7.1.4 ATM网络
B-ISDN的发展目标是以一个综合、通用的网络来承载全部现有的和将来可能出现的业务。为此需要开发新的信息传递技术，以适应B-ISDN业务范围大、通信过程中比特率可变的要求。人们在研究、分析了电路交换和分组交换技术之后，认为快速分组交换是可以满足B-ISDN信息传递要求的技术。ITU-T于1988年正式把这种技术命名为ATM，并推荐其作为未来宽带网络的信息传递模式。
1．ATM网络的基本概念
ITU-T在1.113建议中的定义：ATM是一种传递模式，在这种模式中，信息被分装成信元（cell）。由于一个通信过程的各信元不需要严格按照一定的规律出现，因此这种传递模式是异步的。“传递模式”是指电信网络所采用的复用、交换和传输技术，即信息从一点“传递”到另一点所用的传递方式。
ATM作为ITU-T建议的B-ISDN的传递方式，具有以下技术特点。
·ATM是一种统计时分复用技术。它将一条物理信道划分为多个具有不同传输特性的虚电路提供给用户，实现网络资源的按需分配。
·ATM利用硬件实现固定长度分组的快速交换，具有时延小、实时性好的特点，能够满足多媒体数据传输的要求。
·ATM是支持多种业务的传递平台，并提供服务质量保证。ATM通过定义不同的ATM适配层（ATMAdaptation Layer，AAL）来满足不同业务对传输性能的要求。
·ATM是面向连接的传输技术，在传输用户数据之前必须建立端到端的虚连接。所有数据，包括用户数据、信令和网管数据都通过虚连接进行传输。永久虚连接可以通过网络管理功能建立，但交换虚连接必须通过信令过程建立。
2．ATM的分层结构
（1）ATM的分层
图7-10 ATM分层协议模型
表7-2 ATM分层协议模型中各层功能
ATM协议包括物理层、ATM层、AAL层和高层4个分层，如图7-10所示。模型中各层的功能如表7-2所示。
（2）B-ISDN协议参考模型
ITU-T为B-ISDN定义了正式的协议参考模型，将ATM协议组织成不同的协议平面，即用户、控制和管理，如图7-11所示。这3个平面分别表示用户数据传送协议、用户呼叫和连接控制信令协议以及管理协议。
图7-11 B-ISDNATM的协议参考模型
用户平面与控制平面的分立在AAL层及其上层，而不是在ATM层和物理层。这是因为，ATM层并不关心ATM信元中的净荷内容。
无论信元是控制信元还是用户信元，均通过不同的虚拟通道连接（Virtual Channel Connection，VCC）在ATM层被复用及解复用。管理平面在所有层次上均与用户和控制分立，这是因为每一层都需要管理协议来支持。
1）用户平面
在AAL及其上层，协议功能被分为用户平面和控制平面。用户平面是指在ATM端点之间和交换机之间，用于用户数据交换的那些协议。用户平面协议只能通过事先建立的虚连接如虚拟路径连接（Virtual Path Connection，VPC）和VCC承载。用户平面也包括各种业务流量管理协议，如拥塞控制和差错恢复等。
2）控制平面
控制平面由用于呼叫和连接控制的协议组成，这些协议即为信令协议。信令协议负责连接的启动和拆除，还包括在多方连接中参加方的加入和拆离。通过信令协议控制的这些动态连接称为交换式虚拟通路。控制平面同样包含前面介绍过的基本分层体系结构，在这个方面与用户平面是类似的。
3）管理平面
ATM的管理平面包括所有针对ATM的管理协议。除了常规的网络管理功能之外，管理协议还包括在永久虚通路中的连接控制功能。PVC是通过管理协议启动和拆除的，它的处理过程与信令协议对交换式虚拟通路的过程是类似的。
管理平面有两个方面内容，一是层管理，另一个为面管理。层管理由ATM分层结构中各个层的管理协议组成，主要有物理层管理、ATM层管理和AAL层管理。层管理只处理那些流向特定层的操作、维护和管理（Operation Administration And Maintenance，OAM）信息。面管理由管理各个平面（用户、控制和管理面）的协议组成，是针对整个ATM系统的管理，因此没有分层结构。
3．ATM网络的一般通信过程
