（信号与信息处理专业论文）帧中继与atm网络互联模块硬件系统.pdf

u 子 科 越 x 4 rr 上 i g c i$ 兰一一一一一一一一一一一 a b s t r a c t i n t h i s p a p e r , t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f f r a m e r e l a y / a t m n e t w o r k i n t e r w o r k i n g s y s t e m a r e s t u d i e d . b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e s y s t e m t h e o r y a n d c h a r a c t e r i s t i c o f f r a m e r e l a y a n d a t m t e c h n o l o g y ，t h e m e t h o d o f s y s t e m i m p l e m e n t a t i o n i s d i s c u s s e d , e s p e c i a l l y f o c u s e d o n t h e a g r e e m e n t o f f r f o r u m ( f r f . 5 ) 。a c c o r d i n g t o t h e f u n c t i o n o f t h e i n t e r w o r k i n g s y s t e m , t h e h a r d w a r e s y s t e m b a s e d o n e m b e d d e d c o m m u n i c a t i o n c o n t r o l l e r m p c 8 6 0 s a r a n d h d l c c o n t r o l l e r f r e e d m i s d e s i g n e d . w e d e s i g n e d p c b b y u s i n g c i r c u i t d e s i g n t o o l s a n d c o m p i l e d t h e b o a r d s u p p o r t p a c k a g e a n d t h e d r i v e r p r o g r a m s f o r p s o s y s t e m r e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e m s m a k i n g u s e o f t h e h a r d w a r e e m l u a t o r a n d p r i s m + i n t e g r a t e d d e s i g n e n v i r o n m e n t , w e d e b u g g e d a n d v a l i d a t e d t h e h a r d w a r e s y s t e m , t e s t i n g p a r t o f t h e f u n c t i o n . f r o m t h e o u t c o m e o f t h e e x p e r i m e n t r e s u l t , i t i s s h o w n t h a t t h e h a r d w a r e s y s t e m i s a b l e t o s a t i s f y t h e s y s t e m f u n c t i o n r e q u i r e m e n t , a t l a s t , c o m b i n e d t h e w o r k i n g p r a c t i c e , t h e p r i n c i p l e o f u t o p i a a n d l v d s t e c h n o l o g y a r e e x p l o r e d i n t h i s p a p e r . k e y w o r d :f r a m e r e l a y ，a t m ，n e t w o r k i n t e r w o r k i n g ，e m b e d d e d c o m m u n i c a t i o n c o n t r o l l e r , r e a l t i m e o p e r a t i n g s y s t e m , b o a r d s u p p o r t p a c k a g e , u t o p i a , l v d s 电子科技大学硕士学位论文 第一章 绪论 互 1 . 1 通信网络的发展和 a t m 的出现 在现代社会中 d ， 通信网 络已 成为一种起着举足轻重作用的基础设施。 