第九章 宽带交换技术

1、第第9 9章章 宽带交换技术宽带交换技术9.1 9.1 交换方式的技术特征交换方式的技术特征9.2 9.2 交换技术的演变交换技术的演变9.3 ATM9.3 ATM交换技术交换技术9.4 9.4 基于基于ATMATM的的B-ISDNB-ISDN协议模型协议模型9.5 ATM9.5 ATM交换机交换机 9.6 ATM9.6 ATM通信网接口通信网接口9.7 ATM9.7 ATM通信网信令通信网信令9.1 9.1 交换方式的技术特征交换方式的技术特征l 1. 1. 面向连接和无连接面向连接和无连接 面向连接是指两个用户之间的通信信息沿着预先建立的通路传输；面向无连接是指依靠路由来完成选路工作。l2

2、. 2. 物理连接和逻辑连物理连接和逻辑连 物理连接是建立专用的物理链路；逻辑连接不独占线路，是在一条物理链路上建立多条虚链路。l3. 3. 同步时分交换和异步时分交换同步时分交换和异步时分交换l 同步时分是指每个连接属于不同的呼叫，它们在信道中各自占用不同的时间，但属于同一呼叫的连接位置是固定的，交换时按照时间位置来区分每个连接；异步时分是指每个连接所占用的时间、位置都不固定，属于某个呼叫的连接是根据该连接所需的带宽大小来灵活分配的。9.2 9.2 交换技术的演变交换技术的演变l1. 1. 电路交换电路交换l1) 电路交换的定义l电路交换是以电路连接为目的的交换方式。l2) 电路交换的通信过

3、程l电路交换的通信过程分为三个阶段：电路建立消息传输电路拆除。l3) 电路交换的特点l(1) 电路交换是面向物理连接的交换。在发送消息前，必须建立起点到点的物理通路。l(2)业务以3003400Hz语音为主，数字化后为64kb/s，采用PCM同步时分复用，以时隙为基础实现电路交换连接。l (3) 电路交换采用静态复用、预分配带宽并独享通信资源的方式，实时响应好，能保证传送时延要求，但不适应变比特业务应用，慢速业务浪费资源，快速业务难以实现。l4) 电路交换的优点和缺点l(1) 消息传送延迟较短。对于每个用户来说，其信道是按时隙周期性分配的，故消息的传输时延小(最大时延为125 ms)，对一次接

4、续而言，消息的传输时延固定不变。l(2) 控制简单。在用户消息传送期间，交换节点对消息不存储、不分析、不处理，不进行任何干预，也没有差错控制措施，即所谓的“透明”传输。l(3) 建立物理通路的时间较长(以秒为单位)。 l (4) 电路资源被通信双方独占，话路接通后，即使无消息传送，也需要占用电路，因此电路利用率低。l(5) 不同类型和特性的用户终端之间不能互通，这是因为电路交换要求通信双方在消息传输、编码格式、同步方式、通信协议等方面完全兼容。l(6) 呼损严重，即由于对方终端忙或交换网络负载过重而接续失败。l综上所述，电路交换适用于话音等实时性业务。 l2. 2. 报文交换报文交换l1) 报

5、文交换的定义l信息以报文(逻辑上完整的信息段)为单位进行存储转发的方式叫报文交换。l2) 报文交换的通信过程l报文交换的通信过程分为四个阶段：接收和存储报文处理机加工处理(给报文加上报头符号和报尾符号)将报文送到输出队列上排队输出线空闲时发送报文。例如，A用户向B用户发送信息，A用户不需要叫通与B用户之间的电路，而只需要与交换机接通，由交换机暂时把A用户要发送的报文接收并存储起来，交换机根据报文中提供的B用户的地址在交换网中确定路由，并将报文送到下一个交换机，最后送到终端用户B。 l3) 报文交换的特点l在报文交换中，通信的信息以“报文”为基本单位在电路中传输。一份报文包括三部分。l报头：包含

6、发信站地址、终点收信站地址等。l正文：用户所发出的信息(报文内容)。l报尾：报文的结束标志。 l4) 报文交换的优点和缺点l(1) 在报文交换方式中，两个终端间的线路和交换机不必同时空闲。l(2) 允许各种不同类型的终端相互通信。因为报文交换机有对信息进行存储、处理的功能，所以交换机可以对各种不同速率、不同代码、不同通信协议的终端进行转换。l(3) 信息传输的时延长(特别是当报文很长时)，不利于交互式的业务通信。l(4) 对处理机要求高。要求处理机具有较大的存储容量和高速的处理能力。l因此，报文交换技术主要用于非交互式通信中，如电报业务和数据通信中的信箱通信业务等。 l 3. 3. 分组交换分

7、组交换l1) 分组交换的定义l信息以分组为单位进行存储转发的方式叫分组交换。 l2) 分组交换的通信过程l分组交换的通信过程分为四个阶段：信息打包数据分组排队处理信息转发。l分组交换机也叫数据包交换，处理机将要传送的数据裁剪并封装成若干较短的、长度不等的数据块，并在每个数据块中加上必需的控制信息(如初始分组标志、源地址、目的地址、控制信息、逻辑信道编号、分组编号、最末分组标志等)，然后按规定的格式进行排列组成一个个数据分组。交换机根据每个分组的地址信息，为分组寻找输出的通路并将它们发送(或转发)至目的地。到达目的地后由分组交换机拆包，然后根据分组头的附加控制信息重新按顺序装配成一个个完整的信息

