（通信与信息系统专业论文）基于atm的无源光接入网的mac协议研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：醢盈日期：型! ：2 ：i 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ， 论文作者签名：醴蠹导师签名：釜兰! 日期：坦2 ：坠型 山东大学硕士学位论文 中文摘要 基于a t m 的无源光网络( a p o n ) 结合了无源光网络和a t m 的特点，不仅可以利用光纤 的巨大带宽提供宽带服务，也可以利用a t m 进行高效的业务带宽管理，是一种较为经济的 宽带接入舸决方案。 按照g 9 8 3 要求，a p o n 的上行业务接入采用时分复用( t d m ) 方式，因此a p o n 系统 需要采用媒质接入控制( m a c ) 协议来消除不同用户发送信元之间的碰撞，并且该m a c 协 议应该具有透明性、高效性和公平性等特点一个好的m a c 协议对于提高用户接入效率和 业务接入质量有着十分重要的意义。g 9 8 3 建议没有给出m a c 协议的具体实现方法，只给 出了一些较为宽松灵活的要求。 本文针对基于a t m 的无源光网络提出了一种基于帧、分优先级的媒体接入控制( m a c ) 协议，通过请求许可机制实现对上行数据传输的控制。 本文的m a c 协议设计主要涉及优先级的划分、可分割时隙设计、上报策略设计和许 可分配算法设计。该协议采用了i t u - t 的g 9 8 3 规定的a p o n 的帧格式。对可分割时隙的 设计符合6 9 8 3 要求。该协议将a t m 论坛定义的五种业务类型( c b r 、r t v b r 、n r t v b r 、 a b r 、u b r ) 根据业务对时延和时延变化的不同要求分为4 个优先级：c b r 业务主要是用来 传送实时业务，对时延抖动特别敏感，将其设为第一优先级；v b r 业务对时延和抖动要求 稍低，但对时延仍有一定的要求，将其设为第二优先级：a b r 业务利用网络的剩余带宽进 行数据传输，它对时延没有严格要求，但它要求有较小的信元丢失率，并要求提供一个最 低限度的带宽保证，将其设为第三优先级；u b r 业务设为第四优先级。本文在设计上报策 略和许可分配算法时，充分考虑到不同业务的特点，针对不同优先级业务设计了不同的上 报策略和许可分配算法，从而保证各个优先级不同的o o s 要求。在文章境后，对本文所设 计的m a c 协议进行了性能仿真，并对其健壮性进行了分析。并给出了硬件实现框图。 关键词：a t m 无源光网络( a p o n ) ；媒体接入控制( 姒c ) ；许可分配算法 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a t mb a s e dp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k ( a p o n ) h a sm a n ya d v a n t a g e sw h i c ha r eb r o u g h tb y t h ec o m b i n a t i o no fa t ma n dp o n i tc a nu t i l i z et h eb r o a db a n do ft h eo p t i e a ln e t w o r kt o p r o v i d ev a r i o u ss e r v i c e s ，a n dc a na l s op r o v i d eb a n d w i d t hm a n a g e m e n tw i t ht h eh e l po fa t m i th a sb e e np r o v e dt ob ea ne c o n o m i c a la c c e s sn e t w o r k t i m ed i v i d e dm u l t i p l e x i n gm e t h o di su s e di nt h eu p s t r e a mt r a f f i co fa p o na c c o r d i n gt o i t u tr e c o m m e n d a t i o ng 9 8 3 f o rt h ea p o ns y s t e m ，ap a r t i c u l a rm e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) m e c h a n i s mi sn e e d e df o ru p s t r e a mt l 怕ct oa v o i de e l lc o l l i s i o n t h em a cp m t u c o lh a st o s u p p o r td i f f e r e n ts e r v i c ec l a s s e s , a n dh a st oa l l o c a t eb a n d w i d t hf a i r l ya n