V2 第6章 面向连接的快速分组交换

教学大纲要求：1.基本要求（1）掌握ATM的基本概念、ATM的工作原理。（2）了解ATM的协议参考模型。（3）了解ATM交换网络的结构及基本原理。2.

重点、难点重点：ATM工作原理，协议参考模型。难点：ATM交换机制。3.

说明以讲述ATM交换技术为主，适当介绍相关协议。第6章面向连接的快速分组交换1快速分组交换异步转移模式ATM的工作原理和交换网络结构。

关于“面向连接的快速分组交换”

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产生背景(1)80年代中期，国外发达国家数字程控电话交换机广泛采用，电话普及率达到较高的程度。结论是：电话业务趋于饱和，发展曲线相对平稳。(2)对非电话业务的要求逐步提高，如用户电报、数据通信、传真、图像等，相对来讲更调整的业务还有：可视电话，会议电视等。(3)当时(80年代初、中期)网络现状是：电话网与各专业网并存(4)人们要求对已有的业务进行综合(5)未来通信业务的多样化以及人们对新业务的需求是不可预见的。结论：导致了ISDN的产生。ISDN4N-ISDN“窄带综合业务数字网”(N－ISDN)，是以电话线为基础发展起来的，可以在一条普通电话线上提供语音、数据、图象等综合性业务，提供经济、高速、多功能、覆盖范围广、接入简单的通信手段。ISDNB-ISDN“宽带综合业务数字网（B-ISDN）”，是指用户线上的传输速率在2Mbit/s以上的ISDN。它是在窄带综合业务数字网（N-ISDN）的基础上发展起来的数字通信网络，其核心技术是采用ATM（异步转移模式）。6.1.1快速分组交换56.1快速分组交换与异步转移模式传输媒质传输速率传输误码率网络性能瓶颈传统分组交换铜线-同轴电缆-双绞线电缆几十kbps10-4~10-6传输链路快速分组交换光纤几Gbps<10-9节点交换机快速分组交换的基本设计思想6快速分组交换的基本设计思想是简化分组交换机的协议处理，将复杂性推向网络边缘，也就端系统。具体实现措施如下：简化协议，取消链路层的差错控制和流量控制。采用硬件实现分组转发和并行处理技术。采用固定长度的小分组。采用面向连接的分组交换方式。76.1.2异步转移模式

ATM技术以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式的优点发展而来，兼具分组传送模式和电路传送模式的优点。

ATM主要技术特点：采用异步时分复用方式；采用了固定长度的信元并简化了信头功能；采用面向连接的工作方式；采用端到端差错控制和流量控制。6.1.3ATM的网络组成8图6-1ATM网络的组成及接口6.1.3ATM的网络组成9

节点和链路

端点

发送或接收信元的源站和目的站

中继节点

网络接口

用户网络接口（UNI）

网络节点接口（NNI）106.2ATM网工作原理

6.2.1ATM信元结构

ATM信元是一种固定长度的小分组，其标准长度为53字节。由5个字节的标头域和48字节的载荷域组成。载荷标头GFCVPIVCIPTHECVPIVCIPTHEC5484816381638121CLPUNINNI字节bitbit11

GFC(GenericFlowControl)：一般流量控制，长度为4bit，通常置为0。用于接入的流量控制。

VPI(VirtualPathIdentifier):虚通道标识，VPI字段在UNI接口上为8比特，在NNI接口上为12比特。

VCI(VirtualChannelIdentifier):虚信道标识，是一个长度为16比特的字段。PT(PayloadType)：载荷类型，表示48字节的信息段所承载的信息类型，3比特的字段，可以指示8种ATM信元净荷类型。ATM信元结构（续）13CLP（CellLossPriority）：信元丢弃优先权，只有1个比特，CLP=0表示信元具有高优先级，CLP=1表示信元具有低优先级，当网络发生拥塞时，首先丢弃CLP=1的信元。HEC（HeaderErrorControl）：信头差错控制，共8比特，代表一个多项式，用来检验信头在传输中是否出错。ATM信元结构（续）146.2.2ATM逻辑连接的建立与释放

