ATM交换系统的设计与仿真.docx
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ATM交换系统的设计与仿真
课程设计报告
ATM交换系统的设计与仿真
姓名：
学号：
学院：
信息工程学院
专业：
通信工程
指导老师：
目录
目录2
摘要3
课程设计目的4
课程设计要求4
ATM基本概念与原理5
1.1什么是ATM5
1.2信元结构5
1.3ATM的交换概念7
1.4ATM技术的特点7
1.4.1采用固定长度分组7
1.4.2采用统计复用8
1.4.3采用面向连接并预约传输资源的方式工作8
1.4.4取消逐段链路的差错控制和流量控制8
1.4.5ATM信元头部的功能降低8
ATM交换实验原理及设计9
2.1实验原理9
2.2UNI信令9
2.3NNI信令10
ATM交换实验过程11
3.1实验界面11
3.2实验演示三阶段12
3.2.1连接建立阶段：
12
3.2.2数据传送阶段：
14
3.2.3连接拆除阶段：
16
总结18
课程设计评分表19
摘要
ATM技术代表了网络和通讯技术发展的未来方向，也是解决目前网络通信中众多难题的一剂“良药”ATM采用固定长度53个字节的信元交换。
由于长度固定，因而便于用硬件实现。
ATM采用专用的非差别连接并行运行，可以通过一个交换机同时建立多个节点，但并不会影响每个节点之间的通信能力。
ATM还容许在源节点和目标、节点建立多个虚拟链接，以保障足够的带宽和容错能力。
ATM采用了统计时分电路进行复用，因而能大大提高通道的利用率。
ATM的带宽可以达到25M、155M、622M甚至数Gb的传输能力。
异步转移模式（Asynchronoustransfermode）简称ATM，是一种集传输与交换于一体的通信模式，是一种包含传输、组网和交换等技术内容的新颖的高速通信技术。
ATM已成为二十一世纪宽带通信的关键技术，已被国际电联确定为宽带综合业务数字网的基本传送方式。
90年代初计算机网络发展兴起，网络传输媒体光纤化和多媒体技术商用加快。
面对巨量信息传输需求，传统的网络技术，如以太网、快速以太网、FDDI，无比是在传输速度和连接方式等方面都无法适应用户的需求。
应运而生的ATM技术是在传统的电路转移模式和分组转移模式基础上发展起来的新兴信息转移模式。
它具有传输速度快、距离不受限制等特点，其集语音、图像和声音传输于一体的特色，尤其适合多媒体业务的应用。
ATM是由产业界、用户团体、研究机构和标准化组织开发和定义的。
它被设计成满足下一代通信技术要求，如支持带宽资源的有效利用，有利于有各种类型的网络互连以及能够提供各种先进的通信业务。
它被看作是先进和有效的军用和民用通信的先进通信技术。
关键词：
ATM，通信技术，交换，传送方式，带宽，传输。
课程设计目的
1.通过设计，掌握程控交换系统的硬件电路组成与作用。
2.熟悉系统运行软件和系统管理软件在交换过程中的主要作用。
3.通过学习系统实验的联调方法，进一步加强对程控交换机组成的理解。
4.演示了ATM的传输过程，包括ATM链路的建立、ATM信元传输和ATM链路的拆除；主要体现了ATM采用面向连接的工作方以及采用和固定长度信元的特点。
课程设计要求
1.根据已知参数对选择程控交换机的型号、对交换机的各个模块进行配置，交换机接口外围电路的设计，整个交换系统的方案设计。
2.基本教学要求：
每人一台计算机，计算机安装程序开发环境等软件。
3.设计时可以根据课题需要，要求学生独立完成或分组完成设计任务，在完成下述规定的设计之后，提交课程设计报告。
4.完成设计报告书，不少于8000字。
课程设计报告包括：
中文摘要150字；关键词3到5个；正文内容应包括：
摘要、基本原理、设计内容、设计步骤及主要内容的记录、总结、参考文献等；
ATM基本概念与原理
1.1什么是ATM
ATM（AsynchronousTransferMode）译为异步传输模式（或者异步传输模式）。
ATM是一中采用固定长度分组、异步时分复用①、传送任意速度的宽带信号和数字等级系列信息的交换技术。
它可以综合任意速率的话音、数据、图象和视频业务。
ATM的基本定义可以归纳为两点：
a.面向连接的快速分组交换技术。
b.基于固定长度信元（53个字节）的异步转移技术。
