寬帶網(wǎng)交換技術(shù)

1寬帶通信網(wǎng)信息與通信工程學(xué)院靳浩2寬帶通信網(wǎng)寬帶通信網(wǎng)技術(shù)發(fā)展概述ATM技術(shù)原理ATM的流量控制和擁塞控制技術(shù)寬帶網(wǎng)交換技術(shù)IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)IP網(wǎng)絡(luò)的QoS支持技術(shù)IP網(wǎng)絡(luò)安全與管理技術(shù)MPLS技術(shù)及其發(fā)展移動IP技術(shù)下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)3寬帶網(wǎng)交換技術(shù)ATM交換的定義及特點寬帶網(wǎng)業(yè)務(wù)對ATM交換結(jié)構(gòu)的影響ATM交換系統(tǒng)的構(gòu)成ATM基本交換結(jié)構(gòu)----排隊方式ATM基本交換結(jié)構(gòu)-----交換模塊ATM交換機構(gòu)和交換系統(tǒng)4ATM交換的定義及特點傳統(tǒng)交換與ATM交換的差異ATM交換系統(tǒng)的構(gòu)成ATM交換應(yīng)完成的基本功能ATM交換的定義ATM交換的基本原理5傳統(tǒng)交換與ATM交換的差異ATM出現(xiàn)以前的交換方式電路交換：基于STM原理的交換（如電話交換）分組交換(X.25、幀中繼等)這些技術(shù)不能直接適用于ATM交換，主要原因是ATM信息流的統(tǒng)計行為ATM具有極高的信息處理速度ATM信元的固定長度有限的信元頭功能不同用途的ATM交換系統(tǒng)差異很大6ATM交換系統(tǒng)的構(gòu)成ATM交換系統(tǒng)的應(yīng)用場合用于公用寬帶網(wǎng)的ATM交換系統(tǒng)（ATMCentralOffice）用戶的內(nèi)部專用網(wǎng)（ATMLAN）ATM交換系統(tǒng)的構(gòu)成傳輸部分（傳輸網(wǎng)）在入線與出線之間傳輸ATM信元的物理設(shè)備完成協(xié)議參考模型中用戶平面的功能控制部分在信令處理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對傳輸網(wǎng)進(jìn)行控制的設(shè)備完成協(xié)議參考模型中控制平面的功能7ATM交換系統(tǒng)的QOS參數(shù)傳輸網(wǎng)絡(luò)容量信元丟失率誤比特率信元時延信元時延抖動控制網(wǎng)絡(luò)呼叫處理能力（BHCA）呼叫建立時間呼叫釋放時間呼叫建立的阻塞概率呼損概率與傳統(tǒng)交換系統(tǒng)類似，ATM交換系統(tǒng)中，傳輸部分和控制部分分別有不同的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)。8ATM交換應(yīng)完成的基本功能信元交換ATM信元從一條入線上的某個邏輯信道上被傳送到一條或多條出線的不同邏輯信道上的過程。集中/復(fù)用把N條入線上的信息組合到M條出線上。集中：物理入線數(shù)>物理出線數(shù)（N>M）復(fù)用：把多個邏輯輸入通道統(tǒng)計復(fù)用到一條邏輯輸出通道上擴展/分路集中/復(fù)用的逆操作。9ATM交換的定義ATM交換的定義從一條邏輯ATM信道到一條或多條邏輯ATM信道的信息交換；而在該交換過程中，選擇可以在許多邏輯ATM信道中進(jìn)行。邏輯ATM信道以物理端口以及該物理端口上的邏輯信道來表征：邏輯ATM信道=物理端口+物理端口上的邏輯信道物理端口號：表征了物理入線或出線物理端口上的邏輯信道：由虛通路/虛信道標(biāo)識(VPI/VCI)表征ATM交換功能的組成時分交換、空分交換、信元頭交換（翻譯）10ATM交換的基本功能空分交換功能一條物理入線上的信息交換到另一條物理出線上。時分交換功能將物理入線上一個邏輯信道上的信息交換到對應(yīng)物理出線上的另一個邏輯信道上。信元頭交換（翻譯）一個邏輯ATM信道上的信元利用空分交換和時分交換,被交換到另一個邏輯ATM信道上時，其輸入信元的信元頭內(nèi)容也將同時會被翻譯成一個與輸出邏輯ATM信道相對應(yīng)的信元頭輸出值。11空分交換功能空分交換功能將信息從一條物理入線交換到到另一條物理出線上空分交換中的關(guān)鍵問題——

