用技术组网

4.2.3　用ATM技术组网

1．ATM交换机

ATM交换机是一个多端口的设备，每个端口都可以双向传输数据。因此端口在交换机内部连接着输入线路和输出线路，这一点和以太网交换机相似。ATM交换机在一个时钟周期中同步地将各个输入线路上的信元通过交换机内部的交换结构发送到相应的输出线路上。信元通常是异步地到达输入线路的。在交换机中以主时钟作为一个时钟周期开始的标记。如果信元在一个时钟周期开始交换的时刻已经完全达到输入线路，则可以被交换，否则，需等待下一个时钟周期。

交换机的主要功能是提供一种交换方法，将来自输入端口的信元根据其带有的VPI和VCI值快速、有效地交换到输出端口。ATM交换设备将进行单个信元的输入处理、信元头的变换以及信元输出处理。信元经过交换机的处理，才能准确地进入正确的输出链路。

交换机有多种类型，但所有的交换机都要实现下面两个基本目标：

●　要尽量避免或减少信元交换过程中信元的丢失。

●　在同一条虚通道上传输的信元的顺序不能改变，即先接收到的信元先发送。

交换机的内部结构分成两大类：时分交换和空分交换。时分交换是指输入/输出端共享同一条高速的信元通道，例如共享总线、共享存储器等。这种结构通过共享设施，如总线、存储器，将所有的交换信息从输入端口路由到输出端口。它的特点是：所有交换使用同一个设施，同一瞬间只有一个信元进行交换，进行交换之前必须等待资源可用。空分交换是指在输入线路和输出线路之间有多条通道，不同的ATM信元流可以在不同的通道上同时通过交换矩阵进行交换。与时分交换结构不同，空分交换结构不依赖于共享设施。空分交换结构具有良好的硬件可扩展性。Banyan结构和Delta结构是两种典型的空分交换机结构。

有一系列的指标可以用来衡量ATM交换机的性能，例如：吞吐量、系统资源的利用率、信元丢失率、误插入率、交换时延和时延抖动等。

（1）吞叶量在以太网交换机和ATM交换机中都是重要的性能指标之一。它用来衡量单位时间内经过系统传送的数据量，说明系统的负荷情况。对于ATM交换机，吞吐量由交换机采用的技术及其规模决定，采用合理的技术可以获得更大的整体吞吐量。

（2）系统资源的利用率。ATM是面向连接的，连接建立时交换机就要在输入端口和输出端口之间定义一个内部关系。由于系统内部的资源是有限的，因此连接的数量不可能无限制地增大。连接到达一定数量后，系统就没有足够的资源建立新的连接。这时如有新的连接要求，系统就出现了连接阻塞。不能为了避免阻塞而大大增加系统资源和线路速率，因为在大多数情况下，系统资源和线路是空闲的，这会降低系统资源和线路的使用率。所以在交换机的设计过程中，阻塞与系统资源利用率之间需要一个折中，保证既有可接受的连接阻塞率，又有比较高的系统资源和线路的利用率。

（3）信元丢失率即一段时间内丢失的信元数与总的参加交换的信元数的比值。ATM系统建立在优质通信链路的基础上，引起信元丢失的主要原因是交换机的缓存器容量不够。某一时刻几个从不同输入端口输入的信元要送往同一输出端口时，信元要进入缓存队列排队，再依次输出。当缓存队列满时，超出的那部分信元就会丢失。一般来说，要求信元丢失率在10^－8～10^－9，不能过大。

（4）误插入率是指一段时间内误插入的信元数与参与交换器的总信元数的比值。信元在ATM交换机中可能被错选路由，错误地插入了另一个虚连接。这样本身的虚连接丢失了信元，而另一个虚连接增加了一个信元。这种错误引起了错误倍增，因而要求误插入率比信元丢失率低1000倍左右，即10^－11～10^－14。

（5）交换机处理每一个信元需要花费的时间叫做交换时延，即交换机从输入端口接收信元到将信元从输出端口送出所经历的时间。通信网中的交换机都有这一性能指标，要求在100µs以下，现在ATM交换机一般的时延在15µs～35µs，较好的可低于20µs。

