《现代通信网及其关键技术》第6章atm.ppt

6.3 ATM交换机及其关键技术,6.3.1 ATM复用与交换方式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：1.虚通道（VP-Virtual Path）与虚信道（VC-Virtual Channel）1）虚信道（VC）与虚信道标识（VCI）用于描述ATM信元单向传送的一个概念，信元与一个唯一的虚信道标识符(VCI)相联系。,虚信道链路(VCL)：在两个顺序的ATM实体间单向传送ATM信元的能力，在ATM实体处转换VCI值。虚信道连接VCC（Virtual Channel Connection）是VC链路的一个连接。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。,2)虚通道（VP)与虚通道标识（VPI）虚通道(VP)：用于描述虚通道的ATM信元单向传输的一个概念，VC和VP都属于ATM层。VC包含于VP之中。虚通路链路（VPL）：类似于虚信道链路。虚通道连接(VPC)：VP链路的一个连接。,VPC（Virtual Path Connection）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（VCC Endpoint）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（VPC endpoint）是VPC的起点和终点，是VCI产生，变换或终止的地方。,ATM物理连接传输通量(TP),虚通道(VP)包括多条VC,传输通路连接(TP)包括多条VP,虚信道(VC)ATM端节点之间的逻辑通路,虚信道(VC),虚信道(VC),E3OC?2,虚通道(VP),虚通道(VP),连接标识=VPI/VCI,3)虚通道(VP)、虚信道(VC)与传输通路（TP）关系,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）,一个具体的VPI/VCI只是表示相邻网络节点(ATM交换机)之间信元的逻辑通路。一个终端设备到另一个终端设备之间信元的虚连接，可能是由多个不同的VPI/VCI所表示的逻辑通路通过网络节点连接起来的。所以信元在通过网络节点时，VPI/VCI可能要发生变化，即网络节点要将输入端口信元信头中的VPI/VCI转换成相应输出端口的VPI/VCI。,2.ATM 交换,1）VP 交换,又称交叉连接(cross-connect)，相应的设备称为交叉连接设备只提供 VP 连接的交换，实现输入VPI值到输出VPI值的映射被交换的VPC中所包含的所有VCC被作为整体被交换,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）VC 交换,VC 交换功能涵盖了 VP 交换提供不同 VPC 中各 VCC 之间的信息交换实现输入 VPI/VCI 值到输出 VPI/VCI 值的映射,VC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。,这种逐跳转发被称为信元转发,虚信道连接(VCC),虚通道连接(VPC),VP交换,VC交换,VC交换,NNI,NNI,VPI=2VCI=44,VPI=1VCI=1,VPI=26VCI=44,VPI=20VCI=30,UNI,UNI,属于同一虚信道的信元群，拥有相同的虚信道标识号(VCI).属于同一虚通道的不同虚信道的信元群，拥有相同的虚通道标识符(VPC).,当发送端要和接收端通信时，发送端先发送要求连接的控制信号，接收端收到该信号并同意建立后，一个虚电路被建立起来，用VPI和VCI表示。,虚电路建立后，需要传送的信息被分割成套53字节的信元，经网络传送到对方。在虚电路中，相邻两个交换点间信元的VCI，VPI值保持不变，此两点间形成一VC链路，一串VC链路相连形成VC连接VCC。