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1、输入模块输入模块交换机构(CSF)输出模块输出模块1N1N连接允许控制(CAC)系统管理(SM) 8.6.1 ATM交换机的组成结构交换机的组成结构8.6 ATM交换机的基本组成结构交换机的基本组成结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构ATM交换机由5大功能模块组成:n1.输入模块(IM)n2.输出模块(OM)n3.交换机构(CSF)n4.接续容许控制(CAC)n5.系统管理(SM)现代交换原理ATM交换机的基本组成结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构1. 输入侧输入侧： 接收输入信元，输入侧接口设备的主要功能为：物理层功能：p 光电信号的转换与同步（若采用SDH/SONET物理接口
2、）p 数字比特流的恢复p 信元定界和差错控制p 信元速率解耦（丢弃空闲信元）p 净荷的解扰现代交换原理ATM交换机的基本组成结构ATM层主要功能：p VPI/VCI值的有效性检查及翻译p 信头差错检查p 输出端口的确定p 区分信令信元、用户信元和OAM信元并作相应的处理现代交换原理ATM交换机的基本组成结构n入线模块对输入线路上的信息流进行信元定界、信元有效性检验和信元类型分类。n输入线路上的信息流实际上是符合物理层接口信息格式的比特流。n入线模块首先要将这些比特流分解成长度为53字节的信元，然后再检测信元的有效性，将空闲信元、未分配信元及信头出错的信元丢弃，最后根据有效信元信头中的PTI标志
3、，将OAM信元交呼叫处理控制模块处理，其它用户信息信元送交换模块进行交换。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构2.输出侧：输出侧： 执行与输入侧相反的功能，输出侧比输入侧较为简单，主要功能是为ATM信元流的物理传输作准备。其主要功能包括： p HEC域的产生并装入信头p 信令信元、OAM信元和用户信元流的混和输出p 信元速率匹配（加入空闲信元）p 传输帧的形成p 光电信号转换现代交换原理ATM交换机的基本组成结构 出线模块完成与入线处理模块相反的处理，主要是将交换模块输出的信元流、控制模块输出的OAM信元流以及相应的信令信元流复合，形成送往出线的特定形式的比特流，并完成信息信元流速率和线路传
4、输速率的适配。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构呼叫接纳控制呼叫接纳控制(CAC)过程过程当用户向网络提出连接申请时，要给网络提交所申请连接的业务流量参数。网络根据当前资源和建立该连接所需要的资源进行决策。如果网络的当前资源能满足该连接申请的需求，则接受该连接申请，分配所需网络资源，并在用户和网络之间建立流量合约(解释)。否则，拒绝该连接申请。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构 呼叫接纳控制(CAC)是ATM特有的。在电路交换中，呼叫的带宽是固定的，如64 kb/s, 只要从发端到终端选择一条通路，该呼叫即允许
5、。但在ATM中，每次呼叫的带宽不固定，呼叫接纳不仅与业务量参数有关，而且还决定于服务质量。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构CAC控制示意图现代交换原理ATM交换机的基本组成结构 服务质量参数包括信元丢失率(CLR)、信元传递时延(CTD)、信元时延抖动(CDV)、信元错插率、误码率等。信元丢失率信元丢失率为丢失信元与发送信元的比率。信元传递时延信元传递时延包括线路传送时延、编码和解码时延、分段和重装时延、ATM节点处理时延(包括交换、排队、路由等时延)。信元时延抖动信元时延抖动指信元聚结的程度，表示实际信元间隔与标准信元间隔的接近程度。信元错插率信元错插率指错插信元与时间间隔的比率。误码
