第二章 物理层（ATM教程）

一、ATM的物理层

ATM意即异步传输模式（asynchron ous transfer mode)。这种模式可以与同步T1线路做一对比。在T1线路中每125us都有一个T1帧生成，该速率由主时钟控制，每帧的第k时隙中有从相同源来的1字节数据。T1是同步的。而ATM不严格要求信元交替地从不同的源到来，每一列从各个源来的信元，没有特别的模式，信元可以从任意不同的源到来，而且，不要求从一台计算机来的信元流是连续的，数据信元可以有间隔，这些间隔由特殊的空闲信元（idle cell）填充。

ATM并不标准化传输的信元格式。实际上，它指出仅发送单个信元是可以的，并且指出信元可以被装入到T1，T3，SONET或FDDI（光纤LAN）线路上发送。对于以上的这些例子，有标准规定信元如何封装到这些系统提供的帧里。

在最初的ATM标准中，主速率为155.52Mb/s，另外还有一个4倍于它的速率（622.08Mb/s）。选择此速率是为了和SONET兼容，SONET是电话系统中用于光纤线路的分帧标准。基于T3（44.736Mb/s）和FDDI（100Mb/s）上的ATM也已出现。

ATM的传输介质常常是光纤，但是100m以内的同轴电缆或5类双绞线也是可以的。光纤可达数千米远。每个链路处于计算机和一个ATM交换机之间或两个ATM交换机之间。换句话说，ATM链路是点到点的（和LAN不一样，它在一条电缆上有许多发送方和接收方）。通过让信元从一条线路进入交换机并且从多条线路输出，可以获得广播效果。每条点到点链路是单向的。对于全双工操作需要两条链路，每个方向的流量占用一条。

ATM的物理层包括两个子层，即物理介质子层（PM）和传输会聚（TC）子层。其中物理介质子层提供比特传输能力，对比特定时和线路编码等方面作出了规定，并针对所采用的物理介质（如光纤、同轴电缆、双绞线等）定义其相应的特性；传输会聚子层的主要功能是实现比特流和信元流之间的转换。

对于输出，ATM层提供信元序列，PDM子层进行必要的编码，并且以比特流的方式发送它们。对于输入，PDM子层从网络中获得输入的比特，并且向TC子层提交一个比特流。信元的边界并没有标记出来，TC子层负责找出信元在何处开始和结束。但这不仅困难，而且在理论上行不通，因此TC层去掉了这一功能。因为TC层管理分帧，所以它属于数据链路功能，因此我们在第3章讨论它。

ITU-T和ATM论坛将物理接口分为三类，即基于SDH、基于信元和基于PDH。下面从不同的角度介绍：

传统的数字信令。

DS0	64kbit/s
DS1(T1)	1.544Mbit/s
DS2(T2)	6.312Mbit/s	(4 DS1,96 DS0)
DS3(T3)	44.736Mbit/s	(28 DS1,672 DS0)
DS4	274.176Mbit/s	(4032 DS0)

SONET的同步传送信令(STS)

STS-1(OC-1)	51.84Mbit/s
STS-3(OC-3)	155.52Mbit/s	(3STS-1)
STS-12(OC-12)	622.08Mbit/s	(12STS-1)
STS-24(OC-24)	1244.16Mbit/s	(24STS-1)
STS-48(OC-48)	2488.32Mbit/s	(48STS-1)

ANSI标准

STS-1	51.84Mbit/s
STS-3c	155.52Mbit/s
STS-12c	622.08Mbit/s
DS3	44.736Mbit/s

CCITT标准

DS1	1.544Mbit/s
E1	2.048Mbit/s
DS2	6.312Mbit/s
E2	8.448Mbit/s
E3	34.368Mbit/s
DS3	44.736Mbit/s
E4	139.264Mbit/s
STM-1	155.52Mbit/s（与STS-3相同）
STM-4	622.08Mbit/s（与STS-12相同）

1、ATM基本排队原理

ATM交换有两条根本点：信元交换和各虚连接间的统计复用。信元交换即将ATM信元通过各种形式的交换媒体，从一个VP/VC交换到另一个VP/VC上。统计复用表现在各虚连接的信元竞争传送信元的交换介质等交换资源，为解决信元对这些资源的竞争，必须对信元进行排队，在时间上将各信元分开，借用电路交换的思想，可以认为统计复用在交换中体现为时分交换，并通过排队机制实现。

