第七章-ATM交换与宽带综合业务数字网-PPT课件.ppt

1 第七章 ATM交换与宽带综合业务数字网21）B-ISDN的提出通信网的发展N-ISDN的局限性：传输速率和交换模式限制了具有更高速率和可变速率业务的提供，已不能适应未来通信网发展的需要。B-ISDN的提出：能够提供具有更高传输速率的传输信道；更先进的传送模式。1、ATM与B-ISDN的产生与发展3B-ISDN 支持的电信业务q 恒比特率业务、变比特率业务q 连接型业务、非连接型业务q 交互式业务、非交互式业务q 单址业务、多址业务、广播业务q 实时业务、非实时业务q 按终端接收信息方式q 宽带业务、窄带业务q 多媒体业务 由网络向终端送消息 由终端去网络取消息42）B-ISDN网对传送模式的要求q 对信息的损伤要小o具有时间透明性 (信息传送的时延和时延抖动要小)o具有语义透明性 (由传送引起的信息丢失和差错要小)q 能灵活地支持各种业务q 具有高速传送信息的能力ATM与B-ISDN的产生与发展53）ATM与B-ISDN的产生和发展1983年，美国贝尔实验室的Turner J.等人提出了快速分组交换（FPSFast Packet Switching）原理，研制了原型机。同年，法国Coudreuse J.P.提出了ATD交换概念，并在法国电信研究中心（CNET）研制了演示模型。FPS和ATD概念提出以后，很多设备制造公司、邮电管理部门和标准化组织表示了强烈的兴趣，进行了深入的研究。80年代中期，CCITT也开始了这种新的传送模式的研究。1988年，CCITT 18研究组决定采用固定长度的信元，定名为ATM，并认定B-ISDN将基于ATM技术。1990年，CCITT 18研究组制定了关于ATM的一系列建议，并在以后的研究中不断地深入和完善。ATM与B-ISDN的产生与发展61994年投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在州的范围内的公用ATM宽带网。在欧洲由法国、德国、英国、意大利和西班牙等国发起的泛欧ATM宽带试验网，于1994年11月开始运行，后来扩大到欧洲的十多个国家，是覆盖面较广的ATM试验网在亚洲的日本NTT与邮政省、香港电讯、新加坡电信、韩国电信、泰国的亚洲电信以及中国的广东、北京和上海电信管理局也进行过以ATM为基础的宽带网试验。试验的业务平台有基于TCPIP的宽带数据、VOD、会议电视。试验的应用系统大致有家庭购物、远程医疗、远程教学等。ATM与B-ISDN的产生与发展7 4）公用网的ATM交换系统 公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性，吞吐量通常为40160G。应能支持各种接口、业务和连接类型，并具有保证服务质量（Qos）的业务流控制功能。富士通FETEX-150、爱立信的AXD301、西门子的Main Street Xpress、AT&T的Globe View 2000、阿尔卡特的1000AX、北电的Magellan Concorde等。ATM与B-ISDN的产生与发展82、ATM基本原理ATM信元及其结构异步时分复用技术面向连接的工作方式ATM标准化协议92.1 ATM信元及其结构 1）信元结构：信元由5字节信头和48字节信息段（净荷）组成。发送次序8 7 6 5 4 3 2 1 比特 15 6.53发送次序信头（5字节）信息段（48字节）10ATM信元格式GFC（4bits）：一般流量控制域，仅UNI有此域。VPI/VCI（8或12/16bits）：虚通道/虚信道标识，选路信息。PTI（3bits）：净荷类型。CLP（1bit）：信元丢失优先级。0：高；1：低。HEC（8bits）：信元头差错控制。g(x)=x8+x2+x+1可纠错1比特、检错多比特，不反馈重发。11ATM信元格式AUU（ATM-user-to-ATM-user indication），表示ATM用户至用户指示12ATM 特殊信元q 空闲信元（VPI=0，VCI=0，CLP=1，净荷=48个“01101010”）：物理层产生的空信元。