现代交换原理 第7章 ATM交换技术
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第七章 ATM交换技术
主要内容
ATM与B-ISDN的产生与发展 ATM基本原理 ATM交换的基本原理
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
电路传送模式 电路交换 CTM
分组传送模式 PTM 异步传送模式 ATM 分组交换
实时语音 业务 突发数据 业务
公用 电话网 公用分组 交换网 宽带综合业务 数字网B-ISDN
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
ATM与B-ISDN的产生和发展
1983年，美国贝尔实验室的Turner J.等人提出了快速分组交换 （FPS－Fast Packet Switching）原理，研制了原型机。 同年，法国Coudreuse J.P.提出了ATD交换概念，并在法国电信 研究中心（CNET）研制了演示模型。
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
1994年投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在 州的范围内的公用ATM宽带网。 在欧洲由法国、德国、英国、意大利和西班牙等国发起的泛欧ATM 宽带试验网，于1994年11月开始运行，后来扩大到欧洲的十多个 国家，是覆盖面较广的ATM试验网
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
研究热点
ATM交换结构
ATM网的业务流控制 话音通过ATM（VOA） IP与ATM的融合 ATM与智能网（IN）的结合
光ATM交换
7.2 ATM基本原理
ATM特点：
采用了固定长度的信元，并简化了信元头功能
采用了异步时分复用方式
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
B-ISDN网对传送模式的要求 对信息的损伤要小
o 具有时间透明性
o 具有语义透明性
能灵活地支持各种业务
具有高速传送信息的能力
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展 ATM融合了CTM和PTM的特点 （1）ATM看作CTM的改进 （2）ATM看作PTM的改进
3、在每段传输通道上，VPI唯一；
在VP内，VCI唯一。
7.2.3 面向连接工作方式
2、 VPC（虚通道连接）和VCC（虚信道连接） 虚连接：由每段传输通道上选定的逻辑子信道串接起来构 成的源端到目的端的通信连接。 虚信道连接VCC：是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用来识别一条VC链路。 虚通道连接VPC：是VPC端点之间的VP级端到端的连接，
高层
面 管 层 理 管 理
7.2.4 ATM协议参考模型
B-ISDN协议参考模型由3个平面组成
用户面（User Plane）：
负责用户信息的传送，采用分层结构。 控制面（Control Plane）： 提供呼叫和连接的控制功能，主要涉及信令功能，也采 用分层结构。
管理面（Management Plane）：
无逐段链路的差错控制和流量控制
简化信头，减少节点处理负担，提高信头处理 速度，信元排队时延大大缩短。
7.2.2 异步时分复用技术
电路交换
分组交换
ATM交换
同步时分复用 固定资源分配 固定速率
统计时分复用 动态资源分配 可变速率
异步时分复用 动态资源分配 可变速率 硬件实现
比特 8 7 6 5 4 3 2 1
GFC
VPI VCI VCI HEC PT
VPI
VCI
1
2 3 CLP 4 5 字节
7.2.1 ATM信元及其结构
VPI/VCI：选路信息，唯一标识一个逻辑子信道。
VPI（Virtual Path Identifier）：虚通道标志，8bit，可标 识256条虚通道。
ATM Adaptation Layer）和高层。
