William Stallings Data and Computer Communications Chapter 11

William Stallings Data and Computer Communications Chapter 11 非同步傳輸模式與訊框中繼 (Asynchronous Transfer Mode and Frame Relay)

協定架構 (Protocol Architecture) ATM與封包交換 (packet switching)相似之處 以離散的片段 (discrete chunks)做資料傳輸 在單一實體介面 (physical interface)上可以有多條 邏輯連接 (logical connections) 在每一條邏輯連接的 ATM資料流 (flow)中傳送 的是稱為細包 (cell)的固定大小 (fixed sized)封 包 最少的錯誤與流量控制 (error and flow control) 降低額外負擔 (overhead) 實體層資料率 (data rates)為 25. 6 Mbps到 622. 08 Mbps

協定架構 (圖示 )

參考模型層面 (Reference Model Planes) 使用者層面 (User plane) 提供使用者資訊之傳輸 控制層面 (Control plane) 通話與連接控制 (Call and connection control) 管理層面 (Management plane) 層面管理 (Plane management) 完整的系統功能 (whole system functions) 層級管理 (Layer management) 協定個體 (protocol entities)中的資源 (Resources)與參數 (parameters)

ATM 邏輯連接 (Logical Connections) 虛擬通道連接 (Virtual channel connections, VCC) 相當於 X. 25中的虛擬電路 (virtual circuit) 交換的基本單元 (Basic unit of switching) 介於兩個端點使用者 (end users)之間 全雙 (Full duplex) 固定大小之細包 (Fixed size cells) 資料 Data, 使用者／網路間交換 (user-network exchange) (控制 (control))以及網路間交換 (network exchange) (網路管理與路由 (network management and routing)) 虛擬路徑連接 (Virtual path connection, VPC) 束捆 (Bundle)相同端點間之 VCC

ATM 連接關係 (Connection Relationships)

虛擬路徑之優點 簡化網路結構 增加網路效能 (performance)與可靠性 (reliability) 降低處理負擔 縮短連接建立時間 (connection setup time) 增進網路服務

以 VP建立通話 (Call Establishment Using VPs

虛擬通道連接之使用 (Virtual Channel Connection Uses) 介於兩端點使用者之間 端點對端點使用者資料 控制訊號 (control signals) VPC 提供整體的傳送能力 (overall capacity) 由使用者組織 VCC 介於端點使用者與網路之間 控制訊令 (control signaling) 介於網路個體 (network entities)之間 網路交通管理 (network traffic management) 路由 (routing)

VP/VC 特徵 (Characteristics) 服務品質 (quality of service) 交換式的 (switched)以及半永久的 (semipermanent)通道連接 通話序列整合 (call sequence integrity) 交通量參數交涉 (traffic parameter negotiation) 以及使用情形監測 (usage monitoring) VPC 才有的 在 VPC之內的虛擬通道識別碼 (Virtual channel identifier)限制

控制訊令 (Control Signaling) – 虛 擬通道連接 (VCC) 在個別的連接上執行 半永久的 (semi-permanent) VCC 主控訊令通道 (meta-signaling channel) 作為永久的控制訊號通道 使用 (permanent control signal channel) 使用者至網路的 (user to network)訊令虛擬通道 作為控制訊令 (for control signaling) 用以設定 (set up) VCCs以載送使用者資料 使用者至使用者的 (user to user)訊令虛擬通道 含於事先建立完成的 (pre-established) VPC之內 讓兩端點使用者在建立 (establish)或解除 (release)使用者至使 用者的 VCC時不需涉及網路 (without network intervention)

控制訊令 (Control Signaling) – 虛 擬路徑連接 (VPC) 半永久的 (semi-permanent) 用戶控制的 (customer controlled) 網路控制的 (network controlled)

