ATM交换技术 - 通信人家园

ATM(Asynchronous Transfer Mode)是一种以信元为单位的异步转移模式。它是基于B-ISDN宽带综合服务数字网标准而设计的用来提高用户综合访问速度的一项技术。在交换形式上而言，ATM 是面向连接的链路，任何一个ATM 终端与另一个用户通信的时候都需要建立连接。

“信元”是ATM所特有的分组，话音、数据、视像等所有的数字信息被分成长度固定的数据块。

“异步”则意味着来自任一用户的信息信元流不必是周期性的，主要指异步时分复用和异步交换。

①异步时分复用：将一条线路按照传输速率所确定的时间周期将时间划分成为帧的形式，一帧又划分成若干时隙来承载用户数据，但ATM中的用户数据不再固定占用各帧中某个时隙，而是由网络根据用户的请求和网络的资源来动态分配。在接收端，不再按固定时隙关系来提取相应用户数据，而是根据所传输数据的目的信息来接收信息。在ATM中，用户数据并不固定地占用某一时隙，而是具有一定的随机性。

②异步交换：在ATM中，交换是非固定时隙的，当输入帧进入ATM交换机时，先在缓存器中缓存，交换机根据输出帧中时隙的空闲情况，随机地占用某一个或若干个时隙，而且时隙的位置也是随机的。

ATM交换是一种融合电路交换和分组交换的优点而形成的一种新型交换技术，能在单一的主体网络中携带多种信息媒体，承载多种通信业务，并且能够保证Qos。

对电路交换，它采用异步时分复用代替同步时分复用，解决了电路交换信道利用率低和不适于突发业务的问题。吸取了电路交换低时延的优点，摒弃了电路交换信道利用率低的缺点。

对于分组交换，它采用固定分组方式，吸取了分组交换信息分组带来的传输灵活、信道利用率高的优点，摒弃了分组交换时延大、协议复杂的缺点。

ATM技术是支持多媒体通信的核心技术，它是为实现下一代的宽带ISDN(B-ISDN)而开发的，即后者采用ATM作为信令与话音、数据、视频等业务信息的传递模式。

该模型由三个平面和四层组成，三个面为用户面(User Plane)、控制面(Control Plane)和管理面(ManagementPlane)，四个功能层是物理层、ATM层、ATM适配层AAL(ATM Adaptation Layer)和高层。其中，U面和C面符合OSI基本参考模型。

· 用户面：提供用户信息的传送，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等。采用分层结构，分为四层；

· 控制面：提供呼叫和连接的控制功能，处理网络与终端间ATM呼叫和ATM连接的建立、保持与释放的信息。也采用分层结构，分为四层；

· 管理面：提供性能管理、故障管理及各个面间综合的网络管理协议，它又分为层管理和面管理。

- 层管理：监控各层的操作，提供网络资源和协议参数的管理，处理操作维护OAM信息流。采用分层结构，将来面管理和层管理的功能可能会合并。

- 面管理：对系统整体和各个面间的信息进行综合管理，并对所有平面起协调作用。面管理不分层。

控制面和用户面只是高层和AAL层不同，而ATM层和物理层并不区分用户面和控制面，对这两个平面的处理是完全相同的。

· 物理层：传输比特信息，规定传输信息的物理媒体的种类、比特定时、传输帧结构及信元在传输帧内的位置。

· ATM层：只负责信元的传输，规定了信元复用传输方法、信头的生成/删除/校验及信元类型指示。

· AAL层：规定了多种协议以适配不同的高层业务，利用ATM层的信元传送能力来提供高层各种业务所需的功能。AAL以上的协议全部由ATM终端处理。

物理层主要是提供ATM信元的传输通道，将ATM层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流，同时在接收到物理媒介上传来的连续比特流后，取出有效的信元传给ATM层。

为实现信元无差错传输，物理层从下至上被分为物理媒介子层(PM)和传输会聚子层(TC)，由它们分别保证在光、电信号级和信元级上对信元的正确传送。表3-1中列出了各子层的基本功能。

