第一章 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：
l 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。
l VPI：虚通道标识，其中NNI为12比特，UNI为8比特。
l 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。
l 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
l 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。
l 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。
（1） 传输会聚TC子层
l 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：
l 基于直接信元传输的连接
l 基于PDH网传输的连接
l 基于SDH网传输的连接
l 直接信元光纤传输
l UTOPIA接口（通用测试和运行物理接口）
l 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（N
SAP）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，但是由于每个信元都沿着共享媒体传输，所以时分交换结构很容易实现点到多点传送（Point-to-Multipoint）。
l 共享总线结构
共享总线结构一般如图2-6所示，它由总线和总线仲裁模块构成，各个接口模块都挂在总线上，当一个接口模块有信元要交换时，由接口模块首先发出总线申请，由总线仲裁模块决定是否允许发送，如果允许，则接口模块把信元发送到总线上，总线上各个接口模块根据信元携带的路由信息判断是否接收该信元，如果信元的目的地址为本模块，则从总线上把该信元拷贝下来，这样就完成了一个信元交换。
图2-6 共享总线交换结构
共享总线交换结构的特点是结构简单，容易实现点到多点通信，容易实现优先级控制，但是它的吞吐量有限。
l 共享存储器结构
共享存储器结构的交换方式是目前比较流行的一种ATM交换方式。由于我们设计的交换机采用的就是共享存储器结构，所以将在下面详细介绍。
2.5.1.2 空分交换结构
在空分交换结构中，输入和输出端口之间有一组通路，这些通路并行工作使不同输入端口的信元可以同时由交换单元传送。这样交换单元的总容量就是每个通路的带宽乘以并行传送一个信元的的通路平均数之积。因此，理论上采用空分交换结构的ATM交换机的总容量没有上限。空分交换结构可分为全互联网和多极互联网（MIN）。
在ATM交换机中利用多级互连网将一些相同结构的小容量交换单元，构成一个大容量的交换结构。交换单元是一个独立的交换单位，多为一个或一组交换芯片，可以完成4×4、8×8、16×16等容量的交换，实现方式多种多样，如可以采用共享存储器、全互连网结构。目前比较流行的连接各个交换单元的多级互连网是Banyan网，如图2-7所示。
图2-7中所示是一种形式的Banyan网，它的基本单元是2×2的交换单元。这是一种自选路由的网络，以目的地址为选路信息，有N比特的目的地址就有N级网络，每级解释选路信息的一比特，交换单元中标有1的出线，表示选路信息的当前比特为1时从此线出。
图2-7 Banyan网
2.5.2 共享存储器交换结构
共享存储器的交换结构如图2-8所示，它一般由路由选择、存储器控制、信元传输媒体和中央存储器构成。
共享存储器交换结构的交换容量由存储器的容量决定。目前典型的共享存储器交换结构都采用共享输出队列的排队机制。采用地址链表管理存储器。地址链表中存放着共享存储器的空闲地址，当一个信元到达时，就从链表中弹出一个地址，信元就存储在这个地址所指的存储区中；同时信头进入选路控制器，由它识别信元的出口线，每个出口线都对应着一个输出队列，选路控制器将信元存放的地址推入相应的输出队列中，这样各出口线只要从输出队列中取出地址，就可根据这个地址从共享存储体中取出信元了。
共享存储器交换结构的特点：
（1）点到多点通信实现较复杂，一种方法是将信元拷贝多份，分别放入各个队列中；一种方法是不进行信元拷贝，而是设置一个计数器，每向一个目的输出端口传送一次信元，计数器就减一，一直到零，表示已向所有目的输出端口传送了广播/点到多点信元，这时才可释放该信元所占用的存储地址。
（2）存储器控制机制较复杂。
（3）由于存储器是一种非常通用的器件，并且存储器电路设计具有重复性，所以共享存储器交换结构从成本和交换容量上比共享总线结构要好。
（4）存储器为所有输出共享，所以存储器利用率较高。
（5）共享存储器结构本身也是无阻塞的，信元丢失只发生于队列溢出时。
在共享存储器交换结构中，排队管理的方式决定了共享
