现代交换技术（吴学文）第5章atm交换技术.ppt

1,第5章 ATM 交换技术,首先介绍ATM的产生原因及与电路交换和分组交换比较，讲述ATM的概念、BISDN的协议参考模型，阐述反映信元交换原理的ATM交换结构，简要介绍ATM信令、ATM网络流量控制和拥塞控制，（并对体现ATM与IP技术融合的IPATM集成交换技术作简要讨论）。,2,5.1 ATM技术介绍 5.1.1 ATM提出的背景 一、通信业务需求的发展： 非实时的数据业务迅速增长； 实时性的电话和电视信号（视频）业务，电话放量趋缓，但电话业务在增加； 带宽在变化（从几K到几百G），满足突发性强、瞬时业务量大的要求； 新增加若干独立网（电话、电报、分组交换、ISDN、移动、专用网、局域网、城域网等），现实要求有统一的网络。 因此，随着通信技术和通信业务需求（电信和Internet）的发展，迫使通信网络必须向宽带综合业务数字网（BISDN）方向发展。即业务综合化和网络宽带化是通信网发展的方向和目标。,3,二、BISDN的要求： 1高速率、变速率：从K级到M级到G级 2连接形式：面向连接、无连接 3信息的转移方式与业务无关 三、支持BISDN的3大技术： 1光纤传输技术：高速率、高可靠性 2图像编码压缩技术（DSP，属终端或外围技术，非交换网络技术），如MPEG（Motion Picture Experts Group）标准 3宽带综合交换技术：“异步转移模式”ATM交换技术 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够胜任。就电路交换来说，其主要缺点是信道带宽（速率）分配缺乏灵活性，以及在处理突发业务情况下效率低。而分组交换则由于处理操作带来的时延而不适宜于实时通信。,4,因此，在研究新的传送模式时需要找出两全的办法： 既能达到网络资源的充分利用，又能使各种通信业务获得高质量的传送水平。 这种新的传送模式就是后来出现的“异步转移模式”（ATM: Asynchronous Transfer Mode）。ATM也称为信元中继，是一种采用固定长度信元的传输技术。 注：早期的综合业务数字网ISDN，由于当时技术的限制，考虑的业务带宽仅限于2Mbs以下，因此称之为窄带综合业务数字网（NISDN）。 虽然NISDN和BISDN名称类似，但两者有本字的区别，它们的信息表示、传送和交换方式完全不同。NISDN仍以电路交换为基础，BISDN以分组传送模式为基础，采用全新的ATM交换技术。,5,5.1.2 异步转移模式（ATM）基础 1. ATM技术的基本概念和特点 ATM技术是实现BISDN的核心技术，它是以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式高速化的优点发展而成的，可以满足各种通信业务的需求。 现行的电路交换采用同步转移模式（STM）。在STM中存在着以125s为周期的帧，它靠帧内的时隙位置来识别信道，一条信道所占用的时隙位置是固定的。即：周期重复TS；固定速率，64kbs；TS独占，不可复用。 ATM的传送模式本质上是一种高速分组传送模式。,6,时隙周期性出现 以帧内的时隙位置识别通路,信元非周期性（随机）出现 以信元头内的标识（VCI/VPI）识别通路,（某个呼叫连接）,7,ATM技术的特点： (1) ATM以53字节固定长度的信元Cell为信息的传输、复用、交换的基本单位： ATM将话音、数据及图像等所有的数字信息分解成长度固定（48字节）的数据块，并在各数据块前装配地址、丢失优先级、流量控制、差错控制（HEC）信息等构成的信元头（5字节），形成53字节固定长度的完整信元。,8,（2） ATM采用异步时分复用ATD的方式： 一个信元占有一个时间位置，属于某个呼叫连接的多个信元不是占有固定的时间位置，因此说，它是异步方式。 在每个信元的信头中含有虚通路标识符虚信道标识符（VPIVCI）作为地址标志，网络根据信头中的地址标志来选择信元的输出端口转移信元。这属于标记复用的方式。 标记复用：就是依靠每个分组（信元就是短分组）中所含的标记来区分各个连接的复用方式。,9,（3）ATM采用标志复用或统计复用模式，可动态分配网络资源： 由于信息源产生信息的过程是随机的，信元的出现具有随机性。速率高的业务信元到来的频次高；速率低的业务信元来的频次低。信息识别是按信头的标志（VCI/VPI）来区分。因此，ATM模式也被称作标志复用或统计复用模式。 （4） ATM信息的转移方式与业务种类分开： ATM网络可以适用于任何业务，不论其特性如何（速率高低、突发性大小、质量和实时性要求如何），网络都按同样的模式来处理，真正做到了完全的业务综合。 （5）取消逐段链路的差错控制和流量控制 （6）ATM信元头部的功能降低,10,2、ATM融合了电路传送模式与分组传送模式的特点： 由前面图可见，STM存在125s的帧，它靠帧内的时隙位置来识别信道，ATM则靠信元中的信头标志来识别。 