ATM采用面向连接的快速分组交换。在用户信息开始传送之前，要先建立端到端的虚电路。

ATM的虚电路分为两个级别：

虚通道(VirtualPath,VP)

虚通道标示符VPI

虚信道(VirtualChannel,VC)虚信道标示符VCI156.2.2ATM逻辑连接的建立与释放

VP链路由VPI标示。

VC链路用VPI+VCI标识。结论：VPI和VCI不是端到端虚通道和虚通路的标识符，VPI和VCI只具有局部意义。16ATM逻辑连接的建立与释放AUNIUNINNINNIXYATM网络连接建立SETUPCALLPROCEEDINGALERTINGCONNECTCONNECTACKSETUPCALLPROCEEDINGALERTINGCONNECTCONNECTACK双方通信连接释放RELEASERELEASECOMPLETERELEASERELEASECOMPLETEtB17矛盾设端点A与端点B通信，它们之间建立了一条逻辑连接。端点A必须给新建立的连接指派一个虚通路标识符VCI，然而端点B可能同时接收其他一些端点发来的信元，这些端点都是独立地选择自己的VCI值。（）这样，端点B很可能收到来自不同端点的但具有相同VCI的信元，结果使端点B无法确定这些信元的源端点。为了解决上述矛盾，最简单的方法就是使所有的VCI只在每一段物理链路上具有唯一的值。当信元在一条虚通路上传送时，每经过一段链路，VCI值都可以改变。6.2.3虚通路标识符和虚通道标识符的转换

1814234134232117352655AXYZB入端口入VPI出端口出VPI417235入端口入VPI出端口出VPI435326入端口入VPI出端口出VPI426255ATM网络上述VCI值的分配和转换方法有两个好处。第一:使网络具有良好的可扩展性，因为给某一条虚链路分配一个VCI值并不需要网络的全局信息。第二:使VCI值只具有局部意义可大大增加全网可分配的VCI值数目。19VCI/VPI向北京方向（用VPI=1标识）的3个通信，两个是数据通信，一个是电话通信（分别用VCI=4、5、6标识）向广州方向（用VPI=2标识）的2个通信，一个是视频通信，一个是电话通信（分别用VCI=5、6标识）20VPC/VCCVPC（虚通道连接）和VCC（虚信道连接）

VCC（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。

VCC端点（VCCEndpoint）是VCC的起点和终点，是ATM层及其上层交换信元净荷的地方，也就是信息产生的源点和被传送的目的点。VPC端点（VPCendpoint）是VPC的起点和终点，是VCI产生，变换或终止的地方。21VPC/VCC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VPIXVPIyVPIZ22ATM交换机对VPI/VCI的转换VP交换和VC交换

VP交换是指仅变换VPI值而不改变VCI值的交换，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。23

VC交换是指VPI值与VCI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。ATM交换机对VPI/VCI的转换246.3ATM协议参考模型物理层ATM层ATM适配层AAL高层高层控制面用户面管理面面管理层管理CSSARTCPMD6.3.1协议参考模型的层面结构B-ISDN协议参考模型

B-ISDN协议参考模型由3个平面组成：用户面、控制面、管理面用户面（UserPlane）： 负责用户信息的传送及相关控制，采用分层结构。控制面（ControlPlane）： 提供寻址、路由选择和呼叫连接控制的相关功能，主要涉及信令功能，也采用分层结构。管理面（ManagementPlane）： 提供面管理与层管理两种管理功能。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；层管理实现各层网络资源与协议参数的管理，并处理各层中的操作与维护（OAM）信息流，面管理不分层，层管理是分层的。25B-ISDN协议参考模型B-ISDN协议参考模型的分层结构含有4层，从下到上为：物理层、ATM层、ATM适配层（AAL：ATMAdaptationLayer）和高层。物理层主要用来完成传输信息的功能；ATM层主要完成交换、选路和复用的功能；ATM适配层负责将高层业务信息或信令信息适配成ATM流；高层是指根据不同的业务特点所完成的高层功能或信令的高层处理。2627ATM协议参考模型下面三层功能一般流量控制、信头产生/提取信元VPI/VCI翻译、信元复用和分路信元速率解耦、HEC产生/验证信元定界、传输帧适配传输帧产生/恢复AALCSSARATM层TCPMD比特定时、物理媒质汇聚分段与重组物理层6.3.2物理层

