ATM物理层原理及告警性能专题.docx
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ATM物理层原理及告警性能专题
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ATM物理层原理及告警性能专题
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ATM,LCD,OCD,UHCS,CHCS
摘要：
本文结合对ATM物理层原理的介绍，重点介绍ATM物理层告警和性能的产生原理和测试方法，使测试人员能较快较好的进行ATM特性的测试。
缩略语清单：
无。
参考资料清单
无。
ATM物理层原理及其告警性能专题
相信大家对于Metro系列产品，已经逐渐熟悉。
Metro产品在原来传输设备上主要的改进就是增加了多业务接入的能力，可以将ATM信元、以太网帧结构直接映射到SDH的信号中传送，并可以对这些信元和帧进行简单的处理。
那么对于其测试方法，你了解吗？
看本文之前，希望大家对ATM的基本配置，ATM连接，端口能有一些概念。
对于ATM物理层的功能有一定认识（可参见《ATM物理层介绍及其告警性能_实战篇》）。
此处给出一简单的配置文件，可将基本的业务调通，告警性能的测试可在此环境下进行。
1ATM物理层原理
1.1ATM层次结构介绍：
相信对于ATM，大家并不陌生。
ATM是一种基于信元的交换和复用技术，ATM传送信息的基本载体是ATM信元，ATM信元和分组交换中的分组类似，但又有自己的特点。
ATM信元是定长的，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字节，净荷为48字节。
下图为ATM信元的基本结构：
为了保证各厂家的终端设备能互连通信，在ITU-T的建议I.321中，定义了BISDN的协议参考模型（图3-2），只要符合这个参考模型和相应标准的任何两个系统均可互连进行通信。
BISDN协议参考模型分成三个平面：
用户面、控制面和管理面，三个功能层：
物理层、ATM层和ATM适配层（AAL）。
用户面传送用户信息，包括与业务相关的协议及数据、话音和视频信息；控制面用于信令信息，包括连接建立、拆除等功能；管理面用于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。
各层还可细分为几个子层，各层和子层的功能如下表所示。
表1BISDN协议参考模型的分层及其功能
高层
高层功能
层管理
AAL
CS
会聚
SAR
分段与组装
ATM层
一般流量控制
信元头产生与提取
信元VPI/VCI翻译
信元复用和解复用
物
理
层
TC
信元速率解耦
HEC序列的产生/检验
信元定界
传输帧适配
传输帧产生/恢复
PM
比特定时
物理媒介
以上是ATM分层的一些基本知识。
我们的传输设备，实现的是ATM物理层和ATM层的功能。
对于这两层来说，用户面和控制面是没有区别的。
那么下面我们就来看看物理层做了那些事情？
1.2ATM物理层介绍：
ATM物理层的主要任务是物理线路编码和信息传输。
物理层可以分为两层：
传输汇聚子层（TC）和物理介质子层（PM）。
传输汇聚子层实现物理层汇聚协议（PLCP）。
PLCP的任务是确认传输是否正确，并通过物理链路接收信息。
物理介质子层子层主要负责物理介质的选择、位定时和线路编码。
1.2.1传输汇聚子层（TC）的功能与特征：
TC子层有五中功能：
信元速率解耦，头部差错控制，信元提取，传输帧适配/生成/恢复，扰码。
其中传输帧产生／恢复、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。
1.2.2传输帧产生和适配：
TC子层的一个重要功能就是完成ATM信元的定时于物理介质的比特流之间的转换。
在发送端，TC要将信元映射成时分复用的帧格式。
在接收端，TC要将信元从接收比特流中分割出来。
信元在物理层上以两种不同的格式收发，即SDH格式和信元格式。
我们主要讨论SDH格式：
上图为ITU—TG.709给出的传输帧结构。
映射过程如下：
首先ATM信元流映射为容器4（C-4），C-4是一个9行260列的容器，对应于149.760Mbit/s的传输能力。
然后将C-4加上POH包装成VC-4。
ATM信元界限与帧的字节界限规正。
然后将虚容器VC-4映射为9*270字节（即同步传输模式STM-1）。
1.2.3信元速率耦合：
在给定的物理传输路径上的传输速率一般固定不变，但有时也会遇到这样的问题：
发送方信息生成的速率与物理线路的传输速率不匹配。
为适应信元流的传输速率，可以在发送方插入空信元，再在接收方把这些空信元丢弃。
这种信元的插入和丢弃称为信元速率耦合。
例如客户方通过速率为155bMbps的SDH链路与某个ATM网点联系，而ATM网链路的发送方仅能以100Mbps的速率生成信元。
