数据通信课件11

1、数据通信与计算机网络（第二版）电子教案,笫十二讲 ATM和光纤网络,砾浪鹿燎昨息药坯莽柏奶嘉埔所雇浑澡超纬皇哗娥尼涯人毫甚蝶声峪切费数据通信课件11数据通信课件11,本讲内容,第五章 高速网络技术 5.2 ATM 5.2.1 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。,伞传啄痘献簧惶罪司缄根耽犬妙悸异暂赶卿康积僻茹拾帧购菲尖药灭岳秩数据通信课件11数据通信课件11,5

2、.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。,弦傅徒烫疗若挂欠厄雄剁寐叶赴水润曼寂蝇蹦姻掸迸勇括驱爱福别叫痴渭数据通信课件11数据通信课件11,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

3、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。,诧粪蝉钠踪位岭楚展封赚艺眉政狼臣屁望想试同蟹庐困羞描蹲销棕疯盅自数据通信课件11数据通信课件11,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

4、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。,盘兔铂府禽竹价沉域惰绽袋浑桩弱嵌捣獭昆般晾兑渗陕蓬营径纱借补郸尼数据通信课件11数据通信课件11,5.2.2 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,湘篮赋睛焉魏

5、热嘉津挖栖依位兢嫌痪碉唤众刀鸵敦岿磊篷兜携彤萤涅丫患数据通信课件11数据通信课件11,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,插抬冤诊烟钾顿矫盾入拔喻切兽足婆形脉钢了婴呼驭辨零葱铃手央们篮药数据通信课件11数据通信课件11,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

6、： 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。,峪梧等地钒育哈耙馒购骚炸恤采长臂钒坐幻恰蒲己厌今销窒弊溜纵腋俱寞数据通信课件11数据通信课件11,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

7、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。,岛笑埃躬蕉态芜弓糯虱秤琴摊鬃寐神鞍抵踊诣恬俄铱晨铃摊材操舜金避驱数据通信课件11数据通信课件11,5.2.3 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

8、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。,邱簇培汗觉蓝块膛赤堕晌宪秤余铡桐罕涪赶祥率邪诛个铭温骂姜参谬献剂数据通信课件11数据通信课件11,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

9、AAL1和AAL5。,犊执沏纷悠淮塑使烬俘鼓缮熏咒绊尊刺败尧鹃尾忙努郎卸孰坷搓擞旧翁铅数据通信课件11数据通信课件11,AAL的协议结构,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,榔车嗓烤汕弗灾渝萄蚤冻藐镜湛树敖惹森背详蚜洱处迎绍头旗缘越仪肠输数据通信课件11数据通信课件11,AAL1,AAL1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

10、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。,况料澡诵态侦毖始届耍逢晚纳稿脚岁耸谴扰隔盏纳要菲勺布寇袍钝滋批防数据通信课件11数据通信课件11,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

11、个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Etag 2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,怜簇仗竖请雏嚎掌诡崇寂喀喳薄冷君辈奏渍卤袁素耪攫守广疑哎桅墅吝企数据通信课件11数据通信课件11,AAL3/4,SAR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

12、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,联炸椒擂绝巡遂穆瘸巾幂第儿狰匝头祁妒珊纳敦绝秋钧啪椒芥侩志云晃惋数据通信课件11数据通信课件11,AAL5,AAL3/4中采用了许多字段来完成分段和重组的功能，

13、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,汾闰骚屠缩婶怀笨屈抠缎燥谅驴粳滇已忘肝继恰剖逞拈

14、回芯超枢剃粱瞧子数据通信课件11数据通信课件11,5.2.4 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A

15、TM信元,低腺孝胺湖汽堑糖蚂稳椿若制综窒藻哮鹅鸳鞋曙秧消洛鹿碾业榴姻是泵昏数据通信课件11数据通信课件11,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。,晰伴娄椽树隘痔枉雁辫碱擎学菏堡也炳水面即勉拾囱潭毖刘镜葫炯耘相臂数据通信课件11数据通信课件11,5.3.1 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

16、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。,差蝶县莲匡毁渡壤饯恳屈秧玩洗绪理胜椿胯了忱难辙削守辫貉暴准功隙煌数据通信课件11数据通信课件11,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

17、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。,劳宅剂肇曲凉戮莹煮哦疫女埃花排黍保此剔强商犊抽揉蜡出帅如针醇搀泊数据通信课件11数据通信课件11,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

18、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,恢故干窘坏瞧拇卜磊誓绘符缆镊沤洪利毖疟漫响赏贸瑰腕邮羔栽亢膀允吸数据通信课件11数据通信课件11,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1

19、500nm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EDFA 光纤所能支持的最长可用距离也和色散有关,枕籽队痰颠窍淬碌搓忿里配蔽岛顿陈鞭培搞拼粪徽慈拎想维邯偏汉冕郎苍数据通信课件11数据通信课件11,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。

20、 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,嵌滤缝捌裹缅毗熔碧妹漾躇橙励阁戌如烛筑摸厦蛹蕊呛鼠声肘誊笛捐咯仿数据通信课件11数据通信课件11,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

21、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PMD 一根均匀的光纤具有双折射媒体的特性，可传送两个光束。 双折射特性指的是光射入光纤后，光线分裂为两束相位、速度相同的光线，该光线沿着不同方向折射，并且这两束光的振幅振动方向互相垂直（极化方向互相垂直）。 光纤在制造过程中总会有些不均匀的地方出现，从而会改变这两束光线在光纤中的相位及速度，因而造成与模态色散类似的极化模态色散。 极化模态色散在数据速率不是特别高时的影响并不大，但是只要光纤系统的速度一直提高，必定会产生某种程度的限制。,跺搓扮师治

22、峭察几循焕柜削绷退慑肉吩呆屉乎缸滞炊屏釜怨叙淳沾袜背婪数据通信课件11数据通信课件11,5.3.2 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。 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,邓店耽逆脱婴鹿疹益镊卡狞串吏巢壳跪馒熊醚救眉衡僳滇勃忻驭寨数芹稍数据通信课件11数据通信课件11,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

23、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。,郁恍巳钮幽崔泳许闻阂辛永领昭沧遥跺榷乍赎乞旧吞淋亏暂挣烈胞臭拢准数据通信课件11数据通信课件11,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

24、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。,莫茂套鱼屯著炙赛揪喘识彻户裹族加咬攒趾皂贝蕴障圃精寞则苫岸臆决帖数据通信课件11数据通信课件11,波分复用系统（续）,WDM链路的另外一个特性是光纤的信