第五章ATM交換

1、2022-3-7 第五章第五章 ATMATM交換交換2022-3-7n社會發(fā)展需求，隨著視頻業(yè)務應用的發(fā)展，用戶業(yè)務需要大于2mb/s的寬帶傳輸和交換。n技術發(fā)展支持，光纖及相關的傳輸技術發(fā)展和廣泛運用，為構建能承載數(shù)據(jù)、高質(zhì)量視頻等業(yè)務的寬帶綜合網(wǎng)絡提供了技術支持，交換技術變成瓶頸。5.1 B-ISDN與ATM的概念2022-3-7業(yè)務帶寬跨度大，從幾十到幾兆比特業(yè)務帶寬跨度大，從幾十到幾兆比特/ /秒；秒；不同業(yè)務的突發(fā)特性不同；不同業(yè)務的突發(fā)特性不同；各種業(yè)務的實時性要求不同；各種業(yè)務的實時性要求不同；各種業(yè)務對錯誤的敏感性不同；各種業(yè)務對錯誤的敏感性不同；不同業(yè)務要求不同的連接方式。不

2、同業(yè)務要求不同的連接方式。 B-ISDN與與ATM的概念的概念B-ISDN業(yè)務的特征業(yè)務的特征B-ISDNB-ISDN的目標，的目標，為用戶提供各種帶寬的數(shù)據(jù)、為用戶提供各種帶寬的數(shù)據(jù)、語音、圖像、電視會議、文本文件、數(shù)據(jù)等信語音、圖像、電視會議、文本文件、數(shù)據(jù)等信息的交換和傳輸服務。息的交換和傳輸服務。2022-3-7B-ISDN對傳送模式的要求對傳送模式的要求q 對信息的損傷要小對信息的損傷要小 具有時間透明性具有時間透明性( (信息傳送的時延和時延抖動要信息傳送的時延和時延抖動要小小) ) 具有語義透明性具有語義透明性( (由傳送引起的信息丟失和差錯由傳送引起的信息丟失和差錯要小要小)

3、)q能靈活地支持各種業(yè)務能靈活地支持各種業(yè)務q具有高速傳送信息的能力具有高速傳送信息的能力B-ISDN與與ATM的概念的概念2022-3-7ATMq 電路交換特點電路交換特點同步時分復用；固定分同步時分復用；固定分配帶寬；時間透明性配帶寬；時間透明性q 分組交換特點分組交換特點統(tǒng)計時分復用；動統(tǒng)計時分復用；動態(tài)分配帶寬；語義態(tài)分配帶寬；語義透明性透明性ATM的發(fā)展的發(fā)展2022-3-7ATM概念？qATM（AsynchronousTransferMode）異步轉(zhuǎn)移）異步轉(zhuǎn)移（傳送）模式（傳送）模式 ATM 是一種在網(wǎng)絡中是一種在網(wǎng)絡中以信元為單位進行統(tǒng)計復以信元為單位進行統(tǒng)計復用、交換和傳輸?shù)?/p>

4、技術用、交換和傳輸?shù)募夹g。在這種傳送模式中，。在這種傳送模式中，信息信息被分成信元來傳遞，而包含同一用戶信息的信元被分成信元來傳遞，而包含同一用戶信息的信元不不需要需要在傳輸鏈路上在傳輸鏈路上周期性地出現(xiàn)周期性地出現(xiàn)。ATM概念？B-ISDN與與ATM的概念的概念2022-3-7q采用異步時分復用方式，動態(tài)分配帶寬采用異步時分復用方式，動態(tài)分配帶寬q采用面向連接的方式（虛電路）采用面向連接的方式（虛電路）q取消了逐段差錯控制和流量控制，在需要時由取消了逐段差錯控制和流量控制，在需要時由終端完成。終端完成。q信元長度固定，簡化了對緩沖隊列的管理信元長度固定，簡化了對緩沖隊列的管理q信頭的功能簡化

5、信頭的功能簡化ATM特點特點？B-ISDN與與ATM的概念的概念2022-3-75.2 ATM 基本原理5.2.1ATM信元及其結構信元及其結構5.2.2異步時分復用技術異步時分復用技術5.2.3面向連接的通信方式面向連接的通信方式5.2.4ATM協(xié)議參考模型協(xié)議參考模型2022-3-7 ATM 信元結構5.2.1ATM信元及其結構2022-3-7ATM信元信頭結構 2022-3-7ATM信元類型 ATM信元的凈荷類型PTI值凈荷類型000無擁塞的用戶信元,AUU=0001無擁塞的用戶信元,AUU=1010有擁塞的用戶信元,AUU=0011有擁塞的用戶信元,AUU=1100OAM信元(相鄰節(jié)點

