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11-8 ATM 細胞交換原理
ATM 交換機又被稱為『細胞交換』，主要的功能是將輸入埠口所進入的細胞『交換』到適當的輸出埠口去。但在ATM 網路是連接導向傳輸，表示在細胞進入網路之前其路徑都已經事先建立完成。它所建立連線的方法非常類似分封交換技術的『虛擬電路』（第四章中介紹），也就是，每一條連線所建立的路徑是在其所經過的埠口上，登錄於輸入/輸出埠對照表。 每一個埠口都有一個管理輸入/輸出埠對照表，當細胞由某一埠口進入時，就依照輸入/輸出對照表所登錄的下一個埠口交換出去。因此 ATM 交換機所建立的連線是『虛擬電路』（Virtual Circuit），而不是『電路交換』（Circuit Switch）技術。當 ATM 交換機將某一個埠口所進入的細胞交換到另一個埠口上時，對於該埠口的傳輸媒介和傳輸速率沒有直接關係。也就是，對於不同傳輸媒介和傳輸速率之間埠口的細胞交換，並不影響 ATM 交換機的工作。因此，我們可以將 ATM 細胞交換機的工作原理，歸類為兩個重點：第一，就是對於每一條連線的表示方法，又稱為『虛擬通道』（Virtual Channel, VC）；第二，如何建立每一個埠口上的『輸入/輸出埠對照表』。以下分別介紹。 11-8-1 VP 與 VC虛擬通道 到目前為止，我們瞭解 ATM 交換機類似統計多工的多工交換技術，唯一不同的是在統計多工技術加入服務品質（QoS）的參數，來決定細胞被交換出去的優先順序。對於每一條多工連線，我們稱之為『虛擬通道』（Virtual Channel, VC）。每一條虛擬通道也都給予一個『虛擬通道辨識碼』（Virtual Channel Identification, VCI）以作為辨識。如果整個交換機僅用虛擬通道來區分連線，所造成的連線負荷可能會非常大，我們希望採用二階層式的編號方式來區分各個連線，這種方式類似電話號碼的編號方法，例如：電話號碼是 241-1234，我們很容易知道 241 表示某一個交換機，而 1234 是 241 交換機底下的本地號碼。如果由別的地方撥入 241-1234，便直接交換到 241 交換機上，不用理會 1234 號碼的位址，該工作交由 241 交換機負責便可以。因此，二階層式的編號方法，可以節省許多交換的工作，讓交換機更有效率。 在 ATM 網路中，也是採用類似二階層式的編號方式。我們將若干個虛擬通道合併一個群組稱之為『虛擬路徑』（Virtual Path, VP），也給予一個『虛擬路徑辨識碼』（Virtual Path Identification, VPI）以作為辨識。因此，每一條通道就可以用一對（VPI, VCI）來表示。 如圖 11-20 中有三條虛擬路徑 VPI = 100, 200, 300，而連線的虛擬通道的辨識碼分別為：（100, 100）、（100, 200）、（100, 300）、（200, 100）、（200, 200）、（200, 300）、（300, 10）、（300, 20）、（300, 30）。至於如何來區分群組的虛擬路徑問題，我們可以就某一網路位址、或 ATM 交換機、或主機位址來指定『虛擬路徑』。只要由虛擬路徑上辨識便知道該連線應該交換到哪裡，在中繼交換機上不用分辨『虛擬通道』（VCI）位址，分辨虛擬通道位址是由端點交換機（End Switch）負責便可以，因此可以減低交換機的工作負荷，而提高效率。
圖 11-20 VPI/VCI 虛擬通道 11-8-2 輸入/輸出埠對照表 在 ATM 交換機的每一個埠口上都必須維護一只『輸入/輸出埠對照表』，如圖 11-21 所示。當我們建立連線時，便將連線路徑填入輸入/輸出對照表。表上所紀錄的是『下一個埠口』（Next hop）位址。交換機是否允許建立連線（或填入對照表），不僅要考慮當時頻寬使用情形，也要考慮到該連線的服務品質（QoS）要求。一般 ATM 網路都有一個集中式，或由多個分散式的『允入控制』（Admission Control）軟體來控制是否允許連線。
圖 11-21 輸入/輸出埠對照表 『集中式允入控制』表示在整個網路上有一個集中控制工作站，負責整個網路的頻寬管理，任何一部交換機上有連線要求時，集中控制工作站依照當時網路頻寬使用情形，以及連線的服務品質要求，決定是否同意連線。當控制站接受連線允許（Admission）時，必須負責將該連線所經過之交換機的埠口上填入『輸入/輸出對照表』。集中控制的優點是控制站能掌握整個網路的全貌，其所挑選出來之連線路徑的效率最高，每一條連線都可達到最佳路徑。但集中式的缺點是每次連線要求時，集中控制站可能需要花費較長的時間，去計算和搜尋路徑。網路上所有交換機必須隨時向集中器報告交換機使用情形，這也必須花費不少的頻寬。最主要的，如果網路過於繁忙時，集中器可能成為網路的瓶頸，而集中器故障也可能導致整個網路癱瘓。因此對於網路範圍較小的環境，使用集中式允入控制較適合，對於較大的網路系統可能較不適合。 『分散式允入控制』表示是否允許連線要求是由各個交換機分層負責。一個工作站如果要建立連線，則首先將其要求（包括目的工作站位址和服務品質）送給其所連接的交換機。該交換機的允入控制軟體會選擇一條可能到達目的之埠口（路徑），並登入輸入/輸出對照表。