ATM交换网络的相关分析

    作者：任琛

    摘要：ATM交换网络作为多业务数据承载平台，融合了电路交换和数据交换的优点，已经广为电信运营商采用，但在其提供端到端的桌面应用时，存在与用户端设备协议配合的局限和对本地网传输资源利用不足的缺陷。

    本文就如何解决这个问题进行了讨论并提出了解决办法，该方法已通过开发样机进行了测试和验证。

    关键词：ATM交换F/R交换机

    一、ATM技术及其多种数据业务交换承载网络

    1.ATM技术简述

    我们常说的ATM(ASYNCHRONOUSTRANSFERMODE)也就是异步传输模式，具有分组交换和电路交换的优点，对应于OSI协议参考模型的第2层。ATM通过AAL层适配，将不同业务应用接纳进来。

    由于ATM的技术先进性，有能力在一个公共网络架构中复用包括F/R(FrameRelay)电路、基于TCP/IP的接入和承载、ATM电路多种不同的服务，在交换型多业务数据承载网络中扮演着重要的角色。因此，电信运营商使用它作为多种数据业务骨干交换承载网络。

    2.ATM技术在数据交换网络中的应用

    常规情况下，一般采用622M/155MATM交换机作为端局使用，通过SDH封装或光纤直联方式的622M/155M电路将各端局汇接于地区核心局。地区核心局设备一般采用2.5G以上背板交换能力的ATM交换机通过SDH封装或光纤直联的622M以上电路完成网络构件。在各交换机上基本都提供ATM单模/多模光口、2M/34M端口、IP端口，在与用户的对接上ATM电路通过光口提供，按照需求进行不同带宽的开通；通过2M/34M端口提供信道化或非信道化的F/R电路；通过IP端口提供基于TCP/IP的对接，如下图所示：

    传统基于ATM承载网络的数据专线接入模式

    3.ATM交换网络结构和业务支持中所存在的不足

    就ATM协议信元交换的概念而言，ATM网络应该完成的功能不是OSI第2层规定的数据链路层功能，而是复用和交换功能，但在目前电信运营商使用的ATM多业务承载交换网中却存在着以下不足之处：

    (1)因为目前端局ATM交换机开放的专线业务，用户实际都是通过电信运营商的本地传输网接入，导致本地中继利用率低，而且不适用于突发的数据业务。

    (2)另外ATM端局/汇接局交换设备和端口板价格偏贵，而通过独享方式开放业务，则会迅速耗尽端口资源。如果能将ATM交换机的非信道化E1端口复用给几个用户，将大大提高端口利用率。

    (3)一般情况下ATM交换机没有配置CES端口，因此只能开展F/R业务，即要求用户端设备支持F/R协议。但是，用户可能由于行业习惯(银行用户)或者用户端设备比较低档，不支持F/R协议等原因，而使用PPP协议或者HDLC协议来互连，使得ATM交换机将无法开展业务。

    上述缺陷对使用ATM网络作为骨干承载网的电信运营商而言，如同因特网业务拓展中所面临的困惑一样，通信产业的价值链正经历计算机产业价值链已变化的过程：80%的收入来自20%的客户；80%的网络带宽由20%的用户消耗掉，但不是贡献了80%收入；80%的收入来自20%的业务；80%的成本消耗在效益极低的80%业务上，只带来20%的收益。如何弥补上述缺陷，是电信运营商突破网络限制，最大化降低成本和提高收益的关键。

    二、针对ATM交换网络存在的不足进行改进的思路

    我们可以对业务量模型假定为以下情况：同时有90%的用户在使用，10个使用的用户中有一个(即10%)处于突发状态；那么，在1000个用户的情况下，假定每用户的突发速率为2Mbps，平均速率为0.3Mbps，若采用独享方式，则骨干网的速率要求为2M*1000=2G。那么，在通过ATM网络进行带宽的统计复用后，上述业务模型中骨干网的速率要求为：1000*0.3Mbps*90%*(1-10%)+10000*2Mbps*90%*10%=423Mbps。对比带宽的利用率，F/R方式节省的带宽为2000/423=4.7倍

