五、 ATM 交换技术

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五、 ATM交换技术

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主要内容

ATM与 B-ISDN 的产生与发展ATM 基本原理ATM 交换技术宽带综合业务数字网（ B-ISDN）

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1） B-ISDN 的提出——通信网的发展

N-ISDN 的局限性：传输速率和交换模式限制了具有更高速率和可变速率业务的提供，已不能适应未来通信网发展的需要。

B-ISDN 的提出：能够提供具有更高传输速率的传输信道；更先进的传送模式。

1、 ATM与 B-ISDN 的产生与发展

4

2） B-ISDN 网对传送模式的要求对信息的损伤要小

o 具有时间透明性 ( 信息传送的时延和时延抖动要小 )o 具有语义透明性 ( 由传送引起的信息丢失和差错要小

) 能灵活地支持各种业务具有高速传送信息的能力


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3） ATM与 B-ISDN 的产生和发展 1983 年，美国贝尔实验室的 Turner J. 等人提出了快速分组交换（ FPS－ Fast Packet Switching ）原理，研制了原型机。

同年，法国 Coudreuse J.P. 提出了 ATD 交换概念，并在法国电信研究中心（ CNET ）研制了演示模型。

FPS和 ATD 概念提出以后，很多设备制造公司、邮电管理部门和标准化组织表示了强烈的兴趣，进行了深入的研究。

80 年代中期， CCITT 也开始了这种新的传送模式的研究。 1988 年， CCITT 18 研究组决定采用固定长度的信元，定名为

ATM ，并认定 B-ISDN 将基于 ATM 技术。 1990 年， CCITT 18 研究组制定了关于 ATM 的一系列建议，并

在以后的研究中不断地深入和完善。


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1994 年投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在州的范围内的公用 ATM 宽带网。

在欧洲由法国、德国、英国、意大利和西班牙等国发起的泛欧 ATM宽带试验网，于 1994 年 11 月开始运行，后来扩大到欧洲的十多个国家，是覆盖面较广的 ATM 试验网

在亚洲的日本 NTT 与邮政省、香港电讯、新加坡电信、韩国电信、泰国的亚洲电信以及中国的广东、北京和上海电信管理局也进行过以 ATM 为基础的宽带网试验。试验的业务平台有基于 TCP／ IP的宽带数据、 VOD 、会议电视。试验的应用系统大致有家庭购物、远程医疗、远程教学等。


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4 ）公用网的 ATM 交换系统

公用网 ATM 骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩展性，吞吐量通常为 40~160G 。应能支持各种接口、业务和连接类型，并具有保证服务质量（ Qos ）的业务流控制功能。

富士通 FETEX-150 、爱立信的 AXD301 、西门子的 Main Street Xpress 、 AT&T的Globe View 2000 、阿尔卡特的 1000AX 、北电的Magellan Concorde 等。


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5）研究热点 ATM 交换结构 ATM 网的业务流控制话音通过 ATM（ VOA）

IP与 ATM 的融合 ATM 与智能网（ IN ）的结合光 ATM 交换


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2、 ATM 基本原理

ATM 信元及其结构异步时分复用技术面向连接的工作方式ATM 标准化协议

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2.1 ATM 信元及其结构

1 ）信元结构：

信元由 5 字节信头和 48 字节信息段（净荷）组成。

发送次序8 7 6 5 4 3 2 1 比特 1…

5 6……

……

……

.53

发送次序

信头（ 5 字节）

信息段（ 48 字节）

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2）UNI 的信头结构：

GFC（ Generic Flow Control）：

一般流量控制字段（ 4 个比特）及相应的 GFC 功能用于接入的流量控制。由于 B-ISDN的 UNI 接入的终端数量可以很多，需要控制流向网络的流量，以避免网络的短期过载。

GFC

比特 8 7 6 5 4 3 2 1

VPI

VPI VCI

VCI

VCI PT

HEC

CLP

1 2 3 4 5


12

VPI/VCI（ Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier）：选路信息。PT（ Payload Type）：有 3 个比特，表示净荷类型。CLP（ Cell Loss Priority）：表示信元丢失优先级，只有一个比特， CLP=0 ，表示高优先级； CLP=1, 表示低优先级，若遇到拥塞要丢弃信元时， CLP=1 的信元将首先丢弃。