6、維護管理信元)101OAM信元(用于端到端的維護管理信元)110資源管理信元(用于改變正在使用的帶寬)111備用用于AAL5是否是上層協(xié)議數(shù)據(jù)單元劃分的最后一個信元，0不是，1是2022-3-7ATM 特殊信元q 空閑信元（VPI=0，VCI=0，CLP=1）：物理層產(chǎn)生的空信元。00000000 00000000 00000000 00000001q 未分配信元（VPI=0，VCI=0，CLP=0）：ATM層產(chǎn)生的空信元。q 物理層OAM信元：用于物理層的操作維護。 00000000 00000000 00000000 00001001q 元信令信元（ VCI=1 ） ， 通用廣播信令信元（

7、VCI=2），信令信元用于呼叫控制和建立連接等。2022-3-7q同步時分復用：多個邏輯子信道共享一條物理鏈路，屬于同步時分復用：多個邏輯子信道共享一條物理鏈路，屬于同一邏輯子信道的信號按照一定時間間隔周期性地出現(xiàn)，同一邏輯子信道的信號按照一定時間間隔周期性地出現(xiàn)，按照時隙位置識別信道按照時隙位置識別信道 。q異步時分復用：屬于同一邏輯信道的信號在傳輸線上不對異步時分復用：屬于同一邏輯信道的信號在傳輸線上不對應固定的時隙，也不是按周期出現(xiàn)，信息識別按照信頭的應固定的時隙，也不是按周期出現(xiàn)，信息識別按照信頭的標記區(qū)分。標記區(qū)分。5.2.2異步時分復用2022-3-7虛通道虛通道VP和虛信道和虛信

8、道VC的關系的關系5.2.3面向連接工作方式2022-3-7ATM虛連接建立的方式nATM采用雙向虛連接，兩個方向上的VPI/VCI被賦予相同的值，并且VPI/VCI值只在一段直連信道上有效。n在虛電路中，兩相鄰交換點之間VPI/VCI值保持不變，構成一條VC鏈路，源端到目的端的虛電路由多段VC鏈路串連組成。nATM網(wǎng)絡可建立虛信道連接（VCC）或虛通路連接（VPC）。 2022-3-7VP交換VP 交換VPI = 1VPI = 3VPI = 5VPI = 2VPI = 4VPI = 6VCI = 1VCI = 2VCI = 3VCI = 4VCI = 5VCI = 6VCI = 3VCI =

9、 4VCI = 5VCI = 6VCI = 1VCI = 22022-3-7VC交換VC 交換VP 交換VCI = 1VCI = 2VCI = 1VCI = 2VCI = 3VCI = 4VCI = 1VCI = 21243VPI = 1VPI = 4VPI = 5VPI = 2VPI = 32022-3-7 5.2.4 ATM協(xié)議參考模型協(xié)議參考模型2022-3-7一般流量控制、信頭產(chǎn)生一般流量控制、信頭產(chǎn)生/提取提取信元信元VPI/VCI翻譯、信元復用和分路翻譯、信元復用和分路傳輸幀產(chǎn)生傳輸幀產(chǎn)生/恢復：恢復：發(fā)送端將信元流封裝成發(fā)送端將信元流封裝成 適合傳輸系統(tǒng)要求的幀結構送到適合傳輸系

10、統(tǒng)要求的幀結構送到PM子層，子層， 接收端將接收端將PM子層送來的比特流（傳輸幀）子層送來的比特流（傳輸幀） 恢復成信元流恢復成信元流信元速率適配、信頭差錯校驗（信元速率適配、信頭差錯校驗（HEC）信）信元定界、元定界、AALCSSARATM層層TCPM在物理媒體上正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)比特，在物理媒體上正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)比特，線路編碼、光電轉(zhuǎn)換線路編碼、光電轉(zhuǎn)換匯聚子層，對高層適配服務，使匯聚子層，對高層適配服務，使ATM信元傳送信元傳送能夠適應不同業(yè)務能夠適應不同業(yè)務分段與重組子層，將分段與重組子層，將不同業(yè)務數(shù)據(jù)單元分割成固定不同業(yè)務數(shù)據(jù)單元分割成固定的長度裝入的長度裝入ATM信元的信息

