异步传输模式工作原理简介

异步传输模式工作原理简介

ATM（Asynchronous Transfer Mode）异步传输模式，是一种面向连接的快速分组交换技术，建立在异步时分复用基础上，并使用固定长度的信元，支持包括数据、语音、图象在内的各种业务的传送。

ATM是一种高速网络技术，设计用于LAN、WAN、运营商和服务提供商网络以及因特网核心网络。相对于无连接技术(如IP)而言，它是面向连接的交换技术。通过光纤线路ATM在源和目标之间创建虚电路(专用路径)。这些电路可使带宽和服务质量得到保证。

ATM可以与同步T1线路做一对比。在T1线路中每125us都有一个T1帧生成，该速率由主时钟控制，每帧的第k时隙中有从相同源来的1字节数据。T1是同步的。而ATM不严格要求信元交替地从不同的源到来，每一列从各个源来的信元，没有特别的模式，信元可以从任意不同的源到来，而且，不要求从一台计算机来的信元流是连续的，数据信元可以有间隔，这些间隔由特殊的空闲信元（idle cell）填充。

ATM的固定信元提供性能和可预测的业务流。这很像一个繁忙交叉路口的情况。假设一个二轮半拖车正试图急转弯。每当发生这种情况时，交叉路口的其余交通都得停下来。现在想象一下如果在这同一交叉路口动将很平稳，甚至是可以预测的，这是因为没有发生交通堵塞。

ATM信元以相同的效率与ATM交换机协商，从而提供几种好处：

•信元交换既高效又快速。

•业务流是可预测的，因为信元大小固定。

•时间敏感通信量的传输可得到保证(现场语音和视频)。

•ATM包含QoS(服务质量)特性，可用于保证某些类型的通信业务的带宽。

对于ATM和IP这两者哪一种更好这一问题，一直进行着激烈地辩论。很多人发现这种辩论实在是很奇怪，因为这两种技术完全不同，甚至不在同一协议层中。争论的内容实际上是网络究竟应该是面向连接(ATM)的还是尽力传输(IP)的。ATM的固定信元大小和虚电路能力使它成为实时多媒体的最佳选择。运营商和服务提供商在他们的核心网络中使用ATM，这是因为ATM使他们能够为用户提供服务保证。但是，IP的简单数据分组转发模型已在因特网上证明为非常有用，因为因特网上的业务流量为突发式而且无法预测。这种模型允许数百万人共享因特网的带宽而无需事先建立虚电路。但是，IP模型在通信载荷和拥塞下开始垮塌了。另外，由于IP网络延迟无法预测，因而给实时通信业务带来了问题。

ATM最初由电话公司定义，并且电话公司曾经把它作为端到端网络技术和话音技术大力推崇。从这一点来说，ATM既是LAN技术也是WAN技术，它有可能允许用户使用单个网络来替换他们独立的声音和数据，以同时处理话音和数据以及其他多媒体内容(如视频)。

在20世纪90年代初期，人们普遍认为ATM是下一代网络技术，并且它会一直延伸到桌面。但是，当时广播LAN的地位已经在大多数组织和爆发出现的因特网技术中确立。而ATM则是以它的速度吸引人，吉比特以太网(lOOO Mbit/s)(现在是lOG bit/s以太网)可提供更便宜且更易管理的服务。

而且，AFM是一种可行的主干网技术，甚至是在本主题结尾所讨论的吉比特以太网环境中。ATM很易于升级，并且可与大多数现有技术结合。

最近，一些新技术(如DWDM(密集波分复用))和光网络可能会取消ATM甚至SONET)。DWDM将数百个并且可能是数千个波长的电路放入单个光纤中。这意味着核心网络将支持很高容量的交换光电路，从而减少对分组交换核心网络的需要。想象一下，有整个光束(波长)分配给您个人使用，需要时它将切换到位，操作结束后它将断开。这就是新的光网络所能够提供的。有关更多信息，请参阅“光网络”。对这些趋势有了一定的了解后，下面各节将提供ATM技术的概述。

ATM网络设计

AFM网络可以分为专用和公用。专用ATM是某个组织内的ATM网络，而公用ATM是由运营商和服务提供商提供的广域网络服务。当一个组织实现ATM时，公用ATM和专用ATM之间的分界线会不断变化。例如，图A-11说明了各个阶段的ATM用途。在第1阶段(图A-11的上部)，用户将运营商的ATM网络用于广域链接。请注意，来自用户站点的数据帧和话音业务量通过传统的租用线路传送到运营商的ATM交换机。在这种情况下，运营商将帧转换为ATM信元。

