东北往事风云20年全集:ATM网络是什么网络?

ATM是Asynchronous Transfer Mode（ATM）异步传输模式的缩写，是实现B-ISDN的业务的核心技术之一。ATM是以信元为基础的一种分组交换和复用技术。它是一种为了多种业务设计的通用的面向连接的传输模式。它适用于局域网和广域网，它具有高速数据传输率和支持许多种类型如声音、数据、传真、实时视频、CD质量音频和图像的通信。 ATM采用面向连接的传输方式，将数据分割成固定长度的信元，通过虚连接进行交换。ATM集交换、复用、传输为一体，在复用上采用的是异步时分复用方式，通过信息的首部或标头来区分不同信道。
ATM是在LAN或WAN上传送声音、视频图像和数据的宽带技术。它是一项信元中继技术，数据分组大小固定。你可将信元想像成一种运输设备，能够把数据块从一个设备经过ATM交换设备传送到另一个设备。所有信元具有同样的大小，不像帧中继及局域网系统数据分组大小不定。使用相同大小的信元可以提供一种方法，预计和保证应用所需要的带宽。如同轿车在繁忙交叉路口必须等待长卡车转弯一样，可变长度的数据分组容易在交换设备处引起通信延迟。

http://51zk.csai.cn/hlwl/NO00034.htm
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ATM网络简介
作者名：不详 来源： 06年6月8日

随着人们对集话音、图像和数据为一体的多媒体通信需求的日益 增加，特别是为了适应今后信息高速公路建设的需要，人们又提出了 的宽带综合业务数字网（B-ISDN）这种全新的通信网络， 而B-ISDN 的实现需要一种全新的传输模式，此即异步传输模式（ATM）。在 1990年，国际电报电话咨询委员会（CCITT）正式建议将ATM作为实现 B－ISDN的一项技术基础，这样，以ATM为机制的信息传输和交换模式 也就成为电信和计算机网络操作的基础和2l世纪通信的主体之一。尽 管目前世界各国，都在积极开展ATM技术研究和B-ISDN的建设， 但以 ATM为基础的B-ISDN的完善和普及却还要等到下一世纪，所以称ATM为 一项跨世纪的新兴通信技术。不过，ATM技术仍然是当前国际网络界 所注意的焦点，其相关产品的开发也是各厂商想要抢占的网络市场的 一个制高点。

一、ATM的基本概念
同步和异步

为了更好地了解ATM，有必要先对时分复用（TDM）和同步传输（STM） 作一简单的回顾。TDM即是在一条通信线路上按一定的周期（如125ns）将时间分成 称为帧的时间块，而在每一帧中又分成若干时隙，每个时隙可携带相应的用户信息。 当某一用户通过呼叫建立起通信后，在此期间，其信号将固定地占用各帧中的某一 时隙，直至通信结束，如图1所示。

而对于同步传输，其交换是在固定时隙之间进行的。例如，在图1中，输入帧 占用第2时隙的某一信号，若在输出帧中占用的是第4时隙，则这种对应关系是固定 不变的，直至相应的通信过程结束，如图2所示。

在这种固定时隙的传输及交换模式中，若在通信过程中的某一时刻，用户无数 据传递，但其固定占用的时隙仍属其所有，尽管此刻处于空闲状态；相反，若其有 大量突发性数据要求传送，尽管这有可能造成信号的延时甚至是信元的丢失，也仍 只能借助于固定的时隙来传输和交换。
相比之下，在异步传输模式（ATM）中，其信元传输所占用的时隙并不固定,这 也是所谓的统计时分复用。另外，在一帧中占用的时隙数也不固定,可以有1至多个 时隙，完全根据当时用户通信的情况而定。而且各时隙之间并不要求连续，纯粹是 “见缝插针”。在交换时，也是类似的。这个过程如图3所示。

由于在ATM中具有动态分配带宽的特点，可以充分地利用带宽资源,并且能很好 地满足传输突发性数据的要求，而不致出现在ATM中的延时或信元丢失的情况。
以上仅仅是通过与ATM的对比，大致介绍了一下ATM的基本概念。

