（通信与信息系统专业论文）atm技术及其反向技术（ima）研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕一l j 学位论义a t m 技术及其反向技术( i m a ) 研究摘要a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 异步传输模式，是国际电信联盟i t u t 为宽带综合业务数字网b i s d n 制定的模式。它综合了分组交换方式统计占用频带、使用灵活和电路交换方式传输时延小的特点，力图用一个单一的，通用的交换结构来有效的处理各种类型的业务和多媒体应用，提高了网络的传输速率充分利用了网络的资源，并且让用户可以对服务的质量做出选择。由于a t m 具有灵活的带宽分配、完善的服务质量控制以及低时延、高安全等特性，使得a t m 在广域网有着广泛的应用。目前，基于a t m 技术的通信网和通信设备都十分的成熟，在我国和国际的通信领域a t m 技术占的比重很大，现在的光纤传输速率可以达到十兆、百兆在很大程度上倚仗a t m 技术的发展。a t m 的反向复用技术是一个新兴的课题，i m a ( i n v e r s em u l t i p l e x i n ga t m ) 采用了反向复用的工作机制，与传统的a t m 复用方式正好相反。在传统的复用方式中，多个低速的数据流被组合复用到一个单一的高速管道中，在管道的另一端该高速数据流又被解复用成多条原始的低速数据流。而i m a 技术是将多条链路组合成一个单一的逻辑信道，以实现将一个大的、单一的数据流分解在多个低速链路上传送；在接收端，这些被分解传送的数据流将重组成原始的数据流。一般方法是将多个e l t 1 类型的低速传输信道“捆绑 在一起，提供一个高速的逻辑传输信道来传输数据。它可以灵活的增加或减少带宽、减少传输风险并且可以充分的利用信道的带宽。此外a t m 反向复用技术( i m a ) 可以弥补传统的e l t 1 和e 3 t 3 传输信道之间的数据速率断层，为人们提供一种经济而灵活的数据传输方式。本文先讨论a t m 技术和a t m 反向复用技术( i m a ) 的基本原理及其优势，然后再通过v h d l 编程语言以及q u a r t u s2 仿真软件设计了一套具有i m a 功能的收发装置，同时还设计了一套可以对收发两端间传输信道进行监控的路由监控装置，均由可编程逻辑器件实现。若两套设备一同使用可以有效地分散、聚合数据并且可以根据传输信道的通断情况实时改变传输方式、避免数据的丢失同时发出告警。本文中设计的具有i m a 功能的收发装置可以将6 m b i t s 左右的数据在发送端进行分散传输并且在接收端进行汇聚哈尔滨理t 人学t 学硕，j j 学位论文接收，路由监控装置可以应对一条传输信道的断开故障。另外，本文中设计的芯片程序均可以自由的修改来适应不同的传输速率及不同数量的传输信道。这样用户便可以根据自己的实际需求自由、灵活的使用这套装置，有效的提高了信道的利用率。关键词a t m ；i m a 技术；v h d l ；传输信道监控哈尔滨理工人学t 学硕f 二学位论文s t u d yo na t mt e c h n o l o g ya n dt h ei n v e r s em u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g y ( i m a )a b s t r a c ti tc o m b i n e sa l lt h ee x c e l l e n c e so fo c c u p y i n gb a n ds t a t i s t i c a l l yb yg r o u ps w i t c h ，f l e x i b l ea n ds m a l lt i m ed e l a yb yc i r c u i ts w i t c h ，a n di tt r i e sh a r dt ou s e au n i q u ea n d g e n e r a ls w i t c hs t r u c t u r et od e a lw i t ha l lk i n d so fb u s i n e s sa n dm u l t i -m e d i aa p p l i c a t i o n t h i sm o d ei m p r o v e st h en e t w o r kt r a n s f e rr a t ea n du t i l i z e sn e t w o r kr e s o u r c ef u l l y , a n di ta l l o w sc u s t o m e r st oc h o o s et h es e r v i c eq u a l i t y i nv i r t u eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l e x i b l eb a n d w i d t ha s s i g n m e n t ，p e r f e c ts e r v i c eq u a l i t yc o n t r o l ，l o wt i m ed e