1、第五章 atm交換技術第五章第五章 atmatm交換技術交換技術5.1 atm技術介紹技術介紹 5.2 b-isdn協議參考模型協議參考模型 5.3 物理層物理層 5.4 atm層協議層協議 5.5 atm適配層適配層(aal)協議協議 5.6 atm交換技術交換技術 5.7 atm信令信令 5.8 atm網絡的業務量管理網絡的業務量管理 思考題思考題 第五章 atm交換技術5.1 atm技術介紹技術介紹5.1.1 atm基礎知識基礎知識 1atm誕生的背景誕生的背景 在電話網中，呼叫一旦建立起來，通信的雙方以64 kb/s的速率獨自占有該連接，這種獨占性使得話音或數據信息傳遞的實時性非常好。

2、但由于用戶的獨占性，大大影響了設備資源的利用率，即使通信的雙方無話音或者數據傳遞，也不能供其它用戶使用該帶寬；另一方面，電路交換不適合速率變化很大的數據通信業務。第五章 atm交換技術 在分組交換通信網中，信息的傳遞都是以分組為單位進行傳輸、復接和交換的。分組交換一方面采用統計復用方法提高帶寬的利用率，另一方面為了保證數據傳遞的可靠性，在數據鏈路層采用逐段轉發、差錯校正的控制措施。這種控制措施保證了數據的正確傳遞，但同時也致使傳輸數據產生附加的隨機時延。第五章 atm交換技術 隨著通信技術和通信業務需求的發展，電信網絡必須向寬帶綜合業務數字網(b-isdn)方向發展，這就要求通信網絡和交換設備

3、既要容納非實時性的數據業務，又要容納實時性的電話和電視信號業務，還要考慮到滿足突發性強、瞬時業務量大以及業務通信速率可變的要求。在這樣的通信業務條件下，傳統的電路交換和分組交換都不能勝任，一種新的傳送模式“異步傳送模式”出現了。異步傳送模式是相對傳統電路交換采用的同步傳送模式stm(synchronous transfer mode)而言的，同步傳送模式的主要特征是采用了時分復用技術，各路信號都是按一定時間間隔周期性出現的，可根據時間識別每路信號。異步傳送模式則采用統計時分復用，各路信號不是按照一定時間間隔周期性出現的，要根據標志來識別每路信號。采用該傳送模式后，大大提高了網絡資源的利用率。第

4、五章 atm交換技術 2atm的概念的概念 atm(asynchronous transfer mode即異步傳送模式)的具體定義為：atm是一種傳送模式，在這一模式中用戶信息被組織成固定長度的信元，信元隨機占用信道資源，也就是說，信元不按照一定時間間隔周期性地出現。從這個意義上來看，這種傳送模式是異步的(統計時分復用也叫異步時分復用)。 atm的信元具有固定的長度，從傳輸效率、時延及系統實現的復雜性考慮，itu-t規定atm的信元長度為53字節。信元的結構如圖5.1所示。第五章 atm交換技術圖5.1 atm信元的結構cell headerpayload信頭凈荷5字節48字節第五章 atm交

5、換技術5.1.2 atm 層層 協協 議議1. atm信元的信頭結構信元的信頭結構 圖5.6 atm信元的信頭結構 (a) uni格式； (b) nni格式bit 8 7 6 5 4 3 2 1gfcvpivpivcivcivcipti clphec12345bit 8 7 6 5 4 3 2 1vpivpivcivcivcipti clphec12345(a)(b)第五章 atm交換技術 下面介紹atm信元中各域的意義及它們在atm網絡中的作用。 l) gfc(一般流量控制) gfc占4 bit，是uni信頭中第一字節的高4位。gfc域未使用時，缺省值為全0。gfc機制幫助控制atm連接流量

6、，對消除網絡中常見的短期過載現象十分有效。具體的gfc功能在itu-t i.150建議中規定。第五章 atm交換技術 2) vpi/vci(虛通道/虛信道標識符) 在atm網絡中，由于信頭中只有5字節，不可能把全部地址信息放入信頭中，因此采用標識符(vpi/vci)代替具體地址的方法。 (1) 虛通道標識符(vpi)。在uni(user network interface，用戶網絡接口)信元中，vpi域占8 bit，位于信頭中第一字節的低4位以及第二字節的高4位，可以標識256條虛通道。在nni (net- work network interface，網絡網絡接口)信元中，vpi域占12 b

7、it，覆蓋了gfc域，位于信頭中第一字節和第二字節的高4位，可以標識4096條虛通道。第五章 atm交換技術 (2) 虛信道標識符(vci)。b-isdn的uni和nni信元中，vci域都為16位，占第二字節的低4位、第三字節以及第四字節的高4位。vci域用于標識atm虛信道，最多可標識 65536條虛信道。vci和 vpi結合，可在uni信元中標識16 177 216條連接，在nni信元中標識268 435 456條連接。 vci域也可以使用預定義值，未定義值為0。“atm論壇”規范規定：vci值從第四字節第5位開始連續分配，未分配值為0。vci015用于atm管理功能，vci16留作臨時本

8、地管理接口ilmi(interim local management interface)，vci1731預留給其它一些功能，其余的vci值用戶才可使用。因為每一個連接都與vpi和vci相關，所以用戶可以使用的第一個連接是vpil，vci32。第五章 atm交換技術 3) pti(凈荷類型指示) pti占3 bit，位于信頭第四字節的第2位到第4位，用于指明同一虛信道上信元凈荷的信息是用戶信息還是網絡控制信息。對于用戶信息信元，atm層一般先將信頭剝離，再上交給atm適配層(aal)。對于網絡控制信息信元，將啟動相應的管理功能進行處理。 pti的第1位用于指明信元凈荷的信息是用戶信息還是網絡控

