第3章宽带ATM通信网

第三章宽带ATM通信网3.1ATM网络的基本概念3.2ATM业务3.3ATM的参考模型和协议3.4ATM网络接口和地址结构3.5ATM网络交换结构与信令3.6ATM网络性能3.7ATM网络流量管理和拥塞控制3.1ATM网络的基本概念3.1.1宽带ISDN对信息传送方式的要求1．语义透明（semantictransparency）有以下几个参数可以用来衡量网络的语义透明性。（1）比特错误率（BitErrorRate，BER）（2）分组错误率（PacketErrorRate，PER）分组丢失率（PacketLossRate，PLR），其定义为：分组错插率（PacketInsertionRate，PIR），其定义为：2．时间透明（TimeTransparency）（1）时延（Delay）网络的时延D是由传输时延Dt和处理时延Dp组成，即：D＝Dt+Dp（2）时延抖动（DelayJitter）时间抖动是指某个时间区间内最大时延和最3.1.2ATMATM作为ITU-T建议的B-ISDN的传递方式，①ATM②ATM利用硬件实现固定长度分组的快速交换，具有时延小，实时性好的特点，能够满足③ATM是支持多种业务的传递平台，并提④ATM是面向连接的传输技术，在传输用户数据之前必须建立端到端的虚连接。3.1.3ATM图3-1所示为ITU-T在I.361建议中定义的在①一般流量控制（GFC）：只作用于UNI，其功能是为了控制用户接入的业务流量，以避免②虚通路标识符（VPI）和虚信道标识符（VCI）③净荷类型（PT）④信元丢失优先级（CLP）⑥净荷（payload）图3-1ATM信元的格式3.1.4ATM网络的一般通信过程1为在端到端之间建立连接，源端点（A）用户需向ATM网络发送请求消息，要求与宿端点（B）通信（如图3.2所示）。2．在ATM网络中，某一连接的信元要确保按顺序到达。对于特定的连接，ATM信元一般沿同一物理路径传送。图3-2ATM网络端点间的连接3.1.5虚信道连接和虚通路连接1．ATM网络中的每条物理链路，在概念上被划分为若干逻辑虚信道。2．对于规模较大的ATM骨干网，进入交换机的VC可能成千上万。3.1.6电路交换、分组交换和ATM①要在通信的用户间建立专用的物理连接通路。②③④采用呼叫损失制的方法来处理业务流量，过负荷时呼损率增加，但不影响已建立的呼叫。3.2ATM业务3.2.1①源端点与目的地端点之间的定时关系②③连接模式（面向连接的或面向无连接的）。1永久虚连接（PVC）ATM信元中继业务；交换虚连接（SVC）ATM信元中继业务；PVCE1（1）ATM（2（32承载业务可由一系列低层特性和一般特性来描述，这些特性称为属性。一种承载业务是由惟（1（2（3图3-3表示了承载业务各属性组间的关系及图3-3属性间的关系和适用范围以下介绍基于ATM的BISDN承载业务的（1）（2）信息传递速率（比特率参数）（3）VC和VP（4）VC和VP（5）（6）（7）（8（9（10（11）用于VCC建立和拆除的业务等级（12（13（14）运行和经营方面3.2.2根据宽带通信及其应用的形式，用户终端业务分为两种类型：交互型业务和分配型业务，如图3.4所示。图3-4宽带用户终端业务的分类LAN互连。LAN仿真。高效数据传输。宽带可视图文业务。宽带可视电话。宽带会议电视。宽带电视分配业务。宽带HDTV。3.3ATM的参考模型和协议3.3.1总的说来，ATM协议包括4个分层：物理层、ATM层、ATM适配层（ATMAdaptationLayer，AAL）和高层，如图3-5所示。图3-5ATM分层协议模型图3-6针对共享媒质的ATM分层协议模型3.3.2多平面模型1．在AAL及其上层，协议功能被分为用户平面和控制平面。2．控制平面由用于呼叫和连接控制的协议组成，这些协议即为信令协议。3PRM的管理平面包括所有针对ATM的管理协议。