ATM的信元格式
在分组交换体制中，数据往往是被分成一个个的数据分组。而在ATM中,所用的 数据分组究竟应该是固定长度还是可变长度，其长度究竟以多长为好了对这些问题， CCITT的研究组在作了深入的研究和协商后，将ATM的数据分组取为固定长度，并将 其称为ATM信元。另外,信元的长度也确定为53个字节。采用不长的字节数有助于提 高ATM信元的处理速度，因为，传输这样一个信元，在155Mb／s的系统中仅需2.8us。 从交换的实现来看，采用固定长的信元便于采用硬件来实现。ATM的信元格式如图4 所示。
在图4中，信头由5个字节的内容组成，主要用来标明在异步时分复用上属于同 一虚拟通路的信元，并完成适当的选路功能。具体来说，信头中包括这样一些内容， 即：一般流量控制(GFC)；虚拟通道标识（VPI）；虚拟通路标识（VCI）;净荷类型 标识（PTI）；信元丢失优先等级（CLP）；信头差错控制（HEC)。剩余的48字节的 信息段则是净荷的数据。

图4

网络设备通过检查信元头来决定如何处理这个信元及将此信元送往何处。 网络设备不检查信元载体，它只被看作是384bit的一个单位（48 字节）。因此载体是由数据,语音或是视频bit中的哪一种组成无关重要,bit 就是bit。 因此可在单一的网络上同时支持所有数据的传输，这是ATM的 突出优点。另一方面，由于信元长度小， 网络传输和交换速率快，所以ATM 可以很好地实现语音、活动图像等对时延敏感的业务。

二、ATM规程
与帧中继和x.25一样，ATM也是面向连接的。ATM的规程分为三层：下面是物理层， 中间是ATM层，上面是ATM适配层。物理层规定了ATM数据流和物理介质之间的接口，其 中包括两个子层：物理介质相关子层和传输会聚子层。物理介质相关子层规定了ATM数 据流通过给定介质传输的速率。 会聚子层规定了通过物理介质相关子层传输的信元的 规程。ATM层是ATM技术的核心，虽然有多个ATM适配层和多个物理层可供选择，但是描 述信头的结构和控制信元的交换是固定的，不因分层的不同而有所区别。ATM层负责信 元的选路、复用、和反复用。

ATM规程的最高层是ATM适配层（AAL)。它将高层来的用户业务转换成ATM中净荷的 格式和长度,到目的站后将它再转换成原来的用户业务。该层包括五个子层(AAL1-AAL5)， 不同的ATM适配子层与ATM所支持的不同业务相一致。AAL1支持固定比特率（CBR）业务， 如数字化的声音和图象信号，用于对信元延迟和丢失都敏感的应用；AAL2支持对时间敏 感的可变比特率（VBR）业务；AAL3/4支持面向连接的突发性业务，和数据业务;AAL5支 持突发的LAN数据业务。AAL层还可以将面向连接的ATM与面向无连接的数据综合在一起， 使ATM用户能进行广播和一点对多点通信。

三、ATM的传输控制
监视和管理信元在网络中的传输叫作传输控制。它做得好坏至关重要，特别是对时延 敏感的视频数据。不同类型的通信需要不同水平的服务。一个ATM网对不同通信类型提 供不同的QOS(服务质量）水平。

1．ATM通信类型
我们可以按ATM网的三个特性：带宽、等待时间和信元延迟变化来对通信类型分 类。带宽是为支持某一连接的网络容量大小。等待时间是与连接有关的延迟量。若需要低 的等待时间意味着信元需要快速从网络中的一点传到另一点。信元延迟变化是每一相关信 元组所经历的延迟范围。低的信元延迟变化意味着一组信元必须以相互间相隔不太远的方 式通过网络。
ATM网有三种通信类型:CRB（Constant bit rate恒定位速率）、VRB(Variable bit rate变化位速率）和ARB（Available bit rate可用位速率）。CRB通信包括声音和视频。 为完成这种通信，ATM提供一个恒定的带宽、低等待时间和低信元延迟变化。VRB通信除 了需求不同带宽以外与CRB相似。ABR通信不需要确定带宽或延迟参数并被许多数据应用 所接受。

2．ATM连接
通过发出一个导致与ATM网协商的连接请求，ATM的一端请求ATM网络与另外一端 相连接。这一过程称为连接建立程序。 必须协商的多数可由 ATM Forum UNI 3.0指定， 包括通信类型、恒定和峰值带宽,信号序列长度及QOS级别。这一过程保证ATM网与端点建 立一个“条约”。网络承诺递交一个QOS， ATM端点承诺不送出比连接过程中所要求的更 多的通信量。
当阻塞发生时,传输控制提供机制使网络恢复状态。ATM网使用三种传输控制技术:传 输管制、传输整形和阻塞控制：