HEC（ Head Error Control）：

为 1 个字节，用于信头差错控制。


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3）NNI 的信头结构：

NNI 信头不需要 GFC 字段，从而使 VPI 扩展为 12 比特。

比特 8 7 6 5 4 3 2 1

VPI

VPI VCI

VCI

VCI PT

HEC

CLP

1 2 3 4 5


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2.2 异步时分复用技术

X XYZ

信元b ATD（）

VPI / VCI有一个表明属于哪路逻辑信道的标记（）

A C B AB

TS0

C

帧帧

TSi TSnTS0 TSi TSn

a STD（）

B属于逻辑信道的原始信号周期性出现

STD（ Synchronous Time Division）：

通过时间位置来区别每一个逻辑信道

ATD（ Asynchronous Time Division）：

通过标记来区别每一个逻辑信道

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1 ）虚通道与虚信道：

ATM 传输通道可分割成若干个逻辑子信道，为便于应用和管理，逻辑子信道可按两个等级来划分：

虚通道（ VP--Virtual Path ）

虚信道（ VC--Virtual Channel ）

2.3 面向连接的工作方式

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传输通道

VPI = 1

VPI = 2

VCI = 4VCI = 5VCI = 6VCI = 5

VCI = 6

向北京方向（用 VPI = 1 标识）的 3 个通信，两个是数据通信，一个是电话通信（分别用 VCI = 4、 5 、 6 标识）向广州方向（用 VPI = 2 标识）的 2 个通信，一个是视频通信，一个是电话通信（分别用 VCI = 5、 6 标识）

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2 ） VPC （虚通道连接）和 VCC （虚信道连接）

VCC（ Virtual Channel Connection ）是 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。

VPC（ Virtual Path Connection ）是 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（ VCC Endpoint ）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（ VPC endpoint ）是 VPC 的起点和终点，是 VCI 产生，变换或终止的地方。


18

虚信道连接（ VCC）

虚通道连接（ VPC）

VC 链路 VC 链路 VC 链路

VCIX VCIy VCIZ

VP 链路 VP 链路 VP 链路

VPIX VPIy VPIZ


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3 ） VP 交换和 VC 交换 VP 交换是指仅变换 VPI 值而不改变 VCI 值的交换，即只进行虚通道的交换，虚通道里面的虚信道并不进行交换。


VP交换

VPI 1

VPI 2

VPI 3

VPI 4

VPI 5

VPI 6

VCI 1

VCI 2

VCI 3

VCI 4

VCI 5

VCI 6

VCI 3

VCI 4

VCI 5

VCI 6

VCI 1

VCI 2

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VC 交换是指 VPI 值与 VCI 值都要进行改变的交换。因为虚信道是按照虚通道来划分的，当虚信道交换时，其所属的虚通道也要进行交换，即虚通道和虚信道都要进行交换。


VP交换

VPI 1

VPI 4 VPI 5

VCI 1

VCI 2

VCI 1

VCI 2

VCI 1

VCI 2

VPI 2

VPI 3

VCI 4

VCI 3

VCI 1 VCI 2 VCI 3 VCI 4

VC交换

VPC端点

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ATM 连接的建立过程。在源 ATM 端点与目的 ATM 端点进行通信前的连接建立过程，实际上就是在这两个端点间的各段传输通道上，找寻空闲 VC 链路和 VP 链路，分配 VCI与 VPI ，建立相应 VCC与 VPC的过程，

VC交换机 VP交换机ATM源端点 ATM目的端点

VC交换机

VPI =20VCI =30

VPI =5VCI =45

VPI =2VCI =45

VPI =6VCI =6

VPC

信息传送方向

VCC

UNI NNI NNI UNI

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ATM 虚连接建立的方式有两种方式：永久虚连接（ PVC： Permanent Virtual Connection）

交换虚连接（ SVC： Switching Virtual Connection）

PVC 是由管理面控制建立的永久和半永久连接，用户在传送信息前不需要建立过程。

SVC 是由信令控制建立的连接，用户在传送信息前要建立连接，信息传送完毕则拆除虚连接。

VPC 和 VCC 都可有 PVC和 SVC 的虚连接。


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2.4 ATM协议参考模型

物理层

ATM 层

ATM 适配层

高层高层

控制面用户面

管理面

面管理层

管理

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B-ISDN 协议参考模型由 3 个平面组成：用户面、控制面、管理面

