第七章ATM交换技术

1、问题一：ATM产生的背景。常用信息传递方式 （1）电路交换技术 电路交换在信息传输时必须先在端与端之间建立一条的信道，此信道是按时隙周期性分配的，时隙的插入、分解比较简单，可以用高速的硬件实现。 优点：信息在通路中传输时延和时延抖动很小，可提供实时的、信息连续传送的通信业务。 缺点：通路的建立的时间长，存在速率固定、网络利用率低等缺点。数据通信具有一定的突发性（传输速率不恒定），因而电路交换不适合数据业务传送的要求。虽然在技术上可以实现电路交换的多速率、高速度的信息传送，但是信息的处理和控制复杂，硬件设备成本很高。 （2）分组交换技术）分组交换技术 在分组交换通信网中，信息的传递以存储/转发的

2、方式进行，采用统计复用方法提高带宽的利用率，另一方面为了保证数据传递的可靠性，在数据链路层采用逐段转发、差错校正的控制措施。 优点：分组交换能以可变速率传送数据，动态分配网络资源，信道利用率高。 缺点：协议复杂，分组交换机的处理速度慢，延时大，同时，由于分组的长度可变，网络需要一个复杂的缓冲器管理，特别是信息传递速率要求高时，交换机的处理速度跟不上信息传递的速度，成为网络的瓶颈。 （3）帧中继 帧中继是分组交换方式的改进，采用数字光纤为传输介质，在端与端之间采用出错重传的形式进行纠错，可以以可变速率进行传递数据，动态分配网络资源，信道利用率高，纠错、重发、流量控制不由网络完成，提高了网络的吞吐

3、量，减小了网络的时延。 宽带综合业务数字网（B-ISDN）支持B-ISDN服务的技术ATM 在在ISN产生以前，通信网都是为某一个特定的业务服务的，网产生以前，通信网都是为某一个特定的业务服务的，网络之间对不同的业务互不适应，无论从经济效益还是灵活性，络之间对不同的业务互不适应，无论从经济效益还是灵活性，专一网都不能满足电信网发展的要求。专一网都不能满足电信网发展的要求。 在在1980年，推出了年，推出了N-ISDN（综合业务数字网），提供的速率（综合业务数字网），提供的速率一般情况下均不超过一般情况下均不超过2Mbit/s。 20世纪世纪80年代以后，通过广域网实现年代以后，通过广域网实现L

4、AN互联越来超多，多互联越来超多，多媒体业需求的出现使电信网络遇到问题。提出宽带业务数字媒体业需求的出现使电信网络遇到问题。提出宽带业务数字网（网（B-ISDN）。）。问题二：ATM定义及ATM方式的特点。 ATM的概念的概念 ATM的具体定义为：ATM是一种传送模式，在这一模式中用户信息被组织成固定长度的信元来传递，包含同一用户信息的信元不需要在传输链路上周期出现（即异步方式）。在信息转移技术中，传送方式可以分为两类：同步传送和异步传送。同步是指“为每个连接提供周期性的、固定长度传输时间的传送方式”，而异步是指用户信息不一定在信道上周期出现。三、三、3 3种时分复用信号种时分复用信号同步时分

5、复用同步时分复用/ /同步转移模式示意图同步转移模式示意图特点：特点：u定义帧和时隙u等分信道u靠帧内的时隙位置来识别信道。B B、分组时分复用示意图、分组时分复用示意图特点：特点：u 封装 不需要等分信道 分组头C C、ATMATM时分复用示意图时分复用示意图特点：特点：u 封装 等分信道 信头 ATM的特点 1、传输时延小网络链路质量高，网络内部没有针对差错的控制措施，只有端到端的差错控制。 2、传输质量高ATM以面向连接的方式工作，在信息传递前，先建立一个逻辑虚连接，进行网络带宽资源的预留，若不能提供相应的带宽，则不会建立连接。传递结束后，拆除虚连接。这种方式可以保证信元的丢失率，保障传