高层 AAL层 ATM层 物理层
ATM端系统之间的信息传递
ATM端系统 将不同类型 业务的信息 流适配成 ATM信元 （只信息段） ATM交换机 ATM端系统
AAL层 ATM层 物理层
加上信 头形成 ATM信 元（除 HEC）
AAL层 ATM层 物理层 ATM层 物理层
VCI1 VCI2
VPI1
VPI4
VCI3 VCI4
VCI3 VCI4
VPI2
VPI5
VCI5 VCI6
VCI5 VCI6
VPI3
VPI6
VCI1 VCI2
VP交换
7.2.3 面向连接工作方式
VC交换是指VPI值与VCI值都要进行改变的交换。因为 虚信道是按照虚通道来划分的，当虚信道交换时，其所属的 虚通道也要进行交换，即虚通道和虚信道都要进行交换。
VCC VPC
源ATM端点 UNI 信息传送方向
NNI VC交换机 VP交换机 VPI=2 VCI=45
NNI VC交换机 VPI=5 VCI=45
UNI 目的ATM端点 VPI=20 VCI=30
VPI=6 VCI=6
7.2.3 面向连接工作方式
ATM虚连接建立的方式有两种方式： 永久虚连接（PVC：Permanent Virtual Connection） 交换虚连接（SVC：Switching Virtual Connection）
7.2.1 ATM信元及其结构
（2）NNI的信头结构
NNI信头不需要GFC字段，从而使VPI扩展为 12bit。
比特 8 7 6 5 VPI VPI VCI VCI HEC PT VCI 4 3 2 1 1 2 3 CLP 4 5 字节
总结 ATM采用固定长度短信元
“固定”：有利于硬件实现，速度快 “短”：信元传送时延和时延抖动小，满足实 时业务要求。
采用了面向连接的工作方式
采用了标准化的ATM协议
7.2.1 ATM信元及其结构
1、信元结构
信元（53字节）由信头（5字节）和信息段 （48字节）组成。
发送次序
8 发 送 次 序 7 6 5 4 3 2 1 比特 1 … 5 6
信头（5字节）
……………….
信息段（48字节）
53 字节
7.2.1 ATM信元及其结构
FPS和ATD概念提出以后，很多设备制造公司、邮电管理部门和 标准化组织表示了强烈的兴趣，进行了深入的研究。
80年代中期，CCITT也开始了这种新的传送模式的研究。 1988 年， CCITT 18 研究组决定采用固定长度的信元，定名为 ATM，并认定B-ISDN将基于ATM技术。 1990年，CCITT 18研究组制定了关于 ATM的一系列建议，并在 以后的研究中不断地深入和完善。
虚通道(VP)
传输通道
虚通道 (VP) 虚信道 (VC)
虚通道 (VP) 包括多条VC
虚信道(VC) ATM端节点之间的 逻辑通路
7.2.3 面向连接工作方式
虚通道（VP）:由ATM信头中VPI标记。 虚信道（VC）:由ATM信头中VCI标记。
VCI VCI VCI VCI = = = = 4 5 6 5
在亚洲的日本NTT与邮政省、香港电讯、新加坡电信、韩国电信、 泰国的亚洲电信以及中国的广东、北京和上海电信管理局也进行过 以ATM为基础的宽带网试验。试验的业务平台有基于TCP／IP的宽 带数据、VOD、会议电视。试验的应用系统大致有家庭购物、远程 医疗、远程教学等。
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
VPI = 1 传输通道 VPI = 2
VCI = 6
向北京方向（用VPI = 1标识）的3个通信，两个是数 据通信，一个是电话通信（分别用VCI = 4、5、6标识）
向广州方向（用VPI = 2标识）的2个通信，一个是视 频通信，一个是电话通信（分别用VCI = 5、6标识）
注意 1、一个逻辑子信道由（VPI,VCI）唯一标识。 2、 VPI和VCI只在每段传输通道上有意义， 不具有端到端的含义。
2、信头结构
UNI B-ISDN NNI UNI
UNI：用户-网络接口，接入流量控制。由于BISDN的UNI接入的终端数量可以很多，需要控制 流向网络的流量，以避免网络的短期过载 NNI：网络节点接口，无流量控制。
