第7章 ATM交换技术
ATM交换技术
第七章ATM交换技术本章教学基本要求：1．了解ATM的定义及信元结构；2．理解虚信道和虚通路；3．理解ATM协议分层结构；4．理解ATM交换的基本原理；5．理解ATM连接的建立和清除；6．掌握ATM交换机的组成；7．掌握ATM交换结构。
本章教学主要内容：一、ATM的基本概念二、B-ISDN/ATM协议三、ATM交换的基本原理四、ATM交换机的组成五、ATM交换结构六、ATM连接建立和清除一、ATM的基本概念1．ATM的定义ATM（Asynchronous Transfer Mode），即异步转移模式，被ITU-T定义为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式。
术语“转移”包括了传输和交换两个方面，所以转移模式是指信息在网络中传输和交换的方式。
“异步”是指在接续和用户中带宽的分配方式。
因此，ATM就是在用户接入、传输和交换级综合处理各种通信量的技术。
2．ATM的信元结构ATM信元的长度是固定的，而且信元的长度较小，只有53字节，分为信头和净荷两部分，信头为5个字节，净荷为48个字节。
ATM信元的信头内容在用户-网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）中略有差别，如图7.1所示。
(1)GFC：一般流量控制，4比特。
仅用于UNI接口，用于控制ATM接续的业务流量，减少用户边出现的短期过载。
只控制产生于用户终端方向的信息流量，而不控制网络方向的业务流量。
(2)VPI：虚通道标识，其中NNI为12比特，UNI为8比特。
(3)VCI：虚通路标识，16比特，标识虚通道内的虚通路，VCI与VPI的组合来标识一个虚连接。
(4)PTI：净荷类型指示，3比特，用来指示信元类型。
(5)CLP：信元丢失优先级，1比特。
用于信元丢失级别的区别，CLP为1，表示该信元为低优先级，为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。
(6)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。
ATM交换技术
ATM交换技术ATM交换技术英⽂名称；Asynchronous Transmission Mode(ATM) Switching Technol ogy检索词：ATM;传输;交换;通信;军事技术类别：信息系统技术;信息传输;⽹络与交换;[定义]异步传送模式(ATM)交换技术是⼀种包含传输、组⽹和交换等技术内容的新颖的⾼速通信技术。
它是由产业界、⽤户团体、研究机构和标准化组织开发和定义的。
它被设计成满⾜下⼀代通信技术要求，如⽀持带宽资源的有效利⽤，有利于有各种类型的⽹络互连以及能够提供各种先进的通信业务。
它被看作是先进和有效的军⽤和民⽤通信的先进通信技术。
特点: 从技术上看，ATM是从快速分组交换技术演变⽽来的，⽤于信息传输的基本的ATM数据单元是ATM信元。
这种ATM信元的长度是固定的，并由53个8位字节组成，其中包括5个8位字节的头标字段和48个8位字节的信息有效载荷字段。
⼀个ATM信元的总的结构⽰于图1 。
ATM具有分组交换和电路交换的特征，并包含传输、组⽹、多路复⽤和交换技术。
它与其他技术相⽐，如X.25帧中继交换或帧中继能够更有效地满⾜通信需求。
┌───────┬──────────┐│头标字段│信息(有效载荷)字段││(5个8位字节) │(48个8位字节) │└───────┴──────────┘图1 ⼀个ATM信元类属结构[相关技术]⽹络技术;交换技术;分组交换技术;传输技术;数字技术[技术难点]ATM以固定信元长度传送所有的信息,技术复杂,实现起来代价⾼。
在军事应⽤中,特别是在移动通信中如何使误码率达到标准要求难度较⼤。
此外,ATM技术在发展过程中还将遇到IP技术的挑战。
[国外概况]1.ATM的起源和发展ATM的概念起源于1983年美国贝尔实验室技术⼈员提出的快速分组交换和1984 年法国电信提出的异步时分交换的设计思想。
快速分组交换采⽤硬件交换进⾏路由选择, 采⽤固定分组长度,简化差错控制规程,从⽽使接⼊速率可以达每秒百兆⽐特以上, 分组传输和处理时延可以达到微秒级,并实现实时分组交换。
ATM交换技术
ATM是一种传输模式，在这一模式中，信息被组织成信元，因包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现，这种传输模式是异步的。
ATM是网络新技术，它采用基于信元的异步传输模式和虚电路结构，根本上解决了多媒体的实时性及带宽问题。
实现面向虚链路的点到点传输，它通常提供155Mbps的带宽。
它既汲取了话务通讯中电路交换的“有连接”服务和服务质量保证，又保持了以太、FDDI等传统网络中带宽可变、适于突发性传输的灵活性，从而成为迄今为止适用范围最广、技术最先进、传输效果最理想的网络互联手段。