6、输质量 3、带宽高ATM信头功能有限，网络节点处理十分简单，提高了速度。 4、交换方式灵活信元的长度小，可以用硬件和软件实现交换。 5、信元在网络中传送速度高各节点只对信元的头部进行处理，信息字段保持不变。ATM兼具电路和分组传送方式的优点（1）ATM可以看作是电路传送方式的改进。 电路传送方式中，时间划分为时隙，一个时隙传送一个用户数据，按数据在时间位置进行区分。 若在每个时隙上放一个信元，则电路传送方式就变成了ATM。 在ATM中，采用固定长度的分组，即信元，并使用空闲信元填充信道，可以使信元像STM时隙一样定时出现，ATM交换通过硬件选路和信元转移，提高了信息转移的容量和速度。（2）AT

7、M可以看作是分组传送方式的改进 分组交换中，分组转发采用标记复用，分组长度在上限内可变，分组在通信线路上的位置是任意变化的。 分组传送中传送的是分组，ATM信元可以看作是一种特殊的分组。 用户在申请信道时可以提出业务质量要求 由于传输信道质量改善，ATM不使用逐段反馈重发，用户必要时可用端到端的差错纠正措施。问题三：ATM信元及结构？ ATM的信元结构一、定义信元（信元（CellCell）又称为）又称为ATMATM信元，是一种信元，是一种5353个字节组成的固定个字节组成的固定长度的数据分组，由长度的数据分组，由5 5个字节的信头和个字节的信头和4848个字节的用户数据个字节的用户数据组成组成

8、. .优点：优点：这种小而固定长度的数据单元减少了组装、拆卸信元及这种小而固定长度的数据单元减少了组装、拆卸信元及信元在网络中排除等待的时延，确保更快、更简单的进行交信元在网络中排除等待的时延，确保更快、更简单的进行交换和多路复用，从而支持高速的传输速率。换和多路复用，从而支持高速的传输速率。信元结构：定长，53个字节的信息段1字节内发送顺序从第8位开始二、二、ATM信元的信头格式信元的信头格式 ATMATM信元在网络中的功能是由信头来实现的。网络中的各个信元在网络中的功能是由信头来实现的。网络中的各个节点根据信头来识别信元是属于哪一个连接。节点根据信头来识别信元是属于哪一个连接。 信头中有地

9、址信息和控制功能信息，用于完成信元的复用信头中有地址信息和控制功能信息，用于完成信元的复用及寻路，具有本地的意义，它们在交换节点处会被重新组合。及寻路，具有本地的意义，它们在交换节点处会被重新组合。GFC：一般流量控制：一般流量控制 VPI ：虚通道标识：虚通道标识VCI ：虚信道标识：虚信道标识 PTI ：净荷类型：净荷类型CLP：-信元丢失优先级信元丢失优先级 HEC：信头误码控制：信头误码控制GFC一般流量控制域：一般流量控制域： 一般流量控制字段（一般流量控制字段（4个比特），用于共享个比特），用于共享传输媒体的多个终端接入的流量控制。传输媒体的多个终端接入的流量控制。GFC能在保证能

10、在保证 通信质量的前题下，公平而有通信质量的前题下，公平而有效的处理各个终端的信元发送请求，控制产生于效的处理各个终端的信元发送请求，控制产生于用户终端方向的信息流量，减少用户侧的短期过用户终端方向的信息流量，减少用户侧的短期过载。载。VPI/VCIVPI/VCI虚通路标识虚通路标识/ /虚信道标识：虚信道标识： VPIVPI和和VCIVCI是信元结构中的重要部分，用于表示信息的路是信元结构中的重要部分，用于表示信息的路由，交换机通过识别由，交换机通过识别VPIVPI和和VCIVCI，确定把信元送到哪一条线路，确定把信元送到哪一条线路上。上。异步传递方式中，使用了虚通路异步传递方式中，使用了虚

