ＡＴＭ交换技术（三）

编者按：

    以信元为单位对各种信息进行多路复用、传输、交换处理的ＡＴＭ技术为Ｂ－ＩＳＤＮ创造了条件，本栏即对ＡＴＭ技术作系统的介绍。前两期已介绍了ＡＴＭ信元和ＡＴＭ交换的概念，阐明了ＡＴＭ交换机的工作原理及组成，并对ＡＴＭ的交换结构作了一些介绍，本期将进一步介绍其它ＡＴＭ交换结构。

３．４ 时隙互换与异步时分结构

    异步时分结构是较早提出的一种ＡＴＭ交换结构。８０年代的一些ＡＴＭ交换实验样机就是采用这种结构。

    异步时分结构是由同步时分结构演变而来的。同步时分结构是现代程控数字式电话交换系统中的基本交换结构。

    一个Ｎ×Ｎ的ＡＴＭ交换单元上有Ｎ个入端，每个入端上都有ＡＴＭ信元进来。在交换单元中，可以在每个入端上都分配开关部件，分别对各个入线上的ＡＴＭ信元进行交换处理，也可以换一种做法，先把所有入线上的ＡＴＭ信元放在一起，集中进行交换处理。下面讨论的异步时分结构就是这种情况，可以用图１１所示的原理电路来实现。图中，合路器把所有入线上的ＡＴＭ信元放在一起，形成一路高速ＡＴＭ信号送作交换处理，处理后的高速ＡＴＭ信号再由分路器分别送到各个出线上去。

    合路器的功能只是把所有Ｎ条入线的ＡＴＭ信元放在一起，具体做法并不复杂。在每条入线上都接入一个缓冲存储器，容量至少可以存储一个信元。入线上ＡＴＭ信元逐比特地送入缓冲存储器。合路器中的另一个部件则顺序地从这些缓冲存储器中取出ＡＴＭ信元，并把它们高速地从输出端送出，形成了一路高速ＡＴＭ信号。

    分路器的功能与合路器相反，它是把一路高速ＡＴＭ信号分送到各个出线上去。在这里，每条出线上都有一个缓冲存储器。分路器中的另一个部件读入一个个ＡＴＭ信元，并把它们轮流送给各个缓冲存储器。存入缓冲存储器的ＡＴＭ信元以标准的ＡＴＭ信元传送速率送到出线上，这个速率远低于送入分路器的ＡＴＭ信号的速率，并且应为它的１／Ｎ，Ｎ是分路器的出线数目。

     按上面所说，送入分路器的各个ＡＴＭ信元是被轮流送到各个出线上去。一个ＡＴＭ信元会被送到哪一条出线上，是由它在时间上的位置来决定。换一个说法，可以把时间划分为等长的帧，每帧都含有Ｎ个等长的时隙，每个时隙都恰好传送一个ＡＴＭ信元。那么，各帧的第１个时隙的ＡＴＭ信元都会被送到第１条出线上去，第２个时隙的ＡＴＭ信元都会被送到第２条出线上去，……第Ｎ个时隙上的ＡＴＭ信元都会被送到第Ｎ条出线上去。

    由合路器送出的ＡＴＭ信元并不一定具有上面所说的这种性质。也可以划分帧和时隙，并使每个时隙正好传送一个ＡＴＭ信元。但是，各帧的第１个时隙的ＡＴＭ信元并不一定是送往第１条出线上，第２个时隙的ＡＴＭ信元也不一定是送到第２条出线上。有可能是把送往第１条出线的ＡＴＭ信元放到第３个时隙上，把送往第２条出线的ＡＴＭ信元放到第１个时隙上，这是交换处理部件完成的工作。

    交换处理部件的功能就是把一个时隙的ＡＴＭ信元放到另一个时隙上。例如：第１个时隙的ＡＴＭ信元放到第３个时隙，第２个时隙的ＡＴＭ信元放到第５个时隙，等等，这称作时隙交换。这种ＡＴＭ交换单元也常称作时分结构的ＡＴＭ交换单元。

    时隙交换意味着各个ＡＴＭ信元要经历不同的延迟。做到这一点的最一般的方法就是使用存储器。存储器是上述交换处理部件的核心。把ＡＴＭ信元按一种时间顺序存进去，再按另一种时间顺序取出来，时隙互换就完成了。

    存储器可被想象成一个存放数据的仓库。这个仓库被划分成许多小单元，每个小单元都有自己特有的编号，通常称为地址。当存入或取出数据时，都要指明存入或取出是对哪个单元进行，也就是说要给出地址信号。

    对存储器存入或取出数据都需要时间，这时间一般是在几十至几百纳秒之间。有些超高速存储器的存取时间则只有几个纳秒。

    除存取时间外，还要关心每个存储小单元内可以放多少比特数据。换句话说，也就是存储器中每个地址内可以放多少比特数据。存储器内每个地址放多少比特数据，存储器就应该有多少条数据线。这样，当对某一个地址进行读或写时，相应单元的所有数据就可以一次送出或读入了。在实际中，常常把一个存储器的所有数据线称作它的数据总线，并把数据线的条数称为数据总线的宽度。