X.25协议的分组转发也采用了标记复用，但其分组长度在上限范围内可变，因而插入到通信线路的位置是任意变化的，而ATM是采用固定长度的信元，可使信元像STM的时隙一样定时出现。因此，ATM可以采用硬件方式高速地对信头进行识别和交换处理。 由此可见，ATM转送技术融合了电路传送模式与分组传送模式的特点。,11,我们可以从以下两个角度来理解ATM的这个特征。 （1）ATM可以看作是电路传送方式的演进 在电路传送方式中，时间被划分为时隙，每个时隙用于传送一个用户的数据，各个用户的数据在线路上等时间间隔出现。同时，不同用户的数据按照它们占用的时间位置的不同予以区分。 如果在上述的每个时隙中放入48个字节的用户数据和5个字节的信头，即一个ATM信元，则上述的电路传送方式就演变为ATM。这样一来，由于可依据信头标志来区分不同用户的数据，所以用户数据所占用的时间位置就不必再受到约束。 由此所产生的主要好处是：可以动态分配带宽，从而提高了信道利用率。,12,（2）ATM可以看作是分组传送方式的演进 由于在分组传送方式中其信道上传送的是数据分组，而ATM信元完全可以看作是一种特殊的数据分组，所以把ATM看作是分组传送方式的演进更为自然。 ATM与分组传送方式主要有下列不同： ATM中使用了固定长度的分组53字节信元，并使用了空闲信元来填充信道，这使得信道被分成等长的时间小段，从而具有电路传送方式的特点，为提供固定比特率和固定时延的电信业务创造了条件。 可以由用户在申请信道时提出业务质量要求。 不使用逐段反馈重发方法。用户可以在必要时使用端到端（即用户之间）的差错纠正措施。,13,这些改进，使得ATM可以提供分组交换数据业务的同时，也能满足需要提供固定比特率和固定时延的电信业务（如电话业务）的要求。 综合上面两个方面的叙述，可以看出，ATM是属于电路传送方式和分组传送方式的某种结合。,14,5.1.3 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。,15,图5.2 VP、VC与传输线路的关系,16,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（一般用于网络的接入） VPI标识可静态分配的连接（一般用于骨干网） VCI、VPI在虚连接的每段链路上具有局部意义。,17,5.2 BISDN协议参考模型ATM分层参考模型 5.2.1 协议参考模型 BISDN（宽带综合业务数字网）是一个基于ATM的网络，即ATM交换系统是BISDN中的网络节点。ATM交换系统完成ATM交换功能。 ITUT在建议I321中给出了BISDN协议参考模型（B-ISDN PRM），这个参考模型也是唯一的一个关于ATM的规程参考模型，目前已广泛用于描述基于ATM的通信实体。,18,BISDN协议参考模型是基于OSI参考模型和ISDN标准建立的，包括3个平面，分层结构含有4层（基于OSI和ISDN标准）： 3个平面： 用户面、 控制面、 管理面； 4层结构： 物理层、 ATM层、 ATM适配层、 高层 。,19,BISDN协议参考模型由3个平面组成：用户面、控制面与管理面。 用户平面（U平面）：传送用户信息和相关控制（如流量控制、差错控制）；采用分层结构。 控制平面（C平面）：提供呼叫和连接的控制功能，主要涉及信令功能，也采用分层结构。 管理平面（M平面）：包括面管理和层管理。平面管理实现与整个系统有关的管理功能，并完成各个面之间的协调功能，平面管理没有分层结构；管理层负责各层中的实体，并执行运营、监控和维护（OAM）功能，层管理是分层的。,20,5.2.2 协议参考模型的分层结构 含有4层，从下到上为：物理层、 ATM层、 ATM适配层、高层。 在高层和AAL层，用户面和控制面是分开的； 在ATM层和物理层，用户面和控制面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。,21,物理媒体,传输汇集子层,ATM适配层,22,分层结构中的某层可通过下一层的业务接入点（SAP：Service Access Point）获得下一层的服务。相邻层间采用原语调用。 业务数据单元（SDU：Service Data Unit）：在相邻层之间传送的用户数据称为业务数据单元（SDU）， 协议数据单元（PDU：Protocol Data Unit）：在对等层之间交换的数据称为协议数据单元（PDU）。 本层的SDU与本层的协议控制信息PCI合成为本层的PDU：PDUSDUPCI 协议控制信息（PCI：Protocol Control information）在本层实体与对等层实体之间传送，以实现该层的通信规程。,23,协议数据单元,业务数据单元,协议控制信息,24,1物理层PHY负责通过物理媒体正确、有效地传送ATM层信元 物理层包括：物理媒体PM、传输汇集子层TC。 