第四章_ATM技术

1 4 1概述4 2ATM分层结构4 3ATM交换原理 第四章ATM交换 2 本章重点 ATM定义及特点 ATM信元结构 ATM地址 ATM协议参考模型 ATM交换原理 时分交换结构工作原理 Banya网络和Batcher网络的工作原理 路由标签和路由表的工作原理 本章难点 同步剩余时间标签SRTS原理和结构化数据传输SDT Banya网络和Batcher网络的工作原理 路由标签和路由表的工作原理 本章课时 10学时学习本章达到的目的和要求 1 掌握ATM的定义及特点 掌握ATM信元结构和类型 掌握ATM地址结构及各部分的意义 理解ATM网络业务量参数的定义及业务类型 2 掌握B ISDN ATM的协议参考模型及各面各层功能 了解AAL的功能 掌握AAL层业务分类及适配分类 了解AAL1 AAL3 4和AAL5协议数据单元的格式 掌握AAL3 4与AAL5的异同点 3 掌握ATM交换原理和ATM交换机的组成与工作原理 理解各种交换结构的类型及其工作原理 了解ATM交换网络的路由选择方式 理解路由标签和路由表的工作原理 3 ATM诞生的背景在电话网中 呼叫一旦建立起来 通信的双方以64kb s的速率独自占有该连接 这种独占性使得话音或数据信息传递的实时性非常好 但由于用户的独占性 大大影响了设备资源的利用率 即使通信的双方无话音或者数据传递 也不能供其它用户使用该带宽 另一方面 电路交换不适合速率变化很大的数据通信业务 4 ATM诞生的背景 在分组交换通信网中 信息的传递都是以分组为单位进行传输 复接和交换的 分组交换一方面采用统计复用方法提高带宽的利用率 另一方面为了保证数据传递的可靠性 在数据链路层采用逐段转发 差错校正的控制措施 这种控制措施保证了数据的正确传递 但同时也致使传输数据产生附加的随机时延 5 随着通信技术和通信业务需求的发展 电信网络必须向宽带综合业务数字网 B ISDN 方向发展 这就要求通信网络和交换设备既要容纳非实时性的数据业务 又要容纳实时性的电话和电视信号业务 还要考虑到满足突发性强 瞬时业务量大以及业务通信速率可变的要求 在这样的通信业务条件下 传统的电路交换和分组交换都不能胜任 一种新的传送模式 异步传送模式 出现了 异步传送模式是相对传统电路交换采用的同步传送模式STM SynchronousTransferMode 而言的 同步传送模式的主要特征是采用了时分复用技术 各路信号都是按一定时间间隔周期性出现的 可根据时间识别每路信号 异步传送模式则采用统计时分复用 各路信号不是按照一定时间间隔周期性出现的 要根据标志来识别每路信号 采用该传送模式后 大大提高了网络资源的利用率 6 4 1概述 4 1 1ATM交换基本概念一 定义ATM的具体定义为 ATM是一种传送模式 在这一模式中用户信息被组织成固定长度的信元 信元随机占用信道资源 也就是说 信元不按照一定时间间隔周期性地出现 从这个意义上来看 这种传送模式是异步的 统计时分复用也叫异步时分复用 ATM的信元具有固定的长度 从传输效率 时延及系统实现的复杂性考虑 ITU T规定ATM的信元长度为53字节数据传送效率高 带宽可达25Mbps 625Mbps ITU T在I 113建议中定义为 ATM是一种传递模式 在这一模式中 信息被组成信元 Cell 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 7 传递模式 是指电信网所采用的复用 交换 传输技术 即信息从一个地点 传递 到另一个地点所采用的传递方式 信元 是ATM所特有的分组 语音 数据 视像等所有的数字信息被分成长度一定的数据块 异步 主要是指异步时分复用 即要传送的信元不必周期地出现 这与同步时分复用STM不同 STM的信息是以它在一帧中的时间位置 时隙 来区分的 一个时隙对应一条信道 并总是周期的出现 而ATM的信元在传输线上不与固定时隙对应 信息和它在时域中的位置无关 其信息按信头中的标志来区分 即信道是动态占用的 8 ATM是一种涉及信息的复用 交换和传输的技术 其特点较多 本节就其主要特点作简单介绍 1 以固定信元为基本单位 信元长度小 时延小 实时性好2 异步时分复用和异步交换 动态占用 按信头提取 优点 线路利用率高 业务范围广 用光纤传输弥补了速度问题 用高速处理减小了时延 3 电路交换和分组交换的综合 采用面向连接并预约传输资源的方式工作 共享信道 固定分组 信元 协议简单4 保证服务质量 QoS 这是ATM具有的一项特有的优点5 采用统计时分复用方式 按需分配带宽提供流量控制和拥塞控制 广泛地应用 二 特点 9 ATM是B ISDN的基础 它可以作为高速骨干网连接各种现有网络 包括电话网 数据网 有线电视网CATV等 ATM承载的是宽带综合业务 包括电话业务 数据业务 图像业务 视频业务等 ATM既能适应语音信号时延特性 又能适应数据信号的误码特性 也能适应图像信号的时延和误码两种特性 ATM既支持面向连接业务也支持无连接业务 面向连接指先建立端到端的通路后再传送信息 无连接指不需建立端到端的通路就可传送信息 ATM既能传送低速信号 也能传送高速信号 它具有多种速率接口 目前ATM能提供从2 622Mb s不同等级速率的接口 ATM应用 10 ATM交换是一种融合电路交换和分组交换的优点而形成的一种新型交换技术 