第6章ATM交换

1、6.1 概述概述6.2 ATM技术基础技术基础6.2.1 ATM传送模式传送模式6.2.2 ATM信元格式信元格式6.2.3 虚信道和虚通路虚信道和虚通路6.2.4 ATM交换基本原理交换基本原理6.2.5 ATM网络的一般通信过程网络的一般通信过程6.3 ATM协议参考模型协议参考模型6.3.1 分层模型分层模型6.3.2 物理层物理层6.3.3 ATM层层6.3.4 ATM适配层适配层6.4 ATM交换结构交换结构6.4.1 ATM交换机的基本组成和要求交换机的基本组成和要求6.4.2 基本交换单元基本交换单元6.4.3 交换结构交换结构6.5 ATM网络流量控制和拥塞控制网络流量控制和拥

2、塞控制6.6 ATM信令信令6.1 概述概述 异步转移模式（异步转移模式（Asynchronous Transfer Mode）是一种采用异步时分复用方式、以固定信元长度为单是一种采用异步时分复用方式、以固定信元长度为单位、面向连接的信息转移（包括复用、传输与交换）位、面向连接的信息转移（包括复用、传输与交换）模式。主要包含：信元、复用、交换。模式。主要包含：信元、复用、交换。 ATM的特点的特点: 1采用统计时分复用方式采用统计时分复用方式 2取消了逐段的差错控制和流量控制取消了逐段的差错控制和流量控制 3采用面向连接的方式采用面向连接的方式 4信头的功能被简化信头的功能被简化 5信元长度固

3、定，信息段长度短信元长度固定，信息段长度短6.2.1 ATM传送模式传送模式电路交换方式具有如下特点：电路交换方式具有如下特点： 在通信开始时应首先建立连接。在通信开始时应首先建立连接。 一个连接在通信期间始终占用某一固定的子信道，一个连接在通信期间始终占用某一固定的子信道，这些数字子信道是依据其在时间轴上的位置确定的。这些数字子信道是依据其在时间轴上的位置确定的。 建立连接以后，信息在系统中的传输时延基本上是建立连接以后，信息在系统中的传输时延基本上是一个恒定值。一个恒定值。 同步时分复用系统中的各个子信道的速率是固定分同步时分复用系统中的各个子信道的速率是固定分配的，不可能在不改变此系统的

4、情况下临时调配各个子配的，不可能在不改变此系统的情况下临时调配各个子信道的速率。信道的速率。 交换节点对传输中出现的错误不进行校正，对节点交换节点对传输中出现的错误不进行校正，对节点的处理要求简单。的处理要求简单。6.2.1 ATM传送模式传送模式分组交换方式具有如下特点：分组交换方式具有如下特点： 分组交换采用统计复用方法，可以将信道按照分组交换采用统计复用方法，可以将信道按照需要动态地分配给各个用户，信道利用率较高。需要动态地分配给各个用户，信道利用率较高。 在分组交换中普遍采用逐段反馈重发的措施，在分组交换中普遍采用逐段反馈重发的措施，以保证数据传输是无差错的。以保证数据传输是无差错的。

5、 分组数据在通信网中传送的时延是随机的，这分组数据在通信网中传送的时延是随机的，这主要是因为数据分组在交换节点有可能要排队等待，主要是因为数据分组在交换节点有可能要排队等待，另外，逐段反馈也可能引入附加的时延。另外，逐段反馈也可能引入附加的时延。 由于要进行逐段差错控制，交换节点的处理负由于要进行逐段差错控制，交换节点的处理负担较重。担较重。6.2.1 ATM6.2.1 ATM传送模式传送模式ATM是一种异步高速分组传送模式。是一种异步高速分组传送模式。 ATM兼具电路交换方式和分组交换方式的优点兼具电路交换方式和分组交换方式的优点ATM与分组交换方式的基本差别是：与分组交换方式的基本差别是：

