V2 第6章 面向連接的快速分組交換

教學(xué)大綱要求：1.基本要求（1）掌握ATM的基本概念、ATM的工作原理。（2）了解ATM的協(xié)議參考模型。（3）了解ATM交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及基本原理。2.

重點(diǎn)、難點(diǎn)重點(diǎn)：ATM工作原理，協(xié)議參考模型。難點(diǎn)：ATM交換機(jī)制。3.

說(shuō)明以講述ATM交換技術(shù)為主，適當(dāng)介紹相關(guān)協(xié)議。第6章面向連接的快速分組交換1快速分組交換異步轉(zhuǎn)移模式ATM的工作原理和交換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

關(guān)于“面向連接的快速分組交換”

23

產(chǎn)生背景(1)80年代中期，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)字程控電話交換機(jī)廣泛采用，電話普及率達(dá)到較高的程度。結(jié)論是：電話業(yè)務(wù)趨于飽和，發(fā)展曲線相對(duì)平穩(wěn)。(2)對(duì)非電話業(yè)務(wù)的要求逐步提高，如用戶電報(bào)、數(shù)據(jù)通信、傳真、圖像等，相對(duì)來(lái)講更調(diào)整的業(yè)務(wù)還有：可視電話，會(huì)議電視等。(3)當(dāng)時(shí)(80年代初、中期)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀是：電話網(wǎng)與各專業(yè)網(wǎng)并存(4)人們要求對(duì)已有的業(yè)務(wù)進(jìn)行綜合(5)未來(lái)通信業(yè)務(wù)的多樣化以及人們對(duì)新業(yè)務(wù)的需求是不可預(yù)見(jiàn)的。結(jié)論：導(dǎo)致了ISDN的產(chǎn)生。ISDN4N-ISDN“窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)”(N－ISDN)，是以電話線為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，可以在一條普通電話線上提供語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖象等綜合性業(yè)務(wù)，提供經(jīng)濟(jì)、高速、多功能、覆蓋范圍廣、接入簡(jiǎn)單的通信手段。ISDNB-ISDN“寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）”，是指用戶線上的傳輸速率在2Mbit/s以上的ISDN。它是在窄帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（N-ISDN）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，其核心技術(shù)是采用ATM（異步轉(zhuǎn)移模式）。6.1.1快速分組交換56.1快速分組交換與異步轉(zhuǎn)移模式傳輸媒質(zhì)傳輸速率傳輸誤碼率網(wǎng)絡(luò)性能瓶頸傳統(tǒng)分組交換銅線-同軸電纜-雙絞線電纜幾十kbps10-4~10-6傳輸鏈路快速分組交換光纖幾Gbps<10-9節(jié)點(diǎn)交換機(jī)快速分組交換的基本設(shè)計(jì)思想6快速分組交換的基本設(shè)計(jì)思想是簡(jiǎn)化分組交換機(jī)的協(xié)議處理，將復(fù)雜性推向網(wǎng)絡(luò)邊緣，也就端系統(tǒng)。具體實(shí)現(xiàn)措施如下：簡(jiǎn)化協(xié)議，取消鏈路層的差錯(cuò)控制和流量控制。采用硬件實(shí)現(xiàn)分組轉(zhuǎn)發(fā)和并行處理技術(shù)。采用固定長(zhǎng)度的小分組。采用面向連接的分組交換方式。76.1.2異步轉(zhuǎn)移模式

ATM技術(shù)以分組傳送模式為基礎(chǔ)并融合了電路傳送模式的優(yōu)點(diǎn)發(fā)展而來(lái)，兼具分組傳送模式和電路傳送模式的優(yōu)點(diǎn)。

ATM主要技術(shù)特點(diǎn)：采用異步時(shí)分復(fù)用方式；采用了固定長(zhǎng)度的信元并簡(jiǎn)化了信頭功能；采用面向連接的工作方式；采用端到端差錯(cuò)控制和流量控制。6.1.3ATM的網(wǎng)絡(luò)組成8圖6-1ATM網(wǎng)絡(luò)的組成及接口6.1.3ATM的網(wǎng)絡(luò)組成9

