第七章-ATM交换技术

1第七章ATM交换技术2主要内容ATM与B-ISDN的产生与发展ATM基本原理ATM交换技术31）B-ISDN的提出——通信网的发展N-ISDN的局限性：（1）窄带ISDN的信息传输速率有限。（2）窄带ISDN是在数字电话网的基础上发展起来的，网络内部的交换是基于64kbit/s的电路交换方式，而电路交换方式对技术发展的适应性较差。（3）窄带ISDN虽然也综合了分组交换业务，但是这种综合仅在用户—网络接口上实现。B-ISDN的提出：

能够提供具有更高传输速率的传输信道；更先进的传送模式，能够适应全部现有及未来可能出现的各种业务。1、ATM与B-ISDN的产生与发展42）B-ISDN网对传送模式的要求

对信息的损伤要小具有时间透明性(信息传送的时延和时延抖动要小)具有语义透明性(由传送引起的信息丢失和差错要小)能灵活地支持各种业务具有高速传送信息的能力1、ATM与B-ISDN的产生与发展53）ATM与B-ISDN的产生和发展1983年，美国贝尔实验室的TurnerJ.等人提出了快速分组交换（FPS－FastPacketSwitching）原理，研制了原型机。同年，法国CoudreuseJ.P.提出了ATD交换概念，并在法国电信研究中心（CNET）研制了演示模型。

FPS和ATD概念提出以后，很多设备制造公司、邮电管理部门和标准化组织表示了强烈的兴趣，进行了深入的研究。80年代中期，CCITT也开始了这种新的传送模式的研究。1988年，CCITT18研究组决定采用固定长度的信元，定名为ATM，并认定B-ISDN将基于ATM技术。1990年，CCITT18研究组制定了关于ATM的一系列建议，并在以后的研究中不断地深入和完善。1、ATM与B-ISDN的产生与发展61994年投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在州的范围内的公用ATM宽带网。在欧洲由法国、德国、英国、意大利和西班牙等国发起的泛欧ATM宽带试验网，于1994年11月开始运行，后来扩大到欧洲的十多个国家，是覆盖面较广的ATM试验网在亚洲的日本NTT与邮政省、香港电讯、新加坡电信、韩国电信、泰国的亚洲电信以及中国的广东、北京和上海电信管理局也进行过以ATM为基础的宽带网试验。试验的业务平台有基于TCP／IP的宽带数据、VOD、会议电视。试验的应用系统大致有家庭购物、远程医疗、远程教学等。1、ATM与B-ISDN的产生与发展7

4）公用网的ATM交换系统公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性，吞吐量通常为40~160G。应能支持各种接口、业务和连接类型，并具有保证服务质量（Qos）的业务流控制功能。

富士通FETEX-150、爱立信的AXD301、西门子的MainStreetXpress、AT&T的GlobeView2000、阿尔卡特的1000AX、北电的MagellanConcorde等。1、ATM与B-ISDN的产生与发展82、ATM基本原理ATM信元及其结构ATM信元传送处理原则面向连接的工作方式92.1ATM信元及其结构1）信元结构：

信元由5字节信头和48字节信息段（净荷）组成。发送次序87654321比特1…56……………….53发送次序信头（5字节）信息段（48字节）信元从第1个字节开始顺序向下发送在同一字节中从第8位开始发送102）UNI的信头结构：GFC（GenericFlowControl）：

一般流量控制字段（4个比特）及相应的GFC功能用于接入的流量控制。由于B-ISDN的UNI接入的终端数量可以很多，需要控制流向网络的流量，以避免网络的短期过载。GFC比特87654321VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP123452.1ATM信元及其结构11VPI/VCI（VirtualPathIdentifier/VirtualChannelIdentifier）：

选路信息。PT（PayloadType）：

有3个比特，表示净荷类型，区分是用户数据信元还是其他信元类型CLP（CellLossPriority）：

表示信元丢失优先级，只有一个比特，CLP=0，表示高优先级；CLP=1,表示低优先级，若遇到拥塞要丢弃信元时，CLP=1的信元将首先丢弃。HEC（HeadErrorControl）：

为1个字节，用于信头差错控制。2.1ATM信元及其结构123）NNI的信头结构：

NNI信头不需要GFC字段，从而使VPI扩展为12比特。比特87654321VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP123452.1ATM信元及其结构

1.误码处理方法

在传送ATM信元的系统中，通过对信头部分的信头差错控制(HEC)进行检验，可以纠正信头中的一位错码和发现多位错码。对于HEC已检验出信头有错而无法纠正时，则丢弃该信元。ATM信元头中出现误码大多只是一位错误，因而在ATM信元头纠错中采用了只能纠正一位错码的校验码序列。对信息域不采取任何纠错和检错措施，这使得2.2ATM信元传送处理原则(1)接收方收到的ATM信元的信头都是正确的。

