1、1,交换网络,2,ATM 交换的基本原理,信元头翻译 信元被交换的同时，输入信头的值被翻译成输出信元头的值。,3,交换的基本功能是在任意的入线和出线之间建立连接。在交换系统中完成这一基本功能的部件就是交换网络，它是交换系统的核心。交换网络是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的。交换单元是构成交换网络的最基本的部件。交换网络有：空分、时分数字、模拟,1、交换网络的构成和分类,4,2.1 交换单元的基本概念,入线,出线,控制端,状态端,M X N的交换单元,0,0,1,1,M-1,N-1,5,入线,出线,0,0,1,1,4,4,2,3,2,3,同步时分复用信号的交换,两种信号的交换,
2、6,入线,出线,0,0,1,2,2,1,异步时分复用信号的交换,0,2,1,0,0,0,1,2,2,2,两种信号的交换,7,基本交换模块,基本交换模块的容量 规模：从 2x2 到 16x16 信息速率： 从 155Mbit/s、622Mbit/s 到 2.5Gbit/s 基本交换模块的容量（规模和信息速率）决定于： 采用的技术工艺、设计的集成化程度 基本交换模块的基本功能 排队功能 基本交换模块是一个统计复用器 在基本交换模块内部会出现竞争 多个信元需要同时使用相同资源（如内部线路、出线等） 在出现竞争时，需要对冲突的信元进行缓冲（排队） 若交换模块是内部完全无阻塞的，则不需要内部缓冲 为了解
3、决对相同出线的竞争，必须在基本模块内提供排队功能,8,排队策略,信元排队和缓冲是基本交换模块的基本功能 根据交换单元的结构和所需的信息速率，需要在交换单元的入线、出线或单元内部设计信元的缓冲队列 交换单元中可采用三种排队策略（根据缓冲器在交换单元中的物理位置划分）： 输入排队 输出排队 中央排队,9,输入排队,基本思想 在交换单元的输入端解决可能的竞争问题。 实现方式 为每一条入线配置一个缓冲队列，信元在队列中排队 在一个信元周期内，如果出现多个入线上的信元竞争同一的出线时，则由一个仲裁逻辑来决定哪些入线队列中的信元是允许通行的，而其他队列中的信元需要等待 经过仲裁后的信元不会再出现竞争,10
4、,输入排队模型,每条入线一个缓冲队列 信元在入线排队 交换传输媒体 是一个无阻塞的传输网络,仲裁逻辑 决定可以得到服务的入线 仲裁策略 轮流服务、具有优先级（固定优先级或队列长度优先等）,11,输入排队的缺点,在入线处的队列将需要更多的缓冲容量 存在队头阻塞（HOL） 在一个信元周期内，任一条出线都只能为一个信元提供输出服务，而选择该出线的其他信元必须在输入队列中等待 若一条入线上的队列的排头信元因竞争失败而阻塞，该队列中的所有后续信元也被迫阻塞，即使该队列中的后续信元所选择的出线当前是空闲的。 一个信元周期内，通过交换传输媒体传输的信元数 P 不超过交换单元的入线总数 N，即 P N。 在输
5、入排队模型中，仲裁逻辑是必须的 用于确定可以得到服务的入线,12,13,输出排队,基本思想 来自入线的信元可以自由通过交换传输媒体传送（交换）到所需的出线上，在出线上设置缓冲队列解决多信元对出线的竞争。 实现方法 在一个信元周期内，所有信元都可无需仲裁地从入线到达所需的出线 每条出线配置一个队列，以便缓冲同时到达的竞争该出线的多个信元 一个信元周期内，一条出线只能为一个信元服务，未服务的信元将暂存在该出线的输出队列中,14,输出排队模型,交换传输媒体 无阻塞的传输网络，信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑 每出线配置一个缓冲队列 信元在出线处排队，采用 FIFO 原则，保证信元的顺序,15,输出排队
6、的优缺点,设置在出线上的队列所需的缓冲空间较小 去往同一条出线的多个信元可以在同一个信元周期内交换到出线上，不存在队头阻塞 不需要仲裁逻辑 为保证没有信元丢失，在传输交换媒体中信元的传输交换的速率必须 N 倍于入线的速率 输出排队策略对缓冲器的访问速度要求很高 在一个信元周期内需要对队列缓冲器进行 N 次信元写操作和一次信元读操作。,16,基本思想 为了减少整个交换单元所需的总缓冲容量，在基本交换单元中设置一个共享的队列缓冲器，被所有的入线和出线所公用。 实现方法 在基本交换单元的中央设置一个队列缓冲器，被所有的入线和出线所共享 来自所有入线上的全部信元都直接存入中央队列 各出线从中央队列中查
