数据通信培训教材系列-ATM技术原理

1、网络事业部数据通信产品培训教材系列 教材编号:NO.002ATM技术原理培训教程（内部使用）南京研究所数据产品系统部 编写 二O O 一 年 八 月说 明【内容提要】本教材讲述了B-ISDN、ATM的发展概况，并在此基础上阐述了ATM的基本原理，包括ATM标准、交换技术、信令、拥塞控制机制、网络管理、网络一致性测试和互操作性测试。 【适用范围】本教材属于中兴通讯股份有限公司网络事业部数据通信产品培训教材系列，为数据通信培训基本教材之一。适用于公司内部技术培训实用。【版权说明】著作权属于深圳市中兴通讯股份有限公司所有，未经著作权人同意，不得摘录、复制、翻译、注释、编辑，侵权必究。深圳市高新技术产

2、业区科技南路中兴通讯A座电话：86-755-传真：86-755-邮政编码：公司网址：HTTP:/电子信箱：资料策划： 中兴南京研究所 数据产品系统部 版次：2001年8月，第2版目 录第一章 概述5第二章 基于ATM的宽带综合业务数字网（B- ISDN）721 B-ISDN ATM参考模型7211 参考模型物理层8212 ATM层9213 适配层 AAL1322 B ISDN参数配置14第三章 ATM标准1531 ATM交换系统1732 ATM交换机功能模型193.2.1连接功能193.2.2 控制功能203.2.3 操作维护网

3、管功能203.2.4 ATM交换机构的拓朴结构213.2.5 交换拓朴结构233.2.6多级互连网MIN253.3 ATM交换的控制机理263.3.1 信元交换路由选择的控制机制273.3.2 信元的缓冲机制排队策略283.3.3 竞争消除机制仲裁、网络业务量控制和拥塞控制313.3. 4 信元的复制机制和合并机制343.4 ATM交换系统功能设计343.4.1ATM交换系统组成343.4.2 ATM交换终接部分输入和输出模块343.4.5ATM交换多级互连网部分35第四章ATM网互通接口设备384.1 ATM交换系统与帧中继网的互通384.2 ATM交换系统与基于64Kbit/S的TSDN互

4、通384.3 2Mbit/S电路仿真接口39第五章 网络信令395.1 信令协议栈405.1.1 UNI信令协议栈405.1.2NNI信令协议栈405.1.3 ITU-T和ATM论坛信令协议的对应关系415.2 信令能力集415.2.1 Q.2931信令415.3 ATM网局间信令43第六章 网络管理4361 ATM网络管理结构和功能4362 ATM网管协议466.3 管理接口48第七章 业务量控制和拥塞控制487.1 连接接纳控制CAC497.2 使用参数控制UPC/网络参数控制NPC497.3 明确前向拥塞指示EFCI507.4其它控制功能51第八章ATM/BISDN 一致性测试和互操作测

5、试518.1一致性测试518.2 ATM互操作性测试53第一章 概述现代社会正以迅速的步伐进入信息时代，信息产业在全球各国或地区，已经或将要成为第一支柱产业。信息技术正在改变着人们的生存和生活方式。通信网是信息社会的基础，也在经历着深刻的变革。传统的通信网是以电路交换为基础的电话网。至今为止，电话网还承担着整个通信网的大部分通信业务量；全球预期约在2002年，数据通信的业务量要超过电话通信的业务量。当前计算机系统的性能和应用正以爆炸之势在发展，尤其是Internet如同燎原大火已传播到各处。现有通信网主体采用的电路交换连接为基础的同步传输模式STM体制，已难以满足计算机数据通信的高速突发业务迅

6、猛增长的要求；也难以满足用户终端对视频业务的多项要求。从现有通信网向宽带综合业务数字网B ISDN或综合宽带通信网IBCN（二者同一内容，名称不同）过渡是一种必然的趋势。由于微电子技术和光技术的迅速发展，可以提供高质量高速率的传输系统、交换系统和节点处理系统，使得通信的各种新系统新概念的实现成为可能。异步传递模式ATM的构思和相关技术最初是由美国AT&T贝尔实验室和法国CNET两个研究中心于1983年提出的。国际电信联盟ITU-T的前身CCITT于1988到1990年以加速程序的方式提出了有关ATM的一系列建议，这些建议奠定了ATM的基础，并确定了大部分有关的参数，ITU-T接受ATM作为B

