（电路与系统专业论文）基于knockout交换结构的快速查表ATM交换单元的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 信息化时代，通信网络是信息传递的重要媒介。传统通信网中，对语音、 数据、图像、视频等多种业务分别采用不同特性的通信方式进行传输。然丽随 着社会的发展，单一特性的网络已无法满足信息化进程的需求。多元化的信息 需要在同一网络中高速传递，由此提出了综合业务数字网i s d n 的概念。如今以 光纤为通信介质的宽带综合业务数字网b - i s d n 已成为通信网络的主要发展方 向，其核心技术异步转移模式a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 具有能够动态 分配信道频带，充分利用信道带宽，可适应从低速率到高速率的宽带业务要求 等特点，能实现高速率、高吞吐率和高服务质量的信息交换，因此得到了广泛 应用。 蛆m 交换结构是实现舰娅交换的关键技术之一。本文在深入研究a t m 的基本 理论、a t m 交换结构、a t m 交换结构控制机理及多级交换网络设计原理的基础上， 提出一种基于k n o c k o u t 交换结构、利用快速查表实现a t m 交换的设计方法。该 设计方法采用n 2 分离通路的模块化无阻塞互连结构，实现起来较简单且允许入 线具有较高的传输速率。并利用该设计方法设计了一种基于快速查表算法的出 v h d l 描述的a t m 交换单元。设计中使用快速查表，提高了查表效率，降低了别 处理速度的要求。本文采用自顶向下( t o pd o w n ) 的层次化设计方法，运用可 综合的硬件描述语言v h d l 对a t m 交换单元中的各个功能模块分别进行描述，并 利用e d a 软件进行了功能仿真与逻辑综合，设计出了8 8 的a t m 交换单元，并 可依据该交换单元设计出n n 的a t m 交换单元及多级交换网。 本设计采用的仿真设计环境是m o d e l s i m5 6 ，综合工具则采用q u a r t u si i 3 0 。这两款软件结合使用，可以对基于v h d l 描述的数字系统进行设计输入、 功能仿真、时序仿真及器件编程。本文通过对所设计的基于v h d l 描述的凡t m 交 换单元进行仿真验证可以得出如下结论：采用自顶向下的层次化设计、由v h d l 描述的a t m 交换单元能够实现信头变换、选路和排队三项基本功能；当多个信 元同时竞争某一出端时能够对信元进行缓冲存储和排队输出；而且当有广播信 元到来时还可以对所有出端进行广播输出。 关键词： a t m 、k n o c k o u t 交换结构、功能仿真、逻辑综合 a b s t r a c t i n f o r m a t i o nt i m e s ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sh a v eb e c o m ev e r yi m p o r t a n tm e d i a f o rt r a n s f e r r i n gi n f o r m a t i o n i nt r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o nm o d e ，v o i c e ，d a t a ，h n a g e a n dv i d e oa r et r a n s f e r r e db yc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sw i t hd i f f e r e n tt r a n s f e rp r o p e r t y w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，s i n g l e c h a r a c t e r i s t i cn e t w o r kc a n t s a t i s t y t h e d e m a n do fm o d e r n c o m m u n i c a t i o n ，a l l k i n d so fi n f o r m a t i o n n e e d s p e e d i l y t r a n s p o r t i n gi ns i n g l en e t w o r k ，t h e r e f o r ei n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ( i s d n ) i sp u tf o r w a r d n o wb i s d nb a s e do nf i b e rh a sb e e nt h em a j o rt r e n d a sac o r e t r a n s f e rn l o d eo fb - i s d n ，a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ( a