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ATM技术的发展及应用 摘要：随着Internet与多媒体技术的飞速发展，Web上的图像、音频、视频等多媒体内容越来越多，用户需要有更高的接入速率。而现有的电路交换和分组交换很难胜任宽带高速的交换任务。对于电路交换，当数据的传输速率及其突发性变化很大时，交换的控制就变得十分复杂；对于分组交换，当数据传输速率很高时，协议数据单元在各层的处理成为很大的开销，无法满足实时性很强的业务的时延要求。异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）就是建立在电路交换和分组交换基础上的一种新的交换技术，他可以很好地进行宽带信息交换。本文讨论了ATM技术的特点和存在的问题，并介绍了ATM技术在数字通信、帧中继及PSTN/N-ISDN等业务中的发展和应用，同时对ATM的应用前景进行了初步分析。关键词：ATM 应用 发展 时分复用 B-ISDN一、ATM的产生自Alexander Graham Bell于1870年发明电话后，为有效地连接日益增多的电话用户，电话交换网应运而生。它经历了人工交换，机电式自动交换系统以及数字程控系统发展过程，但电路交换的原理一直未变。随着计算机的普及，电话网通过使用Modem来进行计算机数据传输及数据信息交换，随之产生了公用数据网，其典型的代表是X.25分组交换网，它是基干包交换的一种技术，具有信输可靠性高的优点，但由于Modem速率及交换技术本身限制, X.25只能处理中低速数据流。虽然LAN(局域网)技术的发展突飞猛进, 如Ethernet 、Token ring、Token bus等,传输速率已可达千兆,但它局域网的性质本身就大大限制了LAN的大规模的覆盖及应用,目前的LAN一般用于企业内部的数据传送,无法形成广域网的规模。 由此我们不难看出,传统网络普遍存在以下缺陷:第一,业务的依赖性,一般性网络只能用于专一服务,公用电话网不能用来传送TV信号,X.25不能用来传送高带宽的图像和对实时性要求较高的语言信号;第二,无灵活性,即业务拓展的可能性不大,原有网络的服务质量,很难适应今后出现的新业务;第三,效率低,一个网络的资源很难被其它网络共享。 随着社会不断发展,网络服务不断多样化,人们可以利用网络干很多事情,如收发信件、家庭办公、Video on demand、网络电话,这对网络的要求越来越高,有人还不禁提出这样一个想法:能否把这些对带宽、实时性、传输质量要求各不相同的网络服务由一个统一的多媒体网络来实现,做到真正的一线通?回答是肯定的,这就是ATM网。幸运的是,现在的半导体和光纤技术为ATM的快速交换和传输提供坚实的保障。目前的CMOS处理能力已达二三百兆,ECL可达5到10G。SDH和SONET技术提供了大容量的可靠传输,目前的STM-I标准为155.52M。事实上在80年代中期，人们就已经开始进行快速分组交换的实验，建立了多种命名不相同的模型，欧洲重在图象通信把相应的技术称为异步时分复用（ATD）美国重在高速数据通信把相应的技术称为快速分组交换（FPS）,国际电联经过协调研究，于1988年正式命名为Asynchronous Transfer Mode(ATM) 技术，推荐其为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式。ATM的成功，固然取决于微电子等高技术的进步以及社会需求的驱动，而ATM其自身的优势，使它在交换技术中独占鳌头。ATM是在分组交换技术上发展起来的快速分组交换。它综合吸取了分组交换高效率和电路交换高速率之优点，针对分组交换速率低的弱点，用电路交换完全与协议处理几乎无关的特点，通过高性能的硬设备来提高处理速度，以实现高速化，因此也可以说ATM技术是在克服了分组交换和电路交换方式局限性的基础上产生的。