那么就由发送方插入特殊的空信元来填充超出的55Mbps部分，并在接收方丢弃这些信元。
具体插入格式如下：
空信元有标准的信元头模式，信元头统一为（00000000000000000000000000000001HEC），空信元的所有字节都用（01101010）填充。
1.2.4信元差错控制：
ATM信元头的最后一个字节是头部差错控制（HeaderErrorControl）。
HEC仅用于校验ATM报头信息，它的功能是检测多比特错误（如发生多比特错误，则丢弃整个信元），纠正单比特错误。
HEC具体算法是：
信头的前32比特组成的多项式乘8，再经过和X8+X2+X+1的CRC运算，结果和01010101相加后所得到的值。
HEC的基本思想是：
在发送方生成HEC字段，在接收方重新计算HEC，并与接收到的HEC比较。
若一致则说明数据传输正确，否则出错。
HEC操作流程如下：
接收方有两个模式：
校正模式和检测模式，通常处于校正模式。
若接收方计算出的新的HEC值与接收到的HEC值一致，则不作任何动作。
当发现并修正一位错误后，接收方将从校正模式转移到检测模式。
若检测出多位错误，就丢弃整个信元，并转换到检测模式。
在检测模式下，一旦发生错误（无论一位还是多位错误），信元将被丢弃。
在检测模式下若接收到带有有效HEC的信元，系统从检测模式转换到校正模式。
1.2.5信元提取：
信元提取是在接收方定位信元边界的过程。
信元提取的方法是以信元头的前四个字节和后一个字节（HEC域）之间的相关性为基础的。
由于信元是等长的，一旦定位了一个信元，后续信元也就找到了。
问题是如何从位串中找出第一个信元起始位置。
信元定界的过程包括三态四步，流程如下：
信元定界状态机分为捕获态、预同步态和同步态三个状态。
当处在捕获态状态，状态机将以逐位方式搜索信元定界位置，找到一个正确的HCS（Headerchecksequence）后，进入预同步态状态。
在预同步状态下，将锁定信元定界位置，如果连续DELTA个正确的HCS信元接收到了，则进入同步状态，此时认为找到了信元的边界；如果在预状态下接收了一个错误的HCS信元，则回到捕获状态。
在同步状态下，如果接收到连续ALPHA个不正确的HCS，则重进入捕获状态，否则，保持在同步状态。
NOTE：
DELTA和ALPHA的值可设置，推荐值为DELTA=6，ALPHA=7。
1.2.6扰码：
信元提取基于信元头的相关性，如果在ATM信元的信息域中出现与信元头类似的相关性（用户恶意破坏或在应用中使用了相同的产生多项式，都可能发生上述情况）。
为避免信头中出现误码（信头很重要），加强信元定界的可靠性和安全性，CCITT建议通过扰码使信元中的数据随机化。
应该注意的是，我们仅对净荷进行扰码，对于信头不进行扰码。
扰码状态应保持：
在新元定界的捕捉态中，禁止解扰操作；在预同步态和同步态，仅对长度等于净荷长度（48个字节）的比特流进行解扰。
1.2.7物理介质子层（PM）简介：
物理介质子层提供比特流传输，定时，以及媒介的物理接入。
这与我们的测试关系不大，所以此处不进行详细介绍了。
2ATM处理板简介：
SS61AL1是Metro3000的ATM处理板，配合光接口板SS61AOO1和SS61AOQ1，最多可接入八路155M光信号（SDH帧结构，负荷为ATM），并通过VPRING共享一个155M带宽。
本板可与我司的宽带接入产品MUSA、宽带交换产品8750、其他公司的ATM设备（拥有155MATM光接口）、3G基站（拥有155MATM光接口）配合使用。
信元流：
MUSA<---->PMC5349<---->APC<---->PL522<---->交叉<---->光接口板（S16）<---->SDH环。
3测试仪表的使用：
AX/4000ATM测试仪是由ADTECH公司生产的，专门测试和分析ATM网络和设备Qos和SVC的一种工具。
在我们的测试中，用AX/4000从ATM接口板输入STM-1的SDH信号，净荷为ATM信元的业务，以此来模拟实际应用中的ATM业务。
我们可以通过仪表发送ATM信元，设置信元头，控制流量，查看接收信元（观察有无丢信元）等等。
仪表的具体操作方法，具体测试时可请教测过的大虾，不难搞定。
4ATM告警简介：
ATM的告警基本分为两类：
一种是基于连接的告警，另一种是基于端口的告警。
基于连接的告警，故名思义，是OAM信元对ATM连接进行监视所实现的告警，它们基本是在ATM层实现；基于端口的告警是在物理层实现，是我们讨论的重点：
OCD—信元头失步；
LCD—信元头丢失；
CHCS—检测到可校正的信元头错误；
UHCS—检测到不可校正的信元头错误；
我们在讨论ATM物理层时已经介绍了ATM物理层的主要功能：
传输真产生/适配，传输速率耦合，信元定界，信元差错控制，扰码。
ATM物理层的告警主要针对信元定界和信元差错控制进行了监视与上报。
4.1VP-AIS告警说明
如下图所示：
有一条业务从网元1接入，经过网元2和网元3穿通,网元4是业务的终点，业务在穿通时都不是进行直接的透传，而是通过网元2和网元3的AL1（AIU）单板汇聚和收敛处理。