一、ATM的产生自Alexander Graham Bell于1870年发明电话后，•为有效地连接日益增多的电话用户，电话交换网应运而生。
它经历了人工交换，机电式自动交换系统以及数字程控系统发展过程，但电路交换的原理一直未变。
随着计算机的普及，电话网通过使用Modem来进行计算机数据传输及数据信息交换，随之产生了公用数据网，其典型的代表是X.25分组交换网，它是基干包交换的一种技术，具有信输可靠性高的优点，但由于Modem•速率及交换技术本身限制， X.25只能处理中低速数据流。
虽然LAN(局域网)技术的发展突飞猛进, 如Ethernet 、Token ring、Token bus等，传输速率已可达千兆,但它局域网的性质本身就大大限制了LAN的大规模的覆盖及应用，目前的LAN•一般用于企业内部的数据传送,无法形成广域网的规模。
由此我们不难看出，传统网络普遍存在以下缺陷：第一,业务的依赖性，一般性网络只能用于专一服务,公用电话网不能用来传送TV 信号，X.25不能用来传送高带宽的图像和对实时性要求较高的语言信号；第二,无灵活性，•即业务拓展的可能性不大,原有网络的服务质量，很难适应今后出现的新业务;第三,效率低，一个网络的资源很难被其它网络共享。
随着社会不断发展,网络服务不断多样化，人们可以利用网络干很多事情,如收发信件、家庭办公、Video on demand、网络电话，•这对网络的要求越来越高,有人还不禁提出这样一个想法:能否把这些对带宽、实时性、传输质量要求各不相同的网络服务由一个统一的多媒体网络来实现，•做到真正的一线通?回答是肯定的,这就是ATM网。
ATM交换技术
异步转移模式(Asynchronons transfer mode)简称ATM，是一种集传输与交换于一体的通信模式。
ATM已成为二十一世纪宽带通信的关键技术，已被国际电联确定为宽带综合业务数字网的基本传送方式。
9O年代初计算机网络发展兴起，网络传输媒体光纤化和多媒体技术商用加快。
面对巨量信息传输需求，传统的网络技术，如以太网、快速以太网、FDDI，无论是在传输速度和连接方式等方面都无法适应用户的需求。
应运而生的ATM技术是在传统的电路转移模式和分组转移模式基础上发展起来的新兴信息转移模式。
它具有传输速度快、距离不受限制等特点，其集语音、图像和声音传输于一体的特色，尤其适合多媒体业务的应用。
ATM技术是一种集电路交换和分组交换两种优点为一体的传输方式。
它采用53字节的固定信元交换技术，兼有分组交换的可调带宽和高速度，以及电路交换和信元交换的低时延等特点，由于信元字节固定，交换可以由硬件交换技术来实现路由的选择。
ATM交换技术适用于局域网（LAN）和广域网（WAN），为用户提供统一网络技术的解决方案。
传统的广域网技术与目前的局域网技术是不同的，当局域网和广域网连接时需要路由器来进行协议交换。
现有的ATM 技术可支持622M、155M和25M等不同速度规范，其中155MbpS是目前最成熟的技术。
ATM技术的主要优点是：在实现宽带通信中，不同速率的数字业务，如数据、话音、高分辨图象、宽带电视均由同一个网络传送，信息被分别拆卸改装成53个字节固定长度的信元（其中48个字节为有效信息，5个字节为标头或称信元头，标头上存储传输地址的信息等），然后进行快速分组交换，以满足不同业务传输的需求。
ATM运行速度高是处理固定长度的信元，信元长度短，延迟时间较少，总吞吐量可以从2.5Gb／s到IOGb／s，可以满足局域网（LAN和广域网（WAN）的需要。
常用的以太网只有1OMb／s，令牌环只有16Mb／s。
ATM以其高吞吐量成为能工作于不同带宽和众多装置之间最佳连接方式。
现代交换技术ATM交换
现代交换技术
特点：
① 复用基本单位：信元(信元头标记出不同用户的信 元)
② 具有同样标记的信元呈现出一种无规则的再现模式。 (即它不对应某个固定时隙，也不周期性地出现，它和 时域的位置之间没有任何关系，信息只按信头的标记来 区分，为此称为标记复用)
③ 每路信元的再现频次决定于该路业务所要求的比特 率。(比特率高的业务信元再现的频繁，集中；比特率 低的业务信元再现的稀疏)
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现代交换技术
7.1.5. ATM交换原理
ATM是面向连接的，具有电路交换和分组交换的双 重性。
① 它需要在通信双方间建立连接，通信结束后再通过 信令来拆除连接(具有电路交换特点，但却采用了异步时 分复用)。
虚通路VC(Virtual Channel)
表示单向传送ATM信元的逻辑通路
VCI(Virtual Channel Identifier)：虚通路标识，标识一 条具体的VC链路。
VC链路：两个相邻ATM实体间的一条虚通路。
VCC：虚通路连接，级联的VC链路组成
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7.1 ATM的基本概念
7.1.1 ATM的含义
ATM：异步转移模式（Asynchronous
