第6章 ATM交換技術(shù)

第6章ATM交換技術(shù)分組交換原理6.16.2ATM交換技術(shù)6.1分組交換原理6.1.1分組交換的基本概念6.1.2統(tǒng)計時分復用6.1.3邏輯信道6.1.4虛電路與數(shù)據(jù)報6.1.5

OSI參考模型電路交換的特點：面向連接帶寬固定恒定比特率實時業(yè)務(wù)控制簡單沒有差錯控制

分組交換的產(chǎn)生數(shù)據(jù)通信的業(yè)務(wù)特征：突發(fā)性（可變比特率）實時性的要求不很嚴格差錯敏感性分組交換也叫包交換，它是以分組為信息單位，以存儲/轉(zhuǎn)發(fā)方式在網(wǎng)絡(luò)中傳遞信息的交換方式?；舅枷耄簩⒂脩粜畔⒎指畛尚〉臄?shù)據(jù)塊—分組（Packet）分組具有統(tǒng)一格式，包含用于控制和選路信息采用“存儲－轉(zhuǎn)發(fā)”及統(tǒng)計時分復用技術(shù)，實現(xiàn)通信資源共享，提高了線路的利用率。采用逐段鏈路的差錯控制和流量控制，出錯重發(fā)，提高傳輸質(zhì)量和可靠性。6.1.1分組交換基本概念采用分組交換的通信網(wǎng)稱為分組交換網(wǎng)。分組的形成來自終端的用戶數(shù)據(jù)可能是很長的報文，需要將該報文拆分成若干段，并加上分組頭，組成一個完整的分組（packet）。用戶報文分組頭用戶數(shù)據(jù)6.1.1分組交換基本概念交換節(jié)點A交換節(jié)點B交換節(jié)點C分組1分組交換過程分組2分組3分組4分組5分組1分組2分組3分組4分組5傳播時延發(fā)送時延處理與排隊時延6.1.1分組交換基本概念7一個分組數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)由：終端用戶、分組交換網(wǎng)和協(xié)議組成。分組交換網(wǎng)又稱為通信子網(wǎng)，由若干個分組交換機（常稱為節(jié)點機）和連接這些節(jié)點的通信鏈路組成。6.1.1分組交換基本概念8為了實現(xiàn)各種終端用戶和不同的分組交換網(wǎng)之間的自由連接，接口規(guī)程必須在全世界范圍內(nèi)實現(xiàn)統(tǒng)一。下表列出了ISO和CCITT制定的X系列建議。本章主要介紹著名的X.25協(xié)議。編號主要功能X．3公用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)內(nèi)分組裝／拆（APD功能）X．20公用數(shù)據(jù)通信起止式傳輸業(yè)務(wù)用的DTE與DCE之間的接口X．20bis公用數(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi)可與V．21建議兼容的、起止式DTE與DCE之間的接口X．21公用數(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi)同步式DTE與DCE之間的接口X．21bis為與同步式V系列調(diào)制解調(diào)器接口設(shè)計的數(shù)據(jù)終端設(shè)備在公用數(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi)的應(yīng)用規(guī)程X．24公用數(shù)據(jù)網(wǎng)上DTE－DCE的接口電路定義表X．25分組型公用數(shù)據(jù)網(wǎng)DTE－DCE接口（UNI接口）X．26在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域內(nèi)通常與集成電路設(shè)備一起使用的不平衡雙流交換電路的電特性X．27在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域內(nèi)通常與集成電路設(shè)備一起使用的平衡雙流交換電路的電特性X．28公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中，對于存取報文分組的組裝／拆設(shè)備的起止武DTE－DCE的接口X．29公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中，分組式終端與分組裝、拆功能之間的控制信息及用戶數(shù)據(jù)的交換規(guī)程X．75在分組交換的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)內(nèi)的國際電路上用于傳遞數(shù)據(jù)的終端和經(jīng)轉(zhuǎn)呼叫的控制規(guī)程6.1.1分組交換基本概念基本概念統(tǒng)計時分復用（也稱為異步時分復用）異步的含義是指可變的，不固定的。在給用戶分配資源時，不像同步時分那樣固定分配，而是按需動態(tài)分配。只有在用戶有數(shù)據(jù)傳送時才給它分配資源，因此線路的利用率更高。6.1.2統(tǒng)計時分復用工作原理緩沖器緩沖器1b1c1b2b3c2c32c1b1b21b326.1.2統(tǒng)計時分復用緩沖器c2c3技術(shù)特征動態(tài)地分配信道時隙和資源，線路利用率較高。附加時延。多個用戶同時傳送數(shù)據(jù)時，需要競爭排隊，引起排隊時延。數(shù)據(jù)丟失。若緩沖器溢出，則導致數(shù)據(jù)丟失。6.1.2統(tǒng)計時分復用6.1.2統(tǒng)計時分復用