相应的，VP链路和VP连接也可以类似的方式形成。,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，,VP交换和VC交换示例,VP交换是将一条VP上所有的VC链路全部交换到另一条VP链路上去，而这些VC链路的VCI值都不改变。在VC交换时，VPI和VCI两个段都要改变,ATM虚连接建立的方式有两种方式：永久虚连接（PVC：Permanent Virtual Connection）交换虚连接（SVC：Switching Virtual Connection）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。,1)永久虚电路(PVC),永久VCC(VPC)、半永久VCC(VPC)不是通过信令建立连接，所以属于管理面的连接.,VPI/VCI 表由操作员人工维护,A,B,D,C,输入,输出,Port,VPI/VCI,Port,VPI/VCI,1,33,3,02,2,15,3,14,1,64,3,29,3,29,1,64,输入,输出,Port,VPI/VCI,Port,VPI/VCI,1,29,3,45,2,52,4,15,1,64,3,29,3,29,1,64,输入,输出,Port,VPI/VCI,Port,VPI/VCI,1,45,2,16,2,52,1,29,1,64,3,29,3,29,1,64,29,52,10,16,15,45,14,43,输入,输出,Port,VPI/VCI,Port,VPI/VCI,1,16,2,43,3,14,4,10,1,64,3,29,3,29,1,64,1,2,4,2,3,3,2,4,1,2,3,3,1,2)交换虚电路(SVC),通过信令建立连接，属于控制面的连接；,通过信令动态建立连接,B,D,1,2,4,1,3,3,2,4,1,2,UNISignaling,NNISignaling,C,A,3,1,3,输入,输出,Port,VPI/VCI,Port,VPI/VCI,1,29,3,45,输入,输出,Port,VPI/VCI,Port,VPI/VCI,1,45,2,16,输入,输出,Port,VPI/VCI,Port,VPI/VCI,1,16,2,43,输入,输出,Port,VPI/VCI,Port,VPI/VCI,1,33,3,02,6.4.1 信元交换的过程 ATM是一个面向连接型的网络。当两个终端连接建立的时候，根据信令信息以及网络运行情况，在该连接中的每个交换节点上建立转发表。该转发表包含输入端口号、输出端口号。在输入端口或者输出端口中，不同的信元流有不同的VCI/VPI值转换。当某一个信元进入交换模块时，交换模块通过识别信元信头的VCI/VPI，查找转发表，找出对应的输出端口以及输出信元的VCI/VPI值，将输入信元的VCI/VPI值改变为相应输出信元的VCI/VPI值，并控制交换网络将信元交换到对应的输出线上。,6.4 ATM交换机,1 ATM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,ATM交换机从一个端口处接收带有头部VPI/VCI标识的信元,并根据信元中VPI和VCI字段值检查交换匹配表,确定输出端口,并对输出信元的VPI/VCI字段重新设置,然后将信元发送至输出端口。ATM交换包括虚路径交换和虚信道交换。,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。选路：选路表示任一入线的信息可被交换到任一出线，具有空间交换的特征。信头变换加上选路功能，才能实现ATM交换结构的交换功能。这也就是说，在翻译表中从入线的VPI/VCI应能查到出线号码以及新的VPI/VCI值。这些是在连接建立阶段写入的。排队：由于是统计复用的异步时分交换，在连接建立后的传送信息阶段，经常会发生在同一时刻有多个信元争抢公用资源的情况，例如争抢出线或交换结构中的内部链路。