基于对现代交换技术中ATM技术的理解

基于对现代交换技术中ATM技术的理解中南林业科技大学 07级计信学院通信2班刘健

摘要：本文讨论了ATM技术的发展和存在的问题，并介绍了ATM技术在数字通信、帧中继等业务中的应用。

关键词：异步转移模式宽带综合业务数字网网间协议帧中继公众交换电话网／窄带综合业务数字网

1 ATM技术的介绍

ATM(AsynchronousTransferMode)顾名思义就是异步传输模式,?就是国际电信联盟ITU-T制定的标准,实际上在80年代中期，人们就已经开始进行快速分组交换的实验，建立了多种命名不相同的模型，欧洲重在图象通信把相应的技术称为异步时分复用（ATD）美国重在高速数据通信把相应的技术称为快速分组交换（FPS）,国际电联经过协调研究，于1988年正式命名为AsynchronousTransferMode(ATM)技术，推荐其为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式。

ATM是一种传输模式，在这一模式中，信息被组织成信元，因包含来自某用户信息的各个信元不需要周期性出现，这种传输模式是异步的。

ATM信元是固定长度的分组，共有53个字节，分为2个部分。前面５个字节为信头，主要完成寻址的功能；后面的48个字节为信息段，用来装载来自不同用户，不同业务的信息。话音，数据，图象等所有的数字信息都要经过切割，封装成统一格式的信元在网中传递，并在接收端恢复成所需格式。由于ATM技术简化了交换过程，去除了不必要的数据校验，采用易于处理的固定信元格式，所以ATM交换速率大大高于传统的数据网，如x.25，DDN,帧中继等。另外，对于如此高速的数据网，ATM网络采用了一些有效的业务流量监控机制，对网上用户数据进行实时监控，把网络拥塞发生的可能性降到最小。对不同业务赋予不同的"特权"，如语音的实时性特权最高，一般数据文件传输的正确性特权最高，网络对不同业务分配不同的网络资源，这样不同的业务在网络中才能做到"和平共处"。

2 ATM技术的发展和存在的问题

异步转移模式（ATM）是为B-ISDN提供的一种快速分组传送技术。B-ISDN的目标是要实现现有以及未来可能出现的各种电信业务的综合。B-ISDN的基本构成包括宽带传输／交换网络、接入网络和网络管理系统。传输网络由采用同步数字系列（SDH）或波分复用（WDM）技术的光纤网络构成；交换网络主要由ATM骨干交换机构成；接入网络以ATM接入设备为基础，采用多种接入方式如非对称数字用户环路（ADSL）、光纤分配网络、光纤／同轴电缆混合（HFC）接入以及无线接入等方式。以ATM为基础的B-ISDN具有与传统的电话网络和分组网络显著不同的特点：首先，B-ISDN的网络实现与业务无关，提高了网络资源的利用

率；其次，B-ISDN采用统计复用方式，灵活分配各种资源，可保证各种业务的服务质量（QoS）；此外，ATM信元采用定长短分组技术，实现了信息的高速交换，因此，使网络功能大大简化。

为了推动以ATM技术为基础的B-ISDN的发展，ITU－T在80年代中期开始制订有关B-ISDN的规范，目前已为B-ISDN及ATM研究制订了大体完善的建议，内容涉及B-ISDN网络总体、性能、网络互通、资源管理、信令、网络接口（UNI/NNI）、OAM、ATM适配等各个方面。同时，ITU－T和ATM 论坛不断对公众和专用宽带UNI进行了标准化。利用这些建议和标准，供应商已能够在这些接口上实现互通，服务提供者可以开始提供高速数据和类似专用线路的传输业务。尚需标准化的是为支持交换式多媒体业务环境的信令、高层应用协议和更为先进的操作、网管能力。围绕着建设B-ISDN，世界各国对ATM进行了内容广泛的研究和验。目前，ATM技术已经进入了实用化阶段，商用化ATM产品大量出现，很多国家已建设了ATM骨干网络，并提供多种高速、实时业务。ATM的应用同时也进入到局域网、无线网络和卫星网络等领域。

但是，以ATM为基础的B-ISDN的建设还处于初级阶段，各国的B-ISDN发展也不平衡。除政策原因外，还存在技术原因：（1）ATM技术还无法经济地支持话音等低速率业务。人们期望ATM技术能够同时支持话音和数据业务，但不够灵活的适配方式以及由ATM网引入的相对较大的时延使得ATM对话音业务的支持不能令人满意。（2）尽管ATM技术的标准已经基本齐备，但部分技术内容仍不完善，限制了ATM网络作为整个主干网络为用户提供端到端可保证QoS和灵活业务的能力，特别是在网络管理、业务量控制及对无连接数据业务的支持等方面还需做大量工作。（3）ATM的统计复用特性使业务量特性变化繁多，基于业务量统计特性的控制也就变得愈发复杂，因此ATM的流量和拥塞控制仍然存在很多问题。（４）网络技术的发展使ATM技术受到了来自其它技术的竞争，如千兆比以太网的出现使ATM技术更难在局域网范围内得到采用。目前还没有针对于ATM的“致命应用”。