de f f i c i e n t l ya n dt r e a t u s e r sf a i r l y ag o o dm a cp r o t o c o li so fg r e a ti m p o r t a n c ef o ri m p r o v i n ga c c e s se f f i c i e n c ya n d q u a l i t yg 9 9 3h a sn o tg i v e nt h er e a l i z a t i o no fm a cp r o t o c o io fa p o ni tj u a tp r o v i d e ss o m e f l e x i b l er u l e sf o rm a cp r o t o c o ld e s i g n t h i sp a p a rp r o p o s e san o v e lm a cs c h e m eo v e ra p o n t h ep r o p o s e ds c h e m ei sb a s e do n f r a m ea n du s e st h er e q u e s t p e r m i tm e c h a n i s mt oi m p l e m e n tt h ec o n t r o lo f t h eu p s t r e a mt r a f f i c i nt h i sp a p e r , t h em a cs c h e m ed e s i g nm a i n l yi n c l u d e st h ed e s i g no f p r o r i f i e sa s s i g n m e n t ， t h ed i v i d e ds l o tf o r m a t ，t h em e t h o do ft a k i n gc e l la r r i v i n gi n f o r m a t i o nt oo l ta n dt h ep e r m i t a l l o c a t i o na l g o r i t h m t h ep r o p o s e ds c h e m ef o l l o w st h ef r d m ef o r m a to fg 9 8 3a n dp r o v i d e s a t ms e r v i c ec l a s s e ss u c ha sc b r ，n - v b r ，r l r i v b r ，a b ra n du b r i td i v i d e st h e s es e r v i c e s i n t of o u rp r i o r i t i e sa c c o r d m gt ot h c i rs e n s i t i v i t yt ot i m ed e l a ya n dc e l ld e l a yv a r i a t i o n ( c d v ) c b ri sa l w a y su s e dt ot r a n s f o rr e a lt i m es e r v i c e sa n di ti ss e n s i t i v et ot i m ed e l a ya n dc d v ，s o i ti sa s s i g n e dt h ef i r s tp r i o r i t y v b ri sm u c hl e s ss e n s i t i v et ot i m ed e l a ya n dc d vt h a nc b r ， b u t hs t i l l h a s l i m i to n d a m ，t h e n i t i sg h e n t h es e c o n d p r i o r i t y a b r t h a t m a k e s f u l l u s eo f t h e r e m a i n i n gb a n d w i d t ht ot r a n s f e rd a t ai sn o ts e i l s i t i v et ot i m ed e l a y , i ti sa s s i g n e dt h et m r d p r i o r i t y , u b ri st h ef o u rp r i o r i t y i na d d i t i o n ，a b rr e q u i r e sl o w c e l ll o s sr a t ea n di t sm i n i m u m c e l lr a t e ( m c r ) s h o u l db es a t i s f i e d e a c hp r i o r i t yh a si t so w np e r m i ta l l o c a t i o na l g o r i t h mi n o r d e rt oe u s u r et h ed i f f e r e n tq o sr