1、1,第七章 ATM交換與寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng),2,1）B-ISDN的提出通信網(wǎng)的發(fā)展 N-ISDN的局限性： 傳輸速率和交換模式限制了具有更高速率和可變速率業(yè)務的提供，已不能適應未來通信網(wǎng)發(fā)展的需要。 B-ISDN的提出： 能夠提供具有更高傳輸速率的傳輸信道；更先進的傳送模式。,1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展,3,B-ISDN 支持的電信業(yè)務,恒比特率業(yè)務、變比特率業(yè)務 連接型業(yè)務、非連接型業(yè)務 交互式業(yè)務、非交互式業(yè)務 單址業(yè)務、多址業(yè)務、廣播業(yè)務 實時業(yè)務、非實時業(yè)務 按終端接收信息方式 寬帶業(yè)務、窄帶業(yè)務 多媒體業(yè)務,由網(wǎng)絡向終端送消息 由終端去網(wǎng)絡取消息,4,2）B-ISDN網(wǎng)對傳

2、送模式的要求 對信息的損傷要小 具有時間透明性 (信息傳送的時延和時延抖動要小) 具有語義透明性 (由傳送引起的信息丟失和差錯要小) 能靈活地支持各種業(yè)務 具有高速傳送信息的能力,ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展,5,3）ATM與B-ISDN的產(chǎn)生和發(fā)展 1983年，美國貝爾實驗室的Turner J.等人提出了快速分組交換（FPSFast Packet Switching）原理，研制了原型機。 同年，法國Coudreuse J.P.提出了ATD交換概念，并在法國電信研究中心（CNET）研制了演示模型。 FPS和ATD概念提出以后，很多設備制造公司、郵電管理部門和標準化組織表示了強烈的興趣，進行

3、了深入的研究。 80年代中期，CCITT也開始了這種新的傳送模式的研究。 1988年，CCITT 18研究組決定采用固定長度的信元，定名為ATM，并認定B-ISDN將基于ATM技術。 1990年，CCITT 18研究組制定了關于ATM的一系列建議，并在以后的研究中不斷地深入和完善。,ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展,6,1994年投入運營的美國北卡羅來納信息高速公路，是美國第一個在州的范圍內的公用ATM寬帶網(wǎng)。 在歐洲由法國、德國、英國、意大利和西班牙等國發(fā)起的泛歐ATM寬帶試驗網(wǎng)，于1994年11月開始運行，后來擴大到歐洲的十多個國家，是覆蓋面較廣的ATM試驗網(wǎng) 在亞洲的日本NTT與郵政省、

4、香港電訊、新加坡電信、韓國電信、泰國的亞洲電信以及中國的廣東、北京和上海電信管理局也進行過以ATM為基礎的寬帶網(wǎng)試驗。試驗的業(yè)務平臺有基于TCPIP的寬帶數(shù)據(jù)、VOD、會議電視。試驗的應用系統(tǒng)大致有家庭購物、遠程醫(yī)療、遠程教學等。,ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展,7,4）公用網(wǎng)的ATM交換系統(tǒng) 公用網(wǎng)ATM骨干交換系統(tǒng)必須具有高吞吐量和可擴展性，吞吐量通常為40160G。應能支持各種接口、業(yè)務和連接類型，并具有保證服務質量（Qos）的業(yè)務流控制功能。 富士通FETEX-150、愛立信的AXD301、西門子的Main Street Xpress、 AT&T的Globe View 2000、阿爾

5、卡特的1000AX、 北電的Magellan Concorde等。,ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展,8,2、ATM基本原理,ATM信元及其結構 異步時分復用技術 面向連接的工作方式 ATM標準化協(xié)議,9,2.1 ATM信元及其結構,1）信元結構： 信元由5字節(jié)信頭和48字節(jié)信息段（凈荷）組成。,發(fā)送次序,8 7 6 5 4 3 2 1 比特,15 6.53,發(fā)送次序,信頭（5字節(jié)）,信息段（48字節(jié)）,10,ATM信元格式,GFC（4bits）：一般流量控制域，僅UNI有此域。 VPI/VCI（8或12 / 16bits）：虛通道/ 虛信道標識，選路信息。 PTI（3bits）：凈荷類型。