各种类型的信息流（包括语音、数据、视频等）均被适配成固定长度的（53字节）的信元”（Cell）进行接入、传输和交换。
1.2信元结构
ATM网中，信息是以信元为基本单元进行通信的。
ATM信元是一种固定长度的数据分组，一个信元定长53个字节，其中前5个字节称为信头。
ATM就是根据信头中的信息来对信元的类型、路径、流量、信息优先级、校验等进行控制，完成准确无误的信息反馈传送。
它有识别路径、优先处理、关错控制和网络管理等功能。
信头后面的48个字节称作信息域OAM（或者称净负荷、净荷）（ATM自身的运行维护功能）。
信元的信息域内容有统一的规定。
用户信元的信息域内容可由用户根据不同的电信业务的要求自行确定。
根据原CCITT建议，当ATM信元在用户与网络接口（UNI）之间或网络与网络接口（NNI）之间传输时，其信元头的结构略有不同，起差别在于是否留有GFC字段以及用于路由选择字段（VPI和VCI）的长度。
ATM信元头个字段的含义如图1：
图1ATM信元结构
GFC：
一般流量控制标识符。
一个UNI接口上往往接有多个终端设备，它们共享缓存器、接口线路等资源，需要对他们发送的业务量进行控制，以减少可能出现的网络过载。
VPI：
虚通道标识符，表明虚通道的号码，用于虚通道的路由选择。
一个需通道可以含若干个需通路（VC）。
VCI：
虚通路标识符，表明虚通路的号码，用于虚通路的路由选择。
她随着呼叫的产生和释放而生成和消失。
PTI（3bit）：
净荷类型标识符。
其作用是用来表示信元中的有效负荷是用户信息还是网络OAM信息。
包括信元类型、拥塞状态指示及是否是最后的信元等信息。
用户信元类型（bit4）是用来区别信元携带的是用户数据（bit4=0），还是OAM数据（bit4=1）；当bit4=0时，拥塞状态指示（bit3）指示信息是否通过拥塞交换，bit3=0表示无拥塞，bit3=1表示有拥塞；（bit2）用来区分是否是最后用户信元，bit2=0，标识用户数据块未结束，bit2=1，标识此用户数据块是最后一块数据块。
下面是这3bit代表的含义。
000：
表示用户数据，无拥塞，未结束
001：
表示用户数据，无拥塞，结束
010：
表示用户数据，拥塞，未结束
011：
表示用户数据，拥塞，结束
100：
表示是分段OAM信元
101：
表示是端到端OAM信息
110：
表示是资源管理RM信元
111：
预留备用，功能扩展。
CLP：
信元丢失优先级。
当网络拥挤时，悠闲级低的信元被丢失，而优先级高的信元则不会被丢失。
CLP用来说明该信元的悠闲级，CLP=1表示的低优先级信元，在网络拥塞时可丢弃；CLP=0的信元则不被丢失，网络尽量保证传输。
HEC：
信头差错控制。
用来进行信头（前4个字节）差错检测和纠正（1bit错时）并完成信元的定界功能。
其中验证多项式是。
在信头的各个组成部分中，VPI和VCI是最重要的标识符。
这两个部分组合起来便构成了一个信元的定界功能。
ATM交换就是依据各个信元上的VPI和VCI，来决定把它们送到哪一条出线上，动态地改变VPI和VCI，即可以改善网络的灵活性和可靠性。
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。
1.3ATM的交换概念
将ATM信元从一条入线（如有N条入线）被传送到一条或者多条出线（假定有M条出线）的过程为ATM信元的交换过程。
交换指从一个输入的ATM逻辑信道到一输出的ATM逻辑信道的信息交换，这种交换可以在许多输出逻辑信道中选择。
ATM逻辑信道以VPI/VCI来表征。
1.4ATM技术的特点
1.4.1采用固定长度分组
在ATM中采用固定长度的短分组，称为信元。
固定长度的短分组决定了ATM系统的处理时间短，响应快，便于用硬件实现，特别适合实时业务和高速应用。
1.4.2采用统计复用
ATM是按照信元进行统计复用的，在时间上没有固定的复用位置。
统计复用是按需分配带宽的，可以满足不同用户传递不同业务的带宽需要。
1.4.3采用面向连接并预约传输资源的方式工作
ATM方式采用的是分组交换中的虚电路形式，同时在呼叫建立时向网络提出传输所希望使用的资源，网络根据当时的状态决定是否接受这个呼叫。
其中资源的约定并不像电路交换那样给出确定的电路或PCM时隙，只是给出用以表示将来通行过程中可能使用的通信速率。
可以说ATM方式既兼顾了网络运营效率，又能够使接入网络的连接进行快速的数据传输。
