ATM 交换

1. ATM交换 • 主要内容： • ATM概念的引入 • ATM的协议参考模型 • ATM交换网络 • 有关ATM的性能分析方法举例 • ATM技术的发展与应用

2. 一、ATM概念的引入 ATM技术的产生和发展背景 电信产业和计算机产业正在经历着迅速的发展，现代通信网络和通信手段已使人们进入了一个信息化的社会，反过来人们的信息化活动又对电信网络和信息服务方式提出了进一步的要求并产生重大的影响。 人们为了更自由地交流和节约出差费用，自觉地选择了可视电话和会议电视通信手段。先进的电子信息传递方式（如EDI）正在改变着整个世界的通信面貌。分布式图形处理和网络计算以及远程协同环境也对现有的通信网络提出了挑战。不断涌现的新业务和高速网络交替地发展，螺旋式上升。半导体集成电路技术、智能化计算机技术和光纤传输技术不断进步。所有这些都在引发着通信史上的一场革命。

3. 一、ATM概念的引入 ATM技术的产生和发展背景（续） 长期以来电路交换（circuit switching）和分组交换（packet switching）分别以两个独立的网络实体为人们提供两类性质不同的电信业务，即实时话音（voice）和非实时数据（data）业务。但随着信息活动的丰富，人们（信息的使用者）越来越迫切需求通信网络把话音、数据和图像结合起来并以一种统一的接入方式提供综合的多媒体服务。

4. 一、ATM概念的引入 通信界和计算机界在多媒体综合服务的竞争

5. 业务名称 速率（bit／s） 报警／监控系统计算机终端应用数字化电话编码S0接口S1接口S2接口或图像电话块文件传送处理机总线彩色电视FDDI互连HDTV超高清晰度的图像业务HIPP1接口 4256k16～64k144k1536k2M8～32M16～64M34M100M140M（未压缩）512M800～1600M 一、ATM概念的引入 典型的业务速率

6. 一、ATM概念的引入 业务的大体分类

7. 一、ATM概念的引入 VBR业务的比特率随时间波动

8. 业务 E[s（t）] （平均速率） B（突发度） 话音交互式数据块数据标准质量图像高清晰度电视高质量视频电话 32kbit/s1～100kbit/s1～100kbit/s1.5～15Mbit/s15～50Mbit/s0.2～2Mbit/s 2101～102～31～25 一、ATM概念的引入 业务的平均速率及其突发度

9. 一、ATM概念的引入 电路交换与分组交换的困惑出路 同步的电路交换处理强突发性业务遇到许多困难。同样，传统的分组交换难以保证话音和电视图像业务的实时性。为了克服这些局限性，人们从80年代中期开始研究一种新的网络体制，这种网络体制能够提供高于PCM一次群速率的传输信道，能够适应全部现有和将来可能的业务，从速率最低的遥控遥测到超高清晰度电视（S-HDTV），都以同样方式在网络中传送和交换，并共享网络资源。

10. 一、ATM概念的引入 曾经考虑过的通信网的传递方式 ATM因综合了电路交换的简单性和分组交换的灵活性，而被CCITT（ITU-T）于1990年选为宽带ISDN （Broadband ISDN）的交换方式。

11. 一、ATM概念的引入 各种交换技术比较

12. 一、ATM概念的引入 ATM与电路交换、分组交换的关系

13. 二、ATM的协议参考模型 ATM的协议参考模型

14. 二、ATM的协议参考模型 各层的功能 ATM的协议参考模型中定义了3层： 1、物理层：主要任务是物理线路编码和信息传输； CS(传输会聚子层):实现物理层会聚协议，通过物理链路接收数据，确认传输是否正确。 PM(物理介质子层):主要完成物理介质的选择、位定时和线路编码等功能。 2、ATM层：是ATM参考模型的核心，网络的许多的特征和功能均由ATM层实现。 3、AAL(ATM适配层)：与特定的服务类别相关，主要完成高层信息与ATM信元的映射、装拆。又分为分段重组子层SAR和会聚子层CS（包括特定业务会聚子层SSCS和公共部分会聚子层CPCS）。