l a ya n dh i g hs a f e t y , a t mh a sb r o a da p p l i c a t i o ni nt h ew i d ea r e an e t w o r k a tp r e s e n t ，t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sa n dc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t sb a s e do na t mt e c h n o l o g ya r ev e r ym a t u r e a t mt e c h n o l o g ya c c o u n t sf o ras u b s t a n t i a lp o r t i o ni nt h ei n t e m a la n di n t e r n a t i o n a lc o m m u n i c a t i o nf i e l d 。t h et r a n s m i s s i o nr a t ec a nr e a c ht ot e n so fm e g ab i t se v e nh u n d r e d so fm e g ab i t sm a i n l yd e p e n d so nt h ed e v e l o p m e n to ft h ea t mt e c h n o l o g y t h ea t mi n v e r s em u l t i p l e x i n gt e c h n o l o g yi sar i s i n gt a s k i m a ( i n v e r s em u l t i p l e x i n ga t m ) i n t r o d u c e st h ei n v e r s em u l t i p l e x i n go p e r a t i o nm e c h a n i s mw h i c hi sc o n t r a r yw i t ht h et r a d i t i o n a la t m i nt h et r a d i t i o n a lm u l t i p l e x i n g ，m a n yl o w s p e e dd a t as t r e a m sa r ea s s e m b l e di no n es i n g l eh i g h s p e e dc h a n n e la tt h et r a n s f e r r i n gt e r m i n a l ，a n dt h eh i g h - s p e e dd a t as t r e a mi sm u l t i p l e x e dr e v e r s e l yt om a n yl o w s p e e dd a t as t r e a m sa tt h er e c e i v i n gt e r m i n a l b u tt h ei m at e c h n o l o g yc o m b i n e ss o m el o w - s p e e dc h a n n e l si no n eu n i t a r yl o g i cc h a n n e l i nt h i sw a y , ab i ga n du n i t a r yd a t as t r e a mc a nb ed e c o m p o s e di n t om a n yl o w s p e e dd a t as t r e a m s a tt h er e c e i v i n gt e r m i n a l ，t h e s ed e c o m p o s e dd a t as t r e a m sw i l lb ec o m p o s e dt ot h eo r i g i n a ld a t as t r e a m t h eg e n e r a lw a yi st ob o n dm a n yl o w -s p e e dc h a n n e l so fel t1t y p et om a k eah i g h s p e e dc h a n n e lt ot r a n s f e rd a t a i tc a ni n c r e a s eo rd e c r e a s eb a n d w i d t h sf l e x i b l y , r e d u c et h et r a n s f e rr i s ka n dm a k et h eb e s to ft h eb a n d w i d t h i na d d i t i o n ，i n v e r s em u l t i p l e x i n ga t m ( i m a ) c a nc o m p e n s a t et h ed a t ar a t eg a pb e t w e e nt h et r a d i t i o n a lel t1a n de 3 t 3 ，p r o v i