现代交换原理与技术（第二版）课件 吴潜蛟第5-9章 分组交换技术-高速公路通信系统

第五章分组交换原理与技术

从数据交换发展的历史来看，它经历了电路交换、报文交换、分组交换发展过程。分类电路交换报文交换分组交换接续时间较长，平均15s较短，只需接通交换机，即可发报文较短，虚电路连接一般小于1s信息传输时延短，偏差也小，通常在ms级长，偏差很大，标准为1min短，偏差较大，一般低于200ms数据传输可靠性一般较高高对业务过载的反应拒绝接收呼叫（呼损）信息存储在交换机，传输时延增大减小用户输入的信息流量（流量控制），时延增大信号传输的“透明”性有无无异种终端之间的相互通信不可可可电路利用率低高高交换机费用一般较便宜较高较高实时会话业务适用不适用轻负载下使用数据通信的特点数据通信的特点是突发性很强，对差错敏感，对时延不敏感。突发性强表现为在短时间内会集中产生大量的信息。突发性的定量描述为峰值比特率和平均比特率之比，对于一般的数据传输，突发性可高达50；对于文件检索和传送，突发性也可达20。如果数据通信采用电路交换方式，分配固定的带宽，在用户没有信息发送时，其它的用户也不能使用这部分空闲的带宽，信道利用率太低；而在用户需要高速传输数据时，用户能够使用的最大带宽也只限于分配给用户的带宽，不能满足用户的要求。对差错敏感是指数据通信要求数据传送的内容不能出错，关键数据细微的错误都可能造成灾难性后果。

对时延不敏感是指数据通信的各部分数据之间没有严格的时间关系。分组交换采用存储转发技术。在分组交换中，将欲需要发送的整块数据称为一个报文。在发送报文之前，先将较长的报文划分成为较小的数据段。在每个数据段前加有一个3-10个字节的分组头，在分组头中包含有分组的地址和控制信息，以控制分组信息的传输和交换。并以分组为单位进行传输和交换。分组交换有虚电路（面向连接）和数据报（无连接）这两种方式。

5.1分组交换的基本原理

图1分组交换的工作原理1.虚电路方式

虚电路是指两个用户在进行通信之前要通过网络建立逻辑上的连接。在建立连接时，主叫用户发送“呼叫请求”分组，在该分组中，包括被叫用户的地址及为该呼叫在出通路上分配的虚电路标识，网络中的每一个节点都根据被叫地址选择出通路，为该呼叫在出通路上分配虚电路标识，并在节点中建立入通路上的虚电路标识与出通路上虚电路标识之间的对应关系，向下一节点发送“呼叫请求”分组。被叫用户如同意建立虚电路，可发送“呼叫连接”分组到主叫用户。当主叫用户收到该分组时，表示主叫用户和被叫用户之间的虚电路已建立，可进入数据传输阶段。在呼叫建立阶段，在虚电路经过的各个分组交换机中建立虚电路标识之间的对应关系。

5.1.1分组交换方式图2虚电路方式完成交换的示意图

分组交换中的虚电路和电路交换中建立的电路不同。在分组交换中，以统计时分复用的方式在一条物理线路上可以同时建立多个虚电路，两个用户终端之间建立的是虚连接；而电路交换中，是以同步时分方式进行复用的，两用户终端之间建立的是实连接。建立实连接时，不但确定了信息所走的路径，同时还为信息的传送预留了带宽资源；而在建立虚电路时，仅仅是确定了信息所走的端到端的路径，但并不一定要求预留带宽资源。

虚电路的特点：虚电路的路由选择仅仅发生在虚电路建立的时候，在以后的传送过程中，路

由不再改变，这可以减少节点不必要的通信处理。(2)由于所有分组遵循同一路由，这些分组将以原有的顺序到达目的地，终端不

需要进行重新排序，因此分组的传输时延较小。(3)一旦建立了虚电路，每个分组头中不再需要有详细的目的地址，而只需有逻辑信道号就可以区分每个呼叫的信息，这可以减少每一分组的额外开销。(4)虚电路是由多段逻辑信道构成的，每一个虚电路在它经过的每段物理链路

上都有一个逻辑信道号，这些逻辑信道级连构成了端到端的虚电路。(5)虚电路的缺点是当网络中线路或者设备发生故障时，可能导致虚电路中断，必须重新建立连接。(6)虚电路适用于一次建立后长时间传送数据的场合，其持续时间应显著大于呼叫建立时间，如文件传送、传真业务等。交换虚电路和永久虚电路

虚电路分为两种：交换虚电路(SVC，SwitchedVirtualCircuit)和永久虚电路(PVC，PermanentVirtualCircuit)。交换虚电路是指在每次呼叫时用户通过发送呼叫请求分组临时建立的虚电路；一旦虚电路建立后，属于同一呼叫的数据分组均沿着这一虚电路传送；当通信结束后，即通过呼叫清除分组将虚电路拆除。永久虚电路是指网络运营者根据与用户约定，为其事先建立的固定虚电路，每次通信时用户无需呼叫就可直接在该永久虚电路上传送数据。后一种方式一般适用于业务量较大的集团用户。

X.25、帧中继、ATM和多协议标签MPLS采用的是虚电路方式。

2.数据报方式

数据报方式是独立地传送每一个数据分组，每一个数据分组都包含终点地址的完整信息，每一个节点都要为每一个分组独立地选择路由，因此一份报文包含的不同分组可能沿着不同的路径到达终点。由于每条路由上的时延不尽相同，分组到达的顺序与发送顺序可能不一致，终端要将它们重新排序。

IP网络中交换采用的是数据报方式。

图3数据报方式示意图数据报特点：(1)用户的通信不需要建立连接和清除连接的过程，可以直接传送每个分组，因此对于短报文通信效率比较高。(2)每个节点可以自由地选路，可以避开网中的拥塞部分，因此网络的健壮性较好。对于分组的传送比虚电路更为可靠，如果一个节点出现故障，分组可以通过其他路由传送。(3)数据报方式的缺点是分组的到达不按顺序，终点需重新排队；并且每个分组的分组头要包含详细的目的地址，开销比较大。(4)数据报的使用场合：数据报适用于短报文的传送，如询问/响应型业务等。虚电路方式和数据报方式的比较

虚电路方式在一次通信过程中具有呼叫建立、数据传输和呼叫释放三个阶段，有一定处理开销，一旦虚电路建立，数据分组按照已建立的路径通过网络，按照发送顺序到达终点，不需要选路，较大数据量时通信效率高。对故障较为敏感，当某条传输链路或某个交换节点发生故障时可能引起虚电路的中断。数据报方式在用户通信时不需要呼叫建立和释放阶段，网络随时都可接受主机发送的分组(即数据报)。网络为每个分组独立地选择路由。网络只是尽最大努力将分组交付给目的主机，但网络对源主机无任何承诺。网络不保证所传送的分组不丢失，也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在多长的时限内必须将分组交付给目的主机。对短报文传输效率比较高，对网络故障的适应能力较强，当网络中某个节点发生故障时可另外选择路由来传送数据。

