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ATM技术在计算机通信网中的应用

IT知识技术

网络技术是从1990年代中期发展起来的新技术，它把互联网上分散的资源融为有机整体，实现资源的全面共享和有机协作，使人们能够透明地使用资源的整体能力并按需获取信息 。资源包括高性能计算机、存储资源、数据资源、信息资源、知识资源、专家资源、大型数据库、网络、传感器等 。当前的互联网只限于信息共享，网络则被认为是互联网发展的第三阶段 。计算机通信网涉及通信网络计算机两个领域，通信网络为计算机之间的数据传送和交换提供了必要的手段，而计算机技术渗透到通信网络中，又提高了后者的各种性能 。IP作为一种成熟技术，依靠网络可用、尽力而为、以端为中心的特点，在Internet的迅速发展中起了积极的作用 。ATM作为一种现代通信技术，以其网络可靠、可管理、以路为中心的特点，在计算机通信网的应用，也正符合今后电信网和信息网的发展趋势：数字化、宽带化、分组化 。技术因素和市场需求都是ATM发展的动力 。被业界称为“贵族技术”的ATM，面对IP业务的飞速发展，只有积极寻求ATM支持IP的最佳方案，才能将自己容入计算机通信网中 。
一、ATM的信元结构及原理
ITU对ATM（Asynchronous Transfer Mode）的定义是：ATM是一种异步转移模式 。异步是指ATM统计复用的性质 。转移模式是指网络中所采用的复用、交换、传输技术，即信息从一地转移到另一地所用的传递方式 。在这种转移模式中，信息被组织成信元（CELL），来自某用户信息的各个信元不需要周期性地出现 。因此，ATM就是一种在网络中以信元为单位进行统计复用和交换、传输的技术 。
ATM是一种新型分组技术，信元实际上是具有固定长度的分组，信元总长度为53个字节，其中5个字节是信头，48个字节是信息段，或称净荷 。信头包含表示信元去向的逻辑地址、优先等级等控制信息 。信息段装载来自不同用户、不同业务的信息 。任何业务的信息都经过切割封装成统一格式信元 。
ATM采用异步时分复方式，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 。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、质量和实时性要求如何），网络都按同样的模式来处理，真正做到完全的业务综合 。为了提高处理速度、保证质量、降低时延和信元丢失率，ATM以面向连接的方式工作 。通信开始时先建立虚电路，并将虚电路标志写入信头，网络根据虚电路标志将信元送往目的地 。虚电路是可以拆除释放的 。在ATM网络的节点上完成的只是虚电路的交换 。为了简化网络的控制，ATM将差错控制和流量控制交给终端去做，不需逐段链路的差错控制和流量控制 。因此，ATM结合了电路交换和分组交换的优点，即ATM兼顾了分组交换方式统计复用、灵活高效和电路交换方式传输时延小、实时性好的优点 。能在单一的主体网络中携带多种信息媒体，承载多种通信业务，并且能够保证QoS 。ATM交换分为VP交换和VC交换两种 。VP交换指在交换的过程中只改变VPI的值，透传VCI的值，而VC交换过程中VPI、VCI都改变 。
二、ATM的协议参考模型及各层功能
在ITU-T的I.321建议中定义了B-ISDN协议参考模型，该模型为一个立体模型，包括三个面：用户面U、控制面C和管理面M，而在每个面中又是分层的，分为物理层、ATM层、AAL层和高层 。
协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能：
1. 用户平面U：提供用户信息流传送的功能，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等；
2. 控制平面C：提供呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放；
3. 管理平面M：提供两种管理功能：包括层管理和面管理 。层管理（分层），完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令，同时还处理与各层相关的OAM信息流；面管理（不分层），它完成与整个系统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用 。
ATM的协议参考模型中各层功能：
1. 物理层又划分为两个子层：PM（物理媒体子层）和TC（传输会聚子层） 。PM（物理媒体子层）负责线路编码光电转换、比特定时，以确保数据比特流的正确传输；传输会聚子层功能为信元速率解藕；HEC的产生/校验；信元定界；传输帧适配；传输帧产生/恢复 。
