ATM教程：傳輸層

一、ATM中的傳輸層

很難說清ATM是否有傳輸層。一方面，ATM層具有網絡層的功能，并且其上還有一層（AAL），從分層角度看AAL便是傳輸層。一些專家同意這一觀點。此處所使用的協議之一（AAL5）功能上類似于UDP，而UDP無疑是傳輸層協議。另一方面，沒有任何一個AAL協議像TCP那樣提供可靠的端到端的連接（盡管這些協議只需做很小的變化即可）。另外，在多數應用中，在AAL之上還使用了另一個傳輸層。不再細究了，就在這一章中討論AAL層及其協議，而不管它是不是真正的傳輸層。

ATM網絡的AAL層與TCP具有本質區別，其主要原因是設計者對傳輸音頻和視頻數據流更有興趣，為此迅速傳送比精確地傳送更重要。ATM層連續輸出53字節的信元。信元中沒有差錯控制、沒有流量控制以及其他種類的控制。所以，它不能很好地滿足多數應用的要求。為了彌補這一不足，在建議I.363中，ITU在ATM層之上定義了一個端到端的層。這一層稱為ATM適配層AAL(ATMadaptationlayer)，它經歷了一段曲折的歷史：充滿了錯誤、反復修訂以及未完成的工作。

AAL的目標是向應用提供有用的服務，并將它們與在發送端（方）將數據分割為信元、在接收端（方）將信元重新組織為數據的機制隔離開來。它按照3個坐標軸來組織服務空間：

1、實時服務和非實時服務。
2、恒定比特率服務和變化的比特率服務。
3、面向連接的服務和非連接的服務。

原則上，用3個坐標軸和每個坐標軸上的2個值可以定義8種不同的服務，如下圖。ITU覺得只有其中的4個有使用價值，并分別命名為類A、B、C、D。其他幾種則未得到支持。從ATM4.0開始，該圖有些過時，所以在這里提出它來主要是作為背景信息，以幫助讀者了解為什么AAL協議設計為目前這個樣子。目前主要的不同是傳輸類（ABR、CBR、NRT-VBR、RT-VBR和UBR）之間，而不是這些AAL支持的服務類之間。

AAL支持的基本服務類（現已過時）

為了處理這4類服務，ITU定義了4個協議而后來發現對于類C和類D的技術要求十分相似，從而將AAL3和AAL4合為AAL3/4。計算機工業當時昏然不覺，后來才發現它們都不令人滿意。后來暫且定義了另一種協議--AAL5來解決這個問題。

　

二、ATM適配層的結構

ATM適配層的上面部分稱為會聚子層(cenvergencesublayer)。其作用是向應用程序提供一個接口。它又是由兩個子部分組成：一個是對所有應用程序都通用的公共部分（相對于給定的AAL協議），另一個是與應用程序相關的子部分。其中每個部分的作用都是與協議相關的，但是可以包括報文分幀和錯誤檢測。

在發送端，會聚子層負責接收來自于應用程序的比特流（數據）或隨機長度的報文，并將它們分為44~48字節的單元以便傳輸。確切的大小有賴于所用的協議，因為一些協議要占用48字節ATM載荷中的一部分作為自己的頭。在接收端，該子層將信元重組為原始的報文。通常情況下，報文分界（如果存在）是要保留的。

AAL下面的部分稱為分割和重組SAR(segmentationandreassembly)子層。它將會聚子層交給它的數據單元加上頭和尾從而構成信元有效載荷。接著，這些載荷被交給ATM層進行傳送。在接收端，SAR子層將信元重組為報文。SAR子層基本上只涉及信元，而會聚子層則與報文打交道。

SAR子層對于某些（但不是所有的）服務類來說，還有另外一些功能。特別是，它有時候可以進行錯誤檢測和多路復用。SAR子層對于所有服務類都是存在的但功能的強弱則依賴于其特定的協議。

　

三、AAL1

AAL1是用于A類傳輸的協議。A類傳輸是指實時的、恒定比特率的、面向連接的傳輸，例如非壓縮的音頻和視頻數據。輸入的是比特流，不存在報文分界。對于這種傳輸，并沒有使用像停--等這樣的錯誤檢測協議，因為由超時和重發機制引入的延遲是不能接受的。但是，丟失信元時會通知應用程序，由它采取措施（如果可能的話）來進行彌補。

