信令ATM的题.docx

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信令ATM的题

第七章ATM交换技术

1.基本要求：

（1）掌握ATM网络结构、交换原理及协议参考模型；

（2）掌握ATM交换结构及基本原理；

（3）掌握交换结构中的信元缓存方法。

2.重点、难点

重点：

面向连接的快速分组交换原理及交换结构；

难点：

虚通路、虚通道的概念，ATM交换原理及实现技术。

3.说明：

以讲述ATM交换技术为主，适当介绍相关协议。

“面向连接的快速分组交换”

本章讨论面向连接的快速分组交换，其典型例子是异步转移模式（ATM，AsynchronousTransferMode）。

在介绍ATM网络的结构、工作原理和通信协议的基础上，着重讨论ATM交换的基本原理、交换网络的结构及控制机制。

7.1快速分组交换与异步转移模式

快速分组交换的基本设计思想是简化分组交换机的协议处理，将复杂性推向网络边缘，也就是推向端系统，使网络核心尽可能简单，加快分组交换的处理速度。

7.1.1快速分组交换

传统分组交换是20世纪60年代末至70年代初设计的。

当时所用的传输媒质主要是铜线（同轴电缆和双绞线），传输速率低（每秒几十K比特），传输误码率高（10-4---10-6），网络性能的瓶颈是传输链路。

基于软件实现的分组交换机是当时的设计趋势。

经过多年的发展，主要传输媒质已变成光纤。

网络性能的瓶颈不再是传输链路，而是节点交换机。

这就驱使人们去研究快速分组交换技术。

具体的实现快速分组交换的技术措施有：

（1）简化协议，取消链路层差错和流量控制。

（2）采用基于硬件实现的设计和并行处理。

（3）采用固定长度的小分组（Mini-packet）。

（4）采用面向连接的分组交换方式。

无连接与面向连接

在无连接分组交换过程中，每个分组都要有完整的目的地址，分组到达交换结点时，交换机要根据分组的目的地址计算或查找路由表，获得下一结点的地址，然后将分组转发到相应的输出端口。

采用面向连接方式，在用户信息传送之前，先建立端到端的虚通路连接，在连接建立阶段实现复杂的路由计算功能，路由在连接建立阶段已经确定。

在连接建立阶段，实现带宽等资源的分配，通过连接接纳控制可限制进网的业务量。

对于话音、视频和批数据的传送，面向连接的交换方式是很适合的。

7.1.2异步转移模式

早在20世纪70年代就提出了综合业务数字网的构想。

从1980年至1988年，CCITT（现ITU-T）大力研究窄带综合业务数字网（ISDN），并形成了标准，技术上逐渐成熟。

上世纪80年代中期，ITU-T开始致力于研究宽带综合业务数字网（B-ISDN）,于1986年提出异步转移模式（ATM）。

由于ATM具有一系列的优点，它很快被接受，并被ITU-T确定为B-ISDN的基础转移模式。

光通信技术的发展加快了B-ISDN的前进步伐。

ATM的含义及特点

异步转移模式（ATM）术语中的“转移“，是从”Transfer”翻译过来的，包含传输（Transmission）和交换（Switching）两个方面，所以信息转移模式意指信息在网络中的传输和交换的方式。

所谓“异步”是相对“同步”而言，指链路的传输及结点的交换都是基于异步时分复用技术。

特点：

（1）ATM采用异步时分复用，信道利用率高。

（2）ATM采用快速分组交换，信息在网中以称为信元（Cell）的定长小分组为单位进行传输与交换。

（3）ATM采用面向连接方式。

ATM支持的业务分类

主要应用范围：

ATM复杂且价格较高，无连接的Internet发展非常快，快速以太网和千兆以太网推向市场，这就使得ATM目前主要的应用场合是作为Internet的高速骨干网。

7.1.3ATM网络组成

ATM网络由结点和链路组成，结点又分为端（结）点（Endpoint）和中继结点，在中继结点上设置ATM交换机。

ATM端点就是在ATM网络中能够发送或接收信元的源站或目的站，它们可能是计算机或其他用户终端（如视频终端、数字电话终端等）。

ATM端点通过接入链路与ATM交换机相连。

ATM交换机就是一个快速分组交换机，其主要构件是交换网络（SwitchingFabric,又称交换结构）、若干个高速输入和输出端口，以及必要的缓冲区。

7.2ATM网工作原理

ATM网是一个面向连接的快速分组交换网，传送和交换的分组采用的是定长模式，称为ATM信元。

7.2.1ATM信元结构

ATM信元是一种固定长度的小分组，其标准长度为53字节。

它由5个字节的标头域和48字节的载荷域组成。

信元标头包含着信元在ATM网络中转移所需的信息，主要是路由信息。

信元标头含义

·一般流量控制GFC：

长度为4比特，一般为0。

·虚通道标识VPI/虚通路标识VCI：

提供路由信息，标识信元所属的虚通道（VP）/虚通路（VC）。

·载荷类型PT（PayloadType）:

