ATM交换系统的交换网络研究成果

7．4．3　ATM交换系统的交换网络

ATM交换机根据所用的交换网络结构的不同划分为两类：空分交换机和时分交换机。其中空分交换包括全互联网和多级互联网；时分交换包括共享存储器型和共享媒体型结构。

1．空分交换结构

空分交换结构是指在输入复用线与输出复用线之间有多条路径，不同的信元流可以选择不同的路径通过开关阵列。开关阵列在物理线路之间建立瞬时连接，用来完成空间交换，而不改变其时隙的位置。空分交换结构中信元交换的选路方式有两种：自选路由和存储路由表选路方式。自选路由是通过给信元加上选路标识来提供快速的选路功能，其缺点是不支持同播功能；存储路由表选路方式要有大量的存储器来存储路由表，它能够支持同播功能。这两种方式结合起来，便可提供点到点及点到多点的服务。

（1）简单的空分（空间）交换单元

空分交换是通过各种类型的空分交换单元按不同方式组合连接起来的，最简单的空分交换单元就是由电子交叉矩阵构成，如图7．20所示。空分交换单元的电子交叉矩阵，一般是具有相同数量的入线和出线组成一个N×N的电子交叉点连接的开关阵列，有N 2个交叉点，每个交叉点由继电器或电子开关组成，因此，有接通与断开两种状态。这些交叉点的状态由该输入复用线或输出复用线所对应的控制存储器来控制，只要适当控制这些开关接通或断开，即可在任一路入线和出线之间构成通路，完成信元流的交换。当入线、出线数目增加时，交叉矩阵的接点数将按平方关系增长，这将使控制机构复杂化。所以当交换容量增大时，一般采用多级交换方式。

（2）多级交换方式

在ATM交换机中，利用多级互联方式将若干相同结构的空分交换单元互联起来，构成容量更大的交换机构。交换单元多为一个或一组独立的交换芯片，可以完成4×4、8×8、16×16等容量的信息交换（见第2章交换单元与交换网络），实现方式多种多样。采用多级互联构成交换网络的方法主要有两类：多级互联网和多级折叠网，其结构如图7．21所示。

图7．20　简单的空分交换单元

图7．21　8×8多级互联网络

一般来说，N条入线、N条出线的多级互联网，必然有M级（N＝2　^M），且每级有N/2个2×2的交叉连接单元，因此一个N×N的多级互联网络有M×N/2个2×2的交叉连接单元。这种方式要比简单空分结构的交叉连接单元数少得多，从而简化了连接的控制。但是，多级互联网络结构是一种有内部阻塞的网络，任何多级互联网络都可能会引起信元的丢失。所以，在采用多级互联网络结构的交换机中，必须考虑解决内部阻塞引起的信元丢失问题。

第2章详细讨论了如何解决网络内部阻塞的问题，例如，BANYAN网络就是一种应用非常广泛的多级互联网络，并且是一种自选路由的网络。为了解决BANYAN网络的内部阻塞的问题，在BANYAN网络前面，增加了一个排序网络，构成了BA TCH ER－BANYAN网络，简称B－B网，如第2章图2．40所示。这种网络就是使用排序的方法解决了BA N－Y AN网络的内部阻塞问题。

除此之外，多级折叠网络是以中间级为镜像面折叠对称，这种网络使其级数增加到2　M－1级，如图7．22所示。得到的网络可以做到无内部阻塞。

图7．22　8×8的BENES多级折叠网络

多通路多平面组网的方法都是比较好的解决网络内部阻塞问题的好方法，如应用在S－1024交换系统中的数字交换网络（DSN）等。关于空分交换结构的多级网络内部阻塞问题的详细讨论见第2章，这里不再叙述。

