電腦網路與連結技術第十一章 ATM 電信網路 上一頁    下一頁

11-8 ATM 細胞交換原理

內容:

        ATM 交換機又被稱為『細胞交換』,主要的功能是將輸入埠口所進入的細胞『交換』到適當的輸出埠口去。但在ATM 網路是連接導向傳輸,表示在細胞進入網路之前其路徑都已經事先建立完成。它所建立連線的方法非常類似分封交換技術的『虛擬電路』(第四章中介紹),也就是,每一條連線所建立的路徑是在其所經過的埠口上,登錄於輸入/輸出埠對照表。

每一個埠口都有一個管理輸入/輸出埠對照表,當細胞由某一埠口進入時,就依照輸入/輸出對照表所登錄的下一個埠口交換出去。因此 ATM 交換機所建立的連線是『虛擬電路』(Virtual Circuit),而不是『電路交換』(Circuit Switch)技術。當 ATM 交換機將某一個埠口所進入的細胞交換到另一個埠口上時,對於該埠口的傳輸媒介和傳輸速率沒有直接關係。也就是,對於不同傳輸媒介和傳輸速率之間埠口的細胞交換,並不影響 ATM 交換機的工作。因此,我們可以將 ATM 細胞交換機的工作原理,歸類為兩個重點:第一,就是對於每一條連線的表示方法,又稱為『虛擬通道Virtual Channel, VC);第二,如何建立每一個埠口上的『輸入/輸出埠對照表』。以下分別介紹。

11-8-1 VP VC虛擬通道

到目前為止,我們瞭解 ATM 交換機類似統計多工的多工交換技術,唯一不同的是在統計多工技術加入服務品質(QoS)的參數,來決定細胞被交換出去的優先順序。對於每一條多工連線,我們稱之為『虛擬通道』(Virtual Channel, VC)。每一條虛擬通道也都給予一個『虛擬通道辨識碼』(Virtual Channel Identification, VCI)以作為辨識。如果整個交換機僅用虛擬通道來區分連線,所造成的連線負荷可能會非常大,我們希望採用二階層式的編號方式來區分各個連線,這種方式類似電話號碼的編號方法,例如:電話號碼是 241-1234,我們很容易知道 241 表示某一個交換機,而 1234 241 交換機底下的本地號碼。如果由別的地方撥入 241-1234,便直接交換到 241 交換機上,不用理會 1234 號碼的位址,該工作交由 241 交換機負責便可以。因此,二階層式的編號方法,可以節省許多交換的工作,讓交換機更有效率。

ATM 網路中,也是採用類似二階層式的編號方式。我們將若干個虛擬通道合併一個群組稱之為『虛擬路徑』(Virtual Path, VP),也給予一個『虛擬路徑辨識碼』(Virtual Path Identification, VPI)以作為辨識。因此,每一條通道就可以用一對(VPI, VCI)來表示。

如圖 11-20 中有三條虛擬路徑 VPI = 100, 200, 300,而連線的虛擬通道的辨識碼分別為:(100, 100)、(100, 200)、(100, 300)、(200, 100)、(200, 200)、(200, 300)、(300, 10)、(300, 20)、(300, 30)。至於如何來區分群組的虛擬路徑問題,我們可以就某一網路位址、或 ATM 交換機、或主機位址來指定『虛擬路徑』。只要由虛擬路徑上辨識便知道該連線應該交換到哪裡,在中繼交換機上不用分辨『虛擬通道』(VCI)位址,分辨虛擬通道位址是由端點交換機(End Switch)負責便可以,因此可以減低交換機的工作負荷,而提高效率。

11-20 VPI/VCI 虛擬通道

11-8-2 輸入/輸出埠對照表

ATM 交換機的每一個埠口上都必須維護一只『輸入/輸出埠對照表』,如圖 11-21 所示。當我們建立連線時,便將連線路徑填入輸入/輸出對照表。表上所紀錄的是『下一個埠口』(Next hop)位址。交換機是否允許建立連線(或填入對照表),不僅要考慮當時頻寬使用情形,也要考慮到該連線的服務品質(QoS)要求。一般 ATM 網路都有一個集中式,或由多個分散式的『允入控制』(Admission Control)軟體來控制是否允許連線。

11-21 輸入/輸出埠對照表

        『集中式允入控制』表示在整個網路上有一個集中控制工作站,負責整個網路的頻寬管理,任何一部交換機上有連線要求時,集中控制工作站依照當時網路頻寬使用情形,以及連線的服務品質要求,決定是否同意連線。當控制站接受連線允許(Admission)時,必須負責將該連線所經過之交換機的埠口上填入『輸入/輸出對照表』。集中控制的優點是控制站能掌握整個網路的全貌,其所挑選出來之連線路徑的效率最高,每一條連線都可達到最佳路徑。但集中式的缺點是每次連線要求時,集中控制站可能需要花費較長的時間,去計算和搜尋路徑。網路上所有交換機必須隨時向集中器報告交換機使用情形,這也必須花費不少的頻寬。最主要的,如果網路過於繁忙時,集中器可能成為網路的瓶頸,而集中器故障也可能導致整個網路癱瘓。因此對於網路範圍較小的環境,使用集中式允入控制較適合,對於較大的網路系統可能較不適合。