路由選擇（routing）在交換機內(nèi)部，信息如何選擇一條路由從入線到達(dá)出線空分交換ab::123Nc4ba::123Mc412時分交換功能時分交換功能入線上某邏輯信道中的信息被交換到出線上另一個邏輯信道是邏輯信道（VP/VC）的交換（而不是固定幀時隙）存在競爭問題存在多個邏輯信道競爭物理出線上同一時間片的情況，必須引入排隊來解決競爭問題。排隊功能——ATM交換的一個重要功能時分交換abccabFrameFrame邏輯信道邏輯信道13ATM交換的基本原理akkablccmxxzyxyssQueueQueueQueue數(shù)據(jù)信頭翻譯表O1O2OqI1I2In輸入鏈路VCC輸出鏈路VCCI1xO1kyOqmzO2l::InxO1ayO2bsOqc信元頭輸入輸出信元數(shù)據(jù)信元頭信元頭翻譯信元被交換的同時，輸入信頭的值被翻譯成輸出信元頭的值。14ATM交換的基本功能空分交換功能——路由選擇時分交換功能——排隊功能信頭交換（翻譯）功能15業(yè)務(wù)對寬帶交換的要求寬帶業(yè)務(wù)的多樣性對寬帶ATM交換具有不同的要求，表現(xiàn)在以下方面：業(yè)務(wù)的信息速率從幾Kb/s到幾百Mb/s或更高時間行為特性恒定比特率或可變比特率實時或非實時性能語義透明性：信元丟失率、誤比特率時間透明性：交換時延、時延抖動其他性能參數(shù)：吞吐量、處理能力、連接阻塞廣播和組播功能16業(yè)務(wù)的信息速率對交換的要求寬帶業(yè)務(wù)的信息速率范圍很寬最低：幾Kbit/s（如遙測數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制）最高：幾百Mbit/s（如高清晰度電視150Mb/s）交換系統(tǒng)必須能夠交換多種信息速率的業(yè)務(wù)交換系統(tǒng)的接口速率都超過150Mbit/s例如，基于SDH的信元傳輸接口中有以下的速率等級：155.520Mb/s 光接口或電接口622.080Mb/s 光接口2488.320Mb/s 光接口在交換系統(tǒng)的內(nèi)部，信息處理的速率可能更高由于交換機內(nèi)部的信息復(fù)用，系統(tǒng)內(nèi)部的信息速率更高采用并行化的處理方式，可降低交換系統(tǒng)內(nèi)部信息速率17廣播和組播功能對寬帶交換的要求業(yè)務(wù)對寬帶交換的廣播和組播要求廣播：信息從一個源傳遞到所有的目的地組播：信息從一個源傳遞到一組特定的目的地典型應(yīng)用：電子郵件列表的分發(fā)、數(shù)字化圖象庫的訪問、電視分配傳統(tǒng)的電路交換的連接形式是點到點連接信息只能從一條邏輯信道交換到另一條邏輯信道上傳統(tǒng)的分組交換也不能支持廣播和組播功能業(yè)務(wù)對廣播和組播功能的需求對交換系統(tǒng)的影響ATM交換系統(tǒng)設(shè)計需要支持優(yōu)化的廣播和組播功能18交換系統(tǒng)性能參數(shù)的需求差異傳統(tǒng)交換系統(tǒng)吞吐能力誤比特率連接阻塞交換時延呼損概率ATM交換系統(tǒng)吞吐能力誤比特率連接阻塞交換時延呼損概率信元丟失率信元誤插率時延抖動19吞吐能力和誤比特率影響交換系統(tǒng)的吞吐能力和誤比特率的因素信息吞吐能力取決于：系統(tǒng)的信息處理速率、系統(tǒng)的規(guī)模、系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)和工藝信令處理能力取決于：交換系統(tǒng)中控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計系統(tǒng)誤比特率取決于：實現(xiàn)中所采用的技術(shù)和工藝提高系統(tǒng)吞吐能力、控制誤比特率的方法在系統(tǒng)設(shè)計中，可以采用以下的方法來獲得很高的吞吐能力，同時將誤比特率保證在可接受的范圍內(nèi)：采用新技術(shù)、新工藝和新型高速器件合理的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高整體性能20連接阻塞連接阻塞的概念建立ATM連接時，在交換機內(nèi)部有需要有足夠的資源來保證新建連接的質(zhì)量，這些資源包括：帶寬、VPI/VCI、信頭、標(biāo)簽……系統(tǒng)不能保證所有的新建連接都能獲得所需的資源；在連接建立時，若交換系統(tǒng)在邏輯入線和出線之間找不到足夠的資源，就出現(xiàn)連接阻塞，新建連接的請求被拒絕；連接阻塞的概率取決于交換系統(tǒng)中出現(xiàn)資源不足的概率；交換系統(tǒng)的連接阻塞特性由其系統(tǒng)設(shè)計所決定。根據(jù)連接阻塞特性，可將交換系統(tǒng)分為：不存在內(nèi)部連接阻塞的交換系統(tǒng)存在內(nèi)部連接阻塞的交換系統(tǒng)21連接阻塞交換系統(tǒng)的內(nèi)部實現(xiàn)不一定是面向連接的不存在內(nèi)部連接阻塞的交換系統(tǒng)內(nèi)部不需要面向連接傳輸網(wǎng)內(nèi)部存在足夠的資源，不會出現(xiàn)內(nèi)部阻塞新建連接總是可以接受，無需檢查內(nèi)部資源新建連接仍然可能由于外部鏈路資源的不足而被阻塞存在內(nèi)部連接內(nèi)部阻塞的交換機系統(tǒng)通常內(nèi)部實現(xiàn)面向連接建立新連接時必須分配內(nèi)部資源在內(nèi)部資源不足時會發(fā)生連接阻塞其阻塞率由交換系統(tǒng)的容量設(shè)計決定22信元丟失/誤插率產(chǎn)生信元丟失和誤插的原因ATM基于統(tǒng)計復(fù)用交換系統(tǒng)中隊列技術(shù)的采用在某瞬間，交換系統(tǒng)中會出現(xiàn)大量信元競爭同一鏈路的情況，這時可能會導(dǎo)致隊列溢出，引起信元丟失。交換系統(tǒng)路由選擇機制的錯誤ATM信元在交換系統(tǒng)內(nèi)部被錯選了路由會造成信元誤插。ATM交換系統(tǒng)對信元丟失/誤插率的要求為保證語義透明性，信元丟失/誤插率應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)ATM交換機的信元丟失率一般在10-8

