ATM交换与宽带综合业务数字网.ppt
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1、1,第七章 ATM交换与宽带综合业务数字网(B-ISDN),异步传送模式(ATMAsynchronous Transfer Mode)是宽带综合业务数字网(B-ISDNBroadband Integrated Service Digital Network)用于传输、复用和交换的技术,是B-ISDN网络的核心技术。本章中我们将重点介绍ATM的基本原理和ATM交换技术,并在此基础上简要介绍B-ISDN网络的网络结构、用户-网络接口的参考配置、业务特性等主要相关技术。,2,IP网络的特点是简单、经济,与之相比,ATM网络存在着技术复杂与运营成本高的致命缺点,ATM技术和IP技术的融合不可避免。IP
2、交换(泛指一类)就是ATM技术和IP技术融合的产物,多协议标记交换(MPLSMulti-Protocol Label Switching)是IP交换的一种,是下一代网络(NGNNext Generation Network)的核心技术,是下一代骨干网所采用的交换技术。ATM作为一种优秀的传送模式,在现有通信网络向NGN的演变过程中,仍然会扮演着不同的角色,发挥着重要的作用。,3,主要内容,ATM与B-ISDN的产生与发展ATM基本原理ATM交换技术宽带综合业务数字网(B-ISDN),4,1)B-ISDN的提出通信网的发展N-ISDN的局限性:传输速率和交换模式限制了具有更高速率和可变速率业务的
3、提供,已不能适应未来通信网发展的需要。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。,1、ATM与B-ISDN的产生与发展,5,2)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,6,3)ATM与B-ISDN的产生和发展1983年,美国贝尔实验室的Turner J.等人提出了快速分组交换(FPSFast Packet Switching)原理,研制了原型机。同年,法国Coudreuse J.
4、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,CCITT 18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,CCITT 18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,7,1994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
5、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TCPIP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,8,4)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40160G。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
6、)的业务流控制功能。富士通FETEX-150、爱立信的AXD301、西门子的Main Street Xpress、AT&T的Globe View 2000、阿尔卡特的1000AX、北电的Magellan Concorde等。,1、ATM与B-ISDN的产生与发展,9,5)研究热点 ATM交换结构 ATM网的业务流控制 话音通过ATM(VOA)IP与ATM的融合 ATM与智能网(IN)的结合 光ATM交换,1、ATM与B-ISDN的产生与发展,10,ATM基本原理ATM技术是实现B-ISDN的核心技术,它是以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式的优点发展而来,兼具分组传送模式和电路传送模式的优
7、点。ATM主要有以下4个特点:采用了固定长度的信元并简化了信头功能;采用了异步时分复用方式;采用了面向连接的工作方式;采用了标准化的ATM协议。,11,2、ATM基本原理,ATM信元及其结构异步时分复用技术面向连接的工作方式ATM标准化协议,12,2.1 ATM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,8 7 6 5 4 3 2 1 比特,15 6.53,发送次序,信头(5字节),信息段(48字节),13,ATM信头中包含了各种控制信息,主要是表示信元去向的地址信息,还有一些操作维护管理的信息,如信元优先级标识以及纠错码等。ATM信元的信息段用于承载
8、用户信息,这些信息透明地穿过网络,也可用于承载管理信息。,14,2、ATM信元的信头结构在B-ISDN网络中,无论用户线上还是中继线上,信息的传送都是以ATM信元为单位进行的,但是对于用户-网络接口(UNINetwork Node Interface)和网络节点接口(NNIUser Network Interface)来说,信头的结构有所不同。,图7.2 ATM信头结构,2.1 ATM信元及其结构,15,2)UNI的信头结构:GFC(Generic Flow Control):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