用户面（ User Plane）：

负责用户信息的传送，采用分层结构。

控制面（ Control Plane）：

提供呼叫和连接的控制功能，主要涉及信令功能，也采用分层结构。

管理面（ Management Plane）：

提供面管理与层管理两种管理功能。面管理实现与整个系统有关的管理功能，并完成各个面之间的协调功能；层管理实现网络资源与协议参数的管理，并处理各层中的操作与维护（ OAM ）信息流，面管理不分层，层管理是分层的。

B-ISDN 协议参考模型的分层结构含有 4 层，从下到上为：物理层、 ATM 层、 ATM 适配层（ AAL： ATM Adaptation Layer ）和高层。


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一般流量控制、信头产生 /提取

信元 VPI/VCI翻译、信元复用和分路

信元速率解耦、 HEC 产生 / 验证

信元定界、传输帧适配

传输帧产生 / 恢复

AALCS

SAR

ATM层

TC

PMD 比特定时、物理媒体

汇聚

分段与重组

物理层


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物理层：负责通过物理媒体正确、有效地传送信元。它可划分为２个子层：

物理媒体相关子层（ PMD ： Physical Medium Dependent Sublayer）

传输汇聚子层（ TC： Transmission Convergence Sublayer ）

物理媒体相关子层（ PMD ）的功能：

提供与传输媒体有关的机械和电气接口，正确地发送和接收数据比特，负责线路编码、比特定时等功能。

传输汇聚子层（ TC ）的功能：

①传输帧的产生 / 恢复与适配

在发送端要将信元流封装成适合传输系统要求的帧结构送到 PMD 子层，在接收端则将 PMD 子层送来的比特流（传输帧）恢复成信元流；并在信元流与传输帧转换时完成格式的适配。


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②信头差错控制（ HEC:Header Error Control）

信元的信头中含有控制选路及其他的重要信息，必须对信头信息进行差错控制。为此，对信头前４个字节作循环冗余校验（ CRC）。在发送端是按 CRC算法生成１字节的 HEC码，在接收端按同样算法进行检验。

③信元定界和扰码

信元定界（ Cell delineation ）是用一定的方法来识别信元的边界。为防止信元的信息段出现伪 HEC码而影响正确的定界，可对信息段进行扰码 (scrambling) 操作，在接收端再以相反的操作进行解扰（ descrambling）。④信元速率去耦为了使 ATM 层传送信元的速率不受传输媒体速率的影响，可以在发送端物理层插入空闲信元（ idle cell），以将 ATM 层信元流的速率适配成传输媒体的速率。在接收端，通过特定的预分配信头值，可以识别出空闲信元予以丢弃，并不送往 ATM 层。


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ATM层：

ATM 层的主要功能是负责信元的交换、选路和复用。具体为：信元的复用与交换服务质量保证实现净荷类型有关的功能一般流量控制


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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。


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业务特性

源与终点之间的定时关系

比特率

类别 A 类 B 类 C 类 D 类

连接方式

需要不需要

固定可变

面向连接无连接

ATM 适配层 AAL1 AAL2AAL5

AAL3/4AAL3/4


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3） AAL 的基本结构：

AAL 的功能可以分为两个逻辑子层：

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。

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。


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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。

AAL1规程用于支持Ａ类业务。

AAL2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。

AAL3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。

AAL5 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。

高层：则相当于各种业务的应用层或信令的高层处理。


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3、 ATM 交换技术

ATM 交换的基本原理ATM 交换系统的基本结构ATM 交换结构

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3.1 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 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。

ATM 交换系统执行三种基本功能：信头翻译、路由选择和排队

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信头变换：

信头变换主要是指 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。

选路：

选路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。

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。


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XYZ

S

X

XYS

KK N

G MG

IL

I1

I2

IN

O1

O2

Oq

信头 /链路翻译表

…..

输出信头

…..

…..

ATM 交换的基本原理

输入链路输入链路时隙时隙XYZ

O1

Oq

O2

I1 KML

NIG

XYS

O1

O2

Oq

In

…..