7、找目的地为其自身的信元，依照先进先出的原则取出并发送,中央排队,17,中央排队模型,共享的中央队列被入线和出线所公用 交换传输媒体分为两部分 输入信元通过交换传输媒体 I 进入中央队列排队；再通过输入信元通过交换传输媒体 II 输出到出线。信元通过传输媒体时无需仲裁逻辑。,18,下图是一个交叉点缓冲方式（Crosspoint Buffer），即缓冲器设置在交叉点中，用在基于crossbar交换网络中。交叉点缓冲方式不存在HOL阻塞现象，其缓冲性能类似于输出缓冲方式，,但不存在加速因子，即对内部处理速度和存储器存储速率没有加速要求，但这种方式需要较多数量的存储器。,交叉点缓冲,19,中央排队的优
8、缺点,中央队列被所有入线和出线共享，提高了缓冲器的利用率，因此大大减少队列缓冲器的总容量 交换单元的控制管理复杂 出线必须能够通过某种查找机制，从中央队列中找出准备输出到出线的信元 必须保证中央缓冲器中的各逻辑队列具有先进先出的顺序 由于对中央缓冲器的信元读写是完全随机的，因此需要一套复杂的存储器管理系统,20,三种排队策略的性能分析,衡量排队策略性能的参数 信元丢失率 信元的排队时延 所需队列缓冲器的容量（实现参数） 研究性能的方法 在交换单元的输入线上，给定一种特定的业务类型和业务量负荷，来研究不同排队策略的性能。 进行排队策略的性能的手段 直观的分析 建立数学模型 计算机仿真的,21,该
9、图表示了一个带缓冲型banyan交换网络（Buffered Banyan），它是在交换单元（SE）内部设置缓冲。缓冲型banyan缓冲方式与交叉点缓冲方式不同，缓冲型banyan的缓冲器主要是用来存储在内部竞争中失败的信元，减少信元丢失率。当然缓冲器即使在交换单元（SE）内部，,也会有不同的配置方式（输入方式，输出方式，输入输出方式），图中就是一个由采用输入缓冲方式的SE构成的缓冲型banyan交换网络。,缓冲型banyan交换网络（输入缓冲方式）,22,邮局中的输入排队模型,一个邮局中有两个服务窗口邮局大门相当于一条入线两个服务窗口相当于两条出线 到达邮局的顾客都邮局门口排在一个队列中 相当
10、于输入队列 队列按照先进先出原则服务 队头的顾客被阻塞（等待）会导致队中的其他顾客也得不到服务,23,邮局中的输出排队模型,到达的顾客都直接进入邮局，并根据自己的目的选择排在一个服务窗口的队列中 顾客的选择相当于交换过程 窗口队列相当于输出队列 服务窗口的利用率得到提高 顾客排队的等待时间减少了 各服务窗口的队列相互独立，在一个队列中等待的顾客不会影响其他服务队列中的顾客。,24,邮局中的中央排队模型,输出排队要求每个服务窗口队列有足够的队列座位 相当于最坏情况下的队列长度 为减少邮局中的座位总数, 所有服务窗口共享一个队列 相当于在中央排队 可以减少总的队列缓冲容量 智能服务员在服务窗口空闲
11、时，从队列中找出下一个需要被服务的顾客 服务员的功能对应于一个复杂的控制逻辑,25,三种排队策略的直观分析,平均等待时间 对相同的外部业务负荷，输入排队的平均等待时间比其他两种排队策略更长 队列缓冲器需求 输入排队需要最大 中央排队需要最少 信元丢失率 在队列缓冲容量相同的情况下，输入排队信元丢失率明显高于输出排队和中央排队,26,三种策略的实现参数的比较,27,3、交换网络,交换网络是由若干个交换单元按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络。 交换网络的三个基本要素是：交换单元、不同交换单元间的拓扑连接和控制方式。,28,交换网络的一般结构,控制单元,出线,入线,交换单元,交换单元,交换单元,
12、交换单元,交换网络,29,单级交换网络和多级交换网络,交换网络按拓扑连接方式可分为：单级交换网络多级交换网络,出线,0,N-1,入线,0,M-1,单级交换网络,交换单元,30,混合式互换网络,31,多级交换网络的拓扑结构可用三个参数来说明：每个交换单元的容量交换单元的级数交换单元间的连接通路（链路）,多级交换网络,32,多级交换网络(nm x nm两级交换网络),O,1,n-1,O,1,n-1,O,1,n-1,O,1,m-1,O,1,m-1,O,1,m-1,O,O,1,1,m-1,n-1,1级,2级,33,多级互连网的内部竞争,在网络边缘，信元会因竞争输出线而发生丢失 MIN 内部对内部资源的
