現(xiàn)代交換基本原理第七章ATM和MPLS

1、 現(xiàn)代交換基本原理第七章ATM和MPLS7.1 B-ISDN及ATM的概念7.1.1 ATM的產(chǎn)生分組交換的特點：* 工作模式是將信息分成若干段，裝配成有源目的地址、控制碼、校驗碼及包封的分組，并以分組為單元進行交換和統(tǒng)計復(fù)用傳送。* 特點：占用帶寬隨意，資源利用率高，但實時響應(yīng)差，逐段轉(zhuǎn)發(fā)模式轉(zhuǎn)送效率低，網(wǎng)絡(luò)吞吐量較小，不能適應(yīng)寬帶高速業(yè)務(wù)交換傳送的需要。7.1 B-ISDN及ATM的概念異步轉(zhuǎn)移模式(ATM)的產(chǎn)生，設(shè)想一種新的方案，既具有電路交換那樣控制簡單、實時性好的特點，又具有分組交換的統(tǒng)計復(fù)用那樣資源利用率高的特點。ATM方案：* 采用分組統(tǒng)計復(fù)用方式，以適應(yīng)各類信息傳送的需要；*

2、 采用固定長度分組，使交換能按照類似于電路模式 進行，保障業(yè)務(wù)QoS；* 所有交換節(jié)點不檢錯，以提高網(wǎng)絡(luò)信息轉(zhuǎn)移速度。7.1 .2 ATM 的概念 ATM定義 () ATM is “A transfer mode in which the information is organized into cells; it is asynchronous in the sense that the recurrence of cells containing information from an individual user is not necessarily periodic”ATM (As

3、ynchronous Transfer Mode)是一種傳遞模式，在這一模式中，信息被組織成信元，包含一段信息的信元不需要周期的出現(xiàn)，從這個意義上講，這個傳遞模式是異步的。* ATM本質(zhì)上是一種高速分組交換模式，它將語音、數(shù)據(jù)、圖像等所有數(shù)字信息分解成長度固定的數(shù)據(jù)塊，并在數(shù)據(jù)前裝配地址、丟失優(yōu)先級等控制信息構(gòu)成信元，空閑信元以一定速率發(fā)送，只要獲得空閑信元即可插入信息發(fā)送。* 信息插入位置無周期性，需要排隊等待空閑信元到來才能發(fā)送信息，所以ATM是以信元為單位的存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式，成為信元交換。* 在ATM中，語音、數(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)的信息被分解成固定長度（48字節(jié)）的數(shù)據(jù)塊，加上5字節(jié)的信元頭，形

4、成53字節(jié)的完整信元。* 采用異步時分復(fù)用的方式，將來自不同信息源的信息匯聚到一起，信元頭中的虛通路標(biāo)識符（VPI）、虛信道標(biāo)識符（VCI）作為地址標(biāo)簽，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)信元頭中的標(biāo)簽識別和轉(zhuǎn)發(fā)信元。ATM的特征* 電路傳送方式的演進-時分復(fù)用，在每個時隙中放入信元，則電路傳送方式就演變?yōu)锳TM，依據(jù)信頭標(biāo)簽來區(qū)分用戶的數(shù)據(jù)；-面向連接，采用固定長度分組，使交換能按照類似于電路模式 進行，保障業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量； -控制簡單、實時性好。* 分組交換方式的演進-統(tǒng)計時分復(fù)用/異步時分復(fù)用，信道利用率高；-信元是一種特殊的數(shù)據(jù)分組。與分組交換方式的不同* 使用固定長度的分組ATM信元* 使用空閑信元(idle

5、cell)來填充信道（由物理層產(chǎn)生，將信元流適配到所用傳輸媒體的負荷能力而插入的信元。）* 由用戶在申請信道時，提出業(yè)務(wù)質(zhì)量要求* 不使用逐段反饋重發(fā)方法，必要時采用端到端的差錯糾正措施。7.2 ATM體系結(jié)構(gòu)7.2.1 ATM傳送模式7.2.1 ATM傳送模式* ATM，一種高速分組交換模式，將信道劃分成53字節(jié) 定長單元，48字節(jié)承載信息數(shù)據(jù)，5字節(jié)裝配上地址、 優(yōu)先級等控制信息，以定速方式傳送。* 待傳數(shù)字信息分成多個48字節(jié)定長塊，以統(tǒng)計復(fù)用方式占用信道上的ATM空閑信元，交換系統(tǒng)以信元為單位進行存儲轉(zhuǎn)發(fā)。* 由于信元定長、定速傳送，信元無包封，交換控制類似電路方式，較簡單，網(wǎng)絡(luò)吞吐量