（6）时延抖动指信元交换时延值的变化情况。时延抖动主要是由于信元在缓存队列中等待的时间不同而引起的。由于队列长度是一个随机数，所以各个信元的交换时延不同，引起时延抖动。时延抖动会严重影响需要恒定速率的业务的质量，因此也必须限制在几百微秒以下。

对ATM交换机的性能要求，不同的交换结构有不同的实现方法，但只有满足上述性能指标的ATM交换机才是合格的交换机。

2．ATM网络的构建

ATM网络可以提供高速度、长距离、高质量的服务，因此具有广泛的应用前景。用户可以通过本地交换机直接接入公用ATM网络，也可以用ATM设备构建自己的计算机网络的高速主干网，还可以应用ATM局域网仿真技术把局域网建立在高速的ATM网络上。

从网络发展来看，未来的网络应该有更高的带宽。随着光纤基础网进一步的普及、ATM体制标准的进一步完善，用ATM构建大型网络的主干网是合适的选择。上海科技网就是一个用ATM设备构建主干网的典型例子。

上海科技网的基础设施主要有：由4个核心节点组成的主干网、由50多个接入节点组成的接入网以及连接它们的传输网三个组成部分。上海科技网的传输网实现ATM物理层的功能，遵循SONET/SDH协议，采用单模光纤，达到STTS-3C/STM-1/OC-3 155Mbps的传输速率。传输网采用网状拓扑结构，以提高网络系统的可靠性和传输速度，并达到网络传输负载的平衡。上海科技网根据地域位置选择了科技网运作中心、复旦大学和计算机研究所三个核心节点，配置相应的交换机，相互之间用单模光缆连接，组成环形网状的ATM主干传输网。然后，位于中心区域广电大楼的另一个核心节点，用单模光缆连接上述三个节点（核心结构如图4-19所示）。上海科技网还有50个接入交换机，连接在这些核心节点交换机上。其中市区的接入交换机，根据地理位置，每4个为1组，以冗余的方式连接到核心节点交换机上。郊区的接入交换机使用有线电视多余光缆芯线连接到广电大楼核心节点交换机上，中间采用光收发器，延伸传输距离。

图4-19　上海科技网主干

接入节点交换机主要用于连接用户网和单个具有ATM网卡的计算机。用户网是指园区网和企业网，通常是采用Ethernet，Token Ring，FDDI和ATM等协议构成的局域网。接入网负责将用户网接入ATM主干网。

3．局域网仿真技术

局域网仿真（LANE）的目的是使现有的LAN能顺利过渡到采用更高带宽的ATM网络上，通过一个ATM主干网将各种不同的传统式LAN连成一体。局域网仿真不影响原来的局域网，因此不必改变或更换用户原有的局域网适配器、驱动程序或应用程序，从而可以保护用户所有应用和设备上的投资。同时，这也是一种不受协议限制的方案，它可以采用与网桥相同的方式转发非路由协议。

LANE提供了在ATM网络上运行现有LAN协议（IEEE 802.3以太网和802.5令牌环）的手段，它定义了如何用ATM主干网互连现有的局域网，以及现有的以太网和令牌环网上的计算机怎样在对等的环境下与具有ATM接口的计算机、符合ATM UN I标准的服务器、路由器、桥接器等ATM终端设备组成仿真LAN。

在ATM局域网仿真网络中，ATM网络的各种功能，包括呼叫建立、信元拆装等对原局域网都是透明的，因此，原局域网终端的硬件和软件系统不需作任何改动。又由于ATM局域网仿真是数据链路层的服务，因此原有网络的数据链路层及更高层的协议也不需要改动。

LANE服务的体系结构基于客户/服务器的查询和响应模型。LANE的组成部分包括ATM主机、路由器和ATM/LAN网桥（LEC），其网络连接如图4-20所示，其中L-UN I表示LEC和仿真LAN之间的接口，而L-NN I表示单个ELAN系统中服务器部件间的接口。

