C
城域网简介
城域网，即CAN（City Area Network），是在整个城市内建设的大型网络。城域网的最大特点是快，而且非常地快！一般情况下，用Modem接入最快速度56Kbps，用ISDN接入最快速度128Kbps（2B+D），用ADSL接入最快速度800Kbps上行、8Mbps下行。企业用DDN接入虽然可以租到几十Mbps的带宽，但真正分到个人的带宽却太少了。可是在城域网内，每人最低也能分到20Mbps的带宽且是永久性接入。什么，不够快？还不如100M的以太网（Ethernet）快？那是当然，不过这可是在整个城市里甚至在全国进行通信的速度，还不够快吗？
下面谈谈城域网的架设。
城域网的架设方法多种多样，目前中国有6座试点城市，他们的架设方法大致相同。城域网是要代替现有速度较慢的PSTN网（就是现在的电话网）作为新的媒介来接入因特网。城域网是在城市内用光纤连接用户和节点的，城市与城市之间也是用光纤来连接，等于整个网是个光纤网，速度自然快。至于连接到国外的速度嘛，如果出口带宽不变的情况下，速度应该会快一点。
目前城域网是个ATM网。ATM（异步传输模式）交换采用异步时分复用技术，用户数据被组合成固定长度的分组，称为信元，并在ATM网中分时传送。ATM交换支持不同的传输媒体，如：双绞线、同轴电缆、单模/多模光纤，并提供不同的传输速率。可以组建不同规模的网络，如：局域网（LAN）和广域网（WAN），同时支持数据、数字化语音/图像的传输。ATM以信元为单位，并在信元中增加了可丢弃标识和优先级，且支持带宽预约，确保具有实时性要求的数据可以得到优先传送。同时ATM交换机简化差错控制和流控制的功能，使用具有时分交换结构和多级矩阵交换结构的硬件进行信息的存储和转发，减少节点处理延时，使得传输速率可以达到1Gbps。
光纤是城域网的骨架。光纤是由一组光导纤维组成的用来传播光束的、细小而柔韧的传输介质。光纤可分为传输点模数类和折射率分布类两种。传输点模数类又分为单模光纤和多模光纤两类。单模光纤传输速度快、容量大；多模光纤传输速度较慢、容量较小。折射率分布类又分为跳变式光纤和渐变式光纤两类。跳变光纤的折射率为常数；渐变式光纤折射率随光纤的半径增大而减小。与其他传输介质相比较，光纤的电磁绝缘性好，信号衰变小，频带较宽，传输距离远。光纤通信实际是应用光学原理，由光发送机产生光源，将电信号转变为光信号，再把光信号导入光纤，在光纤的另一端由光接收机接收光纤传过来的光信号，并将它转变为电信号，经过解码后再处理。光纤通信系统中起主导作用的是光源、光纤、光发送机和光接收机。从原理上来讲，一条光纤不能进行信息的双向传输，如需进行双向通信时，需使用两条或双股光纤，一条用于发送信息，另一条用于接收信息。由于光纤是用纯度极高的二氧化硅制成，所以成本比起双绞线、同轴电缆要高得多。因而怎样在带宽不变的情况下尽量减少光纤的条数以节省成本便成为十分重要的问题。为此，现在城域网正在偿试引用密集波分复用技术（DWDM）。
密集波分复用技术（DWDM）是一种新型的光技术，一般用于ATM骨干网，它能有效地增加现有光纤骨干网的容量和性能，并且成本低廉。
大部分现有的ATM骨干网都工作在2.5Gbps或其以下的光纤链路。波分复用（WDM）是一种增强光纤传递信息能力的技术，它在同一根光纤上以不同的波长（或色彩）同时传递多个信号。事实上，波分复用将一根单纤转换为多条“虚拟”纤，每条虚拟纤独立工作在不同的波长上。拥有多于一小组信道（2个或3个）的系统称为密集WDM（DWDM）系统。几乎所有DWDM系统均工作在1550nm的低衰耗波长区间。现在ATM骨干网带宽可以达到400Gbps，每个信道10Gbps。减少光纤条数以节省成本变显得尤为重要。
如何使光纤跑到10Gbps呢？有3种方案：
空分复用技术成本太高，显然不适用。
时分复用技术（TDM）称为“较高比特率”方式，要求信号以电的方式进行复用，然后将信号复用至一个新的更高比特率进行传输。
时分复用技术有4个缺点：
第一，全盘升级至新的更高速率，网络接口必须用4倍于其容量的单元替换。对日后升级带来不便。
第二，随着比特率的增加，信号失真（由于色散和光纤的非线性）成为传输距离上的一个限制因素。导致信号脉冲“污染”的色散效应在10Gbps标准单模光纤上比在2.5Gbps标准单模光纤上大几倍。
第三，电子器件目前最高传输速率为10Gbps，而光纤的容量高于此速率几个数量级。
第四，操作和维护费用都非常昂贵。
相比之下密集波分复用技术不需要全盘升级，且2.5Gbps色散限制通常在1000公里范围，而10Gbps色散限制为200公里。因此密集波分复用技术比时分复用技术传得更远。目前密集波分复用技术允许在一根光纤上传递40多个信道，每个信道速率高于100Gbps。
总而言之，密集波分复用技术提供的优势包括：
1．通过将每根光纤转换为多路虚拟纤，最大限度地减少光纤的使用量。
2．与等价容量的单激光器解决方案相比，能扩展非再生距离限制。
3．通过递增式服务中，容量升级和缩短支配时间，提供更大的伸缩性。
4．在一根光纤上从一个单信道扩展为40多个信道。
