ATM基本原理.docx
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ATM基本原理
目录
第一章概述5
1.1传统交换的局限及ATM技术的引入5
1.1.1BISDN对转移模式的要求5
1.1.2电路交换和分组交换的区别6
1.1.3电路交换与分组交换的特点7
1.1.4对电路交换与分组交换的改进8
1.2ATM技术的基本概念及特点8
1.2.1ATM信元结构9
1.2.2ATM的特点9
1.2.3ATM的连接方式11
1.3ATM网络12
1.3.1ATM网络结构12
1.3.2ATM网络接口13
1.4ATM的发展趋势13
第二章ATM交换技术16
2.1ATM交换16
2.1.1ATM交换机的结构16
2.1.2ATM交换机的功能17
2.2ATM交换结构18
2.2.1时分交换结构18
2.2.2空分交换结构21
2.3ATM交换机23
2.3.1ATM交换机的分类23
2.3.2ATM交换机的功能模块25
2.3.3ATM交换机的性能参数26
第三章ATM传输28
3.1ATM的分层结构28
BISDN参考配置与协议参考模型28
3.1.1物理层30
3.1.2ATM层31
3.1.3ATM适配层32
3.2ATM信令技术34
3.2.1ATM信令的功能、结构和现状34
3.2.2信令消息的结构与传送37
3.3ATM网络维护38
3.3.1ATM网络运行维护管理（OAM）38
3.3.2ATM网络的拥塞管理40
第四章ATM业务及性能45
4.1ATM提供的业务种类45
4.1.1从网络的角度进行分类45
4.1.2从媒体角度进行分类46
4.1.3从具体的业务形式和应用上进行分类46
4.2ATM的业务性能47
4.2.1宽带业务特性47
4.2.2ATM网中的多种媒体48
4.3ATM在计算机网上的应用51
4.3.1ATM局域网51
4.3.2ATM局域网仿真51
4.3.3IPoverATM52
4.3.4ATM支持多协议MPOA53
4.3.5虚拟局域网技术54
第三章IMA协议56
3.10.1IMA的目标和目的56
3.10.2ATM反向复用（IMA）协议57
3.10.2.1IMA的层参考模型58
3.10.2.2IMA协议基本定义59
（1）IMAOAM信元定义60
（2）IMA帧定义64
3.1IMA概述64
3.2初步实现方案66
第一部分ATM技术
第一章概述
1.1传统交换的局限及ATM技术的引入
1.1.1BISDN对转移模式的要求
所谓“转移模式”，ITU-T是这样定义的，转移模式就是在电信网路中信息传输、复用和交换的方式。
BISDN对转移模式有以下几方面的要求：
1、要能够提供高速传输业务的能力
宽带业务的出现，要求宽带网络中的复用、交换设备具有每秒上千兆比特到几十千兆比特的吞吐能力，以往的电路交换和分组交换设备都达不到这个容量，因此就要寻求一种适于BISDN网的转移模式，使BISDN的网络设备能达到要求的吞吐能力。
2、对信息的损伤要小
这包括两个方面，一是要具有时间透明性，即信息传送的时延和时延抖动要小；二是要具有语义透明性，即传送所引起的信息丢失和差错要小。
3、能灵活地支持各种业务
这要求在一个交换机内能对多种业务进行交换。
不同业务的带宽可以从每秒几千比特到每秒几十兆比特，对时延等业务质量的要求也不同，信源的突发性等特性差别也很大，并且新的业务还不断出现，这些都要求BISDN的转移模式要具有很大的灵活性，不仅能支持现有的多种业务，而且应能适应业务发展的需要，支持将来可能出现的业务。
支持各种业务表现在对业务的传输、交换损伤都要满足业务本身的要求，即对业务应具有时间透明性和语义透明性，并且对各种业务都应有较理想的网络资源利用率。
4、要具有可行性
