第七章 ATM交换与宽带综合业务数字网

第八章ATM交换和B-ISDNATM与B-ISDN产生与发展ATM基本原理ATM交换技术宽带综合业务数字网1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网发展的需要。

7.1ATM与B-ISDN产生与发展N-ISDN局限性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。B-ISDN的提出2业务带宽跨度大，从几十到几兆比特/秒；不同业务的突发特性不同；各种业务的实时性要求不同；各种业务对错误的敏感性不同；不同业务要求不同的连接方式。

ATM与B-ISDN产生与发展B-ISDN业务的特征3B-ISDN对传送模式的要求对信息的损伤要小具有时间透明性(信息传送的时延和时延抖动要小)具有语义透明性(由传送引起的信息丢失和差错要小)能灵活地支持各种业务具有高速传送信息的能力ATM与B-ISDN产生与发展4ATM概念？ATM（AsynchronousTransferMode）异步转移（传送）模式

ATM是一种在网络中以信元为单位进行统计复用、交换和传输的技术。在这种传送模式中，信息被分成信元来传递，而包含同一用户信息的信元不需要在传输链路上周期性地出现。ATM与B-ISDN产生与发展5采用异步时分复用方式，动态分配带宽采用面向连接的方式（虚电路）取消了逐段差错控制和流量控制，在需要时由终端完成。信元长度固定，简化了对缓冲队列的管理信头的功能简化ATM特点？ATM与B-ISDN产生与发展67.2ATM基本原理7.2.1ATM信元及其结构7.2.2异步时分复用技术7.2.3面向连接的通信方式7.2.4ATM协议参考模型7ATM信元结构7.2.1ATM信元及其结构8

ATM信元信头结构

9ATM信元类型

ATM信元的净荷类型PTI值净荷类型000无拥塞的用户信元,ATM层间指示=0001无拥塞的用户信元,ATM层间指示=1010有拥塞的用户信元,ATM层间指示=0011有拥塞的用户信元,ATM层间指示=1100VC的OAM信元(用于传输通道)101VC的OAM信元(用于端到端的传输)110资源管理信元(用于改变正在使用的带宽)111备用10ATM特殊信元

空闲信元（VPI=0，VCI=0，CLP=1，净荷=48个“01101010”）：物理层产生的空信元。

未分配信元（VPI=0，VCI=0，CLP=0）：ATM层产生的空信元。

物理层OAM信元（VCI=3，4）：用于物理层的操作维护。

元信令信元（VCI=1），通用广播信令信元（VCI=2），点对点信令信元（VCI=5）：信令信元，用于呼叫控制和建立连接等。11同步时分复用：多个逻辑子信道共享一条物理链路，属于同一逻辑子信道的信号按照一定时间间隔周期性地出现，按照时隙位置识别信道。异步时分复用：属于同一逻辑信道的信号在传输线上不对应固定的时隙，也不是按周期出现，信息识别按照信头的标记区分。7.2.2异步时分复用12

异步转移模式特点采用统计复用的方式，信元动态占用信道，提高了信道利用率；（比较电路交换）信元长度一定，达到位置化复用的效果，便于快速识别信元头，减少处理时延；（比较分组交换）信元头中含有地址/路由信息（虚通路），同一用户的信息沿同一路径传输，不存在随机延迟，实时性强。（比较分组交换）13虚通道VP和虚信道VC的关系7.2.3面向连接工作方式每段物理链路内包含多个VP每个VP通过复用可容纳多个VCATM传输通道可分割成若干个逻辑子信道，为便于应用和管理，逻辑子信道可按两个等级来划分：虚通道（VP--VirtualPath）虚信道（VC--VirtualChannel）14VPI/VCI通过VPI/VCI可唯一的标识一个逻辑子信道15VCC（VirtualChannelConnection）是VCC端点之间的VC级端到端的连接，由多条VC链路串接而成，VCI（虚信道标识）用来识别一条VC。VPC（VirtualPathConnection）是VPC端点之间的VP级端到端的连接，由多条VP链路串接而成，VPI（虚通道标识）用来识别一条VP。VPC和VCC16虚信道连接（VCC）虚通道连接（VPC）VC链路VC链路VC链路VCIXVCIyVCIZVP链路VP链路VP链路VPIXVPIyVPIZVPC和VCC17ATM网络的选路概念18

