ATM基本原理-040205-C.doc

ATM基本原理目 录目 录第一章 概述101.1 传统交换的局限及ATM技术的引入101.1.1 BISDN对转移模式的要求101.1.2 电路交换和分组交换的区别111.1.3 电路交换与分组交换的特点121.1.4 对电路交换与分组交换的改进131.2 ATM技术的基本概念及特点131.2.1 ATM信元结构141.2.2 ATM的特点141.2.3 ATM的连接方式161.3 ATM网络171.3.1 ATM网络结构171.3.2 ATM网络接口181.4 ATM的发展趋势18第二章 ATM交换技术212.1 ATM交换212.1.1 ATM交换机的结构212.1.2 ATM交换机的功能222.2 ATM交换结构232.2.1 时分交换结构232.2.2 空分交换结构262.3 ATM交换机282.3.1 ATM交换机的分类282.3.2 ATM交换机的功能模块302.3.3 ATM交换机的性能参数31第三章 ATM传输333.1 ATM的分层结构333.1.1 物理层353.1.2 ATM层363.1.3 ATM适配层373.2 ATM信令技术393.2.1 ATM信令的功能、结构和现状393.2.2 信令消息的结构与传送423.3 ATM网络维护433.3.1 ATM网络运行维护管理（OAM）433.3.2 ATM网络的拥塞管理45第四章 ATM业务及性能504.1 ATM提供的业务种类504.1.1 从网络的角度进行分类504.1.2 从媒体角度进行分类514.1.3 从具体的业务形式和应用上进行分类514.2 ATM的业务性能524.2.1 宽带业务特性524.2.2 ATM网中的多种媒体534.3 ATM在计算机网上的应用564.3.1 ATM局域网564.3.2 ATM局域网仿真564.3.3 IP over ATM574.3.4 ATM支持多协议MPOA584.3.5 虚拟局域网技术59第一章 UNI信令611.1 UNI接口611.2 UNI 3.1信令协议栈611.3 ATM地址621.3.1 公用ATM地址（E.164地址）631.3.2 专用ATM地址（NSAP地址）631.4 UNI 3.1信令协议641.4.1 UNI 3.1的信令能力651.4.2 信令过程661.4.3 连接VPI/VCI的协商701.4.4 消息701.4.5 信息单元IE731.4.6 呼叫状态761.4.7 定时器781.5 UNI 3.1信令的点到多点功能791.5.1 信令过程791.5.2 消息851.5.3 信息元素IE851.5.4 PARTY状态861.5.5 定时器861.6 其他几个信令协议的简介871.6.1 Q.2931/2971871.6.2 IISP871.6.3 UNI 4.0871.6.4 PNNI 1.088第二章 PNNI信令892.1 简介892.1.1 PNNI在网络中的位置892.1.2 PNNI协议结构（包括路由和信令两个部分）892.1.3 特性902.2 PNNI网络的分层结构902.3 基本概念912.3.1 群组（Peer Groups）912.3.2 ATM终端地址（ATM Addressing）922.3.3 逻辑节点（logical node）922.3.4 逻辑链路（logical link）922.3.5 拓扑状态信息（Topology State Information）922.3.6 拓扑状态信息的交换过程932.3.7 拓扑聚合（Topology Aggregation）932.3.8 地址简化（Address Summarization）932.3.9 单节点看到的网络拓扑（Single Node Perspective）952.4 路由选择过程和指定转移表 (DTL：Designated Transit Lists)95第三章 IMA协议973.1 IMA概述1053.2 初步实现方案107第四章 ILMI协议1094.1 背景1094.2 ILMI协议实现1104.3 补充说明114第五章 LANE协议1155.1 基本功能及协议栈结构1155.2 LANE1.0组成部分1165.3 仿真局域网的建立过程1175.4 ARP地址解析119第六章 IPOA协议1246.1 概述1246.2 IPOA的组成部件1246.3 IPOA使用的协议1256.4 IPOA基本工作原理125第七章 MPOA协议1277.1 概述1277.2 MPOA的组成成分1277.3 MPOA协议1287.4 MPOA的工作原理1287.5 MPOA的优缺点128第八章 MPLS协议1298.1 MPLS简介1298.2 MPLS的协议发展过程1298.3 MPLS的优越性1308.4 MPLS协议介绍1338.4.1 基本概念1348.4.2 LDP协议1398.4.3 标签的分配和管理1418.4.4 LSP的建立1478.5 