2. ATM层主要完成四项功能：一般流量控制；信头的产生和提取；信元VPI/VCI的翻译；信元复用和分路 。
3. AAL（ATM自适应层）其功能是将高层功能适配成ATM信元 。AAL层的目的是使不同类型的业务，包括管理平面和控制平面的信息，经过适配之后都可用统一的ATM信元形式来传送 。AAL层与业务有直接关系 。AAL层对不同类型的业务进行不同的适配 。对于ATM用户，AAL在用户终端设备中实现；对于非ATM用户，AAL在UNI的网络侧设备中实现 。AAL层又分为两个子层：拆装子层SAR和汇聚子层CS 。在发送端，需要将业务流适配到ATM层，SAR将高层信息分段为固定长度和标准格式的ATM信元；在接收端，在向高层转接ATM层信息时，SAR接收ATM信元，将其重新组装成高层协议信息格式 。CS执行定时信息的传递、差错检测和处理、信元传输延迟的处理、用户数据单元的识别和处理等功能 。
三、ATM与IP技术简单对比
1. 服务质量保证方面
无论对运营者还是用户，QoS是服务信誉的标志 。由于面向连接与面向无连接之分，IP技术和ATM技术在服务质量（QoS）保证方面有根本的不同 。IP包的长度是不固定的，长信息包和短信息包中信息打包、拆包时延差别很大，从而引入了较大的时延抖动，不适于实时业务 。当用户增加时，服务质量则降低，导致服务质量不稳定 。目前一些示范实时应用实际上是用低带宽利用率换取高服务质量 。ATM技术使用固定长度信元使打包、拆包时延相当，减小时延抖动，并且小信元长度降低了时延值 。另外，ATM采用流量控制技术，在连接建立之前，就通过信令协商能否保证用户的服务质量要求，只有当网络确认之后才接受入网，保证为每一个虚电路提供不同的服务质量 。这是真正意义上的服务质量（QoS） 。为弥补IP技术在服务质量上的缺陷，TETF提出如RSVP（Resource Reservation Protocol）协议 。但由于IP自身限制，协议实现复杂，进展缓慢 。
2. 协议简化问题
从发展历程上看，lP技术在开发初期，传输技术不理想，于是采用逐段纠错，反馈重传等技术，这使得协议复杂 。随着光纤技术的发展，传输和处理能力的提高，这些部分已显多余 。但由于软、硬件投资问题，IP自身成了障碍，只能保留这些功能 。这必然影响网络传输效率 。ATM技术充分利用光纤技术发展，简化差错控制，在中间节点不检查业务完整性，大大简化了协议 。ATM流量控制和信令是为了用精确的控制得到网络利用率的提高和服务质量的保证 。虽然复杂些，却是值得的 。
TCP/IP是互联网的基础协议，TCP/IP协议框架中的IP层对应于OSI参考模型中的网络层，完成路由选择和分组转发功能，而TCP对应于OSI参考模型中的传送层，完成端到端之间的数据收妥确认与差错纠正等 。可以看出，IP协议实质上是一种不需要预先建立连接，而直接依赖于IP分组报头信息决定分组转发路径的数据协议 。从技术上讲，它具有以下几大特点：一是分布式结构；二是端到端原则，所有增值功能都在网络之外由终端完成；三是IP网可以建立在任何传输通道上，可以保证异种网络的互通；四是具有统一的寻址体系，网络可扩展性强 。
ATM以面向连接的方式工作，通信开始时先建立虚电路，并将虚电路标志写入信头，网络根据虚电路标志将信元送往目的地 。为了简化网络的控制，ATM将差错控制和流量控制交给终端去做，不需逐段链路的差错控制和流量控制 。可以提高处理速度、保证质量、降低时延和信元丢失率 。ATM结合了电路交换和分组交换的优点，即ATM具有统计复用、灵活高效和传输时延小、实时性好的优点 。能在单一的主体网络中携带多种信息媒体，承载多种通信业务，并且能够保证Qos 。
相对于ATM技术，IP技术在服务质量保证、安全性、统计复用、流量管理和拥塞控制等方面，都有先天的不足 。当用户数量比较少时，这些问题还不那么突出，而一旦用户数量增加得较快，网上的数据流量增大，问题就出来了 。因此在服务质量保证方面，IP技术不如ATM技术 。
四、ATM技术在计算机通信网的应用之一：LANE
1. ATM LANE的概念
顾名思义，LANE（Emulated LAN）的功能是在ATM网络上仿真LAN，LANE协议定义了仿真IEEE 802.3以太网或802.5令牌环网的机制 。LANE协议定义了与现有LAN给网络层提供的服务相同的接口，在ATM网络中传输的数据以相应的LAN MAC分组格式封装 。