但它对电路交换和分组交换并不是简单地继承 而是有所摒弃和发展 电路交换的要点是面向连接 在通信时需要先建立连接 在通信过程中独占一个信道 优点是实时性高 时延和时延抖动都较小 缺点是信道利用率低 且传输速率单一 电路交换主要适用于话音和视频这类实时性强的业务 分组交换的要点是信息分组 存储 转发 共享信道 优点是传输灵活 信道利用率高 缺点是协议和设备复杂 由此产生的时延和时延抖动大 分组交换主要用于数据传输 ATM交换的要点是虚连接 共享信道 固定分组 信元 协议简单 ATM与其它交换技术的关系 11 对于电路交换而言 ATM采用虚连接 继承了电路交换实时性高 时延和时延抖动较小的优点 不独占信道 摒弃了电路交换信道利用率低和不适于突发业务的缺点 ATM是面向连接的 采用类似于电路交换的呼叫连接控制方式 在呼叫建立时 交换机为用户在发送端和接收端之间建立起虚通路 用户双方可直接传递信息 保证了实时性 当信道无信息传送时 虚通路可为其它用户使用 对于分组交换而言 ATM采用固定分组和存储 转发 吸取了分组交换信息分组和存储 转发带来的传输灵活 信道利用率高的优点 ATM用简单协议摒弃了分组交换协议复杂 时延大的缺点 由于ATM的传输线路质量高 差错控制不需要逐段进行 只需要提供端到端的服务质量保证 因而简化了分组交换中的许多通信规程 取消了反馈重发及局间转接时的差错控制和流量控制 只对信头部分检错 从而降低了处理时间 大大提高了传输速度 增加了网络的吞吐量 保证了交换机的实时性 ATM与其它交换技术的关系 12 4 1 2ATM信元 13 下面介绍ATM信元中各域的意义及它们在ATM网络中的作用 l GFC 一般流量控制 GFC占4bit 是UNI信头中第一字节的高4位 GFC域未使用时 缺省值为全0 GFC机制帮助控制ATM连接流量 对消除网络中常见的短期过载现象十分有效 具体的GFC功能在ITU TI 150建议中规定 ATM信头结构 14 2 VPI VCI 虚通道 虚信道标识符 在ATM网络中 由于信头中只有5字节 不可能把全部地址信息放入信头中 因此采用标识符 VPI VCI 代替具体地址的方法 在ATM中的呼叫由VPI和VCI共同决定 且唯一确定 1 虚通道标识符 VPI 在UNI UserNetworkInterface 用户网络接口 信元中 VPI域占8bit 位于信头中第一字节的低4位以及第二字节的高4位 可以标识256条虚通道 在NNI NetworkNetworkInterface 网络网络接口 信元中 VPI域占12bit 覆盖了GFC域 位于信头中第一字节和第二字节的高4位 可以标识4096条虚通道 ATM信头结构 15 图4 2VP VC与传输线路的关系 16 虚连接 虚连接是通过ATM网络在端到端用户之间建立一条速率可变的 全双工的 由固定长度的信元流构成的连接 该连接由虚信道 虚通道组成 通过VCI和VPI进行标识 VCI标识可动态分配的连接 VPI标识可静态分配的连接 VCI VPI在虚连接的每段链路上具有局部意义 17 2 虚信道标识符 VCI B ISDN的UNI和NNI信元中 VCI域都为16位 占第二字节的低4位 第三字节以及第四字节的高4位 VCI域用于标识ATM虚信道 最多可标识65536条虚信道 VCI和VPI结合 可在UNI信元中标识16177216条连接 在NNI信元中标识268435456条连接 VCI域也可以使用预定义值 未定义值为0 ATM论坛 规范规定 VCI值从第四字节第5位开始连续分配 未分配值为0 VCI 0 15用于ATM管理功能 VCI 16留作临时本地管理接口ILMI InterimLocalManagementInterface VCI 17 31预留给其它一些功能 其余的VCI值用户才可使用 因为每一个连接都与VPI和VCI相关 所以用户可以使用的第一个连接是VPI l VCI 32 ATM信头结构 18 ATM信头结构 3 PTI 净荷类型指示 PTI占3bit 位于信头第四字节的第2位到第4位 用于指明同一虚信道上信元净荷的信息是用户信息还是网络控制信息 对于用户信息信元 ATM层一般先将信头剥离 再上交给ATM适配层 AAL 对于网络控制信息信元 将启动相应的管理功能进行处理 PTI的第1位用于指明信元净荷的信息是用户信息还是网络控制信息 如果是用户信息 那么第2位为阻塞指示 表示信元在传输的过程中是否经历过阻塞 第3位为ATM用户到用户指示 AUUI 指明ATM的用户之间交换的信息 如果是网络控制信息 那么后两位表示传输数据的类型 具体定义如表4 5所示 19 ATM信头结构 表4 5ATM信元头部PTI值的含义 20 ATM信头结构 4 CLP 信元丢失优先级 CLP只有一位 位于信头第四字节的最低位 指示在网络发生拥塞时该信元被丢弃的优先级 高优先级信元CLP 0 低优先级信元CLP l 对于高优先级信元 网络应分配足够的资源来保证其可靠地按时到达 对于低优先级信元 在发生拥塞时可以被丢弃 一般来讲 具有恒定速率的信元应赋予高优先级 对于一些在一段短时间内有较高峰值速率的可变比特率服务 在这段时间内 信元也应赋予高优先级 21 ATM信头结构 5 HEC 信头差错控制 HEC域为8bit 占信头的第五个字节 它采用8位循环冗余编码方式 只检测信头的错误 