V2 第6章 面向連接的快速分組交換

教學大綱要求：1.基本要求（1）掌握ATM的基本概念、ATM的工作原理。（2）了解ATM的協議參考模型。（3）了解ATM交換網絡的結構及基本原理。2.

重點、難點重點：ATM工作原理，協議參考模型。難點：ATM交換機制。3.

說明以講述ATM交換技術為主，適當介紹相關協議。第6章面向連接的快速分組交換1快速分組交換異步轉移模式ATM的工作原理和交換網絡結構。

關于“面向連接的快速分組交換”

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產生背景(1)80年代中期，國外發(fā)達國家數字程控電話交換機廣泛采用，電話普及率達到較高的程度。結論是：電話業(yè)務趨于飽和，發(fā)展曲線相對平穩(wěn)。(2)對非電話業(yè)務的要求逐步提高，如用戶電報、數據通信、傳真、圖像等，相對來講更調整的業(yè)務還有：可視電話，會議電視等。(3)當時(80年代初、中期)網絡現狀是：電話網與各專業(yè)網并存(4)人們要求對已有的業(yè)務進行綜合(5)未來通信業(yè)務的多樣化以及人們對新業(yè)務的需求是不可預見的。結論：導致了ISDN的產生。ISDN4N-ISDN“窄帶綜合業(yè)務數字網”(N－ISDN)，是以電話線為基礎發(fā)展起來的，可以在一條普通電話線上提供語音、數據、圖象等綜合性業(yè)務，提供經濟、高速、多功能、覆蓋范圍廣、接入簡單的通信手段。ISDNB-ISDN“寬帶綜合業(yè)務數字網（B-ISDN）”，是指用戶線上的傳輸速率在2Mbit/s以上的ISDN。它是在窄帶綜合業(yè)務數字網（N-ISDN）的基礎上發(fā)展起來的數字通信網絡，其核心技術是采用ATM（異步轉移模式）。6.1.1快速分組交換56.1快速分組交換與異步轉移模式傳輸媒質傳輸速率傳輸誤碼率網絡性能瓶頸傳統(tǒng)分組交換銅線-同軸電纜-雙絞線電纜幾十kbps10-4~10-6傳輸鏈路快速分組交換光纖幾Gbps<10-9節(jié)點交換機快速分組交換的基本設計思想6快速分組交換的基本設計思想是簡化分組交換機的協議處理，將復雜性推向網絡邊緣，也就端系統(tǒng)。具體實現措施如下：簡化協議，取消鏈路層的差錯控制和流量控制。采用硬件實現分組轉發(fā)和并行處理技術。采用固定長度的小分組。采用面向連接的分組交換方式。76.1.2異步轉移模式

ATM技術以分組傳送模式為基礎并融合了電路傳送模式的優(yōu)點發(fā)展而來，兼具分組傳送模式和電路傳送模式的優(yōu)點。

ATM主要技術特點：采用異步時分復用方式；采用了固定長度的信元并簡化了信頭功能；采用面向連接的工作方式；采用端到端差錯控制和流量控制。6.1.3ATM的網絡組成8圖6-1ATM網絡的組成及接口6.1.3ATM的網絡組成9

節(jié)點和鏈路

端點

發(fā)送或接收信元的源站和目的站

中繼節(jié)點

網絡接口

用戶網絡接口（UNI）

網絡節(jié)點接口（NNI）106.2ATM網工作原理

6.2.1ATM信元結構

ATM信元是一種固定長度的小分組，其標準長度為53字節(jié)。由5個字節(jié)的標頭域和48字節(jié)的載荷域組成。載荷標頭GFCVPIVCIPTHECVPIVCIPTHEC5484816381638121CLPUNINNI字節(jié)bitbit11

