第11章 ATM技术

第十一章异步转移模式(ATM)

1 什么是ATM

人们一般习惯把电信网分为传输、复用、交换和终端等几个部分。但是近年来随着程控时分交换和时分复用的发展，电信网中的传输、复用和交换这三个部分已越来越紧密地联系在一起了，开始使用传递(transfer mode)来统一描述。目前通信网上的传递方式可分为同步传递方式(STM)和异步传递方式(ATM)两种。如ISDN用户线路上的2B+D，以及数字电话网中的数字复用等级等均属于同步传递方式，其特点是在由N路原始信号复合成的时分复用信号中，各路原始信号都是按一定时间间隔周期性出现，所以只要根据时间就可以确定现在是哪一路的原始信号。而异步传递方式的各路原始信号不一定按照一定时间间隔周期性地出现，因而需要另外附加一个标志来表明某一段信息属于哪一段原始信号。例如采用在信元前附加信头的标志就是异步传递方式。宽带ISDN 中ATM信元的信头就是一个例子。

ATM与STM传输方式示意图如图11－1所示

2 ATM与电路交换和分组交换的比较

现代通信网中广泛使用的是电路交换和分组交换两种方式。电路交换方式适用于电话业务。分组交换适用于数据业务。而ATM信元中承载的是宽带综合业务，既有电话业务，又有数据业务，还有其他业务。ATM采用的是ATM交换方式，它是一种新的交换方式，它既像电话交换方式那样适用于电话业务，又像分组交换方式那样适用于数据业务，并且还能适用于其他业务。

电路交换是以电路连接为目的的交换方式。电路交换的过程，就是在通信时建立电路的连接，通信完毕时断开电路。至于在通信过程中双方是否在互相传送信息，传送什么信息，这些都与交换系统无关。在电话通信中的电路交换方式由于讲话双方总是一个在说，一个在听，因此电路空闲时间大约是50%，如果考虑到讲话过程中的停顿，那么空闲时间还要多一些。当把电路交换方式用在计算机通信中，由于人机交互(键盘输入、阅读观察屏幕输出等)时间长，

因而电路空闲的时间比50%还大，甚至可高达90%，所以电路交换方式最大的缺点就是电路利用率低。

分组交换是以信息分发为目的，把从输入端进来的数据分组，根据其标志的地址域和控制域，把它们分发到各个目的地，而不是以电路为目的的交换方式。分组交换是把信息分为一个个的数据分组，并且需要在每个信息分组中增加信息头及信息尾，表示该段信息的开始及结束，此外还要加上地址域和控制域，用以表示这段信息的类型和送往何处，加上错误校验码以检验传送中发生的错误。

因而可以说，电路交换它只管电路而不管电路上传送的信息。分组交换则对传送的信息进行管理。 电路交换的主要缺点是在通信过程中独占一条信道。分组交换中，交换机根据数据分组上的地址域来确定送到目的地，因而，可以有许多个通信过程共享一个信道，这是分组交换的一个主要优点。

然而，分组交换却具有信息传送的随机时延的缺点。因为在电路交换中，如果电路忙，呼叫就被拒绝，只要电路一旦连通，就可以随时把信息传送过去。在分组交换中，其共享的电路有时可能很空，信息可以马上就传送过去，有时可能很忙，信息就要在分组交换机中排队等候，排队的长度和等候时间是由电路的忙闲来决定的，这就是不确定的随机时延。当然，在分组交换机中也采取了流量控制的措施，以便减少这种时延，即当在交换机中等待的数据分组过多时，交换机会向各个输入端发出命令，禁止它们继续发送信息，或者要求它们改用较低速率传送信息。此外，在分组交换中，对收到错误的分组数据要求马上重发的反馈重发机制也增加了随机时延。随机时延对于计算机通信(数据业务)问题不大，但对于话音业务来说，随机时延就不可容忍了。