在ATM网上模拟传统局域网，通过ATM网将多个传统局域网和终端设备互联 。在ATM网上构造新的局域网，这些局域网接点间的通信行为与传统局域网完全相同 。局域网仿真对局域网隐藏了ATM交换结构，局域网终端感觉不到ATM网络的存在，因此无需修改终端设备的软硬件，就可以利用ATM网络的各种优点 。由下图可见，仿真协议主要在ATM主机和ATM LAN桥上实现 。ATM LAN桥是局域网和ATM网间的转换器，它采用ALL5协议对局域网数据作适配，产生ATM信元，或重组ATM信元，恢复局域网的数据帧 。ATM主机在ATM适配层与高层协议间加入局域网仿真功能，使ATM主机模拟传统局域网设备的行为，与局域网通信 。
ATM LANE是专为LAN接入而设置的，意即ATM的局域网仿真（LAN Emulation） 。对传统IP终端而言，ATM网络就像是一个局域网，其中包含若干由路由器连接起来的IP子网 。
LANE 基于客户端/服务器模式（Client/Server），一个LANE服务器可对多个LANE 客户端 。LANE支持多种协议（MPOA：Multi-Protocol over ATM）传送，允许不同的LANE之间的互联；LANE 充分支持LAN中的无连接特性；LANE支持单播、多播及广播传送；
ATM局域网的优点：
信息实时传送，因为ATM的传输、交换时延较小，可以保证信息的实时传递；具有较强的网络处理能力，各种业务包括话音、数据、图像等均可以统一转换为ATM信元在ATM网中传输、处理；传输速率高，易于局域网和公用网间的互通；
局域网仿真提供OSI-RM层中下两层的功能，即用ATM网络模拟局域网数据链路层和物理层的功能，而与高层所有的业务、协议和应用无关 。ATM交换机不直接参与局域网仿真，只为ATM信元提供虚通路 。
2. 局域网仿真结构
局域网仿真从逻辑上看由服务器和一组局域网仿真客户组成 。
局域网仿真服务器从功能上可以划分为三种：
a. 广播与未知地址服务器（BUS：Broadcast && Unknown Server ）实现广播和多点通信功能，既仿真传统LAN的广播机制，在LEC间直接链路建立前单播LEC数据，一个LANE中只有一个BUS；
b. 局域网仿真服务器（LES：LANE Server）是地址服务器，它保存LANE中每个LEC的MAC地址
与ATM地址的对应关系表，以实现MAC地址与ATM地址的转换；（提供MAC地址得注册和解析手段；响应LEC的上述请求；一个LANE中只有一个LES；）
c. 局域网仿真结构服务器（LECS：LANE Configuration Server）ATM网络中可以有多个LANE存在，LECS保存LANE的结构信息，将LEC配置到LANE中；（维护一个ATM网络中多个LANE内的LEC、LES和BUS的配置信息；为每个LEC提供其所属LES的ATM地址）
局域网仿真客户LEC可以在ATM工作站和ATM网桥上实现，其主要功能为：实现局域网的MAC帧和ATM信元的相互转换；保存MAC和ATM及VPI/VCI的对应关系表；与局域网仿真服务器共同完成地址解析功能；启动信令建立ATM虚连接，为传送数据提供通路；与ATM层管理接口，实现管理功能；（在ATM终端系统上仿真以太网或令牌环网结点，至少得绑定一个MAC地址，其功能是封装IP数据报交给ATM网传送，同时转译ATM分组，重新组成IP数据报 。）
每个LANE由一组LANE客户（LEC）和LANE服务构成 。LEC还可以是作为ATM主机代理的网桥和路由器 。LANE服务由三个不同的功能实体构成：LAN仿真配置服务器（LECS）、LAN服务器（LES）和BUS，这三个服务实体可以各自存在，但通常位于同一设备，例如：LES可以位于ATM交换机、路由器、网桥和工作站 。
LECS、LES和BUS集中在ATM工作站上，LEC1将以太网接入ATM网，LEC2将令牌环网接入ATM网，LEC3将FDDI网接入ATM网，LEC4是ATM主机 。LUNI是局域网仿真用户网络接口，LEC和服务器都通过LUNI和ATM网连接 。4个LEC和服务器构成一个仿真局域网LANE 。
五、ATM技术在计算机通信网的应用之二：DSLAM
DSLAM（Digital Subscriber Liner Access Multiplexer）的定义为数字用户线接入复用器，局端设备，完成ADSL接入业务的汇聚和分发 。
