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ATM培训教材

\pnb0第一部分项目介绍

\pnb0

\pnb0ATM研究部主要从事宽带网络和宽带交换技术的研究开发，正在开发的产品有ATM接入交换机（2.5G）、ATM业务接入器和ATMLAN-SWITCH。

这些产品的开发成果，将为公司在数据通信领域的研究填补空白，向数据通信领域迈出坚实的一步。

在公用数据网及局域网的应用中，这些产品将大有可为。

\pnb0INTERNET迅速崛起，带宽的需求越来越大，骨干网络的压力也越来越大，ATM交换机的利用可以解决带宽的问题，同时为VOD等宽带多媒体业务筑起平台。

宽带网络的建设正在从无到有，从小到大，一步一步地发展，中国宽带网的规范正在制订，邮电部已经指出了发展宽带网的路标。

据称，2000年以前中国宽带网会初具规模。

\pnb0ATM研究部跟踪国际国内动态，研究市场需求，制订了技术先进、堪称一流的总体方案，完成这个方案，是一项极具挑战性的任务。

第二部分ATM基本概念、原理和技术

一、ATM技术的特点

异步转移模式（AsynchronousTransferMode,ATM）技术是一种全新的电信技术，是融合电路模式和分组模式的优点发展而成的。

所谓“转移模式”，CCITT是这样定义的，转移模式就是在电信网路中传输、复用和交换的诸方面。

而这里指的“异步”与通常所说的数据通信中的异步传输（如RS－232C）不同，它并非是传输码流的异步，而是指被分组的用户信息–––信元不必像TDM中的时隙那样周期性地出现而占据固定信道，也就是说信元是动态占用信道的。

ATM信元是ATM网络传送信息的基本载体，CCITT规定其长度为53字节，分成信头（Header）和净荷（Payload）两部分，信头为5字节，净荷为48字节。

依据其位置不同，在用户－网络接口（UserNetworkInterface，UNI）、网络节点接口（NetworkNodeInterface,NNI），信元格式略有区别，如图1.1。

两者不同之处主要在信头中，UNI信元信头中有4比特的一般流量控制段（GeneralFlowControl，GFC）用于用户一网络接口的流量控制，以防止信道过载。

UNI信头的虚通道标识（VirtualPathIdentifier,VPI）为8比特，虚通路

信头（Header）

GFC/VPI

VPI

（5字节）

VPI

VCI

信元净荷（Payload）

VCI

（48字节）

VCI

CLP

HEC

ATM信元格式UNI/NNI信元信头格式

GFC：

一般流量控制，4比特

PT：

净荷类型，3比特

VPI：

虚通道标识，8比特/12比特

CLP：

信元丢失优先级，1比特

VCI：

虚通路标识，16比特

HEC：

信头误码控制，8比特

图1.1ATM信元格式

标识（VirtualchannelIdentifier,VCI）为16比特，净荷类型（PayloadType,PT）为3比特，信元丢失优先级（CellLossPriority,CLP）为1比特，信头误码控制（HeaderErrorControl,HEC）为8比特，而NNI信头的VPI为12比特，其余与UNI信头相同。

ATM本质上是一种寻址型特殊分组转移模式，它将数字化话音、数据及图像等所有的数字信息分割成固定长度的数据块，在每个数据块前加上一个包含地址等控制信息的头（Header），从而构成一个信元（Cell），图1.2（a）是将

（a）异步转移模式（ATM）

（b）时分复用方式（TDM）

图1.2TDM与ATM的比较

待发送的信息分解成信元并进行多路复用的过程。

电路模式中的传统时分多路复用（TDM）技术，采用周期为125ms的帧结构，发送信息以字节或比特形式固定加入到每帧内的相应时隙，在连接建立后，不论有无发送信息，时隙必定属于该连接，而不能被其它连接占用。

图1.2（b）中所示发送信道加入每帧内的第3时隙，这种依据帧内的时隙位置识别通路的复用方式称为位置复用。

而ATM复用方式与分组复用方式有些类似，只要信道上存在的空位置就可将发送信息组成的信元加入信道，显然，信元的复用无周期性和固定位置。

由于它依靠信头内的通路标记进行信元的识别、传送和交换，因此称作标记复用或统计复用。

虽然X.25或以太网、令牌环等分组交换中也采用标记复用，但由于分组长度在上限范围内可变，因此每个分组在信道上的位置是任意的，而ATM信元的长度固定，使信元像TDM时隙一样定时出现。

