宽带广电网的异步转移模式的实现
时间：04-22
来源：中电网
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1 异步转移模式（ATM）
与SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）一样，ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步转移模式）也是基础的网络宽带技术之一。ATM是一种简化的面向连接的高速分组交换，它采用信元（CELL）作为交换单位，信元实际上是一种固定长度的分组，所以也是一种分组交换，从面向连接这一要求来看又具有某些电路交换的特征，但更重要的是要在操作规则上作大量简化，才能实现高速处理。ATM是目前国际上统一的一种用于宽带网内传输、复用和交换信元的技术，是为支持高质量的语音、图像、高速数据等综合服务而设计的，它本身不属于网络结构，只是一种适用于宽带网的传递模式，802.bDQDB（双队列双总线）建议与ATM是各自独立开发的，但现在已用来作为达到ATM和B-ISDN（宽带综合业务数字网）结合的引导。
2 ATM的层次结构
ATM的层次结构分为物理媒介相关层（PMD）和物理层、ATM层及ATM适配层（AAL），在物理媒质上都使用高速的同步数字体系（SDH）和无源光纤网（PDH），在AAL上作为一种通信平台，可以开放语音、视频、数据、信令等通信。
3 ATM的特点
3.1 面向连接模式
所谓面向连接，是在通信前先在收与发终端间建立一条连接，在通信时，报文或信息不断地在该连接上传送，因此在一次通信中有多个报文或信息时，从发端到收端的路由固定。但在面向无连接中采用逐段转发的方式，即根据报文或信息上的地址发给下一站，再由下一站根据地址是收下还是继续向前发送直至目的地，因此在一次通信中有多个报文或信息时，从发端到收端的路由可能不固定。电话通信是典型的面向连接方式，而电报和邮政通信是两个面向无连接方式的实例，这两种方式的根本区别不仅在于路由是否固定，而且在于是否用逻辑号来代替真实的地址。在面向连接中，由于建立连接时网络已经为该连接分配了一个逻辑号，因此在通信过程中就用逻辑号代替真实地址，但在无连接方式中，通信时只能用真实地址，显然识别逻辑号比识别真实地址快，因而面向连接适用于实时业务。
3.2 分组长度固定的分组交换方式
在传统的分组交换方式中分组长度不固定，这时必须经过比较才能知道分组是否结束，当分组长度固定时只需计数便可知道分组的终结，计数执行指令比比较执行指令的时间少许多。分组长度固定适合于快速处理，在ATM中将长度固定的分组称为信元（CELL），信元由信头域和信息域组成，信头域长5字节，信息域长为48字节，信头的主要功能为流量控制、虚通道∕虚通路、交换、信头检验和信元定界以及信元类型的识别。
3.3 可实现虚通道∕虚通路两级交换
在ATM中，可将一个传输通路如同步数字体系（SDH）中的同步转移模式STM-1、STM-4等划分为若干个虚通道，一个虚通道又可以分割为若干个虚通路。为了完成端点间的通信，类似于电路交换方式，ATM首先选择路由，在两实体之间建立虚通路，这样就使得路由寻址和数据转发功能截然分开。采用虚连接方法，ATM可将逻辑子网与物理子网隔离开，网络的主要管理和控制功能集中在虚电路一级上，使传输过程的控制较为简单，减少了网管、网控的复杂性。
3.4 统计复用能力
为了提高系统资源利用率，在ATM中采用统计复用方式。ATM是面向连接方式，在主叫与被叫之间先建立一条连接，同时分配一个虚通道∕虚通路，将来自不同信息源的信元汇集到一起，在缓冲器内排队，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。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。
3.5 综合多种业务
传统上一种业务建立一个网络，因而有计算机网、图像网、话音网之分。ATM试图综合所有的业务。由于各种业务所要求的服务质量的不同和业务特性差异，在一个网内交换所有业务是相当难的，例如话音与图像这些实时业务对端到端时延要求很严，一般认为不超过40 ms，但话音和图像对误码率要求却相差很大，电话误码率在10-3时不影响清晰度，电视图像误码率应在10-6以下，否则会产生图像凝固，等等。另外，各种业务特性差异主要表现在突发度和速率上，例如数据业务突发度50，会议电视5，普通电视1；在速率跨度上，数据业务10 kbps~100 Mbps，电话64 kbps，电视15~50 Mbps。将这些服务质量要求不同和业务特性差异甚远的多种业务综合在一起，即均以53字节长的信元传递，ATM采取"分类治之"的办法，即根据信元速率是否可变、信元与信宿间是否要同步以及面向连接与否，将业务分类，对不同的业务进行不同的适配，不论业务源的性质有多么不同，网络都按同样的模式来处理，真正做到安全的业务综合。
