ATM網絡概述

2019-11-03 10:17:54

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(廣州電信數據分局張偉) 　　長期以來，未來的網絡結構和其采用的核心技術一直是電信行業研究與關注的問題。在窄帶ISDN技術成熟的80年代，考慮到未來技術的進步發展和對寬帶業務的需求，電信界開始尋求一種寬帶的、獨立于業務的網絡。這種網絡要能提供適應從低速到高速的各種業務的傳送和交換，做到整個網絡的資源共享。在80年代后期，國際電信聯盟正式提出了寬帶ISDN，即B－ISDN的概念。B—ISDN的發展目標是以一個綜合的、通用的網絡來提供全部現有的和將來可能出現的新業務。人們在研究和分析了各種電路交換和分組交換技術之后，認為快速分組交換是實現B－ISDN目標的唯一可行的技術。國際電信聯盟把B－ISDN的傳輸方式命名為Asynchoronous Transfer Mode（ATM），推薦其為B－ISDN的信息傳輸模式。ATM被譯作“異步傳輸模式”、“異步傳遞方式”、“異步傳送模式”等等。

　　一．ATM的概念要點如下：

　　1.轉移模式：ITU定義，轉移模式就是電信網絡中傳輸、復用和交換的諸方面。

　　2.異步：是指包括用戶信息的信元（cell）不必周期性的出現，信元是動態占用信道。

　　3.ATM信元：ATM技術運用時，首先將待傳輸的用戶信息流（數字化的語言、數據和圖象等信息）分割成固定長度的數據塊，然后在每個每個分組前加上一個信頭（header），從而構成一個信元。其中信息字段為48個字節，形成[48+5]的信元結構。

一個信元的結構如圖1所示。

　　(1)虛通路（VC）和虛通道（VP）：這是ATM的重要特點之一，攜帶用戶信息全部信元的復用、傳輸過程均在虛通路上進行。一個ATM交換機將輸入的VP標識符（VPI）及（VCI）改寫成輸出的VPI和VCI即可實現交換。VP與VC的概念雖然來自分組交換網絡的邏輯通道和邏輯信道。VP與VC的引入使ATM的交換簡化，使組網靈活。

　　(2)ATM交換：交換機根據網絡容量和用戶需求（體現在信頭）對全體信元進行統一處理，形成信道被動態占用的局面。

　　從ATM的本質特點分析可以看出，ATM技術不但繼承了電路交換和分組交換的優點，而且表現出其他的優越性。其關鍵技術是實現具有內部速率很高的，無阻塞的交換結構；具有能同時處理話音、數據、視頻等傳輸業務的大于幾個甚至幾十個Gbps速率的高吞吐量；能在統計復用網絡中有效處理實時各種業務；并具有較強的網絡業務流量、管理和維護功能。

　　二． ATM網絡的技術特點

通信網的根本任務是實現信息的轉移（Transfer），即信息的傳輸和交換（Transmssion and Switch）。ATM網絡在傳輸和交換方面都采用了與傳統技術不同的方式。在傳輸方面采用了統計復用的方法，也稱為異步時分復用（Asynchronous Time Division Multiplexing）；在交換方面采用了一種改進的分組交換方式，稱為快速分組交換（Fast Packet Switching），也稱為ATM交換。

　　ATM有以下技術特點：

　　1.由于鏈路的傳輸質量很高（光纜傳輸），ATM不進行逐條鏈路的差錯控制，比特差錯由端到端協議解決。　　2.ATM工作在面向連接模式。在兩個終端傳輸信息之前首先要建立邏輯虛擬連接，使網絡保留必要的資源，不使排隊發生溢出。既保證了服務質量，又降低了信元丟失率。

　　3.減少信元頭的功能。其重要功能是虛擬連接的識別，用于正確選擇路由。信元頭的簡化有利于實現快速處理。處理和排隊時延都很小。

　　4.信息域長度較短，因而緩存器規模較小。時延可以接受、時延抖動也較小，適用于實時業務，此外，采用固定信息域長度時，傳送效率較高（速度高，不復雜）。

　　5.ATM建立了虛電路連接，每個虛連接都有一個服務質量（Quality of Service，簡稱QoS）參數來標定所傳輸信息的服務要求。QoS參數主要包括傳輸能力、數據負載類型（恒定速率或可變速率）和數據優先級。

