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第七章ATM交换技术1.基本要求：（1）掌握ATM网络结构、交换原理及协议参考模型；（2）掌握ATM交换结构及基本原理；（3）掌握交换结构中的信元缓存方法。2.重点、难点重点：面向连接的快速分组交换原理及交换结构；难点：虚通路、虚通道的概念，ATM交换原理及实现技术。3.说明：以讲述ATM交换技术为主，适当介绍相关协议。“面向连接的快速分组交换”本章讨论面向连接的快速分组交换，其典型例子是异步转移模式（ATM，AsynchronousTransferMode）。在介绍ATM网络的结构、工作原理和通信协议的基础上，着重讨论ATM交换的基本原理、交换网络的结构及控制机制。7.1快速分组交换与异步转移模式快速分组交换的基本设计思想是简化分组交换机的协议处理，将复杂性推向网络边缘，也就是推向端系统，使网络核心尽可能简单，加快分组交换的处理速度。7.1.1快速分组交换传统分组交换是20世纪60年代末至70年代初设计的。当时所用的传输媒质主要是铜线（同轴电缆和双绞线），传输速率低（每秒几十K比特），传输误码率高（10-4---10-6），网络性能的瓶颈是传输链路。基于软件实现的分组交换机是当时的设计趋势。经过多年的发展，主要传输媒质已变成光纤。网络性能的瓶颈不再是传输链路，而是节点交换机。这就驱使人们去研究快速分组交换技术。具体的实现快速分组交换的技术措施有：（1）简化协议，取消链路层差错和流量控制。（2）采用基于硬件实现的设计和并行处理。（3）采用固定长度的小分组（Mini-packet）。（4）采用面向连接的分组交换方式。无连接与面向连接在无连接分组交换过程中，每个分组都要有完整的目的地址，分组到达交换结点时，交换机要根据分组的目的地址计算或查找路由表，获得下一结点的地址，然后将分组转发到相应的输出端口。采用面向连接方式，在用户信息传送之前，先建立端到端的虚通路连接，在连接建立阶段实现复杂的路由计算功能，路由在连接建立阶段已经确定。在连接建立阶段，实现带宽等资源的分配，通过连接接纳控制可限制进网的业务量。对于话音、视频和批数据的传送，面向连接的交换方式是很适合的。7.1.2异步转移模式早在20世纪70年代就提出了综合业务数字网的构想。从1980年至1988年，CCITT（现ITU-T）大力研究窄带综合业务数字网（ISDN），并形成了标准，技术上逐渐成熟。上世纪80年代中期，ITU-T开始致力于研究宽带综合业务数字网（B-ISDN）,于1986年提出异步转移模式（ATM）。由于ATM具有一系列的优点，它很快被接受，并被ITU-T确定为B-ISDN的基础转移模式。光通信技术的发展加快了B-ISDN的前进步伐。ATM的含义及特点异步转移模式（ATM）术语中的“转移“，是从”Transfer”翻译过来的，包含传输（Transmission）和交换（Switching）两个方面，所以信息转移模式意指信息在网络中的传输和交换的方式。所谓“异步”是相对“同步”而言，指链路的传输及结点的交换都是基于异步时分复用技术。特点：（1）ATM采用异步时分复用，信道利用率高。（2）ATM采用快速分组交换，信息在网中以称为信元（Cell）的定长小分组为单位进行传输与交换。（3）ATM采用面向连接方式。ATM支持的业务分类主要应用范围：ATM复杂且价格较高，无连接的Internet发展非常快，快速以太网和千兆以太网推向市场，这就使得ATM目前主要的应用场合是作为Internet的高速骨干网。7.1.3ATM网络组成ATM网络由结点和链路组成，结点又分为端（结）点（Endpoint）和中继结点，在中继结点上设置ATM交换机。ATM端点就是在ATM网络中能够发送或接收信元的源站或目的站，它们可能是计算机或其他用户终端（如视频终端、数字电话终端等）。ATM端点通过接入链路与ATM交换机相连。