第三章-ATM网络技术课件

第四章第四章 ATM网络技术网络技术（Asynchronous Transfer Mode）4.1 ATM定义定义lATM是一种传递模式，在这种模式中，信息被是一种传递模式，在这种模式中，信息被分成信元来传递，而包含同一用户信息的信元分成信元来传递，而包含同一用户信息的信元不需要在传输链路上周期性地出现。因此这种不需要在传输链路上周期性地出现。因此这种传递模式是异步的传递模式是异步的。lITU-T I.113lATM is“A transfer mode in which the information is organized into cells;it is asynchronous in the sense that the recurrence of cells containing information from an individual user is not necessarily periodic”ATM特点特点l 不进行逐段链路差错和流量控制不进行逐段链路差错和流量控制l 面向连接面向连接l 信头功能简单信头功能简单l 信元长度小而固定信元长度小而固定l 用户信息透明地穿过网络用户信息透明地穿过网络ATM的优点的优点l 支持任何业务（不同速率，不同突支持任何业务（不同速率，不同突 发性，不同实时性）发性，不同实时性）l 有效利用网络资源（统计复用）有效利用网络资源（统计复用）l 单一通信网（单一通信网（B-ISDN）？4.2 ATM 协议参考模型协议参考模型l由不同的由不同的层层和和面面组成组成l参考模型中的平面参考模型中的平面 用户平面用户平面 控制平面控制平面 管理平面管理平面l参考模型中的分层参考模型中的分层 物理层物理层 ATM 层层 ATM 适配层适配层 高层协议高层协议协议参考模型中的平面协议参考模型中的平面l用户平面用户平面实现用户数据的传递实现用户数据的传递与用户数据流量相关的控制功能，如流量控制、纠错等与用户数据流量相关的控制功能，如流量控制、纠错等用户平面内存在协议分层用户平面内存在协议分层l控制平面控制平面信令消息的传送信令消息的传送呼叫控制、连接控制呼叫控制、连接控制控制平面内存在协议分层控制平面内存在协议分层l管理平面管理平面网络的维护与操作，提供各平面的协调网络的维护与操作，提供各平面的协调层管理功能，管理协议实体中的资源和参数，处理各协议层层管理功能，管理协议实体中的资源和参数，处理各协议层有关的有关的 OAM 信息流，存在协议分层信息流，存在协议分层面管理功能，进行与系统全局有关的管理和各平面间的协调面管理功能，进行与系统全局有关的管理和各平面间的协调物理层物理层l物理媒体子层物理媒体子层（PM）在物理媒体上正确地发送和接在物理媒体上正确地发送和接收比特，提供比特流传输、线路收比特，提供比特流传输、线路编码、比特流定时。编码、比特流定时。l传输会聚子层传输会聚子层（TC）提供信元流和比特流之间的相提供信元流和比特流之间的相互转换所需的功能：互转换所需的功能：传输帧的生成传输帧的生成/恢复恢复传输帧的适配传输帧的适配信元定界（用信元定界（用HEC）信头差错检验（信头差错检验（HEC）的产生）的产生/校验校验信元速率解耦信元速率解耦ATM 层层l物理层以上，与物理介质无物理层以上，与物理介质无关关l主要功能主要功能信元复用信元复用/分路分路信元标识（信元标识（VPI/VCI）翻译）翻译信元头的生成信元头的生成一般流量控制一般流量控制ATM 适配层适配层l功能：功能：增强增强 ATM 层服务，适应高层需要层服务，适应高层需要支持支持 ATM 层与高层间的信息映射层与高层间的信息映射l拆装子层拆装子层（SAR）将高层信息拆开装配到适当虚连接的将高层信息拆开装配到适当虚连接的 ATM 信元序列中去信元序列中去逆过程逆过程l会聚子层会聚子层（CS）消息识别消息识别定时、时钟恢复定时、时钟恢复功能与业务有关功能与业务有关业务接入点4.3 ATM 层标准层标准ATM 信元结构信元结构l信元头（信元头（UNI-用户网络接口格式）用户网络接口格式）GFC 一般流量控制（一般流量控制（NNI-网络节点接口信元没有网络节点接口信元没有GFC）VCI 虚通路标志虚通路标志VPI 虚通道标志虚通道标志PTI 净荷类型指示净荷类型指示CLP 信元丢失优先级信元丢失优先级HEC 信头差错控制信头差错控制l净荷净荷l48 字节字节l信息段信息段VPI和和VCI传输链路VPI=1VPI=2VCI=1VCI=2VCI=1VCI=2VP/VC的带宽可以由用户任意设定 4VPI-Virtual Path Identifier4VCI-Virtual Channel identifierATM传输链路上的最大虚连接数传输链路上的最大虚连接数PTI-Payload TypeATM 信元分类信元分类l用户信息信元用户信息信元lOAM 信元信元l信令信元信令信元l未分配信元（未分配信元（ATM层）和空信元（物理层）层）和空信元（物理层）各类信元的各类信元的PTI和和VPI/VCI值见表值见表4.5CLP（信元丢失优先级）（信元丢失优先级）在网络拥塞期间丢弃信元的优先级在网络拥塞期间丢弃信元的优先级CLP=0 高优先高优先CLP=1 低优先低优先 HEC（信头差错控制（信头差错控制/信元定界）信元定界）生成多项式：生成多项式：x8+x2+x+1GFC-一般流量控制一般流量控制lGFC用来用来UNI接口上控制流量接口上控制流量lGFC功能功能周期性地阻止周期性地阻止UNI接口上所有连接的业务流量接口上所有连接的业务流量（Cyclic HALT)对受控的对受控的ATM连接进入网络的业务量进行接入控制连接进入网络的业务量进行接入控制指明指明UNI接口上的流量是否属于受控接口上的流量是否属于受控ATM连接连接 