9、控制流向网络的流量,以避免网络的短期过载。,GFC,比特 8 7 6 5 4 3 2 1,VPI,VPI,VCI,VCI,VCI,PT,HEC,CLP,1 2 3 4 5,2.1 ATM信元及其结构,16,VPI/VCI(Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier):选路信息。PT(Payload Type):有3个比特,表示净荷类型。CLP(Cell Loss Priority):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(Head
10、Error Control):为1个字节,用于信头差错控制。,2.1 ATM信元及其结构,17,18,3、特殊信元在物理层上的预分配信头值如表7.2所示。含有表中信头值的信元都是物理层使用的信元,这类信元不送往ATM层,只是在物理层处理。由于在物理层使用,这些信元头不具有PTI、CLP以及GFC字段的含义。,19,空闲信元(idle cell)是由物理层产生的不包含用户信息的单元,是物理层为了将信元流的速率适配到所用传输媒体的载荷能力而插入的信元。物理层OAM信元(physical layer OAM cell)包含了和物理层有关的操作维护信息。在ATM层上预分配信元头值如表7.3以及表7.4
11、所示。,20,21,未分配信元(Unassigned Cell)是由ATM层产生的不包含用户信息的信元。当发送侧没有信息要发送时,ATM层就向传输线上插入未分配信元,使收发两侧能异步工作。未分配信元与物理层空闲信元分别在各自的层上保证了发送器和接收器能完全异步工作,所不同的是未分配信元在ATM层与物理层都能看到,未分配信元在物理层上按照一般的ATM层信元对待,而空闲信元只能在物理层看到。,22,元信令信元(meta-signalling cell)是指用来传送元信令的信元。ITU-T Q.2120建议中定义了元信令协议,其主要任务是建立、管理和释放用户网络接口处的信令连接,它是对各种信令虚信道
12、进行管理和控制的协议。通用广播信元(general broadcast signalling cell)是指用来传送广播信令信息的信元,该信令信息是发给用户-网络接口上所有终端的。,23,3)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。,2.1 ATM信元及其结构,24,2.2 异步时分复用技术,STD(Synchronous Time Division):通过时间位置来区别每一个逻辑信道ATD(Asynchronous Time Division):通过标记来区别每一个逻辑信道,25,很明显,采用ATD方式的各个逻辑子信道的带宽是不固定的,而是根据需求占用不同的
13、带宽,这是一种很灵活的分配方式。此外,ATD一个很明显的特点是要按照信元头中所含的用于选路的标记来区分该信元属于哪一路逻辑信道。在ATM中,采用信元头中的VPI和VCI作为这个选路的标记。,图7.3 STD与ATD概念,26,1)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-Virtual Path)虚信道(VC-Virtual Channel),2.3 面向连接的工作方式,27,2.3 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(
14、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),28,对ATM的逻辑信道采用两级管理模式(VP、VC),是为了满足ATM的不同应用需求。通过VPI/VCI可唯一的标识一个逻辑子信道,即一个通信信道。很明显在每段传输通道上,VPI的值是唯一的,以区别不同的虚通道;在虚通道上,VCI的值是唯一的,以区别不同的虚信道,不同虚通道上的VCI的值可相同。VPI和VCI只在其相应的每段传输通道上有意义,不具有端到端的含义,这就意味着,不同传输通道上的VPI和VCI的值可以相同。,29,每一时刻正在进行的通信有可能是不同的,因而传输通道上的VPI和VCI的值,在不同
15、的时刻其含义是不同的。例如:在早晨某一时刻,某传输通道上VPI=2、VCI=5的逻辑子信道用于传送的是向北京方向的一个电话通信;到了中午,这个通话已经结束,这时,又有用户开始与天津一个用户进行数据通信,这个通信在这个传输通道上仍可能用VPI=2、VCI=5来表示。在一个通信过程中,传输通道上的VPI/VCI始终表示这个通信,当这个通信结束后,它使用的这个VPI/VCI就又可以改为其它通信所用。,30,2)VPC(虚通道连接)和VCC(虚信道连接)VCC(Virtual Channel Connection)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
16、别一条VC。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。,2.3 面向连接的工作方式,31,虚信道连接(VCC),虚通道连接(VPC),VC链路,VC链路,VC链路,VCIX,VCIy,VCIZ,VP链路,VP链路,VP链路,VPIX,VPIy,VPIZ,2.