『分散式允入控制』表示是否允許連線要求是由各個交換機分層負責。一個工作站如果要建立連線,則首先將其要求(包括目的工作站位址和服務品質)送給其所連接的交換機。該交換機的允入控制軟體會選擇一條可能到達目的之埠口(路徑),並登入輸入/輸出對照表。該連線要求依照所建立之路徑,進入第二部交換機,再由第二部交換機的允入控制軟體決定下一個埠口(Next hop)的路徑。以此類推到達目的位址,再依照連線路徑回應給來源工作站。分散式的優點是具有擴充性,其缺點是路徑選擇變得較複雜,為了能選擇較好的路徑,交換機上必須配置『路徑選擇協定』Routing Protocol),而且交換機之間也必須隨時交換路徑選擇訊息。

11-22 ATM 網路連線的範例。工作站 A B 之間連線,經過了 SW1SW2 SW3 ATM 交換機。由每個交換機上的『輸入/輸出對照表』紀錄兩工作站所經過的『虛擬通道連線』Virtual Channel Connection, VCC)為:(600/70)、SW1、(300/200)、SW2、(100/50)、SW3、(10/30)。

11-22 ATM 網路連線範例

11-8-3 VP VP/VC 交換機

我們將所有虛擬通道依群組關係,區分為若干個虛擬路徑,針對每一條通道以(VPI, VCI)表示。其中 VPI 可以用來表示某一區域關係或連線屬性,類似電話系統中的區域號碼;而 VCI 表示某一區域下的虛擬通道,類似電話系統中的本地號碼。每一條連線的(VPI, VCI)就像是電話系統的『區域號碼 + 本地號碼』。當每一條連線進入交換機時,如果目的位址不是本交換機時,我們可以依照 VPI 的號碼轉送到另一個交換機上,不必再拆解 VCI 號碼。如果連線的目的位址是本交換機,再拆解 VCI 位址,這可減低交換機許多工作負荷。

如果沒有將虛擬通道分成兩個層次的拆解,依照 NNI 介面的虛擬通道是以 28 位元表示,所產生的通道位就有 228 個,輸入/輸出對照表的表格長度最長有 228 個欄位。每進入一個細胞就必須在這 228 欄位裡尋找(lookup)下一個輸出埠,這可要花費很長的時間。如果我們將虛擬通道分為兩個層次:VPI VCI,依照 NNI 介面規格,VPI 12 位元表示,VCI 16 位元表示。當交換機拆解 VPI 時只要在 212 的表格裡尋找(lookup)目的埠口;拆解 VCI 時尋找表格是 216,而且拆解 VPI VCI 可以同時進行,因此可以節省不少時間。

如果交換機只負責拆解(或交換)VPI 位址,稱之為 VP 交換機。VP 交換機類似電話系統的長途交換機,只負責依照區域號碼將電話連線交換到那一個區域上。VP 交換機也是一樣,依照連線的 VPI 位址交換到某一區域或某一主機系統上,主要作主幹連線(Backbone)使用。如果交換機具有交換 VPI VCI 的功能稱為 VP/VC 交換機,類似電話系統的本地交換機。當細胞進入交換機時,首先拆解 VPI,看是否為本交換機所管轄的 VPI 位址,如果是再拆解 VCI 位址,否則將該細胞依照輸入/輸出對照表轉送到其他 VP VP/VC 交換機上。VP 交換機之間連線或 VP 交換機和 VP/VC 交換機之間連線又稱為 VP 連線(VP Connection)。VP/VC 交換機之間連接稱為 VP/VC 連線(VP/VC Connection)。VP 交換機和 VP/VC 交換機的連接範例如圖 11-23 11-24 所示。

11-23 VP 交換機

 

11-24 VP/VC 交換機

11-8-4 PVC SVC 連線管理

由以上的介紹我們可以發現在 ATM 網路上建立連線並非易事。某些可以使用手動方式載入到 ATM 交換機中的連線稱為『永久式虛擬連結』(Permanent Virtual Connection, PVC) PVC在兩工作站之間(或交換機之間)建立一條永久性的連線。此連線不會因為工作站(交換機)的因素(如當機或不傳送資料)而取消。只要工作站一開機便有一條連線可到達目的地工作站,並保證該連線的傳輸速率及服務品質。傳送端可以在任何時間傳送資料而不必重新建立連線。一般 PVC 的應用有三:

(1) 建構網路拓樸圖(topology。在建構網路系統時,會有一些固定連線在交換機之間串接,這就必須使用 PVC 連線。

(2) 網路系統管理通道。在網路上有一些特殊連線必須永遠保持著,例如系統管理連線,或頻寬管理連線等等。

(3) 客戶租用專線。某些客戶需要固定的連線也使用 PVC 來完成。永久式虛擬通道雖然方便但易造成頻寬的浪費。

當工作站有需要時再要求 ATM 交換機連線,稱之為『交換式虛擬連結』(Switched Virtual Connection, SVC)。交換機接收到 SVC 連線要求時,必須評估當時網路頻寬的使用量,以及該連線要求的服務品質,再決定是否允許連線(允入控制)。連線後必須依照連線時所協商的服務品質提供服務,使用完後立即釋放連線。網路頻寬可充分利用,而不會浪費。但當建立連線時,交換機必須選擇最佳路徑。因此使用到兩個協定:

a.  路徑選擇協定(Routing Protocol):網路上交換機之間互相傳遞網路拓樸圖架構的資訊。

b. 信號協定 (Signaling Protocol)讓網路交換機之間可以相互通訊,以及傳遞 UNI (User-Network Interface)或其他的信號訊息。

 

翻轉工作室:粘添壽

 

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