UNI的的ATM连接有两中工作模式：连接有两中工作模式：非受控模式非受控模式（GFC置成置成0000）受控模式受控模式 （GFC过程）过程）ATM 层功能层功能l提供提供 ATM 连接与交换控制连接与交换控制l保证保证 ATM 承载业务端到端的承载业务端到端的 QoSl预定义信元类型预定义信元类型l确定信元丢失优先级确定信元丢失优先级l流量整形流量整形4.4 ATM 物理层标准物理层标准PM子层子层-TB和和SB接口接口LocationRateFormat -ITU-TUNI/NNI155.52 STM-1UNI/NNI622.08 STM-4UNI155.52 Cell basedUNI2.048E1 -UNI1.54DS-1ANSI/UNI/NNI44.736 DS-3 PLCPETSIUNI/NNI44.736 DS-3 Direct mappedUNI2.048E1UNI/NNI34.368 E3 PM子层子层-TB和和SB接口接口(续）续）locationRateFormat-UNI/NNI155.52 SONETUNI/NNI44.736 DS-3ATMPrivateUNI100-140FDDI PMDForum PrivateUNI155.52 Fiber(multimode)UTP 325CAP 16UTP 351CAP 16UTP 5155.52 CAP 16Coax Pair6.312J2-ATM 物理层接口规程物理层接口规程l基于基于 PDH 的的 ATM 信元传输接口信元传输接口l基于基于 SDH 的的 ATM 信元传输接口信元传输接口l基于其他标准的基于其他标准的 ATM 信元传输接口信元传输接口基于基于 ITU-T I.432 的直接信元传输接口的直接信元传输接口基于基于 ATM 论坛规范的信元直接传输论坛规范的信元直接传输基于基于 ATM 论坛的论坛的STS-1/UTP-3信元传输接口信元传输接口ATM论坛的论坛的 FDDI信元传输接口信元传输接口基于基于25.6Mbit/s的直接信元传输接口的直接信元传输接口lUTOPIA 接口接口基于基于SDH的的ATM信元传输信元传输l同步数字系列技术同步数字系列技术透明复用（单级复用）透明复用（单级复用）SDH 帧中的附加开销符合设备和网络的管理需求帧中的附加开销符合设备和网络的管理需求可与可与 PDH 兼容兼容传输速率的等级传输速率的等级 STM-1 155.520 Mbit/s STM-4 622.080 Mbit/s STM-16 2488.320 Mbit/sSDH 的物理接口的物理接口 STM-1 光接口或电接口光接口或电接口 STM-4/16 光接口光接口信元直接传输接口信元直接传输接口l信元直接传输接口信元直接传输接口l直接将直接将 ATM 信元映射成比特流，通过数据线传输信元映射成比特流，通过数据线传输l插入插入PL-OAM信元作维护管理用，信元作维护管理用，PL-OAM信元之间的信元之间的最大距离是最大距离是26个信元个信元l基于基于 ITU-T I.432 的信元直接传输接口的信元直接传输接口l物理接口：物理接口：155Mbit/s 或或 622Mbit/s 光接口或同轴电接口光接口或同轴电接口l基于基于 ATM 论坛规范论坛规范l物理接口：物理接口：155Mbit/s 光接口或电接口（光接口或电接口（STP/UTP）UTOPIA 接口接口l定义物理层与定义物理层与 ATM 层之间接口的标准层之间接口的标准l使不同厂商提供的使不同厂商提供的 ATM 层器件和物理层器件互通层器件和物理层器件互通l 采用采用 FIFO 技术技术l适应适应 ATM 层和物理层之间的速率差异层和物理层之间的速率差异传输会聚（传输会聚（TC子层）子层）（1）传输帧适配功能）传输帧适配功能 帧的产生和恢复帧的产生和恢复（2）信头差错控制（信头差错控制（HEC）（3）信元定界）信元定界（4）信元速率解耦）信元速率解耦lTC层插入空信元层插入空信元(Idle cell)，使，使ATM层速率和物层速率和物理链路速率无关理链路速率无关l空信元信头为空信元信头为 000-01 01010010 4 Bytes HEC 信息段内容全部为信息段内容全部为 011010104.5 ATM 适配层标准适配层标准ATM 适配层的功能适配层的功能l增强增强 ATM 层提供的业务，以适合特殊业务的需要层提供的业务，以适合特殊业务的需要lAAL 将用户将用户/控制控制/管理的协议数据单元映射到管理的协议数据单元映射到ATM虚连接中一个或多个连续虚连接中一个或多个连续ATM信元的信息段中去信元的信息段中去lAAL 层分为两个子层：层分为两个子层：拆装子层（拆装子层（SAR）PDU 到到 ATM 信元的拆装信元的拆装会聚子层（会聚子层（CS）与业务有关与业务有关ATM 适配层的业务类型适配层的业务类型l分类依据分类依据源和目的之间的时间关系，比特率特性，连接方式源和目的之间的时间关系，比特率特性，连接方式lAAL 层业务分类层业务分类ATM 适配层类型适配层类型lAAL1适用于适用于 A 类业务类业务lAAL2适用于适用于 B 类业务类业务lAAL3/4适用于适用于 C、D 类业务类业务lAAL5适用于适用于 C类业务类业务4.6 ATM交换交换VP 交换与交换与 VC 交换交换lATM 交换在交换节点处完成，其过程包括：交换在交换节点处完成，其过程包括：信息从交换节点的入线交换到出线信息从交换节点的入线交换到出线将输入将输入 VPI/VCI 值交换为输出值交换为输出 VPI/VCI 值值lATM 连接分为连接分为 VPC 和和 VCC，ATM 