節(jié)點(diǎn)和鏈路

端點(diǎn)

發(fā)送或接收信元的源站和目的站

中繼節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)接口

用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口（NNI）106.2ATM網(wǎng)工作原理

6.2.1ATM信元結(jié)構(gòu)

ATM信元是一種固定長(zhǎng)度的小分組，其標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為53字節(jié)。由5個(gè)字節(jié)的標(biāo)頭域和48字節(jié)的載荷域組成。載荷標(biāo)頭GFCVPIVCIPTHECVPIVCIPTHEC5484816381638121CLPUNINNI字節(jié)bitbit11

GFC(GenericFlowControl)：一般流量控制，長(zhǎng)度為4bit，通常置為0。用于接入的流量控制。

VPI(VirtualPathIdentifier):虛通道標(biāo)識(shí)，VPI字段在UNI接口上為8比特，在NNI接口上為12比特。

VCI(VirtualChannelIdentifier):虛信道標(biāo)識(shí)，是一個(gè)長(zhǎng)度為16比特的字段。PT(PayloadType)：載荷類型，表示48字節(jié)的信息段所承載的信息類型，3比特的字段，可以指示8種ATM信元凈荷類型。ATM信元結(jié)構(gòu)（續(xù)）13CLP（CellLossPriority）：信元丟棄優(yōu)先權(quán)，只有1個(gè)比特，CLP=0表示信元具有高優(yōu)先級(jí)，CLP=1表示信元具有低優(yōu)先級(jí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞時(shí)，首先丟棄CLP=1的信元。HEC（HeaderErrorControl）：信頭差錯(cuò)控制，共8比特，代表一個(gè)多項(xiàng)式，用來(lái)檢驗(yàn)信頭在傳輸中是否出錯(cuò)。ATM信元結(jié)構(gòu)（續(xù)）146.2.2ATM邏輯連接的建立與釋放

ATM采用面向連接的快速分組交換。在用戶信息開(kāi)始傳送之前，要先建立端到端的虛電路。

ATM的虛電路分為兩個(gè)級(jí)別：

虛通道(VirtualPath,VP)

虛通道標(biāo)示符VPI

虛信道(VirtualChannel,VC)虛信道標(biāo)示符VCI156.2.2ATM邏輯連接的建立與釋放

VP鏈路由VPI標(biāo)示。

VC鏈路用VPI+VCI標(biāo)識(shí)。結(jié)論：VPI和VCI不是端到端虛通道和虛通路的標(biāo)識(shí)符，VPI和VCI只具有局部意義。16ATM邏輯連接的建立與釋放AUNIUNINNINNIXYATM網(wǎng)絡(luò)連接建立SETUPCALLPROCEEDINGALERTINGCONNECTCONNECTACKSETUPCALLPROCEEDINGALERTINGCONNECTCONNECTACK雙方通信連接釋放RELEASERELEASECOMPLETERELEASERELEASECOMPLETEtB17矛盾設(shè)端點(diǎn)A與端點(diǎn)B通信，它們之間建立了一條邏輯連接。端點(diǎn)A必須給新建立的連接指派一個(gè)虛通路標(biāo)識(shí)符VCI，然而端點(diǎn)B可能同時(shí)接收其他一些端點(diǎn)發(fā)來(lái)的信元，這些端點(diǎn)都是獨(dú)立地選擇自己的VCI值。（）這樣，端點(diǎn)B很可能收到來(lái)自不同端點(diǎn)的但具有相同VCI的信元，結(jié)果使端點(diǎn)B無(wú)法確定這些信元的源端點(diǎn)。為了解決上述矛盾，最簡(jiǎn)單的方法就是使所有的VCI只在每一段物理鏈路上具有唯一的值。當(dāng)信元在一條虛通路上傳送時(shí)，每經(jīng)過(guò)一段鏈路，VCI值都可以改變。6.2.3虛通路標(biāo)識(shí)符和虛通道標(biāo)識(shí)符的轉(zhuǎn)換