6、大；用戶以統(tǒng)計復(fù)用方式占用空閑信元，可適應(yīng)不同速率需求的業(yè)務(wù)應(yīng)用，資源利用率高。7.2.2 ATM信元結(jié)構(gòu)ATM信元頭部包含流量控制信息、虛連接標(biāo)識符、凈荷類型、信元丟失優(yōu)先級和信頭差錯控制信息。與分組交換的分組頭比，ATM信頭功能大大簡化：-只對信頭進行差錯控制，不進行逐段鏈路的檢錯和糾錯；-端到端的差錯控制只在需要時由終端完成；-只用VPI/VCI標(biāo)識一個虛連接，無需源地址、目的地址和分組序號；-信元順序由終端保證。信頭（5字節(jié)）信息段（48字節(jié)）GFCVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHECVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHEC(b)NNI格式(a)UNI格式圖7.3

7、ATM信元的信頭格式TEUNINNINNIB-ISDN8 7 6 5 4 3 2 1bit8 7 6 5 4 3 2 1bit12345字節(jié)12345其它B-ISDN* 信元頭（5字節(jié)）GFC (Generic Flow Control)：一般流量控制，4bit，只用于 UNI。用于流量控制或共享介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)識不同的接入。 VCI（Virtual Channel Identifier）：虛信道標(biāo)識，12bit， 可標(biāo)識65536個虛信道。VPI（Virtual Path Identifier）：虛通路標(biāo)識，用來區(qū)分傳輸 信道上不同的虛通道。 在UNI為8bit，可標(biāo)識256個VP；在NNI為1

8、2bit，可標(biāo)識 4096個VP。PTI (Payload Type Identifier)：凈荷類型標(biāo)識，3bit，可標(biāo)識 8種類型。P.214 表ATM 信元結(jié)構(gòu)CLP (Cell Loss Priority)：信元丟失優(yōu)先級，1bit，用于擁塞控制。CLP=0時網(wǎng)絡(luò)應(yīng)保障帶寬資源供給；CLP=1時如有擁堵可丟棄信元。HEC (Header Error Control)：信頭差錯控制，8bit，用于信頭中 的差錯控制和信元同步。建議，這一區(qū)域的處理在 物理層進行。傳輸鏈路VPI=1VPI=2VCI=1VCI=2VCI=1VCI=2 ATM是面向連接的，傳送信息前要先建立虛連接，可建立虛通路

9、VP (Virtual Path)和虛信道VC兩個層次的連接，并在信頭中用VPI/VCI標(biāo)識信元屬哪個連接。其概念如下圖所示。PTI-Payload Type Identifier ATM 信元分類各類信元的PTI值不同* 用戶信息信元* OAM 信元（物理層）* 信令信元(signalling cell)* 未分配信元(Unassigned Cell)（ATM層）和空閑信元（物理層） ATM信元類型 表，ATM信元的凈荷類型PTI值凈荷類型000無擁塞的用戶信元,ATM層間指示=0001無擁塞的用戶信元,ATM層間指示=1010有擁塞的用戶信元,ATM層間指示=0011有擁塞的用戶信元,AT

10、M層間指示=1100VC的OAM信元(用于傳輸通道)101VC的OAM信元(用于端到端的傳輸)110資源管理信元(用于改變正在使用的帶寬)111備用ATM傳輸鏈路上的最大虛連接數(shù)UNINNI256(8bits)4096(12bits)VP數(shù)VC數(shù)(每VP）65,636(16bits)65,536(16bits)最大虛連接數(shù)16,777,216(24bits)268,435,456(28bits)CLP（信元丟失優(yōu)先級） 在網(wǎng)絡(luò)擁塞期間丟棄信元的優(yōu)先級 CLP=0 高優(yōu)先 CLP=1 低優(yōu)先 GFC用在UNI接口上控制流量周期性地阻止UNI接口上所有連接的業(yè)務(wù)流量（Cyclic HALT)對受控

