交换技术演进新说

随着通信技术的发展，传输、复用和交换三者的关系越来越密切，以致逐渐不可分割。近年来，人们用“转移模式”一词来统一描述通信网中的传输、复用和交换这３个部分。转移模式可以分为同步转移模式（ＳＴＭ）和异步转移模式（ＡＴＭ）两类。
ＳＴＭ为采用空间或时间上固定信道的电路交换方式，如目前的电话网，在呼叫建立后通话双方占用一对固定的６４ ｋｂｉｔ／ｓ时隙（通路）。
ＡＴＭ采用时隙按需分配、统计复用的高速分组交换方式。
现有数据网上的Ｘ.２５和帧中继都是采用统计复用分组交换技术，其接口速率可变、通道利用率高，但时延过大，不适合实时通信；而现有电话网上的电路交换技术时延小，适合实时通信，但接口速率固定、通道利用低。两者均不适合传输和交换语音、图像和数据等综合业务信息。ＡＴＭ综合了分组交换和电路交换两者的优点，为Ｂ－ＩＳＤＮ提供了一种理想的转移模式。
１ ＡＴＭ信元
ＡＴＭ的基本特征为传输、复用和交换都是以固定长度的信元（ｃｅｌｌ）为统一的信息单位。即从发送端到接收端所传送的信息全部以信元的形式出现。
ＡＴＭ信元由信头（Ｈ）和信息字段（ＩＮＦ，净负荷）两部分组成。其中，信头包括地址（ＶＰＩ和ＶＣＩ）以及其它必要的控制信息；有效信息字段可携带不同类型的用户信息，包括数字化的话音、活动图像和数据等信息。
ＡＴＭ信元可分为承载用户信息信元、信令信元、空闲信元和运行维护信元。
２ ＡＴＭ分层结构
（１） 用户层
ＡＴＭ用户层的主要功能是为用户提供高速数据、语音、图像等宽带综合业务。
（２） 适配层
ＡＴＭ适配层的主要功能为适配从用户平面来的数据、音频、视频等信号，以形成ＡＴＭ层所需的数据格式。每种信号要求对ＡＴＭ网络有不同的适配。
一般而言，不同类别的业务具有不同的网络需求。例如，根据源业务流模式，可将业务分为支持固定比特率（ＣＢＲ）业务和可变比特率（ＶＢＲ）业务；根据端到端的定时关系，可将业务分为连续性业务和突发性的业务；根据连接模式，可将业务分为面向连接业务和面向无连接业务。因此，ＡＴＭ定义了几种不同的ＡＡＬ类型，用以支持不同类别的业务。目前已定义的ＡＡＬ服务类别有ＡＡＬ １～５，其中ＡＡＬ５能支持所有类型的ＡＡＬ服务，因此获得了广泛的应用。
（３） ＡＴＭ层
ＡＴＭ层的基本功能是负责生成信元。它接收来自ＡＡＬ层的４８个字节净荷，并附加上相应的５字节的信元头，以形成信元传送给物理层。
（４） 物理层
ＡＴＭ物理层是ＡＴＭ模型的最底层，它由传输汇聚层和物理介质子层组成，ＡＴＭ物理层负责ＡＴＭ信元的线路编码，并将信元递交给物理介质。传输汇聚层从ＡＴＭ层接收信元，组装成适当格式后传送给物理介质子层。在无信息传输时，由传输汇聚层插入空闲信元，以保持信元流的连续。在接收端，传输汇聚层从来自物理介质子层的比特流中提取信元，验证信元头，删去空闲信元，将有效信元传递给ＡＴＭ层。
３ 虚信道（ＶＰ）与虚通路（ＶＣ）
ＡＴＭ采用面向连接的虚电路分组交换技术，即发端要与收端通信时，控制部分在通信建立之前通过收发双方信令信元的传递，建立一条端到端的虚电路。在虚电路建立后，ＡＴＭ采用两级选路方式，即ＡＴＭ虚电路由虚信道（ＶＰ）和虚通路（ＶＣ）两部分组成。对于ＡＴＭ骨干网，进入交换机的ＶＣ可能有成千上万条，若对每个ＶＣ连接（ＶＣＣ）都维护一个信息端口，必然会加大交换机的负担，因此在ＡＴＭ中将同一物理路由的ＶＣ群组成一条ＶＰ连接（ＶＰＣ）。ＡＴＭ物理链路可同时支持多个ＶＰ连接，而一个ＶＰ中同时又有多个ＶＣ连接。
虚信道中的ＶＰ节点设备为ＶＰ交换机或ＤＸＣ设备，其作用是将一段段不同ＶＰＩ的ＶＰＣ连接起来，形成一条源端到目的端ＶＣ交换机之间的虚电路；虚通路中的ＶＣ节点设备为ＶＣ交换机或ＤＸＣ设备，其作用是将一段段不同ＶＣＩ的ＶＣＣ连接起来，形成一条端到端的虚电路。在这里应注重的是，ＶＣＣ在经过交换后需重组为新的ＶＰＣ，因此在ＶＣ节点设备中包含了ＶＰ交换和ＶＣ交换两级交换机制。这类似于既包含６４ ｋｂｉｔ／ｓ链路交叉又包含２ Ｍｂｉｔ／ｓ链路交叉的ＤＸＣ４／１设备，而ＶＰ节点设备则类似于只包含２ Ｍｂｉｔ／ｓ链路交叉的ＤＸＣ４／４设备。
