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1、第6章 ATM交换,6.1 ATM交换概述6.2 ATM交换原理及交换系统6.3 ATM协议分层结构6.4 ATM网络信令6.5 流量控制与拥塞控制,ATM交换概述,ATM的产生ATM（asynchronous transfer mode，异步传送模式）是B-ISDN（宽带综合业务数字网）的核心技术，B-ISDN的网络节点即ATM交换机。基本电路交换和分组交换各有优点及局限性，分别适用于不同的专用网络。随着通信技术的发展，在一个高速网络上承载诸多业务类型且可以满足诸多业务QOS要求的需求日益增长。在这种背景下，B-ISDN概念得以出现。对于B-ISDN，基本电路交换和分组交换都不能满足其要求。
2、虽然B-ISDN最终没有占有预期的市场份额，但是ATM技术却得到了广泛使用，尤其用于骨干网络。可以说，ATM技术仍然是宽带通信领域中的一种重要技术手段。,ATM交换概述,ATM的产生ATM结合了基本电路交换和分组交换两者的优点，采用对定长信息单元(ATM的基本信息单元cell，称为信元)进行异步时分复用可靠传输各类型业务信息，并能对业务信息进行高速交换处理。ATM交换技术与基本电路交换和分组交换有着本质的区别。如，分组交换使用LCGN/LCN在分组层（亦即OSI七层数据通信分层中的网络层）实现交换，而为了提高处理速度，ATM使用虚通道标示符VPI/虚信道标示符VCI在ATM层（即OSI七层数据
3、通信分层中的数据链路层）实现交换；等等。ATM交换机制是面向可以提高链路带宽利用率的异步时分复用方式，能够支持具有不同业务QOS需求的各种业务类型。,ATM交换概述,ATM的基本概念一、ATM含义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。具有下列特征：所有信息采用信元形式发送；面向连接；同一虚连接中信元顺序保持不变；信息域透明传输，不执行差错控制；信元流异步时分多路复用。,ATM交换概述,ATM的基本概念二、ATM信元结构ATM信元：ATM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
4、杂性三方面因素综合考虑，采用53字节长固定信元。包括5字节信头和48字节信息域。,ATM交换概述,ATM的基本概念二、ATM信元结构,ATM交换概述,ATM的基本概念二、ATM信元结构一般流量控制(GFC)：4bit，控制流量，减小用户边出现的过载；只在UNI信元中含有该字段，NNI信元中不包含该字段。实现单向控制业务，即只控制用户终端流向网络方向的信息流量，而不控制网络流向用户终端方向的信息流量。,ATM交换概述,ATM的基本概念二、ATM信元结构虚通路识别符(VPI)：8bit（UNI）或12bit（NNI），路由选择和交换节点接续。虚信道识别符(VCI)：16bit，用于虚信道路由选择和
5、交换节点接续。,ATM交换概述,ATM的基本概念二、ATM信元结构净荷类型(PT)：3bit，区别信元信息域的信息类型。在用户信息信元中，用于区分用户信息和业务适配信息；在网络信息信元中，用于区分网络操作维护信息和资源管理信息。,ATM交换概述,ATM的基本概念二、ATM信元结构信元丢失优先级(CLP)：1bit，信元丢失先后顺序，由用户和业务提供者设置；CLP=0，表示该信元具有高优先级，反之，CLP=1，表示该信元具有低优先级。当发生拥塞需要丢弃信元时，低优先级别的信元将首先被丢弃。该字段的数值可由用户或者业务提供者加以设置。 信头差错控制(HEC)：8bit，信元识别，用于信头差错监测与
