笫十二講ATM和光纖網(wǎng)絡

1、數(shù)據(jù)通信與計算機網(wǎng)絡（第二版）電子教案笫十二講笫十二講 ATM和光纖網(wǎng)絡和光纖網(wǎng)絡本講內(nèi)容第五章 高速網(wǎng)絡技術5.2 ATM5.2.1 ATM概述5.2.2 信元5.2.3 ATM適配層5.2.4 ATM的物理層*5.2.5 局域網(wǎng)仿真5.3 光纖網(wǎng)絡5.3.1 光鏈路5.3.2 波分復用系統(tǒng)*5.3.3 光網(wǎng)絡*是要求同學了解的，這些內(nèi)容在本電子教案中并未講解而是要求同學自己閱讀教材。5.2.1 ATM概述 ATM采用的是信元交換技術，信元是一個53個字節(jié)的固定長度的分組，其中48個字節(jié)為信息字節(jié)，5個字節(jié)為信頭 ATM是一種面向連接方式的技術，支持交換虛電路和永久虛電路 ATM不支持鏈路級

2、的重傳機制 如果交換機檢測到信元在傳輸過程中出現(xiàn)差錯，將利用糾錯技術來糾正，如果不行，則丟棄該信元 ATM既可直接（或通過適配層）處理面向連接型業(yè)務，也可通過適配層處理無連接型業(yè)務。ATM服務模型 ATM支持四種服務模型： CBR（恒定比特速率）：數(shù)據(jù)按照恒定的速度進行收發(fā)，網(wǎng)絡提供預留的帶寬和服務保證。 UBR（未定比特速率）：數(shù)據(jù)的接收不受約束，如果帶寬充足，則發(fā)送，否則丟棄。網(wǎng)絡不提供預留帶寬和服務保證。 ABR（可用比特速率）：與UBR類似，但網(wǎng)絡能夠提供擁塞反饋。端節(jié)點可以根據(jù)網(wǎng)絡提供的擁塞反饋來降低發(fā)送的速率，從而減少由于擁塞造成的數(shù)據(jù)丟失。 VBR（可變比特速率）：與CBR類似，

3、當網(wǎng)絡不是處在使用高峰時提供預留帶寬，它允許突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸。ATM協(xié)議參考模型 物理層處理物理媒體的電氣特性、比特定時等 ATM層是ATM的核心，定義了ATM信元的結構和各個字段的含義 ATM適配層定義了幾種不同類型的AAL，分別支持不同類型的服務。 高層ATM適配層ATM層物理層5.2.2 信元ATM使用固定長度的信元。每個信元包括5個字節(jié)的頭部和48個字節(jié)的負荷。使用小信元可以減少高優(yōu)先級信元的排隊延遲使用固定長度的信元使硬件中的交換實現(xiàn)起來更加容易，從而支持較高的數(shù)據(jù)速率ATM信元有兩種不同的格式：UNI和NNI格式UNI格式用在用戶網(wǎng)絡接口處UNI格式的信元包含通用流量控制字段NNI格

4、式則用于網(wǎng)絡網(wǎng)絡接口處NNI格式的信元沒有通用流量控制字段，從而把VPI字段從8位增加到12位ATM信元格式 4比特的通用流量控制GFC字段 8比特或12比特的虛路徑標識（VPI） 16比特的虛電路標識（VCI） 3比特的負載類型字段 信元丟失優(yōu)先級（CLP）比特：在網(wǎng)絡擁塞時優(yōu)先丟棄CLP為1的信元 8個比特的頭部差錯控制：用于保護信元的頭部，提供差錯檢測和1比特的糾錯功能 GFC負載類型CLP虛電路標識虛電路標識虛通道標識頭部差錯控制48個字節(jié)的負荷a、UNI接口CLP負載類型虛電路標識虛通道標識頭部差錯控制48個字節(jié)的負荷b、NNI接口虛電路（VC）和虛路徑（VP） ATM是一種面向連接

5、方式的技術，連接標識進一步分割為虛路徑標識VPI和虛電路標識（VCI）兩個部分： 一條虛路徑可以包括許多條虛電路，即它們的VPI字段都相同 骨干網(wǎng)上的交換機把這些VC作為一個整體來看待，并且采用VP交換，即只根據(jù)VPI字段進行交換 VC交換則意味著根據(jù)整個字段（VPI和VCI）進行交換。 連接的建立與釋放 連接的建立與釋放通過相應的信令協(xié)議完成： 信令消息的發(fā)送和發(fā)送數(shù)據(jù)類似，只是信令協(xié)議使用永久虛電路5（VCI5、VPI0）。 信令信息一般是通過ATM適配層的AAL5進行傳輸?shù)摹?信令協(xié)議的基本信令消息包括： 建立：用于建立一個呼叫，包括源地址和目的地址，描述了該連接的傳輸特征、服務要求的質

