第七章._ATM交換技術

1、1第七章第七章 ATM交換技術交換技術2主要內(nèi)容主要內(nèi)容ATM與與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展ATM基本原理基本原理ATM交換技術交換技術31）B-ISDN的提出的提出通信網(wǎng)的發(fā)展通信網(wǎng)的發(fā)展N-ISDN的局限性：的局限性： （1）窄帶）窄帶ISDN的信息傳輸速率有限的信息傳輸速率有限 。 （2）窄帶）窄帶ISDN是在數(shù)字電話網(wǎng)的基礎上發(fā)展起來的，是在數(shù)字電話網(wǎng)的基礎上發(fā)展起來的，網(wǎng)絡內(nèi)部的交換是基于網(wǎng)絡內(nèi)部的交換是基于64 kbit/s的電路交換方式，而電的電路交換方式，而電路交換方式對技術發(fā)展的適應性較差。路交換方式對技術發(fā)展的適應性較差。 （3）窄帶）窄帶ISDN雖然也綜合了分組

2、交換業(yè)務，但是這種雖然也綜合了分組交換業(yè)務，但是這種綜合僅在用戶綜合僅在用戶網(wǎng)絡接口上實現(xiàn)網(wǎng)絡接口上實現(xiàn) 。B-ISDN的提出：的提出： 能夠提供具有更高傳輸速率的傳輸信道；更先進的傳能夠提供具有更高傳輸速率的傳輸信道；更先進的傳送模式，能夠適應全部現(xiàn)有及未來可能出現(xiàn)的各種業(yè)務。送模式，能夠適應全部現(xiàn)有及未來可能出現(xiàn)的各種業(yè)務。1、ATM與與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展42）B-ISDN網(wǎng)對傳送模式的要求網(wǎng)對傳送模式的要求q 對信息的損傷要小對信息的損傷要小o 具有時間透明性(信息傳送的時延和時延抖動要小)o 具有語義透明性(由傳送引起的信息丟失和差錯要小)q 能靈活地支持各種業(yè)務能靈

3、活地支持各種業(yè)務q 具有高速傳送信息的能力具有高速傳送信息的能力1、ATM與與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展53）ATM與與B-ISDN的產(chǎn)生和發(fā)展的產(chǎn)生和發(fā)展1983年，美國貝爾實驗室的年，美國貝爾實驗室的Turner J.等人提出了快速分組交換（等人提出了快速分組交換（FPSFast Packet Switching）原理，研制了原型機。原理，研制了原型機。同年，法國同年，法國Coudreuse J.P.提出了提出了ATD交換概念，并在法國電信交換概念，并在法國電信研究中心（研究中心（CNET）研制了演示模型。研制了演示模型。 FPS和和ATD概念提出以后，很多設備制造公司、郵電管理

4、部門和概念提出以后，很多設備制造公司、郵電管理部門和標準化組織表示了強烈的興趣，進行了深入的研究。標準化組織表示了強烈的興趣，進行了深入的研究。80年代中期，年代中期，CCITT也開始了這種新的傳送模式的研究。也開始了這種新的傳送模式的研究。1988年，年，CCITT 18研究組決定采用固定長度的信元，定名為研究組決定采用固定長度的信元，定名為ATM，并認定并認定B-ISDN將基于將基于ATM技術。技術。1990年，年，CCITT 18研究組制定了關于研究組制定了關于ATM的一系列建議，并在的一系列建議，并在以后的研究中不斷地深入和完善以后的研究中不斷地深入和完善。1、ATM與與B-ISDN的

