异步传输模式

异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）是一种全新的交换技术，它功能强大、性能优越，为宽带综合业务数字网B-ISDN提供了一种高速传输和交换模式，是电话交换网络和分组交换网络之后的新一代交换网络，是高速传输网采用的主要技术。

随着社会的发展，一些新的业务如多媒体业务，如数字电视、高清电视等业务相继出现，对网络传输速率提出了更高的要求，N-ISDN只有1.544Mbps和2.048Mbps的速率，已经不能胜任这些业务的要求。于是第二代ISDN，即宽带综合业务数字网B-ISDN就提出来了。

B-ISDN要求更高的传输速率，支持更多的传输业务，支持不同速率的通信业务。而第一代的N-ISDN由于采用同步传输模式STM（Synchronous Transfer Mode）的缺陷，无法满足B-ISDN的传输要求，B-ISDN必须在传输模式上进行革新，这种新的传输模式就是异步传输模式ATM。

ATM采用基于信元的交换和复用技术，为网络传输提供了一种能适用于不同业务、不同带宽要求的高速传输模式。ATM的传输速率可达Gbps，能支持话音、数据、图形、视频等各种传输业务，在交换速率和信道利用率方面具有较优的特性，ITU明确将ATM作为B-ISDN的传输模式，一般把ATM技术的网络统称为ATM网，把B-ISDN看成是广域网技术的光纤ATM网。

20世纪末期，ATM网络得到了很大的发展，几乎所有的网络设备供应商都提供ATM产品，美国AT＆T和US Sprint等通信公司也在广域网上采用ATM，为客户提供多兆位的数据传输服务。而且ATM技术的应用已经超过了B-ISDN的范围，进入了局域网、城域网，并且获得了极大的成功。

7.7.1　异步传输模式的基本概念

ATM是一个具有高速数据传输率和支持声音、数据、图像、视频业务的通信网络，与以太网、X.25、FR网络等使用可变长度包交换技术不同，ATM使用53字节固定长度的单元进行交换，通过对固定长度信元数目的分配，可以保证应用所需的带宽和传输时延，这种特殊的分组交换技术，使得它具有足够的带宽和很小的传输时延，非常适合音频和视频数据的传输。

ATM技术将各种业务数据分割成短小的固定长度的数据块，在分割的数据块前加上相关控制信息构成短小的交换单元（称为信元），按照统计时分多路复用—STDM技术将各种业务的信元复用到高速链路上进行传输，从一个节点转发到另外一个节点，最终达到目的端，经过组装恢复成原来的业务数据，交给高层。

ATM能支持不同速率的各种业务，ATM采用STDM技术，系统根据业务类型对传输带宽提出的需要，为各种业务建立逻辑信道，为每一个逻辑信道分配一个或几个固定时隙，允许不同的终端在有足够位（一个信元单位）的信息时就去使用信道，从而灵活地获得带宽。当传输结束后，这些时隙将会分配给其他业务的传输。

ATM网采用面向连接的虚电路网络技术。在进行数据通信时，ATM首先将所需要传输的数据进行分割成为固定长度（53字节）的“信元”（Cell），然后通过建立虚通道（Virtual Path）与虚信道（Virtual Channel），在信息发送方与接收方之间构成一条虚电路，实现高速信息交换。

ATM采用复用技术在高速线路上实现多种语音、数据、视频等多种业务数据的传输，将来自不同业务的信息流适配成长度固定的信息元，汇聚到交换节点的缓冲器内排队，队列中的信元根据到达的先后按优先等级逐个输出到传输线路上，形成首尾相接的信元流。具有同样标志的信元在传输线上并不对应着某个固定的时隙，也不是按周期出现的，这种传输模式就是异步传输模式。

ATM技术还通过简化交换过程，还将OSI第三层的纠错、流量控功能转移到用户终端去完成，降低了网络时延，获得了较高的交换速度。

7.7.2　异步传输模式的网络结构

ATM网络由ATM端点、ATM交换机以及传输链路构成，如图7-26所示。其中ATM端点是ATM网络中的用户终端设备，一方面，ATM端点在网络中的作用是将数据划分成53字节的信元传送给ATM交换机；另一方面，通过网络接收ATM交换机中的信元。ATM端点实际就是计算机终端加上ATM网卡构成，ATM交换机是一个能对信元进行高速交换的交换机，它的构成与以太网交换机类似，主要是由高速交换矩阵、高速端口和相应的缓存构成。

