（通信与信息系统专业论文）atm数据采集卡——基于fpga的aal5拆装重组功能的设计与实现.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 近年来3 g 一直是通信行业关注的一个焦点 特别是我国自主研发的 t d s c d m a 通信系统即将在我国大规模建网 不论是t d s c d m a 还是w c d m a 通信系统 其有线链路部分与主要接口 i u c s i u p s i u r i u b 等 几乎全部采用 a t m 技术 在3 g 建网初期及使用期间 有必要对以上链路与接口进行数据采集 并对数据进行统计分析 从而进一步了解网络链路质量 有针对性地进行网络的 规划与优化 因此 设计工作稳定 网络功能强大 具有标准接口的各种网络接 口数据采集卡 成为3 g 网络维护 测试 应用技术的关键 本文是笔者在参与开发s t m 1 接口的a t m 数据采集卡这一项目课题的研究背 景下 总结本人在研制过程中所做的工作 论述采用f p g a 的方式实现5 类a t m 适配层拆装 重组功能的设计原理及其具体验证 本论文的主要内容如下 本文首 先介绍了本课题开展的背景 本课题的方案选择 然后大致介绍了本论文的理论 知识基础 简要分析了a t m 协议 接着介绍了本论文的项目背景 分析了本课题 所研制的基于f p g a 的a t m 数据采集卡的工作原理及整体结构 紧接着重点论述 了本人在项目所做的主要工作 a a l 5 的f p g a 实现的具体设计及各功能子模 块的功能仿真验证 通过验证分析论证 本论文所设计的功能基本实现 达到了 预期目标 最后总结本论文所做的工作及所得到的结论 并对本文后续工作作进 一步的展望 关键词 3 g a t m a a l 5 f p g a 重庆邮电大学硕士论文a b s t r a c t a b s t r a c t 3 g 3 n dg e n e r a t i o n i sag r e a tf o c u si nt e l e c o m m u n i c a t i o nr e c e n t l y e s p e c i a l l y t d s c d m a t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a w h i c hi se s t a b l i s h e da n dp r o d u c e d b yc h i n a w i l lg e tab i gs h a r ei nt e l e c o m m u c a t i o nm a r k e to fc h i n ai nt h ev e r yn e a r f u t u r e a n dn o wi sg o i n gt ob ee s t a b l i s h e d b u t1 1 0m a t t e rw h e t h e rt d s c d m ao r w c d m at e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m b o t ho ft h e mi sm o s t l yu s i n ga t m t e c h n o l o g yi n t h ew i r en e t w o r ka n dt h em a i ni n t e r f a c e s s u c ha si u c s i u p s i u r i u b e t c i ti sv e r y n e c e s s a r yt oc o l l e c td a t ai nt h o s el i n k sa n di n t e r f a c e s a n da n a l y s et h ed a t a a n dt h e nt o a b t a i nm o r eu n d e r s t a n d i n ga b o u tt h eq u a l i t yo ft h en e t w o r k w h i c hi sv e r yi m p o r t a n ti n t h en e x ts t e pf o re x c e l l e c tl a y o u ta n do p t i m i z a t i o no ft h en e t w o r k s oi ti st h ek e yp o i n t f o r t h e m a i n t a i n c e t e s t i n ga n da p p l i c a t i o no f3 gt od e v e l o pas t a b l e w o r k i n g m u l t i f u n c t i o n a l a n dm u l t i s t a n d a r d i n t e r f a c e di n s t r u m e n t e q u i p m e n to fd a t ac o l l e c t i o n i nt h ea b o v e m e n t i o n e dn e t w o r k