5、產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展6 1994年投入運營的美國北卡羅來納信息高速公路，是美國第一個在年投入運營的美國北卡羅來納信息高速公路，是美國第一個在州的范圍內(nèi)的公用州的范圍內(nèi)的公用ATM寬帶網(wǎng)。寬帶網(wǎng)。 在歐洲由法國、德國、英國、意大利和西班牙等國發(fā)起的泛歐在歐洲由法國、德國、英國、意大利和西班牙等國發(fā)起的泛歐ATM寬帶試驗網(wǎng)，于寬帶試驗網(wǎng)，于1994年年11月開始運行，后來擴大到歐洲的十多個月開始運行，后來擴大到歐洲的十多個國家，是覆蓋面較廣的國家，是覆蓋面較廣的ATM試驗網(wǎng)試驗網(wǎng) 在亞洲的日本在亞洲的日本NTT與郵政省、香港電訊、新加坡電信、韓國電信、與郵政省、香港電訊、新加坡電信、韓國電信、泰

6、國的亞洲電信以及中國的廣東、北京和上海電信管理局也進行過泰國的亞洲電信以及中國的廣東、北京和上海電信管理局也進行過以以ATM為基礎的寬帶網(wǎng)試驗。試驗的業(yè)務平臺有基于為基礎的寬帶網(wǎng)試驗。試驗的業(yè)務平臺有基于TCPIP的寬的寬帶數(shù)據(jù)、帶數(shù)據(jù)、VOD、會議電視。試驗的應用系統(tǒng)大致有家庭購物、遠程會議電視。試驗的應用系統(tǒng)大致有家庭購物、遠程醫(yī)療、遠程教學等。醫(yī)療、遠程教學等。 1、ATM與與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展7 4）公用網(wǎng)的）公用網(wǎng)的ATM交換系統(tǒng)交換系統(tǒng) 公用網(wǎng)公用網(wǎng)ATM骨干交換系統(tǒng)必須具有高吞吐量和可擴骨干交換系統(tǒng)必須具有高吞吐量和可擴展性，吞吐量通常為展性，吞吐量通常為401

7、60G。應能支持各種接口、業(yè)應能支持各種接口、業(yè)務和連接類型，并具有保證服務質(zhì)量（務和連接類型，并具有保證服務質(zhì)量（Qos）的業(yè)務流控的業(yè)務流控制功能。制功能。 富士通富士通FETEX-150、愛立信的愛立信的AXD301、西門子的西門子的Main Street Xpress、 AT&T的的Globe View 2000、阿阿爾卡特的爾卡特的1000AX、 北電的北電的Magellan Concorde等。等。 1、ATM與與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展的產(chǎn)生與發(fā)展82、ATM基本原理基本原理ATM信元及其結構信元及其結構ATM信元傳送處理原則信元傳送處理原則面向連接的工作方式面向連接的工

8、作方式92.1 ATM信元及其結構信元及其結構 1）信元結構：）信元結構： 信元由5字節(jié)信頭和48字節(jié)信息段（凈荷）組成。發(fā)送次序8 7 6 5 4 3 2 1 比特 15 6.53發(fā)送次序信頭（5字節(jié)）信息段（48字節(jié)）信元從信元從第第1 1個個字節(jié)開字節(jié)開始順序始順序向下發(fā)向下發(fā)送送在同一字節(jié)中從第在同一字節(jié)中從第8 8位開始發(fā)送位開始發(fā)送102）UNI的信頭結構：的信頭結構：GFC（Generic Flow Control）： 一般流量控制字段（4個比特）及相應的GFC功能用于接入的流量控制。由于B-ISDN的UNI接入的終端數(shù)量可以很多，需要控制流向網(wǎng)絡的流量，以避免網(wǎng)絡的短期過載。G

9、FC比特 8 7 6 5 4 3 2 1VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP1 2 3 4 52.1 ATM信元及其結構信元及其結構 11VPI/VCI（Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier）： 選路信息。PT（Payload Type）： 有3個比特，表示凈荷類型，區(qū)分是用戶數(shù)據(jù)信元還是其他信元類型CLP（Cell Loss Priority）： 表示信元丟失優(yōu)先級，只有一個比特，CLP=0，表示高優(yōu)先級；CLP=1,表示低優(yōu)先級，若遇到擁塞要丟棄信元時，CLP=1的信元將首先丟棄。HEC（Head Error Con

