补充：ATM交换技术.ppt

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1、第五章 ATM交换技术第五章第五章 ATMATM交换技术交换技术5.1 ATM技术介绍技术介绍 5.2 B-ISDN协议参考模型协议参考模型 5.3 物理层物理层 5.4 ATM层协议层协议 5.5 ATM适配层适配层(AAL)协议协议 5.6 ATM交换技术交换技术 5.7 ATM信令信令 5.8 ATM网络的业务量管理网络的业务量管理 思考题思考题 第五章 ATM交换技术5.1 ATM技术介绍技术介绍5.1.1 ATM基础知识基础知识 1ATM诞生的背景诞生的背景 在电话网中，呼叫一旦建立起来，通信的双方以64 kb/s的速率独自占有该连接，这种独占性使得话音或数据信息传递的实时性非常好。

2、但由于用户的独占性，大大影响了设备资源的利用率，即使通信的双方无话音或者数据传递，也不能供其它用户使用该带宽；另一方面，电路交换不适合速率变化很大的数据通信业务。第五章 ATM交换技术 在分组交换通信网中，信息的传递都是以分组为单位进行传输、复接和交换的。分组交换一方面采用统计复用方法提高带宽的利用率，另一方面为了保证数据传递的可靠性，在数据链路层采用逐段转发、差错校正的控制措施。这种控制措施保证了数据的正确传递，但同时也致使传输数据产生附加的随机时延。第五章 ATM交换技术 随着通信技术和通信业务需求的发展，电信网络必须向宽带综合业务数字网(B-ISDN)方向发展，这就要求通信网络和交换设备

3、既要容纳非实时性的数据业务，又要容纳实时性的电话和电视信号业务，还要考虑到满足突发性强、瞬时业务量大以及业务通信速率可变的要求。在这样的通信业务条件下，传统的电路交换和分组交换都不能胜任，一种新的传送模式“异步传送模式”出现了。异步传送模式是相对传统电路交换采用的同步传送模式STM(Synchronous Transfer Mode)而言的，同步传送模式的主要特征是采用了时分复用技术，各路信号都是按一定时间间隔周期性出现的，可根据时间识别每路信号。异步传送模式则采用统计时分复用，各路信号不是按照一定时间间隔周期性出现的，要根据标志来识别每路信号。采用该传送模式后，大大提高了网络资源的利用率。第

4、五章 ATM交换技术 2ATM的概念的概念 ATM(asynchronous transfer mode即异步传送模式)的具体定义为：ATM是一种传送模式，在这一模式中用户信息被组织成固定长度的信元，信元随机占用信道资源，也就是说，信元不按照一定时间间隔周期性地出现。从这个意义上来看，这种传送模式是异步的(统计时分复用也叫异步时分复用)。 ATM的信元具有固定的长度，从传输效率、时延及系统实现的复杂性考虑，ITU-T规定ATM的信元长度为53字节。信元的结构如图5.1所示。第五章 ATM交换技术图5.1 ATM信元的结构第五章 ATM交换技术5.1.2 ATM 层层 协协 议议1. ATM信元

5、的信头结构信元的信头结构 图5.6 ATM信元的信头结构 (a) UNI格式； (b) NNI格式第五章 ATM交换技术 下面介绍ATM信元中各域的意义及它们在ATM网络中的作用。 l) GFC(一般流量控制) GFC占4 bit，是UNI信头中第一字节的高4位。GFC域未使用时，缺省值为全0。GFC机制帮助控制ATM连接流量，对消除网络中常见的短期过载现象十分有效。具体的GFC功能在ITU-T I.150建议中规定。第五章 ATM交换技术 2) VPI/VCI(虚通道/虚信道标识符) 在ATM网络中，由于信头中只有5字节，不可能把全部地址信息放入信头中，因此采用标识符(VPI/VCI)代替具

6、体地址的方法。 (1) 虚通道标识符(VPI)。在UNI(User Network Interface，用户网络接口)信元中，VPI域占8 bit，位于信头中第一字节的低4位以及第二字节的高4位，可以标识256条虚通道。在NNI (Net- work Network Interface，网络网络接口)信元中，VPI域占12 bit，覆盖了GFC域，位于信头中第一字节和第二字节的高4位，可以标识4096条虚通道。第五章 ATM交换技术 (2) 虚信道标识符(VCI)。B-ISDN的UNI和NNI信元中，VCI域都为16位，占第二字节的低4位、第三字节以及第四字节的高4位。VCI域用于标识ATM虚

7、信道，最多可标识 65536条虚信道。VCI和 VPI结合，可在UNI信元中标识16 177 216条连接，在NNI信元中标识268 435 456条连接。 VCI域也可以使用预定义值，未定义值为0。“ATM论坛”规范规定：VCI值从第四字节第5位开始连续分配，未分配值为0。VCI015用于ATM管理功能，VCI16留作临时本地管理接口ILMI(Interim Local Management Interface)，VCI1731预留给其它一些功能，其余的VCI值用户才可使用。因为每一个连接都与VPI和VCI相关，所以用户可以使用的第一个连接是VPIl，VCI32。第五章 ATM交换技术 3)

8、 PTI(净荷类型指示) PTI占3 bit，位于信头第四字节的第2位到第4位，用于指明同一虚信道上信元净荷的信息是用户信息还是网络控制信息。对于用户信息信元，ATM层一般先将信头剥离，再上交给ATM适配层(AAL)。对于网络控制信息信元，将启动相应的管理功能进行处理。 PTI的第1位用于指明信元净荷的信息是用户信息还是网络控制信息。如果是用户信息，那么第2位为阻塞指示，表示信元在传输的过程中是否经历过阻塞，第3位为ATM用户到用户指示(AUUI)，指明ATM的用户之间交换的信息；如果是网络控制信息，那么后两位表示传输数据的类型。具体定义如下表所示 第五章 ATM交换技术 ATM信元头部信元头

9、部PTI值的含义值的含义第五章 ATM交换技术 从表中可以看出，用户信元分为0类信元和1类信元。在传输连续数据时，0类信元表示不是最后一个信元，1类信元表示是该连续数据的最后一个信元。源端AAL信元使用这两种信元来通知目的端AAL该信息段的接收是否结束。源AAL把信息传给ATM层时，将最后的用户信元的PTI域置为1类信元，其它的置为0类信元。目的ATM层收到信元后可知是否为末尾信元，在上交用户信息的同时告诉AAL。PTI域不存在指示信息段开始的标志，但如果信息一段接一段地发送，可以认为在一个PTI指示为1类信元的后面所跟的一个PTI指示为0类的信元就是另一信息段的起始信元。 第五章 ATM交换

10、技术 4) CLP(信元丢失优先级) CLP只有一位，位于信头第四字节的最低位，指示在网络发生拥塞时该信元被丢弃的优先级。高优先级信元CLP0，低优先级信元CLPl。对于高优先级信元，网络应分配足够的资源来保证其可靠地按时到达。对于低优先级信元，在发生拥塞时可以被丢弃。一般来讲，具有恒定速率的信元应赋予高优先级。对于一些在一段短时间内有较高峰值速率的可变比特率服务，在这段时间内，信元也应赋予高优先级。第五章 ATM交换技术 5) HEC(信头差错控制) HEC域为8 bit，占信头的第五个字节。它采用8位循环冗余编码方式，只检测信头的错误，而不检测48字节的净荷域。具体的应用在物理层功能中已作

11、了介绍。第五章 ATM交换技术5.1.3 ATM技术的特点技术的特点 1采用固定长度的短分组采用固定长度的短分组 在ATM中采用固定长度的短分组，称为信元(Cell)。固定长度的短分组决定了ATM系统的处理时间短、响应快，便于用硬件实现，特别适合实时业务和高速应用。第五章 ATM交换技术 2采用统计复用采用统计复用 传统的电路交换中，同步传送模式(STM)将来自各种信道上的数据组成帧格式，每路信号占用固定比特位组，在时间上相当于固定的时隙，任何信道都通过位置进行标识。ATM是按信元进行统计复用的，在时间上没有固定的复用位置。统计复用是按需分配带宽的，可以满足不同用户传递不同业务的带宽需要。第五

12、章 ATM交换技术 3采用面向连接并预约传输资源的方式工作采用面向连接并预约传输资源的方式工作 电路交换通过预约传输资源保证实时信息的传输，同时端到端的连接使得在信息传输时，在任意的交换节点不必作复杂的路由选择(这项工作在呼叫建立时已经完成)。分组交换模式中仿照电路方式提出虚电路工作模式，目的也是为了减少传输过程中交换机为每个分组作路由选择的开销，同时可以保证分组顺序的正确性。但是分组交换取消了资源预定的策略，虽然提高了网络的传输效率，但却有可能使网络接收超过其传输能力的负载，造成所有信息都无法快速传输到目的地。第五章 ATM交换技术 ATM方式采用的是分组交换中的虚电路形式，同时在呼叫建立时

13、向网络提出传输所希望使用的资源，网络根据当前的状态决定是否接受这个呼叫。其中资源的约定并不像电路交换那样给出确定的电路或PCM时隙，只是给出用以表示将来通信过程中可能使用的通信速率。采用预约资源的方式，可以保证网络上的信息在一个允许的差错率下传输。另外，考虑到业务具有波动的特点和交换中同时存在的连接的数量，根据概率论中的大数定理，网络预分配的通信资源肯定小于信源传输时的峰值速率。可以说ATM方式既兼顾了网络运营效率，又能够使接入网络的连接进行快速数据传输。第五章 ATM交换技术 4取消逐段链路的差错控制和流量控制取消逐段链路的差错控制和流量控制 分组交换协议设计运行的环境是误码率很高的模拟通信

14、线路，所以执行逐段链路的差错控制；同时由于没有预约资源机制，所以任何一段链路上的数据量都有可能超过其传输能力，所以有必要执行逐段链路的流量控制。而ATM协议运行在误码率很低的光纤传输网上，同时预约资源机制保证网络中传输的负载小于子网络的传输能力，所以 ATM取消了网络内部节点之间链路上的差错控制和流量控制。 第五章 ATM交换技术 但是通信过程中必定会出现的差错如何解决呢？ATM将这些工作推给了网络边缘的终端设备完成。如果信元头部出现差错，会导致信元传输的目的地发生错误，即所谓的信元丢失和信元错插，如果网络发现这样的错误，就简单地丢弃信元。至于如何处理由于这些错误而导致信息丢失后的情况则由通信

15、的终端处理。如果信元净荷部分(用户的信息)出现差错，判断和处理同样由通信的终端完成。对于不同的传输媒体可以采取不同的处理策略。例如，对于计算机数据通信(文本传输)，显然必须使用请求重发技术要求发送端对错误信息重新发送；而对于话音和视频这类实时信息发生的错误，接收端可以采用某种掩盖措施，减少对接收用户的影响。第五章 ATM交换技术 5ATM信元头部的功能降低信元头部的功能降低 由于ATM网络中链路的功能变得非常有限，因此信元头部变得异常简单。其功能包括： (1) 标志虚电路，这个标志在呼叫建立阶段产生，用以表示信元经过网络中传输的路径。依靠这个标志可以很容易地将不同的虚电路信息复用到一条物理通道

16、上。 (2) 信元的头部增加纠错和检错机制，防止因为信元头部出现错误导致信元误选路由。第五章 ATM交换技术 (3) 很少的维护开销比特，不再像传统分组交换中那样，包含信息差错控制、分组流量控制以及其它特定开销。 因此ATM技术既具有电路交换的“处理简单”、支持实时业务、数据透明传输、采用端到端的通信协议等特点，又具有分组交换的支持变比特率(VBR)业务的特点，并能对链路上传输的业务进行统计复用。第五章 ATM交换技术5.1.4 虚信道、虚通道、虚连接虚信道、虚通道、虚连接 虚信道VC(Virtual Channel)表示单向传送ATM信元的逻辑通路，用虚信道标识符VCI(Virtual Ch

17、annel Identifier)进行标识，表明传送该信元的虚信道。 虚通道VP(Virtual Path)表示属于一组VC子层ATM信元的路径，由相应的虚通道标识符VPI(Virtual Path Identifier)进行标识，表明传送该信元的虚通道。 虚信道、虚通道与传输线路的关系如图5.2所示。VC相当于支流，对VC的管理力度比较细，一般用于网络的接入；VP相当于干流，将多个VC汇聚起来形成一个VP，对VP的管理力度比较粗，一般用于骨干网。与VC相比较，对VP进行交换、管理容易得多。第五章 ATM交换技术图5.2 VP、VC与传输线路的关系在在ATM中一个物理信道被分成若干个虚通道（中