1.4.4取消逐段链路的差错控制和流量控制
ATM协议运行在误码率很低的光纤传输网上，同时预约资源机制保证网络中传输的负载小于子网络的传输能力，所以ATM取消了网络内部节点之间链路上的差错控制和流量控制。
1.4.5ATM信元头部的功能降低
由于ATM网络中链路的功能变得非常有限，因此信元头部变得异常简单。
ATM技术既有电路交换的“处理简单”、支持实时业务、数据透明传输、采用端到端的通信协议等特点，又具有分组交换的支持变化比特率业务的特点，并能对链路上传输的业务进行统计复用。
1.4.6ATM的交换原理
ATM交换技术是ATM网络技术的核心。
交换结构的性能将决定ATM网络的性能和规模。
交换机设计的方法将影响交换吞吐量、信元阻塞、信元丢失和交换延时等，交换结构不仅影响交换机的性能和扩展特性，而且也影响交换机支持广播方式和点到点方式的能力。
现代通信网中广泛应用的交换方式有两种：
电路交换方式和分组交换方式。
电路交换方式包括传统电路交换、多速率电路交换、快速电路交换等，分组交换方式包括帧交换、帧中继、快速分组交换等。
电路交换方式适用于话音等实时性业务，而分组交换方式适用于数据业务。
在综合业务环境下，不同业务对网络的要求不同，电路交换方式和分组交换方式都不能满足综合业务环境下的使用要求。
ATM交换技术是一种融合了电路交换方式和分组交换方式优点而形成的新型交换方式。
如下图2所示：
图2ATM交换的基本原理
ATM交换实验原理及设计
2.1实验原理
ATM是面向连接的网络，在端到端的通信前必须建立连接。
ATM网络通常有永久虚电路（PVC）和交换虚电路（SVC）两种方式。
永久虚连接（PVC）是通过预定或预分配的方法建立的连接。
交换虚连接是当用户需要使用网络资源时，才由网络动态分配，当呼叫结束时，SVC会被拆除，并可以分配给另一个用户。
ATM网络的优点是能够根据需要动态建立与释放连接，用户可以根据不同应用的需要，在同一时间内建立多条SVC，支持多种服务，并允许较多的用户有效的使用网络资源。
这里我们主要演示ATM的SVC建立、传输和释放过程。
SVC的建立、管理与释放过程就是ATM信令的交互过程。
ATM网络有用户终端、专用ATM交换机和公用ATM交换机构成，SVC的实现涉及终端与交换机、交换机与交换机之间的信令。
ATM信令主要分为UNI（用户－网络接口）信令和NNI（网络－网络接口）信令。
2.2UNI信令
ATMUNI信令是在ATM网络中用户终端和网络之间进行连接的建立、释放和维护的协议。
ITUT－T规定了两种UNI呼叫连接控制：
点到点的呼叫连接控制和点到多点的呼叫连接控制。
点到点的呼叫连接控制涉及到3个实体：
主机方（用户终端）、网络侧被叫方（用户终端）。
其一个点到点的呼叫连接的建立和释放过程如下图3所示：
图3
2.3NNI信令
ATM网络局间信令采用网络节点接口（NNI）信令，NNI信令是基于现有的No.7信令的ISDN用户部分（ISUP描述和定义的，是ISDNNNI信令ISUP的扩充与增强。
将ATM的NNI信令称为宽带综合业务数字网用户部分（B－ISUP）。
ITUT－T建议Q.2761～Q.2764描述了NNI信令。
下图4所示为一个点到点的呼叫建立和拆除过程中的NNI信令操作。
图4
ATM交换实验过程
3.1实验界面
实验界面如图4所示：
图5实验界面图
ATM终端为ATM_A～ATM_E，ATM交换机为Switcher_A～Switcher_E，网络拓扑如图所示。
该实验提供三种连接方式，分别是ATM_A——Switcher_A——Switcher_C——Switcher_E——ATM_C、ATM_A——Switcher_A——Switcher_B——Switcher_D——Switcher_C——Switcher_E——ATM_D和ATM_A——Switcher_A——Switcher_B——Switcher_D——ATM_E。
ATM交换机端口标号在被鼠标选中时自动弹出。
3.2实验演示三阶段
3.2.1连接建立阶段：
实验演示分三个阶段ATM连接建立阶段、数据传送阶段和连接拆除阶段。
进入实验界面后，点击开始按钮，然后按照提示，选择你想要建立连接的终端，进入连接建立阶段。
首先发起连接的终端发送连接建立（SETUP）消息，启动一次呼叫。