而不检测48字节的净荷域 22 ATM地址由ATM论坛根据开放系统互连OSI的网络服务访问点NSAP格式定义了ATM专用UNI的ATM地址 它采用20个字节 用40个十六进制数表示 在ATM中 地址是呼叫建立过程中通过UNI信令确定的 然后据此寻找合适的路由 并建立VC 虚连接 虚连接由一系列VPI VCI路由构成 并用VPI VCI标识 ATM地址由三部分组成 lAFI 授权和格式标识符 用于指出起始域标识符 IDI 的类型和格式 指明地址命名方式 lIDI 起始域标识符 指明地址的位置和管理权限lDSP 域特定部分 指明专用网UNI的识别信息 4 1 3ATM地址 23 ATM地址有三种格式lDCC格式 数据国家编码 表明特定的国家 由国际标准化组织ISO3166规定 由每个国家的ISO成员管理 即按国家分配的地址ICD 国际代码指示 表明特定的国际组织 由国际标准化组织ISO6523分配 由英国标准协会管理 即按国际组织分配地址E 164格式 国际ISDN号码 由ITU T建议E 164 I 331 规定 即按传统电话分配地址 24 ATM地址三种格式 25 ATM地址格式内容详细说明lAFI 授权和格式标识符 指明地址命名方式 1字节 2位十六进制数 AFI 39 为DCC格式 AFI 47 为ICD格式 AFI 45 为E 164格式 lDCC 数据国家编码 指明特定国家 2字节 lICD 代码指示 指明某一国际组织 2字节 lDFI 域特定部分格式标识符 1字节 指明在DSP其它部分的结构 语法 管理要求 lAA 管理机构 3字节 供给ATM管理 生产的厂商或业主 lRSVD 保留 2字节 供发展用 目前全为 0 lRD 路由选择域 2字节 表示进行路由选择的特定地区 lAREA 区域 2字节 制定RD内的一个特定的区域 类似电话网中的区号 ESI 端系统标识符 6字节 为48bitMAC地址 与lan地址兼容 SEL 选择标识 1字节 用于终端站内多路复用 26 ATM的地址注册在呼叫建立过程中终端系统和ATM交换机之间 UNI 通过过渡性本地管理接口 ILMI InterimLocalManagementInterface 协议完成地址注册 注册过程如下图所示 1 ATM终端系统通知ATM交换机自己的MAC地址ESI 2 如果正常 ATM发回包含ATM地址的其余部分 包括ATM交换机MAC 的响应包 27 4 1 4ATM网络业务量参数及业务类型ATM网络能够同时处理话音 数据及图象等业务 这些不同的业务有不同的性质 业务量参数用于定量地表示ATM网络的业务质量QoS 一 基本业务量参数ATM中规定了以下几个基本的业务量参数 1 峰值信元速率PCRPCR表示一个ATM连接 VPC或VCC 上信元传输的最高速率 ATM连接的通信速率用单位时间传送的信元数表示 PCR由ITU T定义为 PCR为发送信元的时间间隔T的最小值的倒数 单位为信元 秒 即 PCR 1 T 2 可维持信元速率SCRSCR表示一段时间内测量到的信元平均速率 SCR由ATM论坛定义为 SCR为发送信元的平均时间间隔Ts的倒数 单位为信元 秒 即 SCR 1 Ts 由于Ts肯定大于T 所以SCR比PCR小 28 3 最小信元速率MCRMCR是一个在端用户与网络之间可以协商的速率 表示一个ATM连接 VPC或VCC 上保证传输质量的信元传输速率 MCR由ATM论坛AF TM 0121定义 单位为信元 秒 MCR采用连接控制信令进行协商 MCR值可以从0一直到网络允许的最大速率ACR AllowedCellRate 这个最大速率也可以是0 如果主叫端用户没有指定MCR 则MCR缺省值为0 若主叫端用户指定MCR 0 则该用户可以大于MCR而小于ACR的速率发送信元 29 4 信元丢失率CLR没有到达目的地的信元称为丢失信元 信元丢失率是丢失信元数与源端发送信元总数之比 即CLR 丢失信元 总传输信元 信元丢失发生的原因可能有如下几个 第一 信头中发生多比特错误 则ATM信头中的信头差错控制HEC检查出该错误就丢弃该信元 第二 ATM交换机过载或缓冲器溢出时 交换机将丢弃CLP 1的信元 第三 由网络管理功能监视用户违反流量约定时丢弃超过规定的信元 总之 信元丢失率是由于信元错误或网络拥塞而造成的丢失信元与源端发送信元总数的百分比 ITU TI 356建议CLR的计算公式为 式中Nr为接收端收到的信元数 Nt为发送端发送的总信元数 30 5 信元误插率CMR在一个连接中 由于信头检测出错而将信元错插到另一个连接上产生的错误叫信元误插 由于被误插信元独立于对应连接上所收到的传输信元 所以信元误插率用速率 rate 而不用比率 ratio 来定义 信元误插率定义为单位给定时间内被误插的信元数 即CMR 31 6 信元传输时延CTD信元传输时延CTD指信元从源端发送信息开始经过信息编码 信息打包成信元 信元传输 信元交换到接收端的信元拆装和信息解码一系列网络设备所带来的时间延迟 CDT定义为信元在发源地的发送时刻t0与该信元在目的地的接收时刻t1之差 即D t1 t0 造成时延的因素有多种 主要分为传递时延Dt 由传输媒体 传输设备等造成 和处理时延Dp 由终端 交换机等设备造成 不同的业务对时延的要求不同 对于话音和图像等实时业务 端到端的时延要求较高 如ITU