s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c tb a c k g r o u n do fd e v e l o p i n gt h ec a r d w i t hs t m l i n t e r f a c e o fd a t ac o l l e c t i o ni na t mn e t w o r k i nw h i c ht h ea u t h o ri so n eo ft h ek e y m e m b e r sa n di n c h a r g e o f u s i n g f p g at o d e s i g n t h ef u n c t i o n so f r e a s s a m b l y s e g m e n t a t i o no fa a l 5 t h ep a p e r t h r o u g ht h es u m u po fp a s th a r dw o r k i s g o i n gt oi n t r o d u c et h eb e l o wc o n t e n t i ti n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do f t h es u b j e c to ft h i s p a p e r t h ec u r r e n ts t a t u so ft h er e a l i z a t i o no fa a lo p e r a t i o nf u n c t i o n a n dt h em e t h o d t h i sp a p e rc h o s e i ts e c o n d l yi n t r o d u c e sa n da n a l y z ea t mt e c h n o l o g ya n di t sr e f e r e n c e m o d e l w h i c hi sb a s i ck n o w l e d g ef o rt h ed e s i g ni nt h ep a p e r a n dt h e ni ti n t r o d u c e st h e p r o j e c tb a c k g r o u n d t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n dh a r d w a r es t r u c t u r eo fs m t 1 i n t e r f a c e d c a r do fd a t ac o l l e c t i o ni na t mn e t w o r kb a s e do nf p g a f o u r t h l y i ti n t r o d u c e sa n d d i s c u s s e st h ed e s i g np r i n c i p l ea n dt h ef u n c t i o ns t r u c t u r eo fr e a l i z a t i o no fa a l 5f u n c t i o n b a s e do nf p g a w h i c hi st h em a i nw o r kt h a tt h ea u t h o rd i di nt h ep r o j e c t a n di n t r o d u c e t h es u b m o d u l e si nd e t a i l a n da n a l y z e st h ev e r i f i c a t i o np r o c e s so fa l lt h et h ef u n c t i o n m o d u l e sb yf u n c t i o ns i m u l a t i o n a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i sr e s u l t si tp r o v e st h ed e s i g ni n t h ep a p e ri sr e a l i z e d a n di tc a nm e e tt h ee x p e c t e dt a r g e t l a s t l yi ts u m su pt h er e s u l t s a n dc o n c l u s i o n sa b t a i n e di nt h ep a p e r a n dp r o p o s et h ew o r kn e e d e dt ob e d o n ei nn e x t s t e p k e yw o r d s 3 g a t m a a l 5 f p g a 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 2 0 世纪8 0 年代以来 蜂窝移动通信以其便捷 灵活的特点满足了现代社会人 们工作 生活对通信的要求 呈现快速发展的势头 移动通信用户数快速增长 同时移动通信的业务也在发生变化 