(2)不是所有的ATM信元都能送到接收方，信头错误的信元被丢弃了。

(3)ATM系统不保证传送信息的正确性，接收方收到的ATM信元的信息域中可能有误码。2.信元定界方法（1）信元定界功能：在一个比特流中，界定各个信元的功能，称作信元定界功能。（2）定界方法

在信元定界过程中定义了三种状态：搜索态、预同步态和同步态。在搜索状态中，系统对接收信号进行逐比特的差错控制HEC检验。当发现了一个正确的HEC检验结果后，系统进入预同步状态。在这种状态，系统认为已经发现了信元的边界，并按照此边界找到下一个信头进行HEC检验。

差错控制定界方法

若能连续发现b个信元的HEC检验都正确，则系统进入同步状态。若发现一个HEC检验的错误，则系统回到搜索态。在同步态，系统逐信元进行HEC检验，在发现连续a个不正确的结果后，系统回到搜索态。定界方法

对于一条以恒定速率传送ATM信元的信道，它的发送端没有信元传送时，则应向信道送出空闲信元。在信道的接收端，应把收到的空闲信元丢掉。

(1)信道上永远处于信元传送状态。

(2)信道上时间被等分为一系列小段，每个小段传送一个信元。

3.信道填充

181）虚通道与虚信道：

ATM传输通道可分割成若干个逻辑子信道，为便于应用和管理，逻辑子信道可按两个等级来划分：虚通道（VP--VirtualPath）虚信道（VC--VirtualChannel）2.3面向连接的工作方式192.3面向连接的工作方式向北京方向（用VPI=1标识）的3个通信，两个是数据通信，一个是电话通信（分别用VCI=4、5、6标识）向广州方向（用VPI=2标识）的2个通信，一个是视频通信，一个是电话通信（分别用VCI=5、6标识）202）VPC（虚通道连接）和VCC（虚信道连接）

VCC（VirtualChannelConnection）是VCC端点之间的VC级端到端的连接，由多条VC链路串接而成，VCI（虚信道标识）用来识别一条VC。

VPC（VirtualPathConnection）是VPC端点之间的VP级端到端的连接，由多条VP链路串接而成，VPI（虚通道标识）用来识别一条VP。

VCC端点（VCCEndpoint）是VCC的起点和终点，是ATM层及其上层交换信元净荷的地方，也就是信息产生的源点和被传送的目的点。VPC端点（VPCendpoint）是VPC的起点和终点，是VCI产生，变换或终止的地方。2.3面向连接的工作方式21虚信道连接（VCC）虚通道连接（VPC）VC链路VC链路VC链路VCIXVCIyVCIZVP链路VP链路VP链路VPIXVPIyVPIZ2.3面向连接的工作方式223）VP交换和VC交换

VP交换是指仅变换VPI值而不改变VCI值的交换，即只进行虚通道的交换，虚通道里面的虚信道并不进行交换。2.3面向连接的工作方式23VC交换是指VPI值与VCI值都要进行改变的交换。因为虚信道是按照虚通道来划分的，当虚信道交换时，其所属的虚通道也要进行交换，即虚通道和虚信道都要进行交换。2.3面向连接的工作方式242.3面向连接的工作方式ATM连接的建立过程。在源ATM端点与目的ATM端点进行通信前的连接建立过程，实际上就是在这两个端点间的各段传输通道上，找寻空闲VC链路和VP链路，分配VCI与VPI，建立相应VCC与VPC的过程。25ATM虚连接建立的方式有两种方式：永久虚连接（PVC：PermanentVirtualConnection）交换虚连接（SVC：SwitchingVirtualConnection）PVC是由管理面控制建立的永久和半永久连接，用户在传送信息前不需要建立过程。SVC是由信令控制建立的连接，用户在传送信息前要建立连接，信息传送完毕则拆除虚连接。VPC和VCC都可有PVC和SVC的虚连接。2.3面向连接的工作方式

国际电联给出了B—ISDN的参考模型，它是一个立体分层模型。2.4ATM分层参考模型

从纵向看有三个功能面控制面用户面管理面管理平面(M平面)

有两个功能：平面管理和层管理。平面管理没有分层结构，它负责所有平面的协调。层管理负责各层中的实体，并执行运营、监控和维护(OAM)功能。

用户平面(U平面)

负责提供用户信息传送、流量控制和恢复操作控制平面(C平面)

