1、第五章 ATM与IP交换技术 5.1 ATM交换概述交换概述 5.2 ATM体系结构体系结构 5.3 ATM交换原理交换原理 5.4 ATM网络信令网络信令 5.5 TCP/IP协议协议 5.6 IP交换技术概述交换技术概述 5.7 MPLS交换技术交换技术 5.8 小结小结 习题习题 5.1 ATM交换概述交换概述随着社会需求和计算机及通信技术的发展，人们需要传递和处理的信息量越来越大，信息的种类也越来越多，其中对音频、视频、高速数据传输、远程教学、VOD等宽带新业务的需求迅速增长。早期各种网络都只能传输一种业务，如电话网只能提供电话业务，数据通信网只能提供数据通信业务，这对于用户和网络运营
2、者来说都是不方便和不经济的，因此人们提出了综合业务数字网(Integrated Services Digital Network，ISDN)的概念，希望能够用一种网络来传送多种业务。ISDN的概念于1972年提出，由于当时的技术和业务需求的限制，首先提出窄带ISDN(N-ISDN)，目前N-ISDN技术已经非常成熟。在中国早期的N-ISDN业务被称做“一线通”，它可以提供两个或多个通道，可以实现电话和上网信道分离，很受欢迎，目前全世界已经有许多比较成熟的N-ISDN网。但是由于N-ISDN存在着带宽有限、业务综合能力有限、中继网种类繁多、对新业务的适应性差等不足，因此用户希望能够使用灵活性更大
3、、带宽更宽、业务综合能力更强的新网络。自80年代以来，一些与通信相关的基础技术，如微电子技术、光电子技术等的发展和光纤传输距离和传输容量的提高，为新网络的实现提供了基础，在这种环境下，出现了宽带ISDN(B-ISDN)网络。B-ISDN网络能够满足：提供高速的数据传输业务；网络设备与业务特性无关；信息的转移方式与业务种类无关。为了研究开发适应B-ISDN的传输模式，学者和科研人员们提出了很多种解决方案，如多速率电路交换、帧中继、快速分组交换等，最后得到了一个最适合B-ISDN的传输模式ATM。ATM技术作为B-ISDN的核心技术，已经由ITU-T于1992年规定为B-ISDN统一的信息传输模式
4、。ATM技术克服了电路模式和分组模式的技术局限性，采用光通信技术，提高了传输质量，同时，在网络节点上简化操作，使网络时延减小，而且还采取了一系列其他技术，从而达到了B-ISDN的要求。ATM是一种传输模式，在这一模式中，信息被组织成信元，由于包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现，所以这种传输模式是异步的。促进ATM技术发展的因素主要有：用户对网络带宽与对带宽高效、动态分配需求的不断增长，用户对网络实时应用需求的提高，网络的设计与组建进一步走向标准化的需要，其中关键还是在于ATM技术能满足用户对数据传输服务质量(Quality of Service，QoS)的要求。目前的网络应用已不限于
5、传统的语言通信与基于文本的数据传输，在多媒体网络应用中需要同时传输语音、数字、文字、图形与视频信息等多种类型的数据，并且不同类型的数据对传输的服务要求不同，对数据传输的实时性要求也越来越高，这必然会增加网络突发性的通信量。而不同类型的数据混合使用时，各类数据的服务质量QoS也不相同，多媒体网络应用及实时通信要求网络传输的高速率与低延迟，目前存在的传统线路交换与分组交换都很难满足这种综合数据业务的需要，而ATM技术正好能满足此类应用的要求。5.2 ATM体系结构体系结构5.2.1 ATM信元结构信元结构ATM信元是ATM传送信息的基本载体，采用固定长度的信元格式，长度为53字节，其中5个字节为信
6、头，其余48个字节为信元净荷。信元的主要功能为确定虚通道和虚通路，并完成相应的路由控制。ATM信元的信头格式如图5-1所示。图5-1 ATM信头格式信头内容在UNI(用户网络接口)和NNI(网络节点接口)略有区别，主要由以下六部分构成。GFC：一般流量控制，4比特。只用于UNI接口，目前置为“0000”，将来可能用于流量控制。VPI：虚通道标识，其中NNI为12比特，UNI为8比特。VCI：虚通路标识，16比特，标识虚通道内的虚通路，VCI与VPI组合起来标识一个虚连接。PTI：净荷类型指示，3比特，用来指示信元类型，如表5-1所示。CLP：信元丢失优先级，1比特。用于信元丢失级别的区别，CL