ATM网络以面向连接的方式提供端到端的信息通信服务。终端用户在进入正式通信之前，要先经过呼叫建立过程。连接建立好后，ATM网络按一定路径顺序转移所服务的信元。
（1）呼叫建立
为在端到端之间建立连接，源端点（A）用户需向ATM网络发送请求消息，要求与宿端点（B）通信（见图7-12）。
图7-12 ATM网络端点间的连接
请求消息通常包括呼叫目的地址、所要求的带宽、业务质量（Quality of Service，QoS）等参数。用于启动、撤除和修正连接的呼叫控制消息，统称为信令消息。用户网络接口（UserNetwork Interface，UNI）和网络节点接口（Network Node Interface，NNI）上通信的信令消息分别遵从UNI信令协议和NNI信令协议。
信令消息也被装入ATM信元进行传送，不过其信头内的VCI被置为专用值。与源端点（A）相连接的ATM交换机（X）将执行呼叫接纳控制（Connection/Call Admission Control，CAC）功能，并与网络中的其他节点交换机一起，来确定是否支持新的连接。
如果ATM网络支持新的连接，由与B相连接的交换机（Y）以信元形式向B发送建立消息。而若B同意接收，则B用一个呼叫接受消息应答Y，并经ATM网络送达X，然后通知A，以完成连接的建立过程。
连接建立后，A、B间就可以传输信元，这时每个信元中只要包含VPI、VCI标记，而无须包含完整的地址。
当然，承载信令消息的（虚）连接必须在上述连接建立之前建立，即在端点与交换机进行物理连接时就要建立完成。
（2）信元定序和选路
在ATM网络中，某一连接的信元要确保按顺序到达。对于特定的连接，ATM信元一般沿同一物理路径传送。同样，ATM交换机在交换过程中，也要确保每条连接中的信元传送顺序。另外，在两个双向虚连接中两个方向上的数据流，也通常沿同一物理路径传送。
选路过程是在ATM网络确定连接是否支持的同时完成的。交换机在收到连接请求后，如果有充足的资源可以处理连接，则以选路信息和网络资源信息为基础来确定输出链路。而网络中下一段的交换机重复同样的过程，直到宿端点为止。
4．ATM业务
ATM业务分为用户终端业务和承载业务两类。用户终端业务是指业务提供者在网络业务的基础上向用户提供的高层业务应用，包括VOD、会议电视、远程教育、远程医疗等。承载业务是指网络为用户提供承载的连接属性和传递能力。此外，ATM网络还能够为用户提供额外的业务能力，称为补充业务。
（1）承载业务
承载业务的划分主要基于下列参数。
·源端点与目的地端点之间的定时关系（需要或不需要）。
·比特率（固定的或可变的）。
·连接模式（面向连接的或面向无连接的）。
根据这3种参数，承载业务可划分为4种业务类型A、B、C和D，如表7-3所示。
表7-3 承载业务类型
ATM交换机应能对于各种通信连接结构支持所有的承载业务。
主要的承载业务有永久虚连接ATM信元中继业务、交换虚连接ATM信元中继业务、PVC帧中继业务、E1电路仿真业务。
1）ATM信元中继业务
ATM信元中继业务是基于信元的信息传输业务，它使用户能直接接入到ATM层。信元中继业务能够灵活地传送各种用户应用业务流，并支持固定比特率及可变比特率的应用。ATM信元中继业务可通过永久虚连接来支持，也可通过交换虚连接来支持。
2）帧中继业务
帧中继业务是一种面向连接的数据传输业务，在用户网络接口之间提供用户信息流的双向传送，并保持信息帧原顺序不变。帧中继业务提供可变长度的分组数据传输。
3）电路仿真业务
使用ATM传输固定比特率（Constant Bit Rate，CBR）信号的业务（或电路交换业务）称为电路仿真业务。目前仅要求支持E1电路仿真业务。
（2）用户终端业务
根据宽带通信及其应用的形式，用户终端业务分为交互型业务和分配型业务两种类型，如图7-13所示。
图7-13 宽带用户终端业务的分类
常用的用户终端业务应用包括LAN互连、LAN仿真、高效数据传输、宽带可视图文业务、宽带可视电话、宽带会议电视、宽带电视分配业务和宽带HDTV等。
