異步傳輸模式工作原理簡介

ATM（Asynchronous Transfer Mode）異步傳輸模式，是一種面向連接的快速分組交換技術，建立在異步時分復用基礎上，并使用固定長度的信元，支持包括數據、語音、圖象在內的各種業務的傳送。

ATM是一種高速網絡技術，設計用于LAN、WAN、運營商和服務提供商網絡以及因特網核心網絡。相對于無連接技術(如IP)而言，它是面向連接的交換技術。通過光纖線路ATM在源和目標之間創建虛電路(專用路徑)。這些電路可使帶寬和服務質量得到保證。

ATM可以與同步T1線路做一對比。在T1線路中每125us都有一個T1幀生成，該速率由主時鐘控制，每幀的第k時隙中有從相同源來的1字節數據。T1是同步的。而ATM不嚴格要求信元交替地從不同的源到來，每一列從各個源來的信元，沒有特別的模式，信元可以從任意不同的源到來，而且，不要求從一臺計算機來的信元流是連續的，數據信元可以有間隔，這些間隔由特殊的空閑信元（idle cell）填充。

ATM的固定信元提供性能和可預測的業務流。這很像一個繁忙交叉路口的情況。假設一個二輪半拖車正試圖急轉彎。每當發生這種情況時，交叉路口的其余交通都得停下來。現在想象一下如果在這同一交叉路口動將很平穩，甚至是可以預測的，這是因為沒有發生交通堵塞。

ATM信元以相同的效率與ATM交換機協商，從而提供幾種好處：

?信元交換既高效又快速。

?業務流是可預測的，因為信元大小固定。

?時間敏感通信量的傳輸可得到保證(現場語音和視頻)。

?ATM包含QoS(服務質量)特性，可用于保證某些類型的通信業務的帶寬。

對于ATM和IP這兩者哪一種更好這一問題，一直進行著激烈地辯論。很多人發現這種辯論實在是很奇怪，因為這兩種技術完全不同，甚至不在同一協議層中。爭論的內容實際上是網絡究竟應該是面向連接(ATM)的還是盡力傳輸(IP)的。ATM的固定信元大小和虛電路能力使它成為實時多媒體的最佳選擇。運營商和服務提供商在他們的核心網絡中使用ATM，這是因為ATM使他們能夠為用戶提供服務保證。但是，IP的簡單數據分組轉發模型已在因特網上證明為非常有用，因為因特網上的業務流量為突發式而且無法預測。這種模型允許數百萬人共享因特網的帶寬而無需事先建立虛電路。但是，IP模型在通信載荷和擁塞下開始垮塌了。另外，由于IP網絡延遲無法預測，因而給實時通信業務帶來了問題。

ATM最初由電話公司定義，并且電話公司曾經把它作為端到端網絡技術和話音技術大力推崇。從這一點來說，ATM既是LAN技術也是WAN技術，它有可能允許用戶使用單個網絡來替換他們獨立的聲音和數據，以同時處理話音和數據以及其他多媒體內容(如視頻)。

在20世紀90年代初期，人們普遍認為ATM是下一代網絡技術，并且它會一直延伸到桌面。但是，當時廣播LAN的地位已經在大多數組織和爆發出現的因特網技術中確立。而ATM則是以它的速度吸引人，吉比特以太網(lOOO Mbit/s)(現在是lOG bit/s以太網)可提供更便宜且更易管理的服務。

而且，AFM是一種可行的主干網技術，甚至是在本主題結尾所討論的吉比特以太網環境中。ATM很易于升級，并且可與大多數現有技術結合。

最近，一些新技術(如DWDM(密集波分復用))和光網絡可能會取消ATM甚至SONET)。DWDM將數百個并且可能是數千個波長的電路放入單個光纖中。這意味著核心網絡將支持很高容量的交換光電路，從而減少對分組交換核心網絡的需要。想象一下，有整個光束(波長)分配給您個人使用，需要時它將切換到位，操作結束后它將斷開。這就是新的光網絡所能夠提供的。有關更多信息，請參閱“光網絡”。對這些趨勢有了一定的了解后，下面各節將提供ATM技術的概述。