7、ISDN的最终解决方案。不同的组织机构先后都制定了ATM的试验网计划，在1993-1994年间，在美国、欧洲、日本的操作营运部门都宣布了试验网和商用业务计划。ATM在因特网的骨干网和高速局域网的应用十分成功。中国也在北京、上海、广州等地建立了ATM宽带试验网（引进和自行研制ATM宽带交换设备同时进行）。ATM作为未来通信网B ISDN的统一平台融合电路交换网和分组交换网的前景引起各方面的关注和重视。应该看到，ATM宽带网标准目前还存在一些需要研究解决的问题；由于ATM技术的复杂性，标准的制订比较迟缓，未能大规模地得到全面应用，成本居高不下；在实现端到端业务的两个重要方面未能达到期待目标；即在话

8、音的端到端业务上无法完全取代现有通信网的STM体制；在因特网高速数据分组业务上，又面临着1997年出现的吉位线速路由交换器的竞争，由于性能价格比的因素，因ATM成本过高，已经失去了一定市场。迄今为止，现有通信网网络技术有三种；即基于电路连接的同步传递模式STM技术，基于无连接的分组交换的IP技术和异步传递模式ATM技术。STM和IP是已经成熟了的技术，而ATM则是尚在发展中的技术。ATM技术需要研究和发展的重点有以下所述的几个方面。1、ATM宽带网的流量工程 如何有效公平地分配带宽等资源，如何保证在统计复用条件下具有各种属性的不同业务的每个呼叫的服务质量。ATM流量的特性模型；业务量控制和拥塞

9、控制的各种算法，如连接控制CAC、使用参数控制UPC等都是研究的要点。2、ATM话音通信 ATM网要实现包括话音在内的各种业务的综合交换；ATM网上实现传统的话音通信必须解决打包时延、时钟恢复，抖动消除和信令转换等关键问题。进一步的研究是在ATM上用可变比特率的话音来替代固定比特率的话音实现高效话音编码，从而大大提高带宽利用率。3、IP和ATM的融合 由于因特网的迅猛发展，IP和ATM的融合是重要的发展趋势，目前已有重叠方式和集成方式多种形式，而集成方式MPLS则可能是最有前途的方式。4、光ATM交换 作为新的交换技术，ATM交换有多种交换结构，未来的重点是光交换控制，吞吐量可达到Tbit/S

10、；光ATM交换的实用化也是实现全光宽带网的技术关键。除了ITU-T制定的ATM规范标准外，ATM论坛做了更加深入广泛的工作。ATM论坛是一个非盈利的组织，由不同类型的产业（计算机和通信）结合而成，全世界有700多个成员。这个论坛以ITU-T的国际标准为基础，为各类用户实际应用的ATM系统制定相关的规范。第二章 基于ATM的宽带综合业务数字网（B- ISDN）21 B-ISDN ATM参考模型B-ISDN的协议模型如图1.1所示。这是一个三面四层的模型。三个平面是用户平面、控制平面和管理平面；用户平面用于传送用户信息，控制平面主要传送信令信息，管理平面主要执行维护和操作功能OAM。四层由低到高是

11、：物理层、ATM层、AAL适配层和高层协议。ITU-T的建议主要定义了物理层、ATM层、AAL层三个层。这些层又可进一步划分为子层，每个子层执行一些特定的功能为图1.2所示。层 管 理面 管 理控制平面用户平面管理平面高层协议高层协议AAL 适配层ATM 信元层 PH 物理层图2.1 BISDN ATM协议参考模型适配层AALCSSSCS特定业务会聚子层CPCS会聚子层公共部分SAR分段、组装信元层ATM一般流量控制信元翻译、提取和插入信元复用和分路物理层PH传输会聚TC信元速率解调HEC信头处理信元定界传输帧适配传输帧处理PM比特定时物理媒体连接图2.2 参考模型子层及其功能211 参考模型

12、物理层物理层有传输会聚TC和物理媒体连接两个子层。1 传输会聚TC子层负责将ATM信元嵌入正在使用的传输媒体的传输帧中，或相反从传输媒体的传输帧中提取有效的ATM层信元。ATM层信元嵌入传输帧的过程如下：ATM信元解调（缓存）信头差错控制HEC产生信元定界传输帧适配传输帧生成。从传输帧中提取有效ATM层信元的过程如下：传输帧接收传输帧适配信元定界信头差错控制HEC检验ATM信元排队。传输会聚TC子层的主要功能是信元定界和信头差错控制HEC。2 物理媒体主要由ITU-T和ATM F建议的规范执行，共有以下类型的连接l 基于直接信元传输的连接l 基于PDH网传输的连接l 基于SDH网传输的连接l