11、ATM連接進入網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量進行接入控制指明UNI接口上的流量是否屬于受控ATM連接1、ATM信元頭與IP頭的區(qū)別？2、為什么要用兩種標(biāo)識：VPI、VCI，有何益處？3、信元長度固定、且短有什么優(yōu)勢?4、哪種接口（NNI/UNI）流量控制功能更豐富？5、UNI和NNI接口分別能支持多少個VPI和VCI?思考題：7.2.3 ATM協(xié)議參考模型和功能解析 ATM參考模型分成3個平面，用戶面、控制面和管理面，其中層管理、U和C平面又分4個層次規(guī)約所完成的功能。面管理不分層。用戶面4層。提供用戶信息流的傳送，具有一定的控制功能。控制面4層。提供呼叫和連接的控制功能。管理面的層管理分層，主要用于各層內(nèi)部管

12、理。面管理不分層（如：網(wǎng)絡(luò)資源管理、處理與各層相關(guān)的操作維護信息流）。管理面的面管理不分層，實現(xiàn)所有平面間的協(xié)調(diào)，對整個系統(tǒng)進行管理。 1、ATM物理層 利用通信線路的比特流傳送功能實現(xiàn)傳送ATM信元功能，如SDH、同步光纖網(wǎng)絡(luò)SONET、DS1、E1等。 物理層包括物理介質(zhì)子層、傳輸匯聚子層、幀生成與恢復(fù)、信元校正、信元定界和信元速率匹配等功能。物理媒體子層PM（ Physical Medium sublayer ） 在物理媒體上正確地發(fā)送和接收比特，提供比特流傳輸、線路編碼、比特流定時。傳輸會聚子層TC（Transmission Convergence sablayer）提供信元流和比特流

13、之間的相互轉(zhuǎn)換所需的功能：傳輸幀的生成/恢復(fù)傳輸幀的適配信元定界（用HEC）信頭差錯控制（HEC）信元速率解耦* 傳輸幀的生成與恢復(fù)，當(dāng)前傳輸系統(tǒng)有SDH和PDH系統(tǒng)，均以125s為周期傳送幀，發(fā)送端將信元嵌入到相應(yīng)幀格式中，或相反過程。* 信元差錯校正，利用 HEC只對信頭部分進行檢驗，可糾正一位錯碼和發(fā)現(xiàn)多位錯碼。信頭有錯而無法糾正時則丟棄該信元。* 信元定界，利用HEC字節(jié)在接收的比特流中找出信元的邊界。* 信元速率適配，ATM信元傳輸信道速率恒定，當(dāng)發(fā)送端沒有信息可傳時，須向信道送出空閑信元，接收端則把收到的空閑信元丟掉，以保證傳輸信道速率恒定。HEC信元糾錯* 一般采用循環(huán)冗余編碼（

14、CRC）規(guī)則* 在發(fā)送端，將信頭的前四個字節(jié)和x8相乘后再除以生成多項式x8+x2+x+1，所得的余數(shù)就是要發(fā)送的HEC字段。* 在接收端，如果按CRC編碼規(guī)則計算出來的HEC字段正確，則表明信頭在傳輸過程中沒有出現(xiàn)差錯；* 利用這種方法可以糾正所有單比特差錯，或者檢測出單比特和多比特差錯。* 美國AT&T公司測試結(jié)果表明，90%差錯為單比特差錯。* 檢測到差錯，可選擇丟棄該信元。HEC信元定界* 接收機連續(xù)不斷的掃描相鄰的5個輸入字節(jié)，一確定這5個字節(jié)是否是信元頭* 如果將這5個字節(jié)除以生成多項式后的余數(shù)為零，這5個字節(jié)就是一個信元的信頭* 接收機就等待后48個字節(jié)凈荷的到來， 然后再掃描5

15、個輸入字節(jié)，檢查是否也為合法信頭，反復(fù)多次；* 如果每次都成功，則接收器就判定已和發(fā)送信元取得同步；*如果找不到合法信頭，接收器則逐1bit移動，直至找到合法的信頭。高層:高層協(xié)議功能高層匯聚子層: 與集體業(yè)務(wù)有關(guān)CSAAL拆裝子層: 將各種業(yè)務(wù)的信息適配成ATM信元流。多余字節(jié)分段，不夠字節(jié)組裝。SAR一般流量控制: 在UNI上完成ATM信頭產(chǎn)生/提取: 發(fā)端信頭產(chǎn)生，收端提取信頭信元VPI/VCI翻譯:負責(zé)交換、選擇路由，VP交換和VC交換。信元復(fù)用和分路: 發(fā)端將不同連接（虛電路 ）的信元復(fù)用成單一的信元流，收端做相反的 工作。 信元速率去耦: 發(fā)端沒有信息要發(fā)送時向ATM復(fù)用線上填入未