5．此外密集波分复用技术是目前唯一一种能够在一根光纤上传递10Gbps以上带宽的商用技术。
6．DWDM系统对比特率和在其上运行的协议的变化透明。
综上所述，用ATM网，并在骨干网上使用密集波分复用技术是架城域网的最佳方案。
如果说以前的拨号上网像牛拉车一样慢，那么城域网便真的可以让我们在网上飞起来，感受高速带来的种种便利，让我们期待城域网的普及吧。
罗克韦尔自动化网络---以太网（EntherNet）
以太网连接数据高速公路、DH485、RIO和厂区通信网络，执行TCP/IP协议。它利用罗克韦尔和微软公司的成熟技术和数据库实现系统信息的集成。
在信息层已经组成可以通过以太网TCP/IP协议连通PLC-5可编程序控制器、网关、人机接口和软件至信息系统。
ISDN即综合业务数字网，目前中国电信推出的“一线通”业务是窄带综合业务数字网（N-ISDN），该网可以把各种电信业务（电话、电报、传真、数据图象等）综合在同一个网内处理并传输，并可在不同的业务终端之间实现互通。用户只要用 一个电话端口即可实现电话、传真与图象的同时传送。用户可以经过一根电话线 ，一边在因特网（INTERNET）上漫游，一边打电话，或者一边发传真，因此被称“一线通”，使用64kb/s至128kb/s的带宽电路还可以为您提供多媒体业务。并且，用户终端的设备十分便宜。现在，ISDN网上已开发了多种类型的业务。真正实现了“一线多能 万事皆通”。
ISDN的特点：
高速：上网速度64KB/s-128KB/s,更快于modem；
多能：通过一条普通用户线，连接8个相同或不同的终端；允许2个终端同时通信：边上网边打电话，两部电话同时使用，边上网边发传真；还可实现语音数据传真桌面会议局域互联网租用专线的备分等；
“一线通”业务应用
一线二用：可以实现一条普通电话线上连接的两部终端同时使用，可边上网边打电话，边上网边发传真，或者两部计算机同时上网，两部电话同时通话。
高速上网：支持64k-128k的速率接入中国计算机互联网CHINANET和中国公众多媒体通信网CNINFO(实际接入速率与网络状况有关)。
“一线通”业务还可提供桌面会议电视系统、租用数据专线备份、局域网互联等应用。并能确保数据传输的准确、畅通和安全。具有低价、高速、实时，方便的特点。此外还可提供多用户号码，用户子地址，主叫线识别提供，主叫线识别限制，被叫线识别提供，被叫线识别限制，呼叫转移等补充业务。
用户/网络接口
ISDN采用两种标准的用户/网络接口，即基本速率接口（BRI）和基群速率接口（PRI）。
1.基本速率接口：是把现有电话网的普通用户作为“一线通”用户线而规定的接口，即2B+D接口，B信道为64kbit/s。
2.基群速率接口：主要面向会议电视等高速通信业务，为企业用户或集团用户提供服务的接口可提供速率为2.048Mbit/s或1.544Mbit/s的通信如30B+D接口，B信道为64kbit/s,D信道为64kbit/s。
ATM基本原理
目 录
ATM技术概述
1.1引言
在现代社会中,人们需要传递和处理的信息量越来越大,信息的种类也越来越多,其中对会议电视,高速数据传输,远程教学,VOD等宽带新业务的需求正迅速增长.原来的各种网络都只能传输一种业务,如电话网只能提供电话业务,数据通信网只能提供数据通信业务.这种情况对于用户和网络运营者来说都是不方便和不经济的,人们因此提出了ISDN(Integrated Services Digital Network)的概念,希望能够用一种网络来传送各种业务.
ISDN的概念是于1972年提出的,由于当时的技术和业务需求的限制,首先提出的是窄带ISDN(N-ISDN).目前N-ISDN技术已经非常成熟,世界上已经有了许多比较成熟的N-ISDN网.但是由于N-ISDN存在着带宽有限,业务综合能力有限,中继网种类繁多,对新业务的适应性差等局限性, 要求人们提出有更大的灵活性,更宽的带宽,更强的业务综合能力的新网络.自80年代以来,一些与通信相关的基础技术,如微电子,光电子技术等的发展和光纤的传输距离和传输容量的提高,为新网络的实现提供了基础.
就是在这种环境下,出现了宽带ISDN(B-ISDN).B-ISDN能够满足:①提供高速传输业务的能力.②网络设备与业务特性无关.③信息的转移方式与业务种类无关.为了研究开发适应B-ISDN的传输模式,人们提出了很多种解决方案,如多速率电路交换,帧中继,快速分组交换等.最后得到了一个最适合B-ISDN的传输模式——ATM(Asynchronous Transfer Mode).
ATM技术作为B-ISDN的核心技术,已经由ITU-T于1992年规定为B-ISDN统一的信息转移模式.ATM技术克服了电路模式和分组模式的技术局限性,采用光通信技术,提高了传输质量,同时,在网络节点上简化操作,使网络时延减小,而且采取了一系列其它技术,从而达到了B-ISDN的要求.
1.2 ATM信元(Cell)
ATM信元是ATM传送信息的基本载体.ATM信元采用了固定长度的信元格式,只有53字节,其中5个字节为信头,其余的48个字节为信元净荷.信元的主要功能为确定虚通道,并完成相应的路由控制.
