现代计算机网络原理ATM交换技术

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1、1 12 2n ATMATM交换：从一条逻辑交换：从一条逻辑ATMATM信道到一条或多条信道到一条或多条ATMATM逻辑信道的逻辑信道的信息交换；信息交换；n ATMATM逻辑信道：由信元头中逻辑信道：由信元头中VPI/VCIVPI/VCI标识的虚信道；标识的虚信道；n 数据交换的实现方式：数据交换的实现方式：空分交换：将一条物理入线上的信息交换到另一条物理出空分交换：将一条物理入线上的信息交换到另一条物理出线上；线上；时分交换：将入数据帧上某一时隙的信息交换到出数据帧时分交换：将入数据帧上某一时隙的信息交换到出数据帧的另一时序上；的另一时序上；信元交换：将某入逻辑信道上的信元交换到某一出逻辑

2、信信元交换：将某入逻辑信道上的信元交换到某一出逻辑信道上，信元头上的逻辑信道标识同时发生变化。道上，信元头上的逻辑信道标识同时发生变化。第四章第四章 3 3n 空分交换空分交换 关键技术：如何实现入线到出线的路由，有效解决对输出端关键技术：如何实现入线到出线的路由，有效解决对输出端口的竞争问题口的竞争问题第四章第四章 4 4n 时分交换时分交换 关键技术：如何实现信息单元的缓存与切换，解决输入信息关键技术：如何实现信息单元的缓存与切换，解决输入信息单元对输出时隙的竞争问题单元对输出时隙的竞争问题第四章第四章 5 5n 信元交换信元交换 关键技术：如何解决对输出端口的竞争问题，信关键技术：如何解

3、决对输出端口的竞争问题，信息单元的缓存队列中服务质量控制问题息单元的缓存队列中服务质量控制问题第四章第四章 6 6n 对对ATMATM交换系统的要求交换系统的要求 处理不同的业务信息速率：从几处理不同的业务信息速率：从几kbpskbps到几到几GbpsGbps传输服务传输服务 处理不同的业务行为特性：处理不同的业务行为特性：恒定比特率恒定比特率 可变比特率可变比特率 实时业务实时业务/非实时业务；单播非实时业务；单播/组播组播/广播功能广播功能 处理不同的性能的要求：处理不同的性能的要求：语义透明性：信元丢失率、误比特率语义透明性：信元丢失率、误比特率时间透明性：传输时延、时延抖动时间透明性：

4、传输时延、时延抖动第四章第四章 7 7n VPVP交换（又称为交叉连接）：交换（又称为交叉连接）：只提供只提供VPVP连接的交换，实现输入连接的交换，实现输入VPIVPI值到输出值到输出VPIVPI值的映射值的映射 被交换的被交换的VPCVPC中包含的所有中包含的所有VCCVCC作为整体被交换作为整体被交换 VP VP交换用于骨干网中大量的交换用于骨干网中大量的VCCVCC的成组交换的成组交换第四章第四章 8 8n VCVC交换交换 提供不同的提供不同的VPCVPC中各中各VCCVCC之间的信息交换之间的信息交换 实现输入实现输入VPI/VCIVPI/VCI值到输出值到输出VPI/VCIVPI

5、/VCI值的映射值的映射 VCVC交换可以涵盖交换可以涵盖VPVP交换交换第四章第四章 9 9n 基本结构基本结构第四章第四章 InterfacesFabricInput/output buffersscheduler,mappingsHigh-speed switchingManagementsoftwareSignallingsoftware1010n 基本组成基本组成交换（模块）单元交换（模块）单元输入输入/输出输出/缓存和调度单元缓存和调度单元 控制软件：控制软件：信令软件信令软件管理软件管理软件第四章第四章 11 11n 缓冲器缓冲器缓冲器是统计复用的交换系统的必要的部件；缓冲器是统

6、计复用的交换系统的必要的部件；缓冲器可以解决多个输入的数据流缓冲器可以解决多个输入的数据流/数据分组争夺一个数据分组争夺一个输出端口时分组丢失的问题；输出端口时分组丢失的问题；根据缓冲器在交换单元中的位置，有多种排队策略根据缓冲器在交换单元中的位置，有多种排队策略输入排队输入排队输出排队输出排队中间排队中间排队输入输入/输出排队输出排队 第四章第四章 1212n 输入排队策略输入排队策略第四章第四章 1313n 输入排队策略：输入排队策略：解决输入端可能出现的竞争问题解决输入端可能出现的竞争问题仲裁器可根据不同的策略决定哪些入线队列的信元通行仲裁器可根据不同的策略决定哪些入线队列的信元通行仲裁

