ATM交換,ATM交換原理詳細介紹

隨著Internet與多媒體技術的飛速發展，Web上的圖像、音頻、視頻等多媒體內容越來越多，用戶需要有更高的接人速率。而現有的電路交換和分組交換很難勝任寬帶高速的交換任務。對于電路交換，當數據的傳輸速率及其突發性變化很大時，交換的控制就變得十分復雜；對于分組交換，當數據傳輸速率很高時，協議數據單元在各層的處理成為很大的開銷，無法滿足實時性很強的業務的時延要求。異步傳輸模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)就是建立在電路交換和分組交換基礎上的一種新的交換技術，他可以很好地進行寬帶信息交換。

1 ATM信元格式及速率

ATM傳送信息的基本載體是ATM信元。ATM信元采用53B的固定長度，其中48B為數據，另附加5B作為信頭。在信元交換過程中，主要是參照信頭的內容對信元進行處理。信頭內容在UNI和NNI中略有不同，如圖1所示。

GFC(Generic Flow Contr01)：一般流量控制，只用于UNI接口，目前沒用，置為0000。

VPI(Virtual Path Identifier)：虛通道標識，在一個接口上將若干個虛通路集中起來組成一個虛通道(VP)，并以虛通道為網絡管理的基本單位。VPI在UNI中為8b，在NNI中為12b。

VCI(Virtual Channel Identifier)：虛通路標識，標識虛通道內的虛通路，VPI／VCI一起標識一個虛連接。

PTI(Payload Type)：載荷類型指示，用于指明信元中的載荷(數據域中攜帶的數據)類型。

CLP(Cell Loss Priority)：信元丟失優先級，用于擁塞控制。當網絡出現擁塞時，首先拋棄CLP等于1的信元。

HEC(Header Error Contr01)：信元差錯控制，用來檢測信頭中的錯誤，并可以糾正信頭中的1 b差。HEC的另一個作用是用于信元定界，利用HEC字段和他之前的4B的相關性可識別出信頭位置。HEC的功能在物理層實現。

2 ATM交換原理

與普通IP傳輸的非面向連接不同，ATM是一種面向連接的交換方式。ATM交換機是根據信元頭的信息，基于信元完成的。一個ATM交換機可能只使用信元頭的VPI部分，或只使用VCI部分，或者兩個部分都使用來決定如何轉發信元。其工作過程大致是；ATM交換機接收來自特定輸入端口的、帶有標記的VPI／VCI字段和表明屬于特定虛電路的信元，然后檢查路由表，從中找出從哪個輸出端口轉發該信元，并設置輸出信元的VPI／VC!值。就像電話呼叫的例子，只使用信元頭部的VPI字段進行ATM信元的大量交換是非常有用的。

ATM采用了虛連接技術，將邏輯子網和物理子網分離。類似于電路交換，ATM首先選擇路徑，在2個通信實體之間建立虛通路，將路由選擇與數據轉發分開，使傳輸中間的控制較為簡單，解決了路由選擇瓶頸問題。設立虛通路和虛通道兩級尋址，虛通道是由兩結點間復用的一組虛通路組成的，網絡的主要管理和交換功能集中在虛通道一級，減少了網管和網控的復雜性。在一條鏈路上可以建立多個虛通路。在一條通路上傳輸的數據單元均在相同的物理線路上傳輸，且保持其先后順序，因此克服了分組交換中無序接收的缺點，保證了數據的連續性，更適合于多媒體數據的傳輸。 在信頭的各個組成部分中，VPI和VCI是最重要的了。這兩個部分合起來構成了一個信元的路由信息，該信息表示這個信元從哪里來，到哪里去。為此常把這兩個部分合起來記作VPI和VCI。ATM交換就是依據各個信元上的VPI和VCI，來決定把他們送到哪一條輸出線上去。

每個ATM交換機建立一張對照表。對于每個交換端口的每一個VPI和VCI，都有對應表中的一個入口。當VPI和VCI分配給某一信道時，對照表將給出該交換機的一個對應輸出端口以及用于更新信頭的VPI和VCI值。

當某一信元到達交換機時，交換機將讀出該信元信頭的VPI和VCI值，并與路由對照表比較。當找到輸出端口時，信頭的VPI和VCI被更新，信元被發往下一段路程。

在ATM環境中，怎樣使用VP和VC呢?VP就像一個能夠攜帶許多VC(最多可達65 000條)的管道或通道，他可以是從交換機到交換機的虛擬線路，也可以是橫穿ATM網絡由終端到終端的所有線路。除了最大的專用局域網或廣域網外，65 000條VC在當今是足夠的。實際上支持復雜的VP并不需要這么多VC，許多ATMLAN發送點僅支持一條虛通道，即VPI＝0。當只有一條VP被支持時，他不用作端到端的連接，所以這里并不要求VC一定在給定的VP中，這樣VC可連接任何一組站群而不受VP的影響。通常數據是在一條VC中傳送的。另一方面，交換機在典型情況下，必須支持成百上千條不同的VP，最大可能支持上百萬條不同的VC。通常客戶系統希望能夠提供給他們用戶一條通過網絡的專用VP，VP可以連接網絡中任意2個端到端用戶，若VP使用這種方式，則被稱為一條虛通道連接(VPC)或稱為一個“虛通道路徑(VP Channel)”。他可以帶有“永久虛擬線路(PVC，Permanent Virtual Circuits)”和“交換虛擬線路(SVC，Switched Virtual Circuits)”。如圖2所示。

