（仪器科学与技术专业论文）基于sdh帧数据的atm信元提取与解析技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 论文以同步数字体系( 即s d h ，s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 网中的异步传输 模式( h pa t m ，a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 信元为主要的研究对象，并采用了两 种实现方式对s d h 网中的a t m 信元提取与解析系统进行具体实现，对两种实现 方式进行了比较分析研究。文章的主要内容是： ( 1 ) 根据a t mo v e rs d h 的相关理论研究与工程实践，提出了“利用信头差 错控制( 即h e c ，h e a d e re r r o rc o n t r 0 1 ) 的a t m 信元提取算法一，从理论上对该算 法进行深入研究，并通过仿真实验，验证了该算法性能。 ( 2 ) 以a t m 信元作为主要研究对象，从理论角度对a t m 信元进行具体解 析，包括a t m 空闲信元和各个适配层的识别与提取以及各个适配层承载用户信息 的重组与提取。 ( 3 ) 构建两种实现方式：基于现场可编程序门阵列( 即f p g a ，f i l e d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 和基于服务器来实现s d h 中的a t m 信元的提取与解析。 前者，重点分析了并行c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) 算法，并利用“x o r 平面 和。a n d 平面 来实现c r c 中的单比特纠错。后者，主要从软件角度分层实现各 个功能。 ( 4 ) 从实验角度实现两种方式，并对实验结果进行分析。 由本文的理论分析和实验结果可以看出，本文分析方法和结论都是正确的。 所提出的方法使得s d h 网络中的a t m 信元提取与解析成为可能，并为解决实时 检测s d h 中的a t m 业务信息提供了一个新的解决方案。 主题词：s d h 、a t m 、h e c 、c r c 、a a i 、信元提取、解析、f p g a 、服务 器、用户信息 第i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 a b s t r a c t sd i s s e r t a t i o nm a i n l yi n v e s t i g a t e st h ea t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) c e l l so v e rs d h ( s y n c h r o n o u sd i 西t a lh i e r a r c h y ) n e t a n di tu s e st w om e t h o d st o i m p l e m e m 删c e l l se x t r a c t i o na n dp a r s i n go v e rs d hn e t ，t h e nt h ep e r f o r m a n c eo f t h e s et w om e t h o d sa r ec o m p a r e d ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i ca n de n g i n e e r i n gr e s e a r c ho fa t m o v e rs d h ，t h e d i s s e r t a t i o np r e s e n t sa t mc e l l se x t r a c t i o na l g o r i t h mw h i c hu t i l i z eh e c ( h e a d e re r r o r c o n t r 0 1 ) f i e l d a n dt h et h e o r ya n a l y s e sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r eb o t hc a r r i e do u t t oi n s p e c tt h ea l g o r i t h mp e r f o r m a n c e ( 2 ) 1 1 1 ed i s s e r t a t i o nc o n s i d e r st h ea t mc e l la