ATM的VPI/VCI19

VP交换VP交换VPI=1VPI=3VPI=5VPI=2VPI=4VPI=6VCI=1VCI=2VCI=3VCI=4VCI=5VCI=6VCI=3VCI=4VCI=5VCI=6VCI=1VCI=220

VC交换VC交换VP交换VCI=1VCI=2VCI=1VCI=2VCI=3VCI=4VCI=1VCI=21243VPI=1VPI=4VPI=5VPI=2VPI=321

ATM连接的建立在源ATM端点与目的ATM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各段传输通道上，找寻空闲VC链路和VP链路，分配VCI与VPI，建立相应VCC与VPC的过程。22ATM虚连接建立的方式有两种方式：永久虚连接（PVC：PermanentVirtualConnection）

交换虚连接（SVC：SwitchingVirtualConnection）PVC是由管理面控制建立的永久和半永久连接，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，用户在传送信息前要建立连接，信息传送完毕则拆除虚连接。VPC和VCC都可有PVC和SVC的虚连接。

虚连接的建立方式23

7.2.4ATM协议参考模型提供呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫和连接的建立和释放面管理实现与整个系统有关的管理功能，并完成各个面之间的协调功能完成与各协议实体的资源与参数相关的管理功能，并处理各层中OAM信息流负责用户信息的传送，采用分层结构24

ATM协议参考模型完成传输信息功能完成信元交换、选路和复用功能将高层业务信息或信令信息适配成ATM信元根据不同业务特点所完成的应用层功能25

ATM网络

承载业务的概念（用户面）

26一般流量控制、信头产生/提取信元VPI/VCI翻译、信元复用和分路信元速率适配信头差错校验（HEC）信元定界传输帧产生/恢复AALCSSARATM层TCPM在物理媒体上正确地发送和接收数据比特，线路编码、光电转换汇聚子层，对高层适配服务分段与重组子层，对数据信息分段/重组物理层

ATM协议参考模型27物理层负责通过物理媒体正确、有效地传送信元。它可划分为２个子层：物理媒体相关子层（PMD：PhysicalMediumDependentSublayer）

提供与传输媒体有关的机械和电气接口，正确地发送和接收数据比特，负责线路编码、比特定时等功能。传输汇聚子层（TC：TransmissionConvergenceSublayer）（1）物理层28

①传输帧的产生/恢复与适配：在发送端要将信元流封装成适合传输系统要求的帧结构送到PMD子层，在接收端则将PMD子层送来的比特流（传输帧）恢复成信元流；并在信元流与传输帧转换时完成格式的适配。物理层②信头差错控制（HEC:HeaderErrorControl）：对信头前４个字节作循环冗余校验（CRC）。在发送端是按CRC算法生成１字节的HEC码，在接收端按同样算法进行检验。29物理层③信元定界和扰码：用一定的方法识别信元的边界。为防止信元的信息段出现伪HEC码而影响正确的定界，可对信息段进行扰码(scrambling)操作，在接收端再以相反的操作进行解扰（descrambling）。④信元速率去耦:在发送端物理层插入空闲信元，以将ATM层信元流的速率适配成传输媒体的速率。在接收端，通过特定的预分配信头值，可以识别出空闲信元予以丢弃，并不送往ATM层。30ATM层的主要功能是负责信元的交换、选路和复用信元的复用与交换服务质量保证实现净荷类型有关的功能一般流量控制(2)ATM层311）AAL的功能：ATM适配层（AAL）在ATM层之上增加适配功能，使ATM信元传送能够适应不同业务，并将高层的不同业务数据单元分割成固定的长度装入ATM信元的信息段，反向传送时完成逆过程。(3)ATM适配层2）AAL的业务分类：AAL的功能和规程与业务有关，不同的业务需要不同的AAL规程。为了减少AAL规程的数量，将业务按照以下３个特性进行分类：①源与终点之间的定时关系：需要或不需要；②比特率：固定或可变；③连接方式：面向连接或无连接。32ATM适配层33AAL的功能可以分为两个逻辑子层：