负责通过物理媒体正确、有效地传送信元。物理层可进一步划分为2个子层：物理媒体子层（PMD—PhysicalMediumDependentsublayer）传输会聚子层（TC－TransmissionConvergencesublayer）。物理媒体相关子层(PMD:PhysicalMediumDependentsublayer)

功能：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。28传输汇聚子层（TC）传输汇聚子层（TC）的功能：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。②信头差错控制（HEC:HeaderErrorControl） 信元的信头中含有控制选路及其他的重要信息，必须对信头信息进行差错控制。为此，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传输汇聚子层（TC）（续）③信元定界和扰码 信元定界（Celldelineation）是用一定的方法来识别信元的边界。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）。 30信元定界状态图6.3.3ATM层

ATM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 端点主要完成复用功能，包括发送端的复接和接收端的分接功能。 中继节点主要完成交换功能。对信元标头进行处理 发送端点要产生信元标头的前4个字节，第5字节HEC由TC子层加入。 交换机提取识别信元标头，并且要在更换VPI/VCI值后再生信元标头。 接收端点要在识别信元标头之后，根据VPI/VCI值，将48字节的载荷域分送给相应的上一层(AAL层)实体。316.3.4ATM适配层(AAL)

AAL的功能 主要功能是将高层业务信息或信令信息适配成ATM信元流。它是ATM层与高层应用（包括用户面、控制面和管理面）之间的适配层，并支持高层与ATM层之间的适配：将高层的协议数据单元（PDU）映射到ATM信元的信息段或反之。AAL实体与对等层的AAL实体之间要交换信息，以实现AAL的功能。

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(同步)； ②比特率：固定或可变； ③连接方式：面向连接或无连接。32AAL类型 为了适应不同业务类型的需要，ITU-T定义了４类AAL：AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5。

AAL1规程用于支持Ａ类业务。

AAL2规程用于支持Ｂ类业务，适用于时延敏感的低速、可变长度的短分组的传送。

AAL3与AAL4原来是分开的，后来合并为一类：AAL3/4，用来支持C/D两类业务，即包括面向连接与无连接的数据业务。

AAL5可以看成是简化的AAL3/4，用来支持面向连接的C类业务（如帧中继），传送大的数据分组时效率较高，ATM网络信令也采用AAL5。3334AAL向高层提供的四种服务服务类别A类B类C类D类AAL类型AAL1,AAL5AAL2,AAL5AAL3/4,AAL5AAL3/4,AAL5比特率恒定可变同步需要不需要连接方式面向连接无连接应用举例64kbit/s话音变比特率图像面向连接数据无连接数据 四种AAL类型中，应用最多的是AAL5和AAL1.前者能以最小的开销实现数据业务和各种控制信令的适配；后者主要用于恒定比特率业务的适配。 AAL的基本结构（续）

AAL的功能可以分为两个逻辑子层：汇聚子层（CS：ConvergenceSublayer） 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。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。 不同的CS和SAR的组合，可得到不同的业务适配功能。按照不同业务类型的需要，CS还可以进一步划分为子层。35高层：则相当于各种业务的应用层或信令的高层处理。36B-ISDN376.4ATM交换网络的结构及基本原理交换网络(SwitchingFabric)：主要功能是中继转发，即实现信元从输入端口到输出端口的转移。输入输出接口：包括UNI和NNI两种接口，要实现物理层和ATM层的功能。交换控制器：主要完成信令适配层和信令高层的功能，包括信令的收发和处理，实现连接控制，包括即时的呼叫连接控制和永久、半永久连接的控制。