6、率误码率表示传递比特的出错概率。1) 服务质量参数服务质量参数现代交换原理ATM交换机的基本组成结构 ATM网络中规定了几种基本的业务流量参数，网络根据这些参数对各种类型的业务分配带宽并进行拥塞控制。 包括峰值信元速率(PCR)、信元延时变化容限(CDVT)、可持续的信元速率(SCR)、突发容限(BT)等。 峰值信元速率峰值信元速率表示在ATM连接上能够发送的信息速率的上限，用发送相邻两个信元的最小时间间隔的倒数表示。 信元延时变化容限信元延时变化容限是表示终端生成信元后，在UNI上容许该信元传递时间间隔变化的范围参数。这种时延变化是由物理层的开销和用户网络接口处的复用设备造成的。2) 业务流
7、量参数业务流量参数现代交换原理ATM交换机的基本组成结构可持续的信元速率可持续的信元速率是可变比特率类业务应用参数，它表示在ATM连接上得到保证的平均速率的上限。平均速率平均速率指发送的信元数与连接时间的比值。在统计复用时，用大于可持续的信元速率而小于峰值信元速率的速率传送信元，可使业务得到保证。 突发容限突发容限也是可变比特率业务的参数，对应于最大突发长度。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构CAC是交换机中的软件功能，它负责决定是否接受一个呼叫请求。n呼叫请求中定义了业务源流量参数和所要求的QoS类别。nCAC在 PVC建立时间或SVC呼叫产生时间决定是否接受呼叫请求。n如果网络在接受某
8、一请求时能确保所有已存在的连接QoS不受影响，则CAC接受该呼叫请求。nCAC可以逐节点受理请求，也可以利用集中系统进行。n对于接受的请求，CAC确定UPC/NPC参数、路由和资源分配。n分配的资源包括中继线带宽、缓冲器空间和交换机内部资源。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构n使用参数控制使用参数控制 使用参数控制分为两种: 用户使用参数控制(UPC)， 网络参数控制(NPC)。用户使用参数控制用户使用参数控制是指在用户接入点(UNI)上对来自用户的信元流进行监测和控制；如果网络对来自另一网络的信元流在NNI上进行监控，则称之为网络参数控制网络参数控制。现代交换原理ATM交换机的基本组成结
9、构UPC/NPC的主要目的在于通过监测和控制业务流量确保带宽和缓冲器等资源根据其流量合同(用户和网络之间的双重承诺)在用户中合理分配。如果没有UPC/NPC，网络资源就会被无意地或恶意地过量占用，以至影响到其它已建立的ATM连接的业务质量。UPC要控制ATM连接所递交的业务量，以保证商定的流量合同得以遵守，n其目标是由用户产生的超过流量合同规定的业务量永远不能接入网络。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构nUPC首先要对用户递交的信元流进行认证测试，以确定信元流是否遵守流量合同，n从而激发信元级别的适当动作：当用户信元流遵守流量合同时，使信元通过(及允许接入网络)，当UPC与流量成形(tra
10、ffic shapping)结合时还可以进行信元间隔空间重排；n而当用户信元流违反合同时，可对违约信元进行标记(即对CLP为0的信元进行操作，使其CLP为1)或直接将违约信元丢弃。n当用户信元流违约时，甚至还会导致连接级别的动作，即将连接释放。n是否选用这一功能将由网络运营者决定现代交换原理ATM交换机的基本组成结构网络资源一般是指系统的带宽、缓存器容量以及CPU的处理能力等。网络资源管理包括对系统带宽的分配、缓存器划分以及CPU的调度等。在程控电话交换中，每次呼叫带宽是固定的，64 kb/s。在分组交换中，当会话连接建立后带宽也是固定的。在ATM中，一次呼叫或某一类业务所需带宽的多少与该呼叫
11、或业务的业务量参数和所要求的服务质量有关。 网络资源管理网络资源管理现代交换原理ATM交换机的基本组成结构 目前有两种方法可进行动态带宽管理和缓存器的快速资源管理，一种是带宽预留，另外一种是缓冲器预留。 快速带宽预留就是在突发业务信息发送前，请求端到端路由过程中的每个节点上预留带宽。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构 呼叫处理控制模块完成VCC、VPC的建立和拆除，并对ATM交换模块进行控制，处理和发送OAM信元，发送信令信元，保证用户/网络的操作顺利进行。 交换单元模块完成交换动作的控制，将某输入线上的信元交换到某输出线上。 拥塞控制和资源管理模块对网络资源和网络拥塞进行控制和管理。现代
