异步转移模式ATM技术及其最新研究进展.pdf

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1、异步转移模式异步转移模式 ATM 技术及其最新研究进展技术及其最新研究进展 陈刚 武汉铁路职业技术学院信息系 430063 E-mail：cg8016163163。com 摘摘 要要：从ATM 问世以来，以信元交换为特征的ATM网络有了长足的发展，文章介绍了ATM 的产生、概念、信元格式及速率，并分析了ATM 交换原理、ATM的应用及其最新研究进展。未来的发展趋势是采用IP over ATM 技术方案以及多协议标记交换MPLS技术挖掘纯ATM的潜力，大力降低成本。关键词关键词：异步传输模式；IP；ATM 1、引言、引言 技术的进步产生新的网络，每种新网络都给用户提供了一个新的服务范围，其结果是

2、我们拥有支持不同服务的广大范围的网络，有用户电报网、电话网、ISDN（综合业务数字网）、分组交换数据网、电路交换数据网、移动电话网、租用线路网、局域网、城域网、帧中继网等等。人们希望有一个通用的网络，能够支持完全范围的服务，甚至包括那些还未出现的服务。达到这一目标的关键是一种交换结构，能够充分灵活地满足几乎是任何地方的需要。许多人认为异步转移传输模式 ATM 很可能就是实现这个目标的方案。20 世纪 70 年代末，在解决了传输与数字化即综合数字网（IDN）后，为提高网络资源的利用率和方便用户，提出了综合业务数字网（ISDN）的概念，即从用户的角度出发，使话音与数据或图象等业务如同在一个网上。要

3、满足用户这一要求，就要实现终端设备、传输以及交换的综合化。在 ISDN 中，解决了用户线综合传输，但在交换技术和终端设备上仍然采用方式分割的做法，即一种业务需要一种网络来支持，所以仍然是多种网络共同起作用。因此，ISDN 是业务的综合，并非技术上的综合，为了实现真正的技术综合，先后进行过突发交换、多速率交换、动态交换等技术的试验，在众多的试验中，快速分组交换和异步时分交换这两种方式启发了 ATM 技术，成为 ATM 的前驱。1989 年，CCITT（现在改名为 ITUT）第 18 研究组在综合了已有研究成果的基础上正式提出了一种新的信息传递模式异步转移模式 ATM1，并将 ATM 作为实现 B

4、ISDN（宽带综合业务数字网）的一个解，ATM从此正式诞生。ATM 的主要思想是：尽量把交换的处理负担从交换机转移到通信的两端，以最大限度地减小交换机的处理时间，并给用户和网络操作者以最大的灵活性，从而提高网络的传输速度。、ATM 技术核心技术核心 -1-http:/ATM 是异步传送模式的简称，即在ATM 传输模式中，信息被分成信元来传递，而包含同一用户信息的信元不需要在传输链路上周期性出现，所以这种传输模式是异步的。ITU-T 定义ATM 为“以信元为信息传输、复接和交换的基本单位的传送方式”。所谓的传送是指电信网中传输、复接和交换方式的整体。在通信中，ATM 是异步转移模式（Asynch

5、ronous Transfer Mode）的英文缩写，ATM是 BISDN 的核心技术1，ATM 是以异步时分复用的要领为基础的。信息传递的基本单位是异步传递方式的信元，简称 ATM 信元。每个信元长 53 个字节。前面 5 个字节是信头，指明这个信元的类型、源和目标地址。后面 48 个字节是用户信息。实际上是固定长度的分组，所有要传输的信息都被分割成固定长度的信元。网络根据信元中的标志来转移信元。通过异步时分复用技术把不同用户和不同业务的信元变成连续的比特流，送入 ATM 交换机。不同的用户信元在 ATM 信元流中没有固定的位置，是按需动态占用的，因而不同类型和速率的用户业务都能方便、灵活地