因此，ATM交换系统需要有排队功能，以免在发生资源争抢时丢失信元。,ATM交换,ATM 交换机翻译 VPI/VCI值每个接口的VPI/VCI值唯一,45,29,64,29,29,45,64,29,1,2,1,3,45,29,29,64,2,1,3,1,VPI/VCI,端口,VPI/VCI,端口,输入,输出,竞争问题存在多个逻辑信道竞争物理出线上同一时间片的情况，信元对这些资源的竞争,必须对信元进行排队，在时间上将各信元分开,必须引入排队机制来解决竞争问题。排队功能ATM 交换的一个重要功能,队列的溢出会引起信元丢失，信元排队是产生交换时延和时延抖动的主要原因。排队机制对ATM交换机性能有着决定性的影响。,输入模块,输入模块,交换机构(CSF),输出模块,输出模块,1,N,1,N,连接允许控制(CAC),系统管理(SM),6.5.1 ATM交换机的组成结构,6.5 ATM交换机的基本组成结构,ATM交换机由5大功能模块组成:1.输入模块(IM)2.输出模块(OM)3.交换机构(CSF)4.接续容许控制(CAC)5.系统管理(SM),输入模块,UPC/NPC 功能,输出模块,1.输入侧：接收输入信元，输入侧接口设备的主要功能为：物理层功能：光电信号的转换与同步（若采用SDH/SONET物理接口）数字比特流的恢复 信元定界和差错控制 信元速率解耦（丢弃空闲信元）净荷的解扰,ATM层主要功能：VPI/VCI值的有效性检查及翻译 信头差错检查 输出端口的确定 区分信令信元、用户信元和OAM信元并作相应的处理,入线模块对输入线路上的信息流进行信元定界、信元有效性检验和信元类型分类。输入线路上的信息流实际上是符合物理层接口信息格式的比特流。入线模块首先要将这些比特流分解成长度为53字节的信元，然后再检测信元的有效性，将空闲信元、未分配信元及信头出错的信元丢弃，最后根据有效信元信头中的PTI标志，将OAM信元交呼叫处理控制模块处理，其它用户信息信元送交换模块进行交换。,2.输出侧：执行与输入侧相反的功能，输出侧比输入侧较为简单，主要功能是为ATM信元流的物理传输作准备。其主要功能包括：HEC域的产生并装入信头 信令信元、OAM信元和用户信元流的混和输出 信元速率匹配（加入空闲信元）传输帧的形成 光电信号转换,出线模块完成与入线处理模块相反的处理，主要是将交换模块输出的信元流、控制模块输出的OAM信元流以及相应的信令信元流复合，形成送往出线的特定形式的比特流，并完成信息信元流速率和线路传输速率的适配。,呼叫接纳控制(CAC)过程,当用户向网络提出连接申请时，要给网络提交所申请连接的业务流量参数。网络根据当前资源和建立该连接所需要的资源进行决策。如果网络的当前资源能满足该连接申请的需求，则接受该连接申请，分配所需网络资源，并在用户和网络之间建立流量合约(解释)。否则，拒绝该连接申请。,呼叫接纳控制(CAC)是ATM特有的。在电路交换中，呼叫的带宽是固定的，如64 kb/s,只要从发端到终端选择一条通路，该呼叫即允许。但在ATM中，每次呼叫的带宽不固定，呼叫接纳不仅与业务量参数有关，而且还决定于服务质量。,CAC控制示意图,服务质量参数包括信元丢失率(CLR)、信元传递时延(CTD)、信元时延抖动(CDV)、信元错插率、误码率等。信元丢失率为丢失信元与发送信元的比率。信元传递时延包括线路传送时延、编码和解码时延、分段和重装时延、ATM节点处理时延(包括交换、排队、路由等时延)。信元时延抖动指信元聚结的程度，表示实际信元间隔与标准信元间隔的接近程度。信元错插率指错插信元与时间间隔的比率。误码率表示传递比特的出错概率。,1)服务质量参数,ATM网络中规定了几种基本的业务流量参数，网络根据这些参数对各种类型的业务分配带宽并进行拥塞控制。包括峰值信元速率(PCR)、信元延时变化容限(CDVT)、可持续的信元速率(SCR)、突发容限(BT)等。峰值信元速率表示在ATM连接上能够发送的信息速率的上限，用发送相邻两个信元的最小时间间隔的倒数表示。