ATM網絡設計

AFM網絡可以分為專用和公用。專用ATM是某個組織內的ATM網絡，而公用ATM是由運營商和服務提供商提供的廣域網絡服務。當一個組織實現ATM時，公用ATM和專用ATM之間的分界線會不斷變化。例如，圖A-11說明了各個階段的ATM用途。在第1階段(圖A-11的上部)，用戶將運營商的ATM網絡用于廣域鏈接。請注意，來自用戶站點的數據幀和話音業務量通過傳統的租用線路傳送到運營商的ATM交換機。在這種情況下，運營商將幀轉換為ATM信元。

在第2階段(圖A-11的下部)，用戶在其站點內安裝ATM邊緣設備以處理幀到信元的轉換和傳送。運營商可能提供這種設備。更有可能的是，用戶安裝ATM作為中樞或核心網絡技術，然后在它的站點和運營商之間使用ATM到ATM連接。

一般來說，各組織分階段來建立專用ATM網絡以適應其現有的、基于幀的網絡。圖A-12說明了初始階段和隨后各階段。在圖的左邊，ATM交換機作為中樞安裝，可能替換現有FDDI(光纖分布數據接口)或快速以太網中樞。路由器將每一個現有網絡連接到此中樞。在下一階段，將交換設備添加到網絡層次中的各個級別。另外，服務器也被移到中樞，在此處用戶能夠更方便地對它們進行訪問。請注意，這樣信元交換離終端用戶更近了。在本主題的結尾處，介紹了一個混合ATM/吉比特以太網網絡的設計。此設計充分利用了貫穿整個企業的高速以太網網絡的優點，并在核心處使用了ATM交換技術。ATM交換機可配置為網狀拓撲，其中有多個冗余的載荷分擔鏈接。這種可升級的網狀設計優于吉比特以太網中樞，后者可能會因通信量太大而癱瘓。另外，ATM核心可以提供QoS。

圖A-11 運營商/用戶廣域ATM配置

圖A-12內部專用ATM網絡結構

ATM模型AFM最初是作為B-ISDN(寬帶綜合業務數字網)標準的一部分提出的。B-ISDN是公用數字通信網絡標準，設計用于為公司和家庭用戶提供高端多媒體、電視、CD品質音樂、數據網絡和其他服務。ATM是使B-ISDN成為可能的基礎網絡技術。

ITU-T是制定ATM標準的國際組織，但是它實施ATM論壇作出的建議。ATM論壇是電話公司和ATM設備銷售商聚在一起討論ATM用途的協會。

圖A-13顯示了ATM的參考模型，下面將對其進行介紹。請注意，該參考模型是與OSI參考模型相比較而言的，中兩個ATM頂層等效于OSI數據鏈路層的下層。

圖A-13 ATM參考模型

?ATM適配層(AAL) 此層根據信息需要的傳送服務類型定義信息從上層轉換為ATM信元的過程。從上層收到信息后，AAL將數據分割成ATM信元；從ATM層收到信息后，AAL必須重新組合數據形成一個上層能夠辨識的格式。上述操作稱之為分段與重組（SAR），它是AAL的主要任務。此外不同的AAL支持不同的流量或服務類型，將在稍后討論。

?ATM層 ATM層位于ATM參考模式的第二層，提供了ATM適配層AAL和物理層之間的接口界面。它建立、維護以及終止虛電路，并且通常控制ATM網絡上的信元傳送。ATM層能夠決定導入信元應該被轉發至哪里、重新設置通訊連接標識符以及轉發信元給下一個鏈接、緩沖導入/導出信元及處理各種流量管理功能，如信元丟失優先權標記、擁塞標注和通用流控制接入。此外ATM層還負責服務合同（流量政策）的監控傳輸率和一致性。