18、一个物理信道被分成若干个虚通道（VP），一个虚通道（），一个虚通道（VP）有被）有被分成上千个虚通路（分成上千个虚通路（VC）复用。用）复用。用VPI标识标识VP，用，用VCI标识标识VC。这样一个呼。这样一个呼叫连路就可以用叫连路就可以用VPI/VCI标识所分配的虚通道和虚通路。在标识所分配的虚通道和虚通路。在ATM交换中只要将交换中只要将输入的输入的VPI/VCI的值修改为输出的的值修改为输出的VPI/VCI值，就可以实现信元的交换。值，就可以实现信元的交换。 第五章 ATM交换技术 虚连接是通过ATM网络在端到端用户之间建立一条速率可变的、全双工的、由固定长度的信元流构成的连接。该连接由

19、虚信道、虚通道组成，通过VCI和VPI进行标识。VCI标识可动态分配的连接，VPI标识可静态分配的连接。VCI、VPI在虚连接的每段链路上具有局部意义。第五章 ATM交换技术第五章 ATM交换技术5.1.5 VP交换与VC交换第五章 ATM交换技术1.VP交换与交换与VC交换交换-1第五章 ATM交换技术2.VP交换与交换与VC交换交换-2第五章 ATM交换技术3.虚连接第五章 ATM交换技术第五章 ATM交换技术第五章 ATM交换技术5.1.6 ATM交换技术交换技术1. 信元交换的过程信元交换的过程 ATM是一个面向连接型的网络。当两个终端连接建立的时候，根据信令信息以及网络运行情况，在该

20、连接中的每个交换节点上建立转发表。该转发表包含输入端口号、输出端口号。在输入端口或者输出端口中，不同的信元流有不同的VCI/VPI值转换。当某一个信元进入交换模块时，交换模块通过识别信元信头的VCI/VPI，查找转发表，找出对应的输出端口以及输出信元的VCI/VPI值，将输入信元的VCI/VPI值改变为相应输出信元的VCI/VPI值，并控制交换网络将信元交换到对应的输出线上。第五章 ATM交换技术图5.17 VC/VP交换的具体示例(a) VP交换过程；(b) VC交换过程第五章 ATM交换技术 在VP交换过程中，VPI进行了变换，VP内部的VCI没有改变；而在VC交换过程中，不但VPI进行了

21、变换，而且VCI也进行了变换。从上述基本的信元交换过程中可以看出，虽然ATM交换是异步时分交换，但其原理与同步时分交换(时隙交换)有许多相似之处，其基本区别是用VCI/VPI代替了时隙交换中时隙的序号。第五章 ATM交换技术 多级连接的VC和VP组成虚信道连接VCC(Virtual Channel Connection)和虚通道连接VPC(Virtual Path Connection)。VCC有三种：永久VCC、半永久VCC和交换VCC；VPC也是一样，有永久VPC、半永久VPC和交换VPC。交换VCC(VPC)通过信令建立连接，属于控制面的连接；永久VCC(VPC)、半永久VCC(VPC)

22、因为没有通过信令建立连接，所以属于管理面的连接。交换机为每一个呼叫分配一个VPI/VCI，每个VPI/VCI只具有局部意义，每个节点在读取VPI/VCI后，根据本地的转发表，查找对应的输出VPI/VCI，进行交换并改变VPI/VCI的值。第五章 ATM交换技术2. ATM的交换过程的交换过程第五章 ATM交换技术第五章 ATM交换技术5.2 B-ISDN协议参考模型协议参考模型5.2.1 协议参考模型协议参考模型 在ITU-T的I.321建议中定义了B-ISDN协议参考模型，如图5.3所示。它包括三个面：用户面、控制面和管理面。用户面、控制面都是分层的，分为物理层、ATM层、AAL层和高层。第

23、五章 ATM交换技术图5.3 B-ISDN协议参考模型第五章 ATM交换技术 B-ISDN协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能： 用户平面：采用分层结构，提供用户信息流的传送，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等； 控制平面：采用分层结构，完成呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放； 管理平面：包括层管理和面管理。层管理采用分层结构，完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令；同时层管理还处理与各层相关的OAM信息流。面管理不分层，它完成与整个系统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。 第五章 ATM交换技术5.2.2 模型分层介绍模型分

24、层介绍 B-ISDN协议参考模型中，从下到上分别是：物理层PHY、ATM层、ATM适配层和高层。用户面和控制面在高层和AAL层是分开的，在ATM层和物理层采用相同的方式处理信息。表5.1列出了与B-ISDN协议参考模型对应的各层功能。第五章 ATM交换技术表表5.1 B-ISDN协议参考模型的分层功能协议参考模型的分层功能第五章 ATM交换技术 1物理层物理层 物理层主要是提供ATM信元的传输通道，将ATM层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流，同时，在接收到物理介质上传来的连续比特流后，取出有效的信元传给ATM层。 物理层要实现的功能有： (1) 提供与传输介质有关的机械、电气接口；

25、(2) 从接收波形中恢复定时；第五章 ATM交换技术 (3) 提供ATM层信元流和物理层传输流之间的映射关系，包括传输结构的生成/恢复及传输结构的适配； (4) 从物理层比特流中找出信元的起始边界(信元定界)； (5) 一般情况下，从ATM层中来的信元流速率低于物理层提供的用来传输信元流的净荷速率，因此，物理层还要插入空闲信元，以使两者适配，同时，接收时还要扣去这些空闲信元。第五章 ATM交换技术 2ATM层层 ATM层在物理层之上，利用物理层提供的服务，与对等层之间进行以信元为信息单位的通信。 ATM层与物理介质的类型以及物理层的具体实现是无关的，与具体传送的业务类型也是无关的。各种不同的业

26、务经AAL适配后形成固定长度的分组，ATM层利用异步时分复接技术合成信元流。第五章 ATM交换技术 3ATM适配层适配层 ATM适配层AAL(ATM Adaptation Layer)位于ATM层的上层，这一层是和业务类别相关的，即针对不同的业务类别，其处理方法不尽相同，但都要将上层传来的信息流(长度、速率各异)分割成48字节长的ATM_SDU传给ATM层，同时，将ATM层传来的业务数据单元ATM_SDU组装、恢复再传递给上层。由于上层的信息种类繁多，AAL层处理比较复杂，因此分了两个子层：汇聚子层CS(Convergence Sublayer)和拆装子层SAR(Segmentation an

27、d Reassembly)。第五章 ATM交换技术 4高层高层 高层信息包括用户面的高层和控制面的高层。控制面的高层是信令协议，考虑到与N-ISDN的兼容，ITU-T对N-ISDN的信令协议Q.931和ISUP做了修改，制定了Q.2931和B-ISUP。第五章 ATM交换技术5.3 物物 理理 层层 物理层为ATM提供两种功能：一种是传送有效信元；另一种是传送定时信息，以实现较高层的服务。 ATM的物理层包括两个子层，即物理介质子层PM(Physical Media)和传输会聚TC(Transmission Coverage)子层。其中：物理介质子层提供比特传输能力，对比特定时和线路编码等方面

28、作出了规定，并针对所采用的物理介质(如光纤、同轴电缆、双绞线等)定义其相应的特性；传输会聚子层的主要功能是实现比特流和信元流之间的转换。第五章 ATM交换技术5.3.1 物理介质子层物理介质子层 1物理介质子层提供的物理接口物理介质子层提供的物理接口 ITU-T和“ATM论坛”将物理接口分为三类，即基于SDH、基于信元和基于PDH的接口。下面进行简要介绍。 1) ITU-T制定的接口标准 ITU-T建议书I.432定义了两个基于光纤同步数字系列(SDH)的物理接口，分别为：速率为155.52 Mb/s的STM-1;速率为622.08 Mb/s的STM-4。ITU-T还定义了下列电气和物理接口速

29、率标准，见表5.2。第五章 ATM交换技术表表5.2 ITU-T制定的接口速率制定的接口速率第五章 ATM交换技术 2) “ATM论坛”制定的接口标准 “ATM论坛”定义了4个物理层接口速率，其中两个适用于公用网，分别对应于ANSI和ITU-T定义的DS3和STC-3C速率。下面是用于专用网的3个接口速率和介质：基于FDDI的100 Mb/s速率；基于光纤信道的155.52 Mb/s速率；基于屏蔽双绞线的155.52 Mb/s速率。第五章 ATM交换技术3) ANSI制定的接口标准 表表5.3 ANSI制定的接口标准速率制定的接口标准速率第五章 ATM交换技术 2比特定时和线路编码比特定时和线

30、路编码 正常工作模式下，发送端时钟锁定在接口处收到的基准时钟上。在基于信元的传输系统或网络供给时钟出错时，可以采用独立时钟工作模式，即时钟由用户本地设备供给，此时时钟允许偏差为210-6。 对线路码，G.703建议规定155 Mb/s电接口采用CMI(Code Mark Inversion)码。光接口采用不归零码，光纤线路编码采用4B/5B(100 Mb/s)、8B/10B(155 Mb/s)码。第五章 ATM交换技术5.3.2 传输汇聚子层传输汇聚子层 传输汇聚子层的功能是传输帧适配、信元速率耦合、信元定界、HEC控制、扰码等。 1传输帧适配传输帧适配 传输帧适配就是完成ATM信元与物理介质

31、上传送的特定格式(比如SDH、PDH或其它帧格式)的比特流之间的转换。在发送端，传输汇聚子层将信元映射成时分复用的帧格式。在接收端，将信元从接收的比特流中分离出来。第五章 ATM交换技术 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。为了使信元流适应于物理介质上传输的比特率，我们引入空信元(idle cell)的概念。空信元在发送端插入和在接收端删除称为信元速率耦合。空信元由信头的标准模式确定，如图5.4所示。空信元净荷域中的每个字节都用01101010填充。图5.4 空信元的格式第五章 ATM交换技术 3信元差错控制信元差错控制 信元最后一个字节设置为HEC字段，它的功能是检测多比

32、特错误，纠正单比特错误。HEC是利用生成多项式(x8+x2+x+1)对信头前4个字节进行除法运算，将其余数与01010101模2加后所得到的值。在接收端，利用这一算法即可检测出多比特误码，纠正单比特误码。第五章 ATM交换技术 4信元定界信元定界 信元定界就是在比特流中确定一个信元的开始。信元定界的方法是基于信头的前4个字节与HEC字段的关系来设计的。如果在比特流中连续的5个字节满足HEC字段产生的算法，即认为是某个信元的开始。图5.5表示了信元定界的过程。信元定界开始时处于捕捉状态，此时进行比特搜索；一旦发现5个字节之间存在HEC关系，就进入预同步状态，然后进行逐信元验证；如果发现有连续次正

33、确的HEC关系存在，则认为进入同步状态；一旦发现错误的HEC，则返回捕捉状态。在同步状态，如果发现连续次不正确的HEC关系，则认为失去定界并返回捕捉状态。ITU-T规定：对基于SDH的信元定界，=7，=6；对基于信元方式的定界，=7，=8。第五章 ATM交换技术图5.5 信元定界流程图第五章 ATM交换技术 5扰码扰码 为了增强用HEC字节对信元进行定界算法的安全性，同时使信元的信息字段假冒信头的概率减至最低，需要通过扰码增强信元流净荷字段中数据的随机性。ITU-T建议通过扰码使信元中的数据随机化。 第五章 ATM交换技术 4网络的流量控制和拥塞控制网络的流量控制和拥塞控制 流量控制就是使用户

34、网络接口上流入网络的比特流(信元流)速率要符合通信建立前用户和网络协商的速率。拥塞控制就是当流向某一条链路的信元流量超过该链路本身的容量时，网络必须采取措施，使流入该条链路的信元流量在该链路本身的容量范围内。 第五章 ATM交换技术5.4 ATM层功能层功能 ATM信元的信头结构体现了ATM层的功能，在信元的信头结构中进行了部分介绍，现再补充如下。 1VPI/VCI交换交换 一个具体的VPI/VCI只是表示相邻网络节点(ATM交换机)之间信元的逻辑通路。一个终端设备到另一个终端设备之间信元的虚连接，可能是由多个不同的VPI/VCI所表示的逻辑通路通过网络节点连接起来的。所以信元在通过网络节点时