d i n gi i i 哈尔滨理t 人学 学硕1 j 学位论文o n ee c o n o m i c a la n df l e x i b l ed a t at r a n s f e rm e t h o d t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ea d v a n t a g e so fa t ma n di m at e c h n o l o g i e sf i r s t l y , t h e ni n t r o d u c e so n er e c e i v i n ga n dt r a n s f e r r i n gd e v i c ed e s i g n e du s i n gi m am o d ew i t ht h ev h d lp r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n dq u a r t u s2e m u l a t i o ns o f t w a r e o n er o u t e rs u p e r v i s o r yc o n t r o ld e v i c ei sa l s od e s i g n e dt os u p e r v i s et h e s el o w - s p e e dt r a n s m i s s i o nc h a n n e l s t h e s et w od e v i c e sa r er e a l i z e db yp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o ld e v i c e s i ft h e s et w os e t so fe q u i p m e n ta l eu s e dt o g e t h e r ，t h e ya r ea b l et od e c o m p o s ea n dc o m p o s ed a t ae f f e c t i v e l y t h e yc a na l s oc h a n g et r a n s m i s s i o nm o d er e a lt i m e l yb a s e do nt h er e s u l to fs u p e r v i s i o no ft h et r a n s m i s s i o nc h a n n e l sa n da v o i dt h ed a t al o s s ，s i m u l t a n e o u s l yr e p o r t i n gaw a r n i n g t h er e c e i v i n ga n dt r a n s f e r r i n gd e v i c ew i t ht h ei m af u n c t i o ni nt h ep a p e rc a nt r a n s f e rd a t as t r e a mo f6 m b i t s t h er o u t es u p e r v i s o r yc o n t r o ld e v i c ec a na n s w e ro n l yo n ec o n n e c t i o nf a i l u r eo ft h et r a n s m i s s i o nc h a n n e l s i na d d i t i o n ，t h ep r o g r a mo fc m o sc h i pi nt h ep a p e rc a nb ee a s i l yc h a n g e dt of i tt h ed i f f e r e n tt r a n s m i s s i o ns p e e d sa n dd i f f e r e n tn u m b e ro fc h a n n e l s t h u sc o n s u m e r sc a nu s et h i ss e to fd e v i c e sf r e e l ya n df l e x i b l ya c c o r d i n gt ot h e i ra c t u a lr e q u i r e m e n t s ，w h i c hi m p r o v e st h ec h a n n e lu t i l i z a t i o nr a t i o k e y w o r d sa s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ，i n v e r s em u l t i p l e x i n ga t m ，v h d l ，s u p e r v i s eo ft r a n s f e rc h a n n e l- 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文a 1 m 技术及其反向技术( i m a ) 研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工人学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：叶羌p j i日期：妒矿年弓月l 日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 a t m 技术及其反向技术( i m a ) 研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导一f 完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阕。