第10章寬帶交換技術10.1交換方式的技術特征10.2交換技術的演變10.3ATM交換技術10.4基于ATM的B-ISDN協議模型10.5ATM交換機10.6ATM通信網接口10.7ATM通信網信令

110.1交換方式的技術特征

1.面向連接和無連接

面向連接是指兩個用戶之間的通信信息沿著預先建立的通路傳輸；面向無連接是指依靠路由來完成選路工作。

2.物理連接和邏輯連接

物理連接是建立專用的物理鏈路；邏輯連接不獨占線路，是在一條物理鏈路上建立多條虛鏈路。

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3.同步時分交換和異步時分交換

同步時分是指每個連接屬于不同的呼叫，它們在信道中各自占用不同的時間，但屬于同一呼叫的連接位置是固定的，交換時按照時間位置來區分每個連接；異步時分是指每個連接所占用的時間、位置都不固定，屬于某個呼叫的連接是根據該連接所需的帶寬大小來靈活分配的。

310.2交換技術的演變

1.電路交換1)電路交換的定義電路交換是以電路連接為目的的交換方式。2)電路交換的通信過程電路交換的通信過程分為三個階段：電路建立→消息傳輸→電路拆除。43)電路交換的特點(1)電路交換是面向物理連接的交換。在發送消息前，必須建立起點到點的物理通路。(2)電路交換采用靜態復用、預分配帶寬并獨享通信資源的方式，即交換機根據用戶的呼叫請求，為用戶分配固定位置、恒定帶寬(通常是64?kb/s)的電路。

54)電路交換的優點和缺點(1)消息傳送延遲較短。對于每個用戶來說，其信道是按時隙周期性分配的，故消息的傳輸時延小(最大時延為125ms)，對一次接續而言，消息的傳輸時延固定不變。(2)控制簡單。在用戶消息傳送期間，交換節點對消息不存儲、不分析、不處理，不進行任何干預，也沒有差錯控制措施，即所謂的“透明”傳輸。(3)建立物理通路的時間較長(以秒為單位)。

6(4)電路資源被通信雙方獨占，話路接通后，即使無消息傳送，也需要占用電路，因此電路利用率低。(5)不同類型和特性的用戶終端之間不能互通，這是因為電路交換要求通信雙方在消息傳輸、編碼格式、同步方式、通信協議等方面完全兼容。(6)呼損嚴重，即由于對方終端忙或交換網絡負載過重而接續失敗。綜上所述，電路交換適用于話音等實時性業務。

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2.報文交換1)報文交換的定義信息以報文(邏輯上完整的信息段)為單位進行存儲轉發的方式叫報文交換。2)報文交換的通信過程報文交換的通信過程分為四個階段：接收和存儲報文→處理機加工處理(給報文加上報頭符號和報尾符號)→將報文送到輸出隊列上排隊→輸出線空閑時發送報文。例如，A用戶向B用戶發送信息，A用戶不需要叫通與B用戶之間的電路，而只需要與交換機接通，由交換機暫時把A用戶要發送的報文接收并存儲起來，交換機根據報文中提供的B用戶的地址在交換網中確定路由，并將報文送到下一個交換機，最后送到終端用戶B。

83)報文交換的特點在報文交換中，通信的信息以“報文”為基本單位在電路中傳輸。一份報文包括三部分。報頭：包含發信站地址、終點收信站地址等。正文：用戶所發出的信息(報文內容)。報尾：報文的結束標志。

94)報文交換的優點和缺點(1)在報文交換方式中，兩個終端間的線路和交換機不必同時空閑。(2)允許各種不同類型的終端相互通信。因為報文交換機有對信息進行存儲、處理的功能，所以交換機可以對各種不同速率、不同代碼、不同通信協議的終端進行轉換。(3)信息傳輸的時延長(特別是當報文很長時)，不利于交互式的業務通信。(4)對處理機要求高。要求處理機具有較大的存儲容量和高速的處理能力。因此，報文交換技術主要用于非交互式通信中，如電報業務和數據通信中的信箱通信業務等。

103.分組交換1)分組交換的定義信息以分組為單位進行存儲轉發的方式叫分組交換。

112)分組交換的通信過程分組交換的通信過程分為四個階段：信息打包→數據分組→排隊處理→信息轉發。分組交換機也叫數據包交換，處理機將要傳送的數據裁剪并封裝成若干較短的、長度不等的數據塊，并在每個數據塊中加上必需的控制信息(如初始分組標志、源地址、目的地址、控制信息、邏輯信道編號、分組編號、最末分組標志等)，然后按規定的格式進行排列組成一個個數據分組。交換機根據每個分組的地址信息，為分組尋找輸出的通路并將它們發送(或轉發)至目的地。到達目的地后由分組交換機拆包，然后根據分組頭的附加控制信息重新按順序裝配成一個個完整的信息。

123)分組交換的優點分組交換技術較好地解決了電路交換和報文交換技術存在的問題。其優點可歸納為以下幾個方面：(1)不預先分配資源，帶寬可變，可向不同速率的數據終端提供相互通信的通信環境。(2)電路資源被多個用戶所共享，電路利用率高。(3)與報文交換相比，信息被裁剪成較短的分組，信息的傳輸時延較小。(4)?“分組”格式統一，便于交換機處理。電路交換、報文交換和分組交換的區別如圖10-1所示。

13圖10-1電路交換、報文交換和分組交換的區別

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4.ATM交換在B-ISDN(BroadbandIntegratedServicesDigitalNetwork)環境下的交換采用異步傳送模式(ATM，AsynchronousTransferMode)，這是一種新型的交換方式，這種方式具有以下優點：

