第7章 ATM交换.ppt

1、第7章 ATM交换技术,宋宝安 宁波大学信息科学与工程学院 2009-12-08,目录,7.1 ATM基础 7.2 ATM交换技术的特点 7.3 ATM交换的关键技术 7.4 ATM交换的应用,硬件系统的基本组成,承上启下： 交换(信号、分类)复用开关（交换单元）连接（连接函 数）网络(单级与多级交换网络区别)电路交换接口电路存 储程序控制分组交换和帧中继信令系统 设想一下，接 下来内容是什么？,什么是交换？,狭义上 交换就是负责把信息流从某个输入端口输入而从适当的输出端口输出，节点设备内部的硬件和软件系统通过一系列的具体控制（基于预定的存储程序流程控制）动作在其交换核心部分完成交换或者交叉连

2、接。 广义上 交换就是把源于某个节点的信息流，由若干节点构成的通信网内的相关节点共同配合协商（基于信令或者协议），确定出的一条到达最终接收点的传送路径，整个传送任务也是交换。数据通信网络中的路由技术就是交换。 交换不仅仅由某个节点独立完成，而是由通信网中的若干设备相互配合、共同实现的。 交换变得更灵活，也更复杂,7.1 ATM基础,7.1.1 ATM技术产生 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，即实时话音和非实时数据业务。但随着信息活动的丰富，人们越来越迫切需求通信网络把话

3、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。 人们从改进电路交换使其灵活适配不同速率业务以及改进分组交换满足实时性业务要求的角度出发，研究出了一种结合电路交换和分组交换两种技术优点的高速传递技术，即ATM交换技术。,7.1.2 ATM与传统交换方式的比较,传统的交换方式： 电路交换（Circuit Switching） 适应业务 浪费带宽 分组交换（Packet Switching） 存储转发 系统延迟的不确定性,ATM与传统交换方式比较-1,FR帧中继,ATM概述,ATM（Asynchronous Transfer Mode）是一种以信元为单位的异步转移模式，异步意味着

4、来自任一用户的信息信元流不必是周期性的。 ATM结合了电路交换和分组交换的优点，能在单一的主体网络中携带多种信息媒体，承载多种通信业务，并且能够保证Qos（Quality of Service ）。,ATM与传统交换方式比较-2,ATM概述,转移模式: 综合了传输、复用、交叉连接和交换的技术 ATM是快速分组交换技术、采用统计复用方式 一种结合了电路交换和分组交换的各自优点的技术 ATM能传送所有类型的业务量(话音、数据、图像),ATM与传统交换方式比较-3,ATM网 面向连接，有N2 问题 靠链路层选路，基于VPI/VCI或标记 有阻塞通知与信元丢失优先级指示 业务质量有保证，可保证实时业务

5、 网络ATM化进程的重新定位,IP网 无连接，无N2 问题 基于网络层选路，基于IP地址 无业务量控制与阻塞控制 业务质量无保证,ATM网与IP网的比较,ATM概述,虚通路标识符/虚信道标识符,小结,ATM是ITU-T为实现宽度综合数字业务网（B-ISDN）而推出的一种交换、传输和复用为一体的交换技术，属于快速分组交换技术，采用固定长度的分组包，称为Cell（信元），在预先建立的各种具有服务质量要求的虚通路上高速、高效地传递。 ATM是对分组长度可变的分组交换技术的一种改进措施，适合于硬件级速度的处理。 ATM问世后，很快就被应用到通信网络的骨干网中。,7.2 ATM交换的特点,1采用统计复用

6、方式 2取消逐段差错控制和流量控制 3采用面向连接的方式 4功能简化的信头 5采用固定长度的短信元,PTI - 净荷类型 CLP - 信元丢失优先级 HEC - 信头误码控制 Payload - 载荷,48 字节,信头5字节(包括GFC,VPI, VCI, PTI,CLP,HEC) GFC - 一般流量控制 VPI - 虚通道标识 VCI - 虚通路标识,1 2 3 4 5 . . . 53,UNI 信元格式,NNI 信元格式,7.3.1 信元格式,7.3 ATM的关键技术,采用信元方式的优点,固定长度的数据信元使得联网和交换的排队延迟时间更容易预测，交换机厂家可以在网络设备中引进各种措施，以

7、保证所有类型的数据传输服务尤其是对实时要求严格的服务 与可变长度的数据包相比，针对固定长度的信元，更易于设计控制结构和缓冲管理机制，从而使ATM硬件可以更有效地实现简单、可靠的处理。 固定长度的信元使得中继式交换机可以并行地处理各个信元，使其速度远超过采用总线结构的交换机的速度。,信元丢失问题,信头信息出错：ATM网络中没有差错控制，在信元中只对信息头进行差错校验。由于ATM网是根据各信元头中的VPI/VCI来进行路由控制的，当信头信息出错时，该信元就不能输送到指定的接收端，因而发生信元丢失。ATM节点将抛弃这些无法纠错的出错信元。 缓存溢出：当来自不同终结节点的各信元流量瞬时过载而缓存区产生

