2.3 ATM

2.3.1 ATM概述

异步转换模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）是一项为支持宽带综合业务数字网（B-ISDN）而专门开发的技术，无论是硬件设备，还是网络与协议的分层结构，以及路由、信令协议等，与以太网、互联网都不一样。

ATM具有很多优点，如可提供高效、高质量的传送，端口速率高、时延小，支持多速率信号，具有统计复用功能等，所以它获得了较广泛的应用。

1.关于面向非连接与面向连接的通信

以前所讲的数据通信如以太网和互联网通信，都是面向非连接的通信，即通信双方之间并没有固定的连接链路，数据报文在传送过程中每经过一个结点都要对报文进行分析，经分析后若目的地址是本结点就把报文下载，若不是则向下游转发。这样会导致报文的传送速度缓慢、网络效率较低；报文可能会经过不同的路径到达接收端，不一定按顺序到达，所以传送质量难以保证。

ATM则是属于面向连接的通信，它在通信建立时就规定好了数据的传送路径、所需要的带宽等，数据只要按照信令铺好的路径前进即可。这样做提高了网络的传送效率，数据报文的传送会通过同一个传送路径到达接收端，而且按顺序到达，所以其传送质量容易得到保证。

2.关于电路交换与分组交换

传统的电路交换是面向连接的，它基本上只支持单一速率的交换（如64kbps），不能支持多速率业务；连接路由是由复杂的选路算法在全网中选择的，一旦选定，该路由就被固定占用，别的呼叫不能使用，一直到所有的信息传送完毕才予以拆除，所以其带宽的利用率不高、网络资源不能共享；它也不具备对所传送信息进行校验与纠错的能力。所以电路交换不适用于数据通信。一般的分组交换则是面向非连接的，因把用户信息封装在分组中，分组长度与间隔都可以改变，所以它支持多种速率业务；其路由是根据网络状态查看分组目的地址而选定的，所以网络资源可以共享；它具备对所传送信息进行校验、纠错的能力。所有这一切使得它适合于数据通信。但缺点是速度慢、效率低、信息的传送有随机性时延，不太适合于TDM业务。

ATM则是一种特殊的分组传送技术，异步就意味着来自任一用户的信息流不必是周期性的；它是一种既基于定长分组（信元），又面向连接的交换技术。一方面它的一切操作是基于信元的，所以支持多速率信号业务，可以提供QoS功能，具备信息校验与纠错能力，网络资源可以共享等。另一方面它又是面向连接的，它采用路由、信令技术与标签交换技术在通信双方之间建立起固定的连接，从而可以提供高质量的通信，大大提高传送效率。

3.VP与VC

ATM是面向连接的，源端与目的端之间的连接一般要经过多个ATM结点机处理；而结点机之间的链路中会包括多种数据流，这些数据流的差别很大，如业务类型不同、源地址与目的地址不同等。

为了便于建立连接，ATM把结点之间的链路划分成许多个VP与VC，这样可以把用户业务分门别类，分别装载在不同的VP或VC中，建立连接时以VP或VC为单位进行交叉连接（交换）处理。

1）虚通道（VP）

ATM把结点机之间的整个传送通路（如622Mbps、2.5Gbps等）分成许多个小的分路（最多4096个），每个分路称为一个VP（Virtual Path），它是一个虚拟的传送通道。一般来讲，具有相同源地址与目的地址的业务（可以是多种业务）被归到同一个VP中传送。

2）虚通路（VC）

为了便于业务的传送，ATM又把虚通道VP再细分成更小的通路，即VC（Virtual Channel），它是一种更小的虚拟传送通路。

VC与VP是一种等级关系，即一个VP可以包括多个VC，最多可达65536个；如果说VP是传送通路中的大管道，那么VC就是大管道中的小管道。

VC与VP的关系如图2-4所示。

VC与VP的区别是，每个VC可能只承载一种业务，语音业务、某种数据业务，或图像业务等，而一个VP由于包括多个VC，所以可以承载多种业务。

4.VPI与VCI

既然ATM结点机是以VP与VC为单位进行交换，所以应该对其进行标识，即VPI与VCI。

1）虚通道标识（VPI）

VPI（Virtual Path Identifier）是标识某个具体VP的数字。

在一条通信线路上具有相同VPI的信元所占有的子通道叫做一个虚通道链路（VPL，VP Link），多个VPL通过ATM结点机串接起来就可以为用户提供一条ATM通信通路（传送路径），就像在电话网中通过电话交换机连接多段通信线路为用户提供语音通信一样。

2）虚通路标识（VCI）

VCI（Virtual ChenLnal Identifier）是标识某个具体VC的数字。与之类似，多个虚通路链路（VCL，VC Link）也可以通过ATM结点机串接起来为用户提供ATM通信通路。