ATM信元的格式如图1-1所示:
图1-1 ATM信元
信头内容在UNI(用户网络接口)和NNI(网络节点接口)略有区别,主要由以下几部分构成:
GFC:一般流量控制,4比特.只用于UNI接口,目前置为"0000"将来可能用于流量控制.
VPI:虚通道标识,其中NNI为12比特,UNI为8比特.
VCI:虚通路标识,16比特,标识虚通道内的虚通路,VCI与VPI组合起来标识一个虚连接.
PTI:净荷类型指示,3比特,用来指示信元类型,如表1所示.
表1 净负荷类型
编码
意义
000
用户数据信元无拥塞 SDU类型=0
001
用户数据信元无拥塞 SDU类型=1
010
用户数据信元 拥塞 SDU类型=0
011
用户数据信元 拥塞 SDU类型=1
100
分段OAM信息流相关信元
101
端到端OAM信息流相关信元
110
RM信元 资源管理用
111
保留
CLP:信元丢失优先级,1比特.用于信元丢失级别的区别,CLP是1,表示该信元为低优先级,是0则为高优先级,当传输超限时,首先丢弃的是低优先级信元.
HEC:信头差错控制,8比特,监测出有错误的信头,可以纠正信头中1比特的错误.HEC还被用于信元定界.
下面附上UNI信元信头预赋值(表2)和NNI信元信头预赋值(表3),信元信头预赋值用于区别ATM层使用的信元和物理层使用的信元.
表2 UNI ATM信元信头预赋值
八位组1
八位组2
八位组3
八位组4
用法
GFC
VPI
VCI
PT
CLP
0
0
0
0
1
空闲信元
0
0
0
100
1
物理层OAM信元
P
0
0
PPP
1
预留给物理层
GFC
0
0
XXX
0
无赋值信元
Y
0
XXX
0/1
无效信元
×
0
0001
0AA
C
无信令
×
0
0010
0AA
C
广播信令
×
0
0101
0AA
C
点到点信令
×
0
0011
0A0
A
段OAM F4
×
0
0100
0A0
A
端到端OAM F4
×
0
0110
110
A
VP资源管理
×
0
0111
0AA
A
保留VP未来功能
×
0
1SSS
0AA
A
保留未来功能
×
000000000001
SSSS
0AA
A
保留未来功能
×
Z
100
A
段OAM F5
×
Z
101
A
端到端OAM F5
×
Z
110
A
VC资源管理
×
Z
111
A
保留VC未来功能
注: P 留给物理层使用 X 任意值 X=0时为本地
A 由ATM层使用 Y 除0外任意值
C 始端为0,可由网络改变 S(SSS) 0(000)-1(111)任意值
Z 除0,011,0100,0110,0111外的任意值
表3 NNI ATM信元信头预赋值
八位组1
八位组2
八位组3
八位组4
用法
VPI
VCI
PTI
CLP
0
0
0
1
空闲信元
0
0
100
1
物理层OAM信元
0
0
PPP
1
预留给物理层
0
0
X
0
无赋值信元
Y
0
X
0/1
无效信元
X
0
0101
0AA
C
NNI信令
X
0
0011
0A0
C
段OAM F4信元
X
0
0100
0A0
C
端到端OAM F4
X
0
0110
110
A
VP资源管理
X
0
0111
0AA
A
保留VP未来功能
X
0
1SSS
0AA
A
保留未来功能
X
000000000001
SSSS
0AA
A
保留未来功能
X
Y
100
A
段OAM F5信元
X
Y
101
A
端到端OAM F5
X
Z
110
A
VC资源管理
X
Y
111
A
保留VC未来功能
注: P 留给物理层使用 X 任意值X=0时为本地
A 由ATM层使用 Y 除0外的任意值
C 始端为0,由网络改变 Z 除0,0110外的任意值
S(SSS) 0(000)-1(111)的任意值
ATM信元中信头的功能比分组交换中分组头的功能大大简化了,不需要进行逐链路的差错控制.只进行端到端的差错控制,HEC只负责信头的差错控制,另外只用VPI,VCI标识一个连接,不需要源地址,目的地址和包序号,信元顺序由网络保证.
1.3 B-ISDN参考模型
B-ISDN的协议参考模型如图1-2所示.它包括一个用户平面,一个控制平面和一个管理平面.用户平面主要提供用户信息流的传输,以及相应的控制 ( 如流量控制,差错控制 ) .控制平面主要是完成呼叫控制和连接控制的功能,通过处理信令来建立,管理和释放呼叫与连接.管理平面提供两种功能,即层管理和面管理功能.面管理完成与整个系统相关的管理功能,并提供所有平面间的协调功能.层管理完成与协议实体内的资源和参数相关的管理功能,处理与特定的层相关的操作和管理(OAM)信息流.
图1-2 B-ISDN协议参考模型
用户平面又分为物理层,ATM层,AAL层及高层,其各层间的数据传输如图1-3所示.下面介绍各层功能.
1.3.1 物理层
物理层是承运信息流的载体,物理层有传输会聚TC和物理媒体连接两个子层.
传输会聚TC子层
TC子层负责将ATM信元嵌入正在使用的传输媒体的传输帧中,或相反从传输媒体的传输帧中提取有效的ATM层信元.ATM层信元嵌入传输帧的过程如下:ATM信元解调(缓存)信头差错控制HEC产生信元定界传输帧适配传输帧生成.从传输帧中提取有效ATM
图1-3 ATM网络协议分层之间的数据传输
层信元的过程如下:传输帧接收传输帧适配信元定界信头差错控制HEC检验ATM信元排队.传输会聚TC子层的主要功能是信元定界和信头差错控制HEC.