35、，VPI/VCI可能要发生变化，即网络节点要将输入端口信元信头中的VPI/VCI转换成相应输出端口的VPI/VCI。第五章 ATM交换技术 2信头的生成信头的生成/删除删除 ATM层将从高层(ATM适配层)接收的信息作为净荷封装在ATM层信元内，并根据ATM适配层提供的信息加上相应的信头形成信元，然后把信元交给物理层传送。另外，因ATM层只是将信元中的净荷信息往上层(ATM适配层)传送，所以ATM层在从物理层收到上传的信元后，必须在上传之前将信元的信头删除。信头中的信息由ATM层进行处理。第五章 ATM交换技术 3信元的识别和丢弃信元的识别和丢弃 根据信元信头中的净荷类型指示(PTI)在传送信

36、令和OAM信息时，区分控制面的信元和含有用户信息的用户面的信元，同时根据丢失优先级指示(CLP)来识别高优先级信元和低优先级信元，在下列情况下丢弃信元： (1) 具有无效的信头差错控制域的信元。 (2) 到达一条还未建好的链路的信元。如信元经过交换机后经转发表匹配而获得VPI2、VCI2039的连接，但该设备并不存在VPI2、VCI2039的连接，说明该传送信元的链路尚未建好。第五章 ATM交换技术(3) VPI、VCI值超出设备可提供VPI、VCI值范围的信元。(4) 占用了系统VPI、VCI预留值的信元。(5) 链路发生拥塞时到达的信元。(6) 违反流量协议的信元。第五章 ATM交换技术

37、信元的前5个字节为信头(Cell Header)，包含有各种控制信息，主要是表示信元去向的逻辑地址，还有一些维护信息、优先级以及信头的纠错码。后面48字节是信息字段，也叫信息净荷(Payload)，它承载来自各种不同业务的用户信息。信元的格式与业务类型无关，任何业务的信息都经过分割后封装成统一格式的信元。用户信息透明地穿过网络(即网络对它不进行处理)。第五章 ATM交换技术5.5 ATM适配层适配层(AAL)协议协议5.5.l AAL的结构、功能、业务类别及协议类型的结构、功能、业务类别及协议类型 1AAL的协议结构的协议结构 如图5.7所示，AAL分为分段与重装(SAR)子层(也称拆装)和汇

38、聚子层(CS)。汇聚子层又分为特定业务汇聚子层(SSCS)和公共部分汇聚子层(CPCS)。对信令适配层(S-AAL)，SSCS又分为特定业务协调功能(SSCF)和特定业务面向连接协议(SSCOP)两部分。第五章 ATM交换技术图5.7 AAL结构第五章 ATM交换技术 2AAL的功能的功能 AAL的主要功能是将来自高层的协议数据单元(PDU)先映射为AAL的服务数据单元(SDU)，然后映射成48字节的信元净荷负载，以达到为不同要求的用户提供特定的服务的目的，保证ATM层与业务类型无关；同时还要将从ATM层上传的信元净荷进行相反的操作，映射成高层的协议数据单元。如图5.8所示，CS子层对来自用户

39、面的高层信息单元作好分割前的准备，使接收方CS子层能将这些分组再还原成原始高层信息，即将控制信息作为标头和后缀或只是后缀添加在用户信息上。控制信息由AAL服务类型确定，它是ATM信元净荷的一部分。CPCS检查信元的丢失和错插，提供误码的保护。SSCS对不同业务提供不同功能，如时延处理等。SAR子层将来自CS子层的CS_PDU(汇聚子层协议数据单元)分割为ATM信元的净荷，或将ATM信元的净荷重装为CS_PDU。分段重装时要维持SAR_PDU的传输顺序，提供误码检查与保护功能。第五章 ATM交换技术图5.8 AAL一般功能第五章 ATM交换技术 另外，AAL还提供如下服务： (1) 处理信元的丢

40、失、误传，向高层用户提供透明的顺序传输。 (2) 处理信元的延迟变化，使连续发送的信元在网络中的延迟尽量保持一致，即使延迟抖动达到最小。 (3) 差错处理。ATM层只对信头进行纠错，由AAL对信元净荷进行差错控制。 (4) 在接收端恢复源端定时信息，保证信息以源端的比特率向高层递交。 (5) 层管理实体功能，启动和控制对ATM的连接请求，协调递交给ATM层的用户数据和控制信息。 第五章 ATM交换技术 3AAL的业务类别和协议类型的业务类别和协议类型 ITU-T建议书I.362定义了AAL功能的基本概念和分类，其业务类别的属性取决于以下三个要素：信源和信宿之间要求的定时关系；比特率是均匀的还是

41、可变的；连接模式是面向连接的还是非连接的。这三个要素，每个要素有两种选择，可以形成8类业务。但实际上某些组合是不可能实现的业务，如速率恒定的、实时的、面向非连接的业务就是不可能实现的。ITU-T定义了A、B、C、D四类业务如表5.6所示。第五章 ATM交换技术表表5.6 AAL业务属性分类业务属性分类第五章 ATM交换技术 A类业务：具有恒定的比特率，面向连接的实时信息传递业务。主要用于电路仿真。 B类业务：具有可变的比特率，面向连接的实时信息传送业务。主要用于可变比特率的话音和视频传输。 C类业务：具有可变的比特率，面向连接的非实时信息传送业务。主要用于面向连接的数据传输。 D类业务：具有可

42、变的比特率，面向非连接的非实时信息传送业务。主要用于面向非连接的数据传输。第五章 ATM交换技术 除ITU-T定义的四类业务外，“ATM论坛”又提出X类和Y类业务。X类业务为未指定比特率(UBR)业务，Y类业务为可用比特率(ABR)业务。它们都是比特率可变，面向连接的非实时信息传送业务的一部分。 为了支持以上各类业务，ITU-T提出了四种AAL协议类型：AAL1、AAL2、AAL3和AAL4，分别支持A、B、C、D四类业务。而“ATM论坛”定义了六种AAL协议类型，分别记为AAL0AAL5，其中：AAL0表示AAL为空，主要用于信元中继业务，表示信元中继应用与ATM层的信息表示形式之间无须任何

43、适配；AAL5又称 SEAL(Simple and Efficient Adaptive Layer)，主要用于ATM网上帧中继业务或TCP/IP数据报传输，以及其它面向连接的数据传输业务。第五章 ATM交换技术 由于AAL3用于帧中继、TCP/IP等面向连接的数据传输，AAL4用于支持CLNS(无连接业务)、SMDS(交换多兆比数据业务)等无连接的数据传输，二者惟一的不同体现在对一个特定域的使用上，因此一般将AAL3、AAL4融合成一个综合协议类型AAL3/4。而AAL3/4开销很大，AAL5简单高效，所以使AAL3/4更少用于C类业务中。第五章 ATM交换技术5.5.2 AAL1 AAL1

44、支持A类业务，因为AAL1从高层接收或向高层传送具有均匀比特流的SDU。1AAL1的功能的功能AAL1的功能包括：(1) 用户信息的分段和重装。(2) 信元时延抖动的处理。(3) 信元净荷重装时延的处理。(4) 丢失信元和错插信元的处理。第五章 ATM交换技术(5) 接收端对信源时钟频率的恢复。(6) 接收端对信源数据帧的恢复。(7) 监控AAL协议控制信息PCI的误码并进行误码处理。(8) 监控用户信息域的误码和对误码的纠错。这些功能是由 AAL1的 SAR子层和 CS子层来实现的。第五章 ATM交换技术 2AAL1的的SAR子层子层 发送时，SAR子层从CS子层接收CS_PDU，然后在CS

45、_PDU上加上一些控制信息(SAR_PDU头)，构成SAR_PDU，再将48字节的SAR_PDU下传给ATM层。接收时，SAR子层接收上传的ATM层信元的有效净荷，并进行处理，构成SAR_SDU，作为CS_PDU送到CS子层。所以SAR子层的主要功能是对顺序传送的数据块增加一个序号字段(SAR_PDU头中)，也叫SAR_PCI(协议控制信息)。第五章 ATM交换技术 SAR_PDU的格式如图5.9所示，它的净荷为47字节，SAR_PDU的头为1字节，其中的4 bit序列编号(SN)分成1 bit CS指示(CI)和3 bit序列计数(SC)。CI用于传输CS子层之间的信息，SC对传输数据单元进

46、行模8编号，防止出现数据单元的丢失、重复以及其它信息错插入。另外4 bit为序列编号保护(SNP)，分为3 bit循环冗余校验(CRC)和1 bit保护位P。CRC的生成多项式为x3+x+1，具有“纠1检多”功能，保护位P用于对前面7 bit进行偶校验编码。第五章 ATM交换技术图5.9 AAL1的SAR_PDU格式第五章 ATM交换技术 3AAL1的会聚子层的会聚子层(CS) CS子层的功能包括信元延时抖动处理、信元丢失和错插处理、传送时钟信息和结构信息以及进行纠错处理。 (1) 信元延时抖动处理：采用缓冲区的方法，当缓冲区溢出时，丢弃多余的比特，当缓冲区不满时，在信息流中插入一个特定的比特

47、组成的信元。第五章 ATM交换技术 (2) 丢失和错插入信元的处理：发送时，CS子层在向SAR子层提供SAR_SDU的同时，提供一个模8的序号。接收时，CS子层根据SAR子层提供的序号，判断是否发生了SAR_PDU的丢失和错插入，从而采取相应的处理措施。如丢弃错插数据单元，用一个特定比特模式组成的单元代替错误数据单元等。第五章 ATM交换技术 (3) 定时信息的传送：AAL1规定了两种方法实现业务时钟的同步。一种叫做同步剩余时间标签(SRTS)法。在这种方法中，发送端将应用业务时钟和网络标准时钟比值的偏差值(即剩余时间标签)通过CI域传送到接收端，剩余时间标签用4 bit传送。由于CI位是1

48、bit，故需要4个SAR_PDU的CI域来传送剩余时间标签信息。因为CI域还要用于传送结构信息，SAR_PDU又是以模8编码的，所以AAL1中规定使用8个SAR_PDU(07)中的奇数号的SAR_PDU的CI域传送剩余时间标签信息。这种定时信息的传送方式要求收发双方都具有非常精准的网络标准时钟。第五章 ATM交换技术 另外一种方法为自适应时钟法，实现方法是在接收端设置一个缓冲区，存放收到的数据，以发送方业务时钟写入，接收方业务时钟读出。根据缓冲区中数据的多少，便可以间接地知道接收方时钟和发送方时钟的偏差，并依次调整接收方式，使之与发送方时钟同步。第五章 ATM交换技术 (4) 结构信息的传送(

49、SDT)：在AAL1中，可以传送具有某种结构的数据流的结构信息，如8 kHz的帧结构业务。结构信息的传送是通过将SAR_PDU的负荷区分为两种格式来实现的。其中一种是47字节负荷区全部为用户信息，即47字节的AAL1的用户信息；另一种是47字节负荷区只有46字节的AAL用户信息，另外1字节作为指针域传送结构信息。这两种格式分别称为非P格式和P格式。P格式中的指针用于指示用户信息结构的起始位置，8 bit指针域的第l bit保留，其它7 bit用于存放位置信息，同时用CI指明SAR_PDU是P格式(CIl)还是非P格式(CI0)。为了防止和时钟信息传送发生矛盾，AAL1规定只允许偶数编号数据块传

50、送结构信息。第五章 ATM交换技术 (5) 前向纠错编码(FEC)：因在实时通信过程中无法采用时延较大的自动请求重发来保证信息的正确传送，所以AAL1中规定可以采用Reed-Solomen编码方法保证高质量的音频和视频信息的可靠传送。具体是将124个CS_PDU排成12447字节矩阵，对每行124字节信息添加4字节的FEC编码，形成12847字节矩阵，作为 128个信元发送。这种编码方法记为RS(128，124)，它可以纠正两个错误字节或恢复4个已知位置的丢失字节，也可采用RS(94，88)来减小因编码引起的时延。第五章 ATM交换技术5.5.3 AAL2 AAL1是针对简单的、面向连接的实时

