CN1665216A - 异步传输模式通信网络中连发信元方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种异步传输模式通信网络中连发信元方法：源端设备将要发送的数据根据其数据量大小拆分封装成一个或多于一个连发信元组插入信元流中发向信元交换转接设备；在连发信元组中，首发信元包括完整的信元头，而后续信元共享首发信元的全部或大部分信元头信息，其本身没有或只有简短的信元头；信元交换转接设备根据收到的连发信元组中首发信元的信元头信息，决定该连发信元组中所有信元的路由去向；目的端设备把从信元交换转接设备接收到的连发信元组还原重组出源端发送的数据；网络中各设备采用统一的连发信元组标识方法，并且连发信元组满足完整性要求。采用本发明方法及设备，能降低信元头在信元结构中所占的比例，提高ATM网络的传输效率。

Description

异步传输模式通信网络中连发信元方法及设备

技术领域

本发明涉及数字信息的传输，尤其涉及异步传输模式通信网络中的信元传输，特别涉及其中的信元结构，以及该结构信元的产生、交换转接和接收。

背景技术

在现有技术ATM(异步传输模式)通信网络中，以固定长度的信元作为传输和交换单元。网络中包括一定数量的用户端接入设备和信元交换网络。信元交换网络包括信元交换转接设备，如ATM交换机、集线器等。用户端接入设备和信元交换转接设备之间，不同的信元交换转接设备之间都采用ATM信元流互连，所谓信元流是指在传输线路上或设备中各模块间连线上一个接一个不间断流过信元。信元流发端如果有需要发送的信元就把这些信元发出，如果没有需要发送的信元就发空信元。信元流收端丢弃空信元，将需要转发的包含有用数据的信元根据信元头的虚通道和虚信道标识，交换到相应路由方向上信元流的发端，并对信元头进行网络规定的操作；将发给自身设备的信元截留下来做相应的处理。

在ATM网络中进行的一次单向的数据包传送，发出数据包的设备称为源端设备，接收该数据包的设备称为目的端设备。源端设备将要发送的数据拆分封装成一个个ATM信元，插入信元流中发出。这些包含数据内容的信元可能会经过几个信元交换转接设备的路由转换，最后送达目的端设备。目的端设备将收到的信元还原重组为原来发出的数据。

ATM网络中所有的数据或信令传输，都可以分解为一系列从源端设备到目的端设备的单向数据包传输。需要注意的是，在一次数据包传输中，源端设备发出的包含数据的每一个信元都包含一样的信头，而信元交换转接设备对每个信元的处理都是独立的，信元路由选择完全由其自身信头所决定而不受它之前或之后信元的影响。

在目前标准的ATM通信网络中采用了两种信元结构，用于UNI接口(ATM用户端接入设备和ATM交换机之间的接口)的信元结构如下表所示：

GFC(4位)	VPI(4位)
			VPI(4位)	VCI(4位)
VCI(8位)
			VCI(4位)	PTI(3位)	CLP(1位)
HEC(8位)

净载数据(48个字节)

用于NNI接口(不同ATM交换机之间的接口)的信元结构如下表所示：

VPI(8位)
			VPI(4位)	VCI(4位)
VCI(8位)
			VCI(4位)	PTI(3位)	CLP(1位)
HEC(8位)
			净载数据(48个字节)

上述两种信元结构的长度都为53个字节：包括5个字节的信元头和48个字节的净载数据，现有信元结构存在一个问题：ATM通信网络的建设目的是为了传输用户数据，而信元头承载的是网络本身运行所需要的管理及控制信息，信元头在信元结构中所占的比例越大，网络的传输效率就越低，现有的传输效率为48/53，不到91％，这不是一个令人满意的百分比，也使得标准ATM技术常遭人非议。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于降低信元头在信元结构中的比例，以提高ATM通信网络的传输效率，所述ATM通信网络以固定长度的信元为传输和交换单元。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是，提出一种异步传输模式通信网络中连发信元方法：

a、源端设备将要发送的数据根据其数据量大小拆分封装成一个或多于一个连发信元组，插入信元流中发向信元交换转接设备；每个连发信元组包括一个或多于一个时间上连续的信元，其中第一个信元称为首发信元，其余称为后续信元；在一个连发信元组中，首发信元包括完整的信元头，而后续信元共享其首发信元的全部或大部分信元头信息，其本身没有或只有简短的信元头；

b、信元交换转接设备接收连发信元组，根据连发信元组中首发信元的信元头信息，将该连发信元组中所有信元交换到首发信元应去的输出路由上；

c、目的端设备把接收到的连发信元组还原重组出源端设备发送的数据；

d、网络中各设备采用统一的连发信元组标识方法，对所述连发信元组标识方法有适用性要求，即源端设备和信元交换转接设备，能够发送符合此连发信元组标识方法要求的信元流；信元交换转接设备和目的端设备能够根据此连发信元组标识方法，从输入的信元流中识别出不同的连发信元组、确定每个连发信元组中包含的信元；

e、在信元的发送、交换转接、传输和接收过程中，对所述信元有连发信元组完整性要求，即同一个连发信元组中的信元保持连续状态和顺序不变，不允许其中插入其它信元或顺序倒错或信元丢失。

网络可以选择任何一种满足适用性要求的连发信元组标识方法，本发明提出以下四种连发信元组标识方法：

①每个信元中固定位置用一个或多于一个比特表示本信元是首发信元还是后续信元，如果是首发信元就表示一个新的连发信元组开始，如果是后续信元就表示它和它之前最近一个首发信元属于同一个连发信元组，这种标识方法称为本元指示；

②每个信元的固定位置上用一个或多于一个比特表示在本信元之后的那个信元是否后续信元，这种标识方法称为后向指示；

③首发信元信头中包含有连发信元组中的信元数目，后续信元不需要信头，这种标识方法称为首元指示；

④预定连发信元组长度，在连发信元组传输前其长度已由某种方式预先确定。在首发信元之后的预定长度内的信元都属于一个连发信元组，在空信元或其它连发信元组之后的那个非空信元即为下个连发信元组的首发信元。后续信元不需要信头。预先确定连发信元组长度的方式，可以是在全网所有除空信元外所有连发信元组采用同一长度，或按数据类型、用户群等方式划分长度，或者每一次采用连接方式传送时由信令交换单独确定长度。这种标识方法称为预定长度。