6、 ATM信元的长度固定，并使用了空闲信元信元的长度固定，并使用了空闲信元填充信道，这使信道被划分为等长的时间小段，为填充信道，这使信道被划分为等长的时间小段，为提供固定比特率和固定时延的电信业务创造了条件。提供固定比特率和固定时延的电信业务创造了条件。 取消了逐段的差错控制，减轻了交换节点的取消了逐段的差错控制，减轻了交换节点的处理负担。处理负担。6.2.2 ATM信元格式信元格式 ATM信元是信元是ATM的基本信息单元，根据对的基本信息单元，根据对传输效率、时延传输效率、时延（包括打包时延、排队时延、时延抖动和相关的信元组合恢复（包括打包时延、排队时延、时延抖动和相关的信元组合恢复时延）和实

7、现复杂性三方面因素的综合考虑，采用了时延）和实现复杂性三方面因素的综合考虑，采用了53字节的字节的固定信元长度。，分个部分：的信头、的信息段。固定信元长度。，分个部分：的信头、的信息段。6.2.2 ATM信元格式信元格式 GFC（Generil Flow Control）用于控制用户向）用于控制用户向网上发送信息的流量。网上发送信息的流量。 VPI（Virtual Path Identifer）和）和VCI（Virtual Channel Identifier）用来将一条传送）用来将一条传送ATM信元的信道信元的信道划分为多个子信道。划分为多个子信道。 PTI（Payload Type Ind

8、icator） CLP（Cell Loss Priority） HEC（Header Error Check） 6.2.3 虚信道和虚通路虚信道和虚通路 ATM系统中的虚电路有虚通路（系统中的虚电路有虚通路（Virtual Path，VP）和虚信道（和虚信道（Virtual Channel，VC）两种。两种。虚信道虚信道VC、虚通道、虚通道VP及传输通道之间的关系及传输通道之间的关系6.2.4 ATM交换基本原理交换基本原理 VP交换：将一条上所有的链路全部转交换：将一条上所有的链路全部转送道另一条上去。送道另一条上去。6.2.4 ATM交换基本原理交换基本原理 VC（交换只是交换机根据和（交

9、换只是交换机根据和的字段交换即可）和的字段交换即可）和VP交换：交换：6.2.5 ATM网络的一般通信过程网络的一般通信过程 首先首先ATM是网络的端到端之间的通信是网络的端到端之间的通信,通信过程就通信过程就是呼叫连接和转移信元是呼叫连接和转移信元. 呼叫连接呼叫连接:有源端点有源端点A向向ATM网络发送连接请求网络发送连接请求,要求于宿端点要求于宿端点B通信通信,请求包括请求包括:目的地址、所需带宽、目的地址、所需带宽、服务质量等控制信息（信令信息）。信息同样是以信服务质量等控制信息（信令信息）。信息同样是以信元形式传送，若元形式传送，若B同意接收，则返回信息到同意接收，则返回信息到A；

10、信元传送顺序问题：一个连接的信元要求按照顺信元传送顺序问题：一个连接的信元要求按照顺序到达，则交换机也要确保这些信元是按照顺序传送序到达，则交换机也要确保这些信元是按照顺序传送的。的。6.3 ATM协议参考模型协议参考模型6.3.1 分层模型分层模型6.3.2 物理层物理层6.3.3 ATM层层6.3.4 ATM适配层适配层6.4 ATM交换结构交换结构6.4.1 ATM交换机的基本组成和要求交换机的基本组成和要求6.4.2 基本交换单元基本交换单元6.4.3 交换结构交换结构6.5 ATM网络流量控制和拥塞控制网络流量控制和拥塞控制6.6 ATM信令信令6.3 ATM协议参考模型协议参考模型