?物理層 物理層由傳輸匯聚子層和物理介質相關層組成。它與支持ATM的物理介質連接，包括SDH(SONET)、DS-3/E3、光纖通道和FDDI。該層負責將傳出信元轉換為比特以及將那些比特轉換成所用網絡的幀結構。傳入比特被轉換為信元。

傳輸匯聚子層的功能是實現物理層匯聚協議(PLCP)。PLCP負責確保整個物理鏈路上信息的適當傳輸和接收。物理介質相關(PMD)子層負責物理介質性質、bit定時及線路編碼。 ATM物理層不定義任何一種特定的介質。SDH(SONET)通常與ATM相關聯，因此很多人認為SDH(SONET)是ATM規范的一部分。

ATM信元在ATM頭字段定義了ATM層函數。ATM信元有兩種類型：一種類型是UNI(用戶網絡接口)，用于由用戶發送的信元中，另一種類型是NNI(網間接口)，由交換機將其發送到其他交換機。圖A-14對UM和NNI信元進行了描述。NNI信元不具有GPC(一般流量控制)域。后面將在“ATM接口”下討論UNI和NNI。ATM信元的長度為53個字節:48個字節用于有效載荷，5個字節用于信元頭信息。請注意，頭信息幾乎占信元的10%，在遠距離傳輸時這一部分的開銷會很大。ATM信元是包含“有效載荷”(數據)和信元頭信息的信息包，其中信元頭信息將信元引領至其目標的通道和路徑信息。信元頭中每個域所保存的信息解釋如下。

圖A-14 ATM信元布局(按字節次序:高、中、低)

?GFC(一般流量控制) 此域僅出現在UNI信元頭中，用于控制用戶接口上的擁塞。此域將4bit的VPI域內容用于NNI信元中。

?VPI(虛擬路徑標識符) 標識用戶間或用戶與網絡間的虛擬路徑。此域在UNI中為8bit，在NNI中為l2bit。

?VCI(虛擬通道標識符) 標識用戶間或用戶與網絡間的虛擬通道。

?PTI (有效載荷類型指示符) 指示有效載荷區域中信息的類型，如用戶、網絡或管理信息。

?CLP(信元丟失優先級) 定義當發生網絡擁塞時如何放棄某些信元。此域保存優先值，O表示信元具有最高優先值。

?HEC(信元頭差錯控制) 一個8bit域，可提供FEC(正向糾錯)，FEC是一種在單元中發送可用于修復差錯的信息的技術，但是僅當錯誤為單個比特時才能使用此技術。

AAL(ATM適配層)

AAL將數據分組從上層會聚到ATM信元中。例如，假設有數據分組為1000字節，則AAL會將它分為約21個段，并將每個段放入一個信元中以供傳輸。

ATM將分為許多小信元并向每個信元添加一個頭信息，這是它的一個重大缺陷。正是所有這些附加的頭信息比特耗盡了帶寬!

再看一看圖A-13。AAL層被分為會聚子層（CS）和SAR(分段和重組)子層。會聚子層根據傳輸所需的TM服務類別準備消息。這些服務類別稱為AAL類型，接下來將對其進行介紹。然后，SAR子層將信息分成適合ATM信元有效載荷區域的段。

SAR子層完成在發送端將可變長度的AAL協議數據單元（PDU）分解為固定長度的ATM信元和在接收端將ATM信元組合成AAL協議數據單元的工作；匯聚子層（CS）又可分為兩個子層，其中CPCS子層完成差錯檢驗、同步信息提取和重組長PDU等功能，不同的AAL有不同的CPCS機制；SSCS子層完成直接與具體業務有關的功能，譬如檢查QoS參數、定義如何從高層提取不同協議信息等功能。

可以將ATM服務類別看作TCP和UDP服務。TCP提供面向連接的服務，而UDP提供無連接服務。但ATM服務類別廣泛得多。它們考慮到對定時和固定或可變比特率的需要(如表A-1所描述)。下面將提供這些參數的說明。

