2.1.10　ATM网络

现有的电路交换和分组交换都难以胜任宽带高速的交换任务。

对于电路交换，当数据的传输及其突发性变化非常大时，交换的控制就会变得异常复杂。对于分组交换，当数据传输速率很高时，协议数据单元在各层的处理开销变得很大，无法满足实时性很强的业务时延要求。

但是电路交换的实时性很好，而分组交换的灵活性很好，因此对于宽带综合业务数字网，应当采用另一种能结合两者交换方式优点的新的交换技术。

ATM（异步传输模式）就是建立在电路交换和分组交换的基础上的一种新的交换技术。

与“异步”对应的是“同步”，STM（同步传输模式）是根据要求的数据速率，将一个逻辑信道分配一个以上的时隙，在连接存在期时，时隙是固定分配的，即采用的是同步时分复用模式。

ATM每个时隙没有固定的占用者，各信道按照通信量的大小和排队规则来占用时隙。每个时隙就相当于一个分组，在ATM中叫信元。

1．ATM网络的特点

ATM网络的主要特点如下。

（1）固定长度的短信元

选择固定长度的短信元作为信息传输的单位有利于宽带高速交换。信元的长度为53字节，其首部（信元头）为5字节。长度固定的首部可以使得ATM交换机的功能尽量简化，只需硬件电路就可对信元进行处理，因此缩短了每一个信元的处理时间。

（2）支持不同速率的各种业务

能支持不同速率的各种业务ATM允许终端有足够多比特时间就去利用信道，从而取得灵活的带宽共享。来自各个终端的数字流在链路控制器中形成完整的信元后，即按照先到先服务的规则，经过统计复用器，以统一的速率将信元插入到一个空闲时隙中，链路控制器调节信息源的速率。不同类型的服务都可复用在一起，高速率信源就占用较多的时隙。

（3）面向连接的工作方式传送

所有信息在最低层是以面向连接的工作方式传送的，以保证电路交换适合于传送实时性很强的业务的优点。但对于用户来说，ATM既可以工作于确定方式（承载某种业务的信元周期性地出现），以支持实时性业务；也可以工作于统计方式（信元不规则出现），以支持突发性的业务。

（4）误码率很低

由于光纤信道的误码率很低，容量很大，因此在ATM网内不必在数据链路层进行差错和流量控制，而放在高层处理，这明显提高了信元在网络中的传送效率。

2．ATM协议的参考模型

制定ATM协议的主要机构是国际电信联盟远程通信标准化组织ITU-T。下面介绍ATM协议参考模型，如表2-2所示。

表2-2　ATM协议参考模型

（1）ATM物理层

物理层又分为两个子层：物理介质子层和传输汇聚子层。物理介质子层主要负责物理介质上正确地传输和接收比特流，只完成和介质相关的功能，如线路编码和解码，比特定时（为发送的信号产生定时时钟信号以使接收端取得同步信息）以及光电转换。

传输汇聚子层实现信元流和比特流的转换，包括信元校验和速率、控制数据帧的组装和分拆。这就是说，在发送时，传输汇聚子层将上面ATM层交下来的信元流转换为比特流，然后交给下面的物理介质子层。在接收时，将物理介质子层交上来的比特流转换为信元流，标记出每一个信元的开始和结束，交给ATM层。传输汇聚子层的存在使得ATM实现了与下面的传输介质完全无关。

（2）ATM层

ATM层相当于网络层的功能，它通过虚电路技术提供面向连接的服务。在ATM中，虚电路有两级，分别是虚通路（VP）和虚信道（VC）。虚信道与X.25的虚电路相当，而虚通路则是由多条虚信道捆绑在一起形成的。由于ATM通常是在光纤的基础上建立的，因此不提供应答，它将少量的错误交给高层处理。另外，ATM的目的是实现实时通信，因此对于偶然的信元错误是不重传的，要重传的通信由高层处理。

（3）ATM适配层

ATM适配层（AAL）负责处理高层来的信息，发送方把高层来的应用数据单元划分为信元，接收方把ATM信元重新装载为应用数据单元。ATM网络还向用户提供四类服务，即从A类到D类。服务类别划分的根据是比特率是固定的还是可变的，源站和目的站的定时是否需要同步，是面向连接还是非连接的。如表2-3所示为ATM适配层服务。

表2-3　ATM适配层服务

（4）ATM高层

ATM高层主要规定了4类5种业务类型，以满足不同的ATM客户需求，如表2-4所示。

表2-4　ATM高层业务

宽带高速业务使用的交换方式是ATM（异步传输模式），而ATM的物理基础目前主要是采用SDH标准的光纤传输网络。需要说明的是，ATM的思想最初虽然是针对B-ISDN的需求提出的，但最早进入市场的ATM产品却是局域网的ATM产品。为了在局域网中应用ATM技术，其物理传输介质不仅仅有光纤，还有同轴电缆、双绞线等，接口速率的种类也不限于SDH规定的几种标准速率。顺便提一下，ATM技术的发展不像当初预期的那样顺利。由于ATM技术复杂且价格较高，同时无连接的因特网发展相当快，快速以太网和千兆以太网又推向市场，这就使得ATM目前应用场合是作为因特网的高速主干网。联通公司还有部分应用ATM技术的。

3．ATM网络组成

ATM网络由ATM交换机（或交叉连接设备）和ATM端系统组成。

（1）ATM交换机

ATM交换机是ATM宽带网络中的核心设备，它完成物理层和ATM层的功能。对于物理层，它的主要工作是对不同传输介质的传输特性的适配。对于ATM层，它的主要工作是完成ATM信元的交换，也就是ATM信头中VPI/VCI的变换。