51、数据流而设计的，除了具有对丢失和错插信元的检测机制外，它没有错误检测功能。对于单纯的未经压缩的音频或视频数据，或者其中偶尔有一些较重要的其它数据流都没有什么问题，AAL1就已经足够了。 对于压缩的音频或视频数据，数据传输速率随时间会有很大的变化。例如，很多压缩方案在传送视频数据时，先周期性地发送完整的视频数据，然后只发送相邻顺序帧之间的差别，最后再发送完整的一帧。当镜头静止不动并且没有东西发生移动时，则差别帧很小。同时，必须要保留报文分界，以便能区分出下一个满帧的开始位置，甚至在出现丢失信元或坏数据时也是如此。由于这些原因，需要一种更完善的协议。AAL2就是为完成这一目的而设计的。第五章 AT

52、M交换技术 AAL2是一种全新的AAL适配层，它的设计思想是将用户信息进行分组，即分成若干的长度可变的微信元，再将其适配到53个字节的ATM信元中。这样，在一个ATM信元里可以同时装入多个不同的业务流，一个ATM信元不再仅是一种业务流分组，也就是说一个ATM连接可以支持到多个AAL2的用户信息流，即用户信息流在AAL层上复用。这种设计思想带来了两个好处：一是对压缩后的话音业务流降低了拆装时延，提高了效率；二是节约了ATM中VPI、VCI的资源，这在ATM网络中支持IP业务中十分重要。基于这两个优势，用于语音的AAL2和用于数据的AAL2标准已经形成。第五章 ATM交换技术 1AAL2分层结构分

53、层结构 AAL2采用和AAL1相同的分层方法，分为会聚子层CS和分段重装子层SAR。CS子层进一步划分为与业务密切相关的特定业务会聚子层SSCS(Service Specific Convergence Sublayer)和公共部分会聚子层CPCS(Common Part Convergence Sublayer)。其中：SSCS和特定业务相关，可以为空；CPCS和SAR是所有AAL2协议必需的，因此又将CPCS和SAR合并, 称为公共部分子层CPS(Common Part Sublayer)。 AAL2用户可以选择满足特定QoS要求的AAL_SAP完成传送AAL_SDU的操作。第五章 ATM

54、交换技术 AAL2利用的是下层ATM层的传输能力，由于SSCS和特定业务有关，所以AAL复用操作通常在CPS层完成。如果AAL2支持的业务没有特殊的要求，SSCS可以仅提供AAL原语和CPS原语之间的映射，而不完成任何功能。 如图5.10所示，AAL2层从AAL_SAP接收AAL_SDU, SSCS层(如果存在)添加相应的头部信息(地址、长度指示等)和尾部信息(校验序列和调整填充字节等)构成SSCS-PDU，并提交给CPS，成为CPS-SDU。CPS-SDU和CPS分组头CPS-PH组成CPS分组，CPS分组经过分割成为字节格式，加上相应的开始码STF-PH构成CPS-PDU。注意：由于在CP

55、S内完成了两层封装，CPS-PH相当于CPCS-PCI，STF相当于SAR-PCI，因此没有特定的CPS-PCI域。第五章 ATM交换技术图5.10 AAL2协议单元的格式第五章 ATM交换技术 公共部分子层CPS完成在收、发端CPS之间传递CPS-SDU的功能。CPS用户分成两类：SSCS实体和层管理实体LM。CPS完成CPS-SDU数据传送及数据的完整性保证、AAL2信道的复用和分解、传输延时的处理和定时信息的传递及时钟的恢复等功能。CPS-SDU最长为45字节(默认)或64字节。第五章 ATM交换技术 2AAL2公共部分子层的数据结构公共部分子层的数据结构 下面介绍CPS层的数据格式，其

56、中包含AAL层原语中规定的参数。ITU-T I.363.2定义CPS分组结构如图5.11所示，其中的CPS头部CPS-PH包括8 bit信道标识号CID(Channel Identifier), 6 bit长度指示LI(Length Indication)，5 bit CPS用户间指示UUI(User-User Indication)和CPS分组头保护HEC(Header Error Control)。CPS分组净荷CPS-PP(CPS Packet Payload)长度为l45/64字节。第五章 ATM交换技术图5.11 AAL2的CPS分组结构第五章 ATM交换技术 (1) 信道标识符CI

57、D用于标识AAL2层的通信信道。AAL2通信信道是双向的，可以在ATM层通过PVC或SVC建立，两个方向具有相同的CID标志。CID长度为8 bit，0255的取值中0不用(因为CPS-PAD中使用全0填充), 1用于层管理实体间通信，27保留，8255可以被SSCS使用。 (2) 长度指示LI为6 bit，取值为063。LI等于CPS-INFO长度减l，所以CPS-INFO长度为l64字节，默认CPS-INFO的最大长度为45字节。CPS-INFO的最大长度必须由信令或管理过程设定，每条CPS信道都由相应的CPS-INFO最长数值规定。第五章 ATM交换技术 (3) 用户间指示UUI。UUI

58、可以在CPS层透明传送CPS用户之间的控制信息，并可区分不同类型的 CPS用户(SSCS和 LM)。UUI长5 bit，取值为031，其中027用于SSCS实体间的通信，30和31用于LM实体间通信，28和29保留。 (4) CPS分组头差错控制HEC为5 bit CRC校验序列，生成多项式为x5x21，保护对象是CPS-PH中的CID、LI和UUI，共19 bit长。 这样，CPS分组长度为467字节(头部和净荷区)，成为CPS-PDU净荷区。CPS-PDU长度为48字节，结构如图5.12所示。CPS-PDU包括8 bit开始指针域STF(Start Field)和CPS-PDU净荷区，后者

59、分成两个部分。第五章 ATM交换技术图5.12 AAL2的CPS-PDU第五章 ATM交换技术 (1) 偏移量OSF(Offset Field)存放从STF结束位置到第一个CPS分组头之间的字节数，如果CPS_PDU净荷区不存在，则是指从STF结束位置到PAD开始的字节数。OSF=47表示在CPS_PDU净荷区中没有CPS分组头。由于CPS_PDU净荷长度等于47字节，因此OSF的取值不能大于47。 (2) 序列编号SN(Sequence Number)为1 bit，是对CPS_PDU数据块的编号。 (3) 奇校验P(Parity)为1 bit，用于对STF进行奇校验。 (4) CPS_PDU

60、净荷区：可以装载0、1或多个CPS分组，填充字节PAD用于填充未填满的净荷空间。l个CPS分组可能装在两个CPS_PDU净荷区中。第五章 ATM交换技术5.5.4 AAL3/4 1AAL3/4的结构的结构 AAL3/4用于支持C类与D类业务，即可变比特率且不要求维持源与目的地间定时关系的业务。 AAL3/4是ITU-T提出的用于数据传送的ATM适配层协议，数据传输的特点是要求具有较高的可靠性。和AAL1、AAL2相类似，AAL3/4协议层分为汇聚子层(CS)和拆装(SAR)子层，CS子层又分为特定业务汇聚子层(SSCS)和公共部分汇聚子层(CPCS)。如图5.13所示，AAL3/4也可以看成由

61、服务特定部分(SSP)和公共部分(CP)组成。第五章 ATM交换技术 服务特定部分向用户提供附加功能，不同的特定业务汇聚子层支持不同的AAL用户业务。SSCS是可选的，如果为空，SSCS指示完成AAL的公共部分汇聚子层与高层之间的原语映射。公共部分包括CPCS和SAR子层，实现面向字节的可变长信息帧的顺序透明传输。CPCS和SAR子层共同负责把收到的协议帧变为一系列的信元有效负荷。第五章 ATM交换技术图5.13 AAL3/4的结构第五章 ATM交换技术 AAL3/4提供AAL用户之间AAL-PDU的传输时，工作模式有两种。一种为消息工作模式，它是将一个AAL-SDU分成一个或多个的CS-PD

62、U，每一个CS-PDU再分成多个SAR-PDU进行传送。另一种工作模式为流工作模式，它是将一个或多个定长的AAL-SDU合并放在一个CS-PDU中，然后通过SAR子层分割成适合ATM信元传送的SAR-PDU格式。两种工作模式又都提供了两种对等层的操作过程，分别为确保操作和非确保操作。前一种操作要重传丢失或损坏的AAL-SDU，而后一种操作不保证重传和纠正丢失或损坏的AAL-SDU。第五章 ATM交换技术 2SAR子层子层 SAR子层向ATM层发送数据单元时，将不固定长度的CS-PDU转换成为固定长度的SAR-PDU。SAR子层从ATM层接收数据单元时执行相反的操作，并可以在对等的SAR实体间利

63、用ATM层的连接，同时并发地传送多个用户的SAR-PDU。SAR子层具有复用/分路、错误校验和CS-PDU拆装等功能。SAR-PDU的格式如图5.14所示。第五章 ATM交换技术图5.14 AAL3/4 SAR-PDU的格式第五章 ATM交换技术 (1) ST为段类型，占2 bit，表示SAR-PDU的不同数据类型。AAL3/4规定了4种不同的数据类型： ST10，消息开始(BOM)，表示后面的SAR-PDU负荷区中承载的是SAR-SDU的第一段； ST00，消息继续(COM)，表示后面的SAR-PDU负荷区中承载的是SAR-SDU的中间部分； ST01，消息结束(EOM)，表示后面的SAR-

64、PDU负荷区中承载的是SAR-SDU的结束段； ST11，单段消息(SSM)，表示后面的SAR-PDU负荷区中承载的是一个完整的SAR-SDU。第五章 ATM交换技术 (2) SN为序列编号，占4 bit，用来表示来自同一个SAR-SDU的各SAR-PDU编号，并以此发现SAR-PDU的丢失和错插。注意：SAR子层可以复用多个通信连接，所以在SAR子层上相继到来的两个SAR-PDU中的SN不一定是按顺序的，只有承载同一个SAR-SDU的各个SAR-PDU的SN域才是按顺序到达的。 (3) MID为复用标识符，占10 bit，用以标识不同的 SAR子层的连接，表示一条虚信道连接VCC上可以复用1

65、024条用户连接过程。第五章 ATM交换技术 (4) LI为长度指示，占6 bit，指示SAR-PDU净荷区中装载最后一个有效用户信息字节的位置。最后段和单段需要该指示标志。 (5) CRC为循环冗余校验序列，占10 bit，生成多项式为x10+x9+x5+x4+x+1，用于校验SAR-PDU在传送中可能发生的错误。第五章 ATM交换技术 3公共部分汇聚子层公共部分汇聚子层(CPCS) AAL3/4的CS分成CPCS和SSCS两部分。SSCS主要用于支持C类业务。在消息工作模式下，SSCS内部提供组块/分块功能(在一个SSCS中传递一个或多个固定长度的AAL-SDU)和分段/重装功能(将单个可

66、变长度的AAL-SDU在一个或多个SSCS-PDU中传送)。在流工作模式下，SSCS内部可提供分段/重装功能以及管道功能，即不必等收完一个AAL-SDU才开始发送。另外，SSCS还可以提供流控和重传丢失或错误的SSCS-PDU功能。但目前SSCS的结构和编码格式还没有标准。 CPCS提供l65 535字节任意长度帧的非确保传送。CPCS-PDU的格式如图5.15所示。第五章 ATM交换技术图5.15 AAL3/4 CPCS-PDU格式第五章 ATM交换技术 (1) CPI为公共部分指示，占8 bit，用于指示使用的CPCS协议。目前CPI只有一种取值，即00000000。 (2) Btag为开

67、始标签，Etag为结束标签，各占8 bit。Btag和Etag联合使用，同一个CPCS-PDU中，Btag和Etag取相同值，而顺序发送的CPCS-PDU应使用不同的Btag和Etag，以确保CPCS-PDU的完整性。考虑到SAR子层已经使用段类型ST和复用标志MID，所以标签方式实际上是冗余的。 (3) BAsize为缓冲区分配容量，占16 bit，用于指示接收方缓冲区的大小设置。第五章 ATM交换技术 (4) PAD为填充域，占03个字节，附加在CPCS-PDU净荷区后部，使CPCS-PDU的长度成为4字节的整数倍。 (5) AL为长度校正，8 bit，内容恒为零，用于填充CPCS-PDU

