笫十二讲ATM和光纤网络

1、数据通信与计算机网络（第二版）电子教案笫十二讲笫十二讲 ATM和光纤网络和光纤网络本讲内容第五章 高速网络技术5.2 ATM5.2.1 ATM概述5.2.2 信元5.2.3 ATM适配层5.2.4 ATM的物理层*5.2.5 局域网仿真5.3 光纤网络5.3.1 光链路5.3.2 波分复用系统*5.3.3 光网络*是要求同学了解的，这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材。5.2.1 ATM概述 ATM采用的是信元交换技术，信元是一个53个字节的固定长度的分组，其中48个字节为信息字节，5个字节为信头 ATM是一种面向连接方式的技术，支持交换虚电路和永久虚电路 ATM不支持链路级

2、的重传机制 如果交换机检测到信元在传输过程中出现差错，将利用纠错技术来纠正，如果不行，则丢弃该信元 ATM既可直接（或通过适配层）处理面向连接型业务，也可通过适配层处理无连接型业务。ATM服务模型 ATM支持四种服务模型： CBR（恒定比特速率）：数据按照恒定的速度进行收发，网络提供预留的带宽和服务保证。 UBR（未定比特速率）：数据的接收不受约束，如果带宽充足，则发送，否则丢弃。网络不提供预留带宽和服务保证。 ABR（可用比特速率）：与UBR类似，但网络能够提供拥塞反馈。端节点可以根据网络提供的拥塞反馈来降低发送的速率，从而减少由于拥塞造成的数据丢失。 VBR（可变比特速率）：与CBR类似，

3、当网络不是处在使用高峰时提供预留带宽，它允许突发的数据传输。ATM协议参考模型 物理层处理物理媒体的电气特性、比特定时等 ATM层是ATM的核心，定义了ATM信元的结构和各个字段的含义 ATM适配层定义了几种不同类型的AAL，分别支持不同类型的服务。 高层ATM适配层ATM层物理层5.2.2 信元ATM使用固定长度的信元。每个信元包括5个字节的头部和48个字节的负荷。使用小信元可以减少高优先级信元的排队延迟使用固定长度的信元使硬件中的交换实现起来更加容易，从而支持较高的数据速率ATM信元有两种不同的格式：UNI和NNI格式UNI格式用在用户网络接口处UNI格式的信元包含通用流量控制字段NNI格

4、式则用于网络网络接口处NNI格式的信元没有通用流量控制字段，从而把VPI字段从8位增加到12位ATM信元格式 4比特的通用流量控制GFC字段 8比特或12比特的虚路径标识（VPI） 16比特的虚电路标识（VCI） 3比特的负载类型字段 信元丢失优先级（CLP）比特：在网络拥塞时优先丢弃CLP为1的信元 8个比特的头部差错控制：用于保护信元的头部，提供差错检测和1比特的纠错功能 GFC负载类型CLP虚电路标识虚电路标识虚通道标识头部差错控制48个字节的负荷a、UNI接口CLP负载类型虚电路标识虚通道标识头部差错控制48个字节的负荷b、NNI接口虚电路（VC）和虚路径（VP） ATM是一种面向连接

5、方式的技术，连接标识进一步分割为虚路径标识VPI和虚电路标识（VCI）两个部分： 一条虚路径可以包括许多条虚电路，即它们的VPI字段都相同 骨干网上的交换机把这些VC作为一个整体来看待，并且采用VP交换，即只根据VPI字段进行交换 VC交换则意味着根据整个字段（VPI和VCI）进行交换。 连接的建立与释放 连接的建立与释放通过相应的信令协议完成： 信令消息的发送和发送数据类似，只是信令协议使用永久虚电路5（VCI5、VPI0）。 信令信息一般是通过ATM适配层的AAL5进行传输的。 信令协议的基本信令消息包括： 建立：用于建立一个呼叫，包括源地址和目的地址，描述了该连接的传输特征、服务要求的质

