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沈庆国
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现代通信网络教学课件-沈庆国,现代,通信,网络,教学,课件,沈庆国
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第三章 宽带ATM通信网,3.1 ATM网络的基本概念 3.2 ATM业务 3.3 ATM的参考模型和协议 3.4 ATM网络接口和地址结构 3.5 ATM网络交换结构与信令 3.6 ATM网络性能 3.7 ATM网络流量管理和拥塞控制,3.1 ATM网络的基本概念,3.1.1 宽带ISDN对信息传送方式的要求 1语义透明（semantic transparency,有以下几个参数可以用来衡量网络的语义透明性。 （1）比特错误率 （Bit Error Rate，BER） （2）分组错误率 （Packet Error Rate，PER,分组丢失率（Packet Loss Rate，PLR），其定义为： 分组错插率（Packet Insertion Rate，PIR），其定义为,2时间透明 （Time Transparency） （1）时延（Delay） 网络的时延D是由传输时延Dt和处理时延Dp组成，即： DDt+Dp （2）时延抖动（Delay Jitter） 时间抖动是指某个时间区间内最大时延和最小时延之差,3.1.2 ATM的定义和特点 ATM作为ITU-T建议的B-ISDN的传递方式，具有以下技术特点。 ATM是一种统计时分复用技术。 ATM利用硬件实现固定长度分组的快速交换，具有时延小，实时性好的特点，能够满足多媒体数据传输的要求。 ATM是支持多种业务的传递平台，并提供服务质量保证。 ATM是面向连接的传输技术，在传输用户数据之前必须建立端到端的虚连接,3.1.3 ATM信元 图3-1所示为ITU-T在I.361建议中定义的在不同接口上的信元格式。 信元中，各字段的作用如下。 一般流量控制（GFC）：只作用于UNI，其功能是为了控制用户接入的业务流量，以避免网络拥塞。 虚通路标识符（VPI）和虚信道标识符（VCI） 净荷类型（PT） 信元丢失优先级（CLP） 净荷（payload,图3-1 ATM信元的格式,3.1.4 ATM网络的一般通信过程 1呼叫建立 为在端到端之间建立连接，源端点（A）用户需向ATM网络发送请求消息，要求与宿端点（B）通信（如图3.2所示）。 2信元定序和选路 在ATM网络中，某一连接的信元要确保按顺序到达。对于特定的连接，ATM信元一般沿同一物理路径传送,图3-2 ATM网络端点间的连接,3.1.5 虚信道连接和虚通路连接 1虚信道连接 ATM网络中的每条物理链路，在概念上被划分为若干逻辑虚信道。 2虚通路连接 对于规模较大的ATM骨干网，进入交换机的VC可能成千上万,3.1.6 电路交换、分组交换和ATM比较 电路交换有如下特点。 要在通信的用户间建立专用的物理连接通路。 对通信信息不做处理（信令除外）。 对传送的信息无差错控制措施。 采用呼叫损失制的方法来处理业务流量，过负荷时呼损率增加，但不影响已建立的呼叫,3.2 ATM业务,3.2.1 承载业务 承载业务的划分主要基于下列参数。 源端点与目的地端点之间的定时关系（需要或不需要）。 比特率（固定的或可变的）。 连接模式（面向连接的或面向无连接的,1业务类型 承载业务的业务类型分为： 永久虚连接（PVC）ATM信元中继业务； 交换虚连接（SVC）ATM信元中继业务； PVC帧中继业务； E1电路仿真业务。 （1）ATM信元中继业务 （2）帧中继业务 （3）电路仿真业务,2业务属性 承载业务可由一系列低层特性和一般特性来描述，这些特性称为属性。一种承载业务是由惟一的一组属性值定义的。 承载业务的属性值划分为下列三类。 （1）信息传递属性（低层） （2）接入属性（低层） （3）一般属性 图3-3表示了承载业务各属性组间的关系及其适用的范围,图3-3 属性间的关系和适用范围,以下介绍基于ATM的BISDN承载业务的特定的业务属性值。 （1）信息传递方式 （2）信息传递速率（比特率参数） （3）VC和VP的信息传递能力 （4）VC和VP的结构 （5）通信的建立 （6）对称性 （7）通信配置,8）接入信道和速率 （9）接入协议 （10）提供的补充业务 （11）用于VCC建立和拆除的业务等级 （12）已建立的连接的性能 （13）互通能力 （14）运行和经营方面,3.2.2 用户终端业务 根据宽带通信及其应用的形式，用户终端业务分为两种类型：交互型业务和分配型业务，如图3.4所示,图3-4 宽带用户终端业务的分类,常用的宽带用户终端业务包括以下几种： LAN互连。 LAN仿真。 高效数据传输。 宽带可视图文业务。 宽带可视电话。 宽带会议电视。 宽带电视分配业务。 宽带HDTV,3.3 ATM的参考模型和协议,3.3.1 分层模型 总的说来，ATM协议包括4个分层：物理层、ATM层、ATM适配层（ATM Adaptation Layer，AAL）和高层，如图3-5所示,图3-5 ATM分层协议模型,图3-6 针对共享媒质的ATM分层协议模型,3.3.2 多平面模型 1用户平面 在AAL及其上层，协议功能被分为用户平面和控制平面。 2控制平面 控制平面由用于呼叫和连接控制的协议组成，这些协议即为信令协议,3管理平面 PRM的管理平面包括所有针对ATM的管理协议。 管理平面有两个方面内容：一是层管理，另一个为面管理。层管理由ATM分层结构中各个层的管理协议组成，主要有物理层管理、ATM层管理和AAL层管理,图3-7 B-ISDN ATM的协议参考模型,3.3.3 物理层功能 1物理媒体子层（PMD） （1）PMD子层的物理媒体 ITU-T为用户/网络接口使用的媒体定义了电接口和光接口，电接口的参数由G703规定，其传输速率和距离与电媒体的传输衰耗有关。 （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定时基准时钟上,3）供电方式 电源供电有两种方式：一种是由网络运营商规划，用户本身供电；另一种是网络运营商将用户设备的供电系统与网络的特定电源相连，采用类似于电话网的统一供电。 （4）操作模式 B-ISDN设备终端有三种工作状态：激活状态、静默状态和应急状态,2传输汇聚子层（TC） （1）信头差错控制（Header Error Control，HEC） （2）信元定界（Cell Delimitation） （3）信元速率解耦 （4）扰码（SCrambling,3.3.4 ATM层功能 ATM层的主要功能包括：将不同连接的信元复用在一条物理通路上，并向物理层送出单一形式的信元流，及其逆过程。 UNI和NNI接口的信元结构稍有不同，图3-8给出两种信元结构,图3-8 ATM信元结构,ITU-T规定VCI值中015作为特定的信道分配，用户不能用于建立连接。下面分别介绍ATM信头各域的含义： （1）通用流量控制（GFC） （2）虚通路标识/虚信道标识（VPI/VCI） （3）负载类型指示（PTI） （4）信元丢失优先级 （Cell Loss Priority，CLP） （5）信头差错控制 （Header Error Control，HEC,3.3.5 ATM适配层功能 业务的划分基于下列三个基本参数。 信源和信宿之间的时间关系：信息传送是否需要实时进行，即实时性或时间透明性要求。 比特率：信息传送的速率是否恒定。一些业务具有固定的比特率，称为CBR（Constant Bit Rate）业务；另一些业务是可变比特率，称为VBR（Variable Bit Rate）业务。 连接方式：信源和信宿之间的通信是否采用面向连接方式,图3-9 AAL支持的业务类型,A类：信源和信宿之间存在定时关系，具有恒定的比特率，业务是面向连接的。 B类：信源和信宿之间存在定时关系，业务也是面向连接的，但是信息传送可以是变比特率的。 