什么是ATM
ATM，或者说异步传输模式，最初被设计用来为数字通讯传输宽带综合业务数字网，但也
提供了一种将所有数据传输集成到相同构架的途径。ATM支持：
广域网并不固定于特定的物理实现，它有灵活的速度，独立于它所传输的数据类型。
就像可改善的物理资源一样，可升级的数据传送构架的规定已成为可能。
决定于应用和使用的物理连接的不同为速率的链接。
使用同一普遍技术的广域和局域网的集成。
在商业领域，解释每一被发送的认证和票据的数据单元的能力。
对于终极用户担保的服务质量的规定。
ATM协议是基于标准的，与由ATM论坛实现的ATM标准同等。ATM论坛是‘一非盈利性的国
际组织，目的是通过协同性规定的快速汇聚来加速ATM产品和服务的使用。由许多涉及ATM论
坛的公司，包括摩托罗拉、微软、诺基亚、AT&T、Mitsubishi、Ericsson、Sun微系统等等。
在网页Http：//
www.atmforum.com/atmforum有成员的完整的列表。
ATM是一面向连接的技术，使用53字节的小的、固定的长度单元，允许网上的非常快速的
交换。一ATM网络，在数据能够在两节点之间传输之前，它们之间建立了一条虚拟路径。虚拟
路径，如图3所示，很像网上转换之间的管道。每一管道包含了一个或多个虚拟信道，每一
信道仅单向的传输一独立的数据流。例如，为建立一电话通话，一条虚拟路径需两条各是
64bps且反向的虚拟信道。每一虚拟信道有其自身的带宽和服务需求。
使用虚拟路径是因为ATM非常快，因此需要非常快的交换，而传统的路由器并不足够快速。
没有时间来把包读入缓冲区，检查它的目的地址，查查询表以找到发送包的下一个地址，然后
把包发送出去。ATM在数据传输开始之前将包按虚拟路径（VPI）和虚拟信道（VCI）编成独立
的号码。数据单元仅包含简短的VPI和VCI（总共28位），不是整个目的地址，并且当数据单元
还正在进入交换时VPI和VCI已被非常快的读和处理了，因此数据单元在交换本身花费很少的时
间。
使用虚拟路径和虚拟信道的另一优点是一旦建立，路径是固定的，除非设备问题；因此没
有数据单元混乱无序的风险。这是同步（时间依赖）通讯更易于处理。在路径建立期间，服务
质量也同时认定。这包括有带宽、传输时间、被传输的通信量的需要的抖动、允许ATM网络处理
通讯的不同类型和保证对于终极用户所期望的连接质量。
ATM和开放系统互连参考模型
ATM位于数据链路层内。ATM软件是由实现了一运输协议家族的的网络软件系统建立的，例
如TCP/IP，IPX/SPX。软件负责实现与网络处理相关的高层函数。许多函数通常与网络层相关，
例如，地址编码（addressing）、路由、中继都是由ATM层实现的。最终节点使用整个ATM模型，
同时交换仅使用物理和ATM层。
ATM信元结构
图4是一ATM信元的图表。与具有可变长度的局域网包相比，ATM的信元有固定的长度。每
一信元由53字节：前5个字节组成信头，剩下的48字节留给用户数据或附加的控制数据，例如
ATM适配层（AAL）服务。短的、固定长度的信元比长的、可变长度的信元会产生更短的延时和
更少的抖动（延时的偏差），使其更适应于声音和视频服务。信元的大小被固定，使得通过最
小化处理每一信元所需的总开销而使交换设计简单化。
信元也有可能丢失。转换器仅有很小的缓冲区并且如果在一个转换器中有一个信元空间，
缓冲区会很快溢出，信元会被丢弃。在数据链路层没有对用户数据的错误检查机制。检查毁坏
或丢失的信元是属于上层协议的任务。遗憾的是，上层协议检查包含好几个信元的帧，因此如
果服务的质量要求重发，即使仅有一个单信元丢失或毁坏整个帧都将被重发。
信头
有两种类型的信元头：用户节点接口（UNI）和网络节点接口（NNI）。这一图示在图5中
有详细的描述。用户节点接口建立呼叫和将应用程序连到网络上，网络节点接口处理两个分离
的能互相间通信的ATM网络。私人的网络节点接口对于接口不同厂家的ATM交换器是标准的。信
头的结构如下：
一般流量控制（GFC），4位
这个域仅被用在用户节点界面上。它被用来定义一简单的多路复用方案。
虚拟路径标识（VPI），8或12位
这个域在用户节点接口中是8位，网络节点接口中是12位。它被用来把虚拟信道分组到为了
路由的目的的路径上。
虚拟信道标识（VCI），16位
