ATM基本知识概念.ppt

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1、第七章 宽带ISDN的关键技术ATM,7.1 B-ISDN基本概念7.2 ATM的基本概念7.3 ATM协议结构7.4 ATM交换7.4 IP/ATM集成交换,7.1 B-ISDN基本概念 B-ISDN是一种宽带的，独立于业务的网络，这种网络能够提供高于一次群速率的业务，适用于从低速到高速的各种业务的传送和交换，做到整个网络资源共享。B-ISDN分为交互型业务和分配型业务,B-ISDN业务的分类,B-ISDN必备的条件既能传输高速数据业务也能传输低速数据业务网络设备与业务的特性无关信息的传输与交换都与业务无关时延和时延抖动小ATM 作为B-ISDN中信息表达、传送和交换的方式,7.2 ATM的

2、基本概念7.2.1 ATM的发展背景 窄带ISDN的发展主要存在以下局限：（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64 kbit/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。以固定比特率传输，采用同步时分复用方式。这种传递方式的优点是时延和时延抖动小。但是固定的比特率约束了传输的业务，如果选用低于峰值的速率时，会降低业务质量，若采用峰值速率作为传输速率，则会浪费网络资源,（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的D通道上实现。分组交换传递是异步传递方式，采用统计时分复用。,ATM基

3、本概念 习惯上将传输、复用、交换三个部分合起来统称为传递方式，传递方式通常分为同步传递方式和异步传递方式。同步传递方式是各路信号按一定时间间隔周期性的出现，可根据时间识别信号；异步传递方式是采用统计时分复用，各路信号不按照一定时间周期性出现，要根据标志标识每路信号。主要有：电路传递方式、分组传递方式、帧中继和ATM（异步传输方式）,ATM定义 ATM也是一种异步转移模式，这种模式将信息组织成固定长度的信元，来自某用户一段信息的各个信元并不周期性的出现，ATM以信元为单位异步时分复用、传输和交换,7.2.3 ATM的基本工作原理 ATM是英文Asynchronous Transfer Mode（

4、异步转送方式）的缩写。1.信元 2.复用 3.交换,7.2.4 ATM信元的格式 ATM信元分为两部分：5个字节的信头和48个字节的信息段，共53个字节。信头表征信元去向的逻辑地址、优先等级等控制信息。信息字段包含不同用户的信息。注：包含某一段信息的信元取决于这段信息所要求的比特率 或瞬间比特率,7.2.5 ATM信元的信头格式,结构图7-1 ATM信元的信格式a图是终端与网络间信元结构 b图是网络内交换机的信元结构,GFC（Generil Flow Control）一般流量控制，用于控制用户向网上发送信息的流量。防止缓冲区内信元过满而丢失信元 VPI（Virtual Path Identif

5、er）和VCI（Virtual Channel Identifier）虚通道标识符和虚通路标识符，用来将一条传送ATM信元的信道划分为多个子信道。PTI（Payload Type Indicator）净荷类型，指明48字节信息字段的信息类型 CLP（Cell Loss Priority）信元优先级比特，CLP=0标识高优先级别，不可以丢弃 HEC（Header Error Check）信头校验码，采用CRC校验，有8bit；HEC产生方法：信元前4个字节所对应的多项式乘以x8，然后除以（x8+x2+x+1）所得余数就是HEC,ATM复用 来自不同信息源的信元汇集在一个缓冲器中排队，队列中的信元

6、按输出次序复用在传输线路上，信息和它在时域中的位置没有任何关系，只是按照信头中的优先标志来区分。如果缓冲区中的队列已满，则后面的信元被丢弃掉，如果缓冲区还有空余，但是没有了用户信息，此时就要分配空闲信元，它不包含任何信息,图7-2 ATM多路复用,3交换,图7-3 ATM交换的基本原理,7.2.7 与电路交换方式和分组交换方式的比较1电路交换方式,图7-4 同步时分复用中的帧和时隙,电路交换方式具有如下特点：在通信开始时应首先建立连接。一个连接在通信期间始终占用某一固定的数字子信道，这些数字子信道是依据其在时间轴上的位置确定的。建立连接以后，信息在系统中的传输时延基本上是一个恒定值。同步时分复