因此，可以采用硬件电路高速地对信头进行识别、复分接和交换处理，由此可见，ATM复用技术融合了电路模式和分组模式的优点。

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FDD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。

所谓“虚连接”是指网络依据VPI/VCI对信元进行处理，当该用户没有信元发送时，其它用户可占用这个用户的带宽，但其相应的VP/VC连接依然保持。

ATM技术中最重要的特点是信元的复用、交换和传输过程，均在虚通路（VirtualChannel,VC）上进行。

虚通路是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（VirtualPath,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，将组合在一起构成虚通道，二者关系如图1.3。

ATM网络中不同用户的信元是在不同的VP、VC中传送，而不同的VP/VC利用各自的VP标识（VPI）和VC标识（VCI）来区分。

图1.3物理传媒和VP、VC的关系

ATM的连接分为虚通道连接和虚通路连接，如图1.4。

VP的交换设备（通常是交叉连接器和集中/分配器）仅对信元的VPI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

图1.4ATM连接的两种类型

VP/VC交换节点被处理，相同的VPI/VCI值在不同的VP/VC链路段并不代表同一个“虚连接”。

图1.5是由两个网络节点（NN1、NN2）和三个用户接入网（CPN1、CPN2及CPN3）组成的系统，从图中可以看出，CPN之间的连续经过网络节点NN交换时，VPI/VCI的值也被改变，例如，CPN1和CPN3之间的VP/VC连接在CPN1时为VP5/VC11，经过NN1变为VP3/VC7，再经过NN2变为VP1/VC9，显然，同一连接在不同链路的VPI/VCI是不同的。

图1.5ATM网络的选路概念

前面提到，ATM网络在通信时必须进行呼叫连接，那么如何建立和释放虚通路（VC）呢？

ATM网络有两个标准接口：

UNI和NNI。

在UNI处采用两种方法：

①信令方式，这种方式利用UNI信令（如ITU－T的Q.2931）自动完成VC连接的建立、释放以及VCI的分配，具体过程包括（a）利用元信令（Meta-Sig-nalling）建立/释放一个用户用户信令的VC，而元信令的VPI/VCI和带宽都是预先给定的；（b）利用用户信令建立/释放一个用于用户通信的VC。

②预订方式，这种方式通过网络管理设备设定所需的通信VC（分配VPI/VCI和带宽）。

在NNI处建立/释放VC也是这两种方法，但其信令方式采用NNI信令（No.7信令）。

根据VC的建立/释放方法，可将其分成两种：

交换虚通路（SwitchedVirtualChannel,SVC）和永久虚通路（PermanentVirtualChannel,PVC）。

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，如元信令VC必为PVC，某些要求租求固定信道带宽的用户可也设定为PVC。

使用PVC的用户每次通信时无需呼呼叫请求，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（PointtoPoint）的连接方式。

多个用户之间需要通信时，采用点对多点（PointtoMultipoint）连接方式，如图1.6。

点对点

点对多点

图1.6点对点方式与点对多点方式比较

为了实现点对多点方式，ATM交换机应具有广播（Broadcast）和同播（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；同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。

二、ATM分层结构

1、B－ISDN参考模型

（1）B-ISDN用户－网络接口（UNI）物理配置模型

B－ISDNUNI的物理配置与N－ISDN的极其相似，如图2.1。

B－ISDN分成公用网和专用网两部分，ATM网络的端点通过一个接口边到公用ATM交换机上，这个接口称作用户－网络接口（UNI），ATM论坛又把UNI分为公用UNI和专用UNI两种，UB、TB是公用UNI的参考点，而SB、R是专用UNI的参考点。

图2.1B－ISDN用户－网络接口物理配置模型

UB是公用网和带宽用户终端B－NT1之间的接口，目前，ITU－T对此接口的速率传媒等特性尚无具体规定，在各厂商（如AT&T、富士通等）的设备中，通常采用SDH的155Mbit/sSTM－1和622Mbits/sSTM－4作为物理传输系统接口标准。

