ATM网络概述

　　长期以来，未来的网络结构和其采用的核心技术一直是电信行业研究与关注的问题。在窄带ISDN技术成熟的80年代，考虑到未来技术的进步发展和对宽带业务的需求，电信界开始寻求一种宽带的、独立于业务的网络。

　　这种网络要能提供适应从低速到高速的各种业务的传送和交换，做到整个网络的资源共享。在80年代后期，国际电信联盟正式提出了宽带ISDN，即B－ISDN的概念。B—ISDN的发展目标是以一个综合的、通用的网络来提供全部现有的和将来可能出现的新业务。人们在研究和分析了各种电路交换和分组交换技术之后，认为快速分组交换是实现B－ISDN目标的唯一可行的技术。国际电信联盟把B－ISDN的传输方式命名为Asynchoronous Transfer Mode（ATM），推荐其为B－ISDN的信息传输模式。ATM被译作“异步传输模式”、“异步传递方式”、“异步传送模式”等等。

　　一．ATM的概念要点如下：

　　1.转移模式：ITU定义，转移模式就是电信网络中传输、复用和交换的诸方面。

　　2.异步：是指包括用户信息的信元（cell）不必周期性的出现，信元是动态占用信道。

　　3.ATM信元：ATM技术运用时，首先将待传输的用户信息流（数字化的语言、数据和图象等信息）分割成固定长度的数据块，然后在每个每个分组前加上一个信头（header），从而构成一个信元。其中信息字段为48个字节，形成[48+5]的信元结构。

　　一个信元的结构如图1所示。

　　(1)虚通路（VC）和虚通道（VP）：这是ATM的重要特点之一，携带用户信息全部信元的复用、传输过程均在虚通路上进行。一个ATM交换机将输入的VP标识符（VPI）及（VCI）改写成输出的VPI和VCI即可实现交换。VP与VC的概念虽然来自分组交换网络的逻辑通道和逻辑信道。VP与VC的引入使ATM的交换简化，使组网灵活。

　　(2)ATM交换：交换机根据网络容量和用户需求（体现在信头）对全体信元进行统一处理，形成信道被动态占用的局面。

　　从ATM的本质特点分析可以看出，ATM技术不但继承了电路交换和分组交换的优点，而且表现出其他的优越性。其关键技术是实现具有内部速率很高的，无阻塞的交换结构；具有能同时处理话音、数据、视频等传输业务的大于几个甚至几十个Gbps速率的高吞吐量；能在统计复用网络中有效处理实时各种业务；并具有较强的网络业务流量、管理和维护功能。

　　二． ATM网络的技术特点

　　通信网的根本任务是实现信息的转移（Transfer），即信息的传输和交换（Transmssion and Switch）。ATM网络在传输和交换方面都采用了与传统技术不同的方式。在传输方面采用了统计复用的方法，也称为异步时分复用（Asynchronous Time Division Multiplexing）；在交换方面采用了一种改进的分组交换方式，称为快速分组交换（Fast Packet Switching），也称为ATM交换。

　　ATM有以下技术特点：

　　1.由于链路的传输质量很高（光缆传输），ATM不进行逐条链路的差错控制，比特差错由端到端协议解决。　　

　　2.ATM工作在面向连接模式。在两个终端传输信息之前首先要建立逻辑虚拟连接，使网络保留必要的资源，不使排队发生溢出。既保证了服务质量，又降低了信元丢失率。

　　3.减少信元头的功能。其重要功能是虚拟连接的识别，用于正确选择路由。信元头的简化有利于实现快速处理。处理和排队时延都很小。

　　4.信息域长度较短，因而缓存器规模较小。时延可以接受、时延抖动也较小，适用于实时业务，此外，采用固定信息域长度时，传送效率较高（速度高，不复杂）。

　　5.ATM建立了虚电路连接，每个虚连接都有一个服务质量（Quality of Service，简称QoS）参数来标定所传输信息的服务要求。QoS参数主要包括传输能力、数据负载类型（恒定速率或可变速率）和数据优先级。

