ATM基本概念原理和技術培訓教材

1、pnb0 第一部分 項目介紹 pnb0 pnb0ATM 研究部主要從事寬帶網(wǎng)絡和寬帶交換技術的研究開發(fā)， 正在開發(fā)的 產(chǎn)品有ATM接入交換機（ 2.5G）、 ATM業(yè)務接入器和 ATM LAN-SWITCH 。 這些產(chǎn)品的開發(fā)成果，將為公司在數(shù)據(jù)通信領域的研究填補空白，向數(shù)據(jù)通 信領域邁出堅實的一步。在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)及局域網(wǎng)的應用中，這些產(chǎn)品將大有 可為。 pnb0 INTERNET 迅速崛起，帶寬的需求越來越大，骨干網(wǎng)絡的壓力也越來 越大，ATM交換機的利用可以解決帶寬的問題， 同時為 VOD 等寬帶多媒體業(yè) 務筑起平臺。 寬帶網(wǎng)絡的建設正在從無到有， 從小到大，一步一步地發(fā)展，中國寬帶網(wǎng)的 規(guī)

2、范正在制訂，郵電部已經(jīng)指出了發(fā)展寬帶網(wǎng)的路標。據(jù)稱， 2000年以前中 國寬帶網(wǎng)會初具規(guī)模。 pnb0 ATM 研究部跟蹤國際國內(nèi)動態(tài)，研究市場需求，制訂了技術先進、堪 稱一流的總體方案，完成這個方案，是一項極具挑戰(zhàn)性的任務。 第二部分 ATM 基本概念、原理和技術 一、 ATM技術的特點 異步轉移模式( Asynchronous Transfer Mode, ATM)技術是一種全新的電信 技術，是融合電路模式和分組模式的優(yōu)點發(fā)展而成的。 所謂“轉移模式” ，CCITT 是這樣定義的，轉移模式就是在電信網(wǎng)路中傳輸、復用和交換的諸方面。 而這里 指的“異步”與通常所說的數(shù)據(jù)通信中的異步傳輸(如

3、RS232C)不同，它并 非是傳輸碼流的異步，而是指被分組的用戶信息 信元不必像 TDM 中的時隙 那樣周期性地出現(xiàn)而占據(jù)固定信道，也就是說信元是動態(tài)占用信道的。 ATM信元是ATM網(wǎng)絡傳送信息的基本載體， CCITT規(guī)定其長度為 53字節(jié)，分 成信頭( Header)和凈荷( Payload)兩部分，信頭為 5字節(jié)，凈荷為 48字節(jié)。依 據(jù)其位置不同，在用戶網(wǎng)絡接口( User Network Interface，UNI )、網(wǎng)絡節(jié)點接 口( Network Node Interface,NNI )，信元格式略有區(qū)別，如圖 1.1。兩者不同之處 主要在信頭中， UNI信元信頭中有 4比特的一

4、般流量控制段 ( General Flow Contro，l GFC)用于用戶一網(wǎng)絡接口的流量控制，以防止信道過載。 UNI 信頭的虛通道標 識( Virtual Path Identifier, VPI)為8比特，虛通路 GFC：一般流量控制， 4比特 PT：凈荷類型， 3比特 VPI：虛通道標識， 8比特/12 比特 CLP：信元丟失優(yōu)先級， 1比特 VCI ：虛通路標識， 16比特 HEC：信頭誤碼控制， 8比特 圖1.1 ATM 信元格式 標識( Virtual channel Identifier, VCI)為 16比特，凈荷類型( Payload Type, PT)為 3比特，信元

5、丟失優(yōu)先級( Cell Loss Priority, CLP)為1比特，信頭誤碼控制(Header Error Control, HEC )為8比特，而NNI 信頭的 VPI為12比特，其余與UNI 信頭相同。 ATM本質(zhì)上是一種尋址型特殊分組轉移模式， 它將數(shù)字化話音、 數(shù)據(jù)及圖像 等所有的數(shù)字信息分割成固定長度的數(shù)據(jù)塊， 在每個數(shù)據(jù)塊前加上一個包含地址 等控制信息的頭( Header)，從而構成一個信元( Cell)，圖 1.2(a)是將 信元 裝入用戶信息的信元 其它用戶信元 (a) 異步轉移模式( ATM ) 待發(fā)送的信息分解成信元并進行多路復用的過程。 電路模式中的傳統(tǒng)時分多路復 用

6、(TDM )技術，采用周期為 125 s的幀結構，發(fā)送信息以字節(jié)或比特形式固定 加入到每幀內(nèi)的相應時隙，在連接建立后， 不論有無發(fā)送信息， 時隙必定屬于該 連接，而不能被其它連接占用。圖 1.2(b)中所示發(fā)送信道加入每幀內(nèi)的第 3時隙， 這種依據(jù)幀內(nèi)的時隙位置識別通路的復用方式稱為位置復用。 而ATM 復用方式與 分組復用方式有些類似， 只要信道上存在的空位置就可將發(fā)送信息組成的信元加 入信道， 顯然，信元的復用無周期性和固定位置。 由于它依靠信頭內(nèi)的通路標記 進行信元的識別、傳送和交換，因此稱作標記復用或統(tǒng)計復用。雖然 X.25或以太 網(wǎng)、令牌環(huán)等分組交換中也采用標記復用，但由于分組長度在

7、上限范圍內(nèi)可變， 因此每個分組在信道上的位置是任意的， 而ATM信元的長度固定， 使信元像TDM 時隙一樣定時出現(xiàn)。因此， 可以采用硬件電路高速地對信頭進行識別、 復分接和 交換處理，由此可見， ATM 復用技術融合了電路模式和分組模式的優(yōu)點。 信元形式的 ATM 網(wǎng)絡和分組形式的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的本質(zhì)區(qū)別之一就是 ATM 網(wǎng)絡采用面向連接的呼叫接續(xù)方式。 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡如以太網(wǎng)、 令牌環(huán)和 FDD采用無連接操作方式， 這些網(wǎng)絡假設目的端點可用并可接收信息， 每個端點必須檢查 每一分組的路由標記以此確定是否接收該分組。 ATM 網(wǎng)絡的操作類似于電話呼叫 接續(xù)過程，在通信前必須在源和目的端之間建立連接

