ATM技术在计算机通信网中的应用

tian7163

摘要 本文简要介绍了ATM的信元、原理、协议结构，对ATM和IP技术进行简单对比，最后分别以LANE和DSLAM为例，讨论了ATM在计算机通信网中的应用。

　　关键词 ATM TCP/IP 信元 LANE ATM-DSLAM

　　计算机通信网涉及通信网络计算机两个领域，通信网络为计算机之间的数据传送和交换提供了必要的手段，而计算机技术渗透到通信网络中，又提高了后者的各种性能。IP作为一种成熟技术，依靠网络可用、尽力而为、以端为中心的特点，在Internet的迅速发展中起了积极的作用。ATM作为一种现代通信技术，以其网络可靠、可管理、以路为中心的特点，在计算机通信网的应用，也正符合今后电信网和信息网的发展趋势：数字化、宽带化、分组化。技术因素和市场需求都是ATM发展的动力。被业界称为“贵族技术”的ATM，面对IP业务的飞速发展，只有积极寻求ATM支持IP的最佳方案，才能将自己容入计算机通信网中。

一、ATM的信元结构及原理

　　ITU对ATM（Asynchronous Transfer Mode）的定义是：ATM是一种异步转移模式。异步是指ATM统计复用的性质。转移模式是指网络中所采用的复用、交换、传输技术，即信息从一地转移到另一地所用的传递方式。在这种转移模式中，信息被组织成信元（CELL），来自某用户信息的各个信元不需要周期性地出现。因此，ATM就是一种在网络中以信元为单位进行统计复用和交换、传输的技术。

　　ATM是一种新型分组技术，信元实际上是具有固定长度的分组，信元总长度为53个字节，其中5个字节是信头，48个字节是信息段，或称净荷。信头包含表示信元去向的逻辑地址、优先等级等控制信息。信息段装载来自不同用户、不同业务的信息。任何业务的信息都经过切割封装成统一格式信元。

　　ATM采用异步时分复方式，将来自不同信息源的信元汇集到一起，在缓冲器内排队，队列中的信元根据到达的先后按优先等级逐个输出到传输线路上，形成首尾相接的信元流。具有同样标志的信元在传输线上并不对应着某个固定的时隙，也不是按周期出现的。异步时分复用使ATM具有很大的灵活性，任何业务都按实际信息量来占用资源，使网络资源得到最大限度的利用。此外，不论业务源的性质有多么不同（如速率高低、突发性大小、质量和实时性要求如何），网络都按同样的模式来处理，真正做到完全的业务综合。为了提高处理速度、保证质量、降低时延和信元丢失率，ATM以面向连接的方式工作。通信开始时先建立虚电路，并将虚电路标志写入信头，网络根据虚电路标志将信元送往目的地。虚电路是可以拆除释放的。在ATM网络的节点上完成的只是虚电路的交换。为了简化网络的控制，ATM将差错控制和流量控制交给终端去做，不需逐段链路的差错控制和流量控制。因此，ATM结合了电路交换和分组交换的优点，即ATM兼顾了分组交换方式统计复用、灵活高效和电路交换方式传输时延小、实时性好的优点。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。ATM交换分为VP交换和VC交换两种。VP交换指在交换的过程中只改变VPI的值，透传VCI的值，而VC交换过程中VPI、VCI都改变。

二、ATM的协议参考模型及各层功能

　　在ITU-T的I.321建议中定义了B-ISDN协议参考模型，该模型为一个立体模型，包括三个面：用户面U、控制面C和管理面M，而在每个面中又是分层的，分为物理层、ATM层、AAL层和高层。

　　协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能：

　　1. 用户平面U：提供用户信息流传送的功能，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等；

　　2. 控制平面C：提供呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放；

　　3. 管理平面M：提供两种管理功能：包括层管理和面管理。层管理（分层），完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令，同时还处理与各层相关的OAM信息流；面管理（不分层），它完成与整个系统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。

　　ATM的协议参考模型中各层功能：

　　1. 物理层又划分为两个子层：PM（物理媒体子层）和TC（传输会聚子层）。PM（物理媒体子层）负责线路编码光电转换、比特定时，以确保数据比特流的正确传输；传输会聚子层功能为信元速率解藕；HEC的产生/校验；信元定界；传输帧适配；传输帧产生/恢复。

　　2. ATM层主要完成四项功能：一般流量控制；信头的产生和提取；信元VPI/VCI的翻译；信元复用和分路。

　　3. AAL（ATM自适应层）其功能是将高层功能适配成ATM信元。AAL层的目的是使不同类型的业务，包括管理平面和控制平面的信息，经过适配之后都可用统一的ATM信元形式来传送。AAL层与业务有直接关系。AAL层对不同类型的业务进行不同的适配。对于ATM用户，AAL在用户终端设备中实现；对于非ATM用户，AAL在UNI的网络侧设备中实现。AAL层又分为两个子层：拆装子层SAR和汇聚子层CS。在发送端，需要将业务流适配到ATM层，SAR将高层信息分段为固定长度和标准格式的ATM信元；在接收端，在向高层转接ATM层信息时，SAR接收ATM信元，将其重新组装成高层协议信息格式。CS执行定时信息的传递、差错检测和处理、信元传输延迟的处理、用户数据单元的识别和处理等功能。