6、量和经过的网络。 呼叫进行：由交换机发送给前一跳的交换机，表明它已经接收到了一个呼叫建立请求消息，并正在试图处理它。 连接：由目的端发送，并被传递给源端，表明目的端已经接受了这个呼叫。 连接确认：由源端发送，并被传递给目的端，表明源端已经知道目的端接受了这个呼叫请求。 释放：可由任何一方提出，然后通过网络传送给另一端。 释放确认：由收到释放请求的一端提出，并通过网络传送给另外一端。5.2.3 ATM适配层AAL允许在ATM上支持不同的高层协议和高层应用处理传输差错分段与重组处理信元丢失与失序情况流量控制AAL只在ATM网络的端系统处实现，AAL相当于一个运输层协议。 AAL端系统ATMPHYP

7、HYATMPHYATMAALATMPHY端系统ATM交换机ATM交换机ATM适配层（续） ATM定义了4种AAL以支持各种不同类型的服务 AAL1：支持要求恒定比特速率的应用（比如音频应用） AAL2：与AAL1类似，只是支持可变比特速率。其设计并不完全的，很难进行实现。 AAL3/4 ：支持通过ATM传输数据 AAL3是为了面向连接的分组服务（比如X.25） AAL4用于无连接的数据传输（比如IP）。 AAL5：对AAL3/4作了很多改进 实践中采用的AAL为AAL1和AAL5。 AAL的协议结构AAL3/4AAL5 AAL进一步分为集中子层和分段与重组子层 集中子层提供支持相应的AAL服务

8、所必须完成的功能 分段与重组子层负责将从CS层传来的信息分段成信元，而接收端则再将信元重组AAL用户ATM适配层ATM层物理层集中子层（CS）分段与重组子层（SAR）5.2.4 ATM的物理层 ATM物理层的功能是通过一个物理媒体传输ATM信元，它包括两个子层 物理媒体相关子层PMD PMD子层位于ATM协议栈的最底部，它依赖于所采用的物理媒体，为实际的比特传输作准备，它并不知道ATM信元的边界 ATM可以运行在SONET物理层之上，也可以工作在其他传输媒体上，包括光纤、铜线甚至是无线链路 传输集中子层TC 主要功能是确定信元的边界，同时完成头部差错纠正HEC的功能 在发送时，TC子层把ATM

9、信元组装进PMD子层的物理帧结构中 在接收端，TC子层从PMD子层的物理帧结构中通过HEC找到信元的边界，从而提取ATM信元ATM的物理层（续） 如何确认信元的边界？ 每个信元的第五个字节是CRC校验字段。因此如果对最近收到的5个字节进行CRC校验，并且发现没有错误，这可能表示你正在读取ATM信元的头部。 如果这种情况连续出现（每隔53字节），基本可以确认信元的边界。5.3.1 光链路 一条光链路由一个传输器、光纤和接收器组成。 要传输的数据首先用电信号来表示，传输器按照某种调制机制将电信号转换成光信号 最为广泛采用的调制技术是开关调制OOK（on-off keying），激光开启表示比特1，

10、激光关闭则表示比特0。因此由1和0组成的比特流被转换为一组由亮黑（light and dark）交织的光脉冲 光信号在光纤中传播 由于衰减和散射可能导致信号的变形 接收器将光信号还原成电信号获得调制前的数据。传输的数据传输器接收器 接收的数据光纤B bpsL km光链路的性能 光链路的性能由传输器、接收器和光纤的特性决定 传输器负责产生光源： 对于比较短的距离可以采用比较便宜的发光二极管LED 更长的距离和更高的数据速率一般采用注入式激光二极管ILD 光链路的性能可以用（B,L）来表示： B（bps）给出了链路支持的数据速率 L（km）给出了为了保证差错率位于一定的水平的光纤的最长距离。 比特

11、率和最远距离的乘积BL给出了一个链路的价值 假设我们要利用（B，L）链路来构建一个能够以BT bps速率来覆盖距离为LT km的通信系统，我们可以通过BT/B个并行子系统来完成我们的目标 每个子系统由LT/L条链路串行连接而成 需要（BTLT）/（BL）条链路。光链路的性能（续） 接收器如何还原调制前的数据？ 首先经过光电二极管将光信号转变为光电流 通过放大器将光电流转换为一个可用的电信号 电信号再经过低通过滤器将那些超过输入数据信号的带宽的谐波过滤掉，从而将那些放大器带来的噪声去除。 电信号被还原成数据脉冲，然后将采样的脉冲与一个阈值比较来判别收到的是比特1还是0。 由于噪声的影响，接收器可