上述第①、②、④三种标识方法对连发信元组长度没有限制，第③种标识方法对连发信元组长度的限制来自信头中用来表示信元数目的位数。但过长的连发信元组会要求网络中的各设备更大的缓存长度，增加了传输延迟，阻塞其它信元的交换和传输，对传输效率的提高已不明显。上述连发信元组标识方法，单个网络中可规定采用其中一种，或者规定同时采用其中任意两种、三种甚至四种，这就要求源端设备发出的连发信元组符合所有规定选用的标识方法，而信元交换转接设备和目的端设备只需采用所规定选用的方法中的一种。

在设计采用连发信元方法网络中的信元结构时，还必须考虑信元定界问题，即信元流接收设备能够确定信元边界，正确地切分出一个一个信元，而不能发生错位。本发明提出下述几种可和连发信元技术配合使用的信元定界方法：

①首发信元信头检错定界法。

首发信元信头中包含有可以对信头进行检错或/和纠错的位。这是和目前标准的ATM通信网络中采用的定界方法类似。标准ATM信元信头中包含HEC(信头差错控制)字节，用于对信头进行检错或/和纠错。在接收信元流时如果检出大量信头错误，就说明信元定界不正确，就将定界挪动一比特位置再检错，就这样搜索下去，直到基本不发生信头错误时定界算正确。

在连发信元技术中，由于后续信元和首发信元的结构不一样，若按首发信元信头格式检错，后续信元会报出许多虚假的信头错误，影响定界对错判断。为此在检出大量的首发信元信头错误时通知发送端只能发空信元，直到定界正确后，才通知发送端可以发正常的连发信元组，并且此后的定界判断信头检错只对首发信元的信头进行。

②固定位串同步定界法

这种方法在通信中最简单常用。在每个信元的固定位置插入相同的位串，如“01101”等。接收端在信元流中搜索以信元长度周期出现的位串，发现这样周期性的位串就能对信元正常定界。

③特征位串同步定界法

在每个信元的固定位置有特征位串，特征位串中位之间的保持某种特定关系，例如：每个信元的第一个字节中1的个数为偶数，或者：每个信元的第一个字节中末3位是前5位的CRC校验和；接收端在信元流中搜索以信元长度周期出现的特征位串，发现这样周期性的位串就能对信元正常定界。特征位串中可以包含有连发信元组标识及其它内容。在正确定界后对信元流的接收过程中，特征位串中位之间的特定关系能用来对特征位串检错或/和纠错。这和目前标准的ATM通信网络中采用的信头检错定界方法类似；区别在于：后续信元信头很短，要在每个信元中置入特征位串，首发信元中的特征位串就不能整个信头进行检错或/和纠错。因而首发信元要对特征位串内容之外的信头内容进行检错或/和纠错只能另加HEC校验位。结果出现首发信元信头由特征位串和特征位串内容之外的信头内容组成，这两部分需要独立进行检错或/和纠错；后续信元可以只包含特征位串。

相对于上述将连发信元组中的信元捆绑在一起处理的作法，目前ATM中使用的信元可称为定长独立信元，即信元长度固定，信元交换转接设备对每个信元处理都只根据其信元头的内容而不参照它之前或之后的信元。

由于连发信元组中的信元捆绑在一起进行交换和传输，不可分割，看起来就象一个信元，因此也可以换下述另一种说法来表达连发信元方法：

①网络采用半固定长度信元为传输和交换单元，信元长度是某一长度L的整数倍，其中L称为基本信元长度。以长度L等分信元，每个长度为L的信元部分称为信元段，第一段称为首段，其余段称为续段；

②源端设备将要发送的数据根据其数据量大小拆分封装成一个或多于一个半固定长度的信元，插入信元流中发向信元交换转接设备；

③信元交换转接设备对接收到的半固定长度信元进行交换；

④目的端设备把接收到的半固定长度信元还原重组出源端设备发送的数据；

⑤网络中各设备采用统一的信元长度标识方法。对信元长度标识方法有适用性要求：源端设备和信元交换转接设备，能够发送符合此信元长度标识方法要求的信元流；信元交换转接设备和目的端设备能够根据此信元长度标识方法，从输入的信元流中识别出不同的信元、确定每个信元中包含的信元段；

⑥信头内容不一定连续集中在信元首段，而取决于不同的信元长度标识方法。

为了在异步传输模式通信网络中实现连发信元方法，本发明提出以下设备功能模块：

(1)连发信元组构建模块：将源端要发送的数据，根据其数据量大小、网络对连发信元组长度限制、首发信元和后续信元中净载数据的容量等因素，拆分成一个或多于一个连发信元组的首发信元和后续信元的净载数据块，然后插入连发信元组标识和其它一些网络指定的信元头内容，如虚通道标识符等，其内容建立由网络其它模块和协议实现，放入缓存中等待发送。如果源端要发送的数据量并不正好填满所分配的净载数据块，就在数据开头或末尾加入规定的填充字符，补足净载数据块长度。

(2)连发信元组发送模块：在要发出的连发信元组的信头中填入其它网络规定的内容(如果有的话)，插入信元流中发出，信元流符合功能模块所在网络规定的连发信元组标识方法的要求和连发信元组的完整性要求。

(3)连发信元组接收模块：根据功能模块所在网络规定的连发信元组标识方法，从输入路由接收的信元流中识别出不同的连发信元组、确定每个连发信元组中包含的信元；这里所述的信元流已经由其它功能模块完成了位同步、正确定界和信头纠错。