6、进入网络。交换机对用户信元是透明的，不进行任何处理，把差错控制和流量控制等工作交给网络终端设备来完成。交换机通过硬件实现选路和信元转移，从而大大提高了信息转移容量和转移速度。ITUT 建议的信元格式如下图所示：UNI：用户网络接口 NNI：网络接点接口 GFC：一般流量控制 PT：净荷类型 VPI：虚路径标识符 VCI 虚信道标识符 CLP：信元丢弃优先级 图 1 ITUT 建议的 ATM 信元格式 ATM 包括三个部分，即交换技术、可变速率编码技术和流量控制技术，其核心是交换技术，目前世界上对 ATM 的研究主要集中在交换技术上2。作为一种全新的交换技术，ATM 交换是综合了电路交换和分组交

7、换的优点，它一方面是用有标志的电路代替定位置的电路，因而能灵活地分配带宽；另一方面是取消了复杂的差错控制和流量控制，使传输时延大大降低，传输速度得以提高。-2-http:/ ATM 网络克服了现有电路模式和分组模式的技术局限性，采用光通信技术，提高了传输质量。同时，网络接点不执行导致时延过长的信息检错、纠错等通信规程，网络的功能只是单纯地实现信息转移。除了采用上述的分散控制技术外，还采用大量的硬件设备代替软件实现其功能，如采用并行方法处理信元的交换，这样既简化了网内的处理协议，又加快了处理速度。总之，采用 ATM 技术，使得 BISDN 具有极大的透明性和灵活性；对用户而言，网络对全部业务提供

8、透明传输，而不在乎用户信息的种类和特性，通过这样一个统一的网络，用户就可以使用各种业务；对网络运营者而言，网络以统一的技术体制，为各种通信业务提供信道，不仅保证现有各种业务的可靠传输，而且对将来可能的发展的新业务，提供了极大的保证。、ATM 交换的基本原理交换的基本原理 ATM 是一种面向连接的交换方式。A TM 交换机是根据信元头的信息，基于信元完成的。一个ATM交换机可能只使用信元头的VPI部分，或只使用VCI部分，或者两个部分都使用来决定如何转发信元。其工作过程大致是：ATM交换机接收来自特定输入端口的、带有标记的VPI 和 VCI 字段和表明属于特定虚电路的信元，然后检查路由表，从中找

9、出从哪个输出端口转发该信元，并设置输出信元的VPI和VCI值。ATM采用了虚连接技术，将逻辑子网和物理子网分离。类似于电路交换，ATM 首先选择路径，在2个通信实体之间建立虚通路，将路由选择与数据转发分开，使传输中间的控制较为简单，解决了路由选择瓶颈问题。设立虚通路和虚通道两级寻址，虚通道是由两结点间复用的一组通路组成的，网络的主要管理和交换功能集中在虚通道一级，减少了网管和网控复杂性。在一条链路上可以建立多个虚通路。在一条通路上传输的数据单元均在相同的物理线路上传输，且保持其先后顺序，因此克服了分组交换中无序接收的缺点，保证了数据的连续性，更适合于多媒体数据的传输。在信头的各个组成部分中，V

10、PI和VCI两个部分合起来构成了一个信元的路由信息，该信息表示这个信元从哪里来，到哪里去。ATM交换就是依据各个信元上的VPI和VCI，来决定把他们送到哪一条输出线上去。每个ATM 交换机建立一张对照表。对于每个交换端口的每一个VPI和VCI，都有对应表中的一个入口。当VPI和VCI分配给某一信道时，对照表将给出该交换机的一个对应输出端口以及用于更新信头的VPI和VCI值。当某一信元到达交换机时，交换机将读出该信元信头的VPI和VCI值，并与路由对照表比较。当找到输出端口时，信头的VPI和VCI被更新，信元被发往下一段路程。在ATM 环境中，VP就像一个能够携带许多VC的管道或通道，它可以是从