内存的利用效率。目前较流行的排队管理如图2-9所示。在图中所示的例子中，每个输出端口对应4个队列，每个队列一个优先级。除了输出队列外，还有CPU队列，用来存放需要送到CPU的信令、OAM、网管等信元。在共享内存中，为每一个队列设置少量的保留内存，不论该内存是否使用都为其保留。这种内存部分共享方式的内存管理效率比内存全部共享方式的利用率要低，但是不会出现一个或几个队列把共享内存全部占据的情况。
第三章 ATM通信量管理
3.1 服务质量
服务质量在ATM网络中是一个重要的话题，这部分因为ATM网络都是用作实时传输的，比如音频和视频。当一条虚电路建立时，传输层（典型地为主机中的一个进程，“客户”）和ATM网络层（例如：一个网络操作者，也即“运载提供者”）都要遵守一个定义服务的协定。
协定的第一部分是通信量描述符（traffic descriptor）。它描述要提供的载荷。协定的第二个部分指定客户所要求的和通信提供者同意的服务质量。无论是载荷还是服务，都是要以可度量的数量来描述的，这样约定就可以被客观的决定。
为了使具体的通信量协定成为可能，ATM标准定义了一系列的服务质量QoS(quality of service)，客户和通信提供者可以协商这些参数的值。对于每一个服务质量参数，其最差情况下的值被指定了，要求通信提供者必须要达到或者超过该值。在某些情况下，参数是一个最小值，而在另外一些情况下它是一个最大值。也是在这里，服务质量在每个方向上都是单独指定的。其中一些比较重要的列在了表6中，但它们并不是对所有的服务类型都适用。
表6 一些服务质量参数
参数 缩写词 含义
峰值信元速率 PCR 信元发送的最大速率
持续信元速率 SCR 长时间的平均信元传输速率
最小信元速率 MCR 最小的可接受的信元传输速率
信元延迟变化极值 CDVT 最大的可接受的信元抖动
信元丢失比率 CLR 信元丢失或提交得太迟的比例
信元传送延迟 CTD 信元提交时拖延的时间（中间值和最大值）
信元延迟变化 CDV 信元提交时间的变化幅度
信元错误比率 CER 提交无错信元的比例
严重错误信元块比率 SECBR 出错信元的比例
信元错误目的地比率 CMR 信元提交至错误目的地的比例
3.2 通信量整形和控制
使用和增强服务质量参数的机制是基于（部分地）一种特定的算法，也即通用信元速率算法GCRA(generic cell rate algorithm)。它的工作原理是检查每一个信元，看是否遵从了虚电路的参数。
GCRA有两个参数，它们指定了最大的允许到达率（PCR）和其中可以忍受的到达时间变化量（CDVT）。PCR的倒数，T=1/PCR是最小的信元到达间隔值。
GCRA算法被称为虚拟调度算法(virtual scheduling algorithm)，然而从另一种角度来看，它等同于一个漏桶算法。可把一个合乎协定的信元想象成是倒入一个漏桶的T单位的流体。这个桶以1单位/us的速度漏液体，因此Tus之后它就空了。如果信元正好是以1信元/Tus的速度到达，那么每一个到达的信元都会发现桶刚刚空出来，该信元会把桶内重新装上T单位的液体。因此当一个信元到达时，液体水位升至T，以后就线性递减直到为零。
当一个信元提前Lus到达时，桶就应该溢出。对于一给定的T，如果我们把L设置得很小，桶的容量将会很难超过T，因此所有的信元必须以一种非常规范的间隔顺序发送。然而，如果我们现在增加L的值，使它远远大于T，桶将会容纳很多的信元，因为T+L>;>;T。这就意味着发送者可以以峰值速率一个接一个地发送一些突发性数据，而它们仍然能够被正确地接收。
GCRA正常情况下是通过给定参数T和L来指定的。T正好是PCR的倒数；L就是CDVT。GCRA也用来保证在任何一段较长时间内平均信元传输速率不会超过SCR。
除了提供了一条规则来看哪一个信元是合乎协定的，哪一个是不合乎协定的之外，GCRA也用于通信整形，以消除某些突发性传输。CDVT越小就意味着越好的平滑效果，但也增大了因为不合乎协定而丢弃信元的机率。在一些实现中把GCRA漏桶和一个令牌桶结合起来，以提供进一步的平滑。
3.3 拥塞控制
ATM网络必须既要处理由于大于系统处理能力的通信量而引起的长期拥塞，又要处理由于通信中的突发性传输而引起的短期拥塞。结果人们使用了几种不同的策略。它们当中最重要的可分为3类：
3.3.1 许可证控制
很多ATM网络中有以固定速率产生数据的实时通信源。告诉这一类的通信源减慢发送速率是行不通的（想象一种有一个红灯的新型数字电话。当通知拥塞发生时，红灯就会亮，讲话者将被要求速率减慢25%）。
因此，ATM网络把防止拥塞发生放在第一的位置。然而，对于CBR、VBR、UBR类通信量，根本就没有动态拥塞控制，因此在这里预防拥塞发生将远远比拥塞发生后再去恢复强得多。预防拥塞的一个主要工具是许可证控制。当一台主机需要一条新的虚电路时，它必须描述出希望被提供的通信和服务，网络便作出检查来看是否有可能，在不对已存在连接造成有害的影响的前提下处理该连接。可能需要检查多条可能的线路，从而发现哪一条将可以做此项工作。
3.3.2 资源预订
同许可证控制密切相关的是事先预定资源的技巧，这通常是在呼叫建立时进行。因为通信量描述符给出了信元发送峰值速率，网络就有可能沿通路预留足够的带宽来处理该峰值速率。