至10-11之間信元誤插率一般要小于信元丟失率的千分之一23信元丟失/誤插率根據(jù)是否存在內(nèi)部信元丟失，交換系統(tǒng)分為：無內(nèi)部阻塞的交換系統(tǒng)交換結(jié)構(gòu)的設(shè)計使系統(tǒng)中不會出現(xiàn)內(nèi)部資源的競爭系統(tǒng)內(nèi)部不會丟失ATM信元信元的丟失僅可能發(fā)生在交換系統(tǒng)的入線或出線處有內(nèi)部阻塞的交換系統(tǒng)存在內(nèi)部資源競爭由于可用內(nèi)部資源的缺乏，可能導(dǎo)致ATM信元的丟失采用良好的系統(tǒng)設(shè)計策略，可將信元阻塞概率控制在一定范圍內(nèi)24交換時延和時延抖動交換時延交換時延是交換系統(tǒng)完成ATM信元交換的時間交換時延是保證時間透明性、體現(xiàn)交換機性能的重要因素典型的ATM交換時延應(yīng)在10μs到1000μs時延抖動信元交換時延的變化值時延的抖動值小于幾百微秒時延抖動的表示方法常用分位點定義分位點：即交換時延超過某值的概率，例如10-10分位點上的100μs的抖動，其含義是交換時延超過100μs的概率小于10-1025VP交換與VC交換ATM交換在交換節(jié)點處完成，其過程包括：信息從交換節(jié)點的入線交換到出線；將輸入VPI/VCI值交換為輸出VPI/VCI值。ATM連接分為VPC和VCC，相應(yīng)地，ATM交換分為兩類：

VP交換又稱交叉連接(cross-connect)，相應(yīng)的設(shè)備稱為交叉連接設(shè)備；只提供VP連接的交換，實現(xiàn)輸入VPI值到輸出VPI值的映射；被交換的VPC中所包含的所有VCC被作為整體被交換；用于骨干網(wǎng)中大量VCC的成組交換，通常不需信令功能，通過網(wǎng)管控制。

VC交換功能涵蓋了VP交換；除提供VP交換外，還提供不同VPC中各VCC之間的信息交換；實現(xiàn)輸入VPI/VCI值到輸出VPI/VCI值的映射。26VP交換VP交換VPI=1VPI=3VPI=5VPI=2VPI=4VPI=6VCI=1VCI=2VCI=3VCI=4VCI=5VCI=6VCI=3VCI=4VCI=5VCI=6VCI=1VCI=227VC交換VC交換VP交換VCI=1VCI=2VCI=1VCI=2VCI=3VCI=4VCI=1VCI=21243VPI=1VPI=4VPI=5VPI=2VPI=328思考題ATM交換需要具備的基本功能是什么？簡述ATM交換的基本工作原理。對ATM交換性能的評價參數(shù)有哪些？29ATM交換系統(tǒng)的構(gòu)成ATM交換機構(gòu)基本交換模塊交換機構(gòu)由相同的基本交換模塊以特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互連而成設(shè)計中需要解決的主要問題——

路由選擇基本交換模塊用于構(gòu)造交換機構(gòu)的最小通用模塊設(shè)計中需要解決的主要問題——

排隊問題30一些術(shù)語的定義基本交換模塊(BasicSwitchingBuildingBlock)也稱為交換單元，是用于構(gòu)造ATM交換機構(gòu)的最小通用模塊，相同的基本交換模塊可組成交換機構(gòu)。交換機構(gòu)(SwitchingFabric)由相同的基本交換模塊以特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互連而成，只有在基本交換模塊和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯_定的情況下，才能定義交換機構(gòu)。交換系統(tǒng)(SwitchingSystem)可用于ATM信元交換的設(shè)備稱為ATM交換系統(tǒng)或ATM交換機。一般地，交換系統(tǒng)可以由相同或不同的ATM交換單元或ATM交換機構(gòu)構(gòu)成。31基本交換模塊的結(jié)構(gòu)ATM交換功能由交換機構(gòu)完成交換機構(gòu)由基本交換模塊構(gòu)成基本交換模塊的構(gòu)成入線控制器（IC）出線控制器（OC）物理傳輸網(wǎng)絡(luò)，由VLSI構(gòu)成的信元高速傳輸交換通路ICIC傳輸網(wǎng)絡(luò)OCOC32基本交換模塊基本交換模塊的容量規(guī)模：從2x2到16x16信息速率：從155Mbit/s、622Mbit/s到2.5Gbit/s基本交換模塊的容量（規(guī)模和信息速率）決定于：采用的技術(shù)工藝、設(shè)計的集成化程度基本交換模塊的基本功能——

