第2章ATM交换机构

1第2章ATM交换机构22.1ATM交换的基本原理1.基本概念ATM网从概念上讲是分组交换网。每一个ATM信元在网中独立传输。ATM网又是面向连接的通信网，端到端接续是在网络通信开始以前建立。因此，ATM交换机是基于存储的路由选择表，利用信头中的路由选择标识号(VPI和VCI)把ATM信元从输入线路传送到指定的输出线路。3ATM交换结构(SwitchingFabric—SF)是实现ATM交换的关键技术之一，是ATM交换系统中必不可少的重要组成部分。ATM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，ATM交换结构应具有信头变换、选路和排队这3项基本功能。4图1ATM交换结构示意图51．信头变换信头变换主要是指VPI／VCI值的变换，即入VPI／VCI变换为出VPI／VCI。VPI／VCI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。为了实现信头变换，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ATM交换结构的交换功能。63．排队由于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，因此，ATM交换结构需要有排队功能。除去上述3项基本功能外，ATM交换结构通常还应具备多播(multicast)功能和优先级(priority)控制功能似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，后者是指可以技各类业务的优先级高低来控制服务质量。7ATM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。在ATM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1。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。82.2ATM交换结构分类

1.ATM交换结构分类

ATM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(highway)，可以是共享存储器(sharedmemory)，也可以是共享媒体(sharedmedium)，包括总线(bus)型或环(ring)型。空分结构的基本持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(singlePath)与多通路(multip1epath)，以及单级(Singlestage)与多级(multistage)。9图2ATM交换结构分类10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crossbar的结构和基于banyan的结构。crossbar的含义为纵横棒，源于纵横制交换机中纵横接线器(crossbarswitch)的结构，其特点是交换结构的复杂度(complexity)随N2而增长，N为出、入线数。crossbar结构又分为矩阵型和全互连型，banyan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，

11ATM交换结构也可分为单级与多级结构。空分的crossbar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(MultistageInterconnectionNetwork—MIN)，由分为若干级的多个交换单元(SwitchingElement—SE)以一定的拓扑结构互连而成。空分的banyan单通路结构和各种多通路结构部属于多级结构。MIN中的SE是基于crossbar的结构，但也可以是时分结构，例如共享存储器结构。12用于电路交换的数字交换网络可以是有阻塞(blocking)或无阻塞(nonblocking)的结构。阻塞发生在呼叫建立阶段，也就是在交换网络中选不到空闲通路；然而一旦选到空闲通路，就由该呼叫专用，从而在传送信息的通话阶段不会再遇到阻塞。面向连接的ATM交换也可能存在连接阻塞，但是在连接被接纳以后的信元传送阶段也会遇到阻塞。我们把信元传送阶段中多个信元对同一公用资源的争抢称为竞争(contention)或冲突(conflict)。于是，会出现两种竞争：内部竞争和出线竞争。13内部竞争是多个信元争抢交换结构的同一内部链路或缓冲器，出线竞争是多个信元争抢同一出线。内部竞争的有无与交换结构的内部拓扑结构、工作速度等因素有关，如果不存在内部竞争，就称为无阻塞结构，否则就是有阻塞结构。crossbar是典型的无阻塞结构，banyan网络则是典型的有阻塞结构。要注意这里定义的无阻塞是指在信元传送阶段没有内部阻塞。无阻塞结构的性能优于有阻塞结构，但硬件结构较复杂和／或成本较高。142.时分交换结构1)共享存储器结构存储器为所有的输入端口和输出端口共用。从各个输入到达的信元通过复用器被复用成单一的输入信元流而写入共享存储器。实际上，在存储器内部仍可划分为若干个逻辑队列，每个队列对应于一个输出端口。因此在写入时，应按照各个信元的目的端口而控制写入对应的输出队列。在写入的同时，又按顺序从各个输出队列读出队首的信元而形成输出信元流，经过分路后传送到各个输出端口。15共享存储器结构要有足够高的处理速度，使得处理时间很短，从而能与信元流的输入速率相适配。处理时间主要是指判定输入信元流中各个信元应编入哪个输出队列并控制写入的过程。因此．对存储器访问速度的要求比较高。当交换结构的入线／出线数为N，每线速率为V，则存储器写入或读出的速度都将取决于NV。例如说，对于具有W位宽的存储器，访问时间则可等于W／2NV，如采用双端口存储器，访问时问的要求可降低为W／NV。可以看出，由于受到存储器访问速度的限制，交换结构的容量(端口数及链路速率)不可能太大。16图3共享存储器结构172)共享媒体与共享存储器相似，共享媒体结构也是将所有输入线上到达的信元同步地复用到公共的传送媒体上(总线或环)，同时要采用某种控制方法使公共媒体上复用的信元流分路到各个输出端口。图11给出了共享总线的交换结构。每条入线都连接到总线上，每条出线则通过输出缓冲器和地址过滤器也都接到总线上。输出缓冲器按FIFO规则工作。地址过滤器的作用是只接收目的端口为本端口的信元，显然，总线方式便于实现多播或广播功能。18图4共享媒体结构193.基于crossbar的交换结构N×N的crossbar矩阵具有N2个交叉点。图5给出了其两种方式。交叉点是一个2×2的传送门，2×2传送门有2个状态：bar和cross，见图6。所谓bar状态，是指横向输入连到纵向输出、纵向输入连到横向输出；所谓cross状态，是指横向输入连到横向输出，纵向输入连到纵向输出。2×2传送门还可以有其它的多播状态。20图5Crossbar结构21图62×2传送门22图5(b)为矩阵型的另一种实现方式．每个交叉点的部件可以看成是一个具有通／断功能的开关。在具体实现时比较复杂，要包含FIFO缓冲器和相应的控制逻辑。交叉点部件中含有缓冲器时实际上就是缓冲器设置的一种方式，称为交叉点缓冲，也可用作多级交换结构中的交换单元。全互连(fullyInterconnected)，就是在每个输入与每个输出之间都有一条分离的通路，对于N×N的交换结构，就有N2个通路，因此又称为N2分离通路型。23图7全互连结构24