T规定话音业务中的端到端时延不应大于25ms 32 7 信元时延变化容限CDVT 信元时延变化CDV指一组信元通过网络传送到目的地的时间差别 一般来说 每个信元的时延不一定相同 CDV就是最大时延DM与最小时延Dm之差 也称为时延抖动 CDVT表示能容许的CDV 即容许信元传送间隔T的变化范围 CDVT在UNI NNI上被分配给某一特定的VPC VCC 它代表了在该接口上对VPC VCC信元组合现象的一种定量的测定 33 8 突发容限BT 固有突发容限IBT sBT表示容许信元速率波动的时间范围 常被记为 s BT是ATM论坛的称谓 IBT是ITU T的称谓 s是相对于可维持信元速率SCR并根据算法GCRA Ts s 定义的 它决定了能够以PCR连续发送的最大突发长度MBS 9 最大突发长度MBSMBS是在PCR下发送的最大信元个数 参见图4 5 当连续发送的信元超过该数值时 必须以SCR速率传送 能够以PCR连续发送的最大突发长度MBS由下式决定 MBS 1 s Ts T 式中 T 1 PCR Ts 1 SCR MBS表示最大突发长度 34 二 ATM业务类型 恒定比特率CBR DBR 带宽固定 时延小和时延变化小 用PCR参数衡量 适用于 交互型或分配型的语音 视频通信等业务可变比特率VBR SBR 预先分配带宽 VBR又分为实时VBR和非实时VBR实时VBR 对时延和时延变化要求比较高 对信元丢失要求较低 接近于CBR 但更适合于统计复用技术采用 非实时VBR 对信元丢失率要求比较高 对时间参数要求比较低 主要用于交互事务处理业务 VBR一般可用PCR SCR MBS三个参数衡量 35 二 ATM业务类型 未指定比特率UBR 带宽 时延和时延变化无要求 无承诺 不发送拥塞反馈信号 利用网络剩余资源传输 费用低 适用 文本 数据 图像的消息发布 分配 检索等有效比特率ABR 带宽 时延和时延变化也无要求 无承诺 发送拥塞反馈信号适用 包括UBR应用 分布式文件服务 远端程序调用等 用户终端提出PCR和MCR 最小信元速率 保证帧速率GFR 标记帧的信元CLP 1可以成帧处理 保证速率不低于MCR 帧速率 可高于MCR 适用 UBR应用 帧中继 36 三 永久虚连接PVC和交换虚连接SVC 永久虚连接PVC 通过网管操作建立的一条永久连接 即网络设备中的VPI VCI表由网络管理员设置和更新 交换虚连接SVC 通过信令动态建立的可交换的连接 即网络设备中的VPI VCI表通过信令动态地建立与分配 37 4 2ATM分层结构 在ITU T的I 321建议中定义了B ISDN协议参考模型包括三个面 用户面 控制面和管理面 用户面 控制面都是分层的 分为物理层 ATM层 AAL层和高层 ATM分层结构 38 B ISDN协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能 用户平面 采用分层结构 提供用户信息流的传送 同时也具有一定的控制功能 如流量控制 差错控制等 控制平面 采用分层结构 完成呼叫控制和连接控制功能 利用信令进行呼叫和连接的建立 监视和释放 管理平面 包括层管理和面管理 层管理采用分层结构 完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能 同时层管理还处理与各层相关的OAM信息流 面管理不分层 它完成与整个系统相关的管理功能 并对所有平面起协调作用 39 B ISDN协议参考模型中的各层的功能 协议参考模型中 从下到上分别是 物理层PHY ATM层 ATM适配层和高层 用户面和控制面在高层和AAL层是分开的 在ATM层和物理层采用相同的方式处理信息 40 B ISDN协议参考模型中的各层的功能 41 1 物理层物理层主要是提供ATM信元的传输通道 将ATM层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流 同时 在接收到物理介质上传来的连续比特流后 取出有效的信元传给ATM层 物理层要实现的功能有5点 1 提供与传输介质有关的机械 电气接口 2 从接收波形中恢复定时 B ISDN协议参考模型中的各层的功能 42 3 提供ATM层信元流和物理层传输流之间的映射关系 包括传输结构的生成 恢复及传输结构的适配 4 从物理层比特流中找出信元的起始边界 信元定界 5 一般情况下 从ATM层中来的信元流速率低于物理层提供的用来传输信元流的净荷速率 因此 物理层还要插入空闲信元 以使两者适配 同时 接收时还要扣去这些空闲信元 B ISDN协议参考模型中的各层的功能 43 2 ATM层ATM层在物理层之上 利用物理层提供的服务 与对等层之间进行以信元为信息单位的通信 ATM层与物理介质的类型以及物理层的具体实现是无关的 与具体传送的业务类型也是无关的 各种不同的业务经AAL适配后形成固定长度的分组 ATM层利用异步时分复接技术合成信元流 B ISDN协议参考模型中的各层的功能 44 3 ATM适配层ATM适配层AAL ATMAdaptationLayer 位于ATM层的上层 这一层是和业务类别相关的 即针对不同的业务类别 其处理方法不尽相同 但都要将上层传来的信息流 长度 速率各异 分割成48字节长的ATM SDU传给ATM层 同时 将ATM层传来的业务数据单元ATM