t m ) c a nd y n a m i c a l l y a l l o ta n dm a k et h eb e s to ff r e q u e n c yb a n do fc h a n n e l ，a n df u l f i l l h i 酿- s p e e d ， h i g h t h r o u g h p u ta n dh i g h q o si n f o r m a t i o ne x c h a n g e a sar e s u l t ，i ti sw i d e l y u s e d a t ms w i t c hf a b r i ci so n eo f t h ek e y t e c h n o l o g i e so f r e a l i z i n ga t ms w i t c h i n g i n t h i sp a p e ro nt h eb a s i so f t h o r o u g h l yr e s e a r c h i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fa t m ，a t m s w i t c hf a b r i c ，t h ec o n t r o lp r i n c i p l eo fa t ms w i t c hf a b r i ca n dd e s i g np r i n c i p l eo f m u l t i s t a g es w i t c h i n gn e t w o r k ，ad e s i g nm e t h o dt h a ti sb a s e do nk n o c k o u ts w i t c h f a b r i ca n dm a k e su s eo f l o o k u pt a b l et oa c h i e v ea t ms w i t c h i n gi sb r o u g h tf o r w a r d t h em e t h o du s e san 2 s e p a r a t ea c c e s s ，m o d u l a r i z a t i o n a n d n o n b l o c k i n g i n t e r c o n n e c t i o nf r a m e t h ef r a m ei se a s i l yf u l f i l l e d ，a n di t si n p u t sh a v eh i 曲t r a n s f e r r a t e a t ms w i t c hf a b r i cb a s e do nt h ea l g o r i t h mo fs p e e d i n e s s l o o k u pt a b l ea n d v h d li sd e s i g n e db yt h i sm e t h o d i nt h i sd e s i g nl o o k u pt a b l ei su s e d ，a n d i m p r o v e s t h el o o k u pe f f i c i e n c ya n dr e d u c e st h ed e m a n df o rt h ep r o c e s sr a t e i nt h i s p a p e ra h i e r a r c h i c a ld e s i g nm e t h o do ft o pd o w ni sa d o p t e d ，a l lo ff u n c t i o nb l o c k so fa t m s w i t c hu n i ta r ed e s c r i b e d b ys y n t h e s i z a b l ev h d l ，a n d a r ef u n c t i o n a l l ys i m u l a t e da n d l o g i c a l l ys y n t h e s i z e d ，s o8 8a t m s w i t c hu n i ti s o b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h i su n i t ， n 。