ATM协议模型(异步传输模式)

ATM（Asynchronous Transfer Mode）协议参考模型

一．ATM概述

ATM 通信网又称为宽带综合业务数字网，是建立在ISDN（窄带综合业务数字网）的基础上的新型网络。

窄带ISDN用户-网络接口不灵活，其接口处速率不能高于PCM一次群的速率，限制了数据的传输；窄带ISDN的基础-综合数字电话网，其内部是基于64kbit/s的电路交换方式；对技术的适配性很差；窄带ISDN没有网络内部综合分组交换业务，不可能产生综合传输的经济效益。由此导致窄带ISDN只用于支持传统的话音和低速非话业务。基于不同传输要求的多媒体业务；更宽更高速率的通信业务要求，以及适应现代通信希望灵活有效的交换技术，业务独立的传输技术等要求，产生了新的交换方式，ATM诞生。同时当今各种技术的发展（光纤技术，半导体技术等）为ATM的产生奠定了坚实的基础。

二．ATM 的基本工作原理

ATM (Asynchronous Transfer Mode)是异步转移模式。“转移”是指信息在网络中传输和交换两个方面的工作方式。异步是指在接续和用户中带宽分配的方式．为某个特定用户的信息在信道并不一定周期性地出现。

ATM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，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。

ATM 采用异步时分复用方式。它也是将各类信息(包括用户信息)分组，在ATM 中将这分组称为信元，信元的长度是固定的。每个用户的信息也利用分组头(即信头)来区分，所以用户数据所占用的时间位置不再受到约束，可以不再周期性地出现，从这点看，它具有标记复用的特点。但因信元长度是固定的，而且如没有信息传送时，使用空闲信元来填充信道，这使得信道被分成等长的时间小段，从而具有电路转送方式的特点。

因为ATM 综合了电路交换的简单性和分组交换的灵活性等主要优点．使得ATM 能够对各种业务进行高吞吐量、低延迟和业务的独立传输}能支持现行业务和未来业务；可以按照需要动态地分配各个虚电路的带宽．能适应各种不同速率的业务。

2．1 ATM 的信元结构

ATM 信元是传输、交换和复用的基本单位，是ATM 的基本信息单元。ATM 信元格式有用户 网络接口(UNI)和网络一节点接口(NNI)两类信元。每类信元都有53个字节，其中1～5个字节是信头，其余48个字节为信息域。它们的格式如图所示

信元各部分的含义：

一般流量控制域(GFC：Generic FlowContro1)：它由4比特组成．它的主要功能是控制由用户终端至网络方向ATM 接续的业务流量。

虚通路标识符(VPI：Virtual PathIdentifier)：该域在用户一网络接口处由8比特组成，在网络一节点接口中由信头的前12个比特组成。VPI的主要功能是用于路由选择。

虚信道标识符(VcI：Virtual ChannelIdentifier)：VCI由16比特组成。用于虚信道路由选择。

信息类型指示符(PTI：Payload TypeIdentifier)：信息类型由3个比特组成，用来区分信元中信息域的信息类

信元丢弃优先级(CLP：Cell LossPriority)：它只有1个比特，用于表示信元丢失的等级。它可由用户或业务提供者设置。当CLP为I时．表示该信元具有较低的优先级别；CLP为0时．该信元的优先级别较高，如网络发生拥塞时，将首先把CLP为I的信元丢弃。

信头差错控符(HEC：Header ErrorContro1) 它占用信头的第5字节，主要功能是ATM信元信头差错的检测和纠正以及信元定界。

三． ATM协议参考模型

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。

3．1 ATM 的传输网络

因ATM 传输网络根据功能可分物理层传送功能可分虚通路VP和虚信道VC两个层次，即ATM的逻辑通道实际上存在五个层次：再生段、数字段、传输路径、虚通路VP和虚信道VC，所以OAM 操作是分层进行的。与这五个层次相对应的OAM 操作有F1～F5五级双向信息流。F1～F3信息流用于物理层，F4和F5分别用在ATM 层的虚通路和虚信道级别上

(1)再生段：在一条传输路径中间，因信号在传输过程中会产生失真和受到噪声干扰，所以每隔～ 段距离要接^再生中继器，将失真的信号进行整形和放大，使通信的距离可增加。将一段中间没有使用再生中继器的电信线路称为再生段。

