交換技術演進新說
2019-11-05 01:35:18
供稿：網友
隨著通信技術的發(fā)展，傳輸、復用和交換三者的關系越來越密切，以致逐漸不可分割。近年來，人們用“轉移模式”一詞來統(tǒng)一描述通信網中的傳輸、復用和交換這３個部分。轉移模式可以分為同步轉移模式（ＳＴＭ）和異步轉移模式（ＡＴＭ）兩類。
ＳＴＭ為采用空間或時間上固定信道的電路交換方式，如目前的電話網，在呼叫建立后通話雙方占用一對固定的６４ ｋｂｉｔ／ｓ時隙（通路）。
ＡＴＭ采用時隙按需分配、統(tǒng)計復用的高速分組交換方式。
現(xiàn)有數據網上的Ｘ.２５和幀中繼都是采用統(tǒng)計復用分組交換技術，其接口速率可變、通道利用率高，但時延過大，不適合實時通信；而現(xiàn)有電話網上的電路交換技術時延小，適合實時通信，但接口速率固定、通道利用低。兩者均不適合傳輸和交換語音、圖像和數據等綜合業(yè)務信息。ＡＴＭ綜合了分組交換和電路交換兩者的優(yōu)點，為Ｂ－ＩＳＤＮ提供了一種理想的轉移模式。
１ ＡＴＭ信元
ＡＴＭ的基本特征為傳輸、復用和交換都是以固定長度的信元（ｃｅｌｌ）為統(tǒng)一的信息單位。即從發(fā)送端到接收端所傳送的信息全部以信元的形式出現(xiàn)。
ＡＴＭ信元由信頭（Ｈ）和信息字段（ＩＮＦ，凈負荷）兩部分組成。其中，信頭包括地址（ＶＰＩ和ＶＣＩ）以及其它必要的控制信息；有效信息字段可攜帶不同類型的用戶信息，包括數字化的話音、活動圖像和數據等信息。
ＡＴＭ信元可分為承載用戶信息信元、信令信元、空閑信元和運行維護信元。
２ ＡＴＭ分層結構
（１） 用戶層
ＡＴＭ用戶層的主要功能是為用戶提供高速數據、語音、圖像等寬帶綜合業(yè)務。
（２） 適配層
ＡＴＭ適配層的主要功能為適配從用戶平面來的數據、音頻、視頻等信號，以形成ＡＴＭ層所需的數據格式。每種信號要求對ＡＴＭ網絡有不同的適配。
一般而言，不同類別的業(yè)務具有不同的網絡需求。例如，根據源業(yè)務流模式，可將業(yè)務分為支持固定比特率（ＣＢＲ）業(yè)務和可變比特率（ＶＢＲ）業(yè)務；根據端到端的定時關系，可將業(yè)務分為連續(xù)性業(yè)務和突發(fā)性的業(yè)務；根據連接模式，可將業(yè)務分為面向連接業(yè)務和面向無連接業(yè)務。因此，ＡＴＭ定義了幾種不同的ＡＡＬ類型，用以支持不同類別的業(yè)務。目前已定義的ＡＡＬ服務類別有ＡＡＬ １～５，其中ＡＡＬ５能支持所有類型的ＡＡＬ服務，因此獲得了廣泛的應用。
（３） ＡＴＭ層
ＡＴＭ層的基本功能是負責生成信元。它接收來自ＡＡＬ層的４８個字節(jié)凈荷，并附加上相應的５字節(jié)的信元頭，以形成信元傳送給物理層。
（４） 物理層