在第2阶段(图A-11的下部)，用户在其站点内安装ATM边缘设备以处理帧到信元的转换和传送。运营商可能提供这种设备。更有可能的是，用户安装ATM作为中枢或核心网络技术，然后在它的站点和运营商之间使用ATM到ATM连接。

一般来说，各组织分阶段来建立专用ATM网络以适应其现有的、基于帧的网络。图A-12说明了初始阶段和随后各阶段。在图的左边，ATM交换机作为中枢安装，可能替换现有FDDI(光纤分布数据接口)或快速以太网中枢。路由器将每一个现有网络连接到此中枢。在下一阶段，将交换设备添加到网络层次中的各个级别。另外，服务器也被移到中枢，在此处用户能够更方便地对它们进行访问。请注意，这样信元交换离终端用户更近了。在本主题的结尾处，介绍了一个混合ATM/吉比特以太网网络的设计。此设计充分利用了贯穿整个企业的高速以太网网络的优点，并在核心处使用了ATM交换技术。ATM交换机可配置为网状拓扑，其中有多个冗余的载荷分担链接。这种可升级的网状设计优于吉比特以太网中枢，后者可能会因通信量太大而瘫痪。另外，ATM核心可以提供QoS。

图A-11 运营商/用户广域ATM配置

图A-12内部专用ATM网络结构

ATM模型AFM最初是作为B-ISDN(宽带综合业务数字网)标准的一部分提出的。B-ISDN是公用数字通信网络标准，设计用于为公司和家庭用户提供高端多媒体、电视、CD品质音乐、数据网络和其他服务。ATM是使B-ISDN成为可能的基础网络技术。

ITU-T是制定ATM标准的国际组织，但是它实施ATM论坛作出的建议。ATM论坛是电话公司和ATM设备销售商聚在一起讨论ATM用途的协会。

图A-13显示了ATM的参考模型，下面将对其进行介绍。请注意，该参考模型是与OSI参考模型相比较而言的，中两个ATM顶层等效于OSI数据链路层的下层。

图A-13 ATM参考模型

•ATM适配层(AAL) 此层根据信息需要的传送服务类型定义信息从上层转换为ATM信元的过程。从上层收到信息后，AAL将数据分割成ATM信元；从ATM层收到信息后，AAL必须重新组合数据形成一个上层能够辨识的格式。上述操作称之为分段与重组（SAR），它是AAL的主要任务。此外不同的AAL支持不同的流量或服务类型，将在稍后讨论。

•ATM层 ATM层位于ATM参考模式的第二层，提供了ATM适配层AAL和物理层之间的接口界面。它建立、维护以及终止虚电路，并且通常控制ATM网络上的信元传送。ATM层能够决定导入信元应该被转发至哪里、重新设置通讯连接标识符以及转发信元给下一个链接、缓冲导入/导出信元及处理各种流量管理功能，如信元丢失优先权标记、拥塞标注和通用流控制接入。此外ATM层还负责服务合同（流量政策）的监控传输率和一致性。

•物理层 物理层由传输汇聚子层和物理介质相关层组成。它与支持ATM的物理介质连接，包括SDH(SONET)、DS-3/E3、光纤通道和FDDI。该层负责将传出信元转换为比特以及将那些比特转换成所用网络的帧结构。传入比特被转换为信元。

传输汇聚子层的功能是实现物理层汇聚协议(PLCP)。PLCP负责确保整个物理链路上信息的适当传输和接收。物理介质相关(PMD)子层负责物理介质性质、bit定时及线路编码。 ATM物理层不定义任何一种特定的介质。SDH(SONET)通常与ATM相关联，因此很多人认为SDH(SONET)是ATM规范的一部分。

ATM信元在ATM头字段定义了ATM层函数。ATM信元有两种类型：一种类型是UNI(用户网络接口)，用于由用户发送的信元中，另一种类型是NNI(网间接口)，由交换机将其发送到其他交换机。图A-14对UM和NNI信元进行了描述。NNI信元不具有GPC(一般流量控制)域。后面将在“ATM接口”下讨论UNI和NNI。ATM信元的长度为53个字节:48个字节用于有效载荷，5个字节用于信元头信息。请注意，头信息几乎占信元的10%，在远距离传输时这一部分的开销会很大。ATM信元是包含“有效载荷”(数据)和信元头信息的信息包，其中信元头信息将信元引领至其目标的通道和路径信息。信元头中每个域所保存的信息解释如下。

图A-14 ATM信元布局(按字节次序:高、中、低)