就网络本身来说，它也正在经历着巨大的变化，以不断满足社会的需求。 总的来说，通信网络，特别是传统的网络，都具有业务特定性这种特点， 也就是说，某一特定的通信网络总是为满足某种特定业务的需求而设计 的，因而其通用性差， 如: 用于传送文字信息的电报通信网; 用于传送数 据的公用数据交换网( x . 2 5网) :用于传送话音业务的 p s t n ( p u b l i c s w i t c h e d t e l e c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ) ;以及主要提供视频服务的c a t v 网等。 这些网络在用于提供非其特定业务时， 均存在诸多问题， 主要原因 是各种业务的网络参数有差别， 如带宽、 保持时间、 端到端延迟和差错率 等。 另一方面(2 1 ， 网 络的 业务特定性还会在网 络建设、网 络运营和维护以 及在适应新业务等方面带来许多实际问题。 这样， 实现网络的综合便成为 网络发展的需要和方向。在这方面，最早的尝试是在8 0 年代初，有关综 合业务数字网( i s d n : i n t e g r a t e d s e r v i c e d i g i t a l n e t w o r k ) 的概念及技 术的提出，并在 工 s d n网上首先实现了话音和数据业务的综合。但由于以 下几个原因，并未出现在其推出之前人们所预期的结果。 1 ) 工 s d n是建立在数字电话网的基础上的，因此其主要业务仍是针对 6 4 k b i t / s 电 路交换业务，适应新业务和新技术的能力较差。 2 ) 工 s d n 网络在结构上还不能认为是真正意义上的综合， 因为尽管在 工 s d n 中同时采用了电路交换技术和分组交换技术， 但却是分别用于话音业 务和数据业务，最多是在用户接口处实现了综合。 3 )带宽能力有限，尚不能满足对更高带宽数据通信的要求，如高清晰度 图像数据传输。 也正因为如此， 从8 0 年代中期开始， 人们就开始在寻求一种新的网络 体系结构，以克服上面提到的在 i s d n中存在的问题。对于这种新的网络 体系结构有以下要求: 1 )能真正实现话音、数据和图像等业务的综合。 2 ) 能适应现行的和将来可能的业务。 3 ) 具有灵活、 可变的传输速率， 能在同一网络中提供低至几k b i t / s ， 高 电子 科技大学硕 l 学位论文 至几百m b i t / s 的速率。 由于宽带和业务综合是这种新的网络体系结构的一个突出 特点， 因此， 也将这种新的网络体系称为宽带综合业务数字网 ( b 一 工 s d n ) 。当然，要满 足b - i s d n 的要求，不可能仅仅是通过提高i s d n 的带宽能力所能办到的。 它对信息的传递、交换、用户的接入以 及通信协议都提出了全新的要求。 为有别于原有的i s d n ， 将原来的i s d n 称为窄带综合业务数字网( n 一 工 s d n ) . 在有关b 一 工 s d n 这种新的网 络体系 结构的 研究中 3 ， 出 现了 一 个重要的 概念，即快速分组交换( f a s t p a c k e t s w i t c h i n g ) 。而1 9 8 3 年由0 . r e l l y 提出的异步时分复用 ( a s y n c h r o n o u s t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 最 具代表性， 其要点是， 允许通信系统中的发送时钟和接收时钟可以异步方 式工作。 有关这方面的研究工作， 分别由 法国 科学院( c n e t ) 和美国a t 而就分组交换 而言， 它属于一种高速分组交换技术， 其在协议及处理上均作了相应的简 化， 将数据链路层中纠错、 流量控制等功能移到终端上去完成， 并通过硬 件来实现协议的处理，从而降低了处理时间，大大提高了交换速度。 1 . 2 . 2 a t m 采用信元承载数据 在a t m 中， 数据分组长度固定为5 3 字节， 采用短而固定的数据分组有 助于确定信元 ( c e l l )的传输时延和减少所需缓冲区的资源。5 3个字节 的信元中含有一个5 字节的信头和 4 8字节长的净荷。总的来说，a t m信 头的功能相对于其它分组技术中分组头的功能有所简化， 在信头中只含有 必要的路由和控制信息， 这有助于协议处理的简化和硬件实现， 以降低协 议的处理时延。 在宽带网络中， 对a t m 信元中净荷域所承载的信息只进行 透明传输，信元本身的格式与具体的业务类型无关。 1 . 2 . 3 a t m 具有虚通道/ 虚通路两级连接 由于a t m是面向连接的，在a t m 信头中需要一个标识来标明每一个信 元是属于哪一个连接。 关于连接， 在a t m 中又引入了虚连接的概念。 所谓 的虚连接指在一个物理信道上， 划出 众多的逻辑信道， 当建立连接时， 将 相应的逻辑信道指定用于连接某两个用户， 而在拆除该连接后， 该逻辑信 道又可再分配给其它的用户使用。 