7、策略：仲裁策略：轮询服务轮询服务优先级服务优先级服务根据队列的拥塞情况确定服务根据队列的拥塞情况确定服务 第四章第四章 1414n 输出排队策略输出排队策略第四章第四章 1515n 输出排队策略输出排队策略假定入线的信元可以通过高速的交换单元到达输出端假定入线的信元可以通过高速的交换单元到达输出端输出排队可以解决在多个信元对输出端的竞争问题输出排队可以解决在多个信元对输出端的竞争问题在每一个信元调度周期内，只有一个信元到达输出线在每一个信元调度周期内，只有一个信元到达输出线 其余到达的信元在缓冲器中等待其余到达的信元在缓冲器中等待输出缓冲其可以有多个队列，输出调度器各级某种规则输出缓冲其可以有

8、多个队列，输出调度器各级某种规则控制不同缓冲队列中的信元输出控制不同缓冲队列中的信元输出为保证在输入端无信元丢失，交换的速度必须为保证在输入端无信元丢失，交换的速度必须N(N(输入端口输入端口 数数)于入线的速率于入线的速率第四章第四章 1616n 中央排队策略中央排队策略第四章第四章 1717n 中央排队策略中央排队策略在交换单元中设置缓冲器，供输入输出端口共享在交换单元中设置缓冲器，供输入输出端口共享中央缓冲方式可节省缓冲器的总容量中央缓冲方式可节省缓冲器的总容量采用中央缓冲方式通常需要复杂的控制机制解决高效率采用中央缓冲方式通常需要复杂的控制机制解决高效率的信元读写功能的信元读写功能n

9、在实际的系统中，通常同时采用输入在实际的系统中，通常同时采用输入/输出，或者输入输出，或者输入/中央中央/输出等的综合排队缓冲方式输出等的综合排队缓冲方式第四章第四章 1818n 排队策略的性能分析排队策略的性能分析 衡量排队策略性能的主要指标衡量排队策略性能的主要指标信元丢失率信元丢失率信元的排队时延信元的排队时延所需缓冲器的容量所需缓冲器的容量 研究性能的主要方法研究性能的主要方法设定业务类型设定业务类型加入不同的负荷量加入不同的负荷量 通过理论分析或仿真获得上述的性能指标通过理论分析或仿真获得上述的性能指标第四章第四章 1919n 排队策略的性能分析排队策略的性能分析 通常基本理论分析的

10、假设条件通常基本理论分析的假设条件 N N入线入线/N/N出线：输入输出对称出线：输入输出对称 入线的平均利用率为入线的平均利用率为p(0p1)p(0p1)，相应地空信元概率为，相应地空信元概率为1-p1-p 任一输入信元寻址到任何一出线的概率相等：任一输入信元寻址到任何一出线的概率相等：1/N1/N 利用排队论的分析方法，可以证明，平均延时为利用排队论的分析方法，可以证明，平均延时为 第四章第四章 ppNNW1212020n 排队策略的性能分析：排队策略的性能分析：平均等待实际与入线利用率的关系平均等待实际与入线利用率的关系 时延主要由时延主要由p p决定，与决定，与N N的关系不大的关系不

11、大 第四章第四章 2121n 排队策略的性能分析：负荷与缓冲队列长度的关系排队策略的性能分析：负荷与缓冲队列长度的关系 三种排队模型计算机仿真结果三种排队模型计算机仿真结果 第四章第四章 2222n 排队策略的性能分析：信元丢失率与缓冲器大小的关系排队策略的性能分析：信元丢失率与缓冲器大小的关系 中央排队的方式所需缓冲空间最小中央排队的方式所需缓冲空间最小 第四章第四章 2323n 排队策略的性能分析：排队策略的性能分析：输入排队输入排队最大可承担的负荷：最大可承担的负荷：单一的输入排队方式在实际系统中很少用单一的输入排队方式在实际系统中很少用 输出排队输出排队负荷小于时，平均等待时间很小，中

12、等队列长度负荷小于时，平均等待时间很小，中等队列长度 中央排队中央排队负荷小于时，平均等待时间、队列长度均很小负荷小于时，平均等待时间、队列长度均很小第四章第四章 2424n 不同排队策略实现的复杂性分析：不同排队策略实现的复杂性分析：第四章第四章 2525n 基本交换模块的组成基本交换模块的组成 入线控制器（入线控制器（ICIC）：用于输入端口的控制）：用于输入端口的控制 出线控制器（出线控制器（OCOC）：用于输出端口的控制）：用于输出端口的控制 传输传输/交换网络：用于实现信元从入线到出线的交换通路交换网络：用于实现信元从入线到出线的交换通路第四章第四章 2626n 基本交换模块的典型指

13、标基本交换模块的典型指标 端口数：端口数：2 22 21616161632323232 端口速率：端口速率：155Mbps155Mbps622Mbps622Mbps第四章第四章 2727n 基本交换模块的工作方式：基本交换模块的工作方式：（1 1）空分方式：通过并行的空分复用提高交换速度）空分方式：通过并行的空分复用提高交换速度 切换的控制可根据某种调度规则实现切换的控制可根据某种调度规则实现第四章第四章 矩阵内的矩阵内的切换开关切换开关数目：数目：NN2828n 基本交换模块的工作方式基本交换模块的工作方式 （2 2）总线方式：）总线方式：通过线宽的加大换取交换速度的提高通过线宽的加大换取交

