现代交换技术 第ATM交换技术.pptx
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1、5.1 ATM技术介绍5.1.1 ATM基础知识 1ATM诞生的背景 在电话网中,呼叫一旦建立起来,通信的双方以64 kb/s的速率独自占有该连接,这种独占性使得话音或数据信息传递的实时性非常好。但由于用户的独占性,大大影响了设备资源的利用率,即使通信的双方无话音或者数据传递,也不能供其它用户使用该带宽;另一方面,电路交换不适合速率变化很大的数据通信业务。第1页/共207页 在分组交换通信网中,信息的传递都是以分组为单位进行传输、复接和交换的。分组交换一方面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。这种控制措施保证了数据的
2、正确传递,但同时也致使传输数据产生附加的随机时延。第2页/共207页 随着通信技术和通信业务需求的发展,电信网络必须向宽带综合业务数字网(B-ISDN)方向发展,这就要求通信网络和交换设备既要容纳非实时性的数据业务,又要容纳实时性的电话和电视信号业务,还要考虑到满足突发性强、瞬时业务量大以及业务通信速率可变的要求。在这样的通信业务条件下,传统的电路交换和分组交换都不能胜任,一种新的传送模式“异步传送模式”出现了。异步传送模式是相对传统电路交换采用的同步传送模式STM(Synchronous Transfer Mode)而言的,同步传送模式的主要特征是采用了时分复用技术,各路信号都是按一定时间间
3、隔周期性出现的,可根据时间识别每路信号。异步传送模式则采用统计时分复用,各路信号不是按照一定时间间隔周期性出现的,要根据标志来识别每路信号。采用该传送模式后,大大提高了网络资源的利用率。第3页/共207页 2ATM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,信元随机占用信道资源,也就是说,信元不按照一定时间间隔周期性地出现。从这个意义上来看,这种传送模式是异步的(统计时分复用也叫异步时分复用)。ATM的信元具有固定的长度,从传输效率、时延及系统实现的复杂性考虑,ITU-T规定ATM的信元长度为53字节。信元的结构如图5.1所示。第4页/共207
4、页图5.1 ATM信元的结构第5页/共207页 信元的前5个字节为信头(Cell Header),包含有各种控制信息,主要是表示信元去向的逻辑地址,还有一些维护信息、优先级以及信头的纠错码。后面48字节是信息字段,也叫信息净荷(Payload),它承载来自各种不同业务的用户信息。信元的格式与业务类型无关,任何业务的信息都经过分割后封装成统一格式的信元。用户信息透明地穿过网络(即网络对它不进行处理)。第6页/共207页5.1.2 ATM技术的特点 1采用固定长度的短分组 在ATM中采用固定长度的短分组,称为信元(Cell)。固定长度的短分组决定了ATM系统的处理时间短、响应快,便于用硬件实现,特
5、别适合实时业务和高速应用。第7页/共207页 2采用统计复用 传统的电路交换中,同步传送模式(STM)将来自各种信道上的数据组成帧格式,每路信号占用固定比特位组,在时间上相当于固定的时隙,任何信道都通过位置进行标识。ATM是按信元进行统计复用的,在时间上没有固定的复用位置。统计复用是按需分配带宽的,可以满足不同用户传递不同业务的带宽需要。第8页/共207页 3采用面向连接并预约传输资源的方式工作 电路交换通过预约传输资源保证实时信息的传输,同时端到端的连接使得在信息传输时,在任意的交换节点不必作复杂的路由选择(这项工作在呼叫建立时已经完成)。分组交换模式中仿照电路方式提出虚电路工作模式,目的也
6、是为了减少传输过程中交换机为每个分组作路由选择的开销,同时可以保证分组顺序的正确性。但是分组交换取消了资源预定的策略,虽然提高了网络的传输效率,但却有可能使网络接收超过其传输能力的负载,造成所有信息都无法快速传输到目的地。第9页/共207页 ATM方式采用的是分组交换中的虚电路形式,同时在呼叫建立时向网络提出传输所希望使用的资源,网络根据当前的状态决定是否接受这个呼叫。其中资源的约定并不像电路交换那样给出确定的电路或PCM时隙,只是给出用以表示将来通信过程中可能使用的通信速率。采用预约资源的方式,可以保证网络上的信息在一个允许的差错率下传输。另外,考虑到业务具有波动的特点和交换中同时存在的连接
7、的数量,根据概率论中的大数定理,网络预分配的通信资源肯定小于信源传输时的峰值速率。可以说ATM方式既兼顾了网络运营效率,又能够使接入网络的连接进行快速数据传输。第10页/共207页 4取消逐段链路的差错控制和流量控制 分组交换协议设计运行的环境是误码率很高的模拟通信线路,所以执行逐段链路的差错控制;同时由于没有预约资源机制,所以任何一段链路上的数据量都有可能超过其传输能力,所以有必要执行逐段链路的流量控制。而ATM协议运行在误码率很低的光纤传输网上,同时预约资源机制保证网络中传输的负载小于子网络的传输能力,所以 ATM取消了网络内部节点之间链路上的差错控制和流量控制。第11页/共207页 但是
8、通信过程中必定会出现的差错如何解决呢?ATM将这些工作推给了网络边缘的终端设备完成。如果信元头部出现差错,会导致信元传输的目的地发生错误,即所谓的信元丢失和信元错插,如果网络发现这样的错误,就简单地丢弃信元。至于如何处理由于这些错误而导致信息丢失后的情况则由通信的终端处理。如果信元净荷部分(用户的信息)出现差错,判断和处理同样由通信的终端完成。对于不同的传输媒体可以采取不同的处理策略。例如,对于计算机数据通信(文本传输),显然必须使用请求重发技术要求发送端对错误信息重新发送;而对于话音和视频这类实时信息发生的错误,接收端可以采用某种掩盖措施,减少对接收用户的影响。第12页/共207页 5ATM