3.3.3 基于速率的拥塞控制
在CBR和VBR通信中，因为信息源固有的实时和半实时的特性，所以即使在发生拥塞的情况下，一般也不可能让发送者减慢发送速率。在VBR服务中，没有人会担心。如果有太多的信元，把多出来的丢弃掉就是。
在ABR通信中，网络去通知一个或多个发送者并且请求它们暂时减慢发送速率直到网络恢复，这是可能的也是合理的。
怎样检测、通知和控制ABR通信中的拥塞是ATM标准发展过程中的一个热门话题，问题集中在以下两个方面：一是基于信用的解决方案，一种是基于速度的解决方案。
交换机厂商们反对基于信用的解决方案。他们不想进行所有计算，以记住这些信用，同时，也不想预先提供很多缓冲区，并认为所需要的开销总量太大。因此，采用了基于速度的拥塞控制系统。其基本模型是每个发送端在k信元数据之后传送一个特殊的资源管理RM(resource management)信元。这个信元的传输通路与k信元相同，但是它由交换机进行特殊处理。当RM信元到达接收端时，对它进行检测、修改并且再将它发送回发送端。另外，还提供了其他两种拥塞控制装置。第一种是超载荷交换机能够自发地产生RM信元，并将它们发送回发送端。第二种是超载荷交换机能够对从发送端传送到接收端的信元数据设置其中间PTI位的值。当然这两种方法没有一个是完全可靠的。
第四章 ATM与IP结合技术
在过去十来年中，ATM成为下一代网络的重要技术，它可以提供空前的可伸缩性和性价比，以及对将来的实时业务、多媒体业务等的支持。在将来的信息体系中，ATM将扮演重要的角色。但是，目前的信息体系，即LAN和WAN，建立在网络层协议如IP、IPX等的基础上，因此，ATM的成功及Internet的发展的关键是现有的网络技术和ATM的互操作，而实现这一目的的关键是相同的网络层协议，如IP、IPX，同时应用于现有的网络和ATM上，因为给高层协议和应用提供统一的网络视角是网络层的任务。到目前为止，已有了多种在ATM上运行IP的方法，如：ATM论坛的LANE和MPOA、IETF的CLIP和NHRP、Ipsilon网络公司的IP交换和Cisco公司的标记交换，下面将逐一介绍。
4.1 简介
ATM和现有的协议体系，特别是网络层的IP、IPX等协议，在很长的时间内共存，如何在单一网络上实现现有网络协议和ATM、如何将ATM与传统网络互连，是广大研究人员、设计人员和业者研究的课题。然而，ATM和IP源于不同的技术团体和基础，有着各自的应用。IP的目的是以不确定的状态将分组发送到目的地，它是非连接的，没有服务质量的保证；而ATM的目的是提供有保证的综合业务，是面向连接的，基于快速的固定长度信元的交换。ATM和IP的巨大差异使得有效地将二者集成成为难题。
在ATM网络中支持IP有两种不同的模型，这两种模型以不同的角度看待ATM协议层和IP的关系。
第一种是对等模型，在本质上将ATM层看作IP的对等层，这种模型建议在ATM网络中使用与基于IP的网络中相同的地址方案，因此ATM端点将由IP地址来识别，ATM信令将携带这样的地址，且ATM信令的路由也使现有的网络层路由协议。因为使用了现有的路由协议，对等模型就排除了开发新的ATM路由的需要。对等模型在简化了端系统地址管理的同时，很大程度上增加了ATM交换机的复杂度，因为ATM交换机必须具有多协议路由器的功能，支持现有的地址方案和路由协议。此外，现有的路由协议是基于当前的LAN和WAN开发的，不能很好地映射到ATM中及使用ATM的服务质量特性。
在目前的解决方案中，IP交换、标记交换、MPLS是基于对等模型的。
另一种模型称作子网或覆盖模型，将ATM层与现有协议分开，定义了全新的地址体系，即现有协议将运行于ATM之上。此覆盖模型需要定义新的地址体系和相关的路由协议，所有的ATM系统需要同时被赋予ATM地址和它要支持的高层协议地址。ATM地址空间逻辑地与高层协议的地址空间相分隔，没有任何相关性。因此，所有运行于ATM子网上的协议需要某种ATM地址解析协议以把高层协议（如IP）地址映射到相应的ATM地址。这种将ATM与高层协议分开的方法允许各自独立的开发，在实用的工程角度这非常重要。
在目前的解决方案中，LANE、MPOA和CLIP是基于覆盖模型的。
4.2 LANE
4.2.1 如何在传统LAN上运行IP
在传统的LAN中，当源主机想给同子网的目的主机发送分组时，它检查其ARP缓存看是否已经知道与目的主机IP地址相联系的硬件地址(MAC地址)，如果已经知道，就把带有目的主机的IP地址和MAC地址的分组发送出去。
如果目的MAC地址未知，源主机就发送一个ARP请求分组，ARP请求是本地广播分组，将被子网中所有主机接收，目的主机识别到自己的IP地址后，在ARP回应分组中回答其MAC地址，源主机接收到ARP回应并把它存到自己的ARP表中，现在源主机就可以发送含有正确的目的IP地址和MAC地址的分组了。
4.2.2 ATM LAN必须仿真什么功能
(1)由于传统LAN是介质共享网络，很容易提供广播服务并实现ARP，ATM网必须模仿这一功能，由BUS（广播和未知