排隊功能基本交換模塊是一個統(tǒng)計復(fù)用器在基本交換模塊內(nèi)部會出現(xiàn)競爭多個信元需要同時使用相同資源（如內(nèi)部線路、出線等）在出現(xiàn)競爭時，需要對沖突的信元進(jìn)行緩沖（排隊）若交換模塊是內(nèi)部完全無阻塞的，則不需要內(nèi)部緩沖為了解決對相同出線的競爭，必須在基本模塊內(nèi)提供排隊功能33ATM基本交換結(jié)構(gòu)----排隊方式排隊策略輸入排隊輸出排隊中央排隊三種排隊策略的性能分析排隊策略對物理實現(xiàn)的要求34排隊策略信元排隊和緩沖是基本交換模塊的基本功能；根據(jù)交換單元的結(jié)構(gòu)和所需的信息速率，可以在交換單元的入線、出線或單元內(nèi)部設(shè)計信元的緩沖隊列；根據(jù)緩沖器在交換單元中的物理位置劃分在交換單元中可采用三種排隊策略：輸入排隊輸出排隊中央排隊35輸入排隊基本思想在交換單元的輸入端解決可能的競爭問題。實現(xiàn)方式為每一條入線配置一個緩沖隊列，信元在隊列中排隊；在一個信元周期內(nèi)，如果出現(xiàn)多個入線上的信元競爭同一出線時，則由一個仲裁邏輯來決定哪些入線隊列中的信元是允許通行的，而其他隊列中的信元需要等待；經(jīng)過仲裁后的信元不會再出現(xiàn)競爭。36輸入排隊模型傳輸交換媒體仲裁邏輯12N12N出線入線輸入隊列每條入線一個緩沖隊列信元在入線排隊交換傳輸媒體是一個無阻塞的傳輸網(wǎng)絡(luò)仲裁邏輯決定可以得到服務(wù)的入線仲裁策略輪流服務(wù)、具有優(yōu)先級（固定優(yōu)先級或隊列長度優(yōu)先等）37輸入排隊的缺點在入線處的隊列將需要更多的緩沖容量存在隊頭阻塞（HOL）在一個信元周期內(nèi)，任一條出線都只能為一個信元提供輸出服務(wù)，而選擇該出線的其他信元必須在輸入隊列中等待;若一條入線上的隊列的排頭信元因競爭失敗而阻塞，即使該隊列中的后續(xù)信元所選擇的出線當(dāng)前是空閑的,該隊列中的所有后續(xù)信元也被迫阻塞；一個信元周期內(nèi)，通過交換傳輸媒體傳輸?shù)男旁獢?shù)P不超過交換單元的入線總數(shù)N，即PN。在輸入排隊模型中，仲裁邏輯是必須的用于確定可以得到服務(wù)的入線38輸出排隊基本思想來自入線的信元可以自由通過交換傳輸媒體傳送（交換）到所需的出線上，在出線上設(shè)置緩沖隊列解決多信元對出線的競爭。實現(xiàn)方法在一個信元周期內(nèi)，所有信元都可無需仲裁地從入線到達(dá)所需的出線;每條出線配置一個隊列，以便緩沖同時到達(dá)的競爭該出線的多個信元;一個信元周期內(nèi)，一條出線只能為一個信元服務(wù)，未服務(wù)的信元將暫存在該出線的輸出隊列中。39輸出排隊模型傳輸交換媒體12N12N出線入線輸出隊列交換傳輸媒體無阻塞的傳輸網(wǎng)絡(luò)，信元通過傳輸媒體時無需仲裁邏輯每出線配置一個緩沖隊列信元在出線處排隊，采用FIFO原則，保證信元的順序40輸出排隊的優(yōu)缺點設(shè)置在出線上的隊列所需的緩沖空間較??；去往同一條出線的多個信元可以在同一個信元周期內(nèi)交換到出線上，不存在隊頭阻塞；不需要仲裁邏輯；為保證沒有信元丟失，在傳輸交換媒體中信元的傳輸交換的速率必須N倍于入線的速率；輸出排隊策略對緩沖器的訪問速度要求很高。在一個信元周期內(nèi)需要對隊列緩沖器進(jìn)行N次信元寫操作和一次信元讀操作。41基本思想為了減少整個交換單元所需的總緩沖容量，在基本交換單元中設(shè)置一個共享的隊列緩沖器，被所有的入線和出線所公用。實現(xiàn)方法在基本交換單元的中央設(shè)置一個隊列緩沖器，被所有的入線和出線所共享；來自所有入線上的全部信元都直接存入中央隊列各出線從中央隊列中查找目的地為其自身的信元，依照先進(jìn)先出的原則取出并發(fā)送。中央排隊42中央排隊模型交換傳輸媒體I12N12N出線入線中央隊列傳輸交換媒體II共享的中央隊列被入線和出線所公用交換傳輸媒體分為兩部分輸入信元通過交換傳輸媒體I進(jìn)入中央隊列排隊；再通過交換傳輸媒體II輸出到出線。信元通過傳輸媒體時無需仲裁邏輯。43中央排隊的優(yōu)缺點中央隊列被所有入線和出線共享，提高了緩沖器的利用率，因此大大地減少了隊列緩沖器的總?cè)萘?。交換單元的控制管理復(fù)雜出線必須能夠通過某種查找機制，從中央隊列中找出準(zhǔn)備輸出到出線的信元；必須保證中央緩沖器中的各邏輯隊列具有先進(jìn)先出的順序；由于對中央緩沖器的信元讀寫是完全隨機的，因此需要提供復(fù)雜的存儲器管理系統(tǒng)。44三種排隊策略的性能分析衡量排隊策略的性能參數(shù)信元丟失率信元的排隊時延所需隊列緩沖器的容量（物理實現(xiàn)參數(shù)）研究性能的方法在交換單元的輸入線上，給定一種特定的業(yè)務(wù)類型和業(yè)務(wù)量負(fù)荷，來研究不同排隊策略的性能。進(jìn)行排隊策略性能研究的手段直觀的分析建立數(shù)學(xué)模型計算機仿真45郵局中的輸入排隊模型一個郵局中有兩個服務(wù)窗口郵局大門相當(dāng)于一條入線兩個服務(wù)窗口相當(dāng)于兩條出線到達(dá)郵局的顧客都郵局門口排在一個隊列中相當(dāng)于輸入隊列隊列按照先進(jìn)先出原則服務(wù)隊頭的顧客被阻塞（等待）會導(dǎo)致隊中的其他顧客也得不到服務(wù)郵票寄信寄信郵票郵票郵票窗口郵寄窗口46郵局中的輸出排隊模型到達(dá)的顧客都直接進(jìn)入郵局，并根據(jù)自己的目的選擇排在一個服務(wù)窗口的隊列中顧客的選擇相當(dāng)于交換過程窗口隊列相當(dāng)于輸出隊列服務(wù)窗口的利用率得到提高顧客排隊的等待時間減少了各服務(wù)窗口的隊列相互獨立，在一個隊列中等待的顧客不會影響其他服務(wù)隊列中的顧客。郵票郵票郵票郵票窗口郵寄窗口寄信寄信寄信47郵局中的中央排隊模型輸出排隊要求每個服務(wù)窗口隊列有足夠的隊列座位相當(dāng)于最壞情況下的隊列長度為減少郵局中的座位總數(shù),所有服務(wù)窗口共享一個隊列相當(dāng)于在中央排隊可以減少總的隊列緩沖容量智能服務(wù)員在服務(wù)窗口空閑時，從隊列中找出下一個需要被服務(wù)的顧客服務(wù)員的功能對應(yīng)于一個復(fù)雜的控制邏輯郵票寄信寄信郵票郵票郵票窗口郵寄窗口寄信服務(wù)員48三種排隊策略的直觀分析平均等待時間對相同的外部業(yè)務(wù)負(fù)荷，輸入排隊的平均等待時間比其他兩種排隊策略更長隊列緩沖器需求輸入排隊需要最大中央排隊需要最少信元丟失率在隊列緩沖容量相同的情況下，輸入排隊的信元丟失率明顯高于輸出排隊和中央排隊的信元丟失率。49排隊策略的數(shù)學(xué)模型直觀分析的結(jié)論可以通過以下手段進(jìn)一步證明：數(shù)學(xué)解析模型計算機仿真建造數(shù)學(xué)解析模型時，假定：建模的交換單元的規(guī)模為：N入線/N出線入線的平均利用率為p即任意給定時隙（信元周期）內(nèi)信元到達(dá)入線的概率為p入線上信元到達(dá)的簡化模型每條入線上的信元到達(dá)基于不相關(guān)的一致性貝努里過程任一信元被尋址到任何一條出線的概率是相等的1/N50輸出排隊的解析結(jié)果通過推導(dǎo)，輸出排隊模型的平均等待時間為：輸出排隊模型的平均等待時間W