SDU组装 恢复再传递给上层 由于上层的信息种类繁多 AAL层处理比较复杂 因此分了两个子层 汇聚子层CS ConvergenceSublayer 和拆装子层SAR SegmentationandReassembly B ISDN协议参考模型中的各层的功能 45 4 高层高层信息包括用户面的高层和控制面的高层 控制面的高层是信令协议 考虑到与N ISDN的兼容 ITU T对N ISDN的信令协议Q 931和ISUP做了修改 制定了Q 2931和B ISUP B ISDN协议参考模型中的各层的功能 46 4 2 1物理层物理层为ATM提供两种功能 一种是传送有效信元 另一种是传送定时信息 以实现较高层的服务 ATM的物理层包括两个子层 即物理介质子层PM PhysicalMedia 和传输会聚TC TransmissionCoverage 子层 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是实现比特流和信元流之间的转换 47 一 物理介质子层 1 物理介质子层提供的物理接口ITU T和 ATM论坛 将物理接口分为三类 即基于SDH 基于信元和基于PDH的接口 下面进行简要介绍 1 ITU T制定的接口标准ITU T建议书I 432定义了两个基于光纤同步数字系列 SDH 的物理接口 分别为 速率为155 52Mb s的STM 1 速率为622 08Mb s的STM 4 ITU T还定义了下列电气和物理接口速率标准 见表4 2 48 一 物理介质子层PM 表4 2ITU T定义物理接口速率标准 49 一 物理介质子层 2 ATM论坛 制定的接口标准 ATM论坛 定义了4个物理层接口速率 其中两个适用于公用网 分别对应于ANSI和ITU T定义的DS3和STS 3C速率 下面是用于专用网的3个接口速率和介质 基于FDDI的100Mb s速率 基于光纤信道的155 52Mb s速率 基于屏蔽双绞线的155 52Mb s速率 50 一 物理介质子层 3 ANSI制定的接口标准 51 ATMUNI物理层接口 52 一 物理介质子层 2 比特定时和线路编码正常工作模式下 发送端时钟锁定在接口处收到的基准时钟上 在基于信元的传输系统或网络供给时钟出错时 可以采用独立时钟工作模式 即时钟由用户本地设备供给 此时时钟允许偏差为2 10 6对线路码 G 703建议规定155Mb s电接口采用CMI CodeMarkInversion 码 光接口采用不归零码 光纤线路编码采用4B 5B 100Mb s 8B 10B 155Mb s 码 53 二 传输会聚子层 TC 传输汇聚子层的功能 传输帧适配 信元速率耦合 信元定界 HEC控制 扰码等 1 传输帧适配传输帧适配就是完成ATM信元与物理介质上传送的特定格式 比如SDH PDH或其它帧格式 的比特流之间的转换 在发送端 传输汇聚子层将信元映射成时分复用的帧格式 在接收端 将信元从接收的比特流中分离出来 54 二 传输会聚子层 TC 2 信元速率耦合信元速率耦合即速度匹配功能 为了使信元流适应于物理介质上传输的比特率 我们引入空信元 idlecell 的概念 空信元在发送端插入和在接收端删除称为信元速率耦合 空信元由信头的标准模式确定 如图4 4所示 空信元净荷域中的每个字节都用01101010填充 空信元的格式 55 二 传输会聚子层 TC 3 信元差错控制信元最后一个字节设置为HEC字段 它的功能是检测多比特错误 纠正单比特错误 HEC是利用生成多项式 x8 x2 x 1 对信头前4个字节进行除法运算 将其余数与01010101模2加后所得到的值 在接收端 利用这一算法即可检测出多比特误码 纠正单比特误码 56 二 传输会聚子层 TC 4 信元定界信元定界就是在比特流中确定一个信元的开始 信元定界的方法是基于信头的前4个字节与HEC字段的关系来设计的 如果在比特流中连续的5个字节满足HEC字段产生的算法 即认为是某个信元的开始 图4 5表示了信元定界的过程 信元定界开始时处于捕捉状态 此时进行比特搜索 一旦发现5个字节之间存在HEC关系 就进入预同步状态 然后进行逐信元验证 如果发现有连续 次正确的HEC关系存在 则认为进入同步状态 一旦发现错误的HEC 则返回捕捉状态 在同步状态 如果发现连续 次不正确的HEC关系 则认为失去定界并返回捕捉状态 ITU T规定 对基于SDH的信元定界 7 6 对基于信元方式的定界 7 8 57 二 传输会聚子层 TC 4 信元定界 图4 5信元定界流程图 58 二 传输会聚子层 TC 5 扰码为了增强用HEC字节对信元进行定界算法的安全性 同时使信元的信息字段假冒信头的概率减至最低 需要通过扰码增强信元流净荷字段中数据的随机性 ITU T建议通过扰码使信元中的数据随机化 59 4 2 2ATM层功能 1 基本流量控制 用户终端 2 信头产生与提取 用户终端 3 信元复用和分用 用户终端 4 信元VPI VCI转换 交换机 5 处理净荷类型 用户终端 交换机 6 保证服务质量 用户终端 交换机 60 一 ATM层功能的实现 主要由信头实现1 用户终端 核心功能 信头产生与提取 1 基本流量控制 GFC功能 2 信元的复接与分接 VPI VCI功能 发送端分配相同的VPI VCI 接收端识别信头中的VPI与VCI值 3 