16、分配信元，使收發(fā)兩端能 異步工作。信元速率去耦: 發(fā)端插入空閑信元，將信元流的速率適配到傳輸系統(tǒng)的負荷能力；收端做 相反的工作。TC物理層信元定界: 識別信元的邊界HEC信元差錯校正: 收到HEC檢驗信頭的正確性傳輸幀產(chǎn)生/恢復(fù): 將信元流封裝成傳輸系統(tǒng)要求的幀送到PM，反之將PM 送來的比特流 恢復(fù)成信元流。 比特定時: 向上一層提供正確的比特流PM物理媒體: 負責(zé)線路編碼、光電轉(zhuǎn)換ATM信元定界處理模型 搜索態(tài)逐比特檢查同步態(tài)預(yù)同步態(tài)連續(xù)收到次不正確的HEC收到不正確的HEC收到正確的HEC連續(xù)收到次正確的HEC信元定界狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖CCITT建議=7，=6。逐個信元檢查逐個信元檢查主要功能信

17、元復(fù)用/分路信元標(biāo)識（VPI/VCI）翻譯信元頭的產(chǎn)生/提取一般流量控制2、ATM層物理層ATMAALCSSARTCPM高層* 信元復(fù)用/解復(fù)用，在與TC層接口處發(fā)端完成 不同VPI/VCI信元的復(fù)用并遞交給TC層發(fā)送； 收端根據(jù)VPI/VCI值將各信元送給不同面模塊的適配層處理。* 信元傳輸，ATM網(wǎng)絡(luò)采用面向連接方式工作， 由ATM層按呼叫需求建立永久/交換式虛連接，信元沿已建立的虛連接進行傳送。* 流量和擁塞控制，用戶源端按需求產(chǎn)生流量控制域，接收點依該域要求控制流量，超出流量 約定部分當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時可丟棄這部分信元。* 信元頭部處理，按照已建立的虛通路路由表項 依VPI/VCI選擇交換路

18、徑，并產(chǎn)生下一段新的VPI/VCI。3、ATM 適配層(AAL)功能：增強 ATM 層服務(wù)，適應(yīng)高層需要支持 ATM 層與高層間的信息映射ATM適配層(AAL)* 控制面，AAL層將信令消息適配成ATM信元，其高層為信令協(xié)議，用來在ATM網(wǎng)絡(luò)中建立虛連接。* 用戶面，高層為TCP/IP、文件傳送協(xié)議（FTP）數(shù)據(jù)或者同步傳輸模式（STM）數(shù)據(jù)信息，AAL層負責(zé)將他們適配成ATM信元。* 管理面，高層為本地管理接口（LMI）、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP)、公共管理信息協(xié)議(CMIP)等網(wǎng)管協(xié)議的管理數(shù)據(jù)，AAL層將它們適配成ATM信元。ATM適配層(AAL) 公共部分匯聚子層，在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)后添加相

19、應(yīng)的控制尾部。ATM適配層將公共部分匯聚子層的數(shù)據(jù)單元劃分成48字節(jié)的凈荷塊，裝配成ATM信元。ATM適配層的業(yè)務(wù)類型* 分類依據(jù)源和目的之間的時間關(guān)系，比特率特性，連接方式* AAL層業(yè)務(wù)分類業(yè)務(wù)類型 AAL1 A類實時非實時可 變恒 定面向連接可視圖像視聽數(shù)據(jù)傳送連接模式比特率源與目的地 定時關(guān)系應(yīng)用舉例無連接 AAL2 B類 AAL3/4 C類 AAL5 D類 ITU-T建議給出AAL支持的四種業(yè)務(wù)類型 * AAL1適用于A類業(yè)務(wù)* AAL2適用于B類業(yè)務(wù)* AAL3/4適用于C、D類業(yè)務(wù)* AAL5適用于C類業(yè)務(wù)ATM 適配層類型 ATM交換的基本功能* 信元交換* 集中/復(fù)用* 擴展