ATM交换机由内部交换网络、输入输出接口和交换控制器三部分组成。交换控制器1NN1……输入输出ATM交换机的基本工作过程从输入端口接收比特流、提取有效信元、识别信元标头；根据信元的VPI/VCI值查找路由表，得到信元的输出端口号、新的VPI/VCI值及其他内容，形成交换机内部信元；38根据路由标签Tag，将信元转移到相应的输出端口；在输出端口删除Tag，更换信元标头，发送到输出链路上。路由标签53字节标准信元输出端口号时延优先级流量控制参数……11字节64字节内部信元ATM交换机的基本工作过程39输入端口号输入信元VPI/VCI值输出端口号新的VPI/VCI值其他（流量参数、时延优先级等）1A2B1CND2A2E2C1CND1FNANDATM交换路由表ATM交换机的基本工作过程问题：交换路由表的内容是如何形成的呢？40对于永久、半永久连接，路由表项是网络管理实体根据用户的预订预先确定的；对于即时连接，路由表项是在呼叫建立连接阶段根据信令处理的结果确定的。6.4.1交换网络的功能及分类

交换网络应提供良好的性能，以保证所需的服务质量，与服务有关的主要参数是信元丢失率、时延和时延抖动。在ATM交换网络的设计中，还要考虑连通性和吞吐率。连通性用连接阻塞率衡量。吞吐率定义为交换网络的每个输出端口平均每个时隙所传送的信元数。

交换网络的基本功能：根据路由标签实现信元的转移，也就是将内部信元从任意的输入端口转移到指定的一个或多个输出端口。411.ATM交换网络的分类

ATM交换网络可以从不同的方面进行分类。本节主要从时分与空分、单路径与多路径、单级与多级、阻塞与无阻塞等方面作概念性说明。42

ATM交换网络的结构可分为时分和空分两大类。就交换体制而言，ATM交换属于异步时分交换；但就ATM交换机的设备而言，其交换网络的结构可以是时分的，也可以是空分的。空分结构实现的交换仍然是时分交换。时分交换网络的基本特征是所有输入和输出端口共享单一的高速通道。空分交换网络的基本特征是可以在多对输入端口和输出端口间同时并行地转移信元。1.ATM交换网络的分类(续)43ATM交换结构时分空分共享存储器共享媒体单通路多通路总线型环型基于crossbar基于banyan扩展banyan复份banyanBenesClos缓冲型无缓冲型矩阵型全互连型44单路径的两种典型结构：基于Crossbar的结构基于Banyan的结构

Crossbar源于纵横制电路交换机中的纵横接线器，是一种开关节点矩阵，其特点是交换结构的复杂度随N2而增长，N为入出端口数。Crossbar结构又分为矩阵型和全互连型，Banyan结构又分为内部缓冲型和内部无缓冲型。多路径具有多种结构，如Clos和Benes结构。1.ATM交换网络的分类(续)45单级结构和多级结构Crossbar结构是典型的单级结构单一的共享总线或共享存储器的时分交换模块也属于单级结构多级结构通常称为多级互联网络，由分为若干级的多个交换单元以一定的拓扑结构互连而成。空分的Banyan单路径结构和各种多路径结构都属于多级结构。Se可以采用基于Crossbar的结构，也可以采用时分结构ATM交换网络的阻塞分为内部阻塞和输出冲突两种情况。两个或两个以上的信元在传送过程中要同时占用某一公用资源称为竞争或冲突。内部竞争是指两个或多个信元同时争抢交换网络的同一内部链路或缓冲器，输出冲突是指两个或多个信元同时争抢同一输出端口1.ATM交换网络的分类(续)46ATM交换网络应实现信元的选路和排队功能。选路单路径网络不存在选路问题，交换机内部信元的路由标签只需指明输出端口号即可。多路径网络对应每一连接需采用一定的方法从多条空闲路径中选择一条路径。路由标签除了指明输出端口号以外，还需指明从输入到输出所经过的中间链路或指明第一级和所有中间级交换单元的输出端口号。排队排队是解决内部阻塞和输出冲突的有效办法。按照缓存器的位置，可以分为输入排队、输出排队和内部排队2.ATM交换网络的功能47