e q u e s t s 1 t h e l a s t p a r to f t h i s p a p e rs i m u l a t i o n i sg i v e n t os h o w t h ep e r f o r m a n c eo f t h e p r o p o s e s c h e m ei nt h et e r m so ft i m ed e l a ya n dc d vi t sp e f f o m m c ea n dm b u s ta r ea n a l y z e a i n a d d i t i o n ，ig i v et h es c e n a r i oo f u s i n gt h eh a r d w a r et oi m p l e m e n tt h ep r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：a t mb a s e dp a s s i v eo 州c a ln e t w o r k ( a p o n ) ，m e d i aa c c e s sc o u l = i o i ( m a c ) ， p e r m i ta l l o c a t i o na l g o r i t h m 2 山东大学硕士学位论文 a a l a i f a n a p o n a t m a s i c a b r b e r b - i s d n c b r c d m a c d v c l r c n c p n c r c c t d d s l e o f c f s f d m f i f o f p g a f s a n f t t b f r t c f t t c a b 符号说明 a t m a d a p t a t i o nl a y e r a r r i v i n g i n f o r m a t i o nf i e l d a c c e s sn e t w o r k a t mo v e rp a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k a s y n c h r o n o u s t r a n s f e rm o d e a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t a v a i l a b l eb i tr a t e b i te r r o rr a t i o b r o a d b a n di s d n c o n s t a n tb i tr a t e c o d ed i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s c e l ld e l a yv a r i a t i o n c e l o s sr a t i o c o r en e t w o r k c u s t o m e rp r e m i s e sn e t w o r k c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k c e l lt r a n s f e r d e l a y d 追i t a ls u b s c r i b e rl o o p e l e c t r i c a i o p t i c a l f i r s tc o m ef i r s ts e r v e r f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e f i r s ti nf i r s to u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y f u l is e r v i c ea c e e s sn e t w o r k f i b e rt ot h e b u i l d i n g f i b e rt ot h ec u r b f i b e rt ot h ec a b i n e t a t m 适配层 抵达信息域 接入网 a t m 无源光网络 异步传输模式 专用集成电路 可用比特率 比特差错率 宽带i s d n 恒定比特率 码分多址 信元延时变化 信元丢失率 核心网 用户驻地网 循环冗余校验 信元传输延时 数字用户环路 电光转换 先来先服务 频分复用 先进先出 现场可编程门阵列 全业务接入网 光纤到楼 光纤到路边 光纤到交接箱 山东大学硕士学位论文 f t t hf i b e rt ot h eh o m e光纤到家 h f c h y b r i df i b e r c o a x 混合光纤同轴网 h e ch e a d e re r r o rc o n t r o l信头差错控制 i s d n i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a l n e t w o r k 综合业务数字网 