ATM 細包 (Cells) 固定大小 (Fixed size) 5 位元組 (octet)標頭 (header) 48 位元組資訊欄位 (information field) 小細包降低對於高優先權細包 (high priority cells)的佇列延遲 (queuing delay) 小細包可以更有效率地被交換 交換小細包之硬體更容易設計

ATM 細包格式 (Cell Format)

標頭格式 (Header Format) 一般流量控制 (generic flow control) 只有在使用者至網路介面 interface) 只在此處控制流量 (user to network 虛擬路徑識別碼 (virtual path identifier) 虛擬通道識別碼 (virtual channel identifier) 負載型態 (payload type) 例如使用者資訊 (user info)或是網路管理 (network management) 細包遺失優先等級 (cell loss priority) 標頭錯誤控制 (header error control)

一般流量控制 (Generic Flow Control, GFC) 在使用者至網路介面 (user to network interface, UNI) 上控制交通流量以減輕短期的過載 (short term overload) 兩套程序 未控制的傳輸 (Uncontrolled transmission) 控制的傳輸 (Controlled transmission) 每條連接可接受流量控制或不接受 接受流量控制 (Subject to flow control) 可以預設的單一群組 (A) 可以是兩個群組 (A與 B)—雙佇列 流量控制是從客戶至網路 被網路這一方所控制

單一群組的連接 (Single Group of Connections) (1) 終端設備 (Terminal equipment, TE)起始兩個變 數 TRANSMIT旗標設為 1 GO_CNTR (額度計數器， credit counter)設為 0 若 TRANSMIT=1， 則在未控制的連接上之細包 可以隨時傳送 若 TRANSMIT=0， 則不能傳送任何細包 (在控制 的或未控制的連接上 ) 若收到 HALT, TRANSMIT 設為 0且持續至收到 NO_HALT

單一群組的連接 (Single Group of Connections) (2) 若 TRANSMIT=1且在任何的未控制連接上無 細包要傳送，則： 若 GO_CNTR>0, TE 可送出在控制連接上之細包 細包被標幟 (marked)為正在控制的連接上 GO_CNTR 減一 若 GO_CNTR=0, TE 不可以在控制連接上作傳送 當收到 SET 訊號，TE 設定 GO_CNTR 為 GO_VALUE 空訊號 (Null signal)無作用 (no effect)

HALT的用處 以限制在 ATM上的有效資料率 (effective data rate) 必須是循環的 (cyclic) 資料率欲減半 , 則 HALT發行作用 (issued in effect)50%的時間 在連接的生命期當中以規律之型態 (regular pattern)運作

雙佇列模型 (Two Queue Model) 兩個計數器 GO_CNTR_A, GO_VALUE_A, GO_CNTR_B, GO_VALUE_B

標頭錯誤控制 (Header Error Control, HEC) 8 位元錯誤控制欄位 (error control field) 由標頭中其他的 32位元計算得到 可做到一些錯誤更正 (error correction)

在接收端的錯誤控制運作 (HEC Operation at Receiver)

在細包標頭錯 誤的影響

隨機位元錯誤之衝擊 (Impact of Random Bit Errors)

ATM細包之傳輸 622. 08 Mbps 155. 52 Mbps 51. 84 Mbps 25. 6 Mbps 基於細包的 (Cell Based)實體層 基於同步資料階層的 (SDH based)實體層

基於細包的實體層 (Cell Based Physical Layer) 無額外之分框負擔 (No framing imposed) 連續的 (53位元組 )細包流串 (stream) 細包的分界 (Cell delineation)是基於標頭的錯 誤控制欄位

細包分界的狀態圖 (Cell Delineation State Diagram)

隨機位元錯誤對於細包分界效能之 衝擊

粹取時間 (Acquisition Time) v 位 元錯誤率 (Bit Error Rate)

基於同步資料階層 (SDH)的實體層 在 ATM流串上加上額外結構 例如，使用 155. 52 Mbps的同步光纖網路 使用 STM-1 (STS-3)訊框 (frame) 可以同時載送 ATM及 STM負載 (payloads) 某些特定之連接可以使用 SDH通道作電路交 換 (circuit switched using SDH channel) SDH多 技術可用以結合若干個 ATM流串