(2)物理媒体主要由ITU-T和ATM F建议的规范执行,共有以下类型的连接:
基于直接信元传输的连接
基于PDH网传输的连接
基于SDH网传输的连接
直接信元光纤传输
UTOPIA接口(通用测试和运行物理接口)
管理和监控信息流OAM传输接口
1.3.2 ATM层
ATM层利用物理层提供的信元(53字节)传送功能,向外部提供传送ATM业务数据单元(48字节)的功能.ATM业务数据部分(ATM-SDU)是任意的48字节长的数据段,它在ATM层中成为ATM信元的负载区部分.如图1-3所示.
1.3.3 AAL层
AAL层的主要作用是将高层的用户信息分段装配成信元,吸收信元延时抖动和信元丢失,并进行流量控制和差错控制.网络只提供到ATM层为止的功能.AAL层的功能由用户本身提供,或由网络与外部的接口提供.
AAL用于增强ATM层的能力,以适合各种特定业务的需要.这些业务可能是用户业务,也可能是控制平面和管理平面所需的功能业务.在ATM层上传送的业务可能有很多种,但根据三个基本参数来划分,可分为四类业务.三个参数是:源和目的之间的定时要求,比特率要求和连接方式.业务类划分为A,B,C,D四类.
A 类 : 固定比特率(CBR)业务:ATM适配层1(AAL1),支持面向连接的业务,其比特率固定,常见业务为64Kbit/s话音业务,固定码率非压缩的视频通信及专用数据网的租用电路.
B类: 可变比特率(VBR)业务:ATM适配层2(AAL2).支持面向连接的业务, 其 比特率是可变的.常见业务为压缩的分组语音通信和压缩的视频传输.该业务具有传递介面延迟物性, 其原因是接收器需要重新组装原来的非压缩语音和视频信息.
C类: 面向连接的数据服务:AAL3/4.该业务为面向连接的业务,适用于文件传递和数据网业务,其连接是在数据被传送以前建立的.它是可变比特率的,但是没是介面传递延迟.
D 类:无连接数据业务:常见业务为数据报业务和数据网业务. 在传递数据前, 其连接不会建立.AAL3/4或AAL5均支持此业务.
参数,业务类别和相应的AAL适配类型可由图1-4所示.
业务
参数
A类
B类
C类
D类
源和目的定时
需要
不需要
比特率
固定
可变
连接方式
面向连接
无连接
AAL类型
AAL 1
AAL 2
AAL 3
AAL 4
AAL 5
用户业务举例
电路仿真
运动图象视频声频
面向连接数据传输
无连接数据传输
服务质量
QoS1
QoS2
QoS3
QoS4
注:
AAL1:恒定比特率实时业务适配协议 AAL2:可变比特率实时业务适配协议
AAL3/4:数据业务传送适配协议 AAL5:高效数据业务传送适配协议
图1-4 业务分类,AAL类型和服务质量
各种ATM服务类型的特性比较如表4所示.
表4 ATM服务类型的特性比较
服务特性
CBR
rt-VBR
nrt-VBR
ABR
UBR
带宽保证
是
是
是
可选
不
适用于实时通信
是
是
不
不
不
适用于突发通信
不
不
是
是
是
有关于拥塞的反馈
不
不
不
是
不
根据ATM层传送业务量的要求,ITU-T和ATMF按业务要求的比特率各自提出了业务的分类.相互关系可参见图1-5.
图1-5 ATM层承载业务分类方式
恒定比特率CBR(constant bit rate)主要用来模仿铜线或者光导纤维.没有差错校验,没有流量控制,也没有其余的处理.这个类别在当前的电话系统和将来的B-ISDN系统中作了一个比较圆滑的过渡,因为话音级的PCM通道,T1电路以及其余的电话系统都使用恒定速率的同步数据传输.
可变比特率VBR(variable bit rate)被划分为两个子组别,分别是为实时传输和非实时传输而设立的.RT-VBR主要用来描述具有可变数据流并且要求严格实时的服务,比如交互式的压缩视频(例如电视会议).NRT-VBR用于主要是定时发送的通信场合,在这种场合下,一定数量的延迟及其变化是可以被应用程序所忍受的,如电子邮件.
可用比特率ABR(available bit rate)术语是为带宽范围已大体知道的突发性信息传输而设计的.ABR是唯一一种网络会向发送者提供速度反馈的服务类型.当网络中拥塞发生时会要求发送者减小发送速率.假设发送者遵守这些请求,采用ABR通信的信元丢失就会很低.运行着的ABR有点象等待机会的机动旅客:如果有空余的座位(空间),机动的旅客就会无延迟地被送到空余座位处;如果没有足够的容量,他们就必须等待(除非有些最低带宽是可用的).
未指定比特率UBR(unspecified bit rate)不做任何承诺,对拥塞也没有反馈,这种类型很适合于发送IP数据报.如果发生拥塞,UBR信元也会被丢弃,但是并不给发送者发送反馈,也不给发送者希望放慢速度的期望.
以上各层的功能与协议参考模型的关系如表5所示.