根据统计，网络上传送的报文长度，在很多情况下都很短。若采用128个字节为分组长度，则往往一次传送一个分组就够了。这样，用数据报既迅速又经济。若用虚电路，为了传送一个分组而需要建立虚电路和释放虚电路效率就显得太低。为了在交换结点选择路由，在使用数据报时，每个分组必须携带完整的地址信息。但在使用虚电路的情况下，每个分组不需要携带完整的目的地址，而仅需要有个很简单的虚电路号码的标志，这就使分组的控制信息部分的比特数减少，在传送大量分组时就减少了额外开销。在网络上提供数据报和虚电路服务的思路来源

虚电路服务的思路来源于传统的电信网。电信网将其中的用户终端设置得非常简单，由电信网完成保证可靠通信的一切措施，因此电信网的节点交换机复杂而昂贵。数据报服务使用另一种完全不同的新思路。它力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。但这种网络要求使用较复杂且有相当智能的主机作为用户终端。可靠通信由用户终端中的软件来保证。5.1.2统计时分复用统计时分复用的概念图4同步时分复用TDM是利用时间分割方式来实现多路复用的，即多个用户同一时间内共同使用一条传输线路。它的基本原理是将线路传输的时间轮流分配给每个用户，并按一定的格式将数字化各路信息集合在一起构成帧（一组按一定格式排列的数据，是传输单元），每一帧分成若干时间段（时隙）携带相应的用户信息。一个时隙对应一条信道并以帧为周期在固定位置进行传送。时分复用有同步时分复用和统计时分复用两种。

在STDM中，同样是将一条线路按照传输速率所确定的时间周期将时间划分成帧的形式，一帧又划分成若干时隙来承载用户数据，但STDM中的用户数据不再固定占有各帧中某个时隙，而是由网络根据用户的请求和网络的资源来动态分配，因此称之为统计时分复用。传输数据不是按固定时间分配信道，而是根据用户的需要动态分配信道。

图5统计时分复用2.统计时分复用的特点动态分配或按需分配资源，信道利用率高：只有当用户需要进行数据传输时才分配线路资源，当用户暂时不发送数据时，线路可为其他用户传送数据。每个终端的数据使用一个自己独有的"标记"，可以把传送的信道按照需要动态地分配给每个终端用户，所以可以充分发挥传输线路的利用率。适用于突发性业务：当某用户出现突发性数据时，可为其分配相应数量的时隙，以减少时延和避免数据丢失。统计时分复用的缺点是会产生附加的随机时延和丢失数据的可能。这是由于用户传送数据的时间是随机的，若多个用户同时发送数据，则需要进行竞争排队，引起排队时延；若排队的数据很多，引起缓冲器溢出，则会有部分数据被丢失。5.1.3路由选择1.路由选择的概念在通信网络中，为了网络的可靠性，两个主要交换机之间一般都设置多条路由。路由选择就是交换机在多条路由中选择一条路由，获得较好路由的方法称为路由算法。路由选择并不只是考虑最短路由，还要考虑通信资源的综合利用以及网络结构变换的适应能力。一条好的路由，应该使报文通过网络的平均时延较小，平衡通信网业务量能力较强。2.路由选择原则(1)算法简单，易于实现，减少额外开销。(2)算法对所有用户平等。(3)传输路径最佳，主要衡量指标为端到端的传输时延。(4)各节点工作量均衡。(5)具有自适应性，当网络出现故障时，能够自动选择迁回路由。

3.路由选择方法

分组交换中路由选择分为静态法和动态法两种。静态法包括泛洪法和固定路由表法；动态法包括路由选择算法和集中式路由选择。（1）静态法（固定路由）泛洪法固定路由表法（2）动态法（自适应路由）路由选择算法集中式路由选择5.1.4流量控制与拥塞控制

流量控制是分组交换网的一项必不可少的重要功能，其控制机理也相当复杂。电路交换是立即损失制，如果路由选择时没有空闲的中继电路可供选择，该呼叫建立就告失败。只要根据预测话务量配备足够多的中继电路，就能保证呼叫不阻塞，其流量控制只是在交换机处理过负荷时才起作用，控制功能也较简单，主要是限制用户的发话话务量。

分组交换是时延损失制，只要传输链路不全部阻断，路由选择总能选到一条链路，由于用户终端发送数据的时间和数量具有随机性，网络中各节点交换机的存储容量和各条线路的传输容量（速率）总是有限的，如果链路上待传送的分组过多，就会造成传送时延的增加，引起网络性能的下降，严重时甚至会使网络崩溃。这就需要采取流量控制来实现数据流量的平滑均匀，提高网络的吞吐能力和可靠性。

分组交换网中，通常采用X.25窗口法。5.3X.25通信协议与帧中继5.3.1X.25通信协议的建议1.X.25定义

在广域网中最先得到使用的分组网协议是X.25，它是ITU-T作为公用数据网的用户-网络接口协议提出的，全称是“公用数据网络中通过专用电路连接的分组式数据终端设备（DigitalTerminalEquipment,DTE）和数据电路终接设备（DataCircuit-terminatingEquipment,DCE）之间的接口”，即数据终端设备DTE和公用分组交换网之间的接口。

DTE是用户设备，即分组型数据终端设备（执行X.25通信规程的终端），具体可以是一台按照分组操作的智能终端、主计算机或前端处理机；

DCE是指DTE所连接的网络分组交换机（PacketSwitch，PS），如果DTE与交换机之间的传输线路是模拟线路，那么DCE也包括用户连接到交换机的调制解调器。图5X.25的应用环境图6DTE/DCE接口框图X.25接口协议于1976年首次提出，它是在加拿DATAPAC公用分组网相关标准的基础上制定的，在1980年、1984年、1988年和1993年又进行了多次修改，是目前使用最广泛的分组交换协议。X.25协议的制定实现了接口协议的标准化，使得各种DTE能够自由连接到各种分组交换网上。作为用户设备和网络之间的接口协议，X.25协议主要定义了数据传输通路的建立、保持和释放过程所需遵循的标准，数据传输过程中进行差错控制和流量控制的机制以及提供的基本业务和可选业务等。X.25协议最初为DTE接入分组交换网提供了虚电路和数据报两种接入，1984年之后，X.25协议取消了数据报方式。2.X.25的特点(1)可靠性高。X.25是面向连接的，能够提供可靠的虚电路服务，保证服务质量；X.25具有点到点的差错控制，可以逐段独立进行差错控制和流量控制，全程的误码率在10-11以下；X.25每个节点交换机至少与另外两个交换机相连，当一个中间交换机出现故障时，能通过迂回路由维持通信。(2)信道利用率高。X.25利用统计时分复用及虚电路技术大大提高了信道利用率。(3)具有复用功能。当用户设备以点对点方式接入X.25网时，能在单一物理链路上同时复用多条虚电路，使每个用户设备能同时与多个用户设备进行通信。X.25具有流量控制和拥塞控制功能，X.25采用滑动窗口技术来实现流量控制，并有拥塞控制机制防止信息丢失。(4)便于不同类型用户设备的接入。X.25网内各节点向用户设备提供了统一的接