MPLS的流量工程1518.5.1 Traffic Engineering的目的1518.5.2 Traffic Engineering在MPLS网络中的实现1528.5.3 Traffic Engineering的未来发展1538.5.4 MPLS中的Traffic Engineering1538.6 MPLS中QOS问题1558.6.1 QOS1558.6.2 基本QOS结构1558.6.3 端到端QOS的服务级别1558.6.4 QOS信令1568.6.5 流量控制1588.6.6 RSVP1598.6.7 MPLS中RSVP运用1628.7 MPLS在VPN中应用1668.7.1 VPN的原理1668.7.2 MPLS中的VPN架构1698.7.3 MPLS中的VPN工作过程171第九章 VP Tunnelling协议1759.1 VP Tunnelling 技术背景1759.2 VP Tunnelling主要特征1759.3 VP Tunnelling应用175第十章 SPVC协议17710.1 SOFT PVC技术背景17710.2 SOFT PVC的技术特征17710.3 SOFT PVC建立过程177第十一章 SAAL协议17911.1 概述17911.2 信令虚通道17911.3 SAAL结构17911.4 信令适配层（SAAL）功能18111.4.1 SAAL所提供的主要功能18111.4.2 SSCOP的主要功能18211.4.3 SSCF的主要功能182viiiATM基本原理第一部分 ATM技术第一部分 ATM技术9ATM 基本原理第一章 概 述第一章 概述1.1 传统交换的局限及ATM技术的引入1.1.1 BISDN对转移模式的要求所谓“转移模式”，ITU-T是这样定义的，转移模式就是在电信网路中信息传输、复用和交换的方式。BISDN对转移模式有以下几方面的要求： 1、要能够提供高速传输业务的能力宽带业务的出现，要求宽带网络中的复用、交换设备具有每秒上千兆比特到几十千兆比特的吞吐能力，以往的电路交换和分组交换设备都达不到这个容量，因此就要寻求一种适于BISDN网的转移模式，使BISDN的网络设备能达到要求的吞吐能力。2、对信息的损伤要小这包括两个方面，一是要具有时间透明性，即信息传送的时延和时延抖动要小；二是要具有语义透明性，即传送所引起的信息丢失和差错要小。3、能灵活地支持各种业务这要求在一个交换机内能对多种业务进行交换。不同业务的带宽可以从每秒几千比特到每秒几十兆比特，对时延等业务质量的要求也不同，信源的突发性等特性差别也很大，并且新的业务还不断出现，这些都要求BISDN的转移模式要具有很大的灵活性，不仅能支持现有的多种业务，而且应能适应业务发展的需要，支持将来可能出现的业务。支持各种业务表现在对业务的传输、交换损伤都要满足业务本身的要求，即对业务应具有时间透明性和语义透明性，并且对各种业务都应有较理想的网络资源利用率。4、要具有可行性高速信息传送能力意味着网络设备要具有高速处理能力，电子技术和工艺的发展，使芯片的处理能力大大加强，但选择一种合理的转移模式能从根本上简化信息处理过程，从而简化设备和网络的结构及网络管理。为了满足这些要求，各国的通信工程师们进行了几十年的探索，回顾这一段历程，将有助于我们了解：为什么异步转移模式最终成为BISDN的核心技术。图1-1 转移模式的发展1.1.2 电路交换和分组交换的区别图1-1所示为几种转移模式的发展演变过程。最基本的两类交换模式是面向连接的电路交换和无连接的分组交换，这两类交换技术的主要区别体现在以下几方面：1. 在交换形式上，电路交换采用固定时隙分配，即每个连接占用具有相同比特数的时隙，也就是说，电路交换在根本上只能支持单一速率（如64kbit/s）的交换，这显然不能适应多种业务的要求。无连接的分组交换则利用包交换的形式，将用户信息封装在分组中进行交换，每个分组有一个分组头，分组头用于路由选择、差错控制和流量控制等功能，各个分组的长度和间隔时间都可改变，因此分组交换可以支持多种速率的交换。2. 在信令上，面向连接的电路交换有一套严格的信令系统，信令负责连接的建立、拆除和管理，信令和用户信息可以走不同的信道。而无连接的分组交换则没有这些与连接有关的信令系统，由每个分组的分组头完成与信令系统类似的功能。3. 在路由选择上，电路交换中各连接的路由是在连接建立时由复杂的选路算法在整个网络中选择的，信令系统在路由经过的各个网络设备内填写路由表以标识交换信息，一个连接的所有信息都经过相同的路由。无连接的分组交换中，路由信息由各个分组头携带，交换设备查看到来的每个分组头中的地址信息，并根据当时的网络状态选择一条路由，将分组发到下一级网络设备中，因此同一业务的不同分组在网络中经过的路径不同。4. 在网络资源分配上，电路交换中网络资源可由信令系统在连接建立时分配，分配给一个连接的网络资源不能被别的连接占用，只在连接拆除时才释放网络资源。