第三章ATM网络技术

第四章ATM网络技术

（AsynchronousTransferMode）4.1ATM定义ATM是一种传递模式，在这种模式中，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。因此这种传递模式是异步的。ITU-TI.113ATMis“Atransfermodeinwhichtheinformationisorganizedintocells;itisasynchronousinthesensethattherecurrenceofcellscontaininginformationfromanindividualuserisnotnecessarilyperiodic”ATM特点不进行逐段链路差错和流量控制面向连接信头功能简单信元长度小而固定用户信息透明地穿过网络ATM的优点支持任何业务（不同速率，不同突 发性，不同实时性）有效利用网络资源（统计复用）单一通信网（B-ISDN）？？？4.2ATM协议参考模型由不同的层和面组成参考模型中的平面用户平面控制平面管理平面参考模型中的分层物理层

ATM层

ATM适配层高层协议协议参考模型中的平面用户平面实现用户数据的传递与用户数据流量相关的控制功能，如流量控制、纠错等用户平面内存在协议分层控制平面信令消息的传送呼叫控制、连接控制控制平面内存在协议分层管理平面网络的维护与操作，提供各平面的协调层管理功能，管理协议实体中的资源和参数，处理各协议层有关的OAM信息流，存在协议分层面管理功能，进行与系统全局有关的管理和各平面间的协调物理层物理媒体子层（PM）在物理媒体上正确地发送和接收比特，提供比特流传输、线路编码、比特流定时。传输会聚子层（TC）提供信元流和比特流之间的相互转换所需的功能：传输帧的生成/恢复传输帧的适配信元定界（用HEC）信头差错检验（HEC）的产生/校验信元速率解耦ATM层物理层以上，与物理介质无关主要功能信元复用/分路信元标识（VPI/VCI）翻译信元头的生成一般流量控制ATM适配层功能：增强ATM层服务，适应高层需要支持ATM层与高层间的信息映射拆装子层（SAR）将高层信息拆开装配到适当虚连接的ATM信元序列中去逆过程会聚子层（CS）消息识别定时、时钟恢复功能与业务有关业务接入点4.3ATM层标准ATM信元结构信元头（UNI--用户网络接口格式）GFC—一般流量控制（NNI--网络节点接口信元没有GFC）VCI—虚通路标志VPI—虚通道标志PTI—净荷类型指示CLP—信元丢失优先级HEC—信头差错控制净荷48字节信息段VPI和VCI传输链路VPI=1VPI=2VCI=1VCI=2VCI=1VCI=2VP/VC的带宽可以由用户任意设定VPI--VirtualPathIdentifierVCI--VirtualChannelidentifierATM传输链路上的最大虚连接数PTI--PayloadTypeATM信元分类用户信息信元OAM信元信令信元未分配信元（ATM层）和空信元（物理层）各类信元的PTI和VPI/VCI值见表4.5CLP（信元丢失优先级）

在网络拥塞期间丢弃信元的优先级CLP=0高优先CLP=1低优先

HEC（信头差错控制/

信元定界）生成多项式：

x8+x2+x+1GFC--一般流量控制GFC用来UNI接口上控制流量GFC功能周期性地阻止UNI接口上所有连接的业务流量（CyclicHALT)对受控的ATM连接进入网络的业务量进行接入控制指明UNI接口上的流量是否属于受控ATM连接UNI的ATM连接有两中工作模式：非受控模式（GFC置成0000）受控模式（GFC过程）ATM层功能提供ATM连接与交换控制保证ATM承载业务端到端的QoS预定义信元类型确定信元丢失优先级流量整形4.4ATM物理层标准PM子层--TB和SB接口 Location Rate Format-----------------------------------------------------------ITU-T UNI/NNI 155.52 STM-1 UNI/NNI 622.08 STM-4 UNI 155.52 Cellbased UNI 2.048 E1----------------------------------------------------------- UNI 1.54 DS-1ANSI/ UNI/NNI 44.736 DS-3PLCPETSI UNI/NNI 44.736 DS-3Directmapped UNI 2.048 E1 UNI/NNI 34.368 E3

PM子层--TB和SB接口(续）

location Rate Format------------------------------------------------------------------ UNI/NNI 155.52 SONET UNI/NNI 44.736 DS-3ATM PrivateUNI 100-140 FDDIPMDForum PrivateUNI 155.52 Fiber(multimode) UTP3 25 CAP16 UTP3 51 CAP16 UTP5 155.52 CAP16 CoaxPair 6.312 J2-------------------------------------------------------------------