管理平面有两个方面内容：一是层管理，另一个为面管理。层管理由ATM分层结构中各个层的管理协议组成，主要有物理层管理、ATM层管理和AAL层管理。图3-7B-ISDNATM的协议参考模型3.3.31．物理媒体子层（PMD）（1）PMDITU-T为用户/网络接口使用的媒体定义了电接口和光接口，电接口的参数由G703规定，其传输速率和距离与电媒体的传输衰耗有关。（2）正常工作模式下，发送端时钟锁定在接口处收到的定时基准时钟上。（3电源供电有两种方式：一种是由网络运营商规划，用户本身供电；另一种是网络运营商将用户设备的供电系统与网络的特定电源相连，采用（4B-ISDN设备终端有三种工作状态：激活状态、静默状态和应急状态。2．传输汇聚子层（TC）（1）信头差错控制（HeaderErrorControl，HEC）（2）信元定界（CellDelimitation）（3）（4）扰码（SCrambling）3.3.4ATMATM层的主要功能包括：将不同连接的信元复用在一条物理通路上，并向物理层送出单一形式的信元流，及其逆过程。UNI和NNI接口的信元结构稍有不同，图3-8图3-8ATM信元结构ITU-T规定VCI值中0～15作为特定的信道分配，用户不能用于建立连接。下面分别介绍ATM（1）通用流量控制（GFC）（2）虚通路标识/虚信道标识（VPI/VCI）（3）负载类型指示（PTI）（4）信元丢失优先级（CellLossPriority，CLP）（5）信头差错控制（HeaderErrorControl，HEC3.3.5ATM适配层功能①信源和信宿之间的时间关系：信息传送是否需要实时进行，即实时性或时间透明性要求。②比特率：信息传送的速率是否恒定。一些业务具有固定的比特率，称为CBR（ConstantBitRate）业务；另一些业务是可变比特率，称为VBR（VariableBitRate）业务。③连接方式：信源和信宿之间的通信是否采用面向连接方式。图3-9AAL支持的业务类型①A类：信源和信宿之间存在定时关系，具有恒定的比特率，业务是面向连接的。②B类：信源和信宿之间存在定时关系，业务也是面向连接的，但是信息传送可以是变比特率的。③C类：信源和信宿之间不存在定时关系，传输速率是可变的，但具有面向连接特征。④D类：信源和信宿之间不存在定时关系，传输速率可变且具有无连接特征。1．ATM适配层AAL1AAL1进一步分为两个子层：分段和重装子层（SAR）和汇聚子层（CS）。下面分别予以（1）分段和重装子层（SAR）AAL1的SAR子层协议数据单元结构如图3-10所示。（2）汇聚子层（CS）图3-10SAR协议数据单元2．ATM适配层AAL2①由于数据传输速率是可变的，因此，VBR业务和AALl所支持CBR②由于信源和信宿之间存在定时关系，即业务是实时传送的。③由于信源和信宿之间进行实时业务传送，所以必须采取面向连接工作方式，以降低信元寻径开销，减少网络时延。图3-11AAL2协议单元格式3．ATM适配层AAL3/44．ATM适配层AAL5（1）AAL5的SAR（2）AAL5的CS子层3.4ATM网络接口和地址结构3.4.1ATMITU-T和ATM论坛定义的ATM网络概念性结构及接口如图3-12所示。图3-12ATM网络接口（1）用户/网络接口（UNIUNI是用户设备与网络之间的接口，直接面向用户。按其所在位置不同又可分为公用UNI和专用UNI（PUNI），PUNI不必像公网接口考虑严格的一致性，因而PUNI接口形式更多、更灵活。（2）网络节点接口（NNINNI含义较为广泛，它可以是两个公用网络之间的界面，也可以是两个专用网的界面。（3）ATM数据交换接口（DXI）ATM数据交换接口允许路由器等数据终端设备和ATM网络互连，而不需要其他特殊的硬件设备。（4）宽带互连接口（B-ICI）宽带互连接口是ATM论坛定义的运营者（Carrier）与运营者（Carrier）之间的接口,它是公用ATM网络之间的接口，不包括专用ATM网络间的接口。