口，使得不同速率、码型和传输控制规程的用户设备都能接入X.25网，并能

相互通信。(5)X.25建议规定了丰富的控制功能，这也增加了分组交换机处理的负担，限制

了分组交换机的吞吐量和中继线速率的进一步提高，而且分组的传输时延比

较大。X.25端口可以支持的最高速率是2Mbit/s。3.X.25协议的层次结构

X.25协议包括物理层、数据链路层和分组层(网络层)。第一层（最下面），物理层，接口标准是X.21建议书。第二层，数据链路层，接口标准是平衡型链路接入规程LAPB，它是高级信令链路规程HDLC的一个子集。第三层，分组层（网络层），在这一层上，在DTE与DCE之间可建立多条逻辑信道（0～4095号）。这样可以使一个DTE同时和网上其他多个DTE建立虚电路并进行通信。

图7X.25的协议结构

1）X.25的物理层

X.25的物理层定义了DTE和公用分组交换网之间建立、维持、释放物理链路的过程，包括机械、电气、功能和规程等特性。

X.25物理层的功能是提供传送信息的物理通道，在物理层数据传送的单位是比特流。物理层不执行重要的控制功能。控制功能主要由链路层和分组层来完成。

2）X．25的数据链路层

数据链路层规定了在DTE和公用分组交换网之间的线路上交换帧的过程。链路层规程在物理层的基础上执行一些控制功能，以保证帧的正确传送。

X.25数据链路层采用高级数据链路控制规程HDLC的子集--平衡型链路接入协议(LAPB，LinkAccessProceduresBalanced)作为数据链路的控制规程。链路层的主要功能有：将信道上传送的信息按照一定的格式组装成帧，能进行帧的定界并采取一定的措施来保证信息的透明传输。能够进行顺序控制，保持数据链路上各帧的发送和接收顺序。能够检测出在数据链路上出现的传输错误、格式错误和操作错误。用重发的方法来纠正检测到的传输错误。流量控制。识别并向高层协议报告规程性错误。

（1）HDLC简介HDLC是由ISO定义的面向比特的数据链路协议的总称。面向比特的协议是指传输时，以比特作为传输的基本单位。HDLC是最重要的数据链路控制协议，它的传输效率较高，能适应数据通信的发展，因此广泛地应用在公用数据网上。同时，它还是其他许多重要数据链路控制协议的基础。为了满足各种应用的需要，HDLC定义了三种类型的站点(Station)、两种链路配置及三种数据传送模式。

①

站点的类型所谓站，是指链路两端的通信设备，HDLC定义的三种站如下：主站：负责控制链路的操作。主站只能有一个，由主站发出的帧称为命令。从站：在主站的控制下操作。从站可以有多个，由从站发出的帧称为响应。主站为链路上的每个从站维护一条独立的逻辑链路。复合站：兼具主站和从站的特点。复合站发出的帧可能是命令，也可能是响应。

②链路配置非平衡配置：由一个主站和一个或多个从站组成，可以是点到点链路，也可以是点到多点链路。平衡配置：由两个复合站组成，只能是点到点链路。③数据传送模式正常响应方式：适用于非平衡配置，只有主站才能启动数据传输，从站只有在收到主站发给它的命令帧时，才能向主站发送数据。异步平衡方式：适用于平衡配置，任何一个复合站都可以启动数据传输过程，而不需要得到对方复合站的许可。异步响应方式：适用于非平衡配置，在主站没有发来命令帧时，从站可以主动向主站发送数据，但主站仍负责对链路的管理。（2）链路层的帧结构

在数据链路层上将物理层上传送的信息组装成帧，一帧由标志字段F、地址段A、控制段C、信息段I和帧检验段FCS组成。

1、标志段F

标志段F用于帧的定界，每一帧的开始和结束都是标志段F。标志段长度为8比特，其编码为“01111110”。为了防止在帧中的其他字段出现与F相同的码组，在发送端采用“0”插入，在接收端采用“0”删除，其原理与No．7信令系统第2级信令单元定界相同。2、地址段A

地址字段由8位组成。在LAPB中，由于是点到点的链路，A表示的总是响应站的地址，用于区分两个传输方向上的命令帧／响应帧，即它表示的是命令帧的接收者和响应帧的发送者的地址。

3、控制段C

在LAPB中定义了三种类型的帧：信息帧(I帧)：用来传送上层用户数据，并捎带传送流量控制和差错控制信息。监视帧(S帧)：专门用来传送流量控制和差错控制信息。未编号帧(U帧)：用来传送链路控制信息。不同类型的帧具有不同的控制段内容。I帧控制段包含帧(正发送的帧)的序号N(S)以及发送侧正等待接收的帧序号N(R)。S帧仅包含准备接收的帧序号N(R)，用来保证I帧的正确传送。S帧中的SS比特是监视功能编码(SS＝00表示接收准备好RR；SS＝10表示接收末准备好RNR；SS＝01表示接收拒绝REJ)。RR用于在没有I帧发送时向对端发送肯定证实信息；REJ用于重发请求；RNR用于流量控制。U帧用于实现对链路的建立和断开过程的控制，其中的5个M比特是链路控制功能的编码。包括：置异步平衡方式(SABM)、断链(DISC)、已断链(DM)、无编号确认(UA)、帧拒绝(FRMR)等。其中，SABM、DISC分别用于建立链路和断开链路，均为命令帧；后三种为响应帧，其中UA和DM分别为对前两个命令帧的肯定和否定响应，帧拒绝(FRMR，FrameReject)表示接收到语法正确但语义不正确的帧，它将引起链路的复原。

4、信息段I

信息段I仅在I帧中出现，用来传送高层用户的数据(分组层的信息)。5、帧检验段FCSFCS是错误检测码，占16比特，由发送端根据所需发送的数据内容，按照一定的算法计算而产生。接收端只需将收到的数据和FCS的值按照同样的算法进行计算，就能发现传输中的错误。计算FCS的算法与No．7信令系统第2级中计算校验码CK的算法相同。各类帧的工作过程说明和作用（3）链路的操作过程