指示净荷类型 PT功能 发送端填写PT或接收端检查PT PT编码的意义参见下图和表 4 保证一定的服务质量 CLP功能 发送端填写CLP域 61 62 2 交换机 核心功能 VPI VCI变换 1 信元VPI VCI转换 VPI VCI 2 净荷类型处理 PT 处理PT 用户信息直接传送 网络管理信息 交送管理实体 3 保证一定的服务质量 CLP 检查CLP值 根据CLP对信元进行优先级管理 63 OSI三种类型数据单元关系 三种类型数据单元为 服务 业务 数据单元SDU 协议数据单元PDU 接口数据单元IDU SDU指的是第n层待传送和处理的数据单元 PDU指的是同等层水平方向传送的数据单元 它通常是将SDU分成若干段 每一段加上报头 作为单独协议数据单元PDU在水平方向上传送 IDU指的是在相邻层接口间传送的数据单元 它是由SDU和一些控制信息组成 64 ATM相邻层通信 服务数据单元SDU相邻层实体间传递的信息的数据单元协议数据单元PDU对等层实体间的的通信数据单元接口数据单元IDU相邻层通过服务访问点一次交互信息的数据单元 65 原语 primitive primitiveoratomicaction是由若干多机器指令构成的完成某种特定功能的一段程序 具有不可分割性 即原语的执行必须是连续的 在执行过程中不允许被中断 不同层次之间对话的语言称为原语 即不同层之间通过原语来实现信息交换 原语分为四类 请求 Req 型原语证实 Cfm 型原语指示 Ind 型原语响应 Res 型原语 66 原语 primitive 请求原语 request 由 N 1 实体发往 N 实体 表示 N 1 实体请求 N 实体提供指定N服务 指示原语 indication 由 N 实体发往 N 1 实体 用以通知 N 1 实体发生的事情 响应原语 response 由 N 1 实体发往 N 实体 表示对 N 实体最近一次送来指示的响应 证实原语 confirm 由 N 实体发往 N 1 实体 表示该 N 1 实体完成服务 图4 11给出了这几个原语的示意 67 图4 11原语示意图 68 ATM层与AAL层交互的原语有请求原语和指示原语 1 ATM DATA Request ATM SDU AUU SLP CI 由AAL层送给ATM层 表示请求ATM层通过一条ATM连接将一个本地AAL实体产生的ATM SDU传送到其对等实体去 此原语中包含的4个参数意义为 ATM SDU ATM服务数据单元 此参数包括48字节数据 即AAL PDU 在对等的AAL实体间透明传送 AUU ATM User to ATM User ATM用户至ATM用户指示 此参数用于对等AAL实体间的控制 ATM层仅对其透明传送 SLP SubmittedLossPriority 提交的丢弃优先级 此参数给出请求传送ATM SDU的相对重要性 它仅能取两种值以区分优先级的高低 CI CongestionIndication 拥塞指示 此参数表示ATM SDU在传送途中是否经历过发生拥塞的节点 本参数为可选项 69 ATM层与AAL层交互的原语有请求原语和指示原语 2 ATM DATA Indication ATM SDU AUU SLP CI 由ATM层发送给AAL层 表示在某条ATM连接上接收到一个ATM SDU 此原语中包含的参数的意义与request原语中的意义相同 只是其参数CI为必选项 70 二 ATM层工作过程1 用户终端a 发送端 收到AAL送来的ATM DATA req 读取ATM SDU 生成信头 包括 VPI VCISLP CLPAUU CI PT 组装成信头 ATM SDU 构成信元 即为ATM PDU 向物理层发PHY DATA request 以ATM PDU作其中的参数PHY SDU b 接收端收到PHY DATA ind 读取PHY SDU 分离信头包括 根据VPI VCI 识别连接 确定连接端点地址 根据PT 产生AUU CI等参数 向AAL发ATM DATA ind 以净荷作ATM SDU 71 发送端ATM层工作过程 72 2 交换节点接收PHY DATA ind 信头变换 包括 识别VPI 生成新VPI识别VCI 生成新VCI处理CLP PT 向物理层发PHY DATA req 以变换后的输出信元作为PHY SDU参数 73 交换节点ATM层工作过程 74 4 2 3ATM适配层AAL一 AAL概述AAL的主要功能是将来自高层的协议数据单元 PDU 先映射为AAL的服务数据单元 SDU 然后映射成48字节的信元净荷负载 以达到为不同要求的用户提供特定的服务的目的 保证ATM层与业务类型无关 同时还要将从ATM层上传的信元净荷进行相反的操作 映射成高层的协议数据单元 1 AAL功能 各种业务ATM信元 终端功能 2 AAL层业务分类 全面分析各类业务的特性 可以将AAL业务分成A B C D四类 分类依据主要有三个基本参数 75 分类依据三个主要基本参数 76 AAL一般功能 77 AAL还提供如下服务 1 处理信元的丢失 误传 向高层用户提供透明的顺序传输 2 处理信元的延迟变化 使连续发送的信元在网络中的延迟尽量保持一致 即使延迟抖动达到最小 3 差错处理 ATM层只对信头进行纠错 由AAL对信元净荷进行差错控制 4 在接收端恢复源端定时信息 