交换相应分为两类：交换相应分为两类：VP 交换交换又称交叉连接又称交叉连接(cross-connect)，相应的设备称为交叉连接设备，相应的设备称为交叉连接设备只提供只提供 VP 连接的交换，实现输入连接的交换，实现输入 VPI 值到输出值到输出 VPI 值的映射值的映射被交换的被交换的 VPC 中所包含的所有中所包含的所有 VCC 被作为整体被交换被作为整体被交换用于骨干网中大量用于骨干网中大量 VCC 的成组交换，通常不需信令功能，通过网的成组交换，通常不需信令功能，通过网管控制管控制 VC 交换交换功能涵盖了功能涵盖了 VP 交换交换除提供除提供 VP 交换外，还提供不同交换外，还提供不同 VPC 中各中各 VCC 之间的信息交换之间的信息交换实现输入实现输入 VPI/VCI 值到输出值到输出 VPI/VCI 值的映射值的映射VP 交换交换VP 交换VPI=1VPI=3VPI=5VPI=2VPI=4VPI=6VCI=1VCI=2VCI=3VCI=4VCI=5VCI=6VCI=3VCI=4VCI=5VCI=6VCI=1VCI=2VC 交换交换VC 交换VP 交换VCI=1VCI=2VCI=1VCI=2VCI=3VCI=4VCI=1VCI=21243VPI=1VPI=4VPI=5VPI=2VPI=3ATM 交换系统的构成交换系统的构成ATM 交换机构基本交换模块l交换机构交换机构 由相同的基本交换模块以特定的拓扑结构互连而成由相同的基本交换模块以特定的拓扑结构互连而成 设计中需要解决的主要问题设计中需要解决的主要问题 路由选择路由选择l基本交换模块基本交换模块 用于构造交换机构的最小通用模块用于构造交换机构的最小通用模块 设计中需要解决的主要问题设计中需要解决的主要问题 排队问题排队问题一些基本定义一些基本定义l交换机构交换机构(Switching Fabric)l由相同的由相同的基本交换模块基本交换模块以特定的拓扑结构互连而成；只以特定的拓扑结构互连而成；只有在基本交换模块和网络拓扑确定的情况下，才能定义有在基本交换模块和网络拓扑确定的情况下，才能定义交换机构。交换机构。l基本交换模块基本交换模块(Basic Switching Building Block)l也称为交换单元，是用于构造也称为交换单元，是用于构造 ATM 交换机构的最小通用交换机构的最小通用模块，相同的基本交换模块可组成模块，相同的基本交换模块可组成交换机构交换机构。l交换系统交换系统(Switching System)l任何可用于任何可用于 ATM 信元交换的设备都可称为信元交换的设备都可称为 ATM 交换系交换系统或统或 ATM 交换机。一般地，交换系统可以由相同或不同交换机。一般地，交换系统可以由相同或不同的的 ATM 交换单元或交换单元或 ATM 交换机构构成。交换机构构成。交换的实质交换的实质l交换的实质是将某条入线的信息输出到特交换的实质是将某条入线的信息输出到特定的一条或几条出线上。这里有一个定的一条或几条出线上。这里有一个“信信元守恒元守恒”原理：信元到达交换机，经过一原理：信元到达交换机，经过一段时间后，要么已被交换到出线上，要么段时间后，要么已被交换到出线上，要么被存放在内部缓存中，要么在交换机内部被存放在内部缓存中，要么在交换机内部的连线上传送，要么被丢弃。的连线上传送，要么被丢弃。传统交换与传统交换与 ATM 交换的差异交换的差异lATM 出现以前的交换方式出现以前的交换方式电路交换：基于电路交换：基于 STM 原理的交换（如电话交换）原理的交换（如电话交换）分组交换分组交换(X.25、帧中继等、帧中继等)l这些技术不能直接适用于这些技术不能直接适用于 ATM 交换，主要原交换，主要原因是因是ATM 信息流的统计行为信息流的统计行为ATM 具有极高的信息处理速度具有极高的信息处理速度ATM 信元的固定长度信元的固定长度有限的信元头功能有限的信元头功能不同用途的不同用途的 ATM 交换系统差异很大交换系统差异很大ATM 交换系统的构成交换系统的构成lATM 交换系统的应用场合交换系统的应用场合用于公用宽带网的用于公用宽带网的 ATM 交换系统（交换系统（ATM Central Office）用户的内部专用网（用户的内部专用网（ATM LAN）lATM 交换系统的构成：交换系统的构成：传输部分传输部分（传输网）（传输网）在入线与出线之间传输在入线与出线之间传输 ATM 信元的物理设备信元的物理设备完成协议参考模型中用户平面的功能完成协议参考模型中用户平面的功能控制部分控制部分在信令处理的基础上实现对传输网进行控制的设备在信令处理的基础上实现对传输网进行控制的设备完成协议参考模型中控制平面的功能完成协议参考模型中控制平面的功能ATM交换的基本功能交换的基本功能l信元交换信元交换lATM 信元从一条入线上的某个逻辑信道上被传送到一条信元从一条入线上的某个逻辑信道上被传送到一条或多条出线的不同逻辑信道上的过程。或多条出线的不同逻辑信道上的过程。l集中集中/复用复用l把把 N 条入线上的信息组合到条入线上的信息组合到 M 条出线上。条出线上。集中：集中：物理入线数物理入线数 物理出线数（物理出线数（NM）复用：复用：把多个逻辑输入通道统计复用到一条逻辑输出通道上把多个逻辑输入通道统计复用到一条逻辑输出通道上l扩展扩展/分路分路l集中集中/复用的逆操作。复用的逆操作。ATM交换的基本功能构成交换的基本功能构成l空分交换功能空分交换功能l一条物理入线上的信息交换到另一条物理出线上。一条物理入线上的信息交换到另一条物理出线上。l时分交换功能时分交换功能l将物理入线上一个逻辑信道上的信息交换到对应物理出将物理入线上一个逻辑信道上的信息交换到对应物理出线上的另一个逻辑信道上。线上的另一个逻辑信道上。