68、尾部，使其长度为4字节，功能和填充域相类似。 (6) LI为长度指示，16 bit，表示CPCS-PDU的净荷区长度。 从以上说明可以看出，AAL3/4的额外开销比较大，循环冗余校验功能并不完善，因为校验频度高而且无法完成突发错误的校验工作，所以具有高效数据业务适配功能的AAL5的应用将更广泛。第五章 ATM交换技术5.5.5 AAL5 前面已介绍过AAL5是“ATM论坛”针对AAL3/4的不足提出的一种新的AAL协议，它的结构和AAL3/4相同，是AAL3/4的一个子集，是一种在CPCS以下提供较低开销而有较好检错能力的协议。在CPCS以上，除不能支持复用外，AAL5的业务和AAL3/4提供

69、的业务是等同的。如果需要在AAL实现复用，可以由SSCS来完成。第五章 ATM交换技术 1SAR子层子层 AAL5拆装子层(SAR子层)从CPCS接收变长的SDU， 产生相应的SAR-PDU。SAR-PDU包含48字节的SAR-SDU。所以在SAR-PDU中没有其它的开销，SAR子层只完成分段与重装功能。那么如何识别SAR-PDU的开头和结尾呢？ATM利用了ATM信元信头PTI域中的AUU参数。AUU参数值为“l”，表示SAR-SDU的结尾，AUU参数值为“0”，则表示一个SAR-SDU的开始或延续，因而省去了AAL3/4中的ST域。这样，AAL利用了ATM层信头中传递的信息，使AAL5的存在

70、不再完全与下层的ATM无关，违反了OSI体系结构的分层标准。但由于它简单而有效，仍被ITU-T采纳。当然也可以认为是AAL5对ATM协议参考模型进行了修改。SAR子层另外还具有保持SAR-SDU、处理拥塞信息、处理丢失优先级信息等功能。第五章 ATM交换技术 2汇聚子层汇聚子层(CS) AAL5的CS子层也分成CPCS和SSCS两个子层，其中SSCS还没有规范。CPCS完成的功能和AAL3/4的CPCS完成的功能基本一致，只是AAL5的CPCS不再向接收端相同层实体发送缓冲容量指示，但提供32 bit的CRC校验，以保证数据充分正确传送。AAL5 CPCS-PDU的格式如图5.16所示。图5.

71、16 AAL5 CPCS-PDU的格式第五章 ATM交换技术 (1) PAD为填充域，有047字节，用于填充CPCS-PDU，使其长度为48字节的整数倍。 (2) UU为CPCS用户间指示，8 bit，用于透明传送CPCS用户的信息，具体定义由CPCS的上层给出。 (3) CPI为CPCS公共部分指示，8 bit，目前的作用是用于填充CPCS-PDU的尾部，使其满64 bit，将来还可能用于承载其它信息，如层管理等。 (4) LI为长度指示，16 bit，最多可以表示64 K字节的数据段长度。如果LI0，表示CPCS指示对方执行放弃操作。 (5) CRC为循环冗余校验序列，32 bit，用于对

72、本身以外的整个CPCS-PDU内容进行校验，其生成多项式为：x32x26x23x22x16x12x11x10x8x7十x5x4x2x+1 第五章 ATM交换技术5.6 ATM交换技术交换技术1ATM交换机的组成结构交换机的组成结构 ATM交换机由5大功能模块组成，即入线处理模块、出线处理模块、交换模块，如图5.18所示。图5.18 ATM交换机的组成结构第五章 ATM交换技术 入线处理模块对输入线路上的信息流进行信元定界、信元有效性检验和信元类型分类。输入线路上的信息流实际上是符合物理层接口信息格式的比特流。入线处理模块首先要将这些比特流分解成长度为53字节的信元，然后再检测信元的有效性，将空

73、闲信元、未分配信元及信头出错的信元丢弃，最后根据有效信元信头中的PTI标志，将OAM信元交呼叫处理控制模块处理，其它用户信息信元送交换模块进行交换。 出线处理模块完成与入线处理模块相反的处理，主要是将交换模块输出的信元流、控制模块输出的OAM信元流以及相应的信令信元流复合，形成送往出线的特定形式的比特流，并完成信息信元流速率和线路传输速率的适配。第五章 ATM交换技术 呼叫处理控制模块完成VCC、VPC的建立和拆除，并对ATM交换模块进行控制，处理和发送OAM信元，发送信令信元，保证用户/网络的操作顺利进行。 交换单元模块完成交换动作的控制，将某输入线上的信元交换到某输出线上。 拥塞控制和资源

74、管理模块对网络资源和网络拥塞进行控制和管理。第五章 ATM交换技术 2ATM交换机中的缓冲策略交换机中的缓冲策略 缓冲策略或称排队策略，是ATM交换结构设计中的一个非常重要的方面。根据缓冲器所在的位置，可以将缓冲策略分为外部缓冲和内部缓冲两种方式。 1) 外部缓冲 外部缓冲指缓冲器不是设置在交换结构的内部，主要有输入缓冲、输出缓冲、输入与输出缓冲、环回缓冲等四种方式，如图5.19所示。第五章 ATM交换技术图5.19 四种外部缓冲方式(a) 输入缓冲；(b) 输出缓冲；(c) 输入与输出缓冲；(d) 环回缓冲第五章 ATM交换技术 2) 内部缓冲 内部缓冲是将缓冲器设置在交换结构的内部。无阻塞

75、结构不需要内部缓冲。在多级交换网络中，在每个交换单元均设置缓冲器，主要有输入缓冲、输出缓冲、交叉点缓冲和共享缓冲等方式。 采用内部缓冲的多级有阻塞网络可以减少信元丢失，但是也有两个主要缺点：一个是增加了信元的时延和时延抖动；另一个是对于多通路网络，如果属于同一虚连接的信元在交换结构中选用不同的通路，则会发生信元失序的现象。第五章 ATM交换技术5.6.3 ATM交换单元的结构交换单元的结构 ATM交换单元能够实现任意出、入线之间的信元交换，也就是任一入线上的任一逻辑信道的信元能够被交换到任一出线上的任一逻辑信道中去。根据交换单元的不同内部结构可以将其分为三类：共享存储器结构、共享媒体(总线或者

76、环形)结构和空分交换结构。 1共享存储器结构共享存储器结构 图5.20给出了共享存储器的结构。这种结构中，存储器为所有的输入端口和输出端口共用，每一条输入线配置有一个输入控制器，每一条输出线配置有一个输出控制器。第五章 ATM交换技术图5.20 共享存储器的ATM交换结构第五章 ATM交换技术 存储器的分配有固定分配和动态分配两种方式。固定分配就是将整个存储区划分为存储单元数相等的N个存储块，每一个存储单元存储一个信元，每一个存储块为某一条输出线服务。这种方式控制管理简单。动态分配方式就是将整个存储区为所有输出线共用，这样可以使存储器得到充分利用，但控制管理复杂。 共享存储器结构受到处理时间、

77、存储器读写时间和存储器容量的限制。 共享存储器结构要有足够高的处理速度，使得处理时间很短，从而能与信元流的输入速率相适配。因此，它对存储器访问速度的要求比较高。由于受到存储器访问速度的限制，交换结构的容量(端口数及链路速率)不可能太大。第五章 ATM交换技术 2共享媒体结构共享媒体结构 图5.21给出了共享媒介的交换结构。媒介可以是总线形或者环形。每条入线都连接到媒介上，每条出线则通过输出缓冲器和地址过滤器连接到媒介上。总线包括地址总线、数据总线和控制总线。对于总线式结构的ATM交换单元，由于所有输入线在某一时刻的信元都必须交换到相应的输出线上，也就是在同一时间，所有输入线上的信息都要发送到总

78、线上，这就要求总线的信息传输速率是输入线信息传输速率之和，否则会造成信元的较大延时。第五章 ATM交换技术图5.21 共享媒介的交换结构第五章 ATM交换技术 共享媒介结构的吞吐量受到时分总线速率和队列缓冲器容量的限制。 共享总线的速率限制成为交换结构的瓶颈，限制了容量的扩大。采用多总线或多环的并行结构，可以降低速率要求。第五章 ATM交换技术 3空分交换结构空分交换结构 空分交换结构是一种矩阵式交换结构。如图5.22所示，多条入线和多条出线分别连接到空分交换矩阵。在空分交换矩阵入线和出线的交叉点处相当于有一个开关，通常这些开关是触点开关或电子开关。N路输入线和N路输出线之间有N2个开关节点，

79、只要适当控制这些开关接通或断开，即可在任一入线和出线之间构成通路。 当入线、出线数目增加时，交换矩阵的节点数呈平方级增长，这将使控制结构复杂化。所以当交换容量增大时，一般采用多个交换矩阵级连的方式。第五章 ATM交换技术图5.22 空分交换结构第五章 ATM交换技术5.6.4 ATM交换网络交换网络 交换网络直接影响交换机的容量。一般小容量交换机的交换网络可以直接由前面介绍的基本交换单元模块来实现。大容量交换机的交换网络则需要由多个基本交换单元模块按照一定的拓扑结构组合而成。根据ATM交换网络的级数可分为单级交换网络和多级交换网络。第五章 ATM交换技术 1单级网络单级网络 单级网络的特点是单

80、级交换模块连接到交换网络的输入端和输出端。主要类型有扩展型交换矩阵、漏斗型网络和混叠型交换网络。 1) 扩展型交换矩阵 扩展型交换矩阵如图5.23所示，它由多个bb的基本交换模块组成。理论上，这种方法可以实现任意规模的交换网络。第五章 ATM交换技术图5.23 扩展型交换矩阵第五章 ATM交换技术 为了实现扩展型交换矩阵，需要对前面介绍的基本交换单元模块进行改进，其方法是通过增加b个输入和b个输出进行扩展。通过基本模块右边的输出口，输入信号被中继到下一列基本模块的输入口。另一组输入连接到同一列相邻交换模块的正常输出口。 由于信元通过网络时只被缓存一次，因而扩展型交换模块具有很小的交叉时延且交叉

81、时延取决于输入的位置。交换模块的数量随所要求的输入端口数量增加而增加，这就限制了扩展型交换模块的规模。这类单级交换网络的规模一般为6464或128128，后面可看到多级网络比较适用于大规模的交换系统。第五章 ATM交换技术 2) 漏斗型网络 图5.24表示了一个NN非阻塞(non-blocking)交换网络。交换模块按照类似漏斗形状的结构连接。所有的交换模块由2b个输入和b个输出组成。每个漏斗表示一个Nb矩阵，有N个这样的矩阵并行工作。目前的技术水平可以实现3216的交换模块。一个单级的128128交换网络可以利用这些基本模块实现。第五章 ATM交换技术图5.24 漏斗型网络第五章 ATM交换

82、技术 3) 混叠型交换网络 混叠型交换网络如图5.25所示。它是基于对输入的交互排列，并将该排列连接到一单级交换网络上。为了使信号从一个给定的输入口到达任意的输出口，有必要利用反馈机制，如图5.25虚线所示。很明显，信元在到达目的地之前可能要多次通过网络。因此，该网络亦称为再循环网络。在网络输出端，交换模块必须裁决信元是离开网络还是反馈到输入端。 这种类型的网络只需要少量的交换模块，但性能不太理想，时延大小取决于反馈的次数。第五章 ATM交换技术图5.25 混叠型交换网络第五章 ATM交换技术 2多级网络多级网络 由于单级交换网络容量较小，所以在大规模交换系统中，必须采用多级交换网络。多级网络

83、由多级交换模块以一定的连接方式构造而成。在多级网络中，对于给定的输入，可以选择不同的路径到达预期的输出口。根据这些路径的数目分为单路径网络和多路径网络。第五章 ATM交换技术 1) 单路径网络 在单路径网络中，对于给定的输入，只有一条路径到达预期的输出口，这类网络也称为Banyan网络。由于只有一条路径，路由变得非常简单。由于内部链路很可能同时被几个不同的输入所使用，因而在Banyan网络中会发生内部阻塞。 Banyan网络采用树形结构将多个交换单元互连，形成28、48、68、88的交换结构，如图5.26所示。Banyan网络具备自选路由的功能，即交换单元根据输入端口的比特信息进行选路。我们以