7、P为1，表示该信元为低优先级；为0则表示高优先级，当传输超限时，首先丢弃的是低优先级信元。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。下面分别附上ATM信元UNI信头预赋值(表5-2)和ATM信元NNI信头预赋值(表5-3)，信元信头预赋值用于区别ATM层使用的信元和物理层使用的信元。ATM信元中信头的功能比分组交换中分组头的功能大大简化，不需要进行逐链路的差错控制，只要进行端到端的差错控制，HEC只负责信头的差错控制，另外只用VPI、VCI标识一个连接，不需要源地址、目的地址和信元序号，信元顺序由网络保证。5.2.2 ATM分层体系结
8、构分层体系结构B-ISDN的协议参考模型包括一个用户平面、一个控制平面和一个管理平面，如图5-2所示。用户平面主要提供用户信息流的传输，以及相应的控制(如流量控制、差错控制)。控制平面主要是完成呼叫控制和连接控制的功能，通过处理信令来建立、管理和释放呼叫与连接。管理平面提供两种功能，即层管理和面管理功能。面管理完成与整个系统相关的管理功能，并提供所有平面间的协调功能。层管理完成与协议实体内的资源和参数相关的管理功能，处理与特定的层相关的操作和管理信息流。图5-2 B-ISDN协议参考模型 1.物理层物理层是承运信息流的载体，物理层有传输会聚(TC)和物理媒体连接两个子层。1)传输会聚(TC)层
9、TC层负责将ATM信元嵌入正在使用的传输媒体的传输帧中，或相反从传输媒体的传输帧中提取有效的ATM层信元。ATM层信元嵌入传输帧的过程为：ATM信元解调(缓存)信头差错控制HEC产生信元定界传输帧适配传输帧生成。2)物理媒体连接层(PM)物理媒体连接层主要按照ITU-T和ATM F建议的规范执行，共有以下六种类型的连接：(1)基于直接信元传输的连接；(2)基于PDH网传输的连接；(3)基于SDH网传输的连接；(4)直接信元光纤传输；(5)UTOPIA接口(通用测试和运行物理接口)；(6)管理和监控信息流OAM传输接口。2.ATM层ATM层是ATM数据链路层的下子层，主要定义信元头的结构，以及使
10、用物理链路的方法。ATM层利用物理层提供的信元(53字节)传送功能，向外部提供传送ATM业务数据单元(48字节)的功能。ATM业务数据部分(ATM-SDU)是任意的48字节长的数据段，它在ATM层中成为ATM信元的负载区部分。图5-3 ATM网络协议分层之间的数据传输ATM层的功能有：信元的汇集和分检：负责将多个输入端口的信元分检到不同的输出端口；VPI/VCI的管理：根据VPI/VCI映射表，将输入端口来的信元中的VPI/VCI映射成输出端口对应的VPI/VCI，并填充进信头；信头的增删：ATM层实体接收来自于AAL的信元体，并增加信头，形成信元；接收方ATM层实体执行相反的动作，完成删除信
11、头的任务；信元速率调整：不同的链路需要不同的信元速率，例如，SDH STM-1链路(线路速率为155.520 Mb/s，数据速率为150.336 Mb/s)每秒应传输35 000多个信元；如果输入的实际信元不够时，ATM层必须生成空信元填充信道。3.ATM适配层(AAL)AAL的主要作用是将高层的用户信息分段装配成信元，吸收信元延时抖动和防止信元丢失，并进行流量控制和差错控制。AAL的功能由用户本身提供，或由网络与外部的接口提供。网络只提供到ATM层为止的功能。AAL用于增强ATM层的能力，以适合各种特定业务的需要，这些业务可能是用户业务，也可能是控制平面和管理平面所需的功能业务。在AAL上传
12、送的业务有很多种，CCITT将AAL可以支持的业务，根据源和目的之间的定时要求、比特率要求和连接方式，三个基本参数划分为A、B、C、D四类。A 类：固定比特率(CBR)业务，对应ATM适配层1(AAL1)。支持面向连接的业务，其比特率固定，常见业务有64 kb/s语音业务，固定码率非压缩的视频通信及专用数据网的租用电路。B类：可变比特率(VBR)业务，对应ATM适配层2(AAL2)。支持面向连接的业务，其比特率是可变的，常见业务有压缩的分组语音通信和压缩的视频传输。这两种业务具有传递介面延迟，其原因是接收器需要重新组装原来的非压缩语音和视频信息。C类：面向连接的数据服务，对应AAL3/4。支持
