實現(xiàn)寬帶通信的ATM技術(shù)
異步轉(zhuǎn)移模式(Asynchronons transfer mode)簡稱ATM，是一種集傳輸與交換于一體的通信模式。ATM已成為二十一世紀寬帶通信的關(guān)鍵技術(shù)，已被國際電聯(lián)確定為寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的基本傳送方式。9O年代初計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展興起，網(wǎng)絡(luò)傳輸媒體光纖化和多媒體技術(shù)商用加快。面對巨量信息傳輸需求，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、FDDI，無論是在傳輸速度和連接方式等方面都無法適應(yīng)用戶的需求。
應(yīng)運而生的ATM技術(shù)是在傳統(tǒng)的電路轉(zhuǎn)移模式和分組轉(zhuǎn)移模式基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新興信息轉(zhuǎn)移模式。它具有傳輸速度快、距離不受限制等特點，其集語音、圖像和聲音傳輸于一體的特色，尤其適合多媒體業(yè)務(wù)的應(yīng)用。
ATM技術(shù)是一種集電路交換和分組交換兩種優(yōu)點為一體的傳輸方式。它采用53字節(jié)的固定信元交換技術(shù)，兼有分組交換的可調(diào)帶寬和高速度，以及電路交換和信元交換的低時延等特點，由于信元字節(jié)固定，交換可以由硬件交換技術(shù)來實現(xiàn)路由的選擇。
ATM交換技術(shù)適用于局域網(wǎng)（LAN）和廣域網(wǎng)（WAN），為用戶提供統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的解決方案。傳統(tǒng)的廣域網(wǎng)技術(shù)與目前的局域網(wǎng)技術(shù)是不同的，當(dāng)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)連接時需要路由器來進行協(xié)議交換?，F(xiàn)有的ATM技術(shù)可支持622M、155M和25M等不同速度規(guī)范，其中155MbpS是目前最成熟的技術(shù)。
ATM技術(shù)的主要優(yōu)點是：在實現(xiàn)寬帶通信中，不同速率的數(shù)字業(yè)務(wù)，如數(shù)據(jù)、話音、高分辨圖象、寬帶電視均由同一個網(wǎng)絡(luò)傳送，信息被分別拆卸改裝成53個字節(jié)固定長度的信元（其中48個字節(jié)為有效信息，5個字節(jié)為標頭或稱信元頭，標頭上存儲傳輸?shù)刂返男畔⒌龋?，然后進行快速分組交換，以滿足不同業(yè)務(wù)傳輸?shù)男枨蟆?nbsp;
ATM運行速度高是處理固定長度的信元，信元長度短，延遲時間較少，總吞吐量可以從2.5Gb／s到IOGb／s，可以滿足局域網(wǎng)（LAN和廣域網(wǎng)（WAN）的需要。常用的以太網(wǎng)只有1OMb／s，令牌環(huán)只有16Mb／s。ATM以其高吞吐量成為能工作于不同帶寬和眾多裝置之間最佳連接方式。
寬帶ATM通信網(wǎng)是基于寬帶ATM技術(shù)為用戶提供高速接入、高速交換、高速傳輸?shù)默F(xiàn)代化通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)與目前國內(nèi)建成的各種窄帶多媒體通信網(wǎng)相比，有著更大的先進性和優(yōu)越性，它可以高速實現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖象、遠程教學(xué)、遠程醫(yī)療、遠程購物、電視會議、視頻點播等多種信息服務(wù)，這些服務(wù)又具備交互式、動感式、畫面流動等特點，是實現(xiàn)真正意義上的信息高速公路的關(guān)鍵性一步。
我國在分組交換領(lǐng)域和電話交換領(lǐng)域研發(fā)起步較晚，基本沒有國產(chǎn)設(shè)備與進口設(shè)備抗衡。目前世界ATM尚未全面走向商用化，而我國在ATM研發(fā)領(lǐng)域已取得成功。其中較有代表性的北京郵電大學(xué)研制的BTC－9500電信科學(xué)研究院研制的高鴻ATM交換機、電子部第五十四研究所研制的接入型ATM交換機等。 #p#