ＡＴＭ物理層是ＡＴＭ模型的最底層，它由傳輸匯聚層和物理介質子層組成，ＡＴＭ物理層負責ＡＴＭ信元的線路編碼，并將信元遞交給物理介質。傳輸匯聚層從ＡＴＭ層接收信元，組裝成適當格式后傳送給物理介質子層。在無信息傳輸時，由傳輸匯聚層插入空閑信元，以保持信元流的連續(xù)。在接收端，傳輸匯聚層從來自物理介質子層的比特流中提取信元，驗證信元頭，刪去空閑信元，將有效信元傳遞給ＡＴＭ層。
３ 虛信道（ＶＰ）與虛通路（ＶＣ）
ＡＴＭ采用面向連接的虛電路分組交換技術，即發(fā)端要與收端通信時，控制部分在通信建立之前通過收發(fā)雙方信令信元的傳遞，建立一條端到端的虛電路。在虛電路建立后，ＡＴＭ采用兩級選路方式，即ＡＴＭ虛電路由虛信道（ＶＰ）和虛通路（ＶＣ）兩部分組成。對于ＡＴＭ骨干網，進入交換機的ＶＣ可能有成千上萬條，若對每個ＶＣ連接（ＶＣＣ）都維護一個信息端口，必然會加大交換機的負擔，因此在ＡＴＭ中將同一物理路由的ＶＣ群組成一條ＶＰ連接（ＶＰＣ）。ＡＴＭ物理鏈路可同時支持多個ＶＰ連接，而一個ＶＰ中同時又有多個ＶＣ連接。
虛信道中的ＶＰ節(jié)點設備為ＶＰ交換機或ＤＸＣ設備，其作用是將一段段不同ＶＰＩ的ＶＰＣ連接起來，形成一條源端到目的端ＶＣ交換機之間的虛電路；虛通路中的ＶＣ節(jié)點設備為ＶＣ交換機或ＤＸＣ設備，其作用是將一段段不同ＶＣＩ的ＶＣＣ連接起來，形成一條端到端的虛電路。在這里應注重的是，ＶＣＣ在經過交換后需重組為新的ＶＰＣ，因此在ＶＣ節(jié)點設備中包含了ＶＰ交換和ＶＣ交換兩級交換機制。這類似于既包含６４ ｋｂｉｔ／ｓ鏈路交叉又包含２ Ｍｂｉｔ／ｓ鏈路交叉的ＤＸＣ４／１設備，而ＶＰ節(jié)點設備則類似于只包含２ Ｍｂｉｔ／ｓ鏈路交叉的ＤＸＣ４／４設備。
為了完成ＶＰ節(jié)點設備兩側不同ＶＰＩ鏈路的連接，在ＶＰ節(jié)點設備中存有ＶＰＩ的標記路由表。同理，在ＶＣ節(jié)點設備中存有的ＶＣＩ／ＶＰＩ的標記路由表。
４ ＡＴＭ交換原理
４.１ ＡＴＭ交換機的基本組成
在ＡＴＭ交換機上連接用戶線與中繼線，所傳送的數據單元都是ＡＴＭ信元。因此對ＡＴＭ交換機而言，在很多情況下不必區(qū)分用戶線與中繼線，而僅需區(qū)分ＡＴＭ的入線與出線。ＡＴＭ交換機的任務就是根據輸入信元的ＶＰＩ和ＶＣＩ，將該信元送到相應的出線。
（１） 入線處理與出線處理
入線處理部件對入線上的ＡＴＭ信元進行處理，使它們成為適合交換單元進行交換的形式，并完成同步和對齊等工作。出線處理部件對交換單元送出的ＡＴＭ信元進行處理，以轉換成適合在線路上傳輸的形式。
（２） 交換單元
交換單元的結構可以分為空分交換和時分交換兩大類。交換單元的任務是將入線上的ＡＴＭ信元，根據信頭的ＶＰＩ／ＶＣＩ轉送到相應的出線上。此外，ＡＴＭ交換單元還應該具備ＡＴＭ信元的復制功能，以支持多播業(yè)務。
（３） 控制單元
ＡＴＭ控制單元的任務是對交換單元的動作進行控制。由于控制交換單元動作的信令和運行、維護等信息都是以ＡＴＭ信元的形式傳送的，因此ＡＴＭ控制單元應具有接收和發(fā)送ＡＴＭ信元的能力。