(1)可以把不同種類(如話音、數據、圖像)、不同速率(固定、可變)、不同性質(突發性、連續性)以及不同性能要求(時延要求、誤碼率要求)的信息在網內實現透明傳輸；

(2)能對通信網中各種各樣的信息(包括話音、數據、圖像)進行綜合交換和傳輸；

(3)能按需要提供不同的帶寬和不同的業務等級，使網絡的資源得到充分利用；(4)能夠比較容易地增加新業務。

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ATM采用的是一種統計時分復用技術，在這種模式中，雖然保持了時隙的概念，但取消了同步傳輸模式(STM，SynchronousTransferMode)中幀的概念，在ATM時隙中實際存放的是信元(Cell)。用戶的信息被裁剪組織成53字節固定長度的短信元格式，且來自同一用戶的信息(信元)并不需要周期性，在一幀中占用的時隙數也不固定，可以有1至多個時隙，從這個意義上說，這種轉移模式是異步的。各時隙之間也不要求連續，純粹是“見縫插針”，因此信號傳輸速度快，電路利用率高。表10.1歸納了電路交換、分組交換和ATM交換的特點、優點及缺點。

16表10.1電路交換、分組交換和ATM交換比較

1710.3ATM交換技術

10.3.1ATM信元與復用

ATM本質上是一種尋址型特殊分組轉移模式，它使用異步時分復用技術將不同速率的數字業務(如話音、數據、視頻)的混合信息流分割成固定字節長度的信元，在B-ISDN中進行快速分組傳輸和交換，也就是說，進入B-ISDN的信息流是一串串的信元流。B-ISDN與用戶間的接口也規定為以信元為基礎單位。B-ISDN用的ATM終端其自身具有信元接口。不具有信元接口功能的終端，如目前電信網中所用的各種終端，則在入網前必須經信元裝拆設備進行信元化，即規格化后才能進入網中。

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1.ATM信元結構ATM的基本單位是信元，每個信元長度固定為53個字節，前5個字節為信頭(Header)，后48個字節為信息域(數據塊)。信元的大小與業務類型無關，任何業務的信息都經過切割封裝成相同長度、統一格式的信息分組。ATM信元結構如圖10-2所示。

19圖10-2ATM信元結構

20路由的選擇由信頭中的標號決定。發送的順序是從信頭的第1字節開始，其余字節按增序方式發送。在一個字節內，發送的順序是從第8比特開始，然后遞減。對于各域而言，首先發送的比特是最高有效位(MSB，TheMostSignificantBit)。由于ATM是面向接續的技術，因此同一虛接續中的信元順序保持不變。ATM信元的信息域包括用戶數據、維護數據、信令信息等，它們透明地穿過網絡，網絡內沒有差錯控制處理。為了支持各種業務，根據業務特性定義了幾種類型的ATM適配層(AAL)，以便將信息裝入ATM信元，并提供特定的業務功能(如時鐘恢復，信元丟失恢復等)。AAL的特殊信息包含在ATM信元的信息域中。

21ATM采用5個字節的信頭和短小的信息域，比其他通信協議的信息格式都小得多，這種小的固定長度的數據單元就是為了減少組裝、拆卸信元以及信元在網絡中排隊等待所引入的時延，確保更快、更容易地執行交換和多路復用功能，從而支持更高的傳輸速率。這好比火車上的每節車廂，無論是客車還是貨車，其車廂大小都是一樣的，從而方便了火車中轉時靈活快速地加掛或減少車廂。

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2.ATM信元復用目前，電話網中的數字信號復用基本屬于同步傳遞方式(STM)，其特點是在由N路原始信號復合成的時分復用信號中，各路原始信號的出現呈周期性。所以只要根據時間就可以確定現在傳輸的是哪一路原始信號。異步傳遞方式(ATM)的各路原始信號不一定按照一定的時間間隔周期性地出現，每個數據單元可以處在任何傳輸幀的任何位置，來自不同信息源(不同業務和不同發源地)的信元匯集到一起，在一個緩沖器內排隊，隊列中的信元逐個輸出到傳輸線路，在傳輸線路上形成首尾相接的信元流。信元的信頭中寫有信息的標志，說明該信元去往的地址，網絡根據信頭中的標志來轉移信元。

23由于信息源產生信息是隨機的，信元到達隊列也是隨機的，因此速率高的業務信元來得十分頻繁，十分集中；速率低的業務信元則來得很稀疏。具有同樣標志的信元在傳輸線路上并不對應著某個固定的時間(時隙)，也不是按周期出現的。也就是說，信息和它在時域中的位置之間沒有任何關系，這種復用方式叫做統計復用(StatisticMultiplex)?？梢姡y計復用是按需分配帶寬的，可以滿足不同用戶傳遞不同業務的帶寬需要。圖10-3所示為待發送的用戶信息分解成信元并進行多路復用的示意圖。

24圖10-3用戶信息被分解成ATM信元

2510.3.2ATM網絡連接

1.VCI/VPI——虛信道標識符/虛通路標識符VPI(VPIdentifier)、VCI(VCIdentifier)是ATM技術中兩個最重要的概念，VCI/VPI用于表示信元的邏輯路由地址。對于一個給定的接口，在兩個方向上都將可能存在不同的虛通路(VP，VirtualPath)，若干虛通路被復用在一條物理層連接上，而在每條虛通路內部又可能含有許多條虛信道(VC，VirtualChannel)。屬于同一VC的信元群擁有相同的虛信道識別符VCI，屬于同一VP的不同VC擁有相同的虛通路識別符VPI。VCI和VPI都作為信頭的一部分與信元同時傳輸。VPI、VCI的取值規則：在組成一個連接的各個鏈路上，VPI/VCI的取值是相互獨立的，從而可達到充分利用VPI/VCI資源的目的。

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2.VC/VP——虛信道/虛通路1)虛信道(VC)在一個虛通路連接(VPC)中，傳送具有相同VCI的信元所占有的子信道叫做虛信道(VC)。在ATM中，因為每條鏈路容易被該鏈路上的各種接續共享，而不是固定分配，所以每個接續被稱為虛信道，信元流通過一條虛信道進行傳輸。虛信道是ATM網絡鏈路端點之間的一種邏輯聯系，是在兩個或多個端點之間傳送ATM信元的通信通路，可用于用戶到用戶、用戶到網絡、網絡到網絡的信息轉移。