这个域在一个虚拟路径内标识一详细的信道。
净荷类型（PT），1位
这个域标识了用户数据域的信息类型。
信元丢失优先级（CLP），1位
这个域被用来决定当拥塞发生时什么信元最先被丢弃。
信头差错控制（HEC），8位
这个域包含了一错误监测和纠正的代码，被用来在信头纠正单个错误和检测双个错误。这
防止了信元被发送给错误的终端用户。
一个ATM信元的净荷可以使任何类型，只要它能被数字编码。发送机制独立预备发送的数
据的类型。电路本身并不需要知道信元中有些什么，只要明白从那里得到他们并将它们放到何
处。
服务质量
ATM网络定义了服务质量的参数，它们基于速度、准确性和被发送信元所要求的可靠性。有
不同的服务参数，因为不同类型的信息有不同的标准，例如在传送过程中某些数据可以容忍时
延却不允许信元的丢失，然而有些信息，例如实时的视频不能容忍迟延的信元却可接受一定量
的错误或丢失的信元。
在连接建立之前服务的质量被网络协商。一旦配置好，网络将保证给终端用户以确认的服
务质量。在建立一个ATM连接期间三个最重要的被协商的参数是：
峰值信元率（PCR）
这个参数决定了在信元穿过电路被发送的任何时刻的最小速率。如果速率增长的超过了峰
值信元率，信元很可能在途中搁置。
可维持信元率（SCR）
这个参数定义了信元有效通过一电路的持续平均速率。
n最小位率（MBR）
这个参数意味着为电路所保留的最小量的带宽。如果源址没有什么可发送给目的地址，空
的信元将会被发送以维持带宽。
参数被用来定义下列ATM类：
固定的位率（CBR）
这个类提供一持续的广播质量的视频和声音的数据通讯传输的异步位流。这能给予相当于
可比的专线的性能。它是一昂贵的选项，因即使线是空闲的也要在两点之间保证带宽。当没有
数据发送时，链接将以同样的速率发送空闲或空的信元，以便仍有效的使用带宽。
实时可变的位率（rt-VBR）和非实时的可变位率（nrt-VBR）
这些服务允许数据突发的被传输。电视会议即是一个使用实时可变位率的应用例子视频
信号中相当大的冗余度可使一帧的丢失并不明显的影响输出。实时可变位率比非实时可变位
率更集中于控制收发方的传输延时。
不确定位率（UBR）
互联网的访问使用不确定位率。这项服务并不指定传输延时，也不关心信元是否成功的
被接收。它将这些工作留给上层的协议来完成，如Internet协议（IP）。
有效位率（ABR）
在能使信元的传输速率变化上来说它与不确定位率相似，但它提供更好的服务质量的保证。
ATM适配层
ATM适配层（AAL）是把一特定的数据源转换成ATM通讯量的特定类型的服务，也就是说它
处理建立用户所要求的服务质量的机制。有四个被定义的类：
AAL1：与时间相关的固定位率数据
AAL2：与时间相关的可变位率数据
AAL3：具有时间独立性的可变位率数据
确保操作错误恢复
非确保操作留给上层处理的错误恢复，可选的流控制
AAL4：无连接的服务。
在AAL内有两层：
汇聚子层
这一层在用户数据的前后插入一头和尾，以定义所需的服务。
分段与重装子层
这一层接收从汇聚子层来的数据单元并将它们分成用于传输的片段。它加上了重装信息的
头。
交换
ATM中一关键的过程是以极高位率处理信元的交换设备。简单的交换机也必需能达到ATM所
要求的高速。小的、长度固定（53字节）信元可优化交换结构。ATM的面向连接的特性使得交
换模块需有预定义的路由表，此路由表可以最小化单交换路由的复杂性。一个ATM交换一般每
秒在每一交换端口处理几十万个信元。在最简单的交换设计中，有许多链接来发送和接收信元。
信元被交换所接收并根据交换内的路由表转发到相应的出口。
交换处理的核心如下：
信元在输入端被接收，它的信头被检查以决定发向的出口。
VPI/VCI域被改为正确的出口的值，并且计算HEC（信元头差错控制）的值。
在输出端信元被转发向它的目的地址。
在此处理期间，信元的顺序在交换中被保留。
有许多其他的任务交换节点也必须得做到：
HEC域必须在所有进入的信元中检查。如果发现错误，将丢弃信元以防止信元的错误路径
选择。当信元以新的VPI和VCI值发送时，HEC域必须重新计算并插入信元中。
在交换内必须有处理拥塞的机制。当拥塞发生时，经常采取丢弃信元的形式。
在交换内必须有一更新VPI/VCI路由表的控制机制。
