第七章ATM交换技术

第七章ATM交换技术本章教学基本要求：1．了解ATM的定义及信元结构；2．理解虚信道和虚通路；3．理解ATM协议分层结构；4．理解ATM交换的基本原理；5．理解ATM连接的建立和清除；6．掌握ATM交换机的组成；7．掌握ATM交换结构。

本章教学主要内容：一、ATM的基本概念二、B-ISDN/ATM协议三、ATM交换的基本原理四、ATM交换机的组成五、ATM交换结构六、ATM连接建立和清除一、ATM的基本概念1．ATM的定义ATM（Asynchronous Transfer Mode），即异步转移模式，被ITU-T定义为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式。

术语“转移”包括了传输和交换两个方面，所以转移模式是指信息在网络中传输和交换的方式。

“异步”是指在接续和用户中带宽的分配方式。

因此，ATM就是在用户接入、传输和交换级综合处理各种通信量的技术。

2．ATM的信元结构ATM信元的长度是固定的，而且信元的长度较小，只有53字节，分为信头和净荷两部分，信头为5个字节，净荷为48个字节。

ATM信元的信头内容在用户-网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）中略有差别，如图7.1所示。

(1)GFC：一般流量控制，4比特。

仅用于UNI接口，用于控制ATM接续的业务流量，减少用户边出现的短期过载。

只控制产生于用户终端方向的信息流量，而不控制网络方向的业务流量。

(2)VPI：虚通道标识，其中NNI为12比特，UNI为8比特。

(3)VCI：虚通路标识，16比特，标识虚通道内的虚通路，VCI与VPI的组合来标识一个虚连接。

(4)PTI：净荷类型指示，3比特，用来指示信元类型。

(5)CLP：信元丢失优先级，1比特。

用于信元丢失级别的区别，CLP为1，表示该信元为低优先级，为0则为高优先级，当传输超限时，首先丢弃的是低优先级信元。

(6)HEC：信头差错控制，8比特，监测出有错误的信头，可以纠正信头中1比特的错误。

HEC还被用于信元定界。

G F CV P I V P I V C IV C IV C I P T ICLP H E CV P I V P I V C I V C I V C IP T I CLP H E C(b)NNI 格式(a)UNI 格式TE8 7 6 5 4 3 2 1bit8 7 6 5 4 3 2 1bit12345字节12345图7.1 A TM 信元的信头格式3．虚信道与虚通路ATM 技术中最重要的特点就是信元的复用、交换和传输过程，均在虚信道（VC ）上进行。

(1)虚信道（VC ）与虚通路（VP ） ①VC虚信道是ATM 网络链路端点之间的一种逻辑联系，是在两个或多个端点之间传送ATM 信元的通信通路，由VCI 标识，可用于用户到用户、用户到网络、网络到网络的信息转移。

②VP虚通路是在给定参考点上具有同一虚通道标识符的一组虚通路。

虚通路在传输过程中，组合在一起构成虚通道，二者关系如图7.2所示。

因此ATM 网络中不同用户的信元是在不同的VP 、VC 中传送的，而不同的VP/VC 则是利用各自的VP 标识（VPI ）和VC 标识（VCI ）进行区分。

VCVC图7.2 传输通道、虚通道VP 、虚通路VC 的关系(2)虚信道连接（VCC ）与虚通路连接（VPC ）虚信道连接（VCC）VC链路VC链路VC链路VCI VCI VCI①VCCVCC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。

②VPCVPC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。

VCC端点是VCC的起点和终点，是ATM层及其上层交换信元净荷的地方，也就是信息产生的源点和被传送的目的点。

VPC端点是VPC的起点和终点，是VCI产生，变换或终止的地方。

注意：VCI值改变时，支持它的VPI一定相应地变化；而VPI值改变时，其中的VCI不一定变化。

换句话说，VP可以单独交换，而VC交换必然和VP交换一起进行。

(3)VC交换与VP交换①VP交换交换机将一条VP上所有的VC链路上的ATM信元全部转送到另一条VP，交换过程中不改变VCI值。

如图7.4所示。

图7.4 VP交换②VC交换交换机在不同的虚通道VP和虚通路VC质检进行ATM信元交换，所有VPI/VCI在交换后都改为新值。

如图7.5所示。

图7.5 VC交换二、B-ISDN/ATM协议1．ATM协议参考模型ITU-T I.321建议描述了基于ATM的B-ISDN的协议参考模型，如图7.6所示。

它由面和层构成一个立体模型，面用来描述网络中可以支持的不同功能，层用来描述网络功能的实现模型。

图7.6 B-ISDN协议参考模型(1)三个面的功能①用户平面：传送用户信息，包括与业务相关的协议及数据、话音和视频信息。

②控制平面：传送信令信息，包括连接建立、拆除等功能。

③管理平面：维护网络和执行操作功能，其中层管理用于各层内部的管理，面管理用于各层之间管理信息的交互和管理。

(4)四个层的功能①物理层：负责通过物理媒介正确、有效地传送信元。

②ATM层：主要负责信元的交换、选路和复用。

③AAL层：主要功能是将高层业务信息或信令信息适配成ATM信元。

④高层：负责各种业务的应用层或信令的高层处理。

2．物理层协议物理层完成的主要功能分别是信元和传输系统比特流适配、实现媒体中传输信号定时和媒体特性有关的功能等，为此将物理层进一步分为传输会聚（TC）和物理媒体（PM）两个子层。