无连接的分组交换中，分组只在发送时才占用网络资源，网络资源可由各个业务共享。1.1.3 电路交换与分组交换的特点根据前面介绍的BISDN对转移模式的要求，结合以上几点，可以得知电路交换和分组交换各有特点。1. 在信息的损伤方面，电路交换具有较好的时间透明性，因为连接建立后，各连接各自占用了一定的网络资源，在通过网络时无需竞争和排队，因此时延较小。另外，因同一连接的信息经过相同的路由，所以时延抖动也小。2. 在语义透明性方面，分组交换由于在分组头中携带了差错控制信息，具有一定的检错和纠错能力，从而有较好的语义透明性。3. 在支持多种业务这点上，分组交换有更大的灵活性，它可以实现多速率交换，并允许多种业务共享网络资源。4. 在交换速率方面，电路交换中的处理工作主要在连接建立和拆除过程中，所以它可以达到高速率的交换；而在分组交换中，由于每个分组都要进行分组头的处理，包括对各分组的路由选择、差错控制等，在网络忙时，各分组在发送前还需要排队等待空闲的网络资源，因此分组交换的交换速率受到了限制。5. 在设备的复杂性方面，分组交换需要一套复杂的队列管理机制，而电路交换则需要复杂的路由选择算法。可以看出，电路交换和分组交换都不适合BISDN，人们分别从这两种基本模式出发，进行了许多改进工作（见图1-1）。1.1.4 对电路交换与分组交换的改进为克服电路交换只支持单一速率这一缺点，提出了多速率电路交换，它的基本思想是使用多个重叠的交换器，每个交换器完成特定速率交换。显然，这种结构缺乏灵活性，基本交换速率种类及各种交换器的数目确定之后，交换机能接纳的业务种类及各种业务的连接数也就确定了，因此，这种方式在一定意义上比纯电路交换更缺乏灵活性，而且网络资源的利用率也更低。为了解决电路交换资源利用率低、不适合突发性信源这一问题，人们又提出了快速电路交换这一概念。快速电路这一名词源于一种快速信令。快速电路交换具有了分组交换的意义，网络资源的分配也是在有信息要发送时才进行。连接建立时，信令系统记录这一连接所需的带宽和交换路由，当信源有信息要发送时，必须先通知信令系统，由快速信令立即为其分配资源，这就如同一种面向连接的分组交换。问题是当网络一时资源紧张时，就会引起信息丢失，而且控制过程也非常复杂。分组交换需要解决的首要问题是提高速率。分组交换的低速率主要是由复杂的协议处理导致的，特别是需要在各段链路上进行差错控制和流量控制，考虑到利用光纤传输，链路的误码率很低，网络的差错控制已不再像以前那么重要了，于是提出了帧中继，使分组交换的速率大大提高。另外，不确定的帧长使缓冲队列的管理相当复杂，这也影响了交换速率。1987年ITU-T将异步转移模式（ATM）选为BISDN中的转移模式。ATM的突出特点是可以灵活地支持现有的和将来可能出现的各种业务，能达到很高的网络资源利用率，支持高速交换。1.2 ATM技术的基本概念及特点ATM是一种基于信元的交换和复用技术，ATM传送信息的基本载体是ATM信元，ATM信元和分组交换中的分组类似，但又有自己的特点。ATM信元是定长的，而且信元的长度较小，只有53字节，分为信头和净荷两部分，信头为5字节，净荷为48字节。图1-2 ATM信元格式1.2.1 ATM信元结构信头内容在用户-网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）中略有差别（图1-2），主要由以下几部分构成。VPI：虚通道标识，NNI中为12比特，UNI中为8比特。VCI：虚通路标识，16比特，标识虚通道中的虚通路。HEC：信头差错控制，8比特，检测出有错误的信头，可纠正信头中1比特的差错。HEC的另一个作用是进行信元定界，利用HEC字段和它之前的4字节的相关性可识别出信头位置。由于在不同的链路中VPI/VCI的值不同，所以在每一段链路都要重新计算HEC。PT：净荷类型，3比特。比特3为0表示为数据信元，为1表示为OAM信元。对OAM信元，后两比特表明了OAM信元的类型。对数据信元，比特2用于前向拥塞指示（EFCI），当经过某一节点出现拥塞时，就将这一比特置位；比特1用于AAL5。CLP：信元丢失优先级，1比特，用于拥塞控制。GFC：一般流量控制，4比特，只用于UNI接口，目前置为0000，将来可能用于流量控制或在共享媒体的网络中标示不同的接入。1.2.2 ATM的特点ATM信元的信头与分组交换中分组头的功能相比大大简化了，如不再进行逐段链路的检错和纠错，由于链路质量的提高，端到端的差错控制只在需要时由终端处理，HEC只负责信头的差错控制；另外，信头只用VPI和VCI标识一个连接，而无需源地址、目的地址和包序号，信元顺序也由各网元保证。图1-3 ATM复用ATM的目标，即ATM的最大特点，就是对任何形式的业务分布都能达到最佳的网络资源利用率。要达到这一目标就要对网络资源进行统计复用。所谓统计复用就是根据各种业务的统计特性，在保证业务质量要求的前提下，在各业务间动态地分配网络资源，以达到最佳的资源利用率。