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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。
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