•GFC(一般流量控制) 此域仅出现在UNI信元头中，用于控制用户接口上的拥塞。此域将4bit的VPI域内容用于NNI信元中。

•VPI(虚拟路径标识符) 标识用户间或用户与网络间的虚拟路径。此域在UNI中为8bit，在NNI中为l2bit。

•VCI(虚拟通道标识符) 标识用户间或用户与网络间的虚拟通道。

•PTI (有效载荷类型指示符) 指示有效载荷区域中信息的类型，如用户、网络或管理信息。

•CLP(信元丢失优先级) 定义当发生网络拥塞时如何放弃某些信元。此域保存优先值，O表示信元具有最高优先值。

•HEC(信元头差错控制) 一个8bit域，可提供FEC(正向纠错)，FEC是一种在单元中发送可用于修复差错的信息的技术，但是仅当错误为单个比特时才能使用此技术。

AAL(ATM适配层)

AAL将数据分组从上层会聚到ATM信元中。例如，假设有数据分组为1000字节，则AAL会将它分为约21个段，并将每个段放入一个信元中以供传输。

ATM将分为许多小信元并向每个信元添加一个头信息，这是它的一个重大缺陷。正是所有这些附加的头信息比特耗尽了带宽!

再看一看图A-13。AAL层被分为会聚子层（CS）和SAR(分段和重组)子层。会聚子层根据传输所需的TM服务类别准备消息。这些服务类别称为AAL类型，接下来将对其进行介绍。然后，SAR子层将信息分成适合ATM信元有效载荷区域的段。

SAR子层完成在发送端将可变长度的AAL协议数据单元（PDU）分解为固定长度的ATM信元和在接收端将ATM信元组合成AAL协议数据单元的工作；汇聚子层（CS）又可分为两个子层，其中CPCS子层完成差错检验、同步信息提取和重组长PDU等功能，不同的AAL有不同的CPCS机制；SSCS子层完成直接与具体业务有关的功能，譬如检查QoS参数、定义如何从高层提取不同协议信息等功能。

可以将ATM服务类别看作TCP和UDP服务。TCP提供面向连接的服务，而UDP提供无连接服务。但ATM服务类别广泛得多。它们考虑到对定时和固定或可变比特率的需要(如表A-1所描述)。下面将提供这些参数的说明。

表A-1 ATM适配层的服务类别

服务类别选择的根据是：应用类型(话音、视频、优先级高的数据和优先级低的数据等)、所需的服务质量和服务合同等。此处对服务类别进行了概述。请注意，AAL-3/4科是AAL—3和AAL4结合的结果。最初，AAL-3是为面向连接的服务(如X.25)所定义，而AAL4是为无连接服务(如IP)所定义的。但由于差异太小，因此把它们结合了起来。然而，AAL-3和AAL4结合后，技术人员还是不满意，因此他们创建了AAL-5以获得其他类别中不可用的附加功能。

•AAL-1 一种面向连接的、模仿TDM电路(作用与T1或T3租用线路类似)的服务。也就是说，不管是否使用带宽，都要对其进行分配。这种服务对于实况流播音频和视频的应用非常有用。从带宽方面来说，这种服务比较昂贵，因此只能在必要时使用。AAL-1向用户提供恒定比特率的数据传送能力、并提供定时信息和结构信息的能力。在必要时还能提供一定的纠错能力和报错的能力。AAL-1支持A类业务。

•AAL-2 AAL2的目的是支持可变比特率，譬如新闻广播或足球比赛，前者的数据可以以较低速率进行传递，而后者则可以采用较高速率进行传递。AAL-2用于支持可变比特率的面向连接的业务，适用于传送音频和视频，但它不像AAL-1那样模仿电路，因此使用带宽的效率较高(仅当有要发送的信息时才使用带宽)。UNI版本4.0取消了此AAL，这样会有利于该版本支持AAL-1和AAL-5。

•AAL-3/4 AAL3最初是为了支持面向连接的数据服务，AAL4是为了支持无连接的数据服务。AAL-3/4是一种面向连接和无连接服务，用于非实时应用。它具有分段与重组服务，用于以固定长度信元传输可变长度数据分组(如IP数据分组)。AAL-3/4只将目的地用来排序和重组数据分组的信息插入每个信元。这种服务允许来自不同信源的数据分组的多路复用传输。AAL3／4的汇聚子层可以接收小于65535字节的数据，然后增加报头和报尾，其集合应该是44字节的整数倍。如果不够，还要增加填充比特。总之，汇聚子层要向SAR子层提供或接收44字节整数倍的数据。UNI版本4.0取消了AAL，这样会有利于该版本支持AAL-1和AAL-5。

•AAL-5 一种面向连接和无连接服务，用于将帧分成段以便以信元进行传送，而它这样做的效率高于AAL-3/4。这种服务的缺点是不允许多路复用传输。AAL5采用了SEAL技术，并且是目前AAL推荐中最简单的一个。AAL5提供低带宽开销和更为简单的处理需求以获得简化的带宽性能和错误恢复能力。下面的讨论将进一步对这一点进行解释。