在ＡＴＭ交換單元中，控制部分根據信頭地址（ＶＰＩ或ＶＣＩ）查找地址映射表，改寫信頭地址，并送往相應端口輸出。整個交換過程十分簡單，可以采用硬件尋址和并行交換方式，極大地提高了ＡＴＭ信元的交換速度。
４.２ ＶＰ交換與ＶＣ交換
在ＶＰ交換機中根據ＶＰ連接的目的地（ＶＣ交換機），將輸入信元的ＶＰＩ值改為可以導向目的地的新ＶＰＩ值，改寫信頭后在所選擇的路由上輸出（在此過程中ＶＣＩ不變）。
在ＶＣ交換機中根據ＶＣ連接的目的地（用戶端），將輸入信元的ＶＣＩ值改為可以導向目的地的新ＶＣＩ值，改寫信頭后進入新的ＶＰＩ信道，因此需同時改寫ＶＰＩ。
４.３ ＡＴＭ用戶線
ＡＴＭ用戶線一般連接ＡＴＭ接入交換機，其速率通常為１５５ Ｍｂｉｔ／ｓ。在ＡＴＭ用戶線上，信元傳輸同樣也可以分為虛信道和虛通路，并具有用戶專有的ＶＰＩ和ＶＣＩ。
４.４ 接續(xù)過程
虛電路建立后，需要傳送的信息將被分割成５３個字節(jié)的ＡＴＭ信元，經ＡＴＭ網絡傳送給對方。若發(fā)送端有一個以上應用信息同時發(fā)送，則需建立到達不同目的地的不同虛電路，應用信息交替送出。
采用交換虛電路工作方式的ＡＴＭ網一次典型的端到端全程連接的ＶＰＨ（ＶＰ處理）為ＶＰ交換機或ＤＸＣ設備，ＶＰＨ根據ＶＰＩ選路；ＶＣＨ（ＶＣ處理）為ＶＣ交換機，ＶＣＨ根據ＶＣＩ選路；接入交換機相當于電話網中的用戶交換機。
５ ＡＴＭ本地網結構
ＡＴＭ本地網由交換機組網。ＡＴＭ網絡結構示例中采用了ＡＴＭ ｏｖｅｒ ＳＤＨ技術，即由ＳＤＨ自愈環(huán)組成傳輸網，業(yè)務節(jié)點設備為ＶＣ交換機，接入接點采用ＡＴＭ接入交換機。
目前，ＡＴＭ到桌面的問題尚未解決，因此ＡＴＭ的業(yè)務接入均由ＡＴＭ接入交換機來完成。ＡＴＭ接入交換機通過ＡＴＭ適配層提供ＩＰ、ＦＲ、電路仿真Ｅ１／Ｅ３、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、Ｘ.２５等業(yè)務接口，可提供Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的高速接入、局域網互聯(lián)、語音、高清楚度電視、點播電視、會議電視等寬帶業(yè)務。ＡＴＭ本地網一般情況下可稱為Ｂ－ＩＳＤＮ城域網。
由上可見，ＡＴＭ具有分組交換和電路交換兩者的優(yōu)點，適合傳送各種實時、非實時的電信級業(yè)務。但ＡＴＭ存在信令復雜、實現(xiàn)困難、價格高和ＡＴＭ信元到桌面還有困難等問題。另外，ＡＴＭ信元不能通過其它數據網，因此ＡＴＭ網只能以孤島形式存在。而遵循ＴＣＰ／ＩＰ的ＩＰ包可以通過底層的任何數據網，所以ＩＰ網迅速發(fā)展成為世界性的大網。現(xiàn)在人們普遍認為，ＩＰ網在解決ＱｏＳ后有望代替ＡＴＭ網，融合現(xiàn)在和未來所有的業(yè)務網絡，成為一個世界范圍的寬帶綜合業(yè)務網絡。
當前ＡＴＭ網絡大多作為ＩＰ網的底層網絡，以計算機子網的形式存在，利用其３層提供ＩＰ業(yè)務、２層提供ＡＴＭ業(yè)務。