(4)连发信元组解构模块：把接收到的连发信元组还原重组出源端发送的数据。

(5)连发信元组交换模块：将每个接收到的连发信元组中所有信元交换到首发信元应去的输出路由上。首发信元应去的路由，由设备中其它功能模块确定。要实现连发信元组交换功能，共有以下两大类方案：

①重叠式连发信元组交换，它在原定长独立信元交换模块的信元输入和输出口上，加上连发信元组和定长独立信元转换模块组成，能最大限度地利用目前对定长独立信元的交换的技术成果。

假定信元交换设备有M条输入路由和N条输出路由。每条输入路由上都连接一个连发信元组接收功能模块和一个交换适配模块。连发信元组接收功能模块从接收的信元流中识别出不同的连发信元组、确定每个连发信元组中包含的信元，然后交给交换适配模块。交换适配模块负责把每个连发信元组转换成定长独立信元，处理方法如下：

a.将首发信元信头中的涉及路由转换部分的位置上内容，如虚通道和虚信道标识等复制插入到后续信元的相同位置，原有的内容顺序移位；

b.后续信元由于插入内容而使信元长度增加，在首发信元中插入无效数据使信元长度一样；

c.在信元中固定位置上插入输入路由编号，原有的内容顺序移位。

经过交换适配模块处理后，连发信元组中的信元都有了包含路由信息的信头，只是信元长度有所增加，可作为送入定长独立信元交换模块的输入端口。在送入输入端口时要符合连发信元组的完整性要求。如果交换模块交换速率不够快，在信元输入端口上可能会造成阻塞，较多的信元等待进入交换模块。为此在交换适配模块之前或之后进行交换适配缓存。如果拥塞严重需要丢弃某些信元时，就将可丢弃的连发信元组整个丢弃。

每个定长独立信元交换模块的输出端口上都连接着一个传输适配模块，它进行的是交换适配模块的反变换，负责把定长独立信元交换模块的输出的定长独立信元恢复为连发信元组，处理方法如下：

a.对应每个输入路由方向分别开设缓存，这种缓存称为传输适配缓存。有M条输入路由就需要M个传输适配缓存，接收到的每个定长独立信元根据信元中插入的输入路由编号，按顺序放入对应传输适配缓存中；

b.根据连发信元组标识方法，检查每个传输适配缓存是否接收到了完整连发信元组；

c.若发现收到了完整的连发信元组，就进行连发信元组恢复：将每个定长独立信元中交换适配模块插入的内容去除，经交换适配模块移位的内容恢复原来的位置，也恢复原来的信元长度。

d.将已恢复的连发信元组交给连发信元组发送功能模块发送。

对连发信元组恢复也可以放在将定长独立信元写入对应传输适配缓存时进行。

②半固定长度信元交换，把连发信元组直接当作半固定长度信元进行交换。

下面分析两种典型的信元路由转换操作：

a.信元集线，该操作是将两条或两条以上的输入路由上的信元流汇聚到一条输出路由上。设备中进行信元集线操作位置称为信元集线点。包括这种情况：看起来是多条输出路由，但实际上是广播式输出，每条路由上输出的内容是一样的。

信元集线要解决的问题是信元竞争。当多于一条输入路由上同时有信元要输出时就要有判决准则来裁决哪一路输出，另外的路要缓存。目前已有各种准则来裁决信元竞争。对于连发信元组的清况，如果发生竞争的信元都是首发信元，则可以采用已有准则来裁决。但如果发生竞争的信元有一个是后续信元时，为了保证输出路由上的连发信元组的完整性，必须使后续信元输出，而不管原有的准则如何。这条准则称为后续信元优先准则。

信元集线点的各输入路由上都有缓存，用于缓存未能竞争到输出权的信元。如果发生严重拥塞、缓存溢出时，就将可丢弃的连发信元组整个丢弃。另外如果信元集线点信元输出速率高于某输入路由的信元输入速率时，输入路由接收缓存一定要等到一个连发信元组接收完整后再去竞争输出，否则会使连发信元组各信元输出时脱节。

b.信元分路，该操作是将一条输入路由上的信元流按各信元的路由标识分发到两条或两条以上输出路由上。设备中进行信元分路操作位置称为信元分路点。包括这种情况：有一条输出路由是废弃的，其输出信元到该路由意味着把信元丢弃。

信元分路要解决的问题是信元路由选择。对于定长独立信元，这不是个问题，因为信头中已包含路径标识，如VCI/VPI。但对于连发信元组的清况，由于后续信元需要共享首发信元的信头，这要求信元分路点每收到一个首发信元，除了根据其信头内容把它输出到适当的路由上外，还要记录当前信头中的涉及路径选择有关的内容。一旦收到后续信元，就用以前记录的内容进行路由选择。若再收到首发信元，以前记录的内容作废，重新记录。这种信元分路点记录最近一个首发信元路径，供后续信元路由选择的功能称为首发信元路径记忆。

信元分路点并不需要记录首发信元信头中的全部内容。假如是一入两出，只需要路径标识中的一位就能决定信元出向，信元分路点就只需要记录一位的内容。

目前定长独立信元的交换方法，或称交换织构(the switching fabric)为三类：(1)时分交换，其中又分为共享存储器交换和共享媒体交换；(2)纵横交换；(3)banyan和delta交换。正如所有的计算机软件都是“0”、“1”两种字符的排列组合一样，所有的定长独立信元交换方法实际上都可看成是信元集线点和分路点互连的结果。方法不同，在于它们包含的信元集线点和分路点的数目和互连方法不同。只要在这些方法中识别出它们的信元集线点和分路点，在信元集线点的信元竞争裁决准则中加入后续信元优先准则，在信元分路点上实现首发信元路径记忆功能，就能对连发信元组进行正常交换。例如，共享媒体交换方法中各个输入路由的信元都来竞争一条总线，总线把获得输出权的信元发送到各个输出路由的地址滤波器(AF)，由各地址滤波器判断信元地址和本路由要输出的地址是否相符，若相符则输出，否则丢掉。这种结构只有一个信元集线点，即总线，而信元分路点在于每个输出路由的地址滤波器(AF)上。