5．ATM网络接口和地址结构
ATM网络接口用户连接ATM网络各部分，ATM地址结构则有B-ISDN和附加地址构成。
（1）ATM网络接口
ATM标准为各设备制造商设备的互连奠定了基础，这种互连包括ATM网和非ATM网，现在和未来网络应用之间的互连互通。ATM接口定义了涉及ATM网络各部分的互连性和互操作性。例如ATM终端和ATM交换系统、ATM交换系统之间以及ATM业务接口之间定义了其互连性和互操作性。ITU-T和ATM论坛定义的ATM网络概念性结构及接口如图7-14所示。
图7-14 ATM网络概念性结构及接口
1）UNI
UNI是用户设备与网络之间的接口，直接面向用户。按其所在位置不同又可分为公用UNI和专用UNI（Private User Network Interface，PUNI），PUNI不必像公网接口考虑严格的一致性，因而PUNI接口形式更多、更灵活。UNI技术规范包括各种物理接口、ATM层接口、管理接口和相关信令的定义。
2）NNI
NNI含义较为广泛，它可以是两个公用网络之间的界面，也可以是两个专用网络的界面。此外还可以是交换机间接口。对于公用网它是网络节点接口，对于专用网它是交换接口。公用NNI和专用NNI（Private Network Node Interface，PNNI）的差别很大，如公用NNI的信令为No.7信令体系的宽带ISDN用户部分（Broadband ISDN User Part，BISUP）。而PNNI则完全基于UNI接口，仍采用UNI信令结构。网络节点接口标准包括各种物理接口、ATM层接口、管理接口和相关信令的定义。
3）ATM数据交换接口
ATM数据交换接口（Data Exchange Interface，DXI）允许路由器等数据终端设备和ATM网络互连，而不需要其他特殊的硬件设备。数据终端设备和数据通信设备协同工作提供用户/网络接口，DXI定义在数据终端设备DTE和数据连接设备DCE之间。DCE完成了不符合ATM标准的数据终端到ATM的适配过程，相当于终端适配器。数据交换接口技术规范包括数据链路协议、物理层接口、本地管理接口和管理信息库的定义。
4）宽带互连接口
宽带互连接口（BISDN Inter-Carrier Interface，B-ICI）是ATM论坛定义的运营者（Carrier）与运营者（Carrier）之间的接口，它是公用ATM网络之间的接口，不包括专用ATM网络间的接口。宽带互连接口技术规范包括各种物理层接口、ATM层管理接口和高层功能接口。高层功能接口用于ATM和各种业务的互通，如交换的多兆比数据业务（Switched Multi-megabit Data Service，SMDS）、帧中继、电路仿真（Circuit Emulation Service，CES）信元中继（CellRelay Service，CRS）根据B-ICI1.0的定义，宽带互连接口同时也是网络节点接口，但反过来，网络节点接口不一定是宽带互连接口。目前ATM论坛已经给出了B-ICI2.0规范。
ITU-T定义的UNI物理层接口速率主要有：1.5Mbit/s、2Mbit/s、25.6Mbit/s、51.8Mbit/s、155.520Mbit/s、622.080Mbit/s。NNI接口速率有：155.520Mbit/s、622.080Mbit/s、2.5Gbit/s等。ATM论坛定义的标准接口速率有：1.5Mbit/s、2Mbit/s、6.3Mbit/s、25Mbit/s、45Mbit/s、51Mbit/s、155.520Mbit/s、622.080Mbit/s。此外，还有网络业务互通接口，如LANE、CES、FUNI、DXI等。ATM论坛定义的接口速率实用且多样，考虑了利用原有的各种传输系统，在ATM建网初期这些接口具有很强的实用性和经济性。
（2）ATM网络地址结构
ITU-T建议的B-ISDN地址格式如图7-15所示。
图7-15 B-ISDN地址格式
ITU-T建议的B-ISDN号码格式如图7-16所示。
图7-16 B-ISDN号码格式