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密广 ，在年解密后适用授权书。不保密f 7 1 。( 请在以上相应方框内打4 )作者签名：吒羌p j i日期：渺，年多月z 秒日翮躲臻、审眺2 钆学年如，f 2 7 日哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文1 1 课题背景第1 章绪论在现代社会中，人们需要传递和处理的信息量越来越大，信息的种类也越来越多，其中对会议电视、高速数据传输、远程教学、v o d 等宽带新业务的需求正迅速增长【l j 。原来的各种网络都只能传输一种业务，如电话网只能提供电话业务，数据通信网只能提供数据通信业务，这种情况对于用户和网络运营者来说都是不方便和不经济的，人们希望能够用一种网络来传送各种业务【2 j 。就是在这种环境下，出现了宽带i s d n 佃i s d n ) 。b i s d n 能够满足：1 提供高速传输业务的能力。2 网络设备与业务特性无关。3 信息的转移方式与业务种类无关【3 1 。a t m 技术作为b i s d n 的核心技术，由i t u t1 9 9 2 年规定为b i s d n 统一的信息转移模式【4 】。a t m 技术克服了电路模式和分组模式的技术局限性，采用光通信技术，提高了传输质量，同时，在网络节点上简化操作，使网络时延减小。以a t m 为基础的网络对带宽是透明的，具有出色的多业务和多比特率处理能力，能有效利用网络资源并最终实现与业务无关的网络，即真正实现完全的业务综合并能提供长期的网络可扩充性和结构稳定性【5 j ，国际电联推荐其为宽带综合业务数据网b i s d n 的标准传递模式【6 l 。但目前a t m 的物理接口标准非常有限。现阶段绝大多数的接入运行在一个相当低的速率上( 5 6 k b i t s 或6 4 k b i t s ) ，一些大公司采用e 1 厂r 1 链路进行局域网的互连。遗憾的是，w a n 不像局域网那样有多种成熟的技术可供升级其带宽容量，继e l t 1 链接之后一般只有e 3 t 3 方式了，但e 3 t 3 与e l t 1 之间的带宽跨度太大1 7 j 。为了弥补这么大的带宽跨度，以便从e l t 1 升级带宽又避免e 3 t 3 的昂贵费用，出现了多种技术方案，其中便有i m a 技术。i m a 采用了反向复用的工作机制，与传统的复用方式正好相反。在传统的复用方式中，多个低速的数据流被复用到一个单一的高速管道中，在管道的另一端该高速数据流又被解复用成原始的低速数据流。而反向复用是将多条链路组合成一个单一的逻辑信道，以实现将个大的、单一的数据流分解在多个低速链路上传送；在另一端，这些被分解传送的数据流将重组成原始的数据流。数据在这些链路上的传送是按照罗宾环分配机制进行的，在这种方式下，每一哈尔滨理丁大学t 学硕一l ：学位论文个被分离的待传送单元是按照循环顺序被依次地放到这些链路上发送出去i 引。i m a 技术是以e l t 1 为基础的，网络管理者可以根据用户实际的带宽需求来增减e l t 1 的数量，可以逐步的增加带宽的容量，并且i m a 技术大大地提高了带宽利用率，尽可能地减少了所需链路的数目，便于升级，同时还充分体现了本身所固有的流量管理、容错能力、对传统设备的兼容性、高效的带宽利用率和网络简化等优越性，多条传输链路来传输数据也大大降低了传输中断的风险。同时调查显示，在绝大多数地方建立8 条e l t 1 所花费的费用要低于建立一条e 3 f r 3 的费用。因此，i m a 是目前弥补e l 厂r l 和e 3 t 3 之间带宽跨度过大的有效方法，尤其是对带宽需求远远小于一条e 3 t 3 而又大于一条e l t 1 链路的用户【9 1 。目前，在国内外i m a 技术仅应用于大型的通信交换局内，在各大运营商的核心网的交换机内部均有执行i m a 功能的模块，用来实现使用e l t 1 线代替光纤进行传输的功能，能够处理高速的数据流；同时可以利用大量闲置的e 1 厂r l 链路，并且大大地提高了带宽利用率；而且大型交换机内部的i m a 模块功能十分强大，能同时处理几十甚至上百条e 1 t i 链路，同时还可以完成分解、汇聚数据功能以外的很多功能。在国内外高速数据处理领域中，i m a 技术应用的十分广泛i l 。不过i m a 功能模块要与大型交换机一起使用，需要专业技术人员维护且价格昂贵，中小型的企业和用户或偏远地区根本无法使用；现阶段价格合理，适用于中、低速数据处理的i m a 设备在市场上很难找到。所以本文中提出了一种设备简便、操作灵活，适用于处理低速率的i m a实现方式，可以应用于中小型的企业和用户或偏远地区。