ATM交换,ATM交换原理详细介绍

ATM交换,ATM交换原理详细介绍

随着Internet与多媒体技术的飞速发展，Web上的图像、音频、视频等多媒体内容越来越多，用户需要有更高的接人速率。而现有的电路交换和分组交换很难胜任宽带高速的交换任务。对于电路交换，当数据的传输速率及其突发性变化很大时，交换的控制就变得十分复杂；对于分组交换，当数据传输速率很高时，协议数据单元在各层的处理成为很大的开销，无法满足实时性很强的业务的时延要求。异步传输模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)就是建立在电路交换和分组交换基础上的一种新的交换技术，他可以很好地进行宽带信息交换。

1 ATM信元格式及速率

ATM传送信息的基本载体是ATM信元。ATM信元采用53B的固定长度，其中48B为数据，另附加5B作为信头。在信元交换过程中，主要是参照信头的内容对信元进行处理。信头内容在UNI和NNI中略有不同，如图1所示。

GFC(Generic Flow Contr01)：一般流量控制，只用于UNI接口，目前没用，置为0000。

VPI(Virtual Path Identifier)：虚通道标识，在一个接口上将若干个虚通路集中起来组成一个虚通道(VP)，并以虚通道为网络管理的基本单位。VPI在UNI中为8b，在NNI中为12b。

VCI(Virtual Channel Identifier)：虚通路标识，标识虚通道内的虚通路，VPI／VCI一起标识一个虚连接。

PTI(Payload Type)：载荷类型指示，用于指明信元中的载荷(数据域中携带的数据)类型。

CLP(Cell Loss Priority)：信元丢失优先级，用于拥塞控制。当网络出现拥塞时，首先抛弃CLP等于1的信元。

HEC(Header Error Contr01)：信元差错控制，用来检测信头中的错误，并可以纠正信头中的1 b差。HEC的另一个作用是用于信元定界，利用HEC字段和他之前的4B的相关性可识别出信头位置。HEC的功能在物理层实现。

2 ATM交换原理

与普通IP传输的非面向连接不同，ATM是一种面向连接的交换方式。ATM交换机是根据信元头的信息，基于信元完成的。一个ATM交换机可能只使用信元头的VPI部分，或只使用VCI部分，或者两个部分都使用来决定如何转发信元。其工作过程大致是；ATM交换机接收来自特定输入端口的、带有标记的VPI／VCI字段和表明属于特定虚电路的信元，然后检查路由表，从中找出从哪个输出端口转发该信元，并设置输出信元的VPI／VC!值。就像电话呼叫的例子，只使用信元头部的VPI字段进行ATM信元的大量交换是非常有用的。

ATM采用了虚连接技术，将逻辑子网和物理子网分离。类似于电路交换，ATM首先选择路径，在2个通信实体之间建立虚通路，将路由选择与数据转发分开，使传输中间的控制较为简单，解决了路由选择瓶颈问题。设立虚通路和虚通道两级寻址，虚通道是由两结点间复用的一组虚通路组成的，网络的主要管理和交换功能集中在虚通道一级，减少了网管和网控的复杂性。在一条链路上可以建立多个虚通路。在一条通路上传输的数据单元均在相同的物理线路上传输，且保持其先后顺序，因此克服了分组交换中无序接收的缺点，保证了数据的连续性，更适合于多媒体数据的传输。 在信头的各个组成部分中，VPI和VCI是最重要的了。这两个部分合起来构成了一个信元的路由信息，该信息表示这个信元从哪里来，到哪里去。为此常把这两个部分合起来记作VPI和VCI。ATM交换就是依据各个信元上的VPI和VCI，来决定把他们送到哪一条输出线上去。

每个ATM交换机建立一张对照表。对于每个交换端口的每一个VPI和VCI，都有对应表中的一个入口。当VPI和VCI分配给某一信道时，对照表将给出该交换机的一个对应输出端口以及用于更新信头的VPI和VCI值。

当某一信元到达交换机时，交换机将读出该信元信头的VPI和VCI值，并与路由对照表比较。当找到输出端口时，信头的VPI和VCI被更新，信元被发往下一段路程。

在ATM环境中，怎样使用VP和VC呢?VP就像一个能够携带许多VC(最多可达65 000条)的管道或通道，他可以是从交换机到交换机的虚拟线路，也可以是横穿ATM网络由终端到终端的所有线路。除了最大的专用局域网或广域网外，65 000条VC在当今是足够的。实际上支持复杂的VP并不需要这么多VC，许多ATMLAN发送点仅支持一条虚通道，即VPI＝0。当只有一条VP被支持时，他不用作端到端的连接，所以这里并不要求VC一定在给定的VP中，这样VC可连接任何一组站群而不受VP的影响。通常数据是在一条VC中传送的。另一方面，交换机在典型情况下，必须支持成百上千条不同的VP，最大可能支持上百万条不同的VC。通常客户系统希望能够提供给他们用户一条通过网络的专用VP，VP可以连接网络中任意2个端到端用户，若VP使用这种方式，则被称为一条虚通道连接(VPC)或称为一个“虚通道路径(VP Channel)”。他可以带有“永久虚拟线路(PVC，Permanent Virtual Circuits)”和“交换虚拟线路(SVC，Switched Virtual Circuits)”。如图2所示。