B-ISDN用户-网络接口UNI的基本传输速率为155.52Mbit/s或622.08Mbit/s，其传输媒介不采用平衡双绞线而使用高频特性良好的同轴电缆和光缆。其中，楼宇内部的布线主要采用多模光纤，公用网的接口则多采用单模光纤。

ATM层在物理层之上，利用物理层提供的服务，与对等层间进行以信元为信息单位的通信。同时为AAL层提供服务。ATM层与物理媒介的类型以及物理层具体传送的业务类型也是无关的，ATM层只识别和处理信头。

如上，ATM层提供与业务类型无关的、统一的信元传送功能。即网络只提供到ATM层为止的功能，流控、差错控制等与业务有关的功能均交给终端系统的高层去完成，从而尽量缩短网内处理时间，实现高速通信(见图2.2所示)。

高层的语音、视频、数据、图像等业务先送到ATM适配层，用AAL协议(如AAL5适配)，即用AAL的帧格式来封装上层数据，然后分割成48字节长的ATM业务数据单元。ATM业务数据单元被送到ATM层，在此加上5字节的信元头，信元头中要标识出VPI和VCI(VPI和VCI在连接建立时已分配好)。ATM层将具有不同VPI/VCI的信元复用在一起交给物理层。在物理层将ATM信元封装到传输帧中，然后经物理接口送出。

信元复用/解复用在ATM层和物理层的TC子层接口处完成，发送端ATM层将具有不同VPI/VCI的信元复用在一起交给物理层；接收端ATM层识别物理层送来的信元的VPI/VCI，并将各信元送到不同的模块处理，如识别出信令信元就交由控制面处理，若为OAM等管理信元则交由管理面处理。

信头操作在用户终端为填写VPI/VCI和PT，在网络节点中为VPI/VCI翻译。用户信息的VPI/VCI值在连接建立时可由主叫方设置，并经过信令的SETUP消息通知网络节点，由网络节点认可，也要由网络侧分配。

在以ATM技术为基础的网络上，信元的复用和交换处理均与所传送的信息类型(音频数据、图片、文本或活动图像)无关。因为ATM网络处理的是形式相同的固定长度信元，可省去许多不必要的检验，从而可直接运用硬件加快处理速度，有效地提高了交换与复用效率。因为交换机只改变VPI/VCI的值而并不管信元所携带的信息类型，因此在目前的技术条件下交换速率可达2,488Mbps。

ATM的呼叫接续不是按信元逐个地进行选路控制，而是采用分组交换中虚呼叫的概念，即传送信元前预先建立与某呼叫相关的信元接续路由。同一个呼叫的所有信元都经过相同的路由，直至呼叫结束。

其连接过程是：当发送端和接收端通信时，首先通过用户-网络接口发送一个请求建立连接的控制信号；接收端通过网络收到该控制信号并同意建立连接后，网络中的各个交换节点经过一系列的信令交换后就会在发送端和接收端之间建立起一个虚拟通道(虚连接)作为信令链路。

为此，ATM层提供了虚通路(VP)和虚信道(VC)两种逻辑信息传输线路。VC是两个或两个以上的端点间传送ATM信元的一条通信信道，ATM信元的复用、交换和传输过程均在VC上进行。在一条虚信道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。

每一VP中可包含若干VC，并以VP为单位进行交换。这样可有效利用带宽，减少处理时间，同时可适应多种类型的业务传输。VP和VC分别用虚通路标志符VPI和虚信道标志符VCI来标识。因此，一条VC可由传输线路的端口号码、VPI指和VCI值的组合唯一确定。

在虚连接的建立过程中，虚线路上所有的交换节点(或称中继点)都会建立虚连接映射表，以完成输入信元VPI/VCI值到输出信元VPI/VCI值的转换。

虚连接建立后，需要发送的信息被分割打包，形成包含5个字节信元头、48个字节信息的信元，经过网络传送到对方。若发送端有一个以上的信息要同时发送给不同的接收端，则可按照上述相同的程序建立到达各自接收端的不同虚线路，并将信元交替地送出。