8、， 這個連接是一個“虛連接”， 網(wǎng)絡根據(jù)用戶的要求（如峰值比特率、平均比特率、信元丟失率、信元時延和信 元時延變化等指標），分配 VPI/VCI 和相應的帶寬，并在交換機中設置相應的路 由。所謂“虛連接”是指網(wǎng)絡依據(jù) VPI/VCI 對信元進行處理，當該用戶沒有信元 發(fā)送時，其它用戶可占用這個用戶的帶寬，但其相應的 VP/VC 連接依然保持。 ATM技術中最重要的特點是信元的復用、交換和傳輸過程，均在虛通路 （Virtual Channel, VC）上進行。虛通路是 ATM 網(wǎng)絡鏈路端點之間的一種邏輯聯(lián)系， 是在兩個或多點端點之間傳送 ATM信元的通信通路，可用于用戶到用戶、 用戶到 網(wǎng)絡、網(wǎng)

9、絡到網(wǎng)絡的信息轉移，虛通道（ Virtual Path, VP）是在給定參考點上具 有同一虛通道標識符的一組虛通路。 虛通路在傳輸過程中， 將組合在一起構成虛 通道，二者關系如圖 1.3。ATM 網(wǎng)絡中不同用戶的信元是在不同的 VP、VC中傳送， 而不同的 VP/VC 利用各自的 VP標識（ VPI）和VC標識（ VCI）來區(qū)分。 VC11 VC12 VC13 VC14 物理傳媒 圖 1.3 物理傳媒和 VP、 VC的關系 ATM 的連接分為虛通道連接和虛通路連接，如圖 1.4。VP的交換設備（通常 是交叉連接器和集中 / 分配器）僅對信元的 VPI進行處理和變換，功能較為簡單， VC交換設備

10、（ATM交換機、復接/分接器）則要同時對 VPI/VCI 進行處理和變換， 功能較為復雜。 VPI 和VCI只有局部意義，每個 VPI/VCI 在相應的 虛通路連接 (VCC) 虛通道連接 (VPC) 用戶終端 交換節(jié)點 用戶終端 VC VC VC VP VP VP VP 虛通路連接 (VCC) 虛通道連接 (VPC) VP交換VP/VC 交換 圖1.4 ATM 連接的兩種類型 VP/VC交換節(jié)點被處理， 相同的VPI/VCI 值在不同的 VP/VC鏈路段并不代表同一 個“虛連接” 。圖1.5是由兩個網(wǎng)絡節(jié)點 (NN1 、NN2 )和三個用戶接入網(wǎng) (CPN1、 CPN2及CPN3)組成的系統(tǒng)

11、， 從圖中可以看出， CPN之間的連續(xù)經(jīng)過網(wǎng)絡節(jié)點 NN 交換時，VPI/VCI 的值也被改變， 例如，CPN1和CPN3之間的VP/VC 連接在CPN1 時為VP5/VC11 ，經(jīng)過NN1變?yōu)閂P3/VC7 ，再經(jīng)過 NN2變?yōu)閂P1/VC9 ，顯然，同 一連接在不同鏈路的 VPI/VCI 是不同的。 圖1.5 ATM 網(wǎng)絡的選路概念 前面提到，ATM 網(wǎng)絡在通信時必須進行呼叫連接， 那么如何建立和釋放虛通 路( VC)呢？ ATM網(wǎng)絡有兩個標準接口： UNI和NNI 。在UNI處采用兩種方法： 信令方式，這種方式利用 UNI信令(如ITU T的Q.2931)自動完成 VC連 接的建立、釋放

12、以及 VCI的分配，具體過程包括(a)利用元信令(Meta-Sig-nalling) 建立/釋放一個用戶用戶信令的 VC，而元信令的 VPI/VCI 和帶寬都是預先給定的； (b) 利用用戶信令建立 / 釋放一個用于用戶通信的 VC。 預訂方式，這種方式通過網(wǎng)絡管理設備設定所需的通信 VC(分配 VPI/VCI 和帶寬)。 在NNI 處建立/釋放VC也是這兩種方法，但其信令方式采用 NNI 信令( No.7 信令)。 根據(jù)VC的建立/釋放方法，可將其分成兩種：交換虛通路( Switched Virtual Channel, SVC)和永久虛通路( Permanent Virtual Chann

13、el, PVC)。 SVC是用戶需 要通信時，通過終端設備由信令建立的虛通路， SVC類似于電話網(wǎng)的用戶線路， 只有經(jīng)過呼叫請求，網(wǎng)絡為通信雙方建立起相應虛通路后，才能進行通信， 通信 完成后，由信令釋放 SVC。使用 SVC的用戶對網(wǎng)絡資源的利用率高，通信費用較 低，是ATM 網(wǎng)絡中使用的主要通信方式。 PVC是通過網(wǎng)管預先建立的，不論是否 有業(yè)務通過或終端設備接入， PVC一直保持，直到由網(wǎng)管釋放。因此， PVC類似 于電話網(wǎng)中的租用線路，經(jīng)過 PVC連接的用戶需要通信時，不會因通信網(wǎng)絡資源 不夠而導致通信失敗。 PVC通常用于一些特殊的用戶， 如元信令 VC必為PVC，某 些要求租求固定

14、信道帶寬的用戶可也設定為 PVC。使用PVC的用戶每次通信時無 需呼呼叫請求，操作簡便，通信質(zhì)量好，但其通信費用很高，且不能充分發(fā)揮 ATM 網(wǎng)絡的優(yōu)勢，因此，應用范圍較小。 ATM中用戶間有兩種連接方式： 點對點和點對多點。當兩個用戶進行通信時， ATM網(wǎng)絡采用點對點( Point to Point)的連接方式。多個用戶之間需要通信時， 采用點對多點( Point to Multipoint )連接方式，如圖 1.6。 點對多點 圖1.6 點對點方式與點對多點方式比較 為了實現(xiàn)點對多點方式， ATM 交換機應具有廣播( Broadcas)t 和同播 (Multicast)功能。廣播是指一個用

