第七章 ATM交換與寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)

第八章ATM交換和B-ISDNATM與B-ISDN產(chǎn)生與發(fā)展ATM基本原理ATM交換技術(shù)寬帶綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)1傳輸速率和交換模式限制了具有更高速率和可變速率業(yè)務的提供，已不能適應未來通信網(wǎng)發(fā)展的需要。

7.1ATM與B-ISDN產(chǎn)生與發(fā)展N-ISDN局限性能夠提供具有更高傳輸速率的傳輸信道；更先進的傳送模式。B-ISDN的提出2業(yè)務帶寬跨度大，從幾十到幾兆比特/秒；不同業(yè)務的突發(fā)特性不同；各種業(yè)務的實時性要求不同；各種業(yè)務對錯誤的敏感性不同；不同業(yè)務要求不同的連接方式。

ATM與B-ISDN產(chǎn)生與發(fā)展B-ISDN業(yè)務的特征3B-ISDN對傳送模式的要求對信息的損傷要小具有時間透明性(信息傳送的時延和時延抖動要小)具有語義透明性(由傳送引起的信息丟失和差錯要小)能靈活地支持各種業(yè)務具有高速傳送信息的能力ATM與B-ISDN產(chǎn)生與發(fā)展4ATM概念？ATM（AsynchronousTransferMode）異步轉(zhuǎn)移（傳送）模式

ATM是一種在網(wǎng)絡中以信元為單位進行統(tǒng)計復用、交換和傳輸?shù)募夹g(shù)。在這種傳送模式中，信息被分成信元來傳遞，而包含同一用戶信息的信元不需要在傳輸鏈路上周期性地出現(xiàn)。ATM與B-ISDN產(chǎn)生與發(fā)展5采用異步時分復用方式，動態(tài)分配帶寬采用面向連接的方式（虛電路）取消了逐段差錯控制和流量控制，在需要時由終端完成。信元長度固定，簡化了對緩沖隊列的管理信頭的功能簡化ATM特點？ATM與B-ISDN產(chǎn)生與發(fā)展67.2ATM基本原理7.2.1ATM信元及其結(jié)構(gòu)7.2.2異步時分復用技術(shù)7.2.3面向連接的通信方式7.2.4ATM協(xié)議參考模型7ATM信元結(jié)構(gòu)7.2.1ATM信元及其結(jié)構(gòu)8

ATM信元信頭結(jié)構(gòu)

9ATM信元類型

ATM信元的凈荷類型PTI值凈荷類型000無擁塞的用戶信元,ATM層間指示=0001無擁塞的用戶信元,ATM層間指示=1010有擁塞的用戶信元,ATM層間指示=0011有擁塞的用戶信元,ATM層間指示=1100VC的OAM信元(用于傳輸通道)101VC的OAM信元(用于端到端的傳輸)110資源管理信元(用于改變正在使用的帶寬)111備用10ATM特殊信元

空閑信元（VPI=0，VCI=0，CLP=1，凈荷=48個“01101010”）：物理層產(chǎn)生的空信元。

未分配信元（VPI=0，VCI=0，CLP=0）：ATM層產(chǎn)生的空信元。

物理層OAM信元（VCI=3，4）：用于物理層的操作維護。

元信令信元（VCI=1），通用廣播信令信元（VCI=2），點對點信令信元（VCI=5）：信令信元，用于呼叫控制和建立連接等。11同步時分復用：多個邏輯子信道共享一條物理鏈路，屬于同一邏輯子信道的信號按照一定時間間隔周期性地出現(xiàn)，按照時隙位置識別信道。異步時分復用：屬于同一邏輯信道的信號在傳輸線上不對應固定的時隙，也不是按周期出現(xiàn)，信息識別按照信頭的標記區(qū)分。7.2.2異步時分復用12