PVC是一种静态虚连接，通过网管预先建立的。不论是否有业务通过或终端设备接入，PVC一直保持(不必每次呼叫都进行虚连接配置)，直到由网管释放。因此，PVC类似于电话网中的租用线路，经过PVC连接的用户需要通信时，不会因通信网络资源不够而导致通信失败。缺点是这些PVC必须手工配置，不能进行大量PVC配置。现在ATM网中基本上都是使用PVC。

SVC是一种动态虚连接。用户需要通信时，由终端用户或终端应用发起连接请求，系统临时建立逻辑通路。SVC类似于电话网的用户线路，只有经过呼叫请求，网络为通信双方建立起相应虚通路后，才能进行通信，通信完成后，由信令释放SVC。连接时间由ATM网络决定，在系统拥塞时可能失败。但使用SVC的用户对网络资源的带宽利用率高，通信费用较低。

各类业务在经适配进入ATM网络后，便由ATM交换机或交叉连接设备提供交换和中继功能，从而到达指定目的地。

ATM交换分为虚通路交换(VPS)和虚信道交换(VCS)。VP交换指一个VP内所有信元同时被映射到另一个VP内，交换过程中只改变VPI的值，透传VCI的值(保持不变)。而VC交换是指同一个VP内或不同VP内的VC之间的交换，交换过程中VPI、VCI都改变。高速骨干网中网络的主要管理和交换功能集中在VP级，从而降低网管和网控的复杂性。而骨干网外，交换机仍然进行VC交换。见下图所示。

可见，一个呼叫链路由端-端VCI/VPI和ATM交换机的路由映射表唯一确定，一个呼叫链路上的信元的VPI+VCI值在ATM交换过程中会被改变(由路由表决定)。

从路由的角度看，VPI和VCI是信元在ATM网络中传输的路由地址，多个路由地址标识了一条连接。当信元经过某交换节点时，该节点根据信元头中的VPI和VCI查找预先建立的连接映射表(路由映射表)，确定可导向接收端的输出VPI和VCI，并赋予信元后输出。

每个ATM交换机建立一张连接映射表。对于每个交换端口的每个VPI/VCI，都对应表中的一个入口。当VPI/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及用于更新信头的VPI/VCI值。

ATM交换机或交叉连接设备的作用是：根据输入信元的VPI/VCI标识以及它本身在建立连接时产生的路由映射表，将该信元转发到指定的输出端口(中继线或用户线)，并对该信元的头部进行适当处理，如改变其VPI/VCI值，在拥塞时有可能改变CLP值，最后还要重新计算HEC值，以保护新产生的信元头。

如表所示，发端发出的VPI/VCI=0/37的信元，经ATM交换机后VPI/VCI被交换成0/76，最后送到用户E。这里(0，37)和(0，76)就标识了发端与终端用户A之间的一个连接。

ATM是一种基于信元的交换和复用技术，其传送信息的基本载体是ATM信元。ATM层的全部功能由信头来实现，在传送信息时网络只对信头进行操作而不处理信息字段(净荷)的内容。

信头内容在用户―网络接口(UNI，用户设备与网络之间)和网络节点接口(NNI，交换机之间的接口)中略有差别，主要由以下几部分构成：

4比特，只用于UNI接口。目前置为0000，将来可能用于流量控制或在共享媒体的网络中标示不同的接入。

VPI/VCI字段是识别复用接口上各VP、VC的标志，也是信头中最重要的部分。VPI/VCI一起标识一个虚连接，网络设备根据VPI/VCI值进行信元的寻路和复用。