表5 B-ISDN各层的功能与协议参考模型的关系
高层
高层功能
AAL层
CS子层
会聚功能,即将业务数据变换成CS数据单元
SAR子层
分段与重组,在此层以信元为单位对CS数据分段或重组
ATM层
通用流量控制
信头头的产生/提取
信元VP/VC变换
信元复用与分解
物理层
TC子层
信元速率解耦
HEC信头序列产生/检验
信元定界
传输帧适配
传输帧产生/恢复
PM子层
比特定时
物理媒体
1.4 ATM标准
ATM标准主要是由国际电信联盟ITU-T开发和制定的.ATMF主要目的是通过可互操作的技术规范,加速ATM产品的开发和扩展.
用于ATM交换系统,由ITU-T提供的协议可参见图1-6,至今为止,有关的建议还在继续研究和制订过程中.尤其是关于多媒体信令的建议,当前大致完成能力集CS-1的部分,即关于点到点的基本呼叫连接控制.能力集CS-2即扩展到点到多点,并增附加业务参量,服务质量QoS等控制功能的协议族,部分已通过,部分等待审议,部分需重新制订.能力集CS-3即能实现ATM交换全部六种连接类型的信令协议族,尚在研究过程中.
ATMF所制定的技术规范集中在宽带互连接口B-ICI;各类物理层接口,如DS1,DS3,E1,E3,155.52Mbit/S,622.08Mbit/S和通用测试和运行物理接口Utopia等;各类互通接口,如局域网仿真,电路仿真和帧中继仿真等;ATM用户网络接口技术规范,用户网络接口信令UNI 4.0;专用网络网络接口PNNI等.此外还制订了相应的测试规范.
1.5 ATM地址格式
ATM有3种地址格式.如图1-7所示.第1字节指明该地址是3种地址格式中的哪一种.数据国家代码(DCC)有20字节长,是基于OSI地址格式的;第2和第3字节指明国家;第4字节给出了基于地址部分的格式,其他包括3字节指明权限,2字节指明域(domain),1字节指明区域,还有6字节的地址,以及其他一些信息项.在国际代号设计码(IC)地址格式中,第2和第3字节指定一个国际组织,而不是国家;地址的其余部分和格式与第1种相同.另一种是旧的使用15位十进制数的ISDN电话号码(ITU-T E.164)作为地址的格式.
图1-7 ATM地址格式
图1-7中:AFI——格式标识符(缺省)
DCC——2个字节的数据国家代码
DFI——1个字节,与特定区域相关的格式标识符
AA——3个字节的管理授权标志
RD——2个字节的路由区域标识
Area——2个字节的地区标识
ES1——6个字节的末端系统标识,它实际是IEEE 802规定的MAC地址
Sel——1字节的网络访问点(NSAP)选择标识
ICD——2字节 的国际代号设计码
E.164——8字节的综合业务数字网(ISDN)中的电话号码
第二章 ATM交换原理
ATM交换技术是ATM网络技术的核心.交换结构的性能将决定ATM网络的性能和规模.交换机设计的方法将影响交换吞吐量,信元阻塞,信元丢失和交换延时等,交换结构不仅影响交换机的性能和扩展特性,而且也影响交换机支持广播方式和点到点方式的能力.
现代通信网中广泛应用的交换方式有两种:电路交换方式和分组交换方式.电路交换方式包括传统电路交换,多速率电路交换,快速电路交换等,分组交换方式包括帧交换,帧中继,快速分组交换等.电路交换方式适用于话音等实时性业务,而分组交换方式适用于数据业务.在综合业务环境下,不同业务对网络的要求不同,电路交换方式和分组交换方式都不能满足综合业务环境下的使用要求.ATM交换技术是一种融合了电路交换方式和分组交换方式优点而形成的新型交换方式.
2.1 ATM交换的特点
ATM交换具有以下特点:
(1)采用统计时分复用
传统的电路交换中用STM(Synchronous Transfer Mode)方式将来自各种信道上的数据组成帧格式,每路信号占固定比特位组,在时间上相当于固定的时隙,即属于同步时分复用.在ATM方式中保持了时隙的概念,但是采用统计时分复用的方式,取消了STM中帧的概念,在ATM时隙中存放的实际上是信元.
(2)以固定长度(53字节)的信元为传输单位,响应时间短
ATM的信元长度比X.25网络中的分组长度要小得多,这样可以降低交换节点内部缓冲区的容量要求,减少信息在这些缓冲区中的排队时延,从而保证了实时业务短时延的要求.
(3)采用面向连接并预约传输资源的方式工作
在ATM方式中采用的是虚电路形式,同时在呼叫过程向网络提出传输所希望使用的资源.考虑到业务具有波动的特点和网络中同时存在连接的数量,网络预分配的通信资源小于信源传输时的峰值速率(PCR).
(4)在ATM网络内部取消逐段链路的差错控制和流量控制,而将这些工作推到了网络的边缘
X.25运行环境是误码率很高的频分制模拟信道,所以X.25执行逐段链路的差错控制.又由于X.25无法预约网络资源,任何链路上的数据量都可能超过链路的传输能力,因此X.25需要逐段链路的流量控制.而ATM协议运行在误码率较低的光纤传输网上,同时预约资源保证网络中传输的负载小于网络的传输能力,ATM将差错控制和流量控制放到网络边缘的终端设备完成.
(5)ATM支持综合业务
ATM充分综合了电路交换和分组交换的优点,既具有电路交换"处理简单"的特点,支持实时业务,数据透明传输,在网络内部不对数据作复杂处理,采用端-端通信协议;又具有分组交换的特点,如支持可变比特率业务,对链路上传输的业务采用统计时分复用等.所以ATM支持话音,数据,图象等综合业务.