15、戶對網(wǎng)絡中所有用戶進行信息傳送的通信功 能，這種方式通常是單向的，適用于電視、廣播節(jié)目的傳送；同播是指一個用戶 對網(wǎng)絡中部分用戶有選擇地進行信元傳遞的通信功能， 這種方式適用于多方交互 業(yè)務，如多方電視會議等。 二、 ATM分層結構 1、BISDN參考模型 (1) B-ISDN用戶網(wǎng)絡接口( UNI )物理配置模型 BISDN UNI 的物理配置與 NISDN的極其相似，如圖 2.1。BISDN 分成 公用網(wǎng)和專用網(wǎng)兩部分， ATM網(wǎng)絡的端點通過一個接口邊到公用 ATM 交換機上， 這個接口稱作用戶網(wǎng)絡接口( UNI )， ATM論壇又把 UNI分為公用UNI和專用 UNI 兩種， UB、TB

16、是公用 UNI 的參考點，而 SB、R是專用 UNI 的參考點。 公用網(wǎng) 專用網(wǎng) 圖2.1 BISDN 用戶網(wǎng)絡接口物理配置模型 UB是公用網(wǎng)和帶寬用戶終端 BNT1之間的接口，目前， ITU T對此接口的 速率傳媒等特性尚無具體規(guī)定，在各廠商（如 AT&T 、富士通等）的設備中，通 常采用SDH的155Mbit/s STM1和622Mbits/s STM4作為物理傳輸系統(tǒng)接口標 準。 TB接口和UB一樣，也是公用UNI，ITUT將它定義為 BNT1和BNT2之間 的接口標準，目前規(guī)定了五種標準接口速率： 1.544 Mbit/s、2.048 Mbit/s、51.84 Mbit/s 、155

17、Mbit/s和622 Mbit/s，可采用 SDH 、PDH 傳輸系統(tǒng)或純信元形式的傳 輸系統(tǒng)。 SB接口屬于專用網(wǎng) UNI ，是BNT2和BNT1或寬帶適配器之間的接口，經(jīng) 常用于局域網(wǎng)及單位內(nèi)部網(wǎng)的 UNI 。例如，為方便局域網(wǎng)的連接， ATM論壇規(guī)定 了多種基于現(xiàn)有局域網(wǎng)物理傳輸系統(tǒng)的接口標準，如 25 Mbit/s 、51Mbit/s 、 100Mbit/s 以及155Mbit/s接口，傳輸線路可以是非屏蔽雙絞線（ UTP）、屏蔽雙 絞線（ STP）、同軸電纜或光纖。 R接口，屬于專用 UNI ，與前三種接口不同之處在于： UB、TB和SB接口的用 戶信息是信元形式，而 R接口都是非信

18、元形式的終端業(yè)務。 R接口標準根據(jù)接入 的終端種類確定，例如，當接入 E1業(yè)務時， R接口遵循G.703建議，接入 Ethernet 時，遵循 IEEE 802.3建議。 公用UNI 與專用UNI的區(qū)別如下： 公用UNI是指公用 ATM網(wǎng)絡與用戶終端設備的接口， 另外，專用網(wǎng)交換機 和公用網(wǎng)間的接口也是公用 UNI接口，專用UNI則是指專用 ATM網(wǎng)絡與用戶終端 設備的接口。 鏈路類型不同，在專用 UNI 中，某些鏈路只能在很短的距離內(nèi)工作（例如 100m以內(nèi)），顯然，這種鏈路不能用于公用 UNI 中。 地址格式不同，公用 ATM網(wǎng)使用 ITUT的E.164地址方式，而專用 ATM網(wǎng) 則可使用

19、 E.164或OSI的DCC和ICD 地址方式 公用 UNI 由ITUT規(guī)定，而專用 UNI 由ATM論壇規(guī)定。 顯然，兩種 UNI 之間的區(qū)別主要是使用的原因，但是， UNI 公用網(wǎng)一側要比 專用網(wǎng)一側遵循更嚴格的，必須確保專用設備的失效不會引起公用網(wǎng)的失效。 (2) BISDN 協(xié)議參考模型 為了簡單明了地描述 ATM網(wǎng)絡功能， ITU T定義了BISDN協(xié)議參考模型 (BISDN Protocol Reference Model, B-ISDN PRM)，如圖2.2。該模型分成三個 不同的面：用戶面、管理面和控制面，三個功能層：物理層、ATM 層和ATM 適 圖 2.2 協(xié)議參考模型 配

20、層。 用戶需要的數(shù)據(jù)、話音和視頻等應用及相 關協(xié)議和業(yè)務，都包括在用戶面；控制面包括 與呼叫建立、維護以及撤消有關的功能， ATM 的信令功能；管理負責與系統(tǒng)有關的網(wǎng)絡管 理、維護功能、依據(jù)功能不同，又細分為層管理和面管理兩部分，層管理主要用 于各層內(nèi)部的管理，面管理用于各個功能層之間管理信息的交互和管理 2、ATM物理層技術 (1) 物理層的位置和功能 物理層位于 B ISDN協(xié)議參考模型的最底層， 主要負責將 ATM層送來的邏輯 比特或符號轉換成相應物理傳輸媒介可傳送的信號，并正確地收 / 發(fā)這些物理信 號。 目前， ITU T和ATM論壇主要針對 UNI 的物理層有比較詳細的規(guī)定，下面

21、討論的物理層功能既適用于公用 UNI 又適用于專用 UNI 。 物理層劃分為物理媒介相關子層（ PMD）和傳輸會聚子層（ TC）。 物理層的工作過程如下：經(jīng)物理媒介接口送來的信號在接收端的 PMD 子層 通過同步比特恢復成連續(xù)比特流，送入 TC子層，比特流利用傳輸幀恢復功能確 定傳輸幀的結構，然后將傳輸幀的凈荷提取出來（即傳輸幀適配）。凈荷是由信 元組成的， 通過信元定界機制保證信元同步， 并判定其 HEC有無錯誤，對正確信 元進行速率去耦，丟棄發(fā)送時插入的空閑信元，將有效信元作解擾處理后送入 ATM 層。 （2） ATM物理層接口類型 ITUT針對UNI 的SB/T B參考點，規(guī)定了 155