13、面向连接的业务，适用于文件传递和数据网业务，其连接是在数据被传送以前建立的，所支持的业务是可变比特率的，但是没有介面传递延迟。D类：面向无连接数据业务，常见业务有数据报业务和数据网业务，在传递数据前，其连接不会建立。AAL3/4或AAL5均支持此类业务。业务参数、业务类别和相应的AAL类型见表5-4。图5-4为基于AAL5的ATM各层实体工作过程。AAL层又可进一步划分为两个子层：汇聚层(CS)和分段/组装层(SAR)。CS面向不同应用要求，为高层的信息分段进行准备工作；SAR将高层数据分段成信元负载域的格式，或者将多个信元负载域中的信息组装成高层数据。图5-4 基于AAL5的ATM各层实体的
14、工作过程发送方SAR实体接到CS-PDU(格式见图5-5)，执行拆卸工作，将CS-PDU拆卸成若干信元数据(长度为48字节)，并依次提交物理层增加信元头、传输(由于PAD字段的增加，使得这种拆卸可以完整地进行)；为了保证接收方SAR实体可以正确地组装CS-PDU，AAL5利用信元头中的PTI(信元负载类型)中的第2位来指明本信元在整个CS-PDU对应的信元流中的位置(为1时表示本信元为整个CS-PDU信元流中的最后一个信元)。接收方SAR实体接到PTI=0 x1的信元时，组装CS-PDU，并上交给接收方CS实体；接收方CS实体计算CRC，并与CS-PDU中的CRC比较：如果一致(正确)，根据C
15、S-PDU尾部的LF，截取用户数据并投递给用户；如果错误，并且无法恢复，根据用户需要，确定是否将有错的用户数据投递给用户。图5-5 CS-PDU 的格式 5.3 ATM交换原理交换原理5.3.1 ATM交换机组成交换机组成ATM交换机由硬件和软件两大部分组成。1.硬件结构 ATM交换机硬件如图5-6所示，分为三部分：交换单元、接口单元和控制单元。图5-6 ATM交换机硬件结构(1)交换单元：ATM交换机的核心，用于完成交换的实际操作，即将输入信元交换到所需的出线上去。交换单元根据路由标签选择交换路径，由硬件自选路由完成交换过程。交换单元的核心是交换结构(Switch Fabric)，小型交换机
16、的交换单元一般由单个交换结构构成，而大型交换机的交换单元则由多个交换结构互连而成。(2)接口单元：用于连接各种终端设备和其他网络设备，分为入线接口单元和出线接口单元。入线接口单元对各入线上的ATM信元进行处理，使它们成为适合ATM交换单元处理的形式，即为物理层向ATM层提交的过程，将比特流转换成信元流；出线接口单元则对ATM交换单元送出的ATM信元进行处理，使它们成为适合在线路上传输的形式，即为ATM层向物理层提交过程，将信元流转换成比特流。(3)控制单元：根据信令控制交换并完成运行、维护管理功能。2.软件结构ATM交换机由软件进行控制和管理。软件主要指指挥交换机运行的各种规约，包括各种信令协
17、议和标准。交换机必须能够按照预先规定的各种规约工作，自动产生、发送和接收、识别工作中所需要的各种指令，使交换机受到正确控制并合理地运行，从而完成交换机的任务。ATM交换机的软件通过三大功能块进行流量管理控制：(1)在UNI处采用基本流量控制GFC对用户流量进行管理；(2)操作与维护控制：采用操作与维护信元对物理层和ATM层进行管理；(3)系统管理控制：负责采集和处理各种管理信息，协调系统其他功能块的工作，大多数系统管理控制涉及告警、测量、统计和其他类型信息。将软件的三大功能块分为以下七个功能区。(1)连接控制：在呼叫建立阶段所执行的一组操作，根据用户的业务特性和服务要求，确定用户所需的网络资源
18、，用以接收或拒绝一个ATM连接。(2)配置管理：对ATM交换机资源进行配置管理。(3)故障管理：对ATM交换机运行故障进行管理，包括故障检测、故障定位、故障报告、连通检查和连接核对等。(4)性能管理：对ATM交换机的各种性能指标进行管理，通过连续性能监测和报告，评价系统运行功能指标，包括信息流速率、误码率等。(5)计费管理：负责采集用户占用网络资源信息，进行计费管理，计费可以在线或脱机处理。(6)安全管理：负责安全监测，控制对系统数据的存取和对系统的接入，确保数据的完整性，以保护交换机的正常运行。(7)系统管理：负责采集和处理各种管理信息，协调系统其他功能块的工作。5.3.2 ATM交换原理交
19、换原理ATM交换是电信号交换，它以信元为单位，即53个字节为一个整体进行交换，但它仅对信头进行处理。图5-7中的交换单元有n条入线(I1In)，m条出线(O1Om)，每条入线和出线上传送的都是ATM信元流，而每个信元的信头值则表明该信元所在的逻辑信道(由VPI/VCI值确定)，不同的入线(或出线)可以采用相同的逻辑信道值。ATM交换的基本任务就是将任意入线上的任意逻辑信道中的信元交换到所需的任意出线上的任意逻辑信道上，例如图5-7中入线I1的逻辑信道a被交换到出线O1的逻辑信道x上，入线I1的逻辑信道b被交换到出线Om的逻辑信道s上等等。这里交换包含了两个方面的功能：一是空间交换，即将信元从一