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) 提供与传输介质有关的机械、电气接口； (2) 从接收波形中恢复定时；,25,(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。,26,2ATM层主要负责信元的交换、选路和复用 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。 ATM层的主要工作是对ATM信元的信头部分进行产生和处理。ATM信头的主要部分是VPI和VCI，对于不同的用户经ATM层实体传送的数据，ATM层可以为其指定不同的VPI或VCI。因此，ATM层实体可以提供用户数据的复接能力。,27,ATM层具有四种主要功能： 信元复用和解复用：在源端点负责对来自各个虚连接的信元进行复接和在目的端点对接收的信元流进行解复用。 VPIVCI处理：负责在每个ATM结点对信头进行标记识别。ATM虚连接是通过VPI和VCI来识别的。 信头处理：负责在源端点产生信头（除HEC域外）和在目的端点翻译信头。 一般流量控制：在原端点负责产生ATM信头中的一股流量控制域，而在接收端点则依靠它来实现流量控制。,28,3ATM适配层AAL主要功能是将高层业务信息或信令信息适配成ATM信元流； 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 Reassembly)。,29,4高层 相当于各种业务的应用层或信令的高层处理。 高层信息包括用户面的高层和控制面的高层。,30,BISDN协议体系中有两层与ATM功能相关 （1）ATM层：对所有业务是公共的，提供信元传递能力； （2）ATM适配层 AAL：依赖于业务。AAL把高层信息映像到ATM信元中，放在BISDN中传输，并从到来的ATM信元中收集信息，传送给高层。,31,5.3 物理层 物理层又划分为2个子层：物理媒体相关子层（PMD）与传输汇聚子层（TC）。 5.3.1 物理媒体相关子层（PMD） PMD子层的功能是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。PMD的功能依赖于媒体的特性（如光纤、微波，等等),32,表5.2 ITU-T制定的接口速率,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。,33,2) “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。,34,3) ANSI制定的接口标准,表5.3 ANSI制定的接口标准速率,35,2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，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。,36,5.3.2 传输汇聚子层 传输汇聚子层的功能不依赖于媒体：包括传输帧适配、信元速率耦合、信元定界、HEC控制、扰码等。 1传输帧的产生恢复与适配 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出来。,37,2信元速率耦合（信道填充） 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。 上述信道填充方法使得： 信道上永远处于信元传送状态； 信道上时间被等分为一系列小段，每个小段传送一个信元。 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,38,3信元差错控制（HEC： Header Error Control） 信元头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，纠正单比特误码。,39,4. 信元定界基于正确的HEC 信元定界：在比特流中界定各个信元的边界。 信元定界方法：ATM信元间没有使用特别的分割符，信元的定界借助于正确的HEC字节实现。即基于信头的前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。 正确的HEC就是接收端对前4字节进行HEC运算的结果正好与第5字节相等。,40,信息段： 48字节,信头前4字节 HEC：1字节,信头： 5字节,41,ITU-T规定：对基于SDH的信元定界，=7，=6；对基于信元方式的定界，=7，=8。,42,在信元定界过程中定义了三种状态： （1）搜索状态：对接收信号进行逐比特的HEC检验。 在发现了一个正确的HEC检验结果后，系统进入预同步态。 （2）预同步态：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行HEC检验。 