第七章 ATM交换技术 本章教学基本要求： 1．了解ATM的定义及信元结构； 2．理解虚信道和虚通路； 3．理解ATM协议分层结构； 4．理解ATM交换的基本原理； 5．理解ATM连接的建立和清除； 6．掌握ATM交换机的组成； 7．掌握ATM交换结构。

本章教学主要内容： 一、ATM的基本概念 二、B-ISDN/ATM协议 三、ATM交换的基本原理 四、ATM交换机的组成 五、ATM交换结构 六、ATM连接建立和清除 一、ATM的基本概念 1．ATM的定义 ATM（Asynchronous Transfer Mode），即异步转移模式，被ITU-T定义为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式。术语“转移”包括了传输和交换两个方面，所以转移模式是指信息在网络中传输和交换的方式。“异步”是指在接续和用户中带宽的分配方式。因此，ATM就是在用户接入、传输和交换级综合处理各种通信量的技术。

2．ATM的信元结构 ATM信元的长度是固定的，而且信元的长度较小，只有53字节，分为信头和净荷两部分，信头为5个字节，净荷为48个字节。ATM信元的信头内容在用户-网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）中略有差别，如图7.1所示。 (1)GFC：一般流量控制，4比特。仅用于UNI接口，用于控制ATM接续的业务流量，减少用户边出现的短期过载。只控制产生于用户终端方向的信息流量，而不控制网络方向的业务流量。 (2)VPI：虚通道标识，其中NNI为12比特，UNI为8比特。 (3)VCI：虚通路标识，16比特，标识虚通道内的虚通路，VCI与VPI的组合来标识一个虚连接。 (4)PTI：净荷类型指示，3比特，用来指示信元类型。 (5)CLP：信元丢失优先级，1比特。用于信元丢失级别的区别，CLP为1，表示该信元为低优先级，为0则为高优先级，当传输超限时，首先丢弃的是低优先级信元。 (6)HEC：信头差错控制，8比特，监测出有错误的信头，可以纠正信头中1比特的错误。HEC还被用于信元定界。 G F CV P IV P IV C IV C IV C IP T ICLPH E CV P IV P IV C IV C IV C IP T ICLPH E C(b)NNI格式(a)UNI格式TEUNINNINNI8 7 6 5 4 3 2 1bit8 7 6 5 4 3 2 1bit12345字节12

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其它B-ISDN

图7.1 ATM信元的信头格式 3．虚信道与虚通路 ATM技术中最重要的特点就是信元的复用、交换和传输过程，均在虚信道（VC）上进行。 (1)虚信道（VC）与虚通路（VP） ①VC 虚信道是ATM网络链路端点之间的一种逻辑联系，是在两个或多个端点之间传送ATM信元的通信通路，由VCI标识，可用于用户到用户、用户到网络、网络到网络的信息转移。 ②VP 虚通路是在给定参考点上具有同一虚通道标识符的一组虚通路。虚通路在传输过程中，组合在一起构成虚通道，二者关系如图7.2所示。因此ATM网络中不同用户的信元是在不同的VP、VC中传送的，而不同的VP/VC则是利用各自的VP标识（VPI）和VC标识（VCI）进行区分。

传输路径VPVPVPVPVPVPVCVC

VC

VCVCVC

图7.2 传输通道、虚通道VP、虚通路VC的关系 (2)虚信道连接（VCC）与虚通路连接（VPC） 图7.3 VCC与VPC的关系 ①VCC VCC端点之间的VC级端到端的连接，由多条VC链路串接而成，VCI（虚信道标识）用来识别一条VC。 ②VPC VPC端点之间的VP级端到端的连接，由多条VP链路串接而成，VPI（虚通道标识）用来识别一条VP。 VCC端点是VCC的起点和终点，是ATM层及其上层交换信元净荷的地方，也就是信息产生的源点和被传送的目的点。VPC端点是VPC的起点和终点，是VCI产生，变换或终止的地方。 注意：VCI值改变时，支持它的VPI一定相应地变化；而VPI值改变时，其中的VCI不一定变化。换句话说，VP可以单独交换，而VC交换必然和VP交换一起进行。 (3)VC交换与VP交换 ①VP交换 交换机将一条VP上所有的VC链路上的ATM信元全部转送到另一条VP，交换过程中不改变VCI值。如图7.4所示。

