信元頭

ATM本質上説是一種快速分組交換。其基本的信)息單位應該是分組,在ATM和現在的科技期刊中通常稱之為信元(Cell)。所以在ATM中信元和分組是同一個概念。ATM信元的重要參數是信元的長度和信元的結構。根據CCITT的建議,ATM的信元採用定長結構,信元長度為53個字節,信元的結構同一般的分組結構相同,它由信頭和信息字段組成,信息字段用於裝載用户信息,信頭中包含了在網絡中所需的最小信息。信息字段的長度為48個字節,信頭的長度為5字節 ^[1]  。

當確定了信元採用定長的結構後，ATM信元的另一個重要問題就是信元的長度。信元的長度受很多因素的影響，最重要的因素是：

假設所有信元都被充滿，那麼效率就取決於信頭和信息段長度的比值。其效率為：

如果有相同的信頭長度H，那麼信息段長度L越長效率就越高。這在圖二中可以看出。

結論：從效率的角度看，信息段的長度越長，其效率越高。

ATM網的時延由多個部分組成，有些與信元的長度有關，有些關係不大，但一些時延是在信元長度選取中必須考慮的。

1、打包時延(Packetization Delay)

對於固定比特率的業務，打包時延隨着信息段長度的增加而增加。圖三中給出了對於32Kb/s和64Kb/s的話音業務的打包時延與信息段長度的關係曲線。

對於速率較低的業務，打包時延對於信元在ATM網內的時延有很大影響，對於實時性的業務，這是要重點考慮的。如對於話音業務，根據CCITT的Q.161建議，在不加回波消除電路的情況下，終端用户間的總的時延要求小於25毫秒。如果時延超過這個值，在電話機中就要加入回波消除電路。對於典型的國內通信，通過計算發現如果打包時延在4毫秒左右，那麼端到端的時延將能滿足這個要求(此時信元信息段長度為32字節)。當信元的信息段長度為64個字節時，只要網內的交換節點稍徽多一些，總的時延就很容易超過這個門限值。人們對ATM對目前的電話業務的研究結果表明：

2、排隊和拆包吐延(Queueing and Depacketization Delay)

排隊時延受信息長度(L)與信頭長度(H)的比值的影響。圖四中給出了當工作時鐘為155.52Mb/s時，在不同負載情況下的排隊時延與L/H值的關係曲線，這些曲線僅僅作為參考，在圖中特別標明瞭三種典型的情況(32+4，64+4，128+4)。

從圖中可以看到在負載比較輕的情況下，排隊時延隨着卜/H值的增加而增加；但當負載很重時，L/H值較大或較小時都會使排隊時延增加。實際上當L/H較大時，即信元中的信息段長度較大時，ATM信元在隊列中排隊等候服務的時間變長，所以增加了排隊時延；當信息段長度變小時，那麼信頭服務的時間在信元總的服務時間中的比重加大，而處理有用信息的時間相對減少，當網絡負載較重時，在一定的時間內到達的信元數目很多，由於信息段較短，這樣相當於有更多的信頭要等待服務，這樣也增加了排隊的時延。

從圖四中還可以看到，當L/H之比在8一16之間時，即使是負載較重(如負載為0.85)時仍然能夠有較小的時延。拆包時延主要是考慮信元時延的抖動，由於在終端通常有專門的機構來處理，所以通常同排隊時延一起來考慮。

結論：從時延的角度來看，為了使ATM能夠傳送實時業務(特別是對於時延要求嚴格的電話業務和圖像業務)，同時為了使網絡在負載較重的情況下仍然能夠有很小的排隊時延，要求信元的長度在犯一64個字節之間。

實現的複雜性由兩個因素來決定:工作速度和存儲器的大小。從實現的角度，顯然是速度越低，對於器件的工作速度的要求就相應的降低，硬件實現就更容易。一方面，ATM網由於採用統計復接技術，為了保證分組丟失率很低，在網絡內部自然要有一定容量的存儲器，根據M/D/1的排隊系統理論，當分組丟失率確定後，網絡所要存儲的分組的個數是可以計算的(與每個分組的長度無關)，因此網絡所需的存儲器的容量可以用下列公式來計算:存儲容量二需要存儲的分組數x每個分組的長度所以信元長度加倍存儲量就加倍。

另一方面，對於每一個信元，網絡都要進行處理，所以信元的信頭必須在下一個信元到達之前處理完，從處理的角度當然是處理的時間越長實現越容易，所以信元越長可供使用的時間就越多，對處理的速度要求就越低，實現也越容易。這兩方面是矛盾的，從存儲的角度，信元越短，要求的存儲空間就越小；從處理的角度，信元越長可提供的處理時間就多，也就更容易實現，於是就出現了處理速度和存儲空間的折中問題。圖五給出了兩者的關係曲線。(假設工作時鐘為15.520Mb/s，隊列長度為50個分組)。從圖中可以看到，如果信元大小為16個字節，那麼需要8000比特的存儲器，每個信元的處理時間為1微秒；如果信元大小為256個字節，那麼需要64000比特的存儲器，每個信元的處理時間有巧微秒。