Transfer Mode ）是一种采用异步时分复用方式、 以固定信元长度为单位、面向连接的信息转移 （包括复用、传输与交换）模式。
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ATM交换技术
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 B-ISDN参考模型B-ISDN的协议参考模型如图1-1所示。
现代计算机网络原理ATM交换技术
3
基于异步传输
ATM交换技术以异步方式传输数据，使得不同类型的数据可以在同一个网络上进 行传输。
ATM交换技术的特点和优势
高速传输
ATM交换技术能够以高速率传输数据，满 足多媒体应用对带宽和实时性的要求。
多路复用
ATM交换技术可以同时传输不同类型的数 据，提供灵活多样的应用支持。
可靠性和可伸缩性
ATM交换技术具有良好的可靠性和可伸缩 性，可以适应不同规模的网络和流量需求。
2 ATM交换技术的背景
ATM交换技术的发展源于对传统电路交换技术的限制和需求的变化，它可以更好地满足多 媒体数据传输的需求。
ATM交换技术的工作原理
1
虚电路交换
ATM交换技术使用虚电路交换模式，通过建立虚电路来实现数据传输。
2
分组交换
数据被分成固定长度的小组（称为ATM单元）进行交换，提供高效的数据传输。
现代计算机网络原理ATM 交换技术
在现代计算机网络原理中，ATM交换技术起着重要作用。本节将介绍ATM交换 技术的定义、背景和工作原理，并探讨它在网络通信中的特点、优势以及应 用领域。同时，还将展望ATM交换技术的未来发展趋势。
ATM交换技术的定义和背景
1 什么是ATM交换技术？
ATM（Asynchro no us Transfer Mo d e）交换技术是一种高速、多路复用的数据传输技 术，应用于计算机网络中。
教育行业
ATM交换技术在教育领域中支持远程学习和在 线教育。
ATM交换技术的未来发展趋势
1
更高带宽和更低延迟
随着技术的进步，ATM交换技术将
网络与云服务融合
通信现代交换第7章 ATM交换技术
ATM虚连接
Port VPI VCI 1 1 1 2 26 44
A
UNI信元 VPI =1 VCI =1
1
2
3
NNI信元 VPI =26 VCI =44 NNI信元 VPI =6 VCI =44
3 1
UNI信元 VPI =20 2 VCI =30
B
1
Port VPI VCI 1 26 44 2 2 44
3
2
NNI信元 VPI =2 VCI =44
3 1
2
Port VPI VCI 1 6 44 2 20 30
ATM虚连接（VC）
Port VPI VCI 1 2 44 2 6 44
1.在数字程控交换机中的软件程序中，对于用户 的扫描识别，一般采用群处理方式，若某处理机在 进行摘机识别时，得到本次的扫描结果为01111110， 前次的扫描结果为10101100，试问： （1）什么是群处理？ （2）单个用户摘、挂机识别公式分别是什么？ （3）该处理机应对哪几个用户的摘机进行处理？
问题：能否把这些对带宽、实时性、传输质量 要求各不相同的网络服务由一个统一的多媒体 网络（B-ISDN）来实现？ 答案：
交换技术发展历程：电路交换->分组交换->帧中继 ->ATM
二、ATM的总体
综合电路和分组交换的优点：定长与异步
5 Bytes
48 Bytes
定长的数据包
4
3
2
1
A
D
C B A
T M 复 用
器
D 4 图 像
A 3 数 据
C
C
1 语 音
2 语 音
ATM统计复用示意图
ATM是快速分组交换技术、采用统计复用方式
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制作：邵黎
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第7章 ATM交换技术
三、ATM信元传送处理的基本原则
1．信息发送顺序
从字节1起始，8bit的字节以增序方式
发送；对于各域而言，首发比特是最高有
效位（the Most Significant Bit，MSB）。
对信息域不采取任何纠错和检错措施。
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第7章 ATM交换技术
缺省方式
纠正信头的 一位错码。
接收端信头差错控制方式
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第7章 ATM交换技术
3．信元定界方法
由于信元之间没有使用特别的分割 符，信元的定界也借助于信头差错控制 HEC字节实现。 三种不同的状态： 搜索态、预同步态和同步态。
PBX
PBX
NNI
专用UNI ATM网络 工作站
公用ATM交换机
高清晰度电视
家用电话
B-ISDN