如果在网元1到网元2之间的光纤断了，网元2会监测到LOS和LCD告警，这时AL1（AIU）单板就会下插VPAIS信元，在网元3由于不是端点不会监测VPAIS告警，直接将VPAIS信元进行透传，到网元4由于是端点，监测到VPAIS信元，并且上报VPAIS告警。
从上面分析可以看出只要AL1（AIU）单板收到LCD的告警就会对相应的PVP连接插入VPAIS信元，到端点监测告警，中间的穿通点不会上报。
对于下插的VPAIS告警，又分为e-t-e_VP-AIS（端到端）和seg_VP-AIS（段），若1、2间断纤，则网元2同时下插e-t-e_VP-AIS和seg_VP-AIS；若3、4间断纤，如果网元4采用AIUV2，则只下插e-t-e_VP-AIS，如果网元4采用AL1（V1或V2），则两种VP-AIS同时下插，由宿端ATM设备检测上报。
AIUV2和AL1下插VP-AIS方式的不同源于产品设计的规格不同，严格来讲，AIUV2的处理方式更符合I.610建议。
在ATM中，下插告警不同于SDH中是通过开销字节实现，而是通过OAM信元来实现，对于e-t-e_VP-AIS，采用VCI=4的连接中的信元，对于seg_VP-AIS，采用VCI=3的连接中的信元（大家现在可以理解为什么建立VC连接时Metro设备所支持的VCI要大于32了吧，因为32之下的VCI都用于OAM了）。
目前，由于版本和实现方法的不同，AL1和AIU单板在对ATM的OAM支持方面存在较大的区别，具体请参阅相关版本的开局指导书。
就VP-AIS告警来将，AL1和AIUV2都支持两种VP-AIS的下插，但是AL1只能检测e-t-e_VP-AIS（VCI=4），而AIUV2都能检测，开发中的AL1V2版本将实现较AIUV2更强大的OAM功能。
4.1.1相关案例分析：
现象：
3个网元在SDH层无保护的条件下组成一个VPring的保护环，1-AL1为中心局，分别有ATM业务到2-AIU和3-AIU，其中主、备用连接分别在2-AIU和3-AIU做汇聚穿通。
某日，2-AIU、3-AIU站点间断纤，用户申告1-AL1同3-AIU之间ATM业务中断。
分析：
业务随着光缆中断而中断，说明很可能是保护倒换故障，首先在1-AL1上查询VPring状态:
atm-get-vpgstate:
2,src
VPGDATA
PIDDIRSWSTATEREASON
2srcv_normalv_idle
对应的保护组处于正常态且不存在倒换触发条件，显然业务中断是由于1-AL1未检测到倒换触发条件继而未进行倒换引起。
同样查询3-AIU的VPring状态，发现3-AIU已正常倒换到选收备用连接了，但由于1-AL1未倒换，故二者之间ATM业务中断。
在VPring保护功能中，LCD、OCD和VPAIS告警是引起VPring倒换的触发条件。
2-AIU和3-AIU之间断纤，对应光口上报R-LOS，则二者AIU应上报LCD告警，LCD触发3-AIU的VPring倒换，同时由于1-AL1和3-AIU之间的主用连接在2-AIU做了汇聚穿通，2-AIU还应向1-AL1的VPI=2的主用连接下插VP-AIS告警，由1-AL1检测上报，并触发1-AL1对应连接的VPring倒换。
查询告警，发现1-AL1相应连接未上报VP-AIS告警，即未检测到VPring倒换触发条件。
1-AL1不上报VP-AIS的可能性有两种：
一是2-AIU没有正常下插VP-AIS；二是1-AL1收到了VP-AIS却未能检测和上报。
在缺乏ATM仪表的情况下，我们可以通过相关调测命令查询APC芯片寄存器的值，从而判断AIU单板是否正常下插了VP-AIS告警。
首先，一条连接中的信元在单板中的流程大致如下：
对于VP-AIS告警，在AIUV2中，e-t-e_VP-AIS是在①处由APC芯片（硬件）下插，而seg_VP-AIS则是在②处由单板软件下插的。
因此，在断纤的情况下，我们可以通过查询以上各点的信元数的变化情况来判断是否下插了VP-AIS。
首先打开AIU的调试开关:
atm-set-outtei:
apcdebug,0;
然后查询单板侧连接:
atm-apc-debug:
"list";
询连接的收发信元数:
atm-apc-debug:
"cellcountn1"；其中n为上一步操作查询到的连接序号=连接ID×2或连接ID×2+1。
返回：
IngressLinkRate
IngressTotalCellReceived（0）.//连接的源从上游收到的信元数目
IngressTotalCellTransmited（1194152）.//连接的源向连接的宿发送的信元数目
EgressLinkRate
EgressTotalCellReceived（1682328）.//连接的宿收到的信元数目
EgressTotalCellTransmited（1682329）.//连接的宿向下游发送的信元数目
cellcount....OK!