8、。l 3) 分组交换的优点l分组交换技术较好地解决了电路交换和报文交换技术存在的问题。其优点可归纳为以下几个方面：l(1) 不预先分配资源，带宽可变，可向不同速率的数据终端提供相互通信的通信环境。l(2) 电路资源被多个用户所共享，电路利用率高。l(3) 与报文交换相比，信息被裁剪成较短的分组，信息的传输时延较小。l(4)“分组”格式统一，便于交换机处理。l电路交换、报文交换和分组交换的区别如图9-1所示。 图9-1 电路交换、报文交换和分组交换的区别l4. ATM4. ATM交换交换l在B-ISDN(Broadband Integrated Services Digital Network)

9、环境下的交换采用异步传送模式(ATM，Asynchronous Transfer Mode)，这是一种新型的交换方式，这种方式具有以下优点：l(1) 可以把不同种类(如话音、数据、图像)、不同速率(固定、可变)、不同性质(突发性、连续性)以及不同性能要求(时延要求、误码率要求)的信息在网内实现透明传输；l(2) 能对通信网中各种各样的信息(包括话音、数据、图像)进行综合交换和传输；l(3) 能按需要提供不同的带宽和不同的业务等级，使网络的资源得到充分利用；l(4) 能够比较容易地增加新业务。 lATM采用的是一种统计时分复用技术，在这种模式中，虽然保持了时隙的概念，但取消了同步传输模式(STM

10、，Synchronous Transfer Mode)中帧的概念，在ATM时隙中实际存放的是信元(Cell)。用户的信息被裁剪组织成53字节固定长度的短信元格式，且来自同一用户的信息(信元)并不需要周期性，在一帧中占用的时隙数也不固定，可以有1至多个时隙，从这个意义上说，这种转移模式是异步的。各时隙之间也不要求连续，纯粹是“见缝插针”，因此信号传输速度快，电路利用率高。l表9.1归纳了电路交换、分组交换和ATM交换的特点、优点及缺点。交 换 技 术 特 点 优 点 缺 点 电 路 交 换 (1) 呼 叫 建 立 时 刻 进 行 网络 资 源 分 配 ； (2) 通 信 过 程 中 执 行 端

11、到端 协 议 ， 数 据 透 明 传 输 ； (3) 采 用 同 步 时 分 复 用 技术 ， 带 宽 固 定 分 配 (1) 信 息 交 换 的 时 延 小 ； (2) 对 话 音 信 息 控 制 简 单 ，当 电 路 接 通 之 后 ，交 换 机 的 控制 电 路 不 再 干 预 消 息 的 传 输 (1) 通 路 的 建 立 时 间 长 ； (2) 带 宽 利 用 率 低 ； (3) 不 同 类 型 和 特 性 的用 户 终 端 不 能 互 通 分 组 交 换 (1) 呼 叫 建 立 时 刻 不 进 行网 络 资 源 分 配 ，电 路 资 源 被多 个 用 户 所 共 享 ； (2) 带

12、 宽 可 变 ， 用 可 变 比特 率 传 送 信 息 ； (3) 采 用 面 向 无 连 接 的 传输 方 式 ； (4) 网 络 交 换 节 点 之 间 需进 行 流 量 、 差 错 控 制 (1) 可 向 不 同 速 率 的 数 据 终端 提 供 通 信 环 境 ； (2) 带 宽 统 计 复 用 ， 信 道 利用 率 高 ； (3) 采 用 逐 段 链 路 的 差 错 控制 和 流 量 控 制 ，出 现 差 错 可 以重 发 ， 可 靠 性 高 ； (4) 线 路 动 态 分 配 ， 当 网 中线 路 或 设 备 发 生 故 障 时 ， “ 分组 ” 可 以 自 动 地 避 开 故 障

13、 点 (1) 对 实 时 性 业 务 支 持不 好 ； (2) 附 加 的 控 制 信 息 较多 ， 传 输 效 率 较 低 ； (3) 协 议 和 控 制 复 杂 ATM 交 换 (1) 采 用 时 隙 划 分 的 方 法进 行 统 计 时 分 复 用 ； (2) 采 用 面 向 连 接 并 预 约传 输 资 源 的 工 作 方 式 ，在 传输 用 户 数 据 之 前 先 建 立 端到 端 的 虚 连 接 (1) 带 宽 可 变 ， 支 持 综 合 业务 的 接 入 ； (2) 以 固 定 长 度 的 短 信 元 为传 输 单 位 ，响 应 时 间 短 ，网 速快 ； (3) 信 元 中 不

14、 含 数 据 校 验 ，简 化 了 交 换 机 的 功 能 表表9.1 9.1 电路交换、分组交换和电路交换、分组交换和ATMATM交换比较交换比较9.3 ATM9.3 ATM交换技术交换技术l9.3.1 ATM9.3.1 ATM信元与复用信元与复用l ATM本质上是一种寻址型特殊分组转移模式，它使用异步时分复用技术将不同速率的数字业务(如话音、数据、视频)的混合信息流分割成固定字节长度的信元，在B-ISDN中进行快速分组传输和交换，也就是说，进入B-ISDN的信息流是一串串的信元流。l B-ISDN与用户间的接口也规定为以信元为基础单位。B-ISDN用的ATM终端其自身具有信元接口。不具有信

15、元接口功能的终端，如目前电信网中所用的各种终端，则在入网前必须经信元装拆设备进行信元化，即规格化后才能进入网中。 l1. ATM1. ATM信元结构信元结构lATM的基本单位是信元，每个信元长度固定为53个字节，前5个字节为信头(Header)，后48个字节为信息域(数据块)。信元的大小与业务类型无关，任何业务的信息都经过切割封装成相同长度、统一格式的信息分组。ATM信元结构如图9-2所示。图9-2 ATM信元结构l 2 2 ATM ATM信头的功能信头的功能lATM信头用来标志异步时分复用信道上属于同一虚通路的信元，并完成适当的路由选择。ATM层的全部功能均由信头来实现。在传送信息时，网络只