st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t f r o mt h e t h e o r e t i c a s p e c t , i tp a r s e st h e s t r u c t u r eo fa ，n 讧c e l l ，i n c l u d i n g i d e n t i f y i n ga n d p r o c e s s i n go f 删i d l ec e l l ， a t ma a l s ( a t ma d a p t a t i o nl a y e r s ) a n du s e r i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o na n dr e c o m b i n a t i o no fa a l s ( 3 ) t oe x t r a c ta n dp a r s e sa t mc e l l sf r o ms d hn e t , a nf p g a ( f i l e d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) b a s e da n dac o m p u t e rs e r v e rb a s e dm e t h o d sa r ec a r r i e do u t f o rt h ef o r m e r , t h ed i s s e r t a t i o ne m p h a s i z e st h ep a r a l l e la l g o r i t h mf o rt h ec r c ( c y e l i c r e d u n d a n c yc h e c k ) i ta l s ou s e st h e = ( 0 rp l a n e ”a n dt h e 省n dp l a n e ”t or e a l i z et h e s i n g l eb i te r r o rc o r r e c t i o ni nc r c f o rt h el a t t e r , t h es o r w a r ei m p l e m e n t a t i o n so fe a c h f u n c t i o na l ed e s c r i b e di nd e t a i l ( 4 ) r 玎1 ee x p e r i m e n t sa b o u tt h e s et w om e t h o d sa l ep r o v i d e da n dt h et e s tr e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t sa r ea n a l y z e d 耶1 et h e o r e t i ca n a l y z e sa n dt h ee x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e dt h a ta l lt h em e t h o d sc a n o p e r a t ee f f c e t i v e l y 们1 em e t h o d sa n dt e c h n i q u em a k et h ea 硼mc e l l se x t r a c t i o na n d p a r s i n g 胁t h es d hn e tp o s s i b l ea n dp r o v i d ean e ws o l u t i o n t ot h er e a lt i m e i n s p e c t i o no fa t mi n f o r m a t i o no v e rs d h n e t w o r k k e yw o r d s ：s d h ，a t m ，h e c ，c r c ，j f m ，c e l le x t r a c t i o n ，p a r s i n g ，f p g a ， c o m p u t e rs e r v e r 、u s e ri n f o r m a t i o n 第i i 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 表 表 表 表 1 1 2 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表3 7 表3 8 表3 9 表4 1 表5 1 表5 2 表5 3 表5 4 表5 5 表目录 b i s d n a t m 协议参考模型子层及功能5 算法结果19 实验三仿真结果2 1 净荷类型p t 编码。