基於 SDH ATM細包傳輸的 STM-1負 載

ATM 服務分類 (Service Categories) 即時 (Real time) 固定位元速率 (Constant bit rate, CBR) 即時變動位元速率 (Real time variable bit rate, rt. VBR) 非即時 (Non-real time) 非即時變動位元速率 (Non-real time variable bit rate, nrt-VBR) 可利用位元速率 (Available bit rate, ABR) 未指定位元速率 (Unspecified bit rate, UBR)

即時服務 (Real Time Services) 延遲量 (Amount of delay) 延遲的變異 (Variation of delay) (又稱 jitter)

固定位元速率 (CBR) 有持續固定的資料率可供使用 延遲有嚴謹的上限 (tight upper bound) 用於未經壓縮的音訊或視訊 (uncompressed audio and video) 視訊會議 (video conferencing) 交談音訊 (interactive audio) 影音 (A/V)播放與存取 (distribution and retrieval)

即時變動位元速率 (rt-VBR) 對時間敏感的應用 (time sensitive application) 有嚴謹的延遲 (delay)與延遲變異之限制 (delay variation) rt-VBR 應用程式的傳送速率會隨時間變動 例如：經壓縮的視訊 (compressed video) 產生資料量不一的影像畫面 (varying sized image frames) 原始未經壓縮的 (uncompressed)畫面速率是固定的 (constant) 因此，壓縮後資料率是變動的 可以統計式分時多 多條連接 multiplex connections) (statistically

非即時性變動位元速率 (nrt-VBR) 可能可以描繪預期交通流量 (expected traffic flow)的特徵 (characterization) 在遺失率及延遲上增進服務品質 (Qo. S) 端點系統指定： 尖峰細包速率 (Peak cell rate) 支撐的 (Sustainable)或是平均的 (average)速率 量測 (measure)突發的交通量 (bursty traffic)為如何 例如：航空訂位 (airline reservations), 銀行交易 (banking transactions)

未指定的位元速率 (UBR) 除了被 CBR及 VBR交通量所使用外，可能還有 多餘的通訊容量 (additional capacity) 並非所有的資源 (resources)皆被使用 VBR的突發性本質 (bursty nature) 適用於那些可容忍 (tolerate)某些封包遺失或 變動延遲的應用 例如：基於TCP的交通 以先進先出方式轉傳細包 (Cells forwarded on FIFO basis) 盡力而為的服務 (Best efforts service)

可利用位元速率 (ABR) 應用程式指定尖峰細包速率 (peak cell rate, PCR) 及最起碼的細包速率 (minimum cell rate, MCR) 配置資源以得到至少 MCR的速率 空下的容量 (spare capacity)再由所有 ABR資源 所分享 例如：區域網路連結 (LAN interconnection)

ATM 位元速率服務 (Bit Rate Services)

ATM 適應層 (Adaptation Layer) 支援非基於 ATM的資訊傳輸協定 PCM (語音，voice) 將位元組合成細包 (Assemble bits into cells) 再組合成接連不連的資料流 IP 將 IP封包映射成 (map onto) ATM細包 分割 (fragment)IP封包 於 ATM之上使用 LAPF以保留所有 IP基礎結構 (infrastructure)

適應用層服務 (Adaptation Layer Services) 處理傳輸錯誤 (handle transmission errors) 分段與重組 (segmentation and re-assembly) 處理遺失 (lost)與誤植的細包 (misinserted) 流量控制 (flow control)及時序 (timing)

被支援的應用型態 電路模擬 (circuit emulation) VBR 聲音 (voice)及視訊 (video) 一般的資料服務 (general data service) 於 ATM上的 IP (IP over ATM) 於 ATM上的多重協定封裝 (Multiprotocol Encapsulation over ATM, MPOA) IPX, Apple. Talk, DECNET 區域網路模擬 (LAN emulation)

