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宽带网基础课程设计

班 级：
电信12-2班
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电子与信息工程学院
信息与通信工程系

ATM 网络技术分析报告

摘要：ATM 是一种快速分组交换技术，它将信息切割成固定长度的信元进行传送。综合了传输、复用、交叉连接和交换技术，结合了电路交换和分组交换的各自优点，信元方式适用于各种类型信息的传输，是提供综合业务的网络技术基础。本文主要针对ATM网络管技术，即ATM信元结构、ATM的虚链接和ATM交换机进行分析，同时给出以ATM网络作为主干网的应用实例。
关键词：网络；交换机；通信；技术
1 ATM基本概念
1.1 ATM：异步转移模式
异步：ATM 采用的两种异步技术：异步时分复用和异步交换技术。
转移：复用、传输、交叉连接和交换的总称。
1.2 同步时分复用和异步时分复用
复用(Multiplexing)：是一种能让多种逻辑信号在一种物理介质上传送的技术。
同步时分复用(STDM)：用户端固定地占用每帧中固定的一个或若干个时隙，直到相应的连接被拆除为止：接收端则从固定的时隙中提取出用户数据。
异步时分复用：用户不再固定占用帧中某一个或若干个时隙，而是根据用户请求和网络的情况，由网络来动态的分配网络。
资源：接收端也不是从固定的时隙中提取相应的用户数据，而是根据数据中本身携带的目的地信息来接收数据。
1.3 TDM中的固定时隙交换技术
输入帧中固定位置的时隙被固定地交换到输出帧中的某一固定时隙。
1.4 ATM中的异步交换技术
数据经过ATM交换机交换后，随机地占用一个或若干个时隙。

2 ATM主要特点
ATM技术以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式的优点发展而来，兼具分组传送模式和电路传送模式的优点。
2.1 ATM主要有以下4个特点：
（1）采用了固定长度的信元并简化了信头功能。
（2）采用了异步时分复用方式。
（3）采用了面向连接的工作方式。
（4）采用了标准化的ATM协议。

3 ATM网络组成
ATM网络主要由节点和链路和网络接口组成。网络接口包括用户网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）。

图3-1 ATM结构图
4 ATM信元及其结构
4.1 ATM信元结构
（1） 在ATM中，各种信息的传输、复用与交换都以信元为基本单位。
（2） ATM信元的长度固定为53个byte，其中前5个byte是信头（header）， 其余48个byte是信息段，也称为净荷（payload）。
（3）ATM信头中包含了各种控制信息，主要是表示信元去向的地址信息，还有一些操作维护管理的信息，如信元优先级标识以及纠错码等。ATM信元的信息段用于承载用户信息，这些信息透明地穿过网络，也可用于承载管理信息。

图4-1 ATM信元的结构
4.2 ATM信元的信头结构
（1） 在B-ISDN网络中，无论用户线上还是中继线上，信息的传送都是以ATM信元为单位进行的，但是对于用户-网络接口（UNI－Network Node Interface）和网络节点接口（NNI—User Network Interface）来说，信头的结构有所不同。
（2） GFC（Generic Flow Control）：通用流量控制，是一个4比特的字段，用来在UNI接口上提供用户到网络方向上的流量控制。
（3） VPI（Virtual Path Identifier）：虚通道标识，VPI字段在UNI接口上为8比特，在NNI接口上为12比特。
（4） VCI（Virtual Channel Identifier）：虚信道标识，是一个长度为16比特的字段。
（5） PT（Payload Type）：净荷类型，表示48字节的信息段所承载的信息类型，3比特的字段，可以指示8种ATM信元净荷类型。