22、.520Mbit/s和622.080 Mbit/s兩種 接口速率， 以SDH幀結構或純信元形式傳送。 采用不同物理媒介時傳送距離和質(zhì) 量不盡相同，光纖（單模 / 多模）媒介的傳送距離可達幾公里到幾十公里，同軸 電纜可在 100200m內(nèi)提供滿意的傳輸， 屏蔽雙絞線（STP）最大傳輸距離達 100m。 當采用622Mbit/s的接口時，通常用光纖傳輸， 可使用對稱方式或不對稱方式 （不 對稱方式是指網(wǎng)絡至用戶方向為 622Mbit/s ，用戶至網(wǎng)絡方面為 155Mbit/s）。表 2.1中列出了目前已使用的物理傳輸系統(tǒng)接口標準。 MM：多模光纖 UTP3：第三類非屏蔽雙絞線 表2.1ATM UN

23、I 接口種類 傳輸系統(tǒng) 接口 數(shù)據(jù)速率 （Mbit/s） 信元吞吐量 （Mbit/s） 傳輸媒介 使用范圍 制定單位 SDH STM-1 155.520 149.76 單模光纖 廣域網(wǎng) ITU-T (STS-3c) 622.080 599.04 （SM） (WAN) ITU-T STM-4 單模光纖 廣域網(wǎng) 成幀 (STS-12c) （SM） (WAN) 結構 DS-1(T-1) 1.544 1.536 同軸電纜 WAN/LAN ANSI PDH E-1 2.048 1.920 同軸電纜 WAN/LAN ETSI DS-3(T-3) 44.736 40.704 同軸電纜 WAN ANSI E-

24、3 34.368 33.984 同軸電纜 WAN ETSI E-4 139.264 136.24 同軸電纜 WAN ETSI 注： SM：單模光纖STP：屏蔽雙絞線 由表2.1中可看出，這些傳輸中分成有幀結構和無幀結構兩大類。 具有幀結構的傳輸系統(tǒng)主要包括 PDH 和SDH，它們采用時分復用技術 （TDM ），過去主要用于傳輸數(shù)字編碼話音。 PDH/SDH 系統(tǒng)主要在電信部門以 及某些用于數(shù)據(jù)傳送的廣域網(wǎng)（ WAN ）中有廣泛的應用。在早期 ATM 應用中， 現(xiàn)有業(yè)務和 ATM 業(yè)務可共享這些設備，另外， ATM中某些恒定比特率業(yè)務借助 于PDH/SDH 的125 s幀定時可獲得本身所需的定時

25、信息。 顯然，早期ATM 系統(tǒng)可 建立在PDH傳輸系統(tǒng)上，而 SDH系統(tǒng)會成為最終 ATM系統(tǒng)的基本傳輸系統(tǒng)之一。 無幀結構傳輸系統(tǒng)，主要是指目前組成各種 LAN 或MAN ，用于計算機數(shù)據(jù) 業(yè)務傳送的系統(tǒng)。 與SDH和PDH方式不同， 這種接口不是將一組信元裝入幀結構 中進行傳輸，而是從起始信元開始逐個地傳輸， 因此，不含任何與時鐘有關的周 期性幀定位信號（例如周期 125 s幀定位信號）。 依據(jù)使用方式可分成兩種：用于 LAN 和用于 WAN 。 用于LAN 的物理層接口包括： 25.6 Mbit/s接口。 100 Mbit/s接口，即 FDDI 物理媒介接口。 155.520 Mbit/

26、s接口，即光纖通道（ Fibre Channe）l 接口。 51 Mbit/s 接口，這種接口也是用于 LAN 。 除了以上幾種典型的 LAN 接口外， 還有一類接口稱為數(shù)據(jù)交換接口 （Data Exchange Interface, DXI）。這類接口也稱為“ RVX ”接口，主要是指 R系列、 V 系列和 X系列接口，其中最常用的包括 V.24（RS-232、） V.35、X.25、RS422以及 高速串行接口（ High Speed Serial Interface, HSS）I，在ATM早期應用中會采用這 些傳輸系統(tǒng)資源，傳送信元形式的信息。 采用以上幾種接口，簡化了 TC子層的功能，

27、省去了信元去耦以及傳輸幀碼 產(chǎn)生/ 恢復等功能，比較適用于專用 UNI 用于WAN的物理層純信元接口包括： 155 Mbit/s和622 Mbit/s兩種。 ITU T 正在著手制定其具體規(guī)范， 目前尚無實用產(chǎn)品問世。 這兩種接口雖然采用與 SDH 相同的線路速率，但由于直接采用信元形式傳輸，沒有幀結構開銷， 提高了傳輸 系統(tǒng)的利用率，降低了系統(tǒng)的成本，具有很大的發(fā)展前途。 3、ATM層技術 (1) ATM層的位置與功能 ATM 層所處的位置 為了清楚地了解 ATM層在網(wǎng)絡中的位置，用圖 2.3來表示出 ATM網(wǎng)絡的分層 模型。由圖中可以看出， ATM 層在網(wǎng)絡中處于第二層， 在物理層之上利用

28、物理層 提供的傳輸通道；在 ATM適配層之下為 AAL提供服務。 ATM本身并未區(qū)分用戶 面與控制面，對這個平面的信息的處理方式是一致的。還可看出， 不論是用戶設 備還是網(wǎng)絡節(jié)點都具備 ATM層功能，但這兩處 ATM層所處的相對位置有所區(qū)別。 用戶設備中 ATM 層的上面同時具有用戶面與控制面的 AAL ，而網(wǎng)絡節(jié)點的 ATM 層上僅有控制面的信令適配 SAAL。 CP：控制面UP：用戶面 圖2.3 ATM 網(wǎng)絡分層模型 ATM 層的功能 用戶設備與網(wǎng)絡節(jié)點中 ATM 層的位置不同，所完成的功能有所區(qū)別， 下面分 別討論 對于用戶設備， ATMN 層來講，它所完成的核心功能在于給 ATM層適配

