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2025-09-29
ATM技术介绍及应用分析
【摘要】：图5.20ATM 信元结构信元从第1字节开始顺序向下发送，在同一字节中从第8比特开始发送。图5.21ATM 信头格式各字段含义简述如下。图5.22ATM 协议模型2.ATM 交换原理ATM 系统采用面向连接的工作方式，但其连接为逻辑连接，即虚电路方式。图5.23ATM 虚电路概念示意图在一条通信线路上具有相同VPI的信元所占有的子通路称为一个VP链路。图5.24VP和VC连接所谓ATM 交换，是指在ATM 网中，ATM 信元从输入端的逻辑信道到输出端逻辑信道的消息传递。
1.ATM 技术基本原理
ATM 技术是以分组传送模式为基础并融合了电路传送模式高速化的优点发展而成的，可以满足各种通信业务的需求。
ATM 的传送模式本质上是一种高速分组传送模式。它将话音、数据及图像等所有的数字信息分解成长度固定信元，采用统计时分复用方式将来自不同信息源的信元汇集到一起，在一个缓冲器内排队，然后按照先进先出的原则将队列中的信元逐个输出到传输线路，从而在传输线路上形成首尾相接的信元流。在每个信元的信头中含有虚通路标识符/虚信道标识符（VPI/VCI）作为地址标志，网络根据信头中的地址标志来选择信元的输出端口转移信元。
ATM 采用固定长度的信元，可使信元像同步时分复用中的时隙一样定时出现。因此，ATM 可以采用硬件方式高速地对信头进行识别和交换处理，从而具有电路传送方式的特点，为提供固定比特率和固定时延的电信业务创造了条件。
综上所述，ATM 传送模式融合了电路传送模式与分组传送模式的特点。
ATM 信元结构和信元编码是在I.361建议中规定的，由53字节的固定长度数据块组成，其中前5字节是信头，后48字节是与用户数据相关的信息段。信元组成结构如图5.20所示。
图5.20 ATM 信元结构
信元从第1字节开始顺序向下发送，在同一字节中从第8比特开始发送。信元内所有的信息段都以首先发送的比特为最高比特（MSB）。
ATM 信元结构有两种：一种用在用户/网络接口，简称UNI信元；另一种用在网络内部接口，简称NNI信元。两种信元的信头格式稍有不同，如图5.21所示。
图5.21 ATM 信头格式
各字段含义简述如下。
①GFC：一般流量控制，4比特，在NNI中没有GFC。
②VPI：虚通路标识，在UNI中为8 bit，在NNI中为12 bit。
③VCI：虚信道标识，16 bit。
④VPI和VCI：路由信息；
⑤PTI：净荷类型，3 bit，可以指示8种净荷类型，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种目前尚未定义。
⑥CLP：信元丢弃优先权，当传送网络发生拥塞时，首先丢弃CLP=1的信元。
⑦HEC：信头差错控制码，HEC是一个多项式码，用来检验信头的错误。
国际电联标准化组织ITU-T 在建议I.321中给出的ATM 的参考模型如图5.22所示，可以看出ATM 层相当于OSI的数据链路层。
图5.22 ATM 协议模型
2.ATM 交换原理
ATM 系统采用面向连接的工作方式，但其连接为逻辑连接，即虚电路方式。虚电路可能是用户长期占用的永久虚电路（PVC），或者是通信前临时申请的交换虚电路（SVC）。
ATM 虚电路的概念如图5.23所示。在一个物理通道中可以包含一定数量的虚通路（VP），虚通路的数量由信头中的VPI值决定。而在一条虚通路中可以包含一定数量的虚信道（VC），并且虚信道的数目由信头中的VCI值决定。一个虚通路可由多个虚信道组成。ATM 信元的交换既可以在VP级进行，也可以在VC级进行。
图5.23 ATM 虚电路概念示意图
在一条通信线路上具有相同VPI的信元所占有的子通路称为一个VP链路（VP Link）。多个VP链路可以通过VP交叉连接设备或VP交换设备串联起来。多个串联的VP链路构成一个VP连接。
一个VP连接中传送的具有相同VCI的信元所占有的子信道称为一个VC 链路（VC Link）。多个VC链路可以通过VC交叉连接设备或VC交换设备串联起来。多个串联的VC链路构成一个VC连接。
图5.24给出了一个VP和VC交换连接的示意图。VP交换是指VPI的值在经过交换节点时，根据VP连接的目的地，将输入信元的VPI值改为接收端的新的VPI值赋予信元并输出；VC交换是指VCI的值在经过ATM 交换后，VPI和VCI的值都发生了改变。
图5.24 VP和VC连接(https://www.chuimin.cn)
所谓ATM 交换，是指在ATM 网中，ATM 信元从输入端的逻辑信道到输出端逻辑信道的消息传递。输出信道的确定是根据连接建立信令的要求在众多的输出信道中进行选择来完成的。为了提供交换功能，输入信元必须根据输入端口号和输入VPI/VCI查找到输出端口号及输出的VPI/VCI。
下面举例说明ATM 交换的基本原理，如图5.25所示。
图5.25 ATM 交换原理
图5.25中的交换节点有N 条入线（I1～IN），n 条出线（O1～On），每条入线和出线上传送的都是ATM 信元，每个信元的信头值表明该信元所在的逻辑信道。不同的入线（或出线）上可以采用相同的逻辑信道值。ATM 交换的基本任务是将任一入线上任一逻辑信道中的信元交换到所需的任一出线上的任一逻辑信道上去。