一、ATM技術(shù)概述
ATM技術(shù)將要傳送的數(shù)據(jù)、視頻和音頻信息分成一個個長度固定的數(shù)據(jù)分組，為與傳統(tǒng)的X.25分組相區(qū)別，稱之為信元。每個信元長度為53個字節(jié)，開始的5個字節(jié)為信頭。在用戶與網(wǎng)絡(luò)間傳輸?shù)男旁?，這5個字節(jié)包括了流量控制信息。虛通路標示符、虛通道標示符。信元丟失優(yōu)先級及信頭的誤碼控制等有用信息。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與節(jié)點間傳輸?shù)男旁?，僅包含虛通路標示符、通道標示符、信元丟失優(yōu)先級及信頭的誤碼控制等有用信息。
ATM采用了類似時分多路復(fù)用技術(shù)，一個信元占用一個時隙，但對于具體用戶而言，時隙的分配并不是固定的，即是異步的。若用戶呼叫成功，根據(jù)其需要，在傳輸信道中分配一定的時隙供它使用。ATM采用固定長度的53字節(jié)信元傳輸，在線路復(fù)用中，可以從空閑時隙中間插入，在輸出瑞靠信元標志來識別固定53字節(jié)的信元。這種方式，便于利用硬件實現(xiàn)信元交換，大大提高傳輸速率，降低交換時延。
ATM交換不同于固定時隙的電路交換，與X.25的分組交換有較大區(qū)別。輸人信元進入交換單元，存于緩沖器等待，一旦輸出端有空閑時隙，緩沖器的信元就可以在這頭處理，直接占用時隙輸出?？梢姡珹TM可以動態(tài)分配帶寬，非常適合于突發(fā)性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。此外，在信元的信頭中，可以攜帶標明該信元類型的信息，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)信元類型，安排優(yōu)選傳送那些對時延敏感的業(yè)務(wù)。由于ATM通信可以以155.52MbpS的基本速率工作，結(jié)合高質(zhì)量的光纖傳輸信道，ATM技術(shù)可以解決目前通信中存在的大部分問題，適合實時性強的話音、圖像、視頻即多媒體業(yè)務(wù)。
隨著現(xiàn)代社會信息化發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)νㄐ盘岢隽嗽S多新的要求。建立寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B－ISDN）成了用戶及網(wǎng)絡(luò)運營者的共同愿望。以信元（Cell）為信息傳輸、復(fù)用、交換及處理單位的異步轉(zhuǎn)移傳輸模式（ATM）技術(shù)成為實現(xiàn)寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)的關(guān)鍵。
ATM克服了電路轉(zhuǎn)移模式下的網(wǎng)絡(luò)資源利用率低、分組轉(zhuǎn)移模式信息時延大和處理復(fù)雜等缺點，可以將各種特性的信息進行統(tǒng)一的處理。在ATM中，采用了信元為信息交換和傳輸?shù)膯挝?，信元是長度固定的信息組。信元由5個字節(jié)的信元頭和48字節(jié)的載荷構(gòu)成，信元頭主要是提供路由和載荷類型等信息。ATM對信元進行統(tǒng)計復(fù)用，只要獲得空信元就可以插入信息發(fā)送。統(tǒng)計復(fù)用提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，同時固定長度的信息分組及簡化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提高了網(wǎng)絡(luò)的通信處理能力。 #p#
二、ATM網(wǎng)絡(luò)互連
ATM技術(shù)是面向連接的，它與共享介質(zhì)規(guī)程如傳統(tǒng)的計算機局域網(wǎng)以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)等不同。ATM采用的是面向連接的規(guī)程，能直接為高層的規(guī)程提供服務(wù)，替代了網(wǎng)橋和路由器的功能。