84、22交换单元为例，“0”表示交换到上面的输出端口，“1”表示交换到下面的输出端口，这种22交换单元也可以扩展到NN。 第五章 ATM交换技术图5.26 Banyan网络的树形结构(a) 28结构；(b) 48结构；(c) 68结构；(d) 88结构第五章 ATM交换技术 如图5.27所示为由22交换单元构成的三级Banyan网，选路原则是从高阶比特到低阶比特依次选路。选路过程如下：由001号输入端口进入的信元目的地址为110，表明该信元要交换到110号输出端口，则信元进入第一级交换单元，根据输出端口的高阶比特进行选路，因为高阶比特是“1”，所以交换单元选择下面的输出端口；然后进入第二级交换单元

85、，根据中阶比特进行选路，中阶比特也是“1”，所以交换单元选择下面的输出端口；进入第三级后，因为低阶比特是“0”，所以交换单元选择上面的输出端口，找到110输出端口，完成自选路径的过程。第五章 ATM交换技术图5.27 三级Banyan网络的自选通路第五章 ATM交换技术 Banyan网络存在内部阻塞和输出冲突的问题。图5.28示出了内部阻塞和输出冲突的实例。由于内部阻塞和输出冲突的存在降低了交换网络的接通率，因此为了降低阻塞和输出冲突，增加了一个分类网络，即在进入Banyan网络以前进行排序，使得网络负荷均匀，减少冲突，这样便构成了Batcher-Banyan网络。图5.29为一个88的Bat

86、cher-Banyan网络。第五章 ATM交换技术图5.28 内部链路阻塞和输出端口冲突示意图(a) 内部链路阻塞；(b) 输出端口冲突第五章 ATM交换技术图5.29 Batcher-Barryan网络结构第五章 ATM交换技术 Batcher用来排序，Banyan用来选路。所谓排序，就是将进入排序网络各个入端的信元按信元的目的地址的大小排列在排序网络的出端。排列次序可以为升序或降序。 从图5.29可以看出，Batcher排序网络由多级构成，每级包含若干个22的排序器。箭头向上的称为向上排序器，箭头向下的称为向下排序器，前者使目的地址大的信元出现在排序器的上面1条出线上，后者使目的地址大的信

87、元出现在排序器的下面1条出线上。如果排序器只有1个信元到达，那么该信元作为目的地址小的信元来处理。第五章 ATM交换技术 Batcher网络依次由4个22排序器、2个44排序器和1个88排序器构成。通过整个排序网络后，信元将按目的地址的升序排列在各条出线上。 网络内部级间互连有一种规则称为混洗(shuffle)模式。 a-混洗就是将一组元素分为a堆，然后依次取各堆的第一个，再取各堆的第二个，直到取完。2-混洗相当于把一组元素分成2堆，与扑克牌的洗牌类似，称为完全混洗或完全洗牌(Perfect shuffle)。排序网络与banyan之间为完全混洗连接。这样，只要目的地址没有重复，进入Banya

88、n的所有信元都可以无冲突地到达所需输出端。第五章 ATM交换技术 2) 多路径网络多路径网络 在多路径网络中，对于给定的输入，可以存在几条不同的路径到达预期的输出口。这有利于克服内部阻塞效应。大部分多路径网络在连接建立阶段确定内部路由。某一连接上的所有信元使用相同的内部路径。如果每个交换模块都提供FIFO功能，就可保证信元的顺序整体性，从而不需要排序功能。 多路径网络又可进一步分为折叠式和非折叠式网络，进一步的内容可参考相关资料。第五章 ATM交换技术5.6.5 ATM交换网络的选路控制方法交换网络的选路控制方法 在信元进入到交换网络时，如何引导信元通过交换网络，正确传送到所需的出端，属于选路

89、控制功能。选路控制有两种方法：自选路由和转发表控制选路。 ATM交换网络内部选路可以采用面向连接或者无连接方式，前者是在逻辑连接建立时选定交换网络中的通路，后者则不预先选定通路，而是在每个信元到达时选择通路。无连接具有更好的内部资源共享，但要采取一定的方法来避免属于同一逻辑连接的信元失序。第五章 ATM交换技术 1自选路由自选路由 自选路由在每个到来的信元进入交换网络之前加上路由标签，各级交换单元按照路由标签中相应的路由信息来确定其出线，直到最后一级交换单元自行选路后就可到达所需的出端。 仅以2级网络为例，采用自选路由的控制方法如图5.30所示。在连接建立时，已将路由信息写入转发表。当某入端到

90、达一个信元时，按其VPI/VCI值查转发表，得到新的VPI/VCI值B和路由信息m、n，于是VPI/VCI的原有值A更改为新值B，并在前面加上路由标签m、n后送往交换网络。各级交换单元依次按m、n确定其出线。当信元离开交换网络时，路由标签完成其使命，标签被取下。路由标签的长度取决于交换网络的级数和每个交换单元的入/出线数，例如由1616的交换单元组成的5级交换网络，路由标签需要54=20 bit。第五章 ATM交换技术图5.30 自选路由示例第五章 ATM交换技术 如果采用无连接，则路由标签在每个信元到来时生成。属于同一虚连接的各个信元可以具有不同的路由标签，这就意味着同一虚连接的各个信元可以

91、选用多级交换网络中的不同通路，从而引起信元失序。对于多级多通路的交换网络，通常是开始的几级可以任意选择通路，后面几级需要按照出端地址选定通路，因此无连接的路由标签可以不包含前面几级的路由信息。第五章 ATM交换技术 2转发表控制选路转发表控制选路 转发表控制选路是按照交换单元内部的转发表中的信息来完成选路的。如图5.31所示，每个交换单元有一张转发表，按照进入信元的VPI/VCI值可以查找到输出VPI/VCI值。信元在交换网络中传送时仍为53字节，没有增加任何开销，但在交换单元内部增加了控制选路所需的转发表。第五章 ATM交换技术图5.31 转发表控制的选路示例第五章 ATM交换技术 交换单元

92、转发表中的信息是在虚连接建立时写入的。如果交换网络内部采用无连接时，由于属于同一虚连接的信元会选用交换网络中的不同通路，那就需要在所有交换单元中都存放其路由信息。与自选路由相比较，转发表控制选路较易实现多播功能。第五章 ATM交换技术5.6.6 交换节点信元转发交换节点信元转发 1ATM网的网络结构网的网络结构 一个典型的ATM网络由ATM业务终端、ATM接入系统、ATM传输、ATM交换节点等几部分组成，如图5.32所示。图5.32 ATM网的网络结构示例第五章 ATM交换技术 2ATM交换节点转发表的建立交换节点转发表的建立 在电路交换网中，通常采用预先设置路由的选路方法。例如，我国的长途自

93、动交换电话网中的选路按照首选高效直达路由，然后依次选择第一迂回路由，第二迂回路由，直至最终路由的选路方法。ATM标准制定的部门ITU-T和“ATM论坛”，各自以不同的经历制定了两种截然不同的选路方法。ITU-T建议仍然采用预先设置路由的选路方法，而“ATM论坛”由于其组成单位大多数来自于计算机厂商，因此该组织推荐了名为专用网络网络接口(PNNI)的分层动态选路方案。PNNI最多可分为105层，PNNI是静态选路。关于PNNI更深一步的内容可查阅相关资料。下面简要叙述ITU-T的路由选择方法。 ATM网络的路由选择分为两个阶段：呼叫建立阶段和数据传输阶段，这两个阶段的路由选择是不同的。第五章 A

94、TM交换技术 1) ATM网络的路由选择 ATM网络中每个ATM交换机均有路由表。它是根据ATM网络的拓扑结构预先建立好的。路由表的更新由维护人员完成，类似于公用电话网PSTN。第五章 ATM交换技术 在呼叫建立阶段，ATM信令信元(UNI信令和NNI信令)在一个特定的虚通道(VPI=0，VCI=5)上传送，所有的ATM交换机都被配置成从这个虚信道接收信令信元。除了信令信元外，没有其它类型的数据信元通过该通道发送。每个ATM交换机都把所收到的信令信元递交给一个专门的信令处理模块进行处理，处理完之后，ATM交换机把该信令信元转发出去。在ATM网络中，VPI/VCI只在建立好的一段链路上有效，也就

95、是说只具有局部意义。信令信元穿过ATM网络，从一个交换机到另外一个交换机，在信令所经过的每一个交换机中均建立VPI/VCI转发表，形成从源节点到目的节点的一系列VPI/VCI转发表，这些转发表构成了一条数据传输通路。第五章 ATM交换技术 数据传输通路建立起来以后，就可以传递用户数据。当用户数据以ATM信元方式进入ATM节点后，根据输入信元头部的VPI/VCI值，查找VPI/VCI转发表，将输入信元的VCI/VPI值改变为相应输出信元的VCI/VPI值，并控制交换网络将信元交换到对应的输出端口上，这就完成了高速数据交换。第五章 ATM交换技术 2) ATM网络路由选择结果示例 前面介绍了VC相

96、当于支流，VP相当于干流。在接入侧用VCI管理的粒度比较细，可以管理到每一个连接。在高速骨干网中，可能同时有成百上千万个连接，可能同时有几千个VC在使用同一个VP，用管理粒度比较粗的VPI进行管理，比用VCI进行管理无论从资源占用、管理复杂程度、软件设计等方面都容易得多。 图5.33为ATM网络路由选择结果示例。VPI/VCI用(X.Y)表示，符号“X.”用于骨干网内的ATM交换机上，表示它们仅仅查看VPI字段；符号“Y”则用于骨干网外的接入交换机上。第五章 ATM交换技术图5.33 ATM网络路由选择结果示例第五章 ATM交换技术 ATM交换机S1、S8为接入交换机，S2、S3、S4、S5、

97、S6、S7为骨干网的核心交换机，建立好的一条虚连接为S1S2S3S6S7S8，如图中粗黑线所示。ATM交换机S1到S2的端口1的VCI为89，S2查找转发表，输出端口为3，交换后的VPI/VCI为(187.42)；ATM交换机S2连接到S3的端口2，S3查找转发表，输出端口为8，交换后的VPI为57；交换机S3连接到S6的端口4，S6查找转发表，输出端口为9，交换后的VPI为64；交换机S3、S6为核心交换机，只进行VPI交换，忽略VCI，也就是说VCI=42在整个骨干网内保持不变；交换机S7的输出为接入交换机S8，输入端口7的VPI/VCI为(64.42)，交换到输出端口5的VCI变为38。

98、第五章 ATM交换技术5.7 ATM 信信 令令5.7.1 信令协议的体系结构信令协议的体系结构图5.34 ATM宽带网络信令协议结构第五章 ATM交换技术ITU-T在UNI上分为下列两种信令访问结构：点到点信令结构；点到多点信令访问结构。 在点到点信令访问结构中，在用户侧的信令端点根据用户网络结构可以是单个终端也可以是智能终端。信令端点通过一条永久建立的虚信道(VC)来连接，利用该信道可以为用户提供呼叫建立和释放。在一点到多点信令访问结构中，几个信令端点放置于用户侧，如一点到多点终端结构。对于这种情况，需要有元信令来管理其它信令的关系。图5.34的左边给出了这两种信令访问结构的协议构造。第五

99、章 ATM交换技术 在NNI上，可以用已有的7号信令或利用ATM网络传输信令消息，其信令协议表示在图5.34的右边。ITU-T将B-ISUP的功能划分为3个能力集(CS)：CS-1支持基本承载业务和用户补充业务以及与N-ISDN的互通；CS-2支持可变比特率业务，并将呼叫与连接控制分离；CS-3支持多媒体业务和分配性业务。很明显，再次使用7号信令可以加快建立B-ISDN的实用化进程，但利用ATM传输网络来传输信令可充分利用ATM技术的优点。因此，基于ATM的信令传输网络可能是未来的最佳选择。对于基于ATM的信令传输，OAM协议管理两交换机之间的SVC，因而在NNI上不再需要元信令。第五章 AT

100、M交换技术 图中各层的基本功能如下： (1) 物理层(PL)：主要提供有效信元的传送，如实现速率耦合、信头差错控制、信元定界、扰码以及提供比特适配物理载体的功能，详见I.432建议。 (2) ATM层：对ATM信令实现信令虚信道的连接(VCC)和释放，以采用固定长度来传递各种信令信息。在UNI的用户接入信令中，除完成上述功能外，对点到多点的虚拟信令信道连接，还必须包括元信令，以实现SVCC的分配、检测和释放等管理功能，详见ITU Q.2120建议。第五章 ATM交换技术 (3) 信令ATM适配层SAAL：为了支持BISDN信令业务，必须在ATM层的基础上附加信令的ATM适配层，构成OSI层次模