272)虛通路(VP)在一條通信線路上具有相同VPI的信元所占有的子信道叫做虛通路(VP)。傳輸通道、虛通路(VP)和虛信道(VC)的關系如圖10-4所示。

28圖10-4ATM中傳輸通道、虛通路(VP)和虛信道(VC)的關系

293.VPC/VCC——虛通路連接/虛信道連接ATM中的虛通路連接和虛信道連接如圖10-5所示。

圖10-5ATM中的虛通路連接和虛信道連接

301)虛信道連接(VCC)一個或多個級聯的VC鏈路構成一個VCC。VCC的作用是為ATM虛信道(VC)建立一條虛電路。該虛電路連接可用在以下三個方面：(1)用戶到用戶應用：VCC跨越連接兩個端點上的用戶設備，信息將以ATM信元的形式直接從一個用戶設備傳到另一個用戶設備。(2)用戶到網絡應用：VCC處在用戶設備和一個網絡節點之間，實現用戶到某一網絡單元的接入。(3)網絡到網絡應用：VCC位于兩個網絡節點之間。

312)虛通路連接(VPC)一個或多個級聯的VP鏈路構成一個VPC。VPC的作用是為ATM虛通路(VP)建立一條虛電路。該虛電路連接同樣可以應用于用戶到用戶、用戶到網絡和網絡到網絡的信息傳遞。當對信元進行交換或復用時，首先必須在虛通路連接(VPC)基礎上進行，然后才是虛信道連接(VCC)。一個端到端的連接由源和目的地之間的一系列串聯鏈路(Link)組成。這就是說，虛信道連接(VCC)將劃分成若干不同段的虛信道鏈路(VirtualCircuitLinks)，每一段虛信道上都標識以惟一的VCI值，從一段虛信道鏈路到另一段虛信道鏈路VCI的值將被翻譯改變。同樣的道理也適合于虛通路連接(VPC)和虛通路鏈路(VirtualPathLinks)。3210.3.3虛通路交換與虛信道交換

1.VP交換VCI/VPI值在經過ATM交換節點時，該VP交換點根據VP連接的目的地，將輸入信元的VPI值改為新的VPI值賦予信元并輸出，該過程稱為VP交換。VP交換的實現比較簡單，往往只是傳輸通道的某個等級數字復用線的交叉連接，如圖10-6所示。

33圖10-6VP交換過程(a)?VP交換；(b)?VPI轉發表

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2.VP/VC交換VC交換要和VP交換同時進行，因為當一條VC鏈路終止時，VP連接(VPC)就終止了，這個VPC上的所有VC鏈路將各自執行交換過程，加到不同方向的VPC中去，如圖10-7所示。

35圖10-7VP/VC交換過程(a)?VP/VC交換；(b)?VP/VC轉發表

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3.VP交換與VP/VC交換比較對于VP交換，其內部包含的所有VC捆綁在一起選擇相同的路由，穿過交換節點后并不拆散。相應地，VP鏈路內的每個VCI的值保持不變。而VP/VC交換則不同，一個進入交換節點的VP中的某VC鏈路被交換到另一輸出VP中去，不但VPI值發生了改變，而且對應的VCI的值也被更換。從上述交換過程可以看出，雖然ATM交換是異步時分交換，但其原理與同步時分交換(時隙交換)有相似之處，區別在于用VCI/VPI代替了時隙交換中時隙的序號。

37VP交換是靠B-ISDN協議分層模型的管理平面控制完成的，VP/VC交換則由B-ISDN協議分層模型的控制平面負責完成(管理平面、控制平面的相關內容將在10.4節中講述)。VP交換設備(通常是交叉連接器和集中/分配器)僅對信元的VPI進行處理和變換，功能較為簡單；VC交換設備(ATM交換機、復接/分接器)則要同時對VPI/VCI進行處理和變換，功能較為復雜。VPI和VCI只有局部意義，每個VPI/VCI在相應的VP/VC交換節點被處理，相同的VPI/VCI值在不同的VP/VC鏈路段并不代表同一個“虛連接”。由于VP交換具有簡單性，因而在早期可率先在網上投入使用，其容量也容易做得較大。另一方面，在B-ISDN骨干網高層節點，業務流量可以按局向劃分，這一點正符合VP交換的特性。所以，在B-ISDN網絡中，VP交換與VP/VC交換都是需要的。

3810.3.4ATM信頭的功能ATM信頭用來標志異步時分復用信道上屬于同一虛通路的信元，并完成適當的路由選擇。ATM層的全部功能均由信頭來實現。在傳送信息時，網絡只對信頭進行操作而不處理信息域的內容。接收端對信元的識別不再靠嚴格的參考定時，而是靠信元中的信頭標記信息來識別該信元究竟屬于哪一個連接。圖10-8(a)、(b)分別是用戶-網絡接口(UNI)的信頭結構和網絡節點接口(NNI)的信頭結構。

39圖10-8ATM信頭功能(a)?UNI信頭結構；(b)?NNI信頭結構

40ATM信頭各部分的功能解釋如下所述。GFC(GeneralFlowControl)：一般流量控制，占4?bit，只用于UNI接口。在B-ISDN中，為了控制共享傳輸媒體的多個終端的接入而定義了GFC。由GFC控制可產生用戶終端方向的信息流量，從而減小用戶側出現的短期過載。VPI(VirtualPathIdentifier)：虛通路標識符，對VP進行識別。在UNI信元中，VPI為8?bit，表示一條ATM鏈路最多可以包括28?=?256條虛通路。在NNI信元中，VPI為12?bit，表示一條ATM鏈路最多可以包括212?=?4096條虛通路。

41VCI(VirtualChannelIdentifier)：虛信道標識符，用于虛信道路由選擇。在UNI和NNI信元中，VCI字段都為16?bit，故對每個VP定義了216?=?65?536條虛信道。VCI和VPI結合，可在UNI信元中標識16?777?216(256×65?536)條連接，在NNI信元中標識268?435?456(4096×65?536)條連接。PTI(PayloadTypeIdentifier)：信息類型指示段，也叫凈荷類型指示段，占3?bit，用來標識信息字段中的內容是用戶信息還是控制信息。