二、ATM的特点及存在的问题1.ATM技术的特点(1) 作为电信网的一种新技术，不仅适用于高速信息传送和对服务质量（）的支持，还具备了综合多种业务的能力，以及动态带宽分配与连接管理能力和对已有技术的兼容性。(2) 的综合能力以信元的方式传送信息，与业务的特性、比特率无关，只要将各类业务的信息在入网时转化为统一格式的信元，就可以在网络中进行传输与交换，因此，高灵活性使之具有各种综合能力。 (3) 灵活的动态带宽分配与连接管理能力(4) ATM对已有技术的兼容性ATM作为一项独立的技术充分考虑了与已有技术的融合。2.存在问题目前，ATM技术已经进入了实用化阶段，商用化ATM产品大量出现，很多国家已建设了ATM骨干网络，并提供多种高速、实时业务。ATM的应用同时也进入到局域网、无线网络和卫星网络等领域。但是，以ATM为基础的B-ISDN的建设还处于初级阶段，各国的B-ISDN发展也不平衡。除政策原因外，还存在技术原因：（） ATM技术还无法经济地支持话音等低速率业务。人们期望ATM技术能够同时支持话音和数据业务，但不够灵活的适配方式以及由ATM网引入的相对较大的时延使得ATM对话音业务的支持不能令人满意；（2） 尽管ATM技术的标准已经基本齐备，但部分技术内容仍不完善，限制了ATM网络作为整个主干网络为用户提供端到端可保证QoS和灵活业务的能力，特别是在网络管理、业务量控制及对无连接数据业务的支持等方面还需做大量工作；（） ATM的统计复用特性使业务量特性变化繁多，基于业务量统计特性的控制也就变得愈发复杂，因此ATM的流量和拥塞控制仍然存在很多问题；（） 网络技术的发展使ATM技术受到了来自其它技术的竞争，如千兆比以太网的出现使ATM技术更难在局域网范围内得到采用。目前还没有针对于ATM的“致命应用”。针对这些问题，致力于ATM的研究者们已经开展了很多工作，也提出了一些解决方案。这些努力包括：简化信令和网络控制；提出新的ATM适配方式；将ATM技术与IP、智能网（IN）、网管相结合，以灵活提供各种业务。这些研究成果不仅拓宽了ATM技术在宽带通信及互联网中的应用，也使该技术能够在窄带业务（帧中继、PSTN/N-ISDN等）领域发挥优势。三、ATM的发展及应用1.ATM支持话音技术的研究在电信网中，从用户数的角度考虑，传统的电话用户仍将占主导地位，因此，ATM必须考虑如何支持话音的问题。ITU-T在1997年9月年通过了支持话音业务和短分组业务适配的第二类ATM适配层协议AAL2 I.363.2建议在1999年2月通过了面向话音业务的建议I.366.2用于中继的AAL2业务特定会聚子层，并于1997年12月通过了支持AAL2交换的信令协议建议Q.2630.1（AAL2信令协议-能力集），基本完成了ATM支持话音业务的标准化工作。采用AAL2协议来支持话音业务不论是效率方面，还是时延性能方面，都要优于IP电话。AAL2技术的应用主要有以下几个方面：(1) 以低时延的性能支持话音和其他实时业务传送，用于PSTN或其它网络的中继传输；(2) 用于第三代移动通信系统（IMT-2000），在BS和MSC之间以AAL2协议支持低速话音和数据信息的传送；(3) 用AAL2交换机代替ATM交换机（ATM层仅提供PVC交叉连接功能），提供端到端的ATM话音和数据业务。2.简化ATM技术的研究ATM技术的缺点之一就是网络的复杂性，为了推动ATM技术的应用，就必须对ATM技术进行简化和优化，以达到简化网络，降低网络成本的目的。目前,I-TUT和ATM论坛正在进行这方面的工作，例如目前I-TUT正在制定的轻型信令标准就是为了简化原有复杂的信令标准，以降低网络的复杂性。另外，在流量控制、网络管理等方面也都有需要进行相应的研究工作。技术的缺点之一就是网络的复杂性，为了推动ATM技术的应用，就必须对ATM技术进行简化和优化，以达到简化网络，降低网络成本的目的。