服务器）实现。
(2)一般来说，传统LAN中的每个主机都有其MAC地址和IP地址，直接连到ATM网的主机除了具有ATM地址外，也必须有MAC地址和IP地址。
(3)ATM主机必须提供与MAC协议给网络层协议提供的接口服务相同的服务，如NDIS或ODI类驱动接口。
4.2.3 LANE如何工作
顾名思义，LANE的功能是在ATM网络上仿真LAN，LANE协议定义了仿真IEEE 802.3以太网或802.5令牌环网的机制。LANE协议定义了与现有LAN给网络层提供的服务相同的接口，在ATM网络中传输的数据以相应的LAN MAC分组格式封装。
每个ELAN(Emulated LAN)由一组LANE客户(LEC)和LANE服务构成。LEC还可以是作为ATM主机代理的网桥和路由器。LE服务由三个不同的功能实体构成：LAN仿真配置服务器(LECS)、LAN服务器(LES)和BUS，这三个服务实体可以各自存在，但通常位于同一设备，例如：LES可以位于ATM交换机、路由器、网桥和工作站。
下面是LANE中的工作站与另一工作站通信的步骤：
(1)初始化
LEC需要知道LECS的ATM地址并与其建立连接，这通过ILMI或众所周知(well-known)的LECS地址完成，这个过程中的任何时刻LEC都可以与手工配置的LECS地址建立双向配置直达VCC。这个过程中，LEC将获取该ELAN的LES的ATM地址。
(2)登记
这是LEC给LES提供地址信息，如MAC地址的机制。此过程中将在LEC和LES之间建立一对连接，即双向点到点控制直达VCC，及单向点到多点控制分布VCC。
(3)地址解析
这是LEC从LES学习目的站点ATM地址的方法，由ATM地址解析协议实现，允许LEC建立数据直达VCC以传送帧。这时在LEC和BUS之间建立双向点到点组播发送VCC和单向点到多点组播转发VCC。
(4)数据传输
当源站点和目的站点等待建立数据直达VCC的过渡时期里，BUS可以把帧转发给该ELAN中的所有LEC，当数据直达VCC建立后，通信就从原来的路由(BUS)切换到新的路由，为了保证帧的顺序，信息清空协议(flush message protocol)被用以通知BUS：在开始使用新的路由传输帧时，清空请求被发送到BUS并转发到该ELAN中所有LEC，然后不再有帧通过BUS（旧路由），所有帧将通过数据直达VCC（新路由）发送到目的站点。
需要说明的是：在ATM论坛规范中描述的上述过程中，并没有提到从IP地址到MAC地址的解析。下面是传统LAN的主机与ATM主机通信的全过程：
(1)为确定目的站点的MAC地址，源主机广播一个含有IP地址的ARP请求，这是任何IP网络的标准过程，ARP请求到达传统LAN上的LAN/ATM网桥。
(2)在LAN/ATM网桥上的LEC将广播分组通过组播发送VCC转发给BUS，BUS通过组播转发VCC给ELAN中的所有成员发送ARP请求。
(3)目的站点收到ARP请求并识别出自己的IP地址，作为回应，它把自己的MAC地址放到ARP回应中。因为这还不是到LAN/ATM网桥的直达VCC，目的站点的LEC把ARP回应通过组播发送VCC发送给BUS，BUS通过组播发送VCC将其转发给LAN/ATM网桥。
(4)LAN/ATM网桥通过传统LAN把ARP回应传给源主机。
(5)这时源主机拥有了目的站点的MAC地址，开始通过LAN传送数据。
(6)网桥通过组播发送VCC把分组传给BUS，BUS把分组转发到目的站点。
(7)同时，LAN/ATM网桥上的LEC通过控制直达VCC向LES发送LE-ARP请求，询问与目的站点的MAC地址相对应的ATM地址，如果LES没有该映射，则通过控制分布VCC向所有LEC发送LE-ARP请求，目的站点LEC收到该请求后把自己的ATM地址放进LE-ARP回应并通过控制直达VCC发回LES。
(
源LEC通过控制直达VCC从LES收到LE-ARP回应，抽取ATM地址并在源和目的之间建立数据直达VCC。
(9)数据直达VCC建立后，从网桥传来的分组将通过数据直达VCC传输，取代BUS。
4.2.4 LANE的优点和局限
因为LANE提供与现有MAC协议给网络层提供的驱动相同的服务接口，不需要改变该驱动，这将加速ATM的发展和应用。但是，LANE的功能是使ATM的特性对高层协议透明，因此它使高层协议不能利用ATM固有的优点，尤其是其服务质量保证。新完成的LANE2.0版为ATM端系统间的通信提供局部管理的服务质量，该协议提供机制以确定是否支持期望的服务质量。每种局部定义的服务质量可以包含信息以指示以该服务质量建立的VCC是否可以被其他协议或应用所共享。
尽管LANE提供在ATM网络子网内桥接的有效方式，但子网间的业务仍需要通过路由器转发，因此，ATM路由器很可能成为瓶颈，下面谈到的MPOA将解决子网间通信的效率问题。
4.3 CLIP(Classical IP over ATM)
4.3.1 CLIP原理
