異步傳輸模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)

隨著Internet與多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展，Web上的圖像、音頻、視頻等多媒體內(nèi)容越來越多，用戶需要有更高的接人速率。而現(xiàn)有的電路交換和分組交換很難勝任寬帶高速的交換任務(wù)。對于電路交換，當(dāng)數(shù)據(jù)的傳輸速率及其突發(fā)性變化很大時(shí)，交換的控制就變得十分復(fù)雜；對于分組交換，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率很高時(shí)，協(xié)議數(shù)據(jù)單元在各層的處理成為很大的開銷，無法滿足實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的業(yè)務(wù)的時(shí)延要求。異步傳輸模式ATM(Asynchronous Transfer Mode)就是建立在電路交換和分組交換基礎(chǔ)上的一種新的交換技術(shù)，他可以很好地進(jìn)行寬帶信息交換。

1 ATM信元格式及速率

ATM傳送信息的基本載體是ATM信元。ATM信元采用53B的固定長度，其中48B為數(shù)據(jù)，另附加5B作為信頭。在信元交換過程中，主要是參照信頭的內(nèi)容對信元進(jìn)行處理。信頭內(nèi)容在UNI和NNI中略有不同，如圖1所示。

GFC(Generic Flow Contr01)：一般流量控制，只用于UNI接口，目前沒用，置為0000。

VPI(Virtual Path Identifier)：虛通道標(biāo)識，在一個(gè)接口上將若干個(gè)虛通路集中起來組成一個(gè)虛通道(VP)，并以虛通道為網(wǎng)絡(luò)管理的基本單位。VPI在UNI中為8b，在NNI中為12b。

VCI(Virtual Channel Identifier)：虛通路標(biāo)識，標(biāo)識虛通道內(nèi)的虛通路，VPI／VCI一起標(biāo)識一個(gè)虛連接。

PTI(Payload Type)：載荷類型指示，用于指明信元中的載荷(數(shù)據(jù)域中攜帶的數(shù)據(jù))類型。

CLP(Cell Loss Priority)：信元丟失優(yōu)先級，用于擁塞控制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)擁塞時(shí)，首先拋棄CLP等于1的信元。

HEC(Header Error Contr01)：信元差錯(cuò)控制，用來檢測信頭中的錯(cuò)誤，并可以糾正信頭中的1 b差。HEC的另一個(gè)作用是用于信元定界，利用HEC字段和他之前的4B的相關(guān)性可識別出信頭位置。HEC的功能在物理層實(shí)現(xiàn)。

2 ATM交換原理

與普通IP傳輸?shù)姆敲嫦蜻B接不同，ATM是一種面向連接的交換方式。ATM交換機(jī)是根據(jù)信元頭的信息，基于信元完成的。一個(gè)ATM交換機(jī)可能只使用信元頭的VPI部分，或只使用VCI部分，或者兩個(gè)部分都使用來決定如何轉(zhuǎn)發(fā)信元。其工作過程大致是；ATM交換機(jī)接收來自特定輸入端口的、帶有標(biāo)記的VPI／VCI字段和表明屬于特定虛電路的信元，然后檢查路由表，從中找出從哪個(gè)輸出端口轉(zhuǎn)發(fā)該信元，并設(shè)置輸出信元的VPI／VC!值。就像電話呼叫的例子，只使用信元頭部的VPI字段進(jìn)行ATM信元的大量交換是非常有用的。

ATM采用了虛連接技術(shù)，將邏輯子網(wǎng)和物理子網(wǎng)分離。類似于電路交換，ATM首先選擇路徑，在2個(gè)通信實(shí)體之間建立虛通路，將路由選擇與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分開，使傳輸中間的控制較為簡單，解決了路由選擇瓶頸問題。設(shè)立虛通路和虛通道兩級尋址，虛通道是由兩結(jié)點(diǎn)間復(fù)用的一組虛通路組成的，網(wǎng)絡(luò)的主要管理和交換功能集中在虛通道一級，減少了網(wǎng)管和網(wǎng)控的復(fù)雜性。在一條鏈路上可以建立多個(gè)虛通路。在一條通路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元均在相同的物理線路上傳輸，且保持其先后順序，因此克服了分組交換中無序接收的缺點(diǎn)，保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性，更適合于多媒體數(shù)據(jù)的傳輸。 在信頭的各個(gè)組成部分中，VPI和VCI是最重要的了。這兩個(gè)部分合起來構(gòu)成了一個(gè)信元的路由信息，該信息表示這個(gè)信元從哪里來，到哪里去。為此常把這兩個(gè)部分合起來記作VPI和VCI。ATM交換就是依據(jù)各個(gè)信元上的VPI和VCI，來決定把他們送到哪一條輸出線上去。