    统计复用的重要性：

    共150用户，＞95%的时间内，利用率＜20%

    大部分峰值在0.6Mbps～12Mbps之间

    因此若能充分利用流量复用和协议转换概念弥补ATM网络不足，在其中添加其它低成本交换和协议转换设备机，利用信元和帧对多种业务数据进行封装、传输。它的网络时延与数据传送速率就可与高质量的专线线路相比，而且在一条物理连接上能够提供众多的逻辑连接(永久虚电路PVC和交换虚电路SVC)，从而大大提高线路及带宽的利用率。

    三、通过在ATM端局交换机下添加交换和协议转换设备弥补上述缺陷的方案和可以提供的业务功能

    1.通过交换和协议转换设备，实现专线的Internet接入业务时本地传输网带宽的统计复用

    对数据专线业务，特别是专线的Internet接入业务进行统计复用，大大提高了传输网络资源的利用率，有效地减轻了传输网中继带宽压力，节约了ATM端局交换机上2MF/R端口，从而带来更高的效费比。

    通过帧中继中几个带宽参数设置——承诺的信息速率(CIR)、承诺的突发尺寸(Bc)、超过的突发尺寸(Be)、承诺的时间间隔(Tc)，就可以给用户提供既有QoS保证，又能对带宽统计复用的专线接入Internet。

    添加FR交换机后，数据专线接入模式

    2.通过交换和协议转换设备，通过流量复用提高ATM端局交换机非信道化2M端口的利用率

    目前ATM承载网络中，对于信道化端口，可以采用时隙交叉连接的MUX，提高端口的利用率；对于非信道化端口，就可以采用交换和协议转换设备，用非信道化端口与ATM端局交换机连接；而对用户开放信道化的2M端口、非信道化端口与信道化端口用F/R的PVC建立连接，即可通过非信道化端口开放多个用户，提高非信道化端口的利用率。

    3.采用交换和协议转换设备实现F/R协议向用户可接受其他协议的转换，从而模拟提供DDN专线

    对于用户，比如银行等，可能由于行业习惯或者用户端设备比较低档，不支持F/R协议等原因而不使用F/R业务；另一方面可能已经采用其他运营商的DDN网互通，希望采用第二家电信运营商电路作为备份连接，而在采用DDN网互通时，路由器已配置为PPP或HDLC，大客户希望在其他运营商电路故障时，切换电路不需要更改路由器配置。采用支持HDLC-F/R连接的交换和协议转换设备，通过HDLC-F/R连接类型可以在现有的F/R网络上实现用户数据透明承载业务，提供类DDN的服务。用户路由器间可以通过PPP、F/R、HDLC、X.25等协议来实现互连，而不会受限于ATM端局交换机。示意图如下：

    4.使用交换和协议转换设备，降低ATM交换机的业务处理压力。提供本地数据交换能力

    很多本地业务可以不用通过ATM端局交换机，节约和充分利用有限的资源，原规定ATM端局交换机一般属于运营商的骨干网设备，本地没有连接调配权，采用该设备以后，开放本地业务具有更多的调配权利。

    (注：本文中对交换和协议转换设备暂时定义为F/R交换机。)

    四、对F/R交换机的要求

    通过对ATM多业务承载网进行了以上研究以后，我们可以对ATM端局交换机下挂的F/R交换机提出如下要求：

    1.物理端口接口功能

    (1)E1接口(接头型号为RJ48)

    物理特性满足G.703，帧结构满足G.704基本帧结构；E1帧中继接口支持信道化E1和非信道化E1；信道化E1支持N*64KbpsF/R端口，N小于等于30；非信道化E1支持F/R端口，支持G.704TSO帧同步方式和非帧同步方式。