11、交换机到交换机的虚拟线路，也可以是横穿ATM网络由终端到终端的所有线路。实际上支持复杂的V P并不需要很多VC，许多ATM LAN 发送点仅支持一条虚通道，即VPI=0。当只有一条VP被支持时，他不用作端到端的连接，所以这里-3-http:/并不要求VC一定在给定的VP中，这样VC可连接任何一组站群而不受V P的影响。通常数据是在一条VC中传送的。另一方面，交换机在典型情况下，必须支持成百上千条不同的VP，最大可能支持上百万条不同的VC。通常客户系统希望能够提供给他们用户一条通过网络的专用VP，VP可以连接网络中任意两个端到端用户，若VP使用这种方式，则被称为一条虚通道连接(VPC)或称为一个

12、“虚通道路径(VP Channel)”。他可以带有“永久虚拟线路(PVC，Permanent Virtual Circuits)”和“交换虚拟线路(SVC，Swtched Virtual Circuits)”。如图2 所示。专用ATM交换（公司A）专用ATM网络 专用ATM终端 专用ATM交换（公司B）VC VP 图2 专用ATM 网络 在一个VP通道中，系统用户可以建立PVC 和SVC，而无需系统以任何方式参与，甚至系统的交换机也不必直接支持SVC。VP通道能够提供一条路径将公用网中不同的公司互相隔离开来。在使用公用ATM 服务器的这条路径中，就需要用复合VP通道互联用户网络中的网点。在公用

13、ATM网络环境中，若系统不提供VP通道的能力(有些可能没有)，则系统只能提供PVC，这是因为交换机不能直接支持SVC(有些从不支持)，有些系统也不希望支持SVC(因为他使企业间帐目复杂化，并增加了保密数据的流量)。若无VP通道，系统通常在网络端用VPI=0，产生和结PVC。如图3所示。专用ATM交换（公司A）公用ATM网络 专用ATM终端 专用ATM交换（公司B）VC 图3 公用ATM 网络 -4-http:/ 在公用网络中，PVC是用户提前申请并由系统建立的2。PVC 在对外连接“ATM 网络设备”(如以太网或带ATM 的FDDI转换器、ATM 集线器)时是相当有用的。许多非ATM 信号源可

14、通过单个PVC 动态多路复合返回到指定点。在ATM主机间使用PVC 也可限制预定端点的通信。在公用网中这是符合要求的。在专有网络(LAN 或WAN)中，由于终端站可以自己申请建立SVC，所以SVC 是站点之间的通信更可取的路径。这就是当今大多数专用非ATM LAN和WAN 的工作方式。因此，占用网络ATM交换机必须直接支持SVC。但是，若终端站或边缘设备不支持SVC或是按要求不允许申请连接SVC，这时在专用网中有用PVC的，PVC 必须由网络控制者提前建立。但由于路径是预定的，所以当网络出现故障时，PVC比SVC 优越性差。故此，在专用网中虚通道VP不重要甚至不需要了，如图4 所示。主机 专用

15、ATM网络 专用ATM终端 主机 VC 图4 没有虚通道VP的专用ATM 网络 从ATM网络的内部结构来看，实际上包含三个层次，即由物理链路组成的网络、由VP组成的网络、由VC组成的网络。1对用户来讲，涉及的是VC级网络；对交换机来讲涉及的是VP级网络；对网络维护者来讲涉及的是物理级网络。采用VC为用户提供服务，而用VP来连网。在用户一用户应用的情况下，把VP细分为各单位的VC，并由用户控制那些VC所属的全部资源，在VP内各VC的建立和释放只包括两个交换机，而信息在交换机内的交换和选路则由VP来完成，一条VP可当作两个ATM交换机之间的虚中继线用。ATM是利用了虚路径(VP)和虚信道(VC)的

