現(xiàn)代交換網(wǎng)絡 ch07 ATM交換技術(shù)

第七章

ATM交換與B-ISDN網(wǎng)絡1主要內(nèi)容ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展ATM基本原理ATM交換技術(shù)2學習要點：

1、掌握ATM的信元結(jié)構(gòu)、信元傳輸（異步傳送模式）的特點。

2、掌握在ATM中為何要采用固定長度的信元結(jié)構(gòu)。

3、了解ATM所支持的業(yè)務類型。

4、了解ATM協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)、協(xié)議構(gòu)成及其功能。

5、掌握ATM交換系統(tǒng)的基本交換原理。

6、掌握ATM交換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其特點。

7、了解ATM交換網(wǎng)絡的構(gòu)成方式、結(jié)構(gòu)特點以及常用類型。

8、了解ATM交換網(wǎng)絡的控制策略。31）B-ISDN的提出——通信網(wǎng)的發(fā)展N-ISDN的局限性：

傳輸速率和交換模式限制了具有更高速率和可變速率業(yè)務的提供，已不能適應未來通信網(wǎng)發(fā)展的需要。

B-ISDN的提出：

能夠提供具有更高傳輸速率的傳輸信道；更先進的傳送模式。

1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展42）B-ISDN網(wǎng)對傳送模式的要求

對信息的損傷要小具有時間透明性(信息傳送的時延和時延抖動要小)具有語義透明性(由傳送引起的信息丟失和差錯要小)能靈活地支持各種業(yè)務具有高速傳送信息的能力1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展53）ATM與B-ISDN的產(chǎn)生和發(fā)展1983年，美國貝爾實驗室的TurnerJ.等人提出了快速分組交換（FPS－FastPacketSwitching）原理，研制了原型機。同年，法國CoudreuseJ.P.提出了ATD交換概念，并在法國電信研究中心（CNET）研制了演示模型。80年代中期，ITU也開始了這種新的傳送模式的研究。1988年，ITU18研究組決定采用固定長度的信元，定名為ATM，并認定B-ISDN將基于ATM技術(shù)。1990年，ITU18研究組制定了關(guān)于ATM的一系列建議，并在以后的研究中不斷地深入和完善。1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展61994年投入運營的美國北卡羅來納信息高速公路，是美國第一個在州的范圍內(nèi)的公用ATM寬帶網(wǎng)。在歐洲由法國、德國、英國、意大利和西班牙等國發(fā)起的泛歐ATM寬帶試驗網(wǎng)，于1994年11月開始運行，后來擴大到歐洲的十多個國家，是覆蓋面較廣的ATM試驗網(wǎng)在亞洲的日本、香港電訊、新加坡電信、韓國電信、泰國的亞洲電信以及中國的廣東、北京和上海電信管理局也進行過以ATM為基礎的寬帶網(wǎng)試驗。試驗的業(yè)務平臺有基于TCP／IP的寬帶數(shù)據(jù)、VOD、會議電視。試驗的應用系統(tǒng)大致有家庭購物、遠程醫(yī)療、遠程教學等。

1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展7

4）公用網(wǎng)的ATM交換系統(tǒng)公用網(wǎng)ATM骨干交換系統(tǒng)必須具有高吞吐量和可擴展性，吞吐量通常為40~160G。應能支持各種接口、業(yè)務和連接類型，并具有保證服務質(zhì)量（Qos）的業(yè)務流控制功能。

富士通FETEX-150、愛立信的AXD301、西門子的MainStreetXpress、阿爾卡特的1000AX等。1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展8

5）研究熱點

ATM交換結(jié)構(gòu)ATM網(wǎng)的業(yè)務流控制話音通過ATM（VOA）IP與ATM的融合ATM與智能網(wǎng)（IN）的結(jié)合光ATM交換