1814234134232117352655AXYZB入端口入VPI出端口出VPI417235入端口入VPI出端口出VPI435326入端口入VPI出端口出VPI426255ATM網(wǎng)絡(luò)上述VCI值的分配和轉(zhuǎn)換方法有兩個(gè)好處。第一:使網(wǎng)絡(luò)具有良好的可擴(kuò)展性，因?yàn)榻o某一條虛鏈路分配一個(gè)VCI值并不需要網(wǎng)絡(luò)的全局信息。第二:使VCI值只具有局部意義可大大增加全網(wǎng)可分配的VCI值數(shù)目。19VCI/VPI向北京方向（用VPI=1標(biāo)識(shí)）的3個(gè)通信，兩個(gè)是數(shù)據(jù)通信，一個(gè)是電話通信（分別用VCI=4、5、6標(biāo)識(shí)）向廣州方向（用VPI=2標(biāo)識(shí)）的2個(gè)通信，一個(gè)是視頻通信，一個(gè)是電話通信（分別用VCI=5、6標(biāo)識(shí)）20VPC/VCCVPC（虛通道連接）和VCC（虛信道連接）

VCC（VirtualChannelConnection）是VCC端點(diǎn)之間的VC級(jí)端到端的連接，由多條VC鏈路串接而成，VCI（虛信道標(biāo)識(shí)）用來(lái)識(shí)別一條VC。

VPC（VirtualPathConnection）是VPC端點(diǎn)之間的VP級(jí)端到端的連接，由多條VP鏈路串接而成，VPI（虛通道標(biāo)識(shí)）用來(lái)識(shí)別一條VP。

VCC端點(diǎn)（VCCEndpoint）是VCC的起點(diǎn)和終點(diǎn)，是ATM層及其上層交換信元凈荷的地方，也就是信息產(chǎn)生的源點(diǎn)和被傳送的目的點(diǎn)。VPC端點(diǎn)（VPCendpoint）是VPC的起點(diǎn)和終點(diǎn)，是VCI產(chǎn)生，變換或終止的地方。21VPC/VCC虛信道連接（VCC）虛通道連接（VPC）VC鏈路VC鏈路VC鏈路VCIXVCIyVCIZVP鏈路VP鏈路VP鏈路VPIXVPIyVPIZ22ATM交換機(jī)對(duì)VPI/VCI的轉(zhuǎn)換VP交換和VC交換

VP交換是指僅變換VPI值而不改變VCI值的交換，即只進(jìn)行虛通道的交換，虛通道里面的虛信道并不進(jìn)行交換。23

VC交換是指VPI值與VCI值都要進(jìn)行改變的交換。因?yàn)樘撔诺朗前凑仗撏ǖ纴?lái)劃分的，當(dāng)虛信道交換時(shí)，其所屬的虛通道也要進(jìn)行交換，即虛通道和虛信道都要進(jìn)行交換。ATM交換機(jī)對(duì)VPI/VCI的轉(zhuǎn)換246.3ATM協(xié)議參考模型物理層ATM層ATM適配層AAL高層高層控制面用戶面管理面面管理層管理CSSARTCPMD6.3.1協(xié)議參考模型的層面結(jié)構(gòu)B-ISDN協(xié)議參考模型

B-ISDN協(xié)議參考模型由3個(gè)平面組成：用戶面、控制面、管理面用戶面（UserPlane）： 負(fù)責(zé)用戶信息的傳送及相關(guān)控制，采用分層結(jié)構(gòu)?？刂泼妫–ontrolPlane）： 提供尋址、路由選擇和呼叫連接控制的相關(guān)功能，主要涉及信令功能，也采用分層結(jié)構(gòu)。管理面（ManagementPlane）： 提供面管理與層管理兩種管理功能。面管理實(shí)現(xiàn)與整個(gè)系統(tǒng)有關(guān)的管理功能，并完成各個(gè)面之間的協(xié)調(diào)功能；層管理實(shí)現(xiàn)各層網(wǎng)絡(luò)資源與協(xié)議參數(shù)的管理，并處理各層中的操作與維護(hù)（OAM）信息流，面管理不分層，層管理是分層的。25B-ISDN協(xié)議參考模型B-ISDN協(xié)議參考模型的分層結(jié)構(gòu)含有4層，從下到上為：物理層、ATM層、ATM適配層（AAL：ATMAdaptationLayer）和高層。物理層主要用來(lái)完成傳輸信息的功能；ATM層主要完成交換、選路和復(fù)用的功能；ATM適配層負(fù)責(zé)將高層業(yè)務(wù)信息或信令信息適配成ATM流；高層是指根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特點(diǎn)所完成的高層功能或信令的高層處理。2627ATM協(xié)議參考模型下面三層功能一般流量控制、信頭產(chǎn)生/提取信元VPI/VCI翻譯、信元復(fù)用和分路信元速率解耦、HEC產(chǎn)生/驗(yàn)證信元定界、傳輸幀適配傳輸幀產(chǎn)生/恢復(fù)AALCSSARATM層TCPMD比特定時(shí)、物理媒質(zhì)匯聚分段與重組物理層6.3.2物理層