15. 二、ATM的协议参考模型 各面的功能 ATM协议参考模型由三个面组成，分别是用户面、控制面和管理面，是对高层功能的抽象。 • 用户面：提供终端用户信息的传送，完成相应的控制（如：Flow Control，Error Control） • 控制面：提供呼叫与连接的信令控制功能， • 管理面：提供两种管理功能： • 面管理：完成了与整个系统有关的管理功能，并实现所有面之间的协调； • 层管理：实现网络资源和协议参数的管理，并处理操作维护（OAM）信息流。

16. 二、ATM的协议参考模型 OSI协议模型与ATM参考模型的对应关系

17. 二、ATM的协议参考模型 ATM协议参考模型中各层的功能

18. 二、ATM的协议参考模型 ATM信元统计复用

19. 二、ATM的协议参考模型 ATM信元结构

20. 二、ATM的协议参考模型 ATM信元结构(续) GFC(通用流控):有助于ATM完成流控，消除网络中的短期过载现象，具体实现可参见ITU-T I.150标准。注意它仅用于UNI，不能控制网络中的流量。与其他域不存在关联，没有单独控制VC、VP的功能。对其GFC协议要求主要有以下： 1、能确保各用户按所分配的网络带宽传输信息：对CBR和有明确要求的VBR非常重要。 2、对剩余空闲带宽按照一定原则分配：如平均分配、比例分配。 3、应有相应的优先级机制支持不同延迟的信息传输和延迟请求。 4、对本域的信息差错应有一定的健壮性

21. 二、ATM的协议参考模型 ATM信元结构(续) 1、VPI:由于ATM信元头仅有5字节，因此不可能把全部信息放入信元头中，所以用标识符来替代具体地址。 2、在UNI中，VPI占8位，可标识256条虚路径；在NNI中，VPI占12位，可标识4096条虚路径。 3、ATM论坛规定：VPI从第2字节的第5位开始连续分配；VPI=0为网络管理功能预留。

22. 二、ATM的协议参考模型 ATM信元结构(续) 1、VCI:用于标识ATM虚通道，占16位，最大可标识65,536条虚通道。 2、VCI和VPI一起使用，可标识ATM的虚连接。在UNI中，可标识16,777,216(216X28)条连接；在NNI中，可标识65,536X4096 (216X212)条连接。 3、ATM论坛规定：VCI从第4字节的第5位开始连续分配；VCI=0~15为ATM管理功能，16作过度本地管理接口（ILMI），17~31作其它预留。

23. 二、ATM的协议参考模型 ATM信元结构(续) 1、VC和VP的关系：是嵌套性的，VP中包含VC，多个VC组成一个VP。易混淆，注意书上对其相关术语的解释！(P332) 2、ATM采用两级标识方式，为什么？有什么好处？（P330） 简化网络结构：即是把网络传输功能分为VCC和VPC相关的两类分别处理。 提高了网络性能和可靠性：即网络可以处理更少的、且相对集中的实体。 减少建立连接的处理次数，并缩短了建立时间：在已有的VPC上建立一新的VCC，处理非常简单。 增强了网络服务：基于VPC，用户可以定义闭合的用户组，由一组闭合的虚通道可以构建VPN。

24. 二、ATM的协议参考模型 ATM信元结构(续) • 负载类型（Payload）:用于指明信元的负荷是用户信息，还是网络控制信息。若是前者ATM层剥去信元头，上交给AAL层；若为后者，则启动相应的管理功能进行处理。 • 该域可指示的类型有： • 用户信元或管理信元； • 0类信元或1类信元（截止信元）； • 网络拥塞指示等。

25. 二、ATM的协议参考模型 ATM信元结构(续) 信元丢弃优先级（CLP）:指示在发生拥塞时，信元被丢弃优先级，CLP=0为高优先级。通常对于CBR和rt-VBR业务应给予高优先级。 注意：然而对于信令连接，CLP不起作用，都同等对待。 头部差错控制（HEC）:采用8位CRC编码方式，用于检测信元头部错误，不检测负荷域。HEC由物理层处理，具体参见ITU-T I.432。 注意：信元每经过一次处理（交换或传输），都必须重新计算HEC，因为处理后，信元头都会发生变化，例如：GFC、VPI/VCI、PT等。