针对这些问题，致力于ATM的研究者们已经开展了很多工作，也提出了一些解决方案。这些努力包括：简化信令和网络控制；提出新的ATM适配方式；将ATM技术与IP、智能网（IN）、网管相结合，以灵活提供各种业务。这些研究成果不仅拓宽了ATM技术在宽带通信及互联网中的应用，也使该技术能够在窄带业务（帧中继、PSTN／N－IS-DN等）领域发挥优势。

3 ATM与IP技术的结合

以IP为基础的Internet的发展出乎许多人的预料，短短几年内已迅速席卷了全球，对传统的电信运营形成了巨大的冲击，同时引发了一场关于未来信息高速公路是以B-ISDN为基础还是以Internet为基础的争论。计算机业界一致看好Internet。但无论如何，Internet原本是为了把已存在的众多局域网络连接成一个统一的网络。随着网络的覆盖范围不断扩大、网络的业务类型不断增加以及网络用户的增长，Internet 中必然会出现网络拥塞、带宽资源紧张和用户质量下降等问题，因此Internet网络终究要实现宽带化。Internet要使用公共通信网资源，仅仅依靠IP协议并不能解决传输宽带化的问题，还要解决怎样利用新的传输设备来提供高带宽。

ATM技术的出现为Internet所面临的问题提供了解决方案。IP技术只有与ATM技术相结合才可能在Internet上提供大范围的宽带业务。目前，电信和Internet业界都已认定未来的宽带骨干网应基于ATM技术。国外一些大学和科研机构正在研究下一代Internet（I2）。在I2总体结构中，ATM和SONET作为骨干技术用于连接各个千兆比接纳点。利用ATM构造宽带Internet的骨干网，不仅可解决Internet骨干网的带宽问题，也为其提供高QoS的IP业务奠定了基础。尽管受到其它网络技术的竞争，许多人仍认为ATM不仅是电信网也是Internet骨干网的最终解决方案。

目前，在宽带计算机通信领域中与ATM技术竞争的技术主要是千兆比以太网（GE）。由于其对原有局域网技术的兼容性，用户可以很低投入获得网络性能的大幅提高，这使其在宽带局域网互联中被广泛采用，许多对QoS要求不高的城域网及企业网也开始采用千兆比以太网技术。但作为一种信息传递技术，ATM的性能显然优于千兆比以太网，它具有无限缩放性，可用于局域、城域直到广域网环境，并且由于拥有QoS保证，可以说ATM几乎是未来多媒体业务的唯一选择。

ATM技术与IP技术的结合存在许多困难，其中关键问题是地址解析和QoS。ATM与IP的差别是有目共睹的，ATM是面向连接，有自己的信令、选路规程和地址结构；IP是面向无连接的，也有其特有的寻址方式和选路功能。ATM与IP技术的结合实际上就是如何在ATM上承载IP分

组的问题。目前ATM与 IP结合的技术根据在ATM网络上发送IP分组的不同方式可分为两类：重叠模型和集成模型。重叠模型中，IP协议在ATM上运行，需要定义两套地址结构及路由协议，ATM端系统除需分配

IP地址外，还需分配ATM地址，同时也需要两套维护和管理功能。属于重叠模型的技术主要包括IETF定义的ATM上的传统IP（CIPOA）及ATM Forum定义的局域网仿真（LANE）和ATM上的多协议（MPOA）。重叠模

型使用ATM的信令标准，可与ATM业务兼容，在技术上较为成熟，标准化方面比较完善，LANE和CIPOA都有成熟的产品和应用。但是重叠模

型基本上是IP协议在ATM环境下的暂时解决方案。由于地址和路由功能的重复，传送IP分组的效率较低；集成模型中，ATM端系统仅需标识IP 地址，在ATM网络内采用IP选路，不再需要ATM的地址解析过程，因此集成模型传送IP分组的效率较高。但是其与标准ATM的融合及对QoS

的支持比较困难。采用集成模型的技术包括IETF提出的IP交换和标记交换、ATM Forum提出的集成专用网络—网络接口（IPNNI）等。近来由IETF提出的多协议标签交换（MPLS）比较引人关注。MPLS也属于集成模型，它基于标签交换的机制在ATM层上直接承载IP业务，提高了业务性能和网络效率。

4 帧中继业务中引入ATM技术

帧中继（FR）是基于分组复用方案的技术，可在一条2Mbit/s物理链路上建立多条虚通路。自90年代初引入以来，帧中继在专用网中得到了迅速发展，成为新的业务流量源。目前，很多用户基地设备（CPE）供应商开始支持帧中继。这种新业务的迅速增长需要网络容量的更新，并使其有可能引入ATM等新技术。 ATM网络可用来连接帧中继网络，使各个站点间能够通信。ATM骨干网不仅可以用于传输帧中继业务流，而且

