1,3.4 典型的交换单元介绍,3.4.1 Knockout交换单元 美ATT Bell 实验室(Yeh, 1987) 结构性质：基本上属于输出排队(主流)，但掺杂一些其它构成方式(相结合) 系统结构(1) N条入线，N条出线 (2) 入线出线之间：总线接口单元 (3) 所有入线都接到一个对应的总线接口,2,总线接口单元,3,总线接口中集中器的业务量性能, 工作机制：集中器是总线接口单元中的一个中间部件，完成N条入线到L条出线的集中(L N)。当N条入线上同时有K个信元到达时，If K L，则K个信元将完全通过集中到达1L条出线，IF KL，则只有前L个信元到达集中器的输出，其余K-L个信元将被集中器 丢弃。 解析模型： 原则：发生在集中器上的信元丢失概率不能大于knockout交换器其它环节的信元丢失率。概率模型：设所有入线上的信元到达是不相关的，均匀负荷且为P，并且均等地寻址到每个输出端口，则K个信元同时到达集中器的概率PK符合二项分布即如果仅允许最大有L个信元穿过集中器，则丢失信元的概率为,4,信元丢失性能分析, L=12时，N64，P10-11 L12时，N，P10-10,5,信元丢失性能分析(Cont.), N=，负荷为80%时L=12，P10-11 N=，负荷为100%时L=12，P10-10,6,集中器的竞争原理(8输入/4输出为例), 22竞争开关 轮/场/组,7,移位寄存器(为什么需要？),8,移位器工作原理(目的：均衡负荷/载),9,Knockout结构的扩展,由NN交换扩到2N 2N交换(改变总线接口单元),10,Knockout结构如何实现Multicast通信, Broadcast通信较容易实现。 在总线接口单元的基础上增设Multicast Module, 在N条输入总线上增加M条组播总线，总线接口单元改成NM条输入。,11,具有信元复制功能的Multicast Module, 信元复制器把到达的某个信元按要求产生n个具有不同目的地址的拷贝信元。 在信元复制器正在拷贝信元期间，其它到达信元被暂时缓冲在cell buffer中。 N的个数和目的地址值由Multicast Virtual Circuit表决定，此表在有连接要求的新的目的地址加入时被更新。 (Eng. K, 1998)提出新的方法加以改进。,12,3.4.2 Coprin交换单元,References1. Coudreuse J.P. Servel M., “Prelude: an asynchronous time-division switched Network”, ICC87, Seattle, June 19872.李海萍，刘斌，“基于Prelude思想的实用ATM交换模块”内部资料，网上文件(prelude.zip)。,13,作业,1. (指出)ATM交换机中常用的信元排队方法、并比较他们的性能？ 2. 假定在Coprin交换单元中，参与交换的信元长5 Byte, 其中1 Byte净荷域，见下图所示：信元按信头标志交换。同时假定经相位对准以后到达Coprin复用器的信元时基如下图所示：请按顺序画出符合上述交换要求的空分交换的5种状态？,14,Coprin交换：基本情况, 最初，实验目的的设计，CNET(法国电信研究中心)研制和实现，(Coudreuse,1987) 有报道。 规模：信元长度16Byte = 15Byte净荷1Byte信头 link speed 280Mbit/s 16 16空分矩阵 18Byte信头指导连接参考号相当于VPI/VCI 举一个简化的例子来讲其原理 (按四字节信元)4 Bytes cell,15,Coprin交换器系统组成与工作步骤, 在线路上完成信元同步信头差错控制 ete.标准功能 交换器 复用器 (Super Multiplexing)缓冲存储器 (Buffering)分路器 (Demultiplexing)控制器 (Controller)操作特点：(1) 所有的信元都作为并行的信元流进行操作(2) 所有信元都由中央控制器顺序处理,16,Coprin交换器：特殊的复用器,17,Coprin交换器：特殊的复用器,复用器的特点：(1) 所有信头被一空分交换器集中交换到一条 特定的出线上，(该出线上完全有信头值)(2)空分交换器动态改变其交换状态(有限集，循环方式)来达到对输入线路上的信元字节(单位粒度)进行交替复用之目的使得(除信头出线外)，第一条出线上输出所有信元的第一字节(净荷)第二条出线上输出所有信元的第二字节第N条出线上输出所有信元的第N字节,18,Coprin交换器：空分交换器的四种状态,(3) 要达到上述目标的一个简化举例的四种状态如下：,19,Coprin交换：缓冲存储器,可以被认为是中央排队系统(但有一些特殊性) 特殊性体现在： (1) 逻辑上分成多个区 信头域第一字节域第N字节域(2) 对一个完整的信元有效存放方式是地址1(斜式)排列写入 / 读出地址，操作有特色,20,Coprin交换：Supermultiplexing,21,Coprin交换：分路器, 从存储器中得到斜排列的信元 通过空分交换来完成信元重构 分路器的空分交换状态与复用器恰好相反(请参考复用器部分不再详述),22,Coprin交换：分路器, 信头翻译 产生读出信元的信头域地址 产生broadcast/multicast操作 操作原理 (1) 信头翻译表N个输出链路对应的信元头FIFO队列集合选择器附带的读地址控制逻辑(2) 翻译表数据结构,23,Coprin交换：分路器,24,Coprin交换：缓冲存储器控制与翻译表(Cont.),(3) 选择器按时基读出当前从Memory中取出哪个信元的信头地址，选择策略可以 轮转 最长FIFO队列其它方针 (4) 一个时基读出地址到下一个时基读出地址，要维护地址1，以便把整个信元的净荷字节读完。