数据链路层的操作分为三个阶段：链路建立、信息传输和链路断开。如下图所示。图8LAPB链路建立全过程

①

链路建立。DTE通过发送连续的标志（F）来表示它能够建立数据链路。原则上，DTE或DCE都可以启动数据链路的建立，通常是由DTE启动的。在数据链路建立之前，DCE或DTE都应当启动链路断开这一过程，以确保双方处于同一阶段。DCE还能主动发起DM响应帧，要求DTE启动链路建立过程。图9链路建立过程②信息传输阶段当链路建立之后，就进入信息传输阶段，在DTE和DCE之间交换I帧和S帧。双方都可以通过I帧开始发送用户数据，帧的序号从0开始。I帧的N(S)和N(R)字段是用于支持流量控制和差错控制的序号。LAPB在发送I帧序列时，会按顺序对它们编号，并将序号放在N(S)中，这些编号以8还是128为模，取决于使用的是3位（bit）序号还是7位（bit）序号。N(R)是对接收到的I帧的确认。有了N(R)，LAPB就能够指出自己希望接收的下一个I帧的序号。利用I帧和S帧提供的N(S)和N(R)字段实现的网络的差错控制和流量控制总结如下：

差错校正：采用肯定／否定证实、重发纠错的方法。发现非法帧或出错帧予以丢弃；发现帧号跳号，则发送REJ帧通知对端重发。为了提高可靠性，协议还规定了定时重发功能，即在超时未收到肯定证实时，发端将自动重发。

流量控制：采用滑动窗口控制技术，控制参数是窗口尺寸t，其值表示最多可以发送多少个未被证实的I帧。设最近收到的I帧或监控帧的证实帧号为N(R)，则本端可以发送的I帧的最大序号为（N(R)+t-1）mod8，称为窗口上沿。其中，1≤t≤7。t值的选定取决于物理链路的传播时延和数据的传送速率，应保证在连续发送t个I帧之后能收到时第1个I帧的证实。对于卫星电路等长时延链路，t值将大于7，此时应采用扩充的模128帧结构。

③

链路断开。链路断开过程是一个双向的过程，任何一方均可启动拆除链路的操作。这既可能是由于LAPB本身因某种错误而引起的中断，也可能是由于高层用户的请求。以DTE发起为例，若DTE要求断开链路，它向DCE发送DISC命令帧，DCE若原来处于信息传输阶段，则用UA响应帧确认，即完成断链过程；若DCE原来已经处于断开阶段，则用DM响应帧确认。图10链路断开过程

④

链路恢复。链路恢复指的是在信息传送阶段收到协议出错帧或者FRMR帧，即遇到无法通过重发予以校正的错帧时，自动启动链路建立过程，使链路恢复初始状态，两端发送的I帧和S帧的N(S)和N(R)值恢复为零。3）分组层X.25的分组层将一条数据链路按统计时分复用的方式划分为许多个逻辑信道，允许多个用户同时使用数据信道，以充分利用逻辑链路的传输能力和交换机资源，实现通信能力和资源的按需分配。分组层的功能如下：1．在X.25接口为每个用户呼叫提供一个逻辑信道，并通过逻辑信道号(LCN)区分与每个逻

辑信道有关的分组；2．为每个逻辑信道的呼叫连接提供有效的分组传输，包括顺序编号、分组的确认和流量控

制；3．提供交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)，提供建立和清除交换虚电路连接的方法；4．监测和恢复分组层的差错。交换虚电路(SVC)需要在每次通信前建立虚电路，对于SVC，分组层的操作包括三个阶段：呼叫建立、数据传输和呼叫清除。永久虚电路(PVC)由运营商的网管静态设置，对于PVC，只有数据传输阶段的操作。

（1）分组格式X.25的分组层定义了每一种分组的类型和功能。分组的格式如图所示，它由分组头和分组数据两部分组成。通用格式识别符GFI（GeneralFormatIdentifier)GFI包含4bit，为分组定义了一组通用功能。其中，Q比特用来区分传输的分组包含的是用户数据还是控制信息，前者Q=0，后者Q=1。D比特用来区分数据分组的确认方式，D=0表示数据分组由本地确认(DTE-DCE接口上确认)，D=1表示数据分组进行端到端(DTE-DTE)确认。SS=01表示按模8方式工作，SS=10表示按模128方式工作。

逻辑信道群号LCGN和逻辑信道号LCN共12bit，用于区分DTE-DCE接口上许多不同的逻辑信道。

分组类型识别符由一个8bit组组成，用来区分各种不同的分组。X.25的分组层共定义了四大类30个分组。（2）分组层的操作过程

设有两个DTE：DTEA和DTEB；通过DCEA和DCEB两个DCE设备连入网络。虚电路的建立和清除过程如下：DTEA对DCEA发出一个呼叫请求分组，表示希望建立一条到DTEB的虚电路。该分组中含有虚电路号，在此虚电路被清除以前，后续的分组都将采用此虚电路号；网络将此呼叫请求分组传送到DCEB；DCEB接收呼叫请求分组，然后给DTEB送出一个呼叫指示分组，这一分组具有与呼叫请求分组相同的格式，但其中的虚电路号不同，虚电路号由DCEB在未使用的号码中选择；DTEB发出一个呼叫接收分组，表示呼叫已经接受；DTEA收到呼叫接通分组（该分组和呼叫请求分组具有相同的虚电路号），此时虚电路已经建立；DTEA和DTEB采用各自的虚电路号发送数据和控制分组；DTEA(或DTEB)发送一个释放请求分组，紧接着收到本地DCE的释放确认分组；DTEA(或DTEB)收到释放指示分组，并传送一个释放确认分组。此时DTEA和DTEB之间的虚电路就清除了。SVC呼叫建立过程SVC呼叫清除过程图11分组层的操作过程

图12虚电路方式下的数据分组交换1.帧中继技术发展的背景一、模拟通信为主的时代主要问题：信道大多数是频分制电话信道，信道带宽低，误码率高，终端功能简单。二、对策通过X.25协议规定丰富的控制功能，一方面实现信道的多路复用，另一方面把误码率提高到小于10-11水平，满足绝大多数数据通信的要求。

X.25协议复杂的控制功能，增加了分组交换机的负担，使吞吐量和中继线速率的进一步提高受到了限制，使分组的传输时延比较大。5.3.2帧中继三、发展变化

20世纪80年代以来，数字通信、光纤通信及计算机技术的发展，计算机终端的智能化和处理能力不断提高，使得终端系统完全有能力完成原来由分组网节点所完成的功能。高性能光纤传输系统的传输质量极大提高，可以把差错纠正放到端系统去完成，以提高节点的转发效率。开始研究新的分组交换技术。帧中继就是一种新的快速分组交换技术。

帧中继设计思想非常简单，它将X.25协议规定的网络节点之间、网路节点和用户设备之间每段链路上的数据差错重传控制推到网络边缘的终端来执行，网络只进行差错检查，从而简化了节点机之间的处理过程。1.X.25和帧中继的分层协议功能