na t ms w i t c hu n i ta n d m u l t i s t a g es w i t c hn e t w o r ka r ea l s oo b t a i n e d i nt h i s d e s i g nm o d e l s i m5 6 i su s e da st h es i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n ds y n t h e s i s s o f t w a r ei s q u a r t u si i3 0 ，b yw h i c ht h ed e s i g ne n t r y ，f u n c t i o ns i m u l a t i o n ，t i m i n g s i m u l a t i o na n dd e v i c e p r o g r a m m i n gc a n b e d o n e b ys i m u l a t i n gt h es w i t c hu n i t ，i tc a r l b es e e nt h a ta t ms w i t c hu n i tt h a ti s d e s i g n e db yu s eo fh i e r a r c h i c a ld e s i g no ft o p d o w nw i t hv h d l c a np e r f o r mt h eb a s i cf u n c t i o no fc e l lh e a dc h a n g i n g ，r o u t i n ga n d q u e u i n g i fm a n y c e l l sr a c eo n eo u t p u tc h a n n e l ，t h ea t ms w i t c hc a np u tt h e s ec e l l s i n t oab u f f e r ，t h e nq u e u ea n d o u t p u tt h e m w h e n t h eb r o a d c a s tc e l la d v e n t s ，i tc a nb e d e l i v e r e dt oa l lc h a n n e l s k e yw o r d s ：a t m ，k n o c k o u ts w i t c hf a b r i c ，f u n c t i o ns i m u l a t i o n ，l o g i cs y n t h e s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名经硎 f 。 ， 签字日期：鸠年，土月动日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名往右喇 签字日期：7 秒乡年，1 月w 曰 导师签名 维冽季 签字目期：2 “) 年咱彩臼 第一章绪论 1 1b i s d n 和a t m 概述 第一章绪论 传统的电信网都被专门设计成为适用于其特定业务的各种独立的网，其通 信的方式是将语音、数据、视频和图像等信号按相关业务分开传输。例如：公 共电话网( p s t n ) 能提供电话业务；数字数据网( d d n ) 只能提供数据业务：公 共分组】碉( p s d n ) 只能提供分组交换数据业务：另外，还有会议电视网、有线 电视网( c a t v ) 等等。它们只能支撑其相关业务，而无法适应其它业务，其主 要原因是各种业务的网络参数有别( 如带宽、保持时间、端到端延迟和差错率 等) 。 那么是否可以用一个综合的网络来代替多个分离的专用网，从而实现网 多用呢? 综合业务数字网( i s d n i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 的 出现为解决这一问题开辟了新的途径“。4 。它给用户带来对了诸多好处，例 如：能提供端到端的6 4 k b s 全数字连接，能通过一对线将许多适用的新业务接 入网络，使综合化后的业务变得精简，减少了设备配置和网络的重叠。 i s d n 的初期是窄带综合业务数字网( n i s d n ) ，其标准经i t u t 建议形成了 一整套完整的系列标准。然而n - t s d n 的发展却一直不理想，究其原因，主要是 n - i s d n 体制是建立在双绞线模拟传输的基础上的，因而带宽的限制使其无法提 供十分吸引人的宽带新业务。雨未来的通信业务要求更宽的带宽和更高的速率， 要求在网络中产生各种混合业务( 如多媒体通信) 。在这些混合业务中，一个传 送高分辨率视频要求的速率大约是1 5 0 m b p s 的量级，若要同时支持多个交互式 或分布式服务，一个用户线的总容量需求可达6 0 0 m b p s 的量级，所以浇，随着 用户信息传送量和传送速率需求的不断提高，n - i s d n 确实难以应付日益复杂多 变的网络环境，无法满足未来通信的业务需求。 宽带综合业务数字网( b i s o n - - b r o a d b a n di s d n ) 在提供综合业务服务这 一基本思想上与n - i s d n 完全致。不同的是n - i s d n 支持速率低于2 0 4 8 m b s 的业务，传送方式和媒质主要是以准同步传递方式( p d h p l e m o c h r o n o u s d i g i t a lh i e r a r c h y ) 和双绞线为基础的。而b - i s d n 支持速率达到儿百m b s 的 业务，传递方式以异步转移模式a t m 、同步数字系列s d h 通过光缆媒质传蝓为基 第一章绪论 础。 光纤传输的使用为综合业务数字网从真正意义上实现宽带业务提供了可行 的基础。