ATM交换机就是一个快速分组交换机，其主要构件是交换网络（SwitchingFabric,又称交换结构）、若干个高速输入和输出端口，以及必要的缓冲区。7.2ATM网工作原理ATM网是一个面向连接的快速分组交换网，传送和交换的分组采用的是定长支持业务（带宽）（速率）（实时性）宽带业务窄带业务VBRCBR实时业务非实时业务模式，称为ATM信元。7.2.1ATM信元结构ATM信元是一种固定长度的小分组，其标准长度为53字节。它由5个字节的标头域和48字节的载荷域组成。信元标头包含着信元在ATM网络中转移所需的信息，主要是路由信息。信元标头含义·一般流量控制GFC：长度为4比特，一般为0。·虚通道标识VPI/虚通路标识VCI：提供路由信息，标识信元所属的虚通道（VP）/虚通路（VC）。·载荷类型PT（PayloadType）:用来区分该信元是用户信息信元或非用户信息信元。非用户信息信元包括OAM（运行维护和管理）信元和RM（资源管理）信元。·信元丢失优先级CLP（CellLossPriority）：此1bit字段用来指示信元的丢失优先级。·标头差错控制HEC（HeaderErrorControl）:此字段长度为8bit,提供覆盖信元标头所有字段的差错校验。VP/VC数量及优先级含义虚通道标识符VPI有两种长度：在UNI使用的VPI为8比特，在NNI使用的VPI为12比特。虚通路标识符VCI占16比特。因此在UNI的接入链路上最字节485标头载荷CLP8131684GFCVPIVCIPTHEC在UNI比特1216318VPIVCIPTHEC在NNI比特多可支持256个VP，在NNI的中继链路上最多可支持4096个VP，而每一个VP所包含的VC最多可达65535个。若CLP=0就表示该信元是一个高优先级信元，而CLP=1则表示该信元是一个低优先级信元。网络还可以将违反通信流量合约的那些信元的CLP从0改为1，这个过程称为“打标记”（tagging）。7.2.2ATM逻辑连接的建立与释放ATM采用面向连接的快速分组交换。虚电路连接的建立、维持和释放是ATM交换机的基本功能。两个端用户要进行通信，首先建立虚电路连接，然后在这个端到端连接的逻辑通路上以恒定的或可变的速率进行通信。通信完毕后再释放连接。与传统分组交换的虚电路相似，在ATM中使用的虚电路也是一种逻辑连接。虚通道和虚通路ATM的虚电路分为两个级别，分别是：虚通道VP（VirtualPath）和虚通路VC（VirtualChannel）。相应的逻辑连接分别称为虚通道连接VPC和虚通路连接VCC。一个端到端的连接一般由若干段串接而成，其中每一段称为链路。因此相应的有VP链路和VC链路，他们分别用VPI和VPI+VCI标识。VPI和VCI不是端到端虚通道和虚通路的标识符，而是VP链路和VC链路的标识符；一个端到端逻辑连接的各段逻辑链路的标识符一般是不相同的，VPI和VCI只具有局部意义。VC链路、VP链路与物理链路的关系一条物理链路包含多条VP（链路），每一VP（链路）又包含许多VC（链路）。VPI相同，VCI不同，标识不同的VC；VPI不同，VCI相同，也代表不同的VC。所以用VPI+VCI作为VC（链路）的标识符。VPVCVPVCVPVCVCVCVC传输线路VPVPVP信令标准逻辑连接的建立和释放是通过ATM信令系统实现的。ATM信令协议在UNI和NNI处是不同的。ATM论坛已制订出UNI3.1和UNI4.0信令规范，详细地规定了UNI点对点和点对多点配置的信令消息格式和整个的控制过程。ITU-T也制订了相应的UNI信令标准，如Q.2931和Q.2971.关于NNI信令，可采用ITU-T制定的七号信令系统的B-ISDN用户部分（B-ISUP）或ATM论坛的P-NNI信令。信令消息内容用于呼叫连接建立和释放的UNI信令消息（SignalingMessage）主要有7种。信令消息是通过信令虚通路来传送的。消息的内容包括呼叫参考值、消息类型、消息长度以及信息元素或参数（如被叫/主叫用户地址、连接标识VPI/VCI、用户信元速率、宽带承载能力和服务质量参数等）。