9、信元头部的功能降低 由于ATM网络中链路的功能变得非常有限,因此信元头部变得异常简单。其功能包括:(1)标志虚电路,这个标志在呼叫建立阶段产生,用以表示信元经过网络中传输的路径。依靠这个标志可以很容易地将不同的虚电路信息复用到一条物理通道上。(2)信元的头部增加纠错和检错机制,防止因为信元头部出现错误导致信元误选路由。第13页/共207页 (3)很少的维护开销比特,不再像传统分组交换中那样,包含信息差错控制、分组流量控制以及其它特定开销。因此ATM技术既具有电路交换的“处理简单”、支持实时业务、数据透明传输、采用端到端的通信协议等特点,又具有分组交换的支持变比特率(VBR)业务的特点,并能对链
10、路上传输的业务进行统计复用。第14页/共207页5.1.3 虚信道、虚通道、虚连接 虚信道VC(Virtual Channel)表示单向传送ATM信元的逻辑通路,用虚信道标识符VCI(Virtual Channel Identifier)进行标识,表明传送该信元的虚信道。虚通道VP(Virtual Path)表示属于一组VC子层ATM信元的路径,由相应的虚通道标识符VPI(Virtual Path Identifier)进行标识,表明传送该信元的虚通道。虚信道、虚通道与传输线路的关系如图5.2所示。VC相当于支流,对VC的管理粒度比较细,一般用于网络的接入;VP相当于干流,将多个VC汇聚起来形
11、成一个VP,对VP的管理粒度比较粗,一般用于骨干网。与VC相比较,对VP进行交换、管理容易得多。第15页/共207页图5.2 VP、VC与传输线路的关系第16页/共207页 虚连接是通过ATM网络在端到端用户之间建立一条速率可变的、全双工的、由固定长度的信元流构成的连接。该连接由虚信道、虚通道组成,通过VCI和VPI进行标识。VCI标识可动态分配的连接,VPI标识可静态分配的连接。VCI、VPI在虚连接的每段链路上具有局部意义。第17页/共207页5.2 B-ISDN协议参考模型5.2.1 协议参考模型 在ITU-T的I.321建议中定义了B-ISDN协议参考模型,如图5.3所示。它包括三个面
12、:用户面、控制面和管理面。用户面、控制面都是分层的,分为物理层、ATM层、AAL层和高层。第18页/共207页图5.3 B-ISDN协议参考模型第19页/共207页 B-ISDN协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能:用户平面:采用分层结构,提供用户信息流的传送,同时也具有一定的控制功能,如流量控制、差错控制等;控制平面:采用分层结构,完成呼叫控制和连接控制功能,利用信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放;管理平面:包括层管理和面管理。层管理采用分层结构,完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能,如元信令;同时层管理还处理与各层相关的OAM信息流。面管理不分层,它完成与整个系统相关的管理功
13、能,并对所有平面起协调作用。第20页/共207页5.2.2 模型分层介绍 B-ISDN协议参考模型中,从下到上分别是:物理层PHY、ATM层、ATM适配层和高层。用户面和控制面在高层和AAL层是分开的,在ATM层和物理层采用相同的方式处理信息。表5.1列出了与B-ISDN协议参考模型对应的各层功能。第21页/共207页表5.1 B-ISDN协议参考模型的分层功能第22页/共207页 1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。物理层要实现的功能有:(1)提供与传输介
14、质有关的机械、电气接口;(2)从接收波形中恢复定时;第23页/共207页 (3)提供ATM层信元流和物理层传输流之间的映射关系,包括传输结构的生成/恢复及传输结构的适配;(4)从物理层比特流中找出信元的起始边界(信元定界);(5)一般情况下,从ATM层中来的信元流速率低于物理层提供的用来传输信元流的净荷速率,因此,物理层还要插入空闲信元,以使两者适配,同时,接收时还要扣去这些空闲信元。第24页/共207页 2ATM层 ATM层在物理层之上,利用物理层提供的服务,与对等层之间进行以信元为信息单位的通信。ATM层与物理介质的类型以及物理层的具体实现是无关的,与具体传送的业务类型也是无关的。各种不同
15、的业务经AAL适配后形成固定长度的分组,ATM层利用异步时分复接技术合成信元流。第25页/共207页 3ATM适配层 ATM适配层AAL(ATM Adaptation Layer)位于ATM层的上层,这一层是和业务类别相关的,即针对不同的业务类别,其处理方法不尽相同,但都要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。由于上层的信息种类繁多,AAL层处理比较复杂,因此分了两个子层:汇聚子层CS(Convergence Sublayer)和拆装子层SAR(Segmentation and
16、Reassembly)。第26页/共207页 4高层 高层信息包括用户面的高层和控制面的高层。控制面的高层是信令协议,考虑到与N-ISDN的兼容,ITU-T对N-ISDN的信令协议Q.931和ISUP做了修改,制定了Q.2931和B-ISUP。第27页/共207页5.3 物 理 层 物理层为ATM提供两种功能:一种是传送有效信元;另一种是传送定时信息,以实现较高层的服务。ATM的物理层包括两个子层,即物理介质子层PM(Physical Media)和传输会聚TC(Transmission Coverage)子层。其中:物理介质子层提供比特传输能力,对比特定时和线路编码等方面作出了规定,并针对所