13、直接信元光纤传输l UTOPIA接口（通用测试和运行物理接口）l 管理和监控信息流OAM传输接口OAM流等级F2：数字段F3：传输通道F4：VPFS：VC物理层ATM层F1：再生段终端点连接点l 其它接口规范212 ATM层 I361详细描述了ATM信元的结构、功能和使用方法。信元共有53个八位组，其中5个八位组信头，48个八位组信息段。发送顺序从第一个八位组开始，然后按递增顺序；每个八位组内发送顺序，从第8比特开始，然后按递减顺序。对ATM信元的所有段，首先发送的比特率总是最高有效位MSB。信元在用户-网络接口间UNI和网络-网络接口间NNI的编码格式是有区别的，其区别主要表现在信头上，信元

14、和信头的结构可参见图13。CLPCLPPT13NNI ATM信头结构 VPI(12)/VCI(16)2UNI ATM信头结构 VPI(8)/VCI(16)1ATM组信元结构765432176543215432154321812345.538信头5个八位组信息段48个八位组八 位 组GFCVPIVPIVCIVCIVCIHEC87654321HECVCIPT1VCIVPIVCIVPI.3 信元和信头结构1 UNI ATM信头l GFC 一般流量控制字段 GFC用于控制终端到网络的业务流量，GFC域的编码及其意义见表11和表12。表1.1 GFC域编码 终端网络方向的信元编 码意义0000终端非控，

15、信元是空闲信元或信元为非控ATM接续0001终端受控，信元是空闲信元或信元处于非控ATM接续0101终端受控，信元处于ATM受控排队A接续0011终端受控，信元处于ATM受控排队B接续表1.2 GFC域编码 网络 终端方向的控制信号编码意义0000N0-HALT NULL4个控制信号：SET 设置对应的排队计数器NULL 空信号不引起任何动作HALT 中断流向网络的信息流NO-HALT启动信元业务流量Bit8 0/1 NO/HALTBit 7 0/1 NULL/SETABit 6 0/1 NULL/SETBBit 5 0/1 保留1000HALT，NULL-A NULL-B0100NO-HAL

16、T SET-A NULL-B1100HALT SET-A NULL-B0010NO-HALT NULL-A SET-B1010HALT NULL-A SET-B0110NO-HALT SET-A SET-B1110HALT SET-A SET-Bl VPI/VCI地址字段在UNI信头中地址字段有24个地址比特，8bit用作虚通道标识符VPI，16bit用作虚通路标识符VCI。l PTI净负荷类型字段信息类型用3bit表示，其编码及其意义见表13表1.3 净负荷类型编码意义000 用户数据信元无拥赛 SDU类型=0 001用户数据信元无拥赛 SDU类型=1010 用户数据信元 拥赛 SDU类型=

17、0 011用户数据信元 拥赛 SDU类型=1 100分段OAM信息流相关信元101 端到端OAM信息流相关信元110 RM信元 资源管理用111 保留l CLP 信元丢失优先指示信元丢失优先级用于信元丢失级别的区别，CLP是1，表示该信元为低优先级，是0则为高优先级，当传输超限时，首先丢弃的是低优先级信元。l HEC 信头差错控制字段在信元发送以前，每一个发送站都应计算整个ATM信头的校验并将其写入HEC字段。32bit的信头产生一个31次多项式，该多项式乘以X8 ，然后被生成多项式X8 + X2 +X+1模2除。l UNI信元信头预赋值信元信头预赋值用于区别ATM层使用的信元和物理层使用的信

18、元参见表14。表1.4 UNI ATM信元信头预赋值八位组1八位组2八位组3八位组4用法GFCVPIVCIPTCLP00001空闲信元0 001001物理层OAM信元P00PPP1预留给物理层GFC00XXX0无赋值信元Y0XXX0/1无效信元000010AAC无信令000100AAC广播信令001010AAC点到点信令000110A0A段OAM F4001000A0A端到端OAM F400110110AVP资源管理001110AAA保留VP未来功能01SSS0AAA保留未来功能1SSSS0AAA保留未来功能Z100A段OAM F5Z101A端到端OAM F5Z110AVC资源管理Z111A保

