实现宽带通信的ATM技术——尤华

实现宽带通信的ATM技术——尤华 异步转移模式(Asynchronons transfer mode)简称ATM，是一种集传输与交换于一体的 通信模式。ATM已成为二十一世纪宽带通信的关键技术，已被国际电联确定为宽带综合业务 数字网的基本传送方式。9O年代初计算机网络发展兴起，网络传输媒体光纤化和多媒体技 术商用加快。面对巨量信息传输需求，传统的网络技术，如以太网、快速以太网、FDDI， 无论是在传输速度和连接方式等方面都无法适应用户的需求。 应运而生的ATM技术是在传统的电路转移模式和分组转移模式基础上发展起来的新兴信 息转移模式。它具有传输速度快、距离不受限制等特点，其集语音、图像和声音传输于一 体的特色，尤其适合多媒体业务的应用。 ATM技术是一种集电路交换和分组交换两种优点为一体的传输方式。它采用53字节的固 定信元交换技术，兼有分组交换的可调带宽和高速度，以及电路交换和信元交换的低时延 等特点，由于信元字节固定，交换可以由硬件交换技术来实现路由的选择。 ATM交换技术适用于局域网（LAN）和广域网（WAN），为用户提供统一网络技术的解决 方案。传统的广域网技术与目前的局域网技术是不同的，当局域网和广域网连接时需要路 由器来进行协议交换。现有的ATM技术可支持622M、155M和25M等不同速度规范，其中155Mb pS是目前最成熟的技术。 ATM技术的主要优点是：在实现宽带通信中，不同速率的数字业务，如数据、话音、高 分辨图象、宽带电视均由同一个网络传送，信息被分别拆卸改装成53个字节固定长度的信 元（其中48个字节为有效信息，5个字节为标头或称信元头，标头上存储传输地址的信息等 ），然后进行快速分组交换，以满足不同业务传输的需求。 ATM运行速度高是处理固定长度的信元，信元长度短，延迟时间较少，总吞吐量可以从 2.5Gb／s到IOGb／s，可以满足局域网（LAN和广域网（WAN）的需要。常用的以太网只有1O Mb／s，令牌环只有16Mb／s。ATM以其高吞吐量成为能工作于不同带宽和众多装置之间最佳 连接方式。 宽带ATM通信网是基于宽带ATM技术为用户提供高速接入、高速交换、高速传输的现代 化通信网络。该网络与目前国内建成的各种窄带多媒体通信网相比，有着更大的先进性和 优越性，它可以高速实现数据、图象、远程教学、远程医疗、远程购物、电视会议、视频 点播等多种信息服务，这些服务又具备交互式、动感式、画面流动等特点，是实现真正意 义上的信息高速公路的关键性一步。 我国在分组交换领域和电话交换领域研发起步较晚，基本没有国产设备与进口设备抗 衡。目前世界ATM尚未全面走向商用化，而我国在ATM研发领域已取得成功。其中较有代表 性的北京邮电大学研制的BTC－9500电信科学研究院研制的高鸿ATM交换机、电子部第五十 四研究所研制的接入型ATM交换机等。 一、ATM技术概述 ATM技术将要传送的数据、视频和音频信息分成一个个长度固定的数据分组，为与传统 的X.25分组相区别，称之为信元。每个信元长度为53个字节，开始的5个字节为信头。在用 户与网络间传输的信元，这5个字节包括了流量控制信息。虚通路标示符、虚通道标示符。 信元丢失优先级及信头的误码控制等有用信息。在网络节点与节点间传输的信元，仅包含 虚通路标示符、通道标示符、信元丢失优先级及信头的误码控制等有用信息。 ATM采用了类似时分多路复用技术，一个信元占用一个时隙，但对于具体用户而言，时 隙的分配并不是固定的，即是异步的。若用户呼叫成功，根据其需要，在传输信道中分配 一定的时隙供它使用。ATM采用固定长度的53字节信元传输，在线路复用中，可以从空闲时 隙中间插入，在输出瑞靠信元标志来识别固定53字节的信元。这种方式，便于利用硬件实 现信元交换，大大提高传输速率，降低交换时延。 ATM交换不同于固定时隙的电路交换，与X.25的分组交换有较大区别。