光纤光缆以其可传递无限带宽的优势向用户提供了令人神往的大量宽 带新业务；其次，光纤以其传输距离长、衰耗小、抗干扰、耐腐蚀等特点提供 了运行维护上的巨大优越性。 b - i s d n 的目标是向用户提供电话、电视、数据和图像等综合业务服务，这 些业务要求的通信速率相差悬殊，即使在同一类业务中也可能有多种不同的通 信速率要求，因此也就决定了b - i s d n 只能采用异步转移模式a t m 。b - i s d n 采用 了a t m 技术后，就犹如在信息宽带高速公路上架设了无阻塞的立交桥，在这个 具有足够信息容量和可灵活导入新业务的立交桥上，无论何种业务、何种带宽、 何种协议都可通过a t m 进彳亍交换。图1 为基于a t m 的宽带多媒体网络业务。 宽带多媒体网络业务 i i 交互型业务分配型业务 l jjll i 消息型检索型会话型用户干预型非用户干预型 上上 iil 视文图文数文声数动视远远远图 像件像件据件音据态频程程程像 邮邮检检检资图点教信医查 递递索索索料像播学息疗询 善甍磊 图卜1 基于a t m 的宽带多媒体网络业务 专电数国 家子字像 会信信信 议箱息息 异步转移模式a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 作为宽带综合业务数字 网b - i s d n 的核心技术，是b - i s d n 信息复用、转移和交换的基本模式。它具有 能够动态分配信道频带、充分利用信道带宽、可适应从低速率到高速率的宽带 业务要求等特点，能实现高速率、高吞吐率和高服务质量的信息交换“_ 2 。4 。 i t u t 在i 1 1 3 建议中定义：“a t m 是一种转移模式，在这一模式中，信息 被组织成信元( c e l l ) ，而包含一段信息的信元并不需要周期性地出现，从这个 意义上来说，这种转移模式是异步的”。 第一章绪论 所谓异步是指属于某个呼叫连接的多个信元不是占有固定的时间位置，而 是按照该呼叫连接所需的带宽大小，占有或多或少的时间位置。也就是说，属 于同一呼叫连接的信元，可以或疏或密地在复用链路上出现，因而可以灵活分 配带宽，提高信道利用率。 a t m 采用分组交换，以固定长度的信元传送各种不同速率的信息( 包括文字、 音频、图片、数据及视频等信息) ，采用分层的、简化的网络协议支持各种不同 性质的服务，以信头层次化结构地址进行寻址，并采用硬件自选路由的方法提 高速度。 同时，a t m 也是采用面向连接的方式。在传送用户信息之前，首先要建立 a f m 连接，即虚电路连接，以提供端到端的传送能力。 1 2 本文的研究任务及结构 本文主要对a t m 的基本理论、a t m 交换结构、a t m 交换结构控制机理及多级 交换网络设计原理进行了深入地研究，提出一种基于k n o c k o u t 交换结构、利用 快速查表实现a t m 交换的设计方法。该设计方法采用n 2 分离通路的模块化无阻 塞互连结构，实现起来较简单且允许入线具有较高的传输速率。并利用该设计 方法设计了一种基于快速查表算法的由v h d l 描述的a t m 交换单元。设计中使用 快速查表，提高了查表效率，降低了对处理速度的要求。本文采用自顶向下( t o p d o w n ) 的层次化设计方法，运用可综合的硬件描述语言v h d l 对上述a t e l 交换单 元中的各个功能模块分别进行了描述，然后利用e d a 软件进行了功能仿真与逻 辑综合，设计实现了8 8 的a t m 交换单元。 本文的大致结构如下： 第一章简要介绍了b - i s d n 和a t m 发展情况；第二章论述了a t m 的基本原理， 包括a t m 信元结构、异步时分交换原理及a t m 的技术特点等：第三章主要阐述 了a t m 的交换结构和控制机理：第四章介绍了e d a 技术的发展状况和可编程逻 辑器件的基础知识、设计流程，并简单介绍了a l t e r a 可编程逻辑器件的特点： 第五章主要介绍了硬件描述语言h d l 设计方法和开发环境q u a r t u si i3 0 及 m o d e l s i m5 6 ；第六章在介绍多级交换网络的基础上，提出一种基于k n o c k o u t 交换结构、利用快速查表实现a t m 交换的设计方法，利用该设计方法设计了一 种基于快速查表算法的由v h d l 描述的a t m 交换单元，并进行了功能仿真和逻辑 综合。最后是全文总结。 塑兰至! 翌堡奎堕堡 2 1a t m 信元结构 第二章a t m 基本原理 n i m 信元是由5 字节信头和4 8 字节信息净荷组成，如图2 1 、2 2 所示。其 中，图2 1 是用于用户网络接口的信元结构，图2 2 是用于网络节点接口的信 元结构。而且图中还表明了发送次序：从第一字节开始依次发送，在同+ 字节 中从第8 比特开始发送。 