是入線上的輸入利用率p（負(fù)荷）的函數(shù);交換單元的規(guī)模N對平均等待時間的影響不大.51平均等待時間(cells)輸入利用率(p)1098765432100.20.40.60.81.00輸出排隊的平均等待時間平均等待時間與輸入利用率的關(guān)系N=∞N=4N=252輸出排隊模型的性能分析輸出排隊模型的平均等待時間與輸入負(fù)荷有關(guān)；在低負(fù)荷情況下，輸出排隊模型的性能很好；

平均隊列長度（平均等待時間）在幾個信元范圍內(nèi)當(dāng)輸入負(fù)荷超過0.8時，性能急劇下降；平均等待時間呈指數(shù)增長隊列長度也呈指數(shù)增長，并可能因溢出而造成信元丟失交換單元的規(guī)模N對輸出排隊模型的性能影響很??；采用基于輸出排隊原理的交換單元時，應(yīng)將輸入負(fù)荷控制在0.8以下，以獲得較好的性能。53輸入排隊模型的性能分析經(jīng)過推導(dǎo)，可證明采用輸入排隊模型的交換單元的性能是有限的：當(dāng)入線的負(fù)荷達(dá)到一定程度時，就會出現(xiàn)飽和;該模型所能達(dá)到的最大負(fù)荷為：輸入排隊模型的性能明顯低于輸出排隊;由于交換單元的交換能力所限，超過最大負(fù)荷部分的信元將被丟棄.54中央排隊模型的性能分析中央排隊模型的性能在平均等待時間特性上，中央排隊與輸入排隊完全相同中央排隊模型的優(yōu)點：能夠大量減少緩沖存儲器的容量；原因：由于對緩沖器的共享提高了存儲器的利用率。數(shù)學(xué)推導(dǎo)證明，中央排隊提高了緩沖的利用率，從而減少了對隊列緩沖器容量的需求.通過緩沖器大小與信元丟失率的關(guān)系可以反映出來55中央排隊策略的隊列大小輸出排隊和中央排隊中信元丟失率與隊列大小的關(guān)系每輸出鏈路的隊列大小

(cells)2040608010010-1010-810-610-410-2信元丟失率p=0.8p=0.9p=0.8p=0.9中央排隊輸出排隊5610203040506000.20.40.60.8交換規(guī)模(出線數(shù))存儲器減少率中央排隊策略的隊列大小

中央排隊與輸出排隊相比的隊列存貯器減少條件：信元丟失率10-9，p=0.8中央排隊所需的存儲器數(shù)量中央排隊比輸出排隊減少的存儲器數(shù)量減少率=57中央排隊策略的性能在保證相同信元丟失率的條件下，中央排隊比輸出排隊需要更少的隊列緩沖器隊列緩沖器的減少量與交換單元的規(guī)模N有關(guān)

N越大，存儲器的統(tǒng)計復(fù)用度越高，隊列存儲器節(jié)省越多58計算機仿真建立數(shù)學(xué)模型的局限性建立一個一般化的模型很困難;需要在一定的假設(shè)條件下進(jìn)行簡化;所得到的結(jié)果信息有限.利用計算機仿真快速取得結(jié)果;容易修改模型和條件，得到更具有普遍意義的結(jié)論.59計算機仿真的結(jié)果三種排隊策略隊列大小與負(fù)荷的關(guān)系隊列大小(cells)負(fù)荷(%)102030405060708090100O2468101214161820輸入排隊輸出排隊中央排隊信元丟失率

10-360排隊策略的性能分析三排隊策略性能分析的結(jié)論輸入排隊最大可能承擔(dān)的負(fù)荷：58.6%通常在實際中不可用輸出排隊負(fù)荷小于0.8時，平均等待時間、平均隊列長度很小中央排隊負(fù)荷小于0.8時，平均等待時間、平均隊列長度很小與輸出排隊相比，可大大減少隊列長度61排隊策略對物理實現(xiàn)的要求采用不同排隊策略實現(xiàn)基本交換模塊的物理要求不同影響排隊系統(tǒng)（基本交換模塊）實現(xiàn)復(fù)雜度的參數(shù)隊列大小:取決于采用的排隊原則系統(tǒng)的性能要求（信元丟失率、負(fù)荷、時延等）存貯器速度:取決于交換單元的規(guī)模、排隊原則、鏈路速率和存貯器位寬等存貯器控制算法:依賴于排隊原則，不同排隊方法的控制算法不同設(shè)計排隊系統(tǒng)時，常常受到半導(dǎo)體工藝和技術(shù)的限制：最新可用的芯片技術(shù);芯片的特征尺寸和工作頻率;集成度，它直接決定了基本交換單元的大小.實現(xiàn)交換單元時，很有必要分析其物理實現(xiàn)的需求。62隊列的控制邏輯：簡單的FIFO控制交換傳輸媒體:物理媒體速率必須達(dá)到N*F才能保證沒有信元內(nèi)部阻塞;對廣播和組播功能的支持:每一入線都可以到達(dá)所有輸出隊列，因此很容易實現(xiàn)廣播和組播.輸出排隊策略的實現(xiàn)參數(shù)緩沖存儲器在一個信元周期內(nèi)完成N+1次信元操作（N次寫操作，1次讀操作），要求存儲器的訪問時間為：單端口存儲器:雙端口存儲器:W-位寬F-信元速率N-交換單元規(guī)模