17、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;传输会聚子层的主要功能是实现比特流和信元流之间的转换。第28页/共207页5.3.1 物理介质子层 1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理接口速率标准,见表5.2。第29页/共207页表5.2 ITU-T制定
18、的接口速率第30页/共207页 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。第31页/共207页3)ANSI制定的接口标准 表5.3 ANSI制定的接口标准速率第32页/共207页 2比特定时和线路编码 正常工作模式下,发送端时钟锁定在接口处收到的基准时钟上。在基于信元的传输系统或网络供给时钟出错时,可以采用独立时钟工作模式
19、,即时钟由用户本地设备供给,此时时钟允许偏差为210-6。对线路码,G.703建议规定155 Mb/s电接口采用CMI(Code Mark Inversion)码。光接口采用不归零码,光纤线路编码采用4B/5B(100 Mb/s)、8B/10B(155 Mb/s)码。第33页/共207页5.3.2 传输汇聚子层 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传输帧适配 传输帧适配就是完成ATM信元与物理介质上传送的特定格式(比如SDH、PDH或其它帧格式)的比特流之间的转换。在发送端,传输汇聚子层将信元映射成时分复用的帧格式。在接收端,将信元从接收的比特流中分离
20、出来。第34页/共207页 2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。图5.4 空信元的格式第35页/共207页 3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+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
21、,纠正单比特误码。第36页/共207页 4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。图5.5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。在同步状态,如果发现连续次不正确的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,=
22、7,=6;对基于信元方式的定界,=7,=8。第37页/共207页图5.5 信元定界流程图第38页/共207页 5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。第39页/共207页5.4 ATM 层 协 议5.4.1 ATM信元的信头结构图5.6 ATM信元的信头结构(a)UNI格式;(b)NNI格式第40页/共207页 下面介绍ATM信元中各域的意义及它们在ATM网络中的作用。l)GFC(一般流量控制)GFC占4 bit,是UNI信头中第一字节的高4位。
23、GFC域未使用时,缺省值为全0。GFC机制帮助控制ATM连接流量,对消除网络中常见的短期过载现象十分有效。具体的GFC功能在ITU-T I.150建议中规定。第41页/共207页 2)VPI/VCI(虚通道/虚信道标识符)在ATM网络中,由于信头中只有5字节,不可能把全部地址信息放入信头中,因此采用标识符(VPI/VCI)代替具体地址的方法。(1)虚通道标识符(VPI)。在UNI(User Network Interface,用户网络接口)信元中,VPI域占8 bit,位于信头中第一字节的低4位以及第二字节的高4位,可以标识256条虚通道。在NNI(Network Network Interf
24、ace,网络网络接口)信元中,VPI域占12 bit,覆盖了GFC域,位于信头中第一字节和第二字节的高4位,可以标识4096条虚通道。第42页/共207页 (2)虚信道标识符(VCI)。B-ISDN的UNI和NNI信元中,VCI域都为16位,占第二字节的低4位、第三字节以及第四字节的高4位。VCI域用于标识ATM虚信道,最多可标识 65536条虚信道。VCI和 VPI结合,可在UNI信元中标识16 177 216条连接,在NNI信元中标识268 435 456条连接。VCI域也可以使用预定义值,未定义值为0。“ATM论坛”规范规定:VCI值从第四字节第5位开始连续分配,未分配值为0。VCI01
25、5用于ATM管理功能,VCI16留作临时本地管理接口ILMI(Interim Local Management Interface),VCI1731预留给其它一些功能,其余的VCI值用户才可使用。因为每一个连接都与VPI和VCI相关,所以用户可以使用的第一个连接是VPIl,VCI32。第43页/共207页 3)PTI(净荷类型指示)PTI占3 bit,位于信头第四字节的第2位到第4位,用于指明同一虚信道上信元净荷的信息是用户信息还是网络控制信息。对于用户信息信元,ATM层一般先将信头剥离,再上交给ATM适配层(AAL)。对于网络控制信息信元,将启动相应的管理功能进行处理。PTI的第1位用于指明
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