随着i n t e m e t 的发展和日益普及 移动数据业 务被普遍看好 用户数的增长和移动数据业务的发展 需要更多频谱资源 也对 移动通信的数据传输能力提出了更高要求 而现有的第二代移动通信的频谱效率 和频谱资源难以满足需求 在不少国家已经出现了频谱资源紧张的局面 迫切需 要采用新的频段和频谱效率更高的技术 国际电联 i t u 提出的第三代移动通信 i m t 2 0 0 0 以其具有的高频谱效率 全球 普及和全球无缝漫游 支持多媒体业务 便于过渡和演进 高服务质量等特点而 受到全球移动通信界的广泛关注和重视 近年来我国无论是政府 电信运营商 现代移动通信设备制造商还是有关的科研机构都在人力物力各方面加大了投入 积极参与中国第三代移动通信的建设 而被列为3 g 三大标准之一的 具有我国自 主产权的t d s c d m a 标准的产生为我国发展移动通信产业提供了良好的机遇 3 g p p 制定的通用移动通信系统u m t s u i l i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o i l s s y s t e m 是采用w c d m a t d s c d m a 为空中接口技术的第三代移动通信系统 其网络架构是基于m a pg s m 的r 9 9 版本 并不断的演进为全i p 化的r 4 r 5 版 目前国内的3 g 网络的架构与建设主要是基于r 9 9 版本的 r 9 9 版本的u m t s 系 统采用了于第二代移动通信系统类似的结构 基于g s m g p r s 网络演进 保持了 与现有的第二代移动通信网络的兼容性 整个r 9 9 版本的u m t s 网络主要包括用 户终端u e u s e re q u i p m e n t 无线接入网络u t r a n u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k 和核心网络c n c o r en e t w o r k 三部分 其中u t r a n 处理所有与无线 有关的功能 c n 部分处理u m t s 系统内所有的话音呼叫和数据连接 并实现与外 部网络的交换和路由功能 核心网c n 从逻辑上又分为电路交换域c s c i r c u i t s w i t c h e dd o m a i n 和分组交换域p s p a c k e ts w i t c h e dd o m a i n 其网络结构如图 1 1 所示 1 1 重庆邮电大学硕士论文 图1 1r 9 9 版本的u m t s 网络结构图 c n 和u t r a n 之间的接口称为i u 接口 u t r m q 和u e 之间的接口称为u u 接口 u t r a n 由若干个通过i u 接口连接到c n 的无线网络子系统组成 其中一个 r n s 包含一个r n c 和一个或多个n o d e b 而n o d e b 通过i u b 接口与i 斟c 相连接 在u t r a n 内部 r n c 之间通过i u r 接口进行信息交互 i u 和i l l r 是逻辑接口 i u r 接口可以是r n c 之间的直接物理连接 也可以通过任何合适传输网络的虚拟连接 来实现 根据3 g p p 的标准 为了实现宽带透明的传输 提供的业务组合更加灵活 r 9 9 版本的网络构架不论在核心网还是无线接入网的传输网络层面上广泛采用了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 传输技术 来进行信令和用户数 据的承载 统一处理语音和分组业务 l j a t m 技术是一种基于信元的可支持各种类型高速信息传输的网络技术 在功 能上和传统的网络技术有根本性的不同 a t m 是在分组交换技术上发展起来的快 速分组交换 克服了分组交换和电路交换方式的局限性 综合吸取了分组交换的 高效率与电路交换的高速率的优点 它的用途是提高速率 低时延的多路复用交 换网络 以支持各种类型的用户话务 如语音 数据或视频应用等 2 j 3 1 随着3 g 的快速发展以及a t m 技术的广泛使用 在用户面采用从l 2 a s y n c h r o n o u st r a n s m is s i o nm o d ea d a p t e rl a y e r2 2 类a t m 适配层 协议 承载语音和在控制面采用从l 5 a s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nm o d ea d a p t e rl a y e r 5 j5 类a t m 适配层 协议来承载信令的接口方式被大规模采用 a t m 在u m t s 系统中的应用情况大致如下图所示 从图中可以看出整个 第一章绪论 图1 2a t i i 在u m t s 系统中的位置 3 g 是向未来个人通信演进的一个重要发展阶段 具有里程碑和划时代的意义 随着3 g 通信技术的不断发展 特别是我国自主研发的t d s c d m a 通信系统将在我 国占据大部分市场 并且即将大规模建网 在建网初期及使用期间需要对以上链 路与接口进行数据采集 并对数据进行统计分析 从而进一步了解网络链路质量 有针对性地进行网络的维护 规划与优化 