4．ATM与以太网的互连组网实例

ATM技术具有高数据传输速率、良好的服务质量保证等特点，适宜于构建大中型园区的骨干网络；而以太网价格低廉，在小型局域网上得到普遍应用。因此现在有不少用户在组网和网络扩建的过程中采用了ATM与以太网互连组网的方式，充分利用了两者的优点，同时也保护了在以太网上的投资。下面是一个ATM与以太网互连，构成园区网络的方案。

图4-20　威者局域网仿真的配置

在该园区网中，用户以622M/155M ATM作为核心网络连接技术，通过两路光纤连接，组成一个高速、可靠的主干网络；局域网采用ATM和交换式快速以太网络相结合。所有的网络应用运行于同一网络平台，同时利用虚拟网络技术使不同的应用相互独立，分别属于不同的虚拟网络，既简化了网络的管理、维护，又保证了网络的安全性。网络结构如图4-21所示。

主干网采用星型拓扑结构，中心ATM交换机与处在另外四幢楼内的二级节点分别通过光纤相形成园区网的主干信息通道。中心ATM交换机选用3COM公司的CoreBuilder 7000，4个二级节点选用3COM公司的LinkSwitch 2700工作组交换机。中心ATM交换机与4个二级交换机的传输速率为155Mbps。各楼内的站点通过5类双绞线与本楼内的二级交换机连接。中心节点通过多模光纤与公共网络互连，从而实现Internet的高速接入。

图4-21　ATM与以太网互连组网的一个例子

CoreBuilder 7000HD ATM交换机是专门为高密度ATM骨干网应用设计的主干网交换机，如图4-22所示。该交换机的主要特征是具有一个5.0Gbps主干网引擎，利用高密度8端口的接口卡，可提供多达32个非阻塞式OC-3c 155Mbps端口的容量。CoreBuilder 7000HD交换机带有一个增强型i960处理器，能够提供较快的信令速率、扩展的内存以及高性能的局域网仿真服务。每台CoreBuilder 7000可以提供16个局域网仿真服务器。这样，网络中的局域网仿真服务器和局域网仿真配置服务器（LES BΜS/LECS）均可进行冗余配置。因此比较适合于中大型以太网/ATM网中的ATM主干网，也能满足服务器区的安装要求。CoreBuilder 7000是机箱式结构，可根据需要灵活地插入模块接口卡，支持各种类型的网络连接，如用作局域连接或地区连接的OC-3c 155Mbps SONET/SDH多模或单模光纤模块或UTP模块、用作广域网连接的DS-3 45Mbps模块、10BASE-T或10BASE-FL以太网交换接口。交换机总端口最多达32个ATM端口，或最多48个交换式以太网端口和12个ATM端口，或最多144个交换式以太网端口和4个ATM端口交换机。每个ATM交换端口可支持4 096个虚连接（VPI/VCI）。交换机具有容错特性，带有共享负载的双电源系统、冗余交换引擎。

图4-22　3COM CoreBuilder7000HD ATM交换机

网络方案的3COM CoreBuilder™7000HD交换机配备了4个四端口的OC-3模块，总共16个端口，用于连接各种服务器和二级节点LinkSwitch 2700以太网/ATM交换机。将来主干网络需要扩展时可以增加CoreBuilder 7000交换机，并让它们直接互连，或者在现有的机箱中使用OC-12模块，提高主干网的带宽。这种配置提供了根据需要将设备连接到ATM管道上的灵活性，也为边缘设备提供了每个端口的以太网带宽。当用户需要更多的以太网通道连接网络站点时，只需增加LinkSwitch 2700就可以了。

二级节点采用3COM的LinkSwitch 2700ATM/以太网交换机，它提供了跨越大楼/园区主干网的虚拟连网能力，具有一个155MbpsATM端口和12个10BASE-T以太网端口，适用于工作组或部门LAN。LinkSwitch 2700通过3COM公司的ZipChipASIC所提供的基于信元的、每秒78万个信元速率的以太网交换，保证所有以太网端口在本地和跨越ATM主干时具有10Mbps速率。同时，LinkSwitch 2700的ATM端口能为本地和可折叠式主干网ATM连接提供一个OC-3c 155Mbps SONET/SDH接口，为广域网连接提供一个DS-3 45Mbps接口。