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异步转移模式ATM是一种采用异步时 分复用方式、以固定信元长度为单位、面 向连接的信息转移（包括复用、传输与交 换）模式。
信元的格式与业务类型无关，任何业 务的信息都经过分割后封装成统一格式的 信元。用户信息透明地穿过网络(即网络对 它不进行处理)。
ATM 交换机 UNI
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电话 数据 图像
ATM 复用系统
第7章 ATM交换技术
公共电话
LAN
用户家区 专用UNI ATM交换机 专用UNI
d i g i t a l
d i g i t a l
公用ATM交换机 公共UNI 622Mbit/s NNI 公共UNI 155Mbit/s NNI NNI 公共UNI 155Mbit/s
第7章 ATM交换技术
5．面向连接方式
在ATM系统中，用户通信采用面向连 接的方式，经一个由系统分配给自己的虚 电路进行传送。
交换节点完成的是虚电路的交换，同 一虚电路上的所有信元都选择同样的路由， 经过同样的通路到达目的地。
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6．虚通路和虚信道 ATM 系 统 中 的 虚 电 路 有 虚 通 路 （Virtual Path，VP）和虚信道（Virtual Channel，VC）两种。 ATM传输通道可分割成若干个逻辑子 信道 ，为便于应用和管理。
(a)UNI格式
HEC为信头差错控制，8 图7.3 ATM信元的信头格式 比特，用于信头中的差错 ATM信元头格式 控制和信元同步。 制作：邵黎
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第7章 ATM交换技术
GFC（Generic Flow Control）：
一般流量控制字段（4个比特）用于
接入的流量控制。由于B-ISDN的UNI接入
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主要的特征：
• 所有信息以信元形式发送
• ATM是面向连接的技术
• 每一信元都具有连接识别的标号
• 标识符只在特定物理链路上才是唯一的
• 信息域被透明传输
• 信元流被异步时分多路复用
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第7章 ATM交换技术
二、ATM的信元结构
ATM信元是ATM的基本信息单元， 根据对传输效率、时延（包括打包时延、 排队时延、时延抖动和相关的信元组合恢 复时延）和实现复杂性三方面因素的综合 考虑，采用了53字节的固定信元长度。
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第7章 ATM交换技术
首发比特是最高有效位
发送次序
8
发 送 次 序
7
6
5
4
3
2
1
1 5 6
信头（5字节）
… ………………. ……
信息段（48字节）
53
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第7章 ATM交换技术
2．误码处理方法
在传送ATM信元的网络（简称ATM 网络）中，通过对信头部分的信头差错控 制（HEC）字节进行检验，可以纠正信头 的一位错码（因光纤传输误码主要是单比 特误码）和发现多位错码，对无法纠正的 信元予以丢弃。
具有特定信头值（不包括HEC域） 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 的信元被定义为空闲信元。 • 空闲信元只用作信道填充，以保持ATM 信道的恒定传送速率； • 在接收端应把收到的空闲信元丢掉。 信道填充方法使得信道上永远处于 信元传送状态。
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= 1标识）的3个通信， 两个是数据通信，一个是电话通信（分别 用VCI = 4、5、6标识） 在每段传输通道上VPI的值是 唯一的，以区别不同的虚通 向广州方向（用VPI = 2标识）的2个通信， 道；在虚通道VP上，VCI的 值是唯一的，以区别不同的 一个是视频通信，一个是电话通信（分别 虚信道，不同虚通道上的 用VCI = 5、6标识） VCI的值可相同。VPI和VCI
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VPI/VCI在用户建立连接时分配，并
在信息传输途经的ATM交换结点上建立
输入/输出映射表；传输信元时，交换机
根据信元头的VPI/VCI查映射表，形成新
的VPI/VCI，填入信元头。
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第7章 ATM交换技术