2 4 a a l 类型和它们所支持的业务关系2 5 a a l l 分层结构及功能2 8 a a i ，2 分层结构图：。3 3 c p s 分组头值3 6 c p s p d u 头值3 7 a a l 3 4 分层结构3 8 段类型意义4 0 a a l 5 分层结构4 2 单比特错误出现在首字节的“x o r 平面”和“a n d 平面9 9 * o o o oooooooooo*ooo*oeoeoo0 5 7 a t m 数据提取算法性能比较6 0 a a l l 识别算法性能比较6 0 a a i ，2 识别算法性能比较6 0 a a l 3 4 识别算法性能比较一6 1 a a l 5 识别算法性能比较6 1 第1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图目录 s t m n 的帧格式。2 s d h 的复用结构2 a t m 信元结构图3 b i s d na t m 参考模型4 以a t mo v e rs d h 为基础的b i s d n 模型5 基于计算机服务器的a t m 信元提取分析框图。9 a t m 信元映射装入v c 一3 4 的示意图1 2 a t m 信元映射进入v c 1 2 的示意图1 2 a t m 信元映射进入v c _ 4 x c 的示意图1 3 h e c 的双工作方式15 s d h 帧中a t m 信元提取流程图16 x - + x b + l 对应的序列4 0 位的o 1 序列1 7 生成随机0 1 序列2 0 空闲信元结构2 3 a t m 信元类型识别流程图2 4 儿让分层结构。2 6 丸也协议数据单元2 7 a a l ls 气r p d u 格式2 8 s a r - p d u 的p 格式和非p 格式。2 9 e 1 结构化数据的传送3 1 e 2 结构化数据的传送3 l e 3 结构化数据的传送3 2 e 1 的帧结构3 2 t 1 的帧结构3 3 丸让2c p s 分组格式。3 4 c p s p d u 格式。3 4 a a l 2 通道复用分用实例3 6 承载让2 的信元识别与处理。3 7 c p c s - p d u 格式3 8 s a r p d u 格式。3 9 a a l 3 4 的识别与提取4 0 第页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 图3 1 9a a l 3 4 的处理流程图4 1 图3 2 0a a l 5c p c s p d u 格式。4 3 图3 2 1a a l 5 适配层的识别4 4 图3 2 3p 数据提取流程图4 5 图4 1系统硬件框图。4 7 图4 2r t x m l6 4 r 光电转换框图4 7 图4 3c r c 串行实现的典型电路结构5 2 图4 4 x o r 平面”和 a n d 平面”法进行单比特纠错5 6 图4 5字节并行c r c 框图5 7 图4 6系统组成框图5 8 图4 7基于服务器的a t m 检测分析软件结构图5 9 图5 1s d h 帧中提取出的r m 信元6 2 图5 2a t m 信元处理软件界面6 3 图5 3a a l l 中的e 1 数据6 3 图5 4 丸让5 中的口数据6 4 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：弘9 驴年肛月日 日期：2 口- 9 年il 月日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景及来源 随着密集波分复用( d w d m ) 和全光网络等技术方面的突破，s d h s o n e t 传输 速率不断提高、组网方式日趋灵活，已经成为各国电信业务传输的主要手段，成 为当今社会信息高速公路的主干道。据资料反映，到2 0 0 0 年底，全世界光纤用量 累计已达3 亿公里【1 1 。随着信息化程度的提高和互联网的高速发展，s d h 传输网 络上的数据量也成倍的增加。由于s d h 网络承载业务种类繁多，特别是在压缩语 音和视频信号传输过程中有明显优势的a t m 信元在s d h 中也占有比较大的比重， s d h 帧中a t m 信元的提取和解析也尤为重要。 a t m 作为宽带网络的新技术得到快速的发展。a t m 技术发展的主要优势【2 j ： ( 1 ) 服务质量( q o s ) 保证：能针对连接提供q o s 保障； ( 2 ) 高带宽、高速率：可提供1 0 , 、, 6 5 5 m b i t s 的连接带宽，能满足交互型多 媒体的高宽带应用； ( 3 ) 全面的多媒体支持：a t m 是一种交换技术，可以有效利用带宽，全面 支持多媒体。 