42CLP(CellLossPriority)：信元丟失優先級，占1?bit，用于表示信元的相對優先等級。在ATM網中，接續采用統計多路復用方式，所以當發生超限過載和擁塞而必須扔掉某些信元時，首先丟棄的是低優先級信元。CLP的意義就是確保重要的信元不丟失。當CLP?=?0時，信元具有高優先級，應保留；當CLP?=?1?時，信元為低優先級，應丟棄。HEC(HeaderErrorControl)：信元頭差錯控制，占8?bit，用于錯誤信頭的監測、糾正。HEC還被用于信元定界，這種無需任何幀結構就能對信元進行定界的能力是ATM特有的。

4310.4基于ATM的B-ISDN協議模型

ATM技術的目的是給出一套對B-ISDN用戶進行服務的系統，通常這些服務系統是由基于ATM的B-ISDN協議模型的定義給出的。該模型描述了ATM網絡的功能，它包括三個平面四個層，如圖10-9所示。

44圖10-9基于ATM的B-ISDN協議分層模型

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1.平面的劃分平面的劃分主要是根據網絡中不同的傳送功能、控制功能和管理功能以及信息流的不同種類來劃分的。ATM協議模型的三個平面分別為用戶面、管理面和控制面。控制面、用戶面都分為四個層，管理面不分層。(1)用戶面(User)：主要提供用戶信息流的傳輸，以及相應的控制(如流量控制、差錯控制等)。通常的數據協議、話音和視頻等業務應用都包括在這個區域。(2)控制面(Control)：提供呼叫連接的控制功能，主要用于信令傳輸，完成網絡與終端間的呼叫建立和撤銷有關的功能。

46(3)管理面(Management)：是性能管理、故障管理以及各個面間綜合管理的網管協議。它提供兩種功能，即面管理功能和層管理功能。①

面管理功能：負責對各個面間的信息進行綜合管理。面管理功能不分層。②

層管理功能：層管理功能是一個分層的結構，主要用于各層內部的管理，監控各層的操作，完成與協議實體內的資源和參數相關的管理功能，處理與特定的層相關的操作維護(OAM)信息流。

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2.各層的功能協議參考模型的分層結構從下到上依次為：物理層、ATM層、ATM適配層(AAL)和高層四個層次。各層間的數據傳輸如圖10-10所示。

48圖10-10ATM協議模型各層間的數據傳輸

491)物理層物理層是承運信息流的載體，位于B-ISDN的最底層，主要負責信元編碼，將ATM層送來的邏輯比特或符號轉換成相應的物理傳輸媒介可傳送的信號，并正確地收/發這些物理信號。為了實現信元的無差錯傳輸，物理層又被分為物理媒體相關子層和傳輸會聚子層，由它們來分別保證信元的正確傳送。

50(1)物理媒體子層(PM，PhysicalMedia)。PM子層處理具體的傳輸介質，它只支持與物理媒體有關的比特功能，因而它取決于所用的傳輸媒質(光纜、電纜)。其主要功能有：比特傳送、比特同步、比特定時、比特定位校準、線路編碼和電/光轉換等。其中，比特定時功能主要完成產生和接收適于所用媒質的信號波形、插入或抽取比特定時信息以及線路編碼和解碼。

51(2)傳輸會聚子層(TC，TransmissionConvergence)。傳輸會聚子層的主要功能是：幀的適配、信元定界、信頭差錯控制校驗等。其功能與物理媒體無關。TC子層所做的工作實際上是鏈路層的工作。它負責將ATM信元嵌入正在使用的傳輸媒體的傳輸幀中，或用相反的方法從傳輸媒體的傳輸幀中提取有效的ATM層信元，完成ATM信元流與物理媒體上傳輸的比特流的轉換工作，即把從PM子層傳來的光電信號恢復成信元，并將它傳送給ATM層處理或進行相反的操作。

52在TC子層，ATM層信元嵌入傳輸幀的過程為：ATM信元解調(緩存)→信頭差錯控制(HEC)產生→信元定界→傳輸幀適配→傳輸幀生成。從傳輸幀中提取有效ATM信元的過程為：傳輸幀接收→傳輸幀適配→信元定界→信頭差錯控制(HEC)檢驗→ATM信元排隊。

532)ATM層ATM層為異步傳遞方式層，位于物理層之上，負責生成與業務類型無關的、統一的信元標準格式，提供ATM業務數據單元的公共傳送功能。它還完成信元的復用與分解，路由選擇/交換，信頭的產生、提取和一般流量控制等功能。ATM層利用信頭中各個功能字段可實現下列四種功能。(1)信元的復用與分解。ATM層相當于網絡層，主要做路由工作，它提供了虛通路(VP)和虛信道(VC)兩種邏輯信息傳輸線路。信元發送時由多個VP和VC合成一條信元流。接收時進行相反的操作，由一條信元流分解成多條VP和VC。

54(2)利用VPI和VCI尋路。路由功能由虛通路識別符(VPI)和虛信道識別符(VCI)完成。在虛通路處理設備(VPH，VPHandler)和虛信道處理設備(VCH，VCHandler)中讀取各個輸入信元的VPI和VCI值，根據信令建立的路由在ATM交換區域或ATM交叉節點處完成對任意輸入的ATM信元的VPI和VCI值變換(每一輸入信元的VPI域值在虛通路節點被譯為新的輸出VPI域值，虛通路識別符和虛信道識別符的值在虛信道交換節點處也被譯為新域值)，更新各輸出信元的VCI和VPI值。路由功能設置VPI、VCI兩層的原因是為了得到一種高效的路由方法，避免為計算路由花費大量的CPU資源，因此，ATM交換機之間可以只用VP交換，ATM與用戶端之間再用VC交換。