C类：信源和信宿之间不存在定时关系，传输速率是可变的，但具有面向连接特征。 D类：信源和信宿之间不存在定时关系，传输速率可变且具有无连接特征,1 ATM适配层AAL1 AAL1进一步分为两个子层：分段和重装子层（SAR）和汇聚子层（CS）。下面分别予以介绍。 （1）分段和重装子层（SAR） AAL1的SAR子层协议数据单元结构如图3-10所示。 （2）汇聚子层（CS,图3-10 SAR协议数据单元,2ATM适配层AAL2 由于数据传输速率是可变的，因此，VBR业务和AALl所支持CBR业务是不同的。 由于信源和信宿之间存在定时关系，即业务是实时传送的。 由于信源和信宿之间进行实时业务传送，所以必须采取面向连接工作方式，以降低信元寻径开销，减少网络时延,图3-11 AAL2协议单元格式,3ATM适配层 AAL3/4 4ATM适配层AAL5 （1）AAL5的SAR子层 （2）AAL5的CS子层,3.4 ATM网络接口和地址结构,3.4.1 ATM网络接口 ITU-T和ATM论坛定义的ATM网络概念性结构及接口如图3-12所示,图3-12 ATM网络接口,1）用户/网络接口（UNI） UNI是用户设备与网络之间的接口，直接面向用户。按其所在位置不同又可分为公用UNI和专用UNI（PUNI），PUNI不必像公网接口考虑严格的一致性，因而PUNI接口形式更多、更灵活。 （2）网络节点接口（NNI） NNI含义较为广泛，它可以是两个公用网络之间的界面，也可以是两个专用网的界面,3）ATM数据交换接口（DXI） ATM数据交换接口允许路由器等数据终端设备和ATM网络互连，而不需要其他特殊的硬件设备。 （4）宽带互连接口（B-ICI） 宽带互连接口是ATM论坛定义的运营者（Carrier）与运营者（Carrier）之间的接口,它是公用ATM网络之间的接口，不包括专用ATM网络间的接口,3.4.2 ATM网络地址结构 ITU-T建议的B-ISDN地址结构如图3-13所示,图3-13 B-ISDN地址结构,ITU-T建议的B-ISDN号码格式如图3-14所示。 图3-14 B-ISDN号码格式,3.5 ATM网络交换结构与信令,ATM交换是ATM网络的核心技术，其设计对ATM网络的性能（如信元丢失率、时延和时延抖动等）起着决定性的作用,3.5.1 ATM交换机的基本组成和对其要求 1ATM交换机的基本组成 如图3-15所示，ATM交换机的基本组成包括三个部分：输入处理和输出处理部件、ATM交换结构（或称交换单元）和ATM管理控制单元（或称控制单元,图3-15 ATM交换机基本组成,1）输入处理 在传输线路上，消息以比特流形式传递，而ATM交换必须以信元为单位。即将53字节（538424bit消息）作为一个整体同时进行交换，而不是逐比特进行。 （2）输出处理 输出处理完成与输入处理相反的操作，即如何把ATM信元变成适合于特定传输媒体的比特流形式,3）管理控制单元 管理控制单元负责建立和拆除VCC和VPC，并对ATM交换结构进行控制。同时处理和生成OAM消息。 （4）交换结构 交换结构（交换单元）是实际执行交换动作的部件，其实现的好坏直接关系到交换机的效率和性能，因此，人们在讨论宽带交换系统时往往十分注重交换单元的设计,2宽带业务对ATM交换机的要求 宽带网络必须能够传送从远程控制、话音、数据直到高质量视频等各种业务信息。这些业务对速率（恒定比特率或可变比特率）、语义透明性（信元丢失率和比特差错率）和时间透明性（时延和时延抖动）有不同的要求,1）速率和连接方式 多速率（Multi-rate）交换：由于宽带网络支持的业务包括现在和将来的所有应用，这样网络就必须支持从一般工业控制的几十bit/s至几kbit/s，到视频通信的几Mbit/s到几十Mbit/s的速率交换。 多点（Multi-point）交换：在点对点连接方式的基础上，宽带网络还必须能提供点到多点的广播/组播（Broadcast/Multicast）连接功能。 多媒体（Multi-media）业务支持：ATM网络允许接入的业务有不同的形式,2）性能 在ATM网络中，吞吐量、拥塞率、信元丢失率、信元错插率、交换时延以及时延抖动等是ATM交换机性能的主要指标。 