16、对信头进行操作而不处理信息域的内容。接收端对信元的识别不再靠严格的参考定时，而是靠信元中的信头标记信息来识别该信元究竟属于哪一个连接。下图中(a)、(b)分别是用户-网络接口(UNI)的信头结构和网络节点接口(NNI)的信头结构。 ATM信元由信头和信息段两部分构成。信元由信头和信息段两部分构成。信头信头(5B)信息段信息段 (48B)GFCVPIVCIPTI CLPVCIVPIVCIHECVPIVCIPTI CLPVCIVPIVCIHEC182345671823456718234567信元信元UNI信头信头NNI信头信头ATMATM信头各部分的功能解释如下所述信头各部分的功能解释如下所述：

17、lGFCGFC(General Flow Control)：一般流量控制，占4bit，只用 于UNI接口。在B-ISDN中，为了控制共享传输媒体的多个终端的接入而定义了GFC。由GFC控制可产生用户终端方向的信息流量，从而减小用户侧出现的短期过载。lVPI VPI (Virtual Path Identifier)：虚通路标识符，对VP进行识别。在UNI信元中，VPI为8bit，表示一条ATM链路最多可以包括28=256条虚通路。在NNI信元中，VPI为12bit，表示一条ATM链路最多可以包括212=4096条虚通路。lVCIVCI(Virtual Channel Identifier)：虚

18、信道标识符，用于虚信道路由选择。在UNI和NNI信元中，VCI字段都为16bit，故对每个VP定义了216=65536条虚信道。VCI和VPI结合，可在UNI信元中标识16777216(25665536)条连接，在NNI信元中标识268435456(409665536)条连接。lPTIPTI(Payload Type Identifier)：信息类型指示段，也叫净荷类型指示段，占3bit，用来标识信息字段中的内容是用户信息还是控制信息。lCLPCLP(Cell Loss Priority)：信元丢失优先级，占1bit，用于表示信元的相对优先等级。在ATM网中，接续采用统计多路复用方式，所以当发

19、生超限过载和拥塞而必须扔掉某些信元时，首先丢弃的是低优先级信元。CLP的意义就是确保重要的信元不丢失。当CLP=0时，信元具有高优先级，应保留；当CLP=1时，信元为低优先级，应丢弃。lHECHEC(Header Error Control)：信元头差错控制，占8bit，用于错误信头的监测、纠正。HEC还被用于信元定界，这种无需任何帧结构就能对信元进行定界的能力是ATM特有的。 l3. ATM3. ATM信元复用信元复用l目前，电话网中的数字信号复用基本属于同步传递方式(STM)，其特点是在由N路原始信号复合成的时分复用信号中，各路原始信号的出现呈周期性。所以只要根据时间就可以确定现在传输的是

20、哪一路原始信号。l异步传递方式(ATM)的各路原始信号不一定按照一定的时间间隔周期性地出现，每个数据单元可以处在任何传输帧的任何位置，来自不同信息源(不同业务和不同发源地)的信元汇集到一起，在一个缓冲器内排队，队列中的信元逐个输出到传输线路，在传输线路上形成首尾相接的信元流。信元的信头中写有信息的标志，说明该信元去往的地址，网络根据信头中的标志来转移信元。 由于信息源产生信息是随机的，信元到达队列也是随机的，因此速率高的业务信元来得十分频繁，十分集中；速率低的业务信元则来得很稀疏。具有同样标志的信元在传输线路上并不对应着某个固定的时间(时隙)，也不是按周期出现的。也就是说，信息和它在时域中的位

21、置之间没有任何关系，这种复用方式叫做统计复用(Statistic Multiplex)。可见，统计复用是按需分配带宽的，可以满足不同用户传递不同业务的带宽需要。图9-3所示为待发送的用户信息分解成信元并进行多路复用的示意图。 图9-3 用户信息被分解成ATM信元 l 9.3.2 9.3.2 ATM ATM网络连接网络连接l1. VCI/VPI1. VCI/VPI虚信道标识符虚信道标识符/ /虚通路标识符虚通路标识符lVPI(VP Identifier)、VCI(VC Identifier)是ATM技术中两个最重要的概念，VCI/VPI用于表示信元的逻辑路由地址。对于一个给定的接口，在两个方向上

22、都将可能存在不同的虚通路(VP，Virtual Path)，若干虚通路被复用在一条物理层连接上，而在每条虚通路内部又可能含有许多条虚信道(VC，Virtual Channel)。属于同一VC的信元群拥有相同的虚信道识别符VCI，属于同一VP的不同VC拥有相同的虚通路识别符VPI。VCI和VPI都作为信头的一部分与信元同时传输。lVPI、VCI的取值规则：在组成一个连接的各个链路上，VPI/VCI的取值是相互独立的，从而可达到充分利用VPI/VCI资源的目的。 2. VC/VP2. VC/VP虚信道虚信道/ /虚通路虚通路1) 虚信道(VC)在一个虚通路连接(VPC)中，传送具有相同VCI的信元

23、所占有的子信道叫做虚信道(VC)。在ATM中，因为每条链路容易被该链路上的各种接续共享，而不是固定分配，所以每个接续被称为虚信道，信元流通过一条虚信道进行传输。虚信道是ATM网络链路端点之间的一种逻辑联系，是在两个或多个端点之间传送ATM信元的通信通路，可用于用户到用户、用户到网络、网络到网络的信息转移。 2) 虚通路(VP)在一条通信线路上具有相同VPI的信元所占有的子信道叫做虚通路(VP)。传输通道、虚通路(VP)和虚信道(VC)的关系如图9-4所示。 图9-4 ATM中传输通道、虚通路(VP)和虚信道(VC)的关系 3. VPC/VCC虚通路连接/虚信道连接ATM中的虚通路连接和虚信道连