8、溢出时，会导致信元丢失。缓存区容量越小，复用连接数越多，信元的突发性越大，信元越有可能丢失。为此，在ATM网设计时，需依据各业务信元流的业务量及其特性，确定缓存区容量和复用程度，以保证信元的丢失在允许的范围之内。,7.3.2 虚拟连接,ATM支持的连接类型包括：点对点、点对多点和多点对多点。 ATM虚连接分为两类：永久虚连接（PVC）和交换虚连接（SVC），ATM业务既可在PVC上传输，也可以在SVC上传输。,虚通道VP与虚通路VC,ATM物理连接 虚通路连接(VCC),虚通道 (VP)包括多条VC,虚通路连接 (VCC)包括多条VP,虚通路(VC)ATM端节点之间的 逻辑通路,虚通路 (VC

9、),虚通路 (VC),E3 OC-3OC-12,虚通道 (VP),虚通道(VP),连接标识 = VPI/VCI,7.3.3 ATM信元交换机构共享存储型交换结构,全部存储器共享(Full Memory Sharing) 部分存储器共享(Partly Memory Sharing),对全部存储共享方法来说，整个物理存储器作为一个统一的实体为每个输出端口服务，常采用链表方式来管理和控制已占用单元与空闲单元，控制器知道哪些单元的信元是去往哪些输出端口的。其存储空间利用率最高。 对部分存储器共享来说，整个物理存储空间被划分成N个逻辑空间队列(FIFO)，每个队列为一特定的输出端口服务，如上图(b)所示

10、。,两个重要的条件必须被满足,控制系统判断到达的信元应放在什么地方，并且相对应的控制信号有效的时间应足够地短，这样才能处理多条输入线复用形成的高速信元流。 共享存储器的访问速度必须足够地快。 结论：交换结构容量的大小取决于存储器的访问速度和系统的处理速率。,性能限制：,处理时间 一个信元时间内（155Mbps时是2.82s）要对N和入口中的信元进行判断。 RAM速度 一个时隙中对ram进行N次读和N次写，对32*32的155Mbps访问周期要小于0.1ns。（难！） 存储容量 端口数、业务负载、业务统计特性、输出端口队列占用方式,ATM信元交换机构共享媒体型交换结构（ATOM）,所有输入共享一

11、高速总线(环)，所有输入信元被同步复用在一共享(媒体)总线上 TDM Bus的带宽Nv；如果小于，则会引入信元丢失概率， 每个输出端口安装有地址滤波器(AF), 以接收本端口为目的地的输入信元， 要求输出端口采用FIFO，读、写速度应足够快，,共享媒体型交换结构,在共享媒体交换中，到达所有输入线上的信元被同步复用在一公共的高速媒体总线上，该高速媒体总线带宽等于单条输入线速率的N倍(N为交换网络输入线路数)。 每条输出线通过对应的接口模块连到共享总线上，接口模块由一地址滤波器(AF)和一输出FIFO缓冲器组成。 地址滤波器对总线上的信头进行检测，看一看信元地址是否寻址到本输出端口，如果是，则写进

12、后面的FIFO；如果不是，则关闭写入门。,共享媒体型交换结构,吞吐量限制： 时分总线速度 FIFO系统容量 广播实现： 广播通道号 增加共享总线的带宽： 可以采用高并行度方式，不过： 总线条数的增加将给工程实现带来难度 信号线的条数工程限制：1个cell=424 bit,ATM信元交换机构空分交换结构,两种结构 自选路由 存储表选路 简单空分连接器 N*N个节点 不适合容量大 多级线路连接器 baseline网 OMEGA网 flip网 BANYAN网络 在交换机中得到广泛应用，适用于统计复用信号的交换，即根据信号中携带的出线地址信息，在交换网络中建立通道，是进行信元交换的有效方法之一。,7.