7、用系统中的各个子信道的速率是固定分配的，不可能在不改变此系统的情况下临时调配各个子信道的速率。交换节点对传输中出现的错误不进行校正，对节点的处理要求简单。,2分组交换方式 通信网中传输、复用和交换的基本单位是分组。分组交换方式具有如下特点：分组交换采用异步时分复用方法，可以将信道按照需要动态地分配给各个用户，信道利用率较高。在分组交换中普遍采用逐段反馈重发的措施，以保证数据传输是无差错的。分组数据在通信网中传送的时延是随机的，这主要是因为数据分组在交换节点有可能要排队等待，另外，逐段反馈也可能引入附加的时延。由于要进行逐段差错控制，交换节点的处理负担较重。,3ATM兼具电路交换方式和分组交换方

8、式的优点ATM与分组交换方式的基本差别是：ATM信元的长度固定，并使用了空闲信元填充信道，这使信道被划分为等长的时间小段，为提供固定比特率和固定时延的电信业务创造了条件。取消了逐段的差错控制，减轻了交换节点的处理负担。,7.2.8 ATM的特点1采用统计时分复用方式2取消了逐段的差错控制和流量控制（1）适当的资源分配和队列容量设计使队列溢出的概率很低，信元丢失率可压低到10-810-12；（2）在呼叫建立时审查用户申请的带宽，当确信网络中有足够的资源时才接受这个呼叫。3采用面向连接的方式4信头的功能被简化5信元长度固定，信息段长度短,ATM网络结构,1.ATM网络结构 ATM以光纤线路为传输介

9、质，采用电交换的形式，所以信道容量大，传输损失小 ATM网络是由复用设备、ATM传输系统和ATM交换机组成ATM复用设备：将终端各类信息变换成信元格式，并时分复用到ATM网络，发端与收端复用设备功能相反 ATM传输信道采用光纤信道，信元的传送有三种方式：基于SDH的传输方式、基于PDH的传输方式、基于信元的传输方式（参考课本图7.11）。,此外，通过ATM集线器(HUB)，ATM路由器(router)，网桥(bridge)等可实现电话网，数字数据网(DDN)，以太网和帧中继网等与公用ATM网的互连,2.B-ISDN用户-网络接口（参看课本图7.12）B-TE1:第一类宽带终端设备，即标准B-I

10、SDN设备B-TE2:第二类宽带终端设备，即非标准B-ISDN设备TE2:N-ISDN标准终端，非信元格式，需经过B-TA适配接入ATMB-TA:宽带终端适配器，可以适配TE2和B-TE2设备B-NT1:第一类宽带网络终端，物理线路终端设备，具有网络 维护，管理等功能B-NT2:第二类宽带网络终端，物理设备大多是专用ATM交换机B-LT:宽带线路终端，由公用ATM交换机实现其功能B-ET:宽带交换终端,R接口：专用UNI接口，处理非信元格式的终端业务SB接口：专用UNI接口，此接口处的信息是信元格式的，传 输线路可以适用非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线，同 轴电缆及光纤等TB接口：公用UNI接口，接口

11、处的信息是信元格式的，传 输线路可使用非屏蔽双绞线UTP,同轴电缆或光纤UB接口：公用UNI接口，信元格式信息，其传输线路采用光 纤介质,公用UNI与专用UNI的区别,接口位置不同，公用UNI是公用ATM与用户终端设备或与专用ATM网的接口；专用UNI是专用ATM网与用户终端设备之间的接口链路类型不同，公用UNI采用光纤线路，专用UNI采用同轴电缆接口标准的规定组织不同，公用UNI标准由ITU-T规定；而专用UNI标准由ATM论坛规定,7.3 ATM协议结构7.3.1 B-ISDN的协议参考模型,图7-5 ATM协议参考模型,用户平面主要用于用户信息的传输，采用分层结构。控制平面负责呼叫控制和

12、连接控制。管理平面包括面管理和层管理两类功能。,B-ISDN协议参考模型各层功能,7.3.2 物理层（1）物理媒体子层PM：定义物理传送接口，进行线路编码，保证比特流的定时、同步等物理媒体子层（PM）的功能接近于在传统网络中的物理层。物理媒体子层在发送方向上从传输会聚子层取得比特流，并把比特流在链路上透明地传输。物理媒体子层和传输会聚子层之间交换数据流时需要互相同步。,传输帧的产生和恢复 信元定界 产生信头错误检验码（HEC）传输帧自适应 信元速率解耦,（2）传输会聚子层TC：发送端将信元流转换成可以在传输系统中传输的比特流，接收端将比特流转为信元流,传输帧的产生和恢复发送端：将信元流封装成适