ATM物理层接口规程基于PDH的ATM信元传输接口基于SDH的ATM信元传输接口基于其他标准的ATM信元传输接口基于ITU-TI.432的直接信元传输接口基于ATM论坛规范的信元直接传输基于ATM论坛的STS-1/UTP-3信元传输接口ATM论坛的FDDI信元传输接口基于25.6Mbit/s的直接信元传输接口UTOPIA接口基于SDH的ATM信元传输同步数字系列技术透明复用（单级复用）SDH帧中的附加开销符合设备和网络的管理需求可与PDH兼容传输速率的等级

STM-1——155.520Mbit/sSTM-4——622.080Mbit/sSTM-16——2488.320Mbit/sSDH的物理接口

STM-1——光接口或电接口

STM-4/16——光接口信元直接传输接口信元直接传输接口直接将ATM信元映射成比特流，通过数据线传输插入PL-OAM信元作维护管理用，PL-OAM信元之间的最大距离是26个信元基于ITU-TI.432的信元直接传输接口物理接口：155Mbit/s或622Mbit/s

光接口或同轴电接口基于ATM论坛规范物理接口：155Mbit/s光接口或电接口（STP/UTP）UTOPIA接口定义物理层与ATM层之间接口的标准使不同厂商提供的ATM层器件和物理层器件互通采用FIFO技术适应ATM层和物理层之间的速率差异传输会聚（TC子层）（1）传输帧适配功能帧的产生和恢复（2）信头差错控制（HEC）（3）信元定界（4）信元速率解耦TC层插入空信元(Idlecell)，使ATM层速率和物理链路速率无关空信元信头为

000-------------------0101010010

4BytesHEC

信息段内容全部为

011010104.5ATM适配层标准ATM适配层的功能增强ATM层提供的业务，以适合特殊业务的需要AAL将用户/控制/管理的协议数据单元映射到ATM虚连接中一个或多个连续ATM信元的信息段中去AAL层分为两个子层：拆装子层（SAR）——PDU到ATM信元的拆装会聚子层（CS）——与业务有关ATM适配层的业务类型分类依据源和目的之间的时间关系，比特率特性，连接方式AAL层业务分类ATM适配层类型AAL1适用于A类业务AAL2适用于B类业务AAL3/4适用于C、D类业务AAL5适用于C类业务4.6ATM交换VP交换与VC交换ATM交换在交换节点处完成，其过程包括：信息从交换节点的入线交换到出线将输入VPI/VCI值交换为输出VPI/VCI值ATM连接分为VPC和VCC，ATM交换相应分为两类：

VP交换又称交叉连接(cross-connect)，相应的设备称为交叉连接设备只提供VP连接的交换，实现输入VPI值到输出VPI值的映射被交换的VPC中所包含的所有VCC被作为整体被交换用于骨干网中大量VCC的成组交换，通常不需信令功能，通过网管控制

VC交换功能涵盖了VP交换除提供VP交换外，还提供不同VPC中各VCC之间的信息交换实现输入VPI/VCI值到输出VPI/VCI值的映射VP交换VP交换VPI=1VPI=3VPI=5VPI=2VPI=4VPI=6VCI=1VCI=2VCI=3VCI=4VCI=5VCI=6VCI=3VCI=4VCI=5VCI=6VCI=1VCI=2VC交换VC交换VP交换VCI=1VCI=2VCI=1VCI=2VCI=3VCI=4VCI=1VCI=21243VPI=1VPI=4VPI=5VPI=2VPI=3ATM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——排队问题一些基本定义交换机构