目前，I-TUT和ATM论坛正在进行这方面的工作，例如目前I-TUT正在制定的ATM轻型信令标准就是为了简化原有复杂的信令标准，以降低网络的复杂性。另外，在流量控制、网络管理等方面也都有需要进行相应的研究工作。3.ATM与IP技术的结合 以IP为基础的Internet的发展出乎许多人的预料，短短几年内已迅速席卷了全球，对传统的电信运营形成了巨大的冲击，同时引发了一场关于未来信息高速公路是以B-ISDN为基础还是以Internet为基础的争论。计算机业界一致看好Internet。但无论如何，Internet原本是为了把已存在的众多局域网络连接成一个统一的网络。随着网络的覆盖范围不断扩大、网络的业务类型不断增加以及网络用户的增长，Internet中必然会出现网络拥塞、带宽资源紧张和用户质量下降等问题，因此Internet网络终究要实现宽带化。Internet要使用公共通信网资源，仅仅依靠IP协议并不能解决传输宽带化的问题，还要解决怎样利用新的传输设备来提供高带宽。ATM技术的出现为Internet所面临的问题提供了解决方案。IP技术只有与ATM技术相结合才可能在Internet上提供大范围的宽带业务。目前，电信和Internet业界都已认定未来的宽带骨干网应基于ATM技术。国外一些大学和科研机构正在研究下一代Internet（I2）。在I2总体结构中，ATM和SONET作为骨干技术用于连接各个千兆比接纳点。利用ATM构造宽带Internet的骨干网，不仅可解决Internet骨干网的带宽问题，也为其提供高QoS的IP业务奠定了基础。尽管受到其它网络技术的竞争，许多人仍认为ATM不仅是电信网也是Internet骨干网的最终解决方案。目前，在宽带计算机通信领域中与ATM技术竞争的技术主要是千兆比以太网(GE）。由于其对原有局域网技术的兼容性，用户可以很低投入获得网络性能的大幅提高，这使其在宽带局域网互联中被广泛采用，许多对QoS要求不高的城域网及企业网也开始采用千兆比以太网技术。但作为一种信息传递技术，ATM的性能显然优于千兆比以太网，它具有无限缩放性，可用于局域、城域直到广域网环境，并且由于拥有QoS保证，可以说ATM几乎是未来多媒体业务的唯一选择。4.帧中继业务中引入ATM技术帧中继（FR）是基于分组复用方案的技术，可在一条2Mbit/s物理链路上建立多条虚通路。自90年代初引入以来，帧中继在专用网中得到了迅速发展，成为新的业务流量源。目前，很多用户基地设备（CPE）供应商开始支持帧中继。这种新业务的迅速增长需要网络容量的更新，并使其有可能引入ATM等新技术。ATM网络可用来连接帧中继网络，使各个站点间能够通信。ATM骨干网不仅可以用于传输帧中继业务流，而且也为帧中继网之间的互通提供了一种简洁的方式。 帧中继业务中引入ATM技术需要实现帧中继承载业务与C类面向连接的可变比特率（VBR）业务之间的互通，也就是帧中继逻辑连接与ATM虚通路之间进行映射。其中，互通单元（IWU）是帧中继交换机或复用器，在帧中继UNI执行互通的功能；AAL5用于帧中继和ATM之间的互通；帧中继业务特定会聚子层（FR-SSCS）支持AAL5的公共部分会聚子层拆装子层（CPCS/SAR）。FR-SSCS的协议数据单元（PDU）与Q.922的帧结构兼容。5.PSTNN-ISDN与宽带ATM网的互通ATM技术能够在单一网络上真正实现话音、数据和视频等业务的综合，满足各类业务和不同带宽的要求。提供基于64kbit/s的窄带业务（PSTNN-ISDN）应是 ATM的一项基本能力。但是目前 ATM应用技术的研究主要偏重在宽带领域，而对 ATM实现话音通信技术的研究比较薄弱。特别是发达国家的电话网已基本饱和，其对ATM网提供话音业务的研究并不积极。在中国，高速数据业务和传统话音业务的发展很不平衡，干线网和许多省市都建成了宽带ATM网，但数据业务量不饱和，而电话业务仍然在快速增长。