5 ATM的虚链接
ATM采用面向连接的通信方式，即在传送信息之前要建立源到目的之间的连接，在ATM中这种连接是逻辑的连接，也叫虚连接。
5.1传输通道上的虚通道与虚信道
在ATM网络中，传输通道存在于两个ATM交换机之间或ATM交换机与ATM终端设备之间。在ATM中，我们使用虚通道与虚信道的概念，可以把一条ATM传输通道（也常常叫做通信线路）分割成若干个逻辑子信道。例如在ATM的一条传输通道上，我们正在同时进行着5个通信，其中包括向北京方向的3个通信与向广州方向的2个通信，这5个通信分别占用了该传输通道上不同的逻辑子信道。向北京方向的3个通信有两个是数据通信，一个是电话通信，向广州方向的2个通信一个是视频通信，一个是电话通信。于是我们可以用VPI = 1表示向北京方向的通信，VPI = 2表示向广州方向的通信，同时向北京方向的3个通信分别用VCI = 4、5、6来标识，向广州方向的两个通信分别用VCI = 5、6来区分。 这样在这条传输通道上就共有5种不同的信道标记VPI/VCI来标识5个逻辑子信道，进而表示5个通信。如下图所示。这样，我们可以认为，在这条传输通道中所有VPI = 1的信元属于同一个子信道，所有VPI = 2的信元属于另一个子信道。我们把这两个子信道叫做虚通道（VP--Virtual Path），并认为ATM信元头中的VPI就是区别不同虚通道的标识。同样每条虚通道又可以进一步划分为子信道，我们称之为虚信道（VC--Virtual Channel），并且ATM信元头中的VCI就是区别不同虚信道的标识。
5.2虚通道连接与虚信道连接
在源ATM端点到目的ATM端点之间存在着多段传输通道，每段传输通道可划分为虚通道，而虚通道又可以划分为虚信道，这样就在每段传输通道上形成了一个个逻辑子信道。如果在源ATM端点到目的ATM端点之间的某个通信，在每段传输通道上选定了一个逻辑子信道，那么将每一段逻辑子信道串接起来，就形成了源ATM端点到目的ATM端点之间的一个通信连接，信息就是通过这个连接从源端传送到目的端的，显然这个连接是一个虚连接。
如果我们选定的逻辑子信道是在虚通道这个层次上，即用VPI来标识，则这样的连接就叫做虚通道连接（VPC—Virtual Path Connection），如果是在虚信道这个层次上，即用VCI来标识，则这样的连接就叫做虚信道连接（VCC—Virtual Channel Connection）。
在VPC中，我们可将串接起来的每段逻辑子信道称作VP链路，同样我们将串接起来形成VCC的每段逻辑子信道叫做VC链路。正如前面所介绍的那样，用VPI来标识每段传输通道上的VP链路，用VCI来标识每段传输通道上的VC链路。
5.3 VP交换与VC交换
在一条传输通道上既然存在虚通道（VP）与虚信道（VC），那么相应连接多条传输通道的ATM交换机必须能够完成VP交换或VC交换，也可以兼具VP交换与VC交换。虚通道（VP）可以单独进行交换。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。
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。
ATM交换机可以是只完成VP交换，也可以是只完成VC交换，还可以是即完成VP交换又完成VC交换的交换机，但其一定具有SVC功能。只具有PVC功能的，我们称之为ATM交叉连接设备。
5.4 ATM连接的建立
有了虚信道连接（VCC）与虚通道连接（VPC）的概念后，那么就容易理解ATM连接的建立过程。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。
不管是VPC还是VCC，它们都是虚连接（VC－Virtual Connection）。在通信开始时，源ATM端点到目的ATM端点之间的各个ATM交换机要为这个通信在每个传输通道的每一个方向上，选择一个空闲的VP链路或VC链路，即分配一个目前没有使用的VPI或VPI/VCI，从而建立起源ATM端点到目的ATM端点之间的虚连接，通信结束时则拆除这个虚连接，这就是ATM面向连接的工作方式。
5.4.1 VC的建立的两种方式
VC的建立的两种方式是永久虚连接和交换虚连接。
（1）永久虚连接（PVC－Permanent Virtual Connection）是通过预定或预分配的方法建立的连接，这种建立方法不需要信令，它是由管理实体控制建立的永久或半永久连接，在传送信息前不需要建立虚连接，因而在传送信息结束时也不存在虚连接的拆除。
（2）交换虚连接（SVC－Switched Virtual Connection）是由信令控制建立的连接，在传送信息前需要建立连接，在传送信息结束时需要拆除这个连接。
5.4.2有关虚连接的几点说明
（1）一条物理链路可以建立很多个虚连接VCC，每个VCC由多段VC链路组成，其中每一段对应一个VPC，可以认为是多段VPC链接成一个VCC（纵向考虑）。
（2）每一个VP可以划分成多个VC（横向考虑）。
（3）将一个物理链路分成若干个逻辑信道，只是ATM中奖子信道分成2个等级（主要目的是可以将网络的主要管理和交换功能集中在VP一级，减少网管和网控的复杂性）。
（4）经过VP交换点VPI值要改变；经过VC交换点，VCI和VPI都要变， VCI和VPI只有局部意义，多个链接的VCI/VPI表示一个全程的虚连接。