9、制信息。如果是用戶信息，那么第2位為阻塞指示，表示信元在傳輸的過程中是否經歷過阻塞，第3位為atm用戶到用戶指示(auui)，指明atm的用戶之間交換的信息；如果是網絡控制信息，那么后兩位表示傳輸數據的類型。具體定義如下表所示 第五章 atm交換技術 atm信元頭部信元頭部pti值的含義值的含義pti 值 第 1 位 第 2 位 第 3 位 含 義 000 0：用戶數據 0：未經阻塞 0：0 類型 用戶數據、未經阻塞、atm 用戶指示數據類型位 0 001 0：用戶數據 0：未經阻塞 1：1 類型 用戶數據、未經阻塞、atm 用戶指示數據類型位 1 010 0：用戶數據 1：經過阻塞 0：0

10、類型 用戶數據、經過阻塞、atm 用戶指示數據類型位 0 011 0：用戶數據 1：經過阻塞 1：1 類型 用戶數據、經過阻塞、atm 用戶指示數據類型位 1 100 1：網絡數據 00：段(節點之間)維護 oam f5 和段有關信元 101 1：網絡數據 01：端到端維護 oam f5 和端到端有關信元 110 1：網絡數據 10：網絡資源管理 用于資源管理 111 1：網絡數據 11：保留 用于將來開發功能 第五章 atm交換技術 從表中可以看出，用戶信元分為0類信元和1類信元。在傳輸連續數據時，0類信元表示不是最后一個信元，1類信元表示是該連續數據的最后一個信元。源端aal信元使用這兩種

11、信元來通知目的端aal該信息段的接收是否結束。源aal把信息傳給atm層時，將最后的用戶信元的pti域置為1類信元，其它的置為0類信元。目的atm層收到信元后可知是否為末尾信元，在上交用戶信息的同時告訴aal。pti域不存在指示信息段開始的標志，但如果信息一段接一段地發送，可以認為在一個pti指示為1類信元的后面所跟的一個pti指示為0類的信元就是另一信息段的起始信元。 第五章 atm交換技術 4) clp(信元丟失優先級) clp只有一位，位于信頭第四字節的最低位，指示在網絡發生擁塞時該信元被丟棄的優先級。高優先級信元clp0，低優先級信元clpl。對于高優先級信元，網絡應分配足夠的資源來保

12、證其可靠地按時到達。對于低優先級信元，在發生擁塞時可以被丟棄。一般來講，具有恒定速率的信元應賦予高優先級。對于一些在一段短時間內有較高峰值速率的可變比特率服務，在這段時間內，信元也應賦予高優先級。第五章 atm交換技術 5) hec(信頭差錯控制) hec域為8 bit，占信頭的第五個字節。它采用8位循環冗余編碼方式，只檢測信頭的錯誤，而不檢測48字節的凈荷域。具體的應用在物理層功能中已作了介紹。第五章 atm交換技術5.1.3 atm技術的特點技術的特點 1采用固定長度的短分組采用固定長度的短分組 在atm中采用固定長度的短分組，稱為信元(cell)。固定長度的短分組決定了atm系統的處理時

13、間短、響應快，便于用硬件實現，特別適合實時業務和高速應用。第五章 atm交換技術 2采用統計復用采用統計復用 傳統的電路交換中，同步傳送模式(stm)將來自各種信道上的數據組成幀格式，每路信號占用固定比特位組，在時間上相當于固定的時隙，任何信道都通過位置進行標識。atm是按信元進行統計復用的，在時間上沒有固定的復用位置。統計復用是按需分配帶寬的，可以滿足不同用戶傳遞不同業務的帶寬需要。第五章 atm交換技術 3采用面向連接并預約傳輸資源的方式工作采用面向連接并預約傳輸資源的方式工作 電路交換通過預約傳輸資源保證實時信息的傳輸，同時端到端的連接使得在信息傳輸時，在任意的交換節點不必作復雜的路由選

14、擇(這項工作在呼叫建立時已經完成)。分組交換模式中仿照電路方式提出虛電路工作模式，目的也是為了減少傳輸過程中交換機為每個分組作路由選擇的開銷，同時可以保證分組順序的正確性。但是分組交換取消了資源預定的策略，雖然提高了網絡的傳輸效率，但卻有可能使網絡接收超過其傳輸能力的負載，造成所有信息都無法快速傳輸到目的地。第五章 atm交換技術 atm方式采用的是分組交換中的虛電路形式，同時在呼叫建立時向網絡提出傳輸所希望使用的資源，網絡根據當前的狀態決定是否接受這個呼叫。其中資源的約定并不像電路交換那樣給出確定的電路或pcm時隙，只是給出用以表示將來通信過程中可能使用的通信速率。采用預約資源的方式，可以保

15、證網絡上的信息在一個允許的差錯率下傳輸。另外，考慮到業務具有波動的特點和交換中同時存在的連接的數量，根據概率論中的大數定理，網絡預分配的通信資源肯定小于信源傳輸時的峰值速率。可以說atm方式既兼顧了網絡運營效率，又能夠使接入網絡的連接進行快速數據傳輸。第五章 atm交換技術 4取消逐段鏈路的差錯控制和流量控制取消逐段鏈路的差錯控制和流量控制 分組交換協議設計運行的環境是誤碼率很高的模擬通信線路，所以執行逐段鏈路的差錯控制；同時由于沒有預約資源機制，所以任何一段鏈路上的數據量都有可能超過其傳輸能力，所以有必要執行逐段鏈路的流量控制。而atm協議運行在誤碼率很低的光纖傳輸網上，同時預約資源機制保證