因此 研发工作稳定 网络功能强大 具有标准接口的各种网络接口a t m 数据采集分析仪器 是3 g 网络维护 测试 应 用的关键 目前 尽管第三代移动通信网络的建设还没有大规模 全方位展开 但基于 3 g 的网络测试仪表设备的研发已经引起了国内外重要研发机构的高度重视 多家 国外移动通信测试仪器生产厂商已提前开发出用于研制 生产测试与维护用的多 种i m t 2 0 0 0 仪表 但国外这些测试仪价格十分昂贵 对于即将大规模建设3 g 网 络的运营商来说需要投入大笔资金购买此类设备 另一方面 国内开发出的专门针对a t m 链路进行数据采集与处理的设备还很 少 因此 研发具有我国自主知识产权的系列t d s c d m a 移动通信网络测试仪表 向市场推出成熟的产品 对于完善t d 产业化链 保障我国整个第三代移动通信的 建网和运行的顺利进行 有着重大的战略意义 本论文课题就是来源于笔者所参与的重庆市科委2 0 0 6 年重点攻关项目 面向 3 g 移动通信测试仪表的嵌入式系统开发与产业化 开发s t m 1 接口的a t m 数 据采集卡这一课题 本人在项目中主要负责采用f p g a 的方式来实现a a l 5 拆装 重组功能 本论文是结合笔者在该项目中所做的工作 论述基于f p g a 的a a l 5 拆装 重组功能的设计与实现 1 2a a l 层处理的实现方式现状分析 a t m 数据采集卡 主要实现通过标准接口 如s t m 1 e 1 等接口 将a t m 重庆邮电大学硕士论文 链路中的信元采集起来 重组成数据 再通过p c i 接口 将重组起来的数据交给 p c 机来分析和处理 类似 在发送方向 上层处理好的数据也可以由p c 机通过 p c i 接口发送给a t m 数据采集卡 再由a t m 数据采集卡拆装成相应的信元通过 接口发送到a t m 网络中 即主要是对a t m 信元的拆装 重组功能 即a t m 适配 层功能的实现 由于a t m 协议和结构比较复杂 对设备的要求较高 目前 a t m 适配层处理 主要有四种方式 一种是基于 处理器 软件 的方式 第二种是基于纯软件的 方式 第三种是基于专用拆装子层处理芯片方式 还有一种方式基于现场可编程 门阵列f p g a f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 在实际的应用方案中 目前应用比较广泛的方式是基于 处理器 软件 的方 式 即采用通信处理器为载体 以软件方式实现 常见的配置有使用摩托罗拉公 司的m p c 8 6 0 或m p c 8 2 6 0 再通过软件来实现a a l 层处理 4 5 1 这种用 处理器 软件 实现a a l 层功能的方式由于大部分实现工作主要是 通过配置处理器来完成 因此整个实现相对比较简便 但同时也存在以下缺点 软件的执行速度慢 所能处理的码流速率较低 实时性较差 若要处理高速的码 流 需要多个通信处理器并行工作 这样就增加了负荷分担的问题 使得硬件结 构变得复杂 同时也增加了成本 6 j 第二种基于纯软件的方式 如n e t h a w k 公司的3 g 测试仪采用此方式 其整个 拆装功能采用安装在工控机上的软件实现 实现起来比较方便 但这种方式是在 工控机平台上完成 会占用大量工控机处理器的资源 将使工控机的整体处理速 度下降 而第三种方式 拆装子层的功能由专用芯片来实现 专用芯片通常完成某一特 定a a l 协议类型的s a r 功能 功能固定 灵活性比较差 如果用户需要完成某 些特定的功能 有一些在特定应用场合下的需求 就需要和芯片供应商联系制定 符合用户需求的芯片 这样势必会增加成本 增大开销 另外 现有单独实现a a l 层处理功能的芯片很少 而且版本较旧 推出的时 间一般是在1 9 9 5 年左右 由于基本在市场上已经被淘汰 所以芯片可能会随时停 产 而且技术支持会跟不 1 1 6 1 而第四种方式则可以根据具体实际情况灵活设计和修改功能 整个实现是纯硬 件的方式实现 具有处理速度快 处理能力高效 而且成本相对低廉 性价比高 等优点 6 1 7 8 4 第一章绪论 1 3 本课题的采用方案 近年来 随着芯片技术的发展 特别是f p g a 技术的发展 已经改变了电子产 品的设计模式 从过去的 硬 设计过渡到现在的 软 设计 成为电子设计的 发展方向 f p g a 具有集成度高 体积小 功耗低 电路简单 可靠性高等优点外 还有 自身突出的优点 即 现场可编程性 用户可以很方便地通过相应的 e d a e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n 软件 在较短时间内对f p g a 内部逻辑进行设 计或修改 直到满意为止 这就大大缩短了开发周期 提高了最终产品的性能 而且 由于f p g a 的高集成度 往往一块芯片就可以独立完成一项工作 这样就 可以提高整个工作的效率 9 1 0 1i l l 1 1 2 基于以上原因 在权衡利弊及现有的技术条件的基础上 针对本项目对a t m 网络进行数据采集的要求 在确保技术可行性的前提下 为高层处理数据提供可 靠的硬件支援平台 在本课题中通过采用f p g a 的方式来实现a t m 适配层处理功 能 在本课题中选用a l t e m 公司的c y c l o n ei i 