GFC(GenericFlowControl)：一般流量控制，長度為4bit，通常置為0。用于接入的流量控制。

VPI(VirtualPathIdentifier):虛通道標識，VPI字段在UNI接口上為8比特，在NNI接口上為12比特。

VCI(VirtualChannelIdentifier):虛信道標識，是一個長度為16比特的字段。PT(PayloadType)：載荷類型，表示48字節(jié)的信息段所承載的信息類型，3比特的字段，可以指示8種ATM信元凈荷類型。ATM信元結構（續(xù)）13CLP（CellLossPriority）：信元丟棄優(yōu)先權，只有1個比特，CLP=0表示信元具有高優(yōu)先級，CLP=1表示信元具有低優(yōu)先級，當網絡發(fā)生擁塞時，首先丟棄CLP=1的信元。HEC（HeaderErrorControl）：信頭差錯控制，共8比特，代表一個多項式，用來檢驗信頭在傳輸中是否出錯。ATM信元結構（續(xù)）146.2.2ATM邏輯連接的建立與釋放

ATM采用面向連接的快速分組交換。在用戶信息開始傳送之前，要先建立端到端的虛電路。

ATM的虛電路分為兩個級別：

虛通道(VirtualPath,VP)

虛通道標示符VPI

虛信道(VirtualChannel,VC)虛信道標示符VCI156.2.2ATM邏輯連接的建立與釋放

VP鏈路由VPI標示。

VC鏈路用VPI+VCI標識。結論：VPI和VCI不是端到端虛通道和虛通路的標識符，VPI和VCI只具有局部意義。16ATM邏輯連接的建立與釋放AUNIUNINNINNIXYATM網絡連接建立SETUPCALLPROCEEDINGALERTINGCONNECTCONNECTACKSETUPCALLPROCEEDINGALERTINGCONNECTCONNECTACK雙方通信連接釋放RELEASERELEASECOMPLETERELEASERELEASECOMPLETEtB17矛盾設端點A與端點B通信，它們之間建立了一條邏輯連接。端點A必須給新建立的連接指派一個虛通路標識符VCI，然而端點B可能同時接收其他一些端點發(fā)來的信元，這些端點都是獨立地選擇自己的VCI值。（）這樣，端點B很可能收到來自不同端點的但具有相同VCI的信元，結果使端點B無法確定這些信元的源端點。為了解決上述矛盾，最簡單的方法就是使所有的VCI只在每一段物理鏈路上具有唯一的值。當信元在一條虛通路上傳送時，每經過一段鏈路，VCI值都可以改變。6.2.3虛通路標識符和虛通道標識符的轉換

1814234134232117352655AXYZB入端口入VPI出端口出VPI417235入端口入VPI出端口出VPI435326入端口入VPI出端口出VPI426255ATM網絡上述VCI值的分配和轉換方法有兩個好處。第一:使網絡具有良好的可擴展性，因為給某一條虛鏈路分配一個VCI值并不需要網絡的全局信息。第二:使VCI值只具有局部意義可大大增加全網可分配的VCI值數目。19VCI/VPI向北京方向（用VPI=1標識）的3個通信，兩個是數據通信，一個是電話通信（分別用VCI=4、5、6標識）向廣州方向（用VPI=2標識）的2個通信，一個是視頻通信，一個是電話通信（分別用VCI=5、6標識）20VPC/VCCVPC（虛通道連接）和VCC（虛信道連接）

VCC（VirtualChannelConnection）是VCC端點之間的VC級端到端的連接，由多條VC鏈路串接而成，VCI（虛信道標識）用來識別一條VC。

VPC（VirtualPathConnection）是VPC端點之間的VP級端到端的連接，由多條VP鏈路串接而成，VPI（虛通道標識）用來識別一條VP。

VCC端點（VCCEndpoint）是VCC的起點和終點，是ATM層及其上層交換信元凈荷的地方，也就是信息產生的源點和被傳送的目的點。VPC端點（VPCendpoint）是VPC的起點和終點，是VCI產生，變換或終止的地方。21VPC/VCC虛信道連接（VCC）虛通道連接（VPC）VC鏈路VC鏈路VC鏈路VCIXVCIyVCIZVP鏈路VP鏈路VP鏈路VPIXVPIyVPIZ22ATM交換機對VPI/VCI的轉換VP交換和VC交換