6、纠正以及信元定界。,ATM交换概述,ATM的基本概念三、ATM信元传送处理基本原则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(MSB)。2误码处理方法对HEC进行检验，可纠正信头1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，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。,ATM交换概述,ATM的基本概念三、ATM信元传送处理基本原则3信元定界方法信元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。信元定界定义了三种不同状态：搜索态、预同步态和同步态。ITU-T建议：m=7和n=6。,ATM交换概述,ATM的基本
7、概念三、ATM信元传送处理基本原则4空闲信元和信道填充空闲信元：特定信头值(不含HEC域)0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001的信元。即GFC=0；VPI=0；VCI=0；PT=0；CLP=1。空闲信元只用作信道填充，以保持ATM信道的恒定传送速率。使信道永远处于信元的传送状态。,ATM交换概述,ATM的基本概念三、ATM信元传送处理基本原则5面向连接方式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。虚电路可以是专用电路，也可以是临时电路。用户占用时，声明业务质量：最大通信速率、平均通信速率及时延要求等；ATM按照业
8、务质量来提供虚电路，并对不按业务质量要求的用户进行制裁。,ATM交换概述,ATM的基本概念三、ATM信元传送处理基本原则6虚通路和虚信道虚信道：单向传递ATM信元的逻辑通道。虚通路：一组VC传送ATM信元的路径。VP链路：具有相同VPI的信元所占有的子信道。通过VP交叉连接设备或VP交换设备串联构成VPC。VC链路：具有相同VCI的信元所占有的子信道。通过VC交叉连接设备或VC交换设备串联构成VCC。,ATM交换概述,ATM的基本概念四、ATM技术的特点(1)进一步简化了功能。(2)定长信元比可变长的控制与交换更易用硬件实现，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，
9、保证了网络上的信息可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。,ATM交换概述,ATM的基本概念四、ATM技术的特点(4)信头功能降低。由于ATM网络中链路的功能变得非常有限，所以信头变得异常简单，依靠信头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)支持一切现有通信业务及未来的新业务；有效利用网络资源；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；保证现有及未来各种网络应用的性能指标等特点。,第6章 ATM交换,6.1 ATM交换概述6.2 ATM交换原理及交换系统6.3 ATM
10、协议分层结构6.4 ATM网络信令6.5 流量控制与拥塞控制,ATM交换原理及交换系统,宽带业务对于交换机的要求不同业务对信元丢失率、误码率、时延抖动等服务参数有不同要求。1多速率交换须支持从一般工业控制的几十bit/s到几kbit/s和视频通信的几Mbit/s到几十Mbit/s的速率交换。ATM端口和用户端口的基本接入速率155.520Mbit/s可满足这一要求。ATM首要任务：快速（分组交换的缺点）和高效（电路交换的缺点）地实现多速率交换。,ATM交换原理及交换系统,宽带业务对于交换机的要求2多点交换在提供原有电路交换中点对点连接方式的基础上，宽带网络还必须能提供点到多点的广播/组播连接功
11、能。要求ATM交换机中可实现将一条入线的信元输出到多条出线上的操作，而不是简单地要求用户通过申请多个连接完成多点通信。,ATM交换原理及交换系统,宽带业务对于交换机的要求3多媒体业务支持网络中允许接入不同形式的业务，如语音、数据、静止图像、活动视频或者它们的某种组合。每种媒体在带宽、延迟、信号失真度等方面有不同的 要求。(1)信元丢失/信元误插入率由ATM交换中的竞争会导致信元丢失。信元丢失率应限制在10-810-11内。交换机内部路由选择出错会导致信元误插入。信元误插入率应保持在比信元丢失率低10-3左右。,ATM交换原理及交换系统,宽带业务对于交换机的要求3多媒体业务支持(2)交换时延交换
