCR, 相应模型 GCRA1(1/PCR,CDVT) 第二级漏桶处理 SCR, 相应模型 GCRA2(1/SCR,BT+CDVT), 根据 ATM 论坛规定,PCR 是必须的,SCR 是可选的 其中 L 的值过大, 将增大数据突发性的可能 华为机密, 未经许可不得扩散第 24 页, 共 53 页

30 CDVT PCR 第包第连连 BT+CDVT SCR 第第第连连 第一级漏桶分析 单从 GCRA(I,L) 算法上分析, 有两种情况 : 1 L<I 时经过 GARA1 后, 任意相邻的两个非违规信元之间的时间间隔大于 (I-L), 任意相邻的 N 个非违规信元的平均时间间隔不小于 (N*I-L)/N 所以如果 1/PCR> CDVT, 在第一级漏桶处采用丢弃违规信元的策略, 流出的数据将是比较均匀且速率不大于 PCR 的流 2 L>I 时第一级漏桶算法可以控制流出的流量为不超过 PCR 速率的数据流, 但此数据流并不是均匀的 实际的业务流均是以 ATM 线速突发的, 在网络中各种业务的帧长不尽相同, 帧长较大的业务, 如 VOD, 可以接近 BYTE 为了保证这种业务, 第一级漏桶必须能够允许业务的最大帧长分割成的所有信元通过, 否则每个业务帧均有信元丢失, 业务不能够正常实现 在设置一级漏桶参数的时候,CDVT 和 PCR 的取值将直接决定所能通过的最大帧长 根据算法的定义, 可以得到如下约束 : 424+PCR * CDVT*LR/(LR-PCR)>= 业务流最大帧长 (BIT) : 其中 LR 是指实际业务流的突发速率 由此可见,L<I 的模型不适用于实际业务流 经过漏桶之后虽然平均速率受到了限制, 但突发性还是没有改变 华为机密, 未经许可不得扩散第 25 页, 共 53 页

31 5.4.3 第二级漏桶分析 第二级漏桶中的 BT =(MBS-1)(1/SCR-1/PCR), 是一个衡量第 2 级漏桶的深度 ( 缓存大小 ) 的指标 在很多地方称 MBS 为单位时间 ( 同计算 SCR 的单位 ) 容许信元达到的个数, 这种说法表明第二级漏桶算法是以监视若干信元进行违规判断, 而不是象第一级漏桶那样中监视单个信元 MBS 和 L 的推导 : 使用虚调度算法, 首先确定 L, 推导 MBS 设 TAT(k) 为第 K 个信元的期望到达时刻,T(k) 为第 k 个信元实际到达时刻, 流量按照 PCR 发送 ; 假设前 k-1 个信元不违规, 而第 k 个信元违规, 则有如下关系式 : TAT(k)=TAT(1)+(k-1)/SCR (1) TAT(k)-L>T(k) (2) T(k)=TAT(1)+(k-1)/PCR (3) 将 (3) 代入 (2), 由 (1)-(2) 得 : L<(k-1)(1/SCR-1/PCR) k>1+l/(1/scr-1/pcr) 为保证 PCR 流量下突发信元数目为 MBS 时不违规,MBS 取 {1+L/(1/SCR-1/PCR) } 的整数部分 反之可得 : L=(MBS-1)(1/SCR-1/PCR) 由上面推导得到的 L 即为 BT( 漏桶深度 ) CDVT 的估算 按照 ATM 论坛流量管理 4.1 中的描述,CDVT 应为 ATM 系统内部处理所造成的时延 固定第一级漏桶中的 PCR, 对 CDVT 值进行估算 考虑经过第一级漏桶后数据流是突发性质的, 其平均速率为 PCR, 大致的数据流量形式以 (PCR,0, PCR,0) 这样的间隔发送 CDVT 应满足下约束条件 : CDVT<1-424*(MBS-1)(1/SCR-1/PCR) ( 其中 SCR PCR 的单位均为 BIT/S,424 位 / 信元 =53 字节 / 信元 *8 位 / 字节 ) 华为机密, 未经许可不得扩散第 26 页, 共 53 页

32 第 6 章 IPOA 协议和 RFC 概述 目前 ATM 网络业务接入面临的首要问题之一是 IP 网接入, 即 IP over ATM RFC1577 提供了 ATM 上的经典 IP 和 ARP(Classical IP and ARP over ATM, CLIP) 的解决方案, 是实现 ATM 上的 IP 的一个简单而有效的技术 但 IP 在 ATM 网上通信,IP 分组必须在 AAL 层上进行适配, 从而在源端分段成信元并在目的端组装成分组 RFC1483 提供了这种适配的技术标准 然后,ATM 使用预先培置的 PVC 或者动态建立的 SVC 将数据从一个源端传送到目的端 IPOA 的参考配置如图 6-1 所示 : ATM 网络 主机 4 主机 5 LIS2 ARP 服务器 2 ARP 服务器 1 主机 1 主机 2 主机 3 LIS1 路由器 WAN 以太网 图 6-1 IPOA 的参考配置 LIS-- Logical IP Subnet( 逻辑 IP 子网 ) ARP--Address Resolution Protocol( 地址解析协议 ) ARP 服务器, 负责完成 IP 地址到 ATM 地址的解析 对于目前常用的是 IPOA 形式是, 通过手工设置将 IP 地址和 ATM PVC 进行静态绑定来将 IP 地址映射到 ATM PVC 从而达到 ATM 上传送 IP 的目的 华为机密, 未经许可不得扩散第 27 页, 共 53 页