用来区分该信元是用户信息信元或非用户信息信元。

非用户信息信元包括OAM（运行维护和管理）信元和RM（资源管理）信元。

·信元丢失优先级CLP（CellLossPriority）：

此1bit字段用来指示信元的丢失优先级。

·标头差错控制HEC（HeaderErrorControl）:

此字段长度为8bit,提供覆盖信元标头所有字段的差错校验。

VP/VC数量及优先级含义

虚通道标识符VPI有两种长度：

在UNI使用的VPI为8比特，在NNI使用的VPI为12比特。

虚通路标识符VCI占16比特。

因此在UNI的接入链路上最多可支持256个VP，在NNI的中继链路上最多可支持4096个VP，而每一个VP所包含的VC最多可达65535个。

若CLP=0就表示该信元是一个高优先级信元，而CLP=1则表示该信元是一个低优先级信元。

网络还可以将违反通信流量合约的那些信元的CLP从0改为1，这个过程称为“打标记”（tagging）。

7.2.2ATM逻辑连接的建立与释放

ATM采用面向连接的快速分组交换。

虚电路连接的建立、维持和释放是ATM交换机的基本功能。

两个端用户要进行通信，首先建立虚电路连接，然后在这个端到端连接的逻辑通路上以恒定的或可变的速率进行通信。

通信完毕后再释放连接。

与传统分组交换的虚电路相似，在ATM中使用的虚电路也是一种逻辑连接。

虚通道和虚通路

ATM的虚电路分为两个级别，分别是：

虚通道VP（VirtualPath）和虚通路VC（VirtualChannel）。

相应的逻辑连接分别称为虚通道连接VPC和虚通路连接VCC。

一个端到端的连接一般由若干段串接而成，其中每一段称为链路。

因此相应的有VP链路和VC链路，他们分别用VPI和VPI+VCI标识。

VPI和VCI不是端到端虚通道和虚通路的标识符，而是VP链路和VC链路的标识符；一个端到端逻辑连接的各段逻辑链路的标识符一般是不相同的，VPI和VCI只具有局部意义。

VC链路、VP链路与物理链路的关系

一条物理链路包含多条VP（链路），每一VP（链路）又包含许多VC（链路）。

VPI相同，VCI不同，标识不同的VC；VPI不同，VCI相同，也代表不同的VC。

所以用VPI+VCI作为VC（链路）的标识符。

信令标准

逻辑连接的建立和释放是通过ATM信令系统实现的。

ATM信令协议在UNI和NNI处是不同的。

ATM论坛已制订出UNI3.1和UNI4.0信令规范，详细地规定了UNI点对点和点对多点配置的信令消息格式和整个的控制过程。

ITU-T也制订了相应的UNI信令标准，如Q.2931和Q.2971.