为了在ATM网络上运行IP，IETF采用了逻辑独立IP子网(LIS)的概念。象通常的IP子网一样，一个LIS包含一组连接到单一ATM网络的IP节点（如主机或路由器），它们属于同一IP子网。ATM LIS的行为很象传统的IP子网，为了在LIS内解析节点的地址，每个LIS提供一个ATMARP服务器，该LIS内的所有节点(LIS客户)被配置以该ATMARP服务器的ATM地址。当LIS中一个节点出现时，它首先建立与ATMARP服务器的连接。一旦ATMARP服务器检测到一个新的LIS客户的连接，它就向该客户发送一个反向ARP请求，询问该节点的IP地址和ATM地址，并保存在其ATMARP表中。随后，LIS中的任意想解析目的IP地址的节点将向该服务器发送ATMARP请求，如果地址映射被找到，则服务器返回ATMARP回应，否则，它返回一个ATM_NAK响应以表示没有该映射，服务器定期清除地址映射表，除非客户对其周期性的反向ARP请求给予响应。一旦LIS客户获取了与IP地址相对应的ATM地址，它就可以与该地址建立连接。分组封装和地址解析的协议分别在RFC1483和RFC1577中定义。
然而，因为RFC1577中定义的地址解析协议保留了主机对于向子网外站点发送分组必须经过缺省路由器的要求，所以捷径VCC只能在同一子网内的节点间建立，否则源站点必须把分组转发给缺省路由器，即使源、目的站点在同一ATM网络内也是如此。这样，ATM路由器就成了瓶颈，且服务质量无法实现。
与LANE相比，RFC1577只支持IP，而不支持其它网络层协议，如IPX、AppleTalk。此外，CLIP也不支持组播，这也是RFC1577的重要缺点。
4.3.2 CLIP的扩展
4.3.2.1 NHRP(Next Hop Resolution Protocol)
为了在同一ATM网络、不同子网间的站点间提供捷径路由，IETF提出了名为NHRP的协议，NHRP建立在CLIP模型之上，但是用非广播多路访问网络(NBMA)的概念取代了LIS的概念，NBMA意味着允许多个设备连到同一网络，但可以配置到不同的广播域，并且支持不同LIS中主机间的直接通信。帧中继和X.25就是NBMA网络的例子。
NHRP用NHS(NHRP服务器)的概念替换ARP服务器，每个NHS中含有“下一跳解析”缓存表，其内容为与该NHS相关的所有节点的IP到ATM的地址映射。节点配置含NHS的ATM地址，并将自己的ATM地址和IP地址用登记包在NHS登记。
协议处理过程如下：当一个节点想通过NBMA网络发送分组，即需要解析特定的ATM地址时，它生成并向NHS发送NHRP请求包，这样的请求以及所有的NHRP信息通过IP包发送。如果目的站点由该NHS服务，NHS就通过NHS回应包返回其地址，否则NHS查找其路由表以决定到达该目的的下一个NHS并转发该请求。在下一个NHS处执行同样的算法直到真正知道所请求的映射的NHS，目的节点返回一个NHRP回应，以相反的顺序经过同样的一系列NHS，到达请求节点，请求节点就可以建立一个直接数据连接。从而可以越过子网边界建立ATM VCC，使得子网间可以不通过路由通信。
4.3.2.2 组播
有两种支持组播的方法。
第一种是通过组播服务器，所有想发送组播信息的节点与之建立点到点的连接，它与所有接收节点通过点到多点连接相连。组播服务器通过该点到点连接接收数据，通过点到多点连接重发数据。这种方法可以用于大型网络，但组播服务器可能最终成为瓶颈。
第二种方法称为组播网，该组中每个节点与其它节点建立点到多点连接。这样，所有的节点都可以向其它节点发送和从它们接收数据。对于一个含N个节点的组来说，将需要N个点到多点连接，不适于含节点数目很多的组。
这两种方法都用于Armitage建议的组播地址解析服务器(MARS)。MARS服务于一簇节点，一簇中所有的端系统配置以MARS的ATM地址。当一个端系统想向特定的组播群发信息时，它建立与MARS的连接，发出MARS_REQUEST信息，MARS返回MARS_MULTI信息，此信息含有该组的组播服务器的地址或组成员的地址，如果该组支持组播服务器，请求节点就建立与该服务器的连接，将数据发送给该服务器，由该服务器将数据转发给组中的节点；在组播网方案中，请求节点与组中的节点建立点到多点连接并通过该连接发送数据。
4.4 MPOA
4.4.1 MPOA的原则
MPOA的目的是在LANE环境中有效地传输子网间的unicast数据。MPOA集成了LANE和NHRP以保留LANE，同时通过旁路路由器提高子网间通信的效率。MPOA允许网络层路由记算和数据传送物理地分离，这称为虚拟路由。路由计算由位于路由器中的服务器--即MPS--执行，数据传送由边缘设备中的客户--即MPC--执行。
在入口点，MPC检测通过ELAN传送给含有MPS的路由器的数据流，当它发现能够旁路当前路由路径的捷径时，它使用基于NHRP的协议请求与目的节点建立捷径，如果可行，该MPC在其入口表中记录下该信息，建立捷径VCC，通过该捷径VCC发送帧。对于使用捷径的分组，MPC从分组中去掉数据链路层(DLL)封装。
在出口点，MPC从其它MPC接收网络数据，对于通过捷径接收到的帧，该MPC加上适当的DLL封装把它们传送给上层协议。该DLL封装信息由MPS提供并存贮在出口缓存中。