13、竞争也会造成信元丢失，即内部阻塞,34,多级交换网络的内部阻塞,若出、入线空闲，但因交换网络级间链路被占用而无法接通的现象，称为多级交换网络的内部阻塞。 严格无阻塞网络：不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建立起来的连接。,35,可重排无阻塞网络：不管网络处于何种状态，任何时刻都可以在交换网络中直接或对已有的连接重选路由来建立一个连接，只要这个连接的起点、终点是空闲的，而不会影响网络中已建立起来的连接。 广义无阻塞网络：指一个给定的网络存在着固有的阻塞可能，但又可能存在着一种精巧的选路方法，使得所有的阻塞均可避免，而
14、不必重新安排网络中已建立起来的连接。,多级交换网络的内部阻塞,36,1,3,4,2,1,3,4,2,C1,C1,cc2,cc2,可重排无阻塞网络,37,采用反压机制的无阻塞 MIN,各交换单元的输入具有缓冲器，存储竞争失败的信元 内部控制机制监视缓冲器的充满程度，当缓冲器快充满时，向上游交换单元发送反压控制，防止队列溢出 内部链路速率需高于外部，保证在入线处无信元丢失,38,ATM交换机构和交换系统,39,ATM交换系统举例 ATM交换系统是由话路子系统和控制子系统组成，其中话路子系统由输入和输出侧接口以及交换网络组成，该ATM交换系统的交换网络采用了Sunshine交换结构，如图所示。,一个
15、ATM交换系统实例,40,3.1 CLOS网络,为了减少交叉点总数而同时具有严格的无阻塞特性，CLOS C.很早就提出一种多级结构，推出了严格无阻塞的条件，这就是著名的CLOS网络。,1,n,1,n,1,n,1,n,1,1,m,1,r,1,1,r,m,m,m,m,1,1,1,1,1,1,1,1,r,r,r,r,3级CLOS网络,41,在最坏情况下，中间级会有（n-1）X 2个交换单元被占用，因此中间级至少要有（n-1）X 2+1=2n-1个交换单元，即m2n-1时，可确保无阻塞（严格无阻塞）。,CLOS网络,42,3.3 BANYAN 网络,Banyan 网络的基本结构 Banyan 网络的基
16、本特性 BATCHER-BANYAN网络 基于banyan的多通路结构 Benes网络,43,banyan网络可分为一些子类，L级banyan是其中的一类，其特征是只有相邻级之间才有链路相连，即任何输入到任何输出之间的通路都经过L级。 L级banyan网络又可分为规则banyan和不规则banyan。规则banyan是指构成banyan网络的各个交换单元都是等同的，而不规则banyan则不然。 如果规则banyan中的各个交换单元不仅是等同的，而且每个交换单元的入线数等于出线数，则称此规则banyan为矩形banyan。,1、Banyan 网络的基本结构,44,通常将由2 X 2的交换单元构成
17、的单通路网络称为banyan网络。banyan网络是基于树型的拓扑结构，但每一个交换单元却是基于crossbar的结构。 2 X 2的交换单元也具有bar和cross两种状态。,1、Banyan 网络的基本结构,45,01,23,45,67,01,2 3,4 5,67,8 x 8的3级banyan网络,46,树型结构特性：从banyan的任一输入端口引出的一组通路形成了2分支树，级数越多，分支越多，级数k=2N，N=总入线数/出线数，即2k=N。 单通路特性：banyan的任一入端到任一出端之间，具有1条且仅有一条通路。 自选路由特性：自选路由，即是给定出线地址，不用外加控制命令，就可选到出线
18、。可以使用对应于出端号的二进制码的选路标签来自动选路。,2、Banyan 网络的基本特性,47,01,23,45,67,01,2(010) 3(011),4(100) 5(101),67,8 x 8的3级banyan网络,1,0,1,1,0,(011),(010),(100),(101),Banyan网络的自选路由特性,48,全部8条通往出线3上的路径，每条路径上三个交换单元的出线号码都分别是0、1、1，组合起来的二进制数字011正是BANYAN网络的出线号码3。,49,可扩展性：banyan的构成具有一定的规律，可以采用有规则的扩展方法将较小容量的banyan扩展成较大规模。已有N X N的
