第七章ATM交换技术
本章教学基本要求：
1．了解ATM的定义及信元结构；
2．理解虚信道和虚通路；
3．理解ATM协议分层结构；
4．理解ATM交换的基本原理；
5．理解ATM连接的建立和清除；
6．掌握ATM交换机的组成；
7．掌握ATM交换结构。
本章教学主要内容：
一、ATM的基本概念
二、B-ISDN/ATM协议
三、ATM交换的基本原理
四、ATM交换机的组成
五、ATM交换结构
六、ATM连接建立和清除
一、ATM的基本概念
1．ATM的定义
ATM（Asynchronous Transfer Mode），即异步转移模式，被ITU-T定义为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式。术语“转移”包括了传输和交换两个方面，所以转移模式是指信息在网络中传输和交换的方式。“异步”是指在接续和用户中带宽的分配方式。因此，ATM就是在用户接入、传输和交换级综合处理各种通信量的技术。
2．ATM的信元结构
ATM信元的长度是固定的，而且信元的长度较小，只有53字节，分为信头和净荷两部分，信头为5个字节，净荷为48个字节。ATM信元的信头内容在用户-网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）中略有差别，如图7.1所示。(1)GFC：一般流量控制，4比特。仅用于UNI接口，用于控制ATM接续的业务流量，减少用户边出现的短期过载。只控制产生于用户终端方向的信息流量，而不控制网络方向的业务流量。
(2)VPI：虚通道标识，其中NNI为12比特，UNI为8比特。
(3)VCI：虚通路标识，16比特，标识虚通道内的虚通路，VCI与VPI的组合来标识一个虚连接。
(4)PTI：净荷类型指示，3比特，用来指示信元类型。
(5)CLP：信元丢失优先级，1比特。用于信元丢失级别的区别，CLP为1，表示该信元为低优先级，为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。
(6)HEC：信头差错控制，8比特，监测出有错误的信头，可以纠正信头中1比特的错误。HEC还被用于信元定界。
G F C
V P I V P I V C I
V C I
V C I P T I
CLP H E C
V P I V P I V C I V C I V C I
P T I CLP H E C
(b)NNI 格式
(a)UNI 格式
TE
8 7 6 5 4 3 2 1
bit
8 7 6 5 4 3 2 1
bit
1234
5
字
节
1
2345
图7.1 A TM 信元的信头格式
3．虚信道与虚通路
ATM 技术中最重要的特点就是信元的复用、交换和传输过程，均在虚信道（VC ）上进行。
(1)虚信道（VC ）与虚通路（VP ） ①VC
虚信道是ATM 网络链路端点之间的一种逻辑联系，是在两个或多个端点之间传送ATM 信元的通信通路，由VCI 标识，可用于用户到用户、用户到网络、网络到网络的信息转移。 ②VP
虚通路是在给定参考点上具有同一虚通道标识符的一组虚通路。虚通路在传输过程中，组合在一起构成虚通道，二者关系如图7.2所示。因此ATM 网络中不同用户的信元是在不同的VP 、VC 中传送的，而不同的VP/VC 则是利用各自的VP 标识（VPI ）和VC 标识（VCI ）进行区分。
VC
VC
图7.2 传输通道、虚通道VP 、虚通路VC 的关系
(2)虚信道连接（VCC ）与虚通路连接（VPC ）
虚信道连接（VCC）
VC链路VC链路VC链路
VCI VCI VCI
①VCC
VCC端点之间的VC级端到端的连接，由多条VC链路串接而成，VCI（虚信道标识）用来识别一条VC。
②VPC
VPC端点之间的VP级端到端的连接，由多条VP链路串接而成，VPI（虚通道标识）用来识别一条VP。