为了完成ＶＰ节点设备两侧不同ＶＰＩ链路的连接，在ＶＰ节点设备中存有ＶＰＩ的标记路由表。同理，在ＶＣ节点设备中存有的ＶＣＩ／ＶＰＩ的标记路由表。
４ ＡＴＭ交换原理
４.１ ＡＴＭ交换机的基本组成
在ＡＴＭ交换机上连接用户线与中继线，所传送的数据单元都是ＡＴＭ信元。因此对ＡＴＭ交换机而言，在很多情况下不必区分用户线与中继线，而仅需区分ＡＴＭ的入线与出线。ＡＴＭ交换机的任务就是根据输入信元的ＶＰＩ和ＶＣＩ，将该信元送到相应的出线。
（１） 入线处理与出线处理
入线处理部件对入线上的ＡＴＭ信元进行处理，使它们成为适合交换单元进行交换的形式，并完成同步和对齐等工作。出线处理部件对交换单元送出的ＡＴＭ信元进行处理，以转换成适合在线路上传输的形式。
（２） 交换单元
交换单元的结构可以分为空分交换和时分交换两大类。交换单元的任务是将入线上的ＡＴＭ信元，根据信头的ＶＰＩ／ＶＣＩ转送到相应的出线上。此外，ＡＴＭ交换单元还应该具备ＡＴＭ信元的复制功能，以支持多播业务。
（３） 控制单元
ＡＴＭ控制单元的任务是对交换单元的动作进行控制。由于控制交换单元动作的信令和运行、维护等信息都是以ＡＴＭ信元的形式传送的，因此ＡＴＭ控制单元应具有接收和发送ＡＴＭ信元的能力。
在ＡＴＭ交换单元中，控制部分根据信头地址（ＶＰＩ或ＶＣＩ）查找地址映射表，改写信头地址，并送往相应端口输出。整个交换过程十分简单，可以采用硬件寻址和并行交换方式，极大地提高了ＡＴＭ信元的交换速度。
４.２ ＶＰ交换与ＶＣ交换
在ＶＰ交换机中根据ＶＰ连接的目的地（ＶＣ交换机），将输入信元的ＶＰＩ值改为可以导向目的地的新ＶＰＩ值，改写信头后在所选择的路由上输出（在此过程中ＶＣＩ不变）。
在ＶＣ交换机中根据ＶＣ连接的目的地（用户端），将输入信元的ＶＣＩ值改为可以导向目的地的新ＶＣＩ值，改写信头后进入新的ＶＰＩ信道，因此需同时改写ＶＰＩ。
４.３ ＡＴＭ用户线
ＡＴＭ用户线一般连接ＡＴＭ接入交换机，其速率通常为１５５ Ｍｂｉｔ／ｓ。在ＡＴＭ用户线上，信元传输同样也可以分为虚信道和虚通路，并具有用户专有的ＶＰＩ和ＶＣＩ。
４.４ 接续过程
虚电路建立后，需要传送的信息将被分割成５３个字节的ＡＴＭ信元，经ＡＴＭ网络传送给对方。若发送端有一个以上应用信息同时发送，则需建立到达不同目的地的不同虚电路，应用信息交替送出。
采用交换虚电路工作方式的ＡＴＭ网一次典型的端到端全程连接的ＶＰＨ（ＶＰ处理）为ＶＰ交换机或ＤＸＣ设备，ＶＰＨ根据ＶＰＩ选路；ＶＣＨ（ＶＣ处理）为ＶＣ交换机，ＶＣＨ根据ＶＣＩ选路；接入交换机相当于电话网中的用户交换机。
５ ＡＴＭ本地网结构
ＡＴＭ本地网由交换机组网。ＡＴＭ网络结构示例中采用了ＡＴＭ ｏｖｅｒ ＳＤＨ技术，即由ＳＤＨ自愈环组成传输网，业务节点设备为ＶＣ交换机，接入接点采用ＡＴＭ接入交换机。
目前，ＡＴＭ到桌面的问题尚未解决，因此ＡＴＭ的业务接入均由ＡＴＭ接入交换机来完成。ＡＴＭ接入交换机通过ＡＴＭ适配层提供ＩＰ、ＦＲ、电路仿真Ｅ１／Ｅ３、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、Ｘ.２５等业务接口，可提供Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的高速接入、局域网互联、语音、高清楚度电视、点播电视、会议电视等宽带业务。ＡＴＭ本地网一般情况下可称为Ｂ－ＩＳＤＮ城域网。
由上可见，ＡＴＭ具有分组交换和电路交换两者的优点，适合传送各种实时、非实时的电信级业务。但ＡＴＭ存在信令复杂、实现困难、价格高和ＡＴＭ信元到桌面还有困难等问题。另外，ＡＴＭ信元不能通过其它数据网，因此ＡＴＭ网只能以孤岛形式存在。而遵循ＴＣＰ／ＩＰ的ＩＰ包可以通过底层的任何数据网，所以ＩＰ网迅速发展成为世界性的大网。现在人们普遍认为，ＩＰ网在解决ＱｏＳ后有望代替ＡＴＭ网，融合现在和未来所有的业务网络，成为一个世界范围的宽带综合业务网络。
当前ＡＴＭ网络大多作为ＩＰ网的底层网络，以计算机子网的形式存在，利用其３层提供ＩＰ业务、２层提供ＡＴＭ业务。