ATM異步傳輸模式

自Alexander Graham Bell於1870年發明電話後，為有效地連接日益增多的電話用户，電話交換網應運而生。它經歷了人工交換，機電式自動交換系統以及數字程控系統發展過程，但電路交換的原理一直未變。隨着計算機的普及，電話網通過使用Modem來進行計算機數據傳輸及數據信息交換，隨之產生了公用數據網，其典型的代表是X.25分組交換網，它是基於包交換的一種技術，具有信輸可靠性高的優點，但由於Modem速率及交換技術本身限制， X.25只能處理中低速數據流。雖然LAN（局域網）技術的發展突飛猛進，如Ethernet 、Token ring、Token bus等，傳輸速率已可達千兆，但它局域網的性質本身就大大限制了LAN的大規模的覆蓋及應用，LAN一般用於企業內部的數據傳送，無法形成廣域網的規模。

由此我們不難看出，傳統網絡普遍存在以下缺陷：第一，業務的依賴性，一般性網絡只能用於專一服務，公用電話網不能用來傳送TV信號，X.25不能用來傳送高帶寬的圖像和對實時性要求較高的語言信號；第二，無靈活性，即業務拓展的可能性不大，原有網絡的服務質量，很難適應今後出現的新業務；第三，效率低，一個網絡的資源很難被其它網絡共享。

隨着社會不斷髮展，網絡服務不斷多樣化，人們可以利用網絡幹很多事情，如收發信件、家庭辦公、Video on demand、網絡電話，這對網絡的要求越來越高，有人還不禁提出這樣一個想法：能否把這些對帶寬、實時性、傳輸質量要求各不相同的網絡服務由一個統一的多媒體網絡來實現，做到真正的一線通?回答是肯定的，這就是ATM網。幸運的是，半導體和光纖技術為ATM的快速交換和傳輸提供堅實的保障。CMOS處理能力已達二三百兆，ECL可達5到10G。SDH和SONET技術提供了大容量的可靠傳輸，的STM-I標準為155.52M。 ^[1] 

ATM是一種面向連接的技術，ATM的邏輯連接稱為虛連接（Visual Connection）。虛連接是ATM網絡中的基本交換單位，在ATM中的許多操作（如資源分配、業務量控制、服務質量保障等）都是在虛連接的基礎上進行的。ATM終端在通信時，首先必須在終端之間建立一條虛連接，用户的數據信元將沿着該連接進行傳輸。這種面向連接的方式有利於交換節點對信元的高速處理。若採用無連接方式，交換節點則必須完成一些複雜功能，例如目的地址選路等，這些開銷無疑將影響轉發速度。在ATM中面向連接的方式，每一個虛連接在一條鏈路上都有一個唯一的標示符來識別，記錄在信元頭中。交換節點只需簡單識別信元頭中的虛連接標示，就可進行快速的信元轉發。

ATM(Asynchronous Transfer Mode）顧名思義就是異步傳輸模式，就是國際電信聯盟ITU-T制定的標準，實際上在80年代中期，人們就已經開始進行快速分組交換的實驗，建立了多種命名不相同的模型，歐洲重在圖象通信把相應的技術稱為異步時分複用（ATD）美國重在高速數據通信把相應的技術稱為快速分組交換（FPS），國際電聯經過協調研究，於1988年正式命名為Asynchronous Transfer Mode(ATM) 技術，推薦其為寬帶綜合業務數據網B-ISDN的信息傳輸模式。