q 未分配信元（VPI=0，VCI=0，CLP=0）：ATM层产生的空信元。q 物理层OAM信元（VCI=3，4）：用于物理层的操作维护。q 元信令信元（VCI=1），通用广播信令信元（VCI=2），点对点信令信元（VCI=5）：信令信元，用于呼叫控制和建立连接等。q 普通信元（VCI015）：传送用户信息132.2 ATM异步转移模式n将信息划分成固定长度的ATM信元，信元头中含有地址和路由信息，以确定逻辑信道。14异步转移模式特点q 采用统计复用的方式，信元动态占用信道，提高了信道利用率；（比较电路交换）q 信元长度一定，达到位置化复用的效果，便于快速识别信元头，减少处理时延；（比较分组交换）q 信元头中含有地址/路由信息（虚通路），同一用户的信息沿同一路径传输，不存在随机延迟，实时性强。（比较分组交换）151）虚通道与虚信道：ATM传输通道可分割成若干个逻辑子信道，为便于应用和管理，逻辑子信道可按两个等级来划分：虚通道（VP-Virtual Path）虚信道（VC-Virtual Channel）2.3 面向连接的工作方式 16VPI/VCI通过VPI/VCI可唯一的标识一个逻辑子信道172）VPC（虚通道连接）和VCC（虚信道连接）VCC（Virtual Channel Connection）是VCC端点之间的VC级端到端的连接，由多条VC链路串接而成，VCI（虚信道标识）用来识别一条VC。VPC（Virtual Path Connection）是VPC端点之间的VP级端到端的连接，由多条VP链路串接而成，VPI（虚通道标识）用来识别一条VP。VPC和VCC18虚信道连接（VCC）虚通道连接（VPC）VC链路VC链路VC链路VCIXVCIyVCIZVP链路VP链路VP链路VPIXVPIyVPIZVPC和VCC19ATM网络的选路概念20ATM的VPI/VCI21 VP交换是指仅变换VPI值而不改变VCI值的交换，即只进行虚通道的交换，虚通道里面的虚信道并不进行交换。VP交换22 VC交换是指VPI值与VCI值都要进行改变的交换。因为虚信道是按照虚通道来划分的，当虚信道交换时，其所属的虚通道也要进行交换，即虚通道和虚信道都要进行交换。VC交换23ATM连接的建立在源ATM端点与目的ATM端点进行通信前的连接建立过程，实际上就是在这两个端点间的各段传输通道上，找寻空闲VC链路和VP链路，分配VCI与VPI，建立相应VCC与VPC的过程。24ATM虚连接建立的方式有两种方式：q 永久虚连接（PVC：Permanent Virtual Connection）q 交换虚连接（SVC：Switching Virtual Connection）PVC是由管理面控制建立的永久和半永久连接，用户在传送信息前不需要建立过程。SVC是由信令控制建立的连接，用户在传送信息前要建立连接，信息传送完毕则拆除虚连接。VPC 和 VCC 都可有PVC和SVC的虚连接。虚连接的建立方式252.4 ATM协议参考模型物理层ATM层ATM适配层高层高层控制面用户面管理面面管理层管理26B-ISDN协议参考模型由3个平面组成：q 用户面：负责用户信息的传送，采用分层结构。q 控制面：提供呼叫和连接的控制功能，主要涉及信令功能，也采用分层结构。q 管理面：提供面管理与层管理两种管理功能。ATM协议参考模型 面管理实现与整个系统有关的管理功能，并完成各个面之间的协调功能，面管理不分层；层管理实现网络资源与协议参数的管理，并处理各层中的操作与维护（OAM）信息流，层管理是分层的。B-ISDN协议参考模型含有4层：物理层、ATM层、ATM适配层和高层。27ATM网络承载业务的概念（用户面）28ATM 信令接口29ATM 网络信令协议模型（1）（控制面和管理面）30ATM网络信令协议模型（2）（控制面和管理面）q 物理层：提供有效的信元传送。如：速率耦合、信头差错控制、信元定界、媒体适配等。q ATM层：提供信令虚通路SVC的连接和释放。由于在UNI处存在多点信令访问结构，需要元信令信道管理各个通信实体，所以在UNI接口上要支持元信令信道连接、维护、拆除。