i t ui n t e r n a t i o n a lt e l ec o m m u n i c a t i o nu n i o n 国际电信联盟 i pi n t e r n e t p r o t o c o l因特网协泌 l a nl o c a la r e an e t w o r k 局域网 m a cm e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制 m c rm i n i m u mc e l lr a t e 最小信元速率 n r zn o nr e t u r nz e r o 不归零 n tn e t w o r kt e r m i n a l 网络终端 o e o p t i c a l e l e c t r i c a l光电转换 o a m o p e r a t i o n sa d m i n i s t r a t i o n m a i n t e n a n c e 操作、管理、维护 o a n o p t i c a la c c e s sn e t w o r k光接入网 o d n o p t i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k光分配网 o l t o p t i c a l l i n et e r m i n a l 光线路终端 o n u o p t i c a ln e t w o r k u n i t 光网络单元 p d sp a s s i v ed o u b l es t a r s 无源双星型 p l o a m p h y s i c a ll a y e r o a m物理层( ) a m p d ap e r m i td i s t r i b u t i o na l g o r i t h m 许可分配算法 p d m a p o l a r i t yd i v i s i o nm u h i p l e a c c e s s极分多址 p o np a s s i v e o p t i c a l n e t w o r k无源光网络 p d hp l e s i o c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y准同步数字序列 p s t np u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k 公共交换电话网 q o sq u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 r a u r e q u e s t a c c e s su n i t请求接入单元 r m sr o o tm e a n s q u a r e均方根值 s a a l s l i n ga t ma d a p t a t i o nl a y e r信令a t m 适配层 s c ms u b - c a r r i e r m u l t i p l e x i n g副载波复用 s c m as u b c a r t i e rm u l t i p l e x i n ga c c e s s副载波多址接入 4 山东大学硕士学位论文 s d h s n i s s i t c t d m t d m a t m n u b r u n i u p c v b r v c v c c v p v o d w d m 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 s e r v i c en e t w o r ki n t e r f a e e s w i t c hs y s t e mi n t e r f a c e t r a n s m i s s i o n c o n v e r g e n c e t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n g a c c e s s r e l ec o m m u n i c a t i o n m a n a g e m e n t n e t w o r k u n s p e c i f i e d b i tr a t e u s e rn e t w o r ki n t e r f a c e u s a g e p a r a m e t e rc o n t r o l v a r i a b l eb i tr a t e v i r t u a lc h a n n e l v i r t u a lc h a n n e lc o n n e c t i o n v i r t u a lp a t h v i d e oo nd e m a n d w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 5 同步数字序列 服务网络接口 交换系统接口 传输汇聚子层 时分复用 时分多址 电信管理网 未标明比特率 用户网络接口 用法参数控制 可变比特率 虚通道 虚通道连接 虚路径 视频点播 波分复用 山东大学硕士学位论文 第一章引言 通常，电信网可分为三部分：核心网、接入网和用户驻地网。