在BANYAN交换方法中，其中的每个Delta单元(2*2)，每根入线上都有一个1分2的信元分路点，每根出线上都有一个2合1的信元集线点。本发明还提出一系列实现上述异步传输模式通信网络中连发信元方法的设备：

①用户端设备，除了包括源端链路层处理、目的端链路层处理、用户接口信令处理、信头生成、定时同步等这些定长独立信元网络中通用的功能模块外，还包括上述的连发信元组构建模块、连发信元组发送模块、连发信元组接收模块和连发信元组解构模块。源端链路层功能处理器是对原始数据包进行封装，例如插入了数据包开始和结束标志、转义字符、纠错等，使得目的端链路层处理模块接收时，不同的数据包之间可以区分、数据包长度可以确定、填充字符可以识别去除等。

②一种信元交换转接设备，采用上述的重叠式连发信元组交换方案，除了包括定时同步、信元分界判断、定长独立信元交换等这些定长独立信元网络中通用的功能模块外，还包括上述的连发信元组接收模块、交换适配模块、传输适配模块和连发信元组发送模块；

③另一种信元交换转接设备，采用上述的半固定长度信元交换方案，除了包括定时同步、用户/网内协议处理、信元分界判断等这些定长独立信元网络中通用的功能模块外，还包括上述的连发信元组接收模块、采用半固定长度信元交换方案的连发信元组交换模块和连发信元组发送模块。采用半固定长度信元交换方案的连发信元组交换模块是由信元集线点和/或分路点互连而成，在信元集线点上的信元竞争裁决准则中包含后续信元优先准则，信元分路点具有首发信元路径记忆功能。

同现有技术相比，采用本发明异步传输模式通信网络中连发信元方法及设备，可以降低信元头在信元结构中所占的比例，有效提高ATM通信网络的传输效率。

附图说明

图1为本发明异步传输模式通信网络中连发信元用户端设备实施例组成示意图。

图2为采用所述重叠式连发信元组交换方案的信元交换转接设备组成示意图。

图3A为信元集线点设备组成示意图。

图3B为信元分路点设备组成示意图。

具体实施方式

以下对本发明予以详尽说明。

本发明异步传输模式通信网络中连发信元方法：

a、源端设备将要发送的数据根据其数据量大小拆分封装成一个或多于一个连发信元组，插入信元流中发向信元交换转接设备；每个连发信元组包括一个或多于一个时间上连续的信元，其中第一个信元称为首发信元，其余称为后续信元；只有一个首发信元而无后续信元的连发信元组称为单发信元；空信元可作为单发信元，或者单独作为一类予以标识，即网络中传输信元类型为空信元、首发信元和后续信元；在一个连发信元组中，首发信元包括完整的信元头，而后续信元共享其首发信元的全部或大部分信元头信息，其本身没有或只有简短的信元头；

b、信元交换转接设备接收连发信元组，根据连发信元组中首发信元的信元头信息，将该连发信元组中所有信元交换到首发信元应去的输出路由上；

c、目的端设备把接收到的连发信元组还原重组出源端设备发送的数据；

d、网络中各设备采用统一的连发信元组标识方法，对所述连发信元组标识方法有适用性要求，即源端设备和信元交换转接设备，能够发送符合此连发信元组标识方法要求的信元流；信元交换转接设备和目的端设备能够根据此连发信元组标识方法，从输入的信元流中识别出不同的连发信元组、确定每个连发信元组中包含的信元；

e、在信元的发送、交换转接、传输和接收过程中，对所述信元有连发信元组完整性要求，即同一个连发信元组中的信元保持连续状态和顺序不变，不允许其中插入其它信元或顺序倒错或信元丢失。

网络可以选择任何一种满足适用性要求的连发信元组标识方法。本发明提出以下四种连发信元组标识方法：

①每个信元中固定位置用一个或多于一个比特表示本信元是首发信元还是后续信元，如果是首发信元就表示一个新的连发信元组开始，如果是后续信元就表示它和它之前最近一个首发信元属于同一个连发信元组，这种标识方法称为本元指示；

②每个信元的固定位置上用一个或多于一个比特表示在本信元之后的那个信元是否后续信元，这种标识方法称为后向指示；

③首发信元信头中包含有连发信元组中的信元数目，后续信元不需要信头，这种标识方法称为首元指示；

④预定连发信元组长度，在连发信元组传输前其长度已由某种方式预先确定。在首发信元之后的预定长度内的信元都属于一个连发信元组，在空信元或其它连发信元组之后的那个非空信元即为下个连发信元组的首发信元。后续信元不需要信头。预先确定连发信元组长度的方式，可以是在全网所有除空信元外所有连发信元组采用同一长度，或按数据类型、用户群等方式划分长度，或者每一次采用连接方式传送时由信令交换单独确定长度。这种标识方法称为预定长度。

上述第①、②、④三种标识方法对连发信元组长度没有限制，第③种标识方法对连发信元组长度的限制来自信头中用来表示信元数目的位数。但过长的连发信元组会要求网络中的各设备更大的缓存长度，增加了传输延迟，阻塞其它信元的交换和传输，对传输效率的提高已不明显。

本发明提出下述几种可和连发信元技术配合使用的信元定界方法：

①首发信元信头检错定界法。

首发信元信头中包含有可以对信头进行检错或/和纠错的位。这是和目前标准的ATM通信网络中采用的定界方法类似。标准ATM信元信头中包含HEC(信头差错控制)字节，用于对信头进行检错或/和纠错。在接收信元流时如果检出大量信头错误，就说明信元定界不正确，就将定界挪动一比特位置再检错，就这样搜索下去，直到基本不发生信头错误时定界算正确。

在连发信元技术中，由于后续信元和首发信元的结构不一样，若按首发信元信头格式检错，后续信元会报出许多虚假的信头错误，影响定界对错判断。为此在检出大量的首发信元信头错误时通知发送端只能发空信元，直到定界正确后，才通知发送端可以发正常的连发信元组，并且此后的定界判断信头检错只对首发信元的信头进行。