6、CLP（1bit）：信元丟失優(yōu)先級。0：高；1：低。 HEC（8bits）：信元頭差錯控制。g (x) = x8+x2+x+1 可糾錯1比特、檢錯多比特，不反饋重發(fā)。,11,ATM信元格式,AUU （ATM-user-to-ATM-user indication），表示ATM用戶至用戶指示,12,ATM 特殊信元,空閑信元（VPI=0，VCI=0，CLP=1，凈荷=48 個“01101010”）：物理層產(chǎn)生的空信元。 未分配信元（VPI=0，VCI=0，CLP=0）：ATM 層產(chǎn)生的空信元。 物理層OAM信元（VCI=3，4）：用于物理層的 操作維護。 元信令信元（ VCI=1 ） ， 通用廣

7、播信令信元 （VCI=2），點對點信令信元（VCI=5）：信令 信元，用于呼叫控制和建立連接等。 普通信元（VCI015）：傳送用戶信息,13,2.2 ATM異步轉移模式,將信息劃分成固定長度的ATM信元，信元頭中含有地址和路由信息，以確定邏輯信道。,14,異步轉移模式特點,采用統(tǒng)計復用的方式，信元動態(tài)占用信道，提高了信道利用率；（比較電路交換） 信元長度一定，達到位置化復用的效果，便于快速識別信元頭，減少處理時延； （比較分組交換） 信元頭中含有地址/路由信息（虛通路），同一用戶的信息沿同一路徑傳輸，不存在隨機延遲，實時性強。（比較分組交換）,15,1）虛通道與虛信道： ATM傳輸通道可分割

8、成若干個邏輯子信道 ，為便于應用和管理，邏輯子信道可按兩個等級來劃分： 虛通道（VP-Virtual Path） 虛信道（VC-Virtual Channel ）,2.3 面向連接的工作方式,16,VPI/VCI,通過VPI/VCI可唯一的標識一個邏輯子信道,17,2） VPC（虛通道連接）和VCC（虛信道連接） VCC（Virtual Channel Connection）是VCC端點之間的VC級端到端的連接，由多條VC鏈路串接而成，VCI（虛信道標識）用來識別一條VC。 VPC（Virtual Path Connection）是VPC端點之間的VP級端到端的連接，由多條VP鏈路串接而成，V

9、PI（虛通道標識）用來識別一條VP。,VPC和VCC,18,虛信道連接（VCC）,虛通道連接（VPC）,VC鏈路,VC鏈路,VC鏈路,VCIX,VCIy,VCIZ,VP鏈路,VP鏈路,VP鏈路,VPIX,VPIy,VPIZ,VPC和VCC,19,ATM網(wǎng)絡的選路概念,20,ATM的VPI/VCI,21,VP交換是指僅變換VPI值而不改變VCI值的交換，即只進行虛通道的交換，虛通道里面的虛信道并不進行交換。,VP交換,22,VC交換是指VPI值與VCI值都要進行改變的交換。因為虛信道是按照虛通道來劃分的，當虛信道交換時，其所屬的虛通道也要進行交換，即虛通道和虛信道都要進行交換。,VC交換,23,

10、ATM連接的建立,在源ATM端點與目的ATM端點進行通信前的連接建立過程，實際上就是在這兩個端點間的各段傳輸通道上，找尋空閑VC鏈路和VP鏈路，分配VCI與VPI，建立相應VCC與VPC的過程。,24,ATM虛連接建立的方式有兩種方式： 永久虛連接（PVC：Permanent Virtual Connection） 交換虛連接（SVC：Switching Virtual Connection） PVC是由管理面控制建立的永久和半永久連接，用戶在傳送信息前不需要建立過程。 SVC是由信令控制建立的連接，用戶在傳送信息前要建立連接，信息傳送完畢則拆除虛連接。 VPC 和 VCC 都可有PVC和SV