ATM信元是固定長度的分組，共有53個字節，分為2個部分。前面5個字節為信頭，主要完成尋址的功能；後面的48個字節為信息段，用來裝載來自不同用户，不同業務的信息。話音，數據，圖象等所有的數字信息都要經過切割，封裝成統一格式的信元在網中傳遞，並在接收端恢復成所需格式。由於ATM技術簡化了交換過程，去除了不必要的數據校驗，採用易於處理的固定信元格式，所以ATM交換速率大大高於傳統的數據網，如x.25，DDN,幀中繼等。另外，對於如此高速的數據網，ATM網絡採用了一些有效的業務流量監控機制，對網上用户數據進行實時監控，把網絡擁塞發生的可能性降到最小。對不同業務賦予不同的"特權"，如語音的實時性特權最高，一般數據文件傳輸的正確性特權最高，網絡對不同業務分配不同的網絡資源，這樣不同的業務在網絡中才能做到"和平共處"。

左圖就是ATM的一般入網方式，與網絡直接相連的可以是支持ATM協議的路由器或裝有ATM卡的主機，也可以是ATM子網。在一條物理鏈路上，可同時建立多條承載不同業務的虛電路，如語音，圖象，文件傳輸等。 ^[1] 

異步傳遞模式是現代高速寬帶信息傳輸和交換技術發展過程中的一個重要里程碑。ATM技術是在融合了各種已有的傳輸交換模式的技術優點的基礎上提出的一種統一的寬帶通信網絡業務。因此，ATM實際上設計到了信息複用、交換和傳輸等眾多方面的技術內容，形成了一系列先進的、嚴格標準化的但同時也非常複雜的技術和協議體系。從理論上説，ATM技術上的先進性使其成為一種能夠適用於網絡業務和應用信息的傳輸模式，但協議複雜性導致了ATM在支持終端業務和應用的開發和部署上存在很大的障礙。但另一方面，ATM技術在發展中所涉及到的一系列關鍵技術對以後的寬帶通信網絡（特別是以IP協議為基礎的寬帶互聯網）技術的發展起了巨大的推動作用。ATM中的基本原理、信息複用、服務質量（QoS,Quality of Service）保證、流量控制和擁塞控制技術都已廣泛應用在現代互聯網技術中。

我們先來看一下ATM簡化的協議分層示意圖

ATM採用了AAL1、AAL2、AAL3/4、AAL5、多種適配層，以適應A級、B級、C級、D級四種不同的用户業務，業務描述如下：

A 級- 固定比特率（CBR）業務：ATM適配層1（AAL1），支持面向連接的

業務，其比特率固定，常見業務為64Kbit/s話音業務，固定碼率

非壓縮的視頻通信及專用數據網的租用電路。

B 級- 可變比特率（VBR）業務：ATM適配層2(AAL2)。支持面向連接的

業務，其 比特率是可變的。常見業務為壓縮的分組語音通信

和壓縮的視頻傳輸。該業務具有傳遞介面延遲物性，其原因是

接收器需要重新組裝原來的非壓縮語音和視頻信息。

C 級- 面向連接的數據服務：AAL3/4。該業務為面向連接的業務，適

用於文件傳遞和數據網業務，其連接是在數據被傳送以前建立

的。它是可變比特率的，但是沒是介面傳遞延遲。

D 級- 無連接數據業務：常見業務為數據報業務和數據網業務。在

傳遞數據前， 其連接不會建立。AAL3/4或AAL5均支持此業務。

注： ⑴。由於AAL3/4協議技術複雜，於是提出AAL5用來支持C級業務。

⑵. 對於每級的業務，我們還可細分，這裏不一一贅述。 ^[1] 

LANE指的是LAN Emulation Over ATM，即在ATM網上進行LAN局域網的模擬。

大多數數據都是LAN上傳送，例如Ethernet網等。在ATM網上應用LANE技術，我們就可以把分佈在不同區域網互聯起來，在廣域網上實現局域網的功能，對於用户來講， 他們所接觸到仍然是傳統的局域網的範疇，根本感覺不到LANE的存在。

LANE技術主要用到了LANE Server，它可以存在於一個或多個交換機內， 也可以放在一台單獨的工作站中，LANE Server可簡寫為LES，主要功能就是進行MAC-to-ATM的地址轉換，因為Ethernet用的是MAC地址，ATM用的自己的地址方案，通過LES地址轉換可以把分佈在ATM邊緣的LANE Client之間連接起來。