55(3)信頭的產生和提取。信頭的產生和提取在ATM層和上層的交互位置完成。在發送端，信頭產生功能從ATM適配層接收信元信息域以后，添加一個相應的ATM信頭(不包括信頭校驗編碼HEC序列)；在接收端，信頭提取操作功能抽掉ATM信頭部分，并將信元信息域內容提交給上一層ATM適配層。簡單地說，就是在將信元遞交給適配層之前去掉信頭，而在相反的方向上加上信頭。

56(4)一般流量控制。在用戶-網絡接口上實現流量控制，這個功能是由信頭中的GFC支持的。用戶設備中的ATM層與網絡節點中的ATM層所完成的功能有所區別。對于用戶設備中的ATM層來講，它所完成的核心功能在于給ATM層適配所形成的信息幀加上信頭，從而形成能夠在ATM網中傳送的信元。與此同時，通過分配與識別信頭中的VPI與VCI值完成信元的復接與分接功能；網絡節點中的ATM層所完成的核心功能在于信頭的變換，通過變換信頭實質上完成了VP交換與VC交換的功能。

573)ATM適配層(AAL)適配層(AAL)介于ATM層和高層之間，執行高層協議的適配，負責將高層的信令或不同類型業務的用戶消息分段適配成ATM信元。適配的原因是由于各種業務(話音、數據和圖像等)所要求的業務質量(如時延、差錯率等)不同。ATM網絡要滿足寬帶業務的需求，使業務種類、信息轉移方式、通信速率與通信網設備無關，保證網絡傳輸的透明性和靈活性，就要通過AAL完成適配，消除各種業務信號在質量條件上的差異。換個角度說，ATM層只統一了信元格式，為各種業務提供了公共的傳輸能力，并沒有滿足大多數應用層(高層)的要求，故需用一個適配層來作ATM層與應用層的橋梁。

58AAL按其功能可以進一步分為兩個子層：信元拆裝子層和會聚子層。(1)信元拆裝子層(SAR，SegmentationAndReassembly)：SAR子層位于AAL層下面，其主要目的是將高層信息拆開裝到一個適當的虛連接上連續的ATM信元中；在相反方向上，將一個虛連接的全部信元內容組裝成數據單元并交給高層。

59(2)會聚子層(CS，ConvergenceSublayer)：CS子層位于AAL層上面，其作用是根據業務質量要求的條件控制信元的延時抖動和信元丟失，在接收端恢復發送端的時鐘頻率，并對幀進行流量控制和差錯控制。ITU-T定義了四類ATM適配功能，即：AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5。這四類功能分別對應ATM層上傳送的A、B、C、D四種業務。A、B、C、D四種業務是根據三個基本參數來劃分的，這三個參數分別是：源和目的之間的定時要求、比特率要求和連接方式。

60表10.2三個基本參數、ABCD四種業務、AAL適配類型以及服務質量的對應關系61●?AAL1：第一類AAL，恒定比特率實時業務適配協議，用于適配ATM層的A類業務(恒定比特率業務CBR)。常見業務為64kb/s話音業務、固定碼率非壓縮的視頻通信及專用數據網的租用電路。AAL1的功能包括用戶信息的分段和重組、丟失和誤插信元的處理、信息到達延遲時間的處理以及在接收端恢復源端時鐘頻率。

62●?AAL2：第二類AAL，可變比特率實時業務適配協議，用于適配ATM層的B類業務(可變比特率業務VBR)。常見業務為壓縮的分組話音通信和壓縮的視頻傳輸。該業務具有傳遞介面延遲特性，其原因是接收器需要重新組裝原來的非壓縮話音和視頻信息。AAL2的功能與AAL1相似。

63●?AAL3/4：第三/四類AAL，數據業務傳送適配協議，由AAL3、AAL4合并而成，用于適配ATM層的C、D兩類業務(可變比特率業務VBR)。支持面向連接和無連接的數據業務和信令，具有可變長度用戶數據的分段、重組及誤碼處理等功能。該業務適用于文件傳遞和數據網業務?！?AAL5：第五類AAL，高效數據業務傳送適配協議。該協議對應ATM層的D類業務，支持無連接數據業務，常見業務為數據報業務和數據網業務。644)高層高層是各種業務的應用層，它根據不同業務(數據、信令或用戶消息)的特點，完成端到端的協議功能，如支持計算機網絡通信和LAN的數據通信，支持圖像和電視業務、電話業務等。上述物理層、ATM層和AAL層的功能全部或部分地呈現在具體的ATM設備中。比如在ATM終端或終端適配器中，為了適配不同的應用業務，需要有AAL層功能來支持不同業務的接入；在ATM交換設備和交叉連接設備中，要用到信頭的選路信息，必須有ATM層功能的支持；在傳輸系統中，則需要物理層功能的支持。

65表10.3ATM協議模型中的各層功能

6610.5ATM交換機

10.5.1ATM交換機的任務1.寬帶業務對ATM交換機的要求寬帶業務覆蓋的范圍十分廣泛，傳送速率可以是固定的，也可以是可變的；對業務特性可以是實時的也可以是非實時的。不同的業務對于信元丟失率、誤碼率、時延抖動等服務參數有著特殊的需求。寬帶業務的這些特性要求ATM交換機具有下列最基本的能力。(1)多速率交換。從幾kb/s～150?Mb/s范圍內的許多速率都要在寬帶交換機中進行交換。67(2)多點交換。要求提供點到點與點到多點的選播/組播/廣播連接功能。

(3)多媒體業務支持。ATM網絡中允許接入的業務有不同形式，為了滿足每一種業務的質量要求，對交換機性能有很高的要求。①

信元丟失/信元誤碼率。要求ATM交換機的信元丟失率應在10－11～10－8范圍之內，即大約每十億個信元才丟失一個。

68②

連接阻塞率。由于ATM交換機內部并不實際建立路由，只是在其路由表中指出該連接的信元VPI/VCI轉換，因此一旦在交換機的入線和出線之間沒有足夠的可用資源來保證已建立連接的質量，系統就會發生連接阻塞。因此，要求在盡量擴大ATM交換機入線和出線規模的同時設計內部無阻塞的交換設備，使ATM交換機具有高性能的吞吐量和低指標的阻塞率。③

