ATM基本原理.docx

ATM基本原理.docx

《ATM基本原理.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ATM基本原理.docx（46页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

ATM基本原理

TD-SCDMA初级培训教材

ATM基本原理

版本1.0

2018-10-11

目录

第1章ATM技术概述1-1

1.1引言1-1

1.2ATM的含义1-1

1.3ＡＴＭ的基本特点1-2

1.4ATM信元（Cell）1-3

1.5B-ISDN参考模型1-4

1.5.1物理层1-6

1.5.2ATM层1-6

1.5.3ATM连接1-7

1.5.4AAL层1-9

1.6ATM地址格式1-16

第2章WCDMA中ATM信令协议2-1

2.1WCDMA网络传输信令协议结构2-1

2.2UTRAN传输网络层中ATM网络信令协议结构2-2

2.2.1Iub口2-2

2.2.2Iu口2-3

2.2.3Iur口2-5

2.3ATM网络信令协议介绍2-6

2.3.1ATM信令链路模块SAAL2-6

2.3.2宽带七号信令传递模块MTP3B2-8

2.3.3宽带信令连接控制模块B-SCCP2-10

2.3.4ALCAP2-12

2.4ATM各层协议在中兴ZXWRRNC设备单板的映射和信令处理流程2-15

2.4.1ATM各层协议在中兴ZXWRRNC设备单板的映射2-15

2.4.2ATM信令处理流向2-16

第3章IPOA：

IP与ATM技术的结合3-18

3.1IPOA技术概要3-18

3.2IPOA功能介绍3-19

3.3IPOA工作过程3-19

3.4IPOA在TCP/IP协议栈中的位置3-20

3.5WCDMA中的IPOA协议3-20

3.5.1IP信令链路模块3-20

3.5.2M3UA3-21

3.5.3SCTP3-22

3.6IPOA技术应用发展趋势3-25

第一章ATM技术概述

一.1引言

在现代社会中，人们需要传递和处理的信息量越来越大，信息的种类也越来越多，其中对会议电视、高速数据传输、远程教学、VOD等宽带新业务的需求正迅速增长。

原来的各种网络都只能传输一种业务，如电话网只能提供电话业务，数据通信网只能提供数据通信业务。

这种情况对于用户和网络运营者来说都是不方便和不经济的，人们因此提出了ISDN（IntegratedServicesDigitalNetwork综合服务数字网）的概念，希望能够用一种网络来传送各种业务。

ISDN的概念是于1972年提出的，由于当时的技术和业务需求的限制，首先提出的是窄带ISDN（N-ISDN）。

目前N-ISDN技术已经非常成熟，世界上已经有了许多比较成熟的N-ISDN网。

但是由于N-ISDN存在着带宽有限、业务综合能力有限、中继网种类繁多、对新业务的适应性差等局限性，要求人们提出有更大的灵活性、更宽的带宽、更强的业务综合能力的新网络。

自80年代以来，一些与通信相关的基础技术，如微电子、光电子技术等的发展和光纤的传输距离和传输容量的提高，为新网络的实现提供了基础。

就是在这种环境下，出现了宽带ISDN（B-ISDN）。

B-ISDN能够满足：

①提供高速传输业务的能力。

②网络设备与业务特性无关。

③信息的转移方式与业务种类无关。

为了研究开发适应B-ISDN的传输模式，人们提出了很多种解决方案，如多速率电路交换、帧中继、快速分组交换等。

最后得到了一个最适合B-ISDN的传输模式──ATM（AsynchronousTransferMode）。

ATM技术作为B-ISDN的核心技术，已经由ITU-T于1992年规定为B-ISDN统一的信息转移模式。

ATM技术克服了电路模式和分组模式的技术局限性，采用光通信技术，提高了传输质量，同时，在网络节点上简化操作，使网络时延减小，而且采取了一系列其它技术，从而达到了B-ISDN的要求。

