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异步转移模式

异步转移模式(ATM)是一种以固定长度的分组方式,并以异步时分复用方式,传送任意速率的宽带信号和数字等级系列信息的交换设备。异步转移模式是用于实现宽带综合业务数字网( B-ISDN )的基础技术。它可综合任意速率的话音、数据、图像和视频的业务。是未来21世纪的主要交换设备。

ATM有以下特点:

(1)异步转移模式综合电路交换和分组交换的优点而成,它使用统一的信元(Cell)作为基本传送单位,即48个字节的信息码加5个字节的信息头共53个字节;

(2)异步转移模式的速率为155Mb/s(STM-1)或622Mb/s(STM-4),进行高速分组交换,以降低时延,近来又将其速率适当降低如52Mb/s,已被ITU-T采纳;

(3)异步转移模式采用单一结构可实现多媒体通信,并用多种用户-网络接口为用户提供多种服务,并可与现有的任何一种业务相连,将其纳入统一的网路。

ATM通常与同步数字系列(SDH)或准同步数字系列(PDH)结合在一起组成宽带综合业务数字网(B-ISDN),为用户提供虚通道(VP)和虚电路(VC)精力,前者为半永久性连接,后者为交换性连接。在网路结构上分为骨干网和用户接入网,前者节点间用网路间接口(NNI)互边连,后者用网路用户接口(NUI)互连。用户接入网是将用户现存的局域网(如Ethernet、To-kenRing、FDDI、以及用户ATM设备)、话音(如PABX)、数据网(PSPDN、DDN、模拟专线等)、帧中继(F、R)和贬低、图形以及多媒体等业务经接入ATM转换成标准的ATM格式在骨干网上传送。

ATM主要为用户提供高速、低时延、可交换的宽带的电路,主要应用有

(1)高速的局域网互连;

(2)高质量的电视会议;

(3)远程教学;

(4)远程医疗诊断;

(5)远地协同工作;

(6)多媒体通信;

(7)按需分配频宽(VOD)和电视点播;

(8)影视远程分配;

(9)可提供定时、可选频宽的各种业务。

ATM作为未来新一代高速宽带综合业务数字网的交换机将会得到迅速的发展。 [1]

信元实际上就是分组,只是为了区别于X.25的分组,才将ATM的信息单元叫作单元。ATM的信元具有固定的长度,即总是53个字节。其中5个字节是信头(Header),48个字节是信息段。信头包含各种控制信息,主要是表示信元去向的逻辑地址,另外还有一些维护信息、优先级及信头的纠错码。信息段中包含来自各种不同业务的用户数据,这些数据透明地穿越网络。信元的格式与业务类型无关,任何业务的信息都同样被切割封装成统一格式的单元。

ATM的信头有两种格式,分别对应用户-网络接口UNI和网络节点接口NNI。其中个字段的含义及功能如下:

(1)一般流量控制字段GPC(Generic Flow Control),又称接入控制字段。当多个信元等待传输时,用以确定发送顺序的优先级。

(2)虚通道标识字段VPI(Virtual Path Identifier)和虚通路标识字段VCI(Virtual Channel Identifier)用做路由选择。

(3)负荷类型字段PT(Payload Type)用以标识信元数据字段所携带的数据的类型。

(4)信元丢失优先级字段CLP(Cell Loss Priority)用于阻塞控制,若网络出现阻塞时,首先丢弃CLP置位的信元。

(5)信头差错控制字段HEC(Head Error Control)用以检测信头中的差错,并可纠其中的1比特错。HEC的功能在物理层实现。 [2]

有很多文件与ATM有关,其中大部分由ITU-T、ANSI和ATM论坛颁布。ATM标准的开发始自1984年,ITU-T和ATM论坛于1993年完成了许多标准,ATM论坛还颁布了B-ISDN交换运营商接口,用于美国LATA(本地访问与传输区域)间的操作。在分层结构上,ATM类似于其他新兴通信技术(如城域网[MAN]和交换多兆位数据业务[SMDS])。ATM适配层(AAL)为面向连接和无连接的可变比特率(VBR)应用提供会聚功能。ATM以恒定比特率(CBR)方式支持同步应用(语音、视频)。AAL实际上又分成两个子层:分段和重装子层(SAR)和会聚子层(CS)。顾名思义,SAR负责在发送端支持不同长度和格式的用户PDU(头部和尾部);在接收端,它把48字节的数据单元按用户格式重新组装成用户PDU。CS的功能取决于AAL所处理的业务类型,例如语音、视频和数据。

ATM的出现对应两种形式的用户到网络接口(UNI):公共UNI定义了公共业务ATM网络与专用ATM交换机之间的接口;专用UNI定义了最终用户与专用ATM交换机之间的接口。UNI上的用户业务由信元头部的两个值来标识:虚信道标识符(VCI)和虚拟路径标识符(VPI)。在用户以按需连接的方式进入与网络的会话以及用户以永久虚电路(PVC)方式进入网络这两种情况下,分配这些值给用户。VPI和VCI也用于ATM网络。交换机检查VPI和VCI以确定如何通过ATM网络来选择信元的路由。

ATM协议数据单元(PDU)叫信元,它的长度为53字节,其中5个字节用于ATM头部,48个字节由AAL和用户有效负载占用。ATM信元针对UNI和NNI的配置略有不同。