4.基于banyan网络的交换结构1)delta网络delta网络是具有k级的ak×bk交换网络，由a×b的crossbar型SE构成，a、b为每个SE的入线和出线数，ak为网络的入线数，bk为网络的出线数。级间连接模式应使得任一入端与出端间具有通过相同级数的单通路。delta网络具有自选路由功能。delta网络的级间互连可以采用一种有规则的称为a-混洗(shuffle)的模式，2×2SE构成的banyan可以看成是delta网络的子集，但是delta又是广义的banyan网络的子集。25图8delta网络262)banyan类网络

变换2×2SE构成的banyan的级间互连模式和／或出入端连接方式，可以得到各种等效的拓扑结构，可通称为banyan类网络。omega、baseline、generalizedcube、indirectbinaryn—cube、flip、reversebaseline等。

27图9banyan类网络285.多通路交换结构1)增长型banyan增长型banyan(augmentedbanyan)就是前面加上分配级，以扩大每个入端的选择范围。从而形成多通路网络。每增加1级，每个入端与每个出端之间的通路数就增加1倍。前置分配级还可以便业务流均衡地进入banyan的入端，减少banyan对流入的业务流模型的敏感性。2)扩展型banyan对应于每个SE输出地址有l条链路，如果使banyan中的SE每个输出地址有d条链路，也就是可以任意选择d条中的1条，就称为扩展型banyan(dilatedbanyan)。这样，2×2SE就要变成2d×2dSE。但输出地址并非2d个，而仍然是2个，仍然只要用1个比特来区别。29图10增长型banyan图11扩展型banyan303)膨胀型banyan膨胀型banyan(fatbanyan)是膨胀度d可以变比的扩展型banyan、因此扩展型banyan可以看成是膨胀型banyan的一个子集，相当于各级的d保持不变的特殊情况。4)复份型banyan复份型banyan(replicatedbanyan)是将若干个相同的banyan并接在一起，形成多平面的网络结构。这种并行结构也可称之为纵向堆积(verticalstacking)。当并接的平面数为r，则在任何时隙内，最多可有r个信元传送到每个输出端口。这一效果相当于将整个网络的动作速度提高了r倍，也就是相当于加速因子(speedupfactor)为r。提高速度会受到器件特性的限制，而复份型的代价则是硬件结构复杂。从复份型banyan的每个输入端进入的信元，可以随机地选择某个平面，也可以按负荷均分原则分配到各个平面，还可以广播到所有的平面。31图12膨胀型banyan图13膨胀型SE32图14复份型banyan图15串联型banyan335)串接型banyan串接型banyan(tandembanyan)也可称为横向堆积(horizontalstacking)或横向级联(horizontalcascading)。是将多个banyan串接在一起，每个banyan的输出除连接到下一级banyan的对应输入外，还经过滤器连接到对应的输出端口，最后1级banyan的输出则只连接到对应的输出端口。从第1级banyan入端进入的信元，如无内部冲突可传送到所需的输出端口。过滤器的作用是使只有正确选路的信元才能到达相应的出端。如遇到内部冲突，则将失败的信元加上标志后任其“错误”选路而传送到下一级banyan的某个入端，再将其标志清除而参与第2级banyan的选路竞争。