16、網絡中傳輸的負載小于子網絡的傳輸能力，所以 atm取消了網絡內部節點之間鏈路上的差錯控制和流量控制。 第五章 atm交換技術 但是通信過程中必定會出現的差錯如何解決呢？atm將這些工作推給了網絡邊緣的終端設備完成。如果信元頭部出現差錯，會導致信元傳輸的目的地發生錯誤，即所謂的信元丟失和信元錯插，如果網絡發現這樣的錯誤，就簡單地丟棄信元。至于如何處理由于這些錯誤而導致信息丟失后的情況則由通信的終端處理。如果信元凈荷部分(用戶的信息)出現差錯，判斷和處理同樣由通信的終端完成。對于不同的傳輸媒體可以采取不同的處理策略。例如，對于計算機數據通信(文本傳輸)，顯然必須使用請求重發技術要求發送端對錯誤信息

17、重新發送；而對于話音和視頻這類實時信息發生的錯誤，接收端可以采用某種掩蓋措施，減少對接收用戶的影響。第五章 atm交換技術 5atm信元頭部的功能降低信元頭部的功能降低 由于atm網絡中鏈路的功能變得非常有限，因此信元頭部變得異常簡單。其功能包括： (1) 標志虛電路，這個標志在呼叫建立階段產生，用以表示信元經過網絡中傳輸的路徑。依靠這個標志可以很容易地將不同的虛電路信息復用到一條物理通道上。 (2) 信元的頭部增加糾錯和檢錯機制，防止因為信元頭部出現錯誤導致信元誤選路由。第五章 atm交換技術 (3) 很少的維護開銷比特，不再像傳統分組交換中那樣，包含信息差錯控制、分組流量控制以及其它特定開

18、銷。 因此atm技術既具有電路交換的“處理簡單”、支持實時業務、數據透明傳輸、采用端到端的通信協議等特點，又具有分組交換的支持變比特率(vbr)業務的特點，并能對鏈路上傳輸的業務進行統計復用。第五章 atm交換技術5.1.4 虛信道、虛通道、虛連接虛信道、虛通道、虛連接 虛信道vc(virtual channel)表示單向傳送atm信元的邏輯通路，用虛信道標識符vci(virtual channel identifier)進行標識，表明傳送該信元的虛信道。 虛通道vp(virtual path)表示屬于一組vc子層atm信元的路徑，由相應的虛通道標識符vpi(virtual path iden

19、tifier)進行標識，表明傳送該信元的虛通道。 虛信道、虛通道與傳輸線路的關系如圖5.2所示。vc相當于支流，對vc的管理力度比較細，一般用于網絡的接入；vp相當于干流，將多個vc匯聚起來形成一個vp，對vp的管理力度比較粗，一般用于骨干網。與vc相比較，對vp進行交換、管理容易得多。第五章 atm交換技術圖5.2 vp、vc與傳輸線路的關系vpvcvpvcvpvcvcvcvc傳輸線路vpvpvp在在atm中一個物理信道被分成若干個虛通道（中一個物理信道被分成若干個虛通道（vp），一個虛通道（），一個虛通道（vp）有被）有被分成上千個虛通路（分成上千個虛通路（vc）復用。用）復用。用vpi標

20、識標識vp，用，用vci標識標識vc。這樣一個呼。這樣一個呼叫連路就可以用叫連路就可以用vpi/vci標識所分配的虛通道和虛通路。在標識所分配的虛通道和虛通路。在atm交換中只要交換中只要將將輸入的輸入的vpi/vci的值修改為輸出的的值修改為輸出的vpi/vci值，就可以實現信元的交換。值，就可以實現信元的交換。 第五章 atm交換技術 虛連接是通過atm網絡在端到端用戶之間建立一條速率可變的、全雙工的、由固定長度的信元流構成的連接。該連接由虛信道、虛通道組成，通過vci和vpi進行標識。vci標識可動態分配的連接，vpi標識可靜態分配的連接。vci、vpi在虛連接的每段鏈路上具有局部意義。

21、第五章 atm交換技術第五章 atm交換技術5.1.5 vp交換與vc交換第五章 atm交換技術1.vp交換與交換與vc交換交換-1第五章 atm交換技術2.vp交換與交換與vc交換交換-2第五章 atm交換技術3.虛連接第五章 atm交換技術第五章 atm交換技術第五章 atm交換技術5.1.6 atm交換技術交換技術1. 信元交換的過程信元交換的過程 atm是一個面向連接型的網絡。當兩個終端連接建立的時候，根據信令信息以及網絡運行情況，在該連接中的每個交換節點上建立轉發表。該轉發表包含輸入端口號、輸出端口號。在輸入端口或者輸出端口中，不同的信元流有不同的vci/vpi值轉換。當某一個信元進

22、入交換模塊時，交換模塊通過識別信元信頭的vci/vpi，查找轉發表，找出對應的輸出端口以及輸出信元的vci/vpi值，將輸入信元的vci/vpi值改變為相應輸出信元的vci/vpi值，并控制交換網絡將信元交換到對應的輸出線上。第五章 atm交換技術圖5.17 vc/vp交換的具體示例(a) vp交換過程；(b) vc交換過程(a)(b)vci1vci2vci5vci6vc交換vp交換vpi3vpi4vpi5vci6vci5vci3vci4vci1vci2vci3vci4vpi / vci轉發表輸入端口vpivci11221234輸出端口vpivci43555634vpi1vpi2vpi6vpi