10、trol）： 為1個字節(jié)，用于信頭差錯控制。2.1 ATM信元及其結構信元及其結構 123）NNI的信頭結構：的信頭結構： NNI信頭不需要GFC字段，從而使VPI擴展為12比特。比特 8 7 6 5 4 3 2 1VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP1 2 3 4 52.1 ATM信元及其結構信元及其結構 1.1.誤碼處理方法誤碼處理方法 在傳送在傳送ATM信元的系統(tǒng)中，通過對信頭部分的信元的系統(tǒng)中，通過對信頭部分的信頭差錯控制信頭差錯控制(HEC)進行檢驗，可以糾正信頭中的進行檢驗，可以糾正信頭中的一位錯碼和發(fā)現(xiàn)多位錯碼。一位錯碼和發(fā)現(xiàn)多位錯碼。 對于對于HEC已檢驗出信頭有錯而

11、無法糾正時，則已檢驗出信頭有錯而無法糾正時，則丟棄該信元。丟棄該信元。ATM信元頭中出現(xiàn)誤碼大多只是一信元頭中出現(xiàn)誤碼大多只是一位錯誤，因而在位錯誤，因而在ATM信元頭糾錯中采用了只能糾信元頭糾錯中采用了只能糾正一位錯碼的校驗碼序列。正一位錯碼的校驗碼序列。 對信息域不采取任何糾錯和檢錯措施，這使得對信息域不采取任何糾錯和檢錯措施，這使得2.2 ATM信元傳送處理原則信元傳送處理原則 (1) 接收方收到的接收方收到的ATM信元的信頭都是正確的。信元的信頭都是正確的。 (2) 不是所有的不是所有的ATM信元都能送到接收方，信頭信元都能送到接收方，信頭錯誤的信元被丟棄了。錯誤的信元被丟棄了。 (3

12、) ATM系統(tǒng)不保證傳送信息的正確性，接收方系統(tǒng)不保證傳送信息的正確性，接收方收到的收到的ATM信元的信息域中可能有誤碼。信元的信息域中可能有誤碼。2. 2. 信元定界方法信元定界方法（1）信元定界功能：）信元定界功能： 在一個比特流中，界定各個信元的功能，稱作信元定界功能。在一個比特流中，界定各個信元的功能，稱作信元定界功能。（2 ）定界方法）定界方法 在信元定界過程中定義了三種狀態(tài)：搜索態(tài)、 預同步態(tài)和同步態(tài)。 在搜索狀態(tài)中，系統(tǒng)對接收信號進行逐比特的差錯控制HEC檢驗。當發(fā)現(xiàn)了一個正確的HEC檢驗結果后，系統(tǒng)進入預同步狀態(tài)。 在這種狀態(tài)，系統(tǒng)認為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了信元的邊界，并按照此邊界找到下一

13、個信頭進行HEC檢驗。 差錯控制差錯控制定界方法定界方法 若能連續(xù)發(fā)現(xiàn)若能連續(xù)發(fā)現(xiàn)b b個信元個信元的的HECHEC檢驗都正確，則系檢驗都正確，則系統(tǒng)進入同步狀態(tài)。統(tǒng)進入同步狀態(tài)。 若發(fā)現(xiàn)一個若發(fā)現(xiàn)一個HECHEC檢驗的檢驗的錯誤，則系統(tǒng)回到搜索錯誤，則系統(tǒng)回到搜索態(tài)。在同步態(tài)，系統(tǒng)逐態(tài)。在同步態(tài)，系統(tǒng)逐信元進行信元進行HECHEC檢驗，在發(fā)檢驗，在發(fā)現(xiàn)連續(xù)現(xiàn)連續(xù)a a個不正確的結果個不正確的結果后，系統(tǒng)回到搜索態(tài)。后，系統(tǒng)回到搜索態(tài)。 定界方法定界方法 對于一條以恒定對于一條以恒定速率傳送速率傳送ATM信信元的信道，元的信道，它的發(fā)送端沒有信元傳送時，則應向信道送出空它的發(fā)送端沒有信元傳送時