从路由的角度看，VPI/VCI值就是ATM信元在网络中传送的路由地址，从连接源主机的ATM结点机开始，信元每经过一个ATM结点机，它的VPI/VCI值就要改变一次（有的只改变VPI），一直到连接目的主机的ATM结点机为止。所以一系列的VPI/VCI值就构成了ATM信元转送的路由地址。

5.VP交换与VC交换

ATM的交换（或交叉连接）方式分为VP交换与VC交换（或交叉连接）。所谓VP交换（或交叉连接），就是把信元从结点机某端口的某个VP交换到另一个端口的另一个VP中，在交换过程中只有信元的VPI值发生改变。而所谓VC交换（或交叉连接），就是把信元从结点机某端口的某个VC交换到另一个端口的另一个VC中，在交换过程中信元的VPI与VCI数值都会发生改变。

6.PVC与SVC

ATM在两个主机之间建立的连接分为PVC与SVC两种。永久虚连接（PVC，Permanent Virtual Connection）是由网络管理系统配置建立的连接，不管是否承载了业务，该连接一直保持，这种连接又称为交叉连接。交换虚连接（SVC，Switched Virtual Connection）是由用户发出请求，由路由与信令系统建立的临时性连接，当通信结束时，该连接立即被拆除，这种连接又称为交换连接。

2.3.2 ATM支持的业务类型

为了适用各种各种应用需求（主要是时延要求、速率是否可变、定时要求等），ATM可提供4种类型的业务，即CBR、VBR、UBR与ABR业务，它们可以用一些特性参数来规范，主要有：峰值信元速率PCR（Peak Cell Rate）、维持信元速率SCR（Sustainable Cell Rate）、最小信元速率MCR（Minimum Cell Rate）、最大突发长度MBS（Maximun Burst Size）、信元时延变化容限CDVT（Cell Delay Variation Tolerance）等。

1）CBR业务

恒定比特率业务（CBR，Constant Bit Rate）是指速率恒定、时延要求高、有定时要求、面向连接的业务应用如语音业务。

CBR业务采用静态带宽配置，即在整个通信过程中为CBR业务配置的带宽是不变的；而且其QoS的级别最高。源端用户可以在任意时刻、以任意长的时间用PCR范围内的流量来发送信元。

2）VBR业务

可变比特率业务（VBR，Variable Bit Rate）是指速率可变、有定时要求、面向连接的数据业务应用，但根据业务的实时性和对时延的要求还可以再分为实时的与非实时的VBR业务。

（1）VBR-rt业务。

实时的可变比特率业务VBR-rt（real time）是指实时性强、对时延和时延变化有严格限制又具有“突发性”的VBR业务，如视频业务等。VBR-rt业务的连接性能主要由PCR、SCR、MBS、CDVT等来描述。

（2）VBR-nrt业务。

非实时的可变比特率业务VBR-nrt（non-realtime）是指非实时的、对时延没有限制又具有“突发性”的VBR业务。VBR-nrt业务的连接性能主要由PCR、SCR、MBS等来描述。

3）UBR业务

未定比特率业务（UBR，Unspecified Bit Rate）是指非实时的、对时延与时延变化要求都不太严格的业务应用，如文件传送、E-mail等。UBR业务对服务质量不进行任何承诺，信元的丢失率与传输时延都没有任何保证。

4）ABR业务

可用比特率业务（ABR，Avaflable Bit Rate）是指非实时的、对时延和时延变化都没有限制、无定时要求的业务应用。ABR业务通过PCR与MCR来描述。上述4种业务的概括如表2-1所示。

2.3.3 ATM的分层结构

ATM的分层模型可以说是独成一体，它不同于目前流行的OSI与TCP/IP分层模型，而是从层上分为三个功能层，从面上分为三个功能平面。三个功能层为物理层、ATM层与适配层，三个功能平面为用户平面、控制平面与管理平面，但它们是交叉的，如图2-5所示。

1.ATM的三个功能层

1）物理层

物理层主要为ATM信元提供传送通路。它把ATM信元加上传输开销后形成连续比特流以便在物理介质中进行传送。ATM的物理层有SDH或PDH等，即ATM数据可以通过SDH或PDH进行传送，如ATM信元可以以异步方式映射到SDH的VC-4之中进行传送。

2）ATM层

ATM层主要完成信元的信头操作、信元的复用与解复用、流量控制等。所谓信头操作是指信头部分的产生与处理。因为ATM信头的主要部分是VPI与VCI，所以信头操作主要是对VPI与VCI的处理。所谓复用就是把具有不同VPI/VCI的信元复接在一起形成ATM数据流；而解复用则反之。因为ATM结点机是根据信元的VPI与VCI进行交换的（或交叉连接），可以说ATM结点机的基本功能主要集中在ATM层。