l信元头交换（翻译）信元头交换（翻译）l一个逻辑一个逻辑 ATM 信道上的信元被交换到另一个逻辑信道上的信元被交换到另一个逻辑 ATM 信道上时（利用空分交换和时分交换），其输入信元的信道上时（利用空分交换和时分交换），其输入信元的信元头内容也将同时会被翻译成一个与输出逻辑信元头内容也将同时会被翻译成一个与输出逻辑 ATM 信信道相对应的信元头输出值。道相对应的信元头输出值。空分交换功能空分交换功能l空分交换功能空分交换功能 将信息从一条物理入线交换到到另一条物理出线上将信息从一条物理入线交换到到另一条物理出线上空分交换中的关键问题空分交换中的关键问题 路由选择路由选择（routing）l在交换机内部，信息如何选择一条路由从入线到达出线在交换机内部，信息如何选择一条路由从入线到达出线空分交换ab:123Nc4ba:123Mc4时分交换功能时分交换功能l时分交换功能时分交换功能入线上某逻辑信道中的信息被交换到出线上另一个逻辑信道入线上某逻辑信道中的信息被交换到出线上另一个逻辑信道是逻辑信道（是逻辑信道（VP/VC）的交换（而不是固定帧时隙）的交换（而不是固定帧时隙）存在竞争问题存在竞争问题l存在多个逻辑信道竞争物理出线上同一时间片的情况，必须引入排存在多个逻辑信道竞争物理出线上同一时间片的情况，必须引入排队来解决竞争问题。队来解决竞争问题。排队功能排队功能 ATM 交换的一个重要功能交换的一个重要功能时分交换abccabFrameFrame逻辑信道逻辑信道ATM 交换的基本原理交换的基本原理akkablccmxxzyxyssQueueQueueQueue数据信头翻译表O1O2OqI1I2In输入链路 VCC 输出链路 VCC I1 x O1 k y Oq m z O2 l :In x O1 a y O2 b s Oq c信元头输入输出信元数据信元头l信元头翻译信元头翻译l信元被交换的同时，信元被交换的同时，输入信头的值被翻译输入信头的值被翻译成输出信元头的值。成输出信元头的值。l总结一下总结一下 ATM 交换的基本功能构成：交换的基本功能构成：l1、ATM 交换机构最基本的两个功能是空分交交换机构最基本的两个功能是空分交换和信元头交换。换和信元头交换。l2、时分交换主要解决竞争和排队问题，也就是、时分交换主要解决竞争和排队问题，也就是说，交换机不能同时输出发生冲突，因此必须说，交换机不能同时输出发生冲突，因此必须在适当的位置缓冲器来存贮暂时不能得到服务在适当的位置缓冲器来存贮暂时不能得到服务的信元。由于的信元。由于 ATM 交换采用统计复用，因此交换采用统计复用，因此这种方式是必需的，以保证冲突的信元不会被这种方式是必需的，以保证冲突的信元不会被丢弃。丢弃。l3、总的来说，、总的来说，ATM 交换机完成的基本功能就交换机完成的基本功能就是路由选择（空分交换）、排队和信头交换。是路由选择（空分交换）、排队和信头交换。由于这三项功能的实现方式和位置的不同，将由于这三项功能的实现方式和位置的不同，将会导致交换机设计的巨大差异。会导致交换机设计的巨大差异。业务对宽带交换的要求业务对宽带交换的要求l宽带业务的多样性宽带业务的多样性l业务对宽带业务对宽带 ATM 交换的具有不同的要求，表交换的具有不同的要求，表现在：现在：业务的信息速率业务的信息速率几几 Kb/s 到到 几百几百 Mb/s 或更高或更高时间行为特性时间行为特性恒定比特率或可变比特率恒定比特率或可变比特率实时或非实时实时或非实时性能性能语义透明性：信元丢失率、误比特率语义透明性：信元丢失率、误比特率时间透明性：交换时延、时延抖动时间透明性：交换时延、时延抖动其他性能参数：吞吐量、处理能力、连接阻塞其他性能参数：吞吐量、处理能力、连接阻塞广播和组播功能广播和组播功能性能参数的需求性能参数的需求l传统交换系统传统交换系统吞吐能力吞吐能力误比特率误比特率连接阻塞连接阻塞交换时延交换时延呼损概率呼损概率lATM交换系统交换系统吞吐能力吞吐能力误比特率误比特率连接阻塞连接阻塞交换时延交换时延呼损概率呼损概率信元丢失率信元丢失率信元误插率信元误插率时延抖动时延抖动广播和组播功能广播和组播功能l广播和组播特性是宽带业务对通信网的新要求广播和组播特性是宽带业务对通信网的新要求广播广播 信息从一个源传递到所有的目的地信息从一个源传递到所有的目的地组播组播 信息从一个源传递到一组特定的目的地信息从一个源传递到一组特定的目的地典型应用：典型应用：电子邮件列表的分发、数字化图象库的访问、电视分配电子邮件列表的分发、数字化图象库的访问、电视分配l传统的电路交换的连接形式是传统的电路交换的连接形式是点到点点到点连接连接l信息只能从一条逻辑信道交换到另一条逻辑信道上信息只能从一条逻辑信道交换到另一条逻辑信道上l传统的分组交换也不能支持广播和组播功能传统的分组交换也不能支持广播和组播功能l业务对广播和组播功能的需求对交换系统的影业务对广播和组播功能的需求对交换系统的影响响l广播和组播需求是广播和组播需求是 ATM 交换系统设计中需要解决的一个交换系统设计中需要解决的一个重要问题重要问题连接阻塞连接阻塞l连接阻塞的概念连接阻塞的概念建立建立 ATM 连接时，在交换机内部有需要有足够的资源来保连接时，在交换机内部有需要有足够的资源来保证新建连接的质量，这些资源包括：证新建连接的质量，这些资源包括：带宽、带宽、VPI/VCI、信头、标签、信头、标签 系统不能保证所有的新建连接都能获得所需的资源；系统不能保证所有的新建连接都能获得所需的资源；在连接建立时，若交换系统在逻辑入线和出线之间找不到在连接建立时，若交换系统在逻辑入线和出线之间找不到足够的资源，就出现连接阻塞，新建连接的请求被拒绝；足够的资源，就出现连接阻塞，新建连接的请求被拒绝；连接阻塞的概率取决于交换系统中出现资源不足的概率；连接阻塞的概率取决于交换系统中出现资源不足的概率；交换系统的连接阻塞特性，由其系统设计所决定。