    一个以存储器为核心的交换处理部件应。除了存储器外，还应当有写入控制电路和读出控制电路。写入控制电路产生写入存储器的地址和控制命令，读出控制电路产生读出存储器的地址和控制命令。由于讨论的分路器和合路器都是串行信号输入输出的，即只用１根数据线逐比特地传送信号，而存储器则是利用多条数据线，一次读写多个比特的并行信号，所以还要有串／并变换和并／串变换电路。

    时分结构的ＡＴＭ交换单元能达到的最大入线数和最大出线数，取决于存储器的性能和设计方法。

    要作出较多出入线数的ＡＴＭ交换单元，又不致使对存储器的速率要求太高，只能增加存储器数据总线的宽度。数据总线越宽，存储器一次读写操作中可以读写的数据比特数就越多。

    但总线宽度的增加是有限度的，除了理论上的极限，还要考虑工艺和制造上的限制。

    为了能够完成时隙互换，使各个ＡＴＭ信元都送到正确的出线上去，就必须在每个时隙都能从存储器中读出要送往一条指定的出线上的ＡＴＭ信元。问题是如何得知这个ＡＴＭ信元的存放地址。

    最简单的一个解决办法是在各个ＡＴＭ信元写入存储器时就对其信头进行分析，根据其送往哪条出线来确定将其存入内存的哪些单元。从存储器的角度看，这相当于把整个存储器分成Ｎ个小区域，每个小区域对应于ＡＴＭ交换单元的一条出线。这样，在取出存储器中的ＡＴＭ信元时，只要顺序地把地址指向各个区域就行了。

    从完成时隙互换功能的角度考虑，存储器只要能够存储Ｎ个ＡＴＭ信元就够了（这里Ｎ是交换单元的出线数）。这样不仅存储器比较小，而且读出ＡＴＭ信元的控制电路也相当简单。因为在这种情况下，每个出线占据的小区域只有一个ＡＴＭ信元，只要顺序地读出各个ＡＴＭ信元就可以了。

    如果把每个小区域都设计得大一些也有好处，这样可以解决出线冲突问题。如果在某个时刻有多于一个的ＡＴＭ信元要发往某一条出线，可以将其在属于该出线的小区域中暂时存储一下。但这样也会同时增加读出控制电路的复杂性。这是因为，在对每个小区域进行读出操作时，都要判断在这个小区域中的哪个地址存放着要读出的ＡＴＭ信元。如果只存放着一个ＡＴＭ信元，那么就要指向存放这个ＡＴＭ信元的地址。如果有多个ＡＴＭ信元，就还要进一步判断应该先读出哪个ＡＴＭ信元。

    把存储器划分成若干区域，并使每个区域对应一条出线的办法，使得从存储器向外读出ＡＴＭ信元的操作简化了。因为在每个时隙里，只要顺序地从各个区域里向外读信元就可以了，不需要复杂的产生地址的过程。如果存储器内的区域位置并不直接对应于各条出线，从入线到来的每个ＡＴＭ信元都顺序地存储在存储器内。那么，在执行读出操作时，就需要判断现在是哪个时隙，及相应的ＡＴＭ信元的地址，然后才能把信元读出来。这个过程很复杂，要增加一些非常复杂的电路，才有可能迅速高效地完成这些控制功能。

    但是，虽然上述方法在控制上复杂了，但在性能上却优于存储器分给各条出线的做法。或者具体的说，在同样大小的存储器的条件下，存储器不分给各条出线的办法可以使得因为出线冲突而导致的ＡＴＭ信元的丢失比较少。

    其原理并不十分复杂。假如采用存储器分给各条出线的做法，那么，每条出线所拥有的存储器的大小是固定的。如果因为出线冲突的关系，已经有一些ＡＴＭ信元没有及时发出，并把这个区域占满了，那么下面继续到来的ＡＴＭ信元就会丢掉。因为已经没有多余的存储区域可以供它使用了。

    但是，在这个时候，属于其它出线的那些存储区域中可能还有空闲。由于这些区域不属于这个ＡＴＭ信元要送往的出线，所以虽然有空闲，这个ＡＴＭ信元却不能用。如果存储器是不分区域的，那么上述这个问题就不存在了。只要存储器有空闲，ＡＴＭ信元就可以存储进去。出线冲突造成的信元丢失就会减少。在有些情况下，这种性能上的改善是十分显著的。