14、换速度的提高 交换的实现通过总线的仲裁逻辑控制交换的实现通过总线的仲裁逻辑控制第四章第四章 要求总线要求总线速率大于速率大于N倍端口倍端口速率速率2929n 基本交换模块的工作方式基本交换模块的工作方式（3 3）共享存储器方式：）共享存储器方式：切换通过输入切换通过输入/输出共享存储器的方式来实现输出共享存储器的方式来实现 切换速度主要通过加大线宽来提高切换速度主要通过加大线宽来提高第四章第四章 3030n ATMATM交换机构：交换机构：ATM ATM交换机构由大量的交换机构由大量的ATMATM交换模块组成交换模块组成 ATMATM交换机构通常采用多级互连网（交换机构通常采用多级互连网（MI

15、NMIN）的结构）的结构 采用采用MINMIN的结构可以大大减少内部交换节点的结构可以大大减少内部交换节点/开关的数目开关的数目 MINMIN交换结构主要需要解决的问题交换结构主要需要解决的问题 路由选择：保证从入线可得到到出线路由选择：保证从入线可得到到出线 的合适传输路径，解决拥塞和竞争的合适传输路径，解决拥塞和竞争 资源问题。资源问题。第四章第四章 3131n 多级互连网（多级互连网（MINMIN）的路由标签）的路由标签 从入线到出线的路由可由一串称为路由标签的数字表示从入线到出线的路由可由一串称为路由标签的数字表示第四章第四章 3232n 路由选择：路由选择：基于信元的自寻路方式基于信

16、元的自寻路方式 路由信息存放在路由标签中，加到每一个信元的前面路由信息存放在路由标签中，加到每一个信元的前面 路由标签包含经过路由标签包含经过MINMIN中各级的路由信息，逐级被解析中各级的路由信息，逐级被解析 该方式实现组播比较困难该方式实现组播比较困难第四章第四章 3333n 路由选择：路由选择：基于信元的自寻路方式原理示意图基于信元的自寻路方式原理示意图第四章第四章 3434n 路由选择：路由选择：基于网络路由表的寻路方式基于网络路由表的寻路方式 在在MINMIN中每一级提供基于信元中每一级提供基于信元VPI/VCIVPI/VCI的路由表的路由表 根据路由表确定每个特定根据路由表确定每个

17、特定VPI/VCIVPI/VCI标记信元的传递路由标记信元的传递路由 在每级交换时更新在每级交换时更新VPI/VCIVPI/VCI标记标记 该方式易于实现组播功能该方式易于实现组播功能第四章第四章 3535n 路由选择：路由选择：基于路由表的寻路方式原理示意图基于路由表的寻路方式原理示意图第四章第四章 3636n 多级互连网（多级互连网（MINMIN）内部的资源竞争）内部的资源竞争/阻塞问题阻塞问题 竞争竞争/阻塞会导致信元的丢失阻塞会导致信元的丢失第四章第四章 3737n 降低多级互连网（降低多级互连网（MINMIN）内部阻塞的主要方法）内部阻塞的主要方法在基本交换模块中设置缓冲队列在基本交

18、换模块中设置缓冲队列提高提高MINMIN内部的信息处理速率内部的信息处理速率在交换节点之间建立反馈控制机制在交换节点之间建立反馈控制机制在入线与出线之间采用多平面平行网络在入线与出线之间采用多平面平行网络在基本交换单元间提供多条通路在基本交换单元间提供多条通路n 通过适当的措施，信元在通过适当的措施，信元在MINMIN内部的丢失率可以控制在内部的丢失率可以控制在 10101010以下。以下。第四章第四章 3838n 降低多级互连网（降低多级互连网（MINMIN）内部阻塞的主要方法）内部阻塞的主要方法在基本交换模块中设置缓冲队列在基本交换模块中设置缓冲队列提高提高MINMIN内部的信息处理速率内

19、部的信息处理速率在交换节点之间建立反馈控制机制在交换节点之间建立反馈控制机制在入线与出线之间采用多平面平行网络在入线与出线之间采用多平面平行网络在基本交换单元间提供多条通路在基本交换单元间提供多条通路n 通过适当的措施，信元在通过适当的措施，信元在MINMIN内部的丢失率可以控制在内部的丢失率可以控制在 10101010以下。以下。第四章第四章 3939Input/output buffersscheduler,mappingsInputBufferOutputBufferInputBufferOutputBufferInputBufferOutputBufferInputBufferOutputBufferFABRICn 避免竞争出线导致丢失的方法：增加多个缓冲队列避免竞争出线导致丢失的方法：增加多个缓冲队列第四章第四章 4040QUEUESERVERn 多路输出缓冲队列的调度多路输出缓冲队列的调度第四章第四章 4141