异步转移模式(ATM)
1 什么是ATM
  人们一般习惯把电信网分为传输、复用、交换和终端等几个部分。但是近年来随着程控时分交换和时分复用的发展，电信网中的传输、复用和交换这三个部分已越来越紧密地联系在一 起了，开始使用传递(transfer mode)来统一描述。目前通信网上的传递方式可分为同 步传递方式(STM)和异步传递方式(ATM)两种。如ISDN用户线路上的2B+D，以及数字电话网中 的数字复用等级等均属于同步传递方式，其特点是在由N路原始信号复合成的时分复用信号 中，各路原始信号都是按一定时间间隔周期性出现，所以只要根据时间就可以确定现在是哪 一路的原始信号。而异步传递方式的各路原始信号不一定按照一定时间间隔周期性地出现， 因而需要另外附加一个标志来表明某一段信息属于哪一段原始信号。例如采用在信元前附加 信头的标志就是异步传递方式。宽带ISDN中ATM信元的信头就是一个例子。
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2 ATM与电路交换和分组交换的比较
  现代通信网中广泛使用的是电路交换和分组交换两种方式。电路交换方式适用于电话业务。 分组交换适用于数据业务。而ATM信元中承载的是宽带综合业务，既有电话业务，又有数据业务，还有其他业务。ATM采用的是ATM交换方式，它是一种新的交换方式，它既像电话交换方式那样适用于电话业务，又像分组交换方式那样适用于数据业务，并且还能适用于其他业务 。
  电路交换是以电路连接为目的的交换方式。电路交换的过程，就是在通信时建立电路的连接 ， 通信完毕时断开电路。至于在通信过程中双方是否在互相传送信息，传送什么信息，这些都 与交换系统无关。在电话通信中的电路交换方式由于讲话双方总是一个在说，一个在听，因此电路空闲时间大约是50%，如果考虑到讲话过程中的停顿，那么空闲时间还要多一些。 当把电路交换方式用在计算机通信中，由于人机交互(键盘输入、阅读观察屏幕输出等)时间长，因而电路空闲的时间比50%还大，甚至可高达90%，所以电路交换方式最大的缺点就是电 路利用率低。
   分组交换是以信息分发为目的，把从输入端进来的数据分组，根据其标志的地址域和控制域 ，把它们分发到各个目的地，而不是以电路为目的的交换方式。分组交换是把信息分为一个个的数据分组，并且需要在每个信息分组中增加信息头及信息尾，表示该段信息的开始及结束，此外还要加上地址域和控制域，用以表示这段信息的类型和送往何处，加上错误校验码以检验传送中发生的错误。
   因而可以说，电路交换它只管电路而不管电路上传送的信息。分组交换则对传送的信息进行管理。 电路交换的主要缺点是在通信过程中独占一条信道。分组交换中，交换机根据数据分组上的地址域来确定送到目的地，因而，可以有许多个通信过程共享一个信道，这是分组交换的一个主要优点。
  然而，分组交换却具有信息传送的随机时延的缺点。因为在电路交换中，如果电路忙，呼叫就被拒绝，只要电路一旦连通，就可以随时把信息传送过去。在分组交换中，其共享的电路 有时可能很空，信息可以马上就传送过去，有时可能很忙，信息就要在分组交换机中排队等候，排队的长度和等候时间是由电路的忙闲来决定的，这就是不确定的随机时延。当然，在 分组交换机中也采取了流量控制的措施，以便减少这种时延，即当在交换机中等待的数据分 组过多时，交换机会向各个输入端发出命令，禁止它们继续发送信息，或者要求它们改用较 低速率传送信息。此外，在分组交换中，对收到错误的分组数据要求马上重发的反馈重发 机制也增加了随机时延。随机时延对于计算机通信(数据业务)问题不大，但对于话音业务来 说，随机时延就不可容忍了。
      宽带ISDN中传送的是ATM信元，ATM信元从概念上讲与数据分组相似。但是，由于宽带ISDN要 提供各种业务，而对话音、电视图像、立体声音乐等是不能容忍随机性延迟的，因而对于AT M信元的交换就不能照搬分组交换方式，而需要一种新的交换方式，这就是ATM交换方式。
  近年来，由于光纤通信的迅速发展，不仅通信能力极大提高，而且传输错误也微乎其微，因而在分组交换的基础上产生了帧中继等快速分组交换方式，把检错纠错功能放在终端设备， 从而减少了时延，提高了速率。ATM交换方式也属于快速分组交换，但它不仅仅是简化了控制，提高了速率的分组交换，同时为了满足实时业务的要求，还使用了一些电路交换中的方法。ATM改进了电路交换的功能，使其能灵活地适配不同速率的业务；ATM改进了分组交换功能，满足实时性业务的要求。所以ATM交换方式又可以看作是电路交换方式和分组交换方式的结合。
  电路交换，分组交换和ATM交换方式的比较如表11－1所示。