63輸入排隊策略的實現(xiàn)參數(shù)緩沖存儲器一個信元周期內(nèi)緩沖存儲器被入線和出線各訪問一次，訪問時間為：隊列的控制邏輯：簡單的FIFO控制交換傳輸媒體:由于輸入排隊策略自身的缺陷，在輸入隊列處一定存在信元溢出，因此傳輸媒體的速率可以低于N*F;對廣播和組播功能的支持:必須附加控制邏輯來避免出線上的競爭，才能支持廣播和組播功能。單端口存儲器：雙端口存儲器：

64中央排隊策略的實現(xiàn)參數(shù)緩沖存儲器所有入線和出線需同時訪問中央隊列，訪問時間為：隊列的控制邏輯:由于所有的信元都隨機存儲在隊列緩沖器中，因此需要更加復(fù)雜的存儲控制技術(shù)，例如計算機操作系統(tǒng)中所采用的動態(tài)存儲分配技術(shù)，同時要求控制邏輯的工作速度極高;交換傳輸媒體:若要求信元無內(nèi)部阻塞，兩部分的物理傳輸媒體速率都必須達(dá)到N*F;

對廣播和組播功能的支持：實現(xiàn)困難.單端口存儲器：雙端口存儲器：65不同排隊策略的存儲器訪問時間三種排隊策略的存儲器訪問時間交換單元規(guī)模 N=16存儲器位寬 W=16信元速率 F=150Mb/s計算得到的存貯器訪問時間:比較的方面輸入排隊輸出排隊中央排隊單端口存儲器53.3ns6.3ns3.8ns雙端口存儲器106.6ns6.7ns6.7ns66三種排隊策略的實現(xiàn)參數(shù)比較比較的方面輸出排隊輸入排隊中央排隊存儲器速度高低高控制邏輯FIFOFIFO復(fù)雜緩沖器大小大很大小性能高低高支持組播容易困難困難67思考題ATM交換的關(guān)鍵技術(shù)包括哪兩方面？ATM交換系統(tǒng)的組成包括哪些部分？在ATM系統(tǒng)中，為什么要采用排隊技術(shù)？排隊方式有幾種？分別具有哪些特點？在交換系統(tǒng)中常用的排隊方式是哪種？對交換系統(tǒng)的排隊方式研究，其研究方法可以包括哪幾種？68ATM基本交換結(jié)構(gòu)-----交換模塊基本交換模塊的組成基本交換模塊的分類幾種典型的交換單元69基本交換模塊的組成基本交換模塊的組成入線控制器（IC）：用于輸入端口的控制；出線控制器（OC）：用于輸出端口的控制；傳輸網(wǎng)絡(luò)：由VLSI構(gòu)成的信元高速傳輸交換通路．基本交換模塊的容量規(guī)模?。和ǔ閺?x2到16x16、32x32；端口速率：從155Mbit/s、622Mbit/s到2.5Gbit/s；基本交換模塊需要在IC、OC或傳輸網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部提供排隊功能ICIC傳輸網(wǎng)絡(luò)OCOC70基本交換模塊的分類傳輸網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)決定了基本交換模塊的性能特征。按照傳輸網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，基本交換模塊可分為兩類：基于矩陣的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基于時分復(fù)用介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)71基本交換模塊的分類基于矩陣結(jié)構(gòu)的交換單元所有的輸入線和輸出線互連構(gòu)成矩陣網(wǎng)格，信元通過網(wǎng)格接點并行傳送?；跁r分復(fù)用結(jié)構(gòu)的交換單元輸入線和輸出線通過時分復(fù)用的方式共享傳輸介質(zhì)或存儲介質(zhì)，從而實現(xiàn)信元交換。基于時分復(fù)用結(jié)構(gòu)的交換單元又可分為：共享總線式交換單元環(huán)型交換單元中央存貯式交換單元72幾種典型的交換單元交換模塊是構(gòu)成ATM交換機構(gòu)的基本單元，典型的交換單元包括：基于矩陣結(jié)構(gòu)的交換單元----Knockout交換單元總線式交換單元----Cellbus交換單元環(huán)型交換單元中央存貯式交換單元Roxanne交換單元ISE73基于矩陣結(jié)構(gòu)的交換單元（機理）ICICICIC123NOCOCOCOC12N374基于矩陣結(jié)構(gòu)的交換單元每條輸入線驅(qū)動一條總線;總線上的信息速率等于入線的速率;信元通過總線傳輸?shù)饺我庖粭l出線上;來自各入線的信元可以并行地傳輸;為避免信元競爭出線時可能發(fā)生的丟失，需要在每個出線上增加緩沖器.（輸出排隊）75矩陣結(jié)構(gòu)的加速因子加速因子是衡量矩陣交換單元性能的重要參數(shù)；加速因子的定義在一個時隙（信元周期）內(nèi)，可由輸出緩存器接收的最大信元數(shù)決定加速因子的因素：輸出緩存器的容量交換單元工作速率加速因子K的值不會超過交換單元的規(guī)模N；只有當(dāng)K=N時，才可保證交換單元是無內(nèi)部阻塞的.76輸出端口的隊列組織輸出端口隊列的組織方式來自所有入線的信元共享一個隊列該方法管理簡單，信元按FIFO原則獲得服務(wù)，但要求緩沖存儲器的訪問速度很高。為不同的入線劃分多個子隊列該方法可有效降低緩沖存儲器的訪問速度；但在每一個信元周期中，輸出端口都需要借助仲裁機制從多個隊列中選擇一個信元，進(jìn)行輸出服務(wù)。輸出端口提供輸出服務(wù)時所依據(jù)的仲裁原則：隨機性原則依據(jù)時延的原則依據(jù)狀態(tài)的原則輪循原則77Knockout交換單元12N12N廣播總線出線入線總線接口總線接口總線接口78Knockout交換單元傳輸媒體由N條廣播總線組成，每條入線驅(qū)動一條廣播總線;傳輸媒體無阻塞;每條出線通過一個總線接口可以訪問到所有的入線;總線接口中需要設(shè)置隊列緩沖器;優(yōu)點擴展簡單;支持廣播和組播功能容易.總線接口的集中功能降低了隊列的操作速度，但引入了信元丟失.79Knockout單元總線接口集中器信元過濾器移位器FFFF信元緩沖出線12L12N3入線共享緩沖器80Knockout單元總線接口信元丟失率