1、ATM與B-ISDN的產(chǎn)生與發(fā)展92、ATM基本原理ATM信元及其結(jié)構(gòu)異步時分復用技術(shù)面向連接的工作方式ATM標準化協(xié)議102.1ATM信元及其結(jié)構(gòu)1）信元結(jié)構(gòu)：信元由5字節(jié)信頭和48字節(jié)信息段（凈荷）組成。發(fā)送次序87654321比特

1…56……………….53發(fā)送次序信頭（5字節(jié)）信息段（48字節(jié)）112）UNI的信頭結(jié)構(gòu)：GFC（GenericFlowControl）：

一般流量控制字段（4個比特）及相應的GFC功能用于接入的流量控制。由于B-ISDN的UNI接入的終端數(shù)量可以很多，需要控制流向網(wǎng)絡的流量，以避免網(wǎng)絡的短期過載。GFC比特87654321VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP123452.1ATM信元及其結(jié)構(gòu)12VPI/VCI（VirtualPathIdentifier/VirtualChannelIdentifier）：

選路信息。PT（PayloadType）：

有3個比特，表示凈荷類型。CLP（CellLossPriority）：

表示信元丟失優(yōu)先級，只有一個比特，CLP=0，表示高優(yōu)先級；CLP=1,表示低優(yōu)先級，若遇到擁塞要丟棄信元時，CLP=1的信元將首先丟棄。HEC（HeadErrorControl）：

為1個字節(jié)，用于信頭差錯控制。2.1ATM信元及其結(jié)構(gòu)133）NNI的信頭結(jié)構(gòu)：

NNI信頭不需要GFC字段，從而使VPI擴展為12比特。比特87654321VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP123452.1ATM信元及其結(jié)構(gòu)142.2異步時分復用技術(shù)STD（SynchronousTimeDivision）：

通過時間位置來區(qū)別每一個邏輯信道ATD（AsynchronousTimeDivision）：通過標記來區(qū)別每一個邏輯信道151）虛通道與虛信道：

ATM傳輸通道可分割成若干個邏輯子信道，為便于應用和管理，邏輯子信道可按兩個等級來劃分：虛通道（VP--VirtualPath）虛信道（VC--VirtualChannel）2.3面向連接的工作方式

162.3面向連接的工作方式

向北京方向（用VPI=1標識）的3個通信，兩個是數(shù)據(jù)通信，一個是電話通信（分別用VCI=4、5、6標識）向廣州方向（用VPI=2標識）的2個通信，一個是視頻通信，一個是電話通信（分別用VCI=5、6標識）

172）VPC（虛通道連接）和VCC（虛信道連接）

VCC（VirtualChannelConnection）是VCC端點之間的VC級端到端的連接，由多條VC鏈路串接而成，VCI（虛信道標識）用來識別一條VC。

VPC（VirtualPathConnection）是VPC端點之間的VP級端到端的連接，由多條VP鏈路串接而成，VPI（虛通道標識）用來識別一條VP。

VCC端點（VCCEndpoint）是VCC的起點和終點，是ATM層及其上層交換信元凈荷的地方，也就是信息產(chǎn)生的源點和被傳送的目的點。

VPC端點（VPCendpoint）是VPC的起點和終點，是VCI產(chǎn)生，變換或終止的地方。2.3面向連接的工作方式

18虛信道連接（VCC）虛通道連接（VPC）VC鏈路VC鏈路VC鏈路VCIXVCIyVCIZVP鏈路VP鏈路VP鏈路VPIXVPIyVPIZ2.3面向連接的工作方式

193）VP交換和VC交換

VP交換是指僅變換VPI值而不改變VCI值的交換，即只進行虛通道的交換，虛通道里面的虛信道并不進行交換。

2.3面向連接的工作方式

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VC交換是指VPI值與VCI值都要進行改變的交換。因為虛信道是按照虛通道來劃分的，當虛信道交換時，其所屬的虛通道也要進行交換，即虛通道和虛信道都要進行交換。