負(fù)責(zé)通過(guò)物理媒體正確、有效地傳送信元。物理層可進(jìn)一步劃分為2個(gè)子層：物理媒體子層（PMD—PhysicalMediumDependentsublayer）傳輸會(huì)聚子層（TC－TransmissionConvergencesublayer）。物理媒體相關(guān)子層(PMD:PhysicalMediumDependentsublayer)

功能：提供與傳輸媒體有關(guān)的機(jī)械和電氣接口，正確地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)比特，負(fù)責(zé)線路編碼、比特定時(shí)等功能。28傳輸匯聚子層（TC）傳輸匯聚子層（TC）的功能：①傳輸幀的產(chǎn)生/恢復(fù)與適配 在發(fā)送端要將信元流封裝成適合傳輸系統(tǒng)要求的幀結(jié)構(gòu)送到PMD子層，在接收端則將PMD子層送來(lái)的比特流（傳輸幀）恢復(fù)成信元流；并在信元流與傳輸幀轉(zhuǎn)換時(shí)完成格式的適配。②信頭差錯(cuò)控制（HEC:HeaderErrorControl） 信元的信頭中含有控制選路及其他的重要信息，必須對(duì)信頭信息進(jìn)行差錯(cuò)控制。為此，對(duì)信頭前４個(gè)字節(jié)作循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）。在發(fā)送端是按CRC算法生成１字節(jié)的HEC碼，在接收端按同樣算法進(jìn)行檢驗(yàn)。29傳輸匯聚子層（TC）（續(xù)）③信元定界和擾碼 信元定界（Celldelineation）是用一定的方法來(lái)識(shí)別信元的邊界。為防止信元的信息段出現(xiàn)偽HEC碼而影響正確的定界，可對(duì)信息段進(jìn)行擾碼(scrambling)操作，在接收端再以相反的操作進(jìn)行解擾（descrambling）。 30信元定界狀態(tài)圖6.3.3ATM層

ATM層的主要功能是負(fù)責(zé)信元的交換、選路和復(fù)用。信元的復(fù)用與交換 端點(diǎn)主要完成復(fù)用功能，包括發(fā)送端的復(fù)接和接收端的分接功能。 中繼節(jié)點(diǎn)主要完成交換功能。對(duì)信元標(biāo)頭進(jìn)行處理 發(fā)送端點(diǎn)要產(chǎn)生信元標(biāo)頭的前4個(gè)字節(jié)，第5字節(jié)HEC由TC子層加入。 交換機(jī)提取識(shí)別信元標(biāo)頭，并且要在更換VPI/VCI值后再生信元標(biāo)頭。 接收端點(diǎn)要在識(shí)別信元標(biāo)頭之后，根據(jù)VPI/VCI值，將48字節(jié)的載荷域分送給相應(yīng)的上一層(AAL層)實(shí)體。316.3.4ATM適配層(AAL)

AAL的功能 主要功能是將高層業(yè)務(wù)信息或信令信息適配成ATM信元流。它是ATM層與高層應(yīng)用（包括用戶面、控制面和管理面）之間的適配層，并支持高層與ATM層之間的適配：將高層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）映射到ATM信元的信息段或反之。AAL實(shí)體與對(duì)等層的AAL實(shí)體之間要交換信息，以實(shí)現(xiàn)AAL的功能。