交换系统的连接阻塞特性，由其系统设计所决定。l根据连接阻塞特性，可将交换系统分为：根据连接阻塞特性，可将交换系统分为：不存在内部连接阻塞的交换系统不存在内部连接阻塞的交换系统存在内部连接阻塞的交换系统存在内部连接阻塞的交换系统交换时延和时延抖动交换时延和时延抖动l交换时延交换时延交换时延是交换系统完成交换时延是交换系统完成 ATM 信元交换的时间信元交换的时间交换时延是保证时间透明性、体现交换机性能的重交换时延是保证时间透明性、体现交换机性能的重要因素要因素典型的典型的 ATM 交换时延应在交换时延应在 10s 到到 1000sl时延抖动时延抖动信元交换时延的变化值信元交换时延的变化值时延的抖动值小于几百微秒时延的抖动值小于几百微秒时延抖动的表示方法：时延抖动的表示方法：l分位点分位点交换时延超过某值的概率，例如：交换时延超过某值的概率，例如：l10-10 分位点上的分位点上的 100s 的抖动，其含义是交换时延超的抖动，其含义是交换时延超过过 100s 的概率小于的概率小于 10-10 4.6.1 基本交换模块基本交换模块基本交换模块的结构基本交换模块的结构lATM 交换功能由交换机构完成交换功能由交换机构完成l交换机构由基本交换模块构成交换机构由基本交换模块构成l基本交换模块的构成基本交换模块的构成入线控制器（入线控制器（IC）出线控制器（出线控制器（OC）物理传输网络，由物理传输网络，由 VLSI 构成的信元高速传输交换通路构成的信元高速传输交换通路ICIC传输网络OCOC基本交换模块基本交换模块l基本交换模块的容量基本交换模块的容量规模：规模：从从 2x2 到到 16x16信息速率：信息速率：从从 155Mbit/s、622Mbit/s 到到 2.5Gbit/s基本交换模块的容量（规模和信息速率）决定于：基本交换模块的容量（规模和信息速率）决定于：采用的技术工艺、设计的集成化程度采用的技术工艺、设计的集成化程度l基本交换模块的基本功能基本交换模块的基本功能 排队功能排队功能基本交换模块是一个统计复用器基本交换模块是一个统计复用器在基本交换模块内部会出现竞争在基本交换模块内部会出现竞争l多个信元需要同时使用相同资源（如内部线路、出线等）多个信元需要同时使用相同资源（如内部线路、出线等）在出现竞争时，需要对冲突的信元进行缓冲（排队）在出现竞争时，需要对冲突的信元进行缓冲（排队）若交换模块是内部完全无阻塞的，则不需要内部缓冲若交换模块是内部完全无阻塞的，则不需要内部缓冲为了解决对相同出线的竞争，必须在基本模块内提供排队为了解决对相同出线的竞争，必须在基本模块内提供排队功能功能排队策略排队策略l信元排队和缓冲是基本交换模块的基本功能信元排队和缓冲是基本交换模块的基本功能l根据交换单元的结构和所需的信息速率，需要根据交换单元的结构和所需的信息速率，需要在交换单元的入线、出线或单元内部设计信元在交换单元的入线、出线或单元内部设计信元的缓冲队列的缓冲队列l交换单元中可采用三种排队策略（根据缓冲器交换单元中可采用三种排队策略（根据缓冲器在交换单元中的物理位置划分）：在交换单元中的物理位置划分）：输入排队输入排队输出排队输出排队中央排队中央排队输入排队输入排队l基本思想基本思想在交换单元的输入端解决可能的竞争问题。在交换单元的输入端解决可能的竞争问题。l实现方式实现方式为每一条入线配置一个缓冲队列，信元在队列中为每一条入线配置一个缓冲队列，信元在队列中排队排队在一个信元周期内，如果出现多个入线上的信元在一个信元周期内，如果出现多个入线上的信元竞争同一的出线时，则由一个仲裁逻辑来决定哪竞争同一的出线时，则由一个仲裁逻辑来决定哪些入线队列中的信元是允许通行的，而其他队列些入线队列中的信元是允许通行的，而其他队列中的信元需要等待中的信元需要等待经过仲裁后的信元不会再出现竞争经过仲裁后的信元不会再出现竞争输入排队模型输入排队模型传输交换媒体仲裁逻辑12N12N出线入线输入队列l每条入线一个缓冲队列每条入线一个缓冲队列l信元在入线排队信元在入线排队l交换传输媒体交换传输媒体l是一个无阻塞的传输网络是一个无阻塞的传输网络l仲裁逻辑仲裁逻辑决定可以得到服务的入线决定可以得到服务的入线仲裁策略仲裁策略l轮流服务、具有优先级（固轮流服务、具有优先级（固定优先级或队列长度优先等定优先级或队列长度优先等）输入排队的缺点输入排队的缺点l在入线处的队列将需要更多的缓冲容量在入线处的队列将需要更多的缓冲容量l存在队头阻塞（存在队头阻塞（HOL）在一个信元周期内，任一条出线都只能为一个信元在一个信元周期内，任一条出线都只能为一个信元提供输出服务，而选择该出线的其他信元必须在输提供输出服务，而选择该出线的其他信元必须在输入队列中等待入队列中等待若一条入线上的队列的排头信元因竞争失败而阻塞，若一条入线上的队列的排头信元因竞争失败而阻塞，该队列中的所有后续信元也被迫阻塞，即使该队列该队列中的所有后续信元也被迫阻塞，即使该队列中的后续信元所选择的出线当前是空闲的。中的后续信元所选择的出线当前是空闲的。一个信元周期内，通过交换传输媒体传输的信元数一个信元周期内，通过交换传输媒体传输的信元数 P 不超过交换单元的入线总数不超过交换单元的入线总数 N，即，即 P N。l在输入排队模型中，仲裁逻辑是必须的在输入排队模型中，仲裁逻辑是必须的l用于确定可以得到服务的入线用于确定可以得到服务的入线输出排队输出排队l基本思想基本思想l来自入线的信元可以自由通过交换传输媒体传送（交换）来自入线的信元可以自由通过交换传输媒体传送（交换）到所需的出线上，在出线上设置缓冲队列解决多信元对出到所需的出线上，在出线上设置缓冲队列解决多信元对出线的竞争。