TB接口和UB一样，也是公用UNI，ITU－T将它定义为B－NT1和B－NT2之间的接口标准，目前规定了五种标准接口速率：

1.544Mbit/s、2.048Mbit/s、51.84Mbit/s、155Mbit/s和622Mbit/s，可采用SDH、PDH传输系统或纯信元形式的传输系统。

SB接口属于专用网UNI，是B－NT2和B－NT1或宽带适配器之间的接口，经常用于局域网及单位内部网的UNI。

例如，为方便局域网的连接，ATM论坛规定了多种基于现有局域网物理传输系统的接口标准，如25Mbit/s、51Mbit/s、100Mbit/s以及155Mbit/s接口，传输线路可以是非屏蔽双绞线（UTP）、屏蔽双绞线（STP）、同轴电缆或光纤。

R接口，属于专用UNI，与前三种接口不同之处在于：

UB、TB和SB接口的用户信息是信元形式，而R接口都是非信元形式的终端业务。

R接口标准根据接入的终端种类确定，例如，当接入E1业务时，R接口遵循G.703建议，接入Ethernet时，遵循IEEE802.3建议。

公用UNI与专用UNI的区别如下：

①公用UNI是指公用ATM网络与用户终端设备的接口，另外，专用网交换机和公用网间的接口也是公用UNI接口，专用UNI则是指专用ATM网络与用户终端设备的接口。

②链路类型不同，在专用UNI中，某些链路只能在很短的距离内工作（例如100m以内），显然，这种链路不能用于公用UNI中。

③地址格式不同，公用ATM网使用ITU－T的E.164地址方式，而专用ATM网则可使用E.164或OSI的DCC和ICD地址方式。

④公用UNI由ITU－T规定，而专用UNI由ATM论坛规定。

显然，两种UNI之间的区别主要是使用的原因，但是，UNI公用网一侧要比专用网一侧遵循更严格的，必须确保专用设备的失效不会引起公用网的失效。

（2）B－ISDN协议参考模型

为了简单明了地描述ATM网络功能，ITU－T定义了B－ISDN协议参考模型（B－ISDNProtocolReferenceModel,B-ISDNPRM），如图2.2。

该模型分成三个不同的面：

用户面、管理面和控制面，三个功能层：

物理层、ATM层和ATM适配层。

用户需要的数据、话音和视频等应用及相关协议和业务，都包括在用户面；控制面包括与呼叫建立、维护以及撤消有关的功能，ATM的信令功能；管理负责与系统有关的网络管

理、维护功能、依据功能不同，又细分为层管理和面管理两部分，层管理主要用于各层内部的管理，面管理用于各个功能层之间管理信息的交互和管理。

2、ATM物理层技术

（1）物理层的位置和功能

物理层位于B－ISDN协议参考模型的最底层，主要负责将ATM层送来的逻辑比特或符号转换成相应物理传输媒介可传送的信号，并正确地收/发这些物理信号。

目前，ITU－T和ATM论坛主要针对UNI的物理层有比较详细的规定，下面讨论的物理层功能既适用于公用UNI又适用于专用UNI。

物理层划分为物理媒介相关子层（PMD）和传输会聚子层（TC）。

物理层的工作过程如下：

经物理媒介接口送来的信号在接收端的PMD子层通过同步比特恢复成连续比特流，送入TC子层，比特流利用传输帧恢复功能确定传输帧的结构，然后将传输帧的净荷提取出来（即传输帧适配）。

净荷是由信元组成的，通过信元定界机制保证信元同步，并判定其HEC有无错误，对正确信元进行速率去耦，丢弃发送时插入的空闲信元，将有效信元作解扰处理后送入ATM层。

（2）ATM物理层接口类型

ITU－T针对UNI的SB/TB参考点，规定了155.520Mbit/s和622.080Mbit/s两种接口速率，以SDH帧结构或纯信元形式传送。

采用不同物理媒介时传送距离和质量不尽相同，光纤（单模/多模）媒介的传送距离可达几公里到几十公里，同轴电缆可在100～200m内提供满意的传输，屏蔽双绞线（STP）最大传输距离达100m。

