ATM研究.docx

ATM研究.docx

《ATM研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《ATM研究.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

ATM研究

ATM协议在FPGA中实现的研究

一ATM介绍

ATM（AsynchronousTransferMode）异步传输模式，是实现B-ISDN（BroadbandIntegratedServiceDigitalNetwork）宽带综合业务数字网的核心技术之一。

ATM是以53字节的信元为基础的一种分组交换和电路交换技术，它是一种为了多种业务设计的通用的面向连接的传输模式，适用于局域网和广域网，它具有高速数据传输率和支持许多种类型如声音、图像、数据的通信。

ATM传输可以提供256K到622M之间的高速数据传输通道。

1、ATM网络

ATM网络由端点和交换机组成，如图1所示。

ATM端点（endpoint）：

通过点到点链路与ATM交换机相连。

ATM交换机（switch）：

一种快速分组交换机，其交换容量高达数百Gb/s。

用户网络接口UNI（User-NetworkInterface），ATM端点与所连接的ATM交换机之间的接口。

网络结点接口NNI（Network-NodeInterface），ATM网络中两个ATM交换机之间或在两个ATM网络之间的接口。

图1ATM网络

2、信元结构

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－UserNetworkInterface）和网络节点接口（NNI—NetworkNodeInterface）来说，信头的结构有所不同。

如图2所示。

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）。

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2ATM信元结构

GFC（GenericFlowControl）：

通用流量控制，是一个4比特的字段，只用于UNI接口。

默认置为“0000”。

VPI（VirtualPathIdentifier）：

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。

VCI（VirtualChannelIdentifier）：

虚信道标识，是一个长度为16比特的字段。

VCI与VPI组合起来标识一个虚连接。

PTI（PayloadTypeIdentifier）：

净荷类型标识，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。

CLP（CellLossPriority）：

信元丢弃优先权，只有1个比特，当网络发生拥塞时，首先丢弃CLP=1的信元。

HEC（HeaderErrorControl）：

信头差错控制，共8比特，代表一个多项式，用来检验信头在传输中是否出错。

3、参考模型

1）三个平面

用户平面：

用于用户信息传输及相关控制功能，如流量控制、差错控制等。

控制平面：

用于呼叫控制和连接控制，连接释放等。

管理平面：

包括平面管理和层管理。

层管理执行与各层实体中的资源和参数有关的管理功能。

平面管理执行与系统整体有关的管理功能，协调各平面之间的关系。

平面管理不分层次。

2）三个层次

三个层次为物理层（ATM-PHY层）、ATM层、ATM适配层（AAL层）

ATM的协议参考模型共有三层，大体上与OSI的最低两层相当（但无法严格对应）。

图3参考模型

物理层分为两个子层：

PMD（PhysicalMediumDependent，物理媒介子层）和TC（TransmissionConvergence，传输汇聚子层）。

ATM适配层分为两个子层：

SAR（SegmentationAndReassembly，分段和重组子层）和CS（ConvergenceSublayer，汇聚子层）。

4、各层功能

ATM连接网络如图4所示。

图4网络示意图

ATM协议支持多种业务，如图5所示，支持声音、图像和数据业务。

图5不同业务在ATM中的传送

1）适配层

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。

A类：

AAL1规程

固定比特率、定时关系严格、面向连接的话音、视频业务

B类：

AAL2规程

可变比特率、时延敏感、面向连接的压缩视听业务

C类：

AAL3/4规程AAL5规程

面向连接的数据传送（无定时要求、比特率可变）

D类：

AAL3/4规程

无连接的数据传送（无定时要求、比特率可变）

图6服务类型分类

图7ATM沙漏模型

CS（ConvergenceSublayer，会聚子层）

对不同的应用提供不同的服务。

每一个AAL用户根据不同的应用需求通过相应的服务访问点SAP（即应用程序的地址）接入到AAL层；

SAR（SegmentationAndReassembly，分段与重装子层）

发送处理时，将上层数据（CS-PDU）分段成48字节数据，交给下层ATM层作为信元的净负荷；

接收处理时，将从下层ATM层得来的各信元的48字节数据重组装交给上层CS子层。

图8各层帧示意图

2）ATM层

ATM层的主要任务是处理信元，包括连接建立、流量控制以及交换节点的选路和转发表的修改等。

一般仅处理5字节的信元头。

对少数涉及ATM层管理的信元，有可能处理信息域，以实现ATM层管理。

图9虚连接示意图

图10VP/VC交换示意图

VP交换时，VPI改变，VCI不变（速度更快，适宜宽带业务）

VC交换时，VCI改变，VPI也改变

3）物理层

物理层主要功能：

TC子层完成的功能：

（1）信元定界

（2）HEC的产生和验证

（3）信元速率解耦

（4）传输帧的产生/恢复

PMD子层完成的功能：

（1）在物理媒体上正确地发送和接收数据比特；

（2）完成线路编码、光电转换；

（3）比特定时等。

二FPGA实现思路

由于POS卡完成的是信令采集的功能，使用的是UNI接口，完成的接收功能。

1、物理层实现

物理层主要实现的功能是：

（1）SDH定帧

（2）SDH解扰

（3）差错校验

（4）ATM信元定界

（5）差错校验

有专用的芯片PM5354完成。

2、ATM层实现

ATM层主要实现两个主要功能：

（1）判断信元净荷的信息是用户信息还是控制信息；

（2）通过VPI/VCI判断用户信息是AAL2还是AAL5。

PTI可以指明信元净荷的信息是用户信息还是网络控制信息。

对于用户信息信元，ATM层一般先将信头剥离，再上交给ATM适配层（AAL）。

对于网络控制信息信元，将启动相应的管理功能进行处理。

PTI的第1位（左侧起）用于指明信元净荷的信息是用户信息还是网络控制信息。

如果是用户信息，那么第2位为拥塞指示，标识信元在传输的过程中是否经历拥塞，第3位ATM用户到用户指示（AUUI），指明ATM的用户之间交换的信息；如果是网络控制信息，则后2位标识传输数据的类型。