　　ATM有別于一般的高速分組交換，其不同在于：

　　★ATM信元比常規的分組短的多，這是為了使時延方差值較為合理。

　　★ATM盡量節省開銷，以便盡可能的提高工作在高比特率時的效率。

　　★信元以規定時間間隔傳送，但信元間并無空隙，空閑時傳送未分配信元。

　　★具有信元順序的完整性。即到達的信元，其次序和發送時一樣。

　　ATM的特點還包括：

　　★能使信元的傳送速率和信息產生速率相匹配。例如：已壓縮的圖象符號，只需傳送其信息的變化部分，即其比特率是可變的。

　　★為了利用可變比特率VBR（Variable Bit Rate）中的低活動周期，可以加入其他信息傳送。

　　★便于把各種信息綜合到一條鏈路上，即每一個用戶只需一臺接入鏈路。

　　★可以在同步數字系列（SDH）幀中傳遞，也可以在現有的準同步數字系列（PDH）幀結構中傳送，只是ATM信元與傳輸系統中比特的對應變換。

　　ATM技術上述的優點和特點完全可以滿足B－ISDN高速、高效、綜合業務等要求。

　　三． ATM網絡基本原理

　　ATM是一種面向連接的技術。當發送端想要和接收端通信時，它通過UNI發送一個要求建立連接的控制信號。接受端通過網絡收到該控制信號并同意建立連接后，一個虛擬線路（Virtual Circuit）就會建立。虛擬線路是虛通道標識符（VPI：Virtual Path Identifier）和虛通路標志符（VCI：VirtualChannel Identifier）表示的。同時，虛擬線路上所有的中繼點都會建立線路映象表。

　　虛通路建立后，需要傳送到信息即被分割成53字節的信元，經網絡送到對方。若發送端有一個以上的信息同時發送，則根據相同程序建立不同的到達相應接收端的不同虛擬線路，信息則可以交替的傳送。

　　在虛擬線路中，相鄰兩個交換點之間信元的VCI/VPI值不變。此兩點之間形成一條VC鏈（VC Link），一串VC鏈相連形成VC連接（VCC：VC Connection）。類似的形成VP連接（VPC：VP Connection）。VCI/VPI值在經過ATM交換點時，該VP交換點根據VP連接的目的地，將輸入的信元的VPI值改為可導向接收端的新的VPI值賦予信元并輸出。以上過程被稱為VP交換，在此過程中VPI的值不變。理論上，VC交換點中止VC鏈和VP鏈，VCI和VPI將同時被改為新值。由此可見，ATM利用VC/VP交換實現交換和傳輸數據的目的。VP/VC交換示意圖如下圖2所示。

　　虛擬通道VP（Virtual Path）和虛擬通路VC（Virtual Channel）都是用來描述ATM信元單向傳輸的路由。每個虛擬通道可以用復用方式容納多個虛擬通道，屬于同一虛擬通路的信元擁有相同的虛擬通路標志符VCI，VCI是信元頭的一部分。屬于同一虛擬通道的不同虛擬通路擁有相同虛擬通路標志號VPI，VPI也是信元頭的一部分。傳輸路徑、虛擬通道是ATM中的重要概念。

　　在以ATM為技術基礎的網絡上，信元復用與交換處理方式與所傳送的信息類型（語音、圖片等）無關。因為ATM網絡所處理的是形式相同的固定長度的53個字節的信元，所以在傳輸網上免除了差錯控制和流量控制，使差錯控制和流量控制在用戶端進行，直接運用硬件加快傳輸速度，從而簡化了傳輸機制，并有效的提高了交換與復用效率。交換時，只需要對VPI/VPI值作相應的改變，并送到相應的出口。交換機并不管信元所攜帶信息的類型。因此，速度非常快（150Mbit/s～600Mbit/s）。