虚连接可以在两个层次上建立， 即所谓 的虚通道( v p ) 和虚通路 ( v c ) ，并在信头中就采用v p i 和v c i 来标识这两 种不同层次上的虚连接。 v c 是一种用于描述具有相同v c i 标识值的一种单向传输a t m 信元的概 念。 而v p 则是一种用于描述那些具有相同v p i 标识值， 且属于不同v c 的 单 向 传 输a t m 信 元 的 概 欲 在 组 成 上 ， v p 可 以 看 成 是 众 多 具 有 相 同v p i 值的v c 的集合。v p 间具有不同的v p i 值，同属一个v p 的各 v c 具有不同 的v c i ，而分属不同v p 的v c可有相同的v c i . v p , v c 间的关系可参见下 3 电子 科技人学硕上 学位论文 图 1 . 1 : 图1 . 1 v p , v c 和物理信道的关系 通常v c 可以用于直接完成两个用户间的连接，而v p 则可用于不同网 段间的连接。基于v p 八c 的连接和交换的实现过程，只是在交换节点处， 将输入v p 工 / v c i 值转换成输出v p 工 / v c i 值后即可完成。 这种基于v p / v c 的 连接和交换，操作非常简便，而且处理时间也大为减少。 1 . 2 . 4 a t m 具有支持不同o o s 等级的能力 在基于a t m 技术的b - i s d n 中， 可以提供诸如话音、 数据、 图像等多种 业务综合的能力， 而对于这些不同的业务， 其所要求的带宽、 信元丢失率、 时延和抖动等都不相同， 为了保证通信的质量和带宽资源的有效利用， a t m 通过提供t q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 参数来实现用户业务的需要与网 络资源管理间的协调。 互 1 . 3 帧中继与a t m 互通 1 . 3 . 1 帧中继的出现及其技术特点 在7 0 年 代 通 信网 络是以 模 拟 通 信为 主 4 i7 1 ， 可以 提 供 传 输数 据的 信道 大多是频分制的电 话信道， 信道带宽为话带带宽0 . 3 k h z 到3 . 4 k h z ， 传输 速率一般不大于9 . 6 k b i t / s ，误码率为1 0 “一1 0 - s 。这样的误码率不能满 足数据通信的要求。 在这种环境下设计的数据传输协议x . 2 5 必须兼顾以 下高效和正确的原则: 、采用虚电路复用方式提高信道利用率，减少网络传输费用。 、在网络相邻节点的传输通路上执行差错控制协议，保证相邻网络 4 电子 科技大学( ij i ( : 学位论文 节点之间传输数据的正确性。 、为了 保证线路上传输的数据不超过线路可以 传输的容量，一般采 用类似于停止等待协议的流量控制。 x . 2 5 协议规定了 较丰富的控制功能，获得了很高的可靠性，但是由此 加重了分组交换机的处理负担， 使分组交换机的分组吞吐量和中继线速率 进一步提高受到了限制。而且导致了分组通过网络的时延比较大。 8 0年代后期以 光纤为传输媒体的通信网络促进了分组交换技术的发 展。光纤通信具有容量大 ( 高速) 、质量高 ( 低误码率)的特点， 数字传 输误码率小于1 0 - 9 ，系统能提供高达 ( 1 0 -1 0 0 ) g b i t / s 的速率。同时用 户设备也愈来愈智能化和高速化。 在这样的运行环境下的分组协议显然没 有必要像原来的12 5 协议那样作许多精巧和繁琐的控制。 分组交换协议的改进首先是为局域网 ( l a n ) 互连设计的，因为在 8 0 年代后期局域网之间的互连成为实际需要。 局域网之间的通信具有与传统 的话音通信以及分组数据通信不同的特点: 1 )数据传输具有高速特性，通常局域网互连的数据传输速率至少为 1 5 4 4 k b i t / s 和 2 0 4 8 k b i t / s ， 这是分组交换接入所无法达到的。 所以 在未出现帧中继方式之前，一般l a n 互连是采用专线满足的。 2 )信息传输具有突发特性， 信息传输过程可能存在较长时间的空闲， 但 是如果l a n 之间传送图形或图像信息时， 要求较高的传输速率。 在这 种情况下， 使用昂贵的高速租用线路以满足系统快速的响应时间， 会 导致资源的浪费，也阻碍了l a n 之间互连的发展。 3 )运行不同协议局域网之间能互通采用不同的协议。 针对这些问题，以 及传输媒体使用光纤这样的事实，帧中继 ( f r a m e r e l a y ) 技术对x . 2 5 协议进行改进以 实现高速数据传输， 完成按需分配带 宽以适应突发信息的要求，处理多协议满足不同l a n 的互连。 帧中 继的 设 计思 想非 常简单 围 ， 可以 概括为以 下几点: 的 帧中继中取消了 x . 2 5协议规定网络节点之间、网络节点和用户设备 之间每段传输链路上的数据差错控制， 将本来由网络完成的数据链路 上的段差错控制推到网络的边缘，由终端负责完成。网络只进行差错 检查， 如果发现错误将数据单元丢失。 这是由于采用了 光纤作为传输 手段，数据传输的误码率急剧下降，链路上出现差错的概率减小，传 输信道中不必每段链路进行差错控制。 