31ATM网络信令协议模型（3）（控制面和管理面）q SAAL层：将信令适配成48字节的数据单元，提供流量控制和差错控制，保证可靠传输。q Q.2931：UNI处提供用户呼叫建立、释放、补充业务等过程的操作。q MTP：No.7信令消息传递部分，相当于OSI下三层功能。q B-ISUP：No.7信令B-ISDN用户部分，提供BISDN网络局间呼叫建立、释放、补充业务等的信令程序。32呼叫过程信令流程举例33一般流量控制、信头产生/提取信元VPI/VCI翻译、信元复用和分路信元速率解耦、HEC产生/验证信元定界、传输帧适配传输帧产生/恢复AALCSSARATM层TCPMD比特定时、物理媒体汇聚分段与重组物理层ATM协议参考模型34ATM协议栈中各层间的数据传输35 物理层负责通过物理媒体正确、有效地传送信元。它可划分为个子层：q 物理媒体相关子层（PMD：Physical Medium Dependent Sublayer）提供与传输媒体有关的机械和电气接口，正确地发送和接收数据比特，负责线路编码、比特定时等功能。q 传输汇聚子层（TC：Transmission Convergence Sublayer）物理层36传输帧的产生/恢复与适配 在发送端要将信元流封装成适合传输系统要求的帧结构送到PMD子层，在接收端则恢复成信元流；信头差错控制（HEC:Header Error Control）信元的信头中含有控制选路及其他的重要信息，必须对信头信息进行差错控制。信元定界和扰码 信元定界（Cell delineation）是用一定的方法来识别信元的边界。信元速率去耦 在发送端物理层插入空闲信元，以将ATM层信元流的速率适配成传输媒体的速率。在接收端，通过特定的预分配信头值，可以识别出空闲信元予以丢弃，并不送往ATM层。传输汇聚子层37ATM层：负责信元的交换、选路和复用。q信元的复用与交换q服务质量保证q实现净荷类型有关的功能q一般流量控制ATM层381）AAL的功能：ATM适配层（AAL）在ATM层之上增加适配功能，使ATM信元传送能够适应不同的业务（话音，视频，数据等），并支持将高层的协议数据单元（PDU）映射到ATM信元的信息段，反之亦然。2）AAL的业务分类：AAL的功能和规程与业务有关，不同的业务需要不同的AAL规程。为了减少AAL规程的数量，将业务按照以下个特性进行分类：源与终点之间的定时关系：需要或不需要；比特率：固定或可变；连接方式：面向连接或无连接。ATM适配层40业务特性源与终点之间的定时关系比特率类别A类B类C类D类连接方式需要不需要固定可变面向连接无连接ATM适配层AAL1AAL2AAL5AAL3/4AAL3/4AAL的业务分类413）AAL类型：为了适应不同业务类型的需要，ITU-T定义了类AAL：q AAL1规程用于支持类业务，提供实时的恒定比特率业务传输，仿真目前PCM电路交换上的业务，适合语音业务的传输。q AAL2规程用于支持类业务，适用于时延敏感的低速、可变长度的短分组的传送。q AAL3与AAL4原来是分开的，后来合并为一类：AAL3/4，用来支持C/D两类业务，即包括面向连接与无连接的数据业务。q AAL5可以看成是简化的AAL3/4，用来支持面向连接的C类业务（如帧中继），传送大的数据分组时效率较高，ATM网络信令也采用AAL5。高层：则相当于各种业务的应用层或信令的高层处理。AAL类型42AAL的功能可以分为两个逻辑子层：汇聚子层（CS：Convergence Sublayer）汇聚子层的主要功能是在AAL业务接入点（SAP）对高层提供AAL的服务，其具体功能与业务类型有关。分 段 和 重 组 子 层（SAR：Segmentation And Reassembly）分段和重组子层可简称为拆装子层，其主要功能是将高层信息进行分割，以适合于装入ATM信元的信息段，或者反之。不同的CS和SAR的组合，可得到不同的业务适配功能。按照不同业务类型的需要，CS还可以进一步划分为子层。AAL的基本结构43AAL1的协议结构 AAL1支持对时延敏感的恒定比特率业务，比如话音。AAL1分为2个子层：分段与重组SAR子层和会聚子层CS。