VP交換是指僅變換VPI值而不改變VCI值的交換，即只進行虛通道的交換，虛通道里面的虛信道并不進行交換。23

VC交換是指VPI值與VCI值都要進行改變的交換。因為虛信道是按照虛通道來劃分的，當虛信道交換時，其所屬的虛通道也要進行交換，即虛通道和虛信道都要進行交換。ATM交換機對VPI/VCI的轉換246.3ATM協議參考模型物理層ATM層ATM適配層AAL高層高層控制面用戶面管理面面管理層管理CSSARTCPMD6.3.1協議參考模型的層面結構B-ISDN協議參考模型

B-ISDN協議參考模型由3個平面組成：用戶面、控制面、管理面用戶面（UserPlane）： 負責用戶信息的傳送及相關控制，采用分層結構。控制面（ControlPlane）： 提供尋址、路由選擇和呼叫連接控制的相關功能，主要涉及信令功能，也采用分層結構。管理面（ManagementPlane）： 提供面管理與層管理兩種管理功能。面管理實現與整個系統(tǒng)有關的管理功能，并完成各個面之間的協調功能；層管理實現各層網絡資源與協議參數的管理，并處理各層中的操作與維護（OAM）信息流，面管理不分層，層管理是分層的。25B-ISDN協議參考模型B-ISDN協議參考模型的分層結構含有4層，從下到上為：物理層、ATM層、ATM適配層（AAL：ATMAdaptationLayer）和高層。物理層主要用來完成傳輸信息的功能；ATM層主要完成交換、選路和復用的功能；ATM適配層負責將高層業(yè)務信息或信令信息適配成ATM流；高層是指根據不同的業(yè)務特點所完成的高層功能或信令的高層處理。2627ATM協議參考模型下面三層功能一般流量控制、信頭產生/提取信元VPI/VCI翻譯、信元復用和分路信元速率解耦、HEC產生/驗證信元定界、傳輸幀適配傳輸幀產生/恢復AALCSSARATM層TCPMD比特定時、物理媒質匯聚分段與重組物理層6.3.2物理層

負責通過物理媒體正確、有效地傳送信元。物理層可進一步劃分為2個子層：物理媒體子層（PMD—PhysicalMediumDependentsublayer）傳輸會聚子層（TC－TransmissionConvergencesublayer）。物理媒體相關子層(PMD:PhysicalMediumDependentsublayer)

功能：提供與傳輸媒體有關的機械和電氣接口，正確地發(fā)送和接收數據比特，負責線路編碼、比特定時等功能。28傳輸匯聚子層（TC）傳輸匯聚子層（TC）的功能：①傳輸幀的產生/恢復與適配 在發(fā)送端要將信元流封裝成適合傳輸系統(tǒng)要求的幀結構送到PMD子層，在接收端則將PMD子層送來的比特流（傳輸幀）恢復成信元流；并在信元流與傳輸幀轉換時完成格式的適配。②信頭差錯控制（HEC:HeaderErrorControl） 信元的信頭中含有控制選路及其他的重要信息，必須對信頭信息進行差錯控制。為此，對信頭前４個字節(jié)作循環(huán)冗余校驗（CRC）。在發(fā)送端是按CRC算法生成１字節(jié)的HEC碼，在接收端按同樣算法進行檢驗。29傳輸匯聚子層（TC）（續(xù)）③信元定界和擾碼 信元定界（Celldelineation）是用一定的方法來識別信元的邊界。為防止信元的信息段出現偽HEC碼而影響正確的定界，可對信息段進行擾碼(scrambling)操作，在接收端再以相反的操作進行解擾（descrambling）。 30信元定界狀態(tài)圖6.3.3ATM層

ATM層的主要功能是負責信元的交換、選路和復用。信元的復用與交換 端點主要完成復用功能，包括發(fā)送端的復接和接收端的分接功能。 中繼節(jié)點主要完成交換功能。對信元標頭進行處理 發(fā)送端點要產生信元標頭的前4個字節(jié)，第5字節(jié)HEC由TC子層加入。 交換機提取識別信元標頭，并且要在更換VPI/VCI值后再生信元標頭。 接收端點要在識別信元標頭之后，根據VPI/VCI值，將48字節(jié)的載荷域分送給相應的上一層(AAL層)實體。316.3.4ATM適配層(AAL)