AAL的業(yè)務(wù)分類

AAL的功能和規(guī)程與業(yè)務(wù)有關(guān)，不同的業(yè)務(wù)需要不同的AAL規(guī)程。為了減少AAL規(guī)程的數(shù)量，將業(yè)務(wù)按照以下３個(gè)特性進(jìn)行分類： ①源與終點(diǎn)之間的定時(shí)關(guān)系：需要或不需要(同步)； ②比特率：固定或可變； ③連接方式：面向連接或無(wú)連接。32AAL類型 為了適應(yīng)不同業(yè)務(wù)類型的需要，ITU-T定義了４類AAL：AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5。

AAL1規(guī)程用于支持Ａ類業(yè)務(wù)。

AAL2規(guī)程用于支持Ｂ類業(yè)務(wù)，適用于時(shí)延敏感的低速、可變長(zhǎng)度的短分組的傳送。

AAL3與AAL4原來(lái)是分開(kāi)的，后來(lái)合并為一類：AAL3/4，用來(lái)支持C/D兩類業(yè)務(wù)，即包括面向連接與無(wú)連接的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

AAL5可以看成是簡(jiǎn)化的AAL3/4，用來(lái)支持面向連接的C類業(yè)務(wù)（如幀中繼），傳送大的數(shù)據(jù)分組時(shí)效率較高，ATM網(wǎng)絡(luò)信令也采用AAL5。3334AAL向高層提供的四種服務(wù)服務(wù)類別A類B類C類D類AAL類型AAL1,AAL5AAL2,AAL5AAL3/4,AAL5AAL3/4,AAL5比特率恒定可變同步需要不需要連接方式面向連接無(wú)連接應(yīng)用舉例64kbit/s話音變比特率圖像面向連接數(shù)據(jù)無(wú)連接數(shù)據(jù) 四種AAL類型中，應(yīng)用最多的是AAL5和AAL1.前者能以最小的開(kāi)銷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和各種控制信令的適配；后者主要用于恒定比特率業(yè)務(wù)的適配。 AAL的基本結(jié)構(gòu)（續(xù)）

AAL的功能可以分為兩個(gè)邏輯子層：匯聚子層（CS：ConvergenceSublayer） 匯聚子層的主要功能是在AAL業(yè)務(wù)接入點(diǎn)（SAP）對(duì)高層提供AAL的服務(wù)，其具體功能與業(yè)務(wù)類型有關(guān)。分段和重組子層（SAR：SegmentationAndReassembly）

分段和重組子層可簡(jiǎn)稱為拆裝子層，其主要功能是將高層信息進(jìn)行分割，以適合于裝入ATM信元的信息段，或者反之。 不同的CS和SAR的組合，可得到不同的業(yè)務(wù)適配功能。按照不同業(yè)務(wù)類型的需要，CS還可以進(jìn)一步劃分為子層。35高層：則相當(dāng)于各種業(yè)務(wù)的應(yīng)用層或信令的高層處理。36B-ISDN376.4ATM交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及基本原理交換網(wǎng)絡(luò)(SwitchingFabric)：主要功能是中繼轉(zhuǎn)發(fā)，即實(shí)現(xiàn)信元從輸入端口到輸出端口的轉(zhuǎn)移。輸入輸出接口：包括UNI和NNI兩種接口，要實(shí)現(xiàn)物理層和ATM層的功能。交換控制器：主要完成信令適配層和信令高層的功能，包括信令的收發(fā)和處理，實(shí)現(xiàn)連接控制，包括即時(shí)的呼叫連接控制和永久、半永久連接的控制。