3）适配层（AAL）

适配层（AAL，ATM Adapt Layer）的主要作用是将高层传来的信息流分割成48字节的数据单元。由于从高层来的信息种类比较多，所以AAL层的处理也比较复杂，它又分成了两个子层，即会聚子层CS与拆装子层SAR。CS（Convergence Sublayer）子层主要负责数据的会聚，详细讨论从略。SAR（Segmentation And Reassembly）子层则主要负责数据的分段与组装，详细讨论从略。不同类型的业务需要进行不同的适配，由于ATM业务分为四类，所以AAL也相应地分为AAL1、AAL2、AAL3/4与AAL5，但并非一一对应。

2.ATM的三个功能平面

按平面ATM分为三个平面，即用户平面、控制平面与管理平面，但它们与功能层是交叉的。

1）用户平面

用户平面规程是位于AAL之上的高层规程，虽然AAL层能提供四种不同类型的业务，但这些业务一般不能直接被用户使用，需要由用户平面来进一步完成。用户平面主要提供用户信息流的传送，另外也有一些控制功能如流量控制、差错控制等。

2）控制平面

控制平面也是位于AAL之上的高层规程，它主要完成控制功能，如呼叫控制与连接控制，利用信令进行连接的建立、检测与拆除等。

3）管理平面

管理平面完成对物理层、ATM层、AAL及用户平面与控制平面的监测、控制与管理。

2.3.4 ATM的交叉连接与交换功能

ATM结点机的主要作用是对信元进行交换（或交叉连接），即根据输入端口信元的VPI/VCI值以及它本身在建立连接时产生的路由表，把信元交换到输出端口相应的VP、VC之中。此外还对信元的头部进行一些处理，如改变其VPI/VCI值、发生拥塞时改变其CLP值（CLP=1时）、重新计算HEC等，以保证产生新的信元头。

1）VP交换

所谓VP交换，就是根据输入信元的VPI值及路由表，把它交换到输出端口相应的VP之中。如前所述，具有相同VPI的信元所占有的子通道称为一个VP链路VPL，多个VPL通过ATM结点机的交换之后，串接起来就构成了一个VP连接VPC（VP Connectoin），即可为用户提供一条ATM通信通路，其中VPI值每经过一个ATM结点机就可能改变一次。

注意VPC与VPL的区别是，VPL提供相邻结点之间的连接；VPC则提供收、发之间的连接，它可能会包括多个VPL。

所以ATM交换的一个功能，就是根据路由表把一条ATM链路中具有特定VPI值的VP所承载的信元交换到另一条ATM链路中的VP中。例如根据路由表，可把与端口1相连接的链路A中VPI=1的VP所承载的信元交换到与端口3相连接的链路C中VPI=3的VP上，把链路A中VPI=3的VP所承载的信元交换到与端口2相连接的链路B中VPI=2的VP上，如图2-6所示。

2）VC交换

所谓VC交换，就是根据输入信元的VCI值及路由表，把它交换到输出端口相应的VC中。与之类似，具有相同VCI的信元所占有的子通路叫做一个虚通路链路VCI，多个VCI通过ATM结点机串接起来就构成了一个虚通路连接VCC（VC Connectnin）。所以也可为用户提供一条ATM通信通路，其中VCI值每经过一个ATM结点机就改变一次。

因此，ATM交换的另一个功能，就是根据路由表把一条ATM链路中具有特定VCI值的VC所承载的信元交换到另一条ATM链路中的VC中。一般的ATM交换应该同时具有对VP与VC的交换功能，但也有的只具有VP交换功能。经过多个结点机的交换（或交叉连接）之后，就可以在源端与目的端之间建立起VP连接或VC连接，利用该连接来传送用户业务，以实现ATM通信。

3）ATM的交叉连接与交换

如前所述，对VP或VC进行的连接，如果是由网络管理系统配置建立的永久连接PVC，则称为ATM结点机的交叉连接功能；如果是由路由与信令系统建立的动态连接SVC，则称为ATM结点机的交换功能。只具有交叉连接功能的结点机称为ATM交叉连接设备；既具有交叉连接功能而且又具有交换功能的结点机称为ATM交换设备。

2.3.5 ATM的VP保护

当某些VP承载的业务需要提供保护时（如承载的是CBR业务），ATM可对VP提供保护。ATM对VP保护是一种VP连接级别的保护方式，即当物理层发生故障或VP层的业务出现失效时，ATM可以对需要保护的VP连接提供保护。通常利用ATM结点机的交叉连接功能建立永久虚连接（PVC），来实现对VP连接的保护。因ATM业务的传送，是由多个具有不同VPI的VP、经多个ATM结点机连接而形成的虚通路连接（VPC）实现的，所以对需要保护的VPC可以通过网管系统预先设置一条源地址相同、目的地址相同、但传输路径不同的PVC（经过不同ATM结点）；当出现故障时，可在很短的时间内把故障VPC中的业务倒换到预先设置的保护PVC之中。ATM的保护倒换时间小于50ms。