MPS是路由器的逻辑成分，给MPC提供网络层转发信息，它包含NHRP中定义的完整的NHS。MPS与本地NHS和路由功能交互以回答入口MPC的MPOA请求，并给出口MPC提供DLL封装信息。
下面是ELAN内和ELAN间通信过程的简单描述。
ELAN内通信从一个MPOA主机或LAN主机到同一ELAN的另一MPOA主机或LAN主机，这些数据流使用ELAN做地址解析和数据传输。ELAN间通信从一个MPOA主机或LAN主机到不同ELAN的MPOA主机或LAN主机，短数据流使用缺省的路径，长数据流使用捷径，缺省的路径利用ELAN和路由器，捷径使用LANE和NHRP做地址解析和捷径。捷径是这样工作的：如果源节点和目的节点不在同一个MPS的管理域，入口MPS将MPOA解析请求翻译成NHRP解析请求，通过NHRP将该请求转发给出口MPS，当出口MPS收到出口MPC的回应后，它生成NHRP解析回应并把它发回给入口MPS，当入口MPC得到入口MPS的MPOA解析回应后，它与出口MPC之间就可以建立捷径了。
4.4.2 MPOA的优点和限制
MPOA从根本上将数据传送和路由计算分开，将功能分布到不同的设备，从而减少了参与路由计算的设备数目和端设备的复杂性。它可以以统一的方式支持二层和三层网络互连，因此保证了ATM环境中大规模的互连。它可以同时有效地处理突发数据和长期的数据流，但是，MPOA的复杂性有很大的争议。
4.5 IP交换
IP交换的目的是在快速交换硬件上获得最有效的IP实现，将非连接的IP和面向连接的ATM的优点互补。IP交换是标准的ATM交换加上连接于ATM交换机端口上的智能的
软件控制器，即IP交换控制器。IP交换机将数据流的初始分组交给标准的路由模块(IP交换机的一部分)处理，当IP交换机看到一个流中足够的分组，认为它是长期的，就同相邻的IP交换机或边缘设备建立流标记，后续的分组就可以高速地标记交换，将缓慢的路由模块旁路。特别的IP交换网关或边缘设备负责从非标记分组向标记分组和分组到ATM数据的转换。
每个将现有网络设备连到IP交换机的IP交换网关或边缘设备在启动时建立一个到IP交换控制器的虚信道作为缺省的转发信道，从现有网络设备接收到分组时，边缘设备通过缺省转发信道将分组传送给IP交换控制器。
IP交换控制器执行传统的路由协议，如RIP、OSPF和BGP，将分组以正常的方式通过缺省转发信道转发给下一个节点，这可能是另一个IP交换机或边缘设备。IP交换控制器还执行数据流分类，它识别长期的数据流，因为这样的数据可以用ATM硬件的cut-through交换来优化，其余的通信仍然使用缺省的方式，即点到点的存贮转发路由。
当长期的数据流被识别，IP交换控制器要求上一节给之打标记，使用新的虚信道，如果源边缘设备同意，该数据流就通过新的虚信道流向IP交换控制器。下一节点也执行同一动作。当该流独立使用特殊的输入信道和输出信道，IP交换控制器指示交换机建立适当的硬件端口映射，旁路路由软件和相关的处理开支。这个过程继续下去，该流的前面几个分组使从源边缘设备到目的边缘设备建立直接的连接。此设计使IP交换机以仅受交换引擎限制的速率转发分组。第一代IP交换机支持高达每秒5.3M分组的吞吐量。此外，因为不需要将ATM信元封装到中介IP交换机的IP分组中，IP网中的吞吐量也得到了优化。
Ipsilon给IETF提出了两种协议。通用交换管理协议(GSMP, RFC1987)允许IP交换机控制器访问交换机硬件并动态转变交换模式：存贮转发或cut-through。Ipsilon流量管理协议(IFMP, RFC1953)用于在边缘设备和IP交换控制器间交换控制信息并将IP流与ATM虚信道联系起来。
IP交换的一个重要特性是流的分类和交换在本地执行，而不是基于端到端的基础上，这保留了IP的非连接本质，并允许IP交换机绕过失效节点路由而不需要从源主机重新建立通道。
此外，流分类使IP交换同样有效地支持长期和突发数据。
然而，IP交换是基于流的，在大型网络中其伸缩性是值得质疑的，在很大的网络中流的数目可能最终超过可用的虚通道数。
有五家公司正式宣称支持Ipsilon的IP交换，它们是：Ericsson、General Datacomm、Hitachi America Ltd. 、NEC America Inc. 和DEC Ipsilon。它们试图使此技术成为事实上的标准--MPLS。
4.6 标记交换
另一个选择是Cisco公司的标记交换。标记交换网络包含三个成分：标记边缘路由器、标记交换机和标记分发协议。
标记边缘路由器位于标记交换网络边缘的含完整3层功能的路由设备，它们检查到来的分组，在转发给标记交换网络前打上适当的标记，当分组退出标记交换网络时删去该标记。作为具有完整功能的路由器，标记边缘路由器也可应用增值的3层服务，如安全、记费和QoS分类。标记边缘路由器的能力不需要特别的硬件，它作为Cisco软件的一个附加特性来实现，原有的路由器可以通过软件升级具有标记边缘路由器的功能。
