第五章ATM交换

1、2022-3-7 第五章第五章 ATMATM交换交换2022-3-7n社会发展需求，随着视频业务应用的发展，用户业务需要大于2mb/s的宽带传输和交换。n技术发展支持，光纤及相关的传输技术发展和广泛运用，为构建能承载数据、高质量视频等业务的宽带综合网络提供了技术支持，交换技术变成瓶颈。5.1 B-ISDN与ATM的概念2022-3-7业务带宽跨度大，从几十到几兆比特业务带宽跨度大，从几十到几兆比特/ /秒；秒；不同业务的突发特性不同；不同业务的突发特性不同；各种业务的实时性要求不同；各种业务的实时性要求不同；各种业务对错误的敏感性不同；各种业务对错误的敏感性不同；不同业务要求不同的连接方式。不

2、同业务要求不同的连接方式。 B-ISDN与与ATM的概念的概念B-ISDN业务的特征业务的特征B-ISDNB-ISDN的目标，的目标，为用户提供各种带宽的数据、为用户提供各种带宽的数据、语音、图像、电视会议、文本文件、数据等信语音、图像、电视会议、文本文件、数据等信息的交换和传输服务。息的交换和传输服务。2022-3-7B-ISDN对传送模式的要求对传送模式的要求q 对信息的损伤要小对信息的损伤要小 具有时间透明性具有时间透明性( (信息传送的时延和时延抖动要信息传送的时延和时延抖动要小小) ) 具有语义透明性具有语义透明性( (由传送引起的信息丢失和差错由传送引起的信息丢失和差错要小要小)

3、)q能灵活地支持各种业务能灵活地支持各种业务q具有高速传送信息的能力具有高速传送信息的能力B-ISDN与与ATM的概念的概念2022-3-7ATMq 电路交换特点电路交换特点同步时分复用；固定分同步时分复用；固定分配带宽；时间透明性配带宽；时间透明性q 分组交换特点分组交换特点统计时分复用；动统计时分复用；动态分配带宽；语义态分配带宽；语义透明性透明性ATM的发展的发展2022-3-7ATM概念？qATM（AsynchronousTransferMode）异步转移）异步转移（传送）模式（传送）模式 ATM 是一种在网络中是一种在网络中以信元为单位进行统计复以信元为单位进行统计复用、交换和传输的

4、技术用、交换和传输的技术。在这种传送模式中，。在这种传送模式中，信息信息被分成信元来传递，而包含同一用户信息的信元被分成信元来传递，而包含同一用户信息的信元不不需要需要在传输链路上在传输链路上周期性地出现周期性地出现。ATM概念？B-ISDN与与ATM的概念的概念2022-3-7q采用异步时分复用方式，动态分配带宽采用异步时分复用方式，动态分配带宽q采用面向连接的方式（虚电路）采用面向连接的方式（虚电路）q取消了逐段差错控制和流量控制，在需要时由取消了逐段差错控制和流量控制，在需要时由终端完成。终端完成。q信元长度固定，简化了对缓冲队列的管理信元长度固定，简化了对缓冲队列的管理q信头的功能简化

5、信头的功能简化ATM特点特点？B-ISDN与与ATM的概念的概念2022-3-75.2 ATM 基本原理5.2.1ATM信元及其结构信元及其结构5.2.2异步时分复用技术异步时分复用技术5.2.3面向连接的通信方式面向连接的通信方式5.2.4ATM协议参考模型协议参考模型2022-3-7 ATM 信元结构5.2.1ATM信元及其结构2022-3-7ATM信元信头结构 2022-3-7ATM信元类型 ATM信元的净荷类型PTI值净荷类型000无拥塞的用户信元,AUU=0001无拥塞的用户信元,AUU=1010有拥塞的用户信元,AUU=0011有拥塞的用户信元,AUU=1100OAM信元(相邻节点

6、维护管理信元)101OAM信元(用于端到端的维护管理信元)110资源管理信元(用于改变正在使用的带宽)111备用用于AAL5是否是上层协议数据单元划分的最后一个信元，0不是，1是2022-3-7ATM 特殊信元q 空闲信元（VPI=0，VCI=0，CLP=1）：物理层产生的空信元。00000000 00000000 00000000 00000001q 未分配信元（VPI=0，VCI=0，CLP=0）：ATM层产生的空信元。q 物理层OAM信元：用于物理层的操作维护。 00000000 00000000 00000000 00001001q 元信令信元（ VCI=1 ） ， 通用广播信令信元（

