第6章ATM交换技术.ppt

第6章ATM交换技术,分组交换原理,6.1,6.2,ATM交换技术,6.1分组交换原理,6.1.1分组交换的基本概念6.1.2统计时分复用6.1.3逻辑信道6.1.4虚电路与数据报6.1.5OSI参考模型,电路交换的特点：面向连接带宽固定恒定比特率实时业务控制简单没有差错控制,分组交换的产生,数据通信的业务特征：突发性（可变比特率）实时性的要求不很严格差错敏感性,分组交换也叫包交换，它是以分组为信息单位，以存储/转发方式在网络中传递信息的交换方式。基本思想：将用户信息分割成小的数据块分组（Packet）分组具有统一格式，包含用于控制和选路信息采用“存储转发”及统计时分复用技术，实现通信资源共享，提高了线路的利用率。采用逐段链路的差错控制和流量控制，出错重发，提高传输质量和可靠性。,6.1.1分组交换基本概念,采用分组交换的通信网称为分组交换网。,分组的形成,来自终端的用户数据可能是很长的报文，需要将该报文拆分成若干段，并加上分组头，组成一个完整的分组（packet）。,用户报文,分组头,用户数据,6.1.1分组交换基本概念,分组交换过程,6.1.1分组交换基本概念,7,一个分组数据通信系统由：终端用户、分组交换网和协议组成。分组交换网又称为通信子网，由若干个分组交换机（常称为节点机）和连接这些节点的通信链路组成。,6.1.1分组交换基本概念,8,为了实现各种终端用户和不同的分组交换网之间的自由连接，接口规程必须在全世界范围内实现统一。下表列出了ISO和CCITT制定的X系列建议。本章主要介绍著名的X.25协议。,6.1.1分组交换基本概念,基本概念,统计时分复用（也称为异步时分复用）异步的含义是指可变的，不固定的。在给用户分配资源时，不像同步时分那样固定分配，而是按需动态分配。只有在用户有数据传送时才给它分配资源，因此线路的利用率更高。,6.1.2统计时分复用,工作原理,缓冲器,缓冲器,6.1.2统计时分复用,缓冲器,技术特征,动态地分配信道时隙和资源，线路利用率较高。附加时延。多个用户同时传送数据时，需要竞争排队，引起排队时延。数据丢失。若缓冲器溢出，则导致数据丢失。,6.1.2统计时分复用,6.1.2统计时分复用,在统计复用线上如何区分各用户的数据信息呢？,缓冲器,缓冲器,缓冲器,在统计时分复用中，对各用户的数据使用标记进行区分。这样，在一条共享的物理线路上，就形成了逻辑上分离的多个子信道。这种子信道称为逻辑信道，用逻辑信道号（LCN）标识。逻辑信道号由逻辑信道群号及群内逻辑信道号组成，二者统称为逻辑信道号。,6.1.3逻辑信道,基本概念,逻辑信道的形成过程,终端,255,254,201,计算机,进程,进程,进程,复用器,逻辑信道,255,254,201,6.1.3逻辑信道,A,B,C,15,（1）由于分组交换采用动态统计时分复用方法，因此是在终端每次呼叫时，根据当时的实际情况分配LCN的。说明：同一个终端可以同时通过网络建立多个数据通路，它们之间通过LCN来进行区分。对同一个终端而言，每次呼叫可以分配不同的逻辑信道号，但在同一次呼叫连接中，来自某一个终端的数据的逻辑信道号应该是相同的。,（2）逻辑信道号是线上可以被分配的、代表子信道的一种编号资源，只具有局部意义。（3）逻辑信道号是一种客观存在的局部实体。,6.1.3逻辑信道,逻辑信道的特点,分组交换网的服务（主要形式）,虚电路服务：提供面向连接的信息传送。数据报服务：提供无连接的信息传送。,6.1.4虚电路与数据报（重点）,DTE,DCE,PSE,PSE,DCE,DCE,PSE,DTE数据终端设备DCE数据电路终接设备PSE分组交换设备,虚电路服务,所谓虚电路服务，是指用户在数据传送之前通过网络建立一条端到端的逻辑上的虚连接。,实电路？,6.1.4虚电路与数据报,虚电路和实电路有何区别？