电子科技人学硕 1 : 学位论文 2 )帧中继数据传输基本数据单元是帧， 帧是计算机网络分层中数据链路 层的概念。 相比于x . 2 5 ， 帧中继中帧的格式作了简化， 去掉了有关进 行链路差错控制的帧中的域。 帧结构中的信息字段不仅可以存放原来 的 x . 2 5分组，而且可以存放高级数据链路控制 ( h d l g )或同步数据 链路控制 ( s d l c )协议数据单元，以及 l a n中逻辑链路控制 ( l l c ) 层和媒体访问控制 ( m a c )层的数据，这样可以实现不同协议的数据 封装和传输。 3 )帧中继数据传输采用数据链路连接标识符 ( d l c 工 ) ，作为网络传输数 据信道标志， 类似于分组交换虚电路中的逻辑信道号的概念，因此说 帧结构格式中包含路由 选择的信息 ( 这是属于计算机网络分层中第三 层一网络层的概念) 。d l c i 指明数据传输的通路，填入交换机的路由 表中，指示信息传输的通道，并没有分配网络资源。只有当数据在终 端用户之间传输时， 才在相邻交换节点之间或端局节点和终端之间分 配传输资源，这和分组交换中的虚电路方式是完全一致的。 从帧中继技术的设计考虑中可以看到，将网络内部的差错处理推向网 络的边缘，由智能终端本身进行处理降低了节点处理负担， 减少了分组在 网络中的延迟， 从而提高了网络的响应速率。 帧中继技术是传统的分组交 换技术的一种改进方案，适合 l a n之间数据互连，目前传输速率己达到 3 4 m b i t / s 。但是，由于帧中继实际采用的是永久虚电路 ( p v c )的方式， 同时由于在网络内部仍旧对数据进行检查， 并没有准备适配不同速率的业 务( 如低速的 音频业务和高速的视频业务) 以 及其他的 计算机之间的 通信， 所以目 前帧中继一般只是应用于l a n 之间的互连， 但已体现了分组技术的 良好的适配性，并可以提高网络的利用率。 1 . 3 . 2 基干 a t m的帧中继 ( f r ) 帧中继与a t m相比，两者有一些共同之处.首先二者均是面向连接的 高速分组交换技术， 都具有统计复用的特性和支持突发业务的能力。 另外， 帧中继与a t m 也都具有提供虚连接的功能。 这些都为在a t m 网络上支持帧 中 继 业务 提供了 有 利的 条 件6 所谓基于a t m的帧中继，其实质就是要实现帧中继与a t m 两者间的互 通( 1 2 l 。 因为， 在目 前， 帧中 继现己 得到了 广泛的 应用， 成为了一 项成功的 广域网 ( w a n )业务，特别是在公网中，帧中继除了提供数据传输外，现 6 电子科技大学硕士学位论文 也开始提供话音业务， 同时带来了能够支持数据， 传真和话音应用的帧中 继接入设备 ( f r a d )和用户住宅设备 ( c p e ) 市场的蓬勃发展。而宽带业 务尚未形成规模， a t m 成为一种成熟、稳定和经济有效的技术还将花费一 些时间，基于a t m 技术的b 一 工 s d n 地建设会有一个过程，同时已投入到帧 中继设备的业务用户不可能放弃他们的投资而采用 a t m信元中继业务和 设备。 这 样， 帧中 继与a t m 网 络 及 业 务 将 在 相当 长 的 时 间内 共 存， 丛旦垫 宽带化的平稳过渡来讲， 实现帧中继与a t m 互通具有十分现实的意义。 但 现行的帧中继并不能提供a t m u n i ( 用户一网络接口) 所具有的全部功能， 为了有助于利用a t m 网络的性能， a t m 论坛定义了一种基于帧的u n i 接口， 即 . f u n i ( f r a m e - u n 工 里 ，以 便能 够完全、高效地提供对人 t m低速接口的 支 持 : f u n i 接口 速 率 具 有 较 广的 范 围 ， 可 从5 6 / 6 4 k b i t / s 到1 . 5 / 2 . o m b i t / s o 目前，在解决帧中继到a t m 的低速接入，可采用3 种方法，即: 、将帧中继作为 标准的a t m 宽带接口 来设计; 、 定义一种基于信元的 低速a t m u n i ; 、定义一种基于帧的 低速a t m u n i ; 除了接口之外，要实现帧中继与a t m互通，两者间的协议转换也是一 个关键。 总之，目前， 通信界和标准化组织已认识到帧中继与a t m 互通的 必要性， 并己制定出了一些相应的标准， 在此基础上， 帧中继与a t m 互通 己可初步实现。 互 1 . 4 作者所做的主要工作及论文章节安排 本课题来源于大唐电 信成都光通信分公司接入网开发部的研发项目 实用化综合接入系统 ，该项目 隶属于国家高科技研究发展计划 ( 8 6 3 计划) 的通信技术主题。 电子科技大学承接系统中多业务接入平台的帧中 继业务盘的研制工作，课题实现帧中继与a t m 网络互通功能。 在 参与 对 协议 的 理 解 和 总 体 方 案 制 定的 基 础 上， 4 ;v p n 工 yj a 史 i -l7 好 m 网 络 互 通 业 务 盘 的 设 计 和 开 发 工 作 ， 主 要 负 责 整 个 业 务 盘 硬 件 系 统 的 开 发、 底 层驱 动 程 序的 开 发 和 整 个 系 统的 硬 件 调 试 工 作。 