现代交换网络 ch07 ATM交换技术

第七章

ATM交换与B-ISDN网络1主要内容ATM与B-ISDN的产生与发展ATM基本原理ATM交换技术2学习要点：

1、掌握ATM的信元结构、信元传输（异步传送模式）的特点。

2、掌握在ATM中为何要采用固定长度的信元结构。

3、了解ATM所支持的业务类型。

4、了解ATM协议的分层结构、协议构成及其功能。

5、掌握ATM交换系统的基本交换原理。

6、掌握ATM交换系统的结构及其特点。

7、了解ATM交换网络的构成方式、结构特点以及常用类型。

8、了解ATM交换网络的控制策略。31）B-ISDN的提出——通信网的发展N-ISDN的局限性：

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。

B-ISDN的提出：

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。

1、ATM与B-ISDN的产生与发展42）B-ISDN网对传送模式的要求

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1、ATM与B-ISDN的产生与发展53）ATM与B-ISDN的产生和发展1983年，美国贝尔实验室的TurnerJ.等人提出了快速分组交换（FPS－FastPacketSwitching）原理，研制了原型机。同年，法国CoudreuseJ.P.提出了ATD交换概念，并在法国电信研究中心（CNET）研制了演示模型。80年代中期，ITU也开始了这种新的传送模式的研究。1988年，ITU18研究组决定采用固定长度的信元，定名为ATM，并认定B-ISDN将基于ATM技术。1990年，ITU18研究组制定了关于ATM的一系列建议，并在以后的研究中不断地深入和完善。1、ATM与B-ISDN的产生与发展61994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ATM宽带网。在欧洲由法国、德国、英国、意大利和西班牙等国发起的泛欧ATM宽带试验网，于1994年11月开始运行，后来扩大到欧洲的十多个国家，是覆盖面较广的ATM试验网在亚洲的日本、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东、北京和上海电信管理局也进行过以ATM为基础的宽带网试验。试验的业务平台有基于TCP／IP的宽带数据、VOD、会议电视。试验的应用系统大致有家庭购物、远程医疗、远程教学等。

1、ATM与B-ISDN的产生与发展7

4）公用网的ATM交换系统公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性，吞吐量通常为40~160G。应能支持各种接口、业务和连接类型，并具有保证服务质量（Qos）的业务流控制功能。

富士通FETEX-150、爱立信的AXD301、西门子的MainStreetXpress、阿尔卡特的1000AX等。1、ATM与B-ISDN的产生与发展8

5）研究热点

ATM交换结构ATM网的业务流控制话音通过ATM（VOA）IP与ATM的融合ATM与智能网（IN）的结合光ATM交换

1、ATM与B-ISDN的产生与发展92、ATM基本原理ATM信元及其结构异步时分复用技术面向连接的工作方式ATM标准化协议102.1ATM信元及其结构1）信元结构：信元由5字节信头和48字节信息段（净荷）组成。发送次序87654321比特

1…56……………….53发送次序信头（5字节）信息段（48字节）112）UNI的信头结构：GFC（GenericFlowControl）：

一般流量控制字段（4个比特）及相应的GFC功能用于接入的流量控制。由于B-ISDN的UNI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。GFC比特87654321VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP123452.1ATM信元及其结构12VPI/VCI（VirtualPathIdentifier/VirtualChannelIdentifier）：

选路信息。PT（PayloadType）：

有3个比特，表示净荷类型。CLP（CellLossPriority）：

表示信元丢失优先级，只有一个比特，CLP=0，表示高优先级；CLP=1,表示低优先级，若遇到拥塞要丢弃信元时，CLP=1的信元将首先丢弃。HEC（HeadErrorControl）：

为1个字节，用于信头差错控制。2.1ATM信元及其结构133）NNI的信头结构：

NNI信头不需要GFC字段，从而使VPI扩展为12比特。比特87654321VPIVPIVCIVCIVCIPTHECCLP123452.1ATM信元及其结构142.2异步时分复用技术STD（SynchronousTimeDivision）：