必须有一操作管理和维护（OA&M）系统，以利于组织结构的操作，网络的控制和错误诊
断和报告。
必须有一收集帐表信息的系统。
交叉交换
交叉交换是由一种电路交换技术所实施的。输入端和输出端均连在大量的分离的平行数据
路径上。相对于输出路径输入路径在右边，形成一矩阵。在输入和输出路径的每一交汇处（交
叉点）有一开关。仅需简单的转向正确的开关，任一输入均能连向任一输出。每次只有一个输
入可以连上任一个输出，但（潜在的）单个的输出能被连在多个输出上。对于这种工作在ATM
网络下的交换类型，允许仅一个信元从输入端被传到输出端的连接需要很短的时间。
这种交换类型的优点是：
交换非常简单。
在交换内没有冲突，尽管当量个输入要求同样的输出端口时可能会产生阻塞。
缺点是：
要求的交叉点的数目是交换终端口数的平方。随着交换规模的增长，消耗会成指数增长。
连结输入与输出可通过一中间数据路径的集合，这样交换的规模能减小。这样的问题是阻
塞现在在交换内产生了，因为与输入输出端相比中间数据路径太少了。
交换被一中央逻辑函数所控制。随着交换规模的增大，对控制模块所要求的速率也在增
加。这会引起队列延时控制模块内的争用。
总线/底板型交换
在总线型交换中，外部链接通过一适配卡连到交换上。这个适配卡本身就是一小型的交换，
因为它有所有的交换和路由的功能。数据在总线上的适配卡之间传送。
总线型交换的优点是：
由于总线大的吞吐量，它的平行传输数据位是快速的。
这种交换类型的缺点是：
每次只有一个适配卡能传送数据，因此整个系统的吞吐量也就相当于总线的吞吐量了。
有一决定哪一适配卡能使用总线的仲裁的系统开销。
随着总线长度的增加，它会变得越来越慢且效率也越来越低。这就限制了总线上适配卡
的数量。
多级交换
串行逐级的交换的最简单的形式是‘Banyan’交换网络。它的概念非常简单：
交换矩阵中的每一方块代表一单个的交换模块，他们中的每一个都有两个输入端和两个
输出端。
交换模块通过串行（每次一位）链路连接起来。
尽管在实际的交换中输入端和输出端成对的形成全双工连接，输入和输出链接仍被认为
是分离的。
当一串位流（被交换的数据块）到达输入端时，交换模块使用接收到的第一个位决定它
的两个输出端的哪一个将被用来转发数据。用来决定路由的位被丢弃，剩下的部分被向前送
到下一级交换上，在那里也进行着同样的处理。在每一级交换中有最小的数据缓冲，导致了
终端之间的同步交换操作。在信元的尾部被接收之前，它的头部已正从交换输出。
Banyan交换的优点是：Banyan交换简单、模块化、可扩充并且具有最小的时延；然而它
的缺点是如果两个经过交换的数据块在任何时候使用一条普通链接时（交换输出端），将会
发生冲突。通过在每一交换模块方缓冲数据即可解决这一问题，但会引起交换内的时延，增
加网络的传输延时。
PNNI协议
网际专用接口（PNNI）协议用来建立、保持和删除连接。ATM交换通过一适当的路由表将
VPI和VCI的输入转换成输出端的VPI/VCI对。ATM交换根据路由表的内容来就定它们的路由选
择。
PNNI层次结构
ATM网络中的交换是作为一些同位体组的层次结构来排列的。组中的每一交换都有一相同
的同位体组的标识，它在配置时即被赋值。同位体组中的每一交换都一相同的组的视图，它
存储在各自的拓扑数据库或路由表中。每一同位体组分配了一同位体组引导段，它在结构系
统中的下一层代表着同位组。在结构系统中的下一层次，同位组引导段被置成同位组。同位
组引导段给更高层次的同位组的其他成员以自己同位组的一个概要，并且它们为自己的同位
组过滤出其他组的概要的图片。这样，每一交换都由它自己的同位组的详细的拓扑视图和网
络上其余各组的概要的视图。交换就利用这个数据库和路由表在信元离开交换之前来更新它
的VPI和VCI的域值。
Hello协议
当一交换打开时，它会立即交换一个描述自身的‘hello’包给其相邻者。如果相邻者有
相同的同位组标识，那么它们就属于同一同位组并且他们互相之间拥有各自的拓扑信息，必要
的话即可省级它们的数据库，以便每一交换有同位组的相同的视图。这被称为扩散。如果它们
有不同的同位组标识，它们则是同位组之间的边界节点。
PNNI信令
信令协议被用来建立连接。这些协议交换能够使呼叫建立和控制的信息。这个复杂的路由
问题可被经由独立的同位组来划分成更小的问题。