12、交换原理ATM交换机的基本组成结构ATM交换结构时分空分共享存储器共享媒体单通路多通路总线型环型基于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 ATM交换结构交换结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构ATM交换单元的结构交换单元的结构 ATM交换单元能够实现任意出、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能够被交换到任一出线上的任一逻辑信道中去。分为三类：共享存储器结构共享媒体(总线或者环形)结构空分交换结构 现代交换原理ATM交换机的基本组成结构1.共享存储器共享存储器： 存储器为所
13、有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，在存储器内部划分为若干个队列，每个队列对应于一个输出端口，在写入时，应按照各个信元的目的端口写入相应的队列，在写入的同时，按顺序从各个输出队列读出队首的信元而形成输出的信元流，经分路后传送到各个输出端口。存储器复用分路12N12N共享存储器结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构存储器为所有的输入端口和输出端口共用，每一条输入线配置有一个输入控制器，每一条输出线配置有一个输出控制器。共享存储器结构共享存储器结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构 存储器的分配有固定分配和动态分配两种方式。固定
14、分配固定分配就是将整个存储区划分为存储单元数相等的N个存储块，每一个存储单元存储一个信元，每一个存储块为某一条输出线服务。这种方式控制管理简单。动态分配动态分配方式就是将整个存储区为所有输出线共用，这样可以使存储器得到充分利用，但控制管理复杂。 共享存储器结构受到处理时间、存储器读写时间和存储器容量的限制。 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。因此，它对存储器访问速度的要求比较高。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。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构2共享媒体结构共享媒体结构 媒介可以是总线形总线形或
15、者环形环形。 每条入线都连接到媒介上，每条出线则通过输出缓冲器和地址过滤器连接到媒介上。总线包括地址总线、数据总线和控制总线。对于总线式结构的总线式结构的ATM交换单元交换单元，由于所有输入线在某一时刻的信元都必须交换到相应的输出线上，也就是在同一时间，所有输入线上的信息都要发送到总线上，这就要求总线的信息传输速率是输入线信息传输速率之和，否则会造成信元的较大延时。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构共享媒体：共享媒体： 与共享存储器结构相似，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）。FIFOFIFOFIFOAFAFAF12N12NTD-BUSTD-B
16、US：时分总线AF：地址过滤器FIFO：先进先出存储器共享总线结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构共享媒介的交换结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构 共享媒介结构的吞吐量受到时分总线速率和队列缓冲器容量的限制。 共享总线的速率限制成为交换结构的瓶颈，限制了容量的扩大。采用多总线或多环的并行结构，可以降低速率要求。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构3空分交换结构空分交换结构 空分交换结构是一种矩阵式交换结构。 多条入线和多条出线分别连接到空分交换矩阵。 在空分交换矩阵入线和出线的交叉点处相当于有一个开关，通常这些开关是触点开关或电子开关。 N路输入线和N路输出线之间有N2个开关节