输人信元进入交 换单元，存于缓冲器等待，一旦输出端有空闲时隙，缓冲器的信元就可以在这头处理，直 接占用时隙输出。可见，ATM可以动态分配带宽，非常适合于突发性数据业务。此外，在信 元的信头中，可以携带标明该信元类型的信息，网络可以根据信元类型，安排优选传送那 些对时延敏感的业务。由于ATM通信可以以155.52MbpS的基本速率工作，结合高质量的光纤 传输信道，ATM技术可以解决目前通信中存在的大部分问题，适合实时性强的话音、图像、 视频即多媒体业务。 随着现代社会信息化发展，各个领域对通信提出了许多新的要求。建立宽带综合业务 数字网（B－ISDN）成了用户及网络运营者的共同愿望。以信元（Cell）为信息传输、复用、 交换及处理单位的异步转移传输模式（ATM）技术成为实现宽带综合业务数字网的关键。 ATM克服了电路转移模式下的网络资源利用率低、分组转移模式信息时延大和处理复杂 等缺点，可以将各种特性的信息进行统一的处理。在ATM中，采用了信元为信息交换和传输 的单位，信元是长度固定的信息组。信元由5个字节的信元头和48字节的载荷构成，信元头 主要是提供路由和载荷类型等信息。ATM对信元进行统计复用，只要获得空信元就可以插入 信息发送。统计复用提高了网络资源利用率，同时固定长度的信息分组及简化的网络协议 提高了网络的通信处理能力。 二、ATM网络互连 ATM技术是面向连接的，它与共享介质规程如传统的计算机局域网以太网、令牌环网等 不同。ATM采用的是面向连接的规程，能直接为高层的规程提供服务，替代了网桥和路由器 的功能。 ATM通信中，信息的传输是通过虚电路进行的，所谓虚电路，是与实际存在的物理电路 而言，虚电路是指这种链路在需要时就建立起来，当通信结束后，拆除链路，解放所占用 的通信资源；在传输具体数据信息的过程中，信息的传输并不是沿着固定的物理线路或某 一固定物理线路的固定时隙进行的，这使得物理信道资源得到更充分的利用。ATM所提供的 业务可以在永久虚电路上传输，也可以在交换虚电路上传输。若使用交换虚电路则类似于 租用线，适合于那些要求级别很高，有特殊用途的用户；交换虚电路则类似于传统电话网 中的拨号业务。 在OSIT层协议中的物理层上，ATM支持多模光纤、单模光纤、屏蔽双绞线等，吞吐量等 级为51. 86MbpS，155.52Mbps、622Mbps等不同等级。ATM具有可延展性和灵活性，延展性 是指当需要新应用和新设备时，网络可以支持更高速度的能力。 ATM信元的高速传输，已实现商业化的是ATM业务用于同步光纤网或同步数据序列。美 国的电信公司AT＆T 研制出的ATM骨干网 Globe－2000系统，采用AT＆T的SDH传输设备，已 实现了ATM信元155.52Mbps，622Mbps，2.488Gbps的传输。 ATM网络是由一系列通过点对点ATM链路或接口相互连接的ATM交换机构成的。ATM交换 机支持两种接口：用户网络接口（UNI）和网络节点接口（NNI）。UNI用于ATM端点系统（ 主机、路由器等）与ATM交换机的连接，而NNI则可以粗略地定义为两台ATM交换机间的互连 接口。 ATM网络在进行数据传输之前，在整个ATM网络中建立一条虚拟电路。ATM电路有两种类 型：一种是虚拟路径，由虚拟路径标识符（VPI）标明；另一种是虚拟通道，由VPI和虚拟 通道标识等VCI组合起来标明。虚拟路径是一组虚拟通道的集合，这些虚拟通道在普通VPI 的基础上通过ATM网络进行透明交换。 ATM交换机通过一个已知VCI或VPI上的链路接收一个信元；在局部译码表中找出相应的 连接值，从而确定连接的引出端口以及链路上连接的新VPI／VCI值；用适合的连接标识符 将信元转发到引出链路上。两种基本连接类型是:(1)永久虚拟连接（PVC）。PVC是一种由 网络管理等外部机制建立的连接，在这种连接方式中，处于ATM源和目的ATM系统之间的一 系列交换机都被赋予适当的VPI／VCI值。（2）交换虚拟接（SVC）。SVC是一种由信令协议 自动建立的连接，不需要进行手工配置。 