20、条传输线(I1)传送到另一条传输线(Om)上去，这个功能又叫做路由选择；另一个功能是时隙交换，即将信元从一个逻辑信道(如I1的b)改换到另一个逻辑信道(如Om的s)，这个功能又叫信头变换。图5-7 ATM交换原理 以上空间交换和时间交换的功能可以用一张翻译表来实现，图5-8的坐标链路译码表列出了该交换单元当前的交换状态。图5-8 ATM交换的坐标链路译码表5.3.3 ATM交换功能及其实质交换功能及其实质由ATM交换原理可知，ATM交换机主要有三个基本功能：空分交换(路由选择)、时隙交换(信头变换)和排队。实现上述三个功能的方式和这些功能在交换机中所处位置的不同就构成了不同类型的ATM交换机。
21、1.空分交换(路由选择)功能空分交换功能类似于程控交换机的空分交换功能(S功能)，如图5-8所示，信元从入线I1传送到出线Om上，信元从入线In传送到出线O1上。空分交换的核心问题就是路由选择，即信元如何在交换机内部从入线选路至出线。2.时隙交换(信头变换)功能时隙交换功能类似于程控交换机的时分交换功能(T功能)，如图5-8中信元从入线I1的逻辑信道b变换到出线Om的逻辑信道s，从入线In的逻辑信道c变换到出线O2的逻辑信道r等，这里的逻辑信道就相当于时隙。应该注意的是，在程控交换机中，逻辑信道和时隙是一一对应的，它的逻辑信道就用时隙来标志，它的时隙交换就是将语音信息从一个时隙搬至另一个时隙。
22、而ATM交换机的逻辑信道和时隙并没有固定的对应关系，它的逻辑信道是靠信头值来标识的，因此它的时隙交换是靠信头翻译来完成的，例如I1的信头值a被翻译成O1上的x值。ATM的信头变换是ATM交换最重要的功能，也是ATM交换的实质，即VPI/VCI的转换。3.排队功能由于ATM的逻辑信道和时隙并没有固定的对应关系，因此可能会有两个或多个不同入线上的信元同时到达ATM交换机并竞争同一出线，如图5-8中信元要从入线I1的b到出线Om的s，而入线In的d也要到出线Om的s，但它们却不能同一时刻在同一出线上输出。为了避免多个信元在竞争同一出线时发生丢弃，ATM交换机设置了一些缓冲器来存储那些暂时未被服务的信
23、元，这些信元需要在缓冲器中排队等待服务，这就是ATM交换机的排队功能。5.3.4 ATM交换结构交换结构ATM交换结构的分类如图5-9所示。图5-9 ATM交换结构的分类1.空分交换结构(矩阵交换)ATM交换的最简单方法是将每一条入线和每一条出线相连接，在每条连接线上装上相应的开关，根据信头VPI/VCI决定相应的开关是否闭合来接通特定输入和输出线路，将某入线上的信元交换到指定出线上。最简单的实现方法就是空分交换方式，也称矩阵交换，它的基本原理来源于纵横制交换机。矩阵交换的基本原理如图5-10所示。图5-10 矩阵交换的基本原理 矩阵交换的优点是输入输出端口间一组通路可以同时工作，即信元可以并
24、行传送，吞吐率和时延特性较好。缺点是交叉节点的复杂程度随入线数和出线数的平方增长，导致硬件复杂，因此其规模不宜过大。空分交换矩阵分为单级交换矩阵和多级交换矩阵两种。1)单级交换矩阵单级交换矩阵只有一个交换元素与输入/输出端口相连。混洗式(shuffle)交换如图5-11所示，它的主要原理是利用反馈机制将发生冲突的信元返回输入端，重新寻找合适的输出端，图中的虚线为反馈线，利用这种反馈可使某一输入端的信元能在任意一个输出端输出。很明显，一个信元要达到合适的输出端可能需要重复几次，因此又叫循环网络，如从输入端口2到输出端口8的信元先从输入端口2到输出端口4，然后反馈到输入端口4，再从输入端口4到输出
25、端口8。构成这种网络只需少量的交换元素，但其性能并不太好，关键是内部延迟较长。图5-11 混洗式单级交换2)多级交换矩阵多级交换矩阵由多个交换元素互连组成，它可以克服单级交换矩阵交叉节点数过多的缺点。多级交换矩阵又可分为单通路网络和多通路网络两种。(1)单通路网络(Banyan)。单通路网络指的是从一个给定的输入到达输出端只有一条通路，最常见的就是“榕树”Banyan网络(如图5-12所示)，它是因其布线像印度一种榕树的根而得名。Banyan网络的每个交换元素都是22(两个输入和两个输出)，具有唯一路径特性和自选路由功能。唯一路径特性指任何一条入线与任何一条出线之间存在并仅存在一条通路；自选路