7.2.1 ATM信元及其结构
(1) UNI的信头结构
GFC（Generic Flow Control）：一般流量控 制字段，4bit，用于接入流量控制。
VCI（Virtual Channel Identifier）：虚信道标志，16bit， 可标识65536条虚信道。 PT（Payload Type）：净荷类型，3bit，表示信息段传送的 信息类型 CLP（Cell Loss Priority）：信元丢弃优先权，1bit， CLP=0，表示高优先级；CLP=1,表示低优先级，若遇 到拥塞要丢弃信元时，CLP=1的信元将首先丢弃。 HEC（Head Error Control）：信头差错控制，8bit，检验 信头是否出错，不检测信息段。
物理层
④ 信头处理
在发送端生成１字节的 HEC字段，在接收端利用HEC字
段，进行信头检验，错误的信元被丢弃，正确的送至 ATM 层。
由多条VP链路串接而成，VPI用来识别一条VP链路。
7.2.3 面向连接工作方式
虚信道连接（VCC） VC链路 VCIX VC链路 VCIy VC链路 VCIZ
虚通道连接（VPC）
VP链路
VPIX
VP链路
VPIy
VP链路
VPIZ
7.2.3 面向连接工作方式
3）VP交换和VC交换 VP交换是指仅变换VPI值而不改变VCI值的交换，即只 进行虚通道的交换，虚通道里面的虚信道并不进行交换。
PVC是由管理面控制建立的永久和半永久连接，用户在传 送信息前不需要建立过程。 SVC是由信令控制建立的连接，用户在传送信息前要建立 连接，信息传送完毕则拆除虚连接。
VPC 和 VCC 都可有PVC和SVC的虚连接。
7.2.4 ATM协议参考模型
管理面
控制面 用户面
高层
ATM适配层(AAL) ATM层 物理层
VC交换
VPC端点
VCI1
VCI2
VCI3
VCI4
VCI1 VCI2
VPI2 VPI1 VPI3
VCI4 VCI3 VCI1 VCI2
VCI1 VCI2
VPI4 VP交换
VPI5
7.2.3 面向连接工作方式
ATM连接的建立过程就是在源ATM端点与目的ATM端 点进行通信前的连接建立过程，实际上就是在这两个端点 间的各段传输通道上，找寻空闲VC链路和VP链路，分配 VCI与VPI，建立相应VCC3 2 1
3 2 1
3 2 1
分组头（LCN）
信头（VPI,VCI）
7.2.3 面向连接工作方式
1、虚通道与虚信道 ATM传输通道可分割成若干个逻辑子信道 ，为便于应 用和管理，逻辑子信道可按两个等级来划分： 虚通道（VP--Virtual Path） 虚信道（VC） 虚信道（VC--Virtual Channel ）
物理媒介
加上HEC组成完整信元， 将信元组成传输帧，以 比特流形式传输
物理媒介
物理层
负责通过物理媒体正确、有效地传送信元。
①传输帧的创建/恢复 在发送端要将信元流封装成适合传输系统要求的帧 结构。 ②传输帧适配 在信元流与传输帧转换时完成格式的适配 ③信元定界 利用HEC字段，在比特流中识别信元的边界。
公用网的ATM交换系统 公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩 展性，吞吐量通常为40~160G。应能支持各种接口、业 务和连接类型，并具有保证服务质量（Qos）的业务流控 制功能。
富士通FETEX-150、爱立信的AXD301、西门子的 Main Street Xpress、 AT&T的Globe View 2000、阿 尔卡特的1000AX、 北电的Magellan Concorde等。
各种业务
传送模式: 综合了传输、复用和交换有关方面的技术
电路传送模式(CTM)
分组传送模式(PTM)
固定分配带宽 面向物理连接 同步时分复用 适应实时语音业务
动态分配带宽
面向无连接（逻辑链接）
统计时分复用 适应数据业务 语义透明性
时间透明性
时间透明性：信息传送的时延和时延抖动要小 语义透明性：由传送引起的信息丢失和差错要小
提供面管理与层管理两种管理功能。面管理实现与整个 系统有关的管理功能，并完成各个面之间的协调功能；层管 理实现网络资源与协议参数的管理，并处理各层中的操作与 维护（OAM）信息流，面管理不分层，层管理是分层的。