标记交换机是标记交换网络的核心。所谓标记是短的、固定长度的标签，使标记交换机能用快速的硬件技术来做简单快速的表查询和分组转发。标记可以位于ATM信元的VCI域、IPv6的flow label域或在2层和3层头信息之间，这使得标记交换可用于广泛的介质之上，包括ATM连接、以太网等。
标记分发协议提供了标记交换机和其它标记交换机或标记边缘路由器交换标记信息的方法。标记边缘路由器和标记交换机用标准的路由协议(如BGP、OSPF)建立它们的路由
数据库。相邻的标记交换机和边缘路由器通过标记分发协议彼此分发存贮在标记信息库(TIB)中的标记值。
下面是标记交换网络的基本处理过程。
(1)标记边缘路由器和标记交换机用标准的路由协议识别路由，它们完全可以与非标记交换的路由器互操作。
(2)标记边缘路由器和交换机通过标记分发协议给用标准路由协议生成的路由表赋以标记信息并分发，标记边缘路由器接收标记分发协议信息并建立转发数据库。
(3)当标记边缘路由器收到需要通过标记交换网络转发的分组，它分析其网络层头信息，执行可用的网络层服务，从其路由表中给该分组选择路由，打上标记然后转发到下一节点的标记交换机。
(4)标记交换机收到带标记的分组，仅基于标记来进行交换，而不分析网络层头信息。
(5)分组到达出口点的标记边缘路由器，标记被剥除，然后继续转发。
在标记交换网络中，标记分发协议和标准路由协议可以用目标前缀标记算法集合起来，此算法可以在数据流穿过网络前在TIB中建立标记信息。这有两个意义。一个是流中的所有分组都可以被标记交换，即使是突发短数据也是如此；此外它是基于拓扑的，在每个源/目的分配一个标签。而在IP交换中只有长期数据流在一定数目的分组经过后才建立捷径。因此，标记交换比基于流的机制更有效地使用标签，避免了一个一个流的建立过程，这使之具有了公共因特网服务网络所需要的很好的伸缩性，在公共因特网中，流的数目是巨大的，其改变速率也是很高的。
4.7 MPLS
4.7.1 MPLS工作原理
按照当前的定义，MPLS是基于标记的IP路由选择方法，称为多协议标记交换。这些标记可以被用来代表逐跳式或者显式路由，并指明服务质量（QoS）、虚拟专网以及影响一种特定类型的流量（或一个特殊用户的流量）在网络上的传输方式的其它各类信息。
目前，路由协议在一个指定源和目的地之间选择最短路径，不论该路径是否超载。利用显式路由选择，服务提供商可以选择特殊流量所经过的路径，使流量能够选择一条低延迟的路径。
MPLS协议实现将第三级的包交换转换成第二级的交换。MPLS可以使用各种第二层的协议，MPLS工作组到目前为止已经把在帧中继、ATM和PPP链路以及IEEE 802.3局域网上使用的标记实现了标准化。MPLS在帧中继和ATM上运行的一个好处是它为这些面向连接的技术带来了IP的任意连通性。目前MPLS的主要发展方向是在ATM方面。这主要是因为ATM具有很强的流量管理功能，能提供QoS方面的服务，ATM和MPLS技术的结合能充分发挥在流量管理和QoS方面的作用。
标记是用于转发数据包的报头。报头的格式取决于网络特性。在路由器网络中，标记是单独的32位报头。在ATM中，标记置于虚电路标识符/虚通道标识符(VCI/VPI)信元报头。在核心，只解读标记，而不读数据包报头。对于MPLS可扩展性非常关键的一点是标记只在通信的两个设备之间有意义。
IP包进入网络核心时，边缘路由器给它分配一个标记。自此，MPLS 设备就会自始至终查看这些标记信息，将这些有标记的包交换至其目的地（参见原理图）。由于路由处理减少，网络的等待时间也就随之减少，而可伸缩性却有所增加。
MPLS数据包的服务质量类型可由MPLS边缘路由器根据IP包的各种参数来决定，如IP的源地址、目的地址、端口号、TOS值等参数。如对于到达同一目的地的IP包，可根据其TOS值的要求来建立不同的转发路径，以达到其对传输质量的要求。同时，通过对特殊路由的管理，还能有效的解决网络中的负载均衡和拥塞问题。如当网络中出现拥塞时，MPLS可实时的建立新的转发路由来分担其流量，以缓解网络拥塞。
目前，厂商采用的协议有两种，一种是基于限制的路由标记分配协议(Constraintba
sed Routing Label Distribution Protocol,CRLDP)，另一种是资源保留协议（Resource Reservation Protocol，RSVP)。标记分配协议(LDP)在边沿和核心设备之间提供通信，与路由选择协议，如OSPF、ISIS、EIGRP(增强的内部网关路由选择协议)或BGP等相结合在边沿和核心设备之间分配标记，建立标记交换路径。目前，MPLS工作组对这两种方法都使用。虽然选择常常是件积极的事情，但在解决同一问题有两个标准,显然将会带来严重的互操作性问题。许多厂商同样也发现自己肩负着实施两套协议的担子。
4.7.2 MPLS的应用
MPLS将帮助运营商提供更好的IP 服务。像AT ＆ T、Level 3、MCI WorldCom和UUNET已经开始布署和营销他们的MPLS网络了。而运营商们也面临着一个大问题，这就是：是用MPLS简化他们现存的ATM网络，还是建立没有ATM的MPLS网络。问题的答案取决于要传输什么类型的数据。包网络用MPLS 结构体系就较好，而语音和位同步数据则用ATM最为理想。