19、留VC未来功能P 留给物理层使用 X 任意值 X=0时为本地A 由ATM层使用 Y 除0外任意值C 始端为0，可由网络改变 Z 除0，011，0100，0110，0111外的任意值S(SSS) 0(000)-1(111)任意值2、NNI ATM信头l VPI/VCI地址字段在NNI信头中地址字段有28bit，12bit用作VPI，16bit用作VCI。l PTI净负荷类型字段与UNI的PII意义相同，用法有区别。l CLP信元丢失优先指示与UNI的CLP意义相同，用法有区别。l HEC信头差错控制字段与UNI的HEC意义相同。l NNI ATM信元信头预赋值信元信头预赋值用于区别ATM层使用的

20、信元和物理层使用的信元，给定的值和相关参数的组合见表15。表1.5 NNI ATM信元信头预赋值八位组1八位组2八位组3八位组4用法VPIVCIPTICLP0001空闲信元001001物理层OAM信元00PPP1预留给物理层00X0无赋值信元Y0X0/1无效信元X001010AACNNI信令X000110A0C段OAM F4信元X001000A0C端到端OAM F4X00110110AVP资源管理X001110AAA保留VP未来功能X01SSS0AAA保留未来功能X1SSSS0AAA保留未来功能XY100A段OAM F5信元XY101A端到端OAM F5XZ110AVC资源管理XY111A保留

21、VC未来功能P 留给物理层使用 X 任意值X=0时为本地A 由ATM层使用 Y 除0外的任意值C 始端为0，由网络改变 Z 除0，0110外的任意值S(SSS) 0(000)-1(111)的任意值213 适配层 AALAAL用于增强ATM层的能力，以适合各种特定业务的需要。这些业务可能是用户业务，也可能是控制平面和管理平面所需的功能业务。在ATM层上传送的业务可能有很多种，但根据三个基本参数来划分，可分为四类业务。三个参数是：源和目的之间的定时要求、比特率要求和连接方式。业务类划分为A、B、C、D四类。参数、业务类别和相应的AAL适配类型可由图13表示。 业务参数A类B类C类D类源和目的定时需

22、要不需要比特率固定可变连接方式面向连接不连接AAL类型AAL 1AAL 2AAL 3AAL 4AAL 5用户业务举例电路仿真运动图象视频声频面向连接数据传输无连接数据传输服务质量QoS1QoS2QoS3QoS4图2.3 业务分类、AAL类型和服务质量根据ATM层传送业务量的要求，ITU-T和ATMF按业务要求的比特率各自提出了业务的分类。相互关系可参见图14。 业务A类B类C类D类ITU-T分类DBR确定比特率SBR统计比特率 ABR ABT 可用比特率 块传送能力ATMF分类CBR恒定比特率VBR可变比特率实时VBRrrt非实时ABR UBR可用比特率 未规定比 特率图2.5 ATM层承载业

23、务分类方式22 B ISDN参数配置参数配置用来定义网络中不同实体之间的接口和不同实体功能的实用工具。ITU-T建议描述了五类功能实体和四种连接的参数点，如图16所示。RSB传输VBSBB-TE1B-NT2B-NT1TE2或B-TE2B-TATB图2.6 BISDN参数配置五类功能实体中，宽带网络终端B-NT1相应于骨干交换设备，宽带网络经终端B-NT2相应于接入交换设备或用户交换设备，宽带终端B-TE1是遵守参数点SB和TB接口规范的，宽带终端B-TE2是不遵守参数点SB和TB接口规范的，宽带终端适配器B-TA能使B-TE2和TE2按参数点SB和TB接口规范要求接入B ISDN的适配器。IT

24、U-T只对参数点SB和TB进行标准化。可用图12所示来表示SB和TB所处的位置。TBTBSBSBB-TE1用户BISDN交换公用BISDN交换用户BISDN交换B-TE1BISDN链路图2.7 BISDN参数点 第三章 ATM标准 ATM标准主要是由国际电信联盟ITU-T开发和制定的。ATMF主要目的是通过可互操作的技术规范，加速ATM产品的开发和扩展。用于ATM交换系统，由ITU-T提供的协议可参见图18，至今为止，有关的建议还在继续研究和制订过程中。尤其是关于多媒体信令的建议，当前大致完成能力集CS-1的部分，即关于点到点的基本呼叫连接控制。能力集CS-2即扩展到点到多点，并增附加业务参量