11、段，反向傳送過程重組信元的信息段，反向傳送過程重組物理層物理層ATM協(xié)議參考模型2022-3-7ATM協(xié)議棧中各層間的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧中各層間的數(shù)據(jù)傳輸PCI：協(xié)議控制信息：協(xié)議控制信息2022-3-7ATM適配層協(xié)議話音業(yè)務2022-3-7AAL1AAL1支持對時延敏感的恒定比特率業(yè)務（話音）。分為支持對時延敏感的恒定比特率業(yè)務（話音）。分為2 2個個子層：分段與重組（子層：分段與重組（SARSARSegmentation and ReassemblySegmentation and Reassembly）子層和會聚子層（子層和會聚子層（CSCSConvergence SublayerConv

12、ergence Sublayer） 。(3) ATM適配層AAL1SAR頭：序號+序號校驗，接收端按照SAR-PDU序號重新組裝提交用戶數(shù)據(jù)2022-3-7(3) ATM適配層AAL5q AAL5AAL5用來支持面向連接的可變比特率的數(shù)據(jù)業(yè)用來支持面向連接的可變比特率的數(shù)據(jù)業(yè)務，對信令與數(shù)據(jù)業(yè)務進行適配。務，對信令與數(shù)據(jù)業(yè)務進行適配。 分段與重組分段與重組SARSAR子層子層 會聚子層會聚子層CSCS 業(yè)務無關的公共部分子層業(yè)務無關的公共部分子層CPCSCPCS 業(yè)務相關的業(yè)務特定會聚子層業(yè)務相關的業(yè)務特定會聚子層SSCSSSCS。根據(jù)業(yè)務。根據(jù)業(yè)務而定，可以為空。而定，可以為空。2022-3

13、-7AAL5AAL5數(shù)據(jù)適配過程數(shù)據(jù)適配過程公共部分匯聚子層公共部分匯聚子層2022-3-75.3ATM5.3ATM交換技術交換技術ATM交換的基本原理交換的基本原理ATM交換網(wǎng)絡交換網(wǎng)絡ATM交換系統(tǒng)結構交換系統(tǒng)結構ATM呼叫控制信令呼叫控制信令2022-3-75.3.1 ATM5.3.1 ATM交換的基本原理交換的基本原理q ATMATM交換是指交換是指ATMATM信元從輸入端的邏輯信道到輸出信元從輸入端的邏輯信道到輸出端的邏輯信道的消息傳遞。即任一入線上的任一邏端的邏輯信道的消息傳遞。即任一入線上的任一邏輯信道的信元能夠交換到任一出線上的任一邏輯信輯信道的信元能夠交換到任一出線上的任一邏

14、輯信道上去。道上去。信頭信頭翻譯翻譯路由路由選擇選擇排隊排隊ATM交換系統(tǒng)三種基本功能：交換系統(tǒng)三種基本功能：2022-3-7數(shù)據(jù)傳送過程中，任一入線信息可被交換到任一出線，具有數(shù)據(jù)傳送過程中，任一入線信息可被交換到任一出線，具有空間交換的特征（選路）空間交換的特征（選路）數(shù)據(jù)傳輸過程中，對從入線來的數(shù)據(jù)傳輸過程中，對從入線來的ATMATM信元根據(jù)路由表被交換信元根據(jù)路由表被交換到目的出線上，信頭到目的出線上，信頭VPI/VCIVPI/VCI值由輸入值被翻譯成輸出值。值由輸入值被翻譯成輸出值。（信頭翻譯）（信頭翻譯）ATMATM采用異步轉(zhuǎn)移模式，某一時刻會有多個信元爭搶公共資采用異步轉(zhuǎn)移模式，

15、某一時刻會有多個信元爭搶公共資源情況（出線競爭源情況（出線競爭/ /內(nèi)部鏈路競爭），需要設置緩沖器，提內(nèi)部鏈路競爭），需要設置緩沖器，提供排隊功能供排隊功能 。（排隊）。（排隊） ATM交換的基本原理2022-3-7ATM 交換的基本原理nkkjlmgxxzyxyssQueueQueueQueue數(shù)據(jù)信頭翻譯表O1O2OnI1I2In輸入鏈路 信頭值 輸出鏈路 信頭值 I1 x O1 k y On m z O2 l : In x O1 n y O2 j s Oq g信元頭輸入輸出信元數(shù)據(jù)信元頭選路、信頭翻譯、排隊選路、信頭翻譯、排隊g通信前呼叫建立信令通信前呼叫建立信令為每個呼叫分配邏輯為每個

