第七章-ATM交換技術(shù)

1第七章ATM交換技術(shù)2主要內(nèi)容ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展ATM基本原理ATM交換技術(shù)31）B-ISDN的提出——通信網(wǎng)的發(fā)展N-ISDN的局限性：（1）窄帶ISDN的信息傳輸速率有限。（2）窄帶ISDN是在數(shù)字電話網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的交換是基于64kbit/s的電路交換方式，而電路交換方式對技術(shù)發(fā)展的適應(yīng)性較差。（3）窄帶ISDN雖然也綜合了分組交換業(yè)務(wù)，但是這種綜合僅在用戶—網(wǎng)絡(luò)接口上實(shí)現(xiàn)。B-ISDN的提出：

能夠提供具有更高傳輸速率的傳輸信道；更先進(jìn)的傳送模式，能夠適應(yīng)全部現(xiàn)有及未來可能出現(xiàn)的各種業(yè)務(wù)。1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展42）B-ISDN網(wǎng)對傳送模式的要求

對信息的損傷要小具有時(shí)間透明性(信息傳送的時(shí)延和時(shí)延抖動要小)具有語義透明性(由傳送引起的信息丟失和差錯(cuò)要小)能靈活地支持各種業(yè)務(wù)具有高速傳送信息的能力1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展53）ATM與B-ISDN的產(chǎn)生和發(fā)展1983年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的TurnerJ.等人提出了快速分組交換（FPS－FastPacketSwitching）原理，研制了原型機(jī)。同年，法國CoudreuseJ.P.提出了ATD交換概念，并在法國電信研究中心（CNET）研制了演示模型。

FPS和ATD概念提出以后，很多設(shè)備制造公司、郵電管理部門和標(biāo)準(zhǔn)化組織表示了強(qiáng)烈的興趣，進(jìn)行了深入的研究。80年代中期，CCITT也開始了這種新的傳送模式的研究。1988年，CCITT18研究組決定采用固定長度的信元，定名為ATM，并認(rèn)定B-ISDN將基于ATM技術(shù)。1990年，CCITT18研究組制定了關(guān)于ATM的一系列建議，并在以后的研究中不斷地深入和完善。1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展61994年投入運(yùn)營的美國北卡羅來納信息高速公路，是美國第一個(gè)在州的范圍內(nèi)的公用ATM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ATM寬帶試驗(yàn)網(wǎng)，于1994年11月開始運(yùn)行，后來擴(kuò)大到歐洲的十多個(gè)國家，是覆蓋面較廣的ATM試驗(yàn)網(wǎng)在亞洲的日本NTT與郵政省、香港電訊、新加坡電信、韓國電信、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(jìn)行過以ATM為基礎(chǔ)的寬帶網(wǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)的業(yè)務(wù)平臺有基于TCP／IP的寬帶數(shù)據(jù)、VOD、會議電視。試驗(yàn)的應(yīng)用系統(tǒng)大致有家庭購物、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教學(xué)等。1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展7

4）公用網(wǎng)的ATM交換系統(tǒng)公用網(wǎng)ATM骨干交換系統(tǒng)必須具有高吞吐量和可擴(kuò)展性，吞吐量通常為40~160G。應(yīng)能支持各種接口、業(yè)務(wù)和連接類型，并具有保證服務(wù)質(zhì)量（Qos）的業(yè)務(wù)流控制功能。

富士通FETEX-150、愛立信的AXD301、西門子的MainStreetXpress、AT&T的GlobeView2000、阿爾卡特的1000AX、北電的MagellanConcorde等。1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展82、ATM基本原理ATM信元及其結(jié)構(gòu)ATM信元傳送處理原則面向連接的工作方式92.1ATM信元及其結(jié)構(gòu)1）信元結(jié)構(gòu)：