14、，則應向信道送出空閑信元。在信道的接收端，應把收到的空閑信元閑信元。在信道的接收端，應把收到的空閑信元丟掉。丟掉。 (1)(1)信道上永遠處于信元傳送狀態(tài)。信道上永遠處于信元傳送狀態(tài)。 (2)(2)信道上時間被等分為一系列小段，每個小信道上時間被等分為一系列小段，每個小段傳送一個信元。段傳送一個信元。 3. 3. 信道填充信道填充 181）虛通道與虛信道： ATM傳輸通道可分割成若干個邏輯子信道 ，為便于應用和管理，邏輯子信道可按兩個等級來劃分： 虛通道（VP-Virtual Path） 虛信道（VC-Virtual Channel ）2.3 面向連接的工作方式面向連接的工作方式 192.3

15、面向連接的工作方式面向連接的工作方式 p 向北京方向（用VPI = 1標識）的3個通信，兩個是數(shù)據(jù)通信，一個是電話通信（分別用VCI = 4、5、6標識）p 向廣州方向（用VPI = 2標識）的2個通信，一個是視頻通信，一個是電話通信（分別用VCI = 5、6標識） 202） VPC（虛通道連接）和VCC（虛信道連接） VCC（Virtual Channel Connection）是VCC端點之間的VC級端到端的連接，由多條VC鏈路串接而成，VCI（虛信道標識）用來識別一條VC。 VPC（Virtual Path Connection）是VPC端點之間的VP級端到端的連接，由多條VP鏈路串接而

16、成，VPI（虛通道標識）用來識別一條VP。 VCC端點（VCC Endpoint）是VCC的起點和終點，是ATM層及其上層交換信元凈荷的地方，也就是信息產(chǎn)生的源點和被傳送的目的點。VPC端點（VPC endpoint）是VPC的起點和終點，是VCI產(chǎn)生，變換或終止的地方。 2.3 面向連接的工作方式面向連接的工作方式 21虛信道連接（VCC）虛通道連接（VPC）VC鏈路VC鏈路VC鏈路VCIXVCIyVCIZVP鏈路VP鏈路VP鏈路VPIXVPIyVPIZ2.3 面向連接的工作方式面向連接的工作方式 223）VP交換和VC交換 VP交換是指僅變換VPI值而不改變VCI值的交換，即只進行虛通道的

17、交換，虛通道里面的虛信道并不進行交換。 2.3 面向連接的工作方式面向連接的工作方式 23 VC交換是指VPI值與VCI值都要進行改變的交換。因為虛信道是按照虛通道來劃分的，當虛信道交換時，其所屬的虛通道也要進行交換，即虛通道和虛信道都要進行交換。 2.3 面向連接的工作方式面向連接的工作方式 242.3 面向連接的工作方式面向連接的工作方式 ATM連接的建立過程。在源ATM端點與目的ATM端點進行通信前的連接建立過程，實際上就是在這兩個端點間的各段傳輸通道上，找尋空閑VC鏈路和VP鏈路，分配VCI與VPI，建立相應VCC與VPC的過程。 25ATM虛連接建立的方式有兩種方式：q 永久虛連接（

18、PVC：Permanent Virtual Connection）q 交換虛連接（SVC：Switching Virtual Connection） PVC是由管理面控制建立的永久和半永久連接，用戶在傳送信息前不需要建立過程。 SVC是由信令控制建立的連接，用戶在傳送信息前要建立連接，信息傳送完畢則拆除虛連接。 VPC 和 VCC 都可有PVC和SVC的虛連接。2.3 面向連接的工作方式面向連接的工作方式 國際電聯(lián)給出了國際電聯(lián)給出了BISDN的參考模型，它是一個立體分層模型。的參考模型，它是一個立體分層模型。2.4 ATM分層參考模型分層參考模型 從縱向看從縱向看有三個功有三個功能面能面控制