33 6.2 IPOA 基本工作原理 CLIP 描述了为位于同一子网 ( 称为一个 LIS: 逻辑 IP 子网 ) 的 IP 设备间建立点到点的 ATM 虚连接的机制 一个支持 CLIP 连接的网络具有下列性质 : 同一 LIS 所有成员要有相同的网络 / 子网号码和地址屏蔽 同一 LIS 内成员直接连接到 ATM 网络上 LIS 外的成员必须通过路由器访问本子网成员, 尽管它们之间可用 ATM 直接连接 如果使用 SVC, 每个 LIS 内, 有且仅有一个 ATM ARP 服务器 (ARP SERVER), 对本 LIS 内的 IP 地址和 ATM 地址进行转换 如果是使用 PVC, 则不需要动态地址解析, 不需要 ATM ARP 服务器 IPOA(IP over ATM) 是指在 ATM-LAN 上传输 IP 分组以实现基于 IP 的应用在 ATM 网上的互联 RFC1577 规定了 IP 地址和 ATM 地址的转换方法 同一 LIS 内的 IP 应用可以直接进行通信, 不同 LIS 的 IP 应用之间进行通信必须经过路由器转发 如果使用 SVC, 一个 LIS 中必须有一个 ARP SERVER, 用于将 IP 地址解析为 ATM 地址 IP 应用 ( 即 IPOA 客户 ) 之间进行通信之前必须先将对端的 IP 地址解析为 ATM 地址 当 IPOA 客户需要发送 IP 信息时, 首先检查本机是否与对端存在相应的连接, 如果存在则直接进行数据发送, 否则在本地缓冲区中查找是否存在对端的 ATM 地址, 如果没有则向 ATM ARP SERVER 发送请求解析对端的 ATM 地址, 在获得对端的 ATM 地址后与对端建立连接并进行数据发送 6.3 RFC1483 基本概念 IP 以分组的形式, 封装在 AAL 提供的数据链路层中 RFC1483 中描述的 ATM 上的多协议封装定义了以 AAL5 帧的格式在一个 ATM 网络上传送的多协议数据分组的技术标准 RFC 定义了两种格式的封装 : 逻辑链路控制 (LLC)/SNAP (Logical Link Control/SubNetwork Attachment Point) VC 复用 LLC/SNAP 是 RFC1577 中使用的缺省封装技术 它通过在每个包含一个 IP 分组或任何其他网络层协议的分组在形成 AAL5 帧之前, 添加一个 8 字节的 LLC/SNAP 帧头来工作的 包含一个 IP 分组的一个典型的 LLC/SNAP 封装的 ALL5 帧如下图所示 : 华为机密, 未经许可不得扩散第 28 页, 共 53 页

34 LLC (AA-AA-03) OUI ( ) (Organizationally Unique Identifier ) EtherType IP 分分 RFC 1483 LLC/SNAP 封封的封信 CLIP 中 ATM 上的 IP 数据的 LLC/SNAP 封装如下图所示 : IP IP LLC AAL5 ATM PHY RFC 1483 LLC/SNAP 封封 VC 6.4 RFC1483B 协议 RFC1483B 为在 ATM AAL5 PDU 上携带网络内部 ( 即局域网 ) 业务描述了两种封装办法 : 基于 VC 的复用 LLC 的封装在 VCs 下高层协议的复用, 称为 基于 VC 的复用 ; 在单一的 VC 上复用多协议, 加上 LLC 逻辑链路头, 这种称为 LLC 封装 在动态生成大量 VC 的环境下主要是用基于 VC 的复用方法, 动态生成 SVC 方便快捷, 而 LLC 封装用于在没必要为每个协议都做 VC 的场合, 如在 PVC 下或按 VC 计费的情况下 无论采用哪种方法, 都采用 AAL5 CPCS-PDU 载荷 在桥接 PDU 的 LLC 封装中, 在 SNAP 信头中应标识出桥接媒体的类型 与非 ISO 路由协议的封装一样,LLC 信头编码值 0XAA-AA-03 表示存在 SNAP 信头 在桥接协议的 LLC 封装中,SNAP 的信头中的 OUI 值是 组织编 华为机密, 未经许可不得扩散第 29 页, 共 53 页