当采用622Mbit/s的接口时，通常用光纤传输，可使用对称方式或不对称方式（不对称方式是指网络至用户方向为622Mbit/s，用户至网络方面为155Mbit/s）。

表2.1中列出了目前已使用的物理传输系统接口标准。

表2.1ATMUNI接口种类

传输系统

接口

数据速率（Mbit/s）

信元吞吐量（Mbit/s）

传输媒介

使用范围

制定单位

成帧

SDH

STM-1

（STS-3c）

STM-4

（STS-12c）

155.520

622.080

149.76

599.04

单模光纤

（SM）

单模光纤

（SM）

广域网

（WAN）

广域网

（WAN）

ITU-T

结构

PDH

DS-1（T-1）

E-1

DS-3（T-3）

E-3

E-4

1.544

2.048

44.736

34.368

139.264

1.536

1.920

40.704

33.984

136.24

同轴电缆

WAN/LAN

WAN

ANSI

ETSI

ANSI

ETSI

注：

SM：

单模光纤STP：

屏蔽双绞线

MM：

多模光纤UTP－3：

第三类非屏蔽双绞线

由表2.1中可看出，这些传输中分成有帧结构和无帧结构两大类。

具有帧结构的传输系统主要包括PDH和SDH，它们采用时分复用技术（TDM），过去主要用于传输数字编码话音。

PDH/SDH系统主要在电信部门以及某些用于数据传送的广域网（WAN）中有广泛的应用。

在早期ATM应用中，现有业务和ATM业务可共享这些设备，另外，ATM中某些恒定比特率业务借助于PDH/SDH的125ms帧定时可获得本身所需的定时信息。

显然，早期ATM系统可建立在PDH传输系统上，而SDH系统会成为最终ATM系统的基本传输系统之一。

无帧结构传输系统，主要是指目前组成各种LAN或MAN，用于计算机数据业务传送的系统。

与SDH和PDH方式不同，这种接口不是将一组信元装入帧结构中进行传输，而是从起始信元开始逐个地传输，因此，不含任何与时钟有关的周期性帧定位信号（例如周期125ms帧定位信号）。

依据使用方式可分成两种：

用于LAN和用于WAN。

用于LAN的物理层接口包括：

①25.6Mbit/s接口。

②100Mbit/s接口，即FDDI物理媒介接口。

③155.520Mbit/s接口，即光纤通道（FibreChannel）接口。

④51Mbit/s接口，这种接口也是用于LAN。

⑤除了以上几种典型的LAN接口外，还有一类接口称为数据交换接口（DataExchangeInterface,DXI）。

这类接口也称为“RVX”接口，主要是指R系列、V系列和X系列接口，其中最常用的包括V.24（RS-232）、V.35、X.25、RS－422以及高速串行接口（HighSpeedSerialInterface,HSSI），在ATM早期应用中会采用这些传输系统资源，传送信元形式的信息。