24、接如图9-5所示。 图9-5 ATM中的虚通路连接和虚信道连接 1) 虚信道连接(VCC)一个或多个级联的VC链路构成一个VCC。VCC的作用是为ATM虚信道(VC)建立一条虚电路。该虚电路连接可用在以下三个方面：(1) 用户到用户应用：VCC跨越连接两个端点上的用户设备，信息将以ATM信元的形式直接从一个用户设备传到另一个用户设备。(2) 用户到网络应用：VCC处在用户设备和一个网络节点之间，实现用户到某一网络单元的接入。(3) 网络到网络应用：VCC位于两个网络节点之间。 2) 虚通路连接(VPC)一个或多个级联的VP链路构成一个VPC。VPC的作用是为ATM虚通路(VP)建立一条虚电路。

25、该虚电路连接同样可以应用于用户到用户、用户到网络和网络到网络的信息传递。当对信元进行交换或复用时，首先必须在虚通路连接(VPC)基础上进行，然后才是虚信道连接(VCC)。一个端到端的连接由源和目的地之间的一系列串联链路(Link)组成。这就是说，虚信道连接(VCC)将划分成若干不同段的虚信道链路(Virtual Circuit Links)，每一段虚信道上都标识以惟一的VCI值，从一段虚信道链路到另一段虚信道链路VCI的值将被翻译改变。同样的道理也适合于虚通路连接(VPC)和虚通路链路(Virtual Path Links)。1. VP1. VP交换交换VCI/VPI值在经过ATM交换节点时，

26、该VP交换点根据VP连接的目的地，将输入信元的VPI值改为新的VPI值赋予信元并输出，该过程称为VP交换。VP交换的实现比较简单，往往只是传输通道的某个等级数字复用线的交叉连接，如图9-6所示。 9.3.3 9.3.3 虚通路交换与虚信道交换虚通路交换与虚信道交换 图9-6 VP交换过程(a) VP交换；(b) VPI转发表 2. VP/VC2. VP/VC交换交换VC交换要和VP交换同时进行，因为当一条VC链路终止时，VP连接(VPC)就终止了，这个VPC上的所有VC链路将各自执行交换过程，加到不同方向的VPC中去，如图9-7所示。 图9-7 VP/VC交换过程(a) VP/VC交换；(b)

27、 VP/VC转发表 3. VP3. VP交换与交换与VP/VCVP/VC交换比较交换比较对于VP交换，其内部包含的所有VC捆绑在一起选择相同的路由，穿过交换节点后并不拆散。相应地，VP链路内的每个VCI的值保持不变。而VP/VC交换则不同，一个进入交换节点的VP中的某VC链路被交换到另一输出VP中去，不但VPI值发生了改变，而且对应的VCI的值也被更换。从上述交换过程可以看出，虽然ATM交换是异步时分交换，但其原理与同步时分交换(时隙交换)有相似之处，区别在于用VCI/VPI代替了时隙交换中时隙的序号。 VP交换是靠B-ISDN协议分层模型的管理平面控制完成的，VP/VC交换则由B-ISDN协

28、议分层模型的控制平面负责完成(管理平面、控制平面的相关内容将在9.4节中讲述)。VP交换设备(通常是交叉连接器和集中/分配器)仅对信元的VPI进行处理和变换，功能较为简单；VC交换设备(ATM交换机、复接/分接器)则要同时对VPI/VCI进行处理和变换，功能较为复杂。VPI和VCI只有局部意义，每个VPI/VCI在相应的VP/VC交换节点被处理，相同的VPI/VCI值在不同的VP/VC链路段并不代表同一个“虚连接”。由于VP交换具有简单性，因而在早期可率先在网上投入使用，其容量也容易做得较大。另一方面，在B-ISDN骨干网高层节点，业务流量可以按局向划分，这一点正符合VP交换的特性。所以，在B

29、-ISDN网络中，VP交换与VP/VC交换都是需要的。 9.4 9.4 基于基于ATMATM的的B-ISDNB-ISDN协议模型协议模型 ATM技术的目的是给出一套对B-ISDN用户进行服务的系统，通常这些服务系统是由基于ATM的B-ISDN协议模型的定义给出的。该模型描述了ATM网络的功能，它包括三个平面四个层，如图9-9所示。 图9-9 基于ATM的B-ISDN协议分层模型 控制面控制面用户面用户面管理面管理面Q.2931Q.2931TCP/IP,TCP/IP,FTP,等FTP,等LMI，SNMP，LMI，SNMP，CMIPCMIPAALAALAALAALS SA AA AL LSSCFS

30、SCFSSCOPSSCOPAALCPAALCPATMATMSDH,SONET,SDH,SONET,DS1,E1,等等DS1,E1,等等图7.5 B-ISDN的分层协议说明例1. 1. 平面的划分平面的划分平面的划分主要是根据网络中不同的传送功能、控制功能和管理功能以及信息流的不同种类来划分的。ATM协议模型的三个平面分别为用户面、管理面和控制面。控制面、用户面都分为四个层，管理面不分层。(1) 用户面(User)：主要提供用户信息流的传输，以及相应的控制(如流量控制、差错控制等)。通常的数据协议、话音和视频等业务应用都包括在这个区域。在用户面，高层为TCP/IP、FTP协议数据或者STM数据信