異步轉(zhuǎn)移模式特點采用統(tǒng)計復用的方式，信元動態(tài)占用信道，提高了信道利用率；（比較電路交換）信元長度一定，達到位置化復用的效果，便于快速識別信元頭，減少處理時延；（比較分組交換）信元頭中含有地址/路由信息（虛通路），同一用戶的信息沿同一路徑傳輸，不存在隨機延遲，實時性強。（比較分組交換）13虛通道VP和虛信道VC的關系7.2.3面向連接工作方式每段物理鏈路內(nèi)包含多個VP每個VP通過復用可容納多個VCATM傳輸通道可分割成若干個邏輯子信道，為便于應用和管理，邏輯子信道可按兩個等級來劃分：虛通道（VP--VirtualPath）虛信道（VC--VirtualChannel）14VPI/VCI通過VPI/VCI可唯一的標識一個邏輯子信道15VCC（VirtualChannelConnection）是VCC端點之間的VC級端到端的連接，由多條VC鏈路串接而成，VCI（虛信道標識）用來識別一條VC。VPC（VirtualPathConnection）是VPC端點之間的VP級端到端的連接，由多條VP鏈路串接而成，VPI（虛通道標識）用來識別一條VP。VPC和VCC16虛信道連接（VCC）虛通道連接（VPC）VC鏈路VC鏈路VC鏈路VCIXVCIyVCIZVP鏈路VP鏈路VP鏈路VPIXVPIyVPIZVPC和VCC17ATM網(wǎng)絡的選路概念18

ATM的VPI/VCI19

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

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

ATM連接的建立在源ATM端點與目的ATM端點進行通信前的連接建立過程，實際上就是在這兩個端點間的各段傳輸通道上，找尋空閑VC鏈路和VP鏈路，分配VCI與VPI，建立相應VCC與VPC的過程。22ATM虛連接建立的方式有兩種方式：永久虛連接（PVC：PermanentVirtualConnection）

交換虛連接（SVC：SwitchingVirtualConnection）PVC是由管理面控制建立的永久和半永久連接，用戶在傳送信息前不需要建立過程。SVC是由信令控制建立的連接，用戶在傳送信息前要建立連接，信息傳送完畢則拆除虛連接。VPC和VCC都可有PVC和SVC的虛連接。

虛連接的建立方式23

7.2.4ATM協(xié)議參考模型提供呼叫控制和連接控制功能，利用信令進行呼叫和連接的建立和釋放面管理實現(xiàn)與整個系統(tǒng)有關的管理功能，并完成各個面之間的協(xié)調(diào)功能完成與各協(xié)議實體的資源與參數(shù)相關的管理功能，并處理各層中OAM信息流負責用戶信息的傳送，采用分層結(jié)構(gòu)24

ATM協(xié)議參考模型完成傳輸信息功能完成信元交換、選路和復用功能將高層業(yè)務信息或信令信息適配成ATM信元根據(jù)不同業(yè)務特點所完成的應用層功能25

ATM網(wǎng)絡

承載業(yè)務的概念（用戶面）

26一般流量控制、信頭產(chǎn)生/提取信元VPI/VCI翻譯、信元復用和分路信元速率適配信頭差錯校驗（HEC）信元定界傳輸幀產(chǎn)生/恢復AALCSSARATM層TCPM在物理媒體上正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)比特，線路編碼、光電轉(zhuǎn)換匯聚子層，對高層適配服務分段與重組子層，對數(shù)據(jù)信息分段/重組物理層

ATM協(xié)議參考模型27物理層負責通過物理媒體正確、有效地傳送信元。它可劃分為２個子層：物理媒體相關子層（PMD：PhysicalMediumDependentSublayer）

提供與傳輸媒體有關的機械和電氣接口，正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)比特，負責線路編碼、比特定時等功能。傳輸匯聚子層（TC：TransmissionConvergenceSublayer）（1）物理層28