26、由功能指不论信元从哪条入线进入网络，它总能到达指定出线。由于到达指定的输出端仅有唯一一条通路，因此路由选择十分简单，即可由输出地址确定输入和输出之间的唯一路由。缺点是会发生内部阻塞，这是由于一条内部链路可以被多个不同的输入端同时使用。Banyan网络的优点是结构简单，模块化、可扩展性好，信元交换时延小。图5-12 榕树Banyan网络(2)多通路网络。在多通路网络中，从一个输入端到一个输出端存在着多条可选的通路，优点是可以减少或避免内部拥塞。多通路网络类型较多，本节仅介绍Benes网络和Batcher-Banyan分布式网络。Benes网络如图5-13所示，网络中输入与输出线的数目N为16，共
27、有7级。从图5-13可以看出，Benes网络是由两个背靠背的Delta-2网络互连构成的。Benes网络的特点是入线和出线对之间有多条链路，网络内部阻塞很小，但却使其网络路由算法随机性很大，增加了交换路由计算的复杂性和路由寻址开销。图5-13 Benes网络 Batcher-Banyan分布式网络。在Banyan网络前增加Batcher网络构成Batcher-Banyan分布式网络，这里Batcher网络的作用是将信元尽可能均匀地分配到Banyan网络的各个输入端，并对进入Banyan网络的信元重新排列，以减少内部阻塞的发生。Batcher网络就是一个由一些排序器构成的排序 Banyan网络，
28、其基本元素是22双调排序器。双调排序器的输入是双调序列，输出是有序数列，比较输出端口的整个地址，大值向箭头指示的输出端输出。不论输入信元的逻辑信道地址在输入端怎样紊乱，它们在排序网的输出端总能以一定顺序(升序或降序)排好。用硬件实现N个数据排序时，必须先将数据两两排序，然后将数据4个一组排序，应用前面两两排序结果变成双调序列，依此进行直到获得N个数据序列。由Batcher排序器和Banyan构造的网络称为 Batcher-Banyan网络，如图5-14所示。在此Batcher-Banyan网络中对Banyan网络的连线稍作了改动，目的是使进入Banyan网络的信元排序有一定顺序。图5-14 B
29、atcher-Banyan网络 2.时分交换结构时分交换结构的设计基础基于程控交换机中的时分复用和局域网中的共享媒体的思想。时分交换结构分为共享存储器和共享媒体两类，共享媒体又分为共享总线和共享环型两种，下面分别介绍这几种交换结构的工作原理。1)共享存储器交换结构(中央存储器结构)共享存储器式的ATM交换的本质是异步时分复用(Asynchronous Time Division，ATD)，如图5-15所示，它借鉴同步时分复用(Synchronous Time-division Multiplexing，STM)中的时分交换的概念，也将信道分成等长的时隙。STM中一个时隙为固定处理一个话路所需要
30、的时间，而ATD中一个时隙为处理一个信元所需要的时间(不同的端口速率，其时隙不同)。假定ATM交换机具有N个输入端口、N个输出端口，端口速率为每秒V信元，则ATM交换机中一个时隙定义为以端口速率传输或接收一个信元的时间，即1/V，如155.520Mb/s的端口速率为155.520106/8/53=366792信元/s，此时一个时隙为1/366792=2.7s，这也是ATM交换机的工作周期。共享存储器交换结构的工作原理类似于程控交换机中的T型接线器，它由数据存储器(共享存储器)、控制存储器、复用器和分用器组成。图5-15 共享存储器交换结构的交换机 2)共享总线交换结构共享总线交换结构的交换机利
31、用高速时分复用总线，它由时分复用(TDM)总线、串/并(S/P)转换、并/串(P/S)转换、地址筛选A/F及输出缓冲器组成，如图5-16所示。图5-16 共享总线交换结构的交换机 总线技术最早用于计算机系统的设计，后来又应用于局域网，S1240程控交换机的数字交换网络采用的就是总线结构。但ATM交换机共享总线交换结构的工作方式既不同于计算机系统的仲裁机制，也不同于局域网的载波监听多路访问/冲突检测(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD)方式。在ATM交换机中，共享总线交换结构采用的是时分复用方式，它将一个信元时隙分为