系列的f p g a 芯片e p 2 c 3 5 f 4 8 4 c 8 作为硬件平台 采用a l t e r a 公司的o u a r t u si i 作为f p g a 的开发环境 以及使用 m o d e l s i ms e 作为f p g a 的仿真测试平台 并主要采用v e r ii o gh d l 作开发语言进 行程序开发 0 0 1 4 本文的主要工作及结构安排 本文是在笔者所参与的重庆市科委2 0 0 6 年重点攻关项目 面向3 g 移动通信 测试仪表的嵌入式系统开发与产业化 这一项目下 结合笔者在该项目中所做的 工作 重点论述采用f p g a 的方式实现丸让5 拆装 重组功能的具体设计 本文的 具体结构安排如下 在第一章中 简要介绍了课题研究的背景和研究现状 并介绍了本论文的主 要工作和结构安排 在第二章中 本文将阐述a t m 网络技术的基本原理 在此基础上 重点分 析a a l 5 的特点 处理流程及其各子层格式 为后面的f p g a 实现工作做好理论 知识铺垫 在第三章中 本文将介绍本论文的项目背景 大致介绍基于f p g a 的a t m 数 据采集卡设计方案 分析其总体框架结构及其各主要逻辑功能模块的功能 在第四章中 将论述a a l 5 的f p g a 实现的具体设计 本章是本论文的重点 重庆邮电大学硕士论文 首先介绍a a l 5 功能的f p g a 设计方案的总体框架和各子模块的逻辑功能 接着 介绍各功能模块的设计思路 最后对各子模块具体实现给出详细论述 在第五章中 本文将对第四章所设计的各功能模块予以仿真验证及详细分析 在第六章中 总结本文所做的工作和得到的结论 并对本文后续工作作进一步 的展望 6 第二章a t m 基本原理 2 1a t m 概述 第二章a t m 基本原理 a t m 是i t u t 确定用作宽带综合数字业务i 网 b r o a d b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e s d i g i t a ln e t w o r k b i s d n 的复用 传送和交换的模式 在a t m 模式中 信息被组 织成固定长度的信元 在信元交换过程中 主要是参照信头的内容对信元进行处 理 从而简化了交换过程 交换速率大大提高 另外 a t m 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 f 1 3 1 4 2 1 1a t m 信元结构 a t m 传送信息的基本载体是a t m 信元 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48 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 图象 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 信头内容在u n i 和n n i 中略有不同 如下图所示 a t m 信元u n i 信头结构n n i 信头结梅 图2 1a t m 信元结构 n n i 信元与u n i 的区别是 n n i 信元没有g f c 域 它的v p i 长度为1 2 比特 用于a t m 网络设备之间 在上图中 信元的各部分的含义如下 g f c g e n e r i cf l o wc o n t r 0 1 一般流量控制 只用于u n i 接口 它由4 比特组成 它的主要功能是控制由用户终端至网络方向a t m 接续的业务 流量 目前没用 置为0 0 0 0 v p i v i r t u a lp a t hi d e n t i f i e r 虚通道标识 在一个接口上将若干个虚通路 7 重庆邮电大学硕士论文 集中起来组成一个虚通道 v p 并以虚通道为网络管理的基本单位 v p i 在u n i 中为8 比特 在n n i 中为1 2 比特 v p i 的主要功能是用于路由选 择 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 虚通路标识 标识虚通道内的虚通路 由1 6 比特组成 v p i v c i 一起标识一个虚连接 用于虚信道路由选择 p t i p a y l o a dt y p ei d e n t i f i e r 载荷类型指示 3 比特 用于指明信元中的 载荷 数据域中携带的数据 类型 p t i 的最左位也是最高有效位 它用 于表示该信元是携带用户数据还是携带操作 管理和维护 o a m 数据 当 该比特等于零时 即运载用户数据 该比特等于l 时为其它信元 在4 种 用户信元的p t i 编码中 中间比特表示信元是否经历过拥塞 该比特为0 表示未经历拥塞 如为1 表示经历拥塞 用户数据信元的p t i 编码的低位 比特用于区分a u u 的值 a u u 表示a t m 用户至a t m 用户指示 由a t m 层的上层使用 通常用来标示该信元是否为末信元 1 为末信元 0 为非 末信元 其中用户信元的信息域内容由用户确定 o a m 信元的信息域内 容有统一的规定 c l p c e l ll o s sp r i o r i t y 信元丢失优先级 1 比特 用于拥塞控制 当网 