考虑到技术更新换代的速度越来越快，应该在电话网中尽量采用新技术，因此国内许多研究机构和厂商都在研究如何用ATM技术传送窄带业务。PSTNN-ISDN与ATM网间实现互通，应分为两个阶段，即网络互通和更进一步的业务互通。网络互通主要实现在宽带网络上提供对现行窄带网业务的支持；而业务互通则实现宽带网业务和现行窄带网业务间的互通。ITU-T制定的I.580建议已经给出了类互通的情况。现阶段通常采用网络互通方式，即采用窄带与宽带互通单元（NB-IWU）来实现电话网与ATM网沟通，用宽带ATM网来提供大容量的话音通道。要实现PSTNN-ISDN与ATM网的互通，首先要解决的关键技术是低时延、高效率的话音ATM适配方法。64kbit/s的话音及话带业务是对时延和时延抖动十分敏感的固定比特率（CBR）业务。而适配时延是影响话音在ATM网中整个传输时延的最主要的因素。采用传统的AAL1适配方法无法满足话音业务对传输时延的要求。为此一些新的低时延适配方法被提出来，包括部分填充信元法、组合信元法、微信元法等。综合考虑效率因素，组合信元法和微信元法是通常被采纳的方法。组合信元法的适配时延可小于，依照特定控制策略，可同时保持较高的信元适配效率，它更适合于汇接电话网干线业务量，利用ATM骨干网对电话网业务进行交换和传递。ITU-T在1997年推出的AAL2协议使用微信元概念减少了适配时延（低于1ms），但AAL2协议中公共部分子层（CPS）分组有字节包头，增加了传输开销；许多对话音进行静音检测压缩的算法被用于AAL2适配，用来抵消CPS分组头的开销以提高效率。在国内，目前已有研究机构利用组合信元法研制成功NB-IWU实验系统；一些厂商基于AAL2适配、结合静音检测压缩的NB-IWU系统也都具备雏形。四、ATM的业务介绍1. 商业应用在商业领域，有两大类ATM的应用，即多媒体和高速数据。多媒体应用主要包括有会议电视、职业教育和技术培训、电子信箱、桌面合作工作组、居家办公、远程医疗、远程勘探等；高速数据应用主要设计局域网（LAN）互联和数据网合成。（1）桌面应用 桌面合作工作组可以取代会议室。主要通过声、像双向传输将分布于不同地点的工作小组组织起来，进行交互式工作，共享办公设施，不仅便于管理，而且大大节省了差旅费，提高工作效率。这种应用可扩展到家庭办公。（2）远程医疗 如果将全国乃至全世界的医生、诊所、医院以及康复中心、医学研究机构等、通过ATM网连接起来，实施远程医疗，它可即时召集最有秀的医生、提出最佳诊断方案，为病人提供及时、最有效的治疗。此外，图像医疗权力机构可以在ATM网中建立必要的医疗信息库，使人们可以存取有关医疗数据，如医疗记录、X光片、CAT扫描片等。（3) 远程教学 远程教学中心通过ATM网可以向社会提供教学材料、培训和教学，学员可以得到优秀教师的授课、雇员不离岗就可接受教育。此外，研究机构、大学等可以加强技术和科研交流与合作。2. 居民应用ATM网络的初期应用主要有VOD（按需视像服务）、电子游戏、可视电话等。（1) VOD VOD有可能成为ATM应用的最大市场之一。ATM网络将提供VCR（Video Cassette Recorder）的功能。客户在家里通过电视机任意选播自己喜欢的电影，可控制停播、快速前进和后退及暂停。当然，VOD的价格不能太贵，起码要与租借录像带的价格相当，同时也要比录像带的质量高、节目丰富。（2) 居家购物 购物者可以利用ATM网络的交互能力，像在商店里一样进行物品的挑选、采购，用个人特有的号码进行支付。（3) 电子游戏 不同地区的多媒体工作站可以像在同一个LAN内一样，通过ATM网进行交互式电子游戏。当然，ATM网络的应用远不只上述这几种，ATM网络的应用将涉及社会方方面面，如金融、航空、经贸、气象、政府机构、海关、广播、商业、教育、建设、医疗等等。