2．时分交换结构

（1）共享存储器型交换机结构

①共享存储器型交换机组成框图

共享存储器型ATM交换机的核心是一个RAM，如图7．23所示。各个输入端口的信元流经过统计时分复用复接成一条高速信元流，然后写入RAM中。对应每个输出端口，在RAM中都有一个队列，因此，输入信元写入RAM时，是根据信元中的VPI/VCI来写入其队列的。输出时，轮流从各个队列读取一个信元，输出信元流经分接后到达各个输出端口，这样，就完成了整个交换过程。

图7．23　共享存储型ATM交换机的结构

②共享存储器型ATM交换结构的优点

·存储器成本低、利用率很高。由于存储器是一种通用器件，设计容易并具有重复性使用的特点，所以成本低；又因为存储器为所有输入输出共享，所以利用率很高。(www.xing528.com)

·无阻塞结构，信元丢失只发生在队列溢出时。

③共享存储型ATM交换结构的缺点

这种交换结构的性能，受处理时间和RAM读写速度的限制。信元在写入RAM时，是根据VPI/VCI决定写入哪一个队列，因此需要一个控制中心来产生足够快速的控制信号，因为在一个信元传输的时隙内（155．520 Mbit/s时，约为2．82μs）要对N个入口中的信元进行判断。

共享存储器型ATM交换结构在一个时隙内，要对RAM进行N次读、写操作，如果假定端口速率为V，那么存储器的读写操作将达到2　N V次，这对RAM的存取速度提出了很高的要求。例如，端口速率为155．520 Mbit/s、32×32共享存储型交换结构，存储器的访问周期必须小于

为了降低对存储器存取速度的要求，可以采用并行操作。如将155．520 Mbit/s比特流进行串并变换，变换成8位、32位并行数据流再进行交换操作。

④共享存储器型交换结构的实例

共享存储器型ATM交换机的完整的示意图如图7．24所示。

图7．24　一个共享存储器型ATM交换机结构示意图

共享存储器ATM交换结构的一个典型例子是日立公司的交换机。该交换机由32个输入端口、32个输出端口、复接器、共享存储器RAM、分接器、32个写地址寄存器（WAR）、32个读地址寄存器（RAR）和先进先出（FIFO）空闲地址缓存器组成。用户线上的信元经串并变换（S/P）后，送入信头转换器中改变其信头的值，然后经复用器复接后写入存储器RAM中。写入时根据VPI/VCI的值在WAR中查找写入地址，并对空闲地址缓存器和WAR进行更新。

输出时，用输出计数器依次从存储器的各队列中读取信元。读地址由读地址寄存器提供。输出信元经分接和并串（P/S）变换，最终完成交换功能。

（2）共享媒体型交换结构

图7．25是一个共享媒体型交换结构示意图。共享媒体ATM交换结构中，各个用户线上的信元经输入端口被分时复接到高速媒体（如时分复用总线）上，每个输出端口也与这组高速媒体相连，输出端口利用地址过滤器（AF）将发往本端口的信元接收下来。

这种交换结构的吞吐量受时分总线速率和FIFO容量的限制，时分总线的速率至少是端口速率V的N倍。为了突破这一局限，采用比特分割技术，经过串并变换，把串行数据转换成并行数据，利用并行总线的方式来实现。

共享媒体型交换结构中，每个输出端口对应独立的FIFO缓存器，因此，对缓存器容量

图7．25　共享媒体型ATM交换结构

的要求较高。由于在统计复用方式中，很有可能在某个时段N个输入端口的信元同时抵达一个输出端口，所有抵达的信元都必须存入FIFO中，因此，为了与总线速率相匹配，各个FIFO写入速率也是输入端口速率V的N倍。利用多块共享媒体型交换模块，可以构成规模更大的ATM交换机。

共享媒体型ATM交换结构的特点：

①结构简单，但吞吐量有限，在交换容量上只能达到10 G左右。

②总线本身具有广播特性，所以，易于实现广播和点到多点通信。

③各个模块只有在有信元交换时才申请总线，交换资源最大程度地被所有接口共享，因此，适于各接口模块流量不均的情况，易于实现不同的服务等级和优先级控制。

④是一种无内部阻塞结构，信元丢失只发生于各个队列中。