7、VCI=2），信令信元用于呼叫控制和建立连接等。2022-3-7q同步时分复用：多个逻辑子信道共享一条物理链路，属于同步时分复用：多个逻辑子信道共享一条物理链路，属于同一逻辑子信道的信号按照一定时间间隔周期性地出现，同一逻辑子信道的信号按照一定时间间隔周期性地出现，按照时隙位置识别信道按照时隙位置识别信道 。q异步时分复用：属于同一逻辑信道的信号在传输线上不对异步时分复用：属于同一逻辑信道的信号在传输线上不对应固定的时隙，也不是按周期出现，信息识别按照信头的应固定的时隙，也不是按周期出现，信息识别按照信头的标记区分。标记区分。5.2.2异步时分复用2022-3-7虚通道虚通道VP和虚信道和虚信

8、道VC的关系的关系5.2.3面向连接工作方式2022-3-7ATM虚连接建立的方式nATM采用双向虚连接，两个方向上的VPI/VCI被赋予相同的值，并且VPI/VCI值只在一段直连信道上有效。n在虚电路中，两相邻交换点之间VPI/VCI值保持不变，构成一条VC链路，源端到目的端的虚电路由多段VC链路串连组成。nATM网络可建立虚信道连接（VCC）或虚通路连接（VPC）。 2022-3-7VP交换VP 交换VPI = 1VPI = 3VPI = 5VPI = 2VPI = 4VPI = 6VCI = 1VCI = 2VCI = 3VCI = 4VCI = 5VCI = 6VCI = 3VCI =

9、 4VCI = 5VCI = 6VCI = 1VCI = 22022-3-7VC交换VC 交换VP 交换VCI = 1VCI = 2VCI = 1VCI = 2VCI = 3VCI = 4VCI = 1VCI = 21243VPI = 1VPI = 4VPI = 5VPI = 2VPI = 32022-3-7 5.2.4 ATM协议参考模型协议参考模型2022-3-7一般流量控制、信头产生一般流量控制、信头产生/提取提取信元信元VPI/VCI翻译、信元复用和分路翻译、信元复用和分路传输帧产生传输帧产生/恢复：恢复：发送端将信元流封装成发送端将信元流封装成 适合传输系统要求的帧结构送到适合传输系

10、统要求的帧结构送到PM子层，子层， 接收端将接收端将PM子层送来的比特流（传输帧）子层送来的比特流（传输帧） 恢复成信元流恢复成信元流信元速率适配、信头差错校验（信元速率适配、信头差错校验（HEC）信）信元定界、元定界、AALCSSARATM层层TCPM在物理媒体上正确地发送和接收数据比特，在物理媒体上正确地发送和接收数据比特，线路编码、光电转换线路编码、光电转换汇聚子层，对高层适配服务，使汇聚子层，对高层适配服务，使ATM信元传送信元传送能够适应不同业务能够适应不同业务分段与重组子层，将分段与重组子层，将不同业务数据单元分割成固定不同业务数据单元分割成固定的长度装入的长度装入ATM信元的信息

11、段，反向传送过程重组信元的信息段，反向传送过程重组物理层物理层ATM协议参考模型2022-3-7ATM协议栈中各层间的数据传输协议栈中各层间的数据传输PCI：协议控制信息：协议控制信息2022-3-7ATM适配层协议话音业务2022-3-7AAL1AAL1支持对时延敏感的恒定比特率业务（话音）。分为支持对时延敏感的恒定比特率业务（话音）。分为2 2个个子层：分段与重组（子层：分段与重组（SARSARSegmentation and ReassemblySegmentation and Reassembly）子层和会聚子层（子层和会聚子层（CSCSConvergence SublayerConv

12、ergence Sublayer） 。(3) ATM适配层AAL1SAR头：序号+序号校验，接收端按照SAR-PDU序号重新组装提交用户数据2022-3-7(3) ATM适配层AAL5q AAL5AAL5用来支持面向连接的可变比特率的数据业用来支持面向连接的可变比特率的数据业务，对信令与数据业务进行适配。务，对信令与数据业务进行适配。 分段与重组分段与重组SARSAR子层子层 会聚子层会聚子层CSCS 业务无关的公共部分子层业务无关的公共部分子层CPCSCPCS 业务相关的业务特定会聚子层业务相关的业务特定会聚子层SSCSSSCS。根据业务。根据业务而定，可以为空。而定，可以为空。2022-3