32、若干时间片，对N条入线的信元分时进行处理。为了降低交换结构内部处理速度，信元进入交换结构时，首先要进行串/并转换。目前一般采用32位或64位以上的总线来提供尽可能高的传输能力，共享总线交换结构采用输出缓冲器以获得较佳的吞吐量。3)共享环型交换结构共享环型交换结构如图5-17所示，它是借鉴高速局域网令牌环工作原理设计的，所有入线、出线都通过环形网相连，环形网与总线一样采用时间片操作。环被分成许多等长的时间片，这些时间片绕环旋转，入线可将信息送入“空”时间片中，当该时间片到达目的出线时，信息被相应出线读出。环型结构比总线结构的优越之处在于如果入线和出线位置安排合理，那么一个时间片在一个时隙内可使用
33、多次，使环型结构的实际传输效率超过100%，当然这需要增加许多额外设计和开销。图5-17 共享环型交换结构5.3.5 ATM交换网络交换网络在ATM交换网络中，多个交换结构间(空分交换结构还包括交换元素间)有多条通路，这就需要有路由选择功能。路由选择方法主要有四种类型(类型、)，涉及两个参数：确定路由的时间和选路信息放置的位置。确定路由的时间：对确定路由的时间，可以在整个连接期间只作一次选择，即交换网络内部是面向连接的，同一连接的所有信元沿着相同的路由顺序到达出口；也可以为每个信元单独选择，即交换网络内部是无连接的，同一连接的信元可以沿不同的路由不按原顺序到达出口，这样就需要在出口重新排序。选
34、路信息放置的位置：选路信息放置的位置也有两种，一种是将路由标记在信元前面一起传送，另一种是将路由信息放在路由表中，根据路由表进行信元交换。1.自选路由法(路由标签法)在自选路由方法中(类型和)，要在交换机的输入单元中进行信头变换和扩展。信头变换指VPI/VCI的转换，它只在交换机的输入端进行一次；扩展指为每个输入信元添加一个路由标签，因此也被称作路由标签法。路由标签基于对输入信元的VPI/VCI值的分析，用来进行路由选择。大多数基于空分交换结构的交换机设计都采用自选路由法。路由标签必须包含交换网络的每一级路由信息，如果一个交换网是由L级组成的，那么该路由标签将有L个字段，字段中含有相应级交换单
35、元的输出端口号，例如，由1616基本交换元素组成的5级交换网络，需要54=20bit的路由标签。注意这里的路由标签和信头VPI/VCI标记不同，路由标签仅用于交换机网络内部作为路由选择，VPI/VCI则标识于整个通信网络中的连接过程。采用自选路由法的ATM网络中，信元的处理过程如图5-18所示。图5-18 采用自选路由法的ATM交换网络中信元的处理过程 2.路由表控制法(标记选路法)在路由表控制法中(类型和)，交换单元中每级交换元素都有一张信头变换表，每级都要进行信头变换。它利用信头中的VPI/VCI(标记)标识交换结构中的路由表，当信元到达每级交换结构时，通过相应的路由表确定交换路由，因此又
36、叫标记选路法。在路由表控制法中，不用添加任何标签，因此信元本身的长度不会改变。采用路由表控制法的ATM网络中，信元的处理过程如图5-19所示。图5-19 采用路由表控制法的ATM交换网络中的信元处理过程 5.4 ATM网络信令网络信令5.4.1 ATM信令系统简介信令系统简介 随着分组交换技术的发展ITU-T公布了X.25规范，后来CCITT公布了SS7系统，该系统为一个纯粹的信令系统，依赖于T1和SONET等传输系统来支持其信令业务，属于带外信令系统。由于ATM链路为面向连接的异步通讯线路，SVC等链路的建立也需要一个信令系统来支持，因此ATM信令系统的出现势在必行。ATM信令协议结构如图5
37、-20所示。图5-20 ATM信令协议结构图 5.4.2 B-ISDN信令信令 B-ISDN信令是基于与N-ISDN 相同的原理。B-ISDN模型中包括控制面，用户面和管理面3个层面。在B-ISDN信令模型中，信令ATM 适配层(SAAL)支持控制面，信令操作也是在这个面上发生的，控制层面包括Q.2931 和B-ISDN信令协议。图5-21 B-ISDN信令协议结构示意图 B-ISDN信令使用了基本窄带 ISDN 信令和路由协议的扩展，它的呼叫控制协议用来建立、保持和清除用户和网络元素之间的ATM连接。由于ATM不仅是一个基于虚通路概念的、面向分组的传输方式，而且是用来满足许多不同种类的业务和
38、多媒体应用的需求，因此，ATM信令比64kbit/s ISDN复杂得多。图5-22(a)描述了ATM信令执行的过程，而图5-22(b)描述了ATM信令消息的结构。图5-22 ATM信令.4.3 虚链路建立虚链路建立 对于一条PVC的建立，需要在整条路径上手工设置VPI/VCI值，而对于SVC，可以通过UNI信令进行连接，但连接的时候，还需要一条PVC，该PVC使用相同VPI值，但VCI值为5，用于信令传输。SVC建立和释放过程如图5-23所示。SVC连接建立的过程如下：(1)Ra向直连交换机S1发出“建立消息”信令请求建立SVC。消息中包括Ra和Rb的ATM地址以及该请求的基本业务合约。Ra把