排队机制是ATM交换中一个极为重要的内容，队列的溢出会引起信元丢失，信元排队有是交换时延和时延抖动的主要原因，因此排队机制对ATM交换机性能有着决定性的影响。基本排队机制有三种：输入排队、输出排队和中央排队。这三种方式各有缺点，如输入排队有信头阻塞，交换机的负荷达不到60%；输出排队存储器利用率低，平均队长要求长，而中央排队存储器速率要求高、存储器管理复杂。同时，三种方式有各有优点，输入队列对存储器速率要求低，中央排队效率高，输出队列则处于两者之间，所以在实际应用中并没有直接利用这三种方式，而是加以综合，采取了一些改进的措施。改进的方法主要有：

减少输入排队的队头阻塞。
采用带反压控制的输入输出排队方式。
带环回机制的排队方式。
共享输出排队方式。
在一条输出线上设置多个输出子队列，这些输出子队列在逻辑上作为一个单一的输出队列来操作。

2、ATM交换机构

为实现大容量的交换，也为了增加ATM交换机的可扩展性，往往构造小容量的基本交换单元，再将这些交换单元按一定的结构构造成ATM交换机构(Fabric)，对于ATM交换机构来说，研究的主要问题是各交换单元之间的传送介质结构及选路方法，以及如何降低竞争，减少阻塞。

ATM交换机构分类方法不一，有一种分法为：时分交换和空分交换，其中时分交换包括共享总线、共享环和共享存储器结构，空分交换包括全互连网和多级互连网。

3、ATM交换机

ATM信元交换机的通用模型如下图所示。它有一些输入线路和一些输出线路，通常在数量上相等（因为线路是双向的）。在每一周期从每一输入线路取得一个信元（如果有的话）。通过内部的交换结构（switching fabric），并且逐步在适当的输出线路上传送。从这一角度上来看，ATM交换机是同步的。

一个通用的ATM交换机

交换机可以是流水线的，即进入的信元可能过几个周期后才出现在输出线路上。信元实际上是异步到达输入线路的，因此有一个主时钟指明周期的开始。当时钟滴答时完全到达的任何信元都可以在该周期内交换。未完全到达的信元必须等到下一个周期。

信元通常以ATM速率到达，一般在150Mb/s左右，即大约超过360,000信元/s，这意味着交换机的周期大约为2.7um。一台商用交换机可能有16条~1,024条输入线路，即它必须能在每2.7um内接收和交换16个~1,024个信元。在622Mb/s的速率上，每700ns就有一批信元进入交换结构。由于信元是固定长度并且较小（53字节），这就可能制造出这样的交换机。若使用更长的可变长分组，高速交换会更复杂，这就是ATM使用短的、固定长度信元的原因。

4、ATM交换机的分类

各种ATM交换设备由于应用场合的不同，完成的功能也略有差异，主要区别有接口种类、交换容量、处理的信令这几方面。

在公用网中，有接入交换机、节点交换机和交叉连接设备。接入交换机在网络中的位置相当于电话网中的用户交换机，它位于ATM网络的边缘，将各种业务终端连入ATM网中。节点交换机的地位类似于现有电话网中的局用交换机，它完成VP/VC交换，要求交换容量较大，但接口类型比接入交换机简单，只有标准的ATM接口，主要是NNI接口，还有UNI接口或B-ICI接口，信令方面，只要求处理ATM信令。交叉连接设备与现有电话网中的交叉连接设备作用相似，它在主干网中完成VP交换，不需要进行信令处理，从而实现极高速率的交换。

在ATM专用网中，有专用网交换机、ATM局域网交换机。专用网交换机作用相当于公用网中的节点交换机，具有专用网的UNI和NNI接口，完成P-UNI和P-NNI的信令处理，有较强的管理和维护功能。ATM局域网交换机完成局域网业务的接入，ATM局域网交换机应具有局域网接口和ATM P-UNI接口，处理局域网的各层协议以及ATM信令。