(SwitchingFabric)由相同的基本交换模块以特定的拓扑结构互连而成；只有在基本交换模块和网络拓扑确定的情况下，才能定义交换机构。基本交换模块

(BasicSwitchingBuildingBlock)也称为交换单元，是用于构造ATM交换机构的最小通用模块，相同的基本交换模块可组成交换机构。交换系统

(SwitchingSystem)任何可用于ATM信元交换的设备都可称为ATM交换系统或ATM交换机。一般地，交换系统可以由相同或不同的ATM交换单元或ATM交换机构构成。交换的实质交换的实质是将某条入线的信息输出到特定的一条或几条出线上。这里有一个“信元守恒”原理：信元到达交换机，经过一段时间后，要么已被交换到出线上，要么被存放在内部缓存中，要么在交换机内部的连线上传送，要么被丢弃。传统交换与ATM交换的差异ATM出现以前的交换方式电路交换：基于STM原理的交换（如电话交换）分组交换(X.25、帧中继等)这些技术不能直接适用于ATM交换，主要原因是ATM信息流的统计行为ATM具有极高的信息处理速度ATM信元的固定长度有限的信元头功能不同用途的ATM交换系统差异很大ATM交换系统的构成ATM交换系统的应用场合用于公用宽带网的ATM交换系统（ATMCentralOffice）用户的内部专用网（ATMLAN）ATM交换系统的构成：传输部分（传输网）在入线与出线之间传输ATM信元的物理设备完成协议参考模型中用户平面的功能控制部分在信令处理的基础上实现对传输网进行控制的设备完成协议参考模型中控制平面的功能ATM交换的基本功能信元交换ATM信元从一条入线上的某个逻辑信道上被传送到一条或多条出线的不同逻辑信道上的过程。集中/复用把N条入线上的信息组合到M条出线上。集中：物理入线数>物理出线数（N>M）复用：把多个逻辑输入通道统计复用到一条逻辑输出通道上扩展/分路集中/复用的逆操作。ATM交换的基本功能构成空分交换功能一条物理入线上的信息交换到另一条物理出线上。时分交换功能将物理入线上一个逻辑信道上的信息交换到对应物理出线上的另一个逻辑信道上。信元头交换（翻译）一个逻辑ATM信道上的信元被交换到另一个逻辑ATM信道上时（利用空分交换和时分交换），其输入信元的信元头内容也将同时会被翻译成一个与输出逻辑ATM信道相对应的信元头输出值。空分交换功能空分交换功能将信息从一条物理入线交换到到另一条物理出线上空分交换中的关键问题——路由选择（routing）在交换机内部，信息如何选择一条路由从入线到达出线空分交换ab::123Nc4ba::123Mc4时分交换功能时分交换功能入线上某逻辑信道中的信息被交换到出线上另一个逻辑信道是逻辑信道（VP/VC）的交换（而不是固定帧时隙）存在竞争问题存在多个逻辑信道竞争物理出线上同一时间片的情况，必须引入排队来解决竞争问题。排队功能——ATM交换的一个重要功能时分交换abccabFrameFrame逻辑信道逻辑信道ATM交换的基本原理akkablccmxxzyxyssQueueQueueQueue数据信头翻译表O1O2OqI1I2In输入链路VCC输出链路VCCI1xO1kyOqmzO2l::InxO1ayO2bsOqc信元头输入输出信元数据信元头信元头翻译信元被交换的同时，输入信头的值被翻译成输出信元头的值。总结一下ATM交换的基本功能构成：1、ATM交换机构最基本的两个功能是空分交换和信元头交换。2、时分交换主要解决竞争和排队问题，也就是说，交换机不能同时输出发生冲突，因此必须在适当的位置缓冲器来存贮暂时不能得到服务的信元。由于ATM交换采用统计复用，因此这种方式是必需的，以保证冲突的信元不会被丢弃。3、总的来说，ATM交换机完成的基本功能就是路由选择（空分交换）、排队和信头交换。由于这三项功能的实现方式和位置的不同，将会导致交换机设计的巨大差异。业务对宽带交换的要求宽带业务的多样性业务对宽带ATM交换的具有不同的要求，表现在：业务的信息速率几Kb/s到几百Mb/s或更高时间行为特性恒定比特率或可变比特率实时或非实时性能语义透明性：信元丢失率、误比特率时间透明性：交换时延、时延抖动其他性能参数：吞吐量、处理能力、连接阻塞广播和组播功能性能参数的需求传统交换系统吞吐能力误比特率连接阻塞交换时延呼损概率ATM交换系统吞吐能力误比特率连接阻塞交换时延呼损概率信元丢失率信元误插率时延抖动广播和组播功能广播和组播特性是宽带业务对通信网的新要求广播——信息从一个源传递到所有的目的地组播——信息从一个源传递到一组特定的目的地典型应用：电子邮件列表的分发、数字化图象库的访问、电视分配传统的电路交换的连接形式是点到点连接信息只能从一条逻辑信道交换到另一条逻辑信道上传统的分组交换也不能支持广播和组播功能业务对广播和组播功能的需求对交换系统的影响广播和组播需求是ATM交换系统设计中需要解决的一个重要问题连接阻塞连接阻塞的概念建立ATM连接时，在交换机内部有需要有足够的资源来保证新建连接的质量，这些资源包括：带宽、VPI/VCI、信头、标签……系统不能保证所有的新建连接都能获得所需的资源；在连接建立时，若交换系统在逻辑入线和出线之间找不到足够的资源，就出现连接阻塞，新建连接的请求被拒绝；连接阻塞的概率取决于交换系统中出现资源不足的概率；交换系统的连接阻塞特性，由其系统设计所决定。