如图1-3所示，用户D、C、A的数据按到达的先后顺序排列到输出线路上，而用户B因为此时没有数据，故不占用输出线路的带宽资源。信元形式的ATM网络和分组形式的传统数据网络的本质区别之一就是ATM网络采用面向连接的呼叫接续方式。传统数据网络如以太网、令牌环和FDDI采用无连接操作方式，这些网络假设目的端点可用并可接收信息，每个端点必须检查每一个分组的路由标记以此确定是否接收该分组。ATM网络的操作类似于电话呼叫接续过程，在通信前必须在源和目的端之间建立连接，这个连接是一个“虚连接”，网络根据用户的要求（如峰值比特率、平均比特率、信元丢失率、信元时延和信元时延变化等指标），分配VPI/VCI和相应的带宽，并在交换机中设置相应的路由。ATM技术中最重要的特点就是信元的复用、交换和传输过程，均在虚通路（VC）上进行。虚通路由VCI标识，它是ATM网络链路端点之间的一种逻辑联系，是在两个或多点端点之间传送ATM信元的通信通路，可用于用户到用户、用户到网络、网络到网络的信息转移。虚通道（VP）是在给定参考点上具有同一虚通道标识符的一组虚通路。虚通路在传输过程中，组合在一起构成虚通道，二者关系如图1-4所示。因此ATM网络中不同用户的信元是在不同的VP、VC中传送的，而不同的VP/VC则是利用各自的VP标识（VPI）和VC标识（VCI）进行区分。图1-4 VC、VP和物理传输通道的关系VP交换设备（通常是交叉连接器和集中分配器）仅对信元的VP进行处理和变换，功能较为简单，VC交换设备（ATM交换机、复接分接器）则要同时对VPI、VCI进行处理和变换，功能较为复杂。VPI和VCI只有局部意义，每个VPI/VCI在相应的VP/VC交换节点被处理，相同的VPI/VCI值在不同VP/VC链路段并不代表同一个“虚连接”。1.2.3 ATM的连接方式通过VC建立连接有两种方式：交换虚通路（SVC）连接和永久虚通路（PVC）连接。SVC是用户需要通信时，通过终端设备由信令建立的虚通路。SVC类似于电话网的用户线路，只有经过呼叫请求，网络为通信双方建立起相应虚通路后，才能进行通信，通信完成后，由信令释放SVC。使用SVC的用户对网络资源的利用率高，通信费用较低，是ATM网络中使用的主要通信方式。PVC是通过网管预先建立的，不论是否有业务通过或终端设备接入，PVC一直保持，直到由网管释放。因此，PVC类似于电话网中的租用线路，经过PVC连接的用户需要通信时，不会因通信网络资源不够而导致通信失败。PVC通常用于一些特殊的用户，如信令信元的VC必为PVC，某些要求租用固定信道带宽的用户也可设定为PVC。使用PVC的用户每次通信时无需呼叫请求，操作简便，通信质量好，但其通信费用很高，且不能充分发挥ATM网络的优势，因此，应用范围较小。ATM中用户间有两种连接方式：点对点和点对多点。当两个用户进行通信时，ATM网络采用点对点的连接方式。多个用户之间需要通信时，采用点对多点连接方式，例如通过ATM网络进行电视节目的传送、多方电视会议等业务。显然，多个用户通信时，点对多点方式较点对点方式节约了网络资源。为了实现点对多点方式，ATM交换机应具有广播（Broadcast）和组播（Multicast）功能。广播是指一个用户对网络中所有用户进行信息传送的通信功能，这种方式通常是单向的，适用于电视、广播节目的传送；组播是指一个用户对网络中部分用户有选择地进行信元传递的通信功能，这种方式适用于多方交互业务，如多方电视会议等。1.3 ATM网络1.3.1 ATM网络结构由于ATM技术是BISDN的核心技术，所以人们也把BISDN网称为ATM网。ATM网络概念性结构如图1-5所示，分为三部分：公用ATM网、专用ATM网和ATM接入网。图1-5 ATM网络结构及接口公用ATM网络属于电信公用网，它由电信部门建立、管理和经营，可以联接各种专用ATM网和ATM用户终端，作为骨干网络使用。专用ATM网是指一个单位或部门范围内的ATM网，通常用于一幢大厦或校园范围内。接入ATM网也是宽带综合业务数字网中一个非常重要的部分，主要指在各种接入网中使用ATM技术传送ATM信元，如基于ATM的无源光纤网络（PON）、混合光纤同轴（HFC）、非对称数字环路（ADSL）以及利用ATM技术的无线接入技术等。因接入网部分不属本书讨论范畴，故不赘述。1.3.2 ATM网络接口ATM网络的主要接口如图1-5所示：1、UNI（用户-网络接口）UNI为ATM网中的用户网络接口，它是用户设备与网络之间的接口，直接面向用户。按其所在位置不同又可分为公用网UNI和专用网UNI（P-UNI），PUNI不必象公网接口考虑严格的一致性，因而PUNI接口形式更多、更灵活。2、NNI（网络节点接口）一般为两个交换机之间的接口，同样也分为公网NNI（图中简记为NNI）和专用网NNI（PNNI）。公网NNI和PNNI的差别很大，如公网NNI的信令为No.7信令体系的宽带ISDN用户部分（BISUP），而PNNI则完全基于UNI接口，仍采用UNI信令结构。