在統(tǒng)計復用線上

如何區(qū)分各用戶的數(shù)據(jù)信息呢？緩沖器緩沖器1b1c1b2b3c2c32c1b1b21b32緩沖器c2c3在統(tǒng)計時分復用中，對各用戶的數(shù)據(jù)使用標記進行區(qū)分。這樣，在一條共享的物理線路上，就形成了邏輯上分離的多個子信道。這種子信道稱為邏輯信道，用邏輯信道號（LCN）標識。邏輯信道號由邏輯信道群號及群內(nèi)邏輯信道號組成，二者統(tǒng)稱為邏輯信道號。6.1.3邏輯信道基本概念邏輯信道的形成過程終端255254201計算機進程進程進程……復用器邏輯信道2552542016.1.3邏輯信道ABC15

（1）由于分組交換采用動態(tài)統(tǒng)計時分復用方法，因此是在終端每次呼叫時，根據(jù)當時的實際情況分配LCN的。

說明：同一個終端可以同時通過網(wǎng)絡(luò)建立多個數(shù)據(jù)通路，它們之間通過LCN來進行區(qū)分。對同一個終端而言，每次呼叫可以分配不同的邏輯信道號，但在同一次呼叫連接中，來自某一個終端的數(shù)據(jù)的邏輯信道號應(yīng)該是相同的。（2）邏輯信道號是線上可以被分配的、代表子信道的一種編號資源，只具有局部意義。（3）邏輯信道號是一種客觀存在的局部實體。6.1.3邏輯信道邏輯信道的特點分組交換網(wǎng)的服務(wù)（主要形式）虛電路服務(wù)：提供面向連接的信息傳送。數(shù)據(jù)報服務(wù)：提供無連接的信息傳送。6.1.4虛電路與數(shù)據(jù)報（重點）DTEDCEPSEPSEDCEDCEPSEDTE－數(shù)據(jù)終端設(shè)備DCE－數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備PSE－分組交換設(shè)備虛電路服務(wù)所謂虛電路服務(wù)，是指用戶在數(shù)據(jù)傳送之前通過網(wǎng)絡(luò)建立一條端到端的邏輯上的虛連接。實電路？6.1.4虛電路與數(shù)據(jù)報虛電路和實電路有何區(qū)別？虛電路工作示意圖節(jié)點1節(jié)點2節(jié)點3節(jié)點5節(jié)點4終端A終端C終端D終端B6.1.4虛電路與數(shù)據(jù)報虛電路與邏輯信道節(jié)點1節(jié)點2節(jié)點3節(jié)點5節(jié)點4終端A終端C終端D終端BLCN=99LCN=10LCN=50LCN=30LCN=15LCN=60LCN=75LCN=1006.1.4虛電路與數(shù)據(jù)報LCN=30虛電路服務(wù)交換式虛電路（SVC)：是指在每次呼叫時用戶通過發(fā)送呼叫請求分組來臨時建立虛電路的方式永久虛電路（PVC)：如果應(yīng)用戶預約，由網(wǎng)絡(luò)運營者為之建立固定的虛電路，就不需要在呼叫時再臨時建立虛電路，而可以直接進入數(shù)據(jù)傳送階段了，這種方式稱之為PVC。這種方式一般適用于業(yè)務(wù)量較大的集團用戶。6.1.4虛電路與數(shù)據(jù)報21分組交換中的虛電路和電路交換中建立的電路比較：電路交換：是以同步時分方式進行復用的，兩用戶終端之間建立的是實連接。建立實連接時，不但確定了信息所走的路徑，同時還為信息的傳送預分配了帶寬資源；如：帶寬2048kb/s的線路，32個用戶平均預分配帶寬64kb/s分組交換（VC方式）：以統(tǒng)計時分復用的方式在一條物理線路上可以同時建立多個虛電路，兩個用戶終端之間建立的是虛連接。在建立虛電路時，僅僅是確定了信息所走的端到端的路徑，但并不一定要求預留帶寬資源，用戶有數(shù)據(jù)傳輸時才排隊競爭占用帶寬資源，即動態(tài)分配或按需分配帶寬資源。數(shù)據(jù)報服務(wù)節(jié)點1節(jié)點2節(jié)點3節(jié)點4終端A終端B