每個(gè)ATM交換機(jī)建立一張對照表。對于每個(gè)交換端口的每一個(gè)VPI和VCI，都有對應(yīng)表中的一個(gè)入口。當(dāng)VPI和VCI分配給某一信道時(shí)，對照表將給出該交換機(jī)的一個(gè)對應(yīng)輸出端口以及用于更新信頭的VPI和VCI值。

當(dāng)某一信元到達(dá)交換機(jī)時(shí)，交換機(jī)將讀出該信元信頭的VPI和VCI值，并與路由對照表比較。當(dāng)找到輸出端口時(shí)，信頭的VPI和VCI被更新，信元被發(fā)往下一段路程。

在ATM環(huán)境中，怎樣使用VP和VC呢?VP就像一個(gè)能夠攜帶許多VC(最多可達(dá)65 000條)的管道或通道，他可以是從交換機(jī)到交換機(jī)的虛擬線路，也可以是橫穿ATM網(wǎng)絡(luò)由終端到終端的所有線路。除了最大的專用局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)外，65 000條VC在當(dāng)今是足夠的。實(shí)際上支持復(fù)雜的VP并不需要這么多VC，許多ATMLAN發(fā)送點(diǎn)僅支持一條虛通道，即

VPI＝0。當(dāng)只有一條VP被支持時(shí)，他不用作端到端的連接，所以這里并不要求VC一定在給定的VP中，這樣VC可連接任何一組站群而不受VP的影響。通常數(shù)據(jù)是在一條VC中傳送的。

另一方面，交換機(jī)在典型情況下，必須支持成百上千條不同的VP，最大可能支持上百萬條不同的VC。通常客戶系統(tǒng)希望能夠提供給他們用戶一條通過網(wǎng)絡(luò)的專用VP，VP可以連接網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)端到端用戶，若VP使用這種方式，則被稱為一條虛通道連接(VPC)或稱為一個(gè)"虛通道路徑(VP Channel)"。他可以帶有"永久虛擬線路(PVC，Permanent Virtual Circuits)"和"交換虛擬線路(SVC，Switched Virtual Circuits)"。如圖2所示。

在一個(gè)VP通道中，系統(tǒng)用戶可以建立PVC和SVC，而無需系統(tǒng)以任何方式參與，甚至系統(tǒng)的交換機(jī)也不必直接支持SVC。VP通道能夠提供一條路徑將公用網(wǎng)中不同的公司互相隔離開來。在使用公用ATM服務(wù)器的這條路徑中，就需要用復(fù)合VP通道互聯(lián)用戶網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)點(diǎn)。

在公用ATM網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，若系統(tǒng)不提供VP通道的能力(有些可能沒有)，則系統(tǒng)只能提供PVC，這是因?yàn)榻粨Q機(jī)不能直接支持SVC(有些從不支持)，有些系統(tǒng)也不希望支持SVC(因?yàn)樗蛊髽I(yè)間帳目復(fù)雜化，并增加了保密數(shù)據(jù)的流量)。若無VP通道，系統(tǒng)通常

在網(wǎng)絡(luò)端點(diǎn)用VPI＝0，產(chǎn)生和結(jié)束PVC。如圖3所示。

在公用網(wǎng)絡(luò)中，PVC是用戶提前申請并由系統(tǒng)建立的。PVC在對外連接"ATM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備"(如以太網(wǎng)或帶ATM的FDDI轉(zhuǎn)換器、ATM集線器)時(shí)是相當(dāng)有用的。許多非ATM信號源可通過單個(gè)PVC動(dòng)態(tài)多路復(fù)合返回到指定點(diǎn)。在ATM主機(jī)間使用PVC也可限制預(yù)定端點(diǎn)的通信。在公用網(wǎng)中這是符合要求的。

在專有網(wǎng)絡(luò)(LAN或WAN)中，由于終端站可以自己申請建立SVC，所以SVC是站點(diǎn)之間的通信更可取的路徑。這就是當(dāng)今大多數(shù)專用非ATMLAN和WAN的工作方式。因此，占用網(wǎng)絡(luò)ATM交換機(jī)必須直接支持SVC。但是，若終端站或邊緣設(shè)備不支持SVC或是按要求不允許申請連接SVC，這時(shí)在專用網(wǎng)中有用PVC的，PVC必須由網(wǎng)絡(luò)控制者提前建立。但由于路徑是預(yù)定的，所以當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，PVC比SVC優(yōu)越性差。故此，在專用網(wǎng)絡(luò)中虛通道VP不重要甚至不需要了，如圖4所示。