若连续发现b个信元的HEC检验都正确，则系统进入同步态。若在此过程中发现一个HEC检验的错误，则系统回到搜索态。 （3）同步态：系统逐个信元进行HEC检验。 在发现连续a个不正确的HEC检验结果后，系统回到搜索态。,43,5扰码伪HEC的处理 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。,44,5.4 ATM层协议 信元的交换、选路和复用 5.4.1 ATM连接 ATM采用面向连接的方式，在传送用户信息之前，要先建立ATM连接。ATM连接是由ATM层链路串接而成，以提供端到端的传送能力。 ATM连接，或者说端到端的传送能力可以分为两个等级： 虚信道级（VC级）与虚通道级（VP级，粗粒度）。,45,（1）虚信道连接（VCC）与虚通道连接（VPC） ATM的逻辑连接是指虚信道连接（VCC）。一条VCC与X25中的一条虚电路或是帧中继中的逻辑连接类似。它是BISDN中进行交换的一个基本单元。一条VCC在两个终端用户之间建立，贯穿网络，并且有一条可变速率的定长信元流在连接上交换。 一条虚通道连接（VPC）是一系列有相同端点的VCC的集合。这样，在一条VPC中的所有VCC里的信元流都将用相同的路由交换。这样管理上可降低控制开销。 下图表示了VCC与VPC的概念。,46,（VPI改变，而VCIy不变）,（VPI、VCI都发生了改变）,47,（2）ATM虚连接建立的方式PVC、 SVC ATM虚连接（VC）包括两种类型： 虚信道连接（VCC）； 虚通道连接（VPC）。 ATM虚连接VC（包含VCC与VPC）的建立有两种方式： 永久虚连接（PVC）：是由管理面控制建立的永久/半永久连接，用户在传送信息前不需要建立过程来临时建立虚连接。 交换虚连接（SVC）：是由信令控制建立的连接，用户在传送信息前先要有连接建立过程，信息传送完毕则拆除虚连接。,48,（3）VP交换与VC交换 从交换功能的角度看，ATM实体（端点或连接点）可具有VP交换或VC交换功能，也可以兼具VP交换与VC交换功能。 VP交换时：VPI值要改变，而其中所包含的所有VCI值都不改变。 VC交换时：则VPI与VCI的值都要改变。 实现VP或VC交换的ATM实体可以是ATM交换机或ATM交叉连接器。 交换机：具有SVC功能的才是交换机。用于用户接入。 交叉连接器：只具有PVC的交换功能。用于骨干网络。,49,50,51,5.4.2 ATM信元的信头结构,GFC：有 VPI：8比特 VCI：16比特,GFC：无 VPI：12比特 VCI：16比特,52, GFCUNI信头有，NNI信头没有 一般流量控制（GFC）字段（4个比特）及相应的GFC功能用于接入的流量控制。由于BISDN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。 VPIVCI VPIVCI是用于选路的字段。前已述及，VP交换或VC交换反映在VPI或VPIVCI的变换。 UNI的信头： VPI有8个比特表示，VCI有16个比特表示。 NNI的信头： VPI有12个比特表示，VCI有16个比特表示。 PTI净荷类型指示 PT有3个比特，表示净荷类型。各种不同的信元类型及其对应的净荷类型标识（PTI）的编码如下表所示。,53,编码及其含义： 比特4：0 1，户数据信元 其它信元（非用户数据信元） 比特3：0 1，未经历拥塞 经历拥塞 比特2：0 1， AUU0 AUU0,54, CLP信元丢失优先级 CLP0表示高优先级； CLP1表示低优先级，如果遇到拥塞要丢弃信元时，CLP1的信元将首先丢弃。 用户可设置CLP的值，必要时，ATM层还可以改写CLP，即将CLP从0置成1。 HEC（Head Error Control） HEC为1个字节，用于信头（信元的前4个字节）差错控制。,55,5.4.3 ATM层的功能 表5.1 已列出ATM层的主要功能。 见P143 1. VPI/VCI交换 （信元复用和交换） 多个ATM连接的复用和交换在ATM层实现。信头是在ATM层产生的，因此ATM层的功能与信头内容密切相关。 VPIVCI是信头中十分重要的用于选路的标识。信元的交换就体现在VPIVCI的翻译。,56,2信头的生成/删除 ATM层将从高层(ATM适配层)接收的信息作为净荷封装在ATM层信元内，并根据ATM适配层提供的信息加上相应的信头形成信元，然后把信元交给物理层传送。另外，因ATM层只是将信元中的净荷信息往上层(ATM适配层)传送，所以ATM层在从物理层收到上传的信元后，必须在上传之前将信元的信头删除。信头中的信息由ATM层进行处理。,57,3信元的识别和丢弃 根据信元信头中的净荷类型指示(PTI)在传送信令和OAM信息时，区分控制面的信元和含有用户信息的用户面的信元，同时根据丢失优先级指示(CLP)来识别高优先级信元和低优先级信元，在下列情况下丢弃信元： (1) 具有无效的信头差错控制域的信元。 (2) 到达一条还未建好的链路的信元。 (3) VPI、VCI值超出设备可提供VPI、VCI值范围的信元。 (4) 占用了系统VPI、VCI预留值的信元。 (5) 链路发生拥塞时到达的信元。 (6) 违反流量协议的信元。,58,4网络的流量控制和拥塞控制 流量控制就是使用户网络接口上流入网络的比特流(信元流)速率要符合通信建立前用户和网络协商的速率。 拥塞控制就是当流向某一条链路的信元流量超过该链路本身的容量时，网络必须采取措施，使流入该条链路的信元流量在该链路本身的容量范围内。,59,5.5 ATM适配层(AAL)协议,5.5.l AAL的结构、功能、业务类别及协议类型 1AAL的协议结构,图5.7 AAL结构,特定业务汇聚子层,分段与重装子层（拆装）,公共部分汇聚子层,汇聚子层,特定业务面向连接协议,特定业务协调功能,对信令适配层(S-AAL),60,AAL的基本结构 AAL的功能可以分为两个逻辑子层：汇聚子层与分段和重组子层 分段和重组（SAR）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。 汇聚子层（CS）： 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。 不同的CS和SAR的组合，可得到不同的业务适配功能。,61,2AAL的功能 AAL的主要功能是： 将来自高层的协议数据单元(PDU)先映射为AAL的服务数据单元(SDU)，然后映射成48字节的信元净荷负载，以达到为不同要求的用户提供特定的服务的目的，保证ATM层与业务类型无关； 同时还要将从ATM层上传的信元净荷进行相反的操作，映射成高层的协议数据单元。,62,图5.8 AAL一般功能,63,3AAL的业务类别和协议类型 ITU-T建议书I.362定义了AAL功能的基本概念和分类，其业务类别的属性取决于以下三个要素： 信源和信宿（终点）之间的定时关系：需要或不需要； 比特率：固定或可变； 连接模式：面向连接或无连接。 这三个要素，每个要素有两种选择，可以形成8类业务。但实际上某些组合是不可能实现的业务，如速率恒定的、实时的、面向非连接的业务就是不可能实现的。 ITU-T定义了A、B、C、D四类业务如表5.6所示。,64,按照源点与终点之间的以下3个特性进行业务分类: 信源和信宿之间的定时关系：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。 目前并不存在以上特性参数的所有组合，下表表示了4类AAL业务。,65,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。,66,AAL协议类型: 为了适应不同业务类型的需要，ITUT定义了4类AAL： AAL1，AA2，AA34和AA5。 AAL1规程：用于支持A类业务，如PCM话音 AAL2规程：用于支持B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CD两类业务，即包括面向连接与无连接数据业务。 AAL5：可以看成是简化的AA3/4，用来支持面向连接的C类业务（如帧中继LAPD），传送大的数据分组（如数据报、帧）时效率较高，ATM网络信令也采用AAL5。,67,AAL1,AAL2,AAL3/4或AAL5,AAL3/4或AAL5,表5.6 AAL业务属性分类,68,5.5.25.5.5 AAL1AAL5（协议的数据单元） 这里不对各类AAL的功能作系统介绍，仅说明AAL各个子层的协议数据单元的格式。通过PDU格式以及PCI作用的介绍，对AAL的功能和规程有大致的了解。 下面只对常用的AAL1、AAL5的协议数据单元PDU结构作一简介。,69,高层,70,（l）AAL1支持A类业务 高层用户信息在CS于层分为47字节的段即成为CS子层的PDU（不再附加CS子层的PCI）。CS-PDU传送到SAR子层，加上1个字节的头部信息成为48字节的SAR-PDU。 在ATM层，48字节的SAR-PDU作为信元的信息段，再加上5字节的信头，即成为标准的ATM信元。,图5.9 AAL1的SAR_PDU格式,71,AAL1,（不再附加PCI）,72,SAR_PDU的头（PCI）为1字节，其中： 4 bit序列编号SN： 1 bit CS指示CI：用于传输CS子层之间的信息 3 bit序列计数SC：对传输数据单元进行模8编号，防止出现数据单元的丢失、重复以及其它信息错插入。 4 bit序列编号保护SNP： 3 bit循环冗余校验CRC：保护SN， CRC的生成多项式为x3+x+1，具有“纠1检多”功能 1 bit保护位P：对P前面SNCRC（7 bit）进行偶校验编码。