根据连接阻塞特性，可将交换系统分为：不存在内部连接阻塞的交换系统存在内部连接阻塞的交换系统交换时延和时延抖动交换时延交换时延是交换系统完成ATM信元交换的时间交换时延是保证时间透明性、体现交换机性能的重要因素典型的ATM交换时延应在10µs到1000µs时延抖动信元交换时延的变化值时延的抖动值小于几百微秒时延抖动的表示方法：分位点——交换时延超过某值的概率，例如：10-10分位点上的100µs的抖动，其含义是交换时延超过100µs的概率小于10-104.6.1基本交换模块基本交换模块的结构ATM交换功能由交换机构完成交换机构由基本交换模块构成基本交换模块的构成入线控制器（IC）出线控制器（OC）物理传输网络，由VLSI构成的信元高速传输交换通路ICIC传输网络OCOC基本交换模块基本交换模块的容量规模：从2x2到16x16信息速率：从155Mbit/s、622Mbit/s到2.5Gbit/s基本交换模块的容量（规模和信息速率）决定于：采用的技术工艺、设计的集成化程度基本交换模块的基本功能——排队功能基本交换模块是一个统计复用器在基本交换模块内部会出现竞争多个信元需要同时使用相同资源（如内部线路、出线等）在出现竞争时，需要对冲突的信元进行缓冲（排队）若交换模块是内部完全无阻塞的，则不需要内部缓冲为了解决对相同出线的竞争，必须在基本模块内提供排队功能排队策略信元排队和缓冲是基本交换模块的基本功能根据交换单元的结构和所需的信息速率，需要在交换单元的入线、出线或单元内部设计信元的缓冲队列交换单元中可采用三种排队策略（根据缓冲器在交换单元中的物理位置划分）：输入排队输出排队中央排队输入排队基本思想在交换单元的输入端解决可能的竞争问题。实现方式为每一条入线配置一个缓冲队列，信元在队列中排队在一个信元周期内，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输入排队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）输入排队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）在一个信元周期内，任一条出线都只能为一个信元提供输出服务，而选择该出线的其他信元必须在输入队列中等待若一条入线上的队列的排头信元因竞争失败而阻塞，该队列中的所有后续信元也被迫阻塞，即使该队列中的后续信元所选择的出线当前是空闲的。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。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输出排队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输出排队模型传输交换媒体12N12N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，保证信元的顺序输出排队的优缺点设置在出线上的队列所需的缓冲空间较小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排队策略对缓冲器的访问速度要求很高在一个信元周期内需要对队列缓冲器进行N次信元写操作和一次信元读操作。基本思想为了减少整个交换单元所需的总缓冲容量，在基本交换单元中设置一个共享的队列缓冲器，被所有的入线和出线所公用。实现方法在基本交换单元的中央设置一个队列缓冲器，被所有的入线和出线所共享来自所有入线上的全部信元都直接存入中央队列各出线从中央队列中查找目的地为其自身的信元，依照先进先出的原则取出并发送中央排队中央排队模型交换传输媒体I12N12N出线入线中央队列传输交换媒体II共享的中央队列被入线和出线所公用交换传输媒体分为两部分输入信元通过交换传输媒体I进入中央队列排队；再通过输入信元通过交换传输媒体II输出到出线。信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑。中央排队的优缺点中央队列被所有入线和出线共享，提高了缓冲器的利用率，因此大大减少队列缓冲器的总容量交换单元的控制管理复杂出线必须能够通过某种查找机制，从中央队列中找出准备输出到出线的信元必须保证中央缓冲器中的各逻辑队列具有先进先出的顺序由于对中央缓冲器的信元读写是完全随机的，因此需要一套复杂的存储器管理系统基本交换模块的类型基于矩阵结构的交换单元（空分交换，Crossbar）所有的输入线和输出线互连构成矩阵网格，信元通过网格接点并行传送。基于时分复用结构的交换单元输入线和输出线通过时分复用的方式共享传输介质或存储介质，从而实现信元交换。基于时分复用结构的交换单元又可分为：共享总线式交换单元环型交换单元中央存贮式交换单元交换结构中的资源冲突