29、所形 成的信息幀加上信元頭， 從而形成能夠在 ATM網(wǎng)中傳送的信元。 與此同時， 通過 分配與識別信元頭中的 VPI與 VCI值完成信元的復接與分接功能。 網(wǎng)絡節(jié)點中的 ATM 層所完成的核心功能在于信元頭的變換， 通過變換信元頭 實質(zhì)上完成了 VP交換與 VC交換的功能。 4、ATM適配層技術 ATM適配層(ATM Adaptation Layer, AAL)位于ATM層和高層之間，它在ATM 網(wǎng)絡中的地位十分重要。 ATM 網(wǎng)絡要滿足寬帶業(yè)務的需求， 使業(yè)務種類與信息轉 移方式、通信速率與通信網(wǎng)設備無關，保證網(wǎng)絡傳輸?shù)耐该餍院挽`活恬，就要通 過AAL完成適配功能，將用戶業(yè)務與 ATM層隔離

30、，將不同特性的業(yè)務轉化為相同 格式的信元，實現(xiàn)真正的 ATM 功能。由此可見， AAL 層是為ATM網(wǎng)絡適應不同 類型業(yè)務的特殊需要而設定的，不僅支持用戶面的高層功能，還支持控制面 (信 令)和管理面( OAM )的高層功能，以及ATM網(wǎng)絡與非 ATM網(wǎng)絡(64 kbit/s ISDN、 CATV 、LAN 及電話網(wǎng)等)的互通。 全面分析各類業(yè)務的特性， 可以發(fā)現(xiàn)通過下面三個基本參數(shù)： 基于源端和終 端的定時關系、比特率、鏈接模式，就可對用戶業(yè)務提供分類，不同的用戶業(yè)務 通過不同的 AAL業(yè)務接入點( Service Access Point SA)P進入AAL 。 ITUT將AAL業(yè)務分成四

31、類， 如表2.2所示。A類業(yè)務是在源端和終端存在定 時關系、恒定比特率且面向連接的，量典型的例子是經(jīng)由 ATM傳送的 DS1/E-1 話音業(yè)務，有時將這種通過 ATM網(wǎng)絡提供的業(yè)務稱為線路仿真 (Circuit Emulation) 業(yè)務；此外還有未經(jīng)壓縮的視頻信息。 B類業(yè)務也是在源端和終端具有定時關系 且面向連接但其為可變比行變，例如采用壓縮算法的視聽業(yè)務。 C類業(yè)務沒有定 時關系、比特率可變且面向連接，例如幀中繼和 TCP/IP業(yè)務。 D類業(yè)務與 C類業(yè)務相似但它是無連接的，如高速(多兆位)數(shù)據(jù)交換業(yè)務( Switched Multimegabit Data Service, SMDS)

32、。 表2.2AAL 業(yè)務分類 A類 B類 C類 D類 源與終端的 需要 需要 不需要 不需要 定時關系 比特率 恒定 可變 可變 可變 連接模式 面向連接 面向連接 面向連接 無連接 AAL功能在邏輯上可分成兩個子層：分段和重組子層( Segmentation and Reassembly, SA)R及會聚子層( Convergence Sublayer, C)S，如圖 2.4。 圖2.4AAL 分層結構 為了適配四類( A、B、C、D)用戶業(yè)務， ITUT定義了四類 ATM適配功能 第一類 AAL ：用于適配 A類業(yè)務。AAL1的功能包括用戶信息的分段和重組， 丟失和誤插信元的處理， 信息到

33、達延遲時間的處理， 以及在接收端恢復源端時鐘 頻率。 第二類 AAL ：用于適配 B類業(yè)務，支持源端和終端具有定時關系可變比特 率視聽業(yè)務， AAL2的功能與 AAL1相似。 第三/四類AAL ：用于適配C/D 兩類業(yè)務，支持面向連接和無連接的數(shù)據(jù) 業(yè)務和信令。此類 AAL 由AAL3/AAL4 合并，具有可變長度用戶數(shù)據(jù)的分段和重 組及誤碼處理等功能。 第五類AAL ：主要用于適配面向連接、 可變比特率的 C類業(yè)務及 ATM信令， 類似于簡化的 AAL3/4 。 三、ATM 交換技術 1、ATM交換的基本原理 現(xiàn)代通信網(wǎng)中廣泛使用的交換方式有兩種：電路交換方式和分組交換方式。 電路交換方式包

34、括傳統(tǒng)電路交換、多速率電路交換、快速電路交換等， 分組交換 方式包括幀交換、幀中繼、快速分組交換等，如圖 3.1。 在綜合業(yè)務環(huán)境下， 不同業(yè)務對網(wǎng)絡的要求不同， 例如話音和數(shù)據(jù)業(yè)務對網(wǎng) 絡的要求在下述兩個方面是不同的。 首先，話音業(yè)務要求端端時延必須在允許 的一定范圍內(nèi)（通常 50ms），而數(shù)據(jù)業(yè)務則可以容忍一定的時延，且對時延變 化不如話音那么敏感；其次，話音業(yè)務的冗余量大，錯幾個比特，對話音質(zhì)量不 會有多大影響，但是數(shù)據(jù)業(yè)務則要求誤碼率極小。顯然， 電路交換方式和分組交 換方式都不能滿足綜合業(yè)務環(huán)境的使用要求。 傳統(tǒng)電路交換 電路交換 多速率電路交換 快速電路交換 交換方式 幀交換 分組

35、交換 幀中繼 快速分組交換 圖 3.1 通信網(wǎng)的交換方式分類 ATM 交換技術是一種融合了電路交換方式和分組交換方式和分組交換方式 優(yōu)點而形成的新型交換技術。首先， 簡化了分組交換中許多通信規(guī)程， 去掉了誤 碼和流量控制，消除了在網(wǎng)絡節(jié)點間傳輸?shù)臓顟B(tài)信息，采用硬件進行交換處理； 其次，采用類似于電路交換的呼叫連接控制方式，在呼叫建立時， 交換機為用戶 在發(fā)送端和接收端之間建立起虛通路， 以上這些做法，提高了交換機的處理能力， 增加了網(wǎng)路的吞吐量，保證了交換的實時性，減少了信元傳輸處理時延。另外， 利用固定長度的短分組信元 （Cell）傳輸信息，可以適應 1kbit/s 幾百Mbit/s 的各種