31、息，AAL层负责将他们适配成ATM信元。(2) 控制面(Control)：提供呼叫连接的控制功能，主要用于信令传输，完成网络与终端间的呼叫建立和撤销有关的功能。在控制面，AAL层将信令消息适配成ATM信元，其高层为Q.2931信令协议，用来在ATM网络中建立虚连接。(3) 管理面(Management)：是性能管理、故障管理以及各个面间综合管理的网管协议。它提供两种功能，即面管理功能和层管理功能。在管理面，高层为本地管理接口(LMI)、SNMP、CMIP等网管协议的管理数据，AAL层将它们适配成ATM信元。 面管理功能：负责对各个面间的信息进行综合管理。面管理功能不分层。 层管理功能：层管理功

32、能是一个分层的结构，主要用于各层内部的管理，监控各层的操作，完成与协议实体内的资源和参数相关的管理功能，处理与特定的层相关的操作维护(OAM)信息流。 2. 2. 各层的功能各层的功能协议参考模型的分层结构从下到上依次为：物理层、ATM层、ATM适配层(AAL)和高层四个层次。各层间的数据传输如图9-10所示。 图9-10 ATM协议模型各层间的数据传输 1) 物理层物理层是承运信息流的载体，位于B-ISDN的最底层，主要负责信元编码，将ATM层送来的逻辑比特或符号转换成相应的物理传输媒介可传送的信号，并正确地收/发这些物理信号。为了实现信元的无差错传输，物理层又被分为物理媒体相关子层和传输会

33、聚子层，由它们来分别保证信元的正确传送。 (1) 物理媒体子层(PM，Physical Media)。PM子层处理具体的传输介质，它只支持与物理媒体有关的比特功能，因而它取决于所用的传输媒质(光缆、电缆)。其主要功能有：比特传送、比特同步、比特定时、比特定位校准、线路编码和电/光转换等。其中，比特定时功能主要完成产生和接收适于所用媒质的信号波形、插入或抽取比特定时信息以及线路编码和解码。 (2) 传输会聚子层(TC，Transmission Convergence)。传输会聚子层的主要功能是：帧的适配、信元定界、信头差错控制校验等。其功能与物理媒体无关。TC子层所做的工作实际上是链路层的工作。

34、它负责将ATM信元嵌入正在使用的传输媒体的传输帧中，或用相反的方法从传输媒体的传输帧中提取有效的ATM层信元，完成ATM信元流与物理媒体上传输的比特流的转换工作，即把从PM子层传来的光电信号恢复成信元，并将它传送给ATM层处理或进行相反的操作。 在TC子层，ATM层信元嵌入传输帧的过程为：ATM信元解调(缓存)信头差错控制(HEC)产生信元定界传输帧适配传输帧生成。从传输帧中提取有效ATM信元的过程为：传输帧接收传输帧适配信元定界信头差错控制(HEC)检验ATM信元排队。 2) ATM层ATM层为异步传递方式层，位于物理层之上，负责生成与业务类型无关的、统一的信元标准格式，提供ATM业务数据单

35、元的公共传送功能。它还完成信元的复用与分解，路由选择/交换，信头的产生、提取和一般流量控制等功能。ATM层利用信头中各个功能字段可实现下列四种功能。(1) 信元的复用与分解。ATM层相当于网络层，主要做路由工作，它提供了虚通路(VP)和虚信道(VC)两种逻辑信息传输线路。信元发送时由多个VP和VC合成一条信元流。接收时进行相反的操作，由一条信元流分解成多条VP和VC。 (2) 利用VPI和VCI寻路。路由功能由虚通路识别符(VPI)和虚信道识别符(VCI)完成。在虚通路处理设备(VPH，VP Handler)和虚信道处理设备(VCH，VC Handler)中读取各个输入信元的VPI和VCI值，

36、根据信令建立的路由在ATM交换区域或ATM交叉节点处完成对任意输入的ATM信元的VPI和VCI值变换(每一输入信元的VPI域值在虚通路节点被译为新的输出VPI域值，虚通路识别符和虚信道识别符的值在虚信道交换节点处也被译为新域值)，更新各输出信元的VCI和VPI值。路由功能设置VPI、VCI两层的原因是为了得到一种高效的路由方法，避免为计算路由花费大量的CPU资源，因此，ATM交换机之间可以只用VP交换，ATM与用户端之间再用VC交换。 (3) 信头的产生和提取。信头的产生和提取在ATM层和上层的交互位置完成。在发送端，信头产生功能从ATM适配层接收信元信息域以后，添加一个相应的ATM信头(不包

37、括信头校验编码HEC序列)；在接收端，信头提取操作功能抽掉ATM信头部分，并将信元信息域内容提交给上一层ATM适配层。简单地说，就是在将信元递交给适配层之前去掉信头，而在相反的方向上加上信头。 (4) 一般流量控制。在用户-网络接口上实现流量控制，这个功能是由信头中的GFC支持的。用户设备中的ATM层与网络节点中的ATM层所完成的功能有所区别。对于用户设备中的ATM层来讲，它所完成的核心功能在于给ATM层适配所形成的信息帧加上信头，从而形成能够在ATM网中传送的信元。与此同时，通过分配与识别信头中的VPI与VCI值完成信元的复接与分接功能；网络节点中的ATM层所完成的核心功能在于信头的变换，通

38、过变换信头实质上完成了VP交换与VC交换的功能。 3) ATM适配层(AAL)适配层(AAL)介于ATM层和高层之间，执行高层协议的适配，负责将高层的信令或不同类型业务的用户消息分段适配成ATM信元。适配的原因是由于各种业务(话音、数据和图像等)所要求的业务质量(如时延、差错率等)不同。ATM网络要满足宽带业务的需求，使业务种类、信息转移方式、通信速率与通信网设备无关，保证网络传输的透明性和灵活性，就要通过AAL完成适配，消除各种业务信号在质量条件上的差异。换个角度说，ATM层只统一了信元格式，为各种业务提供了公共的传输能力，并没有满足大多数应用层(高层)的要求，故需用一个适配层来作ATM层与