一.2ATM的含义

ATM是英文“AsynchronoustransferMode（异步传输方式）”的缩写。

“异步”的含义：

异步是指信元能被使用而不需要准确的计时，任一用户的信息信元流不必是周期性的。

异步是多路复用的方案，把来自发送源的交通量混合在一起，输出到同一物理网络通路上。

一.3ＡＴＭ的基本特点

1）ＡＴＭ采用固定长度的信元传送信息。

信息交换是在第二层（ATM层）完成的而且协议简单，简化了网络节点中信息存贮管理与处理的复杂性，加快了信息交换的速率。

2）ＡＴＭ采用面向连接的通信方式。

收发双方通过信令或配置确定虚连接号（VCI,VPI）。

3）对服务质量（ＱｏＳqualityofservice）的支持。

ATM对用户接入时的流量控制和合理的ＱｏＳ与网络资源管理控制，以及各种差错控制技术，可以使信元丢失率降低到各种业务可以接受的程度，满足各类业务的需要。

4）优先级管理。

在ＡＴＭ方式下，辅之以必要的网络管理功能和信令处理与连接控制功能，可以设置多种优先级（连接优先级，信元优先级等）管理功能，满足各种使用要求。

5）灵活的动态带宽分配与连接管理能力

a）ＡＴＭ具有统计复用的特点。

ATM信元在线路上等间隔出现，

某一用户信元不对应固定位置出现但可以连续出现。

ATM可以根据各种业务的统计特性，在保证业务质量要求的前提下，在各业务之间动态的分配网络资源，以达到最佳的的资源利用率。

b）在ＡＴＭ方式下，网络具有支持多方连接的能力其中包括支持广播（ｂｒｏａｄｃａｓｔ）型连接和多播（ｍｕｌｔｉｃａｓｔ）型连接的能力。

6）ＡＴＭ对已有技术的兼容性

a）对现有广域网技术（包括分组交换及电路交换技术）的兼容：

ＡＴＭ可以兼容帧中继（ＦＲframerelay）业务、专线数据业务（ＤＤＮ），并且支持ＰＳＴＮ和Ｎ－ＩＳＤＮ业务。

b）对现有ＩＰ技术的兼容：

ＡＴＭ对ＩＰ技术既有第二层（数据链路层）的兼容（如局域网仿真-ＬＡＮＥ），又有第三层（网络层）的兼容（如ＣＩＰＯＡ、ＭＰＯＡ及ＭＰＬＳ）。

7）ＡＴＭ技术的缺陷

a）过高的信元开销。

就ＡＴＭ信元本身而言，信元头的开销超过了１０％（５／４８），如果再把ＡＴＭ适配层以及更高层协议的开销考虑进去，总开销可能会超过２５％，这对于一些数据业务（例如：

Ｅ－ｍａｉｌ等短分组数据）来讲是难以接受的

b）网络复杂性。

ＡＴＭ网络为了支持综合业务和保证ＱｏＳ而引入的ＣＡＣ、ＵＰＣ／ＮＰＣ等流量控制功能使得网络所支持ＳＶＣ的信令和网络管理功能十分复杂，这不仅增加了网络成本，同时也加大了网络的复杂性。

一.4ATM信元（Cell）

ATM信元是ATM传送信息的基本载体。

ATM信元采用了固定长度的信元格式，只有53字节，其中5个字节为信头，其余的48个字节为信元净荷。

信元的主要功能为确定虚通道，并完成相应的路由控制。

ATM信元的格式如图1-1所示：

图1-1ATM信元

信头内容在UNI（用户网络接口）和NNI（网络节点接口）略有区别，主要由以下几部分构成：

●GFC：

一般流量控制，4比特。

只用于UNI接口，目前置为“0000”将来可能用于流量控制。

●VPI：

虚通道标识，其中NNI为12比特，UNI为8比特。

●VCI：

虚通路标识，16比特，标识虚通道内的虚通路，VCI与VPI组合起来标识一个虚连接。

●PTI：

净荷类型指示，3比特，用来指示信元类型，如表1所示。

对于用户数据，位1目前只被AAL5用以把用户帧的最后一个信元和其他信元相区别。

表1净负荷类型

编码

意义

000

用户数据信元无拥塞SDU类型=0

001

用户数据信元无拥塞SDU类型=1

010

用户数据信元拥塞SDU类型=0

011

用户数据信元拥塞SDU类型=1

100

分段OAM信息流相关信元

101

端到端OAM信息流相关信元

110

RM信元资源管理用

111

保留

●CLP：

信元丢失优先级，1比特。

用于信元丢失级别的区别，CLP是1，表示该信元为低优先级，是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。