39、信令请求转换为信令分组，然后将信令分组转换为信元，按定义好的RaS1的PVC传输。(2)S1把信令信元重新组合到信令分组中，并检查。(3)如果S1在其路由表中存在Rb的ATM全局地址的入口，并且能够调节该连接请求的服务质量，那么S1为该连接需要保留的资源，并为该连接创建动态VPI/VCI，并把请求发送到下一台交换机S2。同时，S1把连接消息传回给呼叫方。(4)去往Rb通路的每一台交换机都重新组装和检查信令分组，如果业务流参数支持入口和出口的接口，则把信令分组转发到下一个交换机。如果沿途任何一台交换机不支持该业务，则向Ra反馈拒绝消息。(5)当信令分组到达Rb，Rb重组信令分组并估算，如果支持该
40、业务，则以连接消息作为响应，Ra收到来自Rb的连接消息确认呼叫。(6)S3向Rb发送连接响应消息以表明Rb已经知晓该呼叫，同时Ra向S1发送连接响应消息，完成整个对称呼叫控制过程。图5-23 SVC建立和释放过程 SVC连接释放的过程如下：(1)Ra向S1发送连接释放请求。(2)S1逐级向下发送释放消息。(3)目的端收到释放消息后发送释放完成的消息，并逐级返回到Ra。5.4.4 ATM 地址格式地址格式对于B-ISDN信令而言，地址需求是建立在协议E.164的基础之上的。ATM端点系统地址(ATM End System Address，AESA)是建立在网络业务接入点(Network Serv
41、ice Access Point，NSAP)格式的基础之上。ATM Forum已经规定了用于UNI选项的NSAP格式，做为补充或替代E.164的地址，AESA可以做为子地址由网络承载。ATM地址结构如图5-24所示。图5-24 ATM地址格式 AFI：Authority and Format Identifier(权限和格式识别符)IDP：Initial Domain Part(初始域部分)DSP：Domain Specific Part(域特定部分)HO-DSP：Higher Order Domain Specific Part(高阶域特定部分)Sel：Selector(选择器)5.4.5
42、UNI信令结构信令结构 UNI信令消息分为以下几种：1.呼叫建立消息 ALERTING(告警)：由被叫用户发给网络，再由网络回送给主叫用户，指示被叫用户告警已经被启动。CALL PROCEEDING(呼叫持续)：由被叫用户发送至网络或由网络回送给主叫用户，指示所申请的呼叫建立已经被启动且不再接收其他的呼叫信息。CONNECT(连接)：由被叫用户发送至网络，再由网络回送给主叫用户，指示呼叫被接收。CONNECT ACKNOWLEDGE(连接证实)：由网络发送给被叫用户，指示呼叫被认可，也可以由主叫用户发送给网络，以保持呼叫过程的对称性。SETUP(建立)：由主叫用户发送给网络，或由网络发送给被叫
43、用户，启动B-ISDN呼叫。2.呼叫清除消息RELEASE(释放)：由用户发送，用来请求网络拆除连接，或由网络发送以指示连接被清除。RELEASE COMPLETE(释放完成)：由用户或网络发送，用来指示设备已经释放了它的呼叫参考值和连接标识符。3.其他消息 NOTIFY(通知)：由用户或网络发送，用来指示与呼叫/连接相关的信息。STATUS(状态)：由用户或网络发送，用来响应STATUSENQUIRY(状态询问)消息，报告某些错误状态/维护信息。STATUSENQUIRY(状态询问)：由用户或网络发送，用来请求一个STATUS消息，监视信令链路上的错误状态(用于维护的目的)。用户网络接口处体
44、系结构与B-ISDN协议参考模型相对应，不管是信令还是用户信息，都按信元格式在物理层传输。SAAL是信令ATM适配层，主要是对各种信令消息进行适配，处理成信元格式。位于SAAL上面的高层协议正是Q.293协议，它说明了用户网络接口上建立、维持和释放网络连接的过程。Q.2931协议与对等层间的通信是通过消息来实现的，而它与本地的上、下层之间的通信通过原语来完成。由于Q.2931仅仅支持点对点信令方式，因此点对多点的信令方式要使用Q.2971协议。5.4.6 U-SSCF协议协议 U-SSCF协议起着协调高层信令(Q.2931、P-NNI)所需服务与SSCOP协议所提供的服务的作用，它完成AAL原
