第七章ATM交换技术

1、1第七章第七章 ATM交换技术交换技术2主要内容主要内容nATM与与B-ISDN的产生与发展的产生与发展nATM基本原理基本原理nATM交换技术交换技术n宽带综合业务数字网（宽带综合业务数字网（B-ISDN）31）B-ISDN的提出的提出通信网的发展通信网的发展N-ISDN的局限性：的局限性： 传输速率和交换模式限制了具有更高速率传输速率和交换模式限制了具有更高速率和可变速率业务的提供，已不能适应未来通信和可变速率业务的提供，已不能适应未来通信网发展的需要。网发展的需要。 B-ISDN的提出：的提出： 能够提供具有更高传输速率的传输信道；能够提供具有更高传输速率的传输信道；更先进的传送模式更先

2、进的传送模式。 一、一、ATM与与B-ISDN的产生与发展的产生与发展P270 42）B-ISDN网对传送模式的要求网对传送模式的要求q 对信息的损伤要小对信息的损伤要小o 具有时间透明性具有时间透明性(信息传送的时延和信息传送的时延和时延抖动要小时延抖动要小)o 具有语义透明性具有语义透明性(由传送引起的信息由传送引起的信息丢失和差错要小丢失和差错要小)q 能灵活地支持各种业务能灵活地支持各种业务q 具有高速传送信息的能力具有高速传送信息的能力53）ATM与与B-ISDN的产生和发展的产生和发展 1983年，美国贝尔实验室的研究者年，美国贝尔实验室的研究者Turner J.等等人提出了快速分

3、组交换（人提出了快速分组交换（FPSFast Packet Switching）原理，研制了原型机。原理，研制了原型机。 同年，法国研究者同年，法国研究者Coudreuse J.P.提出了提出了ATD交交换概念，并在法国电信研究中心（换概念，并在法国电信研究中心（CNET）研制研制了演示模型。了演示模型。 FPS和和ATD概念提出以后，很多设备制造公司概念提出以后，很多设备制造公司、邮电管理部门和标准化组织表示了强烈的兴趣、邮电管理部门和标准化组织表示了强烈的兴趣，进行了深入的研究。，进行了深入的研究。 80年代中期，年代中期，CCITT也开始了这种新的传送模式也开始了这种新的传送模式的研究。

4、的研究。 1988年，年，CCITT 18研究组决定采用固定长度的研究组决定采用固定长度的信元，定名为信元，定名为ATM，并认定并认定B-ISDN将基于将基于ATM技术。技术。6 1990年，年，CCITT 18研究组制定了关于研究组制定了关于ATM的一系的一系列建议，并在以后的研究中不断地深入和完善。列建议，并在以后的研究中不断地深入和完善。 1994年投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路年投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在州的范围内的公用，是美国第一个在州的范围内的公用ATM宽带网宽带网 在欧洲由法国、德国、英国、意大利和西班牙等在欧洲由法国、德国、英国、意大利和西班牙等

5、国发起的泛欧国发起的泛欧ATM宽带试验网，于宽带试验网，于1994年年11月月开始运行，后来扩大到欧洲的十多个国家，是覆开始运行，后来扩大到欧洲的十多个国家，是覆盖面较广的盖面较广的ATM试验网试验网 在亚洲的日本在亚洲的日本NTT与邮政省、香港电讯、新加坡与邮政省、香港电讯、新加坡电信、韩国电信、泰国的亚洲电信以及中国的广电信、韩国电信、泰国的亚洲电信以及中国的广东、北京和上海电信管理局也进行过以东、北京和上海电信管理局也进行过以ATM为基为基础的宽带网试验。试验的业务平台有基于础的宽带网试验。试验的业务平台有基于TCPIP的宽带数据、的宽带数据、VOD、会议电视。试验的应用系会议电视。试验