a t m 技术上的优势使其成为b i s d n 提供的一种快速分组传送技术，特别是 在压缩语音、实时视频等应用领域具有独特优势。许多专家相信业界的趋势将是 a t mo v e i s d h s o n e t ，而且这一趋势已经逐步演变成为现实。由于a t m 本身具 有的优势，使得高速s d h 网络中a t m 信元的提取与解析技术，对整个s d h 网络 检测具有十分重大的意义。 目前，国内外a t mo v e rs d h 的网络数据分析处理并没有公开，有的只是一 些有关a t m 信元如何映射进入s d h 帧的协议。因此对这方面进行深入的研究， 为整个s d h 网络数据检测系统的构建提供了支持，也为我国的网络信息安全提供 了参考。 1 2 1s d h 概述 1 2 相关技术概述 s d h 网络上是以同步传送模块( s t m ) 这种信息结构进行传输的。s t m - n 帧结 构如图1 1 所示【l 】，s t m - n 的前面9 x n 列用于段开销和管理单元指针，后面2 6 1 x n 列是s t m - n 净荷区，p o s 、a t m 以及4 5 mi p 等高速信号都映射与s t m - n 的净 第l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 荷区。其中n - - - 1 ，4 ，1 6 分别对应1 5 5 m 、6 2 2 m 与2 5 gs d h 传输速率的信号格式。 9 2 7 0 n 字节 卜 2， 、 、 再生段开销 ( r s o h ) 管理单元指针 s d h 净负荷 9 行( 包含p o h ) ( a u m ) 复用段开销 ( m s o h ) 图1 1s t m - - n 的帧格式 各种速率的业务信号复用进s t m - n 时都要经历映射、指针定位和同步复用这 三个步骤【2 】： 固糌回耳和二“二二_ 吁1 3 9 捌舭 3 回指针处理 映射 仁复用 一定位校准三季兰 图1 2 s d h 的复用结构 ( 1 ) 映射是指在s d h 网络边界，将业务信号( 例如a t m 信号、p d h 即同步 数字体系信号等) 按顺序排列成虚容器中唯一位置上的元素。 ( 2 ) 指针定位是指各种虚容器在s d h 帧结构中的位置是相对浮动的，通过 指针定位来得到虚容器的第一个字节在帧结构中的位置。 ( 3 ) 复用是指将低阶通道层信号适配进高阶通道层，或将多个高阶通道层信 号适配进复用段的过程。其中s d h 的复用结构见图1 2 1 2 1 。 第2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 s d h 是一个将复接、线路传输及交叉功能结合在一起并由统一网管系统进行 管理操作的综合信息网络技术。引入和使用该体系设备组成的网络，可以实现高 效、高灵活性和高生存力的电信网，从而大大提高网络资源的利用率，显著的降 低管理和维护费用，给网络运营者和使用者带来极大的好处。目前，s d h 在电信 网的各个网络层次上都得到了广泛应用，成为推动传输网实现新变革的基础。与 p d h 相比，s d h 具有以下特点【3 】： ( 1 ) 全世界统一的数字信号速率和帧结构标准； ( 2 ) 采用同步复用，可以从高速信号中一次分接出支路信号； ( 3 ) 有强大的网管能力； ( 4 ) 有标准的光接口； ( 5 ) 能够兼容各种信号； ( 6 ) 采用字节复用，信号互联简单。 1 2 2 a t m 技术概述 异步转移模式a t m 是宽带综合业务数字网b i s d n 技术基础。i t u t 在i 1 1 3 中定义茭j 1 3 7 ： a t m 是一种传递模式，在这一模式中，信息被组成信元( c e l l ) ，因 包含一段信息的信元不需要周期性地出现，这种传递模式是异步的”。 传送顺序 g f c 甲i v p i 、 v p iv c i v c i v c ip tc l p h e c一 净荷 信头 ：在u n i 上为g f c 在岍上为v p i 图1 3a t m 信兀结构图 a ，r m 信元结构图如上所示 5 1 ，信元头中，各字段的如下：一般流量控f l i j j ( g f c ) 、 虚通道标识符( v p i ) 和虚信道标识符( v c i ) 、净荷类型( p d 、信元丢失优先级( c l p ) 、 头标差错控* i j ( i - i e c ) 。其中净荷类型( p d 包括用户信息和业务适配信息，也用于区 分信元净荷是用户数据或是管理数据；信头差错控制( 眦c ) 用于针对信元头的差错 第3 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 检测，并起信元定界作用，当用于信元头差错检测时，该8 位段提供1 位纠错能 力和信元被破坏概率很小的投递能力。 