,虚电路工作示意图,节点1,节点2,节点3,节点5,节点4,终端A,终端C,终端D,终端B,6.1.4虚电路与数据报,虚电路与逻辑信道,节点1,节点2,节点3,节点5,节点4,终端A,终端C,终端D,终端B,LCN=99,LCN=10,LCN=50,LCN=30,LCN=15,LCN=60,LCN=75,LCN=100,6.1.4虚电路与数据报,LCN=30,虚电路服务,交换式虚电路（SVC)：是指在每次呼叫时用户通过发送呼叫请求分组来临时建立虚电路的方式永久虚电路（PVC)：如果应用户预约，由网络运营者为之建立固定的虚电路，就不需要在呼叫时再临时建立虚电路，而可以直接进入数据传送阶段了，这种方式称之为PVC。这种方式一般适用于业务量较大的集团用户。,6.1.4虚电路与数据报,21,分组交换中的虚电路和电路交换中建立的电路比较：电路交换：是以同步时分方式进行复用的，两用户终端之间建立的是实连接。建立实连接时，不但确定了信息所走的路径，同时还为信息的传送预分配了带宽资源；如：带宽2048kb/s的线路，32个用户平均预分配带宽64kb/s分组交换（VC方式）：以统计时分复用的方式在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，两个用户终端之间建立的是虚连接。在建立虚电路时，仅仅是确定了信息所走的端到端的路径，但并不一定要求预留带宽资源，用户有数据传输时才排队竞争占用带宽资源，即动态分配或按需分配带宽资源。,数据报服务,节点1,节点2,节点3,节点4,终端A,终端B,6.1.4虚电路与数据报,面向连接与无连接网络比较,24,1.分组交换的优点分组交换的设计思路截然不同于电路交换。与电路交换相比，分组交换的优点可以归纳如下：(1)线路利用率较高。分组交换在线路上采用动态统计时分复用的技术传送各个分组，因此提高了传输介质(包括用户线和中继线)的利用率。(2)异种终端通信。由于采用存储转发方式，分组交换中可以实现不同类型的数据终端设备(不同的传输速率、不同的代码、不同的通信控制规程等)之间的通信。,25,(3)数据传输质量好、可靠性高。每个分组在传输时，可以逐段独立地进行差错控制和流量控制，提高了传送质量且可靠性较高。分组交换网内还具有路由选择、拥塞控制等功能，不会引起通信中断。(4)负荷控制。分组交换网中进行了逐段的流量控制，因此可以及时发现网络有无过负荷。(5)经济性好。分组交换网是以分组为单元在交换机内进行存储和处理的，因而有利于降低网内设备的费用，提高交换机的处理能力。,26,2分组交换的缺点(1)信息传送时延大，时延抖动大。由于采用存储转发方式处理分组，分组在每个节点机内都要经历存储、排队、转发的过程，因此分组穿过网络的平均时延可达几百毫秒，而且各个分组的时延具有离散性。,(2)由网络附加的信息较多。用户的信息被分成了多个分组，每个分组附加的分组头都需要交换机进行分析处理，从而增加了开销。(3)分组交换技术的协议和控制比较复杂。如我们前面提到的逐段链路的流量控制，差错控制，还有代码、速率的变换方法和接口，网络的管理和控制的智能化等。,27,分组交换面临的问题帧中继的引入从这些优缺点可以看出，分组交换技术对语音(电话)通信和高速数据通信(2.048Mb/s以上)是不适应的，它难以满足对实时性要求比较高的电话和视频等业务。这是由于分组交换技术的产生背景是通信网以模拟通信为主的年代，用于传输数据的信道大多数是频分制的电话信道，这种信道的误码率为10-410-5。这样的误码率不能满足数据通信的要求，通过进行复杂的控制，一方面实现了信道的多路复用，同时把误码率提高到小于10-11的水平，满足了绝大多数数据通信的要求。,28,为了进一步提高分组交换网的分组吞吐能力和传输速率，一方面要提高信道的传输能力，另一方面要发展新的分组交换技术。光纤通信技术的发展为分组交换技术的发展开辟了新的道路。