,73,（5）AA5PDU AAL5是“ATM论坛”针对AAL3/4的不足提出的一种新的AAL协议，它的结构和AAL3/4相同，是AAL3/4的一个简化了的子集，是一种在公共部分CS（CPCS）以下提供较低开销而有较好检错能力的协议，用来支持面向连接的可变比特率数据业务。,图5.16 AAL5 CPCS-PDU的格式,CPSS-PCI：8字节,74,用户信元指示AUU=1:传输连续数据时，表示最后一个信元（P148）,公共汇聚层-PDU,CPCS-PCI,填充域,SAR层,CPCS层,75,(1) PAD：为填充域，有047字节，用于填充CPCS-PDU，使其长度为48字节的整数倍。 (2) UU：为CPCS用户间指示，8 bit，用于透明传送CPCS用户的信息，具体定义由CPCS的上层给出。 (3) CPI：为CPCS公共部分指示，8 bit，目前的作用是用于填充CPCS-PDU的尾部，使其满64 bit，将来还可能用于承载其它信息，如层管理等。 (4) LI：为长度指示，16 bit，表示CPCS-PDU净荷的长度，最多可以表示64 K字节的净荷长度。如果LI0，表示CPCS指示对方执行放弃操作。 (5) CRC：为循环冗余校验序列，32 bit，用于对本身以外的整个CPCS-PDU内容进行校验。,76,骨干网,接入网,77,5.6 ATM交换技术,5.6.1 信元交换的过程 虚信道连接VCC (Virtual Channel Connection)：多级连接的VC组成。VCC有三种：永久VCC、半永久VCC和交换VCC； 虚通道连接VPC (Virtual Path Connection)：多级连接的VP组成。 VPC也是一样，有永久VPC、半永久VPC和交换VPC。 交换VCC(或VPC)通过信令建立连接，属于控制面的连接； 永久VCC(或VPC)、半永久VCC(或VPC)因为没有通过信令建立连接，所以属于管理面的连接。 交换机为每一个呼叫分配一个VPI/VCI，每个VPI/VCI只具有局部意义，每个节点在读取VPI/VCI后，根据本地的转发表，查找对应的输出VPI/VCI，进行交换并改变VPI/VCI的值。,78,图5.17 VC/VP交换的具体示例 (a) VP交换过程；(b) VC交换过程,79,在VP交换过程中：VPI进行了变换，VP内部的VCI没有改变； 在VC交换过程中：不但VPI进行了变换，而且VCI也进行了变换。 从上述基本的信元交换过程中可以看出，虽然ATM交换是异步时分交换，但其原理与同步时分交换(时隙交换)有许多相似之处，其基本区别是用VCI/VPI代替了时隙交换中时隙的序号。,80,5.6.2 ATM交换机的基本组成结构 1ATM交换机的组成结构 ATM交换机如图5.18所示，由5大功能模块组成，即： 入线处理模块IM 出线处理模块OM 交换机构模块CSF 呼叫处理和呼叫接纳控制CAC 拥塞控制和资源管理SM,81,图5.18 ATM交换机的组成结构,交换结构,82,入线处理模块IM：对输入线路上的信息流进行信元定界、信元有效性检验和信元类型分类。输入线路上的信息流实际上是符合物理层接口信息格式的比特流。入线处理模块首先要将这些比特流分解成长度为53字节的信元，然后再检测信元的有效性，将空闲信元、未分配信元及信头出错的信元丢弃，最后根据有效信元信头中的PTI标志，将OAM信元交呼叫处理控制模块处理，其它用户信息信元送交换模块进行交换。 出线处理模块OM：完成与入线处理模块相反的处理，主要是将交换模块输出的信元流、控制模块输出的OAM信元流以及相应的信令信元流复合，形成送往出线的特定形式的比特流，并完成信息信元流速率和线路传输速率的适配。,83,呼叫处理控制模块CAC：完成VCC、VPC的建立和拆除，并对ATM交换模块进行控制，处理和发送OAM信元，发送信令信元，保证用户/网络的操作顺利进行。 交换结构单元模块CSF：完成交换动作的控制，将某输入线上的信元交换到某输出线上。 拥塞控制和资源管理模块SM：对网络资源和网络拥塞进行控制和管理。,84,2ATM交换机中的缓冲（排队）策略 由于是统计复用的异步时分交换，在连接建立后的传送信息阶段，经常会发生在同一时刻有多个信元争抢公用资源的情况，例如争抢出线或交换结构中的内部链路。因此，ATM交换结构需要有排队功能，以免在发生资源争抢时丢失信元。 缓冲策略或称排队策略，是ATM交换结构设计中的一个非常重要的方面。根据缓冲器所在的位置，可以将缓冲策略分为外部缓冲和内部缓冲两种方式。 1) 外部缓冲：指缓冲器设置在交换结构的外部，主要有输入缓冲、输出缓冲、输入与输出缓冲、环回缓冲等四种方式。 2) 内部缓冲：内部缓冲是将缓冲器设置在交换结构的内部。,85,图5.19 四种外部缓冲方式 (a) 输入缓冲；(b) 输出缓冲；(c) 输入与输出缓冲；(d) 环回缓冲,86,5.6.3 ATM交换结构 ATM交换结构是实现ATM交换的关键技术之一，是ATM交换系统中必不可少的重要组成部分。 