①傳輸幀的產(chǎn)生/恢復與適配：在發(fā)送端要將信元流封裝成適合傳輸系統(tǒng)要求的幀結(jié)構(gòu)送到PMD子層，在接收端則將PMD子層送來的比特流（傳輸幀）恢復成信元流；并在信元流與傳輸幀轉(zhuǎn)換時完成格式的適配。物理層②信頭差錯控制（HEC:HeaderErrorControl）：對信頭前４個字節(jié)作循環(huán)冗余校驗（CRC）。在發(fā)送端是按CRC算法生成１字節(jié)的HEC碼，在接收端按同樣算法進行檢驗。29物理層③信元定界和擾碼：用一定的方法識別信元的邊界。為防止信元的信息段出現(xiàn)偽HEC碼而影響正確的定界，可對信息段進行擾碼(scrambling)操作，在接收端再以相反的操作進行解擾（descrambling）。④信元速率去耦:在發(fā)送端物理層插入空閑信元，以將ATM層信元流的速率適配成傳輸媒體的速率。在接收端，通過特定的預分配信頭值，可以識別出空閑信元予以丟棄，并不送往ATM層。30ATM層的主要功能是負責信元的交換、選路和復用信元的復用與交換服務質(zhì)量保證實現(xiàn)凈荷類型有關的功能一般流量控制(2)ATM層311）AAL的功能：ATM適配層（AAL）在ATM層之上增加適配功能，使ATM信元傳送能夠適應不同業(yè)務，并將高層的不同業(yè)務數(shù)據(jù)單元分割成固定的長度裝入ATM信元的信息段，反向傳送時完成逆過程。(3)ATM適配層2）AAL的業(yè)務分類：AAL的功能和規(guī)程與業(yè)務有關，不同的業(yè)務需要不同的AAL規(guī)程。為了減少AAL規(guī)程的數(shù)量，將業(yè)務按照以下３個特性進行分類：①源與終點之間的定時關系：需要或不需要；②比特率：固定或可變；③連接方式：面向連接或無連接。32ATM適配層33AAL的功能可以分為兩個邏輯子層：

AAL的基本結(jié)構(gòu)分段和重組子層（SAR：SegmentationAndReassembly）

分段和重組子層可簡稱為拆裝子層，其主要功能是將高層信息進行分割，以適合于裝入ATM信元的信息段，或者反之。匯聚子層（CS：Convergence

Sublayer）匯聚子層的主要功能是在AAL業(yè)務接入點（SAP）對高層提供AAL的服務，其具體功能與業(yè)務類型有關。34AAL1支持對時延敏感的恒定比特率業(yè)務（話音）。AAL1的協(xié)議結(jié)構(gòu)35AAL3/4的協(xié)議結(jié)構(gòu)AAL3/4的CS又繼續(xù)分為公共部分會聚子層CPCS業(yè)務特定會聚子層SSCS，SSCS隨業(yè)務不同而改變。3637ATM適配層—AAL5AAL5是一種簡化的AAL3/4規(guī)程中復雜的序號與差錯控制機制，支持面向連接的可變比特率的數(shù)據(jù)業(yè)務，對信令與數(shù)據(jù)業(yè)務進行適配。分段與重組SAR子層會聚子層CS業(yè)務無關的公共部分子層CPCS業(yè)務相關的業(yè)務特定會聚子層SSCS。根據(jù)業(yè)務而定，可以為空。38AAL5數(shù)據(jù)適配過程397.3ATM交換技術(shù)ATM交換的基本原理ATM交換網(wǎng)絡ATM交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ATM呼叫控制信令407.3.1ATM交換的基本原理

ATM交換是指ATM信元從輸入端的邏輯信道到輸出端的邏輯信道的消息傳遞。即任一入線上的任一邏輯信道的信元能夠交換到任一出線上的任一邏輯信道上去。信頭翻譯路由選擇排隊ATM交換系統(tǒng)三種基本功能：41數(shù)據(jù)傳送過程中，任一入線信息可被交換到任一出線，具有空間交換的特征（選路）數(shù)據(jù)傳輸過程中，對從入線來的ATM信元根據(jù)路由表被交換到目的出線上，信頭VPI/VCI值由輸入值被翻譯成輸出值。（信頭翻譯）ATM采用異步轉(zhuǎn)移模式，某一時刻會有多個信元爭搶公共資源情況（出線競爭/內(nèi)部鏈路競爭），需要設置緩沖器，提供排隊功能

。（排隊）ATM交換的基本原理427.3.2ATM交換系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)實現(xiàn)信元交換功能：信頭變換、選路和排隊的功能呼叫控制軟件完成呼叫連接的建立和拆除。OAM軟件完成對交換系統(tǒng)的操作維護，配置管理、計費管理、故障處理43輸入接口功能44