11、C的虛連接。,虛連接的建立方式,25,2.4 ATM協(xié)議參考模型,物理層,ATM層,ATM適配層,高層,高層,控制面,用戶面,管理面,面管理,層管理,26,B-ISDN協(xié)議參考模型由3個平面組成： 用戶面：負責用戶信息的傳送，采用分層結構。 控制面：提供呼叫和連接的控制功能，主要涉及信令功能，也采用分層結構。 管理面：提供面管理與層管理兩種管理功能。,ATM協(xié)議參考模型,面管理實現(xiàn)與整個系統(tǒng)有關的管理功能，并完成各個面之間的協(xié)調功能，面管理不分層； 層管理實現(xiàn)網(wǎng)絡資源與協(xié)議參數(shù)的管理，并處理各層中的操作與維護（OAM）信息流，層管理是分層的。,B-ISDN協(xié)議參考模型含有4層： 物理層、ATM

12、層、ATM適配層和高層。,27,ATM網(wǎng)絡承載業(yè)務的概念（用戶面）,28,ATM 信令接口,29,ATM 網(wǎng)絡信令協(xié)議模型（1）（控制面和管理面）,30,ATM網(wǎng)絡信令協(xié)議模型（2）（控制面和管理面）,物理層：提供有效的信元傳送。如：速率耦合、信頭差錯控制、信元定界、媒體適配等。 ATM層：提供信令虛通路SVC的連接和釋放。由于在UNI處存在多點信令訪問結構，需要元信令信道管理各個通信實體，所以在UNI接口上要支持元信令信道連接、維護、拆除。,31,ATM網(wǎng)絡信令協(xié)議模型（3）（控制面和管理面）,SAAL層：將信令適配成48字節(jié)的數(shù)據(jù)單元，提供流量控制和差錯控制，保證可靠傳輸。 Q.2931：

13、UNI處提供用戶呼叫建立、釋放、補充業(yè)務等過程的操作。 MTP：No.7信令消息傳遞部分，相當于OSI下三層功能。 B-ISUP：No.7信令B-ISDN用戶部分，提供BISDN網(wǎng)絡局間呼叫建立、釋放、補充業(yè)務等的信令程序。,32,呼叫過程信令流程舉例,33,一般流量控制、信頭產(chǎn)生/提取 信元VPI/VCI翻譯、信元復用和分路,信元速率解耦、HEC產(chǎn)生/驗證 信元定界、傳輸幀適配 傳輸幀產(chǎn)生/恢復,AAL,CS,SAR,ATM層,TC,PMD,比特定時、物理媒體,匯聚,分段與重組,物理層,ATM協(xié)議參考模型,34,ATM協(xié)議棧中各層間的數(shù)據(jù)傳輸,35,物理層負責通過物理媒體正確、有效地傳送信元

14、。 它可劃分為個子層： 物理媒體相關子層 （PMD ：Physical Medium Dependent Sublayer） 提供與傳輸媒體有關的機械和電氣接口，正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)比特，負責線路編碼、比特定時等功能。 傳輸匯聚子層 （TC：Transmission Convergence Sublayer ）,物理層,36,傳輸幀的產(chǎn)生/恢復與適配 在發(fā)送端要將信元流封裝成適合傳輸系統(tǒng)要求的幀結構送到PMD子層，在接收端則恢復成信元流； 信頭差錯控制（HEC:Header Error Control） 信元的信頭中含有控制選路及其他的重要信息，必須對信頭信息進行差錯控制。 信元定界和擾碼 信