线的竞争。l实现方法实现方法在一个信元周期内，所有信元都可无需仲裁地从入在一个信元周期内，所有信元都可无需仲裁地从入线到达所需的出线线到达所需的出线每条出线配置一个队列，以便缓冲同时到达的竞争每条出线配置一个队列，以便缓冲同时到达的竞争该出线的多个信元该出线的多个信元一个信元周期内，一条出线只能为一个信元服务，一个信元周期内，一条出线只能为一个信元服务，未服务的信元将暂存在该出线的输出队列中未服务的信元将暂存在该出线的输出队列中输出排队模型输出排队模型传输交换媒体12N12N出线入线输出队列l交换传输媒体交换传输媒体无阻塞的传输网络，信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑无阻塞的传输网络，信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑l每出线配置一个缓冲队列每出线配置一个缓冲队列信元在出线处排队，采用信元在出线处排队，采用 FIFO 原则，保证信元的顺序原则，保证信元的顺序输出排队的优缺点输出排队的优缺点l设置在出线上的队列所需的缓冲空间较小设置在出线上的队列所需的缓冲空间较小l去往同一条出线的多个信元可以在同一个信元去往同一条出线的多个信元可以在同一个信元周期内交换到出线上，不存在队头阻塞周期内交换到出线上，不存在队头阻塞l不需要仲裁逻辑不需要仲裁逻辑l为保证没有信元丢失，在传输交换媒体中信元为保证没有信元丢失，在传输交换媒体中信元的传输交换的速率必须的传输交换的速率必须 N 倍于入线的速率倍于入线的速率l输出排队策略对缓冲器的访问速度要求很高输出排队策略对缓冲器的访问速度要求很高l在一个信元周期内需要对队列缓冲器进行在一个信元周期内需要对队列缓冲器进行 N 次信元写操次信元写操作和一次信元读操作。作和一次信元读操作。l基本思想基本思想l为了减少整个交换单元所需的总缓冲容量，在为了减少整个交换单元所需的总缓冲容量，在基本交换单元中设置一个共享的队列缓冲器，被基本交换单元中设置一个共享的队列缓冲器，被所有的入线和出线所公用。所有的入线和出线所公用。l实现方法实现方法在基本交换单元的中央设置一个队列缓冲器，被所在基本交换单元的中央设置一个队列缓冲器，被所有的入线和出线所共享有的入线和出线所共享来自所有入线上的全部信元都直接存入中央队列来自所有入线上的全部信元都直接存入中央队列各出线从中央队列中查找目的地为其自身的信元，各出线从中央队列中查找目的地为其自身的信元，依照先进先出的原则取出并发送依照先进先出的原则取出并发送中央排队中央排队中央排队模型中央排队模型交换传输媒体I12N12N出线入线中央队列传输交换媒体IIl共享的中央队列被入线和出线所公用共享的中央队列被入线和出线所公用l交换传输媒体分为两部分交换传输媒体分为两部分l输入信元通过交换传输媒体输入信元通过交换传输媒体 I 进入中央队列排队；再通过进入中央队列排队；再通过输入信元通过交换传输媒体输入信元通过交换传输媒体 II 输出到出线。信元通过传输输出到出线。信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑。媒体时无需仲裁逻辑。中央排队的优缺点中央排队的优缺点l中央队列被所有入线和出线共享，提高了缓冲中央队列被所有入线和出线共享，提高了缓冲器的利用率，因此大大减少队列缓冲器的总容器的利用率，因此大大减少队列缓冲器的总容量量l交换单元的控制管理复杂交换单元的控制管理复杂出线必须能够通过某种查找机制，从中央队列中找出线必须能够通过某种查找机制，从中央队列中找出准备输出到出线的信元出准备输出到出线的信元必须保证中央缓冲器中的各逻辑队列具有先进先出必须保证中央缓冲器中的各逻辑队列具有先进先出的顺序的顺序由于对中央缓冲器的信元读写是完全随机的，因此由于对中央缓冲器的信元读写是完全随机的，因此需要一套复杂的存储器管理系统需要一套复杂的存储器管理系统基本交换模块的类型基本交换模块的类型l基于矩阵结构的交换单元（空分交换，基于矩阵结构的交换单元（空分交换，Crossbar）所有的输入线和输出线互连构成矩阵网格，信元所有的输入线和输出线互连构成矩阵网格，信元通过网格接点并行传送。通过网格接点并行传送。l基于时分复用结构的交换单元基于时分复用结构的交换单元输入线和输出线通过时分复用的方式共享传输介输入线和输出线通过时分复用的方式共享传输介质或存储介质，从而实现信元交换。质或存储介质，从而实现信元交换。基于时分复用结构的交换单元又可分为：基于时分复用结构的交换单元又可分为：l共享总线式交换单元共享总线式交换单元l环型交换单元环型交换单元l中央存贮式交换单元中央存贮式交换单元交换结构中的资源冲突交换结构中的资源冲突Output port contention交换结构中的资源冲突交换结构中的资源冲突Internal Line Blocking交换结构中的资源冲突交换结构中的资源冲突引起引起Head Of Line Blocking交换结构的分类交换结构的分类按外部特性按外部特性内部无阻塞型：如果一个外部输入端和一个外部输出内部无阻塞型：如果一个外部输入端和一个外部输出端是空闲的，则一定可以找到空闲的内部通道将输入端是空闲的，则一定可以找到空闲的内部通道将输入端和输出端连接起来。端和输出端连接起来。内部阻塞型：如果一个外部输入端和一个外部输出端内部阻塞型：如果一个外部输入端和一个外部输出端是空闲的，不一定可以找到空闲的内部通道将输入端是空闲的，不一定可以找到空闲的内部通道将输入端和输出端连接起来。和输出端连接起来。交换结构的分类时分复用交换时分复用交换l交换结构中的内部资源被所有从输入到输出的信元分时共享，即时分复用。