程控交换第六章 ATM交换

1、第六章 ATM交换 1.什么是ATM？ 2.什么是ATM信元？ 3.ATM工作原理 4.ATM协议和业务QoS介绍 5.ATM网络结构 什么是ATM？ 定义 ATMAsynchronous Transfer Mode （异步传输模式）（异步传输模式） ATM就是一种在网络中以信元为单位进行 统计复用和交换、传输的技术。 什么是ATM？ 两种转移模式 人们习惯上把电信网分为传输、复用、交换、终端 等几个部分，其中除终端以外的传输、复用和交换 三个部分合起来统称为传递方式(也叫转移模式)。 目前应用的传递方式可分为两种： 同步传递方式(STM)：主要特征是采用时分复用， 各路信号都是按一定时间间隔

2、周期性出现，接收端 可根据时间（或者说靠位置）识别每路信号。 异步传递方式(ATM)：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地出现，接收端要 根据标志识别每路信号。 什么是ATM？ 两种转移模式 什么是ATM信元？ ATM信元结构 ATM信元实际上 就是分组，只是 为了区别于X.25 的分组，才将 ATM的信息单元 叫做信元。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，CCITT规 定ATM信元长度 为53字节。信元 的结构如图所示。 什么是ATM信元？ ATM信元结构 每个信元长度为每个信元长度为53个字节。个字节。 前前5个字节为信头（个字

3、节为信头（header）；包含有各种控）；包含有各种控 制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址，还制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址，还 有一些维护信息、优先级以及信头的纠错码。有一些维护信息、优先级以及信头的纠错码。 后面后面48字节是信息段，也叫信息净负荷，它载字节是信息段，也叫信息净负荷，它载 荷来自各种不同业务的用户信息。荷来自各种不同业务的用户信息。 信元的格式与业务类型无关，任何业务信息都信元的格式与业务类型无关，任何业务信息都 经过切割封装成相同长度统一格式的信元分组，经过切割封装成相同长度统一格式的信元分组， 在每个分组中加上头标，以到达目的地。信元在每个分组中加上头标，以到达

4、目的地。信元 通过一条虚信道进行传输，路由的选择由信头通过一条虚信道进行传输，路由的选择由信头 中的标号决定。中的标号决定。 什么是ATM信元？ ATM信头结构 ATM信头结构有两种类型，如信头结构有两种类型，如图所图所示。示。 用于用户用于用户-网络接口的信头网络接口的信头(UNI信头信头) 用于网络节点接口的信头用于网络节点接口的信头(NNI信头信头) ATM NNI 信元信元 ATM UNI 信元信元 什么是ATM信元？ ATM信头结构 GFC：一般流量控制，：一般流量控制，4bit。在。在B-ISDN中，为了控制共享传输中，为了控制共享传输 媒体的多个终端接入而定义了媒体的多个终端接入

5、而定义了GFC，由，由GFC控制产生于用户终控制产生于用户终 端方向的信息流量，减小用户侧出现的短期过载。端方向的信息流量，减小用户侧出现的短期过载。 VPI：虚路径标识码。：虚路径标识码。UNI和和NNI中的中的VPI字段分别含有字段分别含有8bit和和 12bit，可分别标识，可分别标识28条和条和212条虚路径。条虚路径。 VCI：虚信道标识码，：虚信道标识码，16bit。用于虚信道路由选择，它既适用。用于虚信道路由选择，它既适用 于用户网络接口，也适用于网络节点接口。故对每个于用户网络接口，也适用于网络节点接口。故对每个VP定义定义 了了216条虚信道。条虚信道。 PT：净荷类型指示段