VCC端点是VCC的起点和终点，是ATM层及其上层交换信元净荷的地方，也就是信息产生的源点和被传送的目的点。VPC端点是VPC的起点和终点，是VCI产生，变换或终止的地方。
注意：VCI值改变时，支持它的VPI一定相应地变化；而VPI值改变时，其中的VCI不一定变化。换句话说，VP可以单独交换，而VC交换必然和VP交换一起进行。
(3)VC交换与VP交换
①VP交换
交换机将一条VP上所有的VC链路上的ATM信元全部转送到另一条VP，交换过程中不改变VCI值。如图7.4所示。
图7.4 VP交换
②VC交换
交换机在不同的虚通道VP和虚通路VC质检进行ATM信元交换，所有VPI/VCI在交换后都改为新值。如图7.5所示。
图
7.5 VC交换
二、B-ISDN/ATM协议
1．ATM协议参考模型
ITU-T I.321建议描述了基于ATM的B-ISDN的协议参考模型，如图7.6所示。它由面和层构成一个立体模型，面用来描述网络中可以支持的不同功能，层用来描述网络功能的实现模型。
图7.6 B-ISDN协议参考模型
(1)三个面的功能
①用户平面：传送用户信息，包括与业务相关的协议及数据、话音和视频信息。
②控制平面：传送信令信息，包括连接建立、拆除等功能。
③管理平面：维护网络和执行操作功能，其中层管理用于各层内部的管理，面管理用于各层之间管理信息的交互和管理。
(4)四个层的功能
①物理层：负责通过物理媒介正确、有效地传送信元。
②ATM层：主要负责信元的交换、选路和复用。
③AAL层：主要功能是将高层业务信息或信令信息适配成ATM信元。
④高层：负责各种业务的应用层或信令的高层处理。
2．物理层协议
物理层完成的主要功能分别是信元和传输系统比特流适配、实现媒体中传输信号定时和媒体特性有关的功能等，为此将物理层进一步分为传输会聚（TC）和物理媒体（PM）两个子层。TC子层执行的是和物理媒体相对无关的协议，向ATM层提供业务接入点SAP，而相应的PM子层和实际物理通信线路相关，执行物理层中和物理媒体有关的功能。
(1)物理媒体子层（PM）
PM子层提供比特流传输、定时和媒体的物理接入。
(2)传输会聚子层（TC）
TC子层主要完成传输帧适配、信元速率解耦、信元定界、HEC控制、扰码等功能。
①传输帧适配
传输帧适配是针对SDH/SONET、PDH等具有帧结构的传输系统而言的，在这些系统中传送ATM信元时，必须将ATM信元装入传输帧中。
②信元速率解耦
物理层中传输的信元包括未分配信元、分配信元和物理层的OAM操作信元，这三种信元组成的信元流可能小于物理媒体所允许的传输容量。这样，在输入端当信元递交给物理层中适配成相应传输结构时，系统插入空闲信元；在接收端则执行相反的操作。这种空闲信元插入和删除工作称为“信元解耦”。
③信元差错控制（HEC）
信头差错控制覆盖整个信头，所选8bit校验码能够纠正单比特错误和监测多比特错误。接收端有两种工作模式：单比特纠错模式和多比特检错模式，如图7.7所示。
图7.7 接收端HEC 工作方式
④信元定界
在一个比特流中界定各个信元的功能称为信元定界功能。信元定界方法是基于信头的前4个字节和HEC 的关系来设计的，即在比特流中连续的5个字节满足HEC 产生的算法，可以认为是某个信元的开始。具体的信元定界状态如图7.8所示。
搜索态
逐比特检查同步态
预同步态
连续收到a 个
不正确的HEC
收到不正确的HEC
收到正确的HEC
连续收到b 个正确的HEC
图7.8 信元定界状态图
信元定界算法中定义了三种不同的状态：捕捉态、预同步态和同步态。接收器开始工作时处于捕捉状态，这时接收器对收到的信号逐比特进行检查，搜寻正确的HEC 校验。在发现了一个正确的HEC 校验后，系统进入预同步态。在这种状态下，系统认为可以假定己经发现信元的边界，并按此边界找到下一个信头的HEC 校验。若能够连续发现b 次连续正确的HEC ，则系统进入同步态。若在此过程中发现一个HEC 校验的错误，系统则返回捕捉态。在同步状态下，系统逐信元进行HEC 检查，一旦连续a 次发现错误HEC 校验，系统认为丢失了信元的边界，因此重新回到捕捉态。