络出现拥塞时 首先抛弃c l p 等于1 的信元 h e c h e a d e re r r o rc o n t r 0 1 信元差错控制 它占用信头的第5 字节 用 来检测信头中的错误 并可以纠正信头中的1 比特差 h e c 的另一个作用 是用于信元定界 利用h e c 字段和他之前的4 字节的相关性可识别出信 头位置 h e c 的功能在物理层实现 在信元结构中 v p i 和v c i 是最重要的两部分 这两部分合起来构成了一个信 元的路由信息 也就是这个信元从哪里来 到哪里去 a t m 交换机就是根据各个 信元上的v p i v c i 来决定把它们送到哪一条线路上去 图2 2v c v p 和物理传输通道的关系 2 1 2a t m 协议参考模型 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 8 第二章a t m 基本原理 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 的协议参考模型如图2 3 所示 这个参考模型包括一个用户平面 一个 控制平面和一个管理平面 用户平面主要提供用户信息流的传输 以及相应的控 制 如流量控制 差错控制 控制平面主要是完成呼叫控制和连接控制的功能 通过处理信令来建立 管理和释放呼叫与连接 管理平面提供两种功能 即层管 理和面管理功能 面管理完成与整个系统相关的管理功能 并提供所有平面间的 协调功能 层管理完成与协议实体内的资源和参数相关的管理功能 处理与特定 的层相关的操作和管理 o a m 信息流 图2 3a t m 协议参考模型 按照i t u t 的建议 在每个面中又是分层的 分为物理层 a t m 层 丸地层 及高层 各层还可细分为几个子层 各层和子层的功能与协议参考模型的关系如 表2 1 所示 表2 1a t m 各层的功能与协议参考模型的关系 高层高层功能 c s 子层会聚功能 即将业务数据变换成c s 数据单元 a a l 层 s a r 子层 分段与重组 在此层以信元为单位对c s 数据分段或重组 通用流量控制 信头头的产生 提取 a t m 层 信元v p n c 变换 信元复用与分解 9 重庆邮电大学硕士论文 信元速率解耦 h e c 信头序列产生 检验 t c 子层信元定界 物理层 传输帧适配 传输帧产生 恢复 比特定时 p m 子层 物理媒体 下面介绍各层功能 2 1 3 物理层 物理层位于a t m 协议的最底层 主要是提供a t m 信元的传输通道 将a t m 层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流 同时在接收到物理媒介上传 来的连续比特流后 取出有效的信元传给a t m 层 a t m 的物理层包括两个子层 即物理介质子层 p m p h y s i c a lm e d i as u b l a y e r 和传输会聚 t c t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c es u b l a y e r 子层 由它们分别保证在 光 电信号级和信元级上对信元的正确传递 其中物理介质子层提供比特传输能力 对比特定时和线路编码等方面作出了规 定 并针对所采用的物理介质 如光纤 同轴电缆 双绞线等 定义其相应的特 性 传输会聚子层的主要功能有h e c 的产生和验证 信元定界 传输帧的产生 恢复与适配 主要是实现比特流和信元流之间的转换 2 1 4a t m 层 a t m 层位于物理层之上 它提供与业务类型无关的 统一的信元传送能力 该层的主要任务是产生和处理信元的信头部分 信头部分中主要的是v p i 和v c i 在始发端 它从a t m 层用户接收4 8 字节信元信息 再加上4 字节信头 h e c 字 节除外 组成a t m 信元 然后将信元传送到物理层进行h e c 处理和传输 在接收 终端 a t m 层从物理层接收信元 去除信头后将信元信息送到a t m 层用户 a t m 业务数据单元 a t m s d u 是任意的4 8 字节长的数据段 它在a t m 层中成为a t m 信元的信息部分 a t m 层的主要功能如下 1 信元的多路复用和多路分接 在传输方向 多路复接功能将a t m 信元从 各个虚信道和虚通路多路复接到一个信元流中 多路分接功能在接收方向 将接收的信元流分解为单个信元 送至各虚通路和虚信道 2 虚通路识别符 v p i 和虚信道识别符 v c d 的翻译 该功能在交换节点或交 1 0 第二章a t m 基本原理 接节点执行 每一输入信元的v p i 域值在虚通路节点被译为新的输出v p i 域值 虚通路识别符和虚信道识别符在虚信道交换节点被译为新域值 3 a t m 信头产生和提取 此功能适用于a t m 层终点 在传输方向 从a t m 适配层接收信元信息域以后 信头产生功能增加适当的信头 信头差错控制 h e c 除外 以形成a t m 信元 虚通路识别符和虚通道识别符可由业务接入 点 s a p 标识符翻译获得 与此相反 信头提取功能就是提取信头 只 将信元信息送至a t m 适配层 a a l 4 一般流量控制 g f c 该功能支持用户网的a t m 通信流量控制 它定义于 用户 网络接口 