高速信息传送能力意味着网络设备要具有高速处理能力，电子技术和工艺的发展，使芯片的处理能力大大加强，但选择一种合理的转移模式能从根本上简化信息处理过程，从而简化设备和网络的结构及网络管理。
为了满足这些要求，各国的通信工程师们进行了几十年的探索，回顾这一段历程，将有助于我们了解：
为什么异步转移模式最终成为BISDN的核心技术。
图1-1转移模式的发展
1.1.2电路交换和分组交换的区别
图1-1所示为几种转移模式的发展演变过程。
最基本的两类交换模式是面向连接的电路交换和无连接的分组交换，这两类交换技术的主要区别体现在以下几方面：
1.在交换形式上，电路交换采用固定时隙分配，即每个连接占用具有相同比特数的时隙，也就是说，电路交换在根本上只能支持单一速率（如64kbit/s）的交换，这显然不能适应多种业务的要求。
无连接的分组交换则利用包交换的形式，将用户信息封装在分组中进行交换，每个分组有一个分组头，分组头用于路由选择、差错控制和流量控制等功能，各个分组的长度和间隔时间都可改变，因此分组交换可以支持多种速率的交换。
2.在信令上，面向连接的电路交换有一套严格的信令系统，信令负责连接的建立、拆除和管理，信令和用户信息可以走不同的信道。
而无连接的分组交换则没有这些与连接有关的信令系统，由每个分组的分组头完成与信令系统类似的功能。
3.在路由选择上，电路交换中各连接的路由是在连接建立时由复杂的选路算法在整个网络中选择的，信令系统在路由经过的各个网络设备内填写路由表以标识交换信息，一个连接的所有信息都经过相同的路由。
无连接的分组交换中，路由信息由各个分组头携带，交换设备查看到来的每个分组头中的地址信息，并根据当时的网络状态选择一条路由，将分组发到下一级网络设备中，因此同一业务的不同分组在网络中经过的路径不同。
4.在网络资源分配上，电路交换中网络资源可由信令系统在连接建立时分配，分配给一个连接的网络资源不能被别的连接占用，只在连接拆除时才释放网络资源。
无连接的分组交换中，分组只在发送时才占用网络资源，网络资源可由各个业务共享。
1.1.3电路交换与分组交换的特点
根据前面介绍的BISDN对转移模式的要求，结合以上几点，可以得知电路交换和分组交换各有特点。
1.在信息的损伤方面，电路交换具有较好的时间透明性，因为连接建立后，各连接各自占用了一定的网络资源，在通过网络时无需竞争和排队，因此时延较小。
另外，因同一连接的信息经过相同的路由，所以时延抖动也小。
2.在语义透明性方面，分组交换由于在分组头中携带了差错控制信息，具有一定的检错和纠错能力，从而有较好的语义透明性。
3.在支持多种业务这点上，分组交换有更大的灵活性，它可以实现多速率交换，并允许多种业务共享网络资源。
4.在交换速率方面，电路交换中的处理工作主要在连接建立和拆除过程中，所以它可以达到高速率的交换；而在分组交换中，由于每个分组都要进行分组头的处理，包括对各分组的路由选择、差错控制等，在网络忙时，各分组在发送前还需要排队等待空闲的网络资源，因此分组交换的交换速率受到了限制。
5.在设备的复杂性方面，分组交换需要一套复杂的队列管理机制，而电路交换则需要复杂的路由选择算法。
可以看出，电路交换和分组交换都不适合BISDN，人们分别从这两种基本模式出发，进行了许多改进工作（见图1-1）。
1.1.4对电路交换与分组交换的改进
为克服电路交换只支持单一速率这一缺点，提出了多速率电路交换，它的基本思想是使用多个重叠的交换器，每个交换器完成特定速率交换。
显然，这种结构缺乏灵活性，基本交换速率种类及各种交换器的数目确定之后，交换机能接纳的业务种类及各种业务的连接数也就确定了，因此，这种方式在一定意义上比纯电路交换更缺乏灵活性，而且网络资源的利用率也更低。
为了解决电路交换资源利用率低、不适合突发性信源这一问题，人们又提出了快速电路交换这一概念。
快速电路这一名词源于一种快速信令。
快速电路交换具有了分组交换的意义，网络资源的分配也是在有信息要发送时才进行。