11、 ATM采用分层体系结构来表达和定义有关功能和采用分层体系结构来表达和定义有关功能和接口。接口。6.3.1 分层模型分层模型 ATM交换的协议参考模型是基于国际电联标准产交换的协议参考模型是基于国际电联标准产生的。它由三个面组成，即控制面（生的。它由三个面组成，即控制面（Control）、）、用户用户面（面（User）和管理面（和管理面（Management）。）。 ATM适配层（适配层（ATM Adaptation Layer，AAL）是是业务特定的，它的使用取决于应用要求。业务特定的，它的使用取决于应用要求。 ATM层主要执行交换、路由选择和多路复用功能。层主要执行交换、路由选择和多路复用

12、功能。6.3.1 分层模型分层模型 ATM协议参考模型协议参考模型管理面用户面控制面高层AAL 层信令信令 AALA 级B 级C 级D 级AAL1AAL2 AAL3 或 AAL5ATM 层物理层6.3.2 物理层物理层 物理层主要处理相邻物理层主要处理相邻ATM层间层间ATM信元的传信元的传输。输。ATM层独立于物理层，它能够在各种类型物层独立于物理层，它能够在各种类型物理链路上工作。理链路上工作。一、传输汇聚子层一、传输汇聚子层传输汇聚子层生成物理媒质的关联信息，并传输汇聚子层生成物理媒质的关联信息，并且为物理层产生协议信息。它的功能包括且为物理层产生协议信息。它的功能包括HEC的的产生和验

13、证、信元速率解耦、信元定界、传输帧的产生和验证、信元速率解耦、信元定界、传输帧的产生和恢复。产生和恢复。6.3.2 物理层物理层1传输帧的产生和恢复：在面向帧的传输系统中，传传输帧的产生和恢复：在面向帧的传输系统中，传输汇聚子层在发送端产生传输帧，并在接收端从比特输汇聚子层在发送端产生传输帧，并在接收端从比特流中恢复它。流中恢复它。2HEC的产生和验证：物理层从的产生和验证：物理层从ATM层传递层传递52字节信元。这时，除了字节信元。这时，除了HEC字节，其他字节是完字节，其他字节是完全的。全的。HEC字节由传输汇聚子层处理，并且在它字节由传输汇聚子层处理，并且在它传到物理媒质之前就插入信元信

14、头的信头差错控传到物理媒质之前就插入信元信头的信头差错控制域。制域。3信元速率解耦：一般来说，物理媒质要求信元速率解耦：一般来说，物理媒质要求连续传输比特流（拆线信道传输除外）。连续传输比特流（拆线信道传输除外）。4信元定界：传输链路上传输的不是信元，信元定界：传输链路上传输的不是信元，而是比特流（信号）。物理层接收比特流，并而是比特流（信号）。物理层接收比特流，并且在它传向且在它传向ATM层之前，将其还原为层之前，将其还原为ATM信信元。元。6.3.2 物理层物理层二、物理媒质关联子层二、物理媒质关联子层 物理媒质关联子层（物理媒质关联子层（Physical Medium Dependent

15、 sublayer，PMD）类似常规网络的物理层。类似常规网络的物理层。它在传输方向的基本功能是在链路上透明传输比特流。它在传输方向的基本功能是在链路上透明传输比特流。在接收方向，它检测和恢复传递来的比特流，然后将在接收方向，它检测和恢复传递来的比特流，然后将其再传递到传输汇聚子层，恢复传输帧和其再传递到传输汇聚子层，恢复传输帧和ATM信元。信元。下图表示了物理媒质关联子层和传输汇聚子层间下图表示了物理媒质关联子层和传输汇聚子层间的关系。的关系。6.3.2 物理层物理层 物理媒质关联子层和传输汇聚子层间关系物理媒质关联子层和传输汇聚子层间关系定时数据控制信号线路输入定时数据控制信号线路输出物理