虚信道连接（VCC） 虚通道连接（VPC） VC链路 VC链路 VC链路

VCIX VCIy VCIZ

VP链路 VP链路 VP链路 VPIX VPIy VPIZ VP交换VPI1VPI2VPI3VPI4VPI5VPI6

VCI1VCI2VCI3VCI4VCI5VCI6VCI3VCI4

VCI5VCI6

VCI1VCI2

图7.4 VP交换 ②VC交换 交换机在不同的虚通道VP和虚通路VC质检进行ATM信元交换，所有VPI/VCI在交换后都改为新值。如图7.5所示。

VP交换VPI1VPI4VPI5VCI1

VCI2

VCI1VCI2VCI1VCI2

VPI2VPI3VCI4

VCI3

VCI1VCI2VCI3VCI4VC交换VPC端点

图7.5 VC交换

二、B-ISDN/ATM协议 1．ATM协议参考模型 ITU-T I.321建议描述了基于ATM的B-ISDN的协议参考模型，如图7.6所示。它由面和层构成一个立体模型，面用来描述网络中可以支持的不同功能，层用来描述网络功能的实现模型。

管理面控制面用户面面

管理层

管理

高层

ATM适配层（AAL）ATM层物理层

高层

图7.6 B-ISDN协议参考模型 (1)三个面的功能 ①用户平面：传送用户信息，包括与业务相关的协议及数据、话音和视频信息。 ②控制平面：传送信令信息，包括连接建立、拆除等功能。 ③管理平面：维护网络和执行操作功能，其中层管理用于各层内部的管理，面管理用于各层之间管理信息的交互和管理。 (4)四个层的功能 ①物理层：负责通过物理媒介正确、有效地传送信元。 ②ATM层：主要负责信元的交换、选路和复用。 ③AAL层：主要功能是将高层业务信息或信令信息适配成ATM信元。 ④高层：负责各种业务的应用层或信令的高层处理。

2．物理层协议 物理层完成的主要功能分别是信元和传输系统比特流适配、实现媒体中传输信号定时和媒体特性有关的功能等，为此将物理层进一步分为传输会聚（TC）和物理媒体（PM）两个子层。TC子层执行的是和物理媒体相对无关的协议，向ATM层提供业务接入点SAP，而相应的PM子层和实际物理通信线路相关，执行物理层中和物理媒体有关的功能。 (1)物理媒体子层（PM） PM子层提供比特流传输、定时和媒体的物理接入。 (2)传输会聚子层（TC） TC子层主要完成传输帧适配、信元速率解耦、信元定界、HEC控制、扰码等功能。 ①传输帧适配 传输帧适配是针对SDH/SONET、PDH等具有帧结构的传输系统而言的，在这些系统中传送ATM信元时，必须将ATM信元装入传输帧中。 ②信元速率解耦 物理层中传输的信元包括未分配信元、分配信元和物理层的OAM操作信元，这三种信元组成的信元流可能小于物理媒体所允许的传输容量。这样，在输入端当信元递交给物理层中适配成相应传输结构时，系统插入空闲信元；在接收端则执行相反的操作。这种空闲信元插入和删除工作称为“信元解耦”。 ③信元差错控制（HEC） 信头差错控制覆盖整个信头，所选8bit校验码能够纠正单比特错误和监测多比特错误。接收端有两种工作模式：单比特纠错模式和多比特检错模式，如图7.7所示。 图7.7 接收端HEC工作方式 ④信元定界 在一个比特流中界定各个信元的功能称为信元定界功能。信元定界方法是基于信头的前4个字节和HEC的关系来设计的，即在比特流中连续的5个字节满足HEC产生的算法，可以认为是某个信元的开始。具体的信元定界状态如图7.8所示。

搜索态逐比特检查

同步态预同步态连续收到a个

不正确的HEC

收到不正确的HEC

收到正确的HEC

连续收到b个正确的HEC

图7.8 信元定界状态图 信元定界算法中定义了三种不同的状态：捕捉态、预同步态和同步态。接收器开始工作时处于捕捉状态，这时接收器对收到的信号逐比特进行检查，搜寻正确的HEC校验。在发现了一个正确的HEC校验后，系统进入预同步态。在这种状态下，系统认为可以假定己经发现信元的边界，并按此边界找到下一个信头的HEC校验。若能够连续发现b次连续正确的HEC，则系统进入同步态。若在此过程中发现一个HEC校验的错误，系统则返回捕捉态。在同步状态下，系统逐信元进行HEC检查，一旦连续a次发现错误HEC校验，系统认为丢失了信元的边界，因此重新回到捕捉态。 ⑤扰码 为了增强HEC信元定界的安全性，使信元的信息字段假冒信头的概率减至最小，需要通过扰码使信元流净荷字段中数据随机化。

3．ATM层协议 ATM层为ATM适配层和物理层之间提供了接口，其主要功能是负责信元的交换、选路和复用。具体为 (1)信元的复用和分路，即在源端点负责对多个虚连接的信元进行复用和在目的