ATM DSLAM原理上传的数据信号在ADSL Modem中，通过AAL5分段和组装子层（SAR）功能实现MAC帧到ATM信元之间的转换，经DSL调制后，信号被传输到局端的DSLAM侧，局端的DSLAM对ADSL信号进行解调，并恢复成ATM信元格式 。ATM DSLAM对许多这样的上传信号进行处理，对ATM信号按照某种条件进行复接或者交换 。同时对各种ATM业务进行分类管理，实现恒定比率（CBR）、实时可变化率（xt-VBR）、准实时可变比率（nrt-VBR）、不定比率（UBR）等多种ATM业务类型的设置，对不同类型的ATM业务设置不同的流控参数、优先级别等，以保证对高性能服务质量QoS有不同要求的用户的支持，同时提供永久虚电路（PVC）的上连和与上层ATM交换机建立连接 。在信号下行时，下发的信号是以ATM信元格式传送给ATM DSLAM的，这些被接收的ATM信号，带着相关的ATM信息，比如ATM业务类型、PVC数据以有其它一些参数等 。由ATM对不同的业务参数进行识别，并采取不同的处理措施，包括包丢弃原则、缓存机制、流控机制等，以实现不同业务的QoS保证，然后分接到各个对应的ADSL信号的调制，之后输出到对端的ADSL Modem中 。
目前的DSLAM分为ATM-DSLAM和IP-DSLAM 。二者的主要区别是：ATM-DSLAM 是全程ATM的连接，而IP-DSLAM则是将ATM连接到DSLAM设备的相关功能板（以太网板）、实现ATM的终结，然后将ATM信元转换为以太网帧进行传输 。从组网方式看：ATM-DSLAM和IP-DSLAM都作为接入设备来使用，但ATM-DSLAM是上连ATM汇聚交换机，而IP-DSLAM是上连三层交换机 。从业务应用看：ATM-DSLAM应用PVC实现隧道机制、安全机制和带宽承诺机制，QoS的性能也较好，适合开放VPN业务 。而IP DSLAM的PVC由于在端局设备终结，IP在数据安全性及带宽控制方面又有先天的不足，且QoS性能较差，所以更适合访问型的Internet业务 。从用户认证看：ATM-DSLAM的认证是通过将PVC终结在ATM宽带接入服务器（BAS）上实现的 。而IP-DSLAM的PVC的映射将VLAN标识符（ID）送给IP-BAS来对用户进行认证（也就是说如果没有VLAN ID送给上层的BAS，就无法对用户进行认证） 。因此必须要求IP DSLAM支持VLAN的数较多，以在PVC和VLAN ID上进行一对一的映射和唯一利用VLAN ID来表示用户 。
ATM DSLAM设备基于ATM先进的技术设计，完全支持多种ATM业务，如CBR、rt-VBR、nrt-UBR、UBR等，对这些业务提供不同的处理措施、不同的缓存空间和调度优先级以及不同级别的业务整形功能等，使得不同的ATM业务类型在整个业务传输过程中，得到与之相适应的带宽及高性能QoS支持的保证 。ATM是面向连接的传输，具有天然的安全隔离机制，既PVC，因此不会发生信息泄露情况 。
2. DSLAM 应用
DSLAM应用时具有较简洁的网络拓扑结构，可根据用户需要、组网情况以及局端DSLAM到用户端的(ADSL/VDSL）Modem双绞线布放范围不同，选择ADSL/VDSL接入 。基于ATM技术的DSLAM除提供ADSL/VDSL等接入方式外，还支持CES、FR等专线业务，适合多业务接入应用的情况 。
DSLAM作为接入层设备通过ATM端口汇聚到端局ATM交换机，通过城域网ATM交换机进入ATM骨干网，为用户提供Internet接入和各种专线业务 。
针对不同类型ADSL接入用户，DSLAM与其他设备配合，如BAS（Broadband Access Server）组网，可提供了灵活多变的计费方式：
（1）对于普通家庭用户使用PPPoE方式接入对BAS发起呼叫，BAS和Radius服务器、Billing服务器配合完成用户的认证、流量管理和记费等功能 。
（2）对于SOHO用户，在Modem上配置PPPoA和NAT，整个办公室共享一个账号，SOHO中的计算机通过Modem访问Internet和其他业务 。由Modem对BAS发起PPPoA呼叫，业务选择网关和Radius服务器、Billing服务器配合完成用户的认证、流量管理和记费等功能 。
（3）对于公司的分支机构与公司总部的连接，可以通过ATM骨干网和汇聚层的ATM交换机，建立Modem（配置IPoA和NAT，以专线包月形式计费）到公司总部间的PVC连接，这样可以访问公司总部的服务器 。
以上，介绍了ATM技术在LAN和Internet中的应用 。
六、总结
ATM技术是一项优秀的传输、交换、复用、交叉连接技术 。目前，ATM技术以一种更务实的姿态进入实用中，对ATM技术的理解也应在思想上更新 。互联网的可持续发展需要ATM支持，以提高服务质量和扩容；ATM也需要互联网来发展、应用、展示自己 。随着能充分利用ATM的应用增加，ATM的优势日渐突出 。Internet的发展正是一个机遇，尤其是互联网业务的多媒体化需求，对ATM技术将是一个巨大的推动 。

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