3、BICI（宽带网间接口）BICI定义为两个公用ATM网之间的接口，侧重于属于不同的运营者的两个ATM网之间的接口，其定义基于NNI接口。它的特点是支持不同网络间的多种业务传送，包括基于信元的PVC方式业务、PVC方式的帧中继业务、电路仿真业务、SMDS以及SVC业务等。目前ATM论坛已经给出了BICI2.0规范。4、DXI（数据交换接口）DXI定义在数据终端设备DTE和数据连接设备DCE之间。DCE完成了不符合ATM标准的数据终端到ATM适配过程，相当于终端适配器。5、FUNI（基于帧的UNI）FUNI的意义与DXI相似，FUNI将DCE的部分功能完全移入了交换机内部，所以与基于信元的DXI相比，FUNI在接入线上有更高的效率。1.4 ATM的发展趋势1987年ITU-T将ATM选为B-ISDN中的转移模式，在此后5年时间里，主要是在学术界开展研究工作。1991年，由美国的4家公司成立了ATM论坛（ATM Forum）。目前参加这一组织的计算机厂家和通信厂家已达760多家。由于计算机厂家的涉足，使得近几年来ATM技术发展得非常迅速。有关ATM标准化工作即将完成，ATM产品（包括ATM专用芯片、ATM交换设备、ATM用户接入设备）不断涌入市场，一些ATM试验网已开始运行。在ATM技术标准化方面，主要有ITU-T第13研究组制定的I系列标准。由于ATM技术涉及到电信技术的许多方面，因此ITU-T的其它几个研究组也制定了相关的标准，如第1研究组的F系列（主要为ATM网中宽带业务）、第2研究组的E系列（涉及B-ISDN的业务量特性和控制等）、第11研究组的Q系列（主要涉及信令）和第15研究组的G系列（SDH技术）。另外，ATM论坛制定了用户终端设备与交换机互连的UNI3.0、UNI3.1和UNI4.0标准等。此外，ATM论坛正与IETF合作制定有关ATM网传输IP业务的标准，与帧中继论坛合作制定ATM与帧中继互操作的标准，与ISO合作制定ATM网传输MPEG业务的标准。目前，除了上述几个方面合作制定的标准及ATM拥塞控制、ATM局域网仿真的标准尚未完成外，其它有关ATM技术的标准都已基本完成。下一代的通信网络是基于ATM的宽带综合业务数字网，这种观点已得到许多专家和技术人员的认同。日本专家提出的发展规划是：19901992年建立专用ATM网络；19931995年实现用户局部区域、大城市区域及中继区域的ATM交换与传输；19952000年实现NISDN到BISDN的过渡；2000年以后，实现以ATM为基础的全部BISDN。为了保证规划的执行，他们又将规划分为几个不同的阶段，在各个阶段完成不同的重点任务。作为90年代初的第一个阶段，重点是向用户显示ATM技术的优点，在90年代中期的第二个阶段，是提供综合用户网路的接入，即提供一种到用户住宅的综合光纤接口。法国是最早进行宽带技术研究和开发的国家之一，它对ATM技术的研究有两个特点：（1）优先开发用户接口处的ATM设备；（2）采用投资导向型。法国早期的宽带业务是面向广大居民用户，业务重点是为他们提供娱乐型视频节目。美国也是较早开始研究ATM的国家之一，各大公司都先后推出了自己的ATM产品。美国的ATM研究和开发属于市场导向型，它早期的重点服务对象是大商业用户，早期重点发展的业务是商用高速数据通信。在本世纪后十年，美国发展宽带网络的进程分为两个阶段，1995年以前宽带业务收入所占比重很小，而1995年以后增长较快，到2000年时宽带业务收入所占比例将为世界首位。ATM并非马上就会普及，目前，传统型网络与ATM将共存。在此期间，重要的一点是既要保护用户的投资，又能以最经济的方式实现向下一代技术的转移，并达到较高性能。因此ATM与传统网络的互连/集成是一项无法回避的工作。随着PC机和网络技术的迅猛发展，用户对网络传输的要求也越来越高，其中较突出的一点是用户要求把高速传输技术引入到桌面系统，并能支持多媒体应用。随着ATM网络的完善，将来的PC机只要插上一个ATM Driver就可以连到全世界。另外，ATM网络安全的研究也处于刚刚起步的阶段，距离最终的、以基于公开密钥的资格认证机制为基础的ATM安全基础设施的长远目标还有相当大的差距。ATM正在取得成功，这在很大程度上要归功于ATM论坛、IETF和ITU等组织的努力。而ATM论坛由1991年的4个成员厂商发展到现在的760多个成员厂商，足以说明人们对ATM兴趣的增长。由于巨大的需求推动，随着技术上的完善和工业上的成熟，ATM将是下一世纪的网络主宰。我国发展ATM网络可以分以下几个阶段。首先在建设需要高速度、高带宽的专用网中使用ATM技术，例如具有多媒体业务的LAN、校园网和大企业网以及智能化大厦网络中都可将ATM网络作为优选方案，另外，在现有各种网络互连中，也可使用ATM网络代替由大量传统集线器（HUB）、网桥（Bridge）和路由器（Router）组成的网络，简单、方便、高效地实现异种网络的互连和互通。其次，在建设大型公用网和电信骨干网时，使用ATM网络。