u n i 2 1 5a a l 层 a a l 是a t m 层与高层应用 包括用户面 控制面和管理面 之间的适配层 把来自高层用户通信业务转换成可以纳入a t m 信元定长字节格式 并在目的地地 址把它转换成原来的形式 可以完成不同速率和特性的业务入网适配 网络只提 供到a t m 层为止的功能 a a l 层的功能由用户本身提供 或由网络与外部的接口 提供 a a l 层分为两个子层 会聚子层 c o n v e r g e n c es u b l a y e r c s 和分割和重组子 层 s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e m b l y s a r 如下图所示 沈 鑫 弗 垂 蓑 a a l s a p 8 喽 限 醚 邻 s a r s d u 1 分段与重演予蜃i 墨 l s a r l 访 s a r p d l l a i x s i ua t 誓一s a p 图2 4a a l 分层结构 c s 子层位于a a l 的上部 与高层接口 该接口称为a a l 业务接入点 a a l s a p 完成各种与实际支持的业务有关的功能 包括时钟恢复 处理网络引 起的其它副作用 如信元丢失 网络引入的信元时延差异补偿 并负责信元分段 与组装的控制等功能 控制信息与用户信息形成会聚子层协议用户数据单元 p r o t o c o ld a t au n i t p d u 送给分割与重装子层进行处理 为了降低 也会聚子 墓 重庆邮电大学硕士论文 层的多样性 会聚子层本身又分成公共部分c p c s c o m m o np a r tc o n v e r g e n c e s u b l a y e r 和与具体业务有关的部分s s c s s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r c p c s 负责处理每一类a a l 业务中的共同特性 而s s c s 处理与具体业务有关的 特性 s a r 子层位于a a l 层的下部 与a t m 层接口 该接口称为a t m 业务接入 点 删 s a p 处理数据单元的分割与重组在发送端负责将用户信息分段成4 8 字节的净荷 并把信息段与会聚子层所增加的所有支撑信息结合起来 形成装入 a t m 信元的净信息字段中的数据块 以便通过网络进行传输 在传输的另一端 重新组装从网络上收到的信元中 恢复成在发送端分段前的形态 组装还原成原 来的信息 s a r 子层对于某些 但不是所有的 服务类来说 还有另外一些功能 特别 是 它有时候可以进行错误检测和多路复用 s a r 子层对于所有服务类都是存在 的但功能的强弱则依赖于其特定的协议 s s c s 可以为空 而c p c s 和s a r 必须 存在的 也统称为公共部分子层 c o m m o np a r ts u b l a y e r c p s a a l 用于增强a t m 层的能力 以适合各种特定业务的需要 这些业务可能是 用户业务 也可能是控制平面和管理平面所需的功能业务 a a l 层的各种应用功 能根据其业务要求和话务特性分为若干业务等级 按照高层业务是否需要时间补 偿 速率是否恒定 是否面向连接还是非面向连接这个三个特点的实际情况组合 i t u t 将a a l 业务分为4 类 如下表 表2 2a a l 业务分类 a 类b 粪c 獭 d 黉 滋与终点之鲻的定 街饕 不鬻鬟 时戈象 比特攀兹迩 掰熏 透羧方或 獗囱缆接笼遽接 各类业务的示例如下 电路仿真 固定比特率的视频业务属于a 类业务 可变比特率的视频与音频 业务属于b 类业务 面向连接数据传送属于c 类业务 无连接的数据传送属于 d 类业务 2 1 6a a l 5 简介 为了适应不同业务的需要 1 1 u t 定义了4 种类型 a a l l a a l 2 a a l 3 4 a a l 5 其中 a a l 5 是针对a a l 3 4 协议中的不足之处 如信道利用率 1 2 第二章a t m 基本原理 比较低和校验能力不够高等 a t m 论坛提出了一种新的a a l 协议 可认为是简 化了的a a l 3 a a l 4 用于比特率可变的 容许时延的 面向连接并要求少量排 序和检错功能的数据业务 它不像a a l 3 4 那样 在每个s a r p d u 协议数据单 元 上装配有头标和尾标 利用c r c 等功能对每个s a r p d u 进行差错校验 因 而增加了许多开销 a a l 5 的格式相当简单 它的s a r p d u 中既无头标也无尾 标 4 8 个字节全部用作信息的传输 它只对各个c p c s p d u 进行差错校验 因 此传输效率比a a l 3 4 高得多1 1 4 1 5 1 从l 5 提供a a lc 类业务 即连接型数据 和信令消息的传送功能 因此 随着3 g 的蓬勃发展 由于a a l 5 的高效性和简单 性特点 a a l 5 被大规模应用在控制面承载信令的接口方式中 2 1 6 1a a l 5 的业务模式 a a l 5 中定义了两种业务模式 消息模式和流模式 a 消息模式业务 m e s s a g em o d es e r v i c e 一个a a l 业务数据单元 s d u 