硬 件系 统 采 用了 目 前通信系统中应用比 较广泛的嵌入式通信处理器m p c 8 6 0 s a r , h o 工 .c 空 制 器 卫 匹 旦 丛以 及 实 时 操 作系 统p s o s y s t e m , 同 时 也 利 用了p c i , u t o p i a , l v d s 等总线和接口技术，故可使系统设计达到简单、 可靠、易于升级， 满足网 电子科技人学硕 七 学位论文 络互通的速度和时延要求。 本论文共分五章。 第一章为绪论，介绍了a t m和帧中继技术的发展由来以及技术特点和 主要应用， 阐述了帧中继与a t m 互连互通的必要性， 最后说明了课题背景、 作者的主要工作和论文的章节安排。 第二章分别对帧中继和a t m网络技术的工作原理和相应的帧、信元结 构进行了详细的研究，给出了帧中继和a t m 网络技术的基本工作流程。 第三章在前一章的基础上，以帧中继论坛的f r f . 5 建议为重点，结合 i t u - t 的标准工 . 5 5 5 和工 . 3 6 5 . 1 ，详细介绍了 帧中继与a t m网络互通功能 的工作要求。 第四章论述了整个网 络互通模块硬件系统的设计，对系统中主要部分 具体设计情况进行了描述，另外对软件开发平台p s o s y s t e m 也进行了介 绍， 最后说明了系统调试的过程和结果，给出了系统的性能分析。 第五章结合在本单盘系统设计中的具体情况， 详细介绍了u t o p i a 接口 和l v d s 技术的工作原理、技术特点和应用范例。 电了科技大学硕 卜 学位论文 第二章帧中继与a t m网络技术原理 2 . 1 帧中继技术原理 2 . 1 . 1 帧中继概述 帧中继的核心是取消了 x . 2 5协议数据链路层和信道链路访问规程一 平衡型( l a p b ) 的 许多 辅助 操作和功能 7 1 ， 并从 这一层的 分 组处理中 得出 其名称，即 “ 帧” 。因为节点之间没有链路层的重排纠错和重发，所以吞 吐量和时延特性显著增强。 帧中继是面向连接的业务， 协议定义了用户和 帧中继网络的接口， 通常称为帧中继接口 或帧中继用户网络接口 ( f r i 或 f r - u n i ) 。 在两个帧中继站之间建立数据传输， 首先需要建立永久虚连接 ( p v c ) 或交换虚连接 ( s v c ) 。 帧中继的一个重要特征是能调整带宽的可 测量性和按需要以非对称方式达到接入速度的特性。 它所支持的接入速度 为5 6 k b i t / s , n x 6 4 k b i t / s 和1 . 5 4 4 / 2 . 0 4 8 m b i t / s ( t i / e l ) 。国际电 信联 盟 ( i t u )和美国国家标准局 ( a n s i )把帧中继分为三类:业务说明、核 心说明和信令 ( 见下图2 . 1 ) . 类别i t u - t 标准 a n s i 标准 业务描述 1 . 2 3 3t 1 . 6 0 6 核心方面q . 9 2 2附录a t 1 . 6 1 8 信令 q . 9 3 3t 1 . 6 1 7 图2 . 1 帧中 继标准 业务说明文件描述了所有帧中继的业务和规程，定义了业务属性如信 息传输特性、接入特性和一般特性。1 . 2 3 3 的附录 a 定义了测试帧中继的 几个性能参数 n 1 ， 如吞吐量、 传输时延、 约定信息 速率 ( c i r ) 和其它统 计性能参数。 c i r 描述了网络为支持一般数据传输的用户必须约定的信息 传输速率。 在永久虚连接环境中， c i r 是在用户和网络提供者间进行协商 的 暂设参数。 对于交换虚连接环境， 则是在呼叫建立期间 进行协商。 工 t u - t 建议 工 . 3 7 0 提供了流量控制和拥塞管理的规范。 拥塞管理的方法包括: 拥 电子科技大学6 4 i i - 学位沦文 塞避免、 拥塞控制和拥塞恢复的功能。 流量控制机制有助于提供拥塞管理。 2 . 1 . 2 帧中继协议结构 帧中 继的 协议 如图2 . 2 所示 1 3 1 。 智能 化的 终 端设 备 把数 据发送到链路 层，并封装在l a p d 信道链路接入协议中，由于用x . 2 5 的l a p b 派生出来 的这种可靠的链路层协议的帧结构中， 实施以 帧为单位的信息传送， 帧不 需要在第三层处理， 能在每个交换机中直接通过， 一些属于第三层的处理， 如流量控制， 都留给了智能终端去处理. 这样帧中继把节点间的分组重发、 流量控制、 纠错和拥塞的处理程序从网内移到网外或终端设备， 从而简化 了交换过程，使得吞吐量大、时延小。 帧中继采用统计复用，即按需分配带宽，适用于具有突发性数据业务 的用户。 用户可以 有效地利用预先的带宽， 并且当用户的突发性数据超过 了预定带宽时，网络可及时提供所需带宽。 上 层一飞1 _ u p 二层 第 一 层 q . 9 2 _7 枚心层 q .9 2 2 核 心层 ( 链路层) 用户 网络 物理层 用7 介 . . 岛 .!.11.1!1-叶1.1: unru nf 图2 . 2 帧中继的协议结构 帧中继承载业务使用q . 