保证信息以源端的比特率向高层递交 5 层管理实体功能 启动和控制对ATM的连接请求 协调递交给ATM层的用户数据和控制信息 78 3 AAL类型AAL1 A类AAL2 B类AAL3 4 C D类AAL5 C D类 简化的AAL3 4 79 3 AAL类型 80 4 AAL层结构 对于数据传输的CS子层又可进一步划分为 公共部分会聚子层CPCS和业务特定会聚子层SSCS 对于连接型业务又将SSCS划分为业务特定协调功能SSCF和业务特定面向连接协议SSCOP 81 AAL主要分为两层 分段和重装子层SAR 将用户信息分割成48字节的信元净荷或将信元净荷重组成用户信息 会聚子层CS 对来自高层的不同业务接入点的业务进行处理 不同类型的AAL的CS结构又有所不同 对于数据传输的CS子层又可进一步划分为公共部分会聚子层CPCS和业务特定会聚子层SSCS 对于连接型业务又将SSCS划分为业务特定协调功能SSCF和业务特定面向连接协议SSCOP 82 5 AAL协议数据单元AAL协议数据单元主要有三种 AAL SDU AAL业务数据单元 即为高层用户信息 不定长 CS PDU CS协议数据单元 CS PDU AAL SDU CS控制头尾 不定长 SAR PDU SAR协议数据单元 SAR PDU 拆装的CS PDU SAR控制头尾 48字节 83 AAL协议数据单元 84 二 AAL1技术 AAL1适配A类业务 它支持在源端和终端存在定时关系 固定比特率且面向连接的业务 如电路仿真业务和未经压缩的视频信息 1 AAL1分层结构及功能 85 2 AAL1协议数据单元AAL1CS PDU 用户信息 不定长 直接将AAL SDU作为AAL1的CS PDU AAL1SAR PDU 1B的控制信息 PCI 47字节的用户信息 AAL1的SAR PDU格式 86 1 SN 序号字段 4bit 用来检测信元的丢失和误插 SN又分为两个子字段 lCSI CS标识 1bit 它具有控制信息的作用 用于传输CS子层之间的信息 当序号计数为偶数 SC 0 2 4 6 时 用于指示有无指针 是否为结构化数据 或指示矩阵起始位置 用于差错控制校正 当用于结构化数据时 CSI 1表示有指针 CSI 0时表示无指针 序号计数为奇数 SC 1 3 5 7 时 用于同步剩余时间标签法中传送剩余时间标签RTSSC 序列计数 3bit 以模8循环 0 7重复使用 2 SNP 序号保护字段 4bit 用于对SN字段进行差错校验和纠错 它实现了二级保护 SNP又分为两个子字段 CRC 循环冗余校验 3bit 第一级保护 P 保护位 也称奇偶校验位 1bit 对SN CRC7bit进行偶校验编码 第二级保护 87 3 AAL1SAR功能与实现 1 用户数据的分段和重装 2 丢失和误插信元处理 SC字段功能 3 对序号字段进行二级保护 SNP字段功能 SAR的拆装过程 88 3 AAL1SAR功能与实现 发送时 SAR子层从CS子层接收CS PDU 然后在CS PDU上加上一些控制信息 SAR PDU头 构成SAR PDU 再将48字节的SAR PDU下传给ATM层 接收时 SAR子层接收上传的ATM层信元的有效净荷 并进行处理 构成SAR SDU 作为CS PDU送到CS子层 所以SAR子层的主要功能是对顺序传送的数据块增加一个序号字段 SAR PDU头中 也叫SAR PCI 协议控制信息 89 4 AAL1CS功能与实现 1 信息延迟抖动处理 采用缓冲区的方法 当缓冲区溢出时 丢弃多余的比特 当缓冲区不满时 在信息流中插入一个特定的比特组成的信元 采用先进先出FIFO缓冲器 90 4 AAL1CS功能与实现 2 定时信息传送AAL1规定了两种方法实现业务时钟的同步 一种叫做同步剩余时间标签 SRTS 法 在这种方法中 发送端将应用业务时钟和网络标准时钟比值的偏差值 即剩余时间标签 通过CI域传送到接收端 剩余时间标签用4bit传送 这种定时信息的传送方式要求收发双方都具有非常精准的网络标准时钟 另外一种方法为自适应时钟法 实现方法是在接收端设置一个缓冲区 存放收到的数据 以发送方业务时钟写入 接收方业务时钟读出 根据缓冲区中数据的多少 便可以间接地知道接收方时钟和发送方时钟的偏差 并依次调整接收方式 使之与发送方时钟同步 91 通信系统常用定时信息传送方法 全局网络时钟法 源端 终端采用同一时钟 优 实现简单 同步精度高 缺 需要提供一个全局网络参考时钟 比较昂贵 自适应时钟恢复法 源端 终端采用独立时钟 无网络参考时钟 用于无共同参考时钟的系统或专用网络中 优 经济 无传输开销 缺 同步时间较长 同步剩余时间标签SRTS 源端 终端采用独立时钟 具有网络参考时钟 优 同步较快 效果较好 92 3 结构信息的传送 SDT 在AAL1中 可以传送具有某种结构的数据流的结构信息 如8kHz的帧结构业务 结构信息的传送是通过将SAR PDU的负荷区分为两种格式来实现的 其中一种是47字节负荷区全部为用户信息 即47字节的AAL1的用户信息 另一种是47字节负荷区只有46字节的AAL用户信息 另外1字节作为指针域传送结构信息 这两种格式分别称为非P格式和P格式 P格式中的指针用于指示用户信息结构的起始位置 8bit指针域的第lbit保留 其它7bit用于存放位置信息 同时用CI指明SAR PDU是P格式 CSI l 