3.4.2ATMITU-T建议的B-ISDN地址结构如图3-13所示。图3-13B-ISDN地址结构ITU-T建议的B-ISDN号码格式如图3-14所示。图3-14B-ISDN号码格式3.5ATM网络交换结构与信令ATM交换是ATM网络的核心技术，其设计对ATM网络的性能（如信元丢失率、时延和时延抖动等）起着决定性的作用。3.5.1ATM交换机的基本组成1．ATM如图3-15所示，ATM交换机的基本组成包括三个部分：输入处理和输出处理部件、ATM交换结构（或称交换单元）和ATM管理控制单元（或称控制单元）。图3-15ATM交换机基本组成（1）在传输线路上，消息以比特流形式传递，而ATM交换必须以信元为单位。即将53字节（53×8＝424bit消息）作为一个整体同时进行交换，而不是逐比特进行。（2输出处理完成与输入处理相反的操作，即如何把ATM信元变成适合于特定传输媒体的比特流形式。（3管理控制单元负责建立和拆除VCC和VPC，并对ATM交换结构进行控制。同时处理和生成OAM消息。（4交换结构（交换单元）是实际执行交换动作的部件，其实现的好坏直接关系到交换机的效率和性能，因此，人们在讨论宽带交换系统时往往十分注重交换单元的设计。2．宽带业务对ATM交换机的要求宽带网络必须能够传送从远程控制、话音、数据直到高质量视频等各种业务信息。这些业务对速率（恒定比特率或可变比特率）、语义透明性（信元丢失率和比特差错率）和时间透明性（时延和时延抖动）有不同的要求。（1①多速率（Multi-rate）交换：由于宽带网络支持的业务包括现在和将来的所有应用，这样网络就必须支持从一般工业控制的几十bit/s至几kbit/s，到视频通信的几Mbit/s到几十Mbit/s的速率交换。②多点（Multi-point）交换：在点对点连接方式的基础上，宽带网络还必须能提供点到多点的广播/组播（Broadcast/Multicast）连接功能。③多媒体（Multi-media）业务支持：ATM网络允许接入的业务有不同的形式。（2在ATM网络中，吞吐量、拥塞率、信元丢失率、信元错插率、交换时延以及时延抖动等是ATM交换机性能的主要指标。①连接拥塞：ATM网络以面向连接的方式进行通信，也就是通信开始前必须在信源和信宿之间建立一条合适的逻辑连接。②信元丢失/信元错插率：ATM交换机中，可能会出现短暂时间内许多信元争抢同一链路（该链路可能是交换机。③交换时延：ATM交换机完成信元交换的时延在端到端传输的时延中占较大比重（相对于光的传播速度，信元在信道中的传输时延是有限的内部也可能是外部的），导致信元丢失。3.5.2基本交换单元1．ATM交换的最简单构建方法是将每一条入线和每一条出线相连接，在每条连接线上装上相应的开关，根据信头VPI/VCI决定相应的开关是否闭合以实现特定输入和输出线路的接通，也就是将某入线上信元交换到出线上去。这种思想实现的最简单方法是采用空分交叉开关（Crossbar），称为矩阵式交换单元，矩阵交换基本原理如图3-16图3-16空分交换原理示意图（1）当出线冲突时，只有一条入线的信元可以交换到出线，其他入线信元将被延迟，这里就必须采用仲裁机制选择“获胜信元”。①随机法：从多条竞争的入线中随机地选取一条入线为其服务，并把入线上的信元传递到出线。②固定优先级法：为每条入线分配一个固定的优先级，具有不同优先级的入线竞争同一出线时，优先级高的入线将获得发送信元的权利。③轮换优先级法：各条入线的优先级并不是固定不变的，而是轮流拥有高优先级。④缓冲区状态确定法：在ATM交换机设置缓冲区以存放无法得到立即服务的信元，然后根据缓冲区的充满程度选择传输的信元。⑤信元状态确定法：把信元丢失率（CLP）作为对信元服务先后顺序的依据。（2）拥塞信元缓冲策略①输入缓冲：缓冲区设置在输入处理单元，所