（2）ATM端系统

ATM端系统有如下两类。

·在纯ATM网络中，端系统就是各种终端（如PC、工作站、视频解码器、电缆或xDSL调制解调器等），是产生和接收ATM信元的。

·在互连的网络中，端系统就是互连设备（如路由器），也叫做虚终端，不是产生和接收信息的端点，用于连接不同的网络，这些网络可以采用相同或不同的技术。

4．ATM网络接口

ATM的接口主要有用户网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）两种。

（1）用户网络接口

用户网络接口（UNI）是用户设备和网络之间的接口，直接面向用户。UNI接口定义了物理传输线路的接口标准，即用户可以通过怎样的物理线路和ATM网络相连接，还定义了ATM层标准、UNI信令、QAM功能等。

（2）网络节点接口

网络节点接口（NNI）一般是两个交换机之间的接口。与UNI一样，NNI接口也定义了物理层、ATM层等各层的规范以及信令等功能，但由于NNI接口关系到连接在网络中的路由选择问题，所以对路由选择方法作了说明。

（3）其他接口

除了上面提到的两种主要的接口以外，还有业务互通接口，比如宽带互连接口（B-ICI）定义了两个公用ATM网之间的接口，侧重于不同运营商的两个ATM网之间的接口；数据交换接口（DXI），定义了DTE和DCE之间的接口，DCE再通过UNI接口接入到ATM网，DCE完成了不符合ATM标准的数据终端到ATM的适配过程，相当于终端适配器，DCE和ATM交换机之间传送标准的ATM信元。除此之外，还有基于帧的用户网络接口（FUNI）、局域网仿真接口（LANE）、电路仿真接口（CE）等。

5．ATM的虚电路和虚路径

ATM采用分组交换中的统计复用，以期达成较高的资源利用率，实现灵活的多速率和变速率的复用。在同一物理传输线路上的复用依靠信元中不同的虚路径标识符（VPI）和虚电路标识符（VCI）区分。

虚路径和虚电路都是指一个单向的ATM信元传输信道。不过，一条虚路径中包含多条虚电路，所有这些虚电路都有相同的标识符（即VPI）。同样，在一条物理链路中，可以有许多虚路径。一条物理链路中的虚电路，由其VPI和VCI共同确定。

不同VPI、VCI的信元属于不同的虚连接，有不同的逻辑路由和连接。在复用之后，各路由的信元之间没有固定的关系。这样，ATM中就把虚连接分为虚路径和虚电路两个层次，其优点在于：通过预定义虚路径，可以构造虚拟专用网VPN，以保证在同一个VPN中的数据的保密性；其次，使用虚路径还可以简化网络管理。

应该指出，VCI和VPI只是本地编号，不具有全局的含义。因此，不同VP中的VC可以具有相同的VCI值，不同的物理链路上的VP也可以具有相同的VPI值。

虚路径和虚电路都是单向的，不过在建立连接时，可以同时建立起一对正向和反向的通道，形成一个双工信道。两个方向上的VPI值和VCI值是不一样的，其带宽也可以是不相同的。因为，在许多情况下（如视频点播VOD等应用），需要下载的图像信号量远远大于上行的控制信号。

虚电路和虚路径可以是点到点的，也可以是点到多点的。这是为了满足视频会议等应用而设计的。在这种情况下，可以把某个人的信号发送给每一个成员，而且比采用点到点方式时要求的带宽小，发送方的负载也小。

6．ATM的流量控制和拥塞控制

由于ATM网络支持包括语音、视频和多媒体数据在内的多种流量类型业务，有限的网络资源决定了网络所能支持的连接和接受的业务流量是有限的。当网络中的业务流量超过它支持的限度，网络的服务质量就会变差，如导致时延增加、丢失增加。为了保证网络的服务质量，ATM网必须有相应的流量控制和拥塞控制机制。

（1）流量控制

流量控制技术主要采用两种方法，即使用参数控制（UPC）和连接允许控制（CAC）。其中，UPC方法是对已建立连接的业务进行监视，当发现业务流量超过带宽的时候，丢弃信元；而CAC方法是对正在进行呼叫建立的连接进行资源查询，如果网络资源满足服务质量，则接受呼叫并分配资源，否则就拒绝这次呼叫连接。

（2）拥塞控制

由于ATM网络中突发业务所占的比例相当大，因此比较容易产生拥塞状态。拥塞会导致网络性能下降，甚至会导致网络瘫痪。通常，当网络发生拥塞的时候，采取以下几种措施。

·选择性信元丢弃：ATM信元中的CLP位表示信元属于高级优先权（CLP=0），还是属于低级优先权（CLP=1）。当网络发生拥塞的时候，首先选择丢弃低级优先权（CLP=1）的信元以缓解拥塞。低级优先权（CLP=1）的信元有两个来源：一是由用户产生，说明信元所承载的信息属于低级优先权；二是UPC将某些高级优先权（CLP=0）的信元改成低级优先权（CLP=1），说明这个信元属于超越协定值的流量部分。实际上，ATM网络拥塞就是牺牲这些信元来保证高优先级信元的传输质量。

·显示前向拥塞指示：当网络发生拥塞的时候，向目的终端发送显示前向拥塞指示QAM信元，当目的终端收到这个信元的时候，利用高层功能通知源发送端降低发送速率，达到消除拥塞的目的。

·动态使用参数控制：动态地重构UPC的参数。通过用户和网络的再协商，修改某种连接的UPC参数。在理想的状况下，这种方法是用户可定义和可控制的。

·连接终结：如果严重拥塞继续存在，就要采取一种极端的做法，也就是终结一些连接使得拥塞得以缓解。