它以e 1 接口为基准，把a t m 集合的信元数据或中、低速的数据分解到几个或多个2 m b i t s 链路上，在远端再将多个2 m b i t s 链路上的数据复用在一起，用n * 2 m b i t s 的方法来获得用户需要的速率，并且设计电路中的芯片程序可以根据用户的需求随时更改，为用户提供了更加灵活经济的选择。1 2 论文主要研究内容本文中详细介绍了a t m 技术和a t m 反向复用技术( i m a ) 的基本原理及其优势，应用v h d l 编程语言设计了一套拥有4 条物理链路的自适应i m a 收发系统。i m a 技术有多种方式可以实现：基于比特的反向复用( b i t b a s e ) 、负载共享( 1 0 a ds h a r i n g ) 、多链路( m u l t i l i n kp p p ) 以及多链路帧中继( m u l t i l i i l l 【f r a m er e l a y )哈尔滨理丁人学t 学硕上学位论文等】。本文采用的是基于比特的反向复用( b i t b a s e ) 的方式，应用移位置数法。移位置数法即使用移位置数芯片或算法，通过与数据信号同频的提取时钟将一个输入端的连续比特信号在几个时钟周期后加载到几个发送端上一齐发送，在接收端再进行逆转换恢复原信号。本文中设备基于可编程逻辑器件设计，使用v h d l 语言进行编程，通过q u a r t u s 26 0 软件实现仿真。开发过程为：首先在仿真软件中使用v h d l 语言编程，把将要使用到的芯片的功能用编程语言描述出来，经过仿真确认功能无误。然后将编辑完成的语言程序在仿真软件中转换成可用的芯片资料，这些芯片资料可以在设计电路时被用到，电路设计完成后可用仿真软件仿真，以检验电路的功能和效果。最后可将完成的电路文件传送到可编程逻辑器件芯片中，这样就完成了电路的设计与实现i l2 。这套系统使用移位置数法可以准确地分解和整合信号。可以灵活的进行带宽配置，系统在程序完成之后，若使用的信道数量发生变化则无需改动内部程序，只需调节系统自带的开关即可。系统中使用的芯片及程序均可以改动，如果原设计的物理链路数量无法满足实际需要，可以通过修改原程序来提高物理链路的数量，方便、快捷易于不同需要的中、小型用户使用。在使用多条2 m b i t s ( e 1 t 1 ) 信道传输时，传输的介质会因为各种各样的原因而出现故障。如果传输中出现问题没有及时发现或无法及时地调整传输模式那么将会有大量的数据传输错误，对双方的通信质量造成很大的影响。因此本文在收发系统中加入了自动路由监控模块，自动路由监控模块由三部分组成：路由监控电路、路由重组芯片、减法电路。自动路由监控模块可以自动识别断路一条物理链路的断开并且可以对路由进行重新安排剔除断开的路由，使用正常工作的路由利用冗余的带宽继续传输有用数据。1 3 论文组织安排论文第一章绪论，介绍本文的研究背景，本人承担的工作以及全文的组织结构。论文第二章a t m 的基本原理，简单介绍了a t m 信元，a t m 的协议体系结构以及a t m 各个子层实现的功能并且讨论了未来a t m 技术与i p 技术序相结合的方法。论文第三章详细讲述了a t m 反向复用的基本原理及收发系统的全部电路设计并给出相应的软件仿真结果。论文第四章详细讲述了在i m a系统收发端的所使用的自动路由监控模块的电路设计方案并给出了软件的仿真结果。第五章对论文工作及全文作了总结同时说明了今后的发展研究方向。哈尔滨理r t 人学丁学硕十学位论文2 1 概述第2 章a t m 基本原理a t m ，顾名思义就是异步传输模式，是国际电信联盟i t u t 制定的标准。作为快速分组交换方式中最著名的a t m ，它力图用一个单一的，通用的交换结构来有效的处理各种类型的业务和多媒体应用，a t m 继承了电路交换方式中速率的独立性又具有分组交换方式对任意速率的适应性。a t m 采用了最简单的协议，无需确认，没有流量控制，也无纠错，是一种快速的，独立于业务的基本传输服务。以a t m 为基础的网络对带宽是透明的，具有出色的多业务和多比特率处理能力，能有效利用网络资源并最终实现与业务无关的网络，即真正实现完全的业务综合并能提供长期的网络可扩充性和结构稳定性，因此国际电联最后一致推荐其为宽带综合业务数据网b i s d n 的标淮模式。在a t m 模式中，信息被组织成信元，因为包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现，这种传输模式是异步的。a t m 信元是固定长度的分组，共有5 3 个字节，分为2 个部分。前面5 个字节为信头，主要完成寻址的功能；后面的4 8 个字节为信息段，用来装载来自不同用户，不同业务的信息。话音，数据，图像等所有的数字信息都要经过切割，封装成统一格式的信元后在网中传递，并在接收端恢复成所需格式。由于a t m 技术简化了交换过程，去除了不必要的数据校验，采用易于处理的固定信元格式，所以a t m 交换速率大大高于传统的数据网，如x 2 5 、d d n 、帧中继等。另外，对于如此高速的数据网，a t m 网络采用了一些有效的业务流量监控机制，对网上用户数据进行实时监控，把网络拥塞发生的可能性降到最小。对不同业务赋予不同的“特权”，如语音的实时性特权最高，一般数据文件传输的正确性特权最高，网络对不同业务分配不同的网络资源，这样不同的业务在网络中才能做到“和平共处 i l 引。