负责建立网络连接和管理连接，以及连接的释放；使用永久虚电路(PVC)时不需要控制平面。28物理层：负责通过物理媒体正确、有效地传送信元。它可划分为２个子层：物理媒体相关子层（PMD：PhysicalMediumDependentSublayer）传输汇聚子层（TC：TransmissionConvergenceSublayer）物理媒体相关子层（PMD）的功能：提供与传输媒体有关的机械和电气接口，正确地发送和接收数据比特，负责线路编码、比特定时等功能。传输汇聚子层（TC）的功能：①传输帧的产生/恢复与适配

在发送端要将信元流封装成适合传输系统要求的帧结构送到PMD子层，在接收端则将PMD子层送来的比特流（传输帧）恢复成信元流；并在信元流与传输帧转换时完成格式的适配。2.4ATM协议参考模型29②信头差错控制（HEC:HeaderErrorControl）信元的信头中含有控制选路及其他的重要信息，必须对信头信息进行差错控制。在发送端按CRC算法生成1字节的信头差错控制域（HEC），而在接收端对信头的HEC进行校验并按照一定的信头差错控制方式来处理信元。③信元定界和扰码

信元定界（Celldelineation）是用一定的方法来识别信元的边界。为防止信元的信息段出现伪HEC码而影响正确的定界，可对信息段进行扰码(scrambling)操作，在接收端再以相反的操作进行解扰（descrambling）。④信元速率去耦

为了使ATM层传送信元的速率不受传输媒体速率的影响，可以在发送端物理层插入空闲信元（idlecell），以将ATM层信元流的速率适配成传输媒体的速率。在接收端，通过特定的预分配信头值，可以识别出空闲信元予以丢弃，并不送往ATM层。2.4ATM协议参考模型30ATM层：

ATM层的主要功能是负责信元的交换、选路和复用。具体为：信元的复用与交换服务质量保证实现净荷类型有关的功能一般流量控制2.4ATM协议参考模型31AAL：1）AAL的功能：

主要功能是将高层业务信息或信令信息适配成ATM信元流。它是ATM层与高层应用（包括用户面、控制面和管理面）之间的适配层，并支持高层与ATM层之间的适配：将高层的协议数据单元（PDU）映射到ATM信元的信息段或反之。AAL实体与对等层的AAL实体之间要交换信息，以实现AAL的功能。2）AAL的业务分类：AAL的功能和规程与业务有关，不同的业务需要不同的AAL规程。为了减少AAL规程的数量，将业务按照以下３个特性进行分类：①源与终点之间的定时关系：需要或不需要；②比特率：固定或可变；③连接方式：面向连接或无连接。2.4ATM协议参考模型32业务特性源与终点之间的定时关系比特率类别A类B类C类D类连接方式需要不需要固定可变面向连接无连接ATM适配层AAL1AAL2AAL5AAL3/4AAL3/42.4ATM协议参考模型333）AAL的基本结构：AAL的功能可以分为两个逻辑子层：汇聚子层（CS：ConvergenceSublayer）汇聚子层的主要功能是在AAL业务接入点（SAP）对高层提供AAL的服务，其具体功能与业务类型有关。分段和重组子层（SAR：SegmentationAndReassembly）

分段和重组子层可简称为拆装子层，其主要功能是将高层信息进行分割，以适合于装入ATM信元的信息段，或者反之。

2.4ATM协议参考模型34４）AAL类型：为了适应不同业务类型的需要，ITU-T定义了４类AAL：AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5。AAL1规程用于支持Ａ类业务。AAL2规程用于支持Ｂ类业务，适用于时延敏感的低速、可变长度的短分组的传送。AAL3与AAL4原来是分开的，后来合并为一类：AAL3/4，用来支持C/D两类业务，即包括面向连接与无连接的数据业务。AAL5可以看成是简化的AAL3/4，用来支持面向连接的C类业务（如帧中继），传送大的数据分组时效率较高，ATM网络信令也采用AAL5。高层：则相当于各种业务的应用层或信令的高层处理。2.4ATM协议参考模型353.1ATM交换的基本原理

ATM交换是指ATM信元从输入端的逻辑信道到输出端的逻辑信道的消息传递。输出信道的确定是根据连接建立信令的要求在众多的输出信道中进行选择来完成的。ATM逻辑信道具有两个特征：物理端口（线路）编号VP与VC标识符为了提供交换功能，输入物理端口必须与输出物理端口相关联；输入VPI/VCI与输出的VPI/VCI相关。ATM交换系统执行三种基本功能：信头翻译、路由选择和排队36信头变换：

信头变换主要是指VPI/VCI值的变换，即入VPI/VCI变换为出VPI/VCI。VPI/VCI的变换体现了信元交换的重要概念，意味着入线上某逻辑信道中的信息被传送到出线上的另一逻辑信道中去。为了实现信头变换，应建立翻译表