还是非P格式 CSI 0 为了防止和时钟信息传送发生矛盾 AAL1规定只允许偶数编号数据块传送结构信息 93 结构化数据传输SDT协议数据单元结构 SAR PDU的指针格式和非指针格式 94 三 AAL 2AAL1是针对简单的 面向连接的实时数据流而设计的 除了具有对丢失和错插信元的检测机制外 它没有错误检测功能 对于单纯的未经压缩的音频或视频数据 或者其中偶尔有一些较重要的其它数据流都没有什么问题 AAL1就已经足够了 对于压缩的音频或视频数据 数据传输速率随时间会有很大的变化 例如 很多压缩方案在传送视频数据时 先周期性地发送完整的视频数据 然后只发送相邻顺序帧之间的差别 最后再发送完整的一帧 当镜头静止不动并且没有东西发生移动时 则差别帧很小 同时 必须要保留报文分界 以便能区分出下一个满帧的开始位置 甚至在出现丢失信元或坏数据时也是如此 由于这些原因 需要一种更完善的协议 AAL2就是为完成这一目的而设计的 95 三 AAL 2AAL2是一种全新的AAL适配层 它的设计思想是将用户信息进行分组 即分成若干的长度可变的微信元 再将其适配到53个字节的ATM信元中 这样 在一个ATM信元里可以同时装入多个不同的业务流 一个ATM信元不再仅是一种业务流分组 也就是说一个ATM连接可以支持到多个AAL2的用户信息流 即用户信息流在AAL层上复用 这种设计思想带来了两个好处 一是对压缩后的话音业务流降低了拆装时延 提高了效率 二是节约了ATM中VPI VCI的资源 这在ATM网络中支持IP业务中十分重要 基于这两个优势 用于语音的AAL2和用于数据的AAL2标准已经形成 96 三 AAL 2AAL2用于适配可变比特率实时业务 即适配B类业务 它支持在源端和终端存在定时关系 可变比特率且面向连接的业务 如采用压缩算法的视频信息 1 AAL 2分层结构 97 三 AAL 21 AAL 2分层结构AAL2采用和AAL1相同的分层方法 分为会聚子层CS和分段重装子层SAR CS子层进一步划分为与业务密切相关的特定业务会聚子层SSCS ServiceSpecificConvergenceSublayer 和公共部分会聚子层CPCS CommonPartConvergenceSublayer 其中 SSCS和特定业务相关 可以为空 CPCS和SAR是所有AAL2协议必需的 因此又将CPCS和SAR合并 称为公共部分子层CPS CommonPartSublayer AAL2用户可以选择满足特定QoS要求的AAL SAP完成传送AAL SDU的操作 98 2 AAL2协议数据单元 AAL2CPS PDU格式 SAR格式 99 2 AAL2协议数据单元 AAL2CPS分组格式 CS格式 AAL2CPS PDU格式 SAR格式 100 CPS分组格式说明 lCID 通道标识 8bit 用于标识AAL2用户通道 AAL2通道具有双向性 同一通道两个方向采用相同的CID标志 CID的取值从1 255 0不用 因为CPS PAD中使用全0填充 1用于层管理LM实体间通信 2 7保留 8 255用于区分SSCS实体 lLI 长度指示 6bit 可取值0 63 用于指示CPS INFO长度 LI值等于CPS INFO长度减1 所以CPS INFO长度为1 64 CPS INFO的默认长度为45字节 UUI 用户间指示 5bit UUI取值0 31 其中0 27用于SSCS实体间通信 28和29保留 30和31用于LM实体间通信 UUI有两个作用 一是在CPS用户间透明传送控制信息 二是区分不同类型的CPS用户 SSCS和LM HEC 头差错控制 5bit 对CID LI和UUI进行保护 用于确保CPS PDU头的正确传送 101 STF 起始域 1字节 它包括如下三个字段 lOSF 偏移量 6bit 表示从STF末端到其净荷中第一个CPS分组头的字节 如无CPS分组 则表示从STF末端到其净荷中PAD间的字节 OSF最大为47 当OSF 47时 表示此CPS PDU中无CPS 分组头 lSN 序号 1bit 用于对CPS PDU进行编号 lP 奇校验 1bit 对STF进行奇校验 CPS PDU负载区 47字节 可以装载0个 1个或多个CPS分组 未使用部分用PAD填充 CPS PDU负载区由两部分组成 lCPS分组 CPS分组信息 4 47字节 lPAD 填充位 0 47字节 由全0组成 填充未使用的部分 102 四 AAL 3 4用于适配C D两类业务 即支持在源端和终端不需要定时关系 可变比特率的数据传输业务 它既可用于面向连接的业务 也可用于无连接的业务 AAL3 4是ITU T提出的用于数据传送的ATM适配层协议 数据传输的特点是要求具有较高的可靠性 和AAL1 AAL2相类似 AAL3 4协议层分为汇聚子层 CS 和拆装 SAR 子层 CS子层又分为特定业务汇聚子层 SSCS 和公共部分汇聚子层 CPCS AAL3 4也可以看成由服务特定部分 SSP 和公共部分 CP 组成 103 1 AAL3 4分层结构 104 1 AAL3 4分层结构 105 1 AAL3 4分层结构 服务特定部分向用户提供附加功能 不同的特定业务汇聚子层支持不同的AAL用户业务 SSCS是可选的 如果为空 SSCS指示完成AAL的公共部分汇聚子层与高层之间的原语映射 公共部分包括CPCS和