MPLS将会带来更多的带宽控制、吞吐量保证和虚拟专用网功能性。在MPLS的网络内，甚至象IP语音这样的包语音服务也会得到改进，因为等待时间缩短了，拥塞控制加强了。总而言之，所有这一切的结果都是为了让用户从服务提供商享受到更好的服务。因此，当选择供应商或评估合同时，要留意对方提供MPLS的情况。
很明显，MPLS主要是面向服务提供商和运营商。不过，它也拥有将会使
企业用户受益的许多特征，不论这些企业是使用公共的还是专用的WAN服务。
4.7.2.1 虚拟专用网
MPLS对服务提供商具有很大潜在好处的一项应用就是对VPN服务的支持。将MPLS用于VPN是通过使用ATM或帧中继永久虚拟电路（PVC）或各种形式的隧道来建立VPN，以将客户的路由器互连起来。
使用MPLS的VPN可以提供基于PVC模式的许多有利条件。客户可以选择自己的定址计划，这些计划可能会也可能不会与其它客户或服务提供商的计划重叠。每个客户都可以相信，数据只会被发送到该客户的VPN内的站点上。正因如此，加密常常是不需要的，这点不同于许多隧道方式。不过，和PVC模式不同，MPLS VPN模式随着站点和客户的不断增加可以达到很高的可伸缩性。它也支持一个VPN内的站点中任意两点之间的通信模式，而无需安装一个完整的PVC网格或者在服务提供商网络上将流量往回传输。对于每一个MPLS VPN 客户，服务提供商的网络似乎提供了一个虚拟专用骨干网，客户可以通过它与机构内的其它站点取得联系，而不能与任何其它客户的站点取得联系。
从客户的角度而言，MPLS VPN模式的一个重要有利条件是，在很多情况下，相对于PVC模式，路由选择可以得到大大简化。MPLS VPN客户不是通过一个由许多PVC组成的技术复杂的虚拟骨干网来管理路由选择，而是可以使用服务提供商作为通往该公司的所有站点的默认路线。
VPN服务提供商常常需要向客户提供一系列服务质量（QoS）。MPLS VPN利用新的差分服务技术来支持QoS。这些技术根据各种策略如源站点、应用类型等，允许客户流量在进入提供商网络时被分类。在这个网络内，流量类型由标题位或者由不同的标记来识别，路由器利用它们来确定排队待遇，并因此确定时延和损失之类的QoS参数。
4.7.2.2 流量工程
MPLS为服务提供商提供的另一好处是在流量工程领域。流量工程一词指控制网络中的通信流的能力，目的在于减少拥塞并充分利用可用的功能。
例如，在下图所示的这个流量工程例子中，有两条从路由器C到路由器E的路径。如果一个路由器选择了其中一条从C到E的最短路径，那么它就会传送所有预定前往那些通过E可以抵达的网络通信。因而在该路径上带来的流量可能会造成拥塞，而另一条路径则负载不足。为了最大限度地提高整个网络的性能，将一部分流量从一条链路转移到另一条链路也许是可取的办法。
虽然人们在这个简单的例子中可以设定C－D－E路径的成本等于C－F－G－E路径的成本，但这种负载均衡方法在复杂的拓扑网络中会变得十分麻烦（虽然这种方法不是不可能）。使用MPLS实现的显示路径可用作解决这一问题的一种更加简单和灵活的方式，以便让一条拥挤的路径上的一部分流量被转移到一条不太拥挤的路径上。
流量工程问题的解决方案即通过各种不同的控制模块建立标记和标记交换路径。例如，流量控制模块可以建立一条从A 到C到D到E的标记交换路径，另一条从B到C到F到G到E的路径。通过定义一些选择某些信息包来跟随这些路径的策略，可以对网络上的通信流进行管理。
MPLS今后将会利用基于限制的路由选择来确定流量工程策略。在这种环境中，只需指定网络的不同点之间预计流动的负载量（一个流量矩阵）,路由选择系统将会计算出传送该负载的最佳路径，并因此确定显式路径。
4.7.2.3 IP与ATM集成
MPLS能够让ATM交换机执行IP路由器的几乎所有的功能。它之所以拥有这一能力，是因为MPLS的转发模式——标记交换——与ATM交换机硬件提供的转发模式完全相同。传统的ATM交换机与ATM标记交换机之间的主要差别在于用来建立交换机上的VCI表项的控制软件。ATM标记交换机使用IP路由选择协议和标记分配协议（LDP）来建立这样的标记项。
一个ATM标记交换机可以同时作为一个传统的ATM交换机。在这种环境中，交换资源（如VCI空间或带宽）在传统的ATM控制面和MPLS控制面之间被划分。MPLS控制面可以用来提供基于IP的服务，而ATM控制面则提供像电路仿真这样的面向ATM的服务或者PVC服务。
MPLS是一项能够为服务提供商实现许多新的服务的通用技术。它带来了一种利用QoS（包括内部网和外部网）来提供虚拟专网服务的灵活方法，这样为服务提供商提供了良好的可伸缩性，允许使用各种QoS，并减少了VPN客户的管理负担。MPLS的流量工程特征作为一种管理路由网络的流量和链路利用率的方式是很有用的。最后，作为一种集成ATM和IP技术的方法，它对希望使用ATM骨干网来建立一个多服务网络的提供商来说是有利的。