②固定位串同步定界法

这种方法在通信中最简单常用。在每个信元的固定位置插入相同的位串，如“01101”等。接收端在信元流中搜索以信元长度周期出现的位串，发现这样周期性的位串就能对信元正常定界。

③特征位串同步定界法

在每个信元的固定位置有特征位串，特征位串中位之间的保持某种特定关系，例如：每个信元的第一个字节中1的个数为偶数，或者：每个信元的第一个字节中末3位是前5位的CRC校验和；接收端在信元流中搜索以信元长度周期出现的特征位串，发现这样周期性的位串就能对信元正常定界。特征位串中可以包含有连发信元组标识及其它内容。在正确定界后对信元流的接收过程中，特征位串中位之间的特定关系能用来对特征位串检错或/和纠错。这和目前标准的ATM通信网络中采用的信头检错定界方法类似；区别在于：后续信元信头很短，要在每个信元中置入特征位串，首发信元中的特征位串就不能整个信头进行检错或/和纠错。因而首发信元要对特征位串内容之外的信头内容进行检错或/和纠错只能另加HEC校验位。结果出现首发信元信头由特征位串和特征位串内容之外的信头内容组成，这两部分需要独立进行检错或/和纠错；后续信元可以只包含特征位串。

由于连发信元组中的信元捆绑在一起进行交换和传输，不可分割，看起来就象一个信元，因此也可以换下述另一种说法来表达连发信元方法：

①网络采用半固定长度信元为传输和交换单元，信元长度是某一长度L的整数倍，其中L称为基本信元长度。以长度L等分信元，每个长度为L的信元部分称为信元段，第一段称为首段，其余段称为续段；

②源端设备将要发送的数据根据其数据量大小拆分封装成一个或多于一个半固定长度的信元，插入信元流中发向信元交换转接设备；

③信元交换转接设备对接收到的半固定长度信元进行交换；

④目的端设备把接收到的半固定长度信元还原重组出源端设备发送的数据；

⑤网络中各设备采用统一的信元长度标识方法。对信元长度标识方法有适用性要求：源端设备和信元交换转接设备，能够发送符合此信元长度标识方法要求的信元流；信元交换转接设备和目的端设备能够根据此信元长度标识方法，从输入的信元流中识别出不同的信元、确定每个信元中包含的信元段；

⑥信头内容不一定连续集中在信元首段，而取决于不同的信元长度标识方法。

要在现有ATM通信网络中实现上述的连发信元方法，需要对现有网络设备的信元处理方式作更改，将原有对单个信元的处理改为对连发信元组的处理，本发明提出以下设备功能模块：

(1)连发信元组构建模块：将源端要发送的数据，根据其数据量大小、网络对连发信元组长度限制、首发信元和后续信元中净载数据的容量等因素，拆分成一个或多于一个连发信元组的首发信元和后续信元的净载数据块，然后插入连发信元组标识和其它一些网络指定的信元头内容，如虚通道标识符等，其内容建立由网络其它模块和协议实现，放入缓存中等待发送。如果源端要发送的数据量并不正好填满所分配的净载数据块，就在数据开头或末尾加入规定的填充字符，补足净载数据块长度。

(2)连发信元组发送模块：在要发出的连发信元组的信头中填入网络规定的内容，如果有的话，插入信元流中发出，信元流符合功能模块所在网络规定的连发信元组标识方法的要求和连发信元组的完整性要求。

(3)连发信元组接收模块：根据功能模块所在网络规定的连发信元组标识方法，从输入路由接收的信元流中识别出不同的连发信元组、确定每个连发信元组中包含的信元；这里所述的信元流已经由其它功能模块完成了位同步、正确定界和信头纠错。

(4)连发信元组解构模块：把接收到的连发信元组还原重组出源端发送的数据。

(5)连发信元组交换模块：将每个接收到的连发信元组中所有信元交换到首发信元应去的输出路由上。首发信元应去的路由，由设备中其它功能模块确定。要实现连发信元组交换功能，共有以下两大类方案：

①重叠式连发信元组交换，它在原定长独立信元交换模块的信元输入和输出口上，加上连发信元组和定长独立信元转换模块组成，能最大限度地利用目前对定长独立信元的交换的技术成果。

假定信元交换设备有M条输入路由和N条输出路由。每条输入路由上都连接一个连发信元组接收功能模块和一个交换适配模块。连发信元组接收功能模块从接收的信元流中识别出不同的连发信元组、确定每个连发信元组中包含的信元，然后交给交换适配模块。交换适配模块负责把每个连发信元组转换成定长独立信元，处理方法如下：

a.将首发信元信头中的涉及路由转换部分的位置上内容，如虚通道和虚信道标识等复制插入到后续信元的相同位置，原有的内容顺序移位；

b.后续信元由于插入内容而使信元长度增加，在首发信元中插入无效数据使信元长度一样；

c.在信元中固定位置上插入输入路由编号，原有的内容顺序移位。

经过交换适配模块处理后，连发信元组中的信元都有了包含路由信息的信头，只是信元长度有所增加，可作为送入定长独立信元交换模块的输入端口。在送入输入端口时要符合连发信元组的完整性要求。如果交换模块交换速率不够快，在信元输入端口上可能会造成阻塞，较多的信元等待进入交换模块。为此在交换适配模块之前或之后进行交换适配缓存。如果拥塞严重需要丢弃某些信元时，就将可丢弃的连发信元组整个丢弃。