25、，服务质量QoS等控制功能的协议族，部分已通过，部分等待审议，部分需重新制订。能力集CS-3即能实现ATM交换全部六种连接类型的信令协议族，尚在研究过程中。ATMF所制定的技术规范集中在宽带互连接口B-ICI；各类物理层接口，如DS1、DS3、E1、E3、155.52Mbit/S、622.08Mbit/S和通用测试和运行物理接口Utopia等；各类互通接口，如局域网仿真、电路仿真和帧中继仿真等；ATM用户网络接口技术规范，用户网络接口信令UNI 4.0；专用网络网络接口PNNI等。此外还制订了相应的测试规范。I.361I.363.xI.361I.555I.365.1I.361OAMI.432，

26、G.804，G.832ATM信元NMSQ3标准管理接口模块处理机组MPnMP2MP1物理层不进ATM由MP处理F1F2F3F4F5Q.2110I.361I.363.12.048Mbps电路仿真I.361I.363.1I.580N-ISDN基于64Kbps电路/分组仿真帧中继网络/业务互通NNI 网络网络接口UNI 用户网络接口ATMI.361ATMPH2.048Mbit/S25.600Mbit/S155.520Mbit/S622.080Mbit/S控制平面信令I.432 G.703G.704 G.804G.832 G.957PH2.048Mbit/S25.600Mbit/S34.368Mbit

27、/S155.520Mbit/S622.080Mbit/SIWF 网络互通/业务互通接口Q.922FR-SSCSCPCSSARATMPHPHAALATMPHPH映 射 功 能PHPHCPCSSARATM宽带接入网VB.5待定同步外同步 2.048Mbit/S 内同步 SDH STM-N 加强型 三级时钟Q.29xy系列基本补充互通控制Q.2110Q.2130I.363.XI.361Q.2931高层协议SSCFSSCOPCPCSSARATMPHQ.27xy系列基本补充互通控制Q.2140Q.2210I.363.XI.361Q.2761BISUPSSCFSSCOPCPCSSARATMPHMTP-3管

28、理平面NNI接入点ATM网元管理系统NEMS虚通路VC虚通道VPATMX53八位组信元交换UNI接入点图3.1 ATM交换系统协议栈31 ATM交换系统在B ISDN中ATM交换系统是网络节点上的核心设备，必须只有以下的性能功能要求：l 承载业务a) 宽带面向连接的承载业务b) 宽带无连接数据承载业务c) 预留和永久通信的虚通道（VP）业务d) 宽带无结构电路传送（2.048Mbit/S）承载业务e) 宽带G704（2.048Mbit/S）帧结构的透明传送承载业务f) 宽带G704帧结构独立时隙帧的传送承载业务g) 宽带NX64Kbit/S承载业务上述a)、b)包括B ISDN参数模型所定义的

29、A、B、C、D四类业务。d)、e)、f)、g)是根据现有通信网STM网实现互通或兼容要求提出的。 l 连接类型（连接方式可参见图31所示）。1. 双向点到点的连接2. 单向点到多点的连接3. 多点到点的连接4. 多点到多点的连接5. 双向点到多点的连接6. 服务器等支持的多点到多点的连接mRmmRRBCDABCDA1ABCDDDDCCCBBBAAAmRRmS2536431 六种连接类型l 服务质量服务质量指标暂分QoS1、QoS3和QoS4三类，QoS2待研究。表3.1 对STM-1和STM-4接口的ATM连接性能参数CLPQoS1QoS3QoS4CLR0 210-10 10-7 10-7CL

30、R1不规定不规定不规定CER1/0 10-12 10-12 10-12CTD 99%1/0150us150us150usCDV 10 101/0250us不规定不规定CDV 10-71/0不规定250us250us 表32 对E3接口的ATM连接性能参数CLPQoS1QoS3QoS4CLR0 210-10 10-7 10-7CLR1不规定不规 定不规定CER1/0 10-12 10-12 10-12CTD 99%1/0500us500us500usCDV 10 101/0500us不规定不规定CDV 10-71/0不规定500us500us表33 对E1接口的ATM连接性能参数CLPQoS1Q