4 ATM的控制技术
ATM交换机控制系统的主要功能有流量控制和拥塞控制、虚通道∕虚通路带宽分配、选路控制、接入控制和差错控制等。交换机的控制系统采用计算机控制后，大大增强了交换机的处理能力并增加了许多新的功能。ATM期望综合所有业务，但由于综合业务的特性的复杂性增加了控制系统的难度，归纳起来有3点：（1）传统的"窗口"法流量控制已经不适用于ATM环境；（2）由于信元的定长使得信元到达相关，传统的不相关到达的话务理论也不适用于ATM环境；（3）多种业务的服务质量要求的不同也是对ATM信元实施流量控制的又一个难点。
面对ATM如此复杂的控制问题，只能采取系统工程中的分解与协调及分层控制的思想，将ATM中的业务处理过程分解成用户级、呼叫级、突发级和信元级，它们之间的差别在于时间和统计规律，在用户级的控制主要根据业务的种类和服务质量来分配虚通道的带宽；在呼叫级的控制主要是接入控制，包括呼叫带宽的分配计算和选路；在突发级或信元级主要是对已接收呼叫的流量进行控制。根据业务特性差异和服务质量要求的不同，在ATM中采用分类控制的方法，在实践中将业务分成固定速率、实时可变速率、非实时可变速率、可利用速率和未知或不保证速率等，它们分别适用于不同的业务范围。
ATM中的流量控制和拥塞控制措施可分为预防式和反应式两大类。预防式流量控制法有基于速率控制、网络资源管理、接入控制、优先级控制以及业务量整形等。预防式流量控制是在网络拥塞发生前对进入网络的业务量进行限制。预防式控制是一种保守控制，影响网络资源的利用率。反应式流控如同分组交换网中"窗口"法那样，当网络信元数超过一定量时对进入的信元进行控制，如信源速率适配法，就是选择性地丢弃信元。反应式流时控制是将拥塞发生点的信息返回到源节点，以便降低速率。
5 结束语
ATM是继时分交换和分组交换之后的将统计复用与时分交换融为一体的新一代信息转换方式，能实现人们长期追求的业务综合与高速传递的目标。
ATM技术有很多优点：兼有电路交换和分组交换的特点，支持多协议，既支持传统的电信业务（帧中继，租用专线），又支持IP新业务；保证QoS（服务质量）；安全性好；配置灵活；链路可以用不同速率操作，伸缩性强，是较好的多业务承载平台。但是，ATM的缺点也是明显的：价格高，内部开销大，效率低，网络互联较复杂等。随着研究的深入和技术的发展，ATM将作为多业务的传送平台在宽带广电网中发挥越来越大的作用，其强大的市场驱动力将使运营商得到丰厚的回报。
与SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）一样，ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步转移模式）也是基础的网络宽带技术之一。ATM是一种简化的面向连接的高速分组交换，它采用信元（CELL）作为交换单位，信元实际上是一种固定长度的分组，所以也是一种分组交换，从面向连接这一要求来看又具有某些电路交换的特征，但更重要的是要在操作规则上作大量简化，才能实现高速处理。ATM是目前国际上统一的一种用于宽带网内传输、复用和交换信元的技术，是为支持高质量的语音、图像、高速数据等综合服务而设计的，它本身不属于网络结构，只是一种适用于宽带网的传递模式，802.bDQDB（双队列双总线）建议与ATM是各自独立开发的，但现在已用来作为达到ATM和B-ISDN（宽带综合业务数字网）结合的引导。
2 ATM的层次结构
ATM的层次结构分为物理媒介相关层（PMD）和物理层、ATM层及ATM适配层（AAL），在物理媒质上都使用高速的同步数字体系（SDH）和无源光纤网（PDH），在AAL上作为一种通信平台，可以开放语音、视频、数据、信令等通信。
3 ATM的特点
3.1 面向连接模式
所谓面向连接，是在通信前先在收与发终端间建立一条连接，在通信时，报文或信息不断地在该连接上传送，因此在一次通信中有多个报文或信息时，从发端到收端的路由固定。但在面向无连接中采用逐段转发的方式，即根据报文或信息上的地址发给下一站，再由下一站根据地址是收下还是继续向前发送直至目的地，因此在一次通信中有多个报文或信息时，从发端到收端的路由可能不固定。电话通信是典型的面向连接方式，而电报和邮政通信是两个面向无连接方式的实例，这两种方式的根本区别不仅在于路由是否固定，而且在于是否用逻辑号来代替真实的地址。在面向连接中，由于建立连接时网络已经为该连接分配了一个逻辑号，因此在通信过程中就用逻辑号代替真实地址，但在无连接方式中，通信时只能用真实地址，显然识别逻辑号比识别真实地址快，因而面向连接适用于实时业务。
3.2 分组长度固定的分组交换方式