宽带ISDN中传送的是ATM信元，ATM信元从概念上讲与数据分组相似。但是，由于宽带ISDN要提供各种业务，而对话音、电视图像、立体声音乐等是不能容忍随机性延迟的，因而对于AT M信元的交换就不能照搬分组交换方式，而需要一种新的交换方式，这就是ATM交换方式。

近年来，由于光纤通信的迅速发展，不仅通信能力极大提高，而且传输错误也微乎其微，因而在分组交换的基础上产生了帧中继等快速分组交换方式，把检错纠错功能放在终端设备，从而减少了时延，提高了速率。ATM交换方式也属于快速分组交换，但它不仅仅是简化了控制，提高了速率的分组交换，同时为了满足实时业务的要求，还使用了一些电路交换中的方法。ATM改进了电路交换的功能，使其能灵活地适配不同速率的业务；ATM改进了分组交换功能，满

足实时性业务的要求。所以ATM交换方式又可以看作是电路交换方式和分组交换方式的结合。

电路交换，分组交换和ATM交换方式的比较如表11－1所示。

3 ATM的基本概念和原理

3.1 ATM的基本特征

ATM的基本特征是信息的传输、复用和交换都是以信元(cell)为基本单位。按照CCITT的建议，每个信元的长度为53个字节，其中前面5个字节为信头，用来表示这个信元来自何处，到何处去，是什么类型等。后面48个字节是要在线路上传送的信息。由于ATM有信头，所以会有一部分线路传输能力用在信头上。因此，用户可以使用的传输速率将不是155.52Mbit／s ，而是

155.52Mbit/53*48=140Mbit／s。

ATM是定长度的信元，它可以适应用户不同速率分配的要求。例如，某用户要与A、B、C三个用户通信，其速率分别为20、40、60Mbit／s，这样在用户线路上每出现一个给A的信元，就会有两个给B的信元和三个给C的信元。由于上述三个通信用户合起来的速率是120Mbit／s ，尚未达到155.52Mbit／s，因此线路还会有一些时间处于空闲状态。所以ATM可以非常灵活地适配各种不同速率的要求，用户几乎可以按任何方式把信道分割成任意多个不同速率的子信道。只要它们的速率之和不超过信道的总容量，即155.52Mbit／s就可以。

3.2 ATM的信元结构

ATM信元结构如图11－2所示。

图中：UNI为用户－网络接口；NNI为网络－节点接口；GFC为一般流量控制域；VPI为虚路径标识符；VCI为虚通道标识符；PT为净荷类型，即后面48个字节信息域的信息类型；RES为保留位，可以用作将来扩展定义，现在指定它恒为0；CLP为信元丢弃优先权，在发生信元冲突时，CLP用来说明该信元是

否可以丢掉；HEC为信头校验码，检验多项式，这个字节用来保证整个信头的正确传输。

3.3 ATM的虚路径和虚通道

在信元结构中，VPI和VCI是最重要的两部分。这两部分合起来构成了一个信元的路由信息，也就是这个信元从哪里来，到哪里去。ATM交换机就是根据各个信元上的VPI－VCI来决定把它们送到哪一条线路上去。

用同步时分复用的办法可以把一条通信线路分割成若干个子信道，如一条窄带ISDN用户线路可以分割成两个64kbit／sB信道和一个16kbit／s的D信道。在异步传递方式中，使用虚路径和虚通道的概念，也可以把一条通信线路划分成若干个子信道。例如在一条宽带ISDN用户线路上，要进行5个通信，其中到A地三个通信，到B地两个通信，这些通信里有电话通信，数据通信，图像通信等。可以用VPI=1表示向A地的通信，VPI=2表示向B地的通信。到A

地的三个通信分别用VCI=4、VCI=5、VCI=6来代表，到B地的两个通信用VCI=5、VCI=6来表示。在线路上所有VPI=1的信元属于一个子信道，所有VPI=2的信元属于另一个子信道，一般把这两个子信道都叫做虚路径，每个虚路径还可划分为若干个虚通道。图11－3所举的例子就是2个虚路径和5个虚通道。