下圖就是LANE的工作方式

1、LAN Switch從Ethernet終端接收到一個幀，這個幀的目的地址是ATM網絡另一端的一台Ethernet終端。LEC即LANEClient(它駐留在LAN Switch中）於是就發送一個MAC-to- ATM地址轉換請求到LES（LES駐留在ATM Switch中）。

2．LES發送多點組播至網絡上的其它LEC。LANE的工作方式

3．在地址表中含有被叫MAC地址的LEC向LEC作出響應。

4．LEC接着便向其它LEC廣播這個響應。

5．發送地址轉換請求的LEC認知這個響應， 並得到目的地的ATM 地址,接着便通過ATM網建立一條SVC至目的LEC，用ATM信元傳送數據。

五、上海ATM骨幹網節點介紹

全國ATM骨幹網上海節點建於1997年4月， 開通後網絡運行穩定。

網絡提供交換型虛電路（SVC）和永久型虛電路業務，接口類型支持BNC電口和單、多模光纖， 物理接入速率有2M、34M、155M，能滿足任何業務的需求。 ^[1] 

ATM是一種關於信息傳遞模式的技術，其最為突出的特點在於其異步方式，ATM技術具有這樣一些特徵： ^[2] 

（1）面向分組方式

ATM中採用一種小型分組（信元）來承載用户數據。ATM的各種操作都是圍繞信元的交換和處理來設計的。

（2）採用異步時分複用方式

ATM採用了異步時分複用方式。用户信息對帶寬的佔用時動態分配的，各個用户對傳輸帶寬統計地共享，因此適用於突發業務。為了防止由於異步的工作方式而導致的資源訪問抽歐諾個體內，ATM中大量採用了隊列來換出暫時無法獲得服務的用户信息。

（3） 不提供逐段鏈路的差錯控制和流量控制

在鏈路（包括交換節點中的內部鏈路）上出現差錯時，ATM交換節點不會進行任何方式的差錯恢復。ATM假定網絡中的鏈路質量都很高，差錯控制功能實現依賴於端到端的協議，這一點與電路交換是相同的。ATM交換節點也不支持鏈路上的流（Flow）的控制，系統中的隊列有可能因為信息的突發而溢出，導致信元丟失。為了防止這種丟失，ATM提供了預防性措施，那就是面向連接，並在連接建立時檢查和分配資源，使這種信元丟失概率控制在很小的範圍內。

（4）信元頭功能簡化

由於不需要逐段鏈路的差錯控制和流量控制，ATM信元頭的功能很少，主要功能室根據一個標示符來識別虛連接；另一項功能室檢查信元頭中的差錯，防止錯誤路由導致的信元丟失或誤插。由於信元頭功能有限，交換節點的處理十分簡單，能以很高的速率（幾百兆比特每秒以上）運行，且只有很小的處理和排隊時延。

（5）信元的淨荷長度較小

為了降低交換節點內部緩衝器的容量，限制信息在這些緩衝區中的排隊時延，ATM信元中的淨荷（信息字段）相對來説定義得比較小，以保證業務傳輸中的較小時延和抖動。

全國ATM骨幹網上海節點建於1997年4月，開通後網絡運行穩定。已與北京、南京、廣州、杭州、西安、瀋陽、武漢各大局之間直接開通了155M電路，另外還有若干大容量電路開至其它省會城市，全網業已全部聯通，規模覆蓋全國，具有帶寬高、延遲小、無瓶頸等特點，是網絡多媒體應用的最佳選擇。

網絡提供交換型虛電路（SVC）和永久型虛電路業務，接口類型支持BNC電口和單、多模光纖，物理接入速率有2M、34M、155M，能滿足任何業務的需求。 ^[1]