每个定长独立信元交换模块的输出端口上都连接着一个传输适配模块，它进行的是交换适配模块的反变换，负责把定长独立信元交换模块的输出的定长独立信元恢复为连发信元组，处理方法如下：

a.对应每个输入路由方向分别开设缓存，这种缓存称为传输适配缓存。有M条输入路由就需要M个传输适配缓存，接收到的每个定长独立信元根据信元中插入的输入路由编号，按顺序放入对应传输适配缓存中；

b.根据连发信元组标识方法，检查每个传输适配缓存是否接收到了完整连发信元组；

c.若发现收到了完整的连发信元组，就进行连发信元组恢复：将每个定长独立信元中交换适配模块插入的内容去除，经交换适配模块移位的内容恢复原来的位置，也恢复原来的信元长度。

d.将已恢复的连发信元组交给连发信元组发送功能模块发送。

对连发信元组恢复也可以放在将定长独立信元写入对应传输适配缓存时进行。

②半固定长度信元交换，把连发信元组直接当作半固定长度信元进行交换。

下面分析两种典型的信元路由转换操作：

a.信元集线，该操作是将两条或两条以上的输入路由上的信元流汇聚到一条输出路由上。设备中进行信元集线操作位置称为信元集线点。包括这种情况：看起来是多条输出路由，但实际上是广播式输出，每条路由上输出的内容是一样的。

信元集线要解决的问题是信元竞争。当多于一条输入路由上同时有信元要输出时就要有判决准则来裁决哪一路输出，另外的路要缓存。目前已有各种准则来裁决信元竞争。对于连发信元组的清况，如果发生竞争的信元都是首发信元，则可以采用已有准则来裁决。但如果发生竞争的信元有一个是后续信元时，为了保证输出路由上的连发信元组的完整性，必须使后续信元输出，而不管原有的准则如何。这条准则称为后续信元优先准则。如附图中3A所示。

信元集线点的各输入路由上都有缓存，用于缓存未能竟争到输出权的信元。如果发生严重拥塞、缓存溢出时，就将可丢弃的连发信元组整个丢弃。另外如果信元集线点信元输出速率高于某输入路由的信元输入速率时，输入路由接收缓存一定要等到一个连发信元组接收完整后再去竞争输出，否则会使连发信元组各信元输出时脱节。

b.信元分路，该操作是将一条输入路由上的信元流按各信元的路由标识分发到两条或两条以上输出路由上。设备中进行信元分路操作位置称为信元分路点。包括这种情况：有一条输出路由是废弃的，其输出信元到该路由意味着把信元丢弃。

信元分路要解决的问题是信元路由选择。对于定长独立信元，这不是个问题，因为信头中已包含路径标识，如VCI/VPI。但对于连发信元组的清况，由于后续信元需要共享首发信元的信头，这要求信元分路点每收到一个首发信元，除了根据其信头内容把它输出到适当的路由上外，还要记录当前信头中的涉及路径选择有关的内容。一旦收到后续信元，就用以前记录的内容进行路由选择。若再收到首发信元，以前记录的内容作废，重新记录。这种信元分路点记录最近一个首发信元路径，供后续信元路由选择的功能称为首发信元路径记忆。如附图中3B所示。

信元分路点并不需要记录首发信元信头中的全部内容。假如是一入两出，只需要路径标识中的一位就能决定信元出向，信元分路点就只需要记录一位的内容。

目前定长独立信元的交换方法，或称交换织构(the switching fabric)为三类：

(1)时分交换，其中又分为共享存储器交换和共享媒体交换；(2)纵横交换；(3)banyan和delta交换。正如所有的计算机软件都是“0”、“1”两种字符的排列组合一样，所有的定长独立信元交换方法实际上都可看成是信元集线点和分路点互连的结果。方法不同，在于它们包含的信元集线点和分路点的数目和互连方法不同。只要在这些方法中识别出它们的信元集线点和分路点，在信元集线点的信元竞争裁决准则中加入后续信元优先准则，在信元分路点上实现首发信元路径记忆功能，就能对连发信元组进行正常交换。

例如，共享媒体交换方法中各个输入路由的信元都来竞争一条总线，总线把获得输出权的信元发送到各个输出路由的地址滤波器(AF)，由各地址滤波器判断信元地址和本路由要输出的地址是否相符，若相符则输出，否则丢掉。这种结构只有一个信元集线点，即总线，而信元分路点在于每个输出路由的地址滤波器(AF)上。

在BANYAN交换方法中，其中的每个Delta单元(2*2)，每根入线上都有一个1分2的信元分路点，每根出线上都有一个2合1的信元集线点。

本发明还提出一系列实现上述异步传输模式通信网络中连发信元方法的设备

①用户端设备，如附图1中所示，除了包括源端链路层处理、目的端链路层处理、用户接口信令处理、信头生成、定时同步等这些定长独立信元网络中通用的功能模块外，还包括上述的连发信元组构建模块、连发信元组发送模块、连发信元组接收模块和连发信元组解构模块。源端链路层功能处理器是对原始数据包进行封装，例如插入了数据包开始和结束标志、转义字符、纠错等，使得目的端链路层处理模块接收时，不同的数据包之间可以区分、数据包长度可以确定、填充字符可以识别去除等。

②一种信元交换转接设备，采用上述的重叠式连发信元组交换方案，如附图2中所示，除了包括定时同步、信元分界判断、定长独立信元交换等这些定长独立信元网络中通用的功能模块外，还包括上述的连发信元组接收模块、交换适配模块、传输适配模块和连发信元组发送模块；

③另一种信元交换转接设备，采用上述的半固定长度信元交换方案，除了包括定时同步、用户/网内协议处理、信元分界判断等这些定长独立信元网络中通用的功能模块外，还包括上述的连发信元组接收模块、采用半固定长度信元交换方案的连发信元组交换模块和连发信元组发送模块。采用半固定长度信元交换方案的连发信元组交换模块是由信元集线点和/或分路点互连而成，在信元集线点上的信元竞争裁决准则中包含后续信元优先准则，信元分路点具有首发信元路径记忆功能。

现假定要在当前标准的ATM上实现连发信元技术，选择上述第①种连发信元组标识方法，参照现有标准ATM的信元结构，我们在信元头前再加一个字节信元头，取第一位作为连发信元组标识，称为CM位。该位为1表示首发信元或空信元，该位为0表示是后续信元。其它位空闲。为了保持53个字节的信元长度，将净载数据减去一个字节。结果首发信元结构如下表所示：