6 ATM交换机
6.1 ATM交换机组成
ATM交换机由硬件和软件两大部分组成。
6.1.1 硬件结构
ATM交换机硬件如图所示分为三部分：交换单元、接口单元和控制单元。

图6-1 ATM交换机硬件
（1）交换单元：ATM交换机的核心，用于完成交换的实际操作，即将输入信元交换到所需的出线上去。交换单元根据路由标签选择交换路径，由硬件自选路由完成交换过程。交换单元的核心是交换结构(Switch Fabric)，小型交换机的交换单元一般由单个交换结构构成，而大型交换机的交换单元则由多个交换结构互连而成。
（2）接口单元：用于连接各种终端设备和其它网络设备。接口单元又分为入线接口单元和出线接口单元。入线接口单元对各入线上的ATM信元进行处理，使它们成为适合ATM交换单元处理的形式，即为物理层向ATM层提交过程，将比特流转换成信元流；出线接口单元则对ATM交换单元送出的ATM信元进行处理，使它们成为适合在线路上传输的形式，即为ATM层向物理层提交过程，将信元流转换成比特流。
（3）控制单元：根据信令控制交换并完成运行、维护管理功能。
6.1.2 软件结构
ATM交换机由软件进行控制和管理。软件主要指指挥交换机运行的各种规约，包括各种信令协议和标准。交换机必须能够按照预先规定的各种规约工作，自动产生、发送和接收、识别工作中所需要的各种指令，使交换机受到正确控制并合理地运行，从而完成交换机的任务。
ATM交换机的软件三个功能块流量管理控制：
（1）在UNI处采用基本流量控制GFC对用户流量进行管理。
（2）操作与维护控制：采用操作与维护信元OAM对物理层和ATM层进行管理。
（3）系统功能控制：负责采集和处理各种管理信息，协调系统其它功能块的工作。大多数系统管理控制涉及告警、测量、统计和其它类型信息。
6.2 ATM交换的基本原理
ATM交换的基本原理如图6-2所示。图中的交换节点有M条入线（I1 ~ IM）与N条出线（O1 ~ ON），每条入线和出线上传输的都是ATM信元。每个信元的信头值由VPI/VCI共同标识，信头值与信元所在的入线（或出线）编号共同表明该信元所在的逻辑信道（例如，图中入线I1上有4个信元，信头值（VPI/VCI）分别为x，y，z，那么在入线I1上至少有3个逻辑信道。在同一入线与出线上，具有相同信头值的信元属于同一个逻辑信道（例如入线I1上有两个信头值为x的信元，这两个信元属于同一个逻辑信道）。在不同的入线（或出线）上可以出现相同的信头值（例如入线I1和入线IM上有信元的信头值都是x），但它们不属于同一个逻辑信道。

