第七章._ATM交换技术

1、1第七章第七章 ATM交换技术交换技术2主要内容主要内容ATM与与B-ISDN的产生与发展的产生与发展ATM基本原理基本原理ATM交换技术交换技术31）B-ISDN的提出的提出通信网的发展通信网的发展N-ISDN的局限性：的局限性： （1）窄带）窄带ISDN的信息传输速率有限的信息传输速率有限 。 （2）窄带）窄带ISDN是在数字电话网的基础上发展起来的，是在数字电话网的基础上发展起来的，网络内部的交换是基于网络内部的交换是基于64 kbit/s的电路交换方式，而电的电路交换方式，而电路交换方式对技术发展的适应性较差。路交换方式对技术发展的适应性较差。 （3）窄带）窄带ISDN虽然也综合了分组

2、交换业务，但是这种虽然也综合了分组交换业务，但是这种综合仅在用户综合仅在用户网络接口上实现网络接口上实现 。B-ISDN的提出：的提出： 能够提供具有更高传输速率的传输信道；更先进的传能够提供具有更高传输速率的传输信道；更先进的传送模式，能够适应全部现有及未来可能出现的各种业务。送模式，能够适应全部现有及未来可能出现的各种业务。1、ATM与与B-ISDN的产生与发展的产生与发展42）B-ISDN网对传送模式的要求网对传送模式的要求q 对信息的损伤要小对信息的损伤要小o 具有时间透明性(信息传送的时延和时延抖动要小)o 具有语义透明性(由传送引起的信息丢失和差错要小)q 能灵活地支持各种业务能灵

3、活地支持各种业务q 具有高速传送信息的能力具有高速传送信息的能力1、ATM与与B-ISDN的产生与发展的产生与发展53）ATM与与B-ISDN的产生和发展的产生和发展1983年，美国贝尔实验室的年，美国贝尔实验室的Turner J.等人提出了快速分组交换（等人提出了快速分组交换（FPSFast Packet Switching）原理，研制了原型机。原理，研制了原型机。同年，法国同年，法国Coudreuse J.P.提出了提出了ATD交换概念，并在法国电信交换概念，并在法国电信研究中心（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，很多设备制造公司、邮电管理

4、部门和概念提出以后，很多设备制造公司、邮电管理部门和标准化组织表示了强烈的兴趣，进行了深入的研究。标准化组织表示了强烈的兴趣，进行了深入的研究。80年代中期，年代中期，CCITT也开始了这种新的传送模式的研究。也开始了这种新的传送模式的研究。1988年，年，CCITT 18研究组决定采用固定长度的信元，定名为研究组决定采用固定长度的信元，定名为ATM，并认定并认定B-ISDN将基于将基于ATM技术。技术。1990年，年，CCITT 18研究组制定了关于研究组制定了关于ATM的一系列建议，并在的一系列建议，并在以后的研究中不断地深入和完善以后的研究中不断地深入和完善。1、ATM与与B-ISDN的

5、产生与发展的产生与发展6 1994年投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在年投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在州的范围内的公用州的范围内的公用ATM宽带网。宽带网。 在欧洲由法国、德国、英国、意大利和西班牙等国发起的泛欧在欧洲由法国、德国、英国、意大利和西班牙等国发起的泛欧ATM宽带试验网，于宽带试验网，于1994年年11月开始运行，后来扩大到欧洲的十多个月开始运行，后来扩大到欧洲的十多个国家，是覆盖面较广的国家，是覆盖面较广的ATM试验网试验网 在亚洲的日本在亚洲的日本NTT与邮政省、香港电讯、新加坡电信、韩国电信、与邮政省、香港电讯、新加坡电信、韩国电信、泰