交換時延。交換時延是指通過交換機交換一個ATM信元時所用的時間。要求ATM交換機的交換時延值在100～1000ms之間，時延抖動為幾百微秒。

69

2.ATM交換機的主要工作ATM交換機是ATM寬帶網絡中的核心設備，需要完成物理層和ATM層的功能。對于物理層，它的主要工作是對不同傳輸媒介電器特性進行適配。對于ATM層，它的主要工作是完成ATM信元的交換，即VP/VC交換。

70圖10-11ATM交換機的功能模塊

71

1.ATM接口模塊ATM接口模塊位于ATM交換機的邊緣，為ATM信元的物理傳輸媒質和ATM交換模塊提供對外的接口，完成入線處理和出線處理。其中，入線處理是對各入線上的ATM信元進行處理(如緩沖、信元復制、虛信道識別碼VCI翻譯、多個低速設備的多路信息分流等)，使它們成為適合送入ATM交換單元處理的形式，完成的功能類似于B-ISDN協議模型中將信息由物理層向ATM層提交的過程；出線處理則是對ATM交換單元送出的ATM信元進行處理(如緩沖、VCI翻譯、合并等)，使它們成為適合在線路上傳輸的形式，類似于B-ISDN協議模型中將信息由ATM層向物理層提交的過程。72為了能夠靈活地提供各種業務和網絡配置，適應各種現有的和將來的業務，ATM接口模塊分為兩大類：一類是業務接口模塊；另一類是ATM接口模塊。1)業務接口模塊業務接口模塊用來提供與具體業務相關的接口，完成業務接口處理，以及AAL層和ATM層的功能。業務接口的處理包括物理層、數據鏈路層甚至更高層的功能，如業務數據幀結構的識別、用戶數據和信令的分離或組裝。業務信令轉換為ATM信令，由交換機的控制模塊進行處理。業務數據則根據不同的業務類型，進行不同類型的ATM適配。732)ATM接口模塊(1)輸入模塊。輸入模塊是信息比特流出/入ATM交換系統的入口，包含物理層和ATM層功能。物理層信號要由這一模塊接收并處理SDH附加位，ATM信元也在這里提取。此外，在交換處理以前，輸入模塊要向每一信元附加內部標簽。內部標簽用于通過信元交換單元進行路由選擇，它包括內部處理信息，如源用戶、終接用戶、信元序號、信元類型、信元信息差錯檢查和時間標記等。這些信息對于交換內部性能的監測非常有用，例如時間標記記錄了信元在交換中的處理時間。所以，輸入模塊還要處理信頭，預處理用戶數據信元，識別包含信令和管理信息的信元，并將它們從用戶數據信元中分揀出來。

74圖10-12輸入模塊的功能和信元流(a)輸入模塊的功能；(b)信元流

75由圖10-12可知，輸入模塊由如下6個基本功能模塊組成：●同步數字系列(SDH)功能模塊；●信元定界和信頭差錯控制(HEC)功能模塊；●占用參數控制和網絡參數控制(UPC/NPC)功能模塊；●信元處理功能模塊；●輸入模塊系統管理(IM-SM)功能模塊；●輸入模塊接續容許控制(IM-CAC)功能模塊。

76同步數字系列功能模塊與信元定界和信頭差錯控制功能模塊用來提供物理層功能。ATM層功能模塊由UPC/NPC和信元處理功能模塊提供。IM-CAC和IM-SＭ功能模塊是接續容許控制和系統管理功能駐留在輸入模塊的部分。①

同步數字系列(SDH)功能模塊。ATM交換系統接口是標準的B-ISDN用戶-網絡接口和網絡節點接口。它們基于同步數字系列(SDH)和信元物理層技術規范。SDH物理層功能分為兩個子層，即傳輸匯聚子層(TC)和物理媒體子層(PM)。物理媒體子層涉及諸如比特定時和線路編碼等傳輸特性。傳輸匯聚子層處理物理層功能，它們獨立于傳輸媒體特性。

77②?UPC/NPC功能模塊。這個功能模塊負責ATM層功能處理。ATM層處理適用于3種類型的ATM層信息流，即用戶信元、信令信元和管理信元。處理順序為：先進行UPC和NPC處理，然后是信元處理。信元處理時，信元被送到ATM交換系統的不同部分進行處理。

78(2)輸出模塊。輸出模塊和輸入模塊類似，它處理交換系統話務量的輸出。該模塊的主要功能是從信元交換單元接收信元，對其預處理，然后送到輸出鏈路進行物理傳輸。輸出模塊支持B-ISDN用戶-網絡接口和網絡節點接口，呼出話務由映射到SDH信號的ATM信元組成。輸出模塊的功能如圖10-13(a)所示，相應的信元流如圖10-13(b)所示。

79圖10-13輸出模塊的功能和信元流(a)輸出模塊的功能；(b)信元流

80由圖10-13可知，輸出模塊由以下5個基本功能模塊組成：●輸出模塊系統管理(OM-SM)功能模塊；●輸出模塊接續容許控制(OM-CAC)模塊；●信元處理模塊；●傳輸匯聚功能模塊；●同步數字系列(SDH)功能模塊。

81①

傳輸匯聚功能模塊。物理層的傳輸匯聚子層產生SDH信息幀和信頭差錯控制(HEC)，并且把ATM信元映射到SDH信息域。傳輸匯聚功能模塊如圖10-14所示，它反映了ATM信元進行SDH傳輸的處理步驟。