=

110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-1010-1110-12信元丟失率p=90%L1

2

3

4

56789

101112110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-1010-1110-12信元丟失率

N=L1

2

3

4

56789

101112N=N=64N=32N=16p=100%p=90%p=80%p=70%p=60%81總線式交換單元（機理）共享總線ICICICICOCOCOCOC123N123N總線速率應(yīng)大于

N倍端口速率82總線式交換單元傳輸介質(zhì)是高速時分復(fù)用總線高速總線通常需要采取一定措施防止信號反射。總線的容量決定交換單元的容量只有總線容量大于各輸入端口容量之和時，才能保證交換單元是內(nèi)部無阻塞的。需要控制邏輯來控制各入線對總線的分時訪問提高總線的位寬，可增加總線的吞吐率輸出端口需要增加緩沖存儲器（輸出排隊）輸入端口需要信元緩沖器，用于信元暫存和速率匹配83Transwitch的Cellbus交換單元ICSDH接口1Cellbus（32bits）OCCubitICSDH接口32OCCubitTT總線仲裁UTOPIAUTOPIA物理層ATM層84Cellbus交換單元32位信元數(shù)據(jù)總線（GTL），最大支持32端口；集成的端口控制器Cubit，各端口具有唯一總線地址；端口控制器可通過UTOPIA