(a)X.25的分层协议功能；(b)帧中继的分层协议功能2.帧中继的特点优点

①可靠性强，处理能力强。FR将X.25分组网中通过节点的分组重发和流量控制来纠正差错和防止拥塞的处理过程从低层移到端系统中去实现，简化了节点的处理过程，改善和提高了网络性能，而高层网络功能不受任何影响。帧中继协议只包含OSI模型的最低二层，而且第二层只保留其核心功能，称为数据链路核心协议。其传送数据单元为帧，帧的寻址和选路由第二层通过数据链路连接标识(DataLinkConnectionIdentifier，DLCI)完成。②吞吐量高、时延小、适合突发性业务。因为FR不在节点使用差错控制和流量控制，当FR交换机收到一个帧的首部时，只要一查出帧的目的地址就立即进行转发，因此，在FR网络中，一个帧的处理时间比X.25网络约减少一个数量级。FR不采用存储转发技术，所以时延小，相对X.25技术传输速率高。FR用户的接入速率在64kbit/s～2Mbit/s，甚至可达到34Mbit/s。FR的帧信息长度远比X.25分组长度要长，适合于封装局域网的数据单元，适合传送突发业务（如压缩视频业务、WWW业务等）。③灵活可靠的组网方式。采用PVC（永久虚电路）使得用户可以在传输数据之前设定路由，不同的用户根据上网条件随时选择最佳路由，而不必像租用线业务一样即使没有业务发生也存在物理连接的线路，浪费网络资源。再加之在一条物理连接上能够提供多个逻辑连接(PVC或SVC)，所需进网端口数相应减少，进网设备也相应减少，用户接入费用也随之相应减少。④按需分配带宽。虽然用户在支付了一定数量的金额购买的是承诺信息速率，但是突发性数据发生的时候，在网络允许的范围内，可以使用更高的速率。⑤兼容性好。FR保护了用户对网络接口和网络对网络接口的详细定义，不同的厂家制造的系统可以互通。它可以兼容X.25、SNA、DECNET、TCP/IP等多种网络协议，为各种网络提供快速稳定的连接。缺点①差错控制能力较差，不适合在误码率高的线路上传输。②在提供更高速率链路上能力不足，目前最高提供T3/E3速率。③对新业务（如IP语音和多媒体等应用）支持不足。3.帧中继的帧格式

标志段F用于帧的定界，每一帧的开始和结束都是标志段F。

数据链路连接标识DLCI主要用来标志同一通路上的不同的虚电路连接。

前向显式拥塞通知比特(FECN)置1，则表明与该帧同方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响

后向显式拥塞通知比特(BECN)置1，则指示接收者与该帧相反方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响

当DE置1表明在网络发生拥塞时，为了维持网络的服务水平，该帧应先丢弃

包含用户数据，可以是任意的比特序列，但其长度必须是整数字节

LAPFFR的帧格式由帧方式承载业务链路接入规程(LinkAccessProcedurestoFrameModeBearerServices，LAPF）定义，包含在ITU-TQ.922建议中。FR的帧格式和X.25的数据链路层帧格式LAPB类似，主要区别是FR的帧格式中没有控制字段（C），而且地址字段较LAPB丰富。

标志字段（Flag，F）--1Byte，是一个独特的01111110比特序列，用于指示一帧的开始与结束。地址字段（Address，A）--一般为2Byte，也可扩展为3或4Byte。地址字段由以下几部分组成。数据链路控制标识符（DataLinkControlIdentifier，DLCI）——DLCI的长度取决于地址字段的长度，当地址字段分别为2、3、4Byte时，DLCI分别为10、16/17、23bit。图中地址字段为2Byte，DLCI占10bit。DLCI值用于标识节点与节点之间的逻辑链路、呼叫控制和管理信息（见表5-6）。对于2Byte地址字段的DLCI，从16到1007共992个地址供FR使用，采用统计时分复用技术。命令／响应（Command/Response，C/R）——为1bit,C/R与高层的应用有关，FR本身并不使用。地址扩展（ExtendAddress，EA)——为2bit，各占用地址字段2Byte的第一位，当EA为0时表示下一个字节仍为地址字段，当EA为1时表示地址字段到此为止。前向显示拥塞通知（ForwardExplicitCongestionNotification,FECN)——为1bit,若某节点将FECN置1，则表明与该帧同方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响而产生时延。后向显示拥塞通知（BackwardExplicitCongestionNotification,BECN)——为1bit,若某节点将BECN置1，则指示接收者与该帧相反方向传输的帧可能受到网络拥塞的影响而产生时延。丢弃指示（DiscardEligibility,DE)——为1bit，当DE置1，表明在网络发生拥塞时，为了维持网络的服务水平，该帧与DE为0的帧相比应先丢弃。由于采用了DE比特，用户就可以比通常允许的情况多发送一些帧，并将这些帧的DE位置l。当然DE为1的帧属于不太重要的帧，必要时可以丢弃。信息字段（Infornation,I）——信息字段长度为1600Byte到2048Byte不等。信息字段可传送多种规程信息，如X.25、局域网等，为FR与其他网络的互连提供了方便。帧校验序列（FrameCheckSequence，FCS）——由2Byte组成，用于进行差错控制，采用CRC进行校验，当FCS检测出差错时，就将此帧丢弃，差错的恢复由终端去完成。FR的DLCI说明（2Byte地址字段）

DLCI用途0传递FR呼叫控制报文1～15保留16～1007分配给FR过程使用1008～1022保留1023链路管理4.帧中继的相关协议

帧中继的相关协议包括：DL-core协议、LMI管理协议和呼叫控制协议。DL-core协议DL-core协议用以支持帧中继数据传送，其功能十分简单。主要包括：①帧定界、定位和透明传送；②利用DLCI进行帧复用和分路；③检验帧不超长、不过短，且为8bit的整数倍；④利用FCS检错，如发现有错，则丢弃；⑤利用FECN和BECN通知被叫用户和主叫用户网络发生拥塞；⑥利用DE位实现帧优先级控制。LMI管理协议

帧中继为计算机用户提供高速数据通道，因此帧中继网提供的多为PVC连接。任何一对用户之间的虚电路连接都是由网络管理功能预先定义的，如果数据链路出现故障，LMI管理协议负责将故障状态的变化及PVC的调整通知用户。呼叫控制协议

呼叫控制协议的功能是建立和释放SVC。SVC呼叫控制协议和LMI管理协议均属高层信令协议。协议消息在DLCI=0的专用信令链路上传送。其中数据链路层协议为LAPF，即除了DL-core外还包括DL-control(数字链路控制协议)。在帧中继网络边缘的端系统才会有DL-control实体，用来建立和释放用户平面上的数据链路层连接。