15、元定界（Cell delineation）是用一定的方法來識別信元的邊界。 信元速率去耦 在發(fā)送端物理層插入空閑信元，以將ATM層信元流的速率適配成傳輸媒體的速率。 在接收端，通過特定的預分配信頭值，可以識別出空閑信元予以丟棄，并不送往ATM層。,傳輸匯聚子層,37,ATM層： 負責信元的交換、選路和復用。 信元的復用與交換 服務質量保證 實現(xiàn)凈荷類型有關的功能 一般流量控制,ATM層,38,1）AAL的功能： ATM適配層（AAL）在ATM層之上增加適配功能，使ATM信元傳送能夠適應不同的業(yè)務（話音，視頻，數(shù)據(jù)等），并支持將高層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）映射到ATM信元的信息段，反之亦然。 2

16、）AAL的業(yè)務分類： AAL的功能和規(guī)程與業(yè)務有關，不同的業(yè)務需要不同的AAL規(guī)程。為了減少AAL規(guī)程的數(shù)量，將業(yè)務按照以下個特性進行分類： 源與終點之間的定時關系：需要或不需要； 比特率：固定或可變； 連接方式：面向連接或無連接。,ATM適配層,39,業(yè)務特性,源與終點之間的 定時關系,比特率,類別,A類,B類,C類,D類,連接方式,需要,不需要,固定,可變,面向連接,無連接,ATM適配層,AAL1,AAL2,AAL5 AAL3/4,AAL3/4,AAL的業(yè)務分類,40,3）AAL類型： 為了適應不同業(yè)務類型的需要，ITU-T定義了類AAL： AAL1規(guī)程用于支持類業(yè)務，提供實時的恒定比特率

17、業(yè)務傳輸，仿真目前PCM電路交換上的業(yè)務，適合語音業(yè)務的傳輸。 AAL2規(guī)程用于支持類業(yè)務，適用于時延敏感的低速、可變長度的短分組的傳送。 AAL3與AAL4原來是分開的，后來合并為一類：AAL3/4，用來支持C/D兩類業(yè)務，即包括面向連接與無連接的數(shù)據(jù)業(yè)務。 AAL5可以看成是簡化的AAL3/4，用來支持面向連接的C類業(yè)務（如幀中繼），傳送大的數(shù)據(jù)分組時效率較高，ATM網(wǎng)絡信令也采用AAL5。 高層：則相當于各種業(yè)務的應用層或信令的高層處理。,AAL類型,41,AAL的功能可以分為兩個邏輯子層： 匯聚子層（CS：Convergence Sublayer） 匯聚子層的主要功能是在AAL業(yè)務接入

18、點（SAP）對高層提供AAL的服務，其具體功能與業(yè)務類型有關。 分段和重組子層（SAR：Segmentation And Reassembly） 分段和重組子層可簡稱為拆裝子層，其主要功能是將高層信息進行分割，以適合于裝入ATM信元的信息段，或者反之。 不同的CS和SAR的組合，可得到不同的業(yè)務適配功能。按照不同業(yè)務類型的需要，CS還可以進一步劃分為子層。,AAL的基本結構,42,AAL1的協(xié)議結構,AAL1支持對時延敏感的恒定比特率業(yè)務，比如話音。AAL1分為2個子層：分段與重組SAR子層和會聚子層CS。,完成序號功能,43,AAL3/4的協(xié)議結構,AAL3/4的CS又繼續(xù)分為 公共部分會聚

19、子層CPCS 業(yè)務特定會聚子層SSCS， SSCS隨業(yè)務不同而改變。,45,AAL5的協(xié)議結構,AAL5是一種簡化的AAL3/4規(guī)程中復雜的序號與差錯控制機制，用來支持面向連接的可變比特率的數(shù)據(jù)業(yè)務，對信令與數(shù)據(jù)業(yè)務進行適配。 AAL5同AAL3/4一樣劃分為分段與重組SAR子層與會聚子層CS，CS繼續(xù)劃分為CPCS與SSCS。SSCS通常為空，CPCS與SAR構成了AAL5的公共部分。其中SAR功能子層功能相對簡單，主要是將CPCS-PDU劃分為48字節(jié)的段，成為SAR-PDU而傳送到ATM層。,47,3、ATM交換技術,ATM交換的基本原理 ATM交換系統(tǒng)的基本結構 ATM交換網(wǎng)絡,48,