6、的应用系统大致有家庭购物、远程医疗、远程教学等。统大致有家庭购物、远程医疗、远程教学等。 7 ATM与与IP技术的融合技术的融合 随着随着Internet的发展，的发展，ATM技术技术与与IP技术的融合不可避免，而技术的融合不可避免，而ATM作为一种优秀的传送模式，在现有作为一种优秀的传送模式，在现有通信网向通信网向NGN的演变过程中，仍的演变过程中，仍会发挥非常重要的角色会发挥非常重要的角色8二、二、ATM基本原理基本原理nATM信元及其结构信元及其结构n异步时分复用技术异步时分复用技术n面向连接的工作方式面向连接的工作方式nATM标准化协议标准化协议92.1 ATM信元及其结构信元及其结构

7、 P272 ATM信元是信元是固定长度固定长度的分组，共有的分组，共有53个字节，分为个字节，分为2个部分个部分: 前面前面5个字节为个字节为信头信头，主要完成，主要完成寻址的功能；寻址的功能； 后面的后面的48个字节为个字节为信息段信息段（净荷净荷） 用来装载来自不同用户，不同业务的用来装载来自不同用户，不同业务的信息。信息。 101）信元结构：）信元结构： 信元由信元由5字节信头和字节信头和48字节信息段（净荷）字节信息段（净荷）组成。组成。发送次序发送次序8 7 6 5 4 3 2 1 比特比特 15 653发送次序发送次序信头（信头（5字节）字节）信息段（信息段（48字节）字节）字节字

8、节11ATM定义了两种接口信元定义了两种接口信元7-8 用户网络接口用户网络接口UNI (User Network Interface) 网络节点接口网络节点接口NNI (Network Node Interface) 差别差别在于在于UNI有一个附加字段有一个附加字段GFC，而，而NNI没有，没有，NNI用空闲的用空闲的GFC位定义更长的位定义更长的VPI。122）UNI的信头结构：的信头结构：7-8GFC（Generic Flow Control）：）： 一般流量控制字段（一般流量控制字段（4个比特）及相应的个比特）及相应的GFC功能用于接入的流量控制。由于功能用于接入的流量控制。由于B-

9、ISDN的的UNI接入的终端数量可以很多，需要控制流接入的终端数量可以很多，需要控制流向网络的流量，以避免网络的短期过载。向网络的流量，以避免网络的短期过载。GFC比特比特 8 7 6 5 4 3 2 1VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP1 2 3 4 5字节字节13GFCVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHECCell Payload1 2 3 4 5 6 7 8bit no.byte 1byte 2byte 3byte 4byte 5byte 53VPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHECCell PayloadUNINNIbit no.ATM信元结构1 2 3

10、4 5 6 7 8 VPI/VCI：逻辑连接标识 VCI为两ATM实体间虚拟信道的逻辑标识 VPI为一组VCI的逻辑标识VPC2VPC1VCC1VCC2VCC3VC传传输输链链路路VPPhysical Line15VPI/VCI（Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier）：）： 选路信息。选路信息。PT（Payload Type）：）： 有有3个比特，表示净荷类型。个比特，表示净荷类型。CLP（Cell Loss Priority）：）： 表示信元丢失优先级，只有一个比特，表示信元丢失优先级，只有一个比特，CLP=0，表示高优先级；表

11、示高优先级；CLP=1,表示低优先级，表示低优先级，若遇到拥塞要丢弃信元时，若遇到拥塞要丢弃信元时，CLP=1的信元将首的信元将首先丢弃。先丢弃。HEC（Head Error Control）：）： 为为1个字节，用于信头差错控制。个字节，用于信头差错控制。163）NNI的信头结构：的信头结构： NNI信头不需要信头不需要GFC字段，从而使字段，从而使VPI扩展扩展为为12比特。比特。比特比特 8 7 6 5 4 3 2 1VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP1 2 3 4 5172.2 异步时分复用技术异步时分复用技术 P275 STD（Synchronous Time Divis

12、ion）： 通过时间位置来区别每一个逻辑信道通过时间位置来区别每一个逻辑信道ATD（Asynchronous Time Division）： 通过标记来区别每一个逻辑信道通过标记来区别每一个逻辑信道181）虚通道与虚信道：）虚通道与虚信道： ATM传输通道可分割成若干个逻辑子信道传输通道可分割成若干个逻辑子信道 ，为便于应用和管理，逻辑子信道可按为便于应用和管理，逻辑子信道可按两个等级两个等级来来划分：划分： 虚通道虚通道（VP-Virtual Path） 虚信道虚信道（VC-Virtual Channel ）2.3 面向连接的工作方式面向连接的工作方式 P275 19p 向北京方向（用向北京