19、BANYAN网络，需构成2N X 2N的BANYAN网络，则可用2组N X N，再加上一组N个2X2交换单元构成。第一组的N X N的N条出线分别与N个2X2交换单元的某一入线相连，第二组的N X N的N条出线分别与N个2X2交换单元的另一入线相连。 内部竟争性：banyan是具有内部竞争的有阻塞网络。,2、Banyan 网络的基本特性,50,16X16BANYAN交换网络的构成,Banyan网络的可扩展性,51,Banyan网络的可扩展性,52,1）内部阻塞是在2X2交换单元的两条入线要向同一个出线上发送信元时产生的，最坏情况下概率为50%，若减少入线上的信息量，就可减少阻塞的概率，故可通过
20、适当限制入线上的信息量或加大缓冲存储器来减少内部阻塞。 2）可以通过增加多级交换网络的级数来消除内部阻塞。已有证明，若要完全消除N X N的banyan网络的内部阻塞，至少需要22N-1级。 3）可以增加banyan网的平面树，构成多通道交换网络。 4）使用排序-banyan网络。,解决内部阻塞的方法,53,01,23,45,67,01,2(010) 3(011),4(100) 5(101),67,8 x 8的3级banyan网络,1,0,1,1,0,(011),(010),(100),(101),Banyan网络的自选路由特性,54,该网络也简称为B-B网，是由BATCHER排序网和BANY
21、AN网组成，它成功地避免了BANYAN网络的内部阻塞，这是目前ATM交换机使用较多的一种网络。 BATCHER排序网是由2X2的比较器（BATCHER比较器）构成的。,x,y,min(x,y),max(x,y),x,y,min(x,y),max(x,y),3、BATCHER-BANYAN网络,55,Batcher Sorting Network,Batcher Sorting Network 由22的排序单元构成，这种排序单元比较两条入线上信元的目的地址。每一级的排序操作由箭头指示，箭头总是指向地址大的入线经排序后应去往的出线。如果在两条入线上仅出现单个信元，它将作为小地址处理，因而被送到非箭
22、头所指的出线上。整个Batcher Sorting Network由一系列的”升/降序器”组成，这些排序器接受上升和下降序列并输出一个排列好的（单调）序列。在8*8 B-B拓朴结构图中第一级上的两组、每组含两个相反方向排序器的输出分别被二、三级上的两个4线排序单元合并及排序（两单元的排序方式正好相反），然后送到第四、五、六级上的8线排序器再进行排序。最后在Batcher Sorting Network的输出所有的信元都被排好序，但此时的信元还没有到达最终的目的地。,56,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,混洗 交换,Batcher
23、网,Banyan 网,57,为了减少或消除banyan的内部阻塞，提高吞吐率，除了构成B-B网络之外，还可以构成基于banyan的的各种多通路网络。 （1）增长型banyan增长型banyan就是前面加上分配级，以扩大每个入端的选择范围，从而形成多通路网络。每增加1级，每个入端与每个出端之间的通路数就增加1倍。前置分配级还可以使业务流均衡地进入banyan的入端，减少banyan对流入的业务流模型的敏感性。,4、基于BANYAN的多通路结构,58,01,23,45,67,01,2 3,4 5,67,增长型banyan,增长型BANYAN,59,（2）扩展型banyan考察banyan中的交换单
24、元，对应于每个交换单元输出地址有1条链路，如果使每个输出地址有d条链路，也就是可以任意选择d条中的1条，就称为扩展型banyan。在扩展型banyan网中，22的交换单元变成了2d2d的交换单元。但输出地址并非2d个，而仍然是2个，只要用1个比特来区别。于是在任何时刻，最多可有d个信息单元传送到交换单元的每个输出；如果对应于同一输出地址同时有多于d个的信元到达，只能传送其中的d个。,4、基于BANYAN的多通路结构,60,01,2 3,4 5,67,01,23,45,67,扩展型banyan,扩展型BANYAN,61,（3）膨胀型banyan膨胀型banyan是膨胀度d在各级可以变化的扩展型b