11、通路VPVP和虚信道和虚信道VCVC的概念。的概念。虚通路，就是将一条物理通道划分成一定数量的组/群，称作虚通路(VP)，再把每个VP细分成若干虚信道(VC)。分别用VPI、VCI进行标记。图7.8 VPI与VCI的概念图7.8 VPI与VCI的概念传输路径传输路径VPIVPIVPIVPIVPIVPIVPIVPIVPIVPIVPIVPIVCIVCIVCIVCIVCIVCI VPI/VCI在用户建立连接时分配，并在用户建立连接时分配，并在信息传输途经的在信息传输途经的ATM交换结点上建立输交换结点上建立输入入/输出映射表；传输信元时，交换机根输出映射表；传输信元时，交换机根据信元头的据信元头的V

12、PI/VCI查映射表，形成新的查映射表，形成新的VPI/VCI，填入信元头。，填入信元头。PT载荷类型载荷类型：占占3个比特，个比特，标识标识ATM信元运载的类型：信元运载的类型：当当PT=0XX时为用户数据时为用户数据当当PT=1XX 时为操作管理和维护数据时为操作管理和维护数据PT第二位：第二位：当首位当首位=0（即用户信息）（即用户信息）第二位用于拥塞指示（第二位用于拥塞指示（0未拥塞，未拥塞，1拥塞），由交换机根拥塞），由交换机根据当前状况设置；据当前状况设置；当首位当首位=1（即管理信息）（即管理信息） 第二位第二位=0表示操作管理信息；第二位表示操作管理信息；第二位=1表示资源管理

13、信息。表示资源管理信息。PT的第三位：的第三位：为为0，表示这个信元是用户数据的结束，表示这个信元是用户数据的结束为为1，表示这个信元是用户数据的开始或是中间信元。，表示这个信元是用户数据的开始或是中间信元。PTPT定义了定义了8 8种载荷类型，如下：种载荷类型，如下：CLP信元丢弃优先权信元丢弃优先权 在在ATM中，若网络中发生了拥塞，节中，若网络中发生了拥塞，节点可以丢弃到来的信元。优先级低的信元点可以丢弃到来的信元。优先级低的信元先于优先级高的信元丢弃。先于优先级高的信元丢弃。CLP=0，表示高优先级；，表示高优先级；CLP=1，表示低优先级。，表示低优先级。HEC信头差错控制信头差错控

14、制 为为8个比特，信头差错控制。用于个比特，信头差错控制。用于ATM信元头差错的检测和纠正以及信元定界。信元头差错的检测和纠正以及信元定界。 HEC采用的是一种循环冗余码采用的是一种循环冗余码CRC，用于信元头校验码，保证正确传输。用于信元头校验码，保证正确传输。 特殊信元 （1）信令信元 宽带ISDN上传递的信息都是采用的ATM信元，信令也是用ATM信元来传递，传送信令的ATM信元叫做信令信元。 （2）OAM信元 为了匹配线路的传输速率，在线路上没有信息传送时，发送“空闲信元”填充空闲信道。问题四：ATM参考模型及各平面、各层的功能？ ATM参考模型3个平面：用户面、控制面、管理面.3个功能

15、层：物理层、ATM层、ATM适配层高层高层ATM适配层适配层 （SAAL）ATM层层物理层物理层ATM适配层适配层 （AAL）高层高层用户业务和信令用户业务和信令上层信息与上层信息与ATM信元间的转换信元间的转换信元交换和复用信元交换和复用解复用解复用帧结构、物理介帧结构、物理介质质处理各层间处理各层间协调，无分协调，无分层结构层结构分别管理各层分别管理各层协议实体中的协议实体中的资源和参数资源和参数呼叫连接呼叫连接与控制与控制用户信息传输、流用户信息传输、流量控制和差错恢复量控制和差错恢复面管理面管理层管理层管理控制平面控制平面用户平面用户平面1. 各个层的功能：各个层的功能： 上图比较抽象

16、，为了加深理解，我们在各个层面中放入可能的相关协议。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，它负有两个功能：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，并执行运营、监控责所有平面的协调。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、流量负责提供用户信息传送、流量控制和恢复操作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