如此重复下去，最多可有k次机会到达所需的输出端口；只有k次竞争都失败，才丢弃信元。346)Shuffleout网络Shuffleout多级网络采用最短路径(shortedpath)和偏转选路(deflectionrouting)方法，使得一定的入端与出端之间有多条路径，也相当于多通路网络。Shuffleout网络有闭环(closed-loop)和开环(open-loop)两种结构，区别在于末级输出是否环回到首级的输入。闭环结构可以减少信元丢失，但也增加了时延和时延抖动。闭环shuffleout网络按照环回实现方式的不同，又可分缓冲式闭环(bufferldclosed-loop)和扩展式闭环(expandedclosed-loop)两种结构。35图16缓冲式shuffleout网络图17扩展式shuffleout网络367)Benes网络Benes网络是电路交换中著名的再配置无阻塞网络。N×NBenes网络的构成方法：两侧各有N／2个2×2的SE，中间为两个N／2×N／2的子网络，每个SE以l条链路连到每个子网络；再将中间子网络按上述方法继续分解，直到中间子网络就是2×2SE为止。从中间子网络到输出级SE是完全混洗，从输入级SE到中间子网络是反转的混洗(reverseshuffle)。37图18benes网络388)ATMClos网络Clos网络的基本结构可用于ATM交换，构成ATMClos网络，但每个SE完成ATM信元交换。由于ATM交换是多速率统计复用的异步时分交换方式，ATMClos网络的无阻塞条件要加以修正。每个连接会提出带宽的要求，设交换网络内部链路的最大负荷用l表示，则连接的带宽要求可用权值ω表示；更一般而言，设某一输入(或输出)上所有连接的带宽的权值之和限为β，而一个连接申请的带宽限于(b，B]。可有0≤b≤B≤β≤l。。3级ATMClos网络的严格无阻塞条件如下39图19ATMCLOS网络40412.3实用ATM交换结构1.Knockout交换结构贝尔实验室研制的Knockout采用N2分离通路的互连结构，如图20所示。N条入线分别接在N条广播总线上，每条出线通过总线接口可以访问所有的总线，由于每条入线具有一条总线，与多条入线共享总线的方式相比，实现比较简单，而且允许入线有较高的传输速率。Knockout是无阻塞结构．不存在内部阻塞。Knockout也是模块化的结构，可以从2×2扩展到N×N。42图20Knockout交换结构示意图43总线接口包含3个主要部件：信元过滤器、集中器和输出缓冲器。信元过滤器：由于N条入线的信元广播发送到各自的总线上，每个总线接口中的信元过滤器要将到来的信元信头中的出线地址与该过滤器所属的出线号码相比较，一致的才允许通过。集中器：集中器有N条入线和L条出线，当L<N就实现了集中功能。如果N条入线上同时有K个信元要传送到某条出线，当K≤L，K个信元都可以从集中器输出；44集中器的基本构件是2×2的竞争开关，见图31。当2条入线同时有信元到达，左边入线上的信元作为胜优者从左边出线上输出。右边入线上的信元作为失败者从右边出线上输出。如果2条入线同时只有1个信元到达，则总是作为优胜者输出。移位器是相当于具行L个状态的开关，可以使L条入线与L条出线间作循环的连接，由于集中器的竞争特性，优胜的信元总是从移位器的左侧起输入，也就是移位器入线上的负荷很不均匀．越往左越高，但通过移位器后使得出线的负荷均匀．可以循环而均匀填入L个队列之中．也就使得L个队列实际上成为共享缓冲器。45