ATM连接的两种基本类型： 1．点对点连接：连接两个ATM端点系统。这种连接既可以是单向的，也可以是双向的。 2．点对多点的连接：可以将一个源端点系统与多个目的端点系统相连接。信元在网络 的连接分支上由ATM交换进行复制后向下传送。这种连接是单向的，只允许由根节点向叶节 点传输，不能反向传输。 三、ATM虚拟网技术 虚拟网（VLAN或VirtualLAN）是把一组用户分配在一个单一的广播域，在该广播域上 的广播流量只有其成员才能够收到。虚拟网技术既是目前网络最为热门的，可以参照OSI模 型分成第二层（主要基于MAC层）虚拟网和第三层（主要基于网络层协议）虚拟网两大类。 由于传统局域网在设计时并没有考虑虚拟网络的需求，因此在传统的技术基础上，采 用修改帧格式的方法来实现虚拟网络不仅困难重重，而且兼容性和互操作性也存在诸多问 题。随着ATM的快速普及，越来越多的用户已经或正在利用ATM虚拟网络，ATM技术是虚拟网 络的必然选择。 在第二层（MAC层）实现的虚拟网，主要通过始发交换机（Ingress Switch）对传统的 MAC进行封装，在其中加入虚拟网标识，使得其它交换机能够了解到该帧所属的 VLAN，从 而根据事先确定的虚拟网组建的策略将它正确地传输到适当的交换端口。由于可以依靠如 局域网交换机等硬件设备实现，因此具有速度快。延时小等好处。 采用两层桥接的方法，需要为VLAN交换机的每一个物理端口分派一个MAC地址，用来收 ／发经显式标志的帧。每当VLAN交换机封装一个帧，它使用相关端口的这一MAC地址作为封 装后新帧的源站MAC地址。而对于最终用户级的目的站MAC地址，VLAN交换机通过在以往通 信过程中的学习／记忆，建立并维护一个桥接对应表，表中维持用户级MAC地址和与其相关 的交换端口MAC地址的映射关系，从而确保用户间端到端通讯，以提供可扩展性。 第三层虚拟网也称为隐性标志的方法，主要通过第三层的协议信息来区别不同的虚拟 网。由于这类方法倾向于用逻辑的而非物理的方法来划分虚拟网，方法本身也不复杂，但 其实现牵涉了比较多的软件处理，故而其处理速度不及上面所介绍的基于硬件的方法，划 分的依据则主要是协议种类或地址信息等。 四、ATM交换机 异步传输模式（ATM）交换机要适应企业级网络的需要，就必须满足一系列严格的需求。 作为企业级网络的主干交换结点应满足如下需求： 1．可扩展性 交换机必须能够支持数以G位计的通讯容量，具有高瑞口密度，并且每个端口上都应该 可以支持多条虚电路，大的主干通路的速度至少要达到622Mbps，同时还应该有能力在1秒 以内处理上万条虚电路信号。 2．健壮 交换机必须能够通过充分利用带宽，流少流量堵塞等措施，担负起在流量高峰时的负 荷。 3．系统可用性 可扩展性是交换机最重要的特性，适用于企业网络的交换机要具有从45M位／秒的T－3 升级至622M位／秒的OC－12主干网的能力。必须能够保证110%地对系统资源的获取，配备 的网络管理系统必须能支持I000个或更多的结点。 为了满足广播多种应用及虚拟局域网等数据传输的要求，交换机必须能够在永久虚电 路（PVC）和交换虚电路（SVC）上支持一点到多点的连接。支持多条虚连接是必不可少的。 如果能支持的虚连接过少，交换机在用完虚连接时，即使有剩余的带宽也不用于其它的连 接。 ATM论坛确定了四种ATM层服务类，每一类都可定义不同服务质量（QOS）。 A类，即稳定字符流（CBR），如时分多路传输，这类传输只需有限的带宽，但不允许 延迟和包丢失。 B类和C类称为可变字符流（VBR），主要是指声音或影视等有爆发性的传输，B类是VBR 实时传输（VBR－RT），不允许有延迟，例如交互式视频会议等。 C类是非实时VBR传输（VBR－NRT），允许有延迟，如发送邮件等传输。 D类传输分为两类：非指定字符速率（UBR）和可用字符速率（ABR），主要用于爆发性 的局域网传输及允许一定延迟和信息丢失的数据传输。