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ATM交换技术
2006年7月21日 11:2  来源:矩阵通信技术论坛
  异步传送模式(ATM)交换技术是一种包含传输、 组网和交换等技术内容的新颖的高速通信技术。它是由产业界、用户团体、研究机构和标准化组织开发和定义的。它被设计成满足下一代通信技术要求,如支持带宽资源的有效利用,有利于有各种类型的网络互连以及能够提供各种先进的通信业务。它被看作是先进和有效的军用和民用通信的先进通信技术。

  特点: 从技术上看,ATM是从快速分组交换技术演变而来的,用于信息传输的基本的ATM数据单元是ATM信元。这种ATM信元的长度是固定的,并由53个8位字节组成,其中包括 5个8位字节的头标字段和48个8位字节的信息有效载荷字段。一个ATM信元的总的结构示于图1 。ATM具有分组交换和电路交换的特征,并包含传输、组网、多路复用和交换技术。 它与其他技术相比,如X.25帧中继交换或帧中继能够更有效地满足通信需求。 

  ┌───────┬──────────┐
  │ 头标字段 │信息(有效载荷)字段 │
  │(5个8位字节) │ (48个8位字节) │
  └───────┴──────────┘ 
  图1 一个ATM信元类属结构 
 

  [相关技术]网络技术;交换技术;分组交换技术;传输技术;数字技术

  [技术难点] 

  ATM以固定信元长度传送所有的信息,技术复杂,实现起来代价高。在军事应用中,特别是在移动通信中如何使误码率达到标准要求难度较大。此外,ATM技术在发展过程中还将遇到IP技术的挑战。

  [国外概况] 

  1.ATM的起源和发展

  ATM的概念起源于1983年美国贝尔实验室技术人员提出的快速分组交换和1984 年法国电信提出的异步时分交换的设计思想。快速分组交换采用硬件交换进行路由选择, 采用固定分组长度,简化差错控制规程,从而使接入速率可以达每秒百兆比特以上, 分组传输和处理时延可以达到微秒级,并实现实时分组交换。异步时分交换采用16字节的长度,其中12字节为信息段,4字节为分组头,分组头用于进行交换处理。 这种交换方式端口速率也可达每秒百兆比特以上,而且时延极小,可以实现话音、数据和图像综合应用。

  1985年,法国正式向国际电联(ITU)提出建议草案,国际电联到1988年形成了第一个建议I.121。1988年,国际电联将ATM选定为实现宽带综合业务数字网(ISDN)(B-ISDN)的基础,到1990年,国际电联正式建议将ATM作为宽带综合业务数字网(BISDN)的技术体制,从而全面开始 ATM标准和实用技术研究,并于1992年7月由美国Fore Systems率先开发出了ASX-100系列ATM交换机。 目前正以一种可作为宽带宽应用的基本技术而用在局域网(LAN)和广域网(WAN)中。

  2.ATM在军事通信中的应用

  (1) ATM局域网(LAN)

  在LAN和/或司令部环境中使用ATM再不需要独立的网络分别用于传送数据和非数据业务。它还可以改善普通LAN技术支持的通信业务的QoS。较高的信息通过量、支持业务量高涨和按需分配带宽是改善QoS的几个例子。因为带宽资源的增加,ATM LAN还应允许有用的军事通信业务,例如司令部范围内(有可能超出司令部)有效实现的多媒体和可视化通信业务。繁重的数据业务,如军事演习仿真,还可以由 ATM LAN更有效地支持批量数据传输和广播图像交换。带宽资源的增加和支持多媒体通信的能力可使 ATM LAN支持特殊军事事件,例如计算机辅助演习(CAX)比采用普通的LAN技术更有效。