　　信元的復用與交換處理方式與實際信息類型無關這一特性，使相同的設備理論上可處理低頻寬和高頻寬信息。因此，ATM可以按用戶的需求做到動態分配頻寬。高速的本地網FDDI端點可以達到100Mbit/s，但由于這個帶寬是共享的，隨著用戶數目增加，每個用戶的所實際獲得的帶寬就會相應的減少，而ATM不存在這個問題。ATM使用大小很小的信元和高速傳輸速率，適合各種業務的傳輸。

　　四． ATM網絡協議參考模型

　　由ITU－U發布的關于ATM的標準基于如圖3所示的協議參考模型。ATM參考模型定義了對高層的服務，以及操作和維護ATM網絡所需要的功能。

　　ATM是一種流線化的協議。圖3中表示出用戶和網絡之間接口的基本結構。ATM參考協議模型引入了面的概念（Plain），其著眼點在于將信息流按功能種類進行分類，進行不同的處理。協議模型中有三個獨立的平面：

　　1.用戶面：提供用戶信息傳遞以及相關控制（例如流量控制和錯誤控制）。

　　2.控制面：執行呼叫控制以及連接控制功能。

　　3.管理面：包括面管理，執行與作為一個整體的系統有關的管理并在所有的面之間提供協調功能，包括層管理，執行與資源及其駐留其協議實體的參數有關的管理功能。

　　下面我們就協議模型中的ATM用戶層、ATM適配層、ATM層和ATM物理層的主要功能作簡要的說明。

　　(1)用戶層（User Layer）的主要功能是支持各種用戶服務。

　　(2)ATM適配層（AAL：ATM Adaptation Layer）的主要功能是適配從用戶平面來的消息，以形成ATM網可利用的格式。用戶傳送給ATM的信息往往是多種格式，ATM網可以傳輸數據、語音和視頻信號，故每一種信號都要求對ATM網絡有不同的適配，因此ATM定義了不同類型的ALL服務。

　　(3)ATM層（ATM Layer）的基本功能是負責生成信元，它接受來自ALL的48個字節凈荷，并附加相應5個字節的信元頭。ATM層支持連接的建立，并匯集到同一輸出端口的不同應用信元，同樣也分離從輸入端口到各個應用和輸出端口的信元。當ATM層看到信元凈荷時，它并不知道凈荷的內容，凈荷只不過是要被傳輸的0或1信息。由于ATM層不管凈荷的內容，所以它與服務類型無關。它只負責為凈荷生成信元標頭并附給凈荷，以形成信元的標準格式。故跨越ATM層到物理層的信息單元只能是53個字節的信元。

　　物理層（Physical Layer）是ATM模型的最下面一層，它由傳輸會聚子層和物理介質相關層組成，ATM物理層負責信元編碼并將信元交給物理介質。傳輸會聚子層從ATM層接受信元，組裝成適當格式，并在物理介質子層上傳輸。此時，需插入空信元，讓信元保持連續。空信元不傳給ATM層，它們用特定的信元頭值標識。在接受方，傳輸會聚子層在來自物理子層的比特或字節流中提取信元，驗證信元頭，把有效信元傳遞給ATM層。

　　ATM層通過對信頭的處理完成信元的復用、交換以及相關的控制功能。為了提供端到端的傳送能力，ATM層在接入點之間建立虛連接，并在整個呼叫期間保持連結。ATM連接分為虛信道和虛通路兩個等級。我們可以把VC看成是進行虛連接的單向傳送信道，VP是大量同時存在的VC的高速通路。

　　ATM物理鏈路可以同時支持多個VP連接，每個VP都有自己的標志VPI，而每一個VPI又同時有多個VC。對于每個VC而言，它都有自己的標志VCI和它所在的VP的標志VPI。VC、VP與物理鏈路的關系如圖4所示。在信元頭部中有16個比特來表示VCI。對VPI，用戶網絡接口（UNI：User Network Interface）格式的信元有8個比特，在網絡節點接口（NNI：Network-to-Network Interface）格式的信元有12個比特以便更多的標識VP連接。