6、，：净荷类型指示段，3bit，标识信息字段中的内容是用户信，标识信息字段中的内容是用户信 息还是控制信息。息还是控制信息。 CLP：信元丢失优先级，：信元丢失优先级，1bit，表示信元的相对优先等级。，表示信元的相对优先等级。 HEC：信头差错控制码，：信头差错控制码，8bit，用于信头差错的检测、纠正以，用于信头差错的检测、纠正以 及信元定界。及信元定界。 什么是ATM信元？ ATM信元交换过程 Port 1 VPI=2 VCI=37 VPI=3 VCI=39 NNI UNI UNI ATM 交换交换 Port VPI VCI 1 2 37 2 1 51 Port 2 Port 1 ATM

7、交换交换 Port VPI VCI 1 1 51 2 3 39 Port 2 ATM终端设备终端设备 ATM终端设备终端设备 用户用户B 用户用户A ATM网络设备网络设备 ATM网络设备网络设备 信元和用户数信元和用户数 据的互相转化据的互相转化 信元和用户数信元和用户数 据的互相转化据的互相转化 VPI=1 VCI=51 ATM工作原理 异步时分复用 1. 异步时分复用 ATM技术是采用异步时分复用方式的。异步时分复用的概念是： 来自不同信源的信息信元用异步时分复用的方式复用，具有同 样标志的信元在传输线上并不对应着某个固定的时隙，也不是 按周期出现的。也就是说信息和它在时域中的位置没有固

8、定的 关系，信息只是按信头中的标志来区分的，这种复用方式称为 异步时分复用。 ATM的复用方式不是固定时隙分配，而是非周期的信元复用， 所以ATM具有动态分配带宽的特点。它适合于传输突发性数据， 也就是，如果某一信源的信息量大时，就分配给它较多信元； 反之，信息量较小时，就分配给它较少信元；如果没有信息时， 就不分配给它信元。所以，异步时分复用又称为统计时分复用。 ATM工作原理 ATM虚连接 2. ATM虚连接 ATM是采用面向连接的技术。面向连接的 特点是通信过程的实现要有三个阶段，即 建立电路连接、数据传输、电路连接的拆 除。ATM的电路连接不是固定物理电路的 连接，而是采用虚电路连接，

9、称为虚连接。 虚连接也称为逻辑信道。ATM的虚连接是 由虚通路VC和虚通道VP来实现的。 ATM工作原理 ATM 物理连接物理连接 虚通道连接虚通道连接 Virtual Channel Connection (VCC) 一条虚通道（一条虚通道（VP） 包含许多条虚通路（包含许多条虚通路（VC） 一条虚通路连接（一条虚通路连接（VCC） 包含许多条虚通道（包含许多条虚通道（VP） 虚通路（虚通路（VC） 是是 ATM 网络端点之间网络端点之间 的逻辑通路的逻辑通路 Virtual Channels (VC) Virtual Channels (VC) E3 OC12 Virtual Path (

10、VP) Virtual Path (VP) 连接标志连接标志 = VPI/VCI ATM工作原理 这种从一跳到另一跳的转发就是信元转发 VPI = 2 VCI = 44 VPI = 1 VCI = 1 VPI = 26 VCI = 44 VPI = 20 VCI = 30 虚通路连接虚通路连接 (VCC) 虚通道连接虚通道连接 (VPC) VP Switch VC Switch VC Switch NNINNI UNI UNI ATM工作原理 UNI信元信元 ATM终端设备终端设备AATM终端设备终端设备C ATM网络设备网络设备E ATM网络设备网络设备G ATM网络设备网络设备F UNI信

11、元信元 NNI信元信元NNI信元信元 VC交换交换VC交换交换VP交换交换 虚信道（虚信道（VCC） 虚通道（虚通道（VPC） 虚信道（虚信道（VCC） UNI信元信元 UNI信元信元 ATM终端设备终端设备BATM终端设备终端设备D 为提高G的交换效率，所有发自A、B并要经过F的信元，E在转发时将它们的VPI统 一填写为某一固定值，发送到G。G进行VP交换后到达F，F再根据VCI的值进行VC交 换分发到C、D（反向业务流也如此处理）。这些信元从E到F，VCI值不变。相当于 在E、F间建立了以VPI为标识的信元管道，称之为虚通道。而终端A、B、C和D之间 的虚连接称为虚信道。 ATM虚连接虚连