35 码 0X00-80-C2, 桥接媒体的实际类型由 2 字节的 PID 来标识 此外,PID 还标识是否在封装的桥接 PDU 中保留源帧校验序列 (FCS) 以太网类型的 PID 值为 0x00-01 或 0X00-07 LLC 封装结构 : Payload Format for Bridged Ethernet/802.3 PDUs 作为桥接的 ATM 接口必须能够运送 (flood) 转发和过滤桥接 PDU 运送功能指把 PDU 传送到所有可能合适的目的地 在 ATM 环境下, 意味着通过相关的 VC 发送 PDU, 这可以通过明确的把 PDU 拷贝到每条 VC 或使用一条多传送 VC 来完成 为了转发一个 PDU, 桥接必须能够使目的 MAC 地址与一条 VC 联系起来 不可能要求桥接静态的配置每一个可能的目的 MAC 地址和一条 VC 相关联, 因此,ATM 桥必须提供足够的信息, 以允许一个 ATM 接口动态的获得一组 ATM 端站以外的外部地址 为了实现动态获得, 一个桥接的 PDU 应采用以上的封装方法 用这种方式, 接收 ATM 接口应知道在桥接的 PDU 中查看并且获得外部目的地和一个端站之间的联系 华为机密, 未经许可不得扩散第 30 页, 共 53 页

36 第 7 章 ATM 信令 7.1 ILMI 的基本概念 我们知道 IP 地址是计算机的网络标识, 电话号码是电话的标识, 我们在日常生活中, 如果想用电话与对方取得联系, 必须首先知道对方的电话号码, 如果希望给对方发邮件, 必须知道对方的 地址, 因此地址是设备的重要标识 同样,ATM 地址也是 ATM 设备的 电话号码, 两个 ATM 设备之间如果希望能够交换信息 传输数据, 必须互相 认识 对方 ( 知道对方的 ATM 地址 ) ILMI 实现的主要功能就是地址注册 ( 自动产生 ATM 地址并交换地址信息 ); 自动交换网络的配置信息, 为信令建立提供重要的参数, 实现设备的即插即通, 减少手工配置的复杂性 ILMI 在 3.0 版本以前是 Interim Local Management Interface( 临时本地管理接口 ) 的缩写, 到 4.0 后改为 Integrated Local Management Interface( 集中本地管理接口 ) 的简称 7.2 UNI 信令简介 UNI 信令就是在 UNI 接口上建立 ATM 连接的交互协议 目前, 关于 UNI 信令的协议主要有 :ITU-T 的 Q.2931 和 Q.2971 ATM Forum 的 UNI 3.1 信令和 UNI4.0 信令 UNI 3.1 UNI 3.1 信令协议主要支持以下信令能力 : 支持 SVC, 不支持 SVP 支持双向点到点连接的建立 释放 支持单向点到多点连接的建立 释放, 其中, 单向是指用户数据只能由根节点向叶节点单方向传送 呼叫只能是由根节点发起, 不能由叶节点发起 不支持多点到多点连接 对于点到点连接, 两个方向的上的带宽可以相同或不同 华为机密, 未经许可不得扩散第 31 页, 共 53 页

37 每个呼叫有且仅有一条连接 支持业务类别 A(CBR 业务 ) C( 面向连接的 VBR 业务 ) X( 用户自定义业务 ), 不能直接支持 D 类业务 ( 无连接的 VBR 业务 ), 不支持 B 类业务 ( 有定时要求的 VBR 业务 ) 不支持连接参数的协商, 只能是发送者给出连接参数, 接收者选择接受或拒绝 不支持 VP 相关信令, 必须通过其他机制如 VP Tunneling 才能支持虚拟端口 ( 多用户复用一个端口 ) 信令固定使用 (VPI=0,VCI=5) 的 VC(Virtual Channel), 该 VC 为 PVC (Permanent Virtual Channel) 支持错误恢复 支持端到端的兼容性参数, 包括连接的 AAL 类别 数据封装方式等等 Q.2931/2971 Q.2931/2971 是 ITU 制定的 UNI 协议 其中,Q.2931 用于点到点呼叫,Q.2971 用于点到多点呼叫 Q.2931/Q.2971 与 UNI 3.1 的区别基本上是细节上的, 包括 : Q.2931/2971 支持 ALERTING PARTY ALERTING 消息 ; Q.2931/2971 支持 NOTIFY 消息, 支持 Notification identifier IE, 支持 End-to-end transit delay IE OAM Traffic Descriptor IE; Q.2931/2971 支持 VP 相关信令 ; Q.2931/2971 对连接 VPI/VCI 的选择是用户 网络共同参与的 ; Q.2931/2971 对重启 SVC 的支持增加了一项 重启动制定 VPC 内所有 SVC 功能 ; IISP IISP 是 ATM Forum 制定的 NNI 协议 它从 UNI 3.1 而来, 它的信令部分与 UNI 3.1 信令基本相同, 差别主要在于 IISP 增加了一个简单的路由功能 华为机密, 未经许可不得扩散第 32 页, 共 53 页