丁 信头一5 b 信 发送次序 g f c y p i l v p iv c i l v c i l v c ip i c h 乩 信息 图2 - i 用户网络接口 u n i 信元结构 i 蓬t l 侉 献i t 信息净荷 v p i v p iy c i v c i v c ip t ( ： e c 信息 图2 - 2 网络节点接口 n n i 信元结构 信头中各部分含义如下： ( 1 ) g f c ( 一般流量控制) 只在u n i 中出现，占有信元头第个字节的 前4 个比特，用于协助用户端对不同质量的信息控制业务流量。 ( 2 ) v p i ( 虚通道标识) 它为a t m 信元提供明确的通道路径识别，即用 于识别同一物理媒质中的不同虚通道( v p ) 。 ( 3 ) v c i ( 虚通路标识) 它为a t m 信元提供明确的通路识别，即用于识 别同一虚通道中不同的虚通路( v c ) 。 虚通路是用户到用户、用户到网络、网络到网络的端点之问信息转移的通 信链路，是a t m 交换服务的最基本的传送实体。 在通道和通路前面加上“虚”字是因为它们不固定于某个用户，而是根据 用户是否要传送信息来建立和释放的，即需要时将信道分配给用户，用户使用 完毕后就立即拆掉。 熹螂 第二章a t m 基本原理 ( 4 ) p t ( 净荷类型，3 b i t ) 各种不同的信元类型及其对应的净荷类型 标识( p t i ) 的编码如表2 - 1 所示： 表2 - 1p t i 编码及其含义 p t i 编码含义 0 0 0用户数据信元无阻塞a u u = o o o l用户数据信元无阻塞a u u = 1 0 1 0用户数据信元有阻塞a u u = o 0 1 1用户数据信元有阻塞a u u = l 1 0 0段的o a mf 5 信元 1 0 l端到端的o a mf 5 信元 1 1 0资源管理信元 1 1 1保留 a u u ：a t m 层用户至a t m 层用户标识。 ( 5 ) c ( 信元丢失优先权，1 b i t ) 它主要用于表明信元丢失优先级。 若c l p = i ，则当网络出现拥塞时，此信元首先被丢弃；若c l p = o ，则信元具有更 高级别。 ( 6 ) h e c ( 信头差错控制) 它用于控制信元头的差错，是由物理层产生 的。基于循环码原理，在只有一个误码时它予以校正，而在两个以上误码时， 则对信元予以舍弃。 当网络中不进行流量控制时，在网络节点接口的信元头结构中就不含有 g f c ，第一个字节全部属于v p i ；对于其它字节，两者完全相同。 在宽带网络中，对a t m 信元中信息净荷所承载的信息只进行透明传输，信 元本身的格式与具体的业务类型无关。 关于a t m 的传输帧结构有两种，即： ( 1 ) 欧洲电信标准学会( e t s ) 提出的纯信元的传输帧结构，它由一连枣 信元组成，每个信元包含5 3 个字节。这种情况下，只需通过查找o a m 信元，就 能判定信元的边界从而去划分信元。 ( 2 ) 美国t i s i 提出的以s d h 为准的传输帧结构。这种情况下，它可以使a t m 的传输与s t m 系统兼容“。 第二章a t m 基本原理 2 2 异步时分交换 a t m 交换属于异步时分( a s y n c h r o n o u st i m ed i v i s i o n a t d ) 交换。与异步 时分交换相对应的是同步时分( s y n c h r o n o u st i m ed i v i s i o n s t d ) 交换，采用 电路交换方式的数字程控电话就属于同步时分交换。 时分意味着复用，即一条物理链路可以由多个连接所共享，各自占用不同 的时间位置。各个连接属于不同的呼u ，有各自的目的地，在交换的过程中必 须加以区分，也就是要判别每个时间位置中的信息是属于哪个连接的。s t d 是按 照时间位置本身来区分的，这意味着每个建立的连接占有某条物理链路上固定 的时间位置。以p c m 3 0 3 2 路一次群的链路为简单的示例，每帧有3 2 个时隙( t s ) ， 周而复始，假定在建立过程中将t s 8 分配给连接a ，则每帧的t s 8 始终足传送连 接a 的用户信息，直到连接拆除。 a t d 复用的各个时间位置相当于各个信元所占的位置，即一个信元占有一个 时间位置。a t d 与s t d 不同的是，属于某个呼叫连接的多个信元不是占有固定的 时间位置，而是按该呼叫连接所需的带宽大小，占有或多或少的时间值簧。也 就是说，属于同一呼叫连接的信元，可以或密或疏地在复用链路上出现。因此 说，它不是固定分配的同步方式，而是灵活分配的异步方式，从而可以适应各 种不同带宽业务的要求。图2 3 简洁表明了s t d 与a t d 的概念。 t s ot s it s nt s o t s it s n e 壁二帧4 一一帧二= 唑9 一 ( a )s t 【) ( b ) a t d 图2 - 3s t d 与a t d 的比较 既然a t d 采用灵活的带宽分配，各个呼叫连接的信元不占用固定的位置， 就不能按照时间位置来区别不同的连接，而要按照信元的信头中所包含的用于 选路的标识区分不同的连接。实际上，这属于标记复用的方式。所谓标记复用， 就是依靠每个分组( 信元就是短分组) 中所含的标记来区分各个连接的复用方 兰三里! ! ! 至奎堕堡一 式。标记可以是显式，直接表明目的地址，也可以是隐式，用建立过程中分配 的连接标识来表示，总之标记可用来正确选路。