該連線要求依照所建立之路徑，進入第二部交換機，再由第二部交換機的允入控制軟體決定下一個埠口（Next hop）的路徑。以此類推到達目的位址，再依照連線路徑回應給來源工作站。分散式的優點是具有擴充性，其缺點是路徑選擇變得較複雜，為了能選擇較好的路徑，交換機上必須配置『路徑選擇協定』（Routing Protocol），而且交換機之間也必須隨時交換路徑選擇訊息。 圖 11-22 為 ATM 網路連線的範例。工作站 A 和 B 之間連線，經過了 SW1、SW2 及 SW3 之 ATM 交換機。由每個交換機上的『輸入/輸出對照表』紀錄兩工作站所經過的『虛擬通道連線』（Virtual Channel Connection, VCC）為：（600/70）、SW1、（300/200）、SW2、（100/50）、SW3、（10/30）。
圖 11-22 ATM 網路連線範例 11-8-3 VP 與 VP/VC 交換機 我們將所有虛擬通道依群組關係，區分為若干個虛擬路徑，針對每一條通道以（VPI, VCI）表示。其中 VPI 可以用來表示某一區域關係或連線屬性，類似電話系統中的區域號碼；而 VCI 表示某一區域下的虛擬通道，類似電話系統中的本地號碼。每一條連線的（VPI, VCI）就像是電話系統的『區域號碼 + 本地號碼』。當每一條連線進入交換機時，如果目的位址不是本交換機時，我們可以依照 VPI 的號碼轉送到另一個交換機上，不必再拆解 VCI 號碼。如果連線的目的位址是本交換機，再拆解 VCI 位址，這可減低交換機許多工作負荷。 如果沒有將虛擬通道分成兩個層次的拆解，依照 NNI 介面的虛擬通道是以 28 位元表示，所產生的通道位就有 228 個，輸入/輸出對照表的表格長度最長有 228 個欄位。每進入一個細胞就必須在這 228 欄位裡尋找（lookup）下一個輸出埠，這可要花費很長的時間。如果我們將虛擬通道分為兩個層次：VPI 和 VCI，依照 NNI 介面規格，VPI 以 12 位元表示，VCI 以 16 位元表示。當交換機拆解 VPI 時只要在 212 的表格裡尋找（lookup）目的埠口；拆解 VCI 時尋找表格是 216，而且拆解 VPI 和 VCI 可以同時進行，因此可以節省不少時間。 如果交換機只負責拆解（或交換）VPI 位址，稱之為 VP 交換機。VP 交換機類似電話系統的長途交換機，只負責依照區域號碼將電話連線交換到那一個區域上。VP 交換機也是一樣，依照連線的 VPI 位址交換到某一區域或某一主機系統上，主要作主幹連線（Backbone）使用。如果交換機具有交換 VPI 和 VCI 的功能稱為 VP/VC 交換機，類似電話系統的本地交換機。當細胞進入交換機時，首先拆解 VPI，看是否為本交換機所管轄的 VPI 位址，如果是再拆解 VCI 位址，否則將該細胞依照輸入/輸出對照表轉送到其他 VP 或 VP/VC 交換機上。VP 交換機之間連線或 VP 交換機和 VP/VC 交換機之間連線又稱為 VP 連線（VP Connection）。VP/VC 交換機之間連接稱為 VP/VC 連線（VP/VC Connection）。VP 交換機和 VP/VC 交換機的連接範例如圖 11-23 及 11-24 所示。
圖 11-23 VP 交換機
圖11-24 VP/VC 交換機 11-8-4 PVC 與 SVC 連線管理 由以上的介紹我們可以發現在 ATM 網路上建立連線並非易事。某些可以使用手動方式載入到 ATM 交換機中的連線稱為『永久式虛擬連結』(Permanent Virtual Connection, PVC) 。PVC在兩工作站之間（或交換機之間）建立一條永久性的連線。此連線不會因為工作站（交換機）的因素（如當機或不傳送資料）而取消。只要工作站一開機便有一條連線可到達目的地工作站，並保證該連線的傳輸速率及服務品質。傳送端可以在任何時間傳送資料而不必重新建立連線。一般 PVC 的應用有三： (1) 建構網路拓樸圖（topology）。在建構網路系統時，會有一些固定連線在交換機之間串接，這就必須使用 PVC 連線。 (2) 網路系統管理通道。在網路上有一些特殊連線必須永遠保持著，例如系統管理連線，或頻寬管理連線等等。 (3) 客戶租用專線。某些客戶需要固定的連線也使用 PVC 來完成。永久式虛擬通道雖然方便但易造成頻寬的浪費。 當工作站有需要時再要求 ATM 交換機連線，稱之為『交換式虛擬連結』（Switched Virtual Connection, SVC）。交換機接收到 SVC 連線要求時，必須評估當時網路頻寬的使用量，以及該連線要求的服務品質，再決定是否允許連線（允入控制）。連線後必須依照連線時所協商的服務品質提供服務，使用完後立即釋放連線。網路頻寬可充分利用，而不會浪費。但當建立連線時，交換機必須選擇最佳路徑。因此使用到兩個協定： a. 路徑選擇協定（Routing Protocol）：網路上交換機之間互相傳遞網路拓樸圖架構的資訊。 b. 信號協定 (Signaling Protocol)：讓網路交換機之間可以相互通訊，以及傳遞 UNI (User-Network Interface)或其他的信號訊息。
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