6.帧中继交换原理

帧中继采用统计复用技术，每一条线路和每一个物理端口可容纳许多虚电路，用户之间通过虚电路进行连接。在每一帧的帧头中都包含虚电路号--数据链路连接标识符(DLCI)，这是每一帧的地址信息。帧中继的虚电路是由多段DLCI的逻辑连接链接而构成的端到端的逻辑链路。目前帧中继网主要提供永久虚电路(PVC)业务，每一个节点机中都存在PVC路由表，每一个节点机中的PVC路由表是由网络管理部门建立的。在PVC路由表中包含每一条虚电路的输入链路号和在该输入链路上的DLCI值及对应的输出链路号和在输出链路上的DLCI值。当帧进入网络时，节点机通过DLCI值查找PVC路由表，从而确定帧的发送链路，在PVC路由表中找出对应的下段PVC的号码DLCI，并变换数据帧中的DLCI值，然后将帧准确地送往下一节点机。

帧中继分为两层，即物理层和数据链路层，分别与OSI的下两层对应。7.FR分层结构8.FR与X.25的比较比较内容X.25RF分层结构三层（物理层、数据链路层、分组层）两层（物理层、数据链路层）传输媒介铜线光纤差错控制和流量控制由节点完成，点到点由终端完成，端到端逻辑连接的复用和交换由第三层（分组层）处理由第二层（数据链路层）处理数据链路层规程LAPB（平衡链路接入规程）LAPF（帧方式承载业务链路接入规范）网络时延较大（每个X.25节点进行帧校验产生的时延为5-10ms）较大（每个RF节点进行帧校验产生的时延小于2ms）最大传输速率2Mbit/s34Mbit/s呼叫控制信令带内信令（呼叫控制分组与用户数据分组在同一条虚电路上传输）公路信令或带外信令（呼叫控制信令与用户数据分别在不同的虚电路上传送）连接方式面向连接的虚电路面向连接的虚电路第六章ATM原理与技术6.1概述

6.1.1ATM的产生背景从20世纪70年代开始，通信技术迅速发展，通信系统中出现了许多新的通信业务，如可视图文、遥测、监视、电子邮件、可视电话、会议电话、图文电视、点播视频、高清晰电视等。由于业务种类不同，对传输和交换有不同的要求。这体现在两个方面：各种传输业务对误差和延时要求不同。各种业务对传输和交换的要求不同。因此，为了满足上述多样化业务的传输要求，在现代通信系统中对传输信道广泛采用多路复用技术，传输宽带化又同时促进了交换技术的发展，以便实现同一网络来支持不同业务的愿望。

交换技术的发展，也是围绕实现宽带化或依据峰值速率分配带宽来进行。由于传输、复用和交换越来越密不可分，人们通常使用传送方式（TransferMode，也译为转移模式）来统一描述传输、复用和交换方式，依据通信传输方式的同步和异步特点分为同步转移模式(SynchronousTransferMode,STM)和异步转移模式(AsynchronousTransferMode,ATM)。同步转移模式中主要的交换技术为电路交换，快速电路交换技术等，异步转移模式主要是ATM高速分组交换技术。6.1.2ATM的基本概念一、ATM的含义异步转移模式（AsynchronousTransferMode，ATM）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）模式。ATM结合了电路交换和分组交换技术的优点，是新一代的交换和复用技术。

ATM技术具有下列特征：(1)异步的统计时分复用技术ATM作为一种异步传输的特殊分组技术，它保证了满足数据突发性传输的要求，信道利用率高；由于采用统计复用技术，它将一条物理信道划分为多个具有不同传输特性的虚电路为用户服务，协议简单，可以实现网络资源的按需分配，满足网络与业务种类无关的要求。(2)固定的信元长度ATM采用短的固定的信元长度，具有电路交换的特点，就是时延小，实时性高，同时可以采用硬件电路实现，能满足多媒体业务传输的要求。(3)支持多业务的传输平台，并提供服务质量保障。采用面向连接的虚电路传输技术，通过不同的适配来满足不同业务对传输的要求，并提供流量控制、拥塞控制以及信元的优先级满足用户和业务的服务质量要求。二、ATM网络

1．ATM网络组成图1ATM网络组成2.ATM的传输模式（a）同步转移模式（STM）（b）异步转移模式（ATM）图2STM与ATM的比较三、ATM的信元结构

ATM信元是ATM的基本信息单元，根据对传输效率、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字节的固定信元长度。(a)用户-网络接口（UNI）(b)网络-节点接口（NNI）ATM信元头各部分功能如下：GFC(GenericFlowControl)：一般流量控制，占4bit。为了控制共享传输媒体的多个终端的接入而定义了GFC，由GFC控制用户终端方向的信息流量，减小用户侧出现的短期过载。VPI：虚通路标识码。UNI和NNI中的VPI字段分别是8bit和12bit，可分别标识256条和4096条虚通路。VCI：虚信道标识码。用于虚信道路由选择，它既适用于UNI，也适用于NNI。该字段有16bit，故共有65536条虚信道。PT(PayloadType)：信息类型指示段，也叫净荷类型指示段，占3bit，用来标识信息字段中的内容是用户信息还是控制信息。CLP(CellLossPriority)：信元丢失优先级，占1bit，用于表示信元的相对优先等级。在ATM网络发生过载、拥塞时，可以扔掉某些信元，优先级低的信元先于优先级高的信元被抛弃。CLP可用来确保重要的信元不丢失。CLP=0，信元具有高优先级；CLP=l，信元优先级低。HEC(HeaderErrorCheck)：信头差错控制，占8bit，用于信头差错的检测、纠正及信元定界。四、ATM信元传送处理的基本原则

1．信息发送顺序从字节1起始，8bit的字节以增序方式发送；对于各域而言，首发比特是最高有效位（theMostSignificantBit，MSB）。2．误码处理方法在传送ATM信元的网络（简称ATM网络）中，通过对信头部分的信头差错控制（HEC）字节进行检验，可以纠正信头的一位错码（因光纤传输误码主要是单比特误码）和发现多位错码，对无法纠正的信元予以丢弃。对信息域不采取任何纠错和检错措施。这使得接收方收到的ATM信元的信头都是正确的，但不保证传输信息的正确性；同时，因信头错误的信元被丢弃，使得不是所有的ATM信元都能送到接收方。3．信元定界方法 由于信元之间没有使用特别的分割符，信元的定界也借助于HEC字节实现。定界的方法如图所示，信元定界定义了三种不同的状态：搜索态、预同步态和同步态。ITU-T建议m=7和n=6为信元定界的适当值。 4.空闲信元和信道填充具有特定信头值（不包括HEC域）00000000000000000000000000000001的信元被定义为空闲信元。空闲信元只用作信道填充，以保持ATM信道的恒定传送速率，不能作为其他用途；接收端应把收到的空闲信元丢掉，对其信息域也不作任何处理。