TC子层执行的是和物理媒体相对无关的协议，向ATM层提供业务接入点SAP，而相应的PM子层和实际物理通信线路相关，执行物理层中和物理媒体有关的功能。

(1)物理媒体子层（PM）PM子层提供比特流传输、定时和媒体的物理接入。

(2)传输会聚子层（TC）TC子层主要完成传输帧适配、信元速率解耦、信元定界、HEC控制、扰码等功能。

①传输帧适配传输帧适配是针对SDH/SONET、PDH等具有帧结构的传输系统而言的，在这些系统中传送ATM信元时，必须将ATM信元装入传输帧中。

②信元速率解耦物理层中传输的信元包括未分配信元、分配信元和物理层的OAM操作信元，这三种信元组成的信元流可能小于物理媒体所允许的传输容量。

这样，在输入端当信元递交给物理层中适配成相应传输结构时，系统插入空闲信元；在接收端则执行相反的操作。

这种空闲信元插入和删除工作称为“信元解耦”。

③信元差错控制（HEC）信头差错控制覆盖整个信头，所选8bit校验码能够纠正单比特错误和监测多比特错误。

接收端有两种工作模式：单比特纠错模式和多比特检错模式，如图7.7所示。

图7.7 接收端HEC 工作方式④信元定界在一个比特流中界定各个信元的功能称为信元定界功能。

信元定界方法是基于信头的前4个字节和HEC 的关系来设计的，即在比特流中连续的5个字节满足HEC 产生的算法，可以认为是某个信元的开始。

具体的信元定界状态如图7.8所示。

搜索态逐比特检查同步态预同步态连续收到a 个不正确的HEC收到不正确的HEC收到正确的HEC连续收到b 个正确的HEC图7.8 信元定界状态图信元定界算法中定义了三种不同的状态：捕捉态、预同步态和同步态。

接收器开始工作时处于捕捉状态，这时接收器对收到的信号逐比特进行检查，搜寻正确的HEC 校验。

在发现了一个正确的HEC 校验后，系统进入预同步态。

在这种状态下，系统认为可以假定己经发现信元的边界，并按此边界找到下一个信头的HEC 校验。

若能够连续发现b 次连续正确的HEC ，则系统进入同步态。

若在此过程中发现一个HEC 校验的错误，系统则返回捕捉态。

在同步状态下，系统逐信元进行HEC 检查，一旦连续a 次发现错误HEC 校验，系统认为丢失了信元的边界，因此重新回到捕捉态。

⑤扰码为了增强HEC 信元定界的安全性，使信元的信息字段假冒信头的概率减至最小，需要通过扰码使信元流净荷字段中数据随机化。

3．ATM 层协议ATM 层为ATM 适配层和物理层之间提供了接口，其主要功能是负责信元的交换、选路和复用。

具体为(1)信元的复用和分路，即在源端点负责对多个虚连接的信元进行复用和在目的端点对接收的信元进行分路；(2)虚通道识别符(VPI)和虚通路识别符(VCI)的翻译；(3)负责在每个ATM节点上对信头进行标记/识别；(4)负责ATM信头的产生和提取；(5)负责在源端点产生信头(除HEC外)和在目的端点翻译信头。

例如，在目的端点可以把VPI/VCI翻译成业务接入点(SAP)；(6)支持用户网的ATM通信流量控制。

4．ATM适配层协议（AAL）(1)AAL的功能主要功能是将高层业务信息或信令信息适配成ATM信元流。

它是ATM层与高层应用（包括用户面、控制面和管理面）之间的适配层，并支持高层与ATM 层之间的适配：将高层的协议数据单元（PDU）映射到ATM信元的信息段或反之。

AAL实体与对等层的AAL实体之间要交换信息，以实现AAL的功能。

(2)AAL的基本结构AAL的功能可以分为两个逻辑子层：①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。

②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。

(3)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３个特性进行分类：①源与终点之间的定时关系：需要或不需要；②比特率：固定或可变；③连接方式：面向连接或无连接。

表7.1 AAL的分类(4)AAL类型为了适应不同业务类型的需要，ITU-T定义了４类AAL：AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5。

①AAL1规程用于支持Ａ类业务。

②AAL2规程用于支持Ｂ类业务，适用于时延敏感的低速、可变长度的短分组的传送。

③AAL3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。

④AAL5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。

5．高层协议相当于各种业务的应用层或信令的高层处理。

三、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。