目前主干网基本上已 经实现了光纤化、数字化和宽带化，而处于网络边缘的用户接入网却一直发展缓慢、技 术落后，带宽很窄，成为发展宽带综合业务数据网( b - i s d n ) 的障碍和制约全阏宽带化的 瓶颈。电信网的“最后一公里”用户接入网的数字化和宽带化是迫在眉睫的事。摆 在电信运营者面前的是建立一个宽带化、数字化的接入网。 在光纤接入手段没有得到广泛应用的环境下，基于铜线的接入技术发展迅速，并有 了相当的应用。比如说x d s l 技术( 包括h d s l 、a d s l 、v d s l ) ，利用了原来的铜质双绞线， 以其成本低、技术成熟、接入速率高等优点占有了相当的市场。 和铜线比起来，光纤具有频带宽、传输距离远，传输质量好的特点，所以是接入网 传输媒介的首选。以太网就是采用光纤到楼、五类双绞线入户而成为中国宽带接入模式 的后起之秀，由于它充分利用了中国人口居住比较密集的特点，可以将入户成本控制得 很低，从而在各个居住小区、写字楼普及得十分迅速，但服务质量不高。 为了解决小商业用户和居民用户的业务接入问题，同时考虑到用户对宽带业务需求 的不确定性，光纤接入网的建设方案必须支持用户对网络资源设备的共享、支持多种比 特率业务、对业务透明并能实现平滑升级。正是基于这些考虑，由1 3 家电信运营商和设 备生产商于1 9 9 6 年成立了全业务接入网( f s a n ) 小组，把f t t x ( x ：c u r b ，b u i l d i n g ， c a b i n e t ，o f f i c e ，h o m e ) 确定为接入网发展的策略。 无源光网络( p o n ) 是共享光纤介质的网络，采用无源光分支器的光纤分配网( o d n ) ， 在光纤接入手段中不仅相对成本低( 共享介质) 、可靠性高( 分配结点无需机房和供电) ， 它的技术优势还在于，纯介质网络对复用技术和波长的透明性有利二f 今后业务增加和技 术发展，并且可以平滑升级，因而是未来的发展方向。 基于a t m 的宽带无源接入网( a v o n ) 具有a t m 的统计复用特性和多业务多比特率支 持能力，能很好地支持多业务接入，并且每个用户可使用的带宽可以根据协议灵活划分， 实现共享。因此是实现p o n 的最佳方案之一。 基于a t m 的无源光网络( a p o n ) 是在g 9 8 3 建议中，提出了a p o n 系统采用无源双 星型( p d s ) 拓扑结构，并建议下行业务采用时分复用( t 删) 以广播方式传送给用户，上 行采用时分多址方式( t d m a ) 把用户业务接入到光线路终端( o l ”，实现用户对资源设备 的共享。在这种点到多点的拓扑结构中，两络中所有用户通过一个公共信道或媒体访问 网络，为防止不同用户发出的信号发生碰撞，需要有媒体接入控制( m a c ) 协议来控制用 户接入。在无源光网络的点到多点拓扑结构中，m a c 协议的选择将会直接影响到网络的 公平性、高效性和硬件设施的复杂性( 经济性) 等诸多因素，所以无源光接入网的m a c 6 山东大学硕士学位论文 协议的设计就成为光接入网技术的重要研究内容之一。 a p o n 作为接入网技术，并期待成为同一的接入平台，面对的业务流是多种多样的， 除了数据业务外，还有传统的语音、视频等实时业务，这样对m a c 协议的设计增加亍难 度，而且在i t u t 标准中没有对m a c 协议给出详细的标准。近年来，国内外的许多专 家、学者相继提出了若干诸如b t - a p o n 、g l o b a l f i f o 等关于无源光接入网的接入控制 协议。在这些协议中，具有代表性的是由j o h n da n g e l o p o u l o s 等人提出的b p pm a c 协议和分优先级的m a c 协议。分优先级的m a c 协议本身就是对b p pm a c 协议的一种改 进，虽然此协议对时延较敏感的业务的接入有较好的性能，但仍然有一定的缺陷。 本论文在研究和分析基于a t m 的无源光网络( a p o n ) b p pm a c 协议和分优先级的m a c 协议的基础上，提出了一种新的m a c 协议，并对其进行了性能分析和仿真，可以看出本 协议具有带宽利用率高、低传输时延、低传输时延变化、无碰撞公平和高效性等特点。 在接入网中，据时延优先级和信元丢失优先级将业务在a t m 层分为：c b r 、r t v b r 、 n r t v b r 、a b r 和u b r 等5 种业务。本协议将这5 种接入业务分成4 个接入优先级，其划 分方法与j o h nd 的分优先级的方法相同。即最高优先级用于对时延和抖动敏感的固定 比特率( c b r ) 业务：次优先级用于对时延要求较低的c b r 业务和对抖动要求较低的可变比 特率( v b r ) 业务，第三优先级用于时延要求较低、突发度较高的可用比特率( a b r ) 业；最 低优先级用于未标明比特率( u b r ) 业务，它们对时延不敏感。 