通常，这种ATM网络以同步数字系列（SDH）光纤传输系统作为传输媒介，而我国己开始大力发展SDH系统，为ATM网络的发展提供了坚实的基础。最后，将ATM技术用于各种网络，实现通信网络的全面宽带化、综合化，成为真正的BISDN。20ATM基本原理第二章 ATM交换技术第二章 ATM交换技术2.1 ATM交换各类业务在经适配进入ATM网后，便由ATM交换机或交叉连接设备提供交换和中继功能，从而到达目的地。ATM交换机或交叉连接设备的作用是：根据输入信元的VPI/VCI标识以及它本身在建立连接时产生的路由表，将该信元转发到相应的输出端口，并对该信元的头部进行适当处理，如改变其VPI/VCI值，在拥塞时有可能改变CLP值，最后还要重新计算HEC值，以保护新产生的信元头。ATM交叉连接设备与ATM交换机唯一的区别在于，ATM交换机由控制面控制，ATM交叉连接设备由管理面控制（“面”的概念见第三章）。图2-1所示为N个输入端口、N个输出端口（NN）的ATM交换机的原理框图。图2-1 ATM交换机原理框图2.1.1 ATM交换机的结构IM为输入模块，OM为输出模块。这两个模块主要完成ATM交换机在物理层上的功能：HEC信元定界、扰码解扰、传输帧的生成恢复适配、比特定时恢复及与媒介相关的功能。此外输入模块还有另外两个功能：F VPI/VCI的转换。F 根据建立连接时协商的参数，对业务流进行监控，对违约的信元进行适当处理，如丢弃信元或改变信元的CLP值。控制模块主要完成BISDN协议参考模型中控制平面的功能，包括呼叫连接的建立与拆除、VP/VC的管理与分配、带宽资源的管理与分配等。交换结构是真正交换信元的地方，它是整个交换机的心脏，也是限制交换机吞吐量的瓶颈。2.1.2 ATM交换机的功能ATM交换机实质上是一个能将输入端口中的信元，按照其路由标记送到它所要求的输出端口的功能块。因此，ATM交换机最主要的功能是路由功能。实际工作时有可能会出现几个输入端口的信元同时希望到同一输出端口的情况，这种情况称为输出端口竞争。有时这种竞争的情况，还会发生在交换结构的内部，称为内部阻塞。为了避免“阻塞”时引起信元丢失，交换单元中应提供一系列缓冲区，供同时到达的信元排队用，这个队列造成了信元在交换单元内的时延，这个时延是随机的，它与缓冲器的位置、结构以及缓冲长度有关。当缓冲器存满后，就会产生信元丢失，因此，缓冲排队方式直接影响交换单元性能的好坏。缓存器可以设置在输入端口处，也可以设置在输出端口处，还可以放在交换结构的内部。目前排队机制分为两大类：基本排队机制和改进的排队机制。基本排队机制有三种：输入排队、输出排队和中央排队。这是从队列和传送媒体的相对位置来区分的。三种基本排队方式各有优缺点，在实际应用中并没有直接利用这三种方式，而是采取了一些改进措施，如带反压控制的输入/输出排队方式、带环回机制的排队方式、共享输出排队方式等。几种典型的排队方式的性能比较见表2-1。路由和缓存是ATM交换机最基本的两个功能，除此之外，还要具备如下功能，以提高交换机服务质量：F 优先级功能。可根据业务类型设置优先级，也可以根据用户级别设置优先级，还可以根据业务中信息重要性不同设置优先级。优先级一般分两类，一类是时延优先级，让对时延敏感的信息先进入排队系统，先接受服务。另一类是丢失优先级，在交换机发生拥塞时，先丢弃对丢失不敏感的信息。设置优先级后，可以在交换机负荷重时，牺牲低优先级信息的服务质量，以保证高优先级信息的服务质量。F 广播（Broadcast）和组播（Multicast）功能。交换机除了要支持点到点之间的通信外，还要支持点到多点的通信，从某一输入端口来的信元需要在多个（组播）或所有（广播）输出端口输出，如视频分配业务。表2-1 缓冲排队方式性能比较吞吐率缓冲器利用率时延控制规模存储器读/写速度实现点到多点输入缓冲低(60%)较低时延大抖动大仲裁逻辑较复杂大低困难输出缓冲高共享式较高专用式较低小简单共享式小专用式大共享式较高专用式较低容易中央缓冲高最高小复杂小最高较容易输入/输出缓冲较高一般较小较复杂较小较低容易重环回缓冲较高较高小较复杂较小较低容易2.2 ATM交换结构根据具体使用的交换方式，交换结构可分为时分和空分两大类，每一类又可细分为许多类（图2-2）。图2-2 ATM交换结构分类2.2.1 时分交换结构时分交换结构中各接口以时分复用的方式共享一条通信媒体，这个媒体可以是一个存储体、一条总线或一个环，媒体的带宽决定了交换容量。1、共享总线和共享环共享总线和共享环交换结构一般如图2-3所示，它由总线（环）以及仲裁机制构成，各个接口模块都挂接在总线上，当一个接口模块有信元要交换时，首先由该接口模块发出总线请求，由总线仲裁机制决定是否允许发送，若允许，该模块就将信元广播到总线上，总线上的所有接口模块都检查总线上信元所携带的路由信息，如果发现目的地址包括本模块，就将该信元从总线上拷贝下来，这就完成了一个信元的交换。图2-3 共享总线（环）交换结构这种交换方式有如下特点：F 结构简单，但吞吐量有限。