CM(1位)＝1	空闲(7位)
				GFC/VPI(4位)		VPI(4位)
VPI(4位)		VCI(4位)
				VCI(8位)
VCI(4位)		PT(3位)	CLP(1位)
				HEC(8位)
净载数据(47个字节)

后续信元结构如下表所示：

CM(1位)＝1

空闲(7位)

净载数据(52个字节)

采用这种结构在不同连发信元组长度时的传输效率如下表所示。

连发信元组长度	传输效率
		1	88.7％
2	93.4％
		3	95.0％
4	95.8％
		5	96.2％
6	96.5％
		7	96.8％
8	96.9％
		16	97.5％

从上表可以看出，单发信元由于信头多加一个字节，其传输效率还低于当前的91％，这是由于当前ATM信头中的各位都已有定义，只有再加一个字节以包含CM位，尽管该字节只用了一位。但传输效率很快随连发信元组长度的增大而提高，只是长度越大传输效率对长度的变化率就越小。

现在假定源端设备A采用连发信元技术把一个数据包DP发向目的端B，该数据包是由256个字节组成，数据内容为(0，1，2，3，......，254，255)这样的递增序列。而且通信网络规定连发信元组的长度不能超过4个信元。同时也假定A到B之间的传输路由已建立，A填入网络规定的首发信元信头内容，网络就能把连发信元组送到B。

A要把DP传送到B端会经过以下步骤：

1、源端连发信元组构建，将要发送的数据根据其数据量大小拆分封装成一个或多于一个连发信元组，由A的连发信元组构建功能模块完成。

把DP拆分封装到连发信元组时必须考虑的问题是：DP可能仅是A传到B的许多数据包中的一个，不同的数据包在目的端接收时必须区分开。为此在数据包前加两个字节(223，125)作为数据包的开始标志，在数据包后加两个字节(223，234)做为结束标志。为了防止数据包中数据也出现和开始标志或结束标志一样的字节组合，特地在数据包中作如下源端链路层处理：如果数据包中出现字节223，就要在该字节后插入一个字节120。经过这些处理后要传送的数据包DP变成了数据包DPC：

223，125，0，1，2，3，....，222，223，120，224，225，...，254，255，223，234，总共231个字节。

现在要把DPC拆分出连发信元组中每个信元要传送的净载数据。假定网络传输会保证A发向B的连发信元组会按发出顺序到达B端，而不会出现后发先到的清况(否则还需要A端在连发信元组加入发出的顺序号，来保证接收B端恢复正确的连发信元组发出顺序)。

由于4个信元的连发信元组最多能容纳(47+3*52)＝203个净载数据字节，要传送DPC需要两个连发信元组。拆分结果如下表：

连发信元组序号	信元序号	净载字节数	净载字节内容
				1	1	47	223，125，0，1，...，44
2	52	45，...，96
			3		52	97，...，148
4	52	149，...，200
			2		1	47	201，...，222，223，120，224，...，247
2	52	248，...，254，255，223，234，255，255，...，255

第二个信元连发信元组中的第二个信元，在数据包结束标志之后填入的255称为填充字符，为的是补足信元长度要求。

拆分后是封装过程，首发信元净载数据前插入网络要求的信头内容和首发信元标志(CM＝1)，后续信元净载数据前插入后续信元标志(CM＝0)，构成完整的连发信元组，按顺序把两个连发信元组放入发送缓存中，等待连发信元组发送功能模块的发送。

2、源端连发信元组发送，将连发信元组插入信元流中发出，信元流符合设备所在网络规定的连发信元组标识方法的要求和连发信元组的完整性要求，由A端的连发信元组发送功能模块完成。

在没有包含数据的连发信元组要发送的时候，连发信元组发送功能模块发出的信元流中包含的都是空信元。当发送缓存有连发信元组要发送时，该模块就把这些连发信元组取出插入到信元流中。最后输出的信元流可能会是：

...，空信元，空信元，连发信元组1，连发信元组2，空信元，空信元，...

3、网内连发信元组接收，根据设备所在网络规定的连发信元组标识方法，从输入路由接收的信元流中识别出不同的连发信元组、确定每个连发信元组中包含的信元。由信元交换转接设备中的连发信元组接收功能功能模块完成。

该功能模块收到A端发出的信元流，丢弃空信元，检查信元的CM位，就能识别出连发信元组1和连发信元组2。

4、连发信元组交换，根据连发信元组中首发信元的信元头信息，将该连发信元组中所有信元交换到首发信元应去的输出路由上，由信元交换转接设备中的连发信元组交换功能模块完成。

该功能模块根据连发信元组1和连发信元组2的首发信元的信头，完成网络要求信元头内容改写，把连发信元组1和连发信元组2交换到预定的输出路由的发送缓存中。

5、网内连发信元组发送，将连发信元组插入信元流中发出，信元流符合设备所在网络规定的连发信元组标识方法的要求和连发信元组的完整性要求，由信元交换转接设备中的连发信元组发送功能模块完成。

在没有包含数据的连发信元组要发送的时候，连发信元组发送功能模块发出的信元流中包含的都是空信元。当发送缓存有连发信元组要发送时，该模块就把这些连发信元组取出插入到信元流中。最后输出的信元流可能会是：

...，空信元，空信元，连发信元组1，空信元，连发信元组2，空信元，空信元，...