31、oS3QoS4CLR0 210-10 10-7 10-7CLR1不规定不规定不规定CER1/0 10-12 10-12 10-12CTD 99%1/02ms2ms2msCDV 10 101/04ms不规定不规定CDV 10-71/0不规定4ms4msl 处理能力吞叶量：根据特定容量分别要求建立和释放时延：根据特定容量分别要求32 ATM交换机功能模型 ATM交换机功能分为三部分：连接功能、控制功能和操作维护网管功能。其功能模型如图110所示：控制功能连 接 功 能终接功能交换功能ATM信元终接功能接入呼叫与连接信令功能连接与资源处理功能网路呼叫与连接信令功能连接控制功能呼叫控制功能操作维护网管

32、功能图3.2 ATM交换机功能模型3.2.1连接功能 连接功能包括终接功能和交换功能。ATM交换机连接功能应满足两类连接的要求：即与业务有关的连接和与业务无关的连接。1. 终接功能：ATM交换机的终接功能按网络功能分为用户网络接口和网络网络接口两种；对应于B ISDN参数配置，即终接于参数点SB和终接于参数点TB 的两类。与业务有关的有与非ATM网间互通的多种ATM交换机终接功能。可概括分为UNI，NNI和IWF三类。2. 交换功能：ATM交换机应支持6种类型的通信连接，现阶段必须支持双向点到点和单向点到多点的连接。因而交换机必须实现点到点和点到多点间的信元交换。ATM交换机的基本交换功能是按

33、VPI/VCI值，来建立虚通路连接VCC和虚通道连接VPC。ATM交换机的交换功能也可按控制方式来划分有永久虚连接PVC和交换虚连接SVC；需要时应有软PVC（SPVC）功能，即现用PVC中断时，能自动建立另一条PVC连接来替代。3.2.2 控制功能控制功能包括寻址功能、呼叫连接处理功能和信令功能三部分。1 寻址功能：寻址功能包括永久虚连接PVC业务寻址，交换虚连接SVC业务寻址和SPVC自动寻址。2 呼叫连接处理功能：呼叫连接处理功能包括译码功能和选路功能，译码功能用于SVC，选路功能用于PVC、SVC和SPVC。PVC选路是在建立PVC业务前由管理平面确定路由的。SVC选路主要是由用户平面

34、的业务启动，由控制平面建立路由的，SPVC选路是由管理平面启动控制平面参预建立路由的。3 信令功能：ATM交换机必须具有B ISDN参考模型信令协议栈所示的功能，现阶段满足能力集CS1、CS2要求，进一步满足CS3要求。应执行信令功能规范UNI信令和NNI信令的有关标准；即关于基本呼叫、补充业务、接入业务互通和参数控制等一系列协议族。3.2.3 操作维护网管功能 ATM交换机的管理重点在于ATM交换系统内部的操作维护，同时支持B ISDN网的操作管理。是整个系统中重要的，也是较难处理的功能模块。这是因为系统管理的范围太大，公用交换网操作和管理历来都是十分广泛和复杂的问题。通常情况下一个交换系统

35、应OS和NMS数据库交换网输出模块输入模块监测和协调控制外部通信故障管理性能管理业务量管理配置管理计费管理安全管理内部通信CAC具有操作维护网管模块的功能结构，如图1.11所示。图1.11 ATM交换机系统管理功能结构3.2.4 ATM交换机构的拓朴结构 ATM交换机构是实现ATM信元交换的核心，其拓朴结构和控制机理决定了ATM交换机以及ATM网的性能。ATM技术一开始出现，ATM交换机构的研究就是一个热点，新的研究进展至今仍不断出现。用于STM体制的传统的电路交换和分组交换的交换机构，不能直接用于ATM交换，这是以下两个主要因素的影响造成的：l 高速交换，当前从155.52到622.08Mb

36、it/S，将来需Gbit/S到Tbit/S。l ATM的信元流量具有统计特性。由于信元是短而定长的分组，信头只具有有限的功能，因而对ATM交换机构的拓朴结构产生重要的影响。传统的电路交换、分组交换和ATM信元交换的区别可参见图1.12所示。D TS12FIATS9CTS18BTS23FIC TS12FIBTS9DTS18ATS23FI1） 电路交换 FI帧标志TS时隙 输 1入 2N1 输2 出N信令X交换控制分组21N2ACABCB存储转发1N2）分组交换BADCEDC信元AB信令信头识别信头翻译管理X端口控制21N21N3）信元交换E1.12 电路交换、分组交换和信元交换示意电路交换在数字