5.6.3.1 交换结构基本功能（ ATM交换的基本原理） ATM交换机是基于存储的路由选择表，利用信头中的路由选择标识号（VPI和VCI）把ATM信元从输入线路传送到指定的输出线路。 ATM网是面向连接的通信网，端到端接续是在网络通信开始以前建立。在呼叫连接建立时，每个交换节点建立一张路由翻译表。,87,3. 信元排队（缓冲）,2. 时间交换： 选信道,1. 空间交换：选路由,ATM交换结构基本功能： 1、信头变换 2、路由选择 3、信元排队,ATM交换的基本原理,88,ATM交换系统执行三种基本功能：路由选择、信头翻译、缓冲（排队）。对这三种基本功能的不同处理，就产生了不同的ATM交换结构和产品。 1路由选择（选路）空间交换 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。在翻译表中从入线的VPI/VCI应能查到出线号码以及新的VP/VCI值。 2. 信头变换（翻译）时间交换 信头变换主要是指VPI/VCI值的变换，即输入VPI/VCI变换为输出VPC/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。 空间交换和时间交换功能可以用一张信头、线路翻译表来实现。在呼叫连接建立时，每个交换节点建立一张翻译表。,89,3缓冲（排队） （见5.6.2节 2.） 由于是统计复用的异步时分交换，在连接建立后的传送信息阶段，经常会发生在同一时刻有多个信元争抢公用资源的情况，例如争抢出线或交换结构中的内部链路。因此，ATM交换结构需要有排队功能，以免在发生资源争抢时丢失信元。 ATM交换结构应提供良好的性能，以保证所需的服务质量。与服务质量有关的主要参数是信元丢失率、时延和时延抖动。,90,5.6.3.2 ATM交换结构分类 ATM交换结构可以从不同的方面进行分类。 1时分与空分 ATM交换结构可分为时分与空分两大类，如图所示。,91,2单级与多级 ATM交换结构也可分为单级与多级结构。 3阻塞与无阻塞 信元传送阶段中多个信元对同一公用资源的争抢称为竞争或冲突。于是，会出现两种竞争：内部竞争和出线竞争。 无阻塞结构不存在内部竞争。如 crossbar网络是典型的无阻塞结构 阻塞结构存在内部竞争。如 banyan网络则是典型的有阻塞结构。 注：这里定义的无阻塞是指在信元传送阶段没有内部阻塞。,92,出线竞争,内部竞争,内部竞争：是多个信元争抢交换结构的同一内部链路或缓冲器； 出线竞争：是多个信元争抢同一出线。 内部竞争的有无与交换结构的内部拓扑结构、工作速度等因素有关。,93,5.6.3.3 基于BANYAN网络的交换结构 BANYAN网络是一种空分交换网络，是由若干个22交换单元组成的多级交换网络。它适用于统计复用信号的交换，即根据信号中携带的出线地址信息，在交换网络中建立通道，是进行信元交换的有效方法之一。 1结构 22交换单元SE是具有两条入线和两条出线的电子开关元件，如图所示。,94,这种电子开关具有两种状态：平行连接和交叉连接，分别完成不同编号的入线与出线间的连接，达到两条入线中的任意入线和两条出线中的任意出线可进行交换的目的。 由12个22交换单元就可以构成一个88的三级交换网络，如下图所示。,95,2工作原理及特点单通路、自选路由、可扩展 因为BANYAN网络的构成非常规则，由其结构可以引出一些重要的特点。 （1）树型结构特征2分支树 （2）单通路唯一路径 BANYAN网络的每条入线与每条出线之间都有并且只有一条路径。这就是BANYAN网络的单通路特性。 （3）自选路由 BANYAN网络可以使用对应于出端号的二进制码的选路标签自动选路，使信元到达所需的出端。 （4）可扩展性 BANYAN网络的构成有一定的规律，可以采用有规则的扩展方法将小容量的BANYAN扩展成较大规模。,96,结上述3个特点：单通路、自选路由、可扩展性。下面以88 BANYAN网络为例，简要说明信息通过BANYAN网络交换时的工作过程，见下图。,路由标签,97,BANYAN网络优点：具有简单、模块化、可扩展性好及信元交换时延小等；缺点：存在内部阻塞和输出冲突。 3BANYAN网络的内部阻塞 如前所述。 4排序BANYAN网络 经过研究发现，只要BANYAN网络同时输入的全部数据块（信元）的出线地址（路由标签）单调排列（单调递增或单调递减），则不存在内部阻塞。 因此，为了满足BANYAN网络无阻塞条件，解决BANYAN网络的内部阻塞，可在BANYAN网络前加入排序网络，构成排序BANYAN网络。,98,（1）BATCHER网络 排序网络是将输入端原先无序的数，按大小关系整理成有序的序列输出。BATCHER网络是一种常用的排序网络，它由如下的BATCHER比较器构成。,99,（2）BATCHERBANYAN网络 BATCHERBANYAN网络，简称BB网，是由BATCHER排序网和BANYAN网络组成的，避免了BANYAN网络的内部阻塞，这是目前ATM交换机使用较多的一种网络。