图6-2 ATM交换基本原理
ATM交换就是指从入线上来的输入ATM信元，根据翻译表被交换到目的出线上，同时其信头值由输入值被翻译成输出值。

7 WATM网络概述 
7.1 WATM典型结构 
WATM是将ATM技术扩展到无线传输介质的网络系统，主要是以ATM网为主干网，采用一系列新技术，对它进行扩展。通过在ATM信元头/尾增加适当的无线信道控制信息，构成无线信道专用的协议子层，按照ATM的技术机制，实现无线节点之间的干线信息传输。
整个系统是由固定的ATM 基础网络和无线接入部分构成的 。在固定ATM网络中,那些直接与天线基站或者是无线终端用户设备进行通信的交换中心是具有移动增强功能的ATM 交换中心。这些交换中心是专门为与无线设备建立连接而设的，它们充当天线设备接入有线ATM基础网络的“关口”。基于各种不同类型的无线应用，在无线接入部分可以相应地采用不同的解决方案。

图 7-1 WATM的构成

7.2 WATM信元结构
无线网络使用兼容ATM的信元转换格式如图7-2：

图 7-2 ATM的信元转换格式
WATM信元传输具有四个特点：
（1）除信头差错控制(HEC) 外要求信元头和用户信息的传输尽可能透明。
（2）系统容量不大时，信元头中的VPI/ VCI 可以压缩。
（3）信元头附加的无线头、无线尾，增加FEC、CRC。
（4）在比特差错率较差的情况下，采用ARQ技术。
7.3 WATM协议模型及关键技术介绍
由于WATM是采用ATM来提供数据通信业务的，所以它的整体结构都是基于ATM 协议集的。ATM 标准由用户层、适配层、ATM 层和物理层组成。WATM 协议与标准ATM 协议的差别,是在标准ATM协议模型中增加了与无线信道有关的内容，如图7-3所示。无线接入层是负责接入无线ATM的无线链路协议的、它由PHY(物理层) 、MAC(介质接人层) 、DLC(数据链路层)以及RRC(无线资源控制层) 组成。