光纤通信具有容量大(高速)、质量高(低误码率)等特点，光纤的数字传输误码率小于10-9，光纤数字传输系统能提供40Gb/s的速率，通常提供2Mb/s和34Mb/s信道。在这种通信信道条件(传输技术)下，分组交换中逐段的差错控制、流量控制就显得没有必要，因此快速分组交换FPS(FastPacketSwitching)技术迅速地发展起来。,29,快速分组交换可以理解为尽量简化协议，只具有核心的网络功能，可提供高速、高吞吐量、低时延服务的交换方式。帧中继作为快速分组交换FPS的一种，是在分组交换的基础上发展起来的，它对其复杂的协议进行了简化，可以更好地适应数字传输的特点，能够给用户提供高速率、低时延的业务，所以近年来得到了迅速的发展。,6.1.5OSI参考模型,通信的双方需要“讲”相同的语言,网络通信的过程很复杂，为了降低复杂性,1974年，ISO组织发布了OSI参考模型,OSI(OpenSystemInternetwork)是开放的通信系统互联参考模型,邮局实例22,运输部门,甲地,乙地,曾经有一份爱情.,邮局实例22,邮局对于写信人来说是下层运输部门是邮局的下层下层为上层提供服务写信人与收信人之间使用相同的语言邮局之间的约定同层次之间使用相同的协议,OSI的七层框架21,物理层,物理层,数据链路层,数据链路层,网络层,网络层,传输层,传输层,会话层,会话层,表示层,表示层,应用层,应用层,物理层协议,数据链路层协议,网络层协议,传输层协议,会话层协议,表示层协议,应用层协议,比特,帧,报文,TPDU,SPDU,PPDU,APDU,1接口,2接口,3接口,4接口,5接口,6接口,主机A,主机B,数据单元,层,OSI的七层框架22,数据的封装与解封装过程31,Internet,Hello!,IP包头,数据的封装与解封装过程32,Hello,物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,比特,帧,报文,段,PDU,Hello,LLC子层,MAC子层,TCP/UDP头,高层数据,MAC子层,LLC子层,FCS,IP包头,数据的封装与解封装过程33,Hello,物理层,数据链路层,网络层,传输层,会话层,表示层,应用层,比特,帧,报文,段,PDU,Hello,LLC子层,MAC子层,MAC子层,FCS,TCP/UDP头,高层数据,LLC子层,第6章ATM交换技术,分组交换原理,6.1,6.2,ATM交换技术,6.2.1N-ISDN与B-ISDN,问题：什么是ATM?,ISDN不成功,6.2.1N-ISDN与B-ISDN,适合不同业务的信息传递技术,90年代后期,6.2.1N-ISDN与B-ISDN,6.2.1N-ISDN与B-ISDN,ATM与IP的竞争：,Services,Technology,Marketing,服务商,客户,IP,设备商,IPonEverythingEverythingOverIP,ATM,6.2.1N-ISDN与B-ISDN,ATMAnotherTechnicalMistake?,6.2.2ATM技术基础,一ATM的含义：是一种采用异步时分复用方式、以固定长度信元为单位、面向连接的信息转移（包括复用、传输与交换）模式。,ATM：AsynchronousTransferMode，异步转移模式,ATM：AutomaticTellorMachine，自动取款机,ATM技术具有下列特征：（1）所有信息在ATM网中以信元（Cell）形式发送，它采用固定长度数据单元格式，由信头和信息域组成；（2）ATM是面向连接的技术，同一虚连接中的信元顺序保持不变；（3）通信资源可产生所需的信元，每一信元都具有连接识别的标号（位于信头某域）；（4）信元信头具有本地重要性，即用于路由选择的标识符只在特定物理链路上才是唯一的；（5）信息域被透明传输，它不执行差错控制；（6）信元流被异步时分多路复用。