a

b

c

a

b

c

a

c

b

a

b

c6.1.4虛電路與數(shù)據(jù)報

面向連接與無連接網(wǎng)絡(luò)比較241.分組交換的優(yōu)點分組交換的設(shè)計思路截然不同于電路交換。與電路交換相比，分組交換的優(yōu)點可以歸納如下：(1)線路利用率較高。分組交換在線路上采用動態(tài)統(tǒng)計時分復用的技術(shù)傳送各個分組，因此提高了傳輸介質(zhì)(包括用戶線和中繼線)的利用率。(2)異種終端通信。由于采用存儲—轉(zhuǎn)發(fā)方式，分組交換中可以實現(xiàn)不同類型的數(shù)據(jù)終端設(shè)備(不同的傳輸速率、不同的代碼、不同的通信控制規(guī)程等)之間的通信。25(3)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量好、可靠性高。每個分組在傳輸時，可以逐段獨立地進行差錯控制和流量控制，提高了傳送質(zhì)量且可靠性較高。分組交換網(wǎng)內(nèi)還具有路由選擇、擁塞控制等功能，不會引起通信中斷。(4)負荷控制。分組交換網(wǎng)中進行了逐段的流量控制，因此可以及時發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)有無過負荷。(5)經(jīng)濟性好。分組交換網(wǎng)是以分組為單元在交換機內(nèi)進行存儲和處理的，因而有利于降低網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的費用，提高交換機的處理能力。262．分組交換的缺點(1)信息傳送時延大，時延抖動大。由于采用存儲—轉(zhuǎn)發(fā)方式處理分組，分組在每個節(jié)點機內(nèi)都要經(jīng)歷存儲、排隊、轉(zhuǎn)發(fā)的過程，因此分組穿過網(wǎng)絡(luò)的平均時延可達幾百毫秒，而且各個分組的時延具有離散性。(2)由網(wǎng)絡(luò)附加的信息較多。用戶的信息被分成了多個分組，每個分組附加的分組頭都需要交換機進行分析處理，從而增加了開銷。(3)分組交換技術(shù)的協(xié)議和控制比較復雜。

如我們前面提到的逐段鏈路的流量控制，差錯控制，還有代碼、速率的變換方法和接口，網(wǎng)絡(luò)的管理和控制的智能化等。27分組交換面臨的問題——幀中繼的引入從這些優(yōu)缺點可以看出，分組交換技術(shù)對語音(電話)通信和高速數(shù)據(jù)通信(2.048Mb/s以上)是不適應(yīng)的，它難以滿足對實時性要求比較高的電話和視頻等業(yè)務(wù)。

這是由于分組交換技術(shù)的產(chǎn)生背景是通信網(wǎng)以模擬通信為主的年代，用于傳輸數(shù)據(jù)的信道大多數(shù)是頻分制的電話信道，這種信道的誤碼率為10-4～10-5。這樣的誤碼率不能滿足數(shù)據(jù)通信的要求，通過進行復雜的控制，一方面實現(xiàn)了信道的多路復用，同時把誤碼率提高到小于10-11的水平，滿足了絕大多數(shù)數(shù)據(jù)通信的要求。28為了進一步提高分組交換網(wǎng)的分組吞吐能力和傳輸速率，一方面要提高信道的傳輸能力，另一方面要發(fā)展新的分組交換技術(shù)。

光纖通信技術(shù)的發(fā)展為分組交換技術(shù)的發(fā)展開辟了新的道路。光纖通信具有容量大(高速)、質(zhì)量高(低誤碼率)等特點，光纖的數(shù)字傳輸誤碼率小于10-9，光纖數(shù)字傳輸系統(tǒng)能提供40Gb/s的速率，通常提供2Mb/s和34Mb/s信道。

在這種通信信道條件(傳輸技術(shù))下，分組交換中逐段的差錯控制、流量控制就顯得沒有必要，因此快速分組交換FPS(FastPacketSwitching)技術(shù)迅速地發(fā)展起來。29快速分組交換可以理解為盡量簡化協(xié)議，只具有核心的網(wǎng)絡(luò)功能，可提供高速、高吞吐量、低時延服務(wù)的交換方式。