在传统的分组交换方式中分组长度不固定，这时必须经过比较才能知道分组是否结束，当分组长度固定时只需计数便可知道分组的终结，计数执行指令比比较执行指令的时间少许多。分组长度固定适合于快速处理，在ATM中将长度固定的分组称为信元（CELL），信元由信头域和信息域组成，信头域长5字节，信息域长为48字节，信头的主要功能为流量控制、虚通道∕虚通路、交换、信头检验和信元定界以及信元类型的识别。
3.3 可实现虚通道∕虚通路两级交换
在ATM中，可将一个传输通路如同步数字体系（SDH）中的同步转移模式STM-1、STM-4等划分为若干个虚通道，一个虚通道又可以分割为若干个虚通路。为了完成端点间的通信，类似于电路交换方式，ATM首先选择路由，在两实体之间建立虚通路，这样就使得路由寻址和数据转发功能截然分开。采用虚连接方法，ATM可将逻辑子网与物理子网隔离开，网络的主要管理和控制功能集中在虚电路一级上，使传输过程的控制较为简单，减少了网管、网控的复杂性。
3.4 统计复用能力
为了提高系统资源利用率，在ATM中采用统计复用方式。ATM是面向连接方式，在主叫与被叫之间先建立一条连接，同时分配一个虚通道∕虚通路，将来自不同信息源的信元汇集到一起，在缓冲器内排队，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。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。
3.5 综合多种业务
传统上一种业务建立一个网络，因而有计算机网、图像网、话音网之分。ATM试图综合所有的业务。由于各种业务所要求的服务质量的不同和业务特性差异，在一个网内交换所有业务是相当难的，例如话音与图像这些实时业务对端到端时延要求很严，一般认为不超过40 ms，但话音和图像对误码率要求却相差很大，电话误码率在10-3时不影响清晰度，电视图像误码率应在10-6以下，否则会产生图像凝固，等等。另外，各种业务特性差异主要表现在突发度和速率上，例如数据业务突发度50，会议电视5，普通电视1；在速率跨度上，数据业务10 kbps~100 Mbps，电话64 kbps，电视15~50 Mbps。将这些服务质量要求不同和业务特性差异甚远的多种业务综合在一起，即均以53字节长的信元传递，ATM采取"分类治之"的办法，即根据信元速率是否可变、信元与信宿间是否要同步以及面向连接与否，将业务分类，对不同的业务进行不同的适配，不论业务源的性质有多么不同，网络都按同样的模式来处理，真正做到安全的业务综合。
4 ATM的控制技术
ATM交换机控制系统的主要功能有流量控制和拥塞控制、虚通道∕虚通路带宽分配、选路控制、接入控制和差错控制等。交换机的控制系统采用计算机控制后，大大增强了交换机的处理能力并增加了许多新的功能。ATM期望综合所有业务，但由于综合业务的特性的复杂性增加了控制系统的难度，归纳起来有3点：（1）传统的"窗口"法流量控制已经不适用于ATM环境；（2）由于信元的定长使得信元到达相关，传统的不相关到达的话务理论也不适用于ATM环境；（3）多种业务的服务质量要求的不同也是对ATM信元实施流量控制的又一个难点。
面对ATM如此复杂的控制问题，只能采取系统工程中的分解与协调及分层控制的思想，将ATM中的业务处理过程分解成用户级、呼叫级、突发级和信元级，它们之间的差别在于时间和统计规律，在用户级的控制主要根据业务的种类和服务质量来分配虚通道的带宽；在呼叫级的控制主要是接入控制，包括呼叫带宽的分配计算和选路；在突发级或信元级主要是对已接收呼叫的流量进行控制。根据业务特性差异和服务质量要求的不同，在ATM中采用分类控制的方法，在实践中将业务分成固定速率、实时可变速率、非实时可变速率、可利用速率和未知或不保证速率等，它们分别适用于不同的业务范围。
ATM中的流量控制和拥塞控制措施可分为预防式和反应式两大类。预防式流量控制法有基于速率控制、网络资源管理、接入控制、优先级控制以及业务量整形等。预防式流量控制是在网络拥塞发生前对进入网络的业务量进行限制。预防式控制是一种保守控制，影响网络资源的利用率。反应式流控如同分组交换网中"窗口"法那样，当网络信元数超过一定量时对进入的信元进行控制，如信源速率适配法，就是选择性地丢弃信元。反应式流时控制是将拥塞发生点的信息返回到源节点，以便降低速率。
5 结束语
ATM是继时分交换和分组交换之后的将统计复用与时分交换融为一体的新一代信息转换方式，能实现人们长期追求的业务综合与高速传递的目标。
ATM技术有很多优点：兼有电路交换和分组交换的特点，支持多协议，既支持传统的电信业务（帧中继，租用专线），又支持IP新业务；保证QoS（服务质量）；安全性好；配置灵活；链路可以用不同速率操作，伸缩性强，是较好的多业务承载平台。但是，ATM的缺点也是明显的：价格高，内部开销大，效率低，网络互联较复杂等。随着研究的深入和技术的发展，ATM将作为多业务的传送平台在宽带广电网中发挥越来越大的作用，其强大的市场驱动力将使运营商得到丰厚的回报。