13、方向（用VPI = 1标识）的标识）的3个通信，个通信，两个是数据通信，一个是电话通信（分别用两个是数据通信，一个是电话通信（分别用VCI = 4、5、6标识）标识）p 向广州方向（用向广州方向（用VPI = 2标识）的标识）的2个通信，个通信，一个是视频通信，一个是电话通信（分别用一个是视频通信，一个是电话通信（分别用VCI = 5、6标识）标识） 20 在这条传输通道中，所有在这条传输通道中，所有VPI0的信号的信号属于同一个子信道，所有属于同一个子信道，所有VPI1的信号的信号属于另一个子信道，这属于另一个子信道，这2个子信道叫做个子信道叫做虚通道（虚通道（VP：Virtual Path

14、），），用用ATM信元头中的信元头中的VPI区分区分 每条虚通道又可以进一步划分为子信道，每条虚通道又可以进一步划分为子信道，称之为称之为虚信道（虚信道（VC: : Vritual Channel）,用用ATM信元头中的信元头中的VCI区分区分21GFCVPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHECCell Payload1 2 3 4 5 6 7 8bit no.byte 1byte 2byte 3byte 4byte 5byte 53VPIVPIVCIVCIVCIPTICLPHECCell PayloadUNINNIbit no.ATM信元结构1 2 3 4 5 6 7 8223）VP交

15、换和交换和VC交换交换 VP交换交换是指仅变换是指仅变换VPI值而不改变值而不改变VCI值值的交换，即只进行虚通道的交换，虚通道里的交换，即只进行虚通道的交换，虚通道里面的虚信道并不进行交换。面的虚信道并不进行交换。 23 VC交换交换是指是指VPI值与值与VCI值都要进行改变的值都要进行改变的交换。因为虚信道是按照虚通道来划分的，当虚交换。因为虚信道是按照虚通道来划分的，当虚信道交换时，其所属的虚通道也要进行交换，即信道交换时，其所属的虚通道也要进行交换，即虚通道和虚信道都要进行交换虚通道和虚信道都要进行交换7-6。 244）ATM连接的建立过程：连接的建立过程： 在源在源ATM端点与目的端

16、点与目的ATM端点进行通信前端点进行通信前的连接建立过程，实际上就是在这两个端点间的连接建立过程，实际上就是在这两个端点间的各段传输通道上，找寻空闲的各段传输通道上，找寻空闲VC链路和链路和VP链路，链路，分配分配VCI与与VPI，建立相应，建立相应VCC与与VPC的过程的过程 25ATM虚连接建立的方式有两种方式：虚连接建立的方式有两种方式：q 永久虚连接永久虚连接（PVC：Permanent Virtual Connection）q 交换虚连接交换虚连接（SVC：Switching Virtual Connection） PVC是由管理面通过预定法而建立的永久和是由管理面通过预定法而建立的

17、永久和半永久连接，用户在传送信息前不需要建立过程。半永久连接，用户在传送信息前不需要建立过程。 SVC是由信令控制建立的连接，用户在传送是由信令控制建立的连接，用户在传送信息前要建立连接，信息传送完毕则拆除虚连接。信息前要建立连接，信息传送完毕则拆除虚连接。 VPC 和和 VCC 都可有都可有PVC和和SVC的虚连接的虚连接。26三、三、ATM交换技术交换技术nATM交换的基本原理交换的基本原理nATM交换系统的基本结构交换系统的基本结构nATM交换结构交换结构273.1 ATM交换的基本原理交换的基本原理 P286 ATM交换是指交换是指ATM信元从输入端的逻辑信信元从输入端的逻辑信道到输出