9 2 2 协议的“ 核心” 协议作为数据链路层协议， 并透明传递服务用户数据。 帧中继数据链路层核心功能主要包括: 1 ) 帧的定界、 同步和透明性。 即将需要传送的信息按照一定的格式组 装成帧， 并实现接收和发送之间的同步， 还要有一定的措施来保证 信息的透明传送。 电子 科技大学硕士学位论文 使用地址字段进行帧的复用/ 分路。即允许在同一通路上建立多条 数据链路连接，并使它们相互独立地工作。 检测帧的长度是否正确。 检测传输帧在 “ 0 ”比特插入之前和删除之后，是否由整数个字节 组成。 帧传输差错检测 ( 但不纠错) 。 拥塞控制功能。 、.了、.、，.产 q自勺j连l 、.r、.j 二db 2 . 1 . 2 帧中继格式 在帧中继接口，数据链路层传输的帧结构如图2 . 3 所示，一帧由4 种 字段组成 1 8 1 . 标志字段f 、 地址字段a 、 信息字段i 和帧校验字段f c s . 下面分别介绍这些字段的内容及用途。 f c s i f 比特填充区 图2 . 3帧中继的帧结构 ( 1 ) 标志字段 ( f ) 标志字段 ( f l a g ) 是一个特殊的8 比特组0 1 1 工 1 1 1 0 ， 它的作用是标志 一帧的开始和结束。在地址字段之前的标志为开始标志，在帧校验序列 ( f c s )字段之后的标志为结束标志。这样，所有的接收机都必须能适合 于接收一个或多个连接标志。 在接口两侧， 接收机连续不断地搜寻标志序 列， 以便在一个帧开始时就取得同步。由于接收机在接收一帧信息的过程 中， 仍继续搜寻标志序列，以 确定帧的结束， 因此在接收到的一帧中除了 标志字段 f 之外， 其它字段都不允许出现这样的序列。 为了数据的透明传 送，帧中继核心协议也采用比特填充的方法来防止其它字段中出现的 0 工 1 1 川。 序列干扰帧同 步。 具体的方法是: 发送端除了f 字段以 外， 每 发送5 个连续的， 1 ”比特之后就要插入一个 “ 0 ”比特， 而接收端对两个 f字段之间的数据信息作相反的处理，即收到连续 5 个 “ 1 ” 之后，立即 将随后而来的一个 “ 0 ”比 特删掉。比 特填充的原理如图2 . 4 所示。 电子 科技人学硕 l 学位论文 原始数据 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 比特填充之后 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 插入的叶匕 特 图2 . 4比 特填充原理 ( 2 ) 地址字段 ( a ) 地址字段 ( a ) 的主要用途是区分同一通路上多个数据链路连接， 以便 实现帧的复用/ 分路。地址字段的长度一般为2 个字节，必要时最多可扩 展到4 个字节。地址字段通常包括地址字段扩展比特e a 、命令/ 响应指示 比 特 c / r 、 帧可丢失指示比 特 d e 、前向显示拥塞比 特 f e c n 、 后项显示拥 塞比 特b e c n 、数据链路连接标识符d l c 工 和d l c i 扩展/ 控制指示比 特d / c 等 7 个组成部分。格式如图2 . 5 所示。 地址字段扩展比特 e a :地址字段中每个字节的第 1 位都是e a比特。 e a = o 表示下一字节仍是地址字节， e a = 1 表示本字节是地址段的最终字节。 e a的设置是为了适应地址长度可变的协议，例如，对于长度为 2字节的 地址字段，第一个e a 设置为 “ 0 ，第二个e a 设置为 . 1 命令/ 响应比 特 ( c / r ) : 它的用途是标识该帧是命令帧还是响应帧，当 某一帧作为命令帧发送时， c / r 比特置.1 0 ; ， 当某一帧作为响应帧发送时， c / r比特置 “ i l l . 可丢失指示比特 ( d e ) : d e 置 1 ”说明当网络发生拥塞时，可考虑丢 弃，以便于网络进行带宽管理。 前向显示拥塞通知 ( f e c n ) : 该比 特由 一发生拥塞的网络来设置， 用于 通知用户启动拥塞避免程序，它说明与载有f e c n指示的帧同方向的信息 量情况。 后向显示拥塞通知 ( b e c n ) : 该比特由一发生拥塞的网络来设置， 用于 通知用户启动拥塞避免程序，它说明与载有 b e c n 指示的帧反方向的信息 量j清况。 电子科技大学硕 l 学位论文 d l c i 扩展/ d l - c o r e( 数据链路层核心) 控制指示比 特 ( d / c ) :当 使用 3 个字节或4 个字节格式时， 地址字段最后一个字节的第二比特为d / c 比 特， d / c比特置 1 ” 表示最后一个字节包含d l - c o r e 控制信息， d / c比特 置 0 ” 表示最后一个字节包含d l c i 信息。 