17、3 面向连接的工作方式,32,3)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,33,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。,2.3 面向连接的工作方式,34,ATM交换机可以是只完成VP交换,也可以是只完成VC交换,还可以是即完成VP交换又完成VC交换的交换机,但其一定具有SVC功能。只具有PVC功能的,我们称之为ATM交叉连接设备。,35,2.3 面向连接的工作方式,
18、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,,36,注意,图中只是表示了从源到目的方向上建立的VCC与VPC,其实在每一个方向上都要建立相应的VCC与VPC的连接。不管是VPC还是VCC,它们都是虚连接(VCVirtual Connection)。在通信开始时,源ATM端点到目的ATM端点之间的各个ATM交换机要为这个通信在每个传输通道的每一个方向上,选择一个空闲的VP链路或VC链路,即分配一个目前没有使用的VPI或VPI/VCI,从而建立起
19、源ATM端点到目的ATM端点之间的虚连接,通信结束时则拆除这个虚连接,这就是ATM面向连接的工作方式。,37,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。,2.3 面向连接的工作方式,38,1、ATM协议参考模型ATM协议参考模型与窄带ISDN
20、类似,它是一个立体的分层模型。该模型由三个平面组成,分别表示用户信息、控制和管理三方面的功能。用户面(User Plane)负责用户信息的传送,采用分层结构;控制面(Control Plane)提供与呼叫和连接有关的控制功能,涉及的主要是信令功能,控制面也具有分层结构;管理面(Management Plane)提供面管理(Plane management)与层管理(Layer managent)两种管理功能,其中面管理实现了与整个系统有关的管理功能,并实现所有面之间的协调,面管理不分层,而层管理实现网络资源与协议参数的管理,并处理操作维护(OAM)信息,层管理采用分层结构。,2.4 ATM协议
21、参考模型,39,2.4 ATM协议参考模型,物理层,ATM层,ATM适配层,高层,高层,控制面,用户面,管理面,面管理,层管理,40,B-ISDN协议参考模型由3个平面组成:用户面、控制面、管理面用户面(User Plane):负责用户信息的传送,采用分层结构。控制面(Control Plane):提供呼叫和连接的控制功能,主要涉及信令功能,也采用分层结构。管理面(Management Plane):提供面管理与层管理两种管理功能。面管理实现与整个系统有关的管理功能,并完成各个面之间的协调功能;层管理实现网络资源与协议参数的管理,并处理各层中的操作与维护(OAM)信息流,面管理不分层,层管理是
22、分层的。B-ISDN协议参考模型的分层结构含有4层,从下到上为:物理层、ATM层、ATM适配层(AAL:ATM Adaptation Layer)和高层。,2.4 ATM协议参考模型,41,一般流量控制、信头产生/提取信元VPI/VCI翻译、信元复用和分路,信元速率解耦、HEC产生/验证信元定界、传输帧适配传输帧产生/恢复,AAL,CS,SAR,ATM层,TC,PMD,比特定时、物理媒体,汇聚,分段与重组,物理层,2.4 ATM协议参考模型,42,物理层:负责通过物理媒体正确、有效地传送信元。它可划分为个子层:物理媒体相关子层(PMD:Physical Medium Dependent Sub
23、layer)传输汇聚子层(TC:Transmission Convergence Sublayer)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: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。,2.4 ATM协议参考模型,43,信头差错控制(HEC:Header Error Control)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
24、行差错控制。为此,对信头前个字节作循环冗余校验(CRC)。在发送端是按CRC算法生成字节的HEC码,在接收端按同样算法进行检验。信元定界和扰码 信元定界(Cell delineation)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)。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(idle cell),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
25、丢弃,并不送往ATM层。,2.4 ATM协议参考模型,44,4)信头错误检验码HEC的产生与校验。即在发送端按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;5)信元速率的解耦(decoupling),使ATM信元速率不受传输媒体的限制,使二者脱离关系。信元速率解耦就是发送端在物理层插入一些空闲信元(idle cell),以将ATM信元流的速率适配成传输媒体的速率。这些空闲信元采用特殊的预分配信头值,在接收端很容易被识别出,然后做简单的丢弃处理。,45,(2)信头差错控制(header error control)信元信头
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