连接建立时，信令系统记录这一连接所需的带宽和交换路由，当信源有信息要发送时，必须先通知信令系统，由快速信令立即为其分配资源，这就如同一种面向连接的分组交换。
问题是当网络一时资源紧张时，就会引起信息丢失，而且控制过程也非常复杂。
分组交换需要解决的首要问题是提高速率。
分组交换的低速率主要是由复杂的协议处理导致的，特别是需要在各段链路上进行差错控制和流量控制，考虑到利用光纤传输，链路的误码率很低，网络的差错控制已不再像以前那么重要了，于是提出了帧中继，使分组交换的速率大大提高。
另外，不确定的帧长使缓冲队列的管理相当复杂，这也影响了交换速率。
1987年ITU-T将异步转移模式（ATM）选为BISDN中的转移模式。
ATM的突出特点是可以灵活地支持现有的和将来可能出现的各种业务，能达到很高的网络资源利用率，支持高速交换。
1.2ATM技术的基本概念及特点
ATM是一种基于信元的交换和复用技术，ATM传送信息的基本载体是ATM信元，ATM信元和分组交换中的分组类似，但又有自己的特点。
ATM信元是定长的，而且信元的长度较小，只有53字节，分为信头和净荷两部分，信头为5字节，净荷为48字节。
图1-2ATM信元格式
1.2.1ATM信元结构
信头内容在用户-网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）中略有差别（图1-2），主要由以下几部分构成。
VPI：
虚通道标识，NNI中为12比特，UNI中为8比特。
VCI：
虚通路标识，16比特，标识虚通道中的虚通路。
HEC：
信头差错控制，8比特，检测出有错误的信头，可纠正信头中1比特的差错。
HEC的另一个作用是进行信元定界，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。
由于在不同的链路中VPI/VCI的值不同，所以在每一段链路都要重新计算HEC。
PT：
净荷类型，3比特。
比特3为0表示为数据信元，为1表示为OAM信元。
对OAM信元，后两比特表明了OAM信元的类型。
对数据信元，比特2用于前向拥塞指示（EFCI），当经过某一节点出现拥塞时，就将这一比特置位；比特1用于AAL5。
CLP：
信元丢失优先级，1比特，用于拥塞控制。
GFC：
一般流量控制，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。
1.2.2ATM的特点
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。
图1-3ATM复用
ATM的目标，即ATM的最大特点，就是对任何形式的业务分布都能达到最佳的网络资源利用率。
要达到这一目标就要对网络资源进行统计复用。
所谓统计复用就是根据各种业务的统计特性，在保证业务质量要求的前提下，在各业务间动态地分配网络资源，以达到最佳的资源利用率。
如图1-3所示，用户D、C、A的数据按到达的先后顺序排列到输出线路上，而用户B因为此时没有数据，故不占用输出线路的带宽资源。
信元形式的ATM网络和分组形式的传统数据网络的本质区别之一就是ATM网络采用面向连接的呼叫接续方式。
传统数据网络如以太网、令牌环和FDDI采用无连接操作方式，这些网络假设目的端点可用并可接收信息，每个端点必须检查每一个分组的路由标记以此确定是否接收该分组。
ATM网络的操作类似于电话呼叫接续过程，在通信前必须在源和目的端之间建立连接，这个连接是一个“虚连接”，网络根据用户的要求（如峰值比特率、平均比特率、信元丢失率、信元时延和信元时延变化等指标），分配VPI/VCI和相应的带宽，并在交换机中设置相应的路由。
ATM技术中最重要的特点就是信元的复用、交换和传输过程，均在虚通路（VC）上进行。