连续使用:
atm-apc-debug:
"cellcountn1"查询，对比每次返回值，IngressTotalCellReceived应一直为0，表明连接的源未收到信元（光缆中断AIU上报LCD告警），此时应下插e-t-e_VP-AIS和seg_VP-AIS。
若IngressTotalCellTransmited的值在持续增加，则表明APC在正常下插e-t-e_VP-AIS（通常每秒下插一个OAM信元）；若EgressTotalCellReceived的值在持续增加且增加速率高于IngressTotalCellTransmited增加速率，表明软件在下插seg_VP-AIS。
反之，说明单板下插VP-AIS异常。
此种组网情况下，如果AIU下插VP-AIS正常而业务宿端单板不上报，则可以确定宿端单板对VP-AIS的检测异常。
在本案例中，IngressTotalCellTransmited始终不变而EgressTotalCellReceived在持续增大，说明2-AIU只下插了seg_VP-AIS，而目前AL1只能检测e-t-e_VP-AIS，故1-AL1不能上报VP-AIS也就不能触发VPring倒换了。
通过复位2-AIU，问题得到解决。
目前网上规模应用的AL1全部属于V1版本，对于VP-AIS的下插位置同AIUV2有所不同：
e-t-e_VP-AIS同样是在①处由APC芯片（硬件）下插，但seg_VP-AIS则是在In处由单板软件下插的。
了解到这点，我们同样可以利用AL1的调测命令查询一条连接各点收到的信元数，通过信元数改变的规律来判断单板是否正常下插VP-AIS。
调测命令的具体使用方法请参相关文档。
4.2CHCS告警与UHCS告警：
CHCS告警含义为检测到可校正的信元头错误。
可校正的信元头错误即信元头只有单比特错误。
我们知道，如果信元头只有单比特错误，那么接收方通过HEC的CRC校验可以自动纠正此错误，但此时接收方会由校正模变为检测模式。
在检测模式下如果再有信元头错误，就会造成信元丢失。
实际测试中，我们会用AX/4000发送ATM信元的同时，修改信元头的一位。
具体的操作方法如下。
下图是AX/4000对信元头的设置。
通常情况下，右上角的RecalculateHEC是被默认的。
这样就保证了我们对前四个字节进行任何修改后，HEC字节会及时的自动生成CRC校验：
我们要测试CHCS或UHCS告警时，首先要去掉RecalculateHEC功能，然后修改信元头的前四个字节。
注意不要修改VPI/VCI值，否则会业务不通。
如下修改PT为1，这样就会产生CHCS告警。
此时观察网元，应有CHCS告警出现。
UHCS告警的产生方法，与CHCS告警类似。
所不同的是信元头需要改正两位或多位，产生不可校正的信元头错误。
遇到这样的信元，在物理层会将它直接丢弃。
我们测试的时候，会从仪表观察到AX/4000有信元丢失。
注意：
当流量较大时，以上的两个告警都会转换为LCD告警。
4.3OCD告警与LCD告警：
我们知道，在信元头定界时会有三态：
捕捉态，预同步态和同步态（细节请看《ATM物理层介绍及告警性能的产生原理_原理篇》）。
信元定界状态机将产生两个告警信号：
1）OCD：
信元头定界失步；
2）LCD：
信元头定界丢失。
OCD产生只要满足下面任何一条即可：
1）信元定界状态机处在捕捉态；
2）信元定界状态机处在预同步态。
LCD产生必须满足如下两条规则：
1）处在OCD告警；
2）OCD告警时间不小于寄存器所规定的信元数传输所经历的时间。
对于PMC5349和PL522（AL1单板物理层功能实现的芯片），当连续380个信元都是定界失败，将产生LCD告警。
在我们测试情况下，通常我们只需断纤，便可产生以上告警。
还有另外一种方法，也可以产生OCD或LCD告警。
我们知道，产生OCD和LCD告警的基础是信元定界状态机的状态，也就是信元定界。