39、应用层的桥梁。 AAL按其功能可以进一步分为两个子层：信元拆装子层和会聚子层。(1) 信元拆装子层(SAR，Segmentation And Reassembly)：SAR子层位于AAL层下面，其主要目的是将高层信息拆开装到一个适当的虚连接上连续的ATM信元中；在相反方向上，将一个虚连接的全部信元内容组装成数据单元并交给高层。 (2) 会聚子层(CS，Convergence Sublayer)：CS子层位于AAL层上面，其作用是根据业务质量要求的条件控制信元的延时抖动和信元丢失，在接收端恢复发送端的时钟频率，并对帧进行流量控制和差错控制。ITU-T定义了四类ATM适配功能，即：AAL1、AAL

40、2、AAL3/4、AAL5。这四类功能分别对应ATM层上传送的A、B、C、D四种业务。A、B、C、D四种业务是根据三个基本参数来划分的，这三个参数分别是：源和目的之间的定时要求、比特率要求和连接方式。 表表9.2 9.2 三个基本参数、三个基本参数、ABCDABCD四种业务、四种业务、AALAAL适配类型适配类型以及服务质量的对应关系以及服务质量的对应关系 四种业务 基本参数 A 类 B 类 C 类 D 类 源和目的定时 需要 不需要 比特率 恒定 可变 连接方式 面向连接 无连接 AAL3 AAL4 AAL 类型 AAL1 AAL2 AAL5 用户业务举例 电路仿真 运动图像视频/声频 面向

41、连接数据传输 无连接数据传输 服务质量 QoS1 QoS2 QoS3 QoS4 AAL1：第一类AAL，恒定比特率实时业务适配协议，用于适配ATM层的A类业务(恒定比特率业务CBR)。常见业务为64 kb/s话音业务、固定码率非压缩的视频通信及专用数据网的租用电路。AAL1的功能包括用户信息的分段和重组、丢失和误插信元的处理、信息到达延迟时间的处理以及在接收端恢复源端时钟频率。 AAL2：第二类AAL，可变比特率实时业务适配协议，用于适配ATM层的B类业务(可变比特率业务VBR)。常见业务为压缩的分组话音通信和压缩的视频传输。该业务具有传递介面延迟特性，其原因是接收器需要重新组装原来的非压缩话

42、音和视频信息。AAL2的功能与AAL1相似。 AAL3/4：第三/四类AAL，数据业务传送适配协议，由AAL3、AAL4合并而成，用于适配ATM层的C、D两类业务(可变比特率业务VBR)。支持面向连接和无连接的数据业务和信令，具有可变长度用户数据的分段、重组及误码处理等功能。该业务适用于文件传递和数据网业务。 AAL5：第五类AAL，高效数据业务传送适配协议。该协议对应ATM层的D类业务，支持无连接数据业务，常见业务为数据报业务和数据网业务。4) 高层高层是各种业务的应用层，它根据不同业务(数据、信令或用户消息)的特点，完成端到端的协议功能，如支持计算机网络通信和LAN的数据通信，支持图像和电

43、视业务、电话业务等。上述物理层、ATM层和AAL层的功能全部或部分地呈现在具体的ATM设备中。比如在ATM终端或终端适配器中，为了适配不同的应用业务，需要有AAL层功能来支持不同业务的接入；在ATM交换设备和交叉连接设备中，要用到信头的选路信息，必须有ATM层功能的支持；在传输系统中，则需要物理层功能的支持。 高 层 高 层 功 能 会聚子层 (CS) 会聚功能，即将业务数据变换成 CS 数据单元； 处理信元丢失、误传，向高层用户提供透明的顺序传输； 处理信元延迟变化； 流量/差错控制 AAL 层 信元拆装 子层(SAR) 以信元为单位对 CS 数据分段或重组， 产生 48 个字节的 ATM

44、信元有效负载； 把 SAR-PDU(协议数据单元)交给 ATM 层； 把 SAR-SDU(业务数据单元)交给 CS； 在发送端发生拥塞时监测信元的丢失； 在接收端接收信元的有效负载 ATM 层 异步传递 方式层 一般流量控制； 信头的产生和提取； 信元 VCI、VPI 翻译； 信元 VP/VC 交换； 信元复用与分解 传输会聚 子层(TC) 信头差错校正； 信元同步； 信元速率适配； 传输帧的生成； 信元定界 层 管 理 物理层 物理媒体 子层(PM) 比特定时(位同步)； 传输物理媒体 9.5.1 ATM9.5.1 ATM交换机的任务交换机的任务1. 1. 宽带业务对宽带业务对ATMATM交

45、换机的要求交换机的要求宽带业务覆盖的范围十分广泛，传送速率可以是固定的，也可以是可变的；对业务特性可以是实时的也可以是非实时的。不同的业务对于信元丢失率、误码率、时延抖动等服务参数有着特殊的需求。宽带业务的这些特性要求ATM交换机具有下列最基本的能力。(1) 多速率交换。从几kb/s150Mb/s范围内的许多速率都要在宽带交换机中进行交换。9.5 ATM9.5 ATM交换机交换机(2) 多点交换。要求提供点到点与点到多点的选播/组播/广播连接功能。 (3) 多媒体业务支持。ATM网络中允许接入的业务有不同形式，为了满足每一种业务的质量要求，对交换机性能有很高的要求。 信元丢失/信元误码率。要求