23、5vpi4vpi3vpi2vci1vci2vpi1vci3vci4vci5vci6vpi轉發表vci5vci6vci1vci2vci3vci4輸入vpi輸出vpi152364第五章 atm交換技術 在vp交換過程中，vpi進行了變換，vp內部的vci沒有改變；而在vc交換過程中，不但vpi進行了變換，而且vci也進行了變換。從上述基本的信元交換過程中可以看出，雖然atm交換是異步時分交換，但其原理與同步時分交換(時隙交換)有許多相似之處，其基本區別是用vci/vpi代替了時隙交換中時隙的序號。第五章 atm交換技術 多級連接的vc和vp組成虛信道連接vcc(virtual channel co

24、nnection)和虛通道連接vpc(virtual path connection)。vcc有三種：永久vcc、半永久vcc和交換vcc；vpc也是一樣，有永久vpc、半永久vpc和交換vpc。交換vcc(vpc)通過信令建立連接，屬于控制面的連接；永久vcc(vpc)、半永久vcc(vpc)因為沒有通過信令建立連接，所以屬于管理面的連接。交換機為每一個呼叫分配一個vpi/vci，每個vpi/vci只具有局部意義，每個節點在讀取vpi/vci后，根據本地的轉發表，查找對應的輸出vpi/vci，進行交換并改變vpi/vci的值。第五章 atm交換技術2. atm的交換過程的交換過程第五章 at

25、m交換技術第五章 atm交換技術5.2 b-isdn協議參考模型協議參考模型5.2.1 協議參考模型協議參考模型 在itu-t的i.321建議中定義了b-isdn協議參考模型，如圖5.3所示。它包括三個面：用戶面、控制面和管理面。用戶面、控制面都是分層的，分為物理層、atm層、aal層和高層。第五章 atm交換技術圖5.3 b-isdn協議參考模型物理層atm層面管理層管理atm適配層(aal)高層高層控制面用戶面管理面第五章 atm交換技術 b-isdn協議參考模型中的三個面分別完成不同的功能： 用戶平面：采用分層結構，提供用戶信息流的傳送，同時也具有一定的控制功能，如流量控制、差錯控制等；

26、 控制平面：采用分層結構，完成呼叫控制和連接控制功能，利用信令進行呼叫和連接的建立、監視和釋放； 管理平面：包括層管理和面管理。層管理采用分層結構，完成與各協議層實體的資源和參數相關的管理功能，如元信令；同時層管理還處理與各層相關的oam信息流。面管理不分層，它完成與整個系統相關的管理功能，并對所有平面起協調作用。 第五章 atm交換技術5.2.2 模型分層介紹模型分層介紹 b-isdn協議參考模型中，從下到上分別是：物理層phy、atm層、atm適配層和高層。用戶面和控制面在高層和aal層是分開的，在atm層和物理層采用相同的方式處理信息。表5.1列出了與b-isdn協議參考模型對應的各層功

27、能。第五章 atm交換技術表表5.1 b-isdn協議參考模型的分層功能協議參考模型的分層功能 層功能 層 號 會聚 cs 拆裝 sar aal 一般流量控制 信頭處理 vpi/vci 處理 信元復用和解復用 atm 信元速率耦合 hec 序列產生和信頭檢查 信元定界 傳輸幀適配 傳輸幀的創建和恢復 tc 層 管 理 比特定時 物理介質 pm phy 第五章 atm交換技術 1物理層物理層 物理層主要是提供atm信元的傳輸通道，將atm層傳來的信元加上其傳輸開銷后形成連續的比特流，同時，在接收到物理介質上傳來的連續比特流后，取出有效的信元傳給atm層。 物理層要實現的功能有： (1) 提供與傳

28、輸介質有關的機械、電氣接口； (2) 從接收波形中恢復定時；第五章 atm交換技術 (3) 提供atm層信元流和物理層傳輸流之間的映射關系，包括傳輸結構的生成/恢復及傳輸結構的適配； (4) 從物理層比特流中找出信元的起始邊界(信元定界)； (5) 一般情況下，從atm層中來的信元流速率低于物理層提供的用來傳輸信元流的凈荷速率，因此，物理層還要插入空閑信元，以使兩者適配，同時，接收時還要扣去這些空閑信元。第五章 atm交換技術 2atm層層 atm層在物理層之上，利用物理層提供的服務，與對等層之間進行以信元為信息單位的通信。 atm層與物理介質的類型以及物理層的具體實現是無關的，與具體傳送的業

29、務類型也是無關的。各種不同的業務經aal適配后形成固定長度的分組，atm層利用異步時分復接技術合成信元流。第五章 atm交換技術 3atm適配層適配層 atm適配層aal(atm adaptation layer)位于atm層的上層，這一層是和業務類別相關的，即針對不同的業務類別，其處理方法不盡相同，但都要將上層傳來的信息流(長度、速率各異)分割成48字節長的atm_sdu傳給atm層，同時，將atm層傳來的業務數據單元atm_sdu組裝、恢復再傳遞給上層。由于上層的信息種類繁多，aal層處理比較復雜，因此分了兩個子層：匯聚子層cs(convergence sublayer)和拆裝子層sar(

30、segmentation and reassembly)。第五章 atm交換技術 4高層高層 高層信息包括用戶面的高層和控制面的高層。控制面的高層是信令協議，考慮到與n-isdn的兼容，itu-t對n-isdn的信令協議q.931和isup做了修改，制定了q.2931和b-isup。第五章 atm交換技術5.3 物物 理理 層層 物理層為atm提供兩種功能：一種是傳送有效信元；另一種是傳送定時信息，以實現較高層的服務。 atm的物理層包括兩個子層，即物理介質子層pm(physical media)和傳輸會聚tc(transmission coverage)子層。其中：物理介質子層提供比特傳輸能