在一个接口上将若干个VC集中起来组成一个VP，并以VP为网络管理的基本单位。VPI在UNI中为8比特，在NNI中为12比特，可分别标识4096条和256条VP。

VCI字段有16比特，标识VP中的VC，因此对每个VP定义了216=65536条VC，即每个虚通路可用复用方式容纳多达65536个虚信道。

和分组交换类似，同一呼叫的上、下行方向采用相同的VPI/VCI值。用户按呼叫来选取UNI的VPI/VCI进行通信。

注意，VPI、VCI的取值只有局部意义，即只在通过物理媒质直接相连的两个接口之间有效，相同的值在其它接口可以重复使用。在虚线路中，相邻两个交换节点间信元的VPI/VCI值保持不变。此两点间形成一条VC链，一串VC链相连形成VC连接。每个VPI/VCI在相应的VP/VC交换节点处理，相同的VPI/VCI值在不同VP/VC链路段并不代表同一个虚连接。

3比特，用于指明信元中的载荷(数据域中携带的数据)类型，表示信息字段中的内容是数据信元(用户信息)还是管理信元(控制信息)。

1比特，用于拥塞控制。当网络出现拥塞时，首先抛弃CLP=1的信元，并要求网络保证尽可能地传送CLP=1的信元。

ATM网中传送的信元有两种优先级别，通过信元头中的CLP字段来区分。CLP=0表示优先级高，CLP=1表示优先级低。当网络发生拥塞时首先选择CLP=1的信元丢弃以缓解拥塞，牺牲低优先级信元来保证高优先级信元的传送质量。

信元定界：利用HEC字段和它之前的4字节的相关性可识别出信头位置。由于在不同链路中VPI/VCI的值不同，所以在每一段链路都要重新计算HEC。

ATM信元的信头与分组交换中分组头的功能相比大大简化了，如不再进行逐段链路的检错和纠错。由于链路质量的提高，端到端的差错控制只在需要时由终端处理，HEC只负责信头的差错控制。另外，信头只用VPI和VCI标识一个连接，而无需源地址、目的地址和包序号，信元顺序也由各网元保证。

不管应用层是数据还是话音、图像等多媒体业务，ATM层都以统一格式的信元传送所有的信息。但因各种业务所要求的业务质量(如时延、差错率等)不同，在把各种业务的原始数据处理成信元时，应满足各种业务对服务质量的需求。这一功能由ATM适配层(AAL)来实现。亦即，ATM层对各种业务提供了公共的传输能力，而AAL的功能与上层的需求有密切的联系。

ATM适配层(AAL)位于ATM层之上，对上层屏蔽了ATM层中的信元传输功能，提供了与OSI第一层或第二层相同的业务。

AAL层和业务相关，即针对不同的业务，采用不同的适配方法。但都要将上层传来的信息流(长度、速率各异)分割成48字节长的ATM业务数据单元，同时将ATM层传来的ATM业务数据单元组装、恢复再传给上层。

为了提高交换网络的速率，对ATM层作了尽可能的简化，而ATM层未提供处理的信元丢失、误传、时延、时延抖动等与业务服务质量密切相关的功能，由AAL层完成。不同类型的业务需要不同的适配。

在B-ISDN中把AAL层向上层提供的通信功能称为AAL业务或AAL协议。根据源和目的的定时、比特率、连接方式将业务分为四类，并相应地定义了协议类型AAL1、AAL2、AAL3/4及AAL5。业务类型(Service Categories)和AAL协议类型(AAL Type)的关系如表2-3所示。

AAL的结构如图2.7所示。由于上层信息种类繁多，AAL层处理比较复杂，所以分两个子层：会聚子层(CS)和拆装子层(SAR)。

SAR子层将高层信息拆成一个虚连接上连续的信元，或在相反方向上将一个虚连接的所有信元组装成数据单元并交给高层。

会聚子层根据业务质量要求的条件控制信元的延时抖动，在接收端恢复发送端的时钟频率以及对帧进行差错控制和流控制。

如图，对于数据传输用的CS子层，CPCS实现连接型(CO)通信业务和非连接型(CL)通信业务中公共的功能，SSCS实现各自业务特有的功能。对连接型业务又以SSCOP规定了所有CO业务的公共功能；以SSCF规定了不同CO业务的特有功能。