37、网中实质上是时隙TS交换，每个TS长度为1个字节Byte，交换机对所有的输入1到N和输出1到N，都要求比特率同步和帧同步，每个帧内安排若干时隙，每个时隙分配给一个用户。以E1为例，E1的比特率为2.048Mbit/S,每帧分32个TS，有256bit，帧周期125us，每秒有8000帧。如图1.12 1）所示；E1 1# 输入的TS9、TS18和TS23分配给用户A、C和B，E1 2#的TS12分配给用户D。当A和B，C和D需交换时；先由信令过程，使控制模块操作交换模块，将A输入到E1 1# TS9，B输入到E1 1# TS23，C输入到E1 TS18，D输入到E1 2# TS12；经交换模块

38、控制写入到通路存储器的相应位置，A写入E1 1# TS18，B定写入E1 1# TS9，C写入E1 2# TS12，D写入E1 1# TS18；然后由输出E1 1#、E1 2#顺序读出。电路交换即TS交换，是在对通路存储器的控写顺读（也可顺写控读）时实现的。TS交换可在相同序号或不同序号的输入输出间进行交换，因用户是按帧内的时隙TS序号来进行的。分组交换对输入1到N和输出1到N没有严格的比特率同步和帧同步的要求，只要求单独对每一链路和输入或输出有收发定时就可。对不同输入的分组报文在转发时也不要求收发的顺序一致。为图1.12 2）所示；从链路1、2和N输入的分组报文A、B和C，需发向链路1和2时

39、。由交换机存储转发模块将输入链路1、2和N上的分组A、B和C接收缓存，分析分组组头，确定输出端口，B到链路1，A和C到链路2，最后将分组送到最终目的地址，为了传输效率和防止环路的形成，一般来讲分组报文禁止序号相同的收发间进行转发，即禁止从1# 链路接收的分组再向1# 链路发送；除此以外，分组报文的存储转发，没有转发方向和顺序的各种限制。信元交换综合了电路交换和分组交换的一些特点，而不同于两者，当交换机对所有输入的信元进行交换前，要经信令过程或网管过程，在控制模块上确定交换模块的各端口间进行交换的策略（信元寻址、路由表寻址或混合寻址）；对由端口接收的各信元进行信头识别处理，加装内部标记，由交换模

40、块按预定策略，进行端口间的交换；在输出端口，由控制设备对信头翻译后成为只有新信头的信元继续传送。如图1.12 3）所示，从端口1、2和N输入的信元A、B、C、D和E；由控制模块对信头识别后，加装内部标记，再由交换模块执行端口间的交换；在输出端口由控制模块对信头进行翻译，封装为新的信元E、A、D、C和B，分别由输出端1、2和N发送。信元在端口间的交换，是按预定的策略进行的，可以实现各种网络功能。3.2.5 交换拓朴结构ATM交换系统是通过内部的核心交换机构来实现信元交换的。交换机构是由基本交换模块经特定的拓朴结构互连成的；基本交换模块是构成ATM交换系统的通用模块，也可叫交换单元。交换单元是由最

41、小的信元传输交换元素构成的。交换元素按其基本功能来分只有空分和时分两类；空分交换元素又可分为由单线开关型的矩阵或全互连型的交换元素和双线交叉型的以Banyan型（榕树型）为基础的各种交换元素；时分交换元素可细分为共享存储器、共享总线和共享环三种。如图1.13、图1.14、图1.15所示。交换结构时分结构共享存储器共享媒体共享总线共享环空分结构单通路网络矩阵型榕树网全互连型多通路网路多通路网路CLOS型Benes型图1.13 ATM交换网络结构N11)共享存储器型1:N共享存储器控制P/SP/SN:1S/PS/P1N2）共享总线型 比特率X= 总线宽度缓存器地址筛选共享总线NXmbit/SAFA

42、FP/SP/S1NS/PS/PICICOCOC时隙环的时隙数接入IC数IC 输入连接OC输出连接3）共享时隙环型图1.14 时分交换结构接点连通接点断开1)矩阵开关型4567CDAB89AB0123CDEF89AB45670123。地址筛选2)全互连型缓存器总线BUS1AFAFAFAFAFAFAFAFAF2N连接逻辑01111111011011100101110101001100001110110FEDCBA98765FEDCBA98765432432101010100001100101000010000001011101110101010113）榕树网型banyan型 图1.15 单通路空分