N×N的交换网络，如果只允许L个信元可以通过集中器，则信元丢失的概率为:ρ信元到达概率ρ=0.9，N=16，32等,L=12，P=10-1046图21集中器示意图47模块化扩展：除了可从2×2扩展到N×N以外。Knockout交换结构还可以从NXN扩展到JN×JN．．J=2，3，…。图32给出了从N×N扩展到2N×2N的示例。多播功能的实现：为了支持多播功能．可按照多播业务量的需要设置若干个多播模块和对应的多播总线。如图32所示，增设了m个多播模块和m条多播总线，每个多播模块都接到N条输入总线．但只接收N／m条入线上送来的多播信元。需要多向播送的信元信头中含有特殊的选路信息-多播的群号。48图22Knockout的扩展49图23Knockout多播实现502.ATOM交换结构ATOM(ATMOutputBufferModular-ATOM)交换器是由共享总线和输出缓冲交换单元构成的多级结构，由NEC所研制。1）交换单元ATOM交换单元的结构如图所示。各条入线送来的信元经串并变换后以时分复用方式进入时分总线，在输出侧通过地址过滤器的检查．接收属于本出端信元，送到输出缓冲器，按FIFO方式读出信元并经并串变换后送到出线上。51当N为入线数，V为入线速率，则时分总线速度和存储器写入速度都是N×V。因此单个的交换单元既无内部竞争亦无出线竞争。但当N或V较大时，对总线和存储器速率的要求较高。为此可采用位片式结构，既可降低速率要求，又有利于VISI的实现。52图24ATOM交换结构交换单元532）ATOM多级交换结构利用ATOM交换单元可以构成ATOM多级交换结构，图35给出的是由8×8交换单元构成的128×128的2级结构。54图25ATOM交换结构553.Sunshine交换结构Sunshine是基于Batcher-Banyan网络，采用多平面选路，输出缓冲与环回缓冲相结合的交换结构，如图36所示。IPC和OPC为输入端口控制器(InputPortController-IPC)和输出端口控制器(OutputPortController-OPC)，输出缓冲器在OPC中。由于有k个并行的banyan网络，在每个时隙最多可有k个信元通往每个出端。如果有多于k个的信元同时要去向同一出端，则k个以外的信元将送入环回缓冲重新返回到输入端，返回环路中的时延是使返回的信元与新输入的信元同步。56图26Sunshine交换结构57保证banyan网络内部无阻塞的条件是使具有不同目的地址的信元按其目的地址升序(或降序)并紧密地排列在banyan的入线上，而通过Batcher网络排序的信元经过陷阱网络后将出现“空隙”—由于要抽出标为环回的信元而产生，因此要再一次通过排序网络，将信元分为两组：一组包含紧密排列的要送往banyan网络进行选路的信元，另一组包含要环回的信元，选择器则按信元控制头的不同标记而将这两组信元分别送往并行的banyan网络和环回通路。陷阱网络用来解决出线竞争。

584.MPSR交换结构MPSR是Alcatel研制的多通路自选路由(MultiplePathSelfRouting-MPSR)交换结构，基本构件是64×64或128×128的交换模块(SwitchModule-SM)，而交换模块又由集成交换单元(IntegratedSwitchingElement—ISE)构成。1）集成交换单元集成交换单元(ISE)是16×16或32×32的交换单元，每线速率为155Mbit／s。16×16ISE的结构示于图37中，主要部件的功能说明如下。59(1)输入端口：执行同步、信元定界、串并变换等主要功能，包括16个端口和1个维护用端口。(2)输入控制：对自选路由标签(SelfRoutingTag-SRT)作差错检验，将SRT中的选路数据传送给选路逻辑，将有效信元通过TDM总线存入共享缓冲存储器。(3)选路逻辑：接收选路数据，作出选路的控制。按照ISE在MPSR多级结构中的位置，在初始化时已将选路方式参数载入ISE，据此可对选路数据作出不同的解释。ISE支持以下3种选路方式：群选路、多播分支选路、单出线选路。

60(4)共享缓冲存储器：按各个输出队列暂存待输出的信元，存储容量为256个时隙位置，每时隙位置为64比特。存储器控制用来管理空闲缓冲区。(5)输出控制：按照选定的出线群管理相关的输出队列。(6)输出端口：执行并串变换功能。(7)控制接口：ISE与交换模块之间的接口，可以访问ISE内部的状态／控制寄存器中的数据，这些数据与操作、维护、测试有关。61图27MPSR交换单元62图28ISE选路方式632）交换模块64×64的交换模块(SM)由8个16×16ISE构成。(1)4复用器(MU×4)：MU×4就是用于4链路的复用或分路。(2)ISE：8个16×16ISE配置成交叉互连的两级，实现64×64的交换功能。(3)MTR：MTR是维护和例行测试器(MaitenanceandTestRoutiner-MTR)，(4)OBC：OBC是板上控制器(OnBoardController-OBC)，主要用于维护和观察的目的。(5)CCD：CCD是时钟转换和分配(ClockConversionandDistribution-CCD)，生成SM内部所需的各种时钟信号。64图2964×64交换模块653）MPSR多级网络结构MPSR多级网络结构如图所示。MPSR多级网络的两侧为接入交换级，中间为群交换级。以正中为轴，两侧对称，左一半为输入侧，右—半为输出侧。两侧的接入交换级(AccessSwitch-AS)称为输入ASi和输出AS0，以4个为一组，最多可有128组。群交换级为多平面配置，最多可有16个平面。每个平面内含有平面交换级(PlaneSwitch-PS)．由PS11、PS2、PSl0组成。每个ASi的出线连接到群交换级各个平面的PS1i，各个平面的PSl0也连接到相应的各个AS0。66图30MPSR多网络结构675.Helical交换结构Helical交换结构是采用自选路由的多通路的多级互连网络(MIN)，在同一对输入与输出端口之间可选择不同通路，但仍能保持信元的顺序。Helical交换结构具有较好的