36、業(yè)務，利用統(tǒng)計復用技術， 動態(tài)使用傳輸和交換資源， 帶寬分配具有很大 的靈活性，業(yè)務種類與復用設備和交換設備的類型無關。 下面詳細介紹 ATM 交換的原理。 路由選擇信息 自選路由 （在呼叫接續(xù)時 設定路由選擇信息） 圖3.2 ATM 交換原理 ATM交換節(jié)點由輸入、輸出線路接口單元、 交換單元和控制單元三大部分組 成，如圖 3.2。輸入、輸出線路接口單元除完成物理層線路功能和 ATM層功能外， 主要監(jiān)視各個輸入、輸出線路的業(yè)務量狀態(tài)，進行呼叫接續(xù)。在每次呼叫時，根 據(jù)輸入接續(xù)路由表內(nèi)容， 通過硬件將信頭 VPI/VCI 值轉換成交換單元可識別的路 由標簽（信頭翻譯），經(jīng)過交換單元后，根據(jù)輸出

37、標簽變換表內(nèi)容將路由標簽轉 換成相應輸出 VPI/VCI 。路由表的內(nèi)容是在呼叫建立時，由控制單元根據(jù)信令或 管理信息設定的。 交換單元根據(jù)路由標簽選擇交換路徑， 由硬件自選路由完成交 換過程?？刂茊卧鶕?jù)信令控制交換并完成一定的運行、維護管理功能。 ATM交換有兩方面的功能： 一是空間交換， 即將信元從一條傳輸線轉移到另 一條傳輸線上去，又叫路由選擇； 另一個功能是時間交換， 即將信元從一個時隙 改換到另一個時隙。 由于ATM 的邏輯信道和時隙并沒有固定關系， 邏輯信道的身 分是靠信頭值來標識的，因此時間交換是靠信頭翻譯來完成的，上例中， 由輸入 線路 1換到輸出線路 10即是空間交換，而邏

38、輯信道變成邏輯信道則是時間交 換。 2、ATM交換的緩沖排隊方式分類及性能 根據(jù)緩沖器位置可將緩站排隊方式分成五類， （1）輸入緩沖排隊方式 （2）輸出緩沖方式 （3）中央緩沖方式 （ 4）輸入 / 輸出緩沖方式 （5）重環(huán)回緩沖方式 其中，輸出緩沖方式和中央緩沖方式由于吞吐率高，排隊機時延小，易于實 現(xiàn)點對多點通信，緩沖器利用率高等優(yōu)點， 成為多種交換機的優(yōu)選方式。 雖然它 們對緩沖器的讀 / 取速率要求較高，但隨著VLSI技術的進步及使用并行處理技術， 可解決這一問題。因此，其重點在于解決復雜的緩沖器讀 / 寫控制邏輯問題。 緩沖排隊方式性能比較表 吞吐率 緩沖器利 時延 控制 規(guī)模 存儲

39、器讀 實現(xiàn)點到 用率 / 寫速度 多點 輸入緩沖 低 (60) 較低 時延大抖 動大 仲裁邏輯 較復雜 大 低 困難 輸出緩沖 高 共享式較 小 簡單 共享式小 共享式較 容易 高專用式 專用式大 高專用式 較低 較低 中央緩沖 高 最高 小 復雜 小 最高 較容易 輸入 / 輸 較高 一般 較小 較復雜 較小 較低 容易 出緩沖 重環(huán)回緩 較高 較高 大 較復雜 較小 較低 容易 沖 3、ATM交換結構的分類 ATM 交換單元的核心是交換結構( Switch Fabric)，大型交換機的交換單元 一般由多個交換結構互連而成，小型交換機則可能由單個交換結構組成。根據(jù) 具體使用的交換方式，交換結

40、構可分為時分和空分兩大類。見圖3.3。 交換結構 時分方式 空分方式 共享緩沖 共享媒介 縱橫棒 Banyan Dalta 重環(huán)問 共享總線 共享環(huán) 圖3.3 ATM 交換結構分類 4、ATM交換機的組成 ATM交換機的功能結構， 主要包括信元交換單元、 控制單元和定時單元三大 部分。 （1）信元交換單元：由線路終端、交換接口和交換單元三部分組成。交換 單元由前面介紹的交換結構組成， 完成入線和出線之間的信元交換； 交換接口完 成交換單元入口處和出口處的處理功能，如信頭（ VPI/VCI ）轉換，路由標簽的 產(chǎn)生和刪除以及用戶業(yè)務的流量管理和信元的復接 / 分接；線路終端主要負責傳 發(fā)媒介的接

41、口適配，完成光電變換、速率適配等功能。 （2）控制單元：可分為板級和系統(tǒng)級兩級控制，主要功能有信令處理、資 源管理、操作維護控制和外設控制等。 （3）定時單元：包括定時恢復和定時分配兩部分。主要功能是從信源提取 定時信號，產(chǎn)生定時和同步信號，以及分配定時和同步信號給交換機各個單元。 四、ATM 網(wǎng)絡的信令技術 信令技術在 ATM 網(wǎng)絡中占有重要的地位。 虛電路連接的建立、 保持、釋放等 各階段的控制都是由信令來完成的。 由于 ATM網(wǎng)絡要支持各種各樣的業(yè)務， 因此 對信令提出了比以往的通信網(wǎng)更高的要求。 ITU_T 為ATM信令發(fā)展制訂了詳細的 計劃。這一計劃分成三個階段： 第一階段提供支持恒