论文设计的协议和j o h nd 的协议的主要区别为：协议在较低优先级的a b r 业务 中保证其最小信元速率( m c r ，m i n i m u m c e l lr a t e ) 和较低的信元丢失率( c l r ，c e l ll o s s r a t e ) 。也就是说。应该控制a b r 业务的接入数量，给a b r 业务一个固定窗口，保证在 c b r v b r 业务过载情况下，a b r 业务的性能要求。对于最高优先级的c b r 业务应尽可 能多地把信元到达的排队信息报告给o l t ，不光是信元的数目，还有信元到达的时间间 隔和信元分布，在进行带宽分配时，尽可能的满足先到达的信元能够先被服务( f c f s ) ， 这样可以进一步提高c b r 业务对实时性的要求。 论文还给出了计算机仿真结果，可以看出本协议完全符合i t u - t 对a p o n 的要求，并 具有良好的性能。最后，给出了实现本协议的硬件设计方案。 7 山东大学硕士学位论文 第二章相关技术理论介绍 在介绍基于a t m 的无源光接入网( a p o n ) 之前，有必要对系统所采用的技术以及相关 理论进行简要介绍。本章将就异步传递模式( a t m ) 、用户接入网( a n ) 和无源光网络( p o n ) 等技术进行简单说明和分析。 第一节a t m 交换技术 a t m 是a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( 异步传递模式) 的简称，是一种新型的分组传 输与交换技术。由于它综合了电路交换的实时性和分组交换的灵活性，能够适应于不同 速率、不同突发度的实时和非实时业务的要求，可以实现多种业务在同一个网络中传输 和交换，并能保证质量。c c i t t 早在1 9 8 8 年就把它推荐为b - i s d n 的信息传送方式，定 义为“一门基于非信道化的高速数字链路交换技术”。 2 1 1a t m 基本原理 a t m 将发送的用户信息分割成一个个具有固定长度( 5 3 个字节) 的所谓信元( c e l l ) ， 然后再经网络传递到对方。接收端对信元的识别不再靠严格的参考定时，而是靠信元中 的信头( 5 个字节) 的标记信息域来识别究竟该信元属于哪一个连接。一系列具有同样标记 值的信元构成一个所谓的虚通路( v p ) ，因而只要标记值一样，无论发送次序如何都不会 影响正确地恢复发送端的信息。 在发送端，各种业务信息都被拆成一个个等长的信元。当在同一地点的各种信息要一 起发送时。可进行统计时分复用，使信元动态占用传输信道，因此成为异步。在接收端， 将属于同一业务的信元组装起来，恢复发送端码流。用户信息置于信元中的信息字段( 4 8 个字节) 。而信息字段是透明地穿过a t m 网络不变化。 2 1 2a t m 信元的组成： a t m 传送信息的载体是a t m 信元，a t m 信元和分组交换中的分组类似，但又有自己的 特点。a t m 信元是定长的，而且信元的长度较小( 只有5 3 个字节) ，信头的功能也非常简 单，a t m 信元和信头的构成如图2 - 1 所示。 a t m 信头内容在用户网络接口( u n i ) 和网络接点接口( n n i ) 中略有差别。主要有以下 几个部分构成： 山东大学硕士学位论文 ( a ) a t i 言元 比特87654 321 字节 c b ) 信头结构 ( c ) 信头结构 图2 - 1a t m 信元和信头的构成 v p i ：虚通道标识，n n i 中为1 2 b i t s ，u n i 中为8 b i t s ； v c i ：虚通路标识，1 6 b i t s ，标识虚通道内的虚通路，v p i v c i 一起标识一个虚连 接； h e c ：信头差错控制，8 b i t s ，校验a t m 信头，可纠正信头中i b i t 的差错。h e c 的另 一个作用是进行信元定界，利用h e c 字段和它之前的4 个字节的相关性可识别出信头位 置： p t ：负荷类型指示，3 b i t s ； c l p ：信元丢失优先级，i b i t ，用于阻塞控制： g f c ：一般流量控制，4 b i t s ，只用于u n i 接口。 a t m 信元的信头功能比分组交换中分组头的功能大大简化了，如不再进行逐段链路的 检错和纠错，由于链路质量的提高，端到端的差错控制只在需要时才由终端处理，h e c 只 负责信头的差错控制。另外，信头只用v p i v c i 标识一个连接，而无需原地址、目的地 址和包序号，信元顺序也有各网元保证。 2 1 3a t m 网络体系结构 a t m 的协议模型中包括了3 个平面( 如图2 2 所示) ：用户平面用来传递用户信息；控 制平面用于控制信令信息；管理平面用来维护网络和执行操作功能。此外还有一个管理 平面，主要负责不同平面的管理。 关于a t m 的技术标准，主要涉及a t m 用户层、a t m 适配层( 从l ) 、a t m 层和物理层。 a t m 用户层的功能主要是支持各种用户服务，如恒定比特率( c b r ) 的面向连接服务，可变 比特率( v b r ) 的面向无连接服务以及用户或厂家自定义的用户服务等。 