2.3面向連接的工作方式

212.3面向連接的工作方式VP交換和VC交換：VP交換時，VPI的值要改變，而其中所包含的VCI值不變。VC交換時，VPI和VCI的值都要改變。完成VP交換的ATM節(jié)點設備就是ATM交叉連接設備。完成VC交換的ATM節(jié)點設備就是ATM交換機。222.3面向連接的工作方式

ATM連接的建立過程。在源ATM端點與目的ATM端點進行通信前的連接建立過程，實際上就是在這兩個端點間的各段傳輸通道上，找尋空閑VC鏈路和VP鏈路，分配VCI與VPI，建立相應VCC與VPC的過程23ATM虛連接建立的方式有兩種方式：永久虛連接（PVC：PermanentVirtualConnection）

交換虛連接（SVC：SwitchingVirtualConnection）PVC是由管理面控制建立的永久和半永久連接，用戶在傳送信息前不需要建立過程。SVC是由信令控制建立的連接，用戶在傳送信息前要建立連接，信息傳送完畢則拆除虛連接。VPC和VCC都可有PVC和SVC的虛連接。2.3面向連接的工作方式

242.4ATM協(xié)議參考模型物理層ATM層ATM適配層高層高層控制面用戶面管理面面管理層管理25B-ISDN協(xié)議參考模型由3個平面組成：用戶面、控制面、管理面用戶面（UserPlane）：

負責用戶信息的傳送，采用分層結(jié)構(gòu)?？刂泼妫–ontrolPlane）：

提供呼叫和連接的控制功能，主要涉及信令功能，也采用分層結(jié)構(gòu)。管理面（ManagementPlane）：

提供面管理與層管理兩種管理功能。面管理實現(xiàn)與整個系統(tǒng)有關(guān)的管理功能，并完成各個面之間的協(xié)調(diào)功能；層管理實現(xiàn)網(wǎng)絡資源與協(xié)議參數(shù)的管理，并處理各層中的操作與維護（OAM）信息流，面管理不分層，層管理是分層的。B-ISDN協(xié)議參考模型的分層結(jié)構(gòu)含有4層，從下到上為：物理層、ATM層、ATM適配層（AAL：ATMAdaptationLayer）和高層。2.4ATM協(xié)議參考模型26一般流量控制、信頭產(chǎn)生/提取信元VPI/VCI翻譯、信元復用和分路信元速率解耦、HEC產(chǎn)生/驗證信元定界、傳輸幀適配傳輸幀產(chǎn)生/恢復AALCSSARATM層TCPMD比特定時、物理媒體匯聚分段與重組物理層2.4ATM協(xié)議參考模型27物理層：負責通過物理媒體正確、有效地傳送信元。它可劃分為２個子層：物理媒體相關(guān)子層（PMD：PhysicalMediumDependentSublayer）傳輸匯聚子層（TC：TransmissionConvergenceSublayer）物理媒體相關(guān)子層（PMD）的功能：提供與傳輸媒體有關(guān)的機械和電氣接口，正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)比特，負責線路編碼、比特定時等功能。傳輸匯聚子層（TC）的功能：①傳輸幀的產(chǎn)生/恢復與適配

在發(fā)送端要將信元流封裝成適合傳輸系統(tǒng)要求的幀結(jié)構(gòu)送到PMD子層，在接收端則將PMD子層送來的比特流（傳輸幀）恢復成信元流；并在信元流與傳輸幀轉(zhuǎn)換時完成格式的適配。2.4ATM協(xié)議參考模型28②信頭差錯控制（HEC:HeaderErrorControl）

信元的信頭中含有控制選路及其他的重要信息，必須對信頭信息進行差錯控制。為此，對信頭前４個字節(jié)作循環(huán)冗余校驗（CRC）。在發(fā)送端是按CRC算法生成１字節(jié)的HEC碼，在接收端按同樣算法進行檢驗。③信元定界和擾碼