18、端的逻辑信道的消息传递。输出信道道到输出端的逻辑信道的消息传递。输出信道的确定是根据连接建立信令的要求在众多的输的确定是根据连接建立信令的要求在众多的输出信道中进行选择来完成的。出信道中进行选择来完成的。 ATM逻辑信道具有逻辑信道具有两个特征两个特征：q 物理端口（线路）编号物理端口（线路）编号q VP与与VC标识符（信头）标识符（信头） 为了提供交换功能，输入物理端口必须与为了提供交换功能，输入物理端口必须与输出物理端口相关联输出物理端口相关联(入出线交换入出线交换)； 输入输入VPI/VCI与输出的与输出的VPI/VCI相关相关(VPI/VCI交换交换) 。 28XYZSXXYSKKNG

19、MGILI1I2INO1O2Oq信头信头/链路链路翻译表翻译表.输出信头输出信头.ATM交换的基本原理交换的基本原理 7-12 输入输入链路链路输出输出链路链路信头信头信头信头XYZO1Oq O2I1KMLNIGXYSO1O2 OqIn.输入信头输入信头 ATM交换的基本原理交换的基本原理 29作业作业 有一个有一个N*Q的的ATM交换结构，交换结构，试根据试根据ATM交换原理，参照下图的信交换原理，参照下图的信元流和翻译表，画出输出的信元流元流和翻译表，画出输出的信元流。30XYZZSYZSI1I2INO1O2Oq信头信头/链路链路翻译表翻译表.输出信头输出信头.输入链路输入链路输出链路输出

20、链路信头信头信头信头XYZSO1Oq O2 O2I1KMLRNIGTXYSZO1O2 Oq O2In输入信头输入信头31ATM交换系统执行三种基本功能：交换系统执行三种基本功能：信头翻译、路由选择和排队信头翻译、路由选择和排队 信头变换：信头变换： 信头变换主要是指信头变换主要是指VPI / VCI值的变值的变换，即入换，即入VPI / VCI变换为出变换为出VPI / VCI。 VPI / VCI的变换体现了信元交换的的变换体现了信元交换的重要概念，意味着入线上某逻辑信道重要概念，意味着入线上某逻辑信道中的信息被传送到出线上的另一逻辑中的信息被传送到出线上的另一逻辑信道中去。为实现信头变换，

21、应建立信道中去。为实现信头变换，应建立翻译表。翻译表。32 选路：选路： 选路表示任一入线的信息可被交换选路表示任一入线的信息可被交换到任一出线，具有空间交换的特征。到任一出线，具有空间交换的特征。信头变换加上选路功能，才能实现信头变换加上选路功能，才能实现ATM交换结构的交换功能。交换结构的交换功能。 这也就是说，在翻译表中从入线的这也就是说，在翻译表中从入线的VPI / VCI应能查到出线号码以及新的应能查到出线号码以及新的VPI / VCI值。这些是在连接建立阶段值。这些是在连接建立阶段写入的写入的。33排队：排队： 由于是统计复用的异步时分交换，在连由于是统计复用的异步时分交换，在连接

22、建立后的传送信息阶段，经常会接建立后的传送信息阶段，经常会发生在同发生在同一时刻有多个信元争抢公用资源一时刻有多个信元争抢公用资源的情况，例的情况，例如争抢出线或交换结构中的内部链路。如争抢出线或交换结构中的内部链路。 因此，因此，ATM交换系统需要有交换系统需要有排队排队功能，功能，也即也即需设置一定数量的缓冲器需设置一定数量的缓冲器，用来存储在，用来存储在竞争中失败的信元，以免在发生资源争抢时竞争中失败的信元，以免在发生资源争抢时丢失信元丢失信元342. ATM交换结构的缓冲策略：交换结构的缓冲策略：P290 缓冲策略或称为排队策略缓冲策略或称为排队策略，是是ATM交换结构设计中交换结构设