ATM通信中，信息的傳輸是通過虛電路進行的，所謂虛電路，是與實際存在的物理電路而言，虛電路是指這種鏈路在需要時就建立起來，當(dāng)通信結(jié)束后，拆除鏈路，解放所占用的通信資源；在傳輸具體數(shù)據(jù)信息的過程中，信息的傳輸并不是沿著固定的物理線路或某一固定物理線路的固定時隙進行的，這使得物理信道資源得到更充分的利用。ATM所提供的業(yè)務(wù)可以在永久虛電路上傳輸，也可以在交換虛電路上傳輸。若使用交換虛電路則類似于租用線，適合于那些要求級別很高，有特殊用途的用戶；交換虛電路則類似于傳統(tǒng)電話網(wǎng)中的撥號業(yè)務(wù)。
在OSIT層協(xié)議中的物理層上，ATM支持多模光纖、單模光纖、屏蔽雙絞線等，吞吐量等級為51. 86MbpS，155.52Mbps、622Mbps等不同等級。ATM具有可延展性和靈活性，延展性是指當(dāng)需要新應(yīng)用和新設(shè)備時，網(wǎng)絡(luò)可以支持更高速度的能力。
ATM信元的高速傳輸，已實現(xiàn)商業(yè)化的是ATM業(yè)務(wù)用于同步光纖網(wǎng)或同步數(shù)據(jù)序列。美國的電信公司AT＆T 研制出的ATM骨干網(wǎng) Globe－2000系統(tǒng)，采用AT＆T的SDH傳輸設(shè)備，已實現(xiàn)了ATM信元155.52Mbps，622Mbps，2.488Gbps的傳輸。
ATM網(wǎng)絡(luò)是由一系列通過點對點ATM鏈路或接口相互連接的ATM交換機構(gòu)成的。ATM交換機支持兩種接口：用戶網(wǎng)絡(luò)接口（UNI）和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口（NNI）。UNI用于ATM端點系統(tǒng)（主機、路由器等）與ATM交換機的連接，而NNI則可以粗略地定義為兩臺ATM交換機間的互連接口。
ATM網(wǎng)絡(luò)在進行數(shù)據(jù)傳輸之前，在整個ATM網(wǎng)絡(luò)中建立一條虛擬電路。ATM電路有兩種類型：一種是虛擬路徑，由虛擬路徑標識符（VPI）標明；另一種是虛擬通道，由VPI和虛擬通道標識等VCI組合起來標明。虛擬路徑是一組虛擬通道的集合，這些虛擬通道在普通VPI的基礎(chǔ)上通過ATM網(wǎng)絡(luò)進行透明交換。
ATM交換機通過一個已知VCI或VPI上的鏈路接收一個信元；在局部譯碼表中找出相應(yīng)的連接值，從而確定連接的引出端口以及鏈路上連接的新VPI／VCI值；用適合的連接標識符將信元轉(zhuǎn)發(fā)到引出鏈路上。兩種基本連接類型是:(1)永久虛擬連接（PVC）。PVC是一種由網(wǎng)絡(luò)管理等外部機制建立的連接，在這種連接方式中，處于ATM源和目的ATM系統(tǒng)之間的一系列交換機都被賦予適當(dāng)?shù)腣PI／VCI值。（2）交換虛擬接（SVC）。SVC是一種由信令協(xié)議自動建立的連接，不需要進行手工配置。
ATM連接的兩種基本類型：
1．點對點連接：連接兩個ATM端點系統(tǒng)。這種連接既可以是單向的，也可以是雙向的。
2．點對多點的連接：可以將一個源端點系統(tǒng)與多個目的端點系統(tǒng)相連接。信元在網(wǎng)絡(luò)的連接分支上由ATM交換進行復(fù)制后向下傳送。這種連接是單向的，只允許由根節(jié)點向葉節(jié)點傳輸，不能反向傳輸。 #p#
三、ATM虛擬網(wǎng)技術(shù)
虛擬網(wǎng)（VLAN或VirtualLAN）是把一組用戶分配在一個單一的廣播域，在該廣播域上的廣播流量只有其成員才能夠收到。虛擬網(wǎng)技術(shù)既是目前網(wǎng)絡(luò)最為熱門的，可以參照OSI模型分成第二層（主要基于MAC層）虛擬網(wǎng)和第三層（主要基于網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議）虛擬網(wǎng)兩大類。
由于傳統(tǒng)局域網(wǎng)在設(shè)計時并沒有考慮虛擬網(wǎng)絡(luò)的需求，因此在傳統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上，采用修改幀格式的方法來實現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)不僅困難重重，而且兼容性和互操作性也存在諸多問題。隨著ATM的快速普及，越來越多的用戶已經(jīng)或正在利用ATM虛擬網(wǎng)絡(luò)，ATM技術(shù)是虛擬網(wǎng)絡(luò)的必然選擇。