　　ATM有别于一般的高速分组交换，其不同在于：

　　★ATM信元比常规的分组短的多，这是为了使时延方差值较为合理。

　　★ATM尽量节省开销，以便尽可能的提高工作在高比特率时的效率。

　　★信元以规定时间间隔传送，但信元间并无空隙，空闲时传送未分配信元。

　　★具有信元顺序的完整性。即到达的信元，其次序和发送时一样。

　　ATM的特点还包括：

　　★能使信元的传送速率和信息产生速率相匹配。例如：已压缩的图象符号，只需传送其信息的变化部分，即其比特率是可变的。

　　★为了利用可变比特率VBR（Variable Bit Rate）中的低活动周期，可以加入其他信息传送。

　　★便于把各种信息综合到一条链路上，即每一个用户只需一台接入链路。

　　★可以在同步数字系列（SDH）帧中传递，也可以在现有的准同步数字系列（PDH）帧结构中传送，只是ATM信元与传输系统中比特的对应变换。

　　ATM技术上述的优点和特点完全可以满足B－ISDN高速、高效、综合业务等要求。

　　三． ATM网络基本原理

　　ATM是一种面向连接的技术。当发送端想要和接收端通信时，它通过UNI发送一个要求建立连接的控制信号。接受端通过网络收到该控制信号并同意建立连接后，一个虚拟线路（Virtual Circuit）就会建立。虚拟线路是虚通道标识符（VPI：Virtual Path Identifier）和虚通路标志符（VCI：VirtualChannel Identifier）表示的。同时，虚拟线路上所有的中继点都会建立线路映象表。

　　虚通路建立后，需要传送到信息即被分割成53字节的信元，经网络送到对方。若发送端有一个以上的信息同时发送，则根据相同程序建立不同的到达相应接收端的不同虚拟线路，信息则可以交替的传送。

　　在虚拟线路中，相邻两个交换点之间信元的VCI/VPI值不变。此两点之间形成一条VC链（VC Link），一串VC链相连形成VC连接（VCC：VC Connection）。类似的形成VP连接（VPC：VP Connection）。VCI/VPI值在经过ATM交换点时，该VP交换点根据VP连接的目的地，将输入的信元的VPI值改为可导向接收端的新的VPI值赋予信元并输出。以上过程被称为VP交换，在此过程中VPI的值不变。理论上，VC交换点中止VC链和VP链，VCI和VPI将同时被改为新值。由此可见，ATM利用VC/VP交换实现交换和传输数据的目的。VP/VC交换示意图如下图2所示。

　　虚拟通道VP（Virtual Path）和虚拟通路VC（Virtual Channel）都是用来描述ATM信元单向传输的路由。每个虚拟通道可以用复用方式容纳多个虚拟通道，属于同一虚拟通路的信元拥有相同的虚拟通路标志符VCI，VCI是信元头的一部分。属于同一虚拟通道的不同虚拟通路拥有相同虚拟通路标志号VPI，VPI也是信元头的一部分。传输路径、虚拟通道是ATM中的重要概念。

　　在以ATM为技术基础的网络上，信元复用与交换处理方式与所传送的信息类型（语音、图片等）无关。因为ATM网络所处理的是形式相同的固定长度的53个字节的信元，所以在传输网上免除了差错控制和流量控制，使差错控制和流量控制在用户端进行，直接运用硬件加快传输速度，从而简化了传输机制，并有效的提高了交换与复用效率。交换时，只需要对VPI/VPI值作相应的改变，并送到相应的出口。交换机并不管信元所携带信息的类型。因此，速度非常快（150Mbit/s～600Mbit/s）。