通过时间位置来区别每一个逻辑信道ATD（AsynchronousTimeDivision）：通过标记来区别每一个逻辑信道151）虚通道与虚信道：

ATM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）2.3面向连接的工作方式

162.3面向连接的工作方式

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）

172）VPC（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。2.3面向连接的工作方式

18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VPIXVPIyVPIZ2.3面向连接的工作方式

193）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。

2.3面向连接的工作方式

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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。

2.3面向连接的工作方式

212.3面向连接的工作方式VP交换和VC交换：VP交换时，VPI的值要改变，而其中所包含的VCI值不变。VC交换时，VPI和VCI的值都要改变。完成VP交换的ATM节点设备就是ATM交叉连接设备。完成VC交换的ATM节点设备就是ATM交换机。222.3面向连接的工作方式

ATM连接的建立过程。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23ATM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。2.3面向连接的工作方式

242.4ATM协议参考模型物理层ATM层ATM适配层高层高层控制面用户面管理面面管理层管理25B-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，采用分层结构。控制面（ControlPlane）：

提供呼叫和连接的控制功能，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。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。2.4ATM协议参考模型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、物理媒体汇聚分段与重组物理层2.4ATM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）传输汇聚子层（TC：TransmissionConvergenceSublayer）物理媒体相关子层（PMD）的功能：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。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。2.4ATM协议参考模型28②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。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）。④信元速率去耦

为了使ATM层传送信元的速率不受传输媒体速率的影响，可以在发送端物理层插入空闲信元（idlecell），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。2.4ATM协议参考模型29ATM层：

ATM层的主要功能是负责信元的交换、选路和复用。具体为：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2.4ATM协议参考模型303、ATM交换技术ATM交换的基本原理ATM交换系统的基本结构ATM交换结构313.1ATM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。输出信道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。ATM逻辑信道具有两个特征：物理端口（线路）编号VP与VC标识符为了提供交换功能，输入物理端口必须与输出物理端口相关联；输入VPI/VCI与输出的VPI/VCI相关。ATM交换系统执行三种基本功能：信头翻译、路由选择和排队32信头变换：

信头变换主要是指VPI/VCI值的变换，即入VPI/VCI变换为出VPI/VCI。VPI/VCI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中的信息被传送到出线上的另一逻辑信道中去。为了实现信头变换，应建立翻译表。选路：

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。信头变换加上选路功能，才能实现ATM交换结构的交换功能。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VPI/VCI值。这些是在连接建立阶段写入的。排队：

由于是异步时分交换，在连接建立后的传送信息阶段，经常会发生在同一时刻有多个信元争抢公用资源的情况，例如争抢出线或交换结构中的内部链路。因此，ATM交换系统需要有排队功能，以免在发生资源争抢时丢失信元。3.1ATM交换的基本原理33XYZSXXYSKKNGMGILI1I2INO1O2Oq信头/链路翻译表…..输出信头…..…..ATM交换的基本原理输入链路输入链路时隙时隙XYZO1OqO2I1KMLNIGXYSO1O2OqIn…..输入信头3.1ATM交换的基本原理34ATM交换网络接口单元接口单元接口单元接口单元………………处理机控制部分ATM交换系统基本结构控制子系统信元传送子系统3.2ATM交换系统的基本结构输入端口输出端口35信元传送子系统——接口设备：一般由接口电路和信元集中级或信元复用器组成。1）输入侧：

接收输入信元，输入侧接口设备的主要功能为：物理层功能：光电信号的转换与同步（若采用SDH/SONET物理接口）

数字比特流的恢复信元定界和差错控制信元速率解耦（丢弃空闲信元）净荷的解扰3.2ATM交换系统的基本结构36ATM层主要功能：

VPI/VCI值的有效性检查及翻译信头差错检查

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3.2ATM交换系统的基本结构372）输出侧：执行与输入侧相反的功能，输出侧比输入侧较为简单，主要功能是为ATM信元流的物理传输作准备。其主要功能包括：