26. 二、ATM的协议参考模型 HEC的生成过程 头部差错控制(HEC)的定义为：五字节信元头中的HEC域置全零所得的序列除以序列多项式： 得到的余数。生成多项式可以用0/1表示，如前一个式子即为串“1 0000 0111”。 例子：一个信元：VPI=7,VCI=11,PTI=0,CLP=1,GFC=0,那么信元头的前四个字节是：0000 0000（GFC=0000） 0111 0000（VPI=0000） 0000 0000 1011 0001（VCI=11,PTI=0,CLP=0） 所以得被除序列为：0000 0000 0111 0000 0000 0000 1011 0001 0000 0000 其余数序列为：0111 1001

27. 二、ATM的协议参考模型 AAL业务分类

28. 三、ATM交换网络 ATM交换的连接形式 ——VP、VC、物理链路和物理层之间的关系

29. 三、ATM交换网络 ATM交换的连接形式 ——ATM VP交换

30. 三、ATM交换网络 ATM交换的连接形式 ——ATM VC和VP交换

31. 三、ATM交换网络 ATM信元交换 路由表 交换单元 m 1 1 l N n k N 路由选择、信头翻译和信元排队是ATM交换的三项最基本的功能

32. 三、ATM交换网络 ATM交换的基本原理 ATM交换的基本任务就是将任意入线上的任一逻辑信道中的信元交换到所要求的任一出线上的任一逻辑信道上去。这里交换需完成两项工作：一是空间“线路”交换，即将信元从一条输入线改送到另一条输出线上去，这一功能又叫做路由选择；另一个功能是时间“位置”交换，即将信元从一个时隙改换到另一时隙（注意：这里的时隙与电路交换中所用的时隙概念不同，它是一个53byte信元所占用的时间单位）。 ATM交换中的逻辑信道和时隙之间并没有固定的对应关系，时隙周期性预分配的概念已经消失，逻辑信道号由信头值来标志，因此时间交换是通过对信头翻译来完成的。 由于信元异步复用，所以可能会出现在同一时刻多条输入线上的信元要求去往同一条输出线，为了不使在发生竞争时发生信元丢失，交换机应设置缓冲器，供信元排队。

33. 三、ATM交换网络 对ATM交换的要求 ATM网络必须能够传送各种各样的信息，信元的速率可以从几kbit／s到几百Mbit／s，有的为恒定比特率，有的为可变比特率，并且不同业务对语义透明性（信元丢失、误比特率）和时间透明性（时延、时延抖动）的要求也各不相同。为了适合所有的业务，ATM交换必须满足以下要求： ①信息速率 ——首先，ATM交换机必须能够交换多种信息速率的业务；其次ATM交换机所能处理的峰值业务速率应能达到15OMbit／s（或620Mbit／s）。在交换机内部可以采用并行线的方法，降低内部操作的速率，或多条150Mbit／s的输入线被复用到一条链路上，从而产生更高的内部操作速率（可达Gbit／s）。 ——

34. 三、ATM交换网络 对ATM交换的要求(续) ②能够提供广播／多播通信： 将同一信号源的信号传送到多个或所有的目的地，因此要求ATM交换网络具有可“拷贝”（Copy）的功能。 ③连接阻塞 ——对ATM交换机构，即使不发生多条入线同时要去往同一出线，也会因内部资源不足而发生内部阻塞。内部阻塞的概率取决于交换机构的结构、配置和交换方式，设计时应使内部阻塞概率尽量地减小。

35. 三、ATM交换网络 对ATM交换的要求(续) ——④信元丢失／信元误插率 ——在交换机构内部，当排队的信元数超出队更的长度时，便产生信元丢失。信元丢失的概率必须被保持在一个有限的范围内以保证较高的语义透明性，典型值为10-8～10-11。 ——在交换机构内部也可能会由于错选路由而导致ATM信元误插，信元误插的概率典型地要比信元丢失率小1000倍。 ⑤交换时延和抖动 ——典型地，ATM交换时延为10μ～1000μs，抖动应小于几百微秒。

36. 三、ATM交换网络 对ATM交换的要求(续) ⑥吞吐量（Throughput） ——ATM交换机的吞吐量被定义为交换端口数N与端口速率V的乘积，例如一个8×8的每端口155.520Mbit／s的ATM交换机具有约1.2Gbit／s的吞吐量。用户将根据其应用规模和具体应用要求选用具有不同吞吐量的交换机。