 电路交换  优 点 ： 

 1适合固定速率的业务。2没有接入时 延。

                缺 点 ：
1信息速率种类较少。2网络资源及电路利用率不高 

分组交换  优 点 ：

1适合可变速率的业务。2通过合并若干个分组，可以达到各种速率

               缺 点 ：
 1由于时延大，不适合实时业务。2可变的分组长度增加了处理成本。 

ATM交换 优 点 ：

1通过给一个逻辑连接分配若干个信元，可以达到各种速率。2 可以更好地利用网络资源，如动态容量分配，统计复用等不同速率的连接。

              缺 点 ：
1面向 分组，对于实时业务需要附加的机制。2分组装拆会引起一些时延 
 　

3 ATM的基本概念和原理

3.1 ATM的基本特征
    ATM的基本特征是信息的传输、复用和交换都是以信元(cell)为基本单位。按照CCITT的建议 ，每个信元的长度为53个字节，其中前面5个字节为信头，用来表示这个信元来自何处，到何处去，是什么类型等。后面48个字节是要在线路上传送的信息。由于ATM有信头，所以会有一部分线路传输能力用在信头上。因此，用户可以使用的传输速率将不是155.52Mbit／s ，而是155.52Mbit/53*48=140Mbit／s。
  ATM是定长度的信元，它可以适应用户不同速率分配的要求。例如，某用户要与A、B、C三 个用户通信，其速率分别为20、40、60Mbit／s，这样在用户线路上每出现一个给A的信元， 就会有两个给B的信元和三个给C的信元。由于上述三个通信用户合起来的速率是120Mbit／s ，尚未达到155.52Mbit／s，因此线路还会有一些时间处于空闲状态。所以ATM可以非常灵 活 地适配各种不同速率的要求，用户几乎可以按任何方式把信道分割成任意多个不同速率的子信道。只要它们的速率之和不超过信道的总容量，即155.52Mbit／s就可以。

3.2 ATM的信元结构
    ATM信元结构如图11－2所示。
  图中：UNI为用户－网络接口；NNI为网络－节点接口；GFC为一般流量控制域；VPI为虚路径 标识符；VCI为虚通道标识符；PT为净荷类型，即后面48个字节信息域的信息类型；RES为保 留位，可以用作将来扩展定义，现在指定它恒为0；CLP为信元丢弃优先权，在发生信元冲突时，CLP用来说明该信元是否可以丢掉；HEC为信头校验码，检验多项式，这个字节用来保证整个信头的正确传输。

3.3 ATM的虚路径和虚通道
  在信元结构中，VPI和VCI是最重要的两部分。这两部分合起来构成了一个信元的路由信息， 也就是这个信元从哪里来，到哪里去。ATM交换机就是根据各个信元上的VPI－VCI来决定把 它们送到哪一条线路上去。
  用同步时分复用的办法可以把一条通信线路分割成若干个子信道，如一条窄带ISDN用户线路 可以分割成两个64kbit／sB信道和一个16kbit／s的D信道。在异步传递方式中，使用虚路径和虚通道的概念，也可以把一条通信线路划分成若干个子信道。例如在一条宽带ISDN用户线路上，要进行5个通信，其中到A地三个通信，到B地两个通信，这些通信里有电话通信，数据通信，图像通信等。可以用VPI=1表示向A地的通信，VPI=2表示向B地的通信。到A地的三个 通信分别用VCI=4、VCI=5、VCI=6来代表，到B地的两个通信用VCI=5、VCI=6来表示。在线路上所有VPI=1的信元属于一个子信道，所有VPI=2的信元属于另一个子信道，一般把这两个子信道都叫做虚路径，每个虚路径还可划分为若干个虚通道。图11－3所举的例子就是2个虚路径和5个虚通道。

    宽带ISDN用户线路采用ATM方式的重要优点是可以灵活地把用户线路分割成速率不同的各个子信道，以适应不同的通信要求。这些子信道就是虚路径和虚通道。在不同的时刻，用户的通信要求不同，虚路径和虚通道的使用就不一样。当需要某一个通信时，ATM交换机就可为 该通信选择一个空闲中的VPI和VCI，在通信过程中，该VPI－VCI就始终表示该通信在进行， 当该通信使用完毕后，某VPI－VCI就可以为其他通信所用了。这仲通信过程就称为建立虚路径、虚通道和拆除虚路径、虚通道。
  一条虚路径是一种可适用于所有虚通道的逻辑结构。一个虚路径标识符内可放入多条虚通道 。路径／通道概念的使用允许ATM交换设备以相同的方式在一条路径上处理所有的通道。路 径可以将许多通道绑在一起作公共处理。对于要求服务类的连接(通道)公共处理是需要的。
   图11－4说明了一条物理链路上的虚路径和虚通道之间的逻辑关系，可以看到逻辑路径可携带多条逻辑通道。
 