43、交换结构3.2.6多级互连网MIN多通路网交换结构是基于单通路网的复份、串接、嵌套和混合。从逻辑上讲基于时分或基于空分的交换模块，不受速率和容量的限制。但事实上都受到物理因素的制约；时分结构受存储媒体存取周期时延的制约；空分结构受传播时延和通路开关时延的制约；实际制成单片模块时，又受微电子技术空间尺寸极限的制约。当前的水平，单片交换模块的容量在5-10Gbit/S，输入输出端口为88到1616。由单片交换模块扩容成大容量的交换机构时最常用的方法是多级互连。在ATM交换机构中多级互连一般都采用三级无阻塞CLOS网来构成。今以单片容量10G，输入输出端口1616的基本交换模块构成的Tbit/S多级

44、互连网为例，采用CLOS三级无阻塞网结构，对输入级和输出级进行扩充和集中的混洗处理后可得三级CLOS网拓朴结构如图1.16所示：161616161616168128888161616161625616161688816162568161281681288881616161616256161625616161688881612812256 128162048128162048图1.16 多级互连网：三级CLOS网结构20482048 1.280Tbit/S根据线性平滑扩容的要求，中间级可按8或16分组，可得到40G或80G为阶的，40、801280G或80、1601280Gbit/S的交换容量系

45、列。3.3 ATM交换的控制机理ATM是面向连接的信元交换。信元交换是在ATM层根据信头的VPI/VCI标志值进行。VPI/VCI在UNI有28/216个值，在NNI有212/216个值，这些值的数量固然不算少，但仍是有限的。因而在整个ATM网上必须有虚连接机制，即虚通路连接VCC和虚通道连接VPC。根据控制方式的不同又有永久虚连接PVC和交换虚连接SVC。一般而言，VPI/VCI只要求在一个物理端口上有唯一标志值就可在ATM全网上实现寻址。在ATM交换系统内，建立PVC连接后，对信元的交换，应根据信元的VPI/VCI标志，加装内部路由标记（或路由表），再进行物理端口间的寻址操作。建立SVC连

46、接后，对信元的交换，不仅要根据VPI/VCI标志值，加装内部路由标志，而且要将原VPI/VCI标志值翻译成为后续交换机寻址约定的VPI/VCI标志值。如上所述ATM的连接功能必须具有对信元VPI/VCI标志值进行识别、翻译和加装内部路由标记的能力。与已知电话网的电路交换和数据网的分组交换相比较其交换机制和寻址控制机制要复杂得多。ATM信元交换的另一个特点是出口竞争。不论交换机内部是无阻塞的，甚至有高倍数的冗余链路，但因为是虚连接出现同时到达的几个信元争用一个出口的情况是随机存在的。依靠交换单元的拓朴结构是无法消除的，必须引入缓冲机制，即排队缓存，将来争用到出口的信元送入缓存队列。排队缓存可以消

47、除随机出现历时不长的竞争；当出现历时较长的恶性竞争时（这种现象在现实生活中是随时随机可见的，如出现突发事件后的电话拥塞、交通堵塞等）；排队缓存就缺乏处理这类竞争的能力。消除恶性竞争，就需引入仲裁机制；仲裁的结果一般是继续通过优先级最高的信元，继续缓存优先级较低的信元，丢弃优先级最低的信元，或者停止接收某些入口的信元以保证交换机在适当的业务流量下运行。ATM交换系统除了确保点到点的可靠双向连接外，还要求多点之间的多类连接，需要信元具有组播功能和合并功能，就需引入信元的复制机制和合并机制。综上所述，ATM交换系统必须在确定交换网络拓朴结构的同时综合考虑下列四种控制机制，并选择适当的应用策略。l 信

48、元交换路由选择的控制机制寻址方案的选择。l 信元的缓冲机制排队策略。l 信元竞争的消除机制仲裁策略、反压机制和流量控制。l 信元的复制和合并机制拷贝和合并方案的选择。3.3.1 信元交换路由选择的控制机制一个单级交换网络，在入口端接收到信元时，对信元的VPI/VCI标志值识别后，就可将信元传递到相应的出口端。这种选择是唯一的。但单级网容量有限，只能承载小业务量的吞吐。扩大容量就需要选用多级互连网MIN。信元通过互连网时，可根据两个参数，进行路由选择决策。这两个参数是路由信息存放的位置和确定路由的时刻。表1.9给出了四种不同的路由选择方式。表1.9 多级互连网路由选择控制分类 路由信息存放位置确定路由