7.2.4 ATM协议参考模型
B-ISDN协议参考模型的分层结构含有4层，从下 到上为：物理层、ATM层、ATM适配层（AAL：
主要内容
ATM与B-ISDN的产生与发展 ATM基本原理 ATM交换的基本原理
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
电路传送模式 电路交换 CTM
分组传送模式 PTM 异步传送模式 ATM 分组交换
实时语音 业务 突发数据 业务
公用 电话网 公用分组 交换网 宽带综合业务 数字网B-ISDN
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
ATM与B-ISDN的产生和发展
1983年，美国贝尔实验室的Turner J.等人提出了快速分组交换 （FPS－Fast Packet Switching）原理，研制了原型机。 同年，法国Coudreuse J.P.提出了ATD交换概念，并在法国电信 研究中心（CNET）研制了演示模型。
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
1994年投入运营的美国北卡罗来纳信息高速公路，是美国第一个在 州的范围内的公用ATM宽带网。 在欧洲由法国、德国、英国、意大利和西班牙等国发起的泛欧ATM 宽带试验网，于1994年11月开始运行，后来扩大到欧洲的十多个 国家，是覆盖面较广的ATM试验网
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
研究热点
ATM交换结构
ATM网的业务流控制 话音通过ATM（VOA） IP与ATM的融合 ATM与智能网（IN）的结合
光ATM交换
7.2 ATM基本原理
ATM特点：
采用了固定长度的信元，并简化了信元头功能
采用了异步时分复用方式
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
B-ISDN网对传送模式的要求 对信息的损伤要小
o 具有时间透明性
o 具有语义透明性
能灵活地支持各种业务
具有高速传送信息的能力
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展 ATM融合了CTM和PTM的特点 （1）ATM看作CTM的改进 （2）ATM看作PTM的改进
3、在每段传输通道上，VPI唯一；
在VP内，VCI唯一。
7.2.3 面向连接工作方式
2、 VPC（虚通道连接）和VCC（虚信道连接） 虚连接：由每段传输通道上选定的逻辑子信道串接起来构 成的源端到目的端的通信连接。 虚信道连接VCC：是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用来识别一条VC链路。 虚通道连接VPC：是VPC端点之间的VP级端到端的连接，
高层
面 管 层 理 管 理
7.2.4 ATM协议参考模型
B-ISDN协议参考模型由3个平面组成
用户面（User Plane）：
负责用户信息的传送，采用分层结构。 控制面（Control Plane）： 提供呼叫和连接的控制功能，主要涉及信令功能，也采 用分层结构。
管理面（Management Plane）：
无逐段链路的差错控制和流量控制
简化信头，减少节点处理负担，提高信头处理 速度，信元排队时延大大缩短。
7.2.2 异步时分复用技术
电路交换
分组交换
ATM交换
同步时分复用 固定资源分配 固定速率
统计时分复用 动态资源分配 可变速率
异步时分复用 动态资源分配 可变速率 硬件实现
比特 8 7 6 5 4 3 2 1
GFC
VPI VCI VCI HEC PT
VPI
VCI
1
2 3 CLP 4 5 字节
7.2.1 ATM信元及其结构
VPI/VCI：选路信息，唯一标识一个逻辑子信道。
VPI（Virtual Path Identifier）：虚通道标志，8bit，可标 识256条虚通道。
ATM Adaptation Layer）和高层。
高层 AAL层 ATM层 物理层