101、型的第二层数据链路层功能。SAAL是将高层各种业务的协议数据单元(PDU)作为SAAL的业务数据单元(SDU)，并将其分割成固定长度为48字节的信息块，作为ATM层的SDU，装入信元的信息字段，并完成逆过程。 (4) Q.2931用户应用层：在UNI的高层是用户呼叫的建立和释放以及用户补充业务等程序，详见Q.2931和Q.2951等建议。第五章 ATM交换技术 (5) MTP：完成CCITT 7号信令方式中消息传递部分(MTP)的三级信令网功能，详见有关7号信令建议。 (6) B-ISUP(Q.2761Q.2764建议)：规定了局间宽带ISDN业务呼叫的建立与释放以及用户补充业务的信令程序。它

102、可以应用于国际和国内的B-ISDN网络，在转接节点，B-ISUP可以支持1992年版本规定的N-ISUP提供的业务。若国内B-ISUP中有国际B-ISUP未规定的业务，可以引入新的编码以满足国内特定业务的要求。ITU-T有关用户补充业务由Q.2730规定，B-ISUP和N-ISUP的配合由建议Q.2660规定。第五章 ATM交换技术5.7.2 信令消息信令消息1UNI信令消息信令消息图5.35 UNI信令消息第五章 ATM交换技术 每个信令消息都包含一些信息单元，其中一些是强制性的(M)，另一些是选择性的(O)。协议中主要使用的强制性信息单元为：要求的ATM用户信元速率；被呼叫方号码；连接标识

103、符(分配的VPI/VCI)；要求的业务质量(QoS)类别。第五章 ATM交换技术 与某个呼叫有关的消息中，每个消息都应包含一个共同的必备信息单元，即呼叫参考值(Call Reference)，它在信令接口上是惟一的。所有的消息必须包括一个关于其类型、长度和协议鉴别语的信息单元。除必备信息单元外，每个消息还应包括大量的可选信息单元，如：要求的宽带承载能力；宽带低层和高层信息；AAL参数；被叫方子地址；主叫方号码和子地址；中间网络选择；原因码；端点参照标识符和端点状态数。第五章 ATM交换技术 2NNI信令消息信令消息 B-ISUP的消息结构与N-ISDN的相同，其业务指示语(SI)为1001，信

104、令信息字段(SIF)的格式如图5.36所示。图5.36 B-ISUP消息的SIF的格式第五章 ATM交换技术 B-ISUP定义了28种不同的消息，例如初始地址消息(IAM)、IAM证实消息(IAA)、地址全消息(ACM)、呼叫进行消息(CPG)、应答消息(ANM)、释放消息(REL)、释放完成消息(RLC)等，这里不再一一列举。第五章 ATM交换技术5.7.3 ATM网络的呼叫控制过程网络的呼叫控制过程图5.37 ATM网络呼叫建立、保持和释放过程第五章 ATM交换技术 1成功连接的呼叫建立规程成功连接的呼叫建立规程 当本地交换机收到主叫用户发来的建立消息(SETUP)后，要进行判断，如果确认

105、此次呼叫为出局呼叫，就启动网络信令B-ISUP规程，进行路由选择与VC分配等处理，然后向后续的中转交换机发出IAM信息。IAM消息中各参数的内容，一部分是由本地交换机的路由选择处理而得到的，用来使各个转接交换机能正确地确定路由；另一部分是根据用户信令的SETUP消息中的信息单元转换过来的。转接交换机收到前一级交换机发来的IAM消息后，为这次呼叫分配其将要使用的VPI/VCI以及相应的VC所占用的带宽。完成这些处理后，便向前一级交换机回送IAA(IAM ACK)消息，同时向后一级交换机转发IAM消息。第五章 ATM交换技术 当IAM消息被逐级转发到与被叫用户相接的交换机(称为远端交换机)后，远端

106、交换机首先向前一级回送IAA消息，然后进行一系列的处理：首先分析被叫地址，确定这一呼叫要连接到哪个被叫用户；然后再检验这样的连接是否允许，如果允许，就启动用户信令规程，向被叫用户发建立消息(SETUP)。第五章 ATM交换技术 远端交换机向被叫用户发出建立消息后，将向本地交换机方向回送ACM消息，利用消息中的“被叫状态”这一参数指示被叫用户是否处于提示状态。沿途各转接交换机对ACM消息逐级转发，直至本地交换机。当本地交换机收到ACM消息并得知被叫用户已开始提示消息(ALERTING)后，就向主叫用户发用户信令中的提示消息。如果远端交换机发出ACM消息时，被叫用户还没有开始提示，而在此之后才收到

107、被叫用户发来的提示消息(ALERTING)，那么远端交换机将利用呼叫进展消息(CPG)来指示。这种情况下，本地交换机是在收到ACM消息后向主叫用户发提示消息的。第五章 ATM交换技术 当远端交换机收到被叫用户的连接消息(CONNECT)后，将向本地交换机方向送ANM消息。沿途各中间交换机收到这一消息后，先将本交换机所控制的供这一呼叫使用的双向VC连接接通，然后再向前一级交换机转发ANM消息。当本地交换机收到ANM消息后，也将自己所控制的VC连接接通，这样，在网络内部已经为这次呼叫建立起来了双向的VC连接。此后本地交换机向主叫用户发用户信令连接消息(CONNECT)。至此，网络信令为一次呼叫成功

108、地建立连接的处理过程就结束了。第五章 ATM交换技术 2连接释放过程连接释放过程 不论是由主叫用户发起的连接释放，还是由被叫用户发起的连接释放，其处理过程是完全一致的，只不过本地交换机与远端交换机所执行的功能对调而已。 下面以主叫用户发起释放的情况为例来说明。接收到主叫用户发来的释放请求消息(RELEASE)后，本地交换机立即释放其所控制的该呼叫占用的VC连接，也就是说相应的VPI/VCI与其所占用的网络资源就可被重新利用了。然后本地交换机向后续交换机转发释放消息REL。当远端交换机收到逐级转发来的REL消息后就启动被叫侧用户信令的连接释放规程，释放相应的 VC连接，并回送释放完成消息(RLC

109、)给远端交换机。远端交换机转发RLC消息，释放相应的VC连接；当中间交换机收到下一级交换机发回来的RLC消息后，才释放其所控制的VC连接。至此，网络信令中连接释放的控制过程就完成了。这一过程中的消息流程可以用图5.37的下半部分流程来表示。第五章 ATM交换技术5.8 ATM网络的业务量管理网络的业务量管理 前面介绍ATM适配层业务类型分为A、B、C、D四种，适配层作用是将不同种类的用户信息适配成适合在网络中传输的ATM信元，用在ATM网络接入侧。 那么如何在ATM网络中保证不同业务的服务质量呢？为此“ATM论坛”定义了四种服务类别：恒定比特率服务(CBR)、可变比特率服务(VBR)、可用比特

110、率服务(ABR)和非指定比特率服务(UBR)。其中，可变比特率服务分为实时(rt-VBR)和非实时(nrt-VBR)。第五章 ATM交换技术 CBR服务为用户提供一条恒定带宽的信道，它需要在整个连接持续期间具有连续可用的恒定数据率，并对传输时延有相对严格的上限要求。CBR通常用于未压缩的声音和视频信息。rt-VBR服务为用户提供实时的可变速率的信息传输，对时延和时延抖动有严格的要求。rt-VBR与CBR的不同之处是rt-VBR应用的传输速率会随着时间变化。rt-VBR服务比CBR允许网络有更大的灵活性。nrt-VBR服务用来传输非实时的突发性业务。ABR采用基于速率的闭环控制原理，根据网络运行

111、情况自适应地要求信息源端调整速率，即在网络拥塞时降低信息源端速率，在解除拥塞后升高信息源端速率，信息源端速率在峰值信元速率PCR和最小信元速率MCR之间动态调整。UBR提供尽力而为的服务，不保证时延、丢失率。在网络拥塞时，直接丢弃UBR信元。第五章 ATM交换技术5.8.1 网络资源管理网络资源管理 网络资源一般是指系统的带宽、缓存器容量以及CPU的处理能力等。网络资源管理包括对系统带宽的分配、缓存器划分以及CPU的调度等。在程控电话交换中，每次呼叫带宽是固定的，64 kb/s。在分组交换中，当会话连接建立后带宽也是固定的。但在ATM中，一次呼叫或某一类业务所需带宽的多少与该呼叫或业务的业务量

112、参数和所要求的服务质量有关。第五章 ATM交换技术 目前有两种方法可进行动态带宽管理和缓存器的快速资源管理，一种是带宽预留，另外一种是缓冲器预留。 快速带宽预留就是在突发业务信息发送前，请求端到端路由过程中的每个节点上预留带宽。第五章 ATM交换技术5.8.2 呼叫接纳控制呼叫接纳控制 呼叫接纳控制(CAC)是ATM特有的。在电路交换中，呼叫的带宽是固定的，如64 kb/s,只要从发端到终端选择一条通路，该呼叫即允许。但在ATM中，每次呼叫的带宽不固定，呼叫接纳不仅与业务量参数有关，而且还决定于服务质量。下面首先介绍业务流量参数和服务质量参数。第五章 ATM交换技术 1服务质量参数服务质量参数

113、 服务质量参数包括信元丢失率(CLR)、信元传递时延(CTD)、信元时延抖动(CDV)、信元错插率、误码率等。信元丢失率为丢失信元与发送信元的比率。信元传递时延包括线路传送时延、编码和解码时延、分段和重装时延、ATM节点处理时延(包括交换、排队、路由等时延)。信元时延抖动指信元聚结的程度，表示实际信元间隔与标准信元间隔的接近程度。信元错插率指错插信元与时间间隔的比率。误码率表示传递比特的出错概率。第五章 ATM交换技术 2业务流量参数业务流量参数 ATM网络中规定了几种基本的业务流量参数，网络根据这些参数对各种类型的业务分配带宽并进行拥塞控制。这些参数包括峰值信元速率(PCR)、信元延时变化容

114、限(CDVT)、可持续的信元速率(SCR)、突发容限(BT)等。 峰值信元速率表示在ATM连接上能够发送的信息速率的上限，用发送相邻两个信元的最小时间间隔的倒数表示。 信元延时变化容限是表示终端生成信元后，在UNI上容许该信元传递时间间隔变化的范围参数。这种时延变化是由物理层的开销和用户网络接口处的复用设备造成的。第五章 ATM交换技术 可持续的信元速率是可变比特率类业务应用参数，它表示在ATM连接上得到保证的平均速率的上限。平均速率指发送的信元数与连接时间的比值。在统计复用时，用大于可持续的信元速率而小于峰值信元速率的速率传送信元，可使业务得到保证。 突发容限也是可变比特率业务的参数，对应于

115、最大突发长度。第五章 ATM交换技术 3连接接纳控制连接接纳控制(CAC)过程过程 如图5.38所示，当用户向网络提出连接申请时，要给网络提交所申请连接的业务流量参数。网络根据当前资源和建立该连接所需要的资源进行决策。如果网络的当前资源能满足该连接申请的需求，则接受该连接申请，分配所需网络资源，并在用户和网络之间建立流量合约(解释)。否则，拒绝该连接申请。第五章 ATM交换技术图5.38 CAC控制示意图第五章 ATM交换技术 网络资源的分配办法有两种。一种是按峰值信元速率分配资源的方法，也称为“非统计类CAC方法”，它是按峰值信元速率给用户分配网络资源，用于CBR A类业务的资源分配。其优点

116、是实现简单，可以保证服务质量；缺点是对速率变化很大的变比特率业务来说，网络资源浪费严重。另一种CAC方法是等效带宽法，它是根据单个连接中信元的分布，综合网络中多个连接业务的特征来分配资源，即按等效带宽来分配资源，用于VBR业务的资源分配。这种方式实现复杂，但可以提高网络资源的利用率。第五章 ATM交换技术 CAC是交换机中的软件功能，它负责决定是否接受一个呼叫请求。呼叫请求中定义了业务源流量参数和所要求的QoS类别。CAC在 PVC建立时间或SVC呼叫产生时间决定是否接受呼叫请求。如果网络在接受某一请求时能确保所有已存在的连接QoS不受影响，则CAC接受该呼叫请求。CAC可以逐节点受理请求，也