PT（Payload Type）： 载荷类型，有3个比特，标识信元信息 域的信息类型（用户信息信元和网络信息 信元）。用来区分该信元是用户信息或非 用户信息。 b4=0（用户信息） b3：拥塞指示（0－未拥塞，1－拥塞）， 由交换机根据当前状况设置； b4=1（管理信息） b3=0表示操作管理信息；b3=1表示资源 管理信息。
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第7章 ATM交换技术
在这样的通信业务条件下，传统的电 路交换和分组交换都不能胜任，一种新的 传送模式——异步转移模式（ Asynchronous Transfer Mode，ATM）出 现了。
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第7章 ATM交换技术
7.1.1 ATM的基本概念
一、ISDN和ATM ISDN（综合业务数字网）是以电话网 PSTN为基础扩展而成的通信网，它提供 包括端对端的数字连接，用来提供包括语 音和非话业务在内的多种业务，用户能够 通过一组标准多用途的用户/网络接口接入 到这个网络。
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第7章 ATM交换技术
逐比特检查 连续收到 n 个 不正确的 HEC 逐信元检查 同步态 收到 正确 的 HEC 收到 不正 确的 HEC 搜索态
连续收到 m 个 正确的 HEC
预同步态 逐信元检查
制作：邵黎 图 4.10 信元定界方法
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第7章 ATM交换技术
4．空闲信元和信道填充
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第7章 ATM交换技术
虚通道VP(Virtual Path)表示通过一组虚 信道VC传送ATM信元的路径，由相应的 虚通道标识VPI(Virtual Path Identifier)进 行标识，表明传送该信元的虚通道。
VPI用来识别一条VP。
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第7章 ATM交换技术
向北京方向（用VPI
的终端数量可以很多，需要控制流向网络
的流量，以避免网络的短期过载。
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第7章 ATM交换技术
VPI/VCI（Virtual Path Identifier虚通道标 识/Virtual Channel Identifier虚信道标识）： 选路信息。
虚通道标识符VPI和虚信道标识符VCI 用来将一条传送ATM信元的信道划分为多 个子信道，每个子信道相当于分组网中的 一条虚电路。 具有相同的VPI和VCI的信元属于同一 条虚电路。
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第7章 ATM交换技术
信头包含各种控制信息，主 要是表示信元去向的逻辑地 址，还有一些维护信息、优 先级以及信头的纠错码。
信息域承载来自各种不 同业务的用户信息。
信头 Cell Header 5字节
信息域（净荷） 净荷
Payload 48字节
从传输效率、时延及 系统实现的复杂性考 虑，ITU-T规定ATM 的信元长度为53字节。
第7章 ATM交换技术
第七章
ATM交换技术
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第7章 ATM交换技术
本章主要内容： 7.1 概述 7.1.1 △ATM的基本概念
7.1.2 ATM交换系统的基本构成
7.2 △★ATM交换网络的实现技术
7.2.1 空分交换结构 7.2.2 时分交换结构 7.2.3 总线交换结构
7.3 ATM交换的分层技术 7.4 ATM网络的信令方式
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信元的结构
第7章 ATM交换技术
UNI中包含GFC域， NNI中没有。 GFC为一般流量控制， 4比特，用于控制用 UNI 户终端方向的ATM TE 连接的业务流量。
B-ISDN NNI
ATM信元头部格式根据信元 在B-ISDN网络中的位置分为 用户接口UNI格式和网络间接 口NNI格式两种。
UNI TE
NNI
NNI
其它BISDN
bit
8 7 6 5 4 3 2 1
8 7 6 5 4 3 2 1
bit
GFC VPI VCI VCI
VPI VCI PTI H E C
1 2 3 CLP 4 5
V P I VPI VCI
CLP
V C I PTI VCI H E C
(b)NNI格式
4
5
1 2字 3节
制作：邵黎
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