16、媒质关联子层传输汇聚子层编码-解码(如 4B/5B)调制/解调定时传递检测6.3.2 物理层物理层（1）接收信号检测比特边界要求：传递到物理媒质关）接收信号检测比特边界要求：传递到物理媒质关联子层的码型是二进制代码。联子层的码型是二进制代码。（2）额外值要求：增加额外值可用于传输链路两端控）额外值要求：增加额外值可用于传输链路两端控制信息的传递。制信息的传递。（3）低速传递需要：码组传输在网中使接收的比特流）低速传递需要：码组传输在网中使接收的比特流更易于低速向其他电路传递。更易于低速向其他电路传递。6.3.3 ATM层层 ATM层主要执行层主要执行ATM 网的交换功能，在同一网的交换功能，在

17、同一ATM层单元间传递信元。层单元间传递信元。一、信元信头产生和提取一、信元信头产生和提取ATM层从用户层接收层从用户层接收48字节信元信息，再加字节信元信息，再加4字节信头（字节信头（HEC字节除外）组成字节除外）组成ATM信元，然后信元，然后将它传送到物理层进行将它传送到物理层进行HEC处理和传输。处理和传输。二、一般流量控制二、一般流量控制ATM层通过一般流量控制（层通过一般流量控制（GFC）控制终端控制终端到网络的业务流量。到网络的业务流量。同时，信元丢失优先级（同时，信元丢失优先级（CLP）在流量控制在流量控制中也发挥作用。中也发挥作用。6.3.3 ATM层层三、三、VPI/VCI的

18、翻译的翻译ATM是面向连接的技术，它要求端到端连接在是面向连接的技术，它要求端到端连接在业务量开始流通前就建立。业务量开始流通前就建立。ATM信元信头包含信元信头包含28bit的的路由选择域，它由两个识别符构成，即虚通路标识符路由选择域，它由两个识别符构成，即虚通路标识符（VPI）和虚信道识别符（和虚信道识别符（VCI）。）。四、四、ATM层转接业务层转接业务1向物理层传递的业务；向物理层传递的业务；2向向ATM层用户提供的业务层用户提供的业务五、五、ATM层管理层管理 操作管理和维护（操作管理和维护（OAM）一般包括配置、故障和一般包括配置、故障和性能管理及安全保密和计费功能，网络资源特别在

19、性能管理及安全保密和计费功能，网络资源特别在ATM层被监测，防止设备故障和性能降级。层被监测，防止设备故障和性能降级。6.3.3 ATM层层（1）性能监测：管理单元的正常功能，由连续的或者）性能监测：管理单元的正常功能，由连续的或者周期性的功能检测进行监测，并提供维护信息。周期性的功能检测进行监测，并提供维护信息。（2）故障和失效检测：通过连续的和周期性检查来检）故障和失效检测：通过连续的和周期性检查来检测出故障，并产生维护和告警信息。测出故障，并产生维护和告警信息。（3）系统保护：通过闭塞或者切换的方式减小管理单）系统保护：通过闭塞或者切换的方式减小管理单元故障对系统的影响，并把故障单元排除

20、于操作之外。元故障对系统的影响，并把故障单元排除于操作之外。（4）故障信息：故障信息、告警指示和请求响应都被）故障信息：故障信息、告警指示和请求响应都被传递到对应管理单元和管理面。传递到对应管理单元和管理面。（5）故障定位：由于故障信息不充分，需要内部或者）故障定位：由于故障信息不充分，需要内部或者外部测试系统检测故障单元。外部测试系统检测故障单元。6.3.3 ATM层层六、信元多路复用和分解六、信元多路复用和分解 信元由信元由ATM层向物理层传递时，要进行统计时层向物理层传递时，要进行统计时分多路复用，将信元信息插入时间段中；物理层向分多路复用，将信元信息插入时间段中；物理层向ATM层传递时

21、，层传递时，ATM层要从时间段中取出信元信层要从时间段中取出信元信息。息。6.3.4 ATM适配层适配层 ATM层只涉及信元信头功能而不处理信息域的层只涉及信元信头功能而不处理信息域的信息类型，不涉及具体应用，这种简化处理对于同信息类型，不涉及具体应用，这种简化处理对于同高速传输链路保持同步是非常必要的。高速传输链路保持同步是非常必要的。 ITU-T根据定时关系、比特率和连接方式三个根据定时关系、比特率和连接方式三个参数对参数对ATM业务进行了分类。业务进行了分类。每一协议都具有通过每一协议都具有通过ATM网把网把AAL-SDU从一个从一个AAL业务接入点（业务接入点（Service Acce