AAL的功能 主要功能是將高層業(yè)務信息或信令信息適配成ATM信元流。它是ATM層與高層應用（包括用戶面、控制面和管理面）之間的適配層，并支持高層與ATM層之間的適配：將高層的協議數據單元（PDU）映射到ATM信元的信息段或反之。AAL實體與對等層的AAL實體之間要交換信息，以實現AAL的功能。

AAL的業(yè)務分類

AAL的功能和規(guī)程與業(yè)務有關，不同的業(yè)務需要不同的AAL規(guī)程。為了減少AAL規(guī)程的數量，將業(yè)務按照以下３個特性進行分類： ①源與終點之間的定時關系：需要或不需要(同步)； ②比特率：固定或可變； ③連接方式：面向連接或無連接。32AAL類型 為了適應不同業(yè)務類型的需要，ITU-T定義了４類AAL：AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5。

AAL1規(guī)程用于支持Ａ類業(yè)務。

AAL2規(guī)程用于支持Ｂ類業(yè)務，適用于時延敏感的低速、可變長度的短分組的傳送。

AAL3與AAL4原來是分開的，后來合并為一類：AAL3/4，用來支持C/D兩類業(yè)務，即包括面向連接與無連接的數據業(yè)務。

AAL5可以看成是簡化的AAL3/4，用來支持面向連接的C類業(yè)務（如幀中繼），傳送大的數據分組時效率較高，ATM網絡信令也采用AAL5。3334AAL向高層提供的四種服務服務類別A類B類C類D類AAL類型AAL1,AAL5AAL2,AAL5AAL3/4,AAL5AAL3/4,AAL5比特率恒定可變同步需要不需要連接方式面向連接無連接應用舉例64kbit/s話音變比特率圖像面向連接數據無連接數據 四種AAL類型中，應用最多的是AAL5和AAL1.前者能以最小的開銷實現數據業(yè)務和各種控制信令的適配；后者主要用于恒定比特率業(yè)務的適配。 AAL的基本結構（續(xù)）

AAL的功能可以分為兩個邏輯子層：匯聚子層（CS：ConvergenceSublayer） 匯聚子層的主要功能是在AAL業(yè)務接入點（SAP）對高層提供AAL的服務，其具體功能與業(yè)務類型有關。分段和重組子層（SAR：SegmentationAndReassembly）

分段和重組子層可簡稱為拆裝子層，其主要功能是將高層信息進行分割，以適合于裝入ATM信元的信息段，或者反之。 不同的CS和SAR的組合，可得到不同的業(yè)務適配功能。按照不同業(yè)務類型的需要，CS還可以進一步劃分為子層。35高層：則相當于各種業(yè)務的應用層或信令的高層處理。36B-ISDN376.4ATM交換網絡的結構及基本原理交換網絡(SwitchingFabric)：主要功能是中繼轉發(fā)，即實現信元從輸入端口到輸出端口的轉移。輸入輸出接口：包括UNI和NNI兩種接口，要實現物理層和ATM層的功能。交換控制器：主要完成信令適配層和信令高層的功能，包括信令的收發(fā)和處理，實現連接控制，包括即時的呼叫連接控制和永久、半永久連接的控制。

ATM交換機由內部交換網絡、輸入輸出接口和交換控制器三部分組成。交換控制器1NN1……輸入輸出ATM交換機的基本工作過程從輸入端口接收比特流、提取有效信元、識別信元標頭；根據信元的VPI/VCI值查找路由表，得到信元的輸出端口號、新的VPI/VCI值及其他內容，形成交換機內部信元；38根據路由標簽Tag，將信元轉移到相應的輸出端口；在輸出端口刪除Tag，更換信元標頭，發(fā)送到輸出鏈路上。路由標簽53字節(jié)標準信元輸出端口號時延優(yōu)先級流量控制參數……11字節(jié)64字節(jié)內部信元ATM交換機的基本工作過程39輸入端口號輸入信元VPI/VCI值輸出端口號新的VPI/VCI值其他（流量參數、時延優(yōu)先級等）1A2B1CND2A2E2C1CND1FNANDATM交換路由表ATM交換機的基本工作過程問題：交換路由表的內容是如何形成的呢？40對于永久、半永久連接，路由表項是網絡管理實體根據用戶的預訂預先確定的；對于即時連接，路由表項是在呼叫建立連接階段根據信令處理的結果確定的。6.4.1交換網絡的功能及分類