6、量和經(jīng)過的網(wǎng)絡。 呼叫進行：由交換機發(fā)送給前一跳的交換機，表明它已經(jīng)接收到了一個呼叫建立請求消息，并正在試圖處理它。 連接：由目的端發(fā)送，并被傳遞給源端，表明目的端已經(jīng)接受了這個呼叫。 連接確認：由源端發(fā)送，并被傳遞給目的端，表明源端已經(jīng)知道目的端接受了這個呼叫請求。 釋放：可由任何一方提出，然后通過網(wǎng)絡傳送給另一端。 釋放確認：由收到釋放請求的一端提出，并通過網(wǎng)絡傳送給另外一端。5.2.3 ATM適配層AAL允許在ATM上支持不同的高層協(xié)議和高層應用處理傳輸差錯分段與重組處理信元丟失與失序情況流量控制AAL只在ATM網(wǎng)絡的端系統(tǒng)處實現(xiàn)，AAL相當于一個運輸層協(xié)議。 AAL端系統(tǒng)ATMPHYP

7、HYATMPHYATMAALATMPHY端系統(tǒng)ATM交換機ATM交換機ATM適配層（續(xù)） ATM定義了4種AAL以支持各種不同類型的服務 AAL1：支持要求恒定比特速率的應用（比如音頻應用） AAL2：與AAL1類似，只是支持可變比特速率。其設計并不完全的，很難進行實現(xiàn)。 AAL3/4 ：支持通過ATM傳輸數(shù)據(jù) AAL3是為了面向連接的分組服務（比如X.25） AAL4用于無連接的數(shù)據(jù)傳輸（比如IP）。 AAL5：對AAL3/4作了很多改進 實踐中采用的AAL為AAL1和AAL5。 AAL的協(xié)議結構AAL3/4AAL5 AAL進一步分為集中子層和分段與重組子層 集中子層提供支持相應的AAL服務

8、所必須完成的功能 分段與重組子層負責將從CS層傳來的信息分段成信元，而接收端則再將信元重組AAL用戶ATM適配層ATM層物理層集中子層（CS）分段與重組子層（SAR）5.2.4 ATM的物理層 ATM物理層的功能是通過一個物理媒體傳輸ATM信元，它包括兩個子層 物理媒體相關子層PMD PMD子層位于ATM協(xié)議棧的最底部，它依賴于所采用的物理媒體，為實際的比特傳輸作準備，它并不知道ATM信元的邊界 ATM可以運行在SONET物理層之上，也可以工作在其他傳輸媒體上，包括光纖、銅線甚至是無線鏈路 傳輸集中子層TC 主要功能是確定信元的邊界，同時完成頭部差錯糾正HEC的功能 在發(fā)送時，TC子層把ATM

9、信元組裝進PMD子層的物理幀結構中 在接收端，TC子層從PMD子層的物理幀結構中通過HEC找到信元的邊界，從而提取ATM信元ATM的物理層（續(xù)） 如何確認信元的邊界？ 每個信元的第五個字節(jié)是CRC校驗字段。因此如果對最近收到的5個字節(jié)進行CRC校驗，并且發(fā)現(xiàn)沒有錯誤，這可能表示你正在讀取ATM信元的頭部。 如果這種情況連續(xù)出現(xiàn)（每隔53字節(jié)），基本可以確認信元的邊界。5.3.1 光鏈路 一條光鏈路由一個傳輸器、光纖和接收器組成。 要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)首先用電信號來表示，傳輸器按照某種調(diào)制機制將電信號轉換成光信號 最為廣泛采用的調(diào)制技術是開關調(diào)制OOK（on-off keying），激光開啟表示比特1，

10、激光關閉則表示比特0。因此由1和0組成的比特流被轉換為一組由亮黑（light and dark）交織的光脈沖 光信號在光纖中傳播 由于衰減和散射可能導致信號的變形 接收器將光信號還原成電信號獲得調(diào)制前的數(shù)據(jù)。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳輸器接收器 接收的數(shù)據(jù)光纖B bpsL km光鏈路的性能 光鏈路的性能由傳輸器、接收器和光纖的特性決定 傳輸器負責產(chǎn)生光源： 對于比較短的距離可以采用比較便宜的發(fā)光二極管LED 更長的距離和更高的數(shù)據(jù)速率一般采用注入式激光二極管ILD 光鏈路的性能可以用（B,L）來表示： B（bps）給出了鏈路支持的數(shù)據(jù)速率 L（km）給出了為了保證差錯率位于一定的水平的光纖的最長距離。 比特