38 7.2.4 UNI 4.0 UNI 4.0 是 ATM Forum 制定的 UNI 协议 相对于 Q.2931/2971, 它增加了几项重要的功能 : LIJ(Leaf Initiated Join): 叶节点启动加入功能 这样的, 对于一个点到多点呼叫, 叶节点可以主动向根节点或者网络请求加入该呼叫 支持 ABR 功能 支持 Anycast 功能 支持流量参数协商 其他一些差别 PNNI 1.0 PNNI 1.0 是 ATM Forum 制定的 NNI 协议 它是建立在 UNI 4.0 之上的, 它最大的改变就是增加一个功能非常强大的路由功能 它的信令部分与 UNI 4.0 相似, 它不支持 LIJ, 在其他方面也有一些小差别 PNNI 1.0 提供对 UNI3.0/3.1 的完全支持和对 UNI4.0 的部分支持, 可实现点到点和点到多点连接 采用分层结构, 具有伸缩性, 可提供对更大规模网络的支持 支持分级路由结构 支持 QOS 支持 PVPC/PVCC(Soft PVPC/PVCC) 提供源路由选择, 即由发出请求的交换系统寻找到达目的地的端到端通路 自动更新网络拓扑信息, 提供动态路由功能 连接失败时可重新计算路由, 提供回溯功能和备用路由功能 可与外部路由域 (external routing domains) 进行互操作 华为机密, 未经许可不得扩散第 33 页, 共 53 页

39 第 8 章 IMA 协议 8.1 IMA 概述 IMA 的目的是把一个 ATM 信元流以信元为基础, 反向复用到多个物理连接上来传输, 并在远端把这些在不同物理连接上传输的信元流复用成单一的信元流 为了实现 IMA 技术, ATM 反向复用技术规范 在原有 B-ISDN 协议参考模型的基础上定义了一个新的子层, 即 IMA 子层, 该子层位于物理层的传输会聚 (TC) 子层与 ATM 层之间 ATM 反向复用技术规范 还定义了对 TC 子层的修改 (IMA 在该层实现 ) IMA 管理信息数据库 (MIB) 目标 当用户接入 ATM 网络的速率或两个 ATM 网元之间的速率介于两个传统的复用级之间 ( 例如 E1 和 E3 之间 ) 时, 反向复用技术把多个较低速率的连接复用成一个逻辑的较高速率连接, 这个较高的速率值近似等于组成反向复用的几个低速率值之和 ATM 反向复用技术包括复用和解复用 ATM 信元 完成反向复用和解复用的功能组称为 IMA 组 IMA 分 PHY PHY IMA 分 PHY PHY 来来 ATM 层的单包 ATM 信信流 PHY PHY 恢恢恢恢恢信信流并信并 ATM 层 IMA 虚虚虚 在在在在并 ATM 信信在信信信信虚信信信信信在在在在并来来信信信信虚虚信的 ATM 信信流信信分信恢单包信信流 图 8-1 IMA 组对 ATM 信元的反向复用和解复用 IMA 组在每一个 IMA 虚连接的端点处终止 在发送方向上, 从 ATM 层接收到的信元流以信元为基础, 被分配到 IMA 组中的多个物理链路上 而在接收端, 华为机密, 未经许可不得扩散第 34 页, 共 53 页

40 从不同物理链路上接收到的信元, 以信元为基础, 被重新组合成与初始信元流一样的信元流 IMA 应达到以下目标 : 可用于公用 / 专用的 UNI's NNI's 和 BICI's 传送一个单一 ATM 信元流, 该信元流速率介于现有链路速率之间 适用于在 E1 或其他速率接口上传送 ATM 信元 作用在相同的标称链路信元速率的接口上 在物理链路速率需要增加时提供临时带宽 对 ATM 层和高层信号提供透明传送 ( 包括信元顺序不变 信元格式不变和控制信元时延变化等 ) 利用基于信元的复用技术, 将单个 ATM 信元流变换成多个低速的 ATM 信元流, 分别在独立的链路上传送, 并在远端将这些 ATM 信元流恢复成起始的单个 ATM 信元 与我国 ATM 物理层规范相兼容 ( 即包括相关的传输 MIB 在内的相同的传输会聚子层 ) 检测并拒绝时延超过约定的最大时延容限的线路 在 IMA 功能组运行时增加或删除链路 处理链路故障并自动恢复链路 支持提供相同链路信元速率的租用线和拨号线路的应用 ( 如 ISDN), 包括时钟来源不同的链路组 支持对称和不对称 IMA 配置, 以及对称和不对称 IMA 实际运行 支持包括 CBR 在内的所有 ATM 流量 /QoS 级别 当 IMA 作用在 E1 链路上时, 不同的链路产生的传输时延可能不一样,IMA 接口应能补偿这种时延差异至少 25ms 当 IMA 作用在 E1 链路上时,IMA 接口产生的 CDV 应最小, 以确保整个连接端到端的 CDV 小于 1ms 当 IMA 作用在 E1 链路上时, 在考虑随机误码和突发误码的情况下,IMA 接口处的信元错误性能应该与单个的 E1 链路有可比性 支持系统与当前网管系统相连 华为机密, 未经许可不得扩散第 35 页, 共 53 页