2.2 VP/VC交换
在ATM中一个物理传输通道被分成若干的虚通路VP(Virtual Path),一个VP又由上千个虚通道VC(Virtual Channel)所复用.ATM信元的交换既可以在VP级进行,也可以在VC级进行.虚通路VP和虚通道VC都是用来描述ATM信元单向传输的路由.每个VP可以用复用方式容纳多达65536个VC,属于同一VC的信元群拥有相同的虚通道识别符VCI(VC Identifier),属于同一VP的不同VC拥有相同的虚通路识别符VPI,VCI 和VPI都作为信元头的一部分与信元同时传输.传输通道,虚通路VP,虚通道VC是ATM中的三个重要概念,其关系如图2-1所示.
图2-1 传输通道,虚通路VP,虚通道VC的关系
ATM的呼叫接续不是按信元逐个地进行选路控制,而是采用分组交换中虚呼叫的概念,也就是在传送之前预先建立与某呼叫相关的信元接续路由,同一呼叫的所有信元都经过相同的路由,直至呼叫结束.其接续过程是:主叫通过用户网络接口UNI发送一个呼叫请求的控制信号,被叫通过网络收到该控制信号并同意建立连接后,网络中的各个交换节点经过一系列的信令交换后就会在主叫与被叫之间建立一条虚电路.虚电路是用一系列VPI/VCI表示的.在虚电路建立过程中,虚电路上所有的交换节点都会建立路由表,以完成输入信元VPI/VCI值到输出信元VPI/VCI值的转换.
虚电路建立起来以后,需要发送的信息被分割成信元,经过网络传送到对方.若发送端有一个以上的信息要同时发送给不同的接收端,则可建立到达各自接收端的不同虚电路,并将信元交替送出.
在虚电路中,相邻两个交换节点间信元的VCI/VPI值保持不变.此两点间形成一条VC链,一串VC链相连形成VC连接VCC(VC Connection).相应地,VP链和VP连接VPC也以类似的方式形成.
VCI/VPI值在经过ATM交换节点时,该VP交换点根据VP连接的目的地,将输入信元的VPI值改为新的VPI值赋予信元并输出,该过称为VP交换.可见VP交换完成将一条VP上所有的VC链路全部送到另一条VP上,而这些VC链路的VCI值保持不变(如图2-2所示).VP交换的实现比较简单,往往只是传输通道的某个等级数字复用线的交叉连接.
图2-2 VP交换
VC交换要和VP交换同时进行,因为当一条VC链路终止时,VP连接(即VPC)就终止了,这个VPC上的所有VC链路将各自执行交换过程,加到不同方向的VPC中去.如图2-3所示.
图2-3 VC交换过程
2.3 ATM交换原理
ATM交换结构应该能够完成两方面基本功能,一是空间交换,即将信元从一条传输线上交换到另一条上,又叫路由选择;另一功能是时间交换,即将信元从一个时隙转移到另一时隙.下面介绍ATM交换的原理.
ATM交换机从基本构成上可分为接口模块,交换模块,和控制模块,如图2-4所示.
图2-4 ATM交换机的功能模块
接口模块位于交换机的边缘,为交换机提供对外的接口.接口模块可分为两大类,一类是ATM接口模块,提供标准的,ATM接口;另一类是业务接口模块,提供与具体业务相关的接口.
ATM接口模块完成物理层,ATM层的功能.业务接口模块完成业务接口处理,AAL层和ATM层的功能.业务接口的处理包括物理层,数据链路层甚至更高层的功能,如业务数据帧结构的识别,分离或组装用户数据和信令.业务信令经过分析转换为ATM信令,由交换机的控制模块进行处理,业务数据则根据不同的业务类型,进行不同类型的ATM适配.
交换模块是整个交换机的核心模块,它提供了信元交换的通路,通过交换模块的两个基本功能(排队和选路),将信元从一个端口交换到另一个端口上去,从一个VP/VC交换到另一个VP/VC.交换模块还完成一定的流量控制功能,主要是优先级控制和ABR业务的流量控制.
控制模块是交换机的中央枢纽,它完成ATM信元处理,资源管理和流量控制中的连接接纳控制,以及设备管理,网络管理等功能,在实现时,设备管理和网管多在外接的管理维护平台上完成.
2.4 基本排队机制
ATM交换结构的基本排队机制有输入排队,输出排队和中央排队.如图2-5所示.
图2-5 基本排队方式
2.4.1 输入排队
在这种情况下采用如图2-5所示的方法来解决输入端可能出现的竞争问题.在煤炭输入线上设置队列,对信元进行排队,由一个仲裁机构根据各输出线的忙闲,输入队列的状态,交换传输媒体的状态来决定那些队列中的信元可以进行交换.输入排队的特点有:
①存在信头阻塞(HOL),如线1队列上的第一个信元要到出线2上,若出线忙,队列的第一个信元出不去,则它后面的信元的出线即使空着,这些信元也不能输出,这就是信头阻塞(HOL).HOL降低了交换传输媒体的利用效率.
②需要专门的仲裁机制.仲裁机制越复杂,交换传输媒体的利用率就越高,但系统的实现就越复杂.
③从队列本身的结构和实现方法来看,输入队列是比较简单的,可以用简单的FIFO来实现,对存储器速度的要求较低.
2.4.2 输出排队
输出排队中,交换传输媒体本身可保证输入的任一个信元都可以被交换到输出端,但输出线的速率是有限的,所以要在输出端进行排队,解决输出线的竞争.输出队列有以下特点.