20、3.1 ATM交換的基本原理,ATM交換是指ATM信元從輸入端的邏輯信道到輸出端的邏輯信道的消息傳遞。輸出信道的確定是根據(jù)連接建立信令的要求在眾多的輸出信道中進行選擇來完成的。 ATM邏輯信道具有兩個特征： 物理端口（線路）編號 VP與VC標識符 ATM交換系統(tǒng)執(zhí)行三種基本功能： 信頭翻譯 路由選擇 排隊,49,ATM交換系統(tǒng)的基本結構,50,輸入接口功能,51,輸入接口,物理層功能： 光電信號的轉換與同步（采用SDH/SONET物理接口） 信元定界和差錯控制 信元速率解耦（丟棄空閑信元） ATM層功能： VPI/VCI值的有效性檢查及翻譯 輸出端口的確定 區(qū)分信令信元、用戶信元和OAM信元并

21、作相應的處理,52,輸出接口功能,53,輸出接口,ATM層功能： HEC域的產(chǎn)生并裝入信頭 信令信元、OAM信元和用戶信元流的混和 輸出 物理層功能： 信元速率匹配（加入空閑信元） 傳輸幀的形成 光電信號轉換,54,ATM交換系統(tǒng)的基本結構,信元傳送子系統(tǒng)： 交換結構實現(xiàn)交換連接功能，具體說來就是信頭變換、選路和排隊的功能，用戶信息、信令消息和處理機之間的的控制信息都可通過交換結構來交換。 控制子系統(tǒng)： 主要是由處理機系統(tǒng)及各種控制軟件組成，其中主要包括呼叫控制軟件與操作管理維護（OAM）軟件。呼叫控制軟件主要完成呼叫連接的建立和拆除，包括尋址、選路、交換網(wǎng)絡的控制等功能，含UNI和NNI接口

22、的信令處理。OAM軟件主要完成對交換系統(tǒng)的操作維護，具體包括配置管理、計費管理、性能統(tǒng)計、故障處理等功能。,55,ATM交換結構,時分,空分,共享存儲器,共享媒體,單通路,多通路,總線型,環(huán)型,基于crossbar,基于banyan,擴展banyan,復份banyan,Benes,Clos,緩沖型,無緩沖型,矩陣型,全互連型,1）ATM交換結構類型,3.3 ATM交換結構,56,ATM交換網(wǎng)絡的緩沖策略,緩沖策略或稱為排隊策略，是ATM交換結構設計中所要涉及的重要內容之一。 緩沖策略一般包括這樣四個方面的內容：,緩沖器的設置方式 (緩沖方式) 緩沖器的數(shù)量 隊列的存取控制 緩沖器的管理,57,

23、緩沖方式,緩沖方式一般分為內部緩沖與外部緩沖兩大類。 外部緩沖則是指緩沖器設置在交換結構的外部； 內部緩沖是指緩沖器設置在交換結構的內部；,輸入緩沖 輸出緩沖 輸入與輸出緩沖 環(huán)回緩沖,共享緩沖 交叉點緩沖 緩沖型banyan,58,外部緩存輸入緩存,基本思想 在交換單元的輸入端解決可能的競爭問題。 實現(xiàn)方式 為每一條入線配置一個緩沖隊列，信元在隊列中排隊 在一個信元周期內，如果出現(xiàn)多個入線上的信元競爭同一的出線時，則由一個仲裁邏輯來決定哪些入線隊列中的信元是允許通行的，而其他隊列中的信元需要等待 經(jīng)過仲裁后的信元不會再出現(xiàn)競爭,59,輸入緩存模型,每條入線一個緩沖隊列 信元在入線排隊 交換傳