　　信元的复用与交换处理方式与实际信息类型无关这一特性，使相同的设备理论上可处理低频宽和高频宽信息。因此，ATM可以按用户的需求做到动态分配频宽。高速的本地网FDDI端点可以达到100Mbit/s，但由于这个带宽是共享的，随着用户数目增加，每个用户的所实际获得的带宽就会相应的减少，而ATM不存在这个问题。ATM使用大小很小的信元和高速传输速率，适合各种业务的传输。

　　四． ATM网络协议参考模型

　　由ITU－U发布的关于ATM的标准基于如图3所示的协议参考模型。ATM参考模型定义了对高层的服务，以及操作和维护ATM网络所需要的功能。

　　ATM是一种流线化的协议。图3中表示出用户和网络之间接口的基本结构。ATM参考协议模型引入了面的概念（Plain），其着眼点在于将信息流按功能种类进行分类，进行不同的处理。协议模型中有三个独立的平面：

　　1.用户面：提供用户信息传递以及相关控制（例如流量控制和错误控制）。

　　2.控制面：执行呼叫控制以及连接控制功能。

　　3.管理面：包括面管理，执行与作为一个整体的系统有关的管理并在所有的面之间提供协调功能，包括层管理，执行与资源及其驻留其协议实体的参数有关的管理功能。

　　下面我们就协议模型中的ATM用户层、ATM适配层、ATM层和ATM物理层的主要功能作简要的说明。

　　(1)用户层（User Layer）的主要功能是支持各种用户服务。

　　(2)ATM适配层（AAL：ATM Adaptation Layer）的主要功能是适配从用户平面来的消息，以形成ATM网可利用的格式。用户传送给ATM的信息往往是多种格式，ATM网可以传输数据、语音和视频信号，故每一种信号都要求对ATM网络有不同的适配，因此ATM定义了不同类型的ALL服务。

　　(3)ATM层（ATM Layer）的基本功能是负责生成信元，它接受来自ALL的48个字节净荷，并附加相应5个字节的信元头。ATM层支持连接的建立，并汇集到同一输出端口的不同应用信元，同样也分离从输入端口到各个应用和输出端口的信元。当ATM层看到信元净荷时，它并不知道净荷的内容，净荷只不过是要被传输的0或1信息。由于ATM层不管净荷的内容，所以它与服务类型无关。它只负责为净荷生成信元标头并附给净荷，以形成信元的标准格式。故跨越ATM层到物理层的信息单元只能是53个字节的信元。

　　物理层（Physical Layer）是ATM模型的最下面一层，它由传输会聚子层和物理介质相关层组成，ATM物理层负责信元编码并将信元交给物理介质。传输会聚子层从ATM层接受信元，组装成适当格式，并在物理介质子层上传输。此时，需插入空信元，让信元保持连续。空信元不传给ATM层，它们用特定的信元头值标识。在接受方，传输会聚子层在来自物理子层的比特或字节流中提取信元，验证信元头，把有效信元传递给ATM层。

　　ATM层通过对信头的处理完成信元的复用、交换以及相关的控制功能。为了提供端到端的传送能力，ATM层在接入点之间建立虚连接，并在整个呼叫期间保持连结。ATM连接分为虚信道和虚通路两个等级。我们可以把VC看成是进行虚连接的单向传送信道，VP是大量同时存在的VC的高速通路。

　　ATM物理链路可以同时支持多个VP连接，每个VP都有自己的标志VPI，而每一个VPI又同时有多个VC。对于每个VC而言，它都有自己的标志VCI和它所在的VP的标志VPI。VC、VP与物理链路的关系如图4所示。在信元头部中有16个比特来表示VCI。对VPI，用户网络接口（UNI：User Network Interface）格式的信元有8个比特，在网络节点接口（NNI：Network-to-Network Interface）格式的信元有12个比特以便更多的标识VP连接。