流量控制字段被称作一般流量控制(GFC)字段,如果这个4bit的GFC字段不用,则设置为零。5字节信元头部中的大部分值由虚电路标号VPI和VCI组成。有效负载类型标识符(PT)字段标识信元中的业务的类型,信元中可以包含用户业务或管理/控制业务。信元丢失优先级(CLP)字段只有1bit。报头差错控制(HEC)字段用于差错检验,它也可以纠正1bit的差错。

ATM的网络互通规范由ITU-T在G.708推荐标准中以网络节点接口(NNI)的方式颁布,而由ATM论坛颁布的相应部分则被称作宽带交换运营商接口(B-ICI)1.0版。这两个规范的主要差别在物理层:NNI规定采用SDH,而B-ICI规定采用SONET或DS3。当然,其他的物理层从技术上讲也是可行的。

时分复用方式工作,来自不同信息源的信元汇集到一起,在一个缓冲器内排队,队列中的信元著个输出到传输线路,在传输线路上形成首尾相接的信元流。信元的信头中写有信息的标志(如A和B),说明该信元去往的地址,网络根据信头中的标志来转移信元。

信息源随机地产生信息,因为信元到达队列也是随机的。高速的业务信元来得十分频繁、集中,低速的业务信元来得很稀疏。这些信元都按先来后到在队列中排队,然后按输出次序复用到传输线上。具有同样标志的信元在传输线上并不对应某个固定的时间间隙,也不是按周期出现的,也即信息和它在时域的位置之间没有关系,信息只是按信头中的标志来区分的。这种复用方式称为异步时分复用(Asynchronous Time Division Multiolex),又称统计复用(Statistic Multiptx)。而在同步时分复用方式(如PCM复用方式)中,信息以它在一帧中的时间位置(时隙)来区分,一个时隙对应着一条信道,不需要另外的信息头来标识信息的身份。

异步时分复用方式使ATM具有很大的灵活性,任何业务也都可按实际需要来占用资源。对于特定的业务,传送速率可随信息到达的速率而变化,因此网络资源得到了最大限度的利用。ATM网络可以适用于任何业务,不论其特性如何(速率高低、突发性大小、质量和实时性要求等),网络都按同时的模式来处理,真正做到了完全的业务综合。

若某个时刻队列中没有等待发送的信元,此时线路上就出现未分配信元(信头中含有标志φ);反之,若某个时刻传输线路上找不到可以传送新元的机会(信云啊都已排满),而队列已经充满缓冲区,此时为了尽量减少对业务质量的影响,将优先级别低的信元丢弃。缓冲区的容量必须根据信息流量来计算,以使信元丢弃率在10-9以下。  为了提高处理速度和降低延迟,ATM以面向连接器的方式工作。网络的处理工作十分简单:通信开始时建立虚电路,以后用户将虚电路标志写入信头(即地址信息),网络根据虚电路标志将信元送往目的地。

经过ATM网络中的节点提供信元的交换。其实,ATM网络的节点完成的只是虚电路的交换,因为同一虚电路上的所有信元都选择同样的路由,经过同样的通路到达目的地。在接收段,这些信元到达的次序总是和发送次序相同。

ATM交换节点的工作比X.25分组交换网中的节点要简单得多。ATM节点只做信头的CRC检验,对于信息的传输差错根本不过问。ATM节点不做差错控制(信头中根本你没有信元的编号),也不参与流量控制,这些工作都留给终端去做。ATM节点的主要工作就是读信头,并根据信头的内容快速的将信元送往要去的地方,这件工作在很大的程度上依靠硬件来完成,所以ATM交换的速度非常快,可以和光纤的传输速度相匹配。

ATM是一种高速、低延迟的多路复用和交换技术,它可支持任何类型的用户业务,比如语音、数据和视频。ATM采用小的、固定长度的单元(称作信元),每个信元由包含于信元头部的虚电路标识符来识别,ATM网络使用这些标识符经由高速交换机对业务进行中继处理。ATM提供有限的差错检测操作,它不提供重发服务,只在小的信元头部进行很少的操作,这样做的目的是使网络具有足够快的速度以支持多兆位传输速率。在ATM层之上还有一层,称作ATM适配层,这一层对各种业务类型进行大量的会聚、分段和重装操作。 [3]

ATM技术小结见表1。

表1 技术小结

是否为新技术

是的,业界在基于信元的技术和综合网络方面只有有限的经验

针对的应用

所有,它是一种多媒体技术

是否为拓扑相关

严格地说无关,但大多数实现都是点到点

是否为媒体相关

无关,可运行于电缆、光纤之上

是否基于LAN/WAN

都可以

竞争对手

专用租用线路、基于X.25的网络、SMDS、帧中继、高速LAN骨干网(如FDDI和快速以太网)

补充说明

SONET/SDH可作为B-ISDN解决方案的一部分

是否为基于信元/帧

基于信元

有无连接管理

有,PVC和SVC

流量控制(显式/隐式)

隐式,流量控制字段位于头部

有无有效负载完整性管理

靠ACK、NAK进行,排序由用户负责,但AAL也为某些业务(如Q.2931报文)提供这些服务

有无业务丢弃选项

有,用CLP位进行

有无按需带宽

是的,在合同及网络可用带宽的范围内

有无寻址/识别方案

有,用标号来识别连接,这些标号称作VCI和VPI


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