41 提供有关 IMA 状态的 MIB 允许对 E1 物理层设备的再利用 8.2 初步实现方案 IMA 板是 ATM 多业务接入器的一个功能模块, 给业务接入器提供 N*E1 ATM 接口 IMA 方案的总体功能框图如图 8-2 所示 : 背板 网口 & 串口 控控总线 邮箱 SDRAM LIU E1 860/850 IMA 信上 / 下上控控 UTOPIA LIU 图 8-2 IMA 功能框图 华为机密, 未经许可不得扩散第 36 页, 共 53 页

42 第 9 章 ATM 网络维护 9.1 ATM 网络运行维护管理 (OAM) OAM 的功能范围 ATM 网络的运行 管理和维护 (OAM) 可分为五个方面 : (1) 性能监视网络维护管理功能实体连续地或周期地监视网络运行的各种性能指标, 以便及时地了解当前网络的运行情况 (2) 劣化和故障检测通过连续的或周期性的检查, 以检测故障或预计的故障, 并产生维护事件信息的报告以及各种警告 (3) 系统保护一旦网络中某一设备出现故障, 网络维护管理功能将采取措施将其与整个网络隔离, 以免影响整个网络的正常运行 (4) 管理信息的传送网络维护管理过程中所获得的各处状态信息需要及时地通知网络中各处的维护管理实体, 而维护管理实体所发出的控制信号也要及时地传送给受控设备 (5) 故障定位为了能及时准确地处理故障, 要求网络维护管理功能测试出故障设备的位置, 甚至定出故障在设备中的哪个分系统中 在 BISDN 的协议参考模型中, 管理面提供了两种类型的功能 : 面管理和层管理 面管理实施与整体系统有关的管理功能以及各个面之间的协调, 其基本功能有 : 故障管理 性能管理 配置管理 计费管理和安全管理 ; 层管理处理与层相关的 OAM 信息流, 因此层管理也是分层的 华为机密, 未经许可不得扩散第 37 页, 共 53 页

43 9.1.2 OAM 等级 ATM 协议技术与标准文档密级 : 内部公开 ATM 网的 OAM 功能分成五个等级, 每一级都有相关的 OAM 信息流 ( 定义为 F1~ F5), 如图 9-1 所示 其中两级定义在 ATM 层上, 三级定义在物理层上 这五个等级分别是 : 虚通路级 : 在虚通路连接 (VCC) 上执行的 OAM 功能 对应的 OAM 信息流称为 F5 信息流, 在 VCC 的连接端点或连接点间传送 虚通道级 : 在虚通道连接 (VPC) 上执行的 OAM 功能 对应的 OAM 信息流称为 F4 信息流, 在 VPC 的连接端点或连接点间传送 传输通道级 : 这一级 OAM 功能在完成传输系统净荷组装 / 拆卸的网络设备上执行, 所对应的 OAM 信息流称为 F3 信息流 一条传输通道由几个数字段组成 数字段级 : 在传输网的数字段端点间执行的 OAM 功能, 对应的 OAM 信息流称 F2 信息流 再生段级 : 在传输网的再生段端点间执行的 OAM 功能, 对应的 OAM 信息流称 F1 信息流 图 9-1 OAM 等级 OAM 信息流的传送 在物理层,OAM 信息流 (F1 F2 F3) 和传输系统的类型, 以及 NT1 和 NT2 中包含的对 TB 参考点的监视功能有关 华为机密, 未经许可不得扩散第 38 页, 共 53 页

44 在 SDH 中, 由 SOH( 段开销 ) 中的特殊字节传送 F1 和 F2 流,F3 由传输帧中的 POH( 通道开销 ) 来传送 在基于信元的传输系统中,F1 和 F3 由特殊的 OAM 信元来传送, 这些信元叫做物理层 OAM(PL-OAM) 信元 PL-OAM 信元由信头中特殊的编码组合来区分 这种系统不提供 F2 流, 但相关的功能由 F3 支持 这些信元仅仅在物理层有效, 它们不送到 ATM 层去 在 ATM 层 (F4 F5), 专门的信元用来实现 VC 和 VP 维护, 这些信元在管理平面的同层内传输 OAM 信息 F4 和 F5 流均分为两类 : 端到端流, 用于端到端 VPC 或 VCC 工作通信 段流, 用于一段链路范围内的 VPC 或 VCC 工作通信, 也可用于多段互连的链路, 但它们必须同在一个管理或组织的控制之下,F4 和 F5 流只能在 VPC/VCC 的终点或结束一段 VPC/VCC 的连接点处终止 华为机密, 未经许可不得扩散第 39 页, 共 53 页