5.面向连接方式在ATM系统中，用户通信采用面向连接的方式，经一个由系统分配给自己的虚电路进行传送。

6．虚通路和虚信道ATM系统中的虚电路有虚通路（VirtualPath，VP）和虚信道（VirtualChannel，VC）两种。对应的有虚通路连接和虚信道连接两种逻辑连接的方式，即VPC(VirtualPathConnection)和VCC(VirtualChannelConnection)。

对于一个端到端的连接一般由若干段串接而成，每一段称为一段链路，对应于两种连接方式则有VP链路和VC链路，它们分别用VPI和VCI标识，该标识符是对VP链路和VC链路的标识，一个端到端的逻辑连接中各段标识符一般不同，所以，VPI和VCI只有局部意义。一个物理链路包含多条VP链路，一个VP链路中又包含多条VC链路；同一个VP链路内的不同VC具有相同的VPI标识符，不同的VCI标识符；不同的VP内的VC具有不同的VPI和VCI标识符；当信息从端到端的逻辑连接中进行转移过程中，经历每一段逻辑链路时，需要修改相应的标识符。VC一般识别不同的用户，实现端用户业务的接入；VP主要实现交换机之间，以及用户端设备和交换机的连接。

VCC和VPC的关系ATM连接VC、VP及传输通道的关系一条传输通道上可包含若干个虚通道VP，每个虚通道由其VPI值标识。每个虚通道中可包含若干个虚信道VC，每个虚信道由其VCI值标识。

VP交换VP交换是将一条VP上所有的VC链路全部交换到另一条VP链路上去，而这些VC链路的VCI值都不改变。实现输入VPI值到输出VPI值的映射,被交换的VPC中包含的所有VCC作为整体被交换；VP交换用于骨干网中大量的VCC的成组交换。VC交换

在VC交换时，VPI和VCI两个段都要改变

提供不同的VPC中各VCC之间的信息交换；实现输入VPI/VCI值到输出VPI/VCI值的映射；

VC交换可以涵盖VP交换。VP交换和VC交换示例

ATM连接的建立过程就是在源ATM端点与目的ATM端点进行通信前的连接建立过程，实际上就是在这两个端点间的各段传输通道上，寻找空闲VC链路和VP链路，分配VCI与VPI，建立相应VCC与VPC的过程。（1）进一步简化了功能。

ATM实际是电路交换和分组交换发展的产物。分组交换网的交换节点参与了OSI一到三层的全部功能。帧中继节点只参与第二层功能的核心部分，就是帧定界、零比特填充和CRC检验功能；第二层的其他功能（即差错控制和流量控制）以及第三层功能则交给终端去处理。ATM网络则更为简单，除了第一层功能之外，交换节点不参与数据链路层功能，取消了逐段差错控制和流量控制，将这些工作都交给终端去做。五、ATM技术的特点（2）定长比可变长信元的控制与交换更容易用硬件实现，利于向高速化的方向发展。（3）采用面向连接并预约传输资源的工作方式，保证了网络上的信息可以在一定允许的差错率下传输，既兼顾了网络运营效率，又能够满足接入网络的连接进行快速数据传输。（4）ATM信元头部功能降低。由于ATM网络中链路的功能变得非常有限，所以信元头部变得异常简单，依靠信元头部的虚电路标志可以很容易地将不同的虚电路信息复用到一条物理通道上。（5）ATM网具有支持一切现有通信业务及未来的新业务；有效地利用网络资源；减小了交换的复杂性；减小了中间节点的处理时间，支持高速传输；减小延迟及网络管理的复杂性；能保证现有及未来各种网络应用的性能指标等特点。6.1.3ATM协议参考模型ATM协议结构在ATM协议参考模型中包含有物理层、ATM层、ATM适配层AAL和高层。

图4ATM协议参考模型1．物理层

物理层的主要功能是完成信息(比特／信元)的传输。物理层又可分为物理媒体子层PM和传输会聚子层TC。

(1)物理媒体子层PM物理媒体子层的功能和传输媒体直接相关，它负责线路编码、光电转换和比特定时，以便在物理媒体上正确地发送和接收数据比特。

(2)传输会聚子层传输会聚子层主要完成信元的正确发送和接收，主要有以下五方面的功能：传输帧的产生和恢复。即将信元流封装成适合传输系统要求的帧(例如同步数

字系列SDH所定义的帧)送到PM子层，将PM送来的传输帧恢复成信元流。产生信头错误检验码HEC，根据HEC检验接收到的信头的正确性。信元定界，按照信头的前4个字节和HEC之间的关系来完成信元的定界。传输帧自适应：完成信元流与传输帧转换时的格式适配。信元速率解耦：在物理层插入一些空闲信元，以便将ATM信元流的速率适配成传输媒体的速率。

2．ATM层

ATM层负责交换、选路由和信元复用。ATM层的功能与传输媒体无关。主要有以下功能：

(1)信元复用和解复用。在源端点负责对来自各个逻辑连接的信元进行复接，在目的端对接收的信元流进行解复用。

(2)VPI/VCI处理。在每个ATM节点为信元选路，建立端到端的逻辑连接。ATM逻辑连接是通过虚通路标识和虚信道标识来识别的。

(3)信头产生和处理。在呼叫建立阶段，各节点分配VPI/VCI；在信息传送阶段各节点翻译VPI/VCI，如在目的端点可以把VPI/VCI翻译成服务接入点(SAP)。

(4)一般流量控制。在用户网络接口(UNI)处，用ATM信头中的一般流量控制域（GFC）来实现流量控制。同时，信元丢失优先级（CLP）在流量控制中也发挥作用。终端和网络达成流量协议，在网络检测信元流时，某些信元被检测出违反协议规定，网络可能在接口丢弃它或者继续传送。但是网络必须确保在协议输入参数范围内，不影响其他用户信元业务质量。为了确保一致性，流量的业务等级，有必要识别网络的非一致信元，该信元是首先丢失的信元。识别方法是网络把非一致信元的CLP设置为“1”。3．ATM适配层AAL

AAL层的基本功能是将高层信息适配成ATM信元。AAL层又可分为拆装子层SAR和会聚子层CS。拆装子层SAR的基本功能是在发送侧将高层信息切割成ATM信元(48字节的信息段)，在接收侧将信元的信息段重新组装成高层信息单元。会聚子层CS的功能和高层业务有关，对于不同的业务类型有不同的功能。4．高层高层完成与业务有关的功能。6.2ATM交换的基本原理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。所谓交换，在ATM网中是指ATM信元从输入的逻辑信道到输出端逻辑信道的消息传递。输出信道的确定是根据连接建立信令的要求在众多的输出信道中进行选择来完成的。ATM逻辑信道具有两个特征，即它具有物理端口（线路）编号、虚通路识别符和虚信道识别符。为了提供交换功能，输入端口必须与输出端口相关联；输入VPI/VCI与输出的识别符相关。ATM交换系统执行三种基本功能：路由选择、排队和信头翻译。