13、-7AAL5AAL5数据适配过程数据适配过程公共部分汇聚子层公共部分汇聚子层2022-3-75.3ATM5.3ATM交换技术交换技术ATM交换的基本原理交换的基本原理ATM交换网络交换网络ATM交换系统结构交换系统结构ATM呼叫控制信令呼叫控制信令2022-3-75.3.1 ATM5.3.1 ATM交换的基本原理交换的基本原理q ATMATM交换是指交换是指ATMATM信元从输入端的逻辑信道到输出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。即任一入线上的任一逻端的逻辑信道的消息传递。即任一入线上的任一逻辑信道的信元能够交换到任一出线上的任一逻辑信辑信道的信元能够交换到任一出线上的任一逻

14、辑信道上去。道上去。信头信头翻译翻译路由路由选择选择排队排队ATM交换系统三种基本功能：交换系统三种基本功能：2022-3-7数据传送过程中，任一入线信息可被交换到任一出线，具有数据传送过程中，任一入线信息可被交换到任一出线，具有空间交换的特征（选路）空间交换的特征（选路）数据传输过程中，对从入线来的数据传输过程中，对从入线来的ATMATM信元根据路由表被交换信元根据路由表被交换到目的出线上，信头到目的出线上，信头VPI/VCIVPI/VCI值由输入值被翻译成输出值。值由输入值被翻译成输出值。（信头翻译）（信头翻译）ATMATM采用异步转移模式，某一时刻会有多个信元争抢公共资采用异步转移模式，

15、某一时刻会有多个信元争抢公共资源情况（出线竞争源情况（出线竞争/ /内部链路竞争），需要设置缓冲器，提内部链路竞争），需要设置缓冲器，提供排队功能供排队功能 。（排队）。（排队） ATM交换的基本原理2022-3-7ATM 交换的基本原理nkkjlmgxxzyxyssQueueQueueQueue数据信头翻译表O1O2OnI1I2In输入链路 信头值 输出链路 信头值 I1 x O1 k y On m z O2 l : In x O1 n y O2 j s Oq g信元头输入输出信元数据信元头选路、信头翻译、排队选路、信头翻译、排队g通信前呼叫建立信令通信前呼叫建立信令为每个呼叫分配逻辑为每个

16、呼叫分配逻辑信道，建立路由表信道，建立路由表信元被交换的同时，输入信元被交换的同时，输入信头的值被翻译成输出信信头的值被翻译成输出信元头的值。元头的值。2022-3-75.3.2ATM交换系统基本结构2022-3-7输入接口功能输入接口功能2022-3-7输出接口功能输出接口功能2022-3-7ATM交换结构时分交换网络空分交换网络共享存储器共享媒体单通路多通路总线型基于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交换结构类型交换结构类型5.3.3 ATM5.3.3 ATM交换网络交换网络2022-3-7共享存储器型结

17、构 2022-3-7 共享媒体型交换结构 2022-3-7空分交换结构 2022-3-7多极互联网络 2022-3-7 Banyan网络自由选路特性2022-3-7 多极互联网络0111110101000110101001110111110101000101001110112022-3-7缓冲方式2）ATM交换网络的缓冲策略交换网络的缓冲策略(1) (1) 外部缓冲外部缓冲u输入缓冲输入缓冲u输出缓冲输出缓冲u输入与输出缓冲输入与输出缓冲u环回缓冲环回缓冲缓冲器设置在交换结构的缓冲器设置在交换结构的外部外部(2)(2)内部缓冲内部缓冲u 共享缓冲共享缓冲u 交叉点缓冲交叉点缓冲u 缓冲型缓冲型

18、banyanbanyan缓冲器设置在交换结构的缓冲器设置在交换结构的交换单元内部交换单元内部2022-3-7输入缓存模型输入缓存模型交换网络仲裁逻辑12N12N出线入线输入队列n每条入线设置缓冲器n信元在入线排队，竞争失败的信元暂时留在输入缓冲器中，等待下一轮信元的传送n仲裁逻辑n决定可以得到服务的入线决定可以得到服务的入线n仲裁策略仲裁策略2022-3-7输入缓存的缺点输入缓存的缺点n存在队头阻塞（HOL）n若一条入线上的队列的排头信元因竞争失败而阻塞，若一条入线上的队列的排头信元因竞争失败而阻塞，该队列中的所有后续信元也被迫阻塞，即使该队列中该队列中的所有后续信元也被迫阻塞，即使该队列中的

