現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)課件

1、現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)輸入模塊輸入模塊交換機構(gòu)(CSF)輸出模塊輸出模塊1N1N連接允許控制(CAC)系統(tǒng)管理(SM) 8.6.1 ATM交換機的組成結(jié)構(gòu)交換機的組成結(jié)構(gòu)8.6 ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)交換機的基本組成結(jié)構(gòu)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)ATM交換機由5大功能模塊組成:n1.輸入模塊(IM)n2.輸出模塊(OM)n3.交換機構(gòu)(CSF)n4.接續(xù)容許控制(CAC)n5.系統(tǒng)管理(SM)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)1. 輸入側(cè)輸入側(cè)： 接收輸入信元，輸入側(cè)接口設備的主要功能為：物理層功能：p 光電信號的轉(zhuǎn)換與

2、同步（若采用SDH/SONET物理接口）p 數(shù)字比特流的恢復p 信元定界和差錯控制p 信元速率解耦（丟棄空閑信元）p 凈荷的解擾現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)ATM層主要功能：p VPI/VCI值的有效性檢查及翻譯p 信頭差錯檢查p 輸出端口的確定p 區(qū)分信令信元、用戶信元和OAM信元并作相應的處理現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)n入線模塊對輸入線路上的信息流進行信元定界、信元有效性檢驗和信元類型分類。n輸入線路上的信息流實際上是符合物理層接口信息格式的比特流。n入線模塊首先要將這些比特流分解成長度為53字節(jié)的信元，然后再檢測信元的有效性，將空閑信元、未分配信元及信頭出錯的信元丟

3、棄，最后根據(jù)有效信元信頭中的PTI標志，將OAM信元交呼叫處理控制模塊處理，其它用戶信息信元送交換模塊進行交換。現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)2.輸出側(cè)：輸出側(cè)： 執(zhí)行與輸入側(cè)相反的功能，輸出側(cè)比輸入側(cè)較為簡單，主要功能是為ATM信元流的物理傳輸作準備。其主要功能包括： p HEC域的產(chǎn)生并裝入信頭p 信令信元、OAM信元和用戶信元流的混和輸出p 信元速率匹配（加入空閑信元）p 傳輸幀的形成p 光電信號轉(zhuǎn)換現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu) 出線模塊完成與入線處理模塊相反的處理，主要是將交換模塊輸出的信元流、控制模塊輸出的OAM信元流以及相應的信令信元流復合，形成送往出線的特定形式

4、的比特流，并完成信息信元流速率和線路傳輸速率的適配?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)呼叫接納控制呼叫接納控制(CAC)過程過程當用戶向網(wǎng)絡提出連接申請時，要給網(wǎng)絡提交所申請連接的業(yè)務流量參數(shù)。網(wǎng)絡根據(jù)當前資源和建立該連接所需要的資源進行決策。如果網(wǎng)絡的當前資源能滿足該連接申請的需求，則接受該連接申請，分配所需網(wǎng)絡資源，并在用戶和網(wǎng)絡之間建立流量合約(解釋)。否則，拒絕該連接申請?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu) 呼叫接納控制(CAC)是ATM特有的。在電路交換中，呼叫的帶寬是固定的，如64 kb/s, 只要

5、從發(fā)端到終端選擇一條通路，該呼叫即允許。但在ATM中，每次呼叫的帶寬不固定，呼叫接納不僅與業(yè)務量參數(shù)有關，而且還決定于服務質(zhì)量?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)CAC控制示意圖提交業(yè)務參數(shù)CAC控制器決策網(wǎng)絡資源信息無法滿足拒絕同意流量協(xié)議ATM網(wǎng)絡接納呼叫申請用戶呼叫現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu) 服務質(zhì)量參數(shù)包括信元丟失率(CLR)、信元傳遞時延(CTD)、信元時延抖動(CDV)、信元錯插率、誤碼率等。信元丟失率信元丟失率為丟失信元與發(fā)送信元的比率。信元傳遞時延信元傳遞時延包括線路傳送時延、編碼和解碼時延、分段和重裝時延、ATM節(jié)點處理時延(包括交換、排隊、路由等時延)。信元