(1)传输管制(Traffic Policing)
ATM网为确保每一连接中的通信不超出协商的参数，ATM开关使用一个“漏水桶” 算法来管理通信。想象在木水桶的底部有一个孔,水以固定速率（协商速率）从桶内（缓 冲区）流出。当信息流超过协商速率和缓冲区溢出时，需要进行传输管制。每一个ATM信 元头有一个CLP(Cell Loss Priority)位，即信元丢失属性位，用来指示信元是否与合同 相一致。举个例子，如果信元与合同不一致,意味着可能有比合同允许的更多的信元,ATM 开关置CLP位为1。这个信元只有在有足够网络容量时，才能通过网络被传输，如果没有 足够的带宽可获得，CLP位不一致的信元被丢掉，这时需要重新传输这些信元。 CBR通信 需要一个单一“漏桶”，因为在它的网络协议中使用的是固定速率多数。VBR通信使用双 “漏桶”，一方面在一些分立的时间间隔监视固定速率，另一方面在连 接期间监视最大 （峰值）带宽。如果任何一个值超过协议参数，ATM开关通过控制CLP位管理VBR通信。
(2)传输整形（Traffic Shaping）
与传输管制相似,传输整形是在用户——网络界面上完成的。使用双“漏桶”算法控 制通信使流量速率遵守协议规定。完成传输整形的装置是典型的用在PC机或工作站、桥、 路由器和DSUs（数字服务单元）中的ATM网络适配器。
(3)阻塞控制
阻塞会发生在任何网络中，当一个用户送出的数据大于网络在可获得带宽内传输量， 就发生阻塞。当更多用户向同一网络输送数据时，对任一用户可获得的带宽也随着时间 而改变。大多数网络不能告诉使用者在任一给定的瞬间可获得多少带宽。其结果使用者 没有任何依据来控制所送数据的量。当送出的数据大于网络所能处理的数据时，网络缓 冲区填满并溢出，数据必须重新传输,这将进一步增加通信量更加使得网络拥挤。ATM网 络执行阻塞控制以使ABR通信能够有效地使用带宽。有效的阻塞控制可减少由于阻塞 重新传输数据的需要。
ATM扩大了网络能力以支持各种各样的应用和帮助网络管理者。使用ATM技术作为基 础，确保一个与广域网（WAN）的可接受界面，满足LAN中高宽带业务需求。传输管理设 计保证用户得到他们所需要的服务质量。

四、ATM网络的LAN仿真

现有网络上运行的网络层协议种类繁多，如IP、IPX、Appletalk、DECnet、 Banyan、Vines等，要实现ATM网络与现有的多种LAN网络互连的关键是使 用相同的网络层协议，例如统一使用IP和IPX协议，因为网络层的功能便是为高 层协议和应用程序提供一致的网络视图。
ATM网络取得成功的一个关键因素就是具备与这些技术互操作的能力。跨越 ATM网络运行网络层协议有2种实现方式。一种称为本机模式操作,即使用地址改 变技术将网络层地址直接映射成ATM地址,这样网络层信息包就可通过ATM网络传 送。另一种通过ATM网络传送网络层信息包的方法是LAN仿真（LANE——LAN Em－ ulation）。
LANE是在ATM网络顶端仿真一个局域网。LANE协议特别定义了用于IEEE802.3 以太网和IEEE 802.5令牌环LAN的仿真。LANE是指LANE协议为高层定义了与现有 LAN相同的业务接口，通过ATM网络传送的数据仍以相应的LAN MAC信息包格式封 装。LANE使得ATM的所有方面，包括建立连接、单元分割和重组(SAR)， 对节点 完全透明。
LANE使任何网络较高层协议不需要进行修改，就可在ATM网络上运行。因为 LANE服务为网络层驱动程序提供与现有MAC协议相同的服务接口（如网络驱动器 接口规范NDLS或开放数据链路接口ODI的驱动程序接口）。所以不需要对这些驱 动程序进行任何修改。
LANE协议规定了单个仿真LAN（ELAN）的运行,一个ATM上可以同时存在多个 ELAN，每个ELAN仿真的是以太网或令牌环网。
LANE协议将会在2种ATM设备上使用：
(1) ATM网络按口卡（NIC）
ATM NIC将执行LANE协议，并实现到ATM网络的揍口，在连接的终端系统上， ATM NIC将为较高层协议提供当前的LAN服务接口。这样，在终端系统的网络层 协议将继续使用同LAN一样的过程通信，同时能够使用ATM网络的广泛带宽。
(2) 网络互连和LAN交换设备
主要指连接ATM的LAN交换机和路由器.这些设备和与其直接相连的、带有的 ATM主机一起用来提供虚拟LAN服务。 由于LAN仿真本质上就是ATM上的一个桥接 协议， LANE协议的基本功能就是把MAC地址改变为ATM地址，所以LAN仿真特 别适合快速多端口的LAN交换设备。 如我校的校园计算机网络中即采用了IBM公 司的LANE服务器实现网络互连和LAN交换。
LAN仿真规范模型包括LAN仿真客户机（LEC）、LAN仿真服务器（LES），广播和未知服务器(BUS)以及LAN仿真配置服务器（LECS）。
LEC为ELAN中的单个终端系统执行数据传送、地址分析和其它控制功能,同时 还为自己与任何高层机构提供一个标准的服务接口。与ELAN接口的ATM NIC或LAN 交换机构在每个连接的ELAN上支持一个LEC，每个LEC由一个独立的ATM地址来标 识，而且与一个或多个可通过该ATM地址到达的MAC地址相连。 LES为一个特定的ELAN执行控制功能。每个ELAN只有一个逻辑LES，既LES属于一 个特定的ELAN。每个LES都有自己专用的一个ATM地址来标识。
BUS是一个多点广播服务器，其作用是扩展未知目标地址流量，并向一个特 定ELAN中的客户机传递多点广播和广播流量,每个LEC在ELAN上只与一个BUS相连， 但在一特定的ELAN上可能有多个BUS，它们以厂商确定的方式通信和协调。一个 LEC连接的BUS由自己专有的一个ATM地址标识。在LES中，该地址与广播MAC地址 相连，这一映射通常配置在LES中。
LECS通过将各个LANE客户机分配到ELAN相应的LES，把客户机指定给特定的 ELAN。每个管理域只有一个逻辑LECS，它为本域中所有的ELAN服务。 LANE协议没有规定LES、BUS和LECS的具体位置， 目前大多数厂商都在网络设备 (ATM交换机和路由器）而不是主机和工作站上实施，以保证其高性能和可靠性。