交換網絡應提供良好的性能，以保證所需的服務質量，與服務有關的主要參數是信元丟失率、時延和時延抖動。在ATM交換網絡的設計中，還要考慮連通性和吞吐率。連通性用連接阻塞率衡量。吞吐率定義為交換網絡的每個輸出端口平均每個時隙所傳送的信元數。

交換網絡的基本功能：根據路由標簽實現信元的轉移，也就是將內部信元從任意的輸入端口轉移到指定的一個或多個輸出端口。411.ATM交換網絡的分類

ATM交換網絡可以從不同的方面進行分類。本節(jié)主要從時分與空分、單路徑與多路徑、單級與多級、阻塞與無阻塞等方面作概念性說明。42

ATM交換網絡的結構可分為時分和空分兩大類。就交換體制而言，ATM交換屬于異步時分交換；但就ATM交換機的設備而言，其交換網絡的結構可以是時分的，也可以是空分的?？辗纸Y構實現的交換仍然是時分交換。時分交換網絡的基本特征是所有輸入和輸出端口共享單一的高速通道?？辗纸粨Q網絡的基本特征是可以在多對輸入端口和輸出端口間同時并行地轉移信元。1.ATM交換網絡的分類(續(xù))43ATM交換結構時分空分共享存儲器共享媒體單通路多通路總線型環(huán)型基于crossbar基于banyan擴展banyan復份banyanBenesClos緩沖型無緩沖型矩陣型全互連型44單路徑的兩種典型結構：基于Crossbar的結構基于Banyan的結構

Crossbar源于縱橫制電路交換機中的縱橫接線器，是一種開關節(jié)點矩陣，其特點是交換結構的復雜度隨N2而增長，N為入出端口數。Crossbar結構又分為矩陣型和全互連型，Banyan結構又分為內部緩沖型和內部無緩沖型。多路徑具有多種結構，如Clos和Benes結構。1.ATM交換網絡的分類(續(xù))45單級結構和多級結構Crossbar結構是典型的單級結構單一的共享總線或共享存儲器的時分交換模塊也屬于單級結構多級結構通常稱為多級互聯網絡，由分為若干級的多個交換單元以一定的拓撲結構互連而成?？辗值腂anyan單路徑結構和各種多路徑結構都屬于多級結構。Se可以采用基于Crossbar的結構，也可以采用時分結構ATM交換網絡的阻塞分為內部阻塞和輸出沖突兩種情況。兩個或兩個以上的信元在傳送過程中要同時占用某一公用資源稱為競爭或沖突。內部競爭是指兩個或多個信元同時爭搶交換網絡的同一內部鏈路或緩沖器，輸出沖突是指兩個或多個信元同時爭搶同一輸出端口1.ATM交換網絡的分類(續(xù))46ATM交換網絡應實現信元的選路和排隊功能。選路單路徑網絡不存在選路問題，交換機內部信元的路由標簽只需指明輸出端口號即可。多路徑網絡對應每一連接需采用一定的方法從多條空閑路徑中選擇一條路徑。路由標簽除了指明輸出端口號以外，還需指明從輸入到輸出所經過的中間鏈路或指明第一級和所有中間級交換單元的輸出端口號。排隊排隊是解決內部阻塞和輸出沖突的有效辦法。按照緩存器的位置，可以分為輸入排隊、輸出排隊和內部排隊2.ATM交換網絡的功能47