这种内部资源可以是一个总线，也可以是一个缓存。l时分复用交换结构可以分为共享媒介型和共享缓存型。共享媒介可以是总线或环。交换结构的分类空分交换空分交换l在时分复用交换中，所有从输入端到输出端的信元经过的是同一个通道。在空分交换中，从输入端到输出端有多条通道，这些通道可以同时工作，多个信元可以同时从输入端到输出端。空分交换结构的交换容量等于通道的带宽乘以可以同时工作的通道数目。因此，扩容的方法就是提高通道的带宽和提高可以同时工作的通道数目。l空分交换又分为单路径和多路径。单路径空分交换结构中，从一个输入端到一个输出端，只有一条路径；多路径空分交换结构中，则有多条。空分多路径交换结构交换结构分类按缓存位置缓存在输入端的缓存在输入端的Crossbar缓存在交叉点的缓存在交叉点的Crossbar基于矩阵结构的交换单元ICICICIC123NOCOCOCOC12N3环型交换单元环型交换单元ICIC12ICNOCOCOC12N端口速率 K，环速率 R 可小于 NxK环型介质时隙环型交换单元环型交换单元l环式拓扑结构，所有环式拓扑结构，所有 IC 和和 OC 通过环型介质连接通过环型介质连接环上划分多个时隙（环上划分多个时隙（slot），每个时隙可装载一定量的信息），每个时隙可装载一定量的信息一个信元周期中，多个一个信元周期中，多个 IC 可以利用介质环上的不同时隙来可以利用介质环上的不同时隙来传送信元传送信元介质的利用率高介质的利用率高介质的工作速率可以低于各输入端口的速率之和介质的工作速率可以低于各输入端口的速率之和介质环的工作速率越高，可划分时隙数越多，吞吐量越大介质环的工作速率越高，可划分时隙数越多，吞吐量越大l实现比总线式交换单元复杂实现比总线式交换单元复杂l提高环型介质的位宽，可增加交换单元的吞吐率提高环型介质的位宽，可增加交换单元的吞吐率l输出端口需要增加缓冲存储器（输出排队）输出端口需要增加缓冲存储器（输出排队）l输入端口需要信元缓冲器，用于信元暂存和速率匹配输入端口需要信元缓冲器，用于信元暂存和速率匹配ICIC12ICNOCOCOC12N共享存储器中央存贮式交换单元中央存贮式交换单元中央存贮式交换单元中央存贮式交换单元lIC 和和 OC 以时分复用方式共享存储器以时分复用方式共享存储器l中央排队模型中央排队模型l输入信元通过输入信元通过 IC 写入公共缓冲存储器中，写入公共缓冲存储器中，OC 也从公共缓冲存储器中读取信元，存贮器的控也从公共缓冲存储器中读取信元，存贮器的控制比较复杂制比较复杂l大大节省存储空间，但缓冲存储器的访问速度大大节省存储空间，但缓冲存储器的访问速度很高很高l采用提高信息处理位宽的方式来降低存贮器访采用提高信息处理位宽的方式来降低存贮器访问速率，即在问速率，即在IC 和和 OC 中完成信元数据的串中完成信元数据的串-并并/并并-串转换串转换中央存贮式交换单元中央存贮式交换单元ICIC12ICNOCOCOC12NMUXDEMUX共享存储器存储器控制器4.6.2 单级交换网络单级交换网络l单级交换网络的特征：单级交换网络的特征：信元从输入到输出的过信元从输入到输出的过程中，只需要经过一次确定传输路径的过程程中，只需要经过一次确定传输路径的过程l单级结构的交换网络包括：单级结构的交换网络包括：扩展交换矩阵网络扩展交换矩阵网络混合式互换网络混合式互换网络扩展交换矩阵网络扩展交换矩阵网络NxNNxNNxNNxNNxNNxNNxNNxNNxNNNNNNN01M-101M-1输入端口输出端口（NxM）队列缓存混合式互换网络混合式互换网络0123456701234567输入端口输出端口反馈回路4.6.3 多级交换网络多级交换网络多级互连网（多级互连网（MIN）l由基本交换模块构成由基本交换模块构成2x2 到到 32x32使用大规模的基本交换模使用大规模的基本交换模块可以减少交换机构的级块可以减少交换机构的级数数 l交换网络中信元从输入端交换网络中信元从输入端到输出端至少需要经过两到输出端至少需要经过两次以上的过程来确定传输次以上的过程来确定传输路径路径l入线到出线的全连通性入线到出线的全连通性l内部通路的共享内部通路的共享基本交换模块3-stage MIN多级互连网的路由标签多级互连网的路由标签l信元在信元在 MIN 中从入线到出线所走过的路由可以中从入线到出线所走过的路由可以用一串数字来表示，即称为用一串数字来表示，即称为路由标签路由标签012345678910111213141501234567891011121314150010001001100110交换网络（交换网络（MIN）中的路由）中的路由lMIN 需要解决的关键性问题需要解决的关键性问题 路由选择路由选择l可以根据两个标准来划分可以根据两个标准来划分 MIN 中的选路方法中的选路方法根据路由信息安放的位置根据路由信息安放的位置根据完成选路决策的时间根据完成选路决策的时间l根据路由信息安放的位置根据路由信息安放的位置基于信元：信元自寻路基于信元：信元自寻路（self-routing）方式方式基于网络：路由表控制基于网络：路由表控制（routing table controlled）方式方式l根据完成选路决策的时间根据完成选路决策的时间基于连接：内部面向连接，路由在连接建立时确定基于连接：内部面向连接，路由在连接建立时确定基于信元：每个信元逐个进行路由选择基于信元：每个信元逐个进行路由选择如何确定路由方式如何确定路由方式l四种组合的路由选择的方法：四种组合的路由选择的方法：I：基于连接的路由标签：基于连接的路由标签II：基于信元的路由标签法：基于信元的路由标签法III：基于连接的路由表控制：基于连接的路由表控制IV：基于信元的路由表控制：基于信元的路由表控制l应采用的路由选择策略：应采用的路由选择策略：合理地将业务量分配到合理地将业务量分配到 