AAL1使用了一個會聚子層和SAR子層。會聚子層檢測丟失和誤入的信元，平緩輸入的數據速率從而以恒定的速度發送信元。最后，會聚子層將輸入的報文或比特流分解為46字節或47字節的單元，然后交給SAR子層處理。在另一端（接收方）它取出這些數據單元，重組為原始的輸入。AAL1的會聚子層沒有自己的協議頭信息。

相反，AAL1的SAR子層有自己的協議。其信元格式如下圖。兩種格式都是以1字節的頭開始：其中包含3字節的信元序號SN（用于檢測是否丟失或誤入了信元）；該字段之后是3位的序號保護字段SNP（即校驗和），可以改正信元序號字段中的單個錯誤并檢測出現兩個錯誤的情況。

當必須保留報文分界時使用P信元。指針(Pointer)字段用于給出下一段報文起始位置的偏移量。

　

四、AAL2

AAL1是針對簡單的、面向連接的、實時數據流而設計的，除了具有對丟失和誤入信元的檢測機制外，它沒有錯誤檢測功能。對于單純的未經壓縮的音頻或視頻數據，或者其中偶爾有一些較重要的位的其他任何數據流都沒有什么問題，AAL1就已經足夠了。

對于壓縮的音頻或視頻數據，數據傳輸速率隨時間會有很大的變化。例如，很多壓縮方案在傳送視頻數據時，先周期性地發送完整的視頻數據，然后只發送相鄰順序幀之間的差別，最后再發送完整的一幀。當鏡頭靜止不動并且沒有東西發生移動時，則差別幀很小。其次，必須要保留報文分界，以便能區分出下一個滿幀的開始位置，甚至在出現丟失信元或壞數據時也是如此。由于這些原因，需要一種更完善的協議。AAL2就是針對這一目的而設計的。

像在AAL1中一樣，AAL2的會聚子層沒有本身協議而SAR子層有本身協議。SAR信元的格式如下圖：

AAL2的信元格式

序號SN(SequenceNumber)字段用于記錄信元的編號以便檢測信元丟失或誤入。信息類型IT(InformationType)字段用于指明該信元是報文的開始、中間或末尾。長度指示LI(LengthIndicator)字段指明有效載荷是多大，單位為字節（有效載荷可能小于45字節）。最后，CRC字段是整個信元的校驗和，可以檢測出錯誤。

標準中并沒有注明各字段的大小。據說在標準化進程的最后關頭，委員會成員覺得AAL2有許多問題，以致不能投入使用，但為時已晚，沒有辦法組織標準化的進程。最后委員們去掉了所有的字段大小的設定以使正式標準能夠按時頒布，但這樣便沒有人能夠實際使用它。

　

五、AAL3/4

開始時，ITU為服務類C和D制訂了不同的協議（服務類C和D分別是對數據丟失或出錯敏感，但不具有實時性的面向連接和非連接的數據傳輸服務類）。后來ITU發現沒有必要指定兩套協議，于是便將它們合二為一，形成了一個單獨的協議，即AAL3/4。

AAL3/4可以按兩種模式進行操作，即流和報文。在流模式中不保留報文分界信息。以下將集中討論流模式。在每種模式中都可能出現可靠的傳輸和不可靠的（即不保證可靠性）的傳輸。

AAL3/4具有一個其他協議中沒有的性能--支持多路復用。AAL3/4的這一功能允許來自于一臺主機的多個會話（如遠程登錄）沿著同一條虛電路傳輸并在目的端分離出來。使用一條虛電路的所有會話得到相同質量的服務，因為這是由虛電路本身性質所決定的。

和AAL1、AAL2不一樣，AAL3/4具有會聚子層協議和SAR子層協議。從應用程序到達會聚子層的報文最大可達65535字節。首先將其填充為4的整數倍字節。接著加上頭和尾信息。在會聚子層對保溫進行了重構，并加上了頭和尾信息后，便將報文傳送給SAR子層，由SAR子層將報文分為最大44字節的數據片。

AAL3/4具有兩層協議開銷：每個報文需要增加8字節，每個信元增加4字節?？傊?，它是一種開銷極大的機制，尤其是對短的報文。

　

六、AAL5

從AAL1到AAL3/4協議主要是由電信工業設計的并被ITU標準化，它沒有太多地考慮計算機工業的要求。由于兩個協議層所導致的復雜性及低效性，再加上校驗和字段十分短（僅10位），使一些研究人員萌生了一個制訂新的適配層協議的念頭。該協議被稱為簡單有效的適配層SEAL(simpleefficientadaptationlayer)，經過論證，ATM論壇接受了SEAL，并為它起名叫AAL5。