11、率和最遠距離的乘積BL給出了一個鏈路的價值 假設我們要利用（B，L）鏈路來構建一個能夠以BT bps速率來覆蓋距離為LT km的通信系統(tǒng)，我們可以通過BT/B個并行子系統(tǒng)來完成我們的目標 每個子系統(tǒng)由LT/L條鏈路串行連接而成 需要（BTLT）/（BL）條鏈路。光鏈路的性能（續(xù)） 接收器如何還原調(diào)制前的數(shù)據(jù)？ 首先經(jīng)過光電二極管將光信號轉變?yōu)楣怆娏?通過放大器將光電流轉換為一個可用的電信號 電信號再經(jīng)過低通過濾器將那些超過輸入數(shù)據(jù)信號的帶寬的諧波過濾掉，從而將那些放大器帶來的噪聲去除。 電信號被還原成數(shù)據(jù)脈沖，然后將采樣的脈沖與一個閾值比較來判別收到的是比特1還是0。 由于噪聲的影響，接收器可

12、能會作出錯誤的決定，這一般是通過一個比特差錯率BER來衡量的， 光纖的BER一般為1210光鏈路的性能（續(xù)） 光纖所能支持的最長可用距離受到光纖的衰減的制約 一個光纖的衰減特性可以用每千米的分貝值（dB/km）來表示。 在玻璃合成光纖中，光的傳播有3種最佳的以850、1300和1500nm為中心的波長“窗口”，波長在這些窗口中的光的衰減特性比較低。 由于衰減太多，途中需要放大光信號 電子放大器：首先將光信號轉換為比特流，然后重新產(chǎn)生光信號繼續(xù)傳遞 數(shù)據(jù)傳輸速率將受電子放大器的限制，一般只有幾個GHz。 光學放大器： 光信號不需要轉變?yōu)殡娦盘?目前比較常用的是摻鉺光纖放大器摻鉺光纖放大器EDFA

13、 光纖所能支持的最長可用距離也和色散有關 光鏈路的性能（續(xù)） 按照光在光纖中傳輸?shù)姆绞?，光纖分為兩種:（1）多模光纖：中心玻璃芯較粗（50或62.5m），可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。一般光纖跳纖用橙色表示，也有的用灰色表示，接頭和保護套用米色或者黑色；傳輸距離較短。光鏈路的性能（續(xù)）（2）單模光纖材料色散是因光纖材料的原子結構與光波相互作用而使光纖的折射率隨著不同波長變化而引起的，它的影響最大.中心玻璃芯較細（芯徑一

14、般為9或10m），只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但其色度色散起主要作用，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好.一般光纖跳纖用黃色表示，接頭和保護套為藍色；傳輸距離較長。5.3.2 波分復用系統(tǒng) 光纖的帶寬可達25000GHz，支持的數(shù)據(jù)速率的數(shù)量級可達Tbps。 波分多路復用WDM：利用不同的光波波長，將多個光信號合并在單一的光纖中傳送TT1ni1RnRWDM復用器光放大器WDM解復用器波分復用系統(tǒng)（續(xù)） 一個WDM鏈路包括 n個激光傳輸器，每個傳輸器獨立產(chǎn)生一個波長中心為i的光波 WDM復用器：將n束不同波長的光波混合在一起注入光纖

15、中 光纖和光放大器：光波在光纖傳輸過程中會遇到衰減，途中可能會有多個光放大器來放大光信號，從而擴展光纖覆蓋的距離 WDM解復用器：把光信號分成n份，每份具有原有信號能量的1/n，每份信號然后通過一個過濾器來還原相應波長的光信號 光接收器：將WDM解復用器分割出來的光信號轉換為電信號并獲取原始的比特流。波分復用系統(tǒng)（續(xù)） WDM鏈路的一個重要特性是信道分割（Channel Spacing） 指的是復用在一起的光信號間的最小頻率間隔，或者每個信號的波長間隔 信道分割一般受到傳輸器、光放大器、接收器的分割波長的能力的限制。 根據(jù)復用的波長間隔的大小，WDM系統(tǒng)可以分為： 密集波分復用DWDM： 波長

16、間隔小于1000GHz（約8nm），一般為0.8nm 可以提供非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但成本比較高 稀疏波分復用CWDM 波長間隔小于50nm，一般為20nm 對激光器以及冷卻系統(tǒng)的要求大為降低，可以大幅節(jié)省成本 寬波分復用WWDM：波長間隔在50nm以上 可用波長范圍有限，10Gbps以太網(wǎng)的10GBASE-LX4中4個不同波長的光波被復用在一起提供10Gbps的數(shù)據(jù)速率。波分復用系統(tǒng)（續(xù)） WDM鏈路的另外一個特性是光纖的信號方向 半雙工機制 光纖中的所有波長信號都沿同一個方向傳輸 要求采用另外一根光纖來進行另外一個方向的數(shù)據(jù)傳輸 全雙工機制 光纖被分割成兩個不同的波段，每個波段用于一個方向的傳輸 不需要第二根光纖，但是傳輸帶寬會減少一半。 WDM支持協(xié)議透明 每個波長攜帶的信號可以采取不同的格式和協(xié)議 如復用的多個波長中，一個波長可以攜帶模擬的TV信號，一個可以攜帶SONET幀，而另一個波長可以攜帶IP分組。 需要采用光放大器，多個WDM鏈路連接在一起時要通過光交接來完成。