37. 三、ATM交换网络 基于缓存的ATM交换结构分类 根据信元在交换模块中的缓冲策略不同，交换结构中的信元排队分为四类： 1、输入排队： 输入排队是在交换机构的入口处给每条入线配置一个专用的缓存来存储输入信元，其调度方法可以很简单（如轮流服务），也可以很复杂（如根据输入队列的长度来选择优先者）。 ——输入排队方法的缺点是存在队头阻塞。事实上，当一个队列的队头信元在没有接到放行命令时，其后面的所有信元都必须在队列中等待，即使它们的目的地是空闲的出线。这种情况显然是不合理的。理论上已计算出输入排队系统可达到的最大负荷是58.6％，基于输入排队原理的交换单元具有很有限的功能。

38. 三、ATM交换网络 基于缓存的ATM交换结构分类（续） 2、输出排队 输出排队是在交换机构的每条出线上设置缓存，使同时到达某一出线的各个信元在输出队列中排队，但是前提条件是交换网络必须以N倍于输入线的速率操作，同样输出队列的写入速率也应是读出速率的N倍，以保证不发生信元丢失。交换网络中不需要复杂的调度，输出队列基于先进先出（FIFO）的原则，这样能保证信元正确的排队顺序。

39. 三、ATM交换网络 基于缓存的ATM交换结构分类（续） 3、中央排队 中央排队方法是在交换单元的中央设置一队列缓冲器，由所有的入线和出线共享，由中央控制逻辑把去往不同目的地的信元挑选出来并分发到相应的出线。该方法所需的缓冲队列长度较短，可以大大减少所需存储器的容量。不过要求中央存储器的访问速率特别高，系统控制复杂。 4、矩阵交叉节点排队 它是在传统的交叉开关矩阵的每个节点上设置缓存，当到达节点的信元发生竞争时，未被服务的信元暂时存储在缓存。如果多个队列的信元要去往同一出线，则由调度机构决定哪一个信元先被服务。这种方法所需的队列数目较多，并且不能实现缓冲器共享，但每一队列的长度较短。

40. 三、ATM交换网络 基于缓存的ATM交换结构分类（续） ——四种排队方法的特性比较

41. 三、ATM交换网络 基于网络拓扑的ATM交换结构分类 从交换网络的拓扑结构划分，ATM交换又分为： 1、共享媒体：它又分为总线型和环型两种：总线型的例子有NEC的ATOM，PRiSM实验室的BSS以及Knockout结构等；环型的有NTT的ATMR，IBM的MetaRing等。 2、共享存储器：例子有Prelude结构，Hitchachi Starlite结构和DSunshine结构等。 3、空分网络：例子有Batcher-Banyan多级互连网络。

42. 三、ATM交换网络 多级互连网络形式的交换结构 ——一般地，大容量的交换需要由许多交换单元按照一定的拓扑结构组合而成，形成多级互连网络形式的交换结构。该有两个需要解决的问题：一个出线上发生碰撞；另一个交换网络内部阻塞。对前一个问题呆以在交换机构的出线处添加输出队列来解决；对第二个问题可以采用以下几项措施来解决： ——（1）在交换网络中每个基本交换单元内设置缓冲器； ——（2）提高内部链路的速率； ——（3）在交换节点之间采用反压（Backpressure）机制以延缓阻塞信元的发送； ——（4）在入线和出线之间使用多个并行网络（多个平面）来提供多条内部通路； ——（5）在交换节点之间提供多条内部链路。

43. 三、ATM交换网络 几种典型的ATM交换网络介绍 ——为了使同学们对ATM交换网络有更深入的了解，下面介绍几类具体的交换网络： 1、基于共享总线的BSS交换网络； 2、基于共享存储器结构的Roxanne交换单元和交换网络 3、自选路由的空分多级互连网络的Batcher-Banyan交换结构，。

44. 三、ATM交换网络 几种典型的ATM交换网络介绍（续） ——BSS交换结构 ——BSS（Bus Structure Switching）是法国电信研究所的研究人员C.Fayet等提出的一种共享总线型交换结构，其基本原理如下图：

45. 三、ATM交换网络 几种典型的ATM交换网络介绍（续） ——Roxanne交换单元和交换网络 由Alcatel研究学者Henrion于1990年提出的。 Roxanne交换单元ISE的组成