AAL5向其應用程序提供了幾種服務。一種選擇是可靠服務（即采用流控機制來保證傳輸，以防過載）；另一種選擇是不可靠服務（即不提供數據傳輸保證措施），通過選項使校驗錯的信元或者丟失或者傳送給應用程序（但被標識為壞信元）。AAL5支持點到點方式和多點播送方式的傳輸，但多點播送方式未提供數據傳輸的保證措施。

像AAL3/4一樣，AAL5支持報文模式和流模式。在報文模式中，應用程序可以將長度從1字節~65535字節的數據報傳送到AAL層。當到達會聚子層時，將報文填充至有效載荷字段并加上尾部信息，選擇填充數據（0字節~47字節），以使整個報文（包括填補的數據和尾部信息）為48字一節的整數倍。AAL5沒有會聚子層頭，只有一個8字節的尾。

用戶到用戶UU（UsertoUser）字段不用于AAL層本身，而是為了自己的目的供更高一層（可能是會聚子層的特定服務子部分）使用，例如，排序或者多路復用。長度（Length）字段指出真正的有效載荷是多少，以字節為單位，不包括填充的字節數。0值用于終止未傳送完畢的報文。CRC字段是基于整個報文的標準32位校驗和，包括填充數據和尾部信息（CRC字段設置為0）。尾部的一個8位的字段留作將來使用。

報文交給SAR子層，然后發送出去。在SAR子層不增加任何頭、尾信息，而是將報文分成48字節的單元，并將每個單元送到ATM層進行傳輸。它還通知ATM層將最后信元的PTI字段置為1，以便保留報文分界。（這時出現了一個問題：這是一種不正確的協議層混合體，因為AAL層不該使用ATM層的頭部信息。）

AAL5較AAL3/4的主要優點是更加高效。雖然AAL3/4對每個報文只增加4字節的頭信息，但它還要為每個信元增加4字節的頭信息，因而使有效載荷的容量減少到44字節，對于長的報文，無效數據占8%。AAL5的每個報文有一個稍大的尾部（8字節），但每個信元無額外開銷。信元中沒有順序號，可以通過長的校驗和來彌補，從而可以檢測丟失的、誤插的或錯誤的信元，而不需要使用順序號。

在因特網中，與ATM網接口的一般方法是使用AAL5的有效載荷字段來傳輸IP分組。與這種方法相關的各種問題在RFC1483和RFC1577中進行了討論。

　

七、AAL協議的比較

各種AAL協議似乎不必要地相似，并且考慮得很不周到，把會聚子層和SAR子層區分開也是有疑問的，尤其是因為AAL5的SAR子層并無任何自己的特點。用稍微增強一些的ATM層頭部信息來提供像排序、多路復用和數據分幀的功能便足夠了。

AAL給人的整體印象是變體很多，變體之間存在很多細微的差別，而且尚未完工。原來的4個服務類A、B、C、D實際上已被廢除。AAL1可能確實沒有必要存在；AAL2不完整；AAL3和AAL4永無出頭之日；AAL3/4效率低而且校驗和字段位數太少。

將來的一切都依賴于AAL5，但到目前為止，AAL5尚有很多改進的余地。AAL5報文應該有一個順序號和一位用于區分數據還是控制報文的標志位，從而可以成為一種可靠的傳輸協議?？梢杂梦膊康奈从每臻g來實現上述功能。

　

八、SSCOP--特定服務的面向連接協議

盡管有這么多不相同的AAL協議，但沒有一種支持簡單可靠的點到點的傳輸連接。需要這種服務的應用程序可以使用另一種協議--特定服務的面向連接協議SSCOP(servicespecificlearcase/" target="_blank" >cconnectionorientedprotocol)。但是，SSCOP只是用于控制，不能用于數據傳輸。

SSCOP用戶發送報文，每個報文都被賦予一個24位的順序號。報文最大可達64KB，而且不能分開。它們必須按順序傳送。不像某些可靠的傳輸協議，它丟失報文時總是有選擇性地進行重傳而不是回到序號n，重傳n以后的所有的報文。

SSCOP從根本上說是一種動態滑動窗口協議。對于每個連接，接收方保留準備接收報文序號的窗口，及標明該報文是否已經存在的位圖(bitmap)。這個窗口在協議操作期間可以改變大小。

SSCOP的不尋常之處是對確認的處理方法：它沒有捎帶機制。取而代之的是發送方定期地查詢接收方，要求它發送回表明窗口狀態的位圖。據此，發送方丟棄已被對方接收的報文并更新其窗口。

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