完成序号功能44AAL3/4的协议结构 AAL3/4的CS又继续分为 公共部分会聚子层CPCS 业务特定会聚子层SSCS，SSCS随业务不同而改变。4546AAL5的协议结构q AAL5是一种简化的AAL3/4规程中复杂的序号与差错控制机制，用来支持面向连接的可变比特率的数据业务，对信令与数据业务进行适配。q AAL5同AAL3/4一样划分为分段与重组SAR子层与会聚子层CS，CS继续划分为CPCS与SSCS。SSCS通常为空，CPCS与SAR构成了AAL5的公共部分。其中SAR功能子层功能相对简单，主要是将CPCS-PDU划分为48字节的段，成为SAR-PDU而传送到ATM层。47483、ATM交换技术ATM交换的基本原理ATM交换系统的基本结构ATM交换网络493.1 ATM交换的基本原理 ATM交换是指ATM信元从输入端的逻辑信道到输出端的逻辑信道的消息传递。输出信道的确定是根据连接建立信令的要求在众多的输出信道中进行选择来完成的。ATM逻辑信道具有两个特征：q物理端口（线路）编号qVP与VC标识符 ATM交换系统执行三种基本功能：q信头翻译q路由选择q排队50ATM交换系统的基本结构51输入接口功能52输入接口q 物理层功能：光电信号的转换与同步（采用SDH/SONET物理接口）信元定界和差错控制 信元速率解耦（丢弃空闲信元）q ATM层功能：VPI/VCI值的有效性检查及翻译 输出端口的确定 区分信令信元、用户信元和OAM信元并作相应的处理53输出接口功能54输出接口 ATM层功能：q HEC域的产生并装入信头q 信令信元、OAM信元和用户信元流的混和输出 物理层功能：q 信元速率匹配（加入空闲信元）q 传输帧的形成q 光电信号转换 55ATM交换系统的基本结构信元传送子系统：交换结构实现交换连接功能，具体说来就是信头变换、选路和排队的功能，用户信息、信令消息和处理机之间的的控制信息都可通过交换结构来交换。控制子系统：主要是由处理机系统及各种控制软件组成，其中主要包括呼叫控制软件与操作管理维护（OAM）软件。呼叫控制软件主要完成呼叫连接的建立和拆除，包括寻址、选路、交换网络的控制等功能，含UNI和NNI接口的信令处理。OAM软件主要完成对交换系统的操作维护，具体包括配置管理、计费管理、性能统计、故障处理等功能。56ATM交换结构时分空分共享存储器共享媒体单通路多通路总线型环型基于crossbar基于banyan扩展banyan复份banyanBenesClos缓冲型无缓冲型矩阵型全互连型1）ATM交换结构类型3.3 ATM交换结构57ATM交换网络的缓冲策略q 缓冲策略或称为排队策略，是ATM交换结构设计中所要涉及的重要内容之一。q 缓冲策略一般包括这样四个方面的内容：缓冲器的设置方式(缓冲方式)缓冲器的数量 队列的存取控制 缓冲器的管理58缓冲方式缓冲方式一般分为内部缓冲与外部缓冲两大类。q外部缓冲则是指缓冲器设置在交换结构的外部；q内部缓冲是指缓冲器设置在交换结构的内部；输入缓冲 输出缓冲 输入与输出缓冲 环回缓冲 共享缓冲 交叉点缓冲 缓冲型banyan59外部缓存输入缓存q 基本思想在交换单元的输入端解决可能的竞争问题。q 实现方式为每一条入线配置一个缓冲队列，信元在队列中排队在一个信元周期内，如果出现多个入线上的信元竞争同一的出线时，则由一个仲裁逻辑来决定哪些入线队列中的信元是允许通行的，而其他队列中的信元需要等待经过仲裁后的信元不会再出现竞争60输入缓存模型传输交换媒体仲裁逻辑12N12N出线入线输入队列n每条入线一个缓冲队列n信元在入线排队n交换传输媒体n是一个无阻塞的传输网络n仲裁逻辑n决定可以得到服务的入线n仲裁策略n轮流服务、具有优先级（固定优先级或队列长度优先等）61输入缓存的缺点n在入线处的队列将需要更多的缓冲容量n存在队头阻塞（HOL）n 在一个信元周期内，任一条出线都只能为一个信元提供输出服务，而选择该出线的其他信元必须在输入队列中等待n 若一条入线上的队列的排头信元因竞争失败而阻塞，该队列中的所有后续信元也被迫阻塞，即使该队列中的后续信元所选择的出线当前是空闲的。n 一个信元周期内，通过交换传输媒体传输的信元数 P 不超过交换单元的入线总数 N，即 P N。