6、時延抖動信元時延抖動指信元聚結(jié)的程度，表示實際信元間隔與標準信元間隔的接近程度。信元錯插率信元錯插率指錯插信元與時間間隔的比率。誤碼率誤碼率表示傳遞比特的出錯概率。1) 服務質(zhì)量參數(shù)服務質(zhì)量參數(shù)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu) ATM網(wǎng)絡中規(guī)定了幾種基本的業(yè)務流量參數(shù)，網(wǎng)絡根據(jù)這些參數(shù)對各種類型的業(yè)務分配帶寬并進行擁塞控制。 包括峰值信元速率(PCR)、信元延時變化容限(CDVT)、可持續(xù)的信元速率(SCR)、突發(fā)容限(BT)等。 峰值信元速率峰值信元速率表示在ATM連接上能夠發(fā)送的信息速率的上限，用發(fā)送相鄰兩個信元的最小時間間隔的倒數(shù)表示。 信元延時變化容限信元延時變化容限是表示終端生

7、成信元后，在UNI上容許該信元傳遞時間間隔變化的范圍參數(shù)。這種時延變化是由物理層的開銷和用戶網(wǎng)絡接口處的復用設備造成的。2) 業(yè)務流量參數(shù)業(yè)務流量參數(shù)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)可持續(xù)的信元速率可持續(xù)的信元速率是可變比特率類業(yè)務應用參數(shù)，它表示在ATM連接上得到保證的平均速率的上限。平均速率平均速率指發(fā)送的信元數(shù)與連接時間的比值。在統(tǒng)計復用時，用大于可持續(xù)的信元速率而小于峰值信元速率的速率傳送信元，可使業(yè)務得到保證。 突發(fā)容限突發(fā)容限也是可變比特率業(yè)務的參數(shù)，對應于最大突發(fā)長度?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)CAC是交換機中的軟件功能，它負責決定是否接受一個呼叫請求。n呼叫請

8、求中定義了業(yè)務源流量參數(shù)和所要求的QoS類別。nCAC在 PVC建立時間或SVC呼叫產(chǎn)生時間決定是否接受呼叫請求。n如果網(wǎng)絡在接受某一請求時能確保所有已存在的連接QoS不受影響，則CAC接受該呼叫請求。nCAC可以逐節(jié)點受理請求，也可以利用集中系統(tǒng)進行。n對于接受的請求，CAC確定UPC/NPC參數(shù)、路由和資源分配。n分配的資源包括中繼線帶寬、緩沖器空間和交換機內(nèi)部資源?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)n使用參數(shù)控制使用參數(shù)控制 使用參數(shù)控制分為兩種: 用戶使用參數(shù)控制(UPC)， 網(wǎng)絡參數(shù)控制(NPC)。用戶使用參數(shù)控制用戶使用參數(shù)控制是指在用戶接入點(UNI)上對來自用戶的信元流進行

9、監(jiān)測和控制；如果網(wǎng)絡對來自另一網(wǎng)絡的信元流在NNI上進行監(jiān)控，則稱之為網(wǎng)絡參數(shù)控制網(wǎng)絡參數(shù)控制?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)UPC/NPC的主要目的在于通過監(jiān)測和控制業(yè)務流量確保帶寬和緩沖器等資源根據(jù)其流量合同(用戶和網(wǎng)絡之間的雙重承諾)在用戶中合理分配。如果沒有UPC/NPC，網(wǎng)絡資源就會被無意地或惡意地過量占用，以至影響到其它已建立的ATM連接的業(yè)務質(zhì)量。UPC要控制ATM連接所遞交的業(yè)務量，以保證商定的流量合同得以遵守，n其目標是由用戶產(chǎn)生的超過流量合同規(guī)定的業(yè)務量永遠不能接入網(wǎng)絡?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)nUPC首先要對用戶遞交的信元流進行認證測試，以確定信元流

10、是否遵守流量合同，n從而激發(fā)信元級別的適當動作：當用戶信元流遵守流量合同時，使信元通過(及允許接入網(wǎng)絡)，當UPC與流量成形(traffic shapping)結(jié)合時還可以進行信元間隔空間重排；n而當用戶信元流違反合同時，可對違約信元進行標記(即對CLP為0的信元進行操作，使其CLP為1)或直接將違約信元丟棄。n當用戶信元流違約時，甚至還會導致連接級別的動作，即將連接釋放。n是否選用這一功能將由網(wǎng)絡運營者決定現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡資源一般是指系統(tǒng)的帶寬、緩存器容量以及CPU的處理能力等。網(wǎng)絡資源管理包括對系統(tǒng)帶寬的分配、緩存器劃分以及CPU的調(diào)度等。在程控電話交換中，每次呼