22、ss Point，SAP）传递到另一个或者更多传递到另一个或者更多AAL-SAP的功能。的功能。6.3.4 ATM适配层适配层一、固定比特率业务的一、固定比特率业务的ATM适配层适配层 ATM适配层类型适配层类型1（AAL1）适用于要求连接端点间具有定适用于要求连接端点间具有定时关系的恒定比特率（时关系的恒定比特率（Constan Bit Rate，CBR）业务，例如业务，例如CBR音频和音频和CBR视像。视像。1分段和重装子层：分段和重装子层在发送端，接分段和重装子层：分段和重装子层在发送端，接收汇聚子层传来的收汇聚子层传来的47字节数据块（字节数据块（AAL1 CS-PDU），），并在每个

23、数据块附加并在每个数据块附加SAR-PDU信头，构成分段和重信头，构成分段和重装子层协议数据单元（装子层协议数据单元（SAR-PDU）。）。2汇聚子层：汇聚子层：AAL1汇聚子层包括下列功能。汇聚子层包括下列功能。信元延迟变量的处理；（信元延迟变量的处理；（2）顺序计数的处）顺序计数的处理；（理；（3）定时信息的传递方式；（）定时信息的传递方式；（4）源点和终）源点和终点间结构信息的传递；（点间结构信息的传递；（5）前向纠错。）前向纠错。6.3.4 ATM适配层适配层二、可变比特率业务的二、可变比特率业务的ATM适配层适配层 AAL1是惟一定义用于固定比特率业务的适配层，其他都定是惟一定义用于

24、固定比特率业务的适配层，其他都定义用于可变比特率业务。可变长度信息分组称为业务数据单元义用于可变比特率业务。可变长度信息分组称为业务数据单元（Service Data Unit，SDU）。）。 可变比特率业务特定汇聚子层（可变比特率业务特定汇聚子层（VBR SSCS）定义了两种定义了两种方式业务：信息方式和数据流方式。方式业务：信息方式和数据流方式。 信息方式传递固定容量数据单元，也传递可变长度数据单信息方式传递固定容量数据单元，也传递可变长度数据单元。元。 数据流方式用于可变长度数据单元传输和接收的交织。如数据流方式用于可变长度数据单元传输和接收的交织。如果没有此功能，完整数据单元必须被果没

25、有此功能，完整数据单元必须被ATM适配层用户接收，并适配层用户接收，并在汇聚子层处理。如果有并启动该功能，在汇聚子层处理。如果有并启动该功能，ATM适配层用户以若适配层用户以若干单元传递数据。干单元传递数据。6.3.4 ATM适配层适配层 1ATM适配层类型适配层类型2（AAL2）：AAL2分为汇聚子层分为汇聚子层（CS）和分段重装子层（和分段重装子层（SAR）。）。 2ATM适配层类型适配层类型3/4（AAL3/4）：AAL3/4定定义用于源和端间不须定时的面向连接和无连接可变比义用于源和端间不须定时的面向连接和无连接可变比特率业务。它的基本功能支持无连接网络接入和面向特率业务。它的基本功能

26、支持无连接网络接入和面向连接的帧中继业务。连接的帧中继业务。 3ATM适配层类型适配层类型5（AAL5）：与：与AAL3/4相类相类似，似，AAL5用于可变比特率业务，但是它不需要源和用于可变比特率业务，但是它不需要源和端之间的定时。端之间的定时。 4AAL3/4与与AAL5的比较：的比较：AAL3/4和和AAL5都都定义于面向连接的可变比特率业务，以及不要求通信定义于面向连接的可变比特率业务，以及不要求通信单元间端到端定时的无连接应用。单元间端到端定时的无连接应用。6.4 ATM交换结构交换结构6.4.1 ATM交换机的基本组成和要求交换机的基本组成和要求一、系统组成一、系统组成ATM交换机