通常情况下， 该比 特应置为“ 0 1% 8 7 6 5 4 3 2 1字节 ( 高层)d l c i c / r e a 0 d l c i f e c n b e c n d e e a1 ( a ) 两字节 ( 缺省)地址字段 8 7 6 5 43 2 1字节 ( 高层)d l c i c / r e a 0 d l c i f e c n b e c n d e e a 0 ( 低层)d l c i 或 d l 一 核心控制 d / c e ai ( b ) 三字节地址字段 字节 ( 高层)d l c ic / r e a 0 d l c i f e c n b e c n d e e a 0 d l c i e a 0 ( 低层)d l c i 或 d l 一 核心控制 d / c e a1 ( c ) 四字节地址字段 图2 . 5地址字段格式 电子科技人学硕上 学位论文 数据链路标识符 ( d l c i ) : d l c i用来标识用户一网络接口或网络一网 络接口上承载通路的虚连接。 数据链路标识符 ( d l c i ) 是和数据链路连接 两端处的连接端点标识符 ( c e i ) 相关的。 连接端点标识符 ( c e t ) 是用来 识别数据链路层和第三层之间通过的各消息单元的。d l c i的默契长度为 1 0 个比 特， 通过使用e a 比 特可以 扩展为1 6 个比 特或2 3 个比 特， 如图2 . 5 所示。图2 . 6 给出了地址长度为2 个字节的d l c i 的可能的值。 d l c i 功能 0 通路内信令 ( 必要时) 1 一 1 5保留 1 6 一 5 1 1 网络任选项，适用于非d 通路，可用来支持用户信息 5 1 2 一9 9 1数据链路连接标识符，用来支持用户信息 9 9 2 一 1 0 0 7用于第二层帧方式承载业务管理 1 0 0 8 一 1 0 2 2保留 1 0 2 3 通路内第二层管理 ( 必要时) ，适用于非d 通路 图2 . 6 d l c i 值的分配 ( 2 个字节) ( 3 ) 信息字段 ( i ) 信息字段包含的是用户数据，可以是任意的比特序列，它的长度必须 是整数个字节。 帧中继信息字段的最大默契长度为2 6 2 个字节。 网络应能 支持协商的信息字段的 最大字节数至少为1 6 0 0 个字节， 用来支持例如l a n 互连之类的应用，以尽量减少用户设备分段和重装数据的需要。 ( 4 ) 帧校验序列字段 ( f c s ) f c s 字段位于 i 字段之后和结束标志之前。按规程规定，可以使用 1 6 比特或3 2 比特的帧校验序列用于差错检测。 一般情况下使用 1 6比特， 采 用循环冗余检验，生成多项式为 i t u - t建议所规定的 c r c序列，即 p ( x ) = x“ 十 xz + xs + 1 。 检验范围从地址字段第一比 特到信息字段的最后 一比特止， 但要除去按透明规则插入的所有“ 0 ” 比 特。 帧校验序列 ( f c s ) 是数据 ( k 位信息)多项式g ( x ) 被生成多项式 p ( x ) 相除所得余项 r ( x ) 的 反码，即 电7 0 科技大学硕士学位论文 g ( x ) / p ( x ) = q ( x ) + r ( x ) / p ( x ) f c s = 1 / r ( x ) 在发送端作为典型的实现方法是计算余数的设备寄存器的初始内容应 全部预置 + l， 然后， 在生成多项式的地址字段、控制字段、 信息字段内 去除，以修改寄存器的内容，最后得到的余数的反码作为 1 6比特的f c s 序列来发送。 在接收端作为典型的实现方法是计算余数的设备寄存器的初始内容应 全部预置i l l, ，然后， 乘以x16 后， 再用串行的保护比 特和f c s 的生成多 项式x 6 + x z + x + 1 所除， 在传输无差错的 情况下， 最后得到的余数为 11 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 ( 分别为x ， 至xi ) . f c s具有很强的检错能力，它能检测出在任何位置上的3 个以内的错 误、所有奇数个比特错误、1 6个比 特之内的连续错误以 及大部分的大量 突发错误。 这里说的 1 个错误就是 1 个比 特的信号在传输过程中改变了它 的值 ( 0 ” 变 “ 1 ”或 “ 1 ” 变 “ 0 11 ) . 2 . 1 .2 寻址方式 帧中继采用统计复用技术，它以虚电路为每一个提供地址信息。每一 条链路和每一个物理端口 可容纳许多虚电路。 用户之间通过虚电路连接。 每一帧的帧头的d l c i 含有地址信息。目 前大部分帧中继网只提供永久虚 电路 ( p v c )，每一个节点机都有p v c 路由表，当帧进入网络时，节点机 通过d l c i 值识别帧的去向。 d l c i 只具有本地意义， 它并非指终点的地址， 而只是识别用户与网络以及网络与网络间的逻辑连接 ( 虚电路段) ， 如图 2 . 7 所示，帧中继的虚电路是由多段d l c i 的逻辑连接而构成的端到端的 逻辑信道。 电子科技人学i ni ; 1 : 学位论义 i - :f r s 一顿巾继交换机c p e 一用户前端设备 d l c i -数据链路连接标识符 从a到ii 的枚中经逻裁胶路-d l c i 的1 2 . 1 1 , 5 0 . 6 2 从a到c 的城中绳逻粉放3 s -d l c i 的1 5 , 2 0 . 2 5 图2 . 