（2）数字段：对由若干再生段之间用再生中继器连接构成的通信线路称为一个数字段，而一条传输线路是由若干数字段构成，一个数字段又由若干段再生段构成。它们之间的关系请看图

（3）VPI用以标识同一物理传输路径中的虚通路连接；

（4）VCI则用以标识VPI中不同的虚信道连接；

虚通路是网络管理或物理链路控制功能建立的半永久逻辑连接

3．2 物理层

物理层利用通信线路的比特流的传送功能，实现传送ATM 信元的功能。物理层又分为物理媒体子层和传输汇聚子层。

3.2.1. 物理媒体子层:物理媒体子层具有线路编码、同步、定时、传输(光电转换)等功能。

a)线路编码：ITU—T建议中规定使用电媒体时采用符号变换码CMI. CMI编码规则是：用线路编码00或11代表传输码1，用线路编码O1表示传输码0。对于传输码为1的线路码交替采用0。和11(所谓交替编码)。使用光媒体时可采用不归零码NRZ (Non Return Zero)，发光为二进制1，否则为二进制

b)比特定时：正常工作模式下，发送端时钟锁定在接口处收到的定时基准上。在基于信元的传输系统或是网络供给时钟出错时，时钟基准信息可由用户本地设备供给，称为独立时钟工作模式。

c)光电转换：在将来的宽带网络的主干网和接入网必然是以光纤传输系统为主，但是在用户网络接口处的S 和Ta参考点上所使用的不一定是光纤,当传输距离过大时，如果采用两种方式混合时必须在连接处经行光电转换。

3.2.2. 待输汇聚子层：

(1)HEC的产生和验证：HEC是信头差错控制信息，在发送端是将信头前4个字节形成多项式乘X ，然后除以生成多项式X。+X。+X+1，得到的余数与01010101模2加后的值就是HEC。在接收端，根据得到的HEC应先减去01010101后，才能进行检验工作，它可检测出多比特误码，纠正单比特误码。

纠错方式是接收端缺省工作模式，如果信头不发生错误一直处于该状态，一旦发生比特错误则转人多比特检错状态。此时错误如是单比特的，则将错误纠正；如错误是多比特的，则将错误信元丢失。

(2)信元定界：因在物理传输链路上传输的不是信元，是连续的比特流。信元定界就是从接收的比特流中确定各个信元的边界

信元定界中定义了三种不同的状态：搜索态、预同步态和同步态。接收器开始工作时处于搜索态，这时接收器对收到的

信号逐比特进行检查，搜索正确的HEC校

验。在发现了一个正确的HEC校验后，系

统进入预同步状态。在这种状态下，系统

认为已经发现了信元的边界，并按此边界

找到下一个信头的HEC校验，若能连续检

测到8个正确的HEC，则系统可进入同步

态。若在预同步态下，发现一个不正碲的

HEC，系统则返回到搜索态。在同步状态

下，系统逐信元进行HEC检验，当发现连

续a个错误的HEC检验结果时，系统认为丢

失了信元的边界，因此重新回到搜索态。

(3)传输帧的产生／恢复与适配：在发送端将信元流封装成适合传输系统要求的帧结构送到物理媒体子层，在接收端则将物理媒体子层送来的比特流(传输帧)恢复成信元流，并在信元流和传输帧转换时完成格式的适配。传输帧的产生／恢复与适配是和具体的传输媒体及相应的传输格式有关

① 基于信元ATM传输方式

② 基于SDH的ATM传输方式

(4)信元速率解耦：一般物理媒体上要求连续比特流传输，则意味着ATM 信元应连续地传送，因此在ATM 层没有信元要传送时，为确保连续的比特流在链路中传输，传输汇聚子层就插入空闲的信元

3.3 流量控制和拥塞控制

在ATM 网络中，流量是指网络中传输的ATM信元的数量。当信元数量过大，超过了网络的传输能力时．容易产生拥塞。由于ATM 网络是一个快速分组交换网络，一旦发生拥塞．将会丢失许许多多的信元，所以对于ATM 网络来说，预防拥塞是一个很重要的问题。而预防拥塞的关键必须控制信元的流量

流量控制的方法主要有连接受理控制(CAC：Connection Admission Contro1)、网络资源管理(NRM {Network Resource Management)和用法／网络参数控制UPC／NPC (Usage Parametercontrol／