也为帧中继网之间的互通提供了一种简洁的方式。

帧中继业务中引入ATM技术需要实现帧中继承载业务与C类面向连接的可变比特率（VBR）业务之间的互通，也就是帧中继逻辑连接与ATM 虚通路之间进行映射。图1给出了一个帧中继和ATM永久虚电路（PVC）业务互通的ATM－FR实现方案的参考模型。其中，互通单元（IWU）是帧中继交换机或复用器，在帧中继UNI执行互通的功能；AAL5用于帧中

继和ATM之间的互通；帧中继业务特定会聚子层（FR－SSCS）支持AAL5的公共部分会聚子层／拆装子层（CPCS／SAR）。FR－SSCS的协议数据单元（PDU）与Q.922的帧结构兼容。

帧中继连接复用到ATM连接存在两种方式：（1）复用方式，即多个FR逻辑连接复用到一个ATM逻辑连接中。FR－SSCS用数据链路连接标识（DLCI）提供复用。这种方式适用于在FR网络节点间基于ATM的支持网上传输FR业务流，但需在流量管理和PVC链路管理上做进一步的工作。

（2）非复用方式，即每一个FR逻辑连接对应于一个ATM通路。FR－SSCS链路由ATM信头的VPI／VCI确认。此方式可用于FR和信元中继端点的互通，或者FR接口直接与ATM骨干网交换机互通。

非复用方式的FR—ATM方向上，Q.922中DLCI直接对应于FR－SSCS 的DLCI段。帧可丢失指示（DE）、命令／响应指示（C／R）及前向显示拥塞比特（FECN）等同地从Q.922头中映射到FR－SSCS头中。DE比特的状态由FR－SSCS传到AAL－CPCS层，对信元中信元丢失优先级（CLP）进行设置。在协议中还规定了当ATM网中发生拥塞时如何设置FR－SSCS的后向显示拥塞比特（BECN）。在ATM—FR方向，Q.922 头中DLCI根据PVC的VPI／VCI确定适当的数值。此外，Q.922头中的FECN 比特根据FR－SSCS FECN比特或AAL5－CPCS PDU指示拥塞被设置。FR－SSCS的BECN、C／R和DE比特直接映射到Q.922头中。IWU和ATM支撑网必需支持在FR业务中所采取的流量管理和拥塞控制过程。帧中继PVC业务的流量管理基于用户提交的信息速率和突发尺寸。端到端连接（FR—ATM—FR）的本地管理状态信息必须被保存，并应用中间本地管理接口协议，通过FR－UNI接口进行传送。

5 综合接入与交换系统

随着各种电信业务的不断增长，人们希望用一种能够接入和交换各种电信业务的综合接入与交换系统来替代目前种类繁多的接入和交换设备。国内的研究机构和厂商已经开始着手对这种综合接入与交换系统进行实用化的研究。这种多功能综合接入与交换系统提供现有的各种业务接口，支持多种业务用户的接入，包括 PSTN/N-ISDN接口（Z接口、BRI ／PRI、E1／E3、V5．X）、数据接入（10MBIT／S／100MBIT／S以太网、千兆比以太网、XDSL、DDN、FR、ATM等）。系统能用标准的LAN或WAN接口及其协议连接IP网，支持FR／ATM网的连接。该系统还能支持至各种业务网的数据流分流功能，作为PSTN/N-ISDN、ATM与IP网之间的大容量网关设备，可在接入侧实现B-ISDN（ATM）用户、IP网用户及电话网用户之间业务上的互连互通，保证各种业务的QoS；提供统一的网管和维护功能；支持多种业务网在AN侧的管理业务要求。

综合接入与交换系统是一个多种业务综合交换的平台，必须具有强大的业务交换能力和QoS保证机制，此外还需要维护、网管、计费等功

能。系统的实现可以以ATM为核心，也可以采用高速IP路由器。由于

ATM为一综合的网络平台，可提供周密的业务控制机制保证QoS，具有较为完善的管理、维护和计费功能，因此以ATM为核心可能是综合接入与交换系统的最优选择。

6 结束语

ATM技术支持可变速率和灵活的服务级别使它成为承载多种业务的理想网络技术。从网络发展来看，向以ATM为基础的B-ISDN网络的过渡是一种必然趋势，但在一个较长的时期内，ATM需要与各种现行通信网并存。研究如何使用ATM技术支持各种电信业务，将可加速在通信网中引入ATM的进程，推动其向宽带网的过渡。但可以相信，以ATM为基础的B-ISDN的研究和建设仍将是本世纪通信骨干交换网络发展的主流。