信元定界（Celldelineation）是用一定的方法來識別信元的邊界。為防止信元的信息段出現(xiàn)偽HEC碼而影響正確的定界，可對信息段進行擾碼(scrambling)操作，在接收端再以相反的操作進行解擾（descrambling）。④信元速率去耦

為了使ATM層傳送信元的速率不受傳輸媒體速率的影響，可以在發(fā)送端物理層插入空閑信元（idlecell），以將ATM層信元流的速率適配成傳輸媒體的速率。在接收端，通過特定的預分配信頭值，可以識別出空閑信元予以丟棄，并不送往ATM層。2.4ATM協(xié)議參考模型29ATM層：

ATM層的主要功能是負責信元的交換、選路和復用。具體為：信元的復用與交換服務質(zhì)量保證實現(xiàn)凈荷類型有關(guān)的功能一般流量控制2.4ATM協(xié)議參考模型303、ATM交換技術(shù)ATM交換的基本原理ATM交換系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)ATM交換結(jié)構(gòu)313.1ATM交換的基本原理

ATM交換是指ATM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。輸出信道的確定是根據(jù)連接建立信令的要求在眾多的輸出信道中進行選擇來完成的。ATM邏輯信道具有兩個特征：物理端口（線路）編號VP與VC標識符為了提供交換功能，輸入物理端口必須與輸出物理端口相關(guān)聯(lián)；輸入VPI/VCI與輸出的VPI/VCI相關(guān)。ATM交換系統(tǒng)執(zhí)行三種基本功能：信頭翻譯、路由選擇和排隊32信頭變換：

信頭變換主要是指VPI/VCI值的變換，即入VPI/VCI變換為出VPI/VCI。VPI/VCI的變換體現(xiàn)了信元交換的重要概念，意味著入線上某邏輯信道中的信息被傳送到出線上的另一邏輯信道中去。為了實現(xiàn)信頭變換，應建立翻譯表。選路：

選路表示任一入線的信息可被交換到任一出線，具有空間交換的特征。信頭變換加上選路功能，才能實現(xiàn)ATM交換結(jié)構(gòu)的交換功能。這也就是說，在翻譯表中從入線的VPI/VCI應能查到出線號碼以及新的VPI/VCI值。這些是在連接建立階段寫入的。排隊：

由于是異步時分交換，在連接建立后的傳送信息階段，經(jīng)常會發(fā)生在同一時刻有多個信元爭搶公用資源的情況，例如爭搶出線或交換結(jié)構(gòu)中的內(nèi)部鏈路。因此，ATM交換系統(tǒng)需要有排隊功能，以免在發(fā)生資源爭搶時丟失信元。3.1ATM交換的基本原理33XYZSXXYSKKNGMGILI1I2INO1O2Oq信頭/鏈路翻譯表…..輸出信頭…..…..ATM交換的基本原理輸入鏈路輸入鏈路時隙時隙XYZO1OqO2I1KMLNIGXYSO1O2OqIn…..輸入信頭3.1ATM交換的基本原理34ATM交換網(wǎng)絡接口單元接口單元接口單元接口單元………………處理機控制部分ATM交換系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)控制子系統(tǒng)信元傳送子系統(tǒng)3.2ATM交換系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)輸入端口輸出端口35信元傳送子系統(tǒng)——接口設備：一般由接口電路和信元集中級或信元復用器組成。1）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：光電信號的轉(zhuǎn)換與同步（若采用SDH/SONET物理接口）

數(shù)字比特流的恢復信元定界和差錯控制信元速率解耦（丟棄空閑信元）凈荷的解擾3.2ATM交換系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)36ATM層主要功能：

VPI/VCI值的有效性檢查及翻譯信頭差錯檢查

輸出端口的確定區(qū)分信令信元、用戶信元和OAM信元并作相應的處理3.2ATM交換系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)372）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：

HEC域的產(chǎn)生并裝入信頭信令信元、OAM信元和用戶信元流的混和輸出信元速率匹配（加入空閑信元）傳輸幀的形成光電信號轉(zhuǎn)換3.2ATM交換系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)383.2ATM交換系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)信元傳送子系統(tǒng)——ATM交換結(jié)構(gòu)：