17、久虚电路(PVC)时不需时不需要控制平面。要控制平面。ATM参考模型ATM的分层结构与功能的分层结构与功能ATM考模型中，从下到上分别是：物理层PHY、ATM层、ATM适配层AAL。1物理层物理层 物理层主要是提供ATM信元的传输通道，将ATM层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流，同时，在接收到物理介质上传来的连续比特流后，取出有效的信元传给ATM层。物理层从上到下又分为传输会聚子层TC和物理介质子层PM（1）物理介质子层PMPM在发送方向上从TC取得比特流，并把比特流在链路上进行透明传输，在接收方向上检测和恢复接收到的比特流，并把比特流送给TC，便于TC能够从比特流中恢复传输帧和AT

18、M信元。其主要功能是提供比特流传输、对比特定时和线路编码等方面作出了规定，并针对所采用的物理介质(如光纤、同轴电缆、双绞线等)定义其相应的特性；物理层向上与ATM层交互信元，向下必须适配不同的传输系统。1物理介质子层提供的物理接口物理介质子层提供的物理接口 ITU-T和“ATM论坛”将物理接口分为三类，即基于SDH、基于信元和基于PDH的接口。下面进行简要介绍。 （1） ITU-T制定的接口标准 ITU-T建议书I.432定义了两个基于光纤同步数字系列(SDH)的物理接口，分别为：速率为155.52 Mb/s的STM-1;速率为622.08 Mb/s的STM-4。ITU-T还定义了下列电气和物

19、理接口速率标准，见表7-3。表表7-3 ITU-T制定的接口速率制定的接口速率（2） “ATM论坛”制定的接口标准 “ATM论坛”定义了4个物理层接口速率，其中两个适用于公用网，分别对应于ANSI和ITU-T定义的DS3和STC-3C速率。下面是用于专用网的3个接口速率和介质：基于FDDI的100 Mb/s速率；基于光纤信道的155.52 Mb/s速率；基于屏蔽双绞线的155.52 Mb/s速率。（3） ANSI制定的接口标准 表表7-4 ANSI制定的接口标准速率制定的接口标准速率接口名称 速 率 STS-1 51.84 Mb/s STS-3c 155.52 Mb/s STS-12c 622

20、.08 Mb/s DS3 44.736 Mb/s 2、比特定时物理媒体子层和传输会聚子层这产交换数据流时需要同步，正常模式下，发送端时钟锁定在接口收到的定时基准时钟止，在时钟出错时，可采用独立时钟工作模式。 3、线路编码物理介质子层可以一位位的传送，也可以一次操作一个组，也就在线路传送前，把每一个位组转换成另外一个码制传输汇聚子层传输汇聚子层TC 主要实现比特流和信元流之间的转换。传输汇聚子层的功能是传输帧适配、信元速率耦合、信元定界、HEC控制、扰码等。1、信元差错控制信元差错控制 信元最后一个字节设置为HEC字段，它的功能是检测多比特错误，纠正单比特错误。HEC是利用生成多项式(x8+x2

21、+x+1)对信头前4个字节进行除法运算，将其余数与01010101模2加后所得到的值。在接收端，利用这一算法即可检测出多比特误码，纠正单比特误码。 2信元定界信元定界 信元定界就是在比特流中确定一个信元的开始。信元定界的方法是基于信头的前4个字节与HEC字段的关系来设计的。如果在比特流中连续的5个字节满足HEC字段产生的算法，即认为是某个信元的开始。 下图表示了信元定界的过程。信元定界开始时处于捕捉状态，此时进行比特搜索；一旦发现5个字节之间存在HEC关系，就进入预同步状态，然后进行逐信元验证；如果发现有连续b次正确的HEC关系存在，则认为进入同步状态；一旦发现错误的HEC，则返回捕捉状态。在