连接拥塞：ATM网络以面向连接的方式进行通信，也就是通信开始前必须在信源和信宿之间建立一条合适的逻辑连接,信元丢失/信元错插率：ATM交换机中，可能会出现短暂时间内许多信元争抢同一链路 （该链路可能是交换机。 交换时延：ATM交换机完成信元交换的时延在端到端传输的时延中占较大比重（相对于光的传播速度，信元在信道中的传输时延是有限的内部也可能是外部的），导致信元丢失,3.5.2 基本交换单元 1空分交换单元 ATM交换的最简单构建方法是将每一条入线和每一条出线相连接，在每条连接线上装上相应的开关，根据信头VPI/VCI决定相应的开关是否闭合以实现特定输入和输出线路的接通，也就是将某入线上信元交换到出线上去。这种思想实现的最简单方法是采用空分交叉开关（Crossbar），称为矩阵式交换单元，矩阵交换基本原理如图3-16所示,图3-16 空分交换原理示意图,1）入线选择策略 当出线冲突时，只有一条入线的信元可以交换到出线，其他入线信元将被延迟，这里就必须采用仲裁机制选择“获胜信元”。 随机法：从多条竞争的入线中随机地选取一条入线为其服务，并把入线上的信元传递到出线。 固定优先级法：为每条入线分配一个固定的优先级，具有不同优先级的入线竞争同一出线时，优先级高的入线将获得发送信元的权利,轮换优先级法：各条入线的优先级并不是固定不变的，而是轮流拥有高优先级。 缓冲区状态确定法：在ATM交换机设置缓冲区以存放无法得到立即服务的信元，然后根据缓冲区的充满程度选择传输的信元。 信元状态确定法：把信元丢失率（CLP）作为对信元服务先后顺序的依据,2）拥塞信元缓冲策略 输入缓冲：缓冲区设置在输入处理单元，所有进入交换系统的信元首先在入线所在的缓冲区中进行排队。 输出缓冲：缓冲区设置在每条出线的输出处理之前，信元在出线冲突时不必在输入缓冲区中等待，而是直接将信元传送到出线，出线缓冲区对来自不同线路的信元进行缓冲。 中央缓冲：中央缓冲策略是在每个交叉接点设置缓冲区，以MN个缓冲区替代交叉接点的闭合开关,2时分交换单元 电路交换采用PCM时分交换（可称为同步时分复用STM的时分交换），ATM本质上是一种异步时分（Asynchronous Time Division，ATD）复用，借鉴同步时分复用（STM）的时分交换概念，同样可以设计异步时分的交换结构。 （1）分区法 （2）共享法,3总线交换单元 4环型交换单元,3.5.3 交换结构 交换结构又称为多级互连网络（Multi-stage Interconnect Network，MIN）。如图3-17所示。从功能上讲，各种基本交换单元的功能是等效的，都可以用交换矩阵图来表示,图3-17 多级交换结构,最初，MIN用于电路交换网络。C.Clos是20世纪50年代著名的学者，他发明了一种无拥塞网络Clos网，现广泛应用于电路交换结构。这里所说的无拥塞是指所有的外部呼叫（即连接）在呼叫建立期间可以实现内部连接无拥塞。 如图3-18所示，Banyan-Delta网络可以同时交换多个信元。但是其内部存在拥塞，因为信元可能会在内部竞争同一资源（队列、链路等）。因此，如果不采取措施，将丢失信元。由图3-19可见，即使信元含有不同的目的地址（如011，001），仍然发生了冲突,图3-18 Delta网络的自选路由特性,图3-19 Delta网络的内部竞争,3.5.4 ATM网络信令的基本概念 ATM是一种面向连接的网络技术。信令是网络设备间进行连接控制和管理的对话语言。ATM信令的主要功能是控制网络的呼叫和接续，在用户与节点和节点与节点之间，动态建立、保持/修改和释放各种通信连接，为连接协商和分配网络资源；支持点到点以及点到多点通信；支持对称和非对称通信。用户和网络之间的信令为ATM接入信令；ATM网络节点与节点之间的信令为局间信令。ATM网络信令协议结构如图3-20所示,图3-20 ATM网络信令协议结构,在网络节点接口（NNI），信令是用户的不可见部分。 信令消息以信元的形式通过ATM网络进行传送。 