12、接 UNI信元信元 VPI =1 VCI =1 UNI信元信元 VPI =20 VCI =30 NNI信元信元 VPI =26 VCI =44 NNI信元信元 VPI =6 VCI =44 NNI信元信元 VPI =2 VCI =44 1 2 3 1 2 3 1 3 2 1 23 ATM虚连接（虚连接（VC） PortVPIVCI 12644 2244 PortVPIVCI 1244 2644 PortVPIVCI 1644 22030 PortVPIVCI 111 22644 AB A需要传送数据到B，首先在信元要经过的ATM节点上建立一系列的交换表格，保证信元经逐次 转发后最终到达B。这些

13、表格建立后A到B间的信元所经路径是一致的（至少在一次呼叫内如 此），这种路径称为ATM虚连接。 ATM工作原理 VCI 1VCI 2VCI 3VCI 4 VPI 2VPI 3VPI 1 VPI 2 VPI 3 VPI 5 VPI 1 VPI 4 Port 1 Port 2 Port 3 VCI 1 VCI 2 VCI 1 VCI 2 VP 交换交叉连接交换交叉连接 VC 交换交叉连接交换交叉连接 VCI 3 VCI 4 VCI 1 VCI 2 ATM工作原理 291 45 29 3 2 6429 45 64 29 2 1 3 VPI/VCIPort 45 29 29 64 2 1 3 1 VP

14、I/VCIPort 输入输入输出输出 1 ATM 交换解析 VPI/VCI 值 每个端口的 VPI/VCI 值是唯一的 ATM工作原理 ATM交换的基本功能 1. 空分交换功能空分交换功能 一条物理入线上的信息交换到另一条物理出线上。一条物理入线上的信息交换到另一条物理出线上。 2. 时分交换功能时分交换功能 将物理入线上一个逻辑信道上的信息交换到对应将物理入线上一个逻辑信道上的信息交换到对应 物理出线上的另一个逻辑信道上。物理出线上的另一个逻辑信道上。 3. 信元头交换（翻译）信元头交换（翻译） 一个逻辑一个逻辑 ATM 信道上的信元被交换到另一个逻信道上的信元被交换到另一个逻 辑辑 ATM

15、 信道上时（利用空分交换和时分交换），信道上时（利用空分交换和时分交换）， 其输入信元的信元头内容也将同时会被翻译成一其输入信元的信元头内容也将同时会被翻译成一 个与输出逻辑个与输出逻辑 ATM 信道相对应的信元头输出值。信道相对应的信元头输出值。 ATM协议和业务QoS介绍 ATM协议结构模型协议结构模型 高层高层 ATM适配层适配层 （SAAL） ATM层层 物理层物理层 ATM适配层适配层 （AAL） 高层高层用户业务和信令用户业务和信令 上层信息与上层信息与ATM 信元间的转换信元间的转换 信元交换和复用信元交换和复用 解复用解复用 帧结构、物理介帧结构、物理介 质质 处理各层间处理各

16、层间 协调，无分协调，无分 层结构层结构 分别管理各层分别管理各层 协议实体中的协议实体中的 资源和参数资源和参数 呼叫连接呼叫连接 与控制与控制 用户信息传输、流用户信息传输、流 量控制和差错恢复量控制和差错恢复 面管理面管理 层管理层管理 控制平面控制平面用户平面用户平面 ATM协议和业务QoS介绍 ATM子层模型子层模型 ATM参考模型参考模型 OSI七层协议七层协议 比特定时比特定时 网络介质网络介质 信元率解耦信元率解耦 HEC产生产生/验证验证 信元定界信元定界 传输帧适配传输帧适配 传输帧传输传输帧传输/恢复恢复 流量控制流量控制 信头产生和提取信头产生和提取 VPI/VCI转换