ATM調適層協定 (AAL Protocols) 收歛子層 (Convergence sublayer, CS) 以支援特定應用 AAL使用者附著於服務存取點 (SAP) 分段與重組子層 (Segmentation and reassembly sublayer, SAR) 包裝 (Packages)及解包裝 (unpacks)來自收歛子層的 資訊成為細包 四種型態 (types) Type 1 2 3/4 5

AAL協定

分段與重組封包資料單元 (PDU)

AAL Type 1 CBR來源端 (source) 分段與重組子層 (SAR)包裝與解包裝位元資料 區塊伴隨著序號 (block accompanied by sequence number)

AAL Type 2 VBR 類比應用 (analog applications)

AAL Type 3/4 非連接導向 (Connectionless)或連接導向 (connected) 訊息模式 (Message mode)或流串模式 (stream mode)

AAL Type 5 為連接導向的上層協定提供串列傳輸 (streamlined transport)

共同部分收歛 子層 (CPCS) PDUs

AAL 5 傳輸範例

訊框中繼 (Frame Relay) 為比 X. 25更有效率而設計 在 ATM之前被發展 比 ATM更普遍被安裝 (larger installed base) ATM 現在主要在高速網路 (high speed networks)上發展

訊框中繼的基礎 (Background) X. 25 通話控制封包 (call control packets), 帶內訊令 (in band signaling) 在第三層做虛擬電路之多 (multiplexing of virtual circuits at layer 3) 第二層與第三層包含流量與錯誤控制 可觀的額外負擔 對現今高可靠度 (high reliability)的速位系統而 言並不適當

訊框中繼 (Frame Relay) – 不同之 處 (Differences) 通話控制以獨立的邏輯連接載送 (carried in separate logical connection) 多 (multiplexing)及交換 (switching)在第二層 做 省了一層的處理 無相鄰點間的錯誤控制或流量控制 (No hop by hop error or flow control) 端點對端點的流量與錯誤控制 (若有 )是在較 高層進行 使用者資料訊框由來源端一路地送到目的端， 然後，認可 (ACK)從目的端 (較高層 )一路地送 回

優缺點 失去逐一線路的錯誤與流量控制 error and flow control) (link by link 由於可靠度的增加使此較不成問題 串列式的通訊程序 (Streamlined communications process) 最少的延遲 (Lower delay) 較高的輸出率 (Higher throughput) ITU-T 所建議的訊框中繼，其輸出率高於 2 Mbps

協定結構 (Protocol Architecture)

控制層面 (Control Plane) 介於用戶 (subscriber)與網路 (network)之間 使用獨立的邏輯通道 與電路交換服務 (circuit switching services)的共同通 道訊令 (common channel signaling)相似 資料鏈結層 LAPD (Q. 921) 可靠的資料鏈結控制 錯誤與流量控制 介於使用者 (TE)與網路 (NT)之間 用以交換 Q. 933 控制訊號訊息

使用者層面 (User Plane) 端點對端點的功能性 介於端點間的資料傳送 LAPF (訊框模式運送服務的鏈結存取程序， Link Access Procedure for Frame Mode Bearer Services) Q. 922 訊框分界 (delimiting)， 對位 (alignment)， 以及穿透性 (transparency) 使用位址欄的訊框多 與解多 確保訊框是八位元之整數倍 (integral number of octets) (位元 0 之加入或抽除 (insertion/extraction)) 確保訊框不會太長或太短 傳輸錯誤之偵測 擁塞控制功能

LAPF 核心格式 (Core Formats)

使用者資料傳送 (User Data Transfer) 一種訊框型態 (One frame type) 使用者資料 無控制訊框 無帶內訊令 (No inband signaling) 無序號 (No sequence numbers) 無流量控制與錯誤控制

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