19、面控制面用戶面用戶面管理面管理面管理平面管理平面(M平面平面) 有兩個功能：平面管理和層管理。平面管理沒有分層結構，有兩個功能：平面管理和層管理。平面管理沒有分層結構，它負責所有平面的協(xié)調(diào)。層管理負責各層中的實體，并執(zhí)行它負責所有平面的協(xié)調(diào)。層管理負責各層中的實體，并執(zhí)行運營、監(jiān)控和維護運營、監(jiān)控和維護(OAM)功能。功能。 用戶平面用戶平面(U平面平面) 負責提供用戶信息傳送、流負責提供用戶信息傳送、流量控制和恢復操作量控制和恢復操作控制平面控制平面(C平面平面) 負責建立網(wǎng)絡連接和管理負責建立網(wǎng)絡連接和管理連接，以及連接的釋放；使連接，以及連接的釋放；使用永久虛電路用永久虛電路(PVC)時

20、不需時不需要控制平面。要控制平面。28物理層物理層： 負責通過物理媒體正確、有效地傳送信元。它可劃分為個子層：物理媒體相關子層（PMD ：Physical Medium Dependent Sublayer）傳輸匯聚子層（TC：Transmission Convergence Sublayer ）物理媒體相關子層（物理媒體相關子層（PMD）的功能的功能： 提供與傳輸媒體有關的機械和電氣接口，正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)比特，負責線路編碼、比特定時等功能。傳輸匯聚子層（傳輸匯聚子層（TC）的功能的功能：傳輸幀的產(chǎn)生/恢復與適配 在發(fā)送端要將信元流封裝成適合傳輸系統(tǒng)要求的幀結構送到PMD子層，在接收端則將

21、PMD子層送來的比特流（傳輸幀）恢復成信元流；并在信元流與傳輸幀轉(zhuǎn)換時完成格式的適配。2.4 ATM協(xié)議參考模型協(xié)議參考模型29信頭差錯控制（HEC:Header Error Control） 信元的信頭中含有控制選路及其他的重要信息，必須對信頭信息進行差錯控制。在發(fā)送端按在發(fā)送端按CRC算法生成算法生成1字節(jié)的信頭差錯控制域字節(jié)的信頭差錯控制域（HEC），而在接收端對信頭的），而在接收端對信頭的HEC進行校驗并按照一定的信頭差錯進行校驗并按照一定的信頭差錯控制方式來處理信元。控制方式來處理信元。信元定界和擾碼 信元定界（Cell delineation）是用一定的方法來識別信元的邊界。為防止

22、信元的信息段出現(xiàn)偽HEC碼而影響正確的定界，可對信息段進行擾碼(scrambling)操作，在接收端再以相反的操作進行解擾（descrambling）。信元速率去耦 為了使ATM層傳送信元的速率不受傳輸媒體速率的影響，可以在發(fā)送端物理層插入空閑信元（idle cell），以將ATM層信元流的速率適配成傳輸媒體的速率。 在接收端，通過特定的預分配信頭值，可以識別出空閑信元予以丟棄，并不送往ATM層。2.4 ATM協(xié)議參考模型協(xié)議參考模型30ATM層：層： ATM層的主要功能是負責信元的交換、選路和復用。具體為：p信元的復用與交換p服務質(zhì)量保證p實現(xiàn)凈荷類型有關的功能p一般流量控制2.4 ATM協(xié)

23、議參考模型協(xié)議參考模型31AAL：1）AAL的功能：的功能： 主要功能是將高層業(yè)務信息或信令信息適配成ATM信元流。它是ATM層與高層應用（包括用戶面、控制面和管理面）之間的適配層，并支持高層與ATM層之間的適配：將高層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）映射到ATM信元的信息段或反之。AAL實體與對等層的AAL實體之間要交換信息，以實現(xiàn)AAL的功能。2）AAL的業(yè)務分類：的業(yè)務分類： AAL的功能和規(guī)程與業(yè)務有關，不同的業(yè)務需要不同的AAL規(guī)程。為了減少AAL規(guī)程的數(shù)量，將業(yè)務按照以下個特性進行分類：源與終點之間的定時關系：需要或不需要；比特率：固定或可變；連接方式：面向連接或無連接。2.4 ATM協(xié)議