在第二層（MAC層）實現(xiàn)的虛擬網(wǎng)，主要通過始發(fā)交換機（Ingress Switch）對傳統(tǒng)的MAC進行封裝，在其中加入虛擬網(wǎng)標識，使得其它交換機能夠了解到該幀所屬的 VLAN，從而根據(jù)事先確定的虛擬網(wǎng)組建的策略將它正確地傳輸?shù)竭m當(dāng)?shù)慕粨Q端口。由于可以依靠如局域網(wǎng)交換機等硬件設(shè)備實現(xiàn)，因此具有速度快。延時小等好處。
采用兩層橋接的方法，需要為VLAN交換機的每一個物理端口分派一個MAC地址，用來收／發(fā)經(jīng)顯式標志的幀。每當(dāng)VLAN交換機封裝一個幀，它使用相關(guān)端口的這一MAC地址作為封裝后新幀的源站MAC地址。而對于最終用戶級的目的站MAC地址，VLAN交換機通過在以往通信過程中的學(xué)習(xí)／記憶，建立并維護一個橋接對應(yīng)表，表中維持用戶級MAC地址和與其相關(guān)的交換端口MAC地址的映射關(guān)系，從而確保用戶間端到端通訊，以提供可擴展性。
第三層虛擬網(wǎng)也稱為隱性標志的方法，主要通過第三層的協(xié)議信息來區(qū)別不同的虛擬網(wǎng)。由于這類方法傾向于用邏輯的而非物理的方法來劃分虛擬網(wǎng)，方法本身也不復(fù)雜，但其實現(xiàn)牽涉了比較多的軟件處理，故而其處理速度不及上面所介紹的基于硬件的方法，劃分的依據(jù)則主要是協(xié)議種類或地址信息等。 #p#
四、ATM交換機
異步傳輸模式（ATM）交換機要適應(yīng)企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的需要，就必須滿足一系列嚴格的需求。作為企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)的主干交換結(jié)點應(yīng)滿足如下需求：
1．可擴展性
交換機必須能夠支持數(shù)以G位計的通訊容量，具有高瑞口密度，并且每個端口上都應(yīng)該可以支持多條虛電路，大的主干通路的速度至少要達到622Mbps，同時還應(yīng)該有能力在1秒以內(nèi)處理上萬條虛電路信號。
2．健壯
交換機必須能夠通過充分利用帶寬，流少流量堵塞等措施，擔(dān)負起在流量高峰時的負荷。
3．系統(tǒng)可用性
可擴展性是交換機最重要的特性，適用于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的交換機要具有從45M位／秒的T－3升級至622M位／秒的OC－12主干網(wǎng)的能力。必須能夠保證110%地對系統(tǒng)資源的獲取，配備的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)必須能支持I000個或更多的結(jié)點。
為了滿足廣播多種應(yīng)用及虛擬局域網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅粨Q機必須能夠在永久虛電路（PVC）和交換虛電路（SVC）上支持一點到多點的連接。支持多條虛連接是必不可少的。如果能支持的虛連接過少，交換機在用完虛連接時，即使有剩余的帶寬也不用于其它的連接。
ATM論壇確定了四種ATM層服務(wù)類，每一類都可定義不同服務(wù)質(zhì)量（QOS）。
A類，即穩(wěn)定字符流（CBR），如時分多路傳輸，這類傳輸只需有限的帶寬，但不允許延遲和包丟失。
B類和C類稱為可變字符流（VBR），主要是指聲音或影視等有爆發(fā)性的傳輸，B類是VBR實時傳輸（VBR－RT），不允許有延遲，例如交互式視頻會議等。
C類是非實時VBR傳輸（VBR－NRT），允許有延遲，如發(fā)送郵件等傳輸。
D類傳輸分為兩類：非指定字符速率（UBR）和可用字符速率（ABR），主要用于爆發(fā)性的局域網(wǎng)傳輸及允許一定延遲和信息丟失的數(shù)據(jù)傳輸。
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