主叫端局接到SETUP消息后，向主叫方发送呼叫处理（CALLPROCEEDING）消息作为对SETUP消息的证实，该消息中包含网络侧分配给主叫的VPI、VCI值；向网络侧发送IAM消息。
中间交换节点接收到IAM消息后，返回IAA作为确认，同时向被叫端局发送IAM消息；被叫端局接收到IAM消息后，同样返回IAA消息作为确认，同时向被叫终端发送SETUP消息。
被叫用户使用呼叫处理（CALLPROCEEDING）表示被叫端正在处理来话呼叫，接着传送提醒（Alerting）消息，表示被叫终端正在提醒被叫用户有呼入。
被叫端局收到被叫用户的通知消息后，向中间局发送地址收全消息ACM，中间端局将该消息转发给主叫端局。
被叫用户最后发送接受呼叫（Connect）消息，被叫端局发送ANM消息，将呼叫建立消息传送给相应的节点。
主叫端局接到ACM消息后向主叫用户回送提醒（Alerting）消息以通知主叫用户；接到ANM消息后通过连接消息（Connect）通知主叫用户进入连接阶段，主叫用户返回连接证实（CONNECTACK）消息，进入信息传送阶段，如下图5、图6所示：
图6
图7
3.2.2数据传送阶段：
链路连接建立完成以后，系统向用户提示连接建立完成，用户点击已经建立连接的终端，进入数据传输阶段。
首先在发送数据的终端演示ATM数据从用户层到ATM适配层再到ATM层，最后封装成53个比特的ATM信元的过程。
ATM交换机根据ATM信元的信头所带的VPI和VCI值，按照路由表转发信元。
这里动态演示了ATM信元信头的替换过程。
在数据接收终端，这里演示了ATM信元经过由底层向高层的拆分合并，最后得到用户数据的过程，如下图7、图8、图9所示：
图8
图9
图10
3.2.3连接拆除阶段：
通信完毕后，主被叫用户都可发送连接拆除请求，我们这里以主叫方发送释放请求说明链路的拆除过程。
首先ATM主叫方发送释放消息（RELEASE）消息。
主叫端局回送释放结束（RELEASECOMPLETE）消息确认网络侧完成释放操作；然后向中间端局发送释放消息（REL），请求释放连接，中间端局接到返回释放证实（RLC）作为响应并将此消息往下传送，同时拆除请求释放连接的链路。
ATM网络的拆线过程是在传送REL消息的同时逐段释放链路。
被叫端局接到释放请求消息（REL）后，向被叫用户发送释放消息（RELEASE），被叫用户回送释放完毕消息（RELEASECOMPLETE）确认释放消息（RELEASE）。
释放网络到被叫端局的连接，整个通信过程结束，如下图10、图11所示：
图11
图12
总结
通过这次的课程设计，最大的收获就是了解加深了书本上的知识。
一周的设计的时间上是很短暂的，可是它恰好可以让我们更明白，其实知识是要适应社会发展，我们要学会的不仅是知识，更重要的是要懂得怎样把我们学会的知识运用到实际生活中。
刚拿到课题的时候，我基本上两眼一抹黑，觉得什么都不知道，但是我也非常努力的去做，整整花了三天的时间去查找资料、调试代码，终于还是功夫不负有心人。
整个课程设计过程中，可以说得是苦多于甜，但是也学到很多课堂上学不到的东西。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
东华理工大学
课程设计评分表
学生姓名：
班级：
学号：
课程设计题目：
ATM交换系统的设计与仿真
项目内容
满分
实评
选
题
能结合所学课程知识、有一定的能力训练。
符合选题要求
（5人一题）
10
工作量适中，难易度合理
10
能
力
水
平
能熟练应用所学知识，有一定查阅文献及运用文献资料能力
10
理论依据充分，数据准确，公式推导正确
10
能应用计算机软件进行编程、资料搜集录入、加工、排版、制图等
10
能体现创造性思维，或有独特见解
10
成
果
质
量
总体设计正确、合理，各项技术指标符合要求。
10
说明书综述简练完整，概念清楚、立论正确、技术用语准确、结论严谨合理；分析处理科学、条理分明、语言流畅、结构严谨、版面清晰
10
设计说明书栏目齐全、合理，符号统一、编号齐全。
格式、绘图、表格、插图等规范准确，符合国家标准
10
有一定篇幅，字符数不少于5000
10
总分
100
指导教师评语：
指导教师签名：
年月日
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