13、3.4 ATM交换机原理,输入模块IM 输出模块OM 交换机构CSF 接续容许控制CAC 系统管理SM,输入输出模块,任务：完成UNI和NNI的功能 用户业务数据流的角度：物理层和ATM层功能 交换系统控制和管理角度：信令和系统维护管理处理 UNI和NNI的区别：处理的传输媒体的差别，功能一样,输入模块,SDH功能 信元定界和HEC功能 UPC/NPC功能 信元处理功能 输入模块接续容许控制（IM-CAC）功能 输入模块系统管理（IM-SM）,输出模块,物理层功能 ATM层功能 虚通路和虚信道（VP/VC）数据库 信令信元插入 管理信元插入 内部信息处理输出模块接续容许控制（OM-CAC） 输

14、出模块系统管理（OM-SM）,ATM交换的呼叫和连接控制,ATM请求式连接 ATM寻址 地址登记 连接控制消息 连接建立和清除 Q.2931定时器和状态,ATM网的流量管理机制,呼叫请求建立连接阶段 关键技术是连接允许控制。 通信过程中对入网流量的监测与控制 关键技术是使用参数控制。 拥塞控制阶段 关键技术是选择信元丢弃与拥塞指示。,ATM 网络,我需要一个VC: X Mbps Y 抖动 Z 信元丢失,网络的资源是否足够？,保证QoS请求,契约,QoS的保证机制CAC,QoS的保证机制UPC,流量控制和拥塞控制与算法,QoS的保证机制UPC,流量控制和拥塞控制与算法,QoS的保证机制UPC,流

15、量控制和拥塞控制与算法,（1）让信元通过：信元被UPC认为是守约的。 （2）将信元打标签：仅仅只对CLP=0的信元打标签，将CLP位改为1，允许其通过。 （3）丢弃信元：信元违规，不能被继续向下传输。,QoS的保证机制EPD/PPD,流量控制和拥塞控制与算法,早期包丢弃（EPD）和部分包丢弃（PPD）。 1、当发送流量超过申请带宽的时候，UPC开始丢弃信元，PPD发挥作用，丢弃同一个AAL5包中的除去包尾的其余信元。 2、PPD功能并不能保证UPC不丢弃AAL5包的最后一个信元，因此会出现上一个包的最后一个信元被丢弃了，影响到下一个包，使两个包成为了一个坏包。 3、EPD功能在交换机发生拥塞的

16、时候起作用，当拥塞发生的时候，交换机将按照包而不是信元来丢弃，但是EPD功能并不能区分哪些包是正常的包，哪些包是坏包，因此并不能选择性地丢弃坏包。,QoS的保证机制流量整形,流量控制和拥塞控制与算法,流量控制和拥塞控制与算法,流量控制算法,漏桶算法GCRA （一般信元速率算法 Generic Cell Rate Algorithm ）,ATM对TCP/IP数据帧的处理,信令,信息,7.3.5 ATM协议参考模型,ATM 适配层 (AAL),ATM 层,物理层,2个子层: 传输汇聚 (TC) Framing HEC 物理媒介(PM) 物理媒介译码,ATM物理层,ATM协议栈,信元头的产生和提取；

17、 信元丢失优先级处理，处理CLP； 载荷类型指示处理，通过PTI提取EFCI信息，区分F5 OAM信元，RM信元与用户信元 通用流量控制，GFC； 信元接续标识处理，VPI/VCI值验证、识别、变换等处理，信元交换； UPC/NPC算法等； F4，F5 OAM功能。,ATM 适配层 (AAL),ATM 层,物理层,ATM层,ATM协议栈,ATM层功能,ATM层完成信元交换,2个子层： 汇聚子层 (CS) 分段和重组 (SAR),ATM 适配层 (AAL),ATM 层,物理层,ATM适配层,ATM协议栈,AAL = 流量参数 + QoS参数 + SAR CS：分配不同的服务质量的业务以不同的流量

18、类型 SAR：信元 包,ATM适配层的功能,ATM协议栈,ATM适配层等级,ATM协议栈,ATM ServiceClass,A,B,C,C,AAL,1,2,3/4,5,定时,要求,要求,不要求,不要求,速率,恒定,可变,可变,可变,CS,SAR,SSCS：业务特定功能，如：时延处理、流量控制等。FRSSCS,CPCS：CSPDU形成、差错校验等。,H,PAD,T,分段和重组,用户数据,SAR-PDU,SAR-PDU,SAR-PDU,ATM适配层-AAL1,AAL1主要适用于信源和信宿间有严格定时关系且面向连接的CBR类业务； CSI标识不同的应用，如时钟信号传递和结构化数据传递等； SC放置每个信元的序号，用于检测信元丢失及误插入。 CRC-3和奇偶校验位用来保证序号域中信元序号的正确传输；,ATM适配层-AAL5,AAL5用于信源和信宿间不要求时间同步的业务，以提供面向连接或非面向连接的数据传输，且传输速率可变； CPCS-PDU载荷，用于承载CPCS用户信息，如SSCS-PDU； PAD，0到47字节，用于将CPCS-PDU补充为48字节的整数倍； CPCS-UU，用于透明装载CPCS用户到用户的信息； 公共部分指示CPI，