5.3 ATM交换
5.3.1 ATM交换原理
相对于数字程控交换中以时隙为基本处理单位的时隙交换，ATM交换以信元为基本处理单位，完成信元交换。
1．信元交换
由于ATM信号是异步时分复用信号，以虚电路标识区分各路输入信号占用子信道。因此，ATM交换不能像数字程控话音信号那样，通过对时隙的操作实现信息交换。在ATM网络中，信元的交换是根据存储的路由选择表，并利用信头中提供的路由信息（VPI／VCI），将信元从输入逻辑信道转发到输出逻辑信道上。
ATM交换机的核心是ATM交换网络，它具有N条入线和N条出线，每条入线和出线上传送的都是ATM信元流。ATM交换的基本任务就是：将占用任意一个输入线任一逻辑信道的信元，交换到所需要的任意一个输出线的任一逻辑信道上去。因此，信元交换包含两项工作，第一是将信元从一条入线传送到另一条出线的空间交换，第二是将信元从一个输人逻辑信道传送到另一个输出逻辑信道的时间位置交换（这是因为同一物理线路上的各个逻辑信道以时分复用的方式共享物理线路）。
ATM交换系统中以信头的虚电路标识（VPI/VCI）表示信元所占用的输人逻辑信道号，通过翻译表（路由选择表）查找出该虚电路对应的出线及新的虚电路号，并以新的虚电路号取代原有的虚电路号，从而完成了信元信息的修改。因此，ATM信元交换实际上就是根据翻译表变换信头值（VPI／VCI）。翻译表反映了所有入线的虚电路标识与出线的虚电路标识的对应关系，是在连接建立阶段写入的。翻译表的内容、生成和更新方式等与路由选择的控制方法（自选路由、表格控制选路）有关。
2．信元排队
由于输入、输出线上的信元是异步时分复用的，有可能在同一时刻多条入线上的信元需要去往同一出线或抢占交换结构的同一内部链路，这时就会产生竞争。为了避竞争引起的信元丢失，交换结构应在适当位置设置缓冲器以供信元排队。根据信元的不同优先级别，当出现争抢资源时优先级低的信元要在缓冲器中等待。
根据交换结构中缓冲器的物理位置不同，交换结构缓冲方式分为三种：输入排队、输出排队和中央排队。分别把缓冲器设置在交换结构的输入端、输出端和交换网络内部，无论那种方式，目的都是对发生竞争的信元通过缓冲器存储，等候对它们“放行”的时机。但是，当缓冲器被充满时，仍然会产生信元丢失，此时需要根据信元的优先级首先丢弃那些优先级低的信元。适当加大缓冲器的存储空间，可减少信元的丢失概率。
5.3.2 ATM交换机的结构
ATM交换机一般由入线处理部件、出线处理部件、交换结构和接续控制单元等模块组成，如图5-7所示所示。
图5-7 ATM交换机结构
1．入线处理部件
用于接收输入信元，将其转换成为适合送入ATM交换结构的形式，主要的处理功能有：
（1）将串行码的光信号转换成并行码的电信号；
（2）信元的定界和分离；因为输入信元是嵌入到某种传输帧格式中的，例如 PDH或SDH的帧结构。入线处理部件需从信元所在的帧结构中，定界各个信元并将其从帧结构中分离出来。还要处理帧结构携带的线路OAM信息以判断线路状况，一旦发现故障应产生告警；
（3）信元的有效性检验和类型分离：信元在线路传送过程中可能产生误码，应对分离出来的信元进行HEC检验以便抛弃损坏的信元。还要根据PTI对信元分类，挑出不需要交换的信元。例如：对空闲信元应该抛弃、对OAM信元应该处理其中的维护管理信息；
（4）为信元通过交换结构进行路由选择，确定输出信道、检查 VPI／VCI的有效性等。
2．出线处理部件
出线处理部件与入线处理部件的功能相反，它将A TM交换结构输出的信元转换成为适合在线路上传输的形式。主要的处理功能有：
（1）与OAM信元流的复合：交换结构输出的信元流应与有关的OAM信元流合成，形成送往出线的带有维护管理信息的信元流；
（2）速率适配：当ATM信元流的传输速率比输出线上的传输速率低时，需要添加空闲信元；当比输出线上的传输速率高时，应该设置缓冲存储器对信元进行缓存；
（3）形成线路码流：产生特定的传输帧结构（如PDH或SDH），将信元嵌入，并产生传输帧结构中需要的OAM信息。
经以上处理后，即获得可以送往线路传输的二进制码流。
3．交换结构
交换结构执行信元交换的任务。根据路由选择信息修改输入信元的VPI／VCI值、将信元从入线处理部件传送到指定的出线处理部件。除路由选择功能之外，交换结构还要完成信元缓冲、拥塞监测、广播发送等工作。ATM交换结构有多种类型。
4．接续控制单元
接续控制单元通过处理信令信息。对交换结构进行接续控制，完成连接的建立、释放、带宽的分配以及维护和管理功能。例如当收到一个建立虚通路的信令信元时，经过分析后若确定可以建立，则向交换结构发出建立连接的控制信号，并通知交换结构，以后凡是来自这一虚通路的信元均被送到某一指定的出线上，上述过程都由是接续控制单元完成的。
5.3.3 ATM交换结构
与数字程控交换类似，ATM交换结构也可以分为：时分和空分两种类型。
（1）时分交换结构：所有的输入、输出端口共享一条高速的信元流通路，共享的这条高速通路可以是共享媒体（总线、环型网络）也可以是共享存储器型的。交换结构的交换容量受总线速度、存储器容量和存取速度的限制。这种结构容易实现点到多点的操作；
（2）空分交换结构：是指输入和输出端口之间有多条信元通路，不同ATM信元流通过选路，可以在不同信元通路上并行的通过交换结构。选路的方法可以是自选路由也可以是表选路由（预先设计好路由选择数据表，以供查阅）。这种结构的交换容量受每条通路的带宽和同时传送信元的通路平均数限制。空分结构根据一对输入、输出端口之间的路径数多少又有单路径和多路径结构之分，多路径结构应付突发业务的应变能力较单路径结构优越。