ATM端系统之间的信息传递
ATM端系统 将不同类型 业务的信息 流适配成 ATM信元 （只信息段） ATM交换机 ATM端系统
AAL层 ATM层 物理层
加上信 头形成 ATM信 元（除 HEC）
AAL层 ATM层 物理层 ATM层 物理层
VCI1 VCI2
VPI1
VPI4
VCI3 VCI4
VCI3 VCI4
VPI2
VPI5
VCI5 VCI6
VCI5 VCI6
VPI3
VPI6
VCI1 VCI2
VP交换
7.2.3 面向连接工作方式
VC交换是指VPI值与VCI值都要进行改变的交换。因为 虚信道是按照虚通道来划分的，当虚信道交换时，其所属的 虚通道也要进行交换，即虚通道和虚信道都要进行交换。
VCC VPC
源ATM端点 UNI 信息传送方向
NNI VC交换机 VP交换机 VPI=2 VCI=45
NNI VC交换机 VPI=5 VCI=45
UNI 目的ATM端点 VPI=20 VCI=30
VPI=6 VCI=6
7.2.3 面向连接工作方式
ATM虚连接建立的方式有两种方式： 永久虚连接（PVC：Permanent Virtual Connection） 交换虚连接（SVC：Switching Virtual Connection）
7.2.1 ATM信元及其结构
（2）NNI的信头结构
NNI信头不需要GFC字段，从而使VPI扩展为 12bit。
比特 8 7 6 5 VPI VPI VCI VCI HEC PT VCI 4 3 2 1 1 2 3 CLP 4 5 字节
总结 ATM采用固定长度短信元
“固定”：有利于硬件实现，速度快 “短”：信元传送时延和时延抖动小，满足实 时业务要求。
采用了面向连接的工作方式
采用了标准化的ATM协议
7.2.1 ATM信元及其结构
1、信元结构
信元（53字节）由信头（5字节）和信息段 （48字节）组成。
发送次序
8 发 送 次 序 7 6 5 4 3 2 1 比特 1 … 5 6
信头（5字节）
……………….
信息段（48字节）
53 字节
7.2.1 ATM信元及其结构
FPS和ATD概念提出以后，很多设备制造公司、邮电管理部门和 标准化组织表示了强烈的兴趣，进行了深入的研究。
80年代中期，CCITT也开始了这种新的传送模式的研究。 1988 年， CCITT 18 研究组决定采用固定长度的信元，定名为 ATM，并认定B-ISDN将基于ATM技术。 1990年，CCITT 18研究组制定了关于 ATM的一系列建议，并在 以后的研究中不断地深入和完善。
虚通道(VP)
传输通道
虚通道 (VP) 虚信道 (VC)
虚通道 (VP) 包括多条VC
虚信道(VC) ATM端节点之间的 逻辑通路
7.2.3 面向连接工作方式
虚通道（VP）:由ATM信头中VPI标记。 虚信道（VC）:由ATM信头中VCI标记。
VCI VCI VCI VCI = = = = 4 5 6 5
在亚洲的日本NTT与邮政省、香港电讯、新加坡电信、韩国电信、 泰国的亚洲电信以及中国的广东、北京和上海电信管理局也进行过 以ATM为基础的宽带网试验。试验的业务平台有基于TCP／IP的宽 带数据、VOD、会议电视。试验的应用系统大致有家庭购物、远程 医疗、远程教学等。
7.1 ATM与B-ISDN的产生与发展
VPI = 1 传输通道 VPI = 2
VCI = 6
向北京方向（用VPI = 1标识）的3个通信，两个是数 据通信，一个是电话通信（分别用VCI = 4、5、6标识）
向广州方向（用VPI = 2标识）的2个通信，一个是视 频通信，一个是电话通信（分别用VCI = 5、6标识）
注意 1、一个逻辑子信道由（VPI,VCI）唯一标识。 2、 VPI和VCI只在每段传输通道上有意义， 不具有端到端的含义。
2、信头结构
UNI B-ISDN NNI UNI
UNI：用户-网络接口，接入流量控制。由于BISDN的UNI接入的终端数量可以很多，需要控制 流向网络的流量，以避免网络的短期过载 NNI：网络节点接口，无流量控制。
7.2.1 ATM信元及其结构
(1) UNI的信头结构
GFC（Generic Flow Control）：一般流量控 制字段，4bit，用于接入流量控制。