接口連接各種物理層設(shè)備；總線上劃分信元周期,在每個周期內(nèi)，只允許唯一端口發(fā)送信元，仲裁邏輯判定獲得總線控制權(quán)的端口控制器；時間信元周期n16CLKs信元周期n+1信元周期n-1總線申請總線申請確認(rèn)信元數(shù)據(jù)85端口控制器結(jié)構(gòu)信元同步尋址和信元頭翻譯4發(fā)送FIFO選路表Cubit時鐘/仲裁Cellbus時鐘/仲裁信號處理器接口128接收FIFOUTOPIA接口86Cubit單元結(jié)構(gòu)4信元的發(fā)送緩沖器，用于速率匹配；128信元的接收緩沖器（輸出排隊）；時鐘電路根據(jù)總線時鐘產(chǎn)生內(nèi)部工作時鐘；尋址和翻譯機構(gòu)根據(jù)VPI/VCI指定輸入信元的Cellbus目的地址，并對輸入信元的VPI/VCI進(jìn)行翻譯；處理器接口用于接受控制系統(tǒng)的指令.87總線信元周期的構(gòu)成CLK0CLK1CLK2CLK15CLK14總線申請信元地址信元體52字節(jié)總線申請確認(rèn)31016個時鐘脈沖（CLOCK）組成；CLK0為總線申請周期；CLK15為總線申請的確認(rèn)周期；CLK1：信元目的總線地址，用于尋址到相應(yīng)的目的端口；CLK2~CLK14：承載信元體；當(dāng)總線的工作速率為40MHz時，交換單元的有效信元交換容量為：32bitx40MHzx13/16=1Gbit/s88環(huán)型交換單元（機理）ICIC12ICNOCOCOC12N端口速率K，環(huán)速率R可小于NxK環(huán)型介質(zhì)時隙89環(huán)型交換單元環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：所有IC和OC通過環(huán)型介質(zhì)連接環(huán)上劃分為多個時隙（slot），每個時隙可裝載一定量的信息；一個信元周期中，多個IC可以利用介質(zhì)環(huán)上的不同時隙來傳送信元；介質(zhì)的利用率高；介質(zhì)的工作速率可以低于各輸入端口的速率之和；介質(zhì)環(huán)的工作速率越高，可劃分的時隙數(shù)越多，吞吐量越大。實現(xiàn)比總線式交換單元復(fù)雜；提高環(huán)型介質(zhì)的位寬，可增加交換單元的吞吐率；輸出端口需要增加緩沖存儲器（輸出排隊）；輸入端口需要信元緩沖器，用于信元暫存和速率匹配.90ICIC12ICNOCOCOC12N共享存儲器中央存貯式交換單元（機理）91中央存貯式交換單元基于中央排隊模型，IC和OC以時分復(fù)用方式共享存儲器；輸入信元通過IC寫入公共緩沖存儲器中，OC也從公共緩沖存儲器中讀取信元，存貯器的控制比較復(fù)雜；大大節(jié)省存儲空間，但緩沖存儲器的訪問速度很高：可以采用提高信息處理位寬的方式來降低存貯器訪問速率，即在IC和OC中完成信元數(shù)據(jù)的串-并/并-串轉(zhuǎn)換。存儲器訪問時間：92中央存貯式交換單元ICIC12ICNOCOCOC12NMUXDEMUX共享存儲器存儲器控制器93Roxanne交換單元ISE串-并變換OR12NOROR緩沖器控制SBM123C地址TDM總線并-串變換共享緩沖存儲器IR12LatchIRLatchNIRLatchMUX寫入控制輸入選路邏輯讀出控制TDM總線94思考題ATM的基本交換模塊包括哪些基本組成部件？對基本交換模塊如何進(jìn)行分類？以一種典型的基本交換單元為例，說明其工作原理。95ATM交換機構(gòu)和交換系統(tǒng)ATM交換機構(gòu)單級交換網(wǎng)絡(luò)擴展交換矩陣網(wǎng)絡(luò)混合式互換網(wǎng)絡(luò)多級互連網(wǎng)（MIN）96ATM交換機構(gòu)ATM交換機構(gòu)（或交換網(wǎng)絡(luò)）是由大量基本交換模塊構(gòu)成的;交換機構(gòu)的規(guī)模可達(dá)數(shù)百條到數(shù)萬條出入線。基本交換模塊構(gòu)成交換機構(gòu)時需要依照一定的結(jié)構(gòu);交換機構(gòu)的結(jié)構(gòu)組織方式?jīng)Q定了交換機構(gòu)的特性;根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的組織方式，交換機構(gòu)可大體分為：單級交換網(wǎng)絡(luò)多級互連網(wǎng)（MIN）97單級交換網(wǎng)絡(luò)單級交換網(wǎng)絡(luò)的特征：信元從輸入到輸出的過程中，只需要經(jīng)過一次確定傳輸路徑的過程。單級結(jié)構(gòu)的交換網(wǎng)絡(luò)包括：擴展交換矩陣網(wǎng)絡(luò)混合式互換網(wǎng)絡(luò)98擴展交換矩陣網(wǎng)絡(luò)NxNNxNNxNNxNNxNNxNNxNNxNNxNNNNNNN01M-101M-1輸入端口輸出端口（NxM）隊列緩存99混合式互換網(wǎng)絡(luò)0123456701234567輸入端口輸出端口反饋回路100多級互連網(wǎng)（MIN）多級互連網(wǎng)（MIN）的定義多級互連網(wǎng)中的路由多級互連網(wǎng)的內(nèi)部競爭多級互連網(wǎng)的分類典型的多級互連網(wǎng)101多級互連網(wǎng)（MIN）的定義由基本交換模塊構(gòu)成2x2到32x32使用大規(guī)模的基本交換模塊可以減少交換機構(gòu)的級數(shù)交換網(wǎng)絡(luò)中信元從輸入端到輸出端至少需要經(jīng)過兩次以上的過程來確定傳輸路徑入線到出線的全連通性內(nèi)部通路的共享基本交換模塊3-stageMIN102多級互連網(wǎng)中的路由信元在MIN中從入線到出線所走過的路由可以用一串?dāng)?shù)字來表示，即稱為路由標(biāo)簽。MIN需要解決的關(guān)鍵性問題——路由選擇012345678910111213141501234567891011121314150010001001100110多級互連網(wǎng)中的路由可以根據(jù)兩個標(biāo)準(zhǔn)來劃分MIN中的選路方法根據(jù)路由信息安放的位置基于信元：信元自尋路（Self-routing）方式基于網(wǎng)絡(luò)：路由表控制（RoutingTableControlled）方式根據(jù)完成選路決策的時間基于連接：內(nèi)部面向連接，路由在連接建立時確定基于信元：每個信元逐個進(jìn)行路由選擇103104根據(jù)路由信息位置的選路劃分基于信元的自尋路方式路由信息存放在路由標(biāo)簽中，添加到每一個信元的前頭；路由標(biāo)簽包含MIN中各級的路由信息，并逐級被解析；需要在交換機構(gòu)邊緣設(shè)置存儲器，以向各信元添加路由標(biāo)簽；該方法增加了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的帶寬開銷；實現(xiàn)組播比較困難?；诰W(wǎng)絡(luò)的路由表控制方式在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的每一級提供逐級的路由標(biāo)記（VPI/VCI）的翻譯功能（針對VPI/VCI）

，或者也可采用全局路由控制表；在各交換單元中或在整個MIN中，需要設(shè)置存儲器來存放路由信息；不增加網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的帶寬開銷，且易于實現(xiàn)廣播和組播。105自尋路方式的路由選擇VPI/VCI分析表

AX1101InputOutputRoutingHeaderAcell1101XRHcellXcell1101106路由表控制的路由選擇AEcellcell路由表

AB1IOR

BC1IOR

CD0IOR

DE1IOR107根據(jù)選路決策時間的選路劃分基于連接的選路：僅在連接建立時進(jìn)行一次路由選擇內(nèi)部面向連接，連接中所有信元使用相同的路由，可保證信元的順序;在建立新連接時，需要分配內(nèi)部資源，連接可能因資源不足而拒絕;若使用路由表控制法，需要在連接建立時更新網(wǎng)絡(luò)中的各個路由表;資源基于單條鏈路共享?；谛旁倪x路：對每個信元逐個進(jìn)行路由選擇同一連接中的信元可使用不同的路徑穿越MIN;信元到達(dá)可能不能保證原有的順序，因此需要重新排序;若使用路由表控制法，則需要具有全局意義的路由表;資源在所有鏈路上被共享。108多級互連網(wǎng)的路由方式四種組合的路由選擇方法基于連接的路由標(biāo)簽法(I) 基于信元的路由標(biāo)簽法(II)基于連接的路由表控制(III) 基于信元的路由表控制(IV)應(yīng)采用的路由選擇策略合理地將業(yè)務(wù)量分配到MIN

中，使其內(nèi)部阻塞率降低；隨機選擇、根據(jù)目的地選擇.路由選擇機構(gòu)的設(shè)計集中式路由選擇，由中央處理機進(jìn)行通路搜尋；分布式逐級選擇，根據(jù)各交