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87654321比特1…56……………….53發(fā)送次序信頭（5字節(jié)）信息段（48字節(jié)）信元從第1個(gè)字節(jié)開始順序向下發(fā)送在同一字節(jié)中從第8位開始發(fā)送102）UNI的信頭結(jié)構(gòu)：GFC（GenericFlowControl）：

一般流量控制字段（4個(gè)比特）及相應(yīng)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(luò)的流量，以避免網(wǎng)絡(luò)的短期過載。GFC比特87654321VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP123452.1ATM信元及其結(jié)構(gòu)11VPI/VCI（VirtualPathIdentifier/VirtualChannelIdentifier）：

選路信息。PT（PayloadType）：

有3個(gè)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（CellLossPriority）：

表示信元丟失優(yōu)先級，只有一個(gè)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(shí)，CLP=1的信元將首先丟棄。HEC（HeadErrorControl）：

為1個(gè)字節(jié)，用于信頭差錯(cuò)控制。2.1ATM信元及其結(jié)構(gòu)123）NNI的信頭結(jié)構(gòu)：

NNI信頭不需要GFC字段，從而使VPI擴(kuò)展為12比特。比特87654321VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP123452.1ATM信元及其結(jié)構(gòu)

1.誤碼處理方法

在傳送ATM信元的系統(tǒng)中，通過對信頭部分的信頭差錯(cuò)控制(HEC)進(jìn)行檢驗(yàn)，可以糾正信頭中的一位錯(cuò)碼和發(fā)現(xiàn)多位錯(cuò)碼。對于HEC已檢驗(yàn)出信頭有錯(cuò)而無法糾正時(shí)，則丟棄該信元。ATM信元頭中出現(xiàn)誤碼大多只是一位錯(cuò)誤，因而在ATM信元頭糾錯(cuò)中采用了只能糾正一位錯(cuò)碼的校驗(yàn)碼序列。對信息域不采取任何糾錯(cuò)和檢錯(cuò)措施，這使得2.2ATM信元傳送處理原則(1)接收方收到的ATM信元的信頭都是正確的。

(2)不是所有的ATM信元都能送到接收方，信頭錯(cuò)誤的信元被丟棄了。

(3)ATM系統(tǒng)不保證傳送信息的正確性，接收方收到的ATM信元的信息域中可能有誤碼。2.信元定界方法（1）信元定界功能：在一個(gè)比特流中，界定各個(gè)信元的功能，稱作信元定界功能。（2）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(yù)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(jìn)行逐比特的差錯(cuò)控制HEC檢驗(yàn)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)正確的HEC檢驗(yàn)結(jié)果后，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)同步狀態(tài)。在這種狀態(tài)，系統(tǒng)認(rèn)為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了信元的邊界，并按照此邊界找到下一個(gè)信頭進(jìn)行HEC檢驗(yàn)。

差錯(cuò)控制定界方法

若能連續(xù)發(fā)現(xiàn)b個(gè)信元的HEC檢驗(yàn)都正確，則系統(tǒng)進(jìn)入同步狀態(tài)。若發(fā)現(xiàn)一個(gè)HEC檢驗(yàn)的錯(cuò)誤，則系統(tǒng)回到搜索態(tài)。在同步態(tài)，系統(tǒng)逐信元進(jìn)行HEC檢驗(yàn)，在發(fā)現(xiàn)連續(xù)a個(gè)不正確的結(jié)果后，系統(tǒng)回到搜索態(tài)。定界方法

對于一條以恒定速率傳送ATM信元的信道，它的發(fā)送端沒有信元傳送時(shí)，則應(yīng)向信道送出空閑信元。在信道的接收端，應(yīng)把收到的空閑信元丟掉。