ATM交換機(jī)由內(nèi)部交換網(wǎng)絡(luò)、輸入輸出接口和交換控制器三部分組成。交換控制器1NN1……輸入輸出ATM交換機(jī)的基本工作過(guò)程從輸入端口接收比特流、提取有效信元、識(shí)別信元標(biāo)頭；根據(jù)信元的VPI/VCI值查找路由表，得到信元的輸出端口號(hào)、新的VPI/VCI值及其他內(nèi)容，形成交換機(jī)內(nèi)部信元；38根據(jù)路由標(biāo)簽Tag，將信元轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的輸出端口；在輸出端口刪除Tag，更換信元標(biāo)頭，發(fā)送到輸出鏈路上。路由標(biāo)簽53字節(jié)標(biāo)準(zhǔn)信元輸出端口號(hào)時(shí)延優(yōu)先級(jí)流量控制參數(shù)……11字節(jié)64字節(jié)內(nèi)部信元ATM交換機(jī)的基本工作過(guò)程39輸入端口號(hào)輸入信元VPI/VCI值輸出端口號(hào)新的VPI/VCI值其他（流量參數(shù)、時(shí)延優(yōu)先級(jí)等）1A2B1CND2A2E2C1CND1FNANDATM交換路由表ATM交換機(jī)的基本工作過(guò)程問(wèn)題：交換路由表的內(nèi)容是如何形成的呢？40對(duì)于永久、半永久連接，路由表項(xiàng)是網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體根據(jù)用戶的預(yù)訂預(yù)先確定的；對(duì)于即時(shí)連接，路由表項(xiàng)是在呼叫建立連接階段根據(jù)信令處理的結(jié)果確定的。6.4.1交換網(wǎng)絡(luò)的功能及分類

交換網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提供良好的性能，以保證所需的服務(wù)質(zhì)量，與服務(wù)有關(guān)的主要參數(shù)是信元丟失率、時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)。在ATM交換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，還要考慮連通性和吞吐率。連通性用連接阻塞率衡量。吞吐率定義為交換網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)輸出端口平均每個(gè)時(shí)隙所傳送的信元數(shù)。

交換網(wǎng)絡(luò)的基本功能：根據(jù)路由標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)信元的轉(zhuǎn)移，也就是將內(nèi)部信元從任意的輸入端口轉(zhuǎn)移到指定的一個(gè)或多個(gè)輸出端口。411.ATM交換網(wǎng)絡(luò)的分類

ATM交換網(wǎng)絡(luò)可以從不同的方面進(jìn)行分類。本節(jié)主要從時(shí)分與空分、單路徑與多路徑、單級(jí)與多級(jí)、阻塞與無(wú)阻塞等方面作概念性說(shuō)明。42

ATM交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可分為時(shí)分和空分兩大類。就交換體制而言，ATM交換屬于異步時(shí)分交換；但就ATM交換機(jī)的設(shè)備而言，其交換網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可以是時(shí)分的，也可以是空分的?？辗纸Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的交換仍然是時(shí)分交換。時(shí)分交換網(wǎng)絡(luò)的基本特征是所有輸入和輸出端口共享單一的高速通道?？辗纸粨Q網(wǎng)絡(luò)的基本特征是可以在多對(duì)輸入端口和輸出端口間同時(shí)并行地轉(zhuǎn)移信元。1.ATM交換網(wǎng)絡(luò)的分類(續(xù))43ATM交換結(jié)構(gòu)時(shí)分空分共享存儲(chǔ)器共享媒體單通路多通路總線型環(huán)型基于crossbar基于banyan擴(kuò)展banyan復(fù)份banyanBenesClos緩沖型無(wú)緩沖型矩陣型全互連型44單路徑的兩種典型結(jié)構(gòu)：基于Crossbar的結(jié)構(gòu)基于Banyan的結(jié)構(gòu)