　　五．ATM业务分类与业务质量

　　业务分类

　　从连接建立的角度来划分，ATM业务有永久式虚线路（PVC：Permanent Virtual Circuits）和交换式虚线路（SVC：Switched Virtual Circuits）两种，通常PVC用于产生专用的点到点呼叫连接，对许多用户来说，PVC的利用率较低。SVC可以实现动态的呼叫控制和带宽分配，允许用户根据需要建立实时连接，根据每个呼叫道具体情况优化连接，提高呼叫建立和按使用付费的灵活性，相对PVC来说，SVC较为经济，有广阔的市场前景。

　　从服务质量QoS角度划分，表1列出了ATM论坛对当前定义的ATM网络业务的分类。它包括

　　恒定比特率业务（CBR:Constant Bit Rate）

　　实时的可变比特率业务（rt-VBR:Real-time Variable Bit Rate）

　　非实时的可变比特率业务（nrt－VBR:Not Real-time Variable Bit rate）

　　可用的比特率业务（ABR:Avaliable Bit Rate）

　　非特定比特率业务（UBR:Unspecified Bit Rate）

　　CBR服务是要仿真铜导线或光缆，为用户提供固定比特率的服务，提供一条虚拟的恒定带宽度信道。主要服务对象是对时延抖动有严格要求的业务。数据从一端进入，在另一端离开，不作错误、流量控制或其他处理。此类型对于实现从当前的电话系统向未来的B－ISDN平滑过渡是十分必要的。

　　VBR业务划分为两个子类，分别用于实时和非实时的应用。rt－VBR用于具有可变比特率同时具有严格的实时需求的服务，例如视频会议这样的交互式压缩视频应用。MPEG－2最终将用rt－VBR传输。Nrt－VBR用于及时投递是重要的，但应用允许有一定数量的抖动，典型业务是多媒体电子邮件。

　　ABR业务概念由ATM论坛提出，来源于分组数据网中的“尽力而为（best－effort）”业务。ABR业务是唯一的网络给信源提供速率反馈的业务类型，根据网络运行状况自适应地要求信源调整速率，在网络拥塞时降低信源速率，在解除拥塞后升高信源速率。但网络保证用户一个最低信元速率MCR（Minimum Cell Rate）。信源的速率在峰值信源速率和MCR之间动态的调整。ITU—T还没有完成相应当建议。目前在Internet上的电子邮件（E－mail），文件传输（Ftp）等即是这种业务。

　　UBR业务：网络对于此种业务的数据何时以及是否能到达目的地不作任何保证，即不保证时延、丢失率方面的服务质量。对此种业务的用户不作任何承诺。UBR业务是对剩余带宽进行利用的最早尝试，但由于业务质量难以得到保障。

　　不同业务带宽的使用情况如图5所示。

　　服务类型的特性比较如表2所示。

　　表 2 ATM业务类型的特性

　　2．4．2 服务质量

　　服务质量对于ATM网络是一个非常重要的事项，其部分原因在于它们用于诸如视频和声频这类实时传输。在建立一条虚电路时，传输层（典型的是在主机中的一个进程，代表客户）和ATM网络层（代表网络运营者，或称载体部门）必须达成一个定义服务的协定。在客户和网络之间的协议必须包含一下三个部分。

　　（1）将要提供的服务量，或者说是提供的带宽；

　　（2）规定的服务；

　　（3）答应的必要条件。

　　为了确定具体的传输协定，ATM标准定义了QoS参数。客户和载体部门可以就这些服务参数进行协商。对于每个服务质量参数，协议规定载体方满足或超过的最低性能。表3给出了主要的服务质量参数，需要指出的是并不是所有的服务质量参数能应用于所有的业务类型。

　　表3 重要的服务质量参数

　　PCR（Peak Cell Rate）、SCR（Sustainable Cell Rate）、MCR(Minimum Cell Rate)描述用户想要达到的发送速度。CDVT（Cell Delay Variation Tolerance）说明信元发送时间可以有多大变化。CLR（Cell LossRate）、CTD（Cell Transfer Delay）、CDV（Cell Delay Variation）三个参数描述网络的特征。最后三个服务质量参数CER、SECBR、CMR指定网络的特征，它们一般是不可协商的。