图7-26 ATM的网络结构

从各个层次来看，ATM网络由物理介质相关层PMD（Physical Medium Dependent）、传输汇聚子层TC（Transmission Convergence）和ATM层构成。

ATM网络由物理层提供比特流传输、编码、解码。ATM的物理介质相关层定义了使用光纤传输的物理层标准。传输汇聚子层类似数据链路层，在发送方主要完成将传输数据按照信元长度分割成多个数据单元，并将分割的数据单元封装成信元，将其复用到高速线路上传输，在接收方完成解封信元恢复数据单元，并针对不同业务完成数据单元的分用、组装，将组装后的数据提交给高层。ATM层类似网络层功能，主要完成选择建立虚电路，为到达的每个数据帧进行路由转发，使之最终达到目的端。

ATM传输线路采用高速数据链路，典型的链路数据速率为155Mbps，按照每个信元为53字节计算，则ATM链路上大约每秒有360000个信元。ATM通过时隙分配将各种业务都合成在高速线路上传输，所以ATM网络能支持语音、数据、视频等各种业务的传输。

7.7.3　异步传输模式的信元结构

ATM的信元是固定长度的帧，共有53个字节，分为信头部和数据段两个部分。ATM信元前面5个字节为信头部，用于传输寻址和控制，后面的48个字节为数据段，用来装载来自不同用户、不同业务的数据，ATM的信元格式如图7-27所示。

图7-27 ATM的信元格式

ATM信元的信头部分如图7-28所示，各部分含义如下：

①总体流量控制位GFC（General Flow Control）：用4位表示，主机和ATM网络连接情况下该位才使用，该位用于控制主机送入网络的流量，以避免网络过载；

②虚通道标识符VPI（Virtual Path Identifier）：用8位表示，虚通道号用于标识传输建立的虚电路逻辑通道，虚通道号用8位表示，一共可以标识256个虚通道；

③虚信道信道符VCI（Virtual Channel Identifier）：用16位表示，虚信道号用于标识在一条虚通道中建立的不同虚信道，虚信道号用16位表示，一共可以标识65536个虚信道。

在ATM传输的是信元，将多个虚信道（VCI）捆绑在一起形成一个虚通道（VPI），一条传输链路上可以建立多个虚通道，一条传输链路上的不同虚通道通过VPI来标识，一个虚通道中的不同虚信道用VCI来标识。虚通道、虚信道结构如图7-29所示。

有效载荷类型标识符PTI（Payload Type Identifier）：3位，标识有效载荷区域内的数据类型，3位可以标识8种类型，其中4种为用户数据信息类型，3种为网络管理信息，还有1种没有定义。

信元丢失优先级CLP（Cell Loss Priority）：1位，用于标示信息的优先级，当该位被置为1时，表示网络出现拥塞时，可以优先丢弃该信元。

信头差错校验HEC（Head Error Calibration）：8位，用于对信元头部进行差错校验。

图7-28 ATM信元的信头部分的结构

图7-29 虚通道、虚信道结构

7.7.4　异步传输模式的传输

ATM提供采用虚电路的分组交换技术，ATM用“信元交换”来替代“分组交换”，用虚电路号作为寻址标识符，当用户需要传输数据时，首先向目的站点提出建立虚连接的请求，当该请求被满足时，则网络建立了一条从发送方到接收方的虚电路连接，并在传输路径的各个交换节点上建立了相应的虚电路表项，发送方就可以通过这条虚电路将数据发送到接收方。当数据经过交换节点时，根据虚电路表项进行虚电路号交换，信元中的虚电路号被赋予新值，然后继续向前传输，直至到达目的站点。数据传输结束后，虚连接被拆除。

7.7.5　异步传输模式的接口

在ATM网络中存在两种接口：用户—网络接口UNI（User Network Interface）和网络—网络接口NNI（Network Node Interface）。ATM交换网由多台ATM交换机通过链路和网络接口NNI连接而成，用户设备通过用户—网络接口UNI接入ATM网（如图7-30所示）。

图7-30 用户设备通过UNI接入ATM

异步时分复用使ATM具有很大的灵活性，任何业务都按实际信息量来占用资源，使网络资源得到最大限度的利用。此外，不论业务源的性质有多么不同（如速率高低、突发性大小、各种质量和实时性要求），网络都按同样的模式来处理，真正做到完全的业务综合。

最早的ATM网可以实现155Mbps的速率，随着技术发展，ATM传输速率不断提高，发展到622Mbps，目前ATM网已经可以支持2.4Gbp、10Gbps的传输速率。