6、国的亚洲电信以及中国的广东、北京和上海电信管理局也进行过泰国的亚洲电信以及中国的广东、北京和上海电信管理局也进行过以以ATM为基础的宽带网试验。试验的业务平台有基于为基础的宽带网试验。试验的业务平台有基于TCPIP的宽的宽带数据、带数据、VOD、会议电视。试验的应用系统大致有家庭购物、远程会议电视。试验的应用系统大致有家庭购物、远程医疗、远程教学等。医疗、远程教学等。 1、ATM与与B-ISDN的产生与发展的产生与发展7 4）公用网的）公用网的ATM交换系统交换系统 公用网公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性，吞吐量通常为展性，吞吐量通常为401

7、60G。应能支持各种接口、业应能支持各种接口、业务和连接类型，并具有保证服务质量（务和连接类型，并具有保证服务质量（Qos）的业务流控的业务流控制功能。制功能。 富士通富士通FETEX-150、爱立信的爱立信的AXD301、西门子的西门子的Main Street Xpress、 AT&T的的Globe View 2000、阿阿尔卡特的尔卡特的1000AX、 北电的北电的Magellan Concorde等。等。 1、ATM与与B-ISDN的产生与发展的产生与发展82、ATM基本原理基本原理ATM信元及其结构信元及其结构ATM信元传送处理原则信元传送处理原则面向连接的工作方式面向连接的工作方式9

8、2.1 ATM信元及其结构信元及其结构 1）信元结构：）信元结构： 信元由5字节信头和48字节信息段（净荷）组成。发送次序8 7 6 5 4 3 2 1 比特 15 6.53发送次序信头（5字节）信息段（48字节）信元从信元从第第1 1个个字节开字节开始顺序始顺序向下发向下发送送在同一字节中从第在同一字节中从第8 8位开始发送位开始发送102）UNI的信头结构：的信头结构：GFC（Generic Flow Control）： 一般流量控制字段（4个比特）及相应的GFC功能用于接入的流量控制。由于B-ISDN的UNI接入的终端数量可以很多，需要控制流向网络的流量，以避免网络的短期过载。GFC比特

9、 8 7 6 5 4 3 2 1VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP1 2 3 4 52.1 ATM信元及其结构信元及其结构 11VPI/VCI（Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier）： 选路信息。PT（Payload Type）： 有3个比特，表示净荷类型，区分是用户数据信元还是其他信元类型CLP（Cell Loss Priority）： 表示信元丢失优先级，只有一个比特，CLP=0，表示高优先级；CLP=1,表示低优先级，若遇到拥塞要丢弃信元时，CLP=1的信元将首先丢弃。HEC（Head Error Control

10、）： 为1个字节，用于信头差错控制。2.1 ATM信元及其结构信元及其结构 123）NNI的信头结构：的信头结构： NNI信头不需要GFC字段，从而使VPI扩展为12比特。比特 8 7 6 5 4 3 2 1VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP1 2 3 4 52.1 ATM信元及其结构信元及其结构 1.1.误码处理方法误码处理方法 在传送在传送ATM信元的系统中，通过对信头部分的信元的系统中，通过对信头部分的信头差错控制信头差错控制(HEC)进行检验，可以纠正信头中的进行检验，可以纠正信头中的一位错码和发现多位错码。一位错码和发现多位错码。 对于对于HEC已检验出信头有错而无法纠正

11、时，则已检验出信头有错而无法纠正时，则丢弃该信元。丢弃该信元。ATM信元头中出现误码大多只是一信元头中出现误码大多只是一位错误，因而在位错误，因而在ATM信元头纠错中采用了只能纠信元头纠错中采用了只能纠正一位错码的校验码序列。正一位错码的校验码序列。 对信息域不采取任何纠错和检错措施，这使得对信息域不采取任何纠错和检错措施，这使得2.2 ATM信元传送处理原则信元传送处理原则 (1) 接收方收到的接收方收到的ATM信元的信头都是正确的。信元的信头都是正确的。 (2) 不是所有的不是所有的ATM信元都能送到接收方，信头信元都能送到接收方，信头错误的信元被丢弃了。错误的信元被丢弃了。 (3) AT