交換結(jié)構(gòu)實現(xiàn)交換連接功能，具體說來就是信頭變換、選路和排隊的功能，用戶信息、信令消息和處理機之間的的控制信息都可通過交換結(jié)構(gòu)來交換?？刂谱酉到y(tǒng)：

主要是由處理機系統(tǒng)及各種控制軟件組成，其中主要包括呼叫控制軟件與操作管理維護（OAM）軟件。呼叫控制軟件主要完成呼叫連接的建立和拆除，包括尋址、選路、交換網(wǎng)絡的控制等功能，含UNI和NNI接口的信令處理。OAM軟件主要完成對交換系統(tǒng)的操作維護，具體包括配置管理、計費管理、性能統(tǒng)計、故障處理等功能。393.3ATM交換結(jié)構(gòu)（交換網(wǎng)絡）ATM網(wǎng)絡的基本結(jié)構(gòu)

ATM網(wǎng)絡是由ATM鏈路連接的ATM節(jié)點和ATM終端組成。這里所說的ATM終端還包括了ATM終端系統(tǒng)、ATM用戶設備和ATM用戶接入網(wǎng)等系統(tǒng)。

40ATM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3.3ATM交換結(jié)構(gòu)（交換網(wǎng)絡）41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12…N12…N共享存儲器結(jié)構(gòu)3.3ATM交換結(jié)構(gòu)42共享媒體：

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)）。FIFOFIFOFIFOAFAFAF12N12N……TD-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)3.3ATM交換結(jié)構(gòu)43基于crossbar的交換結(jié)構(gòu)（見第二章交換網(wǎng)絡相關(guān)內(nèi)容）基于banyan的交換結(jié)構(gòu)（見第二章交換網(wǎng)絡相關(guān)內(nèi)容）

多通路交換結(jié)構(gòu)（見第二章交換網(wǎng)絡相關(guān)內(nèi)容）3.3ATM交換結(jié)構(gòu)442）ATM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。3.3ATM交換結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)……1N1N輸入緩沖45①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。②減少FIFO阻塞現(xiàn)象，提高吞吐率的方法輸入緩沖器采用FIRO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:FirstInRandomOut）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。

3.3ATM交換結(jié)構(gòu)462）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。3.3ATM交換結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)……1N1N輸出緩沖47交換結(jié)構(gòu)…1N輸入與輸出緩沖…1N3.3ATM交換結(jié)構(gòu)2）輸入與輸出緩沖：

484）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，再與新到來的信元一起進行下一輪的競爭。環(huán)回緩沖的交換結(jié)構(gòu)可以具有較高的吞吐率和較低的信元丟失率，但交換結(jié)構(gòu)要增加用于環(huán)回的端口，環(huán)回還會使得屬于同一虛連接的信元失序，時延也較大。3.3ATM交換結(jié)構(gòu)交換結(jié)構(gòu)……1N環(huán)回緩沖…1N49內(nèi)部緩沖：內(nèi)部緩沖是將緩沖器設置在交換結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。采用內(nèi)部緩沖的多級有阻塞網(wǎng)絡可以減少信元丟失，但是也有兩個主要缺點：一個是增加了信元的時延和時延抖動；另一個是對于多通路網(wǎng)絡，如果屬于同一虛連接的信元在交換結(jié)構(gòu)選用不同的通路（內(nèi)部無連接選路），則會發(fā)生信元失序現(xiàn)象。

多級有阻塞結(jié)構(gòu)中交換單元的緩沖方式有：輸入緩沖、輸出緩沖、交叉點緩沖和共享緩沖等方式。輸入緩沖輸出緩沖3.3ATM交換結(jié)構(gòu)50交叉點緩沖共享緩沖3）ATM交換結(jié)構(gòu)的選路方法在每個