46. 三、ATM交换网络 几种典型的ATM交换网络介绍（续） ——Batcher-Banyan多级互连网络 它是一类特殊的空分型多级互连交换网络，其交换网络不存在内部信元丢失。通过给信元在输入端加上路由标签，信元在交换网络内完全自选路由。由两个网络组成，前一个叫Batcher网（排序网），后一个叫Banyan网（自选路由网），两个网之间通过混洗交换方式互连。

47. 四、有关ATM的性能分析方法举例 ATM流量控制方案 ATM流量控制方案从原理上可分为两类：反馈式（PREVENTIVE）控制和预防式（REACTIVE）控制。 1、反馈式控制的思想是：当网络某区域发生拥塞时，将拥塞情况反馈给业务的源端，源端根据一定的算法修改其发送速率，以减轻拥塞情况。 2、预防式控制：则是在网络没有发生阻塞之前对通信中实际的业务流量进行监测，当某些参数超过预定值时，对用户的业务量调整以符合用户网络的流量控制。 具体的方法有：用户参数和网络参数UPC/NPC、业务整形、信元速率适配、优先级控制、漏桶法（LEAKY BUCKET）、窗口及信用证控制、网络资源管理、连接接入控制CAC等等。

48. 四、有关ATM的性能分析方法举例 ATM性能分析模型 1、排队模型：(单服务员队列、多服务员队列) 服务员 离去 到达 服务规则 等待队列 2、ATM信元模型:(on-off模型、自相似模型)

49. 五、ATM技术的发展与应用 ATM技术与IP技术的发展 • 1、ATM技术起源于八十年代后期，成熟于九十年代中期：由ITU－T针对电信网支持宽带多媒体业务而提出的。经过近十年的研究，ATM技术已基本成熟： • 一方面由ITU－T和ATM论坛制定的相关的国际标准基本齐全； • 另一方面多个电信设备厂商和计算机网络设备厂商推出了商用化的ATM设备。 • 再则，ATM网络的建设也得到了长足的发展，全世界许多网络（公用网或专用网）都已安装并使用了ATM网路设备。 • 2、但与此同时，IP技术也得到迅猛发展：IP技术与以太网技术的无缝结合使得ATM到桌面应用的市场前景十分暗淡，而且，IP技术还在广域网领域积极扩展，实现了与SDH／WDM技术相结合的应用，大有取代ATM而成为将来宽带通信网核心技术的势头。 • 3、IP技术成功的关键是其概念、方法与思想，例如其层次结构的包容性与开放性，以及简单、实用、有效的原则。 它是互联网的核心，对高层协议而言，就是通过统一的IP协议层（第三层）屏蔽了各种低层协议和物理网络技术（如X．25、DDN、以太网、令牌环、帧中继、ATM、SDH、WDM）的差异，实现了 “IP over everything”的目标。其另一个目标是实现“everything on IP”，其中的“everything”是指所有业务，包括数据、图像和话音等，这些业务既有实时的，也有非实时的。 其发展前景相当看好！

50. 五、ATM技术的发展与应用 IP技术真会取代ATM技术，而一统天下吗？ 目前有人认为：随着IP技术和互联网的发展，未来的电信网将由IP技术一统天下，而ATM技术将退出历史舞台。其实只要仔细分析和研究IP技术和ATM技术各自的特点，就不难发现这种观点是片面的。为什么？ 1、对于网络（电信网或计算机网）建设而言，它的发展是不会随着新技术的出现而发生突变（革命）的，而只能是逐步演进。现有电信网已形成的资源十分庞大，不可能一夜消失。 2、现有的IP网络虽然通过采用新技术（例如：IP over SDH或IP over WDM），在一定程度解决了传送带宽的瓶颈问题，但仍然还是传统的路由器加专线的组网方式，存在逐跳寻址与转发等问题，不能保证服务质量（QoS）和信息安全。 3、ATM技术所具有的端到端QoS保证、完善的流量控制和拥塞控制、灵活的动态带宽分配与管理、支持多业务，以及技术综合能力等方面的优势，目前仍是IP技术所不及的。 4、有一点是肯定的，世上没有一种万能的技术。由于IP与ATM都是基于分组（包）交换的技术，而且都有各自的优势，因此，在电信网与互联网融合与演变的过程中都将发挥作用。目前IP技术的优势在于提供统一的数据应用平台，而ATM技术的优势在于提供统一的网络平台。