117、可以利用集中系统进行。对于接受的请求，CAC确定UPC/NPC参数、路由和资源分配。分配的资源包括中继线带宽、缓冲器空间和交换机内部资源。第五章 ATM交换技术 为了获得较高的交换速率，CAC必须简单而且快速。CAC的复杂性与流量描述器有关。最简单的CAC算法是对峰值信元率的分配，如果峰值信元率的总和超过了中继线带宽，CAC就拒绝呼叫请求。CAC也允许在一定程度上“过载”分配网络资源，以便增加统计复用增益。 CAC在各节点工作的受理逻辑大致可分为两种。一种是计量流入各VP的信元数，以此作为判断受理VC的依据，此种方式适合于事先流量很难预测的数据通信业务。另一种是不依据业务量计量，而以用户申告的

118、流量描述器为基础进行受理判断。 第五章 ATM交换技术5.8.3 使用参数控制使用参数控制 使用参数控制分为两种，一种是用户使用参数控制(UPC)，另外一种是网络参数控制(NPC)。用户使用参数控制是指在用户接入点(UNI)上对来自用户的信元流进行监测和控制；如果网络对来自另一网络的信元流在NNI上进行监控，则称之为网络参数控制。UPC/NPC的主要目的在于通过监测和控制业务流量确保带宽和缓冲器等资源根据其流量合同(用户和网络之间的双重承诺)在用户中合理分配。如果没有UPC/NPC，网络资源就会被无意地或恶意地过量占用，以至影响到其它已建立的ATM连接的业务质量。标准中没有严格规范UPC和NP

119、C功能的实现方法，但规范了基于漏桶证实算法的UPC/NPC实现的性能。流量合同中的一致性连接定义确定了网络UPC的实现与理想的认证测试准则之间允许的误差程度，即UPC的松弛度。第五章 ATM交换技术 UPC要控制ATM连接所递交的业务量，以保证商定的流量合同得以遵守，其目标是由用户产生的超过流量合同规定的业务量永远不能接入网络。因此，UPC首先要对用户递交的信元流进行认证测试，以确定信元流是否遵守流量合同，从而激发信元级别的适当动作：当用户信元流遵守流量合同时，使信元通过(及允许接入网络)，当UPC与流量成形(traffic shapping)结合时还可以进行信元间隔空间重排；而当用户信元流违

120、反合同时，可对违约信元进行标记(即对CLP为0的信元进行操作，使其CLP为1)或直接将违约信元丢弃。当用户信元流违约时，甚至还会导致连接级别的动作，即将连接释放。是否选用这一功能将由网络运营者决定。第五章 ATM交换技术5.8.4 整形整形 根据排队理论，一个排队系统的服务性能不仅与服务时间分布、服务规则、缓冲器长度有关，还与顾客到达的分布密切相关。在其它系统参数固定的情况下，顾客到达这一随机过程的统计特性越平滑，其服务质量就越好。在ATM网络中，业务流是高度突发的，其业务速率变化很大。因此，如果能适当地改善业务流进入网络的统计特性，无疑会改善业务的服务质量。业务量整形就是完成这样的功能。第五

121、章 ATM交换技术下面列举了流量整形的几种实现方法：缓冲； 间隔(spacing)；降低峰值信元率；限制突发长度；限制业务源速率；优先权排队；帧处理(Framing)。第五章 ATM交换技术 为了确保信元流不违反合同中的流量参数，可采用缓冲与漏桶算法相结合的方法，即缓冲违约的信元直至漏桶证实这些缓冲信元已经守约。 终端利用间隔方法保存某个队列中来自多个虚连接的信元，通过安排这些信元离开队列的时间来确保输出信元流守约，并且减少时延抖动。 降低峰值信元率方法可以通过控制发端的峰值信元率(低于流量合同中规定的峰值信元率)来实现，这是一种保守的方法，它可减少违约的可能性。第五章 ATM交换技术 突发长

122、度限制方法类似于降低峰值信元率方法，它要求业务源设置突发长度小于流量合同中的最大突发长度(MBS)。 限制业务源速率是流量整形的一种隐含形式，它发生在实际业务源速率受限时，如电路仿真中，业务源速率受到固有限制。 帧处理在ATM信元序列上附加类似的TDM结构，利用帧结构将具有时延抖动控制要求的信元流安排到下一帧。第五章 ATM交换技术5.8.5 信元丢失和优先级控制信元丢失和优先级控制 ATM信元头部有一信元丢失优先级(CLP)字段，是指在网络发生拥塞时该信元被丢弃的优先级。0为高优先级，1为低优先级。对于高优先级信元，网络应分配足够的资源，保证其可靠地按时到达；对于低优先级信元，如果网络发生拥

123、塞，必要时可以丢弃。 优先权控制有助于高性能应用取得所要求的全方位QoS丢失参数和时延参数。这种控制可以采用优先权排队业务调度(Service scheduling)和公平排队等方法实现。一般来说，在交换机中存在着多个队列，以便那些不允许时延的信元能够安排到可以存在时延的信元流之前。第五章 ATM交换技术 优先权排队可以定义在不同的VPC和VCC之间，以便同时满足时延优先权和丢失优先权。图5.39列举了这种控制方法。在本例中，优先权排队功能安排在交换机的输出缓冲器上。来自于多个输入的信元流查找其在内部的优先权值，根据其优先权值到达输出口一个对应的队列。ATM输出口根据某种特定的调度(sched

124、uling)算法为每个队列提供服务。最简单的一种调度算法可描述为：对于优先级最高的队列，只要其中存在信元，输出口就总是首先为其服务。这种算法确保最高优先权的缓冲器具有最低的丢失率和时延。另外还可选择其它一些调度算法以将时延抖动均匀地分布在多个队列上。例如，某种调度算法可以使每个队列的信元在其最大时延到达之前发送，这就使最低优先权队列的时延抖动变小。这种调度算法非常有益于低速的帧传输协议，如帧中继。第五章 ATM交换技术图5.39 优先权排队第五章 ATM交换技术5.8.6 流量控制与拥塞控制流量控制与拥塞控制 在分组交换和程控交换中采用“窗口”法作为流量控制和拥塞控制的主要方法。所谓“窗口”法

125、，即当分组网中的分组数量超过事先约定的数(称“窗口”数)时，分组交换机就让没有进入网络的分组在缓冲器中排队等待。在程控交换机内，当同时呼叫的用户数超过一定用户数(亦可称“窗口”数)时，拒绝接受呼叫，产生呼损。但ATM采用光纤传输，传输速率非常高，信元在光纤中的时延非常短。比如，传输速率为155 Mb/s的1000 km光纤来回传输时延大约为10 ms，当控制发生时，在这1000 km长的线路上大约有3656(10/(538/155103)个信元正在传送中，对如此多的信元已无法控制。因此，传统的“窗口”法不适合ATM网络。第五章 ATM交换技术 ATM中的流量控制和拥塞控制措施可分为预防式和反应

126、式两大类。预防式流量控制是在网络拥塞发生前对进入网络的业务量进行限制。预防式流量控制是一种预先告知网络通信能力的控制方法，影响网络带宽的利用率。反应式流量控制如同分组交换网络中的“窗口”法那样，当网络中信元数超过一定数量时，对进入的信元进行控制，如用信元速率适配法或选择性地丢弃信元。反应式流量控制是将网络拥塞发生点的信息返回到源节点，以便降低速率。第五章 ATM交换技术 在拥塞状态下，用户提供给网络的净荷接近或超过了网络的设计极限，从而不能保证流量合同中规定的业务质量(QoS)。这种现象主要是因为网络资源受限或突然出现故障所致。造成ATM拥塞的网络资源一般包括交换机输入/输出口、缓冲器、传输链

127、路、ATM适配层处理器和呼叫接纳控制器(CAC)。发生拥塞的资源也称为瓶颈或拥塞点。第五章 ATM交换技术 1拥塞控制的因素拥塞控制的因素 一些应用特性对拥塞的产生负有一定责任，如连接模式、重传策略、认证策略、响应机制和流量控制等。与应用特性相反，一定的网络特性对控制拥塞起到了积极作用，如排队策略、业务调度策略、信元废弃策略、路由选择、传播时延、处理时延和连接模式等。 拥塞可以发生在不同的时间层次，如信元转发级、突发级或呼叫级。拥塞也可以发生在单个资源空间或多个资源空间。检测拥塞被称为标识、反馈或标记。 对拥塞的响应既可发生在不同时间层次，如信元级、突发级和呼叫级；也可发生在空间层次，如收端或

128、发端上的单个节点或多个节点。对拥塞的响应也称为拥塞控制、响应或动作。第五章 ATM交换技术 2拥塞控制的分类拥塞控制的分类 拥塞控制方法包括拥塞管理、拥塞回避和拥塞恢复三种类别。每类控制机制可以工作在信元转发级、突发级和呼叫级。 拥塞管理工作在非拥塞区域，其目的是确保网络净荷不要进入拥塞区域。这种机制包括资源分配，丢弃型用户使用参数控制(UPC)，完全预约或绝对保证的呼叫接纳允许控制(CAC)以及网络工程。第五章 ATM交换技术 拥塞回避是一组实时的控制机制，它可在网络过载期间避免拥塞和从拥塞中恢复。例如某些节点或链路出故障时，就需要这种机制。拥塞回避程序通常工作在非拥塞区域和轻度拥塞区域之间

129、，或整个轻度拥塞区域。 拥塞恢复程序可以避免降低网络已向用户承诺的业务质量。当网络因拥塞开始经受严重的丢失或急剧增加时延时，应启动该拥塞恢复程序。拥塞恢复包括选择性信元废弃，UPC参数的动态设置，由严重丢失驱动的反馈或断开连接(disconnect)等。第五章 ATM交换技术思思 考考 题题 5.1 ATM技术有哪些特点？ 5.2 为什么说ATM技术综合了电路交换和分组交换的特点？请简要说明原因。 5.3 试画出ATM信元的组成格式，并说明在UNI和NNI上信头格式有何不同。 5.4 信元信头中CLP起什么作用? 5.5 在信元头部，VPI/VCI的作用是什么？ 5.6 设计一个面向连接的网络

130、，使得VCI在从远端到目的端的传输过程中可以保持一致。比较这种网络与VCI只在本地有效的网络之间的优劣。第五章 ATM交换技术 5.7 什么是虚信道？什么是虚通道？它们之间存在什么样的关系？ 5.8 给出图5.40 ATM复用后的输出结果。 5.9 在ATM参考模型中，用户平面、控制平面和管理平面的作用分别是什么？ 5.10 ATM信元定界方法是基于HEC的搜索，为什么在捕捉状态时要逐个比特地进行，而在预同步和同步状态时要逐个信元进行？第五章 ATM交换技术图5.40 第五章 ATM交换技术 5.11 如果用AAL3/4发送一个1500字节大小的包，要比通过AAL5发送它多花几个字节？ 5.1

131、2 ATM交换单元分为哪几种类型？它们的优缺点分别是什么？ 5.13 VC交换与VP交换在转发表上有何差别？ 5.14 在UNI接口处最多可以定义多少个虚连接？在NNI接口处又最多可以定义多少个虚连接？ 5.15 ATM交换机有哪几个模块组成？分别完成什么功能？第五章 ATM交换技术 5.16 Banyan网络具有自选路由的功能。对照图5.27，画出010从5号输入端口到输出端口选路的过程。 5.17 交换网络内部选路有哪两种方法? 5.18 区别内部阻塞与输出冲突的含义。 5.19 针对图5.29所示的Batcher-Banyan网络，任选几个原来在Banyan网络会遇到内部阻塞的输入信元，看它们现在通过Batcher-Banyan网络是否还会遇到阻塞。 5.20 内部缓冲与外部缓冲有何区别？内部缓冲有几种方式？外部缓冲又有几种方式？ 第五章 ATM交换技术5.21 提供端到端的传送能力的ATM虚连接有哪两种类型？5.22 简要介绍ATM网络资源管理的两种方法。5.23 为什么说呼叫接纳控制CAC是ATM特有的功能？5.24 ATM网络中流量控制和拥塞控制的方法是什么？