27、或交叉连接节点的主要任务为进交换机或交叉连接节点的主要任务为进行行VPI/VCI转换和将来自于特定转换和将来自于特定VP/VC的信元根据的信元根据要求输出到另一特定的要求输出到另一特定的VP/VC上。上。 1输入处理输入处理 在传输线路上信息传送的形式是比特流，而信在传输线路上信息传送的形式是比特流，而信息交换必须以信元为单位，将息交换必须以信元为单位，将53字节（即字节（即538=424bit）信息作为一个整体同时交换，而信息作为一个整体同时交换，而不是逐比特进行。不是逐比特进行。6.4.1 ATM交换机的基本组成和要求交换机的基本组成和要求2控制单元控制单元 控制单元完成建立和拆除控制单元

28、完成建立和拆除VP连接（连接（VPC）和和VC连连接（接（VCC），），并对并对ATM交换单元进行控制，同时处理交换单元进行控制，同时处理和发送和发送OAM信息。信息。3输出处理输出处理 输出处理完成与入线处理部件相反的处理，例如，输出处理完成与入线处理部件相反的处理，例如，将信元从将信元从ATM层转换成适合于特定传输媒质的比特流层转换成适合于特定传输媒质的比特流形式。形式。4交换单元交换单元 作为实际执行交换动作的部件，其性能的优劣直接作为实际执行交换动作的部件，其性能的优劣直接关系到交换机的效率和性能，以至于人们在讨论宽带交关系到交换机的效率和性能，以至于人们在讨论宽带交换系统时仅注重交换

29、单元的设计，而忽略交换机的其他换系统时仅注重交换单元的设计，而忽略交换机的其他三个基本组成单元。三个基本组成单元。6.4.2 基本交换单元基本交换单元 1 空分交换结构空分交换结构ATM交换的最简单构建方法是将每一条入线交换的最简单构建方法是将每一条入线和每一条出线相连接，在每条连接线上装上相应的和每一条出线相连接，在每条连接线上装上相应的开关，根据信头开关，根据信头VPI/VCI决定相应的开关是否闭合决定相应的开关是否闭合来实现特定输入和输出线路的接通，也就是将某入来实现特定输入和输出线路的接通，也就是将某入线上信元交换到出线上。线上信元交换到出线上。6.4.2 基本交换单元基本交换单元2

30、时分交换结构时分交换结构ATM本质是异步时分（本质是异步时分（Asynchronous Time Division，ATD）复用，它将信道分成等长复用，它将信道分成等长的时隙，时隙中填充等长的分组，借鉴同步时分复的时隙，时隙中填充等长的分组，借鉴同步时分复用中的时分交换的概念，人们设计了异步时分的交用中的时分交换的概念，人们设计了异步时分的交换结构。换结构。时隙交换器（时隙交换器（Time Slot Interval，TSI）是是时分交换结构中的关键组成单元。时分交换结构中的关键组成单元。6.4.2 基本交换单元基本交换单元3 总线交换结构总线交换结构总线是指所有通信部件间的公共连线，通信总线是指所有通信部件间的公共连线，通信部件间的信息交换全部通过总线提供的通道来完成。部件间的信息交换全部通过总线提供的通道来完成。总线管理器m条入线n条出线6.4.3 交换结构交换结构 令牌环结构是高速局域网所采用的一种信息交令牌环结构是高速局域网所采用的一种信息交换形式。所有入线、出线和环形网络相连，如果环换形式。所有入线、出线和环形网络相连，如果环的传输容量等于所有入线容量之和，可以采用开槽的传输容量等于所有入线容量之和，可以采用开槽（时隙）方法，为每个入线分配时隙，入线在相应（时隙）方法，为每个入线分配时隙，入线在相应的时隙将其上的信元送上环路，而在任意