12、M系统不保证传送信息的正确性，接收方系统不保证传送信息的正确性，接收方收到的收到的ATM信元的信息域中可能有误码。信元的信息域中可能有误码。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： 在一个比特流中，界定各个信元的功能，称作信元定界功能。在一个比特流中，界定各个信元的功能，称作信元定界功能。（2 ）定界方法）定界方法 在信元定界过程中定义了三种状态：搜索态、 预同步态和同步态。 在搜索状态中，系统对接收信号进行逐比特的差错控制HEC检验。当发现了一个正确的HEC检验结果后，系统进入预同步状态。 在这种状态，系统认为已经发现了信元的边界，并按照此边界找到下一个信头进

13、行HEC检验。 差错控制差错控制定界方法定界方法 若能连续发现若能连续发现b b个信元个信元的的HECHEC检验都正确，则系检验都正确，则系统进入同步状态。统进入同步状态。 若发现一个若发现一个HECHEC检验的检验的错误，则系统回到搜索错误，则系统回到搜索态。在同步态，系统逐态。在同步态，系统逐信元进行信元进行HECHEC检验，在发检验，在发现连续现连续a a个不正确的结果个不正确的结果后，系统回到搜索态。后，系统回到搜索态。 定界方法定界方法 对于一条以恒定对于一条以恒定速率传送速率传送ATM信信元的信道，元的信道，它的发送端没有信元传送时，则应向信道送出空它的发送端没有信元传送时，则应向

14、信道送出空闲信元。在信道的接收端，应把收到的空闲信元闲信元。在信道的接收端，应把收到的空闲信元丢掉。丢掉。 (1)(1)信道上永远处于信元传送状态。信道上永远处于信元传送状态。 (2)(2)信道上时间被等分为一系列小段，每个小信道上时间被等分为一系列小段，每个小段传送一个信元。段传送一个信元。 3. 3. 信道填充信道填充 181）虚通道与虚信道： ATM传输通道可分割成若干个逻辑子信道 ，为便于应用和管理，逻辑子信道可按两个等级来划分： 虚通道（VP-Virtual Path） 虚信道（VC-Virtual Channel ）2.3 面向连接的工作方式面向连接的工作方式 192.3 面向连接

15、的工作方式面向连接的工作方式 p 向北京方向（用VPI = 1标识）的3个通信，两个是数据通信，一个是电话通信（分别用VCI = 4、5、6标识）p 向广州方向（用VPI = 2标识）的2个通信，一个是视频通信，一个是电话通信（分别用VCI = 5、6标识） 202） VPC（虚通道连接）和VCC（虚信道连接） VCC（Virtual Channel Connection）是VCC端点之间的VC级端到端的连接，由多条VC链路串接而成，VCI（虚信道标识）用来识别一条VC。 VPC（Virtual Path Connection）是VPC端点之间的VP级端到端的连接，由多条VP链路串接而成，VP

16、I（虚通道标识）用来识别一条VP。 VCC端点（VCC Endpoint）是VCC的起点和终点，是ATM层及其上层交换信元净荷的地方，也就是信息产生的源点和被传送的目的点。VPC端点（VPC endpoint）是VPC的起点和终点，是VCI产生，变换或终止的地方。 2.3 面向连接的工作方式面向连接的工作方式 21虚信道连接（VCC）虚通道连接（VPC）VC链路VC链路VC链路VCIXVCIyVCIZVP链路VP链路VP链路VPIXVPIyVPIZ2.3 面向连接的工作方式面向连接的工作方式 223）VP交换和VC交换 VP交换是指仅变换VPI值而不改变VCI值的交换，即只进行虚通道的交换，虚

17、通道里面的虚信道并不进行交换。 2.3 面向连接的工作方式面向连接的工作方式 23 VC交换是指VPI值与VCI值都要进行改变的交换。因为虚信道是按照虚通道来划分的，当虚信道交换时，其所属的虚通道也要进行交换，即虚通道和虚信道都要进行交换。 2.3 面向连接的工作方式面向连接的工作方式 242.3 面向连接的工作方式面向连接的工作方式 ATM连接的建立过程。在源ATM端点与目的ATM端点进行通信前的连接建立过程，实际上就是在这两个端点间的各段传输通道上，找寻空闲VC链路和VP链路，分配VCI与VPI，建立相应VCC与VPC的过程。 25ATM虚连接建立的方式有两种方式：q 永久虚连接（PVC：

