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，釆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釆用固定长度的信元，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个字节的固定长度数据块组成，其中前5个字节是信头，后48个字节是与用户数据相关的信息段。信元组成结构如图13所示。

图13   ATM信元结构

       信元从第1个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14所示。

      各字段含义简述如下。

       •     GFC：一般流量控制，4比特，在NNI中没有GFC； 

 

图14     ATM信头格式

       •   VPI：虚通路标识，在UNI中为8比特，在NNI中为12比特；

       •   VCI：虚信道标识，16比特；

       • VPI和VCI：路由信息；

       • PTI：净荷类型，3比特，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；

       • CLP：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；

       • HEC：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15所示,可以看出ATM层相当于OSI的数据链路层。

 

图15    ATM协议模型

       ATM系统釆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6.16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。

       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（VPLink）。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链路。

图16    ATM虚电路概念示意图

       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（VCLink）。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17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17    VP和VC连接

       注意：在组成一个VP连接的各个VP链路上,ATM信元的VPI不必相同；同样，在组成一个VC连接的各个VC链路上,ATM信元的VC1也不必相同。

       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18所示。

        图6.18中的交换节点有N条入线（Ii〜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）上可以釆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18中入线的逻辑信道x被交换到出线On,的逻辑信道k上，入线I,的逻辑信道y被交换到出线。,,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，这个功能又叫做路输入链路信头值输出链路信头值

图18     ATM交换原理

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/VCL以上交换通过信头、链路翻译表来完成，例如：I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Oi，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。