23、计中的重要问题，它分为外部缓冲方式和内部缓冲方式：的重要问题，它分为外部缓冲方式和内部缓冲方式：A、外部缓冲：、外部缓冲： 外部缓冲是指缓冲器不是设置在交换结构的内部，而外部缓冲是指缓冲器不是设置在交换结构的内部，而是设置在交换结构的外部。外部缓冲主要有是设置在交换结构的外部。外部缓冲主要有输入缓冲、输输入缓冲、输出缓冲、输入与输出缓冲、环回缓冲出缓冲、输入与输出缓冲、环回缓冲等四种方式。等四种方式。1）输入缓冲：）输入缓冲： 输入缓冲是在交换结构的每条入线上设置缓冲器，通输入缓冲是在交换结构的每条入线上设置缓冲器，通常遵循常遵循FIFO排队规则。排队规则。交换结构交换结构1N1N输入缓冲输入

24、缓冲35排头阻塞现象排头阻塞现象 输入缓冲方式存在排头阻塞现象，从而使得吞吐率降输入缓冲方式存在排头阻塞现象，从而使得吞吐率降低。所谓排头阻塞现象，是指在发生出线竞争时，排列在低。所谓排头阻塞现象，是指在发生出线竞争时，排列在竞争中失败的信元（处于排头位置）之后的竞争中失败的信元（处于排头位置）之后的信元，即使其信元，即使其目的端口空闲，由于不是队首信元，也不能传送的现象。目的端口空闲，由于不是队首信元，也不能传送的现象。减少减少FIFO阻塞现象，提高吞吐率的方法阻塞现象，提高吞吐率的方法输入缓冲器采用输入缓冲器采用FIRO规则：规则： 排头阻塞现象排头阻塞现象阻塞是由于阻塞是由于FIFO规则

25、引起，为此可采规则引起，为此可采用用按序进入随机取出（按序进入随机取出（FIRO: First In Random Out）的服务规则。当某个输入队列的排头信元在出线竞争中失的服务规则。当某个输入队列的排头信元在出线竞争中失败，可以依次再取出排列在其后的信元参与对其他输出端败，可以依次再取出排列在其后的信元参与对其他输出端口的竞争。口的竞争。362）输出缓冲：）输出缓冲： 输出缓冲是在每条出线上设置缓冲器。输出缓冲是在每条出线上设置缓冲器。 为了解决出线竞争，一个理想的采用输出缓冲的无为了解决出线竞争，一个理想的采用输出缓冲的无阻塞交换结构最好使得每个出端能够同时接收所有入端阻塞交换结构最好使

26、得每个出端能够同时接收所有入端发来的信元。这就是说，当入线数为发来的信元。这就是说，当入线数为N，考虑到最不利考虑到最不利情况，每个出端在一个时隙中最多应可接收情况，每个出端在一个时隙中最多应可接收N个信元。个信元。要做到这一点，就要提高处理速度和存储器的访问速度，要做到这一点，就要提高处理速度和存储器的访问速度，于是引入了加速因子的概念。于是引入了加速因子的概念。 加速因子加速因子K等于等于N时，完全消除了出线竞争，但对速时，完全消除了出线竞争，但对速率的要求较高。输出缓冲方式不存在排头阻塞现象，在率的要求较高。输出缓冲方式不存在排头阻塞现象，在合适的加速因子取值下，可以得到高吞吐率和良好的

27、性合适的加速因子取值下，可以得到高吞吐率和良好的性能能.交换结构交换结构1N1N输出缓冲输出缓冲37交换结构交换结构1N输入与输出输入与输出缓冲缓冲1N3）输入与输出缓冲：）输入与输出缓冲： 384）环回缓冲：）环回缓冲： 环回缓冲是使竞争中失败的信元能通过环回缓环回缓冲是使竞争中失败的信元能通过环回缓冲器回送到入端，再与新到来的信元一起进行下一冲器回送到入端，再与新到来的信元一起进行下一轮的竞争。轮的竞争。 环回缓冲的交换结构可以具有较高的吞吐率和环回缓冲的交换结构可以具有较高的吞吐率和较低的信元丢失率，但交换结构要增加用于环回的较低的信元丢失率，但交换结构要增加用于环回的端口，环回还会使得属于同一虚连接的信元失序，端口，环回还会使得属于同一虚连接的信元失序，时延也较大。时延也较大。 交换结构交换结构1N环回缓冲环回缓冲1N39B、内部缓冲：、内部