16、交换原理，在一个给定接口的给定方向上，利用VPI(虚路径标识)来区分落在同一个物理连接内复用的不同的虚路径，而利用VCI来区分在同一虚路径（VP）内不同的虚信道。、ATM 的应用及其最新研究进展的应用及其最新研究进展 1）、ATM的应用及现状 从ATM问世以来，以信元交换为特征的ATM网络有了长足的发展：世界各国在发展-5-http:/下一代电信网技术方面取得共识，纷纷投资建设以ATM网络为标志的国家信息基础设施(NII计划)，ATM试验网逐步走向商用；在核心网络方面，ATM占据了统治地位，设备制造厂商已能提供满足大容量交换的ATM交换设备；ATM为实时地传送数据、图象、和语音综合的多媒体业务

17、提供了支持。ATM具有端到端QoS保证、完善的流量控制和拥塞控制、灵活的动态带宽分配与管理、支持多业务以及技术综合能力强等方面的优势。ATM使用固定长度信元使打包、拆包时延相当，减小时延抖动，且小信元长度降低了时延值，适于实时业务。在过去十来年中，ATM成为下一代网络的重要技术。在将来的信息体系中，ATM将扮演重要的角色。2）、ATM的最新研究进展 目前的信息体系，LAN和WAN都建立在网络层协议如IP、IPX等的基础上，ATM的成功与发展的关键是现有的网络技术和ATM的结合。ATM论坛、国际电联在不到几年的时间内在产业、学术研究、应用方面都有很大的投入并呈现加速趋势，相继推出MPLS、AAL

18、2、LANE、MPOA、GFR等网络新技术。多协议标记交换(MPLS)的应用是ATM新的发展走向之一，MPLS是基于标记的IP路由选择方法，这些标记可以被用来代表逐跳式或者显式路由，并指明服务质量（QoS）、虚拟专网以及影响一种特定类型的流量（或一个特殊用户的流量）在网络上的传输方式的其它各类信息。MPLS协议实现将第三级的包交换转换成第二级的交换。MPLS可以使用各种第二层的协议，MPLS工作组到目前为止已经把在帧中继、ATM和PPP链路以及IEEE 802。3局域网上使用的标记实现了标准化。MPLS在帧中继和ATM上运行的一个好处是它为这些面向连接的技术带来了IP的任意连通性。随着MPLS

19、标准的制定，IP优化光网络宽带IP网将具有更优越的性能：既有SDH的快速自愈恢复能力，又有ATM的QoS选路、流量工程以及一体化的先进网络管理系统。4 ATM技术的另一最新突破是新型ATM适配类型AAL2的推出。AAL2是一种全新的AAL适配类型，它的设计思想是将用户信息进行分组，分成若干的长度可变的微信元，再将其适配到53个字节的ATM信元中。这样一个ATM信元里可以同时装入多个不同的业务流，一个ATM信元不再仅是一种业务流分组，也就是说一个ATM连接可以支持到多个AAL2的用户信息流，即用户信息流在AAL层上复用。这种设计思想带来了两个好处：一是对压缩后的话音业务流降低了拆装时延，且提高了

20、效率，如GSM 和CDMA 语音；二是节约了ATM中VPI、VCI的资源，这在ATM 网络中支持IP业务中十分重要。基于这两个优势，用于语音中继的AAL2和用于数据的AAL2标准已经形成。3 LANE(Emulated LAN)的功能是在ATM网络上仿真LAN，LANE协议定义了仿真IEEE 802。3以太网或802。5令牌环网的机制。LANE协议定义了与现有LAN给网络层提供的服务-6-http:/相同的接口，在ATM网络中传输的数据以相应的LAN MAC分组格式封装。在ATM网上模拟传统局域网，通过ATM网将多个传统局域网和终端设备互联。在ATM网上构造新的局域网，这些局域网接点间的通信行