42、定速率或峰值速率的面向連 接業(yè)務的信令協(xié)議； 第二階段提供可變速率的面向連接業(yè)務的信令協(xié)議； 第三階 段提供支持多媒體和分布式業(yè)務的信令協(xié)議。 針對各階段信令能力的要求， 信令 規(guī)程可分成三個能力集，其中能力集 1的信令規(guī)范已基本完成，目前 ITU_T 正在 加緊制訂能力集 2的信令規(guī)范。本書的介紹限于能力集 1的范圍。 用戶網(wǎng)絡接口信令 （1）呼叫 /連接控制規(guī)程 ATM網(wǎng)絡的信令如何在用戶 / 網(wǎng)絡接口上對一次呼叫請求建立相應的虛電路 連接（包括 VPC與 VCC），在通信過程中保持連接以及如何釋放掉連接的處理過 程。 （2）呼叫 /連接控制規(guī)程的處理過程舉例 規(guī)程的處理過程中的消息流程可

43、用圖 4.1表示。 圖4.1 呼叫/ 連接控制規(guī)程的處理流程 2、網(wǎng)絡節(jié)點接口信令 （1）網(wǎng)絡信令 前一節(jié)中我們介紹的用戶 / 網(wǎng)絡接口信令用來控制用戶與交換機之間的虛電 路連接。如果主、被叫用戶接在同一臺 ATM 交換機上，僅利用用戶信令即可完成 對他們之間通信過程的控制。 但更多的情況是主、 被叫用戶分別接在不同的 ATM節(jié)點交換機上， 這樣就需要有相應的信令功能在與主叫用戶相接的交換機 （以下 簡稱發(fā)端交換機）和與被叫相接的交換機（終端交換機）之間建立、維持、釋放 虛電路連接，這類信令稱為 ATM 網(wǎng)絡節(jié)點接口信令（簡稱網(wǎng)絡信令）。 目前普通的程控數(shù)字電話網(wǎng)與 N_ISDN 的網(wǎng)絡信令一

44、般為七號信令系統(tǒng)， ATM網(wǎng)絡節(jié)點令及其傳送機制也采用了類似的體系結構， 但有重大改變。 ITU_T 建議中稱 B_ISDN 網(wǎng)絡信令功能模塊為 B_ISDN用戶部分（ BISUP），對其傳送機 制仍稱為消息傳送部分（ MTP）。 BISUP利用 MTP所提供的服務， BISUP與MTP 之間也是通過服務原語來交換信息，其原語包括 MTP_TRANSFER.reques、t MTPPAUSE.indication、MTP-RESUME.indication、MTP_STAUTS.indication等幾種。 （2）基本呼叫控制規(guī)程 連接建立規(guī)程： 連接建立過程中的消息流程可用圖 4.2來直觀地

45、表示。 主叫 發(fā)端交換機 終端交換機 被叫 建立 警戒 連接 IAM IAM IAM ACK ACM ACM 進展 進展 應答 應答 建立 警戒 連接 中間交換機 圖4.2 網(wǎng)絡信令呼叫建立過程 連接釋放過程： 不論是由主叫用戶發(fā)起的連接釋放還是由被叫用戶發(fā)起的連接釋放， 其處理 過程是完全一致的，只不過是發(fā)端交換機與終端交換機所執(zhí)行的功能對調(diào)而已。 面以主叫用戶發(fā)起釋放的情況為例來說明。 這一過程中的消息流程可以用圖 4.3表示。 主叫 發(fā)端交換機 中間交換機 中間交換機 終端交換機 被叫 拆除 釋放 釋放完成 釋放 釋放 釋放完成 釋放完成 拆除 圖4.3 網(wǎng)絡信令連接釋放過程 3、ATM

46、信令適配 （ 1）信令適配 SAAL的結構 前面分別介紹了用戶 / 網(wǎng)絡接口與網(wǎng)絡節(jié)點接口上的 ATM 信令協(xié)議。為了能 夠在ATM網(wǎng)中傳送信令信息， 需要進行信令的適配功能， 也就是將各種消息形式 的信令信息轉換成可在 ATM網(wǎng)中傳送的形式，并為信令建立 AAL連接。完成這一 功能的是信令 ATM 適配層 SAAL。 SAAL采用第五類 ATM適配層規(guī)范 （AAL5），它由業(yè)務特定會聚子層 （SSCS） 與公共部分（ CP）組成。而 SSCS又包括業(yè)務特定協(xié)調(diào)功能（ SSCF）與業(yè)務特定 面向連接規(guī)程（ SSCOP）兩部分。 CP則由公共部分會聚子層（ CPCS）和拆裝子 層（ SAR）兩部

47、分組成，這兩部分要采用建議 I.363中給出的 AAL5的CPCS和SAR 規(guī)程。 （2）SSCOP的主要功能 SSCOP在同層信令實體之間建議釋放 AAL 連接并可靠地傳送信令信息。 3）SSCF的主要功能 SSCF的主要功能是在信令實體和 SAAL 中的 SSCOP之間進行原語的轉換。在 用戶/ 網(wǎng)絡接口它完成 B_ISDN用戶/ 網(wǎng)絡信令呼叫控制的第 3層規(guī)范（ Q.2931）和 SSCP間的原語轉換。在網(wǎng)絡節(jié)點接口， SSCF則進行BISDN的NO.7信令系統(tǒng)第 3 功能級消息傳遞部分（ MTP3）規(guī)范和 SSCOP間的原語轉換。 五、ATM 網(wǎng)絡維護管理 1、ATM網(wǎng)絡運行維護管理

48、為了使ATM網(wǎng)絡可靠地運行， 除了前幾部分介紹的各項關鍵技術外， 網(wǎng)絡運 行維護管理（ OAM ）功能也是必不可少的。這些功能為網(wǎng)絡的運營者提供監(jiān)視 網(wǎng)絡運行情況并對網(wǎng)絡進行維護的手段。 以往電信網(wǎng)絡維護管理的基本原理仍然 適用于 ATM 網(wǎng)，但由于其特殊性， ATM網(wǎng)有一套自己的維護管理機制。網(wǎng)絡維 護管理所涉及的范圍很廣，此處僅就某些主要方面加以簡單介紹。 （ 1）ATM網(wǎng)絡運行維護管理的功能范圍 根據(jù)ITUT有關建議， ATM網(wǎng)絡維護管理功能有以下五個方面： 性能監(jiān)測：網(wǎng)絡維護管理功能實體連續(xù)地或周期地監(jiān)測網(wǎng)絡運行的各種性能 指標，以便及時地了解當前網(wǎng)絡的運行情況。 故障檢測： 對各種網(wǎng)