⑤扰码
为了增强HEC 信元定界的安全性，使信元的信息字段假冒信头的概率减至最小，需要通过扰码使信元流净荷字段中数据随机化。 3．ATM 层协议
ATM 层为ATM 适配层和物理层之间提供了接口，其主要功能是负责信元的交换、选路和复用。具体为
(1)信元的复用和分路，即在源端点负责对多个虚连接的信元进行复用和在目的
端点对接收的信元进行分路；
(2)虚通道识别符(VPI)和虚通路识别符(VCI)的翻译；
(3)负责在每个ATM节点上对信头进行标记/识别；
(4)负责ATM信头的产生和提取；
(5)负责在源端点产生信头(除HEC外)和在目的端点翻译信头。例如，在目的端点可以把VPI/VCI翻译成业务接入点(SAP)；
(6)支持用户网的ATM通信流量控制。
4．ATM适配层协议（AAL）
(1)AAL的功能
主要功能是将高层业务信息或信令信息适配成ATM信元流。它是ATM层与高层应用（包括用户面、控制面和管理面）之间的适配层，并支持高层与ATM 层之间的适配：将高层的协议数据单元（PDU）映射到ATM信元的信息段或反之。AAL实体与对等层的AAL实体之间要交换信息，以实现AAL的功能。(2)AAL的基本结构
AAL的功能可以分为两个逻辑子层：
①汇聚子层（CS：Convergence Sublayer）
汇聚子层的主要功能是在AAL业务接入点（SAP）对高层提供AAL的服务，其具体功能与业务类型有关。
②分段和重组子层（SAR：Segmentation And Reassembly）
分段和重组子层可简称为拆装子层，其主要功能是将高层信息进行分割，以适合于装入ATM信元的信息段，或者反之。
不同的CS和SAR的组合，可得到不同的业务适配功能。按照不同业务类型的需要，CS还可以进一步划分为子层。
(3)AAL的业务分类
AAL的功能和规程与业务有关，不同的业务需要不同的AAL规程。为了减少AAL规程的数量，将业务按照以下３个特性进行分类：
①源与终点之间的定时关系：需要或不需要；
②比特率：固定或可变；
③连接方式：面向连接或无连接。
表7.1 AAL的分类
(4)AAL类型
为了适应不同业务类型的需要，ITU-T定义了４类AAL：AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5。
①AAL1规程用于支持Ａ类业务。
②AAL2规程用于支持Ｂ类业务，适用于时延敏感的低速、可变长度的短分组的传送。
③AAL3与AAL4原来是分开的，后来合并为一类：AAL3/4，用来支持C/D 两类业务，即包括面向连接与无连接的数据业务。
④AAL5可以看成是简化的AAL3/4，用来支持面向连接的C类业务（如帧中继），传送大的数据分组时效率较高，ATM网络信令也采用AAL5。
5．高层协议
相当于各种业务的应用层或信令的高层处理。
三、ATM交换的基本原理
ATM交换是指ATM信元从输入端的逻辑信道到输出端的逻辑信道的消息传递。输出信道的确定是根据连接建立信令的要求在众多的输出信道中进行选择来完成的。ATM逻辑信道具有两个特征：物理端口（线路）编号和VP与VC标识符。为了提供交换功能，输入物理端口必须与输出物理端口相关联；输入VPI/VCI 与输出的VPI/VCI相关。
1．信元交换的过程
ATM交换系统执行三种基本功能：信头翻译、路由选择和排队
(1)信头翻译
信头翻译主要是指VPI/VCI值的变换，即入VPI/VCI变换为出VPI/VCI。VPI/VCI的变换体现了信元交换的重要概念，意味着入线上某逻辑信道中的信息被传送到出线上的另一逻辑信道中去。为了实现信头变换，应建立翻译表。(2)路由选择