输入信头


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ATM交换结构接口单元

接口单元接口单元

接口单元

……

… ……

…

处理机控制部分

ATM 交换系统基本结构

控制子系统

信元传送子系统

3.2 ATM 交换系统的基本结构

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信元传送子系统——接口设备：一般由接口电路和信元集中级或信元复用器组成。

1）输入侧：

接收输入信元，输入侧接口设备的主要功能为：

物理层功能：光电信号的转换与同步（若采用 SDH/SONET 物理接口）

数字比特流的恢复信元定界和差错控制信元速率解耦（丢弃空闲信元）净荷的解扰


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ATM 层主要功能： VPI/VCI 值的有效性检查及翻译信头差错检查输出端口的确定区分信令信元、用户信元和 OAM 信元并作相应的处理


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2 ）输出侧：执行与输入侧相反的功能，输出侧比输入侧较为简单，主要功能是为 ATM 信元流的物理传输作准备。其主要功能包括： HEC域的产生并装入信头信令信元、 OAM 信元和用户信元流的混和输出信元速率匹配（加入空闲信元）传输帧的形成光电信号转换


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信元传送子系统—— ATM 交换结构：交换结构实现交换连接功能，具体说来就是信头变换、选路和排队的功能，用户信息、信令消息和处理机之间的的控制信息都可通过交换结构来交换。

控制子系统：主要是由处理机系统及各种控制软件组成，其中主要包括呼叫控制软件与操作管理维护（ OAM ）软件。呼叫控制软件主要完成呼叫连接的建立和拆除，包括寻址、选路、交换网络的控制等功能，含 UNI和NNI 接口的信令处理。 OAM软件主要完成对交换系统的操作维护，具体包括配置管理、计费管理、性能统计、故障处理等功能。

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ATM 交换结构

时分空分

共享存储器共享媒体

单通路多通路

总线型

环型基于

crossbar基于 banyan

扩展 banyan

复份banyan

Benes

Clos

缓冲型

无缓冲型

矩阵型

全互连型

1 ） ATM 交换结构类型

3.3 ATM 交换结构

43

共享存储器：

存储器为所有输入端口和输出端口共用，从各个输入到达的信元通过复用器被复用成单一的输入信元流而写入共享存储器，在存储器内部划分为若干个队列，每个队列对应于一个输出端口，在写入时，应按照各个信元的目的端口写入相应的队列，在写入的同时，按顺序从各个输出队列读出队首的信元而形成输出的信元流，经分路后传送到各个输出端口。

存储器复用

分路

12

…

N

12

…

N

共享存储器结构


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共享媒体：

与共享存储器结构相似，共享媒体结构也是将所有输入线上到达的信元同步地复用到公共的传送媒体上（总线或环）。

FIFO

FIFO

FIFO

AF

AF

AF

1

2

N

1

2

N

… …

TD

-BU

STD-BUS ：时分总线

AF ：地址过滤器

FIFO ：先进先出存储器共享总线结构


45

基于 crossbar 的交换结构（见第二章交换网络相关内容）

基于 banyan 的交换结构（见第二章交换网络相关内容）

多通路交换结构（见第二章交换网络相关内容）


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2 ） ATM 交换结构的缓冲策略：

缓冲策略或称为排队策略，是 ATM 交换结构设计中的重要问题，它分为外部缓冲方式和内部缓冲方式：

外部缓冲：

外部缓冲是指缓冲器不是设置在交换结构的内部，而是设置在交换结构的外部。外部缓冲主要有输入缓冲、输出缓冲、输入与输出缓冲、环回缓冲等四种方式。

1 ）输入缓冲：

输入缓冲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。


交换结构… … 1

N

1

N

输入缓冲

47

①排头阻塞现象输入缓冲方式存在排头阻塞现象，从而使得吞吐率降低。所谓排头阻塞现象，是指在发生出线竞争时，排列在竞争中失败的信元（处于排头位置）之后的去向空闲出线的信元也不能传送的现象。

②减少 FIFO阻塞现象，提高吞吐率的方法

输入缓冲器采用 FIRO规则：

排头阻塞现象阻塞是由于 FIFO规则引起，为此可采用按序进入随机取出（ FIRO: First In Random Out ）的服务规则。当某个输入队列的排头信元在出线竞争中失败，可以依次再取出排列在其后的信元参与对其他输出端口的竞争。