31、力，對比特定時和線路編碼等方面作出了規定，并針對所采用的物理介質(如光纖、同軸電纜、雙絞線等)定義其相應的特性；傳輸會聚子層的主要功能是實現比特流和信元流之間的轉換。第五章 atm交換技術5.3.1 物理介質子層物理介質子層 1物理介質子層提供的物理接口物理介質子層提供的物理接口 itu-t和“atm論壇”將物理接口分為三類，即基于sdh、基于信元和基于pdh的接口。下面進行簡要介紹。 1) itu-t制定的接口標準 itu-t建議書i.432定義了兩個基于光纖同步數字系列(sdh)的物理接口，分別為：速率為155.52 mb/s的stm-1;速率為622.08 mb/s的stm-4。itu-

32、t還定義了下列電氣和物理接口速率標準，見表5.2。第五章 atm交換技術表表5.2 itu-t制定的接口速率制定的接口速率接口名稱 速 率 接口名稱 速 率 ds1 1.544 mb/s ds3 44.736 mb/s e1 2.048 mb/s e4 139.264 mb/s ds2 6.312 mb/s stm-1 155.52 mb/s e2 8.448 mb/s stm-4 622.08 mb/s e3 34.368 mb/s 第五章 atm交換技術 2) “atm論壇”制定的接口標準 “atm論壇”定義了4個物理層接口速率，其中兩個適用于公用網，分別對應于ansi和itu-t定義的d

33、s3和stc-3c速率。下面是用于專用網的3個接口速率和介質：基于fddi的100 mb/s速率；基于光纖信道的155.52 mb/s速率；基于屏蔽雙絞線的155.52 mb/s速率。第五章 atm交換技術3) ansi制定的接口標準 表表5.3 ansi制定的接口標準速率制定的接口標準速率接口名稱 速 率 sts-1 51.84 mb/s sts-3c 155.52 mb/s sts-12c 622.08 mb/s ds3 44.736 mb/s 第五章 atm交換技術 2比特定時和線路編碼比特定時和線路編碼 正常工作模式下，發送端時鐘鎖定在接口處收到的基準時鐘上。在基于信元的傳輸系統或網絡

34、供給時鐘出錯時，可以采用獨立時鐘工作模式，即時鐘由用戶本地設備供給，此時時鐘允許偏差為210-6。 對線路碼，g.703建議規定155 mb/s電接口采用cmi(code mark inversion)碼。光接口采用不歸零碼，光纖線路編碼采用4b/5b(100 mb/s)、8b/10b(155 mb/s)碼。第五章 atm交換技術5.3.2 傳輸匯聚子層傳輸匯聚子層 傳輸匯聚子層的功能是傳輸幀適配、信元速率耦合、信元定界、hec控制、擾碼等。 1傳輸幀適配傳輸幀適配 傳輸幀適配就是完成atm信元與物理介質上傳送的特定格式(比如sdh、pdh或其它幀格式)的比特流之間的轉換。在發送端，傳輸匯聚子

35、層將信元映射成時分復用的幀格式。在接收端，將信元從接收的比特流中分離出來。第五章 atm交換技術 2信元速率耦合信元速率耦合 信元速率耦合即速度匹配功能。為了使信元流適應于物理介質上傳輸的比特率，我們引入空信元(idle cell)的概念。空信元在發送端插入和在接收端刪除稱為信元速率耦合。空信元由信頭的標準模式確定，如圖5.4所示。空信元凈荷域中的每個字節都用01101010填充。圖5.4 空信元的格式字節 1 字節 2 字節 3 字節 4 字節 5 凈荷(48 字節) 00000000 00000000 00000000 00000001 hec 有效碼 01101010 第五章 atm交換

36、技術 3信元差錯控制信元差錯控制 信元最后一個字節設置為hec字段，它的功能是檢測多比特錯誤，糾正單比特錯誤。hec是利用生成多項式(x8+x2+x+1)對信頭前4個字節進行除法運算，將其余數與01010101模2加后所得到的值。在接收端，利用這一算法即可檢測出多比特誤碼，糾正單比特誤碼。第五章 atm交換技術 4信元定界信元定界 信元定界就是在比特流中確定一個信元的開始。信元定界的方法是基于信頭的前4個字節與hec字段的關系來設計的。如果在比特流中連續的5個字節滿足hec字段產生的算法，即認為是某個信元的開始。圖5.5表示了信元定界的過程。信元定界開始時處于捕捉狀態，此時進行比特搜索；一旦發

37、現5個字節之間存在hec關系，就進入預同步狀態，然后進行逐信元驗證；如果發現有連續次正確的hec關系存在，則認為進入同步狀態；一旦發現錯誤的hec，則返回捕捉狀態。在同步狀態，如果發現連續次不正確的hec關系，則認為失去定界并返回捕捉狀態。itu-t規定：對基于sdh的信元定界，=7，=6；對基于信元方式的定界，=7，=8。第五章 atm交換技術圖5.5 信元定界流程圖捕捉同步預同步按比特逐個檢測正確的hec不正確的hec連續次不正確的hec按信元逐個檢測連續次正確的hec按信元逐個檢測第五章 atm交換技術 5擾碼擾碼 為了增強用hec字節對信元進行定界算法的安全性，同時使信元的信息字段假冒

38、信頭的概率減至最低，需要通過擾碼增強信元流凈荷字段中數據的隨機性。itu-t建議通過擾碼使信元中的數據隨機化。 第五章 atm交換技術 4網絡的流量控制和擁塞控制網絡的流量控制和擁塞控制 流量控制就是使用戶網絡接口上流入網絡的比特流(信元流)速率要符合通信建立前用戶和網絡協商的速率。擁塞控制就是當流向某一條鏈路的信元流量超過該鏈路本身的容量時，網絡必須采取措施，使流入該條鏈路的信元流量在該鏈路本身的容量范圍內。 第五章 atm交換技術5.4 atm層功能層功能 atm信元的信頭結構體現了atm層的功能，在信元的信頭結構中進行了部分介紹，現再補充如下。 1vpi/vci交換交換 一個具體的vpi