46、ATM交换机的信元丢失率应在1011108范围之内，即大约每十亿个信元才丢失一个。 连接阻塞率。由于ATM交换机内部并不实际建立路由，只是在其路由表中指出该连接的信元VPI/VCI转换，因此一旦在交换机的入线和出线之间没有足够的可用资源来保证已建立连接的质量，系统就会发生连接阻塞。因此，要求在尽量扩大ATM交换机入线和出线规模的同时设计内部无阻塞的交换设备，使ATM交换机具有高性能的吞吐量和低指标的阻塞率。 交换时延。交换时延是指通过交换机交换一个ATM信元时所用的时间。要求ATM交换机的交换时延值在1001000 ms之间，时延抖动为几百微秒。 2. ATM2. ATM交换机的主要工作交换机

47、的主要工作ATM交换机是ATM宽带网络中的核心设备，需要完成物理层和ATM层的功能。对于物理层，它的主要工作是对不同传输媒介电器特性进行适配。对于ATM层，它的主要工作是完成ATM信元的交换，即VP/VC交换。 图9-11 ATM交换机的功能模块 1. ATM1. ATM接口模块接口模块ATM接口模块位于ATM交换机的边缘，为ATM信元的物理传输媒质和ATM交换模块提供对外的接口，完成入线处理和出线处理。其中，入线处理是对各入线上的ATM信元进行处理(如缓冲、信元复制、虚信道识别码VCI翻译、多个低速设备的多路信息分流等)，使它们成为适合送入ATM交换单元处理的形式，完成的功能类似于B-ISD

48、N协议模型中将信息由物理层向ATM层提交的过程；出线处理则是对ATM交换单元送出的ATM信元进行处理(如缓冲、VCI翻译、合并等)，使它们成为适合在线路上传输的形式，类似于B-ISDN协议模型中将信息由ATM层向物理层提交的过程。为了能够灵活地提供各种业务和网络配置，适应各种现有的和将来的业务，ATM接口模块分为两大类：一类是业务接口模块；另一类是ATM接口模块。1) 业务接口模块业务接口模块用来提供与具体业务相关的接口，完成业务接口处理，以及AAL层和ATM层的功能。业务接口的处理包括物理层、数据链路层甚至更高层的功能，如业务数据帧结构的识别、用户数据和信令的分离或组装。业务信令转换为ATM

49、信令，由交换机的控制模块进行处理。业务数据则根据不同的业务类型，进行不同类型的ATM适配。 2) ATM接口模块(1) 输入模块。输入模块是信息比特流出/入ATM交换系统的入口，包含物理层和ATM层功能。物理层信号要由这一模块接收并处理SDH附加位，ATM信元也在这里提取。此外，在交换处理以前，输入模块要向每一信元附加内部标签。内部标签用于通过信元交换单元进行路由选择，它包括内部处理信息，如源用户、终接用户、信元序号、信元类型、信元信息差错检查和时间标记等。这些信息对于交换内部性能的监测非常有用，例如时间标记记录了信元在交换中的处理时间。所以，输入模块还要处理信头，预处理用户数据信元，识别包含

50、信令和管理信息的信元，并将它们从用户数据信元中分拣出来。 图9-12 输入模块的功能和信元流(a) 输入模块的功能；(b) 信元流 由图9-12可知，输入模块由如下6个基本功能模块组成： 同步数字系列(SDH)功能模块； 信元定界和信头差错控制(HEC)功能模块； 占用参数控制和网络参数控制(UPC/NPC)功能模块； 信元处理功能模块； 输入模块系统管理(IM-SM)功能模块； 输入模块接续容许控制(IM-CAC)功能模块。 同步数字系列功能模块与信元定界和信头差错控制功能模块用来提供物理层功能。ATM层功能模块由UPC/NPC和信元处理功能模块提供。IM-CAC和IM-S功能模块是接续容许

51、控制和系统管理功能驻留在输入模块的部分。 同步数字系列(SDH)功能模块。ATM交换系统接口是标准的B-ISDN用户-网络接口和网络节点接口。它们基于同步数字系列(SDH)和信元物理层技术规范。SDH物理层功能分为两个子层，即传输汇聚子层(TC)和物理媒体子层(PM)。物理媒体子层涉及诸如比特定时和线路编码等传输特性。传输汇聚子层处理物理层功能，它们独立于传输媒体特性。 UPC/NPC功能模块。这个功能模块负责ATM层功能处理。ATM层处理适用于3种类型的ATM层信息流，即用户信元、信令信元和管理信元。处理顺序为：先进行UPC和NPC处理，然后是信元处理。信元处理时，信元被送到ATM交换系统的

52、不同部分进行处理。 (2) 输出模块。输出模块和输入模块类似，它处理交换系统话务量的输出。该模块的主要功能是从信元交换单元接收信元，对其预处理，然后送到输出链路进行物理传输。输出模块支持B-ISDN用户-网络接口和网络节点接口，呼出话务由映射到SDH信号的ATM信元组成。输出模块的功能如图9-13(a)所示，相应的信元流如图9-13(b)所示。图9-13 输出模块的功能和信元流(a) 输出模块的功能；(b) 信元流 由图9-13可知，输出模块由以下5个基本功能模块组成： 输出模块系统管理(OM-SM)功能模块； 输出模块接续容许控制(OM-CAC)模块； 信元处理模块； 传输汇聚功能模块； 同

53、步数字系列(SDH)功能模块。 传输汇聚功能模块。物理层的传输汇聚子层产生SDH信息帧和信头差错控制(HEC)，并且把ATM信元映射到SDH信息域。传输汇聚功能模块如图9-14所示，它反映了ATM信元进行SDH传输的处理步骤。 图9-14 传输汇聚功能模块 l ATM层功能模块。由于输入模块已经对输入信元进行了信元首标的处理，因此输出模块的ATM层功能较为简单。l首先，输出模块必须取掉输入模块向每一信元附加的内部标签。其次，输出模块需要翻译多点传递信元的虚通路标识符或虚信道标识符。输出模块还要把从接续容许控制和系统管理中接收的信令和信元插入输出信元流。最后，输出模块需要对输出信元计数，以支持计