n在输入排队模型中，仲裁逻辑是必须的n用于确定可以得到服务的入线62输入缓冲的HOL阻塞现象63HOL阻塞改进方式窗口q 由于存在HOL阻塞，在随机的均匀业务流模型下，当入线数目N很大的时候，采用FIFO规则的输入缓冲方式的吞吐率为58.6%。q 改进的方法之一窗口的方法。q 在每个输入缓冲器设定一个宽度为W的窗口，W意味着在一个时隙内每个输入队列可以有W个信元依次参与出线竞争。其中竞争仲裁时间可进一步划分为W个子区间，在第一个子区间，由所有输入队列的排头信元进行出线竞争，若有占用的出线则在第二个子区间进行第二次出线竞争，以此类推，直到所有的出线均被占用或者窗口已经用尽。64采用窗口方法的输入缓冲结构65外部缓存输出缓存n基本思想n来自入线的信元可以自由通过交换传输媒体传送（交换）到所需的出线上，在出线上设置缓冲队列解决多信元对出线的竞争。n实现方法n在一个信元周期内，所有信元都可无需仲裁地从入线到达所需的出线n每条出线配置一个队列，以便缓冲同时到达的竞争该出线的多个信元n一个信元周期内，一条出线只能为一个信元服务，未服务的信元将暂存在该出线的输出队列中66输出排队模型传输交换媒体12N12N出线入线输出队列n交换传输媒体n无阻塞的传输网络，信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑n每出线配置一个缓冲队列n信元在出线处排队，采用 FIFO 原则，保证信元的顺序67输出排队的优缺点q 去往同一条出线的多个信元可以在同一个信元周期内交换到出线上，不存在队头阻塞q 不需要仲裁逻辑q 为保证没有信元丢失，在传输交换媒体中信元的传输交换的速率必须 N 倍于入线的速率q 输出缓冲能在一个时隙内可以接收交换到该输出端口的最大信元数目，我们称之为加速因子，极限情况是。q加速因子的值越大，对处理速度和存储器的存储速率要求就越高，一般1KN，这样每个输出端口最多只能接收K个信元，如果有多于K个信元去向同一个端口，就要按照一定准则选取其中的K个信元，其余的丢弃。68外部缓存输入输出缓冲n输入缓冲存在HOL阻塞，但对处理速度和存储器的存储速率没有过高要求；n输出缓冲不存在HOL阻塞，但由于加速因子的引入而对处理速度和存储器的存储速率有较高要求。n输入输出缓冲综合了输入缓冲与输出缓冲的优点。假设其加速因子为L（1LN）(N为输入端口数目)，那么其输出缓冲器在一个信元时隙内最多能接收L个信元，如果在某一时隙内有超过L个信元要交换到同一个目的端口，那么这些超过的信元将会被存储在输入缓冲器中，而不像只有输出缓冲方式中那样把它们丢弃。且这种方式的输入缓冲器的容量不会很大。69输入输出缓冲70外部缓存环回缓冲n 环回缓冲包括环回端口以及环回缓冲器。环回缓冲能够解决出线竞争，当出线竞争发生的时候，那些在竞争中失败的信元将会通过环回端口存储在环回缓冲器中，并且通过环回端口在下一时隙与新到来的信元重新进行竞争。n 环回缓冲存在信元失序的问题。当竞争失败的信元通过环回重新竞争的时候有可能打断ATM信元的顺序。n 环回缓冲要求进入交换网络的每一个信元赋上一个优先数值（数值越大，优先级越高），当竞争失败的信元进入环回时，其优先数值将会加1，这就保证了在环回缓冲中的信元有较高的优先级，在下一轮的竞争中能够成功。71环回缓冲交换结构1N1N72内部缓冲的缓冲器是设置在交换网络内部。主要有：q 共享缓冲q 交叉点缓冲q 缓冲型banyan存储器复用分路12N12N共享缓冲结构内部缓存73 在每个信元到来时，如何引导信元通过交换结构而正确地传送到所需的出端，属于选路控制功能。在有内部阻塞的多级互联网络中，选路控制有两种方法：自选路由和表格控制选路。ATM交换网络的选路方法74 自选路由是在每个到来的信元在进入交换网络之前加上选路标签，然后交换网络会自动根据这些选路标签的信息来选择路由，自选路由选路方法的路由信息（翻译表）一般放在交换网络每个输入端口处。自选路由方式75表格控制选路方式 表格控制选路（table-control routing）的路由信息一般放在各个交换单元（SE）内部，各个SE按照自己的翻译表中的信息来完成选路。76B-ISDN