39、/vci只是表示相鄰網絡節點(atm交換機)之間信元的邏輯通路。一個終端設備到另一個終端設備之間信元的虛連接，可能是由多個不同的vpi/vci所表示的邏輯通路通過網絡節點連接起來的。所以信元在通過網絡節點時，vpi/vci可能要發生變化，即網絡節點要將輸入端口信元信頭中的vpi/vci轉換成相應輸出端口的vpi/vci。第五章 atm交換技術 2信頭的生成信頭的生成/刪除刪除 atm層將從高層(atm適配層)接收的信息作為凈荷封裝在atm層信元內，并根據atm適配層提供的信息加上相應的信頭形成信元，然后把信元交給物理層傳送。另外，因atm層只是將信元中的凈荷信息往上層(atm適配層)傳送，所以

40、atm層在從物理層收到上傳的信元后，必須在上傳之前將信元的信頭刪除。信頭中的信息由atm層進行處理。第五章 atm交換技術 3信元的識別和丟棄信元的識別和丟棄 根據信元信頭中的凈荷類型指示(pti)在傳送信令和oam信息時，區分控制面的信元和含有用戶信息的用戶面的信元，同時根據丟失優先級指示(clp)來識別高優先級信元和低優先級信元，在下列情況下丟棄信元： (1) 具有無效的信頭差錯控制域的信元。 (2) 到達一條還未建好的鏈路的信元。如信元經過交換機后經轉發表匹配而獲得vpi2、vci2039的連接，但該設備并不存在vpi2、vci2039的連接，說明該傳送信元的鏈路尚未建好。第五章 atm

41、交換技術(3) vpi、vci值超出設備可提供vpi、vci值范圍的信元。(4) 占用了系統vpi、vci預留值的信元。(5) 鏈路發生擁塞時到達的信元。(6) 違反流量協議的信元。第五章 atm交換技術 信元的前5個字節為信頭(cell header)，包含有各種控制信息，主要是表示信元去向的邏輯地址，還有一些維護信息、優先級以及信頭的糾錯碼。后面48字節是信息字段，也叫信息凈荷(payload)，它承載來自各種不同業務的用戶信息。信元的格式與業務類型無關，任何業務的信息都經過分割后封裝成統一格式的信元。用戶信息透明地穿過網絡(即網絡對它不進行處理)。第五章 atm交換技術5.5 atm適配

42、層適配層(aal)協議協議5.5.l aal的結構、功能、業務類別及協議類型的結構、功能、業務類別及協議類型 1aal的協議結構的協議結構 如圖5.7所示，aal分為分段與重裝(sar)子層(也稱拆裝)和匯聚子層(cs)。匯聚子層又分為特定業務匯聚子層(sscs)和公共部分匯聚子層(cpcs)。對信令適配層(s-aal)，sscs又分為特定業務協調功能(sscf)和特定業務面向連接協議(sscop)兩部分。第五章 atm交換技術圖5.7 aal結構sscfsscopsscscpcscssar第五章 atm交換技術 2aal的功能的功能 aal的主要功能是將來自高層的協議數據單元(pdu)先映射

43、為aal的服務數據單元(sdu)，然后映射成48字節的信元凈荷負載，以達到為不同要求的用戶提供特定的服務的目的，保證atm層與業務類型無關；同時還要將從atm層上傳的信元凈荷進行相反的操作，映射成高層的協議數據單元。如圖5.8所示，cs子層對來自用戶面的高層信息單元作好分割前的準備，使接收方cs子層能將這些分組再還原成原始高層信息，即將控制信息作為標頭和后綴或只是后綴添加在用戶信息上。控制信息由aal服務類型確定，它是atm信元凈荷的一部分。cpcs檢查信元的丟失和錯插，提供誤碼的保護。sscs對不同業務提供不同功能，如時延處理等。sar子層將來自cs子層的cs_pdu(匯聚子層協議數據單元)

44、分割為atm信元的凈荷，或將atm信元的凈荷重裝為cs_pdu。分段重裝時要維持sar_pdu的傳輸順序，提供誤碼檢查與保護功能。第五章 atm交換技術圖5.8 aal一般功能有效凈荷頭有效凈荷頭尾有效凈荷頭尾有效凈荷頭有效凈荷頭尾aal- sdu去/來高層協議aalaal cs子層aal sar子層atm子層第五章 atm交換技術 另外，aal還提供如下服務： (1) 處理信元的丟失、誤傳，向高層用戶提供透明的順序傳輸。 (2) 處理信元的延遲變化，使連續發送的信元在網絡中的延遲盡量保持一致，即使延遲抖動達到最小。 (3) 差錯處理。atm層只對信頭進行糾錯，由aal對信元凈荷進行差錯控制。

45、 (4) 在接收端恢復源端定時信息，保證信息以源端的比特率向高層遞交。 (5) 層管理實體功能，啟動和控制對atm的連接請求，協調遞交給atm層的用戶數據和控制信息。 第五章 atm交換技術 3aal的業務類別和協議類型的業務類別和協議類型 itu-t建議書i.362定義了aal功能的基本概念和分類，其業務類別的屬性取決于以下三個要素：信源和信宿之間要求的定時關系；比特率是均勻的還是可變的；連接模式是面向連接的還是非連接的。這三個要素，每個要素有兩種選擇，可以形成8類業務。但實際上某些組合是不可能實現的業務，如速率恒定的、實時的、面向非連接的業務就是不可能實現的。itu-t定義了a、b、c、d