VCI（Virtual Channel Identifier）：虚信道标志，16bit， 可标识65536条虚信道。 PT（Payload Type）：净荷类型，3bit，表示信息段传送的 信息类型 CLP（Cell Loss Priority）：信元丢弃优先权，1bit， CLP=0，表示高优先级；CLP=1,表示低优先级，若遇 到拥塞要丢弃信元时，CLP=1的信元将首先丢弃。 HEC（Head Error Control）：信头差错控制，8bit，检验 信头是否出错，不检测信息段。
物理层
④ 信头处理
在发送端生成１字节的 HEC字段，在接收端利用HEC字
段，进行信头检验，错误的信元被丢弃，正确的送至 ATM 层。
由多条VP链路串接而成，VPI用来识别一条VP链路。
7.2.3 面向连接工作方式
虚信道连接（VCC） VC链路 VCIX VC链路 VCIy VC链路 VCIZ
虚通道连接（VPC）
VP链路
VPIX
VP链路
VPIy
VP链路
VPIZ
7.2.3 面向连接工作方式
3）VP交换和VC交换 VP交换是指仅变换VPI值而不改变VCI值的交换，即只 进行虚通道的交换，虚通道里面的虚信道并不进行交换。
PVC是由管理面控制建立的永久和半永久连接，用户在传 送信息前不需要建立过程。 SVC是由信令控制建立的连接，用户在传送信息前要建立 连接，信息传送完毕则拆除虚连接。
VPC 和 VCC 都可有PVC和SVC的虚连接。
7.2.4 ATM协议参考模型
管理面
控制面 用户面
高层
ATM适配层(AAL) ATM层 物理层
VC交换
VPC端点
VCI1
VCI2
VCI3
VCI4
VCI1 VCI2
VPI2 VPI1 VPI3
VCI4 VCI3 VCI1 VCI2
VCI1 VCI2
VPI4 VP交换
VPI5
7.2.3 面向连接工作方式
ATM连接的建立过程就是在源ATM端点与目的ATM端 点进行通信前的连接建立过程，实际上就是在这两个端点 间的各段传输通道上，找寻空闲VC链路和VP链路，分配 VCI与VPI，建立相应VCC3 2 1
3 2 1
3 2 1
分组头（LCN）
信头（VPI,VCI）
7.2.3 面向连接工作方式
1、虚通道与虚信道 ATM传输通道可分割成若干个逻辑子信道 ，为便于应 用和管理，逻辑子信道可按两个等级来划分： 虚通道（VP--Virtual Path） 虚信道（VC） 虚信道（VC--Virtual Channel ）
物理媒介
加上HEC组成完整信元， 将信元组成传输帧，以 比特流形式传输
物理媒介
物理层
负责通过物理媒体正确、有效地传送信元。
①传输帧的创建/恢复 在发送端要将信元流封装成适合传输系统要求的帧 结构。 ②传输帧适配 在信元流与传输帧转换时完成格式的适配 ③信元定界 利用HEC字段，在比特流中识别信元的边界。
公用网的ATM交换系统 公用网ATM骨干交换系统必须具有高吞吐量和可扩 展性，吞吐量通常为40~160G。应能支持各种接口、业 务和连接类型，并具有保证服务质量（Qos）的业务流控 制功能。
富士通FETEX-150、爱立信的AXD301、西门子的 Main Street Xpress、 AT&T的Globe View 2000、阿 尔卡特的1000AX、 北电的Magellan Concorde等。
各种业务
传送模式: 综合了传输、复用和交换有关方面的技术
电路传送模式(CTM)
分组传送模式(PTM)
固定分配带宽 面向物理连接 同步时分复用 适应实时语音业务
动态分配带宽
面向无连接（逻辑链接）
统计时分复用 适应数据业务 语义透明性
时间透明性
时间透明性：信息传送的时延和时延抖动要小 语义透明性：由传送引起的信息丢失和差错要小
提供面管理与层管理两种管理功能。面管理实现与整个 系统有关的管理功能，并完成各个面之间的协调功能；层管 理实现网络资源与协议参数的管理，并处理各层中的操作与 维护（OAM）信息流，面管理不分层，层管理是分层的。
7.2.4 ATM协议参考模型
B-ISDN协议参考模型的分层结构含有4层，从下 到上为：物理层、ATM层、ATM适配层（AAL：