  (2)ATM主干网

  在主干网应用领域使用ATM是另一个重要的军事ATM应用。美国防信息系统局从1993年起计划在10~15年时间内,以ATM为骨干技术,分三期工程实现国防信息系统网(DISN)综合传送高速话音、数据和图像(见表1)。北约的ATM主干网也将综合传送包括数据、视频、话音和图像,而目前的主干网大部分只传送话音。因为ATM设计成支持多媒体通信, 从而在主干网中应用ATM将保证未来主干网有效为用户提供各种通信业务。

  ATM主干网上各种全国性的各种类型的军事通信网络的网络互连是ATM在军事通信上的又一个重要应用。ATM可用作数字载体将以普通的X.25和ISDN 技术为基础网络实现网络互连。它还能对相当多的网络业务提供接入。因为 ATM采用固定格式的数据单元,可以直接在 ATM主干网中实现无缝隙互连。最终结果是在网络领域不会像目前的LAN-WAN 互连那样降低服务质量。这是因为ATM主干WAN能提供比现有的主干WAN所能提供的更宽的带宽。

  表1 DISN各种业务及其对信息量的要求
  ┌─────────┬────────┬──────┬─────────┐
  │业务类型 │ 传输方式 │协议方案 │有代表性的国防 │
  │(最大突发率) │ │ │通信应用 │
  ├─────────┼────────┼──────┼─────────┤
  │超高速多媒体 │ 光纤 │ │远距离多媒体中继 │
  │(>10Gbps) │ │ATM/SONET │(全球干线) │
  │固定站 │ │ │ │
  ├─────────┼────────┼──────┼─────────┤
  │高速多媒体 │ 光纤 │ATM │情报数据传输 │
  │(0.1~10.0Gbps) │ │ │ │
  │固定/可运式站 │ 卫星 │直接广播 │基本应急通信 │
  │ │ 虚电路 │广域覆盖 │ │
  │ │ │组网 │ │
  ├─────────┼────────┼──────┼─────────┤
  │中速(0.1~100.0 │ 卫星 │直接广播 │共用户行政通播 │
  │Mbps)移动/可运式 │ │VAST │"飞地"内通信 │
  │ │ │网络 │ │
  │ │ │ │ │
  │ │ 小区RF │小区结构 │将光纤通信扩展到 │
  │ │ LAN │ │移动用户 │
  ├─────────┼────────┼──────┼─────────┤
  │个人通信业务 │ 卫星 │DAMA(TDMA, │ │
  │(PCS) │ │FDMA或CDMA) │ │
  │(<100kbps) │ │ │ │
  │高度机动 │ 地面视距 │战斗网,RF │战术通信/PCS │
  │ │ │LAN │视距 │
  └─────────┴────────┴──────┴─────────┘
  (3)战术通信

  ATM的固有的特征,如可缩放的带宽分配、动态带宽分配、支持综合通信业务、 每通道协商和有保证的QoS以及利用单一格式数据单元,显示出ATM是一种适于战术通信的可行的解决办法。美军除在90年代初期就开始在战略通信系统(DSIN)中进行ATM的应用研究外,90年代中期还开始在战术通信系统(MSE系统)中进行ATM试验。北约三军联合通信和电子组(TSGCE)第 11小组(SG11)项目组(PG/6)的讨论文件规定,ATM被看作是2000年后使用的和2000 年后实现的战术通信网的一种候选技术。

  3.ATM的基本技术

  (1)ATM信元头和有效载荷

  信元头标字段的主要功能是建立通信信道,识别属于同一通信信道的的信元,在网络节点之间交换信元并为信元选择路由,区分信息流的优先等级和控制信息流。图2 表示B-ISDN用户网络接口(UNI)ATM层信元的头标。
  ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬───┐
  │ 8│ 7│ 6│ 5│ 4│ 3│ 2│ 1 │
  ├─┴─┴─┴─┼─┴─┴─┴───┤
  │ GFC │ VPI │
  ├───────┼─────────┤
  │ VPI │ VPI │
  ├───────┴─────────┤
  │ VCI │
  ├───────┬─────────┤
  │ VCI │ PTI CPL│
  ├───────┴─────────┤
  │ HEC │
  └─────────────────┘
  图2 B-ISDN UNI