12、能会作出错误的决定，这一般是通过一个比特差错率BER来衡量的， 光纤的BER一般为1210光链路的性能（续） 光纤所能支持的最长可用距离受到光纤的衰减的制约 一个光纤的衰减特性可以用每千米的分贝值（dB/km）来表示。 在玻璃合成光纤中，光的传播有3种最佳的以850、1300和1500nm为中心的波长“窗口”，波长在这些窗口中的光的衰减特性比较低。 由于衰减太多，途中需要放大光信号 电子放大器：首先将光信号转换为比特流，然后重新产生光信号继续传递 数据传输速率将受电子放大器的限制，一般只有几个GHz。 光学放大器： 光信号不需要转变为电信号 目前比较常用的是掺铒光纤放大器掺铒光纤放大器EDFA

13、 光纤所能支持的最长可用距离也和色散有关 光链路的性能（续） 按照光在光纤中传输的方式，光纤分为两种:（1）多模光纤：中心玻璃芯较粗（50或62.5m），可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。一般光纤跳纤用橙色表示，也有的用灰色表示，接头和保护套用米色或者黑色；传输距离较短。光链路的性能（续）（2）单模光纤材料色散是因光纤材料的原子结构与光波相互作用而使光纤的折射率隨著不同波長变化而引起的，它的影响最大.中心玻璃芯较细（芯径一

14、般为9或10m），只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好.一般光纤跳纤用黄色表示，接头和保护套为蓝色；传输距离较长。5.3.2 波分复用系统 光纤的带宽可达25000GHz，支持的数据速率的数量级可达Tbps。 波分多路复用WDM：利用不同的光波波长，将多个光信号合并在单一的光纤中传送TT1ni1RnRWDM复用器光放大器WDM解复用器波分复用系统（续） 一个WDM链路包括 n个激光传输器，每个传输器独立产生一个波长中心为i的光波 WDM复用器：将n束不同波长的光波混合在一起注入光纤

15、中 光纤和光放大器：光波在光纤传输过程中会遇到衰减，途中可能会有多个光放大器来放大光信号，从而扩展光纤覆盖的距离 WDM解复用器：把光信号分成n份，每份具有原有信号能量的1/n，每份信号然后通过一个过滤器来还原相应波长的光信号 光接收器：将WDM解复用器分割出来的光信号转换为电信号并获取原始的比特流。波分复用系统（续） WDM链路的一个重要特性是信道分割（Channel Spacing） 指的是复用在一起的光信号间的最小频率间隔，或者每个信号的波长间隔 信道分割一般受到传输器、光放大器、接收器的分割波长的能力的限制。 根据复用的波长间隔的大小，WDM系统可以分为： 密集波分复用DWDM： 波长

16、间隔小于1000GHz（约8nm），一般为0.8nm 可以提供非常高的数据传输速率，但成本比较高 稀疏波分复用CWDM 波长间隔小于50nm，一般为20nm 对激光器以及冷却系统的要求大为降低，可以大幅节省成本 宽波分复用WWDM：波长间隔在50nm以上 可用波长范围有限，10Gbps以太网的10GBASE-LX4中4个不同波长的光波被复用在一起提供10Gbps的数据速率。波分复用系统（续） WDM链路的另外一个特性是光纤的信号方向 半双工机制 光纤中的所有波长信号都沿同一个方向传输 要求采用另外一根光纤来进行另外一个方向的数据传输 全双工机制 光纤被分割成两个不同的波段，每个波段用于一个方向的传输 不需要第二根光纤，但是传输带宽会减少一半。 WDM支持协议透明 每个波长携带的信号可以采取不同的格式和协议 如复用的多个波长中，一个波长可以携带模拟的TV信号，一个可以携带SONET帧，而另一个波长可以携带IP分组。 需要采用光放大器，多个WDM链路连接在一起时要通过光交接来完成。