13、合在传输系统传输的帧结构，进 行速率的适配后送到物理媒介相关子层。接收端：从物理媒介相关子层送来的比特流进行帧定位，恢 复成信元流。传输帧的产生方法：每隔一定的ATM信元就插入一个物理层 信元，没有ATM信元的时候也插入一个物理层的空 闲信元；每27个连续的信元中不多于1个物理层维 护操作信元，每513个连续信元中不能少于1个PL-OAM cell。物理层信元：分空闲信元和物理层操作维护信元，它们都采 用预分配的信头值,信元定界信元定界的方法是HEC检验 根据收到的32比特数码计算出HEC，然后与后面的8比特进行比较，若相同则表示HEC正确，此时认为是信元的起始位置，并开始进入帧预同步状态，在

14、帧预同步状态下，逐信元进行HEC核对，若有连续6次正确的HEC就进入同步状态，继续进行HEC核对，若有连续7次不正确的HEC核对再转入搜索状态（参看图7.15）。,图7.7 信元定界状态图,另外，为了防止在信息字段中出现“伪HEC码”，需要在帧同步状态和同步状态中加自同步扰码；发送端用多项式（x43+1）扰码，接收端解扰。此操作只对信息字段执行，不对信头加扰，避免信头差错率上升。,信头差错控制信头中包含了流量控制GFC、路由VPI/VCI信息和HEC检验，因此需要对信头前4个字节作循环冗余检验，发送端按照CRC算法生成1字节的HEC码，接收端按同样的算法校验。可以检验并纠正出单个比特错误和检测

15、到多个比特错误,信元速率解耦解耦：ATM层传送信元的速率不受传输媒体速率的影响信元解耦：发送端插入一些空闲信元将速率适配成在传输媒体上传输的速率，接收端再将这些插入的空闲信元丢弃，不送到ATM层。,物理层的工作过程：发送端：由ATM送下来的信元流到达TC子层，首先对信元进行速率解耦，插入空闲信元，将ATM层信元流速率适配成传输媒体的速率，并将信元封装成帧结构送入PM子层，进行编码、加同步定时信息后，将连续比特流送入物理媒体接收端：经物理媒体接口送来的信号在接收端的PM子层进行定时、同步、恢复成连续比特流，送入TC子层，在这里恢复帧结构，然后将传输帧的信元净荷提取出来，接着进行信元定界，通过HE

16、C检验判断信元信头有无错误，最后对正确的信元进行速率解耦，丢弃发送时插入的空闲信元，并将有效信元作解扰处理后送入ATM层,ATM层ATM层负责交换、选路由和信元复用。信头的产生提取 信元交换 信元的复用和分路 ATM层管理,2、虚通路VC和虚通道VP ATM是面向连接的传递信息，信元的复用、传输和交换都在VP和VC上完成。VP是在给定参考点上具有同一虚通道标识符(VPI)的一组虚通路VC。因此物理媒介可以划分为若干个VP子通道，每个VP子通道进一步可以划分为若干个VC子信道。不同的VP中可以有相同的VCI值，ATM间的虚连接由VPI和VCI共同标识,图7-8 虚信道VC、虚通道VP及传输通道之

17、间的关系,3、虚通路连接VCC和虚通道连接VPC 虚通路连接VCC：由多段VC链路连接而成，两个VCC端点间可 以有多个VCI存在。VCC端点是ATM层和AAL层 交换信元净荷的地方虚通道连接VPC：由多段VP链路连接而成，两个VPC端点间可 以有多个VPI存在。VPC端点是虚通路标志 VCI产生、交换或终止的地方二者的关系参看课本图7.17,图7.9 VCC和VPC的概念,4、ATM虚连接建立的方式 永久虚连接PVC：由管理控制建立的永久/半永久连接，用户 传送信息前不需要建立过程来临时建立虚连接交换虚连接SVC：由信令控制建立的连接，用户在传送信息前 要先有连接建立，信息传输完后拆除连接,

18、5、VP交换和VC交换 VP交换：将一条VP上所有的VC链路全部转到另外一条VP上；改变VPI的值，但VCI值不变（图7.18）设备：VP交叉连接设备、VP交换设备VC交换：VC交换必须与VP交换同时进行，VPI值和VCI值都改 变，因此，当一条VC链路终止时，VPC也终止，VPC 上的VP链路、VC链路也各自加入到不同方向的新的 VPC中设备：VC交叉连接设备、VC交换设备,图7-10 VP交换,图7-11 VC和VP交换,7.3.4 ATM适配层（AAL）将高层信息适配成ATM信元，保证多种业务在ATM网络内的传送 ATM适配层分为汇聚子层与分段和重组子层(图7.20)汇聚子层将高层业务接