关于NNI信令，可采用ITU-T制定的七号信令系统的B-ISDN用户部分（B-ISUP）或ATM论坛的P-NNI信令。

信令消息内容

用于呼叫连接建立和释放的UNI信令消息（SignalingMessage）主要有7种。

信令消息是通过信令虚通路来传送的。

消息的内容包括呼叫参考值、消息类型、消息长度以及信息元素或参数（如被叫/主叫用户地址、连接标识VPI/VCI、用户信元速率、宽带承载能力和服务质量参数等）。

一个连接可能要通过ATM网络中的多个交换机。

各个消息的含义如下表所示。

信令消息

消息类型

当终端发送时的意义

当网络发送时的意义

SETUP

请求建立连接

有一个呼叫到来

CALLPROCEEDINC

收到呼叫

连接建立的请求正在进行处理

ALERTING

已开始提醒被叫用户

被叫终端已开始提醒被叫用户

CONNECT

接受呼叫

呼叫请求已被接受

CONNECTACK

对CONNECT消息的确认

对CONNECT消息的确认

RELEASE

请求释放连接

端点发出连接释放

RELEASECOMPLETE

对RELEASE的确认

对RELEASE的确认，网络已释放

信令的传送过程

ATM网络呼叫建立、保持和释放过程

7.2.3虚通路标识符和虚通道标识符的转换

在ATM网络中，信元是在某一个特定的虚通路上按序传送的。

ATM信元的标头至少要有一个虚通路标识符VCI，以便唯一地标识该信元属于哪一个虚通路。

若ATM交换机收到一个信元，但其VCI与该交换机所知道的任何虚通路均无联系，则ATM交换机就丢弃此信元。

那么，ATM信元是如何得到其VCI的？

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。

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。

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。

ATM网络路由选择结果示例

前面介绍了VC相当于支流，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。

ATM网络路由选择结果示例

ATM交换机S1、S8为接入交换机，S2、S3、S4、S5、S6、S7为骨干网的核心交换机，建立好的一条虚连接为S1—S2—S3—S6—S7—S8，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。

虚通道标识符VPI

在一个较大的ATM网络中，通过ATM交换机的虚通路可能有几万条。

在VCI转换表中每一条虚通路都要占据一行。

当建立的虚连接较多，并且不断地建立和释放时，对交换机的内存和处理机来说都是相当大的负担。

这是需要解决的有一个问题。

解决上述问题可借用公共电话网中采用的方法。

电话网采用汇接交换机对群路进行交换。

当交换机以群路为单位进行交换时，就比以单个话路为单位的交换减少很多的处理开销。

ATM采用虚通道VP，一个虚通道VP包括许多个虚通路VC，而每一个虚通路具有一个唯一的虚通道标识符VPI（这里VP相当于群路，而VC相当于话路）。

VP交换机和VC交换机

ATM交换机分为VP交换机和VC交换机。

VP交换机只需实现VPI值的转换（VPI转换表比VCI转换表简单），而VC交换机需实现VPI+VCI值的转换。

在ATM网中配置部分VP交换机，可以减小VC交换机的数目。

有的ATM交换机可以兼有VP交换和VC交换的功能。

VC/VP交换的具体示例

（a）VP交换过程；（b）VC交换过程

7.3ATM协议参考模型

ATM网络是一种面向连接的快速分组交换网络，要说明ATM交换功能，必须首先介绍ATM网络的体系结构，这就是ITU-T建议的基于ATM的B-ISDN的协议参考模型。

7.3.1协议参考模型的层面结构

ATM协议参考模型（PRM）分为三个面，即用户面、控制面和管理面。

用户面和控制面具有分层结构，各分为4层：

物理层、ATM层、ATM适配层（AAL）和高层。

B-ISDN协议参考模型

三个面

用户面负责端到端用户信息的传递及相关的控制（如流量控制、差错控制等）功能。

控制面主要用于信令信息的传送与处理，负责寻址、路由选择和呼叫连接控制的相关功能。

管理面提供网络维护、运行和管理功能，也负责用户面和控制面间的协调。

管理面分为层管理和面管理。

层管理实现各层网路资源与协议参数的管理，并处理各层中的运行、管理与维护（OAM）信息流；面管理提供网络全局的管理及协调各面管理功能。

四层

用户面和控制面具有分层结构，从下到上为：

物理层、ATM层、ATM适配层（AAL，ATMAdaptationLayer）和高层。

物理层基本功能是通过物理媒质正确、有效的传送信元；

ATM层主要负责信元的复用和交换；

AAL层主要功能是实现高层与ATM层适配，用统一的ATM技术支持各种各样的业务与应用。

高层因不同的业务和应用而异，例如，如果用ATM作为Internet的通信子网，那么高层将包括应用层、运输层和IP层。

通用协议模型

对用户面而言，端点代表用户终端，转移点代表ATM交换机；而对控制面而言，端点代表信令点SP，转移点代表信令转移点STP。

ATM协议参考模型的层功能总结

7.3.2物理层

ATM网UNI的物理层接口最常用的是SDH的STM-1和STM-4，还可以用PDH的E1或E3；而ATM网NNI的物理层接口最常用的是SDH的STM-16.