17、点，只要适当控制这些开关接通或断开，即可在任一入线和出线之间构成通路。 当入线、出线数目增加时，交换矩阵的节点数呈平方级增长，这将使控制结构复杂化。 当交换容量增大时，一般采用多个交换矩阵级连的方式。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构空分交换结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构2）ATM交换结构的缓冲策略：交换结构的缓冲策略： 缓冲策略或称为排队策略，是ATM交换结构设计中的重要问题，它分为外部缓冲方式和内部缓冲方式：外部缓冲外部缓冲： 外部缓冲是指缓冲器不是设置在交换结构的内部，而是设置在交换结构的外部。外部缓冲主要有输入缓冲、输出缓冲、输入与输出缓冲、环回缓冲等四种方式。1）输入
18、缓冲： 输入缓冲是在交换结构的每条入线上设置缓冲器，通常遵循FIFO排队规则。交换结构1N1N输入缓冲现代交换原理ATM交换机的基本组成结构排头阻塞现象 输入缓冲方式存在排头阻塞现象，从而使得吞吐率降低。所谓排头阻塞现象，是指在发生出线竞争时，排列在竞争中失败的信元（处于排头位置）之后的去向空闲出线的信元也不能传送的现象。减少FIFO阻塞现象，提高吞吐率的方法输入缓冲器采用输入缓冲器采用FIRO规则规则： 排头阻塞现象阻塞是由于FIFO规则引起，为此可采用按序进入随机取出（FIRO: First In Random Out）的服务规则。当某个输入队列的排头信元在出线竞争中失败，可以依次再取出排
19、列在其后的信元参与对其他输出端口的竞争。多重输入缓冲方式：多重输入缓冲方式： 多重输入缓冲方式是在每条入线设置多个FIFO队列，每个队列对应于1个输出端口。 现代交换原理ATM交换机的基本组成结构交换结构1N1N1N多重输入缓冲方式现代交换原理ATM交换机的基本组成结构2）输出缓冲： 输出缓冲是在每条出线上设置缓冲器。 为了解决出线竞争，一个理想的采用输出缓冲的无阻塞交换结构最好使得每个出端能够同时接收所有入端发来的信元。这就是说，当入线数为N，考虑到最不利情况，每个出端在一个时隙中最多应可接收N个信元。要做到这一点，就要提高处理速度和存储器的访问速度，于是引入了加速因子的概念。 加速因子等于
20、N时，完全消除了出线竞争，但对速率的要求较高。输出缓冲方式不存在排头阻塞现象，在合适的加速因子取值下，可以得到高吞吐率和良好的性能。交换结构1N1N输出缓冲现代交换原理ATM交换机的基本组成结构交换结构1N输入与输出缓冲1N2）输入与输出缓冲： 现代交换原理ATM交换机的基本组成结构4）环回缓冲： 环回缓冲是使竞争中失败的信元能通过环回缓冲器回送到入端，再与新到来的信元一起进行下一轮的竞争。 环回缓冲的交换结构可以具有较高的吞吐率和较低的信元丢失率，但交换结构要增加用于环回的端口，环回还会使得属于同一虚连接的信元失序，时延也较大。 交换结构1N环回缓冲1N现代交换原理ATM交换机的基本组成结构
21、内部缓冲内部缓冲： 内部缓冲是将缓冲器设置在交换结构的内部。 采用内部缓冲的多级有阻塞网络可以减少信元丢失，但是也有两个主要缺点：一个是增加了信元的时延和时延抖动；另一个是对于多通路网络，如果属于同一虚连接的信元在交换结构选用不同的通路（内部无连接选路），则会发生信元失序现象。 多级有阻塞结构中交换单元的缓冲方式有：输入缓冲、输出缓冲、交叉点缓冲和共享缓冲等方式。输入缓冲输出缓冲现代交换原理ATM交换机的基本组成结构交叉点缓冲共享缓冲3）ATM交换结构的选路方法 在每个信元到来时，如何引导信元通过交换结构而正确地传送到所需的出端，属于选路控制功能。在有内部阻塞的多级互联网络中，选路控制有两种方法：自选路由和表格控制选路。现代交换原理ATM交换机的基本组成结构现代交换原理ATM交换机的基本组成结构自选路由（self routing）是在每个到来的信元在进入交换网络之前加上选路标签，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息（翻译表）一般放在交换网络每个输入端口处。 现代交换原理ATM交换机的基本组成结构表格控制选路（table-control routing）的路由信息一般放在各个交换单元（SE）内部，各个SE按照自己的翻译表中的信息来完成选路。 现代交换原理ATM交换机的基本组成结构