16、呼叫分配邏輯信道，建立路由表信道，建立路由表信元被交換的同時，輸入信元被交換的同時，輸入信頭的值被翻譯成輸出信信頭的值被翻譯成輸出信元頭的值。元頭的值。2022-3-75.3.2ATM交換系統(tǒng)基本結構2022-3-7輸入接口功能輸入接口功能2022-3-7輸出接口功能輸出接口功能2022-3-7ATM交換結構時分交換網(wǎng)絡空分交換網(wǎng)絡共享存儲器共享媒體單通路多通路總線型基于crossbar基于banyan擴展banyan復份banyanBenesClos緩沖型無緩沖型矩陣型全互連型1）ATM交換結構類型交換結構類型5.3.3 ATM5.3.3 ATM交換網(wǎng)絡交換網(wǎng)絡2022-3-7共享存儲器型結

17、構 2022-3-7 共享媒體型交換結構 2022-3-7空分交換結構 2022-3-7多極互聯(lián)網(wǎng)絡 2022-3-7 Banyan網(wǎng)絡自由選路特性2022-3-7 多極互聯(lián)網(wǎng)絡0111110101000110101001110111110101000101001110112022-3-7緩沖方式2）ATM交換網(wǎng)絡的緩沖策略交換網(wǎng)絡的緩沖策略(1) (1) 外部緩沖外部緩沖u輸入緩沖輸入緩沖u輸出緩沖輸出緩沖u輸入與輸出緩沖輸入與輸出緩沖u環(huán)回緩沖環(huán)回緩沖緩沖器設置在交換結構的緩沖器設置在交換結構的外部外部(2)(2)內(nèi)部緩沖內(nèi)部緩沖u 共享緩沖共享緩沖u 交叉點緩沖交叉點緩沖u 緩沖型緩沖型

18、banyanbanyan緩沖器設置在交換結構的緩沖器設置在交換結構的交換單元內(nèi)部交換單元內(nèi)部2022-3-7輸入緩存模型輸入緩存模型交換網(wǎng)絡仲裁邏輯12N12N出線入線輸入隊列n每條入線設置緩沖器n信元在入線排隊，競爭失敗的信元暫時留在輸入緩沖器中，等待下一輪信元的傳送n仲裁邏輯n決定可以得到服務的入線決定可以得到服務的入線n仲裁策略仲裁策略2022-3-7輸入緩存的缺點輸入緩存的缺點n存在隊頭阻塞（HOL）n若一條入線上的隊列的排頭信元因競爭失敗而阻塞，若一條入線上的隊列的排頭信元因競爭失敗而阻塞，該隊列中的所有后續(xù)信元也被迫阻塞，即使該隊列中該隊列中的所有后續(xù)信元也被迫阻塞，即使該隊列中的

19、后續(xù)信元所選擇的出線當前是空閑的。的后續(xù)信元所選擇的出線當前是空閑的。2022-3-7采用窗口方法的輸入緩沖結構采用窗口方法的輸入緩沖結構改進的輸入緩沖改進的輸入緩沖2022-3-7輸出排隊模型輸出排隊模型交換網(wǎng)絡01N-101N-1出線入線輸出隊列n每出線配置一個緩沖隊列n信元在出線處排隊，信元通過傳輸媒體時無需仲裁邏輯信元在出線處排隊，信元通過傳輸媒體時無需仲裁邏輯2022-3-7輸出排隊的優(yōu)缺點輸出排隊的優(yōu)缺點q為保證沒有信元丟失，在傳輸交換媒體中信元的傳輸交換的速率必須 N 倍于入線的速率q 輸出緩沖能在一個時隙內(nèi)可以接收交換到該輸出端口的最大信元數(shù)目，稱為加速因子（，極限情況）q加速