54、费管理。 l信元处理功能块在信元交换单元处理后，接收输出用户信元。信令信元可从接续容许控制模块直接或通过信元交换单元间接接收。与此类似，管理信元也可从系统管理功能模块直接或通过信元交换单元间接接收。l如图9-16所示，信元处理模块由4部分组成，它们是VP/VC数据库、信令信元插入、管理信元插入以及内部信息处理。 图9-16 信元处理模块 l 输出模块接续容许控制(OM-CAC)模块。当接续容许控制集中处理时，输出模块作用不大。为了减轻接续容许控制处理负担，需要把它的一些功能分散到输出模块。例如，把高层输出信令信息封装到信令信元。l 输出模块系统管理(OM-SM)模块。为了减轻系统管理集中处理的

55、负担，一些系统管理功能可以分散到输出模块。例如，输出模块系统管理可以处理操作和维护信元的产生。 l2. ATM2. ATM控制模块控制模块lATM控制模块是交换机的中央枢纽，它通过信令和管理软件完成资源管理、流量控制、交换模块的动作控制以及设备管理和网络管理等功能(设备管理和网络管理通常也在外接的管理维护模块上完成)。l控制模块可分为输入控制器、输出控制器和控制单元。l(1) 输入控制器：完成信元定界、信头有效性检验、信元类型分离等功能。l(2) 输出控制器：完成信元形成、速率适配、传输帧的形成等功能。l(3) 控制单元：完成VPC和VCC的建立和拆除、信令信元的发送、OAM信元的处理和发送等

56、功能。 l3. ATM3. ATM交换模块交换模块lATM交换模块由三部分组成，即互联网络、对应于每条输入线的输入控制器(IC)和对应于每条输出线的输出控制器(OC)，三者的关系如图9-17所示。l1) 互联网络l互联网络即ATM交换网络，它提供了信元交换的通路，将信元从一个VP/VC交换到另一个VP/VC。交换模块还完成一定的流量控制功能，主要是优先级控制和ABR业务的流量控制。l与传统的交换网络一样，ATM交换网络也有两种结构：一种是空分交换结构，另一种是时分交换结构。 图9-17 交换模块的一般模型 图9-18 空分交换结构 l 自选路由方式。图9-19所示为采用自选路由交换模块构成的交

57、换网络对信头的处理过程。自选路由方式通过给信元加一些寻路标识来提供快速的选路功能。采用自选路由时，VPI/VCI的翻译任务必须在交换网络的输入端完成。然后在信头前插入内部标识符，使得交换网络内部的信元格式大于53字节。信头扩展要求增加内部网络的速度。每个连接(从输入到输出)都有一个特定的交换网内部标识符，这个内部标识符因交换矩阵而异。在一点到多点的连接中，可给VPI/VCI分配一个多路交换标识，根据它复制信元并选路送往各目的端。 图9-19 自选路由方式 l 表格控制方式。图9-20所示为采用表格控制交换模块构成的交换网络对信头的处理过程。在表格控制方式中，需要在交换矩阵内存储大量的路由表，每

58、个表项都包括新的VPI/VCI和对应的输出端或链路号。当信元到达ATM交换机后，如果交换机读到的VPI/VCI与路由表中的一致，就会很快自动找到输出端口并更新信头的VPI/VCI值，发往下一个节点(信头必须按输出端口的要求进行转换)。 图9-20 表格控制方式 l(2) 时分交换结构。时分交换结构如图9-21所示。在时分交换结构中，所有的输入/输出端口以时分复用的方式共享一条通信信道，这条通信信道就是一条高速的信元流通路。时分交换结构根据信道结构的不同分为共享总线和共享存储器两种，它们完成信元从一个时隙到另一时隙的转移。ATM的逻辑信道和时隙并没有固定关系，逻辑信道的身份是靠信头值来标识的，因

59、此时分交换是靠信头翻译来完成的，如时隙i中的信元a被交换到时隙j，而时隙k中的信元c被交换到时隙i。 图9-21 时分交换结构 l2) 输入控制器l输入控制器对信元的输入处理包括信元的定界和分离、信元的有效性检验和类型分离。l(1) 信元的定界和分离：从信元所在的帧结构中定界各个信元，并将其从帧结构中分离出来，还需要处理帧结构中所携带的OAM信息。l(2) 信元的有效性检验和类型分离：对分离出的各个信元进行HEC检验，并丢弃无效信元，根据PTI对信元的类型进行识别；把信息信元送到交换单元，对空闲信元一般予以丢弃，对OAM信元，则处理其中的OAM信息等。 l3) 输出控制器l输出控制器对信元的输

60、出处理包括以下内容：l(1) 由总线收到的信元需和有关的OAM信元流复合。l(2) 速率适配需要对输出信元速率进行适配。若收到的信元流速率过低，则需要添加空闲信元；若收到的信元流速率过高，则需要用缓存器予以缓冲。l(3) 输出线路码流需要产生相应的帧结构，并把信元嵌入，还需要安全帧结构中所携带的线路OAM信息。 l1. 1. 用户用户- -网络接口网络接口l用户-网络接口(UNI)是ATM终端设备和ATM通信网间的接口，主要完成用户-网络接口的信令处理和VP/VC交换操作。用户-网络接口功能包括ATM物理层接口技术规范、ATM层接口技术规范和暂定本地管理接口技术规范。lATM论坛又把UNI分为公用UN