幀中繼作為快速分組交換FPS的一種，是在分組交換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它對其復雜的協(xié)議進行了簡化，可以更好地適應(yīng)數(shù)字傳輸?shù)奶攸c，能夠給用戶提供高速率、低時延的業(yè)務(wù)，所以近年來得到了迅速的發(fā)展。6.1.5OSI參考模型通信協(xié)議協(xié)議分層OSI7層模型通信的雙方需要“講”相同的語言網(wǎng)絡(luò)通信的過程很復雜，為了降低復雜性1974年，ISO組織發(fā)布了OSI參考模型OSI(OpenSystemInternetwork)是開放的通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型郵局實例2－2寫信人郵局運輸部門收信人郵局甲地乙地曾經(jīng)有一份愛情…..郵局實例2－2郵局對于寫信人來說是下層運輸部門是郵局的下層－－下層為上層提供服務(wù)寫信人與收信人之間使用相同的語言郵局之間的約定－－同層次之間使用相同的協(xié)議OSI的七層框架2－1物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層傳輸層會話層會話層表示層表示層應(yīng)用層應(yīng)用層物理層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議傳輸層協(xié)議會話層協(xié)議表示層協(xié)議應(yīng)用層協(xié)議比特幀報文TPDUSPDUPPDUAPDU1接口2接口3接口4接口5接口6接口主機A主機B數(shù)據(jù)單元層OSI的七層框架2－2數(shù)據(jù)的封裝與解封裝過程3－1InternetHello!IP包頭數(shù)據(jù)的封裝與解封裝過程3－2Hello物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會話層表示層應(yīng)用層比特幀報文段PDUHelloTCP/UDP頭HelloIP包頭LLC子層TCP/UDP頭HelloIP包頭LLC子層MAC子層TCP/UDP頭HelloTCP/UDP頭高層數(shù)據(jù)MAC子層LLC子層FCSIP包頭數(shù)據(jù)的封裝與解封裝過程3－3Hello物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層傳輸層會話層表示層應(yīng)用層比特幀報文段PDUHelloTCP/UDP頭HelloIP包頭LLC子層MAC子層TCP/UDP頭HelloIP包頭LLC子層MAC子層FCSTCP/UDP頭HelloTCP/UDP頭高層數(shù)據(jù)LLC子層第6章ATM交換技術(shù)分組交換原理6.16.2ATM交換技術(shù)6.2.1N-ISDN與B-ISDN問題：什么是ATM?設(shè)想70年代銅線電路交換分組交換ISDN不成功諸網(wǎng)并存單一網(wǎng)絡(luò)ISDN(N-ISDN)帶寬受限技術(shù)適應(yīng)性差不完全綜合6.2.1N-ISDN與B-ISDN80年代適合不同業(yè)務(wù)的信息傳遞技術(shù)90年代后期單一網(wǎng)絡(luò)B-ISDN線路帶寬和質(zhì)量大大提高解決了傳輸媒體問題ATM寬帶IP網(wǎng)光纖普及快速分組交換6.2.1N-ISDN與B-ISDN6.2.1N-ISDN與B-ISDNATM與IP的競爭：ServicesTechnologyMarketing服務(wù)商客戶IP設(shè)備商IPonEverythingEverythingOverIPATM6.2.1N-ISDN與B-ISDNATM＝AnotherTechnicalMistake?6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)一．ATM的含義：是一種采用異步時分復用方式、以固定長度信元為單位、面向連接的信息轉(zhuǎn)移（包括復用、傳輸與交換）模式。

ATM：AsynchronousTransferMode，異步轉(zhuǎn)移模式ATM：AutomaticTellorMachine，自動取款機ATM技術(shù)具有下列特征：

（1）所有信息在ATM網(wǎng)中以信元（Cell）形式發(fā)送，它采用固定長度數(shù)據(jù)單元格式，由信頭和信息域組成；（2）ATM是面向連接的技術(shù)，同一虛連接中的信元順序保持不變；（3）通信資源可產(chǎn)生所需的信元，每一信元都具有連接識別的標號（位于信頭某域）；（4）信元信頭具有本地重要性，即用于路由選擇的標識符只在特定物理鏈路上才是唯一的；（5）信息域被透明傳輸，它不執(zhí)行差錯控制；（6）信元流被異步時分多路復用。6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)分組交換的信息格式短小、定長的53字節(jié)傳統(tǒng)分組交換ATMATM的分組——信元