信元延时变化容限是表示终端生成信元后，在UNI上容许该信元传递时间间隔变化的范围参数。这种时延变化是由物理层的开销和用户网络接口处的复用设备造成的。,2)业务流量参数,可持续的信元速率是可变比特率类业务应用参数，它表示在ATM连接上得到保证的平均速率的上限。平均速率指发送的信元数与连接时间的比值。在统计复用时，用大于可持续的信元速率而小于峰值信元速率的速率传送信元，可使业务得到保证。突发容限也是可变比特率业务的参数，对应于最大突发长度。,CAC是交换机中的软件功能，它负责决定是否接受一个呼叫请求。呼叫请求中定义了业务源流量参数和所要求的QoS类别。CAC在 PVC建立时间或SVC呼叫产生时间决定是否接受呼叫请求。如果网络在接受某一请求时能确保所有已存在的连接QoS不受影响，则CAC接受该呼叫请求。CAC可以逐节点受理请求，也可以利用集中系统进行。对于接受的请求，CAC确定UPC/NPC参数、路由和资源分配。分配的资源包括中继线带宽、缓冲器空间和交换机内部资源。,使用参数控制 使用参数控制分为两种:用户使用参数控制(UPC)，网络参数控制(NPC)。用户使用参数控制是指在用户接入点(UNI)上对来自用户的信元流进行监测和控制；如果网络对来自另一网络的信元流在NNI上进行监控，则称之为网络参数控制。,UPC/NPC的主要目的在于通过监测和控制业务流量确保带宽和缓冲器等资源根据其流量合同(用户和网络之间的双重承诺)在用户中合理分配。如果没有UPC/NPC，网络资源就会被无意地或恶意地过量占用，以至影响到其它已建立的ATM连接的业务质量。UPC要控制ATM连接所递交的业务量，以保证商定的流量合同得以遵守，其目标是由用户产生的超过流量合同规定的业务量永远不能接入网络。,UPC首先要对用户递交的信元流进行认证测试，以确定信元流是否遵守流量合同，从而激发信元级别的适当动作：当用户信元流遵守流量合同时，使信元通过(及允许接入网络)，当UPC与流量成形(traffic shapping)结合时还可以进行信元间隔空间重排；而当用户信元流违反合同时，可对违约信元进行标记(即对CLP为0的信元进行操作，使其CLP为1)或直接将违约信元丢弃。当用户信元流违约时，甚至还会导致连接级别的动作，即将连接释放。是否选用这一功能将由网络运营者决定,网络资源一般是指系统的带宽、缓存器容量以及CPU的处理能力等。网络资源管理包括对系统带宽的分配、缓存器划分以及CPU的调度等。在程控电话交换中，每次呼叫带宽是固定的，64 kb/s。在分组交换中，当会话连接建立后带宽也是固定的。在ATM中，一次呼叫或某一类业务所需带宽的多少与该呼叫或业务的业务量参数和所要求的服务质量有关。,网络资源管理,目前有两种方法可进行动态带宽管理和缓存器的快速资源管理，一种是带宽预留，另外一种是缓冲器预留。快速带宽预留就是在突发业务信息发送前，请求端到端路由过程中的每个节点上预留带宽。,呼叫处理控制模块完成VCC、VPC的建立和拆除，并对ATM交换模块进行控制，处理和发送OAM信元，发送信令信元，保证用户/网络的操作顺利进行。交换单元模块完成交换动作的控制，将某输入线上的信元交换到某输出线上。拥塞控制和资源管理模块对网络资源和网络拥塞进行控制和管理。,6.6 ATM交换的呼叫和连接控制,信令是网络为用户通信提供的控制消息 的承载单元.ATM信令的主要功能是控制ATM网络的 呼叫和接续,在网络用户和节点 或节点之间动态地建立,保持和 释放各种通信连接.,信令信元是以用户数据信元相同的方式 在ATM网络中传送.Q.2931完成用户和网络之间的呼叫建立,保持和释放,1 信令协议的体系结构,ATM宽带网络信令协议结构,2 信令消息1)UNI信令消息,UNI信令消息,ATM业务功能,ATM主要为用户提供高速、低时延、可交换的宽带的电路，主要应用有#高速的局域网互连；#高质量的电视会议；#远程教学；#远程医疗诊断；#远程协同工作；#多媒体通信；#按需分配频宽（VOD）和电视点播；#影视远程分配；可提供定时、可选频宽的各种业务。,