17、转换 信元复用和分路信元复用和分路 执行高层所需服务执行高层所需服务 高层协议数据包和信高层协议数据包和信 元净荷间的相互转化元净荷间的相互转化 高层高层 PMD TC PHY ATM AAL CS SAR 层层 管管 理理 7应用层应用层 6表示层表示层 5会话层会话层 4传输层传输层 3网络层网络层 2数据链路层数据链路层 1物理层物理层 ATM协议和业务QoS介绍 ATM协议结构模型协议结构模型 ATM协议和业务QoS介绍 ATM物理层功能物理层功能 适配层适配层 ATM层层 物理层物理层 2个子层: 传输汇聚 子层(TC) 传输帧的产生、恢复与适配 信头差错控制 信元定界和扰码 信元速

18、率去耦 物理媒体相关子层(PMD) 线路编码、比特定时 物理媒介 ATM协议和业务QoS介绍 ATM层层功能功能 适配层适配层 ATM层层 物理层物理层 信元交换 服务质量保证 信元头的插入/移动 净荷类型的有关功 能 复用/去复用不同连 接的信元 ATM协议和业务QoS介绍 ATM适配层功能适配层功能 适配层适配层 ATM层层 物理层物理层 执行高层所需的服务 高层协议数据单元和ATM 信元净荷的相互转化 ATM协议和业务QoS介绍 ATM适配层适配层功能示意功能示意 利用利用ATM网络的数据传送网络的数据传送 和交换能力，为各类电信和交换能力，为各类电信 业务提供服务。业务提供服务。 AT

19、M Payload Constant Bit Rate Data Bursts Variable Bit Rate ATM Cell Multiplexing AAL SDU ATM协议和业务QoS介绍 ATM适配层功能适配层功能 话音信号话音信号 A/DA/DAAL AAL 层层ATM ATM 层层 48 48 字节数据块字节数据块 数字化的采样信号数字化的采样信号 53 53 字节信元字节信元 数据信号数据信号 长度可变的突发数据分组长度可变的突发数据分组 AAL AAL 层层 48 48 字节数据块字节数据块 ATM ATM 层层 53 53 字节信元字节信元 视频信号视频信号 A/DA

20、/D 图像帧图像帧 压缩的编码信号压缩的编码信号 AAL AAL 层层 48 48 字节数据块字节数据块 ATM ATM 层层 53 53 字节信元字节信元 不同信号源发出的信号通过AAL层都变成固定长度的数据块(48 字节长)，然后再交给ATM层，加上 5字节的首部后变成53字节的 信元。 ATM协议和业务QoS介绍 ATM 信元的封装 AAL 层将层将 48 48 字节长的数据块交给字节长的数据块交给 ATM 层，加层，加 上上 5 5 字节的首部后变成字节的首部后变成 53 53 字节的信元字节的信元 ATM协议和业务QoS介绍 AAL适配方式分类适配方式分类 目前AAL层有5种适配方式

21、，用于承载不同类型的数据业务。本课 程的重点是AAL2和AAL5，因为在TD-SCDMA的RNC系统中，语 音业务使用AAL2承载，其他业务和信令使用AAL5承载. 业务业务A类类B类类C类类D类类 比特率比特率固定固定可变可变可变可变可变可变 信源、信宿定时关系信源、信宿定时关系需要需要需要需要不需要不需要不需要不需要 连接方式连接方式面向连接面向连接面向连接面向连接面向连接面向连接无连接无连接 适配适配AAL1AAL2AAL3/4AAL5 ATM网络结构 最简单的最简单的ATM网络网络 ATM网络结构 规模大一些的规模大一些的ATM网络网络 ATM网络结构 ATM在在TD-SCDMA系统中