其中，SAR子层处理PDU(协议数据单元)的分割与重组，将从上层取得的PDU映射成固定长度的ATM信元载荷，或将底层传送的信元载荷重新组装成适合高层协议的PDU；CS子层则执行定时、差错检测、信元延迟处理及应用层SDU(业务数据单元)的识别与处理等功能。SDU与PDU的概念区分在于：SDU针对于高层业务数据，而PDU则为将其上层SDU依据本层承载要求附加完成本层协议功能(如ATM功能)的控制头或尾后形成的，且可视为其下层的SDU。

ATM从流量控制的角度出发，区分了恒定比特率业务(CBR)和可变比特率业务(VBR)，并根据实时/非实时性，把VBR业务进一步分为实时(rt-VBR)和非实时(nrt-VBR)两类。另外考虑了日益增长的数据业务的要求，网络以尽力而为(Best Effort)的方式提供数据业务，进一步划分了可利用比特率业务(ABR)和未指定比特率业务(UBR)，前者保证一定的丢失率要求，后者不提供任何形式的保证。

从业务特性上区分，如峰值信元速率(PCR)、可维持信元速率(SCR)、最小信元速率(MCR)、最大突发长度(MBS)，它们描述业务本身的流量特性，又称为源流量参数。

从业务的服务质量(QoS)上区分，包括峰－峰信元时延抖动(peak-to-peakCDV)、最大信元传送时延(max CTD)、信元丢失率(CLR，可接受的因网络拥塞而导致信元丢失比例)、信元错误率(CER)、严重出错的信元块比例(SECBR)、信元误插入率(CMR)。

CBR业务通常是指那些在整个连接的生命周期内都需要连续的静态的带宽的连接。所分配带宽的数量

就是通过峰值信元速率(PCR)来量化的。网络可以对用户保证只要连接建立，就给CBR预留出资源从而可以确保所有服从一致性测试信元的QoS性能。在CBR中源端可以在任何时候以PCR的速率发出信元，并可以持续任意长的时间。

CBR业务通常是一些对时延变化有严格限制的实时应用，如话音、视频和电路仿真。在CBR业务中，源端可以在一定的周期内用协商好的PCR或者低于PCR的速率(甚至可以不发送信元)来发送信元。

rt-VBR业务也是一种实时应用，即对时延和时延变化有严格的限制，rt-VBR的主要应用有话音和视频业务。rt-VBR连接的特性主要靠峰值信元速率(PCR)、平均信元速率(SCR)、最大突发长度(MBS)和信元延迟容限(CDVT)来描述。源端发送信元的速率是可变的，即源端可被认为是“突发性的”。rt-VBR业务可以支持实时资源的统计复用。

nrt-VBR业务支持一种突发性的非实时的应用，连接特性是通过PCR、SCR以及MBS来描述的。对那些满足流量合同的信元，nrt-VBR业务可以保证很低的信元丢失率但对时延没有限制。nrt-VBR业务可以支持连接的统计复用。

UBR支持非实时的应用，也就是那些对时延和时延变化要求都不太严格的应用，如一些传统的计算机通信应用(文件传输和E-mail等)。

UBR业务不存在任何的服务质量的承诺，连接的信元丢失率和信元传输时延均没有数值保证。网络可以选择在CAC和UPC中是否需要运用PCR。在网络对PCR没有强制性的要求的时候，PCR的值没有什么意义。UBR连接的拥塞控制可以在高层或者端到端的基础上进行。