12、机完成ATM信元交换的时延，在信息端到端传输时延中占极大比重(由于光的传播速度，信元在信道中传输时延是有限的，网络内部延时主要发生在交换机内部的交换延时)。要求交换单元在路由选择、信元缓冲上采取优良算法和实施技术。,ATM交换原理及交换系统,宽带业务对于交换机的要求3多媒体业务支持(3)连接阻塞ATM网络采用面向连接方式，但交换机内部并非采用面向连接方式。在ATM交换机入出线间没有足够资源保证所有现有和新的连接服务质量时，系统就发生连接阻塞。尽量扩大ATM交换机入线和出线规模，同时设计内部无阻塞的交换设备。,ATM交换原理及交换系统,ATM交换原理ATM交换系统具有多条入线和多条出线，且每一线
13、路上采取统计时分复用方式通过信元传输多路通信信息，每路信息占用一逻辑信道，利用信头中的VPI/VCI来标识。ATM交换原理：利用交换系统中所有的路由翻译表，将任一入线上任一逻辑信道上的信元映射交换到任一出线上的任一逻辑信道中去，完成信元在入线和出线间的时间和空间交换。空间交换是明显的，用于实现将任一入线上的信元交换到任一出线上去，而时间交换是通过信元头中的VPI/VCI值的翻译来完成。,ATM交换原理及交换系统,ATM交换原理,ATM交换原理及交换系统,ATM交换原理ATM交换网络还具有组播（multicast）、优先级控制等功能。优先级控制：保障发生竞争时，高优先级的信元首先被通过交换网络接
14、续出去，而低优先级的信元需要在缓冲器中暂时缓存，当竞争现象解除后再通过交换网络接续出去。组播：点到多点通信，利用此功能，可将一个信元复制为所需的多个信元，并令其从不同的逻辑信道上发送给不同的目的端。,ATM交换原理及交换系统,ATM交换系统硬件组成由ATM交换网络、接口及处理机控制部件组成。,ATM交换原理及交换系统,ATM交换系统硬件组成ATM交换网络交换系统入线和出线间信息传输的接续部分。根据具体需求可支持点到点，也可支持点到多点（即支持组播），并还可望支持多点到点以及多点到多点连接接续。典型的ATM交换网络：共享存储器、共享总线等基于时分结构的交换网络Crossbar网络、Banyan网
15、、缓冲Banyan网等单通路的基于空分结构的交换网络排序-banyan网、多链路Banyan网、多平面Banyan网、Benes网、Clos网等多通路的基于空分结构的交换网络。,ATM交换原理及交换系统,ATM交换系统硬件组成接口从面向的对象来看，可划分为两大类：用户线和交换系统之间用户线的接口，称为UNI接口；面向相邻交换机之间中继线的接口，称为NNI接口。处理机控制部件用于控制整个ATM交换系统的运行，包括呼叫接续控制、业务流管理等等。采取多处理机架构，各处理机间既可采用功能分担方式，也可采用负荷分担方式。通常两种分工方式被结合使用。与数字程控交换系统很类似。,ATM交换原理及交换系统,A
16、TM交换系统功能结构组成功能结构包括：输入模块（IM）、输出模块（OM）、信元交换结构（CSF）模块、接入允许控制(CAC)模块、系统管理（SM）模块等功能模块。,ATM交换原理及交换系统,ATM交换系统功能结构组成1、IM模块接收输入信号，抽取信元流；为信元流准备通过CSF的路由选择。需要处理光电信号转换、数字比特流恢复、信元描述、丢弃发送方插入的空闲信元等诸多功能。需要处理信元头部差错检查、VPI/VCI值的有效性确定及翻译、交换系统输出端口确定、信令信元与接入允许路由选择的排序、管理信元和系统管理路由选择的排序、内部标识符的加入、一般流量控制、各VPC/VCC的UPC/NPC控制、话务量配置等诸多功能。,ATM交换原理及交换系统,ATM交换系统功能结构组成1、IM模块,ATM交换原理及交换系统,ATM交换系统功能结构组成2、OM模块负责执行许多与IM模块相反的功能，为信元在物理链路上的输出做好准备。所涉及的功能包括：内部标识符的提取与处理、VPI/VCI翻译、HEC字段的产生及将其封装进信元头部、信令信元/管理信元/用户数据信元的混合、填充空闲信元、光电信号转换等功能。,