a t m 的提出主要是为b - i s d n 服务的。使用a t m 的b i s d n 有自己的协议参 考模型如图14 所示闭 - 昔理： 控制面，用户面 - 高：层 a a l 层 a t m 层 物理层 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 将a t m 广泛应用在l a n 的骨干网和骨干传输网中，特别是在骨干传输网采用 a t m 技术更是具有很大的优势。 表1 1b i s d n a t m 协议参考模型子层及功能 高层 高层协议 会聚子层 会聚功能，将业务数据变换成c s 数据单元 ( c s ) a a l 拆装子层分段与重装，以信元为单位对c s 数据单元进行分 ( s a r )段与重组 基本流量控制 信头产生与提取 a 田m 信元v p i f v c i 转换层 管 信元复用和分用 理 佰兀速率j 晔祸 传输会聚子层 h e c 产生与验证 物 t c 1 青兀定乔 理 传输帧适配 层 传输帧产生与恢复 物理媒介子层 比特定时 p m 物理媒介 1 2 3 a t mo v e rs d h 概述 目前，面对成熟的s d h 和a t m 技术，电信厂商建设广域骨干网时通常的作 法是【5 】：第一、采用光纤作为传输介质，这是必然的选择了；第二、使用s d h 技 术连接光纤端接设备，形成一个距离范围可达到无限的s d h 光纤网；第三、在s d h 传输网上采用各种a t m 交换设备，构建具备数据、话音、视频等多服务能力的 a t m 骨干网。 图1 5 以a t mo v e rs d h 为基础的b i s d n 模型 a t mo v e rs d h 技术在b i s d n ( 宽带综合业务服务网) 中应用十分广泛。如图 1 5 所示，a t m 位于光纤网( s d h s o n e t ) 之上，是b i s d n 的交换技术，能够向 第5 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 b i s d n 用户提供对s d h s o n e t 光纤网的访问。a t m 层所接收的信息被放入固 定长度的信元中，在s d h s o n e t 光纤网上编码并传送。a t m 可以在s d h s o n e t 光纤网所连接的链路之间超高速地交换这些信元，尽可能地直接利用光缆的传输 速度。 a t m 是一种传输技术，它将所有需要承载的信息内容格式化成为5 3 字节的 信元。s o n e t i s d h 核心将a t m 信元映射成s o n e t 或s d h 帧格式传输到目的端， 在数据接收时再提取为a t m 信元。因为信元长度短而且固定，因此在每个网络节 点交换时的延迟非常小。这使得a t i v l 非常适于承载恒定比特率业务，如语音及视 频等对时间非常敏感的业务；也适于传递可变比特率业务，如相对而言对时间不 敏感的纯数据业务。因为所有这些不同类型的业务可以被承载在同一个网络之中 共享带宽，因而带宽综合利用率非常高。这些特点使a t m 网络非常灵活而又经济 实用。 a t m 是可伸缩的。它既可以被用于小型局域网，又适合于大型全球网络及信 息高速公路环境。a t m 对私有及公共网络两者都支持，而且在局域及广域网络中 均可采用同样的技术。 a t m 交换在交换型网络中扮演最重要的角色，首先它可以提供高速骨干，其 次它可以扩展到桌面。在公共广域网络中，a t m 也是一种被广泛采用的技术，因 为它有能力在一个公共网络架构中复用多种不同的服务，结果是灵活性高，节省 大量费用。 对a t m 接口来讲，可以把它与其它的数据链路层同样对待。比如，一个p 包穿越一个a t m 网络时将在发送端用户一网络接口( u s e r - - n e t w o r k i n t e f f a e e ，u n i ) 被分割成多个信元而在目的端u 虮重组成为i p 包。 a t m 设备制造商承认a t m 开销对带宽而言有小小的损失通常称为“信元 税( e e l l t a x ) ”，不过这种“信元税”是有价值的。相对p a c k e to v e rs o n e t i s d h 来讲下 面的一些优点是a t mo v g rs d h 所独有的【4 9 】。 ( 1 ) 有保证的服务质量：与传统网络业务不同，像会话的语音、视频会议及 实时多媒体这样的实时数据流要求低于o 2 秒的端到端延迟( 包含工作站及服务器 的处理时间) 以及对可能出现的抖动( 延迟变化率) 的控制。视频数据流对于抖动特 别敏感，这是因为收发时钟必须严格同步才能避免接收缓冲区的溢出。音频数据 流也对抖动非常敏感，因为用户无法容忍“时断时续 的通话质量。