路由选择表示任一入线的信息可被交换到任一出线，具有空间交换的特征。信头变换加上选路功能，才能实现ATM交换结构的交换功能。这也就是说，在翻译表中从入线的VPI/VCI应能查到出线号码以及新的VPI/VCI值。这些是在
连接建立阶段写入的。
(3)排队
由于是统计复用的异步时分交换，在连接建立后的传送信息阶段，经常会发生在同一时刻有多个信元争抢公用资源的情况，例如争抢出线或交换结构中的内部链路。因此，ATM交换系统需要有排队功能，以免在发生资源争抢时丢失信元。
2．举例说明
t 输入信元流
I
I
I
k k n
l j
1
2
n m g
输出信元流
输入链路信头值输出链路信头值
I1x
y
z
O
O
O
s s y x
1 n 2k m l
I N x
y
s O
O
O
n
j
g
g
1
2
n
图7.9 ATM交换的基本原理
通信前利用呼叫建立信令为每个呼叫分配逻辑信道，指定信头值为x、y、z 等，以及用户所在链路号存入路由表，同时将输出链路和分配的信头值存入对应表项。通信中，每个信元头部完全抵达后，检查无误则依据链路号和信头值通过硬件检索路由表，获得输出链路及新的信头值，控制交换机构将信元转交对应链路排队，插入新信头值后传送给下一站。
3．信元排队
ATM交换结构的基本排队机制有内部排队、输入排队、输出排队和环回排队。如图7.10所示。
1
N
内部排队
1
N
输出排队
1
N
输入排队
1
N
环回排队
(a)(b)(c)(d)
图7.10 基本排队方式
(1)内部排队
在交换机构内部设置缓存器队列，效率很高，但对存储器速率要求也很高，且存储器管理复杂。 (2)输出排队
输出排队是在每条出线上设置缓冲器，效率较高，同样对存储器速率也有较高要求很高。 (3)输入排队
输入排队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。 实现简单，会有信元延迟，交换机负荷能力较低。 (4)环回排队
综合改进结构，附加独立的环回队列缓存区，输出冲突的信元环回等下一信元周期再输出，吞吐率高，较低丢失率，但延时较大，交换结构复杂。
四、ATM 交换机的组成
ATM 交换机由四部分组成，即入线处理部件、出线处理部件、ATM 交换模块和ATM 控制单元，如图7.11所示。
图7.11 ATM交换机的组成
1．入线处理部件
入线处理部件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离。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。入线处理部件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，将OAM信元交控制模块处理，其他用户信元送交换模块进行交换。
2．出线处理部件
完成与入线处理部件相反的处理，即类似于信元如何从ATM层处理成适合于特定传输媒体的比特流形式，具体地说：将交换模块输出信息流、控制单元输出的OAM信元流以及相应的信令信元信息流复合，形成送往出线的信息流。3．控制模块
完成建立和拆除VCC和VPC，并对ATM交换单元进行控制。同时处理和发送OAM信息，使用户/网络的操作执行顺利进行。
4．交换模块
交换模块是整个交换机的核心模块，它提供了信元交换的通路，通过交换模块的两个基本功能（路由和缓存），将信元从一个端口交换到另一个端口上去，从一个VP/VC交换到另一个VP/VC。交换模块还完成一定的流量控制功能，主要是优先级控制和ABR业务的流量控制。作为实际执行交换动作的部件，其实现的好坏直接关系到交换机的效率和性能。
五、ATM交换结构
ATM交换结构，着重研究构成交换网络的交换单元之间信元传送结构及选
路方法，设法降低资源竞争，减少内部阻塞。实现结构可以分为时分交换和空分交换模式，如图7.12所示。其中时分交换模式包括共享总线、共享环和共享存储器结构。空分交换模式包括单通路网络和多通路网络，路由方式有自选路由和存储表选路方式。