表A-1 ATM適配層的服務類別

服務類別選擇的根據是：應用類型(話音、視頻、優先級高的數據和優先級低的數據等)、所需的服務質量和服務合同等。此處對服務類別進行了概述。請注意，AAL-3/4科是AAL—3和AAL4結合的結果。最初，AAL-3是為面向連接的服務(如X.25)所定義，而AAL4是為無連接服務(如IP)所定義的。但由于差異太小，因此把它們結合了起來。然而，AAL-3和AAL4結合后，技術人員還是不滿意，因此他們創建了AAL-5以獲得其他類別中不可用的附加功能。

?AAL-1 一種面向連接的、模仿TDM電路(作用與T1或T3租用線路類似)的服務。也就是說，不管是否使用帶寬，都要對其進行分配。這種服務對于實況流播音頻和視頻的應用非常有用。從帶寬方面來說，這種服務比較昂貴，因此只能在必要時使用。AAL-1向用戶提供恒定比特率的數據傳送能力、并提供定時信息和結構信息的能力。在必要時還能提供一定的糾錯能力和報錯的能力。AAL-1支持A類業務。

?AAL-2 AAL2的目的是支持可變比特率，譬如新聞廣播或足球比賽，前者的數據可以以較低速率進行傳遞，而后者則可以采用較高速率進行傳遞。AAL-2用于支持可變比特率的面向連接的業務，適用于傳送音頻和視頻，但它不像AAL-1那樣模仿電路，因此使用帶寬的效率較高(僅當有要發送的信息時才使用帶寬)。UNI版本4.0取消了此AAL，這樣會有利于該版本支持AAL-1和AAL-5。

?AAL-3/4 AAL3最初是為了支持面向連接的數據服務，AAL4是為了支持無連接的數據服務。AAL-3/4是一種面向連接和無連接服務，用于非實時應用。它具有分段與重組服務，用于以固定長度信元傳輸可變長度數據分組(如IP數據分組)。AAL-3/4只將目的地用來排序和重組數據分組的信息插入每個信元。這種服務允許來自不同信源的數據分組的多路復用傳輸。AAL3／4的匯聚子層可以接收小于65535字節的數據，然后增加報頭和報尾，其集合應該是44字節的整數倍。如果不夠，還要增加填充比特。總之，匯聚子層要向SAR子層提供或接收44字節整數倍的數據。UNI版本4.0取消了AAL，這樣會有利于該版本支持AAL-1和AAL-5。

?AAL-5 一種面向連接和無連接服務，用于將幀分成段以便以信元進行傳送，而它這樣做的效率高于AAL-3/4。這種服務的缺點是不允許多路復用傳輸。AAL5采用了SEAL技術，并且是目前AAL推薦中最簡單的一個。AAL5提供低帶寬開銷和更為簡單的處理需求以獲得簡化的帶寬性能和錯誤恢復能力。下面的討論將進一步對這一點進行解釋。

AAL-3/4和AAL-5之間的差別很重要。當AAL-3/4將數據分組分成段時，在將段插入信元之前，它向每個段添加排序和重組信息。這樣，每個信元中可以放入的實際數據量將因為此信息(該信息不會進入ATM信元頭)的存在而減少。許多ATM設計人員認為這是數據區域中空間的浪費。

AAL-5設計為將幾乎整個TDM信元有效載荷用于數據。這種服務不允許來自不同信源的復用(交錯)傳輸。AAL-5的支持者說服了TDM論壇在TDM信元頭中分配單個比特，用于分段和重組方案。基本上是當數據分組的最后一個段發送后，該比特設置為1。當接受者接收到此最后段時，它知道下一個信元將是新段的開始。