7 永久虚电 路 ( p v c )的路由 2 . 1 . 3 帧中继对无效帧的处理 如果一个帧具有以下情况之一，则称为无效帧: 1 ) 2 ) 3 ) 没有用两个标志所分界的帧; 在地址字段和结束标志之间的字节数少于3 个; 在 “ 0 ”比特插入之前或 “ 0 ”删除之后，帧不是由整数个字节组 成; 4 )包含一个帧校验序列 ( f c s )的差错; 5 ) 只包含一个字节的地址字段; 6 ) 包含一个不为接收机所支持的d l c i . 无效帧应舍弃，不通知发送端。 电了 科技大学硕 卜 学位论文 2 . 1 .4 带宽管理 网络通过确定用户的进网速率及有关参数对全网带宽进行控制和管 理。 用户申 请入网时须与网络运营者共同协商确定这些参数。 如确定数据 传输速率的门限值c i r ， 当传输速率低于c i r时， 一般情况下网络能正确 传递数据。 当网络的带宽资源富裕时， 网络允许用户数据的传输速率可升 至某一值。 同样的带宽，若采用电路交换固定地分配给用户，可以开通的用户较 少，若采用帧中继方式，多用户共享带宽，则可发展更多的用户.因此， 帧中继方式无论从用户角度还是从网络运营者角度来说， 都十分合理地利 用了网络资源。另外网络运营者可以根据c i r这个灵活的参数针对不同 的网络应用制定出多种不同的收费方式，并可以采用帧中继的带宽管理， 运用更为灵活的方式吸引用户入网。 2 . 1 . 4 拥塞管理 当输入的业务量超过网络负荷 ( 如带宽或处理能力)时，网络会发生 拥塞， 帧中继通过预防和缓解措施对所发生的 拥塞进行控制和管理。 帧中 继的每帧中与拥塞管理有关的b e c n 和f e c n , d e 等已 在前面定义， 帧中继 采用拥塞通知比特来实现拥塞控制，如图2 . 8 所示。 图2 . 8 拥塞控制示意图 电子 科枝大 学硕 k lf 位论文 根据将要发生或己 经发生的拥塞的不同程度，网络将采取下列措施: 1 )将b e c n 比 特置 14 1 1,， 通知到各帧中继用户; 2 )将d e 比特置 1 ”的帧丢弃; 3 )每n 帧丢掉一帧， 当n =1 表示缓冲器己 满时， 所有的帧将被丢弃。 同时，用户在收到发自网络的拥塞通知后将作出相应动作，以减 轻网络负荷，避免数据丢失。 2 . 1 . 4 p v c 管理 p v c 管理采用用户/ 网络接口 ( u n i )的本地管理接口 ( l m 工 )协议和用 于网络/ 网络接口 ( n n i )的p v c 管理协议。管理协议描述用户/ 网络间接 口 ( u n i )以及网络/ 网络接口 ( n n 功 如何相互交换有关接口和p v c 的状 态，其主要内容包括: 接口的有效性、 各p v c 当前的状态、p v c 的增加和 删除等。虽然管理协议增加了帧中继的复杂性， 但能保证网络充分运行。 ; 2 . 2 a t m 技术原理 2 . 2 . 1 a t m 技术概述 异步转移模式 ( a t m )已 被国际电 联电 信标准部 “ t u - t ) ，即1 9 9 3 年 3 月以前的c c i t t 于1 9 9 2 年6 月定义为未来宽带综合业务数字网( b 一 工 s d n ) 的传递模式。 术语“ 转移” 包括了 传输和交换两个方面， 所以转移模式意 指信息在网络中传输和交换的方式。 “ 异步”是指在接续和用户中带宽分 配的方式。因此，a t m 就是在用户接入、传输和交换级综合处理各种通信 量的 技术 0 1 a t m 概念可由下列原则定义: 1 )所有信息在a t m 网中以称为信元 ( c e l l ) 的固定长度数据单元格式 传送。 信元 ( c e l l )由信头 ( h e a d e r ) 和信息域 ( p a y l o a d ) 组成; 2 ) a t m 是面向连接的技术，同一虚连接中的信元顺序保持不变; 3 )通信资源可以产生所需的信元，每一信元都具有接续识别的标号 ( 位于信头某域) ; 4 )信元信头主要功能具有本地重要性，它在交换处被翻译; 5 ) 信元信息域被透明传送，它不执行差错控制; 1 8 电子 科技大学硕_ l 学位论文 6 )信元流被异步时分多路复用。 未来的通信业务要求更宽的带宽和更高的速率，它将在网络中产生各 种混合业务量 ( 如多媒体通信) 。 现有的各种网络无法满足这种要求。 a t m 网以单一的网络结构、综合的方式处理话音、数据、图形和图像类信息。 它也可以提供更大的容量和综合的业务。它具有更为灵活的网络接入方 式，能有效地利用带宽并支持未来各种新业务需求。 a t m 网具有以下特点: 1 ) 支持一切现有通信业务及未来的新业务; 2 )有效地利用网络资源; 3 ) 减小了交换的复杂性; 4 )减小了中间节点的处理时间，支持高速传输; 5 )减少延迟及网络管理的复杂性; 6 )保证现有及未来各种网络应用的性能指标。 2 . 2 . 2 a t m的信元结构 a t m 信 元是a t m 网的 基本处 理单 元 i i i ， 它包括两 部分: 信头 和信息域。 信头长度为5 个字节， 标识信元归属的连接， 网络根据信头内容进行路由 选择; 信元信息域长度为4