3 ATM交換機(jī)

在B-ISDN中，ATM交換機(jī)連接著用戶線路和中繼線路。在用戶線路上和中繼線路上傳送的都是ATM信元。ATM信元交換機(jī)的通用模型及其原理如圖5所示。其通用模型有一些輸入線路和一些輸出線路，通常在數(shù)量上相等(因?yàn)榫€路是雙向的)。在每一個(gè)周期從每一輸入線路取得一個(gè)信元(如果有的話)。通過內(nèi)部的交換結(jié)構(gòu)(switching fabric)，并且逐步在適當(dāng)?shù)妮敵鼍€路上傳送。從這一角度上看，ATM交換機(jī)是同步的。而且，他不關(guān)心信息的內(nèi)容和形式。他簡單地把信息分割成相同長度的分組，并給分組加上頭部，以使分組能到達(dá)目的地。ATM信頭只有很少的幾項(xiàng)功能，這使其能被網(wǎng)絡(luò)無時(shí)延地處理。

所有的ATM交換機(jī)都有2個(gè)共同的目標(biāo)：一個(gè)是以盡可能低的丟失率交換所有的信元；另一個(gè)是決不能在虛電路上記錄信元。可以說，ATM交換機(jī)的任務(wù)，就是根據(jù)ATM信頭上虛通道標(biāo)識符和虛通路標(biāo)識符，把送人的ATM信元轉(zhuǎn)送到相應(yīng)的中繼線或用戶線上去。舉例來說，用戶A正在使用虛通道VPI；2、虛通路VCI=1向北京發(fā)送一幅圖片；同時(shí)又在使用VPI=3、VCI＝1向北京發(fā)送一段語音；同時(shí)還在用VPI=4、VCI＝2從深圳接收數(shù)據(jù)。那么，交換機(jī)就應(yīng)該把從用戶線A上收到的VPI＝2、VCI＝1的ATM信元轉(zhuǎn)送到中繼線C上，把從用戶線A上收到的VPI=3、VCI＝1的ATM信元也轉(zhuǎn)送到中繼線C上；同時(shí)把從中繼線D上收到的VPI=4、VCI＝2的ATM信元轉(zhuǎn)送到用戶A上，如圖6所示。

由于在B-ISDN上，用戶線和中繼線上傳送的都是ATM信元，所以對ATM交換機(jī)來說，可以在許多情況下對中繼線和用戶線不予區(qū)分，這樣就可以得到一個(gè)抽象的ATM模型。聯(lián)接在這個(gè)交換機(jī)模型上的一部分線路向這個(gè)交換機(jī)抄送出ATM信元，因而叫做這個(gè)交換機(jī)的入線；另一部分線路則從這個(gè)交換機(jī)接收ATM信元，因而叫做這個(gè)交換機(jī)的出線。ATM交換機(jī)的功能就是根據(jù)送人的ATM信元的VPI和VCI，把他們送到相應(yīng)的出線上去。

為了完成上述ATM信元的工作，一個(gè)ATM交換機(jī)一般由3個(gè)基本部分構(gòu)成：入線處理和出線處理部分、ATM交換單元、ATM控制部分。其中，ATM交換單元完成交換動(dòng)作；ATM控制單元對ATM交換單元的動(dòng)作進(jìn)行控制；入線處理部分對各入線上的ATM信元進(jìn)行處理，使他們成為適合送入ATM交換單元的形式；出線處理部分對ATM交換單元送出的ATM信元進(jìn)行處理，使他們成為適合于傳輸?shù)男问健?/P>

我們知道，在通信線路上常常是傳送一個(gè)比特一個(gè)比特的串行信號，而在ATM交換單元中為了提高速度，常常需要一次讀入若干比特的并行信號。因此，諸如串／并轉(zhuǎn)換等功能，在入、出線處理部件里總是需要的。事實(shí)上，為了簡化交換單元的設(shè)計(jì)，我們也總是把那些可以在入線和出線就能處理的事放人到人、出線處理部件上工作。

交換機(jī)的主要功能是提供一種方法，將來自輸入端口的信元快速、有效地路由到輸出端口。ATM交換設(shè)備將進(jìn)行單個(gè)信元的輸入處理、標(biāo)頭的轉(zhuǎn)換以及輸出處理。信元標(biāo)頭必須按輸出端口的要求進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為確保信元進(jìn)入適當(dāng)?shù)奈锢礞溌罚粨Q機(jī)必須對信員進(jìn)行輸出處理。