目前，技术已经进入了实用化阶段，商用化产品大量出现，很多国家已建设了骨干网络，并提供多种高速、实时业务。的应用同时也进入到局域网、无线网络和卫星网络等领域。五、ATM市场前景ATM技术目前处于较不利地位，其中的原因主要在于以太网以及TCP/IP协议相关的各种技术已经经过了几十年的发展和积累，在此基础上开发出来的技术也在很大程度上承袭了已有技术的成果，其开发费用和生产成本都因此大大降低，与其相反，ATM技术的发展还不到十年时间，其中绝大部分技术都得从无到有进行开发，其费用自然相对较高，相信以ATM目前的发展趋势，经过一段时间的积累，ATM设备的成本会逐步降低到与以太网设备相当的水平。近两年Internet的急剧发展，网络的软硬件投资也大大增加，并迅速占领了数据通信市场，这给ATM的发展确实形成了较大压力，但是ATM与 Internet并不是互斥的技术，Internet上运行的各种高层协议都可以很容易地在ATM中实现，随着用户对实时业务需求的增加，目前Internet所依赖的IP技术的弱点会逐渐显露，将Internet与 ATM结合可以较好地解决这个矛盾，因此利用好了Internet可以对ATM的发展起到促进作用，这是 ATM发展的一个机会，如果ATM的发展在今后几年内仍跟不上Internet及需求发展的节拍，也很有可能被市场所抛弃。当然，从另一方面我们也可以看到，市场并不是只对ATM构成压力，近年来 ATM也同样在迅猛发展，各国政府、公司及用户在ATM上也投入了大量的资金，出于对这部分投资保护，各种机构尤其是那些大通信公司一定会极力维护和促进ATM的发展。但从本质上来说，市场是一个复杂的系统，它受到多种因素的左右。六、结束语ATM技术是一项优秀的传输、交换、复用、交叉连接技术。目前，ATM技术以一种更务实的姿态进入实用中，对ATM技术的理解也应在思想上更新。互联网的可持续发展需要ATM支持，以提高服务质量和扩容；ATM也需要互联网来发展、应用、展示自己。随着能充分利用ATM的应用增加，ATM的优势日渐突出。Internet的发展正是一个机遇，尤其是互联网业务的多媒体化需求，对ATM技术将是一个巨大的推动。 参考文献：1.洪新伟 付强 黄载禄 有关ATM发展前景的讨论 华中理工大学电子与信息工程系；2.陶洋 通信信息网 人民邮电出版社；3.网络资源参考：协议分析网；C114中国通信网。10网网 析分参资社版电息洋系工信学理 景前 强伟献。推的是将 求需的网联，个一的 突势的，应 利充随示展展网要 ；容务高，支需展的互新思也的技 用进态务一 目技交复换传的是束右的因多统系个市说质但展 和维极司大是其种，资这，资大投 在及公国发猛同 来，构 只场市以我方，当所市有，的求及 上仍年在 果，一发 这用促展 以可 了此盾这好可结 与 露逐弱的 赖 加增需对户， 容可都种各运 术的是 力大成展的给，信了领，增资件的展剧 近水相设太降会本设 的段经趋展 信较自其开行无术分中间年到发技 相，大因产生开果成有承度很技来上此，和年了经术种议 以网在原其地不前技前场域等网和线、到进用务时、供并络设家很现大用商用了经术等疗医育业、关、府象贸空融，面社将络网种几不远的 戏游电进 通一 一在可体多同 子付行号的用，选品进一商力交网 以购 购富丰高的带要同相带借租，能不 然当退进前停可电的己选电里户能的 （ 提 一最应 能 等话、子电服按 要应初网应居作合交术加以、究外育接岗员课的秀以学学和材教会以 过学教 程等片 、记，数有取们库疗的建 在构机像外疗的最时提案诊出提的集即它医实起连 、机究医康以所生的全国如 程公庭到可种效作提了大而理仅施办享工行来织作点不布传向过通。会组作桌用面成网数） 网设用据；探、程公居、作、箱电术教业视有要体。速体媒用 有领应商介介 形备也 测静结适 基些统验 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