9 山东大学硕士学位论文 固2 2a t m 体系结构圉 a a l 层的主要功能是适配来自用户层的信息，以形成a t m 网络可以利用的格式，即 把用户信息变成信元格式或把信元变成用户所需的信息。 目前已定义了四类a a l 协议： a a l 一1 ：用于支持面向连接、不变速率和有端端时延要求的服务( c b r 业务) ， 主要是声音传送等。 a a l 一2 ：用于支持面向连接、可变速率和有端端时延要求的服务( v b r 业务) ， 主要是视频的传送等。 a a l 一3 4 ：用于支持面向连接、可变速率和无端一端时延要求的服务和面向无连 接、可变速率和无端一端时延要求的服务( a b r 业务) 。它是最初的数据适配技术，要对 每个信元的数据都进行循环冗余校验( c r c ) ，因而效率不高。 - ka a l - 5 ：用于支持面向连接、可变速率和无端端时延要求的服务或面向无连接、 可变速率和无端端时延要求的服务。它简化了数据适配，提供了更有限的功能( 取消 了信元c r c ) ，处理与带宽要求更低。也称为s e a l ( s i m p l ea n de f f i c i e n ta d a p t a t i o n l a y e r ，简单和有效适配层) 。 a t m 层的功能是构造和校验信元头部，构造并组成完整的信元；利用信元头部进行信 元源的路由选择、多路传送和多路分解等操作。a t m 层协议的操作对象是信元头部。 物理层的主要功能是负责信元编码并将信元编码交给物理介质。 2 1 4a i m 网络界面 一个a t m 网可以认为是一组终端系统和一组中间端点( 即交换系统节点) 的集合，所 有各种连接构成了a t m 的界面集合，a t m 标准定义了用于各节点( 终端系统和交换系统 的节点) 之间的界面连接协议，如图2 3 所示，图中列举了各种可能出现的a t m 网络界 面。 u n i ( 用户网络接口) ：定义了a i m 用户设备( 指带有a t m 网卡的终端、路由器、网 桥、服务器、工作站、集线器等终端系统) 和a t m 网络之间的接口。 s s i ( 交换系统内部接口) ：定义了在同一a t m 簇上的两个a t mh u b 之间的接口， 一个a t m 簇是一组由s s i 网络界面进行内部连接的a t mh u b 的集合，不需操作人员的干 预，s s i 也能完全支持诸如路由选择、节点的失败与恢复、备份及拓扑路由服务程序的管 0 山东大学硕士学位论文 理等网络功能。在任何两个a t mh u b 之间都可以定义多个s s i 联结。 n n i ( 网络系统接口) ：定义属于不同a 硎簇的两个a t mh u b 之问的接口，这两个 a t m 簇可以在同一子网，也可以在不同的子网上。对诸如路由、备份、拓扑变化等网络功 能的管理需要网络操作员的干预，在两个a t mh u b 之间只能定义一个n n i 联结。 圈 圜 国2 - 3a t m 网络界面 2 1 5 a t n 网络数据通信 当a a l 层收到从高层协议传来的数据后，从l 层将数据划分为4 8 字节的数据块，送 到a t m 层；a t m 层收到这些数据后。生成5 字节长的信元头，并构成完整的5 3 字节长的 信元，然后将其多路传输到相应的虚连接( 物理层) ；物理层将信元组成帧，然后将帧送 至物理介质进行传输，至目的端的物理层、a t m 层、从l 层，进行相反的操作，将数据送 目的端的网络高层。这就是数据通过a t m 网络发送和接收的过程。 2 1 6a t m 的特点 a t m 可以做成面向连接的网络，具有很高的通信服务质量( q o s ) 。它具有先前的许多 通信网络所不具备的优点： ( 1 ) a t m 网中不进行逐段链路的差错控制和流量控制 由于光纤线路的可靠性很高，没有必要逐段链路进行差错控制。此外，逐段链路的差 错控制和流量控制也增加了网络的复杂性。所以，a t m 网络采用端一一端的差错控制和流 量控制。 ( 2 ) a t m 以面向连接的方式工作 为了提高处理速度a t l ；i 以面向连接的方式工作，通信开始时，先建立虚连接，包括虚 通路( v c ) 和虚通道( v p ) 。用户将虚连接的标识写入信头v c i v p i 中，网络根据虚连接标 识将信息送往目的端。 ( 3 ) 简化信头功能 与x 2 5 分组头相比，a t m 信头功能被简化了，使信头处理速度得以提高、从而使信 元的排队时延大大降低。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) a t m 采用固定长度的信元，信息域的长度较小 长度小而固定的信元，使网络传输和交换速度快，从而减小交换节点内部缓冲区的 容量，使信元的排队时延和时延抖动降低。所以，a t m 可以很好的应用于语音、活动图象 等实时性业务。 ( 5 ) 透明的网络传输方式 a t m 除了o a m ( 操作、管理和维护) 信元、p m ( 性能监控) 信元、r m ( 资源管理) 信元等 特殊信元外，只关心5 3 个字节中的5 个信元头字节，而对4 8 个字节的净负荷内容不加 任何处理。 ( 6 ) 提供一个简化的网络结构 a t m 采用层次结构寻址机制( 本地连接标识符一网络层地址一站标识符) 代替了传 统网络中复杂的网络层地址和数据链路层相结合机制。使用任何网状拓扑结构，能区分 逻辑子网和物理子网。 因此，a t m 具有很高的灵活性，易适应多种业务的综合，具有很强的健壮性、伸缩性、 可管理性、容错性及应变能力。能高效、快速地进行传输和交换。 2 1 7a t m 面临的若干问题 a t m 阿世以来，以其灵活的带宽控制和保证q o s 的宽带应用，促进了a t m 网络的发展， 很多国家都建立了基于a t m 技术的宽带网络，虽然a t m 抓住了其发展的机遇，目前已有 良好的势头，但是作为一种新技术，a t m 还正处在发展阶段，很多问题仍然是有待解决的。 l 、统计复用带来的信元瞬时丢失 a t m 是面向连接的传输服务，允许接入的用户数大于按峰值速率分配的数。如果这 些信源一旦同时发出信息，必然是很多信元争用同一链路，导致的结果可能是大于交换 机队列存储容量的信元同时争夺该队列，使得部分信元在统计复用时丢失。如何将信元 的丢失限制到最小，如何解决在突变的速率峰值区正确地处理交换，如何减少队列长度 及延迟都是有待研究的问题。 2 、多目标控制增加了系统的复杂性 宽带网络覆盖业务的范围十分广泛，允许接入的业务有不同形式。可是每一种媒体都 有不同的服务质量要求。宽带网络必须支持多速率交换和多点交换，因而这是一个兼顾 各种业务要求，多目标的控制问题，与传统的单一目标控制网相比要复杂的多。如何使 这种复杂问题简单化还需要一定的努力。 3 、a t m 网络的路由选择问题 由于a t m 网中传输的信息种类繁多，有目前在电话网中传输的数据，有大量的静态、 动态图像信息等多媒体信息，这就决定了不能直接采用电信网或计算机网中的路由选择 方法。因此，a t m 网中的路由选择问题也有待于进一步研究解决。 4 、用户接口的简化问题 山东大学硕士学位论文 a t m 技术把物理层以上大部分协议所执行的功能都移到端设备中去完成，仅保留信 元的概念以简化交换节点的处理，提高传输能力。应该注意的是，这里的端设备绝不能 是端用户的设备，只能是a t m 网的端设备。也就是说，不能把从交换节点移走的功能推 给用户来完成。a t m 网的管理者，即服务的提供者应当在a t m 网的入口处设置专门的访问 设备来完成这些功能，由此来掩盖a t m 技术的复杂性，向用户提供熟悉的较为简单的接 口。 5 、i p 对a t m 的挑战 以i p 技术为核心的i n t e r n e t 网络的超常发展使i n t e r n e t 无处不在。对i p 协议来 说，低层是透明的，它对低层协议没有特定的要求，可以与任何低层协议同运行，i p 数 据包既可以在以太网上运行，也可以在a t m 网上运行，而且i p 坍议和以太网协议的亲和 性要好得多，因为它们都是无连接的协议，而i p 数据包要通过a t m 网就会麻烦得多。此 外从i p 协议角度来看，a t m 只不过是众多广域网( w a n ) 传输技术中的一种，目前它可能是 性能最好的，但并不排除将来出来性能更佳的、与i p 技术更容易结合的w a n 传输技术。 因此，作为目前被电信界如此看好的a t m 技术，如不能正视自身的不足并尽快加以 解决，就不能很好地发挥其固有的优势，甚至有可能丢失其在通信领域的一席之地。 第二节接入网( a n ) 技术 2 2 1基本概念、定界及协议参考模型 用户接入网是为适应当今通信业务需要，由i t u l 提出并得到迅速发展的新型用户 网。用户接入网( a n ：a c c e s sn e t w o r k ，简称“接入网”) 是泛指用户网络接口( u n i ) 与业 务接口( s n i ) 间实现传送承载功能的实体网络( 诸如线路设施和传输设施) ，是从本地交换 机到用户终端之间的实施系统，要连接的相关设备包括交换机和用户终端设备，可经由 q 3 接口进行配置和管理。 接入网是整个电信网的重要组成部分( 如图2 - 4 所示) ，连接核心网和用户驻地网，其 目标是建立一种标准化的接口方式，以一个可监控的接入网络，使用户能够获得话音、 租用线业务、数据多媒体、有线电视等综合业务。 u 毗：用户网培接口 c p l l 用户驻地网 s i f i ：业务节点接口 国2 4 电信f 目扮组成示意固 接入网是由网络侧的v 或z 参考点与用户侧t 或z 参考点之间的所有机线设备构成， 其定界如图2 5 所示。 山东大学硕士学位论文 接入网所覆盖的范围由三个接口定界。网络侧经由业务节点接口( s n i ) 与业务节点 ( s n ) 相连。业务节点可以是p s t n i s d n 交换机，也可以是租用线业务节点、路由器或特 定配置情况下的点播电视和广播电视业务节点等。业务接点接口是连接接入网和业务结 点的开放接口，包括目前广泛应用的与窄带交换设备相连的v 5 接口，还有v b 5 接口、高 速以太网接口及其他开放接口。用户侧经由用户网络接口( u n i ) 与用户终端设备( t e ) 或用 户驻地网( c p n ) 相连。用户网络接口可以是z 接口、i s d n 接口、a t m 接口，也可以是以太 网