45 ATM 协议技术与标准 文档密级 : 内部公开 第 10 章小 结 ATM 交换机以信元为单位进行交换, 采用统计复用的方法, 克服了窄带交换机独占资源, 浪费带宽的缺点 ;ATM 网络中传送业务前必须建立连接, 并且同时要协商或指定流量参数, 因此能提供可靠的服务质量保证 ATM 的统计复用是根据各种业务的统计特性, 在保证业务质量要求的前提下, 在各业务间动态地分配网络资源, 以达到最佳的资源利用率 这与电路交换有本质的区别 ATM 交换的过程就是改变 ATM 信元中 VPI VCI 的值, 因此,ATM 交换实际上是标签交换,VPI VCI 就是信元的标签 VPI/VCI 在交换机的一个端口内统一编号, 因此 ATM 交换是以端口为单位进行管理 ATM 交换机实质上是一个能将输入端口中的信元, 按照其标签送到它所要求的输出端口的功能块 ATM 网络中连接的建立方式有两种, 其中 PVC(P) 的方式不需要任何的信令过程 ATM 技术区分不同业务 (UBR RT-VBR NRT-VBR CBR ABR), 并具备完善的流量控制和拥塞控制 (CAC UPC/NPC EPD/PPD) 在 ATM 网络上实现 IP 业务接,RFC1577 (IPOA) 提供了 ATM 上的经典 IP 和 ARP(Classical IP and ARP over ATM, CLIP) 的解决方案, 考虑到 IP 在 ATM 网上通信,IP 分组必须在 AAL 层上进行适配, 从而在源端分段成信元并在目的端组装成分组 RFC1483 提供了这种适配的技术标准 RFC1483B 为在 ATM AAL5 PDU 上携带网络内部 ( 即局域网 ) 业务定义了两种封装办法 ATM 连接建立分为半永久连接和交换式虚连接, 对于交换式连接, 即信令方式, 目前涉及到的主要是 UNI 信令, 譬如 :UNI3.0 UNI3.1 UNI4.0 IISP PNNI1.0 等 对于 ATM 和 IP 两种技术, 都有各自的优缺点,MPLS 是未来的发展趋势, 它综合了 ATM 的交换和流量管理优势以及 IP 的灵活路由方式, 采用 VC 合并技术解决了 ATM 中存在的 N 平方问题, 同时 MPLS 采用等效转发类解决了 IP 的 QOS 问题 下面对 IP 网络和 ATM 网络各自特点做以下比较 华为机密, 未经许可不得扩散第 40 页, 共 53 页

46 ATM 协议技术与标准 文档密级 : 内部公开 IP 网络特点是 : 传输效率高 协议简单 端口速率易扩展 其网络简单, 运行费用低, 能基于庞大且性能稳定的 SDH 网, 且有一定的 QoS 服务质量保证能力 其缺点是 : 流量控制和带宽管理能力差, 可管理性和安全性差, 很难支持商业用户的企业互联和实时多媒体业务, 难以保证话音通信和视频通信的 QoS, ATM 网络的特点是 : 面向连接 带宽可控 安全性高 时延小的高品质多媒体应用和商业用户互联服务, 其优点是具有严格的 QoS 保障 多业务承载和技术成熟 但实现协议复杂 华为机密, 未经许可不得扩散第 41 页, 共 53 页

47 ATM 协议技术与标准 文档密级 : 内部公开 第 11 章附录华为宽带产品的流控举例 以下我们以华为传输产品 Metro3000 的流控测试情况来讲解 ATM 流控的一些具体含义, 相信大家通过这样的实际例子对各种流控参数会有一个清晰的概念 下为测试图,MA5100 起 IP 转 ATM 信元到 Metro 3000 的作用,Metro 3000 交换 PVC 光纤 光口 0 光口 1 COM0 COM1 Metro 3000 MA5100 ETH BTS0 BTS1 MMXA LANC FTP Server FTP Client 11.1 Metro3000 流控参数对 IP 包最大帧长的影响 PCR 对最大帧长的影响 将 MA5100 的流控不使能, 完全由 Metro3000 的流控参数发挥作用 ; 表 1,PCR 对最大帧长的影响 PCR (kbps) SCR (kbps) MBS CDVT (0.1us) PING (BYTE) PING (BIT) Cells 149,760 1, ,000 10,068 80, ,000 1, ,000 10,068 80, ,000 1,024 2,000 10,000 65, ,000 1,418 16,000 1, ,000 1,852 14, ,000 1, ,000 1,708 13, 华为机密, 未经许可不得扩散第 42 页, 共 53 页

48 ATM 协议技术与标准 文档密级 : 内部公开 14,000 1, ,000 1,564 12, ,800 1, ,000 1,472 11, ,000 1, ,000 1,380 11, ,000 1, ,000 1,140 9, ,000 1, , , ,000 1, , , ,000 1, , , ,024 1, , ,000 1,024 2,000 10,000 1,852 14, ,000 1,024 2,000 10,000 1,708 13, ,000 1,024 2,000 10,000 1,564 12, ,800 1,024 2,000 10,000 1,472 11, ,000 1,024 2,000 10,000 1,380 11, ,000 1,024 2,000 10,000 1,140 9, ,000 1,024 2,000 10, , ,000 1,024 2,000 10, , ,000 1,024 2,000 10, , ,024 1,024 2,000 10, 两级漏桶中, 第一级漏桶由 PCR 和 CDVT 决定,PCR*CDVT 的值应大于帧长的 bits 数, 在表格中,CDVT=1ms 时,PCR<=16000 时, 最大的包长与 MBS 无关,Ping 包长正比于 PCR, 长度大于 PCR 的包在第一级漏桶被过滤掉 ; MBS 对最大帧长的影响取 PCR 为线速,PCR 取值为线速, 此时 CDVT=1ms, 此时的 PCR*CDVT 值较大, 第一极漏桶允许最大的分组包通过, 不会成为瓶颈 ; 改变 MBS 的值, 测试所能通过的最大包长, 结果如下, 表 2:MBS 对最大帧长的影响 PCR (kbps) SCR (kbps) MBS CDVT (0.1us) PING (BYTE) PING(Bit) Cells 149, , ,000 10,068 80, , , ,000 16, , , , ,000 20, , , , ,000 27, , 华为机密, 未经许可不得扩散第 43 页, 共 53 页