82圖10-14傳輸匯聚功能模塊

83信頭差錯控制(HEC)域利用信元首標的前4個字節生成。信元編碼在信元信息域完成。由于它們工作在信元的不同部分，因此這兩步處理順序可變。信元映射和信元率重組的功能是把ATM信元裝入SDH信息域。封裝處理以保證信元順序，使ATＭ信元字節結構和SDH信息域字節結構保持一致。SDH功能模塊負責SDH信息幀在光纖鏈路上的傳輸，如圖10-15所示。該模塊由4個功能組成，即SDH信息幀產生、SDH附加位產生、信息域配置和光/電信號轉換。

84圖10-15SDH功能模塊

85②ATM層功能模塊。由于輸入模塊已經對輸入信元進行了信元首標的處理，因此輸出模塊的ATM層功能較為簡單。首先，輸出模塊必須取掉輸入模塊向每一信元附加的內部標簽。其次，輸出模塊需要翻譯多點傳遞信元的虛通路標識符或虛信道標識符。輸出模塊還要把從接續容許控制和系統管理中接收的信令和信元插入輸出信元流。最后，輸出模塊需要對輸出信元計數，以支持計費管理。

86信元處理功能塊在信元交換單元處理后，接收輸出用戶信元。信令信元可從接續容許控制模塊直接或通過信元交換單元間接接收。與此類似，管理信元也可從系統管理功能模塊直接或通過信元交換單元間接接收。如圖10-16所示，信元處理模塊由4部分組成，它們是VP/VC數據庫、信令信元插入、管理信元插入以及內部信息處理。

87圖10-16信元處理模塊

88③

輸出模塊接續容許控制(OM-CAC)模塊。當接續容許控制集中處理時，輸出模塊作用不大。為了減輕接續容許控制處理負擔，需要把它的一些功能分散到輸出模塊。例如，把高層輸出信令信息封裝到信令信元。④

輸出模塊系統管理(OM-SM)模塊。為了減輕系統管理集中處理的負擔，一些系統管理功能可以分散到輸出模塊。例如，輸出模塊系統管理可以處理操作和維護信元的產生。

89

2.ATM控制模塊ATM控制模塊是交換機的中央樞紐，它通過信令和管理軟件完成資源管理、流量控制、交換模塊的動作控制以及設備管理和網絡管理等功能(設備管理和網絡管理通常也在外接的管理維護模塊上完成)。控制模塊可分為輸入控制器、輸出控制器和控制單元。(1)輸入控制器：完成信元定界、信頭有效性檢驗、信元類型分離等功能。(2)輸出控制器：完成信元形成、速率適配、傳輸幀的形成等功能。(3)控制單元：完成VPC和VCC的建立和拆除、信令信元的發送、OAM信元的處理和發送等功能。

90

3.ATM交換模塊ATM交換模塊由三部分組成，即互聯網絡、對應于每條輸入線的輸入控制器(IC)和對應于每條輸出線的輸出控制器(OC)，三者的關系如圖10-17所示。1)互聯網絡互聯網絡即ATM交換網絡，它提供了信元交換的通路，將信元從一個VP/VC交換到另一個VP/VC。交換模塊還完成一定的流量控制功能，主要是優先級控制和ABR業務的流量控制。與傳統的交換網絡一樣，ATM交換網絡也有兩種結構：一種是空分交換結構，另一種是時分交換結構。

91圖10-17交換模塊的一般模型

92(1)空分交換結構?？辗纸粨Q結構如圖10-18所示。

圖10-18空分交換結構

93①

自選路由方式。圖10-19所示為采用自選路由交換模塊構成的交換網絡對信頭的處理過程。自選路由方式通過給信元加一些尋路標識來提供快速的選路功能。采用自選路由時，VPI/VCI的翻譯任務必須在交換網絡的輸入端完成。然后在信頭前插入內部標識符，使得交換網絡內部的信元格式大于53字節。信頭擴展要求增加內部網絡的速度。每個連接(從輸入到輸出)都有一個特定的交換網內部標識符，這個內部標識符因交換矩陣而異。在一點到多點的連接中，可給VPI/VCI分配一個多路交換標識，根據它復制信元并選路送往各目的端。

94圖10-19自選路由方式

95②

表格控制方式。圖10-20所示為采用表格控制交換模塊構成的交換網絡對信頭的處理過程。在表格控制方式中，需要在交換矩陣內存儲大量的路由表，每個表項都包括新的VPI/VCI和對應的輸出端或鏈路號。當信元到達ATM交換機后，如果交換機讀到的VPI/VCI與路由表中的一致，就會很快自動找到輸出端口并更新信頭的VPI/VCI值，發往下一個節點(信頭必須按輸出端口的要求進行轉換)。

96圖10-20表格控制方式

97(2)時分交換結構。時分交換結構如圖10-21所示。在時分交換結構中，所有的輸入/輸出端口以時分復用的方式共享一條通信信道，這條通信信道就是一條高速的信元流通路。時分交換結構根據信道結構的不同分為共享總線和共享存儲器兩種，它們完成信元從一個時隙到另一時隙的轉移。ATM的邏輯信道和時隙并沒有固定關系，邏輯信道的身份是靠信頭值來標識的，因此時分交換是靠信頭翻譯來完成的，如時隙i中的信元a被交換到時隙j，而時隙k中的信元c被交換到時隙i。

98圖10-21時分交換結構

992)輸入控制器輸入控制器對信元的輸入處理包括信元的定界和分離、信元的有效性檢驗和類型分離。(1)信元的定界和分離：從信元所在的幀結構中定界各個信元，并將其從幀結構中分離出來，還需要處理幀結構中所攜帶的OAM信息。(2)信元的有效性檢驗和類型分離：對分離出的各個信元進行HEC檢驗，并丟棄無效信元，根據PTI對信元的類型進行識別；把信息信元送到交換單元，對空閑信元一般予以丟棄，對OAM信元，則處理其中的OAM信息等。

1003)輸出控制器輸出控制器對信元的輸出處理包括以下內容：(1)由總線收到的信元需和有關的OAM信元流復合。(2)速率適配需要對輸出信元速率進行適配。若收到的信元流速率過低，則需要添加空閑信元；若收到的信元流速率過高，則需要用緩存器予以緩沖。(3)輸出線路碼流需要產生相應的幀結構，并把信元嵌入，還需要安全幀結構中所攜帶的線路OAM信息。