—Outputportcontention交换结构中的资源冲突

—InternalLineBlocking交换结构中的资源冲突

—引起HeadOfLineBlocking交换结构的分类交换结构的分类

—按外部特性内部无阻塞型：如果一个外部输入端和一个外部输出端是空闲的，则一定可以找到空闲的内部通道将输入端和输出端连接起来。内部阻塞型：如果一个外部输入端和一个外部输出端是空闲的，不一定可以找到空闲的内部通道将输入端和输出端连接起来。交换结构的分类

—时分复用交换交换结构中的内部资源被所有从输入到输出的信元分时共享，即时分复用。这种内部资源可以是一个总线，也可以是一个缓存。时分复用交换结构可以分为共享媒介型和共享缓存型。共享媒介可以是总线或环。交换结构的分类

—空分交换在时分复用交换中，所有从输入端到输出端的信元经过的是同一个通道。在空分交换中，从输入端到输出端有多条通道，这些通道可以同时工作，多个信元可以同时从输入端到输出端。空分交换结构的交换容量等于通道的带宽乘以可以同时工作的通道数目。因此，扩容的方法就是提高通道的带宽和提高可以同时工作的通道数目。空分交换又分为单路径和多路径。单路径空分交换结构中，从一个输入端到一个输出端，只有一条路径；多路径空分交换结构中，则有多条。空分多路径交换结构交换结构分类—按缓存位置缓存在输入端的Crossbar缓存在交叉点的Crossbar基于矩阵结构的交换单元ICICICIC123NOCOCOCOC12N3环型交换单元ICIC12ICNOCOCOC12N端口速率K，环速率R可小于NxK环型介质时隙环型交换单元环式拓扑结构，所有IC和OC通过环型介质连接环上划分多个时隙（slot），每个时隙可装载一定量的信息一个信元周期中，多个IC可以利用介质环上的不同时隙来传送信元介质的利用率高介质的工作速率可以低于各输入端口的速率之和介质环的工作速率越高，可划分时隙数越多，吞吐量越大实现比总线式交换单元复杂提高环型介质的位宽，可增加交换单元的吞吐率输出端口需要增加缓冲存储器（输出排队）输入端口需要信元缓冲器，用于信元暂存和速率匹配ICIC12ICNOCOCOC12N共享存储器中央存贮式交换单元中央存贮式交换单元IC和OC以时分复用方式共享存储器中央排队模型输入信元通过IC写入公共缓冲存储器中，OC也从公共缓冲存储器中读取信元，存贮器的控制比较复杂大大节省存储空间，但缓冲存储器的访问速度很高采用提高信息处理位宽的方式来降低存贮器访问速率，即在IC和OC中完成信元数据的串-并/并-串转换中央存贮式交换单元ICIC12ICNOCOCOC12NMUXDEMUX共享存储器存储器控制器4.6.2单级交换网络单级交换网络的特征：信元从输入到输出的过程中，只需要经过一次确定传输路径的过程单级结构的交换网络包括：扩展交换矩阵网络混合式互换网络扩展交换矩阵网络NxNNxNNxNNxNNxNNxNNxNNxNNxNNNNNNN01M-101M-1输入端口输出端口（NxM）队列缓存混合式互换网络0123456701234567输入端口输出端口反馈回路4.6.3多级交换网络多级互连网（MIN）由基本交换模块构成2x2到32x32使用大规模的基本交换模块可以减少交换机构的级数交换网络中信元从输入端到输出端至少需要经过两次以上的过程来确定传输路径入线到出线的全连通性内部通路的共享基本交换模块3-stageMIN多级互连网的路由标签信元在MIN中从入线到出线所走过的路由可以用一串数字来表示，即称为路由标签012345678910111213141501234567891011121314150010001001100110交换网络（MIN）中的路由MIN需要解决的关键性问题——路由选择可以根据两个标准来划分MIN中的选路方法根据路由信息安放的位置根据完成选路决策的时间根据路由信息安放的位置基于信元：信元自寻路（self-routing）方式基于网络：路由表控制（routingtablecontrolled）方式根据完成选路决策的时间基于连接：内部面向连接，路由在连接建立时确定基于信元：每个信元逐个进行路由选择如何确定路由方式四种组合的路由选择的方法：

I：基于连接的路由标签 II：基于信元的路由标签法III：基于连接的路由表控制 IV：基于信元的路由表控制应采用的路由选择策略：合理地将业务量分配到MIN

中，使其内部阻塞率降低随机选择、根据目的地选择路由选择机构的设计集中式路由选择，由中央处理机进行通路搜寻分布式逐级选择，根据各交换单元的资源占用情况逐级