,6.2.2ATM技术基础,6.2.2ATM技术基础,分组交换的信息格式短小、定长的53字节,传统分组交换,ATM,ATM的分组信元,虚连接,信头标签的方式与地址的不同,面向连接的通信方式,6.2.2ATM技术基础,不同速度可变速率,统计时分复用,6.2.2ATM技术基础,定义不同的适配层,ATM通过定义不同的适配层来满足不同业务对传输性能的要求。ATM层提供的只是一般意义的定长数据传送能力。,6.2.2ATM技术基础,信头,：在UNI上为GFC在NNI上为VPI,123456-53,841,GFC/VPI,VPI,VPI,VCI,VCI,VCI,PTI,CLP,HEC,净荷,ATM信元格式：,一般流量控制（GFC:4）虚通路标识符（VPI:8/12）和虚信道标识符（VCI:16）净荷类型（PT:3）信元丢失优先级（CLP:1）头标差错控制（HEC:8）,ATM信头的功能：,6.2.2ATM技术基础,6.2.2ATM技术基础,虚通路连接VP虚信道连接VC,ATM连接类型,6.2.2ATM技术基础,VPI/VCI:信元的逻辑路由地址VPI:虚通路标志VCI:虚信道标志存在两种类型的连接：VCC:VCConnection虚信道连接VPC:VPConnection虚通路连接,传输链路,虚通路VPx,VPz,VPy,虚信道,在一个给定的接口，复用在一条链路上的许多不同的VP，用它们的VPI来识别。复用在一个VP中的不同的VC，用它们的VCI来识别。在一个给定的接口上，属于两个不同的VP的两个VC，可具有相同的VCI。,6.2.2ATM技术基础,6.2.2ATM技术基础,连接与信道,VPC(VP虚连接)由一串VPL(VP链路)连接而成每一VPL由一个VPI表示(本地含义)VCC(VC虚连接)由一串VCL(VC链路)连接而成每一个VCL由一个VCI表示(本地含义),连接与信道,6.2.2ATM技术基础,6.2.2ATM技术基础,VP/VC交换,ConnectionTable,PortVPI/VCIPortVPI/VCI10/3730/7610/4250/5220/3760/2220/7840/88,37,42,37,78,76,52,22,88,1,2,3,4,5,6,Video,Data,Voice,Video,Data,Voice,Video,Data,Voice,Video,Video,Video,6.2.2ATM技术基础,ATM交换过程,VPVC应用举例,端点A通过ATM交换机X,Y和Z与端点B建立了一条逻辑连接,ATM网络,A,B,交换机X,交换机Y,交换机Z,1,2,1,2,3,2,3,4,3,4,1,4,3/17,42/55,6/35,9/35,交换机X的VPI/VCI转换表,交换机Y的VPI/VCI转换表,交换机Z的VPI/VCI转换表,6.2.2ATM技术基础,6.2.3ATM协议模型,ATM协议参考模型,6.2.3ATM协议模型,ATMSystemArchitecture,物理层媒体相关子层(比特)传输汇聚子层(传输帧)ATM层(信元)：ATM适配层(应用分组)SAR子层(分段和重装)汇聚子层(满足高层应用的其它需要),ATM技术各层功能,6.2.3ATM协议模型,用户平面用户数据交换高层解析控制平面信令协议高层解析管理平面层管理和面管理逐层解析,6.2.3ATM协议模型,不同平面的功能,功能：信元编码及透明传输包括：物理媒体相关子层(PMD)供电、操作传输会聚子层(TC),6.2.3ATM协议模型,物理层,信元流,封装：加传输开销加控制信息,TC,5.6.3ATM协议模型,物理层PHY功能示意图,光纤同轴电缆双绞线,物理媒体相关子层（比特流的收发),5.6.3ATM协议模型,全双工的155.52Mb/sCMI编码的同轴电缆(100200米)NRZ编码的单模光纤(8002000米)全双工的622.08Mb/sNRZ编码的单模光纤不平衡速率上行:155.52Mb/s下行:622.08Mb/s,6.2.3ATM协议模型,ITU(I.432)物理层速率,传输帧的适配信元装入帧信元定界：状态机扰码和HECHEC的生成与检验信元速率解耦空信元的插入和提取,信头为0/0/0/1/52,内容为0 xa6。