ATM交換網絡還應具備多播功能和優(yōu)先級控制功能。多播多播就是要通過交換網絡將一個端口輸入的某些信元傳送到多個目的端口。優(yōu)先級控制優(yōu)先級控制就是要根據信元的丟失優(yōu)先級和時延優(yōu)先級的高低來決定是否優(yōu)先傳送。2.ATM交換網絡的功能（續(xù)）6.4.2ATM時分交換網絡1.共享存儲器結構采用共享存儲器結構的N*N交換網絡由復接器、共享存儲器和分接器組成。從各個輸入端口到達的內部信元通過復接器形成單一的輸入信元流，然后寫入共享存儲器。48存儲器復接分路12…N12…N共享存儲器結構49為了避免寫入和讀出發(fā)生沖突，在存儲器的高速輸入和輸出線路上采用同步時分復用技術。線路上構成周期性的傳輸幀結構，每幀除必要的幀頭標志以外，包含了N個時隙，每個時隙的長度均等于內部信元的長度，時隙號與端口號對應。這樣，在每一幀周期內，給每一個端口傳送一個信元的機會。共享存儲器要有足夠高的處理速度，以便與信元流的輸入速率相適配。處理時間包括識別路由標簽判定輸入信元應編入哪個輸出隊列的時間以及共享存儲器的存取時間。其中影響處理速度的主要是存儲器的存取時間6.4.2ATM時分交換網絡(續(xù))50FIFOFIFOFIFOAFAFAF12N12N……TD-BUSTD-BUS：時分總線AF：地址過濾器FIFO：先進先出存儲器共享總線結構6.4.2ATM時分交換網絡(續(xù))2.共享媒質結構與共享存儲器結構相似，共享媒質結構也是將所有輸入線上到達的信元同步地復用到公共的傳送媒體上（總線或環(huán)）。6.4.3基于Crossbar的交換結構1.開關矩陣型511234123412341234開關矩陣型交換網絡(a)(b)6.4.3基于Crossbar的交換結構2×2開關的兩種狀態(tài)：bar狀態(tài)和cross狀態(tài)。52縱向輸入橫向輸出縱向輸出橫向輸入bar狀態(tài)cross狀態(tài)2×2開關及其狀態(tài)6.4.3基于Crossbar的交換結構2.全互連型在每個輸入與每個輸出之間都有一條分離的路徑，對于N×N的交換結構，就有N2個路徑，因此又稱為N2分離路徑。53全互連型交換網絡……12N12N12NN21…6.4.4ATM多級交換網絡1.Banyan網絡

1973年提出，早先用于并行計算機系統(tǒng)中的互連，后用于分組交換。通常將由2×2的交換單元構成的單通路網絡稱為Banyan網絡。

Banyan網絡是基于樹型的拓撲結構，但每一個交換單元卻是基于crossbar的結構。2×2的交換單元也具有bar和cross兩種狀態(tài)。546.4.4ATM多級交換網絡(續(xù))558x8的3級Banyan網絡01234567012345676.4.4ATM多級交換網絡(續(xù))2.Clos網絡

Clos網絡屬于多路徑網絡?？捎糜陔娐方粨Q，也可用于快速分組交換。56Clos網基本結構1N/n1mn…1N/nmnmmnmnN/nmN/nN/nNN……6.4.5ATM交換網絡的信元緩存策略1.輸入緩存輸入緩沖是在交換結構的每條入線上設置緩沖器，通常遵循FIFO排隊規(guī)則。572424242412341234輸入緩存及HOL阻塞現象1.輸入緩存（續(xù)）①排頭阻塞現象輸入緩沖方式存在排頭阻塞現象，從而使得吞吐率降低。所謂排頭阻塞現象，是指在發(fā)生出線競爭時，排列在競爭中失敗的信元（處于排頭位置）之后的去向空閑出線的信元也不能傳送的現象。②減少FIFO阻塞現象，提高吞吐率的方法

輸入緩沖器采用FIRO規(guī)則排頭阻塞現象阻塞是由于FIFO規(guī)則引起，為此可采用按序進入隨機取出（FIRO:FirstInRandomOut）的服務規(guī)則。當某個輸入隊列的排頭信元在出線競爭中失敗，可以依次再取出排列在其后的信元參與對其他輸出端口的競爭。多重輸入緩沖方式多重輸入緩沖方式是在每條入線設置多個FIFO隊列，每個隊列對應于1個輸出端口。58591→11→NN→1N→N………