例如，图5.25中入线I1的逻辑信道x被交换到出线O1的逻辑信道k上，入线I1的逻辑信道y被交换到出线On的逻辑信道m 上等。这里的交换包含了两方面的功能：一是空间交换，即将信元从一个输入端口改送到另一个编号不同的输出端口上去，这个功能又叫路由选择；另一个功能是逻辑信道的交换，即将信元从一个VPI/VCI改换到另一个VPI/VCI。以上交换通过信头、链路翻译表来完成，如I1的信头值x被翻译成O1上的k值。
由于在ATM 逻辑信道上信元的出现是随机的，因此会存在竞争（或称碰撞或冲突）。也就是说，在某一时刻，可能会发生两条或多条入线上的信元都要求转到同一输出线上去。例如，I1的逻辑信道x和IN的逻辑信道x都要求交换到O1，前者使用O1的逻辑信道k，后者使用O1的逻辑信道n，虽然它们占用不同的O1逻辑信道，但如果这两个信元同时到达O1，则在O1上的当前时刻只能满足其中一个的需求，另一个必须被丢弃。为了不使在发生碰撞时引起信元丢失，交换节点中必须提供一系列缓冲区，以供信元排队用。
3.ATM 交换系统
ATM 交换系统的功能与交换机类型和具体应用有关。通常，ATM 交换系统应具有的基本功能包括：接口功能、交换连接功能、信令功能、呼叫控制功能、业务流管理功能及运行和维护功能。其中主要功能概要介绍如下。
（1）交换连接功能
ATM 交换系统的交换连接功能可分为空分交换功能和时分交换功能。空分交换功能完成将一条物理入线上的信息交换到另一条物理出线上的功能，其关键是通路选择问题，即在交换机内部，信息如何选择一条通路从入线到达出线；时分交换功能完成将物理入线上一个逻辑信道的信息交换到物理出线上的另一个逻辑信道，即其输入信元头的值会被翻译成一个与输出逻辑ATM 信道相对应的信元头输出值，其关键问题是存在竞争问题，需要引入排队机制来解决。
（2）呼叫控制功能
ATM 是面向逻辑连接的，在信息传送以前先要有建立过程，传送结束则有释放过程。因此ATM 交换系统必须控制各个呼叫连接的处理过程，包括寻址、选路、交换结构中的通路选择等功能。
（3）业务流管理功能
要保证具有不同业务流特性和QoS要求的各种业务的服务质量，ATM 交换系统必须提供有效的业务流管理功能，其要点就是当用户建立连接时都必须与网络达成一个合约：用户受合约规定的业务流特性的约束，而网络满足用户的服务质量要求。
ATM 交换系统基本功能结构如图5.26所示。由图5.26可知，ATM 交换系统的基本结构与电路交换系统相似，可以大致划分为信元传送部分与处理机控制部分。信元传送部分又包括交换结构（Switching Fabric）和接口单元两部分。
图5.26 ATM 交换系统基本功能结构
ATM 交换结构是实现ATM 的关键技术之一，是ATM 交换系统中必不可少的重要组成部分，应具有信头翻译、选路、排队3项基本功能。需要采用各种类型的交换结构实现交换连接功能，不但是用户信息，而且信令消息和处理机之间的控制信息也通过交换结构传送。
ATM 交换结构一般可以划分为3类：共享媒体型、共享存储型和空分型。典型的有基于Crossbar的交换结构、基于BANYAN 的交换结构、多通路的交换结构等。其排队策略有外部缓冲和内部缓冲。外部缓冲指缓冲器不设在交换结构的内部，主要有输入缓冲、输出缓冲、输入与输出缓冲、环回缓冲等；内部缓冲指缓冲器设在交换结构的内部。无阻塞结构不需要内部缓冲，主要有输入缓冲、输出缓冲、交叉点缓冲、共享缓冲等。
下面给出一个实例：BANYAN 网络。
BANYAN 网络是一种空分交换网络，是由若干个2×2交换单元组成的多级交换网络。它最早使用于并行计算机领域，与电信交换毫不相干，但目前已在ATM 交换机中得到广泛应用。
2×2交换单元是具有2条入线和2条出线的电子开关元件，如图5.27所示。
图5.27 2×2交换单元
这种电子开关具有两种状态：平行连接和交叉连接，分别完成不同编号的入线与出线间的连接，达到2条入线中的任意入线和2条出线中的任意出线可进行交换的目的。
图5.28是由2×2交换单元构成的8×8三级BANYAN 网络，其基本特性如下。
图5.28 8×8三级交换网络
①因为BANYAN 网络的构成有一定的规则，可以由较小容量的BANYAN 网络扩展为较大规模，扩展性好。
②唯一路径。BANYAN 网络每一条入线到每一条出线都有一条路径，并且只有一条路径。例如，图5.28中的虚线画出了由入线0到出线0和入线4到出线1的路径。
③自选路由。BANYAN 网络可以使用对应于出线编号的二进制编码的选路信息自动选择路由，将入线上的信元送到指定出线上输出。其中每一级的2×2交换单元都依次根据选路信息中的某一位来自选路由，该比特为0时选择两条出线中上面的一条出线，该比特为1时则选择下面的一条出线。例如，在图5.28中，入线4输入的信元带有选路信息“1”，即需要在出线1输出，“1”的二进制编码为“001”，则第一、二、三级的2×2交换单元依次按照“0”“0”“1”来选路，使信元最终到达出线1。
④阻塞特性。由于BANYAN 网络具有唯一路径特性，所以其内部阻塞随着阵列级数的增加而增加。所以，BANYAN 网络不可能做得很大，同时也必须采取一些减少内部阻塞的办法。
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