MIN 中，使其内部阻塞率降低中，使其内部阻塞率降低l随机选择、根据目的地选择随机选择、根据目的地选择l路由选择机构的设计路由选择机构的设计集中式路由选择，由中央处理机进行通路搜寻集中式路由选择，由中央处理机进行通路搜寻分布式逐级选择，根据各交换单元的资源占用情况逐级分配分布式逐级选择，根据各交换单元的资源占用情况逐级分配l可同时使用多种路由选择方法，以达到最佳性能可同时使用多种路由选择方法，以达到最佳性能如将如将 II 类方法用于点到点通信，类方法用于点到点通信，IV 类方法用于广播和组播类方法用于广播和组播根据路由信息位置的选路划分根据路由信息位置的选路划分l基于信元的自寻路方式基于信元的自寻路方式路由信息存放在路由标签中，添加到每一个信元的前头路由信息存放在路由标签中，添加到每一个信元的前头路由标签包含路由标签包含 MIN 中各级的路由信息，并逐级被解析中各级的路由信息，并逐级被解析需在交换机构边缘设置存储器，以向各信元添加路由标签需在交换机构边缘设置存储器，以向各信元添加路由标签该方法增加了网络内部的带宽开销该方法增加了网络内部的带宽开销实现组播比较困难实现组播比较困难l基于网络的路由表控制方式基于网络的路由表控制方式在网络内部的每一级提供逐级的路由标记在网络内部的每一级提供逐级的路由标记（VPI/VCI）的翻的翻译功能译功能（针对（针对 VPI/VCI），或者也可采用全局路由控制表或者也可采用全局路由控制表在各交换单元中或在整个在各交换单元中或在整个 MIN 中，需要设置存储器来存中，需要设置存储器来存放路由信息放路由信息不增加网络内部的带宽开销，且易于实现广播和组播不增加网络内部的带宽开销，且易于实现广播和组播自寻路方式的路由选择自寻路方式的路由选择VPI/VCI 分析表 A X 1 1 0 1Input OutputRouting HeaderAcell11 0 1XRHcellXcell1101路由表控制的路由选择路由表控制的路由选择AEcellcell路由表 A B 1 I O R B C 1 I O R C D 0 I O R D E 1 I O R根据选路决策时间的选路划分根据选路决策时间的选路划分l基于连接的选路：仅在连接建立时进行一次路由选择基于连接的选路：仅在连接建立时进行一次路由选择内部面向连接，连接中所有信元使用相同的路由，可保证信元的顺序内部面向连接，连接中所有信元使用相同的路由，可保证信元的顺序在建立新连接时，需要分配内部资源，连接可能因资源不足而拒绝在建立新连接时，需要分配内部资源，连接可能因资源不足而拒绝若使用路由表控制法，需要在连接建立时更新网络中的各个路由表若使用路由表控制法，需要在连接建立时更新网络中的各个路由表资源基于单条链路共享资源基于单条链路共享l基于信元的选路：对每个信元逐个进行路由选择基于信元的选路：对每个信元逐个进行路由选择同一连接中的信元可使用不同的路径穿越同一连接中的信元可使用不同的路径穿越 MIN信元到达可能不能保证原有的顺序，因此需要重新排序信元到达可能不能保证原有的顺序，因此需要重新排序若使用路由表控制法，则需要具有全局意义的路由表若使用路由表控制法，则需要具有全局意义的路由表资源在所有链路上被共享资源在所有链路上被共享多级互连网的内部竞争多级互连网的内部竞争l在网络边缘，信元会因竞争在网络边缘，信元会因竞争输出线输出线而发生丢失而发生丢失lMIN 内部对内部资源的竞争也会造成信元丢失，即内内部对内部资源的竞争也会造成信元丢失，即内部阻塞部阻塞内部链路竞争出线竞争降低降低 MIN 内部阻塞的方法内部阻塞的方法l在交换机构中的各基本交换模块中设置队列缓在交换机构中的各基本交换模块中设置队列缓冲冲l提高提高 MIN 的内部信息处理的速率的内部信息处理的速率l在交换单元节点之间采用反压机制在交换单元节点之间采用反压机制l在入线和出线之间采用多平面平行网络在入线和出线之间采用多平面平行网络l在交换单元结点之间提供多条内部通路在交换单元结点之间提供多条内部通路多级互连网的分类多级互连网的分类l内部有阻塞的内部有阻塞的 MINl交换机构内部可能因竞争内部资源而发生信元丢失交换机构内部可能因竞争内部资源而发生信元丢失l内部无阻塞的内部无阻塞的 MINl交换机构内部没有信元丢失，但是交换机构的边缘（出交换机构内部没有信元丢失，但是交换机构的边缘（出线）上仍然有可能发生信元丢失线）上仍然有可能发生信元丢失内部有阻塞的内部有阻塞的 MINl信元在信元在 MIN 内部会竞争相同的资源内部会竞争相同的资源l内部链路、队列等内部链路、队列等l由于缺乏足够的资源，可能会造成信元的丢失由于缺乏足够的资源，可能会造成信元的丢失l通过一定的策略，信元丢失率可限制在通过一定的策略，信元丢失率可限制在 10-10 以以内内选择大小适当的基本交换单元选择大小适当的基本交换单元采用良好的互通策略采用良好的互通策略l内部有阻塞的交换网络内部有阻塞的交换网络:Banyan 网及其派生出来的子类网及其派生出来的子类无内部阻塞的多级互连网无内部阻塞的多级互连网lMIN 内部无信元丢失，但交换机的入口内部无信元丢失，但交换机的入口/出口出出口出存在信元丢失存在信元丢失l无内部阻塞的多级互连网分为两类：无内部阻塞的多级互连网分为两类：内部有缓冲队列，内部有缓冲队列，MIN 需要采用内部反压控制机需要采用内部反压控制机制防止内部队列发生溢出和信元丢失制防止内部队列发生溢出和信元丢失l如如 St.Louis 机构机构内部无缓冲，要求信元不能在交换机构的内部任何内部无缓冲，要求信元不能在交换机构的内部任何地方发生竞争地方发生竞争l如如 Batcher-Banyan 网网