相对于标记复用，s t d 可称 为非标记复用m 。 2 3a t m 的技术特点 a t m 技术作为b i s d n 的基础和核心，是一种面向连接的快速分组交换技 术，它综合了分组交换和电路交换的优点，采用异步时分复用的方法，将信息 流分成固定长度的信元，进行高速交换，其具体特点为： 1 a t m 采用固定长的信元 在a t m 中，数据分组长度，即信元长度固定为5 3 字节，信元具体结构如前 所述。采用短小且固定长的信元( c e l l ) ，虽然在带宽利用率上较差，但却降低 了交换节点内部的缓存区容量，减少了信息在缓存区内排队的时延和时延抖动， 有利于简化交换控制和缓冲器管理，能够保证1 5 5 m b p s 6 2 2 m b p s 的高速通信。 2 a t m 信头简化 信头中包含的控制信息的多少反映了交换节点的处理开销，因此要尽量使 信头简化，以减少处理开销。a t m 信元的信头功能有限，主要是虚连接的标识， 还有优先级标识、信头的差错检验等。信头中的差错检验是针对信头本身的， 这是非常必要的功能，因为如果信头出错将导致信元丢弃或者错误选路，从而 造成整个信元的无效。总之，信头的简化有助于协议处理的简化和硬件实现， 以降低协议的处理时延。 3 a t m 具有电路交换和分组交换的双重性 a t m 技术是面向连接的，它需要在通信双方间建立连接，通信结束后再通过 信令来拆除连接，因此说a t m 具有电路交换的特点。另一方面a t m 的数据传输 采用的是固定长的数据分组，即信元，其中的信头部分包含了用于选路的虚通 道虚通路( v p l v c i ) 信息，因而a t m 又具有分组交换的特点。但a t m 具有的 电路交换和分组交换的双重性并非一种简单的继承，而是有所发展，就其电路 交换方式而言，它不再采用传统电路交换中所使用的同步时分复用，而是采用 第二章a i 瑚基本原理 了完全不同的异步时分复用，解决了在传统电路交换方式中不能有效利用带宽 资源和不适于突发业务等问题：而就分组交换而言，它属于一种高速交换技术， 其在协议及处理上均作了相应的简化，将数据链路层中纠错、流量控制等功能 移到终端上去完成，并通过硬件来实现协议的处理，从而降低了处理时延，大 大提高了交换速率。 4 a t m 具有虚通道虚通路两级连接 a t m 是面向连接的。这里所说的连接不是物理连接，而是一种虚连接 ( v i r t u a lc o n n e c t i o n v c ) 。为了便于管理和应用，a t m 的虚连接分为两个等级： 即所谓的虚通道连接( v p c ) 和虚通路连接( v c c ) 。1 1 “。 v c c 由多条虚通路v c 链路串接而成。虚通路标识v c i 用来识别一。条特定的 v c 链路。分配了一定的v c l 值，就产生了一条v c 链路；取消了v c i 值，就终止 了该v c 链路。v c l 只与某一段链路相关，不具有端到端的含义。v c 链路是指在 变换v c i 值的两个相连的a t m 实体之间单向传输a t m 信元的能力。 v p c 由多条虚通道v p 链路串接而成。虚通道标识v p l 用来识别条特定的 v p 链路。v p 链路产生于为其分配一定的v p i 值之时，终止于取消该v p i 值之时。 v p l 也不具有端到端的含义。同样，v p 链路是指在变换v p i 值的两个相连的a t m 实体之间单向传送a t m 信元的能力。 在组成上，v p 可以看成是许多具有相同v p i 值的v c 的集合，v p 间具有不 同的v p i 值。同属一个v p 的各v c 具有不同的v c l 值，而分属不同v p 的v c 可 能具有相同的v c i 。v p 、v c 间的关系见图2 4 。 v c v c v c 图2 4v p 、v c 和物理信道间的关系 v c v c v c 从交换角度看，v p 交换时，v p i 值要改变，而其中所包含的所有v c i 值都 不改变。v c 交换时，则v p i 和v c i 的值都要改变。这种基于v p v c 的连接和交 换，操作非常简便，而且处理时间大为减少。 第二章a t i k i 基本原理 5 a t m 具有支持不同q o s 等级的能力 在基于a t m 技术的b - z s d n 中，可以提供诸如话音、数据、图像、视频等多 种业务综合的能力，而对于这些不同的业务，其所要求的宽带、信元丢失率、 时延和抖动等都不相同。为了保证通信的质量和宽带资源的有效利用，a t m 通 过提供q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e s ) 参数来实现用户业务的需要与网络资源 管理间的协调。 第三章a t m 交换结构及控制机理 第三章a t m 交换结构及控制机理 3 1 交换方式概述 3 1 1 交换方式分类 无论是传统的电话通信网，还是现代的多媒体宽带通信网，都离不丌交换 功能。已出现的多种交换方式，如图3 - 1 所示。 电路多速率快速a t m快速帧交换分组 交换电路交换电路交换交换分组交换 交换 图3 - 1 各种交换方式 在图3 1 中，各种交换方式分布在一条连续线上。