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信元速率匹配（加入空闲信元）传输帧的形成光电信号转换3.2ATM交换系统的基本结构383.2ATM交换系统的基本结构信元传送子系统——ATM交换结构：

交换结构实现交换连接功能，具体说来就是信头变换、选路和排队的功能，用户信息、信令消息和处理机之间的的控制信息都可通过交换结构来交换。控制子系统：

主要是由处理机系统及各种控制软件组成，其中主要包括呼叫控制软件与操作管理维护（OAM）软件。呼叫控制软件主要完成呼叫连接的建立和拆除，包括寻址、选路、交换网络的控制等功能，含UNI和NNI接口的信令处理。OAM软件主要完成对交换系统的操作维护，具体包括配置管理、计费管理、性能统计、故障处理等功能。393.3ATM交换结构（交换网络）ATM网络的基本结构

ATM网络是由ATM链路连接的ATM节点和ATM终端组成。这里所说的ATM终端还包括了ATM终端系统、ATM用户设备和ATM用户接入网等系统。

40ATM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1）ATM交换结构类型3.3ATM交换结构（交换网络）41共享存储器：

存储器为所有输入端口和输出端口共用，从各个输入到达的信元通过复用器被复用成单一的输入信元流而写入共享存储器，在存储器内部划分为若干个队列，每个队列对应于一个输出端口，在写入时，应按照各个信元的目的端口写入相应的队列，在写入的同时，按顺序从各个输出队列读出队首的信元而形成输出的信元流，经分路后传送到各个输出端口。存储器复用分路12…N12…N共享存储器结构3.3ATM交换结构42共享媒体：

与共享存储器结构相似，共享媒体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）。FIFOFIFOFIFOAFAFAF12N12N……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3.3ATM交换结构43基于crossbar的交换结构（见第二章交换网络相关内容）基于banyan的交换结构（见第二章交换网络相关内容）

多通路交换结构（见第二章交换网络相关内容）3.3ATM交换结构442）ATM交换结构的缓冲策略：缓冲策略或称为排队策略，是ATM交换结构设计中的重要问题，它分为外部缓冲方式和内部缓冲方式：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，而是设置在交换结构的外部。外部缓冲主要有输入缓冲、输出缓冲、输入与输出缓冲、环回缓冲等四种方式。1）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，通常遵循FIFO排队规则。3.3ATM交换结构交换结构……1N1N输入缓冲45①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。

3.3ATM交换结构462）输出缓冲：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阻塞交换结构最好使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N，考虑到最不利情况，每个出端在一个时隙中最多应可接收N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，于是引入了加速因子的概念。加速因子等于N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，在合适的加速因子取值下，可以得到高吞吐率和良好的性能。3.3ATM交换结构交换结构……1N1N输出缓冲47交换结构…1N输入与输出缓冲…1N3.3ATM交换结构2）输入与输出缓冲：

484）环回缓冲：

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轮的竞争。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。3.3ATM交换结构交换结构……1N环回缓冲…1N49内部缓冲：内部缓冲是将缓冲器设置在交换结构的内部。采用内部缓冲的多级有阻塞网络可以减少信元丢失，但是也有两个主要缺点：一个是增加了信元的时延和时延抖动；另一个是对于多通路网络，如果属于同一虚连接的信元在交换结构选用不同的通路（内部无连接选路），则会发生信元失序现象。

多级有阻塞结构中交换单元的缓冲方式有：输入缓冲、输出缓冲、交叉点缓冲和共享缓冲等方式。输入缓冲输出缓冲3.3ATM交换结构50交叉点缓冲共享缓冲3）ATM交换结构的选路方法在每个