　　五．ATM業務分類與業務質量

　　業務分類

　　從連接建立的角度來劃分，ATM業務有永久式虛線路（PVC：Permanent Virtual Circuits）和交換式虛線路（SVC：Switched Virtual Circuits）兩種，通常PVC用于產生專用的點到點呼叫連接，對許多用戶來說，PVC的利用率較低。SVC可以實現動態的呼叫控制和帶寬分配，允許用戶根據需要建立實時連接，根據每個呼叫道具體情況優化連接，提高呼叫建立和按使用付費的靈活性，相對PVC來說，SVC較為經濟，有廣闊的市場前景。

　　從服務質量QoS角度劃分，表1列出了ATM論壇對當前定義的ATM網絡業務的分類。它包括

　　恒定比特率業務（CBR:Constant Bit Rate）

　　實時的可變比特率業務（rt-VBR:Real-time Variable Bit Rate）

　　非實時的可變比特率業務（nrt－VBR:Not Real-time Variable Bit rate）

　　可用的比特率業務（ABR:Avaliable Bit Rate）

　　非特定比特率業務（UBR:Unspecified Bit Rate）

　　CBR服務是要仿真銅導線或光纜，為用戶提供固定比特率的服務，提供一條虛擬的恒定帶寬度信道。主要服務對象是對時延抖動有嚴格要求的業務。數據從一端進入，在另一端離開，不作錯誤、流量控制或其他處理。此類型對于實現從當前的電話系統向未來的B－ISDN平滑過渡是十分必要的。

　　VBR業務劃分為兩個子類，分別用于實時和非實時的應用。rt－VBR用于具有可變比特率同時具有嚴格的實時需求的服務，例如視頻會議這樣的交互式壓縮視頻應用。MPEG－2最終將用rt－VBR傳輸。Nrt－VBR用于及時投遞是重要的，但應用允許有一定數量的抖動，典型業務是多媒體電子郵件。

　　ABR業務概念由ATM論壇提出，來源于分組數據網中的“盡力而為（best－effort）”業務。ABR業務是唯一的網絡給信源提供速率反饋的業務類型，根據網絡運行狀況自適應地要求信源調整速率，在網絡擁塞時降低信源速率，在解除擁塞后升高信源速率。但網絡保證用戶一個最低信元速率MCR（Minimum Cell Rate）。信源的速率在峰值信源速率和MCR之間動態的調整。ITU—T還沒有完成相應當建議。目前在Internet上的電子郵件（E－mail），文件傳輸（Ftp）等即是這種業務。

　　UBR業務：網絡對于此種業務的數據何時以及是否能到達目的地不作任何保證，即不保證時延、丟失率方面的服務質量。對此種業務的用戶不作任何承諾。UBR業務是對剩余帶寬進行利用的最早嘗試，但由于業務質量難以得到保障。

　　不同業務帶寬的使用情況如圖5所示。

　　服務類型的特性比較如表2所示。

表 2 ATM業務類型的特性

　　2．4．2 服務質量

　　服務質量對于ATM網絡是一個非常重要的事項，其部分原因在于它們用于諸如視頻和聲頻這類實時傳輸。在建立一條虛電路時，傳輸層（典型的是在主機中的一個進程，代表客戶）和ATM網絡層（代表網絡運營者，或稱載體部門）必須達成一個定義服務的協定。在客戶和網絡之間的協議必須包含一下三個部分。

　　（1）將要提供的服務量，或者說是提供的帶寬；

　　（2）規定的服務；

　　（3）答應的必要條件。

　　為了確定具體的傳輸協定，ATM標準定義了QoS參數。客戶和載體部門可以就這些服務參數進行協商。對于每個服務質量參數，協議規定載體方滿足或超過的最低性能。表3給出了主要的服務質量參數，需要指出的是并不是所有的服務質量參數能應用于所有的業務類型。

表3 重要的服務質量參數

　　PCR（Peak Cell Rate）、SCR（Sustainable Cell Rate）、MCR(Minimum Cell Rate)描述用戶想要達到的發送速度。CDVT（Cell Delay Variation Tolerance）說明信元發送時間可以有多大變化。CLR（Cell LossRate）、CTD（Cell Transfer Delay）、CDV（Cell Delay Variation）三個參數描述網絡的特征。最后三個服務質量參數CER、SECBR、CMR指定網絡的特征，它們一般是不可協商的。

摘自《中國數據通信網》

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