46、四類業務如表5.6所示。第五章 atm交換技術表表5.6 aal業務屬性分類業務屬性分類業務類別 屬 性 a 類 b 類 c 類 d 類 信源和信宿之間的定時關系 要求 不要求 比特率 均勻 可變 連接方式 面向連接 無連接 atm 適配層協議 aal1 aal2 aal3/4 或者 aal5 aal3/4 或者 aal5 第五章 atm交換技術 a類業務：具有恒定的比特率，面向連接的實時信息傳遞業務。主要用于電路仿真。 b類業務：具有可變的比特率，面向連接的實時信息傳送業務。主要用于可變比特率的話音和視頻傳輸。 c類業務：具有可變的比特率，面向連接的非實時信息傳送業務。主要用于面向連接的數據

47、傳輸。 d類業務：具有可變的比特率，面向非連接的非實時信息傳送業務。主要用于面向非連接的數據傳輸。第五章 atm交換技術 除itu-t定義的四類業務外，“atm論壇”又提出x類和y類業務。x類業務為未指定比特率(ubr)業務，y類業務為可用比特率(abr)業務。它們都是比特率可變，面向連接的非實時信息傳送業務的一部分。 為了支持以上各類業務，itu-t提出了四種aal協議類型：aal1、aal2、aal3和aal4，分別支持a、b、c、d四類業務。而“atm論壇”定義了六種aal協議類型，分別記為aal0aal5，其中：aal0表示aal為空，主要用于信元中繼業務，表示信元中繼應用與atm層的

48、信息表示形式之間無須任何適配；aal5又稱 seal(simple and efficient adaptive layer)，主要用于atm網上幀中繼業務或tcp/ip數據報傳輸，以及其它面向連接的數據傳輸業務。第五章 atm交換技術 由于aal3用于幀中繼、tcp/ip等面向連接的數據傳輸，aal4用于支持clns(無連接業務)、smds(交換多兆比數據業務)等無連接的數據傳輸，二者惟一的不同體現在對一個特定域的使用上，因此一般將aal3、aal4融合成一個綜合協議類型aal3/4。而aal3/4開銷很大，aal5簡單高效，所以使aal3/4更少用于c類業務中。第五章 atm交換技術5.5

49、.2 aal1 aal1支持a類業務，因為aal1從高層接收或向高層傳送具有均勻比特流的sdu。1aal1的功能的功能aal1的功能包括：(1) 用戶信息的分段和重裝。(2) 信元時延抖動的處理。(3) 信元凈荷重裝時延的處理。(4) 丟失信元和錯插信元的處理。第五章 atm交換技術(5) 接收端對信源時鐘頻率的恢復。(6) 接收端對信源數據幀的恢復。(7) 監控aal協議控制信息pci的誤碼并進行誤碼處理。(8) 監控用戶信息域的誤碼和對誤碼的糾錯。這些功能是由 aal1的 sar子層和 cs子層來實現的。第五章 atm交換技術 2aal1的的sar子層子層 發送時，sar子層從cs子層接收

50、cs_pdu，然后在cs_pdu上加上一些控制信息(sar_pdu頭)，構成sar_pdu，再將48字節的sar_pdu下傳給atm層。接收時，sar子層接收上傳的atm層信元的有效凈荷，并進行處理，構成sar_sdu，作為cs_pdu送到cs子層。所以sar子層的主要功能是對順序傳送的數據塊增加一個序號字段(sar_pdu頭中)，也叫sar_pci(協議控制信息)。第五章 atm交換技術 sar_pdu的格式如圖5.9所示，它的凈荷為47字節，sar_pdu的頭為1字節，其中的4 bit序列編號(sn)分成1 bit cs指示(ci)和3 bit序列計數(sc)。ci用于傳輸cs子層之間的信

51、息，sc對傳輸數據單元進行模8編號，防止出現數據單元的丟失、重復以及其它信息錯插入。另外4 bit為序列編號保護(snp)，分為3 bit循環冗余校驗(crc)和1 bit保護位p。crc的生成多項式為x3+x+1，具有“糾1檢多”功能，保護位p用于對前面7 bit進行偶校驗編碼。第五章 atm交換技術圖5.9 aal1的sar_pdu格式ci sccrc psnsnpsar-sdusar-pcisar-pdu4bit4bit47字節第五章 atm交換技術 3aal1的會聚子層的會聚子層(cs) cs子層的功能包括信元延時抖動處理、信元丟失和錯插處理、傳送時鐘信息和結構信息以及進行糾錯處理。

52、(1) 信元延時抖動處理：采用緩沖區的方法，當緩沖區溢出時，丟棄多余的比特，當緩沖區不滿時，在信息流中插入一個特定的比特組成的信元。第五章 atm交換技術 (2) 丟失和錯插入信元的處理：發送時，cs子層在向sar子層提供sar_sdu的同時，提供一個模8的序號。接收時，cs子層根據sar子層提供的序號，判斷是否發生了sar_pdu的丟失和錯插入，從而采取相應的處理措施。如丟棄錯插數據單元，用一個特定比特模式組成的單元代替錯誤數據單元等。第五章 atm交換技術 (3) 定時信息的傳送：aal1規定了兩種方法實現業務時鐘的同步。一種叫做同步剩余時間標簽(srts)法。在這種方法中，發送端將應用業