信元定界的基础是信元头前四个字节和HEC之间的CRC关系。
所以我们测试时可以修改信元头，破坏信元头前四个字节与CRC之间的校验关系。
方法与测试UHSC、CHCS时修改信元头的方法一样。
不过这种测试方法要求流量较大。
因为流量小时，仪表会自动速率适配，插入空信元。
我们无法修改这些空信元，也就无法使其信头校验失效。
那么在网元端定界的时候，由于正确地空信元信元头的存在，就无法使连续产生若干位不正确的信元头。
实际测试中，对于满流量时149M的端口来说，仪表发送有效信元速率（非空信元）要大于120M才能产生OCD即LCD告警。
4.4ATM告警测试小结：
对于告警的测试，往往从两个角度来进行：
其一是ATM告警能不能正确的产生和上报；其二是旧的告警管理的命令对这些新增的告警是否适用。
对于前者的测试，我们需要了解ATM物理层的一些基本原理，明白了各个告警的实质和产生条件。
才能有的放矢的进行较完整全面的测试；对于后者的测试，看似简单，实则费时费事，最好能采用自动化的测试。
在这里往往会有新旧兼容问题。
如需处理ATM业务不仅要配ATM处理板，还要配置ATM接口板。
配置不同的接口板，对应的端口也不同。
但旧的告警命令不可能有此校验过程。
测试时应以前者为主，重点放在ATM告警的产生与上报上。
5ATM性能简介：
ATM的性能也分为两类：
一是基于连接的性能事件，由OAM监测产生；另一种是基于端口的性能，是由物理层的芯片进行统计计数的。
我们在此主要介绍后一种性能事件。
CRCTHCS—纠正的HCS错误个数；
UNCRCTHCS—未纠正的HCS错误个数；
RCCNT—ATM物理端口端口收到的信元个数；
RCIDLEC—ATM物理端口收到的空闲信元总个数；
TRNSCNT—ATM物理端口发送的信元总个数；
备注：
以APC为基准，信元流向APC方向为接收方向；信元从APC流出的方向为发送方向
如果大家明白了物理层的基本原理和前面告警的测试方法，那么性能就很简单了。
ATM性能基本是一种统计计数的功能。
CRCTHCS为纠正的HCS错误个数（HCS—检测到具有一位可校正的头部错误或多位不可校正的错误）。
即具有信元头单比特错误，且被纠正的信元的个数。
这种信元的信元头被纠正后，就按正常信元继续传送。
产生单比特信元头错误的方法前面已经介绍过了，此处就不冗谈了；UNCRCTHCS为未纠正的HCS错误个数，我们需产生多比特错误或在流量很大情况下产生单比特错误。
下面是实际测试中的一组性能数据：
BIDPORTPERIODSTART-TIMEVPIVCISUMEIDVALUE-HVALUE-L
10x000115m2001-06-2110:
20:
2165535655351CRCTHCS0x000000000x000025c9
10x000115m2001-06-2110:
20:
2165535655351UNCRCTHCS0x000000000x00000244
10x000115m2001-06-2110:
20:
2165535655351RCCNT0x000000000x000025c9
10x000115m2001-06-2110:
20:
2165535655351RCIDLEC0x000000000x0158f10f
10x000115m2001-06-2110:
20:
2165535655351TRNSCNT0x000000000x000025c9
ATM性能数据（严格的说只能称之为数据，而不能为事件）的统计，都由芯片来完成。
我们主要介绍了各种性能产生的原理。
测试性能同样从两个角度来考虑：
其一是当性能数据的产生条件具备时，性能数据能否被正确收集；其二是性能管理的若干相关命令是否正确有效。
前者测试时其具体数值不易出错，主机上报是我们测试的重点。
后者往往容易出错，是我们测试的重点。
6小结：
ATM基于
升级会员 