2 2a t m 信元a t m 信元是a t m 传送信息的基本载体。a t m 信元采用了固定长度的信元格式，只有5 3 字节，其中5 个字节为信头，其余的4 8 个字节为信元净荷。4 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文信元头的主要功能为确定虚通道，并完成相应的路由控制。使用固定长度的短信元有几方面的优点：首先，使用短信元可以降低高优先级的信元的排队时延，如果高优先级的信元到达略晚于已经使用资源( 如发送器) 的低优先级信元，那么它等待的时间会比较短。其次，固定大小的信元能够更加有效地交换，这对于支持非常高数据率的a t m 是很重要的。对于固定大小的信元，交换机制更容易用硬件实现【l 制。a t m 信元头部有两种类型：u n i ( t h eu s e r o t o - n e t w o r ki n t e r f a c e ) 和n n i( t h en e t w o r k t o - n e t w o r ki n t e r f a c e ) 。它们的具体格式如图2 1 所示。g f cv p iv p iv c iv c iv c ip t ic l ph e cp a y l o a dv p iv p iv c iv c iv c lp t lc l ph e cp a y l o a d图2 ia t m 信元头部的两种类型f i g 2 - 1t h et w ot y p e so f a t ms i g n i n gu n i to fh e a d流量控制g f c ( g e n e r i cf l o wc o n t r 0 1 ) 为- - 般流量控制字段在网络内部的信元头部不出现，因此，它仅可用在本地用户网络接口的信元流量控制上。g f c 字段能够用来帮助用户进行通信流量的控制以支持各种不同的服务质量。在任何情况下，g f c 机制旨在用来缓和网络中的短期超载情况。虚通道标识符v p i ( v i r t u a lp a t hi d e n t i f i e r ) 是网络路由选择字段的一部分。它在u n i 接口是8 位的，在n n i 接口则是1 2 位，因此网络内可支持更多的虚通道。虚通路标识符v c i ( v i r t u a lc h a n n e li d e n t i f i e r ) 用于端用户之间的路由选择。它的功能很像一个服务访问点( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 。v c i 与v p i 组合起来标识一个虚连接。负载类型p t i ( p a y l o a dt y p e ) 指示信息字段中所装信息的类型。下表2 1 列哈尔滨理t 人学t 学硕上学位论文出了对p t i 各比特的解释：表2 - 1 净负荷类型t a b l e2 1t h et y p eo fc o m p l e t e l yl o a d 编码意义0 0 0用户数据信元无阻塞s d u = 0o o l用户数据信元无阻塞s d u = 10 l o用户数据信元阻塞s d u = 00 1 1用户数据信元阻塞s d u = i1 0 0分段o a m 信息流相关信元1 0 l端到端o a m 信息流相关信元1 1 0资源管理用1 11保留s d u = s e r v i c ed a t au n i to a m = o p e r a t i o na d m i n i s t r a t i o nm a i n t e n a n c e信元丢失优先级c l p ( c e l ll o s sp r i o r i t y ) 用来在网络发生拥塞的情况下为网络提供指导。c l p = o 时表示一个相对高优先级的信元，这种信元不应该被丢弃，除了没有其他可用的选择。c l p = i ，表示这个信元在网络内可以丢弃。用户可以使用这个字段将额外的信元( 在已协商的速率之外) 插入到网络中，将信元的c l p 赋为1 ，如果网络不拥塞就交付到目的地。如果遇到网络拥塞，网络将优先考虑丢弃这种c l p 置1 的信元，如果c l p 置l 的信元已经完全丢弃，但拥塞还没有缓解，那么就开始丢弃c l p 置0 的信元。信头差错控制h e c ( h e a de r r o rc o n t r 0 1 ) ，占8 比特，根据h e c 可以监测出有错误的信头，系统可以纠正信头中l 比特的错误。同时h e c 还被用于信元定界。a t m 信元中信头的功能比分组交换中分组头的功能大大简化了，不需要进行逐链路的差错控制。只进行端到端的差错控制，h e c 只负责信头的差错控制，另外只用v p i ，v c i 标识一个连接，不需要源地址、目的地址和包序号，信元顺序由网络保证【i 引。- 6 -哈尔滨理t 人学t 学硕l 学位论文2 3a t m 协议体系结构a t m 是一种具有最少量差错和流量控制功能的高效协议。它降低了处理a t m 信元的额外开销，并且减少了每一个信元所要求的额外开销比特，因此，a t m 能够进行高数据率的操作。另外，固定大小的信元使在每一个a t m节点上所要求的处理更加简化，也有利于支持a t m 的高速运行。