●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的另一作用是进行信元界定，利用HEC字段和它之前的4字节的相关性可识别出信头的位置。

ATM信元中信头的功能比分组交换中分组头的功能大大简化了，不需要进行逐链路的差错控制。

只进行端到端的差错控制，HEC只负责信头的差错控制，另外只用VPI、VCI标识一个连接，不需要源地址、目的地址和包序号，信元顺序由网络保证。

一.5B-ISDN参考模型

B-ISDN的协议参考模型如图1-3所示。

它包括一个用户平面、一个控制平面和一个管理平面。

用户平面主要提供用户信息流的传输，以及相应的控制（如流量控制、差错控制）。

控制平面主要是完成呼叫控制和连接控制的功能，通过处理信令来建立、管理和释放呼叫与连接。

管理平面提供两种功能，即层管理和面管理功能。

面管理完成与整个系统相关的管理功能，并提供所有平面间的协调功能。

层管理完成与协议实体内的资源和参数相关的管理功能，处理与特定的层相关的操作和管理（OAM）信息流。

图1-3B-ISDN协议参考模型

各层又可以细分为几个子层，各层和子层的功能如图1－4所示。

图1-4B-ISDN协议参考模型的分层及其功能

一.5.1物理层

物理层是承运信息流的载体，物理层有传输会聚TC和物理媒体连接两个子层。

（1）传输会聚TC子层

TC子层负责将ATM信元嵌入正在使用的传输媒体的传输帧中，或相反从传输媒体的传输帧中提取有效的ATM层信元。

ATM层信元嵌入传输帧的过程如下：

ATM信元解调（缓存）信头差错控制HEC产生信元定界传输帧适配传输帧生成。

从传输帧中提取有效ATM层信元的过程如下：

传输帧接收传输帧适配信元定界信头差错控制HEC检验ATM信元排队。

传输会聚TC子层的主要功能是信元定界和信头差错控制HEC。

（2）物理媒体主要由ITU-T和ATMF建议的规范执行，共有以下类型的连接：

●基于直接信元传输的连接

●基于PDH网传输的连接

●基于SDH网传输的连接

●直接信元光纤传输

●UTOPIA接口（通用测试和运行物理接口）

●管理和监控信息流OAM传输接口

一.5.2ATM层

一.5.2.1ATM层的作用

ATM层在物理层之上，利用物理层提供的服务，与对等层进行以信元为信息单位的通信。

同时为AAL层提供服务。

ATM层与物理媒介的类型以及物理层具体传送的业务类型也是无关的，ATM层只识别和处理信头。

ATM层功能如下：

→信元复用和分离：

根据VPI和VCI进行

→VPI/VCI变换：

完成交换功能

→信头产生和提取

→通用流量控制：

信元携带流量控制信息，用于UNI接口的信元速率控制

一.5.2.2VP和VC

VC（虚通道）:

一个用以描述单向的ATM信元交通的概念，这些ATM信元用一个称作虚通道标识符（VCI）的共同的具有唯一性的标识符值联系起来。

VP（虚通路）：

一个用以描述属于若干个虚通道的单向的ATM信元交通的概念，这些虚通道用一个称作虚通路标识符（VPI）的共同的值联系起来。

一.5.3ATM连接

ATM采用面向连接的方式，在传送用户信息之前，要先建ATM连接。

ATM连接是由ATM层链路串接而成，以提供端到端的传送能力。

ATM连接，即端到端的传送能力可分为两个等级：

虚信道级（VC）和虚通道级（VP），对应虚信道连接（VCC）和虚通道级连接（VPC），如图1－5所示。

图15VCC和VPC的对比

一.5.3.1虚信道连接VCC

VCC是VCC端点之间的VC级端到端连接。

VCC由多条VC链路串接而成。

虚信道标识VCI用来识别一条特定的VC链路，分配了一定的VCI值，就产生了一条VC链路，取消VCI值，就终止了该VC链路。

VCI只与某一段链路相关，不具备端到端的含义。

VC链路指在变换VCI值的两个相连ATM实体之间传送ATM信元的能力。

一.5.3.2虚通道连接VPC

VPC是VPC端点之间的VP级端到端的连接。

VPC由多条VP链路串接而成。

虚通道标识VPI用来识别一条特定的VP链路，VP链路产生于分配一定的VPI值之时，终止于取消该VPI值之时。

VPI也不具备端到端的含义。

VP链路指在变换VPI值的两个相连ATM实体之间传送ATM信元的能力。

一.5.3.3虚连接建立方式

ATM虚连接VC包括虚信道连接VCC和虚通道连接VPC。

VC的建立有两种方式：

永久虚连接和交换虚连接。

永久虚连接PVC是由管理面控制建立的永久/半永久连接，用户在传送信息前不需要通过建立过程来临时建立虚连接。

交换虚连接SVC是由信令控制建立的连接，用户在传送信息前先要有连接建立过程，信息传送完毕则拆除虚连接。

不论是PVC还是SVC，都包含VCC和VPC。

一.5.3.4VP交换和VC交换

从交换功能的角度看，ATM实体（端点或连接点）可具有VP交换和VC交换功能，也可兼具VP交换和VC交换功能。

如图1－6，描述了VP交换和VC交换的对比。

图1－6VP交换和VC交换的对比

VP交换时，VPI值要改变，而其中包含的所有VCI值都不改变；VC交换时，VPI和VCI的值都要改变。

一.5.4AAL层

一.5.4.1AAL子层

ATM适配层（AAL）位于ATM层之上，这一层是和业务相关的，即针对不同的业务，其处理方法不尽相同。

但都要将上层传来的信息流（长度，速率各异）分割成48字节长的ATM业务数据单元（SDU），同时将ATM层传来的ATM-SDU组装，恢复再传给上层。

由于上层信息种类繁多，AAL层处理比较复杂，所以分了两个子层：

汇聚子层（CS）和拆装子层（SAR）.

拆装子层SAR的作用：

1）数据单元的分割和重组

2）ATM信元负载编号

3）ATM负载字节填充和去除

会聚子层CS的作用

1）对高层数据进行检错纠错处理

2）对实时业务考虑收发业务时钟的同步

3）和具体应用相关

一.5.4.2AAL业务分类

为了提高交换网络的速率，对ATM层作了尽可能的简化，而ATM层未提供处理的信元丢失，误传，时延，时延抖动等与业务服务质量密切相关的功能，由AAL完成。

不同的业务需要不同的适配，ITU-T研究各种业务的特点，根据源和目的的定时，比特率，连接方式将业务分为A、B、C、D四类。

这些业务可能是用户业务，也可能是控制平面和管理平面所需的功能业务。

A类：

固定比特率（CBR）业务:

ATM适配层１（AAL1）,支持面向连接的业务,其比特率固定,常见业务为64Kbit/s话音业务,固定码率非压缩的视频通信及专用数据网的租用电路。

B类：

可变比特率（VBR）业务:

ATM适配层2（AAL2）。

支持面向连接业务,其比特率是可变的。

常见业务为压缩的分组语音通信和压缩的视频传输。

该业务具有传递介面延迟物性,原因是接收器需要重新组装原来的非压缩语音和视频信息。

C类：

面向连接的数据服务:

AAL3/4。

该业务为面向连接的业务,适用于文件传递和数据网业务,其连接是在数据被传送以前建立的。

它是可变比特率的,但是没是介面传递延迟。

D类：

无连接数据业务:

常见业务为数据报业务和数据网业务。

在传递数据前,其连接不会建立。

AAL3/4或AAL5均支持此业务。

参数、业务类别和相应的AAL适配类型可由图1-8所示。

业务

参数

A类

B类

C类

D类

源和目的定时

需要

不需要

比特率

固定

可变

连接方式

面向连接

无连接

AAL类型

AAL1

AAL2

AAL3

AAL4

AAL5

用户业务举例

电路仿真

运动图象视频声频

面向连接数据传输

无连接数据传输

服务质量

QoS1

QoS2

QoS3

QoS4

图1-8业务分类、AAL类型和服务质量

一.5.4.3AAL2和AAL5

AAL2类业务

1）AAL2特性

AAL2是为需要端到端的定时关系的面向连接的可变位速率服务开发的。

在UMTS中，包括语音等用户面数据选择AAL2承载。

AAL2信元能够定期地向远方对等的AAL2会聚子层发送源时钟频率和网络参照时钟之间的差别指示，这样接收方就能在很精确的范围内保持输出时钟同步，保证了语音这样的实时数据流的传送。

同时，对于可变位速率（VBR）业务，由于VBR操作的突发性而只部分的填充ATM信元载荷，AAL2信元头中的长度指示标识可以确定净荷字段中的字节数。

另外AAL2信元头中的序列号标识也可以指示那些丢失和出差错的信元，便于接收端的重构。

所以AAL2具有的特性决定了AAL2能够向高层提供在源和终点之间有定时关系的面向连接的可变位速率的数据分组服务。

2）AAL2分层结构

AAL2的分层结构如图1－9所示。

AAL2适配层可以分成会聚子层CS和拆装子层SAR两个部分，其中CS子层又可以分成SSCS和CPCS两个子层。

在实际应用中，CPCS子层通常和SAR子层合在一起统称为CPS子层。

图1－9AAL2分层结构

3）AAL2协议数据格式

AAL2协议的数据格式如图1－10。

图1－10AAL2协议的数据格式

4）CPS分组数据格式

AAL2的CPS分组的数据格式如图1－11所示。

图1－11AAL2CPS分组数据格式

在图中：

1．信道标识符CID

用于在一条VCC中标识AAL2层的通信信道，起到在VCC中AAL2信道复用的作用。

AAL2通信信道是双向信道，两个方向具有相同的CID标志。

取值为0～255，其中，0不用，1用于层管理实体通信，2～7保留，8～255用于信道标识。

2．长度指示LI

表示CPS-INFO的长度，其值为CPS-INFO的长度减1。

其中CPS-INFO的最长长度由信令或管理过程决定。

3．用户间指示UUI

用于在CPS之间透明传送CPS用户间信息，这里是指SSSAR子层传递下来的UU值。

其取值可以0～27中的任何一个，当为27时表示这是第一个或中间的PDU，当为其他值时表示这是最后一个PDU。

4．HEC

HEC表示CPS的分组头部差错控制，采用CRC校验序列来完成。

5．CPS-INFO

CPS-INFO为CPS-PDU的负载，长度为1～45/64字节。

AAL2CPS-PDU的结构如图1－12所示。

图1－12AAL2CPS-PDU结构

在图中：

（1）偏移量OSF

用于存放STF结束位置到上图CPS分组格式中所描述的CPS分组头之间的距离，如果不存在CPS分组头则指STF结束位置到PAD填充部分开始的距离。

当OSF为47时表示没有信息装载。

（2）序列编号SN

用于对SAR-PDU信息流进行编号。

（3）奇校验P

用于对STF进行奇校验。

（4）CPS-分组负载区

可以填充0个、1个或多个CPS分组，当然一个CPS分组也可能会被装载到两个CPS-PDU负载区中。

如图1－13，可以清楚看出AAL2层CPS-PDU的形成过程。

图1－13CPS-PDU形成过程

AAL5类业务

1）AAL5特性

AAL5适配层是ITU-T提出的用于进行数据传送的ATM适配层协议，由于充分考虑了数据传输高可靠性的需求，在协议处理中对数据段进行了相应的校验保证，是一种低开销而纠错能力较好的适配协议；所以在WCDMA的信令协议栈中，AAL5适配层用于承载Iux口的业务信令以及IuPS接口上的业务数据。