ATM交换网络还应具备多播功能和优先级控制功能。多播多播就是要通过交换网络将一个端口输入的某些信元传送到多个目的端口。优先级控制优先级控制就是要根据信元的丢失优先级和时延优先级的高低来决定是否优先传送。2.ATM交换网络的功能（续）6.4.2ATM时分交换网络1.共享存储器结构采用共享存储器结构的N*N交换网络由复接器、共享存储器和分接器组成。从各个输入端口到达的内部信元通过复接器形成单一的输入信元流，然后写入共享存储器。48存储器复接分路12…N12…N共享存储器结构49为了避免写入和读出发生冲突，在存储器的高速输入和输出线路上采用同步时分复用技术。线路上构成周期性的传输帧结构，每帧除必要的帧头标志以外，包含了N个时隙，每个时隙的长度均等于内部信元的长度，时隙号与端口号对应。这样，在每一帧周期内，给每一个端口传送一个信元的机会。共享存储器要有足够高的处理速度，以便与信元流的输入速率相适配。处理时间包括识别路由标签判定输入信元应编入哪个输出队列的时间以及共享存储器的存取时间。其中影响处理速度的主要是存储器的存取时间6.4.2ATM时分交换网络(续)50FIFOFIFOFIFOAFAFAF12N12N……TD-BUSTD-BUS：时分总线AF：地址过滤器FIFO：先进先出存储器共享总线结构6.4.2ATM时分交换网络(续)2.共享媒质结构与共享存储器结构相似，共享媒质结构也是将所有输入线上到达的信元同步地复用到公共的传送媒体上（总线或环）。6.4.3基于Crossbar的交换结构1.开关矩阵型511234123412341234开关矩阵型交换网络(a)(b)6.4.3基于Crossbar的交换结构2×2开关的两种状态：bar状态和cross状态。52纵向输入横向输出纵向输出横向输入bar状态cross状态2×2开关及其状态6.4.3基于Crossbar的交换结构2.全互连型在每个输入与每个输出之间都有一条分离的路径，对于N×N的交换结构，就有N2个路径，因此又称为N2分离路径。53全互连型交换网络……12N12N12NN21…6.4.4ATM多级交换网络1.Banyan网络

1973年提出，早先用于并行计算机系统中的互连，后用于分组交换。通常将由2×2的交换单元构成的单通路网络称为Banyan网络。

Banyan网络是基于树型的拓扑结构，但每一个交换单元却是基于crossbar的结构。2×2的交换单元也具有bar和cross两种状态。546.4.4ATM多级交换网络(续)558x8的3级Banyan网络01234567012345676.4.4ATM多级交换网络(续)2.Clos网络

Clos网络属于多路径网络。可用于电路交换，也可用于快速分组交换。56Clos网基本结构1N/n1mn…1N/nmnmmnmnN/nmN/nN/nNN……6.4.5ATM交换网络的信元缓存策略1.输入缓存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FIFO排队规则。572424242412341234输入缓存及HOL阻塞现象1.输入缓存（续）①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）之后的去向空闲出线的信元也不能传送的现象。②减少FIFO阻塞现象，提高吞吐率的方法

输入缓冲器采用FIRO规则排头阻塞现象阻塞是由于FIFO规则引起，为此可采用按序进入随机取出（FIRO:FirstInRandomOut）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口的竞争。多重输入缓冲方式多重输入缓冲方式是在每条入线设置多个FIFO队列，每个队列对应于1个输出端口。58591→11→NN→1N→N………