,100,5.6.5 ATM交换网络的选路控制方法 在信元进入到交换网络时，如何引导信元通过交换网络，正确传送到所需的出端，属于选路控制功能。 选路控制有两种方法： 自选路由 转发表控制选路。,101,图5.30 自选路由示例,1自选路由 在连接建立时，已将路由信息写入转发表。 在每个到来的信元进入交换网络之前加上路由标签，各级交换单元按照路由标签中相应的路由信息来确定其出线，直到最后一级交换单元自行选路后就可到达所需的出端。,注：A、B分别为交换前后VPI/VCI值， n、 m为路由标签,102,图5.31 转发表控制的选路示例,2转发表控制选路 每个交换单元有一张转发表，按照交换单元内部的转发表中的信息来完成选路的。表中的信息是在虚连接建立时写入的。 与自由选路相比，信元在交换网络中传送时仍为53字节，没有增加开销，但在交换单元内部增加了控制选路所需的转发表。,103,5.6.6 交换节点信元转发 1ATM网的网络结构 一个典型的ATM网络由ATM业务终端、ATM接入系统、ATM传输、ATM交换节点等几部分组成，如图5.32所示。,图5.32 ATM网的网络结构示例,104,2ATM交换节点转发表的建立 在电路交换网中，通常采用预先设置路由的选路方法。 ITU-T建议仍然采用预先设置路由的选路方法。 “ATM论坛”由于其组成单位大多数来自于计算机厂商，因此该组织推荐了名为专用网络网络接口(PNNI)的分层动态选路方案。下面简要叙述ITU-T的路由选择方法。 ATM网络的路由选择分为两个阶段：呼叫建立阶段和数据传输阶段，这两个阶段的路由选择是不同的。 1) ATM网络的路由选择 ATM网络中每个ATM交换机均有路由表。它是根据ATM网络的拓扑结构预先建立好的。路由表的更新由维护人员完成，类似于公用电话网PSTN。,105,呼叫建立阶段：ATM信令信元(UNI信令和NNI信令)在一个特定的虚通道(VPI=0，VCI=5)上传送，所有的ATM交换机都被配置成从这个虚信道接收信令信元。 信令信元穿过ATM网络，从一个交换机到另外一个交换机，在信令所经过的每一个交换机中均建立VPI/VCI转发表，形成从源节点到目的节点的一系列VPI/VCI转发表，这些转发表构成了一条数据传输通路。 数据传输阶段：传输通路建立起来以后，当用户数据以ATM信元方式进入ATM节点后，根据输入信元头部的VPI/VCI值，查找VPI/VCI转发表，将输入信元的VCI/VPI值改变为相应输出信元的VCI/VPI值，并控制交换网络将信元交换到对应的输出端口上，就完成了高速数据交换。,106,2) ATM网络路由选择结果示例,/89,187/42,57/,64/42,/38,187/42,64/42,骨干网 (VPI 交换),89,38,57,64,57,187,注： 1、S1,S8为接口交换机；S2S7为核心交换机，只进行VPI交换。 2、红色数字为VCI，蓝色数字为VPI。,107,5.7 ATM 信 令,5.7.1 信令协议的体系结构,图5.34 ATM宽带网络信令协议结构,108,元信令： 从BISDN协议参考模型看，控制面同样采用分层结构，同样需要适配层，称为信令适配层SAAL 。信令消息也是以信元通过ATM层和物理层传送，所用的虚信道，称为信令虚信道（SVC）。 元信令协议，任务是建立、维持、释放用户网络接口处的信令连接，是对信令虚信道进行控制和管理的协议。 注：ATM信令分为两级 一种是和No.7协议类似，为一级信令； 另一种是两级信令，即先由元信令来建立信令通道，再由信令（用户信令）通道来建立用户通道。,109,5.7.2 信令消息 1UNI信令消息,图5.35 UNI信令消息,110,每个信令消息都包含一些信息单元，其中一些是强制性的(M)，另一些是选择性的(O)。协议中主要使用的强制性信息单元为： 要求的ATM用户信元速率； 被呼叫方号码； 连接标识符(分配的VPI/VCI)； 要求的业务质量(QoS)类别。,111,与某个呼叫有关的消息中，每个消息都应包含一个共同的必备信息单元，即呼叫参考值(Call Reference)，它在信令接口上是惟一的。所有的消息必须包括一个关于其类型、长度和协议鉴别语的信息单元。 除必备信息单元外，每个消息还应包括大量的可选信息单元，如： 要求的宽带承载能力； 宽带低层和高层信息； AAL参数； 被叫方子地址； 主叫方号码和子地址； 中间网络选择； 原因码； 端点参照标识符和端点状态数。,112,2NNI信令消息 B-ISUP的消息结构与N-ISDN的相同，其业务指示语(SI)为1001，信令信息字段(SIF)的格式如图5.36所示。 B-ISUP定义了28种不同的消息，例如初始地址消息(IAM)、IAM证实消息(IAA)、地址全消息(ACM)、呼叫进行消息(CPG)、应答消息(ANM)、释放消息