虚通路由VCI标识，它是ATM网络链路端点之间的一种逻辑联系，是在两个或多点端点之间传送ATM信元的通信通路，可用于用户到用户、用户到网络、网络到网络的信息转移。
虚通道（VP）是在给定参考点上具有同一虚通道标识符的一组虚通路。
虚通路在传输过程中，组合在一起构成虚通道，二者关系如图1-4所示。
因此ATM网络中不同用户的信元是在不同的VP、VC中传送的，而不同的VP/VC则是利用各自的VP标识（VPI）和VC标识（VCI）进行区分。
图1-4VC、VP和物理传输通道的关系
VP交换设备（通常是交叉连接器和集中／分配器）仅对信元的VP进行处理和变换，功能较为简单，VC交换设备（ATM交换机、复接／分接器）则要同时对VPI、VCI进行处理和变换，功能较为复杂。
VPI和VCI只有局部意义，每个VPI/VCI在相应的VP/VC交换节点被处理，相同的VPI/VCI值在不同VP/VC链路段并不代表同一个“虚连接”。
1.2.3ATM的连接方式
通过VC建立连接有两种方式：
交换虚通路（SVC）连接和永久虚通路（PVC）连接。
SVC是用户需要通信时，通过终端设备由信令建立的虚通路。
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。
使用SVC的用户对网络资源的利用率高，通信费用较低，是ATM网络中使用的主要通信方式。
PVC是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，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。
PVC通常用于一些特殊的用户，如信令信元的VC必为PVC，某些要求租用固定信道带宽的用户也可设定为PVC。
使用PVC的用户每次通信时无需呼叫请求，操作简便，通信质量好，但其通信费用很高，且不能充分发挥ATM网络的优势，因此，应用范围较小。
ATM中用户间有两种连接方式：
点对点和点对多点。
当两个用户进行通信时，ATM网络采用点对点的连接方式。
多个用户之间需要通信时，采用点对多点连接方式，例如通过ATM网络进行电视节目的传送、多方电视会议等业务。
显然，多个用户通信时，点对多点方式较点对点方式节约了网络资源。
为了实现点对多点方式，ATM交换机应具有广播（Broadcast）和组播（Multicast）功能。
广播是指一个用户对网络中所有用户进行信息传送的通信功能，这种方式通常是单向的，适用于电视、广播节目的传送；组播是指一个用户对网络中部分用户有选择地进行信元传递的通信功能，这种方式适用于多方交互业务，如多方电视会议等。
1.3ATM网络
1.3.1ATM网络结构
由于ATM技术是BISDN的核心技术，所以人们也把BISDN网称为ATM网。
ATM网络概念性结构如图1-5所示，分为三部分：
公用ATM网、专用ATM网和ATM接入网。
图1-5ATM网络结构及接口
公用ATM网络属于电信公用网，它由电信部门建立、管理和经营，可以联接各种专用ATM网和ATM用户终端，作为骨干网络使用。
专用ATM网是指一个单位或部门范围内的ATM网，通常用于一幢大厦或校园范围内。
接入ATM网也是宽带综合业务数字网中一个非常重要的部分，主要指在各种接入网中使用ATM技术传送ATM信元，如基于ATM的无源光纤网络（PON）、混合光纤同轴（HFC）、非对称数字环路（ADSL）以及利用ATM技术的无线接入技术等。
因接入网部分不属本书讨论范畴，故不赘述。
1.3.2ATM网络接口
ATM网络的主要接口如图1-5所示：
1、UNI（用户-网络接口）
UNI为ATM网中的用户网络接口，它是用户设备与网络之间的接口，直接面向用户。
按其所在位置不同又可分为公用网UNI和专用网UNI（P-UNI），PUNI不必象公网接口考虑严格的一致性，因而PUNI接口形式更多、更灵活。
2、NNI（网络节点接口）