Netowk Parameter Contro1)

3．3.2 ATM 层管理

ATM 层管理就是ATM 层OAM

操作。当前ATM 层的OAM 操作仅

包括性能管理和故障管理功能，

主要涉及VC和VP子层。F4信息流

通过虚信道识别符VCI值3和4识

别 F5信息流的VPI／VcI值与用

户信元相同，它们由特殊的PTI

值识别

3．4 ATM 适配层

AAL (ATM 适配层)是高层协议和ATM 层间的接口。

AAL类型和它的业务关系如表3所示 注意+A、B、c和D这四个业务类型与AAI 的各个类型之间并没有很直接的关系，虽然最初四个业务类与AAL的各个类型之间有一定的对应关系，AAI 类型1、2、3和4曾经定义为分别支持业务类型A、B、C和D，但是随着AAL开发工作的进行+发现AAI 类型3与AAL类型4有许多共同之处，所以将两者合并为一类AAL，就是现在的AAL3／4。同时．人们在运用过程中发现类型c和D里的许多业务来说，AAI 类型3／4过于复杂，相应的开销也太大，于是又开发了一种简单高效的适配层以支持这些业务，它就是现在的AALj。

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。

AAL 又分成两个子层： 会聚子层CS(Convergence Sublayer)和分割与重装子层SARAAL

会聚子层位于ATM 适配层的上部．与高层接口，该接口称为AAL

业务接人点

(AAL SAP)。完成各种与实际支持的业务有关的功能．包括时钟恢复，处理网络引起的其它副作用。，并负责信元分段与组装的控制等功能。控制信息与用户信息形成会聚子层协议用户数据单元(Protocol Data Unit，PDU)，送给分割与重装子层进行处理。

SAR子层位于ATM 适配层的下部，与ATM层接口，该接口称为ATM 业务接入点(ATM—SAP)。处理数据单元的分割与重组 在发送端负责将用户信息分段成48字节的净荷，并把信息段与会聚子层所增加的所有支撑信息结合起来．形成装人ATM 信元的净信息字段中的数据块，以便通过网络进行传输。在传输的另一端，重新组装从网络上收到的信元中，恢复成在发送端分段前的形态，组装还原成原来的信息。

ATM 协议参考模型主要内容归纳如下：

四．ATM的特征及应用例子:

特征：

1 它提供的服务是面向连接，通过虚电路传送数据。

2 数据被封装在53字节的信元中传输。

3 同一信道或链路中的信元可能来自不同的虚电路，

它们采用统一多路复用

技术。

4 为了满足不同的服务质量，ATM交换机能够以非平等的方式处理同一信道内不同的VC连接中的信元流。

应用举例：

1 高带宽ATM主干

2 中心局的ATM交换机

3 移动通信系统中的ATM

4 ATM之上的视频会议

5 实时多媒体信息的大规模发布

五．总结

ATM技术是一项优秀的传输、交换、复用、交叉连接技术。目前，ATM技术以一种更务实的姿态进入实用中，对ATM技术的理解也应在思想上更新。互联网的可持续发展需要ATM支持，以提高服务质量和扩容；ATM也需要互联网来发展、应用、展示自己。随着能充分利用ATM的应用增加，ATM的优势日渐突出。Internet的发展正是一个机遇，尤其是互联网业务的多媒体化需求，对ATM技术将是一个巨大的推动。

ATM信元是固定长度的分组，共有53个字节，分为2个部分。前面5个字节为信头，主要完成寻址的功能；后面的48个字节为信息段，用来装载来自不同用户，不同业务的信息。话音，数据，图象等所有的数字信息都要经过切割，封装成统一格式的信元在网中传递，并在接收端恢复成所需格式。由于ATM技术简化了交换过程，去除了不必要的数据校验，采用易于处理的固定信元格式，所以ATM交换速率大大高于传统的数据网，如x.25，DDN,帧中继等。另外，对于如此高速的数据网，ATM网络采用了一些有效的业务流量监控机制，对网上用户数据进行实时监控，把网络拥塞发生的可能性降到最小。对不同业务赋予不同的"特权"，如语音的实时性特权最高，一般数据文件传输的正确性特权最高，网络对不同业务分配不同的网络资源，这样不同的业务在网络中才能做到"和平共处"。