AALL-5的缺點是：不能在單個電路上復用傳輸來自多個信源的信息。雖然按需要在內部網絡建立電路可能不是什么問題，但是，在運營商網絡上建立電路可就貴多了，這是因為在運營商網絡上必須支付電路費用。另外，任信元的丟失都需要重新傳輸整個幀。

ATM接口

連接ATM有多種方式(如圖A-15所示)。下面介紹圖中顯示的每個接口

圖A-15 ATM接口

?UNI(用戶網絡接口) 它定義了位于私有網絡上的ATM網絡產品（路由器或ATM交換機）與在公共電話網絡上的ATM交換機之間的接口的互操作性標準。也用于幀中繼中相似的連接。與ATM WAN連接時，UNI是用戶站點和運營商接入點之間的鏈接。它可能是T1線路或ATM FUNI(幀UNI)。后者將幀傳輸到ATM網絡，在此處運營商將幀轉換信單元。FUNI可降低硬件成本。

?NNI(網間接口) 定義兩個同時位于專用網或同時位于公共網的ATM交換機之間的接口的ATM論壇標準。公共交換機和專用交換機之間的接口是由UNI定義的。同時，兩個幀中繼交換機之間的標準接口也必須符合同樣的原則。請注意， ATM論壇將同一網絡中設備之間的NNI連接稱為PNNI(專用網間接口)。

?ICI(運營商間接口) 此接口設計用于互聯不同的公用網以及在中間網上(過渡)發送通信業務。

?DXI(數據交換接口) DXI是一種ATM接口，可將可變長度的網絡數據幀轉換為固定長度的ATM信元。ATM DXI將局域網數據幀轉換為可變長度的DXI幀格式。然后ATM CSU/DSU再將DXI幀轉換為定長ATM信元。這種兩步轉換的方法簡化了ATM CSU/DSU處理，因為ATM CSU/DSU只需處理一種類型的幀即可。它為使用HDLC(高級數據鏈路控制)幀結構將遺留設備(如路由器)接入ATM提供接口。數據分組(而不是信元)被傳輸到AIM接口。　重要的一點是，NNI研組件提供了一種方式，用于在專用和公用網的中樞中自動構造全網狀PVC連接的網絡，而UNI組件允許端系統通過ATM網狀網中的交換機建立SVC。　 UNI是一種定義恰當的接口。UNI版本4.0包括SVC的呼叫設置功能。UNI的早期版本僅支持PVC。UNI的信令規范以ITU-T公用信令協議(稱為Q.2931)為基礎，Q.2931等效于窄帶ISDN所使用的信令標準。NNI信令以No.7信令系統為基礎。

PNNI(專用網間接口)是一個路由選擇協議，主要提供了一種機制――支持基于 QoS 的可升級 ATM 路由和交換到交換的交換虛擬連接 SVC 間的協作性。ATM交換機用它來映射網絡拓撲以及確定當建立連接時要使用的最佳路徑。它映射網絡拓撲，這樣可快速建立連接而無需人工幫助。它的互聯功能允許交換機之間有多個鏈路，從而提供負荷分配和冗余。此外，多個連接允許在交換機之間建立網狀拓撲。

PNNI支持大規模的網絡。PNNI 協議通過 VPI/VCI 0.18 實現其信息傳輸過程。此外在多重網絡情況下，PNNI 通過信令信息建立網絡連接。PNNI 基于 UNI 4.0 和 Q.2931，UNI 4.0 中加入某指定信息元素后即可支持 PNNI 的路由選擇過程。PNNI 信令包括在2個 ATM 網絡或2個 ATM 網絡結點間的專用網間接口或網絡結點接口上動態建立、維護和清除 ATM 連接程序。PNNI 信令協議建立在 ATM 論壇 UNI 規范和 Q.2931 上。

PNNI 信息包括：發信號、呼叫進行、連接、安裝、釋放、完全釋放、通報、狀態、狀態查詢、請求、請求承認響應、狀態、添加部分、添加部分承認響應、部分發信號、添加部分拒絕、結束部分、結束部分承認響應。