  图例: CLP:信元丢失优先权 PTI:有效载荷类型识别符 GFC:类属流控制* VCI:虚拟信道识别符** HEC:头标差错控制 VPI:虚拟通道识别符** UNI:用户-网络接口 *GFC字段的功能至今仍未被标准化机构完全定义 **VCI和VPI组成信元交换中使用信元标记字段 

  图2 B-ISDN UNI的ATM信元头标格式

  ATM信元的信息有效载荷(I)字段包括用户和管理数据。在I字段的48个8位字节中,前面的少数8位字节(最多达4个8位字节)与业务无关,其余的8位字节按特定业务编码。 (2)异步多路复用用和快速分组交换

  ATM技术所基于的工作原理是分解业务信号,把这些信号映射成固定长度的ATM信元,以异步方式多路复用这些ATM信元,从而组成连续传输的数据流, 接着通过网络上的虚拟通信信道,使数据流实现高速交换和传输。减少协议开销和增加误差检校和对终端系统高层的重发这样一些功能,可提高传输速度。

  (3)面向连接的技术和虚拟连接

 ATM是一种面向连接的技术,意即通信信道建立阶段必须处理实时信息交换。 在通信信道建立阶段,通过网络建立一条端到端的通信信道。在ATM中, 通过网络中节点到节点连接的连锁逻辑关联来实现这样的信道。每次逻辑关联表明传输ATM信元的单向信息传输能力, 并调用一个虚信道(VC)。由于虚信道与专用的物理线路无关,并且它与其他连接共享其物理信道,所以把它视为虚拟。一个局部性的显著逻辑标识符VCI识别一个VC,而VCI由ATM 层分配并放置在信元头标中。当ATM层分配一个VCI值时,产生一条VC链路。一旦VC链路建立起来,它的后面将跟随属于同一VC连接的所有信元,从而确保在属于VC连接的传输中以这样的方式排序。整个ATM网络中实现端到端连接VC连锁连接被称作虚信道连接(VCC)。

  (4)分组交换与线路交换的综合

  ATM通信技术将现有的线路交换方式数字通信方式与分组通信方式加以综合。首先, ATM允许凭借信元标记定义和识别个人通信;就此而论,ATM装配普通的分组传输方式。 第二,ATM与分组方式通信紧密相连,因此,它只有当有业务要传送时才利用带宽。第三, 像分组交换一样,在呼叫建立阶段,ATM支持服务质量(QoS)协商,并通过在多种连接中共享其传输媒体而支持虚电路的利用。但是也有明显差别,因为分组方式一般利用可变长度的分组,而ATM则将固定长度分组的ATM信元作为其基本的传输媒介。此外,普通的分组方式主要是为可变比特率(VBR)、非实时数据信号创建的,而ATM同样可以很好地管理实时恒定比特率( CBR)信号。

  (5)标记交换

  ATM方式时,根据信元标记字段中包含的信息进行信元寻由和交换, 而信元标记字段是信元头标的VCI和VPI。信元标记并非是一个明确地址。其原因之? 

  鉴于ATM固有的优点及其对潜在应用的支持,它将对民用和军事通信用产生重大影响,并将引起通信方式的变革。

  就经济效益而言,其优点包括按使用付费、较好的带宽保证、减少(昂贵的)租用线预订、资源优化、可缩放的和灵活的带宽分配以及投资保证。

  就提供业务来说,其优点包括支持LAN、MAN和WAN环境中的综合通信,改善QoS、保证带宽、按需带宽和可缩放的带宽分配,继续提供高质量的业务以及提供新的业务。

  就网络基础结构而言,其优点包括多种类型的网络互连,支持灵活的网络基础结构,并支持多机种网络基础结构。 
 
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