25、anyan。 （4）复份型banyan复份型banyan是将若干个相同的banyan并接在一起，形成多平面的网络结构。从复份型banyan的每个输入端进入的信息单元，可以随机地选择某个平面，也可以按负荷均分原则分配到各个平面，还可以广播到所有的平面。,4、基于BANYAN的多通路结构,62,01,2 3,4 5,67,01,23,45,67,膨胀型banyan,d=2,d=3,d=4,膨胀型BANYAN,63,Banyan 1,Banyan 2,Banyan r,1,2,n,1,2,n,复份型banyan,复份型BANYAN,64,benes网络是著名的多通路网络，具有再配置无阻塞的特点。可以
26、看出，Benes网络实际上相当于两个banyan（banyan与反转banyan）的背对背相连，并将中间相邻两级合并为1级。由于每个banyan有log2 N级，因此Benes网络共有2log2 N-1级。benes网络的构成也有一定的规律。使用2X2交换单元的N X N benes网络的构成方法为：两侧各有N/2个2X2交换单元，中间为两个N/2 X N/2的子网络，每个交换单元以一条链路连到每个子网络；再将中间子网络按上述方法继续分解，直到中间子网络就是2X2交换单元为止。,4、BENES网络,65,01,23,45,67,01,2 3,4 5,67,8 X 8 benes网络,8 X8
27、BENES 网络,66,01,23,45,67,01,2 3,4 5,67,benes网络构成方法,N/2 X N/2,N/2 X N/2,BENES 网络构成方法,67,多级互连网的路由标签,信元在 MIN 中从入线到出线所走过的路由可以用一串数字来表示，即称为路由标签,68,交换网络（MIN）中的路由,MIN 需要解决的关键性问题 路由选择 可以根据两个标准来划分 MIN 中的选路方法 根据路由信息安放的位置 根据完成选路决策的时间 根据路由信息安放的位置 基于信元：信元自寻路（self-routing）方式 基于网络：路由表控制（routing table controlled）方式 根
28、据完成选路决策的时间 基于连接：内部面向连接，路由在连接建立时确定 基于信元：每个信元逐个进行路由选择,69,自寻路方式的路由选择,70,路由表控制的路由选择,71,根据路由信息位置的选路划分,基于信元的自寻路方式 路由信息存放在路由标签中，添加到每一个信元的前头 路由标签包含 MIN 中各级的路由信息，并逐级被解析 需在交换机构边缘设置存储器，以向各信元添加路由标签 该方法增加了网络内部的带宽开销 实现组播比较困难 基于网络的路由表控制方式 在网络内部的每一级提供逐级的路由标记（VPI/VCI）的翻译功能（针对 VPI/VCI） ，或者也可采用全局路由控制表 在各交换单元中或在整个 MIN
29、中，需要设置存储器来存放路由信息 不增加网络内部的带宽开销，且易于实现广播和组播,72,ATM交换系统举例,一个ATM交换系统实例,从图中可知，Sunshine交换结构具有k个并行的banyan平面，在一个时隙内最多可以允许k个信元交换到输出端口。如果在一个时隙内有多于k个信元要交换到输出端口，经选择后多出的信元，则会进入环回缓冲，经时延调整，与输入端新输入的信元同步出现。,信元在经过第1级Batcher网络排序后，在输出端按目的地址的升序排列，然后进入陷阱网络。陷阱网络是用来解决出线竞争的，为此要比较第1级Batcher网络出线上信元的目的地址，如果目的地址相同则要将出线i的信元标记为环回。,为此信元要再经过第3级的Batcher网络的排序，一是分离出送往banyan网络进行交换的信元和环回的信元，二是使要进入banyan网络的信元按序且紧密排列地出现在其入线上。选择器则按照信元控制头的不同标记将这两组信元分别送往多平面banyan网络和环回缓冲通路。,进入交换网络的信元经过IPC后，信元入VPI/VCI被修改为出VPI/VCI，并且被加上了控制头，控制头包括选路字段与优先级字段，其中选路字段表明目的出端，用于banyan网络的选路；优先级字段用来存储信元交换的优先级，当发生资源竞争时，优先级较高的信元优先被交换。环回次数越多的信元，其优先级越高，以防止经环回后出现的失序。,