这是因为，板间总线的速率受到工艺的限制，只能达到几十兆。一般采用增加总线宽度的方法降低总线速率，但由于ATM信元的字节数是一定的，所以总线的最大宽度只能是一个ATM信元（424比特）加上路由标签，即最快为一个总线时钟交换一个信元。这样，共享总线和共享环这种结构的交换容量上限约为10G左右。F 易于实现广播和点到多点通信。这是因为，总线本身就具有广播特性，所有目的接口模块可以同时接收信元。F 适于各接口模块流量不均的情况，易于实现不同的服务等级和优先级控制。这是因为，各接口模块只有在有信元交换时才申请总线，所以交换资源最大程度地被所有接口共享；另外在总线仲裁机制中还可加入各种优先级控制机制。F 从性能上分析，总线或环本身是无阻塞的，信元丢失只发生于各个队列中，时延特性与总线仲裁机制有关。从可靠性上分析，总线或环的错误会影响到所有虚电路连接，因为所有信元都经过这唯一的一条通路交换。根据共享总线和共享环交换结构的特点，这种结构较适于容量要求不高、接口种类较多、业务特性不同的ATM接入交换机中。目前己有专门的总线交换芯片，如Transwitch公司的CUBIT信元总线交换芯片。另外，还有许多交换机采用了共享总线和环的交换结构，如CISCO和NEC共同开发的XATOM结构的交换机。2、共享存储器结构共享存储器交换结构如图2-4所示，它一般由选路控制、存储器控制、信元传送媒体和中央存储器构成，交换容量由存储器的容量决定。目前典型的共享存储器交换结构都采用共享输出队列的排队机制、采用地址链表管理存储器。地址链表中存放着共享存储体的空闲地址，当一个信元到达时，就从链表中弹出一个地址，信元就存放入这个地址所指的存储区中；同时，信头进入选路控制器，由它识别该信元的出口线，每个出口线对应一个输出队列，选路控制器将该信元所存放的地址推入相应的输出队列中，这样各出口线只要从输出队列中取出地址，就可根据这个地址从共享存储体中取出信元。目前，也有许多公司提供共享存储器结构的交换芯片和交换机，如AT&T，IBM，MMCnetwork，IDT等，各种芯片在具体实现上还有各自的特点，但基本原理都如上所述。图2-4 共享存储器交换结构共享存储器交换结构具有以下特点：F 点到多点通信实现较复杂，一种方法是将信元拷贝多份，存入中央存储器的多个存储区中，将地址分别放入各个队列中；一种方法是不进行信元拷贝，而是设计一个计数器，每向一个目的输出端口传送一次信元，计数器就减1，一直到0，表示已向所有目的输出端口传送了广播组播信元，这时才可释放该信元所占用的存储区地址。F 存储器控制机制较复杂。F 由于存储器是是一种非常通用的器件，并且存储器电路设计具有重复性，所以与共享总线结构相比，共享存储器交换结构从成本和交换容量来说具有优势。F 存储器为所有输出共享，所以存储器利用率较高。F 共享存储器结构本身也是无阻塞的，信元丢失只发生于队列溢出时。2.2.2 空分交换结构1、全互连网利用全互连网的交换结构主要有图2-5所示的两种，可将它们看成共享总线结构的演化，各输入线独占一条传送媒介。图2-5(a)中所示的结构由于各入线上的信元可能竞争相同出线，所以在每一入线和出线间设置了缓存，在各出线上有仲裁机制；图2-5(b)中所示的结构在互连网内部无缓存，所有入线、出线都有一条通路，在总线接口中设置队列解决出线上的竞争。图2-5(b)中所示的结构最典型的应用是著名的Knockout交换机。图2-5 全互连网交换结构全互连网具有如下特点：F 也是无阻塞的交换结构，信元丢失只发生于队列中。F 易于扩展。F 连线数多，与端口数N的平方成比例增长，所以虽然这种全互连网结构本身具有很好的可扩展性，但实际上这种结构受连线复杂度的限制，很难达到大容量。2、多级互连网（MIN）多级互连网在电话网的电路交换结构、并行计算的多处理器互连和存储器互连中都有广泛的应用。在ATM交换机中利用多级互连网将一些相同结构的小容量交换单元，构成一个大容量的交换结构，交换单元是一个独立的交换单位，多为一个或一组交换芯片，可以完成44、88、1616等容量的交换，实现方式多种多样，如可以采用前面提到的共享存储器、全互连网结构。连接各个交换单元的多级互连网主要有两类：三级折叠网（Clos网）和Banyan网（图2-6）。图2-6 多级互连网交换结构多级互连网的连线数比全互连网要少得多，它只与端口数N成正比，所以能构成大容量的交换机。但多级互连网结构都为内部有阻塞的结构，即经不同路由的两个信元，可能同时到达网中的同一点，争占同一连线资源，从而引起信元丢失。所以，在多级互连网交换结构中，必须要考虑如何降低阻塞引起的信元丢失。另一个问题就是互连网内的路由选择，即一个信元怎祥通过多级互连网正确地到达目的输出线。下面分别对两种基本的多级互连网结构予以说明。三级折叠网结构如图2-6(a)所示，它由三级构成，并以中间级为镜像面折叠对称，连线规则是：前一级的任一交换单元与下一级的每个交换单元都有一条连线。