a t m 的协议体系结构如图2 2 所示。这个体系结构包括三个平面：用户平面用来传送用户信。g ：控制平面主要用于信令信息；管理平面用来维护网络和执行操作功能。此外，还在协议参考模型的后面加了一块面管理，负责不同平面的管理。图2 - 2 a t m 协议体系结构f i g 2 - 2t h es y s t e ma n df r a m e w o r ko f a t mp r o t o c o l按照i t u t 的建议，这些层还可以进一步划分，如表2 2 所示。共定义了3 个层：物理层( p h y ) ，主要用来传输信息( 比特信元) ；a t m 层，主要完成交换、选路由和复用；a t m 适配层( h a l ) ，主要负责将业务信息适配成a t m流。2 3 1 物理层物理层主要处理物理介质，如电压，比特定时和其它问题。物理层进一步分为两个子层：物理介质子层和传输汇聚子层。物理介质子层支持只和介质相关的比特功能；传输汇聚子层则是将a t m 。信元流转换成可以在物理介质上传7 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文输的比特。2 3 1 1 物理介质子层这个子层负责在适当的物理介质上正确地发送和接收比特。在最低的级别上，这个功能和介质( 光的，电的) 密切相关的，因此叫做物理介质子层。此外，这个子层必须保证接收端良好的比特定时重构，因此同层发送实体负责插入所需的比特定时信息，并进行线路编码。2 3 1 2 传输汇聚子层当比特流从p m 子层到达传输汇聚子层时，比特已被识别出来。传输汇聚子层主要完成6 个功能( 如表2 2 ) 。表2 2 协议结构子层及功能t a b l e2 2t h es u b 1 a y e ra n df u n c t i o no fp r o t o c o l汇聚汇聚子层c sa a l分段与组装拆装子层s a r一般流量控制信元v p i n c i 翻译a t m信元复用分路信元速率解耦h e c 产生检测信元扰码解扰传输汇聚t c信元定界帧扰码解扰p h y帧产生恢复比特定时线路编码物理介质p m物理媒介相关扰码解扰在比特重新形成之后的第一个功能便是根据所用的传输系统对这些比特进行适配。这一子层还负责在发送侧为每个信元产生h e c ( 信头差错控制) 校验和，在接收侧核对这些校验和。在开始的时候，这种核对用来识别信元边界( 即接收器的信元定界) 。如果在连续若千个信元内找到了正确的h e c ，就假定发现了正确的信元边界，为了防止用户信息段有意或无意地干扰信元定界，在发送侧需要对每个信元的信息段进行扰码，而在接收侧进行解扰，这可以使哈尔滨理t 人学1 ：学硕十学位论文a t m 信元的信息段中出现正确的h e c 的概率极小。一旦找到信元定界，一种自适应的方法便根据不同情况利用h e c 来纠正或检查信头错误。孤立的单比特错误将被纠正，但对于连续多个信元出现信头错误，纠错就会停止，让位给更精确的检错，并丢弃出错信元。这样可以避免在突发差错期间漏掉存在多个信头错误的信元。最后，t c 子层必须能够插入或去除未分配信元，使有用数据速率适配于传输系统中可用的净荷速率，这个功能叫信元速率解耦。物理层和a t m 层之间是通过一个公共的标准接口u t o p i a 总线接口来连接的。这个接口包括二条8 比特宽或1 6 比特宽的单向数据通道，每个方向上有独立的8 比特级握手，信元级握手和时钟信掣1 6 j 。2 3 1 3a t m 特定的传输会聚子层功能1 信头差错控$ 1 j ( h e c ) 信头差错控制覆盖了整个信头，所选的8 b i t 码能够纠正单比特错误和检测多比特错误。这个方法对所有的传输会聚子层都是相同的。信头差错控制的状态图如图2 3 所示未检测到错误，夕、或检测(纠错模式型兰皆一特错误夕一检测到多比特错误( 丢弃信元)未检测到错误( 返回纠错模式)检错模式) 黼图2 - 3 信头差错控制方式f i g 2 - 3c o n t r o lm e t h o do f m i s t a k eo fs i g n i n gu n i t在正常模式下，接收端会按照单比特纠错模式工作，如图2 3 所示。如果检测到单比特错误，这个错误就被纠正，接收器的状态保持到纠错模式；如果检测到多比特错误，信元就被丢弃，状态也转到检错模式。在检错模式状态下，凡是检测到信头有错误的信元一律被丢弃。一旦不再发现信头有错，接收器立即转回到纠错模式状裂r 7 1 。h e c 的8 位检错码可以覆盖整个信元头( 4 0 b i t ) ，且h e c 采用的是循环码的编码方式，循环码一种线形代数分组码，记为( n ，k ) 码，其中n 为码长，k为信息码元数，所以h e c 记为( 4 0 ，3 2 ) 码。用多项式来表示循环码中信息码元哈尔滨理t 人学t 学硕上学位论文的码字，记为m ( x ) ，若码字为0 1 0 1 ，那么m ( x ) 为x 2 + 1 ，同时还要根据码长生成一个多项式，记为g ( x ) 。在( 4 0 ，3 2 ) 循环码中：m ( x ) = c 3 2 x 3 1 + c 3 l x 3 0 + + c l x o( 2 1 )其中c ，2 c 。为h e c 纠错数据前的3 2 b i t 信元头数据。