AAL的基本结构分段和重组子层（SAR：SegmentationAndReassembly）

分段和重组子层可简称为拆装子层，其主要功能是将高层信息进行分割，以适合于装入ATM信元的信息段，或者反之。汇聚子层（CS：Convergence

Sublayer）汇聚子层的主要功能是在AAL业务接入点（SAP）对高层提供AAL的服务，其具体功能与业务类型有关。34AAL1支持对时延敏感的恒定比特率业务（话音）。AAL1的协议结构35AAL3/4的协议结构AAL3/4的CS又继续分为公共部分会聚子层CPCS业务特定会聚子层SSCS，SSCS随业务不同而改变。3637ATM适配层—AAL5AAL5是一种简化的AAL3/4规程中复杂的序号与差错控制机制，支持面向连接的可变比特率的数据业务，对信令与数据业务进行适配。分段与重组SAR子层会聚子层CS业务无关的公共部分子层CPCS业务相关的业务特定会聚子层SSCS。根据业务而定，可以为空。38AAL5数据适配过程397.3ATM交换技术ATM交换的基本原理ATM交换网络ATM交换系统结构ATM呼叫控制信令407.3.1ATM交换的基本原理

ATM交换是指ATM信元从输入端的逻辑信道到输出端的逻辑信道的消息传递。即任一入线上的任一逻辑信道的信元能够交换到任一出线上的任一逻辑信道上去。信头翻译路由选择排队ATM交换系统三种基本功能：41数据传送过程中，任一入线信息可被交换到任一出线，具有空间交换的特征（选路）数据传输过程中，对从入线来的ATM信元根据路由表被交换到目的出线上，信头VPI/VCI值由输入值被翻译成输出值。（信头翻译）ATM采用异步转移模式，某一时刻会有多个信元争抢公共资源情况（出线竞争/内部链路竞争），需要设置缓冲器，提供排队功能

。（排队）ATM交换的基本原理427.3.2ATM交换系统基本结构实现信元交换功能：信头变换、选路和排队的功能呼叫控制软件完成呼叫连接的建立和拆除。OAM软件完成对交换系统的操作维护，配置管理、计费管理、故障处理43输入接口功能44

输入接口物理层功能：

光电信号的转换与同步（采用SDH/SONET物理接口）

信元定界和差错控制

信元速率解耦（丢弃空闲信元）

ATM层功能：

VPI/VCI值的有效性检查及翻译

输出端口的确定

区分信令信元、用户信元和OAM信元并作相应的处理45输出接口功能46

输出接口ATM层功能：HEC域的产生并装入信头

信令信元、OAM信元和用户信元流的混和输出物理层功能：

信元速率匹配（加入空闲信元）

传输帧的形成

光电信号转换

47ATM交换机构时分交换网络空分交换网络共享存储器共享总线型单通路多通路基于banyan扩展banyan复份banyanBenesClos缓冲型无缓冲型1）ATM交换结构类型7.3.3ATM交换网络48ATM交换系统的构成ATM交换机构基本交换模块交换机构由相同的基本交换模块以特定的拓扑结构互连而成设计中需要解决的主要问题——路由选择基本交换模块用于构造交换机构的最小通用模块设计中需要解决的主要问题——

排队问题49ATM交换网络的缓冲策略缓冲策略或称为排队策略，是ATM交换结构设计中所要涉及的重要内容之一。缓冲策略一般包括这样四个方面的内容：缓冲器的设置方式(缓冲方式)缓冲器的数量队列的存取控制缓冲器的管理50缓冲方式ATM交换网络的缓冲策略(1)外部缓冲输入缓冲输出缓冲输入与输出缓冲环回缓冲缓冲器设置在交换结构的外部(2)内部缓冲

共享缓冲交叉点缓冲缓冲型banyan缓冲器设置在交换结构的交换单元内部51外部缓存(1)——输入缓存基本思想在交换单元的输入端解决可能的竞争问题。实现方式在交换网络的每个输入端口（入线）设置缓冲器，每个缓冲器中信元采用FIFO的排队规则;在一个信元周期内，如果出现多个入线上的信元竞争同一的出线时，则由一个仲裁逻辑来决定哪些入线队列中的信元是允许通行的，而其他队列中的信元需要等待;经过仲裁后的信元不会再出现竞争。52

输入缓存模型传输交换媒体仲裁逻辑12N12N出线入线输入队列每条入线一个缓冲队列信元在入线排队交换传输媒体是一个无阻塞的传输网络仲裁逻辑决定可以得到服务的入线仲裁策略轮流服务、具有优先级（固定优先级或队列长度优先等）53