53、務時鐘和網絡標準時鐘比值的偏差值(即剩余時間標簽)通過ci域傳送到接收端，剩余時間標簽用4 bit傳送。由于ci位是1 bit，故需要4個sar_pdu的ci域來傳送剩余時間標簽信息。因為ci域還要用于傳送結構信息，sar_pdu又是以模8編碼的，所以aal1中規定使用8個sar_pdu(07)中的奇數號的sar_pdu的ci域傳送剩余時間標簽信息。這種定時信息的傳送方式要求收發雙方都具有非常精準的網絡標準時鐘。第五章 atm交換技術 另外一種方法為自適應時鐘法，實現方法是在接收端設置一個緩沖區，存放收到的數據，以發送方業務時鐘寫入，接收方業務時鐘讀出。根據緩沖區中數據的多少，便可以間接地知道

54、接收方時鐘和發送方時鐘的偏差，并依次調整接收方式，使之與發送方時鐘同步。第五章 atm交換技術 (4) 結構信息的傳送(sdt)：在aal1中，可以傳送具有某種結構的數據流的結構信息，如8 khz的幀結構業務。結構信息的傳送是通過將sar_pdu的負荷區分為兩種格式來實現的。其中一種是47字節負荷區全部為用戶信息，即47字節的aal1的用戶信息；另一種是47字節負荷區只有46字節的aal用戶信息，另外1字節作為指針域傳送結構信息。這兩種格式分別稱為非p格式和p格式。p格式中的指針用于指示用戶信息結構的起始位置，8 bit指針域的第l bit保留，其它7 bit用于存放位置信息，同時用ci指明s

55、ar_pdu是p格式(cil)還是非p格式(ci0)。為了防止和時鐘信息傳送發生矛盾，aal1規定只允許偶數編號數據塊傳送結構信息。第五章 atm交換技術 (5) 前向糾錯編碼(fec)：因在實時通信過程中無法采用時延較大的自動請求重發來保證信息的正確傳送，所以aal1中規定可以采用reed-solomen編碼方法保證高質量的音頻和視頻信息的可靠傳送。具體是將124個cs_pdu排成12447字節矩陣，對每行124字節信息添加4字節的fec編碼，形成12847字節矩陣，作為 128個信元發送。這種編碼方法記為rs(128，124)，它可以糾正兩個錯誤字節或恢復4個已知位置的丟失字節，也可采用r

56、s(94，88)來減小因編碼引起的時延。第五章 atm交換技術5.5.3 aal2 aal1是針對簡單的、面向連接的實時數據流而設計的，除了具有對丟失和錯插信元的檢測機制外，它沒有錯誤檢測功能。對于單純的未經壓縮的音頻或視頻數據，或者其中偶爾有一些較重要的其它數據流都沒有什么問題，aal1就已經足夠了。 對于壓縮的音頻或視頻數據，數據傳輸速率隨時間會有很大的變化。例如，很多壓縮方案在傳送視頻數據時，先周期性地發送完整的視頻數據，然后只發送相鄰順序幀之間的差別，最后再發送完整的一幀。當鏡頭靜止不動并且沒有東西發生移動時，則差別幀很小。同時，必須要保留報文分界，以便能區分出下一個滿幀的開始位置，甚

57、至在出現丟失信元或壞數據時也是如此。由于這些原因，需要一種更完善的協議。aal2就是為完成這一目的而設計的。第五章 atm交換技術 aal2是一種全新的aal適配層，它的設計思想是將用戶信息進行分組，即分成若干的長度可變的微信元，再將其適配到53個字節的atm信元中。這樣，在一個atm信元里可以同時裝入多個不同的業務流，一個atm信元不再僅是一種業務流分組，也就是說一個atm連接可以支持到多個aal2的用戶信息流，即用戶信息流在aal層上復用。這種設計思想帶來了兩個好處：一是對壓縮后的話音業務流降低了拆裝時延，提高了效率；二是節約了atm中vpi、vci的資源，這在atm網絡中支持ip業務中十

58、分重要。基于這兩個優勢，用于語音的aal2和用于數據的aal2標準已經形成。第五章 atm交換技術 1aal2分層結構分層結構 aal2采用和aal1相同的分層方法，分為會聚子層cs和分段重裝子層sar。cs子層進一步劃分為與業務密切相關的特定業務會聚子層sscs(service specific convergence sublayer)和公共部分會聚子層cpcs(common part convergence sublayer)。其中：sscs和特定業務相關，可以為空；cpcs和sar是所有aal2協議必需的，因此又將cpcs和sar合并, 稱為公共部分子層cps(common part

59、sublayer)。 aal2用戶可以選擇滿足特定qos要求的aal_sap完成傳送aal_sdu的操作。第五章 atm交換技術 aal2利用的是下層atm層的傳輸能力，由于sscs和特定業務有關，所以aal復用操作通常在cps層完成。如果aal2支持的業務沒有特殊的要求，sscs可以僅提供aal原語和cps原語之間的映射，而不完成任何功能。 如圖5.10所示，aal2層從aal_sap接收aal_sdu, sscs層(如果存在)添加相應的頭部信息(地址、長度指示等)和尾部信息(校驗序列和調整填充字節等)構成sscs-pdu，并提交給cps，成為cps-sdu。cps-sdu和cps分組頭cp

60、s-ph組成cps分組，cps分組經過分割成為字節格式，加上相應的開始碼stf-ph構成cps-pdu。注意：由于在cps內完成了兩層封裝，cps-ph相當于cpcs-pci，stf相當于sar-pci，因此沒有特定的cps-pci域。第五章 atm交換技術圖5.10 aal2協議單元的格式頭aal-sdu尾cps-sducps_phcps-ppstf_phcps-pdu凈荷cps-pducps分組atm-sdu信元凈荷區信頭atm-sapatm信元atm層cps層aal-sapsscs層第五章 atm交換技術 公共部分子層cps完成在收、發端cps之間傳遞cps-sdu的功能。cps用戶分成