45、语与AA信号之间的映射，在收到或发出不同的AAL原语后将转移到不同的状态，而在不同状态的 U-SSCF 也只能接收或发送特定的原语，即上述原语是按一定顺序出现的。从高层到U-SSCF有四个状态：AAL连接释放，等待建立连接，等待释放连接，AAL连接建立。5.4.7 SSCOP 协议协议 由于AAL协议不支持简单可靠的点到点的传输连接，需要这种服务的应用程序可以使用另外一种协议特定服务的面向连接协议(Service Specific Connection Oriented Protocol，SSCOP)。但是，SSCOP只是用于控制，不能用于数据传输。SSCOP用户发送的报文，每个报文都被赋予一
46、个24位的顺序号，报文最大可达64 kB，而且不能分开，它们必须按顺序传送。丢失报文时总是有选择性地进行重传而不是回到序号n，重传n以后的所有的报文，不像某些可靠的传输协议。SSCOP从根本上说是一种动态滑动窗口协议，对于每个连接，接收方保留准备接收报文序号的窗口，及标明该报文是否已经存在位图(bitmap)，这个窗口在协议操作期间可以改变大小。SSCOP的不寻常之处是对确认的处理方法：它没有捎带机制，取而代之的是发送方定期地查询接收方，要求它发送回表明窗口状态的位图，根据这个位图，发送方丢弃已被对方成功接收的报文并更新其窗口。5.5 TCP/IP协议协议5.5.1 TCP/IP协议结构协议结
47、构TCP/IP 定义了电子设备如何接入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。TCP负责数据传输业务，属于资源子网，是高层，主要作用是负责传输，一旦有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地，类似于数据组织者的作用；而IP层主要负责传输的具体实施，属于通信子网，是低层，其中最重要的一个功能就是给因特网的每一台电脑规定一个地址，类似于数据传送者的作用。从协议分层模型方面来讲，TCP/IP协议共分4层：网络接口层、网络层、传输层、应用层。TCP/IP协议并不完全符合OSI的七层参考模型，如图5-25所示。OSI模型是传统的开放式系统互连参考模型，是一种通信协议的7层抽象参
48、考模型，其中每一层执行某一特定任务，该模型的目的是使各种硬件在相同的层次上相互通信。而TCP/IP协议采用了4层结构，每一层都呼叫下一层来完成自己的功能。由于ARPNET的设计者注重的是网络互联，允许通信子网(网络接口层)采用现有的或将有的各种协议，所以网络接口层中没有提供专门的协议。实际上，TCP/IP协议可以通过网络接口层连接到任何网络上，例如X.25交换网或IEEE802局域网。图5-25 TCP/IP协议四层结构与OSI七层结构(1)网络接口层，包含OSI模型中物理层和数据链路层两层的部分功能。物理层定义了物理介质的四种特性：机械特性、电子特性、功能特性和规程特性；数据链路层负责接收I
49、P数据报并通过网络发送之，或者从网络上接收物理帧，抽出IP数据报，交给网络层。本层常见的接口层协议有：Ethernet 802.3、Token Ring 802.5、X.25、FR、HDLC、PPP、ATM等。网络接口层中的数据传输以帧为单位，其形式为：帧头+IP数据报+帧层(帧头包括源和目标主机MAC地址及类型，帧尾是校验字)。(2)网络层，负责相邻计算机之间的通信，其功能包括以下三方面。处理来自传输层的分组发送请求，收到请求后，将分组装入IP数据报，填充报头，选择去往信宿机的路径，然后将数据报发往适当的网络接口。处理输入数据报：首先检查其合法性，然后进行路径寻找假如该数据报已到达信宿机，则
50、去掉报头，将剩下部分交给适当的传输协议；假如该数据报尚未到达信宿机，则转发该数据报。处理路径、流量控制、拥塞控制等问题。网络层协议包括：互联网协议(Internet Protocol，IP)、互联网控制报文协议(Internet Control Message Protocol，ICMP)、地址转换协议(Address Resolution Protocol，ARP)、反向地址转换协议(Reverse ARP，RARP)等。网络层中的数据以IP数据报为单位传输，其形式为：IP头+TCP数据信息(IP头包括源和目标主机IP地址、类型、生存期等)。(3)传输层，提供应用程序间的通信。其功能包括：格