五、 LAN仿真的运行过程
LANE通过一系列ATM连接进行相互通信。LEC间保持各自连接，以便传输数据和控制流量。
控制连接包括直接配置虚通道连接（Virtual Channel Connection，VCC）、直接控制VCC和分布控制VCC。直接配置VCC是一个双向点对点VCC，是由LEC设置到LECS的;直接控制VCC也是个双向VCC，是由LEC设置到LES的；分布控制VCC是一个单向VCC,从LES返回LEC，通常这是一个点对多点连接。
数据连接包括直接数据VCC。多点广播发送VCC和多点广播传递VCC。直接数据VCC是在两个希望交换数据的LEC间设置的双向点对点VCC。通常两个LEC使用同一个直按数据 VCC传送它们之间的所有信息包，而不是为它们之间的每对MAC地址建立一个新的VCC,这样可以节约连接资源和设置连接的等待时间;多点广播发送VCC也是一个双向点对点VCC，是由LEC设置到BUS的；多点广播传递VCC是一个单向VCC，是从BUS设置到LEC的，通常这是一个点对多点连接，每个LEC是它的叶节点。
LAN仿真的运行包括初始化。连接和数据传输三个阶段。
1．初始化
初始化时，LEC通过地址登记得到自己的ATM地址，然后,LEC设置一个到LECS的直接配置连接，LEC可通过三种方法找到LECS的位置：使用一个确定的ANI过程确定LECS的地 址；使用一个已知的LECS的地址;使用一个已知的到LECS的永久连接（VPI:0，VCI＝17）。
确定LECS的位置后，LEC将建立到LECS的直接配置VCC，一经连接， LECS就使用一个配置协议通知LEC，把它连接到目标ELAN上，其中包括LES的ATM地址。被仿真的LAN的类型。ELAN上最大信息包的大小以及ELAN的名称。
2．连接
LEC一得到LES地址，即清除LECS的直接配置VCC，然后设置到LES的直接控制VCC,同时,LES为LEC指定一个独有的LEC标识符（LECID）,然后LEC在LES上登记自己的MAC和ATM 地址。
随后，LES设置一个回到LEC的分布控制VCC。这样LEC就可以在LAN仿真ARP(LE－ARP)过程中使用直接或分布控制VCC来对应于特定MAC地址的ATM地址。这一过程中，LEC组成 一个LE—ARP，并把它发送到LES。如果LES能够识别这个映射（因为某些LEC登记了有关 MAC地址），就可通过直接控制VCC直接回答， 同时把该请求传递到分布控制VCC，向一个知道所求MAC地址的LEC请求一个响应。
如果一个LEC能够响应LE－ARP，它会通过直接控制VCC响应LES。然后，LES可以只把这个响应传回给请求的LEC，也可通过分布控制传递给所有的LEC，这样所有的LEC都可以 得到并高速缓存这个特定的地址映射。
为完成初始化,LEC使用这个LE一ARP机制来确定BUS的ATM地址。它通过向LES发送MAC广播地址的LE—ARP来完成，后者用BUS的ATM地址响应。然后， LEC设置到BUS的多点广 播发送VCC。接着，这个BUS设置多点广播，将VCC传回到LEC，通常把这个LEC作为点到多 点连接的叶节点。这样LEC就作好了数据传输的准备。
3．数据传输
在数据传输过程中， LEC或是收到一个从高层协议发送来的网络层信息包，或是收到一个通过LAN端口传递的MAC信息包。前者数据源点LEC将没有目标LEC的ATM地址。此时， LEC首先组成并向LES发送一个LE一ARP响应。
在等待LE一ARP的响应时， LEC还把信息包用规定的封装传递给BUS， BUS将把信息包扩散到所有的LEC。LEC一旦收到一个LE－ARP响应,就向目的节点设置一个直接数据VCC， 并用它进行数据传输，而不使用BUS路径。但在此之前LEC必须确保所有原来发送给BUS的 信息包在使用直接数据VCC前已经传送到了目的地。在这个机制中，一个控制信元将随上 一个信息包发送到第一条传输路径，在目的地答复收到这个信元之前,不使用第二条路径 发送信息包。
如果一个数据直挂连接已经存在于LEC，通过它可以到达一个特定的MAC地址， 则源LEC可以重新使用这个数据直接连接。
如果没有收到对LE—ARP的响应，LEC将继续向BUS发送信息包，同时将定期重新发送 LE—ARP，直至收到一个响应。通常情况下，一个信息包通过BUS扩散， 而且目标对源响 应后，一些LEC将知道目的地位置，然后对后继LE—ARP作出响应。
LEC将把通过LE—ARP得到的所有MAC地址从本地缓存到ATM地址映射中，如果LEC收到把一个信息包发送到同一MAC地址的要求，它将参考这个本地缓存表并使用缓存的映射， 而不会再发出另一个LE－ARP。
LEC也使用BUS进行信息包广播和多点广播。信息包被传递给BUS后， BUS即把它们重新导向所有LEC，LEC对所有从BUS收到的数据帧根据前缀LECID过滤有关字段,以便确保不 会收到自己发出的帧。