21、为与传统局域网完全相同。局域网仿真对局域网隐藏了ATM交换结构，局域网终端感觉不到ATM网络的存在，因此无需修改终端设备的软硬件，就可以利用ATM网络的各种优点。MPOA的目的是在LANE环境中有效地传输子网间的unicast数据。MPOA从根本上将数据传送和路由计算分开，将功能分布到不同的设备，从而减少了参与路由计算的设备数目和端设备的复杂性。它可以以统一的方式支持二层和三层网络互连，因此保证了ATM环境中大规模的互连。它可以同时有效地处理突发数据和长期的数据流，但是，MPOA的复杂性有很大的争议。2 ATM与IP的结合是大势所趋。最近新的电信产品表明，IP正在向ATM靠拢，ATM的生产厂家

22、也正在积极转向IP，ATM 交换和IP路由设备界限越来越模糊。应该看到，网络技术将是IP 向传统电信网络渗透和传统电信网络与IP融合的结果。目前ATM的优势在于提供统一的网络平台，IP的优势在于提供统一的数据应用平台。ATM与IP既有竞争的一面，又有互补的一面。为了支持IP并帮助其构造骨干传送网，解决其传送速率问题，同时借IP大发展的东风把ATM更快的推向市场，IP over ATM 应运而生。它提高了网络性能、降低了设备成本、充分利用了现有设备、增加了网络可管理性、提高了网络可扩充性，是一种市场前景十分广阔的应用技术。2 4、结束语、结束语 ATM 技术是一项优秀的传输、交换、复用、交叉连接

23、技术。目前，ATM 技术以一种更务实的姿态进入实用中，随着新网络技术的发展，ATM 正在显示自己的真正实力，IP 和ATM 技术相结合是当今网络技术发展的大趋势，互联网的可持续发展需要 ATM 支持，以提高服务质量(QoS)和扩容；ATM 也需要互联网来发展、应用、展示自己。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 王利、张玉详、杨良怀计算机网络实用教程，清华大学出版社，2003，7 2 张曙光、李茂长电话通信网与交换技术，国防工业出版社，2004，5 3 朱幼全现代通信技术，西南交通大学出版社，2003，11 4

24、汪齐贤、冯玉名异步转移模式 ATM 技术及应用，中国铁道出版社，2004，8 、结束语、结束语 为了支持IP 并帮助其构造骨干传送网，解决其传送速率问题，同时借IP大发展的东风-7-http:/把ATM 更快的推向市场，IP over ATM 应运而生。它提高了网络性能、降低了设备成本、充分利用了现有设备、增加了网络可管理性、提高了网络可扩充性，是一种市场前景十分广阔的应用技术。未来的发展趋势是采用IP over ATM 技术方案以及多协议标记交换MPLS技术挖掘纯ATM的潜力，大力降低成本。参考文献参考文献：1 王利、张玉详、杨良怀计算机网络实用教程，清华大学出版社，2003，7 2 张曙光

25、、李茂长电话通信网与交换技术，国防工业出版社，2004，5 3 朱幼全现代通信技术，西南交通大学出版社，2003，11 4 汪齐贤、冯玉名异步转移模式 ATM 技术及应用，中国铁道出版社，2004，8 ATM TECHNOLOGY AND THE LAST DEVELOPMENT Chen Gang Wuhan Railway Vocational College of Technology，Wuhan 430063，China Abstract：ATM network in exchange with info cell achieved great progress after ATM c

26、ome out。This paper introduces the concept and operation of ATM，Also explains their advantages and weaknesses。At last，in accordance with ATM their special features I pointed the application and the last development。The controversy between IP and ATM is also discussed。To reduce cost of ATM by adopting IP over ATM and MPLS technology is developing trend。Keyword：Asynchronous Transfer Mode；IP；IP OVER ；ATM 作者简介：作者简介：陈刚（1967-）男 汉族 湖南长沙人 武汉铁路职业技术学院信息技术系讲师 研究方向：信息工程与控制 -8-http:/