３．５ 总线结构

    总线是最早用在计算机上的名词。采用总线也能构成ＡＴＭ交换的基本单元。也就是说，每条入线都经过一个控制电路连到总线上，每条出线也都经过一个控制电路连到总线上。入线上的ＡＴＭ信元都经控制电路发送到总线上，再由相应的出线控制电路接收，并送到出线上。每个出线控制电路都应能检测总线上的ＡＴＭ信元，并能根据信头上的标识，判断这个信元是否应由自己接收。

    把这种结构与前面谈到的时分结构作个对比。在两种结构中都是把所有入线上的ＡＴＭ信元放在一起处理。 实际上，如果把所有的入线控制单元都放在一起，它们完成的功能与时分结构中的合路器是相同的。不过，在把所有ＡＴＭ信元放在一起以后，两种结构的处理方式就不同了。在时分结构中，是由一个统一的交换处理部件来处理这些ＡＴＭ信元，而在总线结构中，是由分散在各条出线上的出线控制电路来取出属于该出线的ＡＴＭ信元。仍然把ＡＴＭ信元看作一封封信函，那么就好像是有Ｎ个工作人员，每个工作人员都只负责拣出发往某一个地方的信函。

    在只有一个中央处理器的计算机中，总线是由中央处理器管理的。由中央处理器来决定哪个部件使用总线，执行什么操作。在大部分情况下，由中央处理器使用总线，来读取数据或写进数据。其它部件要使用总线则需要经过中央处理器允许。总线中实际上有一部分是专门用来传送这类请求和允许信号的。

    在交换单元中使用总线，要对各个入端进行严格的管理。一般是要把时间分成小片，再把各个小片分给各条入线。就像上节讲到时隙互换方法时那样。因此，需要有一个总线管理机构来做这件事情。

    可以使用不同的办法来把总线上的这些时隙分给各条入线。比如，可以使用非常简单的方法，轮流分给各条入线。在这种情况下，各条入线获得相同的时隙数。也可以采用较复杂的办法。比如，只对那些有ＡＴＭ信元要发送的入端分给时隙。这样，控制较为复杂，但可以很有效地提高总线的利用率。

    因为在总线式结构中所有入端的ＡＴＭ信元都送到总线上，所以总线上的信息速率会变得非常高。但是，总线就像其它传输线一样，上面能够传送的信息速率是有极限的。入线控制电路和出线控制电路的工作速率也是有极限的。这是限制该结构做得太大的一个根本因素。

    与时隙互换方式相同，也可以通过加宽总线的方法来使这种结构的容量尽量大。当然，最大的总线宽度也就是一次送出一个ＡＴＭ信元。在总线的宽度远远不到一个ＡＴＭ信元的宽度时，工艺就已经变得非常困难，从而限制总线的加宽。

    使用总线的ＡＴＭ交换单元中共使用３类基本电路，即入线控制电路、出线控制电路和总线控制电路。其中，总线控制电路的功能是把总线按时隙分给各个入线控制电路。入线控制电路的功能是接收入线上的ＡＴＭ信元，并当总线控制电路允许时把这些信元送到总线上去。出线控制电路最复杂。它要不间断地检测在总线上出现的ＡＴＭ信元，对信头进行判断，并把应收的信元接收进来。

    因为所有入线的ＡＴＭ信元都出现在总线上，因此出线控制电路要工作在相当高的速率上。对每个ＡＴＭ信元，每个出线控制电路都要进行缓冲存储、信头判决这些工作。

    在发生出线冲突时，出线控制电路应采取合适的办法进行解决。这是因为所有的信元都出现在总线上，因此所有的信元都可以被出线控制电路所接收。但是，由于出线上的ＡＴＭ信元速率是固定的，所以出线控制电路收到的信元就不一定可以马上发送出去。为此，在出线控制电路上可以加入缓冲存储器来存储暂时不能发出的ＡＴＭ信元。当然，如果缓冲存储器满了，那么多余的信元就只能丢掉。

    为了进一步扩大ＡＴＭ交换单元的容量，可以采用多总线方法。所谓多总线方法，就是不再使用一组总线，而是使用多组总线。

    再略经变形，又可以得到一种叫作总线矩阵结构的ＡＴＭ交换单元。在这种交换单元中，每条纵线表示一条出线。每个纵横交叉点上的出线控制单元完成信头判决工作。

    这与前面介绍过的纵横开关阵列的结构实际上是基本相同的。因此，每条总线也要用一个出线冲突判决电路来进行管理。

４ 小结

    作为综合了电路交换和分组交换的新一代电信交换技术，ＡＴＭ交换在近年得到了飞速发展。国外几乎所有大的计算机网络设备厂商和电信设备厂商都推出了自己的ＡＴＭ交换产品，国内近年来在ＡＴＭ交换机研制方面也有了很大的进展。北京邮电大学ＡＴＭ技术研究中心已在１９９５年底研制成功了国内第一代ＡＴＭ交换系统ＢＴＣ－９５００。１９９６年又成功地以３台ＢＴＣ－９５００为核心，完成了中国邮电ＡＴＭ科学实验网。（续完）