连续线的最左端为电路 交换，属于电路传送模式( c i r c u i tt r a n s f e rm o d e c t m ) ，或称为同步传送模式 ( s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e s n ) ；最右端为分组交换，属于分组传送模式 ( p a c k e tt r a n s f e rm o d e p t m ) 。 电路交换与分组交换是两种截然不同的交换方式，体现了代表两大范畴的 传送模式，因此位于连续线的左右两端。依次从左到右，多速率电路交换、快 速电路交换属于电路传送模式的范畴；依次从右到左，帧交换、快速分组交换 ( 帧中继) 则属于分组传送模式的范畴。 连续线的中央为a t m 交换，它可以看成是分组交换与电路交换的结合，兼 具两者的特点。 对于快速分组交换( f a s tp a c k e ts w i t c h i n g f p s ) 而苦，它实际上可分为 帧中继和信元中继。信元中继的典型代表就是面向连接的a t m 交换，无连接的 交换型多兆比特数据业务也属于信元中继。 3 1 2 交换方式的技术特征 面向连接与无连接、物理连接与逻辑连接、同步时分交换与异步时分交换 第三章a i m 交换结构及控制机理 以及不同层次的交换可以用来表明不同交换方式的主要技术特征”“。 1 面向连接与无连接 面向连接( c o n n e c t i o no r i e n t e d c o ) 是指两个用户之间的通信信息沿着预 先建立的通路上传送。也就是说，面向连接必须先有一个建立过程，以在用户 间建立一条固定不变的传送通路。面向连接引入了建立时延，但一旦通路建立 后，信息交换的过程就比较简便。建立通路可以有信令建立和管理建立两种方 式，信令建立是用户在呼叫时采用一定的信令方式来要求建立通路，管理建立 则出网络的管理功能来预先建立，前者为交换型，后者为( 半) 永久型。 无连接( c o n n e c t i o n l e s s c l ) 则不用预先建立通路，而是每当用户发送信息 分组时，临时通过选路来传送这一分组。无连接没有建立时延，但每次选路的 开销较大。 2 物理连接与逻辑连接 面向连接的方式又可分为物理连接与逻辑连接。物理连接( p h y s i c a l c o n n e c t i o n ) 是在用户之间建立由其专用的物理通路，该物理通路可以是模拟通 路，也可以是数字时分通路，例如某一个固定分配的时隙。物理连接可以保证 时延等服务质量的要求，交换机理也较简单，但由于固定分配带宽，资源的利 用效率低。 逻辑连接( l o g i c a lc o n n e c t i o n ) 建立的是虚电路( v i r t u a lc i r c u i tv c ) ， 虚电路并不独占线路，而是在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，也就 是建立多个逻辑连接。 不论是物理连接还是逻辑连接，都需要先有建立过程。建立方式如前述可 有交换型和永久型。 3 同步时分交换与异步时分交换 同步时分交换与异步时分交换已在第二章中介绍过，这里不再赘述。 4 不同层次的交换 对应于开放系统互连( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n o s i ) 的参考模型，可 以实现不同层次的交换方式，即物理层交换、链路层交换和网络层交换。 公用网中的电路交换和交叉连接系统的静态交换可以看成是物理层交换； 帧中继和信元中继( a t m 交换) 属于链路层交换；专用网常用的以太网令牌环交 整三至! ! ! 窒垫丝塑墨丝萱! 垫堡 一 换也属于链路层交换；基于x 2 5 的分组交换、基于i p 的选路以及1 1 交换、标 签交换、多协议标记交换( m p l s ) 则属于网络层交换。支持i p 选路的路由器执行 的选路功能，实质上也属于广义的交换功能。 3 。2a t m 交换结构的分类与基本原理 3 2 1a t m 交换结构基本功能 a t m 交换结构( s w i t c h i n gf a b r i c s f ) 是实现a t m 交换的关键技术之一，是 a t m 交换系统中必不可少的重要组成部分。- 。”。 具有n 条入线和n 条出线的册l 交换结构示意如图3 - 2 ，在入线和出线上给 出了信元流的示例，a 、b 、c 、d 、k 、l 、m 、n 等表示信头中的v p l v c l 值；括 号中的值表示目的地址( 出线号) ，这是为了说明交换概念才特地标明。 1 2 n 。圳 c i ( a ) 卫 l 瞄 k ( 3 )( i ) ( 1 ) d ic：， c 旧d m 旧l l ( m( d 卫 2 )( 2 ) 八 jl b 瞄 b l 。翕 卫 n k ( 1 )( 2 )：n ) ( n ) 图3 - 2 n na t m 交换结构示意 a t m 交换结构应能实现任意出入线之间的信元交换，也就是任一入线上的任 一逻辑信道的信元要能够被交换到任一出线上的任一逻辑信道中去。