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ATM信元

ATM是一种面向分组的技术,其分组称为信元。ATM信元由信元头和净荷(Payload)两部分构成。信元头中包含信元控制信息,净荷用于承载用户的数据。ATM中信元的定义对ATM基本网络的总体性能,特别是对时间透明性和语义透明性都有着特殊影响。

为了区别信令信元和其他ATM信元,将信令信元的信头规定一个特定值。例如,可以规定一个特定的VPI-VCI专供信令信元使用,其他ATM信元都不可以使用。也可以规定一个其他的ATM信元永远不用的净负荷类型(PT),专供信令信元使用。

除了承载用户信息的信元和信令信元之外,还有空闲信元如运行维护信元(OAM)。如果在线路上没有其他消息发送,则发送“空闲信元”可以起“填充”空闲信道的作用。运行维护信元上承载的是宽带ISDN的运行和维护的信息,如故障,告警等信息,它是ATM交换机经常定时发送的48字节信息域,其内容是事先规定好的,收到这些信元的交换机,根据这些信元误码来判断线路质量,如是否有故障告警等。

ATM信元是定长的,所以时间是被划分成一个个等长的小片段,每个小片段就是ATM的信元,它有点类似于同步时分复用情况,但不同于分组交换网中的情况。

话音、活动图像等恒定速率的实时性信号,在装入一个个ATM信元后,应该是每隔一个固定的时间间隔出现一次。例如,64kbit/s话音信号装入155.52Mbit/s的ATM信元,因为每个信元内有48×8=384bit用户信息,所以每秒钟内只出现64000/384=167个装载该话音信号的ATM信元,即每隔6ms出现一次。如果这些ATM信元在经过宽带ISDN后的随机性时延不大于某一规定值,那么就可以在接收端重新组合成无失真的话音信号。

ATM以信元为基本传输单位,信元由信头信报组成。每个ATM信元包含53字节,其中5字节的头部信息,48字节的数据。百分之十的头部开销显得特别高,所以工程人员戏称这种开销为信元税(cell tax)

ATM的设计思想在信元头设计上最主要的提下是力图简化信元头的处理。在信元头中最主要的功能就是标识ATM的虚连接。在信元头中除了分别使用VPI和VCI来标识VPC和VCC。除此之外,还包含以下功能:

(1) 优先级

在业务具有不同服务质量要求时,优先级提供了区别对待不同业务的手段。在ATM中 可以支持基于虚连接的优先级机制。同时,信元头中也提供了一个1 bit的信元丢失优先级(CLP,Cell Loss Priority)字段,用来定义语义上的两种优先级:CLP=1表示网络需要丢弃信元时,该信元具有较高的被丢弃的概率,将被优先丢弃;而CLP=0表示该信元具有较高的语义优先级,应得到保护而不被丢弃。

(2)维护

在信元头中含有一些提供网络维护和性能监视功能的比特字段。ATM信元头中提供了3bit构成的净荷类型指示(PTI,Payload Type Identifier)字段。该字段用于支出信元中承载的净荷数据内容的类型:是普通用户数据,或者是用于系统维护的信息。

(3)多重接入

该功能可使多个用户终端连接到统一物理链路上。

(4)信元头的差错保护

对信元头中差错的保护是必须的。ATM中采用的方案是一种能够纠单比特错、检多比特错的自适应算法,在信元头中插入一个差错控制(HEC,Header Error Control)字段。BCH编码可保证检测出信元头中出现的索比特差错,并能够纠正信元头中的单比特差错。

(5) 信元定界

在一个分组系统中,接收端必须能够从链路上传输的比特流中确定分组的边界。不同的分组系统采用不同的定界方式。由于ATM信元是定长的,链路上信元周期性地出现,只要提供捕获了这个信元的周期,就可实现信元同步,正确识别信元的边界。

信元净荷定义的问题实际上就是如何定义信元净荷的长度。从以下几个方面讨论这个问题:

(1)变长还是定长

净荷长度这个重要参数的选择受到多方面因素的影响。定长信元和变长方案各有优缺点,其中需要考虑的因素是:传输带宽的效率,实现的复杂度以及时延。

在传输带宽的使用上,变长的分组可以获得更高的带宽利用率,可接近100%。对于固定长度的分组来说,只有当用户的信息为分组净荷长度的整数倍时才能达到最佳的利用率。现已知可变长度分组的效率高于固定长度分组。然而宽带网业务量大部分由图像、高速数据和话音组成,可变长分组在传输效率桑的优势十分有限;固定长度分组的分组传输效率也可以接近最佳值。从实现的复杂性来看,在分组头功能相同的情况下,定长分组方案要优于变长分组方案。这是由于变长分组需要较大的处理开销、缓冲容量和队列管理开销。从时延特性上看,较大的分组将产生较大打包时延和交换时延,且时延抖动也随之增大,不利于实时业务的传输。

(2)净荷长度如何确定 

同样,也存在几个方面的因素会影响信元长度的确定:传输效率、时延和实现的复杂度。传输效率取决于信头和信息段长度的比例。信元头尺寸不变时,净荷越长效率越高;但是,净荷过长将导致打包时延PQ、固定交换时延FD和排队时延QD都响应升高。因此,在确定净荷长度时,需要在传输效率和时延之间进行权衡。

打包时延PD与信元净荷的长度成正比。对于64kbps电话这类低速业务,PD达到了毫秒级。由于PD在整个端到端时延中占据了相当大的比例,打包时延将导致端到端时延超过ITU-T规定的话音通信时延标准信元净荷场应小于64字节。

受净荷长度影响的另一个时延参数是排队时延QD。排队时延受净荷L与信元头长度H的影响。从实现的复杂型上来看,净荷的长度也会影响到系统处理速率和所需要的缓冲器的容量。


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