24、參考模型協(xié)議參考模型32業(yè)務特性業(yè)務特性源與終點之間的源與終點之間的定時關系定時關系比特率比特率類別類別A類類B類類C類類D類類連接方式連接方式需要需要不需要不需要固定固定可變可變面向連接面向連接無連接無連接ATM適配層適配層AAL1AAL2AAL5AAL3/4AAL3/42.4 ATM協(xié)議參考模型協(xié)議參考模型333）AAL的基本結構：的基本結構： AAL的功能可以分為兩個邏輯子層：匯聚子層（CS：Convergence Sublayer） 匯聚子層的主要功能是在AAL業(yè)務接入點（SAP）對高層提供AAL的服務，其具體功能與業(yè)務類型有關。分段和重組子層（SAR：Segmentation And

25、 Reassembly） 分段和重組子層可簡稱為拆裝子層，其主要功能是將高層信息進行分割，以適合于裝入ATM信元的信息段，或者反之。 2.4 ATM協(xié)議參考模型協(xié)議參考模型34）AAL類型：類型： 為了適應不同業(yè)務類型的需要，ITU-T定義了類AAL：AAL1、AAL2、 AAL3/4、AAL5。 AAL1規(guī)程用于支持類業(yè)務。 AAL2規(guī)程用于支持類業(yè)務，適用于時延敏感的低速、可變長度的短分組的傳送。 AAL3與AAL4原來是分開的，后來合并為一類：AAL3/4，用來支持C/D兩類業(yè)務，即包括面向連接與無連接的數(shù)據(jù)業(yè)務。 AAL5可以看成是簡化的AAL3/4，用來支持面向連接的C類業(yè)務（如幀中

26、繼），傳送大的數(shù)據(jù)分組時效率較高，ATM網(wǎng)絡信令也采用AAL5。高層：高層： 則相當于各種業(yè)務的應用層或信令的高層處理。2.4 ATM協(xié)議參考模型協(xié)議參考模型353.1 ATM交換的基本原理交換的基本原理 ATM交換是指交換是指ATM信元從輸入端的邏輯信道到輸出端的邏輯信道的信元從輸入端的邏輯信道到輸出端的邏輯信道的消息傳遞。輸出信道的確定是根據(jù)連接建立信令的要求在眾多的輸出信消息傳遞。輸出信道的確定是根據(jù)連接建立信令的要求在眾多的輸出信道中進行選擇來完成的。道中進行選擇來完成的。 ATM邏輯信道具有兩個特征：邏輯信道具有兩個特征：q物理端口（線路）編號物理端口（線路）編號qVP與與VC標識符

27、標識符 為了提供交換功能，輸入物理端口必須與輸出物理端口相關聯(lián)；輸為了提供交換功能，輸入物理端口必須與輸出物理端口相關聯(lián)；輸入入VPI/VCI與輸出的與輸出的VPI/VCI相關。相關。 ATM交換系統(tǒng)執(zhí)行三種基本功能：交換系統(tǒng)執(zhí)行三種基本功能：信頭翻譯、路由選擇和排隊信頭翻譯、路由選擇和排隊36信頭變換：信頭變換： 信頭變換主要是指VPI/VCI值的變換，即入VPI/VCI變換為出VPI/VCI。VPI/VCI的變換體現(xiàn)了信元交換的重要概念，意味著入線上某邏輯信道中的信息被傳送到出線上的另一邏輯信道中去。為了實現(xiàn)信頭變換，應建立翻譯表。選路：選路： 選路表示任一入線的信息可被交換到任一出線，具有空間交換的特征。信頭變換加上選路功能，才能實現(xiàn)ATM交換結構的交換功能。這也就是說，在翻譯表中從入線的VPI/VCI應能查到出線號碼以及新的VPI/VCI值