在一個VP通道中，系統用戶可以建立PVC和SVC，而無需系統以任何方式參與，甚至系統的交換機也不必直接支持SVC。VP通道能夠提供一條路徑將公用網中不同的公司互相隔離開來。在使用公用ATM服務器的這條路徑中，就需要用復合VP通道互聯用戶網絡中的網點。

在公用ATM網絡環境中，若系統不提供VP通道的能力(有些可能沒有)，則系統只能提供PVC，這是因為交換機不能直接支持SVC(有些從不支持)，有些系統也不希望支持SVC(因為他使企業間帳目復雜化，并增加了保密數據的流量)。若無VP通道，系統通常在網絡端點用VPI＝0，產生和結束PVC。如圖3所示。

在公用網絡中，PVC是用戶提前申請并由系統建立的。PVC在對外連接"ATM網絡設備"(如以太網或帶ATM的FDDI轉換器、ATM集線器)時是相當有用的。許多非ATM信號源可通過單個PVC動態多路復合返回到指定點。在ATM主機間使用PVC也可限制預定端點的通信。在公用網中這是符合要求的。

在專有網絡(LAN或WAN)中，由于終端站可以自己申請建立SVC，所以SVC是站點之間的通信更可取的路徑。這就是當今大多數專用非ATMLAN和WAN的工作方式。因此，占用網絡ATM交換機必須直接支持SVC。但是，若終端站或邊緣設備不支持SVC或是按要求不允許申請連接SVC，這時在專用網中有用PVC的，PVC必須由網絡控制者提前建立。但由于路徑是預定的，所以當網絡出現故障時，PVC比SVC優越性差。故此，在專用網絡中虛通道VP不重要甚至不需要了，如圖4所示。

3 ATM交換機

在B-ISDN中，ATM交換機連接著用戶線路和中繼線路。在用戶線路上和中繼線路上傳送的都是ATM信元。ATM信元交換機的通用模型及其原理如圖5所示。其通用模型有一些輸入線路和一些輸出線路，通常在數量上相等(因為線路是雙向的)。在每一個周期從每一輸入線路取得一個信元(如果有的話)。通過內部的交換結構(switching fabric)，并且逐步在適當的輸出線路上傳送。從這一角度上看，ATM交換機是同步的。而且，他不關心信息的內容和形式。他簡單地把信息分割成相同長度的分組，并給分組加上頭部，以使分組能到達目的地。ATM信頭只有很少的幾項功能，這使其能被網絡無時延地處理。

所有的ATM交換機都有2個共同的目標：一個是以盡可能低的丟失率交換所有的信元；另一個是決不能在虛電路上記錄信元?？梢哉f，ATM交換機的任務，就是根據ATM信頭上虛通道標識符和虛通路標識符，把送人的ATM信元轉送到相應的中繼線或用戶線上去。舉例來說，用戶A正在使用虛通道VPI；2、虛通路VCI=1向北京發送一幅圖片；同時又在使用VPI=3、VCI＝1向北京發送一段語音；同時還在用VPI=4、VCI＝2從深圳接收數據。那么，交換機就應該把從用戶線A上收到的VPI＝2、VCI＝1的ATM信元轉送到中繼線C上，把從用戶線A上收到的VPI=3、VCI＝1的ATM信元也轉送到中繼線C上；同時把從中繼線D上收到的VPI=4、VCI＝2的ATM信元轉送到用戶A上，如圖6所示。

由于在B-ISDN上，用戶線和中繼線上傳送的都是ATM信元，所以對ATM交換機來說，可以在許多情況下對中繼線和用戶線不予區分，這樣就可以得到一個抽象的ATM模型。聯接在這個交換機模型上的一部分線路向這個交換機抄送出ATM信元，因而叫做這個交換機的入線；另一部分線路則從這個交換機接收ATM信元，因而叫做這個交換機的出線。ATM交換機的功能就是根據送人的ATM信元的VPI和VCI，把他們送到相應的出線上去。

為了完成上述ATM信元的工作，一個ATM交換機一般由3個基本部分構成：入線處理和出線處理部分、ATM交換單元、ATM控制部分。其中，ATM交換單元完成交換動作；ATM控制單元對ATM交換單元的動作進行控制；入線處理部分對各入線上的ATM信元進行處理，使他們成為適合送入ATM交換單元的形式；出線處理部分對ATM交換單元送出的ATM信元進行處理，使他們成為適合于傳輸的形式。

我們知道，在通信線路上常常是傳送一個比特一個比特的串行信號，而在ATM交換單元中為了提高速度，常常需要一次讀入若干比特的并行信號。因此，諸如串／并轉換等功能，在入、出線處理部件里總是需要的。事實上，為了簡化交換單元的設計，我們也總是把那些可以在入線和出線就能處理的事放人到人、出線處理部件上工作。

交換機的主要功能是提供一種方法，將來自輸入端口的信元快速、有效地路由到輸出端口。ATM交換設備將進行單個信元的輸入處理、標頭的轉換以及輸出處理。信元標頭必須按輸出端口的要求進行轉換。為確保信元進入適當的物理鏈路，交換機必須對信員進行輸出處理