三、ATM与IP技术简单对比

　　1. 服务质量保证方面

　　无论对运营者还是用户，QoS是服务信誉的标志。由于面向连接与面向无连接之分，IP技术和ATM技术在服务质量（QoS）保证方面有根本的不同。IP包的长度是不固定的，长信息包和短信息包中信息打包、拆包时延差别很大，从而引入了较大的时延抖动，不适于实时业务。当用户增加时，服务质量则降低，导致服务质量不稳定。目前一些示范实时应用实际上是用低带宽利用率换取高服务质量。ATM技术使用固定长度信元使打包、拆包时延相当，减小时延抖动，并且小信元长度降低了时延值。另外，ATM采用流量控制技术，在连接建立之前，就通过信令协商能否保证用户的服务质量要求，只有当网络确认之后才接受入网，保证为每一个虚电路提供不同的服务质量。这是真正意义上的服务质量（QoS）。为弥补IP技术在服务质量上的缺陷，TETF提出如RSVP（Resource Reservation Protocol）协议。但由于IP自身限制，协议实现复杂，进展缓慢。

　　2. 协议简化问题

　　从发展历程上看，lP技术在开发初期，传输技术不理想，于是采用逐段纠错，反馈重传等技术，这使得协议复杂。随着光纤技术的发展，传输和处理能力的提高，这些部分已显多余。但由于软、硬件投资问题，IP自身成了障碍，只能保留这些功能。这必然影响网络传输效率。ATM技术充分利用光纤技术发展，简化差错控制，在中间节点不检查业务完整性，简化了协议。ATM流量控制和信令是为了用精确的控制得到网络利用率的提高和服务质量的保证。虽然复杂些，却是值得的。

　　TCP/IP是互联网的基础协议，TCP/IP协议框架中的IP层对应于OSI参考模型中的网络层，完成路由选择和分组转发功能，而TCP对应于OSI参考模型中的传送层，完成端到端之间的数据收妥确认与差错纠正等。可以看出，IP协议实质上是一种不需要预先建立连接，而直接依赖于IP分组报头信息决定分组转发路径的数据协议。从技术上讲，它具有以下几大特点：一是分布式结构；二是端到端原则，所有增值功能都在网络之外由终端完成；三是IP网可以建立在任何传输通道上，可以保证异种网络的互通；四是具有统一的寻址体系，网络可扩展性强。

　　ATM以面向连接的方式工作，通信开始时先建立虚电路，并将虚电路标志写入信头，网络根据虚电路标志将信元送往目的地。为了简化网络的控制，ATM将差错控制和流量控制交给终端去做，不需逐段链路的差错控制和流量控制。可以提高处理速度、保证质量、降低时延和信元丢失率。ATM结合了电路交换和分组交换的优点，即ATM具有统计复用、灵活高效和传输时延小、实时性好的优点。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。

　　相对于ATM技术，IP技术在服务质量保证、安全性、统计复用、流量管理和拥塞控制等方面，都有先天的不足。当用户数量比较少时，这些问题还不那么突出，而一旦用户数量增加得较快，网上的数据流量增大，问题就出来了。因此在服务质量保证方面，IP技术不如ATM技术。

四、ATM技术在计算机通信网的应用之一：LANE

1. ATM LANE的概念

　　顾名思义，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。由下图可见，仿真协议主要在ATM主机和ATM LAN桥上实现。ATM LAN桥是局域网和ATM网间的转换器，它采用ALL5协议对局域网数据作适配，产生ATM信元，或重组ATM信元，恢复局域网的数据帧。ATM主机在ATM适配层与高层协议间加入局域网仿真功能，使ATM主机模拟传统局域网设备的行为，与局域网通信。

　　ATM LANE是专为LAN接入而设置的，意即ATM的局域网仿真（LAN Emulation）。对传统IP终端而言，ATM网络就像是一个局域网，其中包含若干由路由器连接起来的IP子网。

　　LANE 基于客户端/服务器模式（Client/Server），一个LANE服务器可对多个LANE 客户端。LANE支持多种协议（MPOA：Multi-Protocol over ATM）传送，允许不同的LANE之间的互联；LANE 充分支持LAN中的无连接特性；LANE支持单播、多播及广播传送； ATM局域网的优点：

　　信息实时传送，因为ATM的传输、交换时延较小，可以保证信息的实时传递；具有较强的网络处理能力，各种业务包括话音、数据、图像等均可以统一转换为ATM信