局域网模拟
我们现在了解了ATM工作的基本原理。然而，ATM从头按装是很昂贵的，许多用户希望继续
使用它们的以太局域网，随着通讯量的增加再逐步过渡到ATM上来。ATM可以用在局域网上，有
一LAN模拟可以解决此问题。
局域网在无连接环境下工作，也就是说，用户发送了一头上有目的地址的包，包利用了它
所能找到的最好的路由到达目的地。包也能被标识为广播类型使所有节点都能收到。广播类型
的包被用来在网上发布。
相反的，ATM工作在面向连接的环境中，这也对于广播型的包提出了一个难题。在ATM中没
有发送单一信元到所有节点的机制，并且既然单一的ATM包括了局域网和广域网连接，广播的
消息将不知道到哪儿停止。为了解决这些问题能使ATM用于局域网环境中，便开发了ATM模拟。
在局域网环境中将有两种类型的用户那些安装有ATM卡且直接工作在ATM网络中的用户和那
些形成了已存在的以太网或令牌环网的通过路由器到ATM网上的用户。
如果有两个被ATM网络所连的以太网段，ATM被看作是广域链接，它能在每一终端经由一网
桥链接起来。网桥在它们之间建立了点到点的连接。网桥着重形成ATM信元，数据来自以太网
包，并且在另一终端处重组它们。在有两个以上被ATM网络所连的以太网段的情况下，同样原
理：一特定的网桥将和其他特定的网桥建立点到点的连接来传送数据。
如果ATM用户想要与以太网用户通讯，那就变得复杂了。首先，ATM机器需要知道怎样分割
以太网包成信元。其次，需要由某种机制将以太网地址翻译成能被ATM网络所理解的形式。第
三，需要有某种形式的双向广播的能力，因为更高层的协议希望在低层有一类以太网的网络。
为了解决这些问题，以下步骤将被采用：
在ATM机上运行LAN模拟客户端软件以处理分割和重组以太网包。
在ATM机上的高层网络协议假定它们是在一以太网之上的，尽管直接访问ATM是可以的。
以下服务将被执行：
LAN模拟服务器(LES)：此服务处理虚拟信道以及在以太网地址和ATM地址之间解释的建立。
LAN模拟设置服务器(LECS)：这项服务提供设置信息，如在哪儿找到LAN模拟服务器。
广播和无名服务器(BUS)：此服务提供广播模拟。不管是来自以太网和ATM网之间的网桥还
是来自内部ATM机的广播包，都将被送至这个服务器。BUS而后将通过简单的初始化一连接和拷
贝包来重发广播包至所有的LAN模拟节点。BUS也能处理组播（用一有限的接收者子集来广播发
送包）和作为任何ATM地址还没有确定的包的接收者。
总结
ATM已经发展成为能够便利所有类型的或远或近的高速通讯。它旨在建立一简单的能够连接
局域和广域网的网络。开放系统互连参考模型的开发是为了能够使子网互连工作。它包含七个
层次，从物理连接器到网络应用软件。每一层都完成一不同的任务并且对其上层提供服务。
ATM是位于第二层数据链路层。
ATM使用电路交换技术来在终端之间发送小的、53字节的信元。信元并不包含完整的地址，
因为信元在发送之前路由被预先设置，虚拟路径也被建立。每一信元包含5字节的信头信息，包
括一虚拟路径和虚拟信道标识以及48字节的用户数据或其他控制数据。
当路由建立是服务质量也同时被确认，因此终端用户知道连接所能够提供的服务。当有声
音、食品、数据等的混合体在同一网络上时，服务质量就显得很重要了，因为每一通讯类型要
求网络一不同方式传输。服务质量定义了如峰值信元率、可维持信元率和最小位率的参数。服
务质量是由ATM适配层所建立的(AAL)。
ATM交换必须能够处理非常快的ATM位率。交换从进来的信元读如虚拟路径和虚拟信道表示，
并根据预先决定的路由把它们连到交换的正确的输出口。交换的类型包括交叉交换、底板型和
Banyan交换。PNNI协议被用来建立、维持和删除连接。为了能够使ATM与一已存在的LAN结构结
合起来，有一LAN模拟模型能使网络的ATM部分处理LAN类型的包和广播包。
未来需要更好、更快、更可靠的通讯。目前的网络不能处理日益增长的通讯量。对于服务
提供上来说，提供可靠的网络连接和服务质量将变得非常重要。ATM能够提高网络性能，也能保
证网络终端用户的服务。尽管还没有被普遍使用，ATM仍是下一代网络的具有潜力的解决方案。
(全文完)
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