物理层又划分为2个子层：

物理媒质相关（PMD）子层与传输汇聚（TC）子层。

1.物理媒质相关子层（PM）

PM子层的功能是提供与传输媒质有关的比特传输能力。

传输媒质可以是光纤、双绞线、同轴电缆，甚至可以是无线。

比特传输能力包括发送和接收比特流、比特定时，还可能包括与传输媒质相关的线路编码、调制解调、光电转换等功能。

在PM子层与TC子层的交界处交换的服务数据单元（SDU）是比特（包括信息比特和开销比特）。

2.传输汇聚子层（TC）

TC子层的主要功能是依靠PM子层提供的比特传输能力实现ATM的传输。

TC子层需完成的具体功能如下：

（1）传输帧的产生/恢复与适配

（2）信元标头差错控制

（3）信元定界和扰码

（4）信元速率解耦

7.3.3ATM层

ATM层负责传送各种类型的信息，包括用户信息、控制信息和管理信息。

ATM层依靠其协议数据单元（PDU）来传送这些信息。

信元就是ATM层的协议数据单元。

ATM层主要完成复用和交换功能，与传送ATM信元的物理媒质和物理层无关。

端点主要完成复用功能，包括发送端的复接和接收端的分接功能。

ATM复用是基于信元的异步时分复用，不同VPI/VCI的信元属于不同的虚通路，许多虚通路共享一条物理线路。

因此，在发送端只要给属于不同虚通路的信元赋予不同的VPI/VCI值，然后，按一定次序将这些信元发送出去，就完成了复接功能。

在接收端，要识别信元标头，根据其VPI/VCI值进行分路，从而完成分接功能。

中继结点主要完成交换功能。

首先从物理层接收有效信元，识别信元标头；然后根据信元的输入端口号与VPI/VCI值，查找路由表，更换VPI/VCI值及信元标头；最后转送给相应的输出端口。

在交换过程中信元可能要在缓冲存储器中排队。

缓冲存储器可能设在交换机的输入端口，也可能设在交换机的输出端口。

ATM层的另一功能是对信元标头处理。

发送端点要产生信元标头的前4个字节字段，除了指定VPI/VCI值之外，还要确定PT和CLP等字段的取值。

至于第5字节HEC是由TC子层加入的。

在交换机中要提取和识别信元标头，并且要在更换VPI/VCI值后再生信元标头。

接收端点要在识别信元标头之后，根据VPI/VCI值将48字节的载荷域分送给相应的上一层（AAL）实体。

7.3.4ATM适配层（AAL）

ATM层采用信元来承载各种类型的信息，而不同的应用产生不同格式的应用数据单元（ADU），所以在高层与ATM层之间需要增加某些适配功能，以便用ATM信元的载荷域来承载不同格式的ADU。

ATM适配层的作用就是要增强ATM层向上提供的服务，并向高层提供各种不同类别的服务。

根据不同应用的特性，ITU-T规定AAL层要提供四种类别的服务，从A类～～D类。

服务类别的划分是根据以下属性：

1.信源发送信息的比特率是固定的还是可变的；

2.端到端是否要求严格定时（同步）；

3.应用要求面向连接还是无连接。

这样，A类是恒定比特率（CBR）的同步的面向连接服务，主要支持所谓的电路仿真业务，其典型应用是64Kb/s的数字话音通信和承载TDM的各次群（如E1）；B类是可变比特率（VBR）的也要求同步的面向连接服务，用于支持可变速率编码的视频和话音通信；C类是可变比特率的异步的面向连接服务，用于支持面向连接的数据传送应用；D类是可变比特率的异步的非连接型服务，用于支持非连接型的数据传送应用。

ITU-T规定了四种类型的AAL，以支持上述的四类服务。

这四类AAL层分别是AAL1,AAL2,AAL3/4和AAL5。

AAL业务属性分类

CS和SAR

AAL层划分为两个子层：

汇聚子层（CS）和分段/重装子层（SAR）。

AAL结构

汇聚子层（CS）紧靠高层，为高层提供服务。

对于不同的应用，提供不同的服务类别（A~D）。

因此CS子层又分为两部分：

业务特定部分和共同部分。

CS子层的业务特定部分（SSCS）的功能因业务和应用而异。

每一个AAL的高层用户通过服务接入点SAP向AAL传递服务数据单元（SDU）。

在CS子层形成相应的协议数据单元CS-PDU。

CS子层共同部分（CPCS）的主要功能就是形成协议数据单元CS-PDU（即CPCS-PDU）。

分段/重装子层（SAR）在发送时，将CS子层传下来的协议数据单元变换成长度为48字节的SAR-PDU。

如果CS-PDU的长度小于48字节（如AAL1）,那么就要添加若干字节，使其变成48字节；如果CS-PDU的长度大于48字节（如AAL5）,那么就要将它分成若干段。