图7-3 WATM 协议模型
7.3.1 无线物理层（PHY） 
物理层最主要的功能是完成对信号的调制与解调。由于未来的无线ATM通信系统将提供速率较高的多媒体综合业务，因此必须采用高速高效的调制解调技术，选择正确的调制方式和确定比特速率。调制方式选择的目标是在微小区或微微小区范围内提供较可靠的信息传输。可供选择的有窄带调制技术和宽带调制技术。
窄带采用传统的QPSK、MSK、QAM等调制技术。而COFDM（编码正交频分复用）能够实现高达上百兆比特／秒的传输速率，又由于采用多载波并行传输体制使信号不受多径干扰。它已在欧洲数字声广播（DAB）中得到了应用。
而宽带主要采用CDMA技术。扩频调制具有信号能量高，频谱利用率高等优点，但在限定带宽的情况下，用户的峰值传输速率受到了限制。当然扩频调制技术还有其它一些问题需要研究如动态功率控制，码同步以及VLSI功耗等。为实现系统的高速传输并获得良好的信号可利用率，还需考虑其它技术措施如天线分裂，扇形分区，波速控制等先进的物理层技术。 
7.3.2 介质接入控制层（MAC） 
介质接入控制层要求支持多个终端设备共用无线信道。MAC必须支持现有ATM标准中定义的标准业务，包括ABR，VBR，CBR和UBF等各种业务和相应QoS控制。一个较为理想的MAC协议必须满足以下要求：在保证所传输业务服务质量的前提下提供多媒体综合业务，同时保持较高的无线信道利用率。MAC协议将直接影响系统的性能、容量及终端复杂性。
目前，已提出的MAC协议有多种，一般来说，无线ATM的MAC协议都采用了信道动态分配算法来支持业务速率的可变。由于扩频的原因使得用户峰值速率受到限制，基于CDMA的MAC协议较少采用。
MAC协议可分为基于FDD和基于TDD两种类型。已提出的基于FDD的MAC协议有DQRUMA、PRMA／DA、DSA＋＋、DTDMA／PR和DSAMA等。DQRUMA协议没有帧结构，采用每一个时隙都传送一个分组，每一分组都包括信令和数据两个字段。它的优点是信令采用捎带方式(piggyback)，同时采用minislot作为访问竞争，信道利用率较高。PRMA／DA是一种改进的PRMA协议，由于其帧边界可变，因此频带利用率较高，但缺点是没有采用minislot作为访问竞争。DSA＋＋采用集中控制的方式来动态地分配信道，访问竞争信道采用minislot。DTDMA／PR是对NEC USA C&C提出的DTDMA协议的扩展。该协议采用固定帧结构，其子帧边界可移动，信道利用率较高，访问竞争信道采用S－Aloha方式和minislot。DSAMA采用正交码预约时隙，可避免碰撞的发生。由于DSAMA利用了等效带宽、VBR图像终端缓存满／空标志、信道忙／闲状态等信息来动态地分配信道，因而其信道利用率很高。
采用TDD方式的系统适用于在频谱资源较为紧缺的地方使用，已提出的基于TDD方式的MAC协议有MASCARA、PRMA／ATDD和DTDMA／TDD等。采用TDD方式的好处可以节约部分收／发器硬件，同时可采用不对称的上、下行链路带宽，缺点是附加延迟较大。MASCARA是为ACTS WAND提出的MAC协议，而PRMA／ATDD则是为ACTS MEDIAN提出的基于PRMA的MAC协议。DTDMA／TDD是NEC WATM网采用的MAC协议。这些协议都是采用了动态预约的方式来分配信道，信道利用率较高。
7.3.3 数据链路控制层（DLL） 
数据链路控制协议层（DLL）的主要目的是为ATM提供透明传输，减少信号无线信道差错所造成的影响。由于端对端的ATM性能对于信元丢失很敏感，所以无线ATM接入段需要很强的差错控制功能。同时，由于需要支持多种业务，而各种业务对差错率的要求不相同，例如话音业务对延时比较敏感，但对BER的要求不高；而数据业务对BER的要求很高，但对延时不敏感。因此，无线ATM的差错控制应针对不同的业务采用不同的方式。现在的差错控制主要采用混合纠错编码技术，即在物理层采用前向纠错（FEC），在数据链路层采用重传技术（ARQ）来恢复FEC不能纠正的错误信元。 
7.3.4 越区切换控制 
无线ATM通信网要支持移动用户，因此网络应具有移动管理功能。当无线ATM通信网采用微蜂窝小区(Pico、micro-cellular)形式的网络结构时，越区切换控制就是移动管理的一项关键技术。无线ATM网和现有的移动通信系统(如GSM)相比具有一些不同的特点。例如，无线ATM网可支持多种类型的业务(话音、数据、图象等)以及多速率业务的通信，越区切换时需保证各种业务的服务质量(QoS)不恶化；ATM信元字头没有序号字段，越区切换时可能出现信元次序混乱，造成信元丢失；现有的ATM网络采用固定VP／VC连接方式(即固定路由)，而越区切换需更新原来的连接，重建路由等等。这些使得必须研究适用于无线ATM网络的切换控制方案。总的来说，在无线ATM网络中进行越区切换时，应尽量减小对多媒体业务的服务质量(信元丢失率、延时等)造成的影响，使多媒体业务的QoS在越区切换时仍然能得到保证。
7.4 WATM的展望
WATM的实现将使无线宽带接入的应用变为可能，满足人们对多媒体业务的需求，但它的发展在很大程度上依赖于ATM在B-ISDN的发展，尽管ITU-T将ATM确定为B-ISDN的基础转移模式，但因其实现起来较为复杂而没有得到广泛应用。另外，实际无线信道中的误码率高及传输速率低也是一个重要的问题。但这些并没有阻碍人们对它进行研究并取得了一些成果。相信在解决了上述问题后，WATM必将在不久的将来取得成功。

8课程设计感想与总结
本次课程设计的教学目的是培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。在课程设计过程中我巩固了所学的专业技术知识，培养了自己综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力。通过课程设计实践，了解并掌握宽带网络的一般设计方法，训练并提高自己在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、运用标准与规范和应用计算机等方面的能力，更好地将理论与实践相结合，提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力。虽然在课程设计过程中遇到过很多困难，但通过老师和同学的帮助，我顺利的完成了。感谢老师们的指导，老师辛苦了。

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