通过一个础址接口数据单元 i d u 传递 它 提供固定或可变长度的a a l 业务数据单元传输 b 流模式业务 s t r e a m i n gm o d es e r v i c e a a l s d u 通过一个或多个丸地接口数据单元 i d u 传输 这些a a l i d u 可能在不同的时间里通过a a l 接口 它提供可变长段的a a l s d u 的传 输 对上述任何一种业务模式 a a l 5 均提供保证或不保证的两种操作过程 在保 证的操作中 所传递的a a l s d u 中内容的准确性可以得到保证 丢失或损坏的 业务特定汇聚子层协议数据单元 s s c s p d l d 必须重新传送 流量控制是强制实施 的 保证的操作通常只用于a a l 层的点到点连接 不保证的操作不保证信元不丢 失或不损坏 流量控制是可选的 不保证的操作一般用在点到多点的a a l 连接 2 1 6 2a a l 5 的内部结构和基本功能 同其它从l 相类似 从l 5 也划分为s a r 子层和c s 子层 c s 子层又划分为c p c s 和s s c s 在c p c s 层上 除了不能支持复用外 从l 5 的业务和从l 3 4 的c p c s 提 供的业务是等同的 如需要在从l 子层复用的话 将用s s c s 子层来完成 因s s c s 与特定业务有关 即随业务的不同而不同 在不需要s s c s 子层时 它也可以不存 在 且目前s s c s 子层的协议和规范还未完成 在本课题中只考虑s a r 和c p c s 这 两个子层 1 s a r 子层 s a r 将从c s 子层接收的变长 但长度为4 8 字节的整数倍 的s a r s d u 映射 到4 8 字节的s a r p d u 中 利用a t m 层的功能进行传送 下面具体说明a a l 5 的 1 3 重庆邮电大学硕士论文 s a r 子层的功能 1 维持s a r s d u 利用a t m 层信头的p t i 功能 指示构成s a r s d u 的 诸多s a r p d u 中的最后一个 即处理最后一个s a r p d u 时 将在添加 信头的p t i 的末比特位 a u u 置1 并以此来维护s a r s d u 2 拥塞信息的处理 在s a r 上层和下层 a t m 层 之间传递拥塞信息 3 1 丢失优先级信息的处理 在s a r 上层和下层 a t m 层 之间传递丢失优 先级信息 2 c p c s 子层 c p c s 子层功能包括 1 维持c p c s s d u 提供c p c s s d u 的透明传递功能 其最大长度为 6 5 5 3 5 字节 2 维持c p c s 用户一用户信息 透明传递1 个字节的c p c s 用户一用 户信息 3 差错控制 检测并处理c p c s s d u 的差错 对出错的c p c s s d u 应 当抛弃 也可作为选项交给用户处理 将出错的c p c s s d u 通知 用户时 应标识它有错 4 中止 a b o r t 在流式传输模式下 中途抛弃已送出的那部分 c p c s s d u 5 填充 使c p c s p d u 凑成4 8 字节的整数倍 6 拥塞信息处理 在c p c s 上层和c p c s 下层之间传递拥塞信息 7 丢失优先级信息的处理 在c p c s 上层和c p c s 下层之间传递丢失 优先级信息 a a l 5 的c p c s p d u 包括三部分 c p c s p d u 的净荷 p a d 和c p c s p d u 尾 c p c s p d u 帧格式如图2 5 所示 一一一 一 一一 一 c p c s p d u 一 一 图2 5a a l 5c p c s p d u 格式 1 c p c s p d u 的净荷 从上层接收的c p c s s d u 作为c p c s p d u 的净 荷 长度可为i 一6 5 5 3 5 字节 2 p a d 为填充区 为使c p c s p d u 凑成4 8 字节的整数倍 在 c p c s p d u 净荷和c p c s p d u 尾标间置入0 一4 7 字节的填充字段 1 4 第二章a t m 基本原理 它不传递消息 可任意编码 3 c p c s p d u 尾 它由c p c s u u c p i l i 和c r c 组成 其中 c p c s u u c p c s u s e r t o u s e ri n d i c a t i o n 为c p c s 用户 即c p c s 上层 间指示 它透明地传送用户至用户间的信息 具体定义由上层给出 c p i c p c sp a r ti n d i c a t i o n 为c p c s 公共部分指示 基本作用是填充 c p c s p d u 尾部 使c p c s p d u 的尾都凑成8 个字节 此时c p i 置成o 其他用法未定 l i l e n g t hi n d i c a t i o n 长度指示 以二进制数表示c p c s p d u 净荷部 分的长度 单位是字节 最多可表示6 5 5 3 5 字节 如果l i 指示为o 则表示c p c s 指示对方执行放弃操作 c r c c y c l i cr e d u n d a