20、因子的值越大，對處理速度和存儲器的存儲速率要求就越高，一般1KN，這樣每個輸出端口最多只能接收K個信元，如果有多于K個信元去向同一個端口，就要按照一定準則選取其中的K個信元，其余的丟棄。2022-3-7外部緩存外部緩存輸入輸出緩沖輸入輸出緩沖綜合輸入緩沖與輸出緩沖的優(yōu)點。假設其加速因子為L（1LN）(N為輸入端口數(shù)目)，則其輸出緩沖器在一個信元時隙內(nèi)最多能接收L個信元，若在某一時隙內(nèi)有超過L個信元要交換到同一個目的端口，這些超過的信元將會被存儲在輸入緩沖器中，而不像輸出緩沖方式中直接丟棄。2022-3-7包括環(huán)回端口以及環(huán)回緩沖器。當發(fā)生出線競爭時，在競爭包括環(huán)回端口以及環(huán)回緩沖器。當發(fā)生出線

21、競爭時，在競爭中失敗的信元會通過環(huán)回端口存儲在環(huán)回緩沖器中，并且通中失敗的信元會通過環(huán)回端口存儲在環(huán)回緩沖器中，并且通過環(huán)回端口在下一時隙與新到來的信元重新進行競爭。過環(huán)回端口在下一時隙與新到來的信元重新進行競爭。外部緩存外部緩存環(huán)回緩沖環(huán)回緩沖2022-3-7內(nèi)部緩沖的緩沖器是設置在交換網(wǎng)絡內(nèi)部。內(nèi)部緩沖的緩沖器是設置在交換網(wǎng)絡內(nèi)部。主要有：主要有：q 共享緩沖共享緩沖q 交叉點緩沖交叉點緩沖q 緩沖型緩沖型banyanbanyan存儲器復用分路12N12N共享緩沖結構內(nèi)部緩存內(nèi)部緩存2022-3-7內(nèi)部緩存u交叉點緩沖：緩沖交叉點緩沖：緩沖器設置在交叉點中，器設置在交叉點中，用在基于用在基

22、于crossbarcrossbar交交換網(wǎng)絡中。換網(wǎng)絡中。u特點：不存在特點：不存在HOLHOL阻塞現(xiàn)象，對內(nèi)部處阻塞現(xiàn)象，對內(nèi)部處理速度和存儲器存儲理速度和存儲器存儲速率沒有加速要求，速率沒有加速要求，但需要較多數(shù)量的存但需要較多數(shù)量的存儲器儲器2022-3-7內(nèi)部緩存緩沖型緩沖型banyanbanyan ：在交換單元（在交換單元（SESE）內(nèi)部設置緩沖。內(nèi)部設置緩沖。用來存儲在內(nèi)部用來存儲在內(nèi)部競爭中失敗的信競爭中失敗的信元，減少信元丟元，減少信元丟失率失率2022-3-7交換網(wǎng)絡的選路方法是指有效控制和正確引交換網(wǎng)絡的選路方法是指有效控制和正確引導從輸入端口進入交換網(wǎng)絡的信元正確地傳送到

23、導從輸入端口進入交換網(wǎng)絡的信元正確地傳送到所需的輸出端口的方法。所需的輸出端口的方法。 在有多級互聯(lián)網(wǎng)絡中，選路控制有兩種方法：在有多級互聯(lián)網(wǎng)絡中，選路控制有兩種方法：自選路由自選路由和和表格控制選路表格控制選路。3 3）ATMATM交換網(wǎng)絡的選路方法交換網(wǎng)絡的選路方法2022-3-7 自選路由自選路由是給每個到來的信元在進入交換網(wǎng)絡之是給每個到來的信元在進入交換網(wǎng)絡之前加上前加上選路標簽選路標簽，然后交換網(wǎng)絡會自動根據(jù)這些選路，然后交換網(wǎng)絡會自動根據(jù)這些選路標簽的信息來選擇路由，自選路由選路方法的路由信標簽的信息來選擇路由，自選路由選路方法的路由信息（翻譯表）一般放在交換網(wǎng)絡每個息（翻譯表）

24、一般放在交換網(wǎng)絡每個輸入端口輸入端口處。處。 自選路由方式自選路由方式2022-3-7自由選路方式的路由選擇VPI/VCI 分析表 A X 1 0 1 1Input OutputRouting HeaderAcell11 0 1XRHcellXcell11012022-3-7表格控制選路方式表格控制選路方式 表格控制選路表格控制選路（table-control routingtable-control routing）的）的路由信息存放在各個交換單元（路由信息存放在各個交換單元（SESE）內(nèi)部，各個）內(nèi)部，各個SESE按照自己的翻譯表中的信息來完成選路。按照自己的翻譯表中的信息來完成選路。 2022-3-7路由表控制的路由選擇AEcellcell路由表 A B 1 I O R B C 1 I O