輸入接口物理層功能：

光電信號的轉(zhuǎn)換與同步（采用SDH/SONET物理接口）

信元定界和差錯控制

信元速率解耦（丟棄空閑信元）

ATM層功能：

VPI/VCI值的有效性檢查及翻譯

輸出端口的確定

區(qū)分信令信元、用戶信元和OAM信元并作相應的處理45輸出接口功能46

輸出接口ATM層功能：HEC域的產(chǎn)生并裝入信頭

信令信元、OAM信元和用戶信元流的混和輸出物理層功能：

信元速率匹配（加入空閑信元）

傳輸幀的形成

光電信號轉(zhuǎn)換

47ATM交換機構(gòu)時分交換網(wǎng)絡空分交換網(wǎng)絡共享存儲器共享總線型單通路多通路基于banyan擴展banyan復份banyanBenesClos緩沖型無緩沖型1）ATM交換結(jié)構(gòu)類型7.3.3ATM交換網(wǎng)絡48ATM交換系統(tǒng)的構(gòu)成ATM交換機構(gòu)基本交換模塊交換機構(gòu)由相同的基本交換模塊以特定的拓撲結(jié)構(gòu)互連而成設計中需要解決的主要問題——路由選擇基本交換模塊用于構(gòu)造交換機構(gòu)的最小通用模塊設計中需要解決的主要問題——

排隊問題49ATM交換網(wǎng)絡的緩沖策略緩沖策略或稱為排隊策略，是ATM交換結(jié)構(gòu)設計中所要涉及的重要內(nèi)容之一。緩沖策略一般包括這樣四個方面的內(nèi)容：緩沖器的設置方式(緩沖方式)緩沖器的數(shù)量隊列的存取控制緩沖器的管理50緩沖方式ATM交換網(wǎng)絡的緩沖策略(1)外部緩沖輸入緩沖輸出緩沖輸入與輸出緩沖環(huán)回緩沖緩沖器設置在交換結(jié)構(gòu)的外部(2)內(nèi)部緩沖

共享緩沖交叉點緩沖緩沖型banyan緩沖器設置在交換結(jié)構(gòu)的交換單元內(nèi)部51外部緩存(1)——輸入緩存基本思想在交換單元的輸入端解決可能的競爭問題。實現(xiàn)方式在交換網(wǎng)絡的每個輸入端口（入線）設置緩沖器，每個緩沖器中信元采用FIFO的排隊規(guī)則;在一個信元周期內(nèi)，如果出現(xiàn)多個入線上的信元競爭同一的出線時，則由一個仲裁邏輯來決定哪些入線隊列中的信元是允許通行的，而其他隊列中的信元需要等待;經(jīng)過仲裁后的信元不會再出現(xiàn)競爭。52

輸入緩存模型傳輸交換媒體仲裁邏輯12N12N出線入線輸入隊列每條入線一個緩沖隊列信元在入線排隊交換傳輸媒體是一個無阻塞的傳輸網(wǎng)絡仲裁邏輯決定可以得到服務的入線仲裁策略輪流服務、具有優(yōu)先級（固定優(yōu)先級或隊列長度優(yōu)先等）53