如果从A到B的传送路由经过多个信元交换转接设备，就重复多次3、4、5中的过程。

6、目的端连发信元组接收，根据设备所在网络规定的连发信元组标识方法，从输入路由接收的信元流中识别出不同的连发信元组、确定每个连发信元组中包含的信元，由目的端B设备中的连发信元组接收功能功能模块完成。

该功能模块收到信元交换转接设备发出的信元流，丢弃空信元，检查信元的CM位，就能识别出连发信元组1和连发信元组2。

7、目的端连发信元组解构，把接收到的连发信元组还原重组出源端设备发送的数据。由B端的连发信元组解构功能模块完成。

该功能模块把接收到的连发信元组1和连发信元组2，拆掉各信元的信头，把各信元的净载数据按顺序拼在一起，就交给目的端链路层处理：在其中寻找数据包头字节组合组(223，125)。发现(223，125)后就把其后的数据字节一个个写入数据包存储器中，写的过程中发现字节组合(223，120)，就把字节120删掉，只把字节223写入数据包存储器，并继续把120后的数据字节写入数据包存储器，直到发现结束标志(223，234)，丢弃结束标志之后的填充字节255。此时数据包DP已接收完整。

本发明的适用范围是符合异步传输模式通信网络基本特征的通信网络，即以固定长度的信元为传输和交换单元，信元中包含有信头和净载数据，信头中包含网络运行要求的信息；用户端接入设备和信元交换机之间、信元交换机之间都采用信元流互连，并且假定这种通信网络已经发展完备，能和当前的标准的ATM网络一样能在用户端之间传送数据，但它其它方面的特征，如信元长度、信头内容、是连接的还是非连接的、信令系统等，可以和当前标准的ATM网络一样，也可以不一样。

以上所述之最佳实施例意在具体说明本发明的思路：在现有网络中引入连发信元组的概念，通过在连发信元组中后续信元共享首发信元的信元头内容，省去现有网络中独立传送每个信元所要求的信元头开销，从而降低信元头在信元结构中所占的比例，有效提高ATM网络的传输效率。本发明之实施，并不限于以上最佳实施例所公开的方式，凡基于本发明之设计思路，进行简单推演与替换，得到的具体的ATM通信网络中连发信元方法及设备，都属于本发明的实施。

Claims (10)

1、一种异步传输模式通信网络中连发信元方法，所述异步传输模式通信网络以固定长度的信元为传输和交换单元，其特征在于：

a、源端设备将要发送的数据根据其数据量大小拆分封装成一个或多于一个连发信元组，插入信元流中发向信元交换转接设备；每个连发信元组包括一个或多于一个时间上连续的信元，其中第一个信元称为首发信元，其余称为后续信元；在一个连发信元组中，首发信元包括完整的信元头，而后续信元共享其首发信元的全部或大部分信元头信息，其本身没有或只有简短的信元头；

b、信元交换转接设备接收连发信元组，根据连发信元组中首发信元的信元头信息，将该连发信元组中所有信元交换到首发信元应去的输出路由上；

c、目的端设备把接收到的连发信元组还原重组出源端设备发送的数据；

d、网络中各设备采用统一的连发信元组标识方法，对所述连发信元组标识方法有适用性要求，即源端设备和信元交换转接设备，能够发送符合此连发信元组标识方法要求的信元流；信元交换转接设备和目的端设备能够根据此连发信元组标识方法，从输入的信元流中识别出不同的连发信元组、确定每个连发信元组中包含的信元；

e、在信元的发送、交换转接、传输和接收过程中，对所述信元有连发信元组完整性要求，即同一个连发信元组中的信元保持连续状态和顺序不变，不允许其中插入其它信元或顺序倒错或信元丢失。

2、如权利要求1所述的异步传输模式通信网络中连发信元方法，其特征在于：所述连发信元组标识方法包括：在每个连发信元组的每个信元中固定位置设置一个或多于一个比特的标识位，用以指示该信元是首发信元还是后续信元。

3、如权利要求1所述的异步传输模式通信网络中连发信元方法，其特征在于：所述连发信元组标识方法包括：在每个连发信元组的每个信元中固定位置设置一个或多于一个比特的标识位，用以指示该信元之后的那个信元是否后续信元。

4、如权利要求1所述的异步传输模式通信网络中连发信元方法，其特征在于：所述连发信元组标识方法包括：在每个连发信元组的首发信元头中设置一个或多于一个比特的标识位，用以指示该连发信元组中的信元数目。

5、如权利要求1所述的异步传输模式通信网络中连发信元方法，其特征在于：在信元流发送/接收过程中用于确定信元边界的方法包括：首发信元信头检错定界法，或固定位串同步定界法，或特征位串同步定界法。

6、一种实现权利要求1所述连发信元方法的源端设备，包括链路层处理、用户接口信令处理、信头生成和定时同步功能模块，其特征在于：还包括连发信元组构建模块和连发信元组发送模块。

7、一种实现权利要求1所述连发信元方法的目的端设备，包括链路层处理、用户接口信令处理和定时同步功能模块，其特征在于：还包括连发信元组接收模块和连发信元组解构模块。

8、一种实现权利要求1所述连发信元方法的信元交换转接设备，包括定时同步、信元分界判断和定长独立信元交换功能模块，其特征在于：还包括连发信元组接收模块、交换适配模块、传输适配模块和连发信元组发送模块。

9、一种实现权利要求1所述连发信元方法的信元交换转接设备，包括定时同步、用户/网内协议处理和信元分界判断功能模块，其特征在于：还包括连发信元组接收模块、采用半固定长度信元交换的连发信元组交换模块和连发信元组发送模块；所述采用半固定长度信元交换的连发信元组交换模块是由信元集线点和/或分路点互连而成，在信元集线点上的信元竞争裁决准则中包含后续信元优先准则，信元分路点具有首发信元路径记忆功能。

10、一种异步传输模式通信网络中连发信元方法，其特征在于：

a、网络采用半固定长度信元为传输和交换单元，信元长度是某一长度L的整数倍，其中L称为基本信元长度，以长度L等分信元，每个长度为L的信元部分称为信元段，第一段称为首段，其余段称为续段；

b、源端设备将要发送的数据根据其数据量大小拆分封装成一个或多于一个半固定长度的信元，插入信元流中发向信元交换转接设备；

c、信元交换转接设备对接收到的半固定长度信元进行交换；

d、目的端设备把接收到的半固定长度信元还原重组出源端设备发送的数据；

e、网络中各设备采用统一的信元长度标识方法。

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