一般为两个交换机之间的接口，同样也分为公网NNI（图中简记为NNI）和专用网NNI（PNNI）。
公网NNI和PNNI的差别很大，如公网NNI的信令为No.7信令体系的宽带ISDN用户部分（BISUP），而PNNI则完全基于UNI接口，仍采用UNI信令结构。
3、BICI（宽带网间接口）
BICI定义为两个公用ATM网之间的接口，侧重于属于不同的运营者的两个ATM网之间的接口，其定义基于NNI接口。
它的特点是支持不同网络间的多种业务传送，包括基于信元的PVC方式业务、PVC方式的帧中继业务、电路仿真业务、SMDS以及SVC业务等。
目前ATM论坛已经给出了BICI2.0规范。
4、DXI（数据交换接口）
DXI定义在数据终端设备DTE和数据连接设备DCE之间。
DCE完成了不符合ATM标准的数据终端到ATM适配过程，相当于终端适配器。
5、FUNI（基于帧的UNI）
FUNI的意义与DXI相似，FUNI将DCE的部分功能完全移入了交换机内部，所以与基于信元的DXI相比，FUNI在接入线上有更高的效率。
1.4ATM的发展趋势
1987年ITU-T将ATM选为B-ISDN中的转移模式，在此后5年时间里，主要是在学术界开展研究工作。
1991年，由美国的4家公司成立了ATM论坛（ATMForum）。
目前参加这一组织的计算机厂家和通信厂家已达760多家。
由于计算机厂家的涉足，使得近几年来ATM技术发展得非常迅速。
有关ATM标准化工作即将完成，ATM产品（包括ATM专用芯片、ATM交换设备、ATM用户接入设备）不断涌入市场，一些ATM试验网已开始运行。
在ATM技术标准化方面，主要有ITU-T第13研究组制定的I系列标准。
由于ATM技术涉及到电信技术的许多方面，因此ITU-T的其它几个研究组也制定了相关的标准，如第1研究组的F系列（主要为ATM网中宽带业务）、第2研究组的E系列（涉及B-ISDN的业务量特性和控制等）、第11研究组的Q系列（主要涉及信令）和第15研究组的G系列（SDH技术）。
另外，ATM论坛制定了用户终端设备与交换机互连的UNI3.0、UNI3.1和UNI4.0标准等。
此外，ATM论坛正与IETF合作制定有关ATM网传输IP业务的标准，与帧中继论坛合作制定ATM与帧中继互操作的标准，与ISO合作制定ATM网传输MPEG业务的标准。
目前，除了上述几个方面合作制定的标准及ATM拥塞控制、ATM局域网仿真的标准尚未完成外，其它有关ATM技术的标准都已基本完成。
下一代的通信网络是基于ATM的宽带综合业务数字网，这种观点已得到许多专家和技术人员的认同。
日本专家提出的发展规划是：
1990～1992年建立专用ATM网络；1993～1995年实现用户局部区域、大城市区域及中继区域的ATM交换与传输；1995～2000年实现NISDN到BISDN的过渡；2000年以后，实现以ATM为基础的全部BISDN。
为了保证规划的执行，他们又将规划分为几个不同的阶段，在各个阶段完成不同的重点任务。
作为90年代初的第一个阶段，重点是向用户显示ATM技术的优点，在90年代中期的第二个阶段，是提供综合用户网路的接入，即提供一种到用户住宅的综合光纤接口。
法国是最早进行宽带技术研究和开发的国家之一，它对ATM技术的研究有两个特点：
（1）优先开发用户接口处的ATM设备；
（2）采用投资导向型。
法国早期的宽带业务是面向广大居民用户，业务重点是为他们提供娱乐型视频节目。
美国也是较早开始研究ATM的国家之一，各大公司都先后推出了自己的ATM产品。
美国的ATM研究和开发属于市场导向型，它早期的重点服务对象是大商业用户，早期重点发展的业务是商用高速数据通信。
在本世纪后十年，美国发展宽带网络的进程分为两个阶段，1995年以前宽带业务收入所占比重很小，而1995年以后增长较快，到2000年时宽带业务收入所占比例将为世界首位。