Crossbar源于縱橫制電路交換機(jī)中的縱橫接線器，是一種開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)矩陣，其特點(diǎn)是交換結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度隨N2而增長(zhǎng)，N為入出端口數(shù)。Crossbar結(jié)構(gòu)又分為矩陣型和全互連型，Banyan結(jié)構(gòu)又分為內(nèi)部緩沖型和內(nèi)部無(wú)緩沖型。多路徑具有多種結(jié)構(gòu)，如Clos和Benes結(jié)構(gòu)。1.ATM交換網(wǎng)絡(luò)的分類(續(xù))45單級(jí)結(jié)構(gòu)和多級(jí)結(jié)構(gòu)Crossbar結(jié)構(gòu)是典型的單級(jí)結(jié)構(gòu)單一的共享總線或共享存儲(chǔ)器的時(shí)分交換模塊也屬于單級(jí)結(jié)構(gòu)多級(jí)結(jié)構(gòu)通常稱為多級(jí)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由分為若干級(jí)的多個(gè)交換單元以一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互連而成。空分的Banyan單路徑結(jié)構(gòu)和各種多路徑結(jié)構(gòu)都屬于多級(jí)結(jié)構(gòu)。Se可以采用基于Crossbar的結(jié)構(gòu)，也可以采用時(shí)分結(jié)構(gòu)ATM交換網(wǎng)絡(luò)的阻塞分為內(nèi)部阻塞和輸出沖突兩種情況。兩個(gè)或兩個(gè)以上的信元在傳送過(guò)程中要同時(shí)占用某一公用資源稱為競(jìng)爭(zhēng)或沖突。內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)是指兩個(gè)或多個(gè)信元同時(shí)爭(zhēng)搶交換網(wǎng)絡(luò)的同一內(nèi)部鏈路或緩沖器，輸出沖突是指兩個(gè)或多個(gè)信元同時(shí)爭(zhēng)搶同一輸出端口1.ATM交換網(wǎng)絡(luò)的分類(續(xù))46ATM交換網(wǎng)絡(luò)應(yīng)實(shí)現(xiàn)信元的選路和排隊(duì)功能。選路單路徑網(wǎng)絡(luò)不存在選路問(wèn)題，交換機(jī)內(nèi)部信元的路由標(biāo)簽只需指明輸出端口號(hào)即可。多路徑網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)每一連接需采用一定的方法從多條空閑路徑中選擇一條路徑。路由標(biāo)簽除了指明輸出端口號(hào)以外，還需指明從輸入到輸出所經(jīng)過(guò)的中間鏈路或指明第一級(jí)和所有中間級(jí)交換單元的輸出端口號(hào)。排隊(duì)排隊(duì)是解決內(nèi)部阻塞和輸出沖突的有效辦法。按照緩存器的位置，可以分為輸入排隊(duì)、輸出排隊(duì)和內(nèi)部排隊(duì)2.ATM交換網(wǎng)絡(luò)的功能47

ATM交換網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具備多播功能和優(yōu)先級(jí)控制功能。多播多播就是要通過(guò)交換網(wǎng)絡(luò)將一個(gè)端口輸入的某些信元傳送到多個(gè)目的端口。優(yōu)先級(jí)控制優(yōu)先級(jí)控制就是要根據(jù)信元的丟失優(yōu)先級(jí)和時(shí)延優(yōu)先級(jí)的高低來(lái)決定是否優(yōu)先傳送。2.ATM交換網(wǎng)絡(luò)的功能（續(xù)）6.4.2ATM時(shí)分交換網(wǎng)絡(luò)1.共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)采用共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的N*N交換網(wǎng)絡(luò)由復(fù)接器、共享存儲(chǔ)器和分接器組成。從各個(gè)輸入端口到達(dá)的內(nèi)部信元通過(guò)復(fù)接器形成單一的輸入信元流，然后寫(xiě)入共享存儲(chǔ)器。48存儲(chǔ)器復(fù)接分路12…N12…N共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)49為了避免寫(xiě)入和讀出發(fā)生沖突，在存儲(chǔ)器的高速輸入和輸出線路上采用同步時(shí)分復(fù)用技術(shù)。線路上構(gòu)成周期性的傳輸幀結(jié)構(gòu)，每幀除必要的幀頭標(biāo)志以外，包含了N個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙的長(zhǎng)度均等于內(nèi)部信元的長(zhǎng)度，時(shí)隙號(hào)與端口號(hào)對(duì)應(yīng)。這樣，在每一幀周期內(nèi)，給每一個(gè)端口傳送一個(gè)信元的機(jī)會(huì)。共享存儲(chǔ)器要有足夠高的處理速度，以便與信元流的輸入速率相適配。處理時(shí)間包括識(shí)別路由標(biāo)簽判定輸入信元應(yīng)編入哪個(gè)輸出隊(duì)列的時(shí)間以及共享存儲(chǔ)器的存取時(shí)間。其中影響處理速度的主要是存儲(chǔ)器的存取時(shí)間6.4.2ATM時(shí)分交換網(wǎng)絡(luò)(續(xù))50FIFOFIFOFIFOAFAFAF12N12N……TD-BUSTD-BUS：時(shí)分總線AF：地址過(guò)濾器FIFO：先進(jìn)先出存儲(chǔ)器共享總線結(jié)構(gòu)6.4.2ATM時(shí)分交換網(wǎng)絡(luò)(續(xù))2.共享媒質(zhì)結(jié)構(gòu)與共享存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)相似，共享媒質(zhì)結(jié)構(gòu)也是將所有輸入線上到達(dá)的信元同步地復(fù)用到公共的傳送媒體上（總線或環(huán)）。6.4.3基于Crossbar的交換結(jié)構(gòu)1.開(kāi)關(guān)矩陣型511234123412341234開(kāi)關(guān)矩陣型交換網(wǎng)絡(luò)(a)(b)6.4.3基于Crossbar的交換結(jié)構(gòu)2×2開(kāi)關(guān)的兩種狀態(tài)：bar狀態(tài)和cross狀態(tài)。52縱向輸入橫向輸出縱向輸出橫向輸入bar狀態(tài)cross狀態(tài)2×2開(kāi)關(guān)及其狀態(tài)6.4.3基于Crossbar的交換結(jié)構(gòu)2.全互連型在每個(gè)輸入與每個(gè)輸出之間都有一條分離的路徑，對(duì)于N×N的交換結(jié)構(gòu)，就有N2個(gè)路徑，因此又稱為N2分離路徑。53全互連型交換網(wǎng)絡(luò)……12N12N12NN21…6.4.4ATM多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)1.Banyan網(wǎng)絡(luò)