18、Permanent Virtual Connection）q 交换虚连接（SVC：Switching Virtual Connection） PVC是由管理面控制建立的永久和半永久连接，用户在传送信息前不需要建立过程。 SVC是由信令控制建立的连接，用户在传送信息前要建立连接，信息传送完毕则拆除虚连接。 VPC 和 VCC 都可有PVC和SVC的虚连接。2.3 面向连接的工作方式面向连接的工作方式 国际电联给出了国际电联给出了BISDN的参考模型，它是一个立体分层模型。的参考模型，它是一个立体分层模型。2.4 ATM分层参考模型分层参考模型 从纵向看从纵向看有三个功有三个功能面能面控制面控制面

19、用户面用户面管理面管理面管理平面管理平面(M平面平面) 有两个功能：平面管理和层管理。平面管理没有分层结构，有两个功能：平面管理和层管理。平面管理没有分层结构，它负责所有平面的协调。层管理负责各层中的实体，并执行它负责所有平面的协调。层管理负责各层中的实体，并执行运营、监控和维护运营、监控和维护(OAM)功能。功能。 用户平面用户平面(U平面平面) 负责提供用户信息传送、流负责提供用户信息传送、流量控制和恢复操作量控制和恢复操作控制平面控制平面(C平面平面) 负责建立网络连接和管理负责建立网络连接和管理连接，以及连接的释放；使连接，以及连接的释放；使用永久虚电路用永久虚电路(PVC)时不需时不

20、需要控制平面。要控制平面。28物理层物理层： 负责通过物理媒体正确、有效地传送信元。它可划分为个子层：物理媒体相关子层（PMD ：Physical Medium Dependent Sublayer）传输汇聚子层（TC：Transmission Convergence Sublayer ）物理媒体相关子层（物理媒体相关子层（PMD）的功能的功能： 提供与传输媒体有关的机械和电气接口，正确地发送和接收数据比特，负责线路编码、比特定时等功能。传输汇聚子层（传输汇聚子层（TC）的功能的功能：传输帧的产生/恢复与适配 在发送端要将信元流封装成适合传输系统要求的帧结构送到PMD子层，在接收端则将PMD子

21、层送来的比特流（传输帧）恢复成信元流；并在信元流与传输帧转换时完成格式的适配。2.4 ATM协议参考模型协议参考模型29信头差错控制（HEC:Header Error Control） 信元的信头中含有控制选路及其他的重要信息，必须对信头信息进行差错控制。在发送端按在发送端按CRC算法生成算法生成1字节的信头差错控制域字节的信头差错控制域（HEC），而在接收端对信头的），而在接收端对信头的HEC进行校验并按照一定的信头差错进行校验并按照一定的信头差错控制方式来处理信元。控制方式来处理信元。信元定界和扰码 信元定界（Cell delineation）是用一定的方法来识别信元的边界。为防止信元的信

22、息段出现伪HEC码而影响正确的定界，可对信息段进行扰码(scrambling)操作，在接收端再以相反的操作进行解扰（descrambling）。信元速率去耦 为了使ATM层传送信元的速率不受传输媒体速率的影响，可以在发送端物理层插入空闲信元（idle cell），以将ATM层信元流的速率适配成传输媒体的速率。 在接收端，通过特定的预分配信头值，可以识别出空闲信元予以丢弃，并不送往ATM层。2.4 ATM协议参考模型协议参考模型30ATM层：层： ATM层的主要功能是负责信元的交换、选路和复用。具体为：p信元的复用与交换p服务质量保证p实现净荷类型有关的功能p一般流量控制2.4 ATM协议参考模