在一个VP通道中，系统用户可以建立PVC和SVC，而无需系统以任何方式参与，甚至系统的交换机也不必直接支持SVC。VP通道能够提供一条路径将公用网中不同的公司互相隔离开来。在使用公用ATM服务器的这条路径中，就需要用复合VP通道互联用户网络中的网点。

在公用ATM网络环境中，若系统不提供VP通道的能力(有些可能没有)，则系统只能提供PVC，这是因为交换机不能直接支持SVC(有些从不支持)，有些系统也不希望支持SVC(因为他使企业间帐目复杂化，并增加了保密数据的流量)。若无VP通道，系统通常在网络端点用VPI＝0，产生和结束PVC。如图3所示。

在公用网络中，PVC是用户提前申请并由系统建立的。PVC在对外连接"ATM网络设备"(如以太网或带ATM的FDDI转换器、ATM集线器)时是相当有用的。许多非ATM信号源可通过单个PVC动态多路复合返回到指定点。在ATM主机间使用PVC也可限制预定端点的通信。在公用网中这是符合要求的。

在专有网络(LAN或WAN)中，由于终端站可以自己申请建立SVC，所以SVC是站点之间的通信更可取的路径。这就是当今大多数专用非ATMLAN和WAN的工作方式。因此，占用网络ATM交换机必须直接支持SVC。但是，若终端站或边缘设备不支持SVC或是按要求不允许申请连接SVC，这时在专用网中有用PVC的，PVC必须由网络控制者提前建立。但由于路径是预定的，所以当网络出现故障时，PVC比SVC优越性差。故此，在专用网络中虚通道VP不重要甚至不需要了，如图4所示。

3 ATM交换机

在B-ISDN中，ATM交换机连接着用户线路和中继线路。在用户线路上和中继线路上传送的都是ATM信元。ATM信元交换机的通用模型及其原理如图5所示。其通用模型有一些输入线路和一些输出线路，通常在数量上相等(因为线路是双向的)。在每一个周期从每一输入线路取得一个信元(如果有的话)。通过内部的交换结构(switching fabric)，并且逐步在适当的输出线路上传送。从这一角度上看，ATM交换机是同步的。而且，他不关心信息的内容和形式。他简单地把信息分割成相同长度的分组，并给分组加上头部，以使分组能到达目的地。ATM信头只有很少的几项功能，这使其能被网络无时延地处理。

所有的ATM交换机都有2个共同的目标：一个是以尽可能低的丢失率交换所有的信元；另一个是决不能在虚电路上记录信元。可以说，ATM交换机的任务，就是根据ATM信头上虚通道标识符和虚通路标识符，把送人的ATM信元转送到相应的中继线或用户线上去。举例来说，用户A正在使用虚通道VPI；2、虚通路VCI=1向北京发送一幅图片；同时又在使用VPI=3、VCI＝1向北京发送一段语音；同时还在用VPI=4、VCI＝2从深圳接收数据。那么，交换机就应该把从用户线A上收到的VPI＝2、VCI＝1的ATM信元转送到中继线C上，把从用户线A上收到的VPI=3、VCI＝1的ATM信元也转送到中继线C上；同时把从中继线D上收到的VPI=4、VCI＝2的ATM信元转送到用户A上，如图6所示。

由于在B-ISDN上，用户线和中继线上传送的都是ATM信元，所以对ATM交换机来说，可以在许多情况下对中继线和用户线不予区分，这样就可以得到一个抽象的ATM模型。联接在这个交换机模型上的一部分线路向这个交换机抄送出ATM信元，因而叫做这个交换机的入线；另一部分线路则从这个交换机接收ATM信元，因而叫做这个交换机的出线。ATM交换机的功能就是根据送人的ATM信元的VPI和VCI，把他们送到相应的出线上去。

为了完成上述ATM信元的工作，一个ATM交换机一般由3个基本部分构成：入线处理和出线处理部分、ATM交换单元、ATM控制部分。其中，ATM交换单元完成交换动作；ATM控制单元对ATM交换单元的动作进行控制；入线处理部分对各入线上的ATM信元进行处理，使他们成为适合送入ATM交换单元的形式；出线处理部分对ATM交换单元送出的ATM信元进行处理，使他们成为适合于传输的形式。

我们知道，在通信线路上常常是传送一个比特一个比特的串行信号，而在ATM交换单元中为了提高速度，常常需要一次读入若干比特的并行信号。因此，诸如串／并转换等功能，在入、出线处理部件里总是需要的。事实上，为了简化交换单元的设计，我们也总是把那些可以在入线和出线就能处理的事放人到人、出线处理部件上工作。

交换机的主要功能是提供一种方法，将来自输入端口的信元快速、有效地路由到输出端口。ATM交换设备将进行单个信元的输入处理、标头的转换以及输出处理。信元标头必须按输出端口的要求进行转换。为确保信元进入适当的物理链路，交换机必须对信员进行输出处理