六.ATM的现存问题及前景

虽然ATM的相关技术及研究发展很快，但ATM总体上仍有待于进一步完善。 无论在其开发和使用的实践中目前都还存在一些问题,如ATM的话务量管理及 拥塞控制方面的技术并不理想；目前ATM产品的价格普遍较高；ATM的标准尚 不完善，在适应性、通用性及互操作性等方面均带来一些问题。
尽管如此，Am作为一种全新的交换技术和下一世纪通信技术的主流已是不容置疑的。ATM最早是作为新一代的电信技术基础而提出来的.其优势首先 体现在构造骨干网上，因为一方面它有上Gb／s的容量，再则，由于VP、VC 技术的采用，容量和处理的灵活性是目前时分长途电话交换网所不能比拟的。
从这点来看，也就决定了它在今后建设电信主于网中的地位。另一方面，目 前较为普及的局域网虽然也采用了一些高速网络技术，如FDDI、100Base－T 等，但采用这些技术的网络都有一个共同的特点，即都是基于所谓的媒体共 享。这样，过多的共享必然会降低实际的传输速率，这已成为这类高速网络 的一个症结。解决这个问题的有效方法即是从“共享式”转换为“交换式”， 而ATM这种新型交换技术有其无可替代的优势。现在2Mb/s、34Mb/s、45Mb/s 和155Mb/s的ATM产品已经被人们所接受。在1995年春天，ATM论坛对有关LAN 仿真、新的ATM适配层和低速接入(E1/T1)等方面进行了标准化，这使得相应 的ATM产品的竞争力进一步加强。就ATM的产品生产来看，已有50多家厂商生 产ATM产品，另外尚有100多家厂商在开发有关ATM的交换、集线和路由设备。
从有关ATM的商用化和现场试验来看，目前仅在美国就有十多个ATM现场试验，其中北卡罗来纳州的信息高速公路网是美国最大的一个ATM网。在加拿大,现 已有七个地方性的ATM投入使用;在欧洲的芬兰、法国和德国等也开通了一些 ATM商用业务；在亚太地区,如日本、朝国、新加坡等国亦有类似的计划。尽管ATM技术最终的完善和相应市场的成熟还要等至下一世纪，但ATM技术决非 一种仅限于实验室的新技术，目前，它已经开始从实验室走向实用和商业应 用，随着其相关技术的完善和发展，必将会获得广泛的应用。毫无疑问,ATM 与同步光纤网（SONFT）的结合将构成2l世纪通信的主体。