1973年提出，早先用于并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的互連，后用于分組交換。通常將由2×2的交換單元構(gòu)成的單通路網(wǎng)絡(luò)稱為Banyan網(wǎng)絡(luò)。

Banyan網(wǎng)絡(luò)是基于樹(shù)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但每一個(gè)交換單元卻是基于crossbar的結(jié)構(gòu)。2×2的交換單元也具有bar和cross兩種狀態(tài)。546.4.4ATM多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)(續(xù))558x8的3級(jí)Banyan網(wǎng)絡(luò)01234567012345676.4.4ATM多級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)(續(xù))2.Clos網(wǎng)絡(luò)

Clos網(wǎng)絡(luò)屬于多路徑網(wǎng)絡(luò)。可用于電路交換，也可用于快速分組交換。56Clos網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)1N/n1mn…1N/nmnmmnmnN/nmN/nN/nNN……6.4.5ATM交換網(wǎng)絡(luò)的信元緩存策略1.輸入緩存輸入緩沖是在交換結(jié)構(gòu)的每條入線上設(shè)置緩沖器，通常遵循FIFO排隊(duì)規(guī)則。572424242412341234輸入緩存及HOL阻塞現(xiàn)象1.輸入緩存（續(xù)）①排頭阻塞現(xiàn)象輸入緩沖方式存在排頭阻塞現(xiàn)象，從而使得吞吐率降低。所謂排頭阻塞現(xiàn)象，是指在發(fā)生出線競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，排列在競(jìng)爭(zhēng)中失敗的信元（處于排頭位置）之后的去向空閑出線的信元也不能傳送的現(xiàn)象。②減少FIFO阻塞現(xiàn)象，提高吞吐率的方法

輸入緩沖器采用FIRO規(guī)則排頭阻塞現(xiàn)象阻塞是由于FIFO規(guī)則引起，為此可采用按序進(jìn)入隨機(jī)取出（FIRO:FirstInRandomOut）的服務(wù)規(guī)則。當(dāng)某個(gè)輸入隊(duì)列的排頭信元在出線競(jìng)爭(zhēng)中失敗，可以依次再取出排列在其后的信元參與對(duì)其他輸出端口的競(jìng)爭(zhēng)。多重輸入緩沖方式多重輸入緩沖方式是在每條入線設(shè)置多個(gè)FIFO隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列對(duì)應(yīng)于1個(gè)輸出端口。58591→11→NN→1N→N………