11、叫帶寬是固定的，64 kb/s。在分組交換中，當會話連接建立后帶寬也是固定的。在ATM中，一次呼叫或某一類業(yè)務所需帶寬的多少與該呼叫或業(yè)務的業(yè)務量參數(shù)和所要求的服務質(zhì)量有關。 網(wǎng)絡資源管理網(wǎng)絡資源管理現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu) 目前有兩種方法可進行動態(tài)帶寬管理和緩存器的快速資源管理，一種是帶寬預留，另外一種是緩沖器預留。 快速帶寬預留就是在突發(fā)業(yè)務信息發(fā)送前，請求端到端路由過程中的每個節(jié)點上預留帶寬?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu) 呼叫處理控制模塊完成VCC、VPC的建立和拆除，并對ATM交換模塊進行控制，處理和發(fā)送OAM信元，發(fā)送信令信元，保證用戶/網(wǎng)絡的操作順利進行。

12、交換單元模塊完成交換動作的控制，將某輸入線上的信元交換到某輸出線上。 擁塞控制和資源管理模塊對網(wǎng)絡資源和網(wǎng)絡擁塞進行控制和管理?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)ATM交換結(jié)構(gòu)時分空分共享存儲器共享媒體單通路多通路總線型環(huán)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(jié)構(gòu)類型 ATM交換結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)ATM交換單元的結(jié)構(gòu)交換單元的結(jié)構(gòu) ATM交換單元能夠?qū)崿F(xiàn)任意出、入線之間的信元交換，也就是任一入線上的任一邏輯信道的信元能夠被交換到任一出線上的任一邏輯信道中去。分為三類：

13、共享存儲器結(jié)構(gòu)共享媒體(總線或者環(huán)形)結(jié)構(gòu)空分交換結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)1.共享存儲器共享存儲器： 存儲器為所有輸入端口和輸出端口共用，從各個輸入到達的信元通過復用器被復用成單一的輸入信元流而寫入共享存儲器，在存儲器內(nèi)部劃分為若干個隊列，每個隊列對應于一個輸出端口，在寫入時，應按照各個信元的目的端口寫入相應的隊列，在寫入的同時，按順序從各個輸出隊列讀出隊首的信元而形成輸出的信元流，經(jīng)分路后傳送到各個輸出端口。存儲器復用分路12N12N共享存儲器結(jié)構(gòu)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)存儲器為所有的輸入端口和輸出端口共用，每一條輸入線配置有一個輸入控制器，每一條輸出線配置

14、有一個輸出控制器。共享存儲器結(jié)構(gòu)共享存儲器結(jié)構(gòu)控制器控制器1N控制器控制器1N存儲器RAM現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu) 存儲器的分配有固定分配和動態(tài)分配兩種方式。固定分配固定分配就是將整個存儲區(qū)劃分為存儲單元數(shù)相等的N個存儲塊，每一個存儲單元存儲一個信元，每一個存儲塊為某一條輸出線服務。這種方式控制管理簡單。動態(tài)分配動態(tài)分配方式就是將整個存儲區(qū)為所有輸出線共用，這樣可以使存儲器得到充分利用，但控制管理復雜。 共享存儲器結(jié)構(gòu)受到處理時間、存儲器讀寫時間和存儲器容量的限制。 共享存儲器結(jié)構(gòu)要有足夠高的處理速度，使得處理時間很短，從而能與信元流的輸入速率相適配。因此，它對存儲器訪問速度的要

15、求比較高。由于受到存儲器訪問速度的限制，交換結(jié)構(gòu)的容量(端口數(shù)及鏈路速率)不可能太大?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)2共享媒體結(jié)構(gòu)共享媒體結(jié)構(gòu) 媒介可以是總線形總線形或者環(huán)形環(huán)形。 每條入線都連接到媒介上，每條出線則通過輸出緩沖器和地址過濾器連接到媒介上。總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。對于總線式結(jié)構(gòu)的總線式結(jié)構(gòu)的ATM交換單元交換單元，由于所有輸入線在某一時刻的信元都必須交換到相應的輸出線上，也就是在同一時間，所有輸入線上的信息都要發(fā)送到總線上，這就要求總線的信息傳輸速率是輸入線信息傳輸速率之和，否則會造成信元的較大延時?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)共享媒體：共享媒體