①输出队列的控制比较简单,在输出队列中,只需判断信元的目的输出线,由交换传输媒体将信元放到相应的输出队列中就可以了.
②输出队列本身的管理比较简单.输出队列可以由FIFO实现,担它要求存储器的速度较高,极端的情况是,N个入线的信元都要求输出到同一条出线,为保证无信元丢失,要求存储器的写速率是入线速率的总和.
③输出队列的利用率较低.为达到同样的信元丢失率,输出队列要求更大的存储空间,因为一个输出队列只为一个输出线利用,每个队列都需要按照最坏的情况设计存储容量.
2.4.3 中央排队
中央排队机制中,交换传输媒体分为两部分,队列设在两个交换传输媒体中间,所有入线和出线共用一个缓冲器,所有信元都经过这一个缓冲器进行缓存.
中央排队的特点是:
①存储管理复杂.由于存储器不再由一个输入,输出线所用,所以队列不能用简单的FIFO实现,而必须用随机寻址的存储器来实现,还有一套复杂的管理机制.
②存储器利用率高.由于存储器有所有虚连接共享,相当于对每一个输入,输出线都有一个长度可变的队列.
③对存储器的速度要求是三种方式中最高的.输入,输出端的存储器读写速度都必须是所有的端口速率之和.
2.5 共享存储器交换机的模型
2.5.1 ATM交换结构
ATM交换结构(Switching Fabric)是ATM交换单元的核心.大型交换机的交换单元由多个交换结构互连而成,小的交换机有单个交换结构构成.ATM交换结构分为时分交换结构和空分交换结构两种,下面分别介绍.
2.5.1.1 时分交换结构
在时分交换结构中,各接口以时分复用的方式共享一条通信媒体.根据媒体不同,可分为共享总线和共享存储器两种.时分交换结构的交换能力受到共享媒体的限制,但是由于每个
一些软件公司为此开发了专门的封装CAD软件，有实力的微电子制造商也在大学的协助下或独立开发了封装CAD系统。如1991年University of Utah在IBM公司赞助下为进行电子封装设计开发了一个连接着目标CAD软件包和相关数据库的知识库系统。电性能分析包括串扰分析、ΔI噪声、电源分配和S-参数分析等。通过分别计算每个参数可使设计者隔离出问题的起源并独立对每个设计参数求解。每一个部分都有一个独立的软件包或者一套设计规则来分析其参数。可布线性分析用来预测布线能力、使互连长度最小化、减少高频耦合、降低成本并提高可靠性；热性能分析程序用来模拟稳态下传热的情况；力学性能分析用来处理封装件在不同温度下的力学行为；最后由一个知识库系统外壳将上述分析工具和相关的数据库连接成一个一体化的系统。它为用户提供了一个友好的设计界面，它的规则编辑功能还能不断地发展和修改专家系统的知识库，使系统具有推理能力。
NEC公司开发了LSI封装设计的CAD／CAM系统——INCASE，它提供了LSI封装设计者和LSI芯片设计者一体化的设计环境。封装设计者能够利用INCASE系统有效地设计封装，芯片设计者能够通过网络从已储存封装设计者设计的数据库中寻找最佳封装的数据，并能确定哪种封装最适合于他的芯片。当他找不到满足要求的封装时，需要为此开发新的封装，并通过系统把必要的数据送达封装设计者。该系统已用于开发ASIC上，可以为同样的芯片准备不同的封装。利用该系统可以有效地改善设计流程，减少交货时间。
University of Arizona开发了VLSI互连和封装设计自动化的一体化系统PDSE(Packaging Design Support Environment)，可以对微电子封装结构进行分析和设计。PDSE提供了某些热点研究领域的工作平台，包括互连和封装形式以及电、热、电-机械方面的仿真，CAD框架的开发和性能、可制造性、可靠性等。
Pennsylvania State University开发了电子封装的交互式多学科分析、设计和优化(MDA&O)软件，可以分析、反向设计和优化二维流体流动、热传导、静电学、磁流体动力学、电流体动力学和弹性力学，同时考虑流体流动、热传导、弹性应力和变形。
Intel公司开发了可以在一个CAD工具中对封装进行力学、电学和热学分析的软件——封装设计顾问(Package Design Advisor)，可以使硅器件设计者把封装的选择作为他的产品设计流程的一部分，模拟芯片设计对封装的影响，以及封装对芯片设计的影响。该软件用户界面不需要输入详细的几何数据，只要有芯片的规范，如芯片尺寸、大概功率、I／0数等就可在Windows环境下运行。其主要的模块是：力学、电学和热学分析，电学模拟发生，封装规范和焊盘版图设计指导。力学模块是选择和检查为不同种类封装和组装要求所允许的最大和最小芯片尺寸，热学模块是计算θja和叭，并使用户在一个具体用途中(散热片尺寸，空气流速等)对封装的冷却系统进行配置，电学分析模块是根据用户输入的缓冲层和母线计算中间和四周所需要的电源和接地引脚数，电学模拟部分产生封装和用户指定的要在电路仿真中使用的传输线模型(微带线，带状线等)的概图。
LSI Logic公司认为VLSI的出现使互连和封装结构变得更复杂，对应用模拟和仿真技术发展分析和设计的CAD工具需求更为迫切。为了有效地管理设计数据和涉及电子封装模拟和仿真的CAD工具，他们提出了一个提供三个层面服务的计算机辅助设计框架。框架的第一层支持CAD工具的一体化和仿真的管理，该层为仿真环境提供了一个通用的图形用户界面；第二层的重点放在设计数据的描述和管理，在这一层提供了一个面向对象的接口来发展设计资源和包装CAD工具；框架的第三层是在系统层面上强调对多芯片系统的模拟和仿真。