24、輸媒體 是一個無阻塞的傳輸網(wǎng)絡,仲裁邏輯 決定可以得到服務的入線 仲裁策略 輪流服務、具有優(yōu)先級（固定優(yōu)先級或隊列長度優(yōu)先等）,60,輸入緩存的缺點,在入線處的隊列將需要更多的緩沖容量 存在隊頭阻塞（HOL） 在一個信元周期內，任一條出線都只能為一個信元提供輸出服務，而選擇該出線的其他信元必須在輸入隊列中等待 若一條入線上的隊列的排頭信元因競爭失敗而阻塞，該隊列中的所有后續(xù)信元也被迫阻塞，即使該隊列中的后續(xù)信元所選擇的出線當前是空閑的。 一個信元周期內，通過交換傳輸媒體傳輸?shù)男旁獢?shù) P 不超過交換單元的入線總數(shù) N，即 P N。 在輸入排隊模型中，仲裁邏輯是必須的 用于確定可以得到服務的入線,

25、61,輸入緩沖的HOL阻塞現(xiàn)象,62,HOL阻塞改進方式窗口,由于存在HOL阻塞，在隨機的均勻業(yè)務流模型下，當入線數(shù)目N很大的時候，采用FIFO規(guī)則的輸入緩沖方式的吞吐率為58.6%。 改進的方法之一窗口的方法。 在每個輸入緩沖器設定一個寬度為W的窗口，W意味著在一個時隙內每個輸入隊列可以有W個信元依次參與出線競爭。其中競爭仲裁時間可進一步劃分為W個子區(qū)間，在第一個子區(qū)間，由所有輸入隊列的排頭信元進行出線競爭，若有占用的出線則在第二個子區(qū)間進行第二次出線競爭，以此類推，直到所有的出線均被占用或者窗口已經(jīng)用盡。,63,采用窗口方法的輸入緩沖結構,64,外部緩存輸出緩存,基本思想 來自入線的信元可

26、以自由通過交換傳輸媒體傳送（交換）到所需的出線上，在出線上設置緩沖隊列解決多信元對出線的競爭。 實現(xiàn)方法 在一個信元周期內，所有信元都可無需仲裁地從入線到達所需的出線 每條出線配置一個隊列，以便緩沖同時到達的競爭該出線的多個信元 一個信元周期內，一條出線只能為一個信元服務，未服務的信元將暫存在該出線的輸出隊列中,65,輸出排隊模型,交換傳輸媒體 無阻塞的傳輸網(wǎng)絡，信元通過傳輸媒體時無需仲裁邏輯 每出線配置一個緩沖隊列 信元在出線處排隊，采用 FIFO 原則，保證信元的順序,66,輸出排隊的優(yōu)缺點,去往同一條出線的多個信元可以在同一個信元周期內交換到出線上，不存在隊頭阻塞 不需要仲裁邏輯 為保證

27、沒有信元丟失，在傳輸交換媒體中信元的傳輸交換的速率必須 N 倍于入線的速率 輸出緩沖能在一個時隙內可以接收交換到該輸出端口的最大信元數(shù)目，我們稱之為加速因子，極限情況是。 加速因子的值越大，對處理速度和存儲器的存儲速率要求就越高，一般1KN，這樣每個輸出端口最多只能接收K個信元，如果有多于K個信元去向同一個端口，就要按照一定準則選取其中的K個信元，其余的丟棄。,67,外部緩存輸入輸出緩沖,輸入緩沖存在HOL阻塞，但對處理速度和存儲器的存儲速率沒有過高要求； 輸出緩沖不存在HOL阻塞，但由于加速因子的引入而對處理速度和存儲器的存儲速率有較高要求。 輸入輸出緩沖綜合了輸入緩沖與輸出緩沖的優(yōu)點。假設其加速因子為L（1LN）(N為輸入端口數(shù)目)，那么其輸出緩沖器在一個信元時隙內最多能接收L個信元，如果在某一時隙內有超過L個信元要交換到同一個目的端口，那么這些超過的信元將會被