19、后续信元所选择的出线当前是空闲的。的后续信元所选择的出线当前是空闲的。2022-3-7采用窗口方法的输入缓冲结构采用窗口方法的输入缓冲结构改进的输入缓冲改进的输入缓冲2022-3-7输出排队模型输出排队模型交换网络01N-101N-1出线入线输出队列n每出线配置一个缓冲队列n信元在出线处排队，信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑信元在出线处排队，信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑2022-3-7输出排队的优缺点输出排队的优缺点q为保证没有信元丢失，在传输交换媒体中信元的传输交换的速率必须 N 倍于入线的速率q 输出缓冲能在一个时隙内可以接收交换到该输出端口的最大信元数目，称为加速因子（，极限情况）q加速

20、因子的值越大，对处理速度和存储器的存储速率要求就越高，一般1KN，这样每个输出端口最多只能接收K个信元，如果有多于K个信元去向同一个端口，就要按照一定准则选取其中的K个信元，其余的丢弃。2022-3-7外部缓存外部缓存输入输出缓冲输入输出缓冲综合输入缓冲与输出缓冲的优点。假设其加速因子为L（1LN）(N为输入端口数目)，则其输出缓冲器在一个信元时隙内最多能接收L个信元，若在某一时隙内有超过L个信元要交换到同一个目的端口，这些超过的信元将会被存储在输入缓冲器中，而不像输出缓冲方式中直接丢弃。2022-3-7包括环回端口以及环回缓冲器。当发生出线竞争时，在竞争包括环回端口以及环回缓冲器。当发生出线

21、竞争时，在竞争中失败的信元会通过环回端口存储在环回缓冲器中，并且通中失败的信元会通过环回端口存储在环回缓冲器中，并且通过环回端口在下一时隙与新到来的信元重新进行竞争。过环回端口在下一时隙与新到来的信元重新进行竞争。外部缓存外部缓存环回缓冲环回缓冲2022-3-7内部缓冲的缓冲器是设置在交换网络内部。内部缓冲的缓冲器是设置在交换网络内部。主要有：主要有：q 共享缓冲共享缓冲q 交叉点缓冲交叉点缓冲q 缓冲型缓冲型banyanbanyan存储器复用分路12N12N共享缓冲结构内部缓存内部缓存2022-3-7内部缓存u交叉点缓冲：缓冲交叉点缓冲：缓冲器设置在交叉点中，器设置在交叉点中，用在基于用在基

22、于crossbarcrossbar交交换网络中。换网络中。u特点：不存在特点：不存在HOLHOL阻塞现象，对内部处阻塞现象，对内部处理速度和存储器存储理速度和存储器存储速率没有加速要求，速率没有加速要求，但需要较多数量的存但需要较多数量的存储器储器2022-3-7内部缓存缓冲型缓冲型banyanbanyan ：在交换单元（在交换单元（SESE）内部设置缓冲。内部设置缓冲。用来存储在内部用来存储在内部竞争中失败的信竞争中失败的信元，减少信元丢元，减少信元丢失率失率2022-3-7交换网络的选路方法是指有效控制和正确引交换网络的选路方法是指有效控制和正确引导从输入端口进入交换网络的信元正确地传送到

23、导从输入端口进入交换网络的信元正确地传送到所需的输出端口的方法。所需的输出端口的方法。 在有多级互联网络中，选路控制有两种方法：在有多级互联网络中，选路控制有两种方法：自选路由自选路由和和表格控制选路表格控制选路。3 3）ATMATM交换网络的选路方法交换网络的选路方法2022-3-7 自选路由自选路由是给每个到来的信元在进入交换网络之是给每个到来的信元在进入交换网络之前加上前加上选路标签选路标签，然后交换网络会自动根据这些选路，然后交换网络会自动根据这些选路标签的信息来选择路由，自选路由选路方法的路由信标签的信息来选择路由，自选路由选路方法的路由信息（翻译表）一般放在交换网络每个息（翻译表）

24、一般放在交换网络每个输入端口输入端口处。处。 自选路由方式自选路由方式2022-3-7自由选路方式的路由选择VPI/VCI 分析表 A X 1 0 1 1Input OutputRouting HeaderAcell11 0 1XRHcellXcell11012022-3-7表格控制选路方式表格控制选路方式 表格控制选路表格控制选路（table-control routingtable-control routing）的）的路由信息存放在各个交换单元（路由信息存放在各个交换单元（SESE）内部，各个）内部，各个SESE按照自己的翻译表中的信息来完成选路。按照自己的翻译表中的信息来完成选路。 2022-3-7路由表控制的路由选择AEcellcell路由表 A B 1 I O R B C 1 I O