2）AAL5子层

图1－14AAL5子层

同样AAL5的公共子层也分为CPCS和SAR层。

图1－15AAL5CPCSPDU格式

–PAD：

填充域–UU：

用户间指示，透明传送用户消息

–CPI：

CPCS公共部分指示，暂时只用作填充–LI：

长度指示–CRC：

校验

CPCS数据分组是48字节的整数倍，AAL5的SAR层没有任何头尾，只是把CPCS数据分割成一系列的48字节的整数倍，然后传递到ATM层，加上一个ATM头形成ATM信元，为了指明最后一个SARPDU，需要在ATM头的PT域的最后一位置1。

SSCOP和SSCF层

AAL5中的SSCS层又分为SSCOP和SSCF子层，它们又称为SAAL层，具体这两层协议在下一节WCDMA中的ATM信令协议中再详细介绍。

一.6ATM地址格式

ATM有3种地址格式。

如图1-7所示。

第1字节指明该地址是3种地址格式中的哪一种。

数据国家代码（DCC）有20字节长，是基于OSI地址格式的；第2和第3字节指明国家；第4字节给出了基于地址部分的格式，其他包括3字节指明权限，2字节指明域（domain），1字节指明区域，还有6字节的地址，以及其他一些信息项。

在国际代号设计码（IC）地址格式中，第2和第3字节指定一个国际组织，而不是国家；地址的其余部分和格式与第1种相同。

另一种是旧的使用15位十进制数的ISDN电话号码（ITU-TE.164）作为地址的格式。

图1-16ATM地址格式

图1-16中：

AFI——格式标识符（缺省）

DCC——2个字节的数据国家代码

DFI——1个字节，与特定区域相关的格式标识符

AA——3个字节的管理授权标志

RD——2个字节的路由区域标识

Area——2个字节的地区标识

ES1——6个字节的末端系统标识，实际是IEEE802规定MAC地址

Sel——1字节的网络访问点（NSAP）选择标识

ICD——2字节的国际代号设计码

E.164——8字节的综合业务数字网（ISDN）中的电话号码

第二章WCDMA中ATM信令协议

二.1WCDMA网络传输信令协议结构

UuIubIu

图2-1WCDMA网络传输信令协议结构

ATM网络信令协议包含在上图所示蓝线之间UTRAN协议栈传输网络层部分

二.2UTRAN传输网络层中ATM网络信令协议结构

二.2.1Iub口

图2-2Iub口协议栈

Iub口的传输网络用户面包括两个部分，一部分是在ATM上采用AAL5的适配方式及ATMUNI口信令协议栈SAAL，用于承载无线网络控制面的应用协议NBAP信令消息和传输网络控制面的控制协议ALCAP信令消息。

另一部分采用了AAL2的适配方式，用于承载无线网络层用户面的数据传输帧协议数据单元Iub-FP。

Iub口传输网络控制面包含了ALCAP控制协议，用于和无线网络层控制协议NBAP一起控制传输网络用户面的AAL2用户承载的建立、释放和维护等。

在逻辑上，Iub接口采用ATMPVC来承载控制面消息（AAL5）和用户面数据（AAL2）。

目前，在传输层采用ATM传输技术的情况下，NodeB与RNC之间一般采用以下两种物理传输方式：

●E1（含IMA方式）

●STM-1光传输

二.2.2Iu口

Iu口为RNC和CN之间的开放接口，根据RNC连接到CN的不同的SAP,其协议栈分成CS域和PS域协议栈。

当RNC连接到CN的电路域时，其协议栈为CS域协议，模块结构如下图所示:

图2-3Iu-Cs域协议栈

Iu-CS域的传输网络用户面也是分为两个部分，其中一部分是采用了基于ATM的宽带7号信令传输方式，由ATMNNI口的SAAL信令适配层、宽带MTP3和宽带SCCP一起组成信令消息层，为无线网络层控制面的RANAP应用协议和传输网络层控制面的ALCAP控制协议（此时没有宽带SCCP层）提供传输承载。

另一部分功能与Iub口类似，在