20、/分路ATM交換的定義 從一條邏輯ATM信道到一條或多條邏輯 ATM信道的信息交換；7.2.4 ATM交換連接和典型交換結(jié)構(gòu) 邏輯ATM信道* 用物理端口以及該物理端口上的邏輯信道表征：邏輯ATM信道=物理端口+物理端口上的邏輯信道 物理端口號：表征了物理入線或出線 物理端口上的邏輯信道：由虛通路/虛信道標(biāo)識 (VPI/VCI) 表征ATM交換功能的組成* 時分交換* 空分交換* 信元頭交換（翻譯）VPI與VCI* 虛通道用于各節(jié)點交換機之間的互聯(lián)以及用戶終端設(shè)備的接入* 描述一組虛信道通過網(wǎng)絡(luò)的單向路由* 由若干個虛信道組成* 虛信道直接用于各種業(yè)務(wù)源* 不同數(shù)值的VCI不僅可以表示不同的虛

21、信道，還可以標(biāo)記不同 用戶的信元，或者同一用戶、不同業(yè)務(wù)的信元。VP交換與VC交換ATM交換相應(yīng)分為兩類：* VP交換（1）又稱交叉連接 (cross-connect)，相應(yīng)的設(shè)備稱為交叉連接設(shè)備（2）被交換的VPC中所包含的所有VCC被作為整體被交換（3）用于骨干網(wǎng)中大量VCC的成組交換，通常不需信令 功能，通過網(wǎng)管控制 * VC交換（1）和VP交換同時進行。VPI值與VCI值都要進行 交換。（2）VC是按照VP來劃分的，當(dāng)VC交換時，其所屬的 VP也要進行交換，即VP和VC都要進行交換。（3）VC交換機:同時對VPI和VCI進行處理和變換。 如：ATM交換機，復(fù)接/分接器VP交換:交換機將

22、一條VP上所有的VC鏈路上的ATM信元 全部轉(zhuǎn)送到另一條VP，交換過程中不改變VCI值。VC交換:交換機在不同的虛通道VP和虛通路VC直接進行 ATM信元交換，所有VPI/VCI在交換后都改為新值。VP 交換VPI=1VPI=3VPI=5VPI=2VPI=4VPI=6VCI=1VCI=2VCI=3VCI=4VCI=5VCI=6VCI=3VCI=4VCI=5VCI=6VCI=1VCI=2VC 交換VP 交換VCI=1VCI=2VCI=1VCI=2VCI=3VCI=4VCI=1VCI=21243VPI=1VPI=4VPI=5VPI=2VPI=3ATM的虛連接過程 7.3 ATM交換的基本原理 通信

23、前利用呼叫建立信令為每個呼叫分配邏輯信道，指定信頭值為x、y、z等，以及用戶所在鏈路號存入路由表，同時將輸出鏈路和分配的信頭值存入對應(yīng)表項。通信中，每個信元頭部完全抵達后，檢查無誤則依據(jù)鏈路號和信頭值通過硬件檢索路由表，獲得輸出鏈路及新的信頭值，控制交換機構(gòu)將信元轉(zhuǎn)交對應(yīng)鏈路排隊，插入新信頭值后傳送給下一站。 ATM交換的基本原理1 ATM交換： 是基于路由選擇表，利用信頭的路由選擇標(biāo)識符（VPI和VCI）將ATM信號從輸入線路傳送到指定的輸出線路。2 ATM交換應(yīng)完成的功能：（1）路由選擇：在輸入鏈路上接收信元，并提取信元的信頭，將 信元從一個傳輸線傳送到另一條編號不同的傳輸 線上。（2）排

24、隊: 輸出線路都對應(yīng)有一個FIFO的緩沖器，信元首先交換到對應(yīng)輸出線路的FIFO緩沖器，等待輸出，以免多個入線上的信元同時交換到同一出線上而發(fā)生信元丟失。（3）信頭翻譯: 信元交換到出線上后，入VPI/VCI改成 出VPI/VCI，意味著從入線上的某個邏輯信道交換到出線上 的某個邏輯信道上。（4）發(fā)送：按信元的到達次序從隊列中取出信元把它發(fā)送到相應(yīng) 的輸出端口。ATM交換應(yīng)完成的功能: 信頭、 鏈路 翻譯表I1I2InO1O2OnZXXYSSYXkkniiimgg輸入鏈路信頭值輸出鏈路信頭值 I1 X Y ZO1 On O2k m i In X Y SO1 O2 Onn i g信元隊列數(shù)據(jù)輸入信元流輸出信元流t輸入信頭輸出信頭ATM交換機模塊結(jié)構(gòu) 輸入模塊(IM):接收信元，為信元通過交換單元準(zhǔn)備路由選擇。輸出模塊(OM)：執(zhí)行信元輸出，插入新的VPI/VCI、產(chǎn)生HEC、速率匹配、電光