49、絡設備的工作情況隨時檢測， 保證一旦出現(xiàn)故障能立即 發(fā)現(xiàn)。 系統(tǒng)保護： 一旦網(wǎng)絡中某一設備出現(xiàn)故障， 網(wǎng)絡維護管理功能將采取措施將 其與整個網(wǎng)絡隔離，以免影響整個網(wǎng)絡的正常運行。 管理信息的傳送： 網(wǎng)絡維護管理過程中所獲得的各處狀態(tài)信息需要及時地通 知網(wǎng)絡中各處的維護管理實體， 而維護管理實體所發(fā)出的控制信號也要及時地傳 送給受控設備。 因此，ATM網(wǎng)中管理信息的傳送也是網(wǎng)絡維護管理功能的一個重 要方面。 故障定位： 為了能及時準確地處理故障， 要求網(wǎng)絡維護管理功能測試出故障 設備的位置，甚至定出故障在設備中的哪個分系統(tǒng)中。 雖然ITU T所制訂的建議中列出了以上五個方面的 OAM功能，但并非

50、各方 面都已具備了完整的規(guī)范，關于 OAM 功能的標準正在逐步完善中。 (2)針對ATM網(wǎng)絡協(xié)議參考模型中的物理層與 ATM層，網(wǎng)絡的 OAM功能也 相應地分成五個等級，每級分別對應一類 OAM 信息流。這五個等級分別是： 虛通路級( Virtual Channel Leve)l ：在虛通路連接( VCC)上執(zhí)行的 OAM 功 能。對應的 OAM信息流稱為 F5信息流，在 VCC的連接端點或連接點間傳送。 虛通道級( Virtual Path Level)：在虛通道連接( VPC)上執(zhí)行的 OAM 功能。 對應的OAM信息流稱為F4信息流，在 VPC的連接端點或連接點間傳送。 傳輸通道級( T

51、ransmit Path Leve)l ：這一級 OAM 功能在完成傳輸系統(tǒng)凈荷 組裝/拆卸的網(wǎng)絡設備上執(zhí)行，所對應的 OAM信息流稱為 F3信息流。 數(shù)字段級( Digital Section Leve)l ：在傳輸網(wǎng)的數(shù)字段端點間執(zhí)行的 OAM 功 能，對應的 OAM信息流稱 F2信息流。 再生段級( Regenerator Section Lev)el：在傳輸網(wǎng)的再生段端點間執(zhí)行的 OAM 功能，對應的 OAM信息流稱 F1信息流。 OAM 功能的分組情況及各級間的關系可以用圖 5.1表示。 虛通路連接 虛通路鏈路 F5 F4 F3 F2 F1 連接端點 連接點 虛通路級 虛通道級 傳輸

52、通道級 數(shù)字段級 再生段級 圖5.1 OAM功能分組情況 2、ATM網(wǎng)絡的擁塞管理 （ 1）ATM網(wǎng)絡擁塞管理的重要性 根據(jù)ITUT的定義， ATM網(wǎng)絡的擁塞指的是網(wǎng)絡元素（如交換機、復接器 或傳輸設備等） 的一種狀態(tài)， 在這種狀態(tài)下網(wǎng)絡不能保證已建立連接的服務質(zhì)量 或者不能接納新的連接請求。 出現(xiàn)擁塞的原因有兩方面： 一是由于網(wǎng)絡中流量強 度不可預測地隨機波動而造成網(wǎng)絡過負荷； 二是由于網(wǎng)絡本身同現(xiàn)故障。 任何一 個實用的電信網(wǎng)都需要解決網(wǎng)絡擁塞的管理問題。 也就是解決有限的網(wǎng)絡資源與 用戶需求間的矛盾。 在滿足用戶對服務質(zhì)量要求的前題下盡可能地充分利用網(wǎng)絡 資源。ATM網(wǎng)與以往的電路交換方

53、式或分組交換方式的網(wǎng)絡相比這一問題顯得更 加突出。這是因為 ATM 網(wǎng)絡的擁塞管理既重要又困難。說它重要是因為 ATM是 一種異步時分、 統(tǒng)計型復用的信息傳送方式， 而統(tǒng)計型復用在提高網(wǎng)絡資源利用 率、增強靈活性的同時不可避免地增加了引起網(wǎng)絡擁塞的風險。 擁塞管理的困難 又表現(xiàn)在兩個方面： 一方面，ATM 網(wǎng)中傳送的是各咱類型的業(yè)務信息綜合而成的 數(shù)據(jù)流，其流量特性十分復雜難于控制；另一方面，由于 ATM 網(wǎng)絡傳輸速率高， 一旦某處發(fā)生擁塞而不能及時解決， 擁塞范圍將迅速擴大。 由此可見， ATM 網(wǎng)的 擁塞管理是個很重要的問題。 ( 2)ATM網(wǎng)絡擁塞管理的基本思想 由于ATM網(wǎng)絡擁塞管理的復雜性， 以往在電路交換網(wǎng)與分組交換中采用的擁 塞管理方法不再適用。 電路交換網(wǎng)中擁塞控制的基本思想是資源預分配與即時拒 絕，在為呼叫請求建立一條連接的同時分配一部分被這條連接所獨占的資源， 當 網(wǎng)絡資源不足時拒絕新的呼叫請求。 這種方法的主要缺陷是缺乏靈活性， 與ATM 動態(tài)分配資源的特性相矛盾。 分組交換網(wǎng)中目前普遍使用 X.25協(xié)議中的窗口流量 控制技術來控制擁塞， 其基本思想是通過反饋的方法來限制發(fā)送端發(fā)出過多的流 量，這種方法控制的速度較慢，不適合用于高速的 ATM 網(wǎng)絡。 為了滿足 ATM 網(wǎng)中擁塞管理的要求， ITUT提出了一