ATM并非马上就会普及，目前，传统型网络与ATM将共存。
在此期间，重要的一点是既要保护用户的投资，又能以最经济的方式实现向下一代技术的转移，并达到较高性能。
因此ATM与传统网络的互连/集成是一项无法回避的工作。
随着PC机和网络技术的迅猛发展，用户对网络传输的要求也越来越高，其中较突出的一点是用户要求把高速传输技术引入到桌面系统，并能支持多媒体应用。
随着ATM网络的完善，将来的PC机只要插上一个ATMDriver就可以连到全世界。
另外，ATM网络安全的研究也处于刚刚起步的阶段，距离最终的、以基于公开密钥的资格认证机制为基础的ATM安全基础设施的长远目标还有相当大的差距。
ATM正在取得成功，这在很大程度上要归功于ATM论坛、IETF和ITU等组织的努力。
而ATM论坛由1991年的4个成员厂商发展到现在的760多个成员厂商，足以说明人们对ATM兴趣的增长。
由于巨大的需求推动，随着技术上的完善和工业上的成熟，ATM将是下一世纪的网络主宰。
我国发展ATM网络可以分以下几个阶段。
首先在建设需要高速度、高带宽的专用网中使用ATM技术，例如具有多媒体业务的LAN、校园网和大企业网以及智能化大厦网络中都可将ATM网络作为优选方案，另外，在现有各种网络互连中，也可使用ATM网络代替由大量传统集线器（HUB）、网桥（Bridge）和路由器（Router）组成的网络，简单、方便、高效地实现异种网络的互连和互通。
其次，在建设大型公用网和电信骨干网时，使用ATM网络。
通常，这种ATM网络以同步数字系列（SDH）光纤传输系统作为传输媒介，而我国己开始大力发展SDH系统，为ATM网络的发展提供了坚实的基础。
最后，将ATM技术用于各种网络，实现通信网络的全面宽带化、综合化，成为真正的BISDN。
第二章ATM交换技术
2.1ATM交换
各类业务在经适配进入ATM网后，便由ATM交换机或交叉连接设备提供交换和中继功能，从而到达目的地。
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表，将该信元转发到相应的输出端口，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。
ATM交叉连接设备与ATM交换机唯一的区别在于，ATM交换机由控制面控制，ATM交叉连接设备由管理面控制（“面”的概念见第三章）。
图2-1所示为N个输入端口、N个输出端口（N×N）的ATM交换机的原理框图。
图2-1ATM交换机原理框图
2.1.1ATM交换机的结构
IM为输入模块，OM为输出模块。
这两个模块主要完成ATM交换机在物理层上的功能：
HEC信元定界、扰码／解扰、传输帧的生成／恢复／适配、比特定时恢复及与媒介相关的功能。
此外输入模块还有另外两个功能：
☞VPI/VCI的转换。
☞根据建立连接时协商的参数，对业务流进行监控，对违约的信元进行适当处理，如丢弃信元或改变信元的CLP值。
控制模块主要完成BISDN协议参考模型中控制平面的功能，包括呼叫／连接的建立与拆除、VP/VC的管理与分配、带宽资源的管理与分配等。
交换结构是真正交换信元的地方，它是整个交换机的心脏，也是限制交换机吞吐量的瓶颈。
2.1.2ATM交换机的功能
ATM交换机实质上是一个能将输入端口中的信元，按照其路由标记送到它所要求的输出端口的功能块。
因此，ATM交换机最主要的功能是路由功能。
实际工作时有可能会出现几个输入端口的信元同时希望到同一输出端口的情况，这种情况称为输出端口竞争。
有时这种竞争的情况，还会发生在交换结构的内部，称为内部阻塞。
为了避免“阻塞”时引起信元丢失，交换单元中应提供一系列缓冲区，供同时到达的信元排队用，这个队列造成了信元在交换单元内的时延，这个
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