图7.12 A TM 交换结构的分类
1．共享存储型
1
N
1N 22
图7.13 共享存储型交换结构
共享存储型交换结构如图7.13所示，核心是个RAM ，对应每个出口在RAM 中设置一个队列，各输入口信元流复接成一条高速信元流，根据输入信元VPI/VCI 查表写入相应队列缓存。输出时，在一个信元时隙依次从各个队列读取一个信元，按照路由表项填入VPI/VCI 并转送给相应输出端口。存储器为通用器件，代价低。属于无阻塞结构，信元丢失只发生在队列溢出时。存储控制较复杂。
2．共享总线型
ATM 交换结构
时分 空分
共享存储器
共享媒体
单通路
多通路
环型 扩展banyan
复份banyan
Benes
Clos
共享总线型交换结构如图7.14所示，各输入口信元串/并转换后被同步分时复接到一高速媒体上，如时分复用总线等。每个输出口也与高速媒体相连，利用地址过滤器(AF)将发往本端口的信元接收下来。
1
2
N
FIFO：先进先出缓存器
图7.14 共享总线型交换结构
共享总线型交换结构特点：
(1)结构简单，但吞吐量有限。时分总线传送速率是端口速率的N倍，总线速率受限于总线的电气特性，上限10G左右。
(2)易于实现广播和点到多点通信。
(3)适于各接口模块流量不均的情况，易于实现不同的服务等级和优先控制。
(4)无阻塞结构，信元丢失只限溢出，总线错误会影响到所有虚电路连接。
六、ATM连接建立和清除
图7.15表示ATM连接的建立和释放过程。
主叫侧的呼叫控制：
主叫用户在指配的信令虚信道中发送SETUP消息以启动呼叫的建立，其中包括所选定的呼叫参考值。在SETUP消息中，ATM业务流描述、宽带承载能力和QoS参数是必备的信息单元，此外还包括用于呼叫建立所需的全部或部分地址信息。
图7.15 A TM连接的建立和释放
网络侧收到SETUP消息后如果可以接受和处理这一呼叫，就发回CALL PROCEEDING消息，作为对SETUP消息的证实，并指示呼叫正被处理。在CALL PROCEEDING消息中包含的连接标识信息单元中，指明了网络侧所分配的VPCI/VCI值。这里用VPCI(虚通道连接标识)而非VPI，是由于信令虚信道可控制多个接口,VPCI相当于接口号和VPI；如只控制一个接口，则用户侧的VPCI 就等于VPI。
当已向被叫地址启动警示(例如电话呼叫的振铃)，网络向主叫用户发送ALERING消息；当被叫接受这一呼叫，网络向主叫用户发送CONNECT消息。主叫收到CONNECT消息，回送CONNECT ACKNOWLEDGE消息。至此，端到端的连接己建立，用户间可以开始通信。
任何一方都可以释放呼叫。图7.15表示主叫发送RELEASE消息，网络回送RELEASE COMPLETE，并向另一方传送释放消息。
被叫侧的呼叫控制：
呼叫建立可能通过多个交换节点的转接，最后由被叫UNI接口所在的网络侧向被叫用户发送SETUP消息，消息中含有呼叫参考值和VPCI/VCI值，这些值仅在被叫侧具有局部含义。被叫用户要根据SETUP消息中所包含的ATM业务流描述、宽带承载能力、QOS参数、AAL参数等信息单元的内容来进行一致性检验。如果被叫用户具备接受这次呼叫请求的能力，就向网络侧发送对SETUP 消息的响应：CALL PROCEEDING，ALERTING或CONNECT消息。被叫用户如果在对SETUP消息的响应时限内未能发送ALERTING或CONNECT消息，可以先行发送CALL PROCEEDING消息。如果不需要或有些规范不支持
ALERTING消息，也可以不发ALERTING而直接发CONNECT消息。网络收到CONNECT消息后，向被叫用户回送CONNECT ACKNOWLEDGE消息；主叫用户也将收到CONNECT消息。
通信完毕，被叫用户收到网络发来的RELEASE消息后，也回送RELEASE COMPLETE消息。