根据这条连线规则，任一输入线上的信元，可以经过任一个中间级交换单元，通过镜像面的任一点选路到目的输出线上。所以从选路的角度，可以将三级折叠网分成分配网和选路网两部分。从输入到镜像面为分配网，信元在其中可以随机地选一条路由；从镜像面到输出为选路网，在选路网中，要为信元选择一条能正确到达目的输出线的路由。Banyan网也是一种应用非常广泛的多级互连网。图2-6(b)中所示是一种形式的Banyan网，它的基本单元是的交换单元，这是一种自选路由的网络，以目的地址为选路信息，有N比特的目的地址就有N级网络，每级解释选路信息的比特，交换单元中标有的出线表示选路信息的当前比特为时从此线出。实际应用中，采用KK的交换单元构成Delta网的交换结构，这样每级可翻译多比特的路由信息。Delta网是Banyan网的一个子集。三级折叠网和Banyan网是两种最基本的交换单元互连结构，利用这两种互连网可实现各种结构的交换机，这使得各厂家在选路方法以及降低阻塞的改进措施方面可各显神通。2.3 ATM交换机2.3.1 ATM交换机的分类ATM交换机按其在网络中的位置及其完成的功能可以分为图2-7所示的几类，这些交换机由于它们的应用场合不同，完成的功能也略有差异，主要区别体现在接口种类、交换容量和处理的信令等方面。图2-7 ATM交换机分类在公用网中，有接入交换机、节点交换机和交叉连接设备。接入交换机位于ATM网络的边缘，它在网络中的地位相当于电话网中的用户交换机，用于将各种业务终端连入ATM网中。接入交换机的交换容量一般要求不高，但它完成大量与具体业务相关的工作，包括与业务相关接口的各层功能；将业务数据适配到ATM信元中；完成统计复用功能，将多个低速率的信元流适配成标准速率的ATM信元流；另外还必须完成业务信令的处理，识别业务信令，并将它转换为ATM信令。公用网上节点交换机的地位类似于现有电话网中的局用交换机，它完成VP/VC交换，要求交换容量较大，但接口类型比接入交换机简单，只有标准的ATM接口，只要求处理ATM信令，另外，节点交换机要求有较强的管理和维护功能。交叉连接设备与现有电话网中的交叉连接设备作用相似，它在主干网中完成VP交换，不需要进行信令处理，而是通过网络管理设置VP之间的连接，从而实现极高速率的交换。因此，ATM交叉连接设备的主要功能就在于大容量的VP交换，相应有较简单的控制功能和强大的网络管理和维护功能。在ATM专用网中，有专用网交换机、ATM局域网交换机。专用网交换机作用相当于公用网中的节点交换机，具有专用网的UNI和NNI接口，完成P-UNI和P-NNI的信令处理，有较强的管理和维护功能。专用网中另一类重要的设备是ATM局域网交换机。目前ATM最广泛的应用还在于局域网方面，有直接构成ATM局域网，也有用ATM实现局域网的互联，这类网络中的关键设备就是ATM局域网交换机，它的作用类似于公用网中的接入交换机，但它只完成局域网业务的接入。ATM局域网交换机应具有局域网接口和ATM P-UNI接口，以处理局域网的各层协议以及ATM信令。总的来说，ATM局域网交换机解决了在面向连接的ATM网中实现无连接业务的问题，采用的协议有局域网仿真（LAN Emulation）、IPOA（IP Over ATM）以及MPOA（Multiple Protocol Over ATM）。2.3.2 ATM交换机的功能模块以上介绍了各种ATM交换机在网络中的地位以及它们的主要功能。这些交换机虽然各有特点，但从基本构成上看都可分为图2-8中所示的几个功能模块。图2-8 ATM交换机的功能模块接口模块位于交换机的边缘，为交换机提供对外的接口。接口模块可以分为两大类，一类是ATM接口模块，提供标准的ATM接口；另一类为业务接口模块，提供与具体业务相关的接口，这类接口模块位于接入交换机及专用网的ATM交换机中。接口模块与交换模块相连的一侧通常为信元总线。ATM接口模块完成物理层、ATM层的功能。业务接口模块完成业务接口处理、AAL层和ATM层的功能。业务接口的处理包括物理层和数据链路层甚至更高层的功能，如业务数据帧结构的识别、分离或组装用户数据和信令。业务信令经过分析，转换成ATM信令，由交换机的控制模块进行处理，用户数据则根据不同的业务类型，进行不同类型的ATM适配。ATM层功能和管理控制功能在两类接口模块中都相似。ATM层完成一般流量控制功能，包括业务成形、信头处理（如修改CLP，进行VPI/VCI翻译）、各个虚连接信元的复用和分离等。管理控制部分完成管理和控制信息的收集、传送和处理，如OAM信元、信令信元的识别和处理，并通过交换模块或单独的控制通路与交换机的控制模块交换信息。交换模块是整个交换机的核心模块，它提供了信元交换的通路，通过交换模块的两个基本功能（排队和选路），将信元从一个端口交换到另一个端口上，从一个VP/VC交换到另一个VP/VC。交换模块还完成部分流量控制功能，主要是优先级控制和ABR业务的流量控制，此外，在大多数交换机中，管理和控制信息也以信元的格式通过交换单元传送。控制模块是交换机的中央枢纽，它完成A