19、入点的信息汇聚，分段与重组将CS来的信息分割后装入ATM信元的信息段，或者将ATM业务接入点的ATM信元中的信息段重组后传给高层。,1AAL业务种类 按照3个坐标轴来组织服务空间可以分为8种不同服务，其中有4种是有用的。,2AAL协议分类 AAL.1;AAL.2;AAL.3/4;AAL.5参看课本图7.21,图7-12 当前定义的AAL适配层,图7-13 AAL层的一般结构,图7-14 AAL1协议数据单元,3AAL-1,7.3.5 信令的适配SAAL信令主要控制虚连接的建立、保持和释放等。ATM信令从作用的区域分有两类：UNI信令和NNI信令UNI信令：控制用户-网络接口上用户平面的虚连接的

20、建立、保持和释放。通常用VCI=5的VC作为专门的信令 虚通路NNI信令：在交换机之间建立一条满足用户要求的虚电路连接（VPC或VCC），可以通过ATM网传送也可以通过 No.7信令网传送,7.4 ATM交换 ATM交换应能实现高速、高吞吐量和高服务质量的信息交换，提供灵活的带宽分配，适应从低速率到高速率的宽带业务的交换要求；其特点是：(1)固定长度的信元中继(2)信头简化(3)面向连接(4)异步时分交换,ATM交换机的组成,交换结构,控制模块,输出模块OM,输出模块OM,输入模块IM,输入模块IM,图7.28 ATM交换机的组成,（1）输入模块的信元处理定界与分离：信元被包含在帧结构中，输入

21、模块定界帧结构 中的信元并将其分离出来 有效性检验和类型分离：信元被分离出来后要进行HEC检 验，并利用净荷类型标识符将信元分类（2）交换结构对信元实现交换，按照VPI/VCI的信息将信元送到目的地（3）输出模块处理将传输过来的信元流再进行复合，变换成帧结构模式并加上操作管理维护信息；如果速率过低要加入空闲信元进行速率适配，速率过高要将信元流先存入缓冲存储器中,7.4.2 ATM交换功能原理1.基本功能 信头变换：信头中包含VPI/VCI值，如果实现了ATM交换，则逻辑信道将被改变，VPI/VCI值相应的也改变 选路：信元从一条传输信道送入另一条传输信道，也叫空 分交换 排队：交换机中提供了缓

22、冲存储器，供同时到达的信元排 队使用，防止它们竞争同一条出现而引起信元丢失,7.4.2 ATM交换功能原理2.交换原理交换结构中有链路翻译表,7.4.2 ATM交换功能原理3.交换结构（参看课本图7.25）ATM交换单元是构成ATM交换机的核心，大型ATM交换机的交换单元一般由多个交换结构互连而成，小型ATM交换机的交换单元由单个交换结构组成时分结构：输入输出共享单一通信公路空分结构：多对输入/输出端口之间同时并行传送信元,7.4.2 ATM交换功能原理4.ATM交换的缓冲排队方式（1）输入缓冲排队方式 交换机构的每条入线处设置缓冲器，采用轮询和队长择优放行方式，可以减少竞争防止信元丢失，但是

23、存在队头阻塞现象，排在后面的信元即使去往的出线空闲也不能走出（2）输出缓冲排队方式 交换机的每条出线上设置缓冲器，采用先进先出方法控制读出，缺点是要求缓冲器的写入速率要非常快（3）中央缓冲排队方式在交换结构中设置一个缓冲器，所有入线全部信元存入中央缓冲器，根据路由选定每个信元的出线，并按先进先出原则读取信元,7.4.3 ATM网络的互通与应用1.ATM网络互通方式网络互通：可以以ATM为主干的互通，也可以是不同传输协 议终端之间的互通，对于上层来说并不知道通过 了ATM网络业务互通：使一个ATM业务和一些具有类似能力和功能的其 他业务互连,7.4.3 ATM网络的互通与应用2.ATM网络应用领域（1）连接各种通信网，支持现有电话网的演变（2）利用ATM网络为IP用户提供高速直达的数据链路（3）支持并作为第三代移动通信网的核心交换网与传输网（4）利用ATM实现校园网或企业网的互连,