16、： 與共享存儲器結(jié)構(gòu)相似，共享媒體結(jié)構(gòu)也是將所有輸入線上到達的信元同步地復用到公共的傳送媒體上（總線或環(huán)）。FIFOFIFOFIFOAFAFAF12N12NTD-BUSTD-BUS：時分總線AF：地址過濾器FIFO：先進先出存儲器共享總線結(jié)構(gòu)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)輸入控制器輸入控制器輸入控制器TDM總線輸出控制器輸出控制器輸出控制器1N21N2共享媒介的交換結(jié)構(gòu)現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu) 共享媒介結(jié)構(gòu)的吞吐量受到時分總線速率和隊列緩沖器容量的限制。 共享總線的速率限制成為交換結(jié)構(gòu)的瓶頸，限制了容量的擴大。采用多總線或多環(huán)的并行結(jié)構(gòu)，可以降低速率要求?，F(xiàn)代交換原理AT

17、M交換機的基本組成結(jié)構(gòu)3空分交換結(jié)構(gòu)空分交換結(jié)構(gòu) 空分交換結(jié)構(gòu)是一種矩陣式交換結(jié)構(gòu)。 多條入線和多條出線分別連接到空分交換矩陣。 在空分交換矩陣入線和出線的交叉點處相當于有一個開關，通常這些開關是觸點開關或電子開關。 N路輸入線和N路輸出線之間有N2個開關節(jié)點，只要適當控制這些開關接通或斷開，即可在任一入線和出線之間構(gòu)成通路。 當入線、出線數(shù)目增加時，交換矩陣的節(jié)點數(shù)呈平方級增長，這將使控制結(jié)構(gòu)復雜化。 當交換容量增大時，一般采用多個交換矩陣級連的方式?，F(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)輸入控制器輸入控制器輸入控制器輸出控制器12N1輸出控制器2輸出控制器N空分交換結(jié)構(gòu)現(xiàn)代交換原理ATM交

18、換機的基本組成結(jié)構(gòu)2）ATM交換結(jié)構(gòu)的緩沖策略：交換結(jié)構(gòu)的緩沖策略： 緩沖策略或稱為排隊策略，是ATM交換結(jié)構(gòu)設計中的重要問題，它分為外部緩沖方式和內(nèi)部緩沖方式：外部緩沖外部緩沖： 外部緩沖是指緩沖器不是設置在交換結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，而是設置在交換結(jié)構(gòu)的外部。外部緩沖主要有輸入緩沖、輸出緩沖、輸入與輸出緩沖、環(huán)回緩沖等四種方式。1）輸入緩沖： 輸入緩沖是在交換結(jié)構(gòu)的每條入線上設置緩沖器，通常遵循FIFO排隊規(guī)則。交換結(jié)構(gòu)1N1N輸入緩沖現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)排頭阻塞現(xiàn)象 輸入緩沖方式存在排頭阻塞現(xiàn)象，從而使得吞吐率降低。所謂排頭阻塞現(xiàn)象，是指在發(fā)生出線競爭時，排列在競爭中失敗的信元（處

19、于排頭位置）之后的去向空閑出線的信元也不能傳送的現(xiàn)象。減少FIFO阻塞現(xiàn)象，提高吞吐率的方法輸入緩沖器采用輸入緩沖器采用FIRO規(guī)則規(guī)則： 排頭阻塞現(xiàn)象阻塞是由于FIFO規(guī)則引起，為此可采用按序進入隨機取出（FIRO: First In Random Out）的服務規(guī)則。當某個輸入隊列的排頭信元在出線競爭中失敗，可以依次再取出排列在其后的信元參與對其他輸出端口的競爭。多重輸入緩沖方式：多重輸入緩沖方式： 多重輸入緩沖方式是在每條入線設置多個FIFO隊列，每個隊列對應于1個輸出端口。 現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)1N1N1N多重輸入緩沖方式現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)

20、2）輸出緩沖： 輸出緩沖是在每條出線上設置緩沖器。 為了解決出線競爭，一個理想的采用輸出緩沖的無阻塞交換結(jié)構(gòu)最好使得每個出端能夠同時接收所有入端發(fā)來的信元。這就是說，當入線數(shù)為N，考慮到最不利情況，每個出端在一個時隙中最多應可接收N個信元。要做到這一點，就要提高處理速度和存儲器的訪問速度，于是引入了加速因子的概念。 加速因子等于N時，完全消除了出線競爭，但對速率的要求較高。輸出緩沖方式不存在排頭阻塞現(xiàn)象，在合適的加速因子取值下，可以得到高吞吐率和良好的性能。交換結(jié)構(gòu)1N1N輸出緩沖現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)1N輸入與輸出緩沖1N2）輸入與輸出緩沖： 現(xiàn)代交換原理ATM交換機的基本組成結(jié)構(gòu)4）環(huán)回緩沖： 環(huán)回緩沖是使競爭中失敗的信元能通過環(huán)回緩沖器回送到入端