輸入緩存的缺點在入線處的隊列將需要更多的緩沖容量存在隊頭阻塞（HOL）一個信元周期內(nèi)，通過交換傳輸媒體傳輸?shù)男旁獢?shù)P不超過交換單元的入線總數(shù)N，即PN。由于存在HOL阻塞，在隨機的均勻業(yè)務流模型下，當入線數(shù)目N很大的時候，采用FIFO規(guī)則的輸入緩沖方式的吞吐率為58.6%。在輸入排隊模型中，仲裁邏輯是必須的用于確定可以得到服務的入線54在每個輸入緩沖器設定一個寬度為W的窗口，W意味著在一個時隙內(nèi)每個輸入隊列可以有W個信元依次參與出線競爭。競爭仲裁時間可進一步劃分為W個子區(qū)間，在第一個子區(qū)間，由所有輸入隊列的排頭信元進行出線競爭，若有占用的出線則在第二個子區(qū)間進行第二次出線競爭，以此類推，直到所有的出線均被占用或者窗口已經(jīng)用盡。HOL阻塞改進方式——窗口55采用窗口方法的輸入緩沖結(jié)構(gòu)56外部緩存（2）——輸出緩存基本思想來自入線的信元可以自由通過交換傳輸媒體傳送（交換）到所需的出線上，在出線上設置緩沖隊列解決多信元對出線的競爭。實現(xiàn)方法在一個信元周期內(nèi)，所有信元都可無需仲裁地從入線到達所需的出線每條出線配置一個隊列，以便緩沖同時到達的競爭該出線的多個信元一個信元周期內(nèi)，一條出線只能為一個信元服務，未服務的信元將暫存在該出線的輸出隊列中57輸出排隊模型傳輸交換媒體01N-101N-1出線入線輸出隊列交換傳輸媒體無阻塞的傳輸網(wǎng)絡，信元通過傳輸媒體時無需仲裁邏輯每出線配置一個緩沖隊列信元在出線處排隊，采用FIFO原則，保證信元的順序58輸出排隊的優(yōu)缺點去往同一條出線的多個信元可以在同一個信元周期內(nèi)交換到出線上，不存在隊頭阻塞；不需要仲裁邏輯；

為保證沒有信元丟失，在傳輸交換媒體中信元的傳輸交換的速率必須N倍于入線的速率；輸出緩沖能在一個時隙內(nèi)可以接收交換到該輸出端口的最大信元數(shù)目，我們稱之為加速因子，極限情況是……加速因子的值越大，對處理速度和存儲器的存儲速率要求就越高，一般1<K<N，這樣每個輸出端口最多只能接收K個信元，如果有多于K個信元去向同一個端口，就要按照一定準則選取其中的K個信元，其余的丟棄。

59外部緩存(3)——輸入輸出緩沖輸入輸出緩沖綜合了輸入緩沖與輸出緩沖的優(yōu)點。假設其加速因子為L（1<L<N）(N為輸入端口數(shù)目)，則其輸出緩沖器在一個信元時隙內(nèi)最多能接收L個信元，若在某一時隙內(nèi)有超過L個信元要交換到同一個目的端口，這些超過的信元將會被存儲在輸入緩沖器中，而不像輸出緩沖方式中那樣把它們丟棄。60環(huán)回緩沖包括環(huán)回端口以及環(huán)回緩沖器。當出線競爭發(fā)生的時候，在競爭中失敗的信元會通過環(huán)回端口存儲在環(huán)回緩沖器中，并且通過環(huán)回端口在下一時隙與新到來的信元重新進行競爭。外部緩存(4)——環(huán)回緩沖61

環(huán)回緩沖存在信元失序的問題。當競爭失敗的信元通過環(huán)回重新競爭的時候有可能打斷ATM信元的順序。環(huán)回緩沖要求進入交換網(wǎng)絡的每一個信元賦上一個優(yōu)先數(shù)值（數(shù)值越大，優(yōu)先級越高），當競爭失敗的信元進入環(huán)回時，其優(yōu)先數(shù)值將會加1，這就保證了在環(huán)回緩沖中的信元有較高的優(yōu)先級，在下一輪的競爭中能夠成功。環(huán)回緩沖的問題62內(nèi)部緩沖的緩沖器是設置在交換網(wǎng)絡內(nèi)部。主要有：共享緩沖交叉點緩沖緩沖型banyan存儲器復用分路12…N12…N共享緩沖結(jié)構(gòu)內(nèi)部緩存63內(nèi)部緩存交叉點緩沖：緩沖器設置在交叉點中64內(nèi)部緩存緩沖型banyan

：在交換單元（SE）內(nèi)部設置緩沖。用來存儲在內(nèi)部競爭中失敗的信元，減少信元丟失率65交換網(wǎng)絡的選路方法是指有效控制和正確引導從輸入端口進入交換網(wǎng)絡的信元正確地傳送到所需的輸出端口的方法。在有多級互聯(lián)網(wǎng)絡中，選路控制有兩種方法：自選路由和表格控制選路。ATM交換網(wǎng)絡的選路方法66

自選路由是給每個到來的信元在進入交換網(wǎng)