(1)信道上永遠(yuǎn)處于信元傳送狀態(tài)。

(2)信道上時(shí)間被等分為一系列小段，每個(gè)小段傳送一個(gè)信元。

3.信道填充

181）虛通道與虛信道：

ATM傳輸通道可分割成若干個(gè)邏輯子信道，為便于應(yīng)用和管理，邏輯子信道可按兩個(gè)等級來劃分：虛通道（VP--VirtualPath）虛信道（VC--VirtualChannel）2.3面向連接的工作方式192.3面向連接的工作方式向北京方向（用VPI=1標(biāo)識）的3個(gè)通信，兩個(gè)是數(shù)據(jù)通信，一個(gè)是電話通信（分別用VCI=4、5、6標(biāo)識）向廣州方向（用VPI=2標(biāo)識）的2個(gè)通信，一個(gè)是視頻通信，一個(gè)是電話通信（分別用VCI=5、6標(biāo)識）202）VPC（虛通道連接）和VCC（虛信道連接）

VCC（VirtualChannelConnection）是VCC端點(diǎn)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(biāo)識）用來識別一條VC。

VPC（VirtualPathConnection）是VPC端點(diǎn)之間的VP級端到端的連接，由多條VP鏈路串接而成，VPI（虛通道標(biāo)識）用來識別一條VP。

VCC端點(diǎn)（VCCEndpoint）是VCC的起點(diǎn)和終點(diǎn)，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(diǎn)和被傳送的目的點(diǎn)。VPC端點(diǎn)（VPCendpoint）是VPC的起點(diǎn)和終點(diǎn)，是VCI產(chǎn)生，變換或終止的地方。2.3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(jìn)行虛通道的交換，虛通道里面的虛信道并不進(jìn)行交換。2.3面向連接的工作方式23VC交換是指VPI值與VCI值都要進(jìn)行改變的交換。因?yàn)樘撔诺朗前凑仗撏ǖ纴韯澐值模?dāng)虛信道交換時(shí)，其所屬的虛通道也要進(jìn)行交換，即虛通道和虛信道都要進(jìn)行交換。2.3面向連接的工作方式242.3面向連接的工作方式ATM連接的建立過程。在源ATM端點(diǎn)與目的ATM端點(diǎn)進(jìn)行通信前的連接建立過程，實(shí)際上就是在這兩個(gè)端點(diǎn)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(yīng)VCC與VPC的過程。25ATM虛連接建立的方式有兩種方式：永久虛連接（PVC：PermanentVirtualConnection）交換虛連接（SVC：SwitchingVirtualConnection）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

國際電聯(lián)給出了B—ISDN的參考模型，它是一個(gè)立體分層模型。2.4ATM分層參考模型

從縱向看有三個(gè)功能面控制面用戶面管理面管理平面(M平面)

有兩個(gè)功能：平面管理和層管理。平面管理沒有分層結(jié)構(gòu)，它負(fù)責(zé)所有平面的協(xié)調(diào)。層管理負(fù)責(zé)各層中的實(shí)體，并執(zhí)行運(yùn)營、監(jiān)控和維護(hù)(OAM)功能。

用戶平面(U平面)

負(fù)責(zé)提供用戶信息傳送、流量控制和恢復(fù)操作控制平面(C平面)

負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)連接和管理連接，以及連接的釋放；使用永久虛電路(PVC)時(shí)不需要控制平面。28物理層：負(fù)責(zé)通過物理媒體正確、有效地傳送信元。它可劃分為２個(gè)子層：物理媒體相關(guān)子層（PMD：PhysicalMediumDependentSublayer）傳輸匯聚子層（TC：TransmissionConvergenceSublayer）物理媒體相關(guān)子層（PMD）的功能：提供與傳輸媒體有關(guān)的機(jī)械和電氣接口，正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)比特，負(fù)責(zé)線路編碼、比特定時(shí)等功能。傳輸匯聚子層（TC）的功能：①傳輸幀的產(chǎn)生/恢復(fù)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(jié)構(gòu)送到PMD子層，在接收端則將PMD子層送來的比特流（傳輸幀）恢復(fù)成信元流；并在信元流與傳輸幀轉(zhuǎn)換時(shí)完成格式的適配。2.4ATM協(xié)議參考模型29②信頭差錯(cuò)控制（HEC:HeaderErrorControl）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(jìn)行差錯(cuò)控制。在發(fā)送端按CRC算法生成1字節(jié)的信頭差錯(cuò)控制域（HEC），而在接收端對信頭的HEC進(jìn)行校驗(yàn)并按照一定的信頭差錯(cuò)控制方式來處理信元。③信元定界和擾碼