    这是从逻辑角度而不是物理角度看路径和通道。在物理介质上，虚路径和通道并不是并行传 输的，ATM不利用频率或微波的多路复用。虚路径和虚通道在物理介质上是以相同的波长传 输的，区分的方法是在信元标头中插入不同的VPI／VCI值。图11－5说明了从物理角度看信元在物理链路上传输。 在路径上的所有输入虚通道都可导向某些输出通道，这便于数据单元的管理。这种处理的优点是更快地吞吐及在交换设备上较低的内部延迟。

    每个连接分配一个唯一的虚路径标识符(VPI)和虚通道标识符(VCI)。VPI／VCI的组合用来区 分ATM网络内部的一个连接。采用VPI／VCI标识符，ATM网上的许多端点可以互相映射。在同 一虚路径上可容纳许多虚通道，在单条虚路径上可支持多达65536条虚通道。每个ATM端点可支持256条虚路径，每条虚路径可支持65536条虚通道。ATM网上单一物理UNI接口可支持的总的路径和通道的组合是16777216个开发连接。

3.4 ATM信元
    在宽带ISDN用户线路上传送的信息都是ATM信元，所以信令也用ATM信元来传送，传送信令的ATM信元叫做信令信元。为了区别信令信元和其他ATM信元，将信令信元的信头规定一个特定值。例如，可以规定一个特定的VPI－VCI专供信令信元使用，其他ATM信元都不可以使用。 也可以规定一个其他的ATM信元永远不用的净负荷类型(PT)，专供信令信元使用。
  除了承载用户信息的信元和信令信元之外，还有空闲信元如运行维护信元(OAM)。如果在线 路上没有其他消息发送，则发送“空闲信元”可以起“填充”空闲信道的作用。运行维护信 元上承载的是宽带ISDN的运行和维护的信息，如故障，告警等信息，它是ATM交换机经常定时发送的48字节信息域，其内容是事先规定好的，收到这些信元的交换机，根据这些信元误 码来判断线路质量，如是否有故障告警等。
  ATM信元是定长的，所以时间是被划分成一个个等长的小片段，每个小片段就是ATM的信元， 它有点类似于同步时分复用情况，但不同于分组交换网中的情况。
  话音、活动图像等恒定速率的实时性信号，在装入一个个ATM信元后，应该是每隔一个固定的时间间隔出现一次。例如，64kbit／s话音信号装入155.52Mbit／s的ATM信元，因为每个信元内有48×8=384bit用户信息，所以每秒钟内只出现64000／384=167个装载该话音信号的ATM信元，即每隔6ms出现一次。如果这些ATM信元在经过宽带ISDN后的随机性时延不大于某一规定值，那么就可以在接收端重新组合成无失真的话音信号。

3.5 ATM的错误检验与时延
  ATM交换中取消了信息反馈重发，这点可以从ATM信元的定义中看出，它没有对整个信元作错误检验，而是对信头部分的错误检验(HEC)。实际上，当某一个ATM信元的信头部分错了，也不会反馈重发，而是把该ATM信元丢弃。这是因为一方面光纤传输线路质量很高，出现差错的可能性很小，另一方面对于要求实时性高的话音和电视图像，小部分的差错对其影响不大。 对于不能容忍差错的计算机数据业务，则可以通过在终端上附加反馈重发功能的办法来消除通信网中发生的传送差错。
  除了反馈重发造成的随机时延外，一个ATM信元还可能会在交换机内部及中继线路上延迟， 在中继线路上的延迟，主要是排队造成的。ATM交换机具有当线路上没有足够通信能力来满足用户通信要求时，可以发送一个信令信元给终端，告诉它现在“忙”。ATM可以根据用户 业务类型对通信能力规范其要求，对有的业务在“忙”时可以丢掉一些信元，对有的业务， 则可以在交换机中多等一会儿。但那些可以丢掉一些信元的业务，也可能会有一些信元比较重要 ，绝不可以丢掉，对于这样的信无，可以使用ATM信头中的信元丢弃优先级(CLP)予以标志。 为了不使ATM交换系统的控制处理负担太重，可以采用虚路径(VP)和虚通道(VC)两级管理的办 法。通过虚路径对交换机连接到各地的线路进行宏观管理，通过虚通道对各个通信进行微观 管理。在正常情况下，交换机向各个方向的信息流量分布总是可以统计或估计的，可而可以预 先对虚路径进行大致的分配。这样，在呼叫到来时就会给有空余通信能力的虚路径中分配 一个虚通道。在虚路径和虚通道两级管理时，ATM交换机也可分为进行虚路径交换和虚通道交换两类，当虚通道交换机找不到虚路径放置新的呼叫时，它可以通知有关的虚路径交换机 调整虚路径。当然，虚路径交换机自己也可以根据各条虚路径上的信息流量来进行调整。