采用以上几种接口，简化了TC子层的功能，省去了信元去耦以及传输帧码产生/恢复等功能，比较适用于专用UNI。

用于WAN的物理层纯信元接口包括：

155Mbit/s和622Mbit/s两种。

ITU－T正在着手制定其具体规范，目前尚无实用产品问世。

这两种接口虽然采用与SDH相同的线路速率，但由于直接采用信元形式传输，没有帧结构开销，提高了传输系统的利用率，降低了系统的成本，具有很大的发展前途。

3、ATM层技术

（1）ATM层的位置与功能

①ATM层所处的位置

为了清楚地了解ATM层在网络中的位置，用图2.3来表示出ATM网络的分层模型。

由图中可以看出，ATM层在网络中处于第二层，在物理层之上利用物理层提供的传输通道；在ATM适配层之下为AAL提供服务。

ATM本身并未区分用户面与控制面，对这个平面的信息的处理方式是一致的。

还可看出，不论是用户设备还是网络节点都具备ATM层功能，但这两处ATM层所处的相对位置有所区别。

用户设备中ATM层的上面同时具有用户面与控制面的AAL，而网络节点的ATM层上仅有控制面的信令适配SAAL。

CP：

控制面UP：

用户面

图2.3ATM网络分层模型

②ATM层的功能

用户设备与网络节点中ATM层的位置不同，所完成的功能有所区别，下面分别讨论。

对于用户设备，ATMN层来讲，它所完成的核心功能在于给ATM层适配所形成的信息帧加上信元头，从而形成能够在ATM网中传送的信元。

与此同时，通过分配与识别信元头中的VPI与VCI值完成信元的复接与分接功能。

网络节点中的ATM层所完成的核心功能在于信元头的变换，通过变换信元头实质上完成了VP交换与VC交换的功能。

4、ATM适配层技术

ATM适配层（ATMAdaptationLayer,AAL）位于ATM层和高层之间，它在ATM网络中的地位十分重要。

ATM网络要满足宽带业务的需求，使业务种类与信息转移方式、通信速率与通信网设备无关，保证网络传输的透明性和灵活恬，就要通过AAL完成适配功能，将用户业务与ATM层隔离，将不同特性的业务转化为相同格式的信元，实现真正的ATM功能。

由此可见，AAL层是为ATM网络适应不同类型业务的特殊需要而设定的，不仅支持用户面的高层功能，还支持控制面（信令）和管理面（OAM）的高层功能，以及ATM网络与非ATM网络（64kbit/sISDN、CATV、LAN及电话网等）的互通。

全面分析各类业务的特性，可以发现通过下面三个基本参数：

基于源端和终端的定时关系、比特率、链接模式，就可对用户业务提供分类，不同的用户业务通过不同的AAL业务接入点（ServiceAccessPointSAP）进入AAL。

ITU－T将AAL业务分成四类，如表2.2所示。

A类业务是在源端和终端存在定时关系、恒定比特率且面向连接的，量典型的例子是经由ATM传送的DS－1/E-1话音业务，有时将这种通过ATM网络提供的业务称为线路仿真（CircuitEmulation）业务；此外还有未经压缩的视频信息。

B类业务也是在源端和终端具有定时关系且面向连接但其为可变比行变，例如采用压缩算法的视听业务。

C类业务没有定时关系、比特率可变且面向连接，例如帧中继和TCP/IP业务。

D类业务与C类业务相似但它是无连接的，如高速（多兆位）数据交换业务（SwitchedMultimegabitDataService,SMDS）。

表2.2AAL业务分类

A类

B类

C类

D类

源与终端的

定时关系

需要

不需要

比特率

恒定

可变

连接模式

面向连接

无连接

AAL功能在逻辑上可分成两个子层：

分段和重组子层（SegmentationandReassembly,SAR）及会聚子层（ConvergenceSublayer,CS），如图2.4。

图2.4AAL分层结构

为了适配四类（A、B、C、D）用户业务，ITU－T定义了四类ATM适配功能

①第一类AAL：

用于适配A类业务。

AAL1的功能包括用户信息的分段和重组，丢失和误插信元的处理，信息到达延迟时间的处理，以及在接收端恢复源端时钟频率。

②第二类AAL：

用于适配B类业务，支持源端和终端具有定时关系可变比特率视听业务，AAL2的功能与AAL1相似。

③第三/四类AAL：

用于适配C/D两类业务，支持面向连接和无连接的数据业务和信令。

此类AAL由AAL3/AAL4合并，具有可变长度用户数据的分段和重组及误码处理等功能。

④第五类AAL：

主要用于适配面向连接、可变比特率的C类业务及ATM信令，类似于简化的AAL3/4。

三、ATM交换技术

1、ATM交换的基本原理

现代通信网中广泛使用的交换方式有两种：

电路交换方式和分组交换方式。

电路交换方式包括传统电路交换、多速率电路交换、快速电路交换等，分组交换方式包括帧交换、帧中继、快速分组交换等，如图3.1。

在综合业务环境下，不同业务对网络的要求不同，例如话音和数据业务对网络的要求在下述两个方面是不同的。

首先，话音业务要求端－端时延必须在允许的一定范围内（通常<50ms），而数据业务则可以容忍一定的时延，且对时延变化不如话音那么敏感；其次，话音业务的冗余量大，错几个比特，对话音质量不会有多大影响，但是数据业务则要求误码率极小。

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