g ( x ) 一般为x ”1 一i 的既约多项式中的一个或几个的乘积，在h e c 中采用g ( x ) = x 8 + x 2 + x 1 + 1( 2 - 2 )在已知信元头前3 2 b i t 的情况下使用公式2 - 3 可以得出h e c 的8 b i t 数据，紫_ g ( 矿嚣( 2 - 3 )式2 - 3 中的r ( x ) 为余数，是一个x 7 至x o 的多项式，其中各项的系数便是h e c的8 b i t 纠错数据。与前面已知的3 2 b i t 信头数据连在一起组成信元头，随信元净荷一起发送。发送的信元头的数据组成的多项式记为c ( x ) ，c ( x ) = x 柑研( x ) + 厂( x )( 2 4 )在接收端，设备收到信元头的全部信息，记为c 伍) ，用公式2 5 可以根据c 。( z ) 和已知的g ( x ) 检验并且纠正信元头的一位错误。舡) 暑嚣( 2 - 5 )上式中的s ( x ) 为c 。( x ) 除以g ( x ) 的余式，也为( 4 0 ，3 2 ) 循环码的8 b i t 校验子，全为0 时表示信元头没有传输错误；不全为0 时设备可以参照( 4 0 ，3 2 ) 循环码校验表找到错误为将其改正，从而达到纠错的目的【1 8 】。2 信元定界根据1 4 3 2 建议，信元定界算法必须是自支持的( s e l fs u p p o r t i n g ) ，这种算法可以在任何一种网络接口上传输，它和采用的传输系统( 基于信元，基于s d h ，基于p d h 等等) 无关。1 4 3 2 建议的信元定界方法建立在信头比特和h e c 比特有特定关系的基础上。信元定界的状态图如图2 - 4 所示。在搜索状态，定界过程逐比特地检查h e c 比特的正确性。物理层能够得到字节定时，搜索状态下的信元定界也可以逐字节进行，例如在采用s d h 传输的情况下就可以按这种方式做。哈尔滨理工人学工学硕 二学位论文如果h e c 正确，就进入预同步状态。在预同步状态，假设正确的信元边界己经找到，只是需要进一步证实。因此仍要检查h e c 字段的正确性。在进入同步状态之前只要发现一个不正确的h e c ，系统就立即退回到搜索状态。如果连续d 次证实了正确的h e c ，系统就达到同步状态，这是系统申明它已实现了同步。在同步状态下，如果在连续a 个信元中均发现不正确的h e c ，系统就离开同步状态( 信元定界丢失) 。i t u t 建议的参数是：对基于s d h 的物理层，a = 7 ，d = 6 ；对基于信元的物理层，a = 7 ，d = 8 t 憎j 。2 3 2a t m 层图2 - 4 信元定界状态图f i g 2 - 4t h es t a t eo fs i g n i n gu n i td e m a r c a t i o na t m 层是协议体系结构中与a t m 功能相关的一个层次。a t m 层和p h y层完全无关，主要是对信元进行处理。它在内部使用虚电路，这些虚电路必须在数据传输之前建立起来，数据传输完成后拆除。2 3 2 1a t m 层的主要功能1 复用、分解将不同连接( 用不同v p i 和v c i 值区分) 的信元复用成物理层的单一信元流，并在相反方向上进行分路处理。2 翻译信元标志这个功能在a t m 交换机或交叉连接单元中，当信元从一条物理链路被交换到另一条时大都是需要的。这种翻译可以单独对v c i 或哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文v p i 进行，也可以两者同时进行。3 提供服务质量向v c c 或v p c 用户提供一种网络能够支持的q o s 级别。某些业务可能会为连接的一部分信元流要求某个q o s ，而其余信元可以有较低的q o s 。在一个连接中，可以用信头中的c l p 比特来区分这些要求不同q o s 的信元。4 管理功能在用户信息信元的信头中，提供了一个拥塞指示和一个a t m 用户到a t m 用户指示，还为段相关和端到端相关( s e g m e n ta s s o c i a t e da n de n d - t o e n da s s o c i a t e d ) 的数据流定义了预分配v c i 值，为段相关和端到端相关的数据流以及资源管理信元定义了专门的p t i 编码值。当p t i 指出非用户信息信元时，有关层管理类型的进一步信息会在信元的信息段中找到。5 处理信头在将信元递交给适配层之前去掉信头；在相反方向上加上信头。在用户网络接口上实现流量控制，这个功能由信头中的g f c 比特支持。2 3 2 2a t m 的虚通道和虚通路a t m 在a t m 层的接入点建立了逻辑连接虚电路，并在整个呼叫中保持连接。在a t m 中虚连接分两个级别：虚通路连接( v c ，用v c i 标识) 和虚通道连接( v p ，用v p i 标识) 。v c 和v p 均是单向传输信元的信道，一条v p 中可以包含多条的v c ，同样一条物理链路上，可以划分出多条的v p 。a t m 是面向连接的，但是这个连接和电路交换的连接不同。电路交换中的一个连接对应着一个时隙，当这个连接没有信息发送时仍然占用这个时隙，别的连接无法使用：而a t m 采用虚连接的概念，在连接建立时，向网络提出流量描述和服务质量要求，而网络只对连接进行资源预分配