SAR-PDU交给ATM层作为信元的载荷。

在接收时，SAR子层将ATM层上交的48字节长的载荷重新装配成CS-PDU，使ATM层与高层的业务和应用无关。

在四种AAL中，应用最多的是AAL5和AAL1。

7.4ATM交换网络的结构及基本原理

本节集中讨论ATM网络的核心设备——ATM交换机的功能、组成与工作原理。

总的来说，ATM交换机需完成协议参考模型的用户面和控制面的功能。

就用户面而言，ATM交换机只需完成用户信息转移点的功能，即物理层和ATM层的功能。

就控制面而言，ATM交换机一般是信令端点，因此需完成物理层、ATM层、信令适配层和信令高层的功能；有些ATM交换机可能只是信令的转移点，因而只需完成物理层和ATM层的功能。

ATM交换机由内部交换网络、输入输出接口和交换控制器三大部分组成。

下图示出这三大部分及它们之间的相互关系。

交换网络是交换机的核心，其主要功能是中继转发。

输入输出接口包括UNI、NNI两种接口。

交换控制器主要完成信令适配层和信令高层的功能，包括信令的收发和处理，实现连接控制。

ATM交换机的基本工作过程

ATM交换机的工作过程：

（1）从输入端口接收、提取有效信元、识别信元标头；

（2）根据信元的VPI/VCI值查找路由表，得到信元的输出端口号、新的VPI/VCI值及表中的其它内容，形成交换机内部信元；

（3）根据内部信元路由标签Tag,将信元转移到相应的输出端口；

（4）在输出端口删除Tag,更换信元标头，然后发送到输出链路上。

输入端口号

输入信元VPI/VCI

输出端口号

新的VPI/VCI

其它

1

A

2

B

1

C

N

D

2

A

2

E

2

C

1

C

N

D

1

F

N

A

N

D

路由表的形成

路由表在交换过程中起着十分重要的作用，那么交换路由表的内容是如何形成的呢？

对于永久、半永久连接，路由表项是网络管理实体根据用户的预订预先确定的；

对于即时连接，路由表项是在呼叫连接建立阶段根据信令处理的结果确定的。

而路由表内容的设置和更新是交换控制器的任务。

本节集中讨论内部交换网络的类型及工作原理。

7.4.1交换网络的功能及分类

7.4.2ATM十分交换网络

7.4.3基于Crossbar的交换结构

7.4.4ATM多级交换网络

7.4.5ATM交换网络的信元缓存策略

7.4.1交换网络的功能及分类

ATM交换网络是实现ATM交换的核心部件。

交换网络的基本功能是根据路由标签实现信元的转移，也就是将内部信元从任意的输入端口转移到指定的一个或多个输出端口。

ATM交换网络应提供良好的性能，以保证所需的服务质量，与服务有关的主要参数是信元丢失率、时延和时延抖动。

有些业务对信元丢失率很敏感，另一些业务则对时延和时延抖动很敏感。

在ATM交换网络的设计中，还要考虑连通性和吞吐率。

连通性用连接阻塞率衡量。

有些交换网络内部不会发生阻塞，但有些交换网络内部可能发生阻塞。

连接阻塞率表示在连接建立阶段交换网络内部找不到足够的资源来建立新连接的概率。

吞吐率定义为交换网络的每个输出端口平均每个时隙所传送的信元数，每个时隙相当于一个信元的传输时间，因此吞吐率最大为1。

一、ATM交换网络的分类

ATM交换网络可以从不同的方面进行分类，这里主要从时分与空分、单路径与多路径、单级与多级、阻塞与无阻塞等方面做概念性的分类。

关于分类的概念性说明

时分交换网络的特征是所有输入和输出端口共享单一的高速通路，可以是共享存储器或共享媒质。

空分交换网络的基本特征是可以在多对输入端口和输出端口间同时并行地转移信元。

空分网络可以采用单路径或多路径结构，以及单级与多级结构。

单路径是指任一对入出端口之间只有一条路径，多路径则