为此，a t m 交换结构应具有信头变换、选路和排队这3 项基本功能。 1 信头变换 信头变换主要是指v p i v c i 值的变换，即入v p l v c i 变换为出v p i v c i 。 v p i v c i 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。这与数字程控电路交换中的时间交换有 些相似，因为各个逻辑信道的信元也占用着不同的时间位置。但是应该注意到， 时间交换是固定的时隙位置之阃的交换，例如入线2 上时隙3 中的信息当连接 第三章舡m 交换结构及控制机理 建立后总是被交换到出线4 的时隙6 中；而v p i v c i 的变换虽然在虚连接建立 后也存在固定的映射关系，但是相应的信元并不出现在入线或出线的周定的时 隙位置上。并且为了实现信头变换，还应该建立翻译表。 2 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a t m 交换结构的交换功能。也就是说，在翻译 表中根据入线的v p i v c i 应能查到出线号码阻及新的v p i v c i 值。当然，这都 是在连接建立阶段写入的。 选路功能相当于数字交换中的空间交换。当然，数字交换中的空问交换是 在同一内部时隙下的交换，而a t m 交换是异步时分交换，其空间选路功能谈不 上同一时隙的问题。 3 排队 由于a t m 是统计复用的异步时分交换，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，a t m 交换结构需要有排队功能，以免在发生资源争抢时 丢失信元。要实现排队就要有一定数量的缓冲器。缓冲器的设置方式是a t m 交 换结构设计中的重要问题，在很大程度上影响到交换结构的性能和复杂性。 除去上述3 项基本功能外，a t m 交换结构通常还应具备广播( b r o a d c a s t ) 功 能和优先级( p r i o r i t y ) 控制功能，以适应宽带业务的多样性。前者是指输入信 元可通过交换结构送到多个目的地，后者是指可以按各类业务的优先级高低来 控制服务质量，例如当不同优先级的信元在争抢资源时，应该保证优先级高的 信元先得到服务，优先级低的信元在缓冲器中等待。 a t m 交换结构应提供良好的性能，以保证所需的服务质量。与服务质量有关 的主要参数是信元丢失率、时延和时延抖动。各类业务的要求有所不同，有些 业务对信元丢失率很敏感，另一些业务则对时延和时延抖动很敏感。 在a 伽交换结构的设计中，还有两个重要的参数：吞吐率和连接阻塞率。 吞吐率定义为交换结构的每个输出端口平均每个时隙所传送的信元数。每个时 隙相当于在一定传送速率下一个信元的传送时间，因此吞吐率最大为l 。连接阻 塞率表示在连接建立阶段交换结构内部找不到足够的资源来建立新的连接的概 率。有些交换结构内部不会发生连接f ；且塞。 箱三章m m 交换纬构及控制机理 一_ 一 3 2 2a t m 交换结构分类 a t m 交换结构可以从不同的方面进行分类，主要有： 1 时分与空分 a t m 交换结构可分为时分与空分两大类。 时分结构的基本特征是所有的输入和输出端口共享单一的通信公路 ( h i g h w a y ) ，可以是共享存储器( s h a r e dm e m o r y ) ，也可以是共享媒体( s h a r e d m e d i u m ) ，包括总线( b u s ) 型或环( r i n g ) 型。 空分结构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传送 信元。空分结构又可以分为单通路( s i n g l ep a t h ) 与多通路( m u l t i p l ep a t h ) ， 以及单级( s i n g l es t a g e ) 与多级( m u l t i s t a g e ) 。 2 单通路与多通路 单通路是指任一对出入线之间只有1 条通路，多通路则在任一对出入线之 间有多条通路可以选用。单通路的两种典型结构称为基于c r o s s b a r 的结构和基 于b a n y a n 的结构。c r o s s b a r 的含义为纵横棒，源于纵横制交换机中纵横接线器 ( c r o s s b a rs w i t c h ) 的结构，其特点是交换结构的复杂度( c o m p l e x i t y ) 随着瞪而 增长，n 为出、入线数。c r o s s b a r 结构又分为矩阵型和全互连型，b a n y a n 结构 又分为内部缓冲型和内部无缓冲型，多通路可具有多种结构。 3 单级与多级 空分的c r o s s b a r 结构是典型的单级结构，单一的时分交换模块也属于单级 结构。单级结构的容量不可能太大，采用多级结构可以比较经济地扩大容量。 多级结构通常称为多级互连网络( m u l t i s t a g ei n t e r c o n n e c t i o nn e t w o r k m i n ) ， 由分为若干级的多个交换单元( s w i t c h i n g