23、型协议参考模型31AAL：1）AAL的功能：的功能： 主要功能是将高层业务信息或信令信息适配成ATM信元流。它是ATM层与高层应用（包括用户面、控制面和管理面）之间的适配层，并支持高层与ATM层之间的适配：将高层的协议数据单元（PDU）映射到ATM信元的信息段或反之。AAL实体与对等层的AAL实体之间要交换信息，以实现AAL的功能。2）AAL的业务分类：的业务分类： AAL的功能和规程与业务有关，不同的业务需要不同的AAL规程。为了减少AAL规程的数量，将业务按照以下个特性进行分类：源与终点之间的定时关系：需要或不需要；比特率：固定或可变；连接方式：面向连接或无连接。2.4 ATM协议参考模型

24、协议参考模型32业务特性业务特性源与终点之间的源与终点之间的定时关系定时关系比特率比特率类别类别A类类B类类C类类D类类连接方式连接方式需要需要不需要不需要固定固定可变可变面向连接面向连接无连接无连接ATM适配层适配层AAL1AAL2AAL5AAL3/4AAL3/42.4 ATM协议参考模型协议参考模型333）AAL的基本结构：的基本结构： AAL的功能可以分为两个逻辑子层：汇聚子层（CS：Convergence Sublayer） 汇聚子层的主要功能是在AAL业务接入点（SAP）对高层提供AAL的服务，其具体功能与业务类型有关。分段和重组子层（SAR：Segmentation And Rea

25、ssembly） 分段和重组子层可简称为拆装子层，其主要功能是将高层信息进行分割，以适合于装入ATM信元的信息段，或者反之。 2.4 ATM协议参考模型协议参考模型34）AAL类型：类型： 为了适应不同业务类型的需要，ITU-T定义了类AAL：AAL1、AAL2、 AAL3/4、AAL5。 AAL1规程用于支持类业务。 AAL2规程用于支持类业务，适用于时延敏感的低速、可变长度的短分组的传送。 AAL3与AAL4原来是分开的，后来合并为一类：AAL3/4，用来支持C/D两类业务，即包括面向连接与无连接的数据业务。 AAL5可以看成是简化的AAL3/4，用来支持面向连接的C类业务（如帧中继），传

26、送大的数据分组时效率较高，ATM网络信令也采用AAL5。高层：高层： 则相当于各种业务的应用层或信令的高层处理。2.4 ATM协议参考模型协议参考模型353.1 ATM交换的基本原理交换的基本原理 ATM交换是指交换是指ATM信元从输入端的逻辑信道到输出端的逻辑信道的信元从输入端的逻辑信道到输出端的逻辑信道的消息传递。输出信道的确定是根据连接建立信令的要求在众多的输出信消息传递。输出信道的确定是根据连接建立信令的要求在众多的输出信道中进行选择来完成的。道中进行选择来完成的。 ATM逻辑信道具有两个特征：逻辑信道具有两个特征：q物理端口（线路）编号物理端口（线路）编号qVP与与VC标识符标识符

27、为了提供交换功能，输入物理端口必须与输出物理端口相关联；输为了提供交换功能，输入物理端口必须与输出物理端口相关联；输入入VPI/VCI与输出的与输出的VPI/VCI相关。相关。 ATM交换系统执行三种基本功能：交换系统执行三种基本功能：信头翻译、路由选择和排队信头翻译、路由选择和排队36信头变换：信头变换： 信头变换主要是指VPI/VCI值的变换，即入VPI/VCI变换为出VPI/VCI。VPI/VCI的变换体现了信元交换的重要概念，意味着入线上某逻辑信道中的信息被传送到出线上的另一逻辑信道中去。为了实现信头变换，应建立翻译表。选路：选路： 选路表示任一入线的信息可被交换到任一出线，具有空间交换的特征。信头变换加上选路功能，才能实现ATM交换结构的交换功能。这也就是说，在翻译表中从入线的VPI/VCI应能查到出线号码以及新的VPI/VCI值。