多重输入缓冲方式：

多重输入缓冲方式是在每条入线设置多个 FIFO队列，每个队列对应于 1 个输出端口。


48

交换结构

…1

N

…

1

N1

N

多重输入缓冲方式


49

2 ）输出缓冲：

输出缓冲是在每条出线上设置缓冲器。

为了解决出线竞争，一个理想的采用输出缓冲的无阻塞交换结构最好使得每个出端能够同时接收所有入端发来的信元。这就是说，当入线数为 N ，考虑到最不利情况，每个出端在一个时隙中最多应可接收 N个信元。要做到这一点，就要提高处理速度和存储器的访问速度，于是引入了加速因子的概念。

加速因子等于 N时，完全消除了出线竞争，但对速率的要求较高。输出缓冲方式不存在排头阻塞现象，在合适的加速因子取值下，可以得到高吞吐率和良好的性能。


交换结构 ……

1

N

1

N

输出缓冲

50

交换结构…1

N

输入与输出缓冲

…1

N


2 ）输入与输出缓冲：

51

4 ）环回缓冲：

环回缓冲是使竞争中失败的信元能通过环回缓冲器回送到入端，再与新到来的信元一起进行下一轮的竞争。

环回缓冲的交换结构可以具有较高的吞吐率和较低的信元丢失率，但交换结构要增加用于环回的端口，环回还会使得属于同一虚连接的信元失序，时延也较大。


交换结构

……1

N

环回缓冲…

1

N

52

内部缓冲：

内部缓冲是将缓冲器设置在交换结构的内部。

采用内部缓冲的多级有阻塞网络可以减少信元丢失，但是也有两个主要缺点：一个是增加了信元的时延和时延抖动；另一个是对于多通路网络，如果属于同一虚连接的信元在交换结构选用不同的通路（内部无连接选路），则会发生信元失序现象。

多级有阻塞结构中交换单元的缓冲方式有：输入缓冲、输出缓冲、交叉点缓冲和共享缓冲等方式。

输入缓冲输出缓冲


53

交叉点缓冲共享缓冲

3 ） ATM 交换结构的选路方法在每个信元到来时，如何引导信元通过交换结构而正确地传送到所需的出端，属于选路控制功能。在有内部阻塞的多级互联网络中，选路控制有两种方法：自选路由和表格控制选路。


54

X Y, nm. . . . .

. . . . .

. . . . .信元

翻译表

X

信头数据

mnYSE

m

nYSE

选路标签选路标签n

信元

Y

输入端

第一级第二级

自选路由（ self routing ）是在每个到来的信元在进入交换网络之前加上选路标签，然后交换网络会自动根据这些选路标签的信息来选择路由，自选路由选路方法的路由信息（翻译表）一般放在交换网络每个输入端口处。


55


X Z, m. . . . .

. . . . .

. . . . .

交换单元

Z Y, n. . . . .

. . . . .

. . . . .

交换单元

m

Z

n

Y

信元

X

信头数据

信元

第一级第二级

表格控制选路（ table-control routing ）的路由信息一般放在各个交换单元（ SE ）内部，各个 SE 按照自己的翻译表中的信息来完成选路。

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4 、 B-ISDN

ATM网络

NNI

NNI

NNINNI

UNI公共622Mbi t/ s

ATM公用交换机

ATM公用交换机工作站

LAN用户家区ATM交换机

UNI专用

UNI专用

UNI专用

家用电话

PBX

latigid

PBX

latigid

公共电话



高清晰度电视

57

作业（ 1 ）

有一个 N*Q的 ATM 交换结构，当发生出线竞争时，可采用 FIFO 的缓冲机制，试根据 ATM 交换原理，参照下图的信元流和翻译表，画出输出的信元流。

58

XYZ

Z

S

YZS

I1

I2

IN

O1

O2

Oq

信头 /链路翻译表

…..

输出信头

…..

…..

输入链路输入链路时隙时隙XYZS

O1

Oq

O2

O2

I1 KMLR

NIGT

XYSZ

O1

O2

Oq

O2

In

输入信头

作业（ 2 ）

五、 ATM 交换技术

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