因为音频与 视频数据最终被不同的解码器来处理而且解码器处理抖动的方式不同，数据流将 因为抖动的存在而迅速失去同步。a t m 的一个显著优点就是可以保证在传输视频 数据流时不会产生抖动的图像或在传输声音图像时失去同步。实际上电话或电视 会议传输过程中大于0 2 秒的延迟就会让使用者感到不可忍受。a t m 网络可以提 第6 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 供有保证的服务质量的连接，从而解决抖动及延迟等问题。 ( 2 ) 集成化的服务( i n t e g r a t e d s e r v i c e s ) ：在目前的实际应用中，相互独立的网 络被用来承载语音、数据及视频信息，这是因为每一种数据流的特点不同。但是 采用a t m 就不会再出现这种情况了。将视频、音频及数据等分离的网络集成到 a t m 平台之上，形成一个单一的多服务的网络可以降低成本及复杂程度。a t m 不 仅能提供不同数据流合并为同一网络所必须的骨干带宽，有保证的服务质量，而 且通过总体网络管理机制可以提高网络性能。公共服务提供商还可以获得更快的 网络建设速度。 ( 3 ) 虚拟网络( v i r t u a l n e t w o r k s ) ：网络环境中用户的移动、增加、改变会占用 很多的管理费用。有些需要重新布线，有些需要对网络设备参数重新配置。a t m 所提供的虚拟网络使得用户的物理结构与逻辑结构完全独立开来。网络管理员可 以动态配置虚拟工作组，方便地增加、删除、移动用户而不用改变网络物理结构， 而用户的逻辑关系不变。 许多专家相信业界的趋势将是a t mo v e rs o n e t s d h ，而且这一趋势已经逐 步演变成为现实。a r mo v e rs o n e t s d h 技术的发展使得s d h 帧中承载a t m 信 元数据量增加。如何从s d h 帧中提取a t m 信元，并对信元进行解析在s d h 数据 检测中十分关键。 1 3 研究现状与方案 1 3 1 国内外研究现状及发展趋势 由于本课题是为国家的信息安全提供技术研究，并直接涉及到了互联网信息 安全这一敏感话题，所以相应的国内外在类似方面的研究都不可能公诸于世。但 对a t mo v e rs d h ，i po v e ra t m 以及有关a t m 测试分析技术的跟踪可以看到本 课题的相关研究在国内外的进展状况及发展趋势。 国内已研制成功了a t m 网络分析仪n a 3 3 0 0 。n a 3 3 0 0 专家系统能够综合 a t m 、w a n 、l a n 的协议分析功能，进行b e r t ( 误码率测试) 、激励和响应测量 及统计分析，使用户能够查看物理层、a t m 层和更高层协议。可以测试物理错误、 设备互操作性、a t m 信元拥塞和l a n 流量问题。网络核心指标显示的值以表格 形式给出，并从开始测试时进行累加，除了瞬时利用率之外，它还以图形的形式 表示，以便快速观察网络的整体利用率。网络核心指标提供了线路端和设备端数 据，包括以百分比表示的平均利用率、瞬时利用率、总信元数、空闲信元数、忙 信元数、包头0 e c ) 差错、编码违限和帧匹配差错等统计指标1 5 0 1 。由n a 3 3 0 0 的功 能简介我们可以清楚的看到其侧重点是在于测试a t m 网络的性能，而对a t m 网 第7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 络所承载的业务分析较为薄弱，而且测试的对象为a t m 网络，而不是s d h 网络。 在国外，很多数据运营公司在网络厂家的技术支持下，也都展开了相关产品 的研发。例如，美国理想工业公司的v i c t o r i as t m 一1 6 测试仪能实时测试s d h 网 络上的各种业务，包括a t m 信元上承载的业务。对其中的a t m 选项：符合i t u t g 8 2 8 与g 8 2 9 标准；v i c t o r i as t m 1 6 o c - 4 8p l u s 是独立模块，包含了符合u m t s 网络要求的a t m 能力；a t m 流量生成与分析；q o s 验证；o a m 流量：虬让0 ，丸让1 ， a a l 2 ，丸地3 4 ，a a j l 5 ；t c p u d p i p 交通分析1 5 1 】。意法半导体( s t ) 推出内嵌 i p a t m 信元处理器的a d s l 2 + 中心局芯片组，专门用于p 包和a t m 信元的处理 分析。国外的测试仪功能比较全面，但由于其基于的是一个独立的测试装置，在 测试网络化的前提下有一定的不足。 