    (2)以太网接口：1×10/100base-T以太网接口，接口类型为RJ45。

    2.业务端口

    (1)F/R业务端口

    F/R业务处理能力参数符合X.144，X.145；支持UNI-DTE(X.36)、UNI-DCE(X.36)和NNI(X.76)。

    F/R端口支持LMI协议，DCE侧支持LMI协议自动识别功能，DTE侧需指定LMI协议，LMI协议支持Q.933Annex.A、X.36、X.76。

    F/R端口拥塞告警管理：F/R端口只报告端口拥塞告警，考虑到CPU处理瓶颈，拥塞管理只对输入队列处理(包括F/R和ATM)，所以只检查输入队列深度，根据两级门限判断拥塞和严重拥塞。拥塞时长统计分为两级，轻度拥塞时长和严重拥塞时长。拥塞时长只在一次统计数据报告时间段有效，单位为秒。

    F/R端口统计数据包括：F/R端口收到和发送的帧数、F/R端口收到和发送的字节数、F/R端口收到的帧数中太长和太短的数、F/R端口收到的帧数中DLCI无效的帧数、F/R端口收到的帧中被丢弃的帧数，指违反业务合同及拥塞管理丢失的帧、F/R端口轻度拥塞时长，F/R端口严重拥塞时长。

    (2)PPP业务端口

    可承载IP业务或桥业务；

    支持安全认证处理；

    支持PAP/CHAP，认证协议。二者的不同是：采用PAP认证时，用户名和密码在链路上透明传输，而CHAP采用双方都能识别的加密算法对用户名和密码进行了加密。

    (3)HDLC业务端口

    HDLC端口由E1端口或E1端口中的时隙构成，是一种逻辑端口。通过HDLC-F/R的连接，F/R网络可以透明承载HDLC用户业务。

    3.连接特性

    应该支持两种连接类型：F/R-to-F/R和F/R-to-HDLC．

    (1)F/R-to-F/RConnection

    基于F/R逻辑端口，实现帧中继交叉连接和统计复用功能。

    (2)F/R-to-HDLCConnection

    实现F/R连接透明承载E1接入业务，并且具有F/R交叉连接和统计复用的能力。该类连接一侧对应E1HDLC的几个时隙(信道化)或整个E1HDLC端口(非信道化)，另一侧对应F/R逻辑端口的一个DLCI号。

    4.其它应该具备的性能

    (1)网同步方式的时钟应该不少于两种：C4等级的本振时钟和从1～8路E1接口提取恢复时钟。在时钟设置时，可同时选两路设置分别作为主时钟和副时钟。时钟选择的顺序是：首选从1～8路E1中提取恢复时钟，然后再选择本振时钟源。

    (2)网管应有三种设备管理方式，提供包括设备、端口和业务级配置，警、性能、计费和安全管理操作，端口物理环控制和测试，支持本地升级和远程升级等四大方面的管理功能。控制方式上而言，支持三种管理方式：控制台管理、GHVIEW网管、iGHVIEW网管。

    (3)提供良好的电信运营级QoS机制，支持按照DLCI、对应rt-VBR、nrt-VBR和UBR划分F/R业务优先级和优先等级。优先级、业务量参数按照F/RDLCI的CIR、Bc和Be参数之间的关系确定。

    五、弥补ATM多种业务承载交换网络缺陷后的优点

    弥补了ATM多种业务承载交换网络后，对使用ATM作为骨干承载网络的电信运营商而言，优点有以下方面：

    (1)将是一种双赢模式的建立：用户得到DDN业务相当的FR业务，但资费低；电信运营商能通过统计复用，大大降低骨干带宽需求，能带来更高效费比。以2MFR的资费约为2MDDN的1/2时来计算，则网络的价值挖掘则为4.7/2=2.3倍。

    (2)根据用户需求，电信运营商可以同时在一个统一的ATM网络平台上既支持DDN业务，也支持F/R业务

    (3)实现对F/R本地网处理F/R业务的情况下，具有带宽的统计复用，提高资源利用率，同时企业组VPN时，大大节省CPE设备的物理端口。

    综上所述，通过一些外挂设备进一步完善ATM网络中存在的技术不足，将有力地促进ATM交换网络在进行数据通信多种业务承载平台上对不同业务需求的实现，从而提高ATM在数据通信网络中的生存力，将“ATM实现端到端的桌面应用的企图”变成一种现实。

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