ABR业务中网络在连接建立时的传输特性可以在后来被更改。有一种流控机制支持对源端的反馈来控制源端发送信元的速率，这种反馈是通过特定的控制信元叫做资源管理(RM)信元来实现的。可以预期终端系统在根据反馈调整流量的时候会有一个很低的信元丢失率，然后获得一个公平的可以利用的带宽。对给定的连接，ABR业务对时延和时延变化没有边界限制，也就是说ABR不支持实时的应用。

在ABR连接建立的时候，终端系统会指定一个所需要的最大带宽和一个最小可用的带宽。这是通过峰值信元速率(PCR)和最小信元速率(MCR)来描述的。其中MCR的值可以为零，网络所提供的带宽可以变化但不能小于MCR。

nrt-VBR业务类型、ABR业务类型和UBR业务类型都是针对非实时应用的，不同之处主要集中在网络提供的服务保证特性、网络与终端系统的实现机制两个方面，选择什么业务类型需根据具体的应用而定。

AAL1协议针对的是固定速率的、面向连接的业务，在信源和信宿间需要定时信息的传送。这类业务典型的例子是目前的电路交换业务，如话音业务、各类NISDN业务。

AAL2是以可变比特率(VBR)提供端到端实时业务的协议，如VBR音响和电视。这类AAL尚未定义好。ITU-T也可能通过对AAL1的增强来得到AAL2功能。

在ATM网中，数据业务有两类：远程计算机局域网互连对应于无连接的数据业务，另一类是面向连接的数据业务。AAL3/4协议用于对这些业务的适配。

AAL5是数据业务最常用的ATM适配层类型，提供将长度为1~65535字节的应用数据分段后以ATM信元方式发送然后在接收端重组的功能，对业务类型C和D都适用。AAL5支持收发端之间没有时间同步要求的可变比特率业务，它提供与AAL3/4类似的业务，但SAR-PDU中既无头标也无尾标，48字节全部用作信息的传输。主要用来传递计算机数据、UNI信令信息和ATM上的帧中继。它可承载控制面信令数据，为SSCOP提供服务；为用户面GTP-U/UDP/IP提供承载服务(非确保发送服务)。

定义AAL5的主要原因是其格式简单、开销少、纠错强，特别适于可变比特率数据、支持面向连接及对时延不太敏感的业务传送。

在AAL5中，SAR将变长(但为48字节整数倍的长度)的CPCS-PDU映射到48字节的SAR-PDU中，利用ATM层的功能进行传送。如图2.9所示。因为在SAR-PDU没有头标和尾标，所以通过传送ATM层的用户参数来区分构成一个SAR-PDU的诸多SAR-PDU中的最后一个及其以外的那些。当信头的净荷类型指示字段中的最低位为1时，表示最后的SAR-PDU。该值对PT字段的映射由ATM层规范(I.361)规定。

(2) 填充(PAD)字段：为使CPCS-PDU凑成48字节的整数倍，在CPCS-PDU净荷和CPCS-PDU尾标间置入0~47字节的填充字段。它不传送信息，可任意编码。

(5) 长度指示(LI)字段：以二进制数表示CPCS-PDU净荷的长度，单位为字节。接收端利用该值检测信息的丢失和误插。当传送Abort业务时，该字段全置为0。

(6) CRC字段：利用CRC码对各个CPCS-PDU进行差错校验。而AAL3/4协议需对每个SAR-PDU进行校验，开销比AAL高得多。

业务类型	A类	B类	C类		D类
典型的应用业务	电路仿真定速率信息	变速率信息	连接型数据传输	信令传输	非连接型数据传输
对应的AAL协议	Type 1	Type 2	Type 3/4	Type 5	Type 3/4或Type 5

物理层	传输会聚子层(TC)	·信头差错校正 ·信元同步 ·信元速率适配 ·传输帧的生成
物理层	物理媒介子层(PM)	·比特定时 ·物理媒体

业务类型	发端端口	VPI/VCI	收端端口	VPI/VCI
视频	1	0/37	3	0/76
数据	1	0/42	5	0/52
视频	2	0/37	6	0/22
语音	2	0/78	4	0/88