同时，i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，国际电信联盟) 在i t u t g 7 0 7 也详细介绍了a t m 信元映射进入s d h 帧中的有关规范，并针对a t m 信元 本身提出了：a t m 功能特征( i t u ti 1 5 0 ) 、a t m 层描述o t u t1 3 6 1 ) 、a t m 适配 层描述( i t u - t1 3 6 3 ) 等建议。删论坛在a t m 信令、a t m 测试、帧结构用户网 络接口方面做了比较完善的规范。i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i n t e r a c t 工程任务组) 专门有一个a t m 上的p 工作组，负责开发在a t m 子网上选择路由 并转发的口分组标准，实现a t m 和传统d 的结合。 因特网的迅速发展，越来越多高速信号如2 5 g 的p o s 、删以及4 5 mi p 等 已经成为主要信源。a t m 技术的发展与其同s d h 网络的结合，必将为下一代b - - i s d n 发展的趋势。计算机强大的数据处理功能和互联功能，使其在高速s d h 数据a t m 信元提取与分析技术中有广阔的应用前景。基于计算机服务器的a t m 信元提取和解析技术也是未来s d h 数据中a t m 信元提取解析的主要趋势。 1 3 2s d h 帧数据的a t m 信元检测提取处理方案 根据目前国内外a t mo v e rs d h 方向的研究现状和发展趋势，在s d h 数据中 提取解析a t m 信元主要有两个方案。 第一种方案是基于f p g a 的a t m 信元提取解析。如国内的a t m 网络分析仪 n a 3 3 0 0 ，国外的v i c t o r i as t m 一1 6 测试仪等。它充分利用f p g a 芯片的强大处理 功能，实现s d h 网络上a t m 信元的提取和分析。该方案为s d h 网络上a t m 信 元处理仪器奠定理论基础。其实现的主要特点是仪器携带、操作方便。但随着s d h 网络上数据量的增大，a t m 信元的数据量也剧增，而且a t m 信元本身承载的业 务类型也十分复杂，其中包括固定速率信号业务( 如话路信号等) 和可变速率信号业 务( 如压缩语音信号，各种视频信号等) ，这使得基于f p g a 的a t m 信元提取解析 技术的发展得到限制。 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 另一种方案是基于计算机服务器的a t m 信元提取分析，充分利用计算机的数 字处理分析功能。对于s d h 网络上大量的数据进行处理分析，把处理结果在屏幕 显示并在后端存储。图1 6 为基于计算机服务器的a t m 信元提取分析方案图。由 于服务器具有强大的组网和处理网络数据的功能，因此基于计算机服务器的方案 便于组成a t m 信元的提取解析测控网，使得对a t m 信元可以更加实时的提取分 析。当然整个测控网的形成使得对a t m 信元承载的业务分析也会更加详细。 s d h 网络 上 光电转换模块 ii 已与r 服务器前端处理 li - 己。b r 计算机处理a t m 图1 6基于计算机服务器的a t m 信元提取分析框图 1 4 课题研究的主要内容 根据目前有关a t mo v e rs d h 的国内外研究现状及工程中的实际需求，本文 主要进行下面创新性研究工作： ( 1 ) 研究了a t mo v e rs d h 的相关技术，并在此基础上提出了a t m 信元提 取的算法基础，从而为a t m 信元检测技术提供技术支持。 ( 2 ) 对a t m 信元本身进行协议解析算法研究。由于a t m 信元其独特的固 定结构( 5 3 字节) 以及a t m 信元承载业务类型的多样性，使得其协议的解析算法也 相当复杂。通过对a t m 信元本身结构特点及承载业务的特点的深入研究，提出 a t m 信元类型识别算法、a t m 信元适配层解析算法、各适配层业务重组算法。 ( 3 ) 针对上面提出的a t m 信元提取算法以及a t m 信元本身的协议解析算 法，分别进行基于f p g a 实现和基于计算机服务器实现。 ( 4 ) 对两种实现方案进行实验数据分析，对算法的效能进行综合评价。 1 5 论文结构 论文共分六章，对a t m 信元提取算法、a t m 信元协议分析重组算法以及算 法的工程实现进行了详细阐述。 第9 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论主要介绍课题的研究背景意义，并简介了有关s d h 网络、a t m 等 相关知识，总结了国内外有关a t mo v b * ? rs d h 的相关技术以及课题研究的主要内 容。 