22、的应用系统中的应用 物理层E1链路之间的反向复用IMA RNC与NodeB之间远程操作维护通道的 IPOA 协议栈接口与ATM接口类型适配层之间的 关系 各类高层业务之间的Qos保证 反向复用反向复用IMA PHY IMA组组 PHY PHY PHY IMA组组 PHY PHY Physical Link #1 Physical Link #0 Physical Link #2 Virtual ATM Link 当Iub接口连接使用多条E1时，可以采用IMA（Inverse Multiplexing over ATM）组方式传 送ATM信元。反向复用的目的就是用多条低速物理链路共同传送一条高速

23、ATM链路信元 的方法。 ATM LayerATM Layer 传送：按循环的次序把信元分配到各条低速的物理链路上 接收：将各条低速物理链路传输来的信元重新汇成信元流 IPOA协议栈协议栈 ATM网络物理层网络物理层 将将IP地址映射为地址映射为ATM PVC或或SVC 高层应用高层应用 ATM AAL IP TCP/UDP 高层应用高层应用 ATM AAL IP TCP/UDP 将将IP数据包转化为数据包转化为ATM Payload TCP/IP数据帧处理数据帧处理 App DataTCP Header TCP headerApp DataIP Header IP HeaderTCP Hea

24、derApp DataLLC SAR-SDU#1SAR-SDU#2SAR-SDU#3SAR-PDU#4SAR-PDU#5 TCP IP SNAP/LLC AAL5 CS SAR ATM PHY 在在SAR-PDU前加上前加上5Bytes的的ATM信元头，并根据信元头，并根据IP地址和地址和PVC/SVC的映射关的映射关 系填写系填写VPI/VCI的值，将已构造完成的的值，将已构造完成的ATM信元交由物理层传送。信元交由物理层传送。 具体的数据传输协议和物理介质，完成具体的数据传输协议和物理介质，完成ATM信元的传送信元的传送 LLCIP HeaderTCP HeaderApp DataPADC

25、PCS-PDU Tail IPOA下下ARP协议的实现协议的实现典型组网图典型组网图 ATM网络网络 ARP服务器服务器 以太网以太网 WAN 路由器路由器 IPOA下ARP协议的实现SVC情况 主机向ARP服务器登记其IP地址和ATM地址 主机主机1 ARP服务器服务器 IP:192 .168 .1 .1 ATM:50412081 IP:192 .168 .1 .2 ATM:50412082 ATM网络网络 主机主机2 IPOA下下ARP协议的实现协议的实现SVC情情 况况 ARP服务器建立IP地址和ATM地址映射表 主机主机1 ARP服务器服务器 ATM网络网络 主机主机2 IP:192

26、.168 .1.2 ATM:50412082 IP:192 .168 .1.1 ATM:50412081 IPOA下下ARP协议的实现协议的实现SVC情情 况况 主机1以主机2的IP地址为索引，向ARP服务器要求 解析主机2的ATM地址。 主机主机1 ARP服务器服务器 IP:192 .168 .1 .2 ATM:？ ATM网络网络 IPOA下下ARP协议的实现协议的实现SVC情情 况况 ARP服务器在IP地址和ATM地址映射表中查出主机2的ATM地 址，并通知主机1 主机主机1 ARP服务器服务器 IP:192 .168 .1 .2 ATM: 50412082 ATM网络网络 IP:192

27、.168 .1 .2 ATM:50412082 IP:192 .168 .1 .1 ATM:50412081 IPOA下下ARP协议的实现协议的实现SVC情况情况 主机主机1 ARP服务器服务器 ATM网络网络 主机主机2 主机1使用主机2的ATM地址，通 过呼叫建立连接主机2的SVC, 实现两者间的IP数据包交换. IPOA下下ARP协议的实现协议的实现PVC情情 况况 主机主机A IP:192 .168 .1 .1 ATM网络网络 主机主机B IP:192 .168 .1 .2 PVC 在这种方式下，任意两个有通信要求的IPOA终端间必须建立PVC。主机A和主机B 间如果要实现IP数据交互首先要配置一条PVC。 I