图11信元头格式

图12PTI含义

VPI字段在UNI接口上为8比特。

VCI是一个长度为16比特的字段。

VCI与VPI组合起来标识一个虚连接。

其中VCI=0~15，用于ATM管理功能；VCI=16，临时本地管理接口；VCI=17~31，保留；VCI=32~65535，用户使用。

故用户可以使用的第1个连接是VPI=1，VCI=32。

根据VPI/VCI来判断是AAL2还是AAL5规程，需要进一步拆适配层的帧，通过帧中的差错控制信息，来判断是AAL2还是AAL5。

3、适配层实现

适配层主要实现的功能是，把用户的数据和必要的开销信息提取出来，送往高层处理。

涉及到两类规程，AAL2和AAL5。

不同业务发送的数据通过AAL层都变成固定长度的数据块（48字节长），然后再交给ATM层，适配层的分层模型如图12所示。

图12适配层分层模型

CS子层又进一步划分为和业务无关的CPCS（CommonPartCS，公共部份CS）和SSCS（ServiceSpecificCS，业务特定CS）。

其中，SSCS根据业务而定，可以为空。

1）AAL2

AAL2规程适用于实时性较强的短包数据，其组包和拆包过程如图13所示。

有两种包格式，一个是CPS-Packet（微信元）格式，一个是CPS-PDU格式，如图14所示。

图13AAL2组包拆包

图14AAL2帧格式

LI（LengthIndicator）。

为二进制值。

等于微信元载荷域长度减1，缺省长度为45字节。

可以通过协商定为64字节。

载荷最大长度依信道而异，具有相同CID值的所有分组最大长度值相同。

HEC（HeaderErrorControl），用于对AAL2头进行差错校验和检错。

多项式x5+x2+1。

图15CPS-Packet格式

图16CPS-PDU格式

OSF（OffsetField），标识第一个微信元（CPS-Packet）的起始位置。

SN（SequenceNumber），顺序号

P（Parity），奇偶校验位

AAL2实现步骤：

（1）根据CPS-PDU帧的开销信息P，校验帧开销是否正确；

（2）根据CPS-PDU帧的开销信息OSF，定位CPS-Packet帧，取出CPS-Packet帧开销信息；

（3）根据CPS-Packet帧的开销信息HEC，校验CPS-Packet帧开销是否正确；

（4）根据CPS-Packet帧的开销信息LI，提取出CPS-Packet帧的有效数据进行存储；

（5）根据CPS-Packet帧的开销信息UUI和CID，进一步处理，或者把UUI、CID和有效数据送往高层处理，复位数据存储器。

2）AAL5

AAL5规程是面向连接的数据业务，其组包和拆包过程如图17所示。

其帧格式有两种，CPCS-PDU和SAR-PDU格式，如图18所示。

图17AAL5组包拆包

图18AAL5帧格式

SAR子层中的数据包长固定48byte，没有开销信息，通过ATM信元头中的PTI开销中的AUUI位来判断，SAR-PDU是否为最后一个。

CPCS-PDU帧尾部共8个字节开销。

UU（UsertoUser）：

1个字节，用于CPCS用户信息的透明传输。

CPI（CommonPartIndicator）：

1个字节，使CPCS-PDU尾部为8B。

L：

2个字节，指示CPCS-PDU净荷长度，还可用来判定信息的丢失和增加。

CRC：

4个字节，保护CPCS-PDU，

生成多项式为：

x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1

AAL5的SAR子层的功能较简单，只是将CPCS-PDU分割为48字节的段，成为SAR-PDU后传送到ATM层作为信元的净荷。

在SAR子层，并未加上头或尾，CRC是在CPCS子层对整个长度的CPCS-PDU进行运算，而不是针对每个SAR-PDU。

每个SAR-PDU也不带有序号，而是利用ATM信元头部的PTI中的AUUI比特来标识。

当AUUI=0时，表示是属于同一个CPCS-PDU的非最后一个SAR-PDU；

AUUI=1表示是最后一个SAR-PDU；

AUUI=0，相当于PTI为000或010（经历拥塞）；

AUUI=1，相当于PTI为001或011（经历拥塞）。

AAL5实现步骤：

（1）判断AUUI，不管是0还是1，存储SAR-PDU帧数据，如果为1，则提取CPCS-PDU的开销；

（2）根据CPCS-PDU帧开销信息CRC，校验CPCS-PDU帧；

（3）根据CPCS-PDU帧开销信息L，确定有效数据的长度；

（4）把有效数据和UU开销送往高层处理，复位数据存储器。