結論：從目前半導體技術發展的趨勢來看速度的問題不是很突出，高速芯片不斷推出，所以主要應該考慮存儲空間的要求，即應該選用較短的信元來減少所需要的存儲空間。

從上面的分析可以看到信元長度的各個因素間是相互矛盾的，從傳愉的效率、網絡的時延和實現的複雜程度來綜合考慮，信元長度在32和64個字節之間是比較好的，這種選擇可以在多個因素方面都有較好的性能，至於具體選擇那一個值要取決於人們對哪個因素更為重視。在CCITT最終達成一致決定之前，歐洲採用32個字節來保證在電話業務中不使用回波消除電路，而美國和日本從傳輸效率方面考慮而支持64個字節的方案。1989年在日內瓦舉行的CCITTSGXV班會議上採用了兩者的折中值來做為國際標準，即ATM信元信息段的長度為48個字節。ATM信頭的功能ATM之所以能夠以很高的速度工作，與很多因素有關。

簡單是一個很重要的因素。由於其功能簡單，所以它在網絡內需要完成的功能就少，從而提高了工作的速率。ATM信頭的功能包括幾個主要的功能:路由選擇、信元優先級和信頭差錯控制。表一中給出了在用户網絡接口和網絡內部的信元信頭結構圖。從中可以看出其差別在於網絡內部沒有流t控制GFC，而在UNI上有GFC。

其中：

ATM是面向連接的，每一個信元都應該有標誌來標識其信宿，即應該有標誌來指示路由的診擇。ATM的路由延續了分組交換中虛擬通路的概念，信元的路由是由虛擬通路和虛擬通道來描述的。虛擬通路VC(Virtual Channel)這是由信頭中的虛擬通路識別符VC1(Virtal Channel Identifier)來完成的。在ATM網中使用的傳輸介質是光纖，它的傳輸能力可達幾百Mb/s，而虛擬通路只佔用很窄的帶寬，因此在一條鏈路上可同時擁有多個虛擬通路，通常情況下可以認為信道的數目在以萬為單位的數t級上，所以在信頭中為其分配了16比特。ATM是面向連接的，在每一種業務的呼叫階段網絡為每一個連接分配一個VCI來標識這一連接。VCI只在ATM網的兩個交換節點之間才有意義，這在ATM交換中還會談及到。當連接釋放後VCI也被釋放，可以為別的連接所使用。度擬通道VP(Virtual Path)為了使ATM能夠支持終點間的半固定連接，在ATM信元中定義了虛擬通道識別符VPI(Virtual Pathd Ienitfer)。這種半固定的連接網絡已經半固定地分配，它通常不是對單個的虛擬連接進行，而是同時傳送大量數目的連接，這種方法可以使網絡的管理更容易更有效。

優先級是為了滿足人們對於不同的業務的要求而提出的。因為人們可能要求當網絡的負載太重時只拋棄優先級低的信元，從而保證重要的分組能夠正確的傳箱。當然這種將信元進行優先級的分類的方法可能會使網絡資源的共享不完全公平。優先級有兩類:時間優先和語義優先。所謂時間優先是指信元的時延特性很重要，所以在隊列中停留的時間要儘可能的短；所謂語義優先是指信元的信息內容很重要，在網絡內部不允許丟失信元。優先級可以對每條連接斌值，也可對每個信元斌值。對於前者，在虛通路/虛通道上的所有信元都有相同的優先級；對於後者，在同一條虛通路/虛通道上的不同信元可能有不同的優先級。

要使一個網絡正常地工作，維護是一個很重要的工作。同一般的分組交換一樣，網絡的維護信息也是要信元來傳送的，為了使網絡能夠區分一個分組是一般的信元還是用於網絡維護的信元，在信元內有一個有效負載類型PT(Payload Type)，用來識別信元的類型。

流量控制(Flow Control)

一般流t控制域GFC(Generic Flow Control)只在UNI接口中才存在。它主要是為了保證在同一條物理鏈路上能夠接上多個終端，使人們能夠同時使用同一條鏈路。在這種情況下就需要進行流量控制。

HEC(Head Error Control)從上面列出的信頭的功能可以看出，信頭中包含的信息對於信元在網絡內的正確路由、對於網絡對信元進行何種處理等等都是非常重要的，同時由於採用分組交換方式，如果信頭髮生錯誤那麼將至少導致一個分組內的有用信息的丟失，所以在信頭中有專門對信頭進行保護的HEC城，以後將看到，HEC不僅可以保護信頭，在接收端還有一些別的功能。

在表二中給出了ATM信頭的內容和各個部分的長度範圍及CCITT確定的值。從表二可以看到在NNI和UNI接口上有一些差別，即UNI上有流量控制而NNI上沒有。結論:ATM信頭功能簡單，所以長度也較短，根據功能的要求，CCITT最終決定信頭長度為5個字節。