一个连接可能要通过ATM网络中的多个交换机。各个消息的含义如下表所示。信令消息消息类型当终端发送时的意义当网络发送时的意义SETUP请求建立连接有一个呼叫到来CALLPROCEEDINC收到呼叫连接建立的请求正在进行处理ALERTING已开始提醒被叫用户被叫终端已开始提醒被叫用户CONNECT接受呼叫呼叫请求已被接受CONNECTACK对CONNECT消息的确认对CONNECT消息的确认RELEASE请求释放连接端点发出连接释放RELEASECOMPLETE对RELEASE的确认对RELEASE的确认，网络已释放信令的传送过程ATM网络呼叫建立、保持和释放过程7.2.3虚通路标识符和虚通道标识符的转换在ATM网络中，信元是在某一个特定的虚通路上按序传送的。ATM信元的标头至少要有一个虚通路标识符VCI，以便唯一地标识该信元属于哪一个虚通路。若ATM交换机收到一个信元，但其VCI与该交换机所知道的任何虚通路均无联系，则ATM交换机就丢弃此信元。那么，ATM信元是如何得到其VCI的？ATM网络中每个ATM交换机均有路由表。它是根据ATM网络的拓扑结构预先建立好的。路由表的更新由维护人员完成，类似于公用电话网PSTN。在呼叫建立阶段，ATM信令信元(UNI信令和NNI信令)在一个特定的虚通道(VPI=0，VCI=5)上传送，所有的ATM交换机都被配置成从这个虚信道接收信令信元。除了信令信元外，没有其它类型的数据信元通过该通道发送。每个ATM交换机都把所收到的信令信元递交给一个专门的信令处理模块进行处理，处理完之SETUPCALLPROCIAMIAAIAMIAASETUPCALLPROCALERTINGACMACMALERTINGCONNECTANMANMCONNECTCONNECTACK双方通信中RELEASERELEASECOMPLETECONNECTACKRELRLCRELRLCRELEASERELEASECOMPLETERELEASERELRELEASECOMPLETERLCRELRLCRELEASERELEASECOMPLETE主叫方先挂被叫方先挂用户B用户AATM交换机ATM交换机ATM交换机后，ATM交换机把该信令信元转发出去。在ATM网络中，VPI/VCI只在建立好的一段链路上有效，也就是说只具有局部意义。信令信元穿过ATM网络，从一个交换机到另外一个交换机，在信令所经过的每一个交换机中均建立VPI/VCI转发表，形成从源节点到目的节点的一系列VPI/VCI转发表，这些转发表构成了一条数据传输通路。数据传输通路建立起来以后，就可以传递用户数据。当用户数据以ATM信元方式进入ATM节点后，根据输入信元头部的VPI/VCI值，查找VPI/VCI转发表，将输入信元的VCI/VPI值改变为相应输出信元的VCI/VPI值，并控制交换网络将信元交换到对应的输出端口上，这就完成了高速数据交换。ATM网络路由选择结果示例前面介绍了VC相当于支流，VP相当于干流。在接入侧用VCI管理的粒度比较细，可以管理到每一个连接。在高速骨干网中，可能同时有成百上千万个连接，可能同时有几千个VC在使用同一个VP，用管理粒度比较粗的VPI进行管理，比用VCI进行管理无论从资源占用、管理复杂程度、软件设计等方面都容易得多。图为ATM网络路由选择结果示例。VPI/VCI用(X.Y)表示，符号“X.”用于骨干网内的ATM交换机上，表示它们仅仅查看VPI字段；符号“Y”则用于骨干网外的接入交换机上。ATM网络路由选择结果示例ATM交换机S1、S8为接入交换机，S2、S3、S4、S5、S6、S7为骨干网的核心交换机，建立好的一条虚连接为S1—S2—S3—S6—S7—S8，如图中粗黑线所示。ATM交换机S1到S2的端口1的VCI为89，S2查找转发表，输出端口为3，交换后的VPI/VCI为(187.42)；ATM交换机S2连接到S3的端口2，S3查找转发表，输出端口为8，交换后的VPI为57；交换机S3连接到S6