49 ATM 协议技术与标准 文档密级 : 内部公开 149, , ,000 32, , , ,024 1, ,000 55, ,208 1, , ,024 1, ,000 60, ,488 1, , ,024 1, ,000 65, ,784 1, , ,024 1, ,000 65, ,000 1, , ,024 1, ,000 65, ,000 1, , ,024 1, ,000 65, ,000 1,418 此表格中,PCR 为线速时, 第一极漏桶允许最大的分组包通过, 此时的最大 帧长取决于第二极漏桶, 因而最大帧长与 MBS 有关 ; 所能通过的信元数目与 MBS 的大小成正比 在上面的数据中也表明, 当 CDVT*PCR 远远大于所能 通过的最大帧长时, 增加 MBS 的值可增加二级漏桶的深度, 参数 MBS 将直 接影响最大帧长 CDVT 对最大帧长的影响 实际应用中, 配置数据一般不将 PCR 设置为线速, 表 1 中的数据表明, 在 CDVT=1ms 时,MBS 对最大帧长几乎没有影响 ; 本表是在特定 PCR,SCR, MBS 组合下 CDVT 值与允许通过最大 Ping 包之间的关系 ; 表 3:CDVT 对最大帧长的影响 PCR (kbps) SCR (kbps) MBS CDVT (0.1us) PING (BYTE) PING(Bit) Cells 2,048 1, , , ,048 1, ,000 2,188 17, ,048 1, ,000 10,164 81, ,048 1, ,000,000 20, , ,048 1, ,000,000 40, , ,048 1, ,000,000 55, ,592 1,197 2,048 1, ,000,000 65, ,000 1,418 2,048 1, ,000,000 65, ,000 1,418 2,048 1, ,000,000 65, ,000 1,418 2,048 1, ,000,000 65, ,000 1,418 根据漏桶算法的参数设置 ; 第一级漏桶由 PCR*CDVT 决定, 第二级漏桶由 SCR*(BT+CDVT) 决定 ; 因而增加 CDVT 值是提高最大帧长行之有效的方 法 ; 华为机密, 未经许可不得扩散第 44 页, 共 53 页

50 ATM 协议技术与标准 文档密级 : 内部公开 11.2 结论 : 1. 最大帧长决定于两级漏桶, 第一级漏桶由 PCR*CDVT 决定, 第二级漏桶由 SCR*(BT+CDVT) 决定, 其中 [BT=MBS(1/SCR-1/PCR)], 当 CDVT 值较小时, 第一级漏桶会成为瓶颈, 此时最大的包长与 MBS 基本无关 ; 2. CDVT 值较小时, 可以通过增大 PCR 至线速保证第一级漏桶能通过最大分组包, 则此时的最大帧长取决于第二极漏桶, 因而最大帧长与 MBS 有关 ; 增加 MBS 的值可增加二级漏桶的深度, 参数 MBS 将直接影响最大帧长 3. 根据漏桶算法的参数设置 ; 第一级漏桶由 PCR*CDVT 决定, 第二级漏桶由 SCR*(BT+CDVT) 决定 ; 增加 CDVT 值是提高最大帧长行之有效的方法 ; 11.3 Metro3000 流控参数变化对文件传输速度的影响 PCR 与文件传输速度的关系 理论及实验表明,Metro3000 产品当 BT+CDVT>1.15s 时,Metro3000 的二级漏桶将失效 ; 因此取 BT+CDVT=1s 可以确保二级漏桶发挥作用 表格 4 中, BT=0.424*(MBS-1)(1/SCR-1/PCR);( 单位 s) CDVT=(1-BT)* ;( 单位 0.1us) 表 4 测试的是 PCR 的值对文件传输速度的影响 ; PCR (kbps) SCR (kbps) MBS BT (s) CDVT (0.1us) 一 二级漏桶之比 FTP1 (kbps) 效率 , ,744, % % 1, , ,718, % % , ,372, % % 1, , ,859, % % 100, , ,761, % % 149, , ,747, % % 1,500 1,024 2, ,372, % % 2,000 1,024 2, ,958, % % 3,000 1,024 2, ,545, % % 10,000 1,024 2, ,566, % % 20,000 1,024 2, ,142, % % 50,000 1,024 2, ,888, % % 华为机密, 未经许可不得扩散第 45 页, 共 53 页