虛連接信頭標簽的方式與地址的不同面向連接的通信方式6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)不同速度可變速率統(tǒng)計時分復用6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)定義不同的適配層ATM通過定義不同的適配層來滿足不同業(yè)務(wù)對傳輸性能的要求。ATM層提供的只是一般意義的定長數(shù)據(jù)傳送能力。6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)信頭：在UNI上為GFC在NNI上為VPI123456-53841＊GFC/VPI＊VPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHEC凈荷ATM信元格式：一般流量控制（GFC:4）虛通路標識符（VPI:8/12）和虛信道標識符（VCI:16）凈荷類型（PT:3）信元丟失優(yōu)先級（CLP:1）頭標差錯控制（HEC:8）ATM信頭的功能：6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)虛通路連接VP虛信道連接VCATM連接類型6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)VPI/VCI:信元的邏輯路由地址

VPI:虛通路標志

VCI:虛信道標志存在兩種類型的連接：VCC:VCConnection虛信道連接VPC:VPConnection虛通路連接傳輸鏈路虛通路VPxVPzVPyVCxVCxVCyVCzVCzVCyVCyVCx虛信道在一個給定的接口，復用在一條鏈路上的許多不同的VP，用它們的VPI來識別。復用在一個VP中的不同的VC，用它們的VCI來識別。在一個給定的接口上，屬于兩個不同的VP的兩個VC，可具有相同的VCI。6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)連接與信道VPC(VP虛連接)由一串VPL(VP鏈路)連接而成每一VPL由一個VPI表示(本地含義)VCC(VC虛連接)由一串VCL(VC鏈路)連接而成每一個VCL由一個VCI表示(本地含義)連接與信道6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)VP/VC交換ConnectionTable Port VPI/VCI Port VPI/VCI 1 0/37 3 0/76 1 0/42 5 0/52 2 0/37 6 0/22 2 0/78 4 0/883742377876522288123456VideoDataVoiceVideoDataVoiceVideoDataVoiceVideoVideoVideo6.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)ATM交換過程VPVC應(yīng)用舉例端點A通過ATM交換機X,Y和Z與端點B建立了一條邏輯連接ATM網(wǎng)絡(luò)AB交換機

X交換機

Y交換機

Z121232343414端口VPI/VCI端口VPI/VCI43/1729/353/1742/556/359/35交換機X的VPI/VCI轉(zhuǎn)換表交換機Y的VPI/VCI轉(zhuǎn)換表交換機Z的VPI/VCI轉(zhuǎn)換表端口VPI/VCI端口VPI/VCI19/3546/35端口VPI/VCI端口VPI/VCI46/35242/556.2.2ATM技術(shù)基礎(chǔ)6.2.3ATM協(xié)議模型面管理層管理控制面用戶面高層高層ATM適配層ATM層物理層ATM協(xié)議參考模型DataCellVideoCellVoiceCell6.2.3ATM協(xié)議模型ATMSystemArchitecture物理層媒體相關(guān)子層(比特)傳輸匯聚子層(傳輸幀)

ATM層(信元)：ATM適配層(應(yīng)用分組)SAR子層(分段和重裝)匯聚子層(滿足高層應(yīng)用的其它需要)ATM技術(shù)各層功能6.2.3ATM協(xié)議模型用戶平面用戶數(shù)據(jù)交換高層解析控制平面信令協(xié)議高層解析管理平面層管理和面管理逐層解析6.2.3ATM協(xié)議模型不同平面的功能功能：信元編碼及透明傳輸包括：－物理媒體相關(guān)子層(PMD)供電、操作－傳輸會聚子層(TC)6.2.3ATM協(xié)議模型物理層信元流PMD物理電氣/光規(guī)范編碼………封裝：加傳輸開銷加控制信息TC5.6.3ATM協(xié)議模型物理層PHY功能示意圖光纖同軸電纜雙絞線物理媒體相關(guān)子層（比特流的收發(fā))5.6.3ATM協(xié)議模型全雙工的155.52Mb/sCMI編碼的同軸電纜(100~200米)NRZ編碼的單模光纖(800~2000米)全雙工的622.08Mb/sNRZ編碼的單模光纖不平衡速率上行:155.52Mb/s下行:622.08Mb/s6.2.3ATM協(xié)議模型ITU(I.432)物理層速率傳輸幀的適配信元裝入幀信元定界：狀態(tài)機擾碼和HE