输入缓存的缺点在入线处的队列将需要更多的缓冲容量存在队头阻塞（HOL）一个信元周期内，通过交换传输媒体传输的信元数P不超过交换单元的入线总数N，即PN。由于存在HOL阻塞，在随机的均匀业务流模型下，当入线数目N很大的时候，采用FIFO规则的输入缓冲方式的吞吐率为58.6%。在输入排队模型中，仲裁逻辑是必须的用于确定可以得到服务的入线54在每个输入缓冲器设定一个宽度为W的窗口，W意味着在一个时隙内每个输入队列可以有W个信元依次参与出线竞争。竞争仲裁时间可进一步划分为W个子区间，在第一个子区间，由所有输入队列的排头信元进行出线竞争，若有占用的出线则在第二个子区间进行第二次出线竞争，以此类推，直到所有的出线均被占用或者窗口已经用尽。HOL阻塞改进方式——窗口55采用窗口方法的输入缓冲结构56外部缓存（2）——输出缓存基本思想来自入线的信元可以自由通过交换传输媒体传送（交换）到所需的出线上，在出线上设置缓冲队列解决多信元对出线的竞争。实现方法在一个信元周期内，所有信元都可无需仲裁地从入线到达所需的出线每条出线配置一个队列，以便缓冲同时到达的竞争该出线的多个信元一个信元周期内，一条出线只能为一个信元服务，未服务的信元将暂存在该出线的输出队列中57输出排队模型传输交换媒体01N-101N-1出线入线输出队列交换传输媒体无阻塞的传输网络，信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑每出线配置一个缓冲队列信元在出线处排队，采用FIFO原则，保证信元的顺序58输出排队的优缺点去往同一条出线的多个信元可以在同一个信元周期内交换到出线上，不存在队头阻塞；不需要仲裁逻辑；

为保证没有信元丢失，在传输交换媒体中信元的传输交换的速率必须N倍于入线的速率；输出缓冲能在一个时隙内可以接收交换到该输出端口的最大信元数目，我们称之为加速因子，极限情况是……加速因子的值越大，对处理速度和存储器的存储速率要求就越高，一般1<K<N，这样每个输出端口最多只能接收K个信元，如果有多于K个信元去向同一个端口，就要按照一定准则选取其中的K个信元，其余的丢弃。

59外部缓存(3)——输入输出缓冲输入输出缓冲综合了输入缓冲与输出缓冲的优点。假设其加速因子为L（1<L<N）(N为输入端口数目)，则其输出缓冲器在一个信元时隙内最多能接收L个信元，若在某一时隙内有超过L个信元要交换到同一个目的端口，这些超过的信元将会被存储在输入缓冲器中，而不像输出缓冲方式中那样把它们丢弃。60环回缓冲包括环回端口以及环回缓冲器。当出线竞争发生的时候，在竞争中失败的信元会通过环回端口存储在环回缓冲器中，并且通过环回端口在下一时隙与新到来的信元重新进行竞争。外部缓存(4)——环回缓冲61

环回缓冲存在信元失序的问题。当竞争失败的信元通过环回重新竞争的时候有可能打断ATM信元的顺序。环回缓冲要求进入交换网络的每一个信元赋上一个优先数值（数值越大，优先级越高），当竞争失败的信元进入环回时，其优先数值将会加1，这就保证了在环回缓冲中的信元有较高的优先级，在下一轮的竞争中能够成功。环回缓冲的问题62内部缓冲的缓冲器是设置在交换网络内部。主要有：共享缓冲交叉点缓冲缓冲型banyan存储器复用分路12…N12…N共享缓冲结构内部缓存63内部缓存交叉点缓冲：缓冲器设置在交叉点中64内部缓存缓冲型banyan

：在交换单元（SE）内部设置缓冲。用来存储在内部竞争中失败的信元，减少信元丢失率65交换网络的选路方法是指有效控制和正确引导从输入端口进入交换网络的信元正确地传送到所需的输出端口的方法。在有多级互联网络中，选路控制有两种方法：自选路由和表格控制选路。ATM交换网络的选路方法66

自选路由是给每个到来的信元在进入交换网