22、同步状态，如果发现连续a次不正确的HEC关系，则认为失去定界并返回捕捉状态。ITU-T规定：对基于SDH的信元定界，a=7，b=6；对基于信元方式的定界，a=7，b=8。 信元定界流程图捕捉同步预同步按比特逐个检测正确的HEC不正确的HEC连续次不正确的HEC按信元逐个检测连续次正确的HEC按信元逐个检测b 3信元速率耦合信元速率耦合 信元速率耦合即速度匹配功能。为了使信元流适应于物理介质上传输的比特率，我们引入空信元(idle cell)的概念。空信元在发送端插入和在接收端删除称为信元速率耦合。空信元由信头的标准模式确定，如图5.4所示。空信元净荷域中的每个字节都用01101010填充。空信

23、元的格式字节 1 字节 2 字节 3 字节 4 字节 5 净荷(48 字节) 00000000 00000000 00000000 00000001 HEC 有效码 01101010 4扰码扰码 为了增强用HEC字节对信元进行定界算法的安全性，同时使信元的信息字段假冒信头的概率减至最低，需要通过扰码增强信元流净荷字段中数据的随机性。ITU-T建议通过扰码使信元中的数据随机化。 ATM层层 ATM层在物理层之上，只识别和处理信头。在发送方向上，ATM层从上层接收信元负载信息，并产生一个相应的ATM信头（不包含差错控制）；在接收方向上，ATM层从下一层接收信元信息，在ATM层进行信头提取操作，去掉

24、ATM信头，并将信元负荷区的内容提交上一层。ATM适配层适配层AAL ATM适配层AAL将上层传来的信息流(长度、速率各异)分割成48字节长的ATM_SDU传给ATM层，同时，将ATM层传来的业务数据单元ATM_SDU组装、恢复再传递给上层，同时吸收信元抖动和信元丢失，并提供流量控制和差错控制。ATM层上传送的业务有很多种，根据三个基本参数可能划分为四类：信源和信宿之间要求的定时关系；比特率是均匀的还是可变的；连接模式是面向连接的还是非连接的。ITU-T定义了A、B、C、D四类业务。 A类业务：具有恒定的比特率，面向连接的实时信息传递业务。主要用于电路仿真。 B类业务：具有可变的比特率，面向连

25、接的实时信息传送业务。主要用于可变比特率的话音和视频传输。 C类业务：具有可变的比特率，面向连接的非实时信息传送业务。主要用于面向连接的数据传输。 D类业务：具有可变的比特率，面向非连接的非实时信息传送业务。主要用于面向非连接的数据传输。AAL业务属性分类业务属性分类问题五：ATM信元的传送处理原则？ 1、 信元传送。 ATM信元定长，时间被划分为等长的小片段，一个小片段传送一个信元。 ATM网络采用有效的业务流量监控机制，对网上用户进行实时监控，把网络拥塞发生的概率降低 对网络中不同种类的业务赋予不同的优先权。 2、 误码处理方法 对信头进行HEC检测，纠正信头的一位错误码，对于有多位出错的

26、，则将信元丢弃。 ATM方式不保证信息的正确性，信宿收到的信息可能有误码。 3、信道填充 为了保证传输速率匹配，则当无信息要传送时须填入空闲信元。 4、面向连接的工作方式，ATM网络是通过呼叫建立虚电路的方式构成信息传送通路，通信中一直采用该虚电路标记，直到通信结束才释放虚通路。图 VC/VP交换的具体示例(a) VP交换过程；(b) VC交换过程(a)(b)VCI1VCI2VCI5VCI6VC交换VP交换VPI3VPI4VPI5VCI6VCI5VCI3VCI4VCI1VCI2VCI3VCI4VPI / VCI转发表输入端口VPIVCI11221234输出端口VPIVCI43555634VPI1VPI2VPI6VPI5VPI4VPI3VPI2VCI1VCI2VPI1VCI3VCI4VCI5VCI6VPI转发表VCI5VCI6VCI1VCI2VCI3VCI4输入VPI输出VPI152364（1）VP与VC的交换（2）A