6.3ATM交换机的模块结构和组成

ATM交换系统功能结构由输入模块（IM）、输出模块（OM）、信元交换机构（CSF）、接续容许控制（CAC）和系统管理（SM）等功能模块构成。

（1）输入模块（InputModule，IM），其任务是接收输入信元，并为信元通过交换单元准备路由选择。输入模块的主要功能是接收输入信号，提取ATM信元。其涉及的功能处理为：光电信号的转换；数字比特流的恢复；信元定界；信元速率解耦（丢弃空闲信元）。路由选择要求每个信元具有下述功能：信头差错检查；VPI/VCI有效性检查及翻译；输出端口的确定；信令信元和接续容许路由选择的排序；管理信元和系统管理路由选择的排序；每一VPI/VCI的占用和网络参数控制；内部标识符的加入，内部标识符在输入模块被加进每个信元，在输出模块再被剔除。（2）输出模块（OutputModule，OM）执行与输入模块相反的功能。其功能包括：内部标识符的提取和处理；VPI/VCI值的插入；HEC域的产生并装入信头；CAC信令信元，SM管理信元和用户业务数据信元流的混合输出；信元速率匹配（加入空闲信元）；光电信号转换。（3）交换机构（SwitchFabric，SF），该功能模块的作用是模块间传递信元，主要是把用户业务信元通过选路从输入模块转送到输出模块。除选路功能外，还有以下功能：信元缓冲；汇集和多路复用；故障容错；广播发送或同播发送；信元调度处理；信元丢弃；拥塞检测。（4）接续容许控制（ConnectionAdmissionControl，CAC）的主要功能是处理和翻译信令信息，并决定容许接续与否。它执行虚路径和虚通路的接续建立、更改及终止等功能。图5ATM交换结构分类

6.4ATM交换网络（交换结构）的实现技术

交换的实质是将某条入线的信息输出到特定的出线上。任意时刻入线和出线之间可能出现的关联可以有多种形式，如：一对多的连接、一对一的连接、入线和出线空闲状态等。6.4.1空分交换结构ATM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开关，根据信头VPI/VCI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，也就是将某入线上信元交换到出线上。这种思想实现的最简单的方法是空分交叉开关，称矩阵式交换机。基本原理如图所示。

图6混洗式交换网络2）多级交换矩阵多级交换矩阵由多个交换元素互连组成，它可以克服单级交换矩阵交叉节点数过多的缺点。多级交换矩阵又可分为单通路和多通路两种。(1)单通路网络从一个给定的输入到达一个输出端只有一条通路，最常见的就是“榕树”——Banyan网络。网络的每个交换元素都为2×2（两个输入和两个输出），其交叉节点小于单级网络，如一个8×8的单级交换网络的交叉节点为64，而采用三级Banyan网络只有48个交叉节点。Banyan网构成方法：N×N网络由个2×2交换元素再加两个交换元素组成，将第一个交换节点的个入线与个2×2节点的上出线相连，将第二个交换节点的个入线与个2×2节点的下出线相连。在L级的Banyan网中，只有相邻级的交换元素进行互连，网络的每一条通路都要经过L级。

用上述方法构成的多级互联网络不仅用于ATM交换，也可用于多处理器的计算机系统。它的几种变形分别成为Banyan网络、Baseline网络和洗牌-互换网络。网络的构成都是相同的，区别只在排列位置的不同。图7Banyan网络每一交换元素根据控制比特对输入信元路由进行选择。如果控制比特为0，信元被送至输出上端；如果控制比特为l，信元被送至输出下端。多级Banyan由多个控制比特逐级进行控制，每一级交换元素由lbit控制。如交换元素用3bit控制，高位控制第一级，中间位控制第二级，低位控制第三级。012345670123456701234567012345670123456701234567洗牌-互换网络Banyan网络Baseline网络Banyan网络的几种变形Banyan网络具有的性质：唯一路径特性：任何一条入线与任何一条出线之间存在且仅存在一条通路；自选路由功能：不论信元从哪条入线进入网络，它总能到达指定出线。由于

到达指定的输出端仅有唯一一条通路，因此路由选择十分简

单，即可由输出地址确定输入和输出之间的唯一路由。

到出端3的全部路径0123456701234567001100110011001100110011001100110011001100110011Banyan网络的优点是结构简单，模块化、可扩展，信元交换时延小。缺点是会发生内部阻塞，这是由于一条内部链路可以被多个不同的输入端同时使用造成的。0123456701234567000100001010011101110111011010110011001100110011001100110011001100110011001100内部阻塞图示

排序—Banyan网络，即通过在Banyan网络前面添加一个排序网络使其成为一个无阻塞网络。可以证明，对于各种Banyan网络，都存在某些特定的条件。在满足这些条件的情况下，网络可以进行无阻塞的连接。例如，对于洗牌-互换网络，若有两个连接a→b和c→d。其中两个入线编号和两个出线编号满足c﹥a，d﹥b，d-b≧c-a，则这两个连接的路径是完全不重叠的。因此，若洗牌-互换网络上各入端到各出端的连接是经过排序的，即彼此不交叉，则在洗牌-互换网络上是无阻塞的。012345670123456洗牌互换网络7

有多种构成排序网络的方法，下图所示为一个8×8排序网络的实现举例。图中的基本部件叫做比较-交换器。有“↑”符号的叫做出线升序比较-交换器，其功能是比较两个入线要连接到的出线的号码。若上面的大于下面的一个，则要进行交叉连接；否则进行平行连接。有“↓”符号的叫做出线降序比较-交换器，其功能是比较两个入线要连接到的出线的号码。若上面的大于下面的一个，则要进行平行连接；否则进行交叉连接。(0)(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)01234567(1)(2)(3)(4)(6)(0)(5)(7)(1)(7)(5)(3)(0)(6)(7)(5)(0)(1)(3)(6)(7)(0)(4)(1)(2)(6)(7)(0)(5)(3)(2)(6)(4)(1)(5)(3)(4)(4)(2)(0)(7)(4)(1)(2)(6)(5)(3)(2)

由此可知，如果在Banyan网络前面加上一个网络进行排序，使得上述无阻塞条件得到满足，则这样的两个网络构成的交换单元将是无阻塞的。前面增加的这个网络叫做排序网络。它与后面的Banyan网络组成的整体叫做排序Banyan网络。(2)多通路网络：在多通路网络中，从一个输入端到一个输出端存在着多条可选的通路，优点是可以减少或避免内部拥塞。解决内部阻塞的两种多通路网路：①基于Banyan的多通路网路；②Benes网络。基于Banyan的多通路结构增长型Banyan扩展型Banyan膨胀型Banyan复份型