第二章是深入研究a t mo v e rs d h 以及a t m 信元提取技术，并在此基础上提 出了基于h e c 的a t m 信元提取算法。本章还从理论和实验角度对算法进行分析， 以验证算法效能。 第三章介绍了a t m 信元本身的特点，并研究a t m 信元的协议解析算法。实 现了a t m 信元类型的识别提取、a t m 信元中各个适配层的识别算法以及各适配 层承载的业务提取算法。 第四章对第二、三章提出的算法，分别通过两个方案加以实现：基于f p g a 的算法实现和基于计算机服务器的算法实现。 第五章对两种实现方案的实验数据进行分析研究，得出两种方案的优缺点， 并分析整个算法的效能。 第六章为本文的总结与展望部分。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章a t m 信元检测提取算法 a t m 信元检测提取是s d h 帧数据中a t m 信元解析处理的前提。s d h 帧中 a t m 信元的准确检测提取为后续工作奠定了基础。本文在这部分介绍了a t m 、 s d h 的相关理论，并利用h e c 字段实现a t m 信元检测提取算法。最后给出了算 法仿真结果。 2 1a t m 信元映射到s d h 帧中的方式 由于研究的是s d h 光纤网络中的a t m 信元检测提取算法，因此必须对a t m 在s d h 帧中的映射方式有所了解。由于a t m 信元长度比较特殊，而且信元头的 定界也不采用固定标识，因此需要引入特殊的处理技术。 2 1 1a t m 信元的映射方法和需求 a t m 信元的映射是通过将每个信元的字节结构与所用虚容器字节结构( 包括 级联结构v c - n , v c - n ) ( ，屺1 ) 对齐的方式进行的【捌。由于c - n 、c n - x c 或c - n - x v 容量大小不一定是a t m 信元长度( 5 3 字节) 的整数倍，因此允许一个信元跨过c - n 、 c n - x c 或c n - x v 的边界进行映射。 为防止伪信元定界和信元信息字段重复s t m n 帧定位码，在将a t m 信元净 荷映射进入c - n 、c n - x c 或c n - x v 前应先进行扰码处理。在相反过程中，当c n 、 c n - x c 或c - n x v 信号终结后也应对a t m 信元的净荷进行解扰处理后再传送给 a t m 层。扰码器采用生成多项式为x 7 + 1 的自同步扰码器【4 0 。扰码器只在信元信 息字段期间才工作，信头期间扰码器停止工作，其状态维持不变。 a t m 映射进入虚容器后即可随其在网络中传送，当虚容器终结时，信元也得 到恢复。如何实现虚容器中的a t m 信元恢复是本章论述的中心。 a t m 信头的最后一个八位组是h e c ，其值是信头中前4 个八位组乘8 再模2 除生成多项式g o ) = 1 + x + x 2 + x 8 所得的余数。通过h e c 所保护的信头和h e c 之 间的这种相关性，可以实现信元定界功能。为改善h e c 信元定界的性能，把上述 所得余数再加上一个固定比特图样“0 1 0 1 0 1 0 1 ( 即为0 x 5 5 ) ( 4 0 j 2 1 2 a t m 信元映射规范 2 1 2 1a t m 信元映射进入v c 3 v c - 4 的规范 把a t m 信元流装入c 3 c - 4 只需将a t m 信元字节的界首与c 3 c - 4 的界首 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 定位，然后加入相应的v c 3 4 的p o h ( 通道开销) ，构成v c 3 4 即可。图2 1 给出 了a t m 信元装入v c 一3 4 的示意图。v c - 3 4 的容量( 7 5 6 2 3 4 0 字节) 不能被a t m 信 元长度整除，因此信元界首距c 3 4 界首的偏移只能通过h e c 信元定界法来完成。 另外，信元在c 3 4 边界上的跨界也是允许的。 图2 1a t m 信元映射装入v c 3 4 的示意图 2 1 2 2a t m 信元映射进入v c 1 2 的规范 d d a t a v 5 、j 2 、n 2 、k 4 为 v c 1 2 的开销字节 5 0 0 t l $ 图2 2 a t m 信元映射进入v c 1 2 的示意图 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 浮动t u 模式中，v c 1 2 由4 个连续帧构成一个复帧。速率为2 1 7 6 m b i t s 的 a t m 信元流映射进入v c 1 2 的过程如图2 2 所示。a t m 信元装入v c 1 2 净荷， 仅需将信元边界与任何v c 1 2 的字节边界对准即可。