信元定界（Celldelineation）是用一定的方法來識別信元的邊界。為防止信元的信息段出現(xiàn)偽HEC碼而影響正確的定界，可對信息段進(jìn)行擾碼(scrambling)操作，在接收端再以相反的操作進(jìn)行解擾（descrambling）。④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（idlecell），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(yù)分配信頭值，可以識別出空閑信元予以丟棄，并不送往ATM層。2.4ATM協(xié)議參考模型30ATM層：

ATM層的主要功能是負(fù)責(zé)信元的交換、選路和復(fù)用。具體為：信元的復(fù)用與交換服務(wù)質(zhì)量保證實(shí)現(xiàn)凈荷類型有關(guān)的功能一般流量控制2.4ATM協(xié)議參考模型31AAL：1）AAL的功能：

主要功能是將高層業(yè)務(wù)信息或信令信息適配成ATM信元流。它是ATM層與高層應(yīng)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(shí)體與對等層的AAL實(shí)體之間要交換信息，以實(shí)現(xiàn)AAL的功能。2）AAL的業(yè)務(wù)分類：AAL的功能和規(guī)程與業(yè)務(wù)有關(guān)，不同的業(yè)務(wù)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(wù)按照以下３個(gè)特性進(jìn)行分類：①源與終點(diǎn)之間的定時(shí)關(guān)系：需要或不需要；②比特率：固定或可變；③連接方式：面向連接或無連接。2.4ATM協(xié)議參考模型32業(yè)務(wù)特性源與終點(diǎn)之間的定時(shí)關(guān)系比特率類別A類B類C類D類連接方式需要不需要固定可變面向連接無連接ATM適配層AAL1AAL2AAL5AAL3/4AAL3/42.4ATM協(xié)議參考模型333）AAL的基本結(jié)構(gòu)：AAL的功能可以分為兩個(gè)邏輯子層：匯聚子層（CS：ConvergenceSublayer）匯聚子層的主要功能是在AAL業(yè)務(wù)接入點(diǎn)（SAP）對高層提供AAL的服務(wù)，其具體功能與業(yè)務(wù)類型有關(guān)。分段和重組子層（SAR：SegmentationAndReassembly）

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(jìn)行分割，以適合于裝入ATM信元的信息段，或者反之。

2.4ATM協(xié)議參考模型34４）AAL類型：為了適應(yīng)不同業(yè)務(wù)類型的需要，ITU-T定義了４類AAL：AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5。AAL1規(guī)程用于支持Ａ類業(yè)務(wù)。AAL2規(guī)程用于支持Ｂ類業(yè)務(wù)，適用于時(shí)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(wù)，即包括面向連接與無連接的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。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(wù)（如幀中繼），傳送大的數(shù)據(jù)分組時(shí)效率較高，ATM網(wǎng)絡(luò)信令也采用AAL5。高層：則相當(dāng)于各種業(yè)務(wù)的應(yīng)用層或信令的高層處理。2.4ATM協(xié)議參考模型353.1ATM交換的基本原理

ATM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(jìn)行選擇來完成的。ATM邏輯信道具有兩個(gè)特征：物理端口（線路）編號VP與VC標(biāo)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(guān)聯(lián)；輸入VPI/VCI與輸出的VPI/VCI相關(guān)。ATM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(duì)36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(shí)現(xiàn)信頭變換，應(yīng)建立翻譯表