,25,Coprin交换：信元存储器组织,26,4. ATM交换机构(ATM Switching Fabric),1. 几个概念 ATM交换单元(ATM Switching Element) ATM交换机构(ATM Switching Fabric) 基本的ATM交换模块 Basic ATM Switching Module(Block)以上几个不同的概念在容量、结构(构成)和控制方式等方面存在着不同。 2.典型的ATM交换单元 Roxanne(R)交换单元 Coprin交换单元 Athena交换单元 其它,27,4. ATM交换机构(ATM Switching Fabric),3. ATM交换机构 Roxanne交换机构 Bss交换机构 Athena交换机构 St. Louis交换机构 Batcher-Banyan多级互连网,28,Roxanne(R)交换单元,基本情况 简称为R交换单元 Alcatel研究学者，Henrion (Henrion, 1990) 中央排队，在介绍原理时称为SBM(Shared Buffer Memory) R交换单元在以下的介绍中也叫ISEISE：Integrated Switching Element规模：3232/155.520Mb/s每口号称：单片集成交换单元(作为过渡产品，16 16的实验系统曾被实验过)。,29,(R)交换单元：系统结构, L=64bit,总线周期为64bit/150Mbit/s=0.43us 采用双端口RAM实现SBM，操作速度是0.43/3213ns,30,(R)交换单元：选路逻辑,功能： 完成信元路由标签处理 数据结构如下：,31,(R)交换单元：SMB原理、方法及缓冲器管理策略,两种共享存储器管理方法： 1.完全共享(Full sharing) 2.部分共享(Partly sharing),32,(R)交换单元：空闲地址链表管理, 从空闲地址池中拿走一个地址单元：写进一个信元 释放链上的单元到空闲地址FIFO：读走信元,33,(R)交换单元：Multicast, R交换单元实现Multicast通过信元拷贝的方式，Cell copy的原理类似于Coprin中的输出控制地址队列机制。 对应Multicast的扇出值，需建立对应信元拷贝计数器，每拷贝送出一个信元，计数器的值减1，直到计数器值减到零表示完成该Multicast操作。 R交换单元(以及之后我们要讨论到的R交换机构)中使用路同标签来实现Routing,而路由标签呈现为一串bit的形式，它不足以用来指示应向哪些出线提供信元拷贝，所以信元拷贝的数目以及相应的地址被存储在ISE内部一个特殊存储器中。 由于采用链表技术管理存储单元时，在Multicast情况下，读走某个单元并不马上释放该单元，所以控制操作会进一步复杂。,34,(R)交换单元：双端口存储读、写原理,35,MIN：Multistage Interconnection Network, MIN： 多级互连网 内部有阻塞：交换机构内部会发生信元丢失内部无阻塞：交换机构内部无信元丢失(如有阻塞的话，仅发生在交换机构的边缘上) MIN的路由控制分类 Routing in a Multistage Interconnection Network,36,多级互连网的路由控制：几个注意点, 在什么地方加入路由信息 什么时间作选择路由决策 基于连接指连接为单位(粒度) 基于信元以信元为单位(粒度) 对Routing tag + Cell based 的情况则是将路由标签事先帖在信元前头和信元一起传递,37,基于连接的路由控制,38,基于信元的路由控制,39,R交换机构, 以上曾介绍过R交换单元 R交换机构由R交换单元通过MIN方式构成 R交换机构具有以下一些特征(1) 内部有阻塞(2) 呈现三级折叠多平面交换网络拓扑(3) 信元在交换机构的入口处被加上路由标签(routing tag)，在出口处删掉路由标签，并且 按类型实现点到点连接 按类型实现点到点连接,40,R交换机构拓扑结构：三级折叠对称网络,41,R交换机构的扩展,42,R交换机构：128128标准交换模块,43,R交换机构：多通路自选路由交换器, 多通路自选路由交换器为了降低ATM信元的阻塞率10-10，采取了以下三项措施：(1) 在基本交换单元内部设置排队(ISE)(2) 设置多个平面(0.4Erl.0.53Erl)(3) 在网络中设置多条通路以便尽可能多地分配业务流量 在交换机构的输出端口对信元进行重新排序对每个输入信元帖上 time stamp排序缓冲器输出队列合而为一 20%队列长度,t,恒定交换时延,