《数据通信与计算机网络（二版）》电子教案

1、笫十二讲 ATM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服务模型ATM支持四种服务模型：CB

2、R（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，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

3、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，用来表示

4、网络管理、用户信令、拥塞指示等负载指示信息。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

5、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

6、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（主机或路由器）实现，AAL相当于一个运输层协议。 AAL端系统ATMPHYPHYATMPHYATMAALATMPHY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

7、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AAL进一步分为集中(汇聚）子层和分段与重组子层集中子层提供支持相应的AAL服务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）AAL1AAL1支持恒定比特速率ATM网络传输时可能会发生信元的丢失，信

8、元传输时延也可能各不相同AAL1通过缓存数据来平滑时延通过给信元编号来检测信元的丢失。AAL1利用信元携带的负荷中第一个字节来传输控制信息，余下的47个字节传输数据：C：用于信令位，比如用来标志数据流。Seq：3位的序号如果连续丢失8个信元，AAL1可能无法检测到错误。SNP：4位的序号保护字段，包括了3位CRC编码和1位奇偶校验位。AAL3/4支持通过ATM网络传输数据报，但较复杂，且效率低，实践中被AAL5替代集中子层：控制信息包括相应的头部和尾部4个字节的头部，包括1个字节的版本号：当前为0一个字节的开始标记Btag，它可以取任意值，但要求和尾部中的结束标记Etag是一致的，用于防止两个

9、信元意外连接在一起的情况。两个字节的长度字段BASize，表明需要暂时用于保存PDU的空间（数据长度头部长度尾部长度填充字节数）4个字节的尾部，包括一个字节的对齐字段：使得尾部以32位边界对齐，可能会在数据和尾部之间进行填充。1个字节的结束标记Etag2个字节的数据长度：给出了CS PDU的长度，与头部的BASize一起可以决定填充字段的长度AAL3/4SAR子层：将CS PDU按照44个字节分割成多段，每一段加上4字节的SAR控制信息后填入ATM的信元中控制信息包括2字节的头部和2字节的尾部。2字节的头部前面2位表示该信元是CS PDU的第一个信元、最后一个信元、中间信元还是CS PDU就包

10、括在这一个信元中（它既是第一个信元也是最后一个信元）接下来是4位的序号，用于检测信元的丢失和乱序情况然后是10比特的多路复用标识MID字段，用于把多个CS PDU复用到一条连接上。2字节的尾部前面6位表示数据部分的长度（一般为44，如果是最后一个信元，数据可能不足44字节）接着10位是该信元的CRC校验码AAL5AAL3/4中采用了许多字段来完成分段和重组的功能，带来了很多的开销AAL5对此作了改进CS子层中，AAL5附加一个8字节的尾部。在尾部前可能会进行填充，以便让CS PDU（消息填充尾部）的长度为48字节（ATM信元携带的数据长度）的倍数。尾部字段中：2个字节的长度字段，给出了消息的大

11、小4个字节的CRC校验另外2个字节保留SAR子层中，将CS PDU按照48字节分割成多段，每段被填入ATM的信元中发送注意到AAL5的SAR并没有附加任何头部和尾部字段，通过在ATM信元头部的负荷类型字段中的一个比特来标识“消息的结束”。AAL1为了进行分段使用1个字节，AAL3/4使用了4字节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PMDPMD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

12、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

13、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，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

14、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

15、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

16、是掺铒光纤放大器EDFA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，光纤分为两种多模光纤：光波同时以不同的角度射入光纤，然后以不同的角度全反射前进，也就是以不同的模态前进。模态色散或模间色散反射次数多的光束行进的路径比反射次数少的光束要远些，光束到达接收器的时间也不一样，使得光脉冲的宽度变大颜色色散：光源的发光频谱含有多种波长而引起的，这些不同波长的光耦合进入光纤后，以不同的速度传播，从而造成到达接收器的时间不同单模光纤光链路的性能（续）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，它的影响最大波导色散是由

17、于光纤核心与包层的折射率不同，在单模光纤内传输的光除了分布在核心之外，也渗入包层内，而这两个地方的折射率不同，从而使得光束不同而造成色散。折射率轮廓色散是由于核心与包层折射率随不同的波长而变化引起的，其值通常很小，计算时可忽略。极化模态色散PMD5.3.2 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。激光二极管由于受到光电转换的限制，支持的数据速率一般只有2.5Gbps，所利用的带宽只占光纤可以支持的带宽的很小一部分波分多路复用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）

18、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间隔（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间隔一般受到传输器、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）W