,6.2.3ATM协议模型,传输会聚子层功能（传输帧信元流）,0,0,0,0 x52,1,0 xA6,。,0 xA6,信元头,静荷,空闲信元结构,6.2.3ATM协议模型,ATM信元定界处理模型,接收/发送，信元的复用和分路交换机内部路由信元地址翻译信元头的处理流量的控制,ATM层协议功能简述:,6.2.3ATM协议模型,GFC(通用流量控制)仅在UNI上使用,6.2.3ATM协议模型,通用流量控制:,PTI和CLP的作用：,6.2.3ATM协议模型,PTI：表示静荷信息类型，如用户数据是否经过拥塞、OAM信元类型等。CLP0：网络发生拥塞时该信元不能丢弃；1：网络发生拥塞时候丢弃该信元。,负载类型指示PTIAAL信元丢失优先级CLPAAL信头差错控制HEC物理层,6.2.3ATM协议模型,越层处理,ATM层提供的只是一般意义的信元传送能力，为了使ATM能够承载不同业务，并具有端到端的差错控制能力，在ATM系统中增加了业务适配层（AAL层）。AAL层实际上是增强ATM的数据传输能力，以适应各种通信业务的要求。,ATM适配层功能：,6.2.3ATM协议模型,定时关系时间透明性比特率固定的或可变的连接模式实时业务和数据量比较大的通信过程短消息的传送,业务的分类标准,6.2.3ATM协议模型,四种业务类型,6.2.3ATM协议模型,A类业务（AAL1）：源和目的之间需要定时；比特率固定；面向连接；,典型业务：电路仿真；恒定比特率的图象业务；,6.2.3ATM协议模型,B类业务(AAL2)：源和目的之间需要定时；比特率可变；面向连接；,典型业务：可变比特率图象及音频业务等VTOA（VoiceandTelephoneOverATM-ATM上传话音）；,6.2.3ATM协议模型,D类业务(AAL5)：源和目的之间不需要定时关系；比特率可变；无连接；,典型业务：交换型多兆比特率的数据业务SMDS；IP业务；,6.2.3ATM协议模型,C类业务(AAL3/4)：源和目的之间不需要定时关系；比特率可变；面向连接；,典型业务：SNA；帧中继等；,6.2.3ATM协议模型,ATM交换：从任意输入端口（入线）的任意一条ATM逻辑信道到任意输出端口（出线）的任意ATM逻辑信道的信息交换。ATM逻辑信道：VPIVCI,6.2.4ATM交换机,ATM交换的本质,入线信息交换到出线路由；将输入VPI/VCI的值转换为输出VPI/VCI的值信头转换；缓冲（排队、调度）,ATM交换的基本功能,6.2.4ATM交换机,接口单元,处理机控制部分,接口单元,接口单元,接口单元,.,.,信元传送部分,控制部分,1,1,N,N,ATM交换结构,ATM交换机功能模型,6.2.4ATM交换机,ATM交换机示意图,6.2.4ATM交换机,基本功能：从串行比特流（帧结构）中恢复出信元。,01001011101,Cell,Cell,Cell,交换结构,处理机控制部分,6.2.4ATM交换机,交换机接口单元,输入侧：从串行比特流（帧结构）中恢复出信元物理层功能:光电转换；数字比特流恢复；信元定界；速率解耦；净荷解扰；ATM层功能：信头有效性检查；区分信令信元、用户信元，并作相应处理；,接口功能,6.2.4ATM交换机,输出侧：HEC的产生；用户信元、信令信元的混合；信元速率适配；传输帧的生成；电光信号转换,接口功能,6.2.4ATM交换机,由处理机和多种控制软件构成，主要包含呼叫控制软件和操作管理维护（OAM）软件，负责信元交换控制、信令处理、呼叫管理、性能监测和数据统计等。,控制部分,6.2.4ATM交换机,交换容量：定义：所有输入端口信息速率的总和；交换时延/时延抖动：10-100us/几百us；信元丢失率/信元误插率：1