51 ATM 协议技术与标准 文档密级 : 内部公开 100,000 1,024 2, ,803, % % 149,760 1,024 2, ,775, % % 2,000 1,024 1, ,979, % % 3,000 1,024 1, ,272, % % 10,000 1,024 1, ,283, % % 100,000 1,024 1, ,901, % % 149,760 1,024 1, ,887, % % 3,000 2,000 2, ,586, % % 4,000 2,000 2, ,880, % % 10,000 2,000 2, ,608, % % 100,000 2,000 2, ,844, % % 149,760 2,000 2, ,816, % % 3,000 2,000 1, ,293, % % 4,000 2,000 1, ,940, % % 10,000 2,000 1, ,304, % % 100,000 2,000 1, ,922, % % 155,000 2,000 1, ,907, % % 6,000 4,000 2, ,293, % % 8,000 4,000 2, ,940, % % 10,000 4,000 2, ,728, % % 20,000 4,000 2, ,304, % % 50,000 4,000 2, ,049, % % 100,000 4,000 2, ,964, % % 149,760 4,000 2, ,936, % % 6,000 4,000 1, ,646, % % 8,000 4,000 1, ,470, % % 10,000 4,000 1, ,364, % % 20,000 4,000 1, ,152, % % 50,000 4,000 1, ,024, % % 100,000 4,000 1, ,982, % % 149,760 4,000 1, ,968, % % ( 注 bps=bits/s,bps=byte/s, 下同 ) 公式 :BT=0.424*(MBS-1)(1/SCR-1/PCR) 华为机密, 未经许可不得扩散第 46 页, 共 53 页

52 ATM 协议技术与标准 文档密级 : 内部公开 CDVT=(1-BT)* 代出 1. PCR 值越大, 则 BT 的值越大 ; 当 MBS 值较大,SCR 较小时,BT 值也会很大 ; 2. 表中的前两项结果表明, 一级漏桶小于二级漏桶时 ( 当 CDVT 值小,PCR 的值也不大时 ), 第一级漏桶 ( 等于 CDVT*PCR) 成为瓶颈, 所以文件传输效率较低 ; 3. 从表中看出在 SCR 小于 2000kbps 时,MBS 的取值对速度有较大影响 ; 而当 SCR>2000kbps 时, 由于 MBS 取值变化不会造成较大的 BT 值变化, 造成 MBS 的取值对速度没有明显影响 ; 表格 5: 不同 BT+CDVT 值对 FTP 速度的影响 PCR (kbps) SCR (kbps) MBS BT (s) Cdvt1 (0.1us) FTP1 (kbps) Cdvt2 (0.1us) FTP2 (kbps) Cdvt3 (0.1us) FTP3 (kbps) 1, , ,859, ,859, , ,000 1,024 2, ,958, ,958, , ,000 1,024 1, ,979, ,979, ,979, ,000 2,000 2, ,880, ,880, ,880, ,000 2,000 1, ,940, ,940, ,940, ,000 4,000 2, ,940, ,940, ,940, ,000 4,000 1, ,470, ,470, ,470, 上表 CDVT+BT 的值减小时, 两级漏桶深度均变浅, 此时文件传输速度下降 ; 表格中第二行和第三行的 FTP3 速度相差十分明显, 表明 MBS 取值与 BT+CDVT 有一定联系, 此处 MBS 取值不合适时, 导致较小的 CDVT, 此时 第一级漏桶成为瓶颈 ; 11.4 结论 : 1 在 SCR 值确定的前提下, 增大 PCR 的值对文件传输速度贡献不大, 文件传输速度在 PVC 链路参数满足一定的条件下, 起决定作用的为 SCR 2 MBS 的取值要符合两级漏桶之间关系的要求, 并非越大越好 根据以上实际测试数据表及两级漏桶的工作原理, 可得出下述配置原则 : 11.5 流控参数配置原则 1 MBS 取值的原则 华为机密, 未经许可不得扩散第 47 页, 共 53 页

53 ATM 协议技术与标准 文档密级 : 内部公开 根据两级漏桶的工作原理 : 需满足 SCR*(BT+CDVT)<= PCR*CDVT (1) 才能保证第一级漏桶不成为瓶颈 ; 又 BT=(MBS-1)*(1/SCR-1/PCR) (2) 从而推出 SCR*(MBS-1)(1/SCR-1/PCR)<=(PCR-SCR)*CDVT (3) MBS<=PCR*CDVT (4) 从而 MBS 的最大取值为 MBSmax=SCR*(BT+CDVT)=CDVT*PCR; (5) MBS 的取值范围与 SCR 的取值成正比, 当 SCR=512kbps=1207Cells/s 时, 如果取 CDVT+BT=1s,MBS=SCR, 最大取值为 1207; 如果按 8750 的 CDVT+BT=0.7s 来取值, 则 MBS 的最大值为 845; 实验表明,SCR=512kbps 时,MBS 取值为 2000 时, 文件传输的效率较低 ; 2 CDVT 配置原则针对 Metro 产品的流控特性, 在允许的范围内用较大的 CDVT 时, 文件传输效率越高 华为机密, 未经许可不得扩散第 48 页, 共 53 页