10110.6ATM通信網接口

1.用戶-網絡接口用戶-網絡接口(UNI)是ATM終端設備和ATM通信網間的接口，主要完成用戶-網絡接口的信令處理和VP/VC交換操作。用戶-網絡接口功能包括ATM物理層接口技術規范、ATM層接口技術規范和暫定本地管理接口技術規范。ATM論壇又把UNI分為公用UNI和專用UNI兩種。在ATM網中，如果有一個交換機屬于公用網交換機，另一個屬于專用網交換機，則二者的接口就應采用公用用戶-網絡接口。若兩個交換機都屬于專用網，則接口就應采用專用用戶-網絡接口(PUNI，PrivateUNI)。

102

1.用戶-網絡接口用戶-網絡接口(UNI)是ATM終端設備和ATM通信網間的接口，主要完成用戶-網絡接口的信令處理和VP/VC交換操作。用戶-網絡接口功能包括ATM物理層接口技術規范、ATM層接口技術規范和暫定本地管理接口技術規范。ATM論壇又把UNI分為公用UNI和專用UNI兩種。在ATM網中，如果有一個交換機屬于公用網交換機，另一個屬于專用網交換機，則二者的接口就應采用公用用戶-網絡接口。若兩個交換機都屬于專用網，則接口就應采用專用用戶-網絡接口(PUNI，PrivateUNI)。

103圖10-22B-ISDN用戶-網絡接口物理配置模型

104對圖10-22的配置和參考點解釋如下：(1)?UB、TB。UB、TB都是公用UNI的參考點。UB是公用網和寬帶用戶終端B-NT1之間的接口。目前，ITU-T對此接口的速率傳輸等特性尚無具體規定，在各廠商(如AT&T、富士通等)的設備中，通常采用SDH的155?Mb/sSTM-1和622?Mb/sSTM-4作為物理傳輸系統的接口標準。TB被ITU-T定義為B-NT1和B-NT2之間的接口標準。目前規定了五種標準接口速率：1.544Mb/s、2.048Mb/s、51.84Mb/s、155Mb/s和622Mb/s，可采用SDH、PDH傳輸系統或純信元形式的傳輸系統。

105(2)?SB、R。SB、R都是專用UNI的參考點。SB接口是B-NT2和B-NT1或寬帶適配器之間的接口，經常用做局域網及單位內部網的UNI。例如，為方便局域網的連接，ATM論壇規定了多種基于現有局域網物理傳輸系統的接口標準，如25?Mb/s、51?Mb/s、100?Mb/s以及155?Mb/s接口，傳輸線路可以是非屏蔽雙絞線(UTP)、屏蔽雙絞線(STP)、同軸電纜或光纖。R接口與前三種接口的不同之處在于：UB、TB和SB接口的用戶信息是信元形式，而R接口都是非信元形式的終端業務。R接口標準根據接入的終端種類確定，當接入E1業務時，R接口遵循G.703建議，當接入Ethernet時，遵循IEEE802.3建議。

106(3)?B-NT1(NetworkTerminal)。B-NT1表示網絡終端1，具有用戶傳輸線路用戶側的終端功能和B-UNI第一層的功能。(4)?B-NT2表示網絡終端2，具有第一層和高層的功能。(5)?B-TE1(TerminalEquipment)是B-ISDN標準功能的終端。(6)?B-TE2是非B-ISDN標準功能的終端。(7)?B-TA(TerminalAdaptor)是終端適配器，對于非標準B-ISDN終端，還應加上B-TA，用以提供非標準終端協議轉換功能，實現B-TE1的功能。

107

2.網絡節點接口網絡節點接口(NNI)的含義較為廣泛，它可以是兩個公用網的界面，也可以是兩個專用網的界面，它還可用做交換機間的接口，在公用網它是網絡節點，在專用網它是交換接口。NNI用來完成網絡節點接口的信令處理和VP/VC交換操作。NNI是公用網中交換機的接口，PNNI(PrivateNNI)是專用網中交換機之間的接口。網絡節點接口標準包括各種物理接口、ATM層接口、管理接口和相關信令的定義。PNNI還包括專用網絡節點接口路由選擇結構的技術規范。

108

3.數據交換接口數據交換接口(DXI，DataExchangeInterface)技術規范包括數據鏈路協議、物理層接口、本地管理接口和管理信息庫的定義。物理層接口用來處理數據終端設備(DTE)和數據通信設備(DCE)間的數據傳遞，管理信息庫用于ATM數據交換接口。數據交換接口的目標是：不需要較大投資的硬件更新設備(如光接口)就可接入ATM網。數據交換接口允許利用路由器等數據終端設備和數據通信設備與ATM網互聯。

109

4.寬帶互聯接口(B-ICI)寬帶互聯接口用于兩個ATM公用網之間，是傳輸到傳輸的接口。其技術標準包括各種物理層接口、ATM層管理接口和高層功能接口。寬帶互聯接口使各種傳輸網在傳遞不同業務時可以互通。

110圖10-23ATM網絡接口的結構

11110.7ATM通信網信令

10.7.1ATM通信網信令的特點ATM的信令具有下列特點：(1)?ATM信令是帶外信令。(2)?ATM使用獨立的信令信道傳送信令消息。(3)信令信元以與用戶數據信元相同的方式在ATM層傳遞。(4)對于點到點信令，信令信元被分配到信令虛信道，在信令接入配置中，可以只用一條預先建立的信令虛信道。

112(5)點到多點信令結構用于UNI中，如一個用戶-網絡接口被多個用戶分享。點到多點信令接入配置中，需使用元信令來管理信令虛信道。元信令只管理用戶-網絡接口信令(UNI)，而不涉及網絡節點信令(NNI)。(6)廣播式的信令虛信道是從網絡到用戶的單向信道，可用于點至多點方