AAL-3/4和AAL-5之间的差别很重要。当AAL-3/4将数据分组分成段时，在将段插入信元之前，它向每个段添加排序和重组信息。这样，每个信元中可以放入的实际数据量将因为此信息(该信息不会进入ATM信元头)的存在而减少。许多ATM设计人员认为这是数据区域中空间的浪费。

AAL-5设计为将几乎整个TDM信元有效载荷用于数据。这种服务不允许来自不同信源的复用(交错)传输。AAL-5的支持者说服了TDM论坛在TDM信元头中分配单个比特，用于分段和重组方案。基本上是当数据分组的最后一个段发送后，该比特设置为1。当接受者接收到此最后段时，它知道下一个信元将是新段的开始。

AALL-5的缺点是：不能在单个电路上复用传输来自多个信源的信息。虽然按需要在内部网络建立电路可能不是什么问题，但是，在运营商网络上建立电路可就贵多了，这是因为在运营商网络上必须支付电路费用。另外，任信元的丢失都需要重新传输整个帧。

ATM接口

连接ATM有多种方式(如图A-15所示)。下面介绍图中显示的每个接口

图A-15 ATM接口

•UNI(用户网络接口) 它定义了位于私有网络上的ATM网络产品（路由器或ATM交换机）与在公共电话网络上的ATM交换机之间的接口的互操作性标准。也用于帧中继中相似的连接。与ATM WAN连接时，UNI是用户站点和运营商接入点之间的链接。它可能是T1线路或ATM FUNI(帧UNI)。后者将帧传输到ATM网络，在此处运营商将帧转换信单元。FUNI可降低硬件成本。

•NNI(网间接口) 定义两个同时位于专用网或同时位于公共网的ATM交换机之间的接口的ATM论坛标准。公共交换机和专用交换机之间的接口是由UNI定义的。同时，两个帧中继交换机之间的标准接口也必须符合同样的原则。请注意， ATM论坛将同一网络中设备之间的NNI连接称为PNNI(专用网间接口)。

•ICI(运营商间接口) 此接口设计用于互联不同的公用网以及在中间网上(过渡)发送通信业务。

•DXI(数据交换接口) DXI是一种ATM接口，可将可变长度的网络数据帧转换为固定长度的ATM信元。ATM DXI将局域网数据帧转换为可变长度的DXI帧格式。然后ATM CSU/DSU再将DXI帧转换为定长ATM信元。这种两步转换的方法简化了ATM CSU/DSU处理，因为ATM CSU/DSU只需处理一种类型的帧即可。它为使用HDLC(高级数据链路控制)帧结构将遗留设备(如路由器)接入ATM提供接口。数据分组(而不是信元)被传输到AIM接口。　重要的一点是，NNI研组件提供了一种方式，用于在专用和公用网的中枢中自动构造全网状PVC连接的网络，而UNI组件允许端系统通过ATM网状网中的交换机建立SVC。　 UNI是一种定义恰当的接口。UNI版本4.0包括SVC的呼叫设置功能。UNI的早期版本仅支持PVC。UNI的信令规范以ITU-T公用信令协议(称为Q.2931)为基础，Q.2931等效于窄带ISDN所使用的信令标准。NNI信令以No.7信令系统为基础。

PNNI(专用网间接口)是一个路由选择协议，主要提供了一种机制――支持基于 QoS 的可升级 ATM 路由和交换到交换的交换虚拟连接 SVC 间的协作性。ATM交换机用它来映射网络拓扑以及确定当建立连接时要使用的最佳路径。它映射网络拓扑，这样可快速建立连接而无需人工帮助。它的互联功能允许交换机之间有多个链路，从而提供负荷分配和冗余。此外，多个连接允许在交换机之间建立网状拓扑。

PNNI支持大规模的网络。PNNI 协议通过 VPI/VCI 0.18 实现其信息传输过程。此外在多重网络情况下，PNNI 通过信令信息建立网络连接。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 的路由选择过程。PNNI 信令包括在2个 ATM 网络或2个 ATM 网络结点间的专用网间接口或网络结点接口上动态建立、维护和清除 ATM 连接程序。PNNI 信令协议建立在 ATM 论坛 UNI 规范和 Q.2931 上。

PNNI 信息包括：发信号、呼叫进行、连接、安装、释放、完全释放、通报、状态、状态查询、请求、请求承认响应、状态、添加部分、添加部分承认响应、部分发信号、添加部分拒绝、结束部分、结束部分承认响应。