UNI和NNI高层协议实体之间传递的基本数据单元是Q.2931协议和BISUP消息，而低层ATM网络传递和处理的是53字节信元。如图3-21所示，SAAL协议在AAL5基础上增加一个业务特定的协议来实现增强的功能，完成高层协议信息和ATM层信息格式的转换，并向上提供可靠的通信连接,图3-21 SAAL层协议,3.5.5 ATM网络接入信令 1信令消息类型和格式 所有Q.2931协议的消息具有统一的格式，如图3-22所示,图3-22 Q.2931协议的信令消息格式,2点到点呼叫建立过程 如图3-23所示为一个成功的点到点信令过程。 （1）主叫端UNI呼出过程 主叫起呼时，首先发送连接建立（SETUP）消息，执行呼出操作并进入呼叫初始状态,主叫侧网络节点收到建立（SETUP）消息后，检查该呼叫请求是否合法，传输参数是否合理。 主叫侧节点在网络内部局间信令的支持下进行路由选择、资源分配和建立VC连接表，并将呼叫建立请求消息传递到被叫端。 如果被叫用户接受连接请求，网络进入激活状态，并通过连接消息（CONNECT）通知主叫用户,图3-23 点到点呼叫建立过程,2）被叫端UNI呼入过程 被叫端收到网络送来的呼叫建立（SETUP）请求，进行呼入处理，并由空闲状态进入呼叫提供状态。 根据对建立消息的处理进程依次返回：被叫进入呼叫状态时，返回呼叫处理消息；被叫进入呼叫接收状态时，返回提醒（ALERTING）消息；被叫确定接受呼叫，返回连接（CONNECT）消息。 网络响应被叫端呼叫处理消息时，进入呼入处理状态,3）连接清除过程 通信完毕，主、被叫用户均可发出拆线请求，下面以主叫方发送释放请求为例说明链路的拆除过程,3.5.6 ATM网络局间信令 1概述 ATM网络局间信令采用网络节点接口（NNI）信令，由ITU-T Q.2761，Q.2762，Q.2763和Q.2764等协议定义，它采用了类似于No.7信令的体系结构，但有重大改变。 在NNI的协议结构中，MTP完成在网络信令节点中可靠传送信令消息，所以必然涉及到物理层、链路层以及网络层,2局间信令高层协议BISUP BISUP和Q.2931协议属于不同的信令协议，它们分别作用于用户/网络接口（UNI）和网络内部的节点之间（NNI），如图3-24所示,图3-24 Q.2931与BISUP的关系,1）BISUP消息格式及类型 BISUP协议的第l版本仅对ISUP作了为适应ATM传输网络的必要性更改，实现基本的传输通道建立、维持和拆除操作。BISUP使用的消息格式如图3-25所示,图3-25 BISUP消息格式,2）BISUP的信令控制过程 如图3-26所示，以一个成功的呼叫实例介绍NNI的信令过程,图3-26 点到点呼叫建立和拆除过程中的NNI信令操作,3.6 ATM网络性能,在ATM网络的设计和规划中，需要考虑一些重要的性能参数，需要遵守一定的性能指标要求。图3-27给出了ATM的网络性能模型，它描述了ATM网络节点之间物理层连接，以及ATM层所支持的、UNI之间的端到端连接,图3-27 ATM网络的性能模型,3.6.1 信元丢失 在ATM网络中，节点缓冲器溢出和信元头的损伤，是造成信元丢失的主要原因。相应损伤的原因及对应的损伤恢复办法如图3-28所示,图3-28 引起ATM信元损伤的原因及损伤恢复办法,1信元头差错造成的信元丢失 在ATM信元头中，VCI和VPI是ATM信元转移处理中相关路由的标识。 2在ATM网络节点中缓冲器的溢出造成的信元丢失 在ATM网络节点中，缓冲器的容量总是有限的。因此，当存在很多信元同时到达时，缓冲器的溢出将会导致一定概率的信元损失,3对信元丢失比的要求 信元丢失对于保证各类服务的质量可能产生的影响，其程度与服务信息的类型、服务信息装入ATM信元的方法、信元尺寸以及信元的差错串等诸多因素有着密切的关系,3.6.2 信元延时 1编解码延迟 编解码延迟是服务信息经过ATM终端的高层处理所需要的延迟时间，主
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