Tanner Research公司认为高带宽数字、混合信号和RF系统需要用新方法对IC和高性能封装进行设计，应该在设计的初期就考虑基板和互连的性能。芯片及其封装的系统层面优化要求设计者对芯片和封装有一个同步的系统层面的想法，而这就需要同步进入芯片和封装的系统层面优化要求设计者对芯片和封装有一个同步的系统层面想法，而这就需要同步进入芯片封装的设计数据库，同步完成IC和封装的版图设计，同步仿真和分析，同步分离寄生参数，同步验证以保证制造成功。除非芯片及其封装的版图设计、仿真和验证的工具是一体化的，否则同步的设计需要就可能延长该系统的设计周期。Tanner MCM Pro实体设计环境能够用来设计IC和MCM系统。
Samsung公司考虑到微电子封装的热性能完全取决于所用材料的性能、几何参数和工作环境，而它们之间的关系非常复杂且是非线性的，由于包括了大量可变的参数，仿真也是耗时的，故开发了一种可更新的系统预测封装热性能。该系统使用的神经网络能够通过训练建立一个相当复杂的非线性模型，在封装开发中对于大量的可变参数不需要进一步的仿真或试验就能快速给出准确的结果，提供了快速、准确选择和设计微电子封装的指南。与仿真的结果相比，误差在1％以内，因此会成为一种既经济又有效率的技术。
Motorola公司认为对一个给定的IC，封装的设计要在封装的尺寸、I／0的布局、电性能与热性能、费用之间平衡。一个CSP的设计对某些用途是理想的，但对另一些是不好的，需要早期分析工具给出对任何用途的选择和设计都是最好的封装技术信息，因此开发了芯片尺寸封装设计与评价系统(CSPDES)。用户提供IC的信息，再从系统可能的CSP中选择一种，并选择互连的方式。
系统就会提供用户使用条件下的电性能与热性能，也可以选择另一种，并选择互连的方式。系统就会提供用户使用条件下的电性能与热性能，也可以选择另外一种，以在这些方面之间达到最好的平衡。当分析结束后，系统出口就会接通实际设计的CAD工具，完成封装的设计过程。
2.4 高度一体化、智能化和网络化阶段
从20世纪90年代末至今，芯片已发展到UL SI阶段，把裸芯片直接安装在基板上的直接芯片安装(DCA)技术已开始实用，微电子封装向系统级封装(SOP或SIP)发展，即将各类元器件、布线、介质以及各种通用比芯片和专用IC芯片甚至射频和光电器件都集成在一个电子封装系统里，这可以通过单级集成组件(SLIM)、三维(简称3D)封装技术(过去的电子封装系统都是限于xy平面二维电子封装)而实现，或者向晶圆级封装(WLP)技术发展。封装CAD技术也进入高度一体化、智能化和网络化的新时期。
新阶段的一体化概念不同于20世纪90年代初提出的一体化。此时的一体化已经不仅仅是将各种不同的CAD工具集成起来，而且还要将CAD与CAM(计算机辅助制造)、CAE(计算机辅助工程)、CAPP(计算机辅助工艺过程)、PDM(产品数据管理)、ERP(企业资源计划管理)等系统集成起来。这些系统如果相互独立，很难发挥企业的整体效益。系统集成的核心问题是数据的共享问题。系统必须保证数据有效、完整、惟一而且能及时更新。即使是CAD系统内部，各个部分共享数据也是一体化的核心问题。要解决这个问题，需要将数据格式标准化。目前有很多分析软件可以直接输入CAD的SAT格式数据。当前，数据共享问题仍然是研究的一个热点。
智能CAD是CAD发展的必然方向。智能设计(Intelligent Design)和基于知识库系统(Knowledge-basedSystem)的工程是出现在产品处理发展过程中的新趋势。数据库技术发展到数据仓库(Data Warehouse)又进一步发展到知识库(Knowledge Repository)，从单纯的数据集到应用一定的规则从数据中进行知识的挖掘，再到让数据自身具有自我学习、积累能力，这是一个对数据处理、应用逐步深入的过程。正是由于数据库技术的发展，使得软件系统高度智能化成为可能。 二维平面设计方法已经无法满足新一代封装产品的设计要求，基于整体的三维设计CAD工具开始发展起来。超变量几何技术(Variational Geometry extended，VGX)开始应用于CAD中，使三维产品的设计更为直观和实时，从而使CAD软件更加易于使用，效率更高。虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术也开始应用于CAD中，可以用来进行各类可视化模拟(如电性能、热性能分析等)，用以验证设计的正确性和可行性。
网络技术的发展又给电子封装CAD的发展开创了新的空间。局域网和Intranet技术用于企业内部，基本上结束了单机应用的历史，也只有网络技术的发展才使得CAD与CAM、CAPP、PDM和ERP等系统实现一体化成为可能。互联网和电子商务的发展，将重要的商务系统与关键支持者(客户、雇员、供应商、分销商)连接起来。为配合电子商务的发展，CAD系统必须实现远程设计。目前国际上大多数企业的CAD系统基本能实现通过网络收集客户需求信息，并完成部分设计进程。
