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现代交换技术复习资料
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Title:Engineer
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【转】ATM详解
以异步转移模式ATM作为其核心技术B-ISDN，能
(1) 在UNI接口上提供任意速率的业务；
(2) 提供各种连接形态；
(3) 信息传送的延时小；
(4) 能支持各种数据传输速率（未定、可变、固定）类型，见(我们将在本课第三节介绍)
1. 为什么选择ATM？
(1) 电路传送模式和分组传送模式
　　在通信网络发展过程中，出现了多种信息传输方式，它们分别适应不同业务速率，如下图所示。这里只对比电路传送模式和分组传送模式两个极端情况，对其他模式，读者可以自行参照下图和相关资料。
i.电 路传送模式，也就是电路交换模式（CSM：Circuit Switching Mode）+时分复用传输（TDM：Time Division Multiplexing）。其基本特点是，对任意特定的通话呼叫，为其分配一个固定速率的信道资源，且在整个通话期间专用。在数字模式下，通信双方的信 息以周期出现的固定时隙为传输载体，故称为同步转移模式（STM：Synchronous Transfer Mode）。
缺点：由于STM下每个通路长期占有固定带宽的资源，而几乎所有通信类型的数据率都是可变的，所以资源利用率低，极不经济。
ii.分组传送模式：这里是指传统的分组交换网X.25等。任何通信双方间都无需保持固定的通信链路，仅在需要发送数据时才向网络提交数据，甚至数据块的大小 （Packet Size）可变。所以该模式（在物理设备传输容量下）可以适应任意的传输速率，且基于统计复用模式极大地提高了资源利用率。 缺点：分组交换网的固有优点同时也是它的固有缺点，它虽然实现了资源利用率的极大提高，但其中流控、差错控制等程序复杂，同时同一通信进程中的数据传输是 异步的、时延大。所以不适应对时延敏感的通信业务，如电话、图像、视频通信等。
(2) TDM回顾
　 　TDM就是时分复用模式。它把若干不同通道（Channel）的数据按照固定位置分配时隙（TimeSlot：8Bit数据）合在一定速率的通路 （Path）上。每一个时隙的速率为一个标准的PCM（Pulse-Code-Modulation）话路64Kbps。每通道时隙的重复频率为 Ts=8KHz，即帧周期为125us。如图2所示。通常把若干通话复用在一起以后的通路组称为一个基本群路，然后更大的通路均在此基础上进一步复用（4 倍）为高次群。其中的时隙数即复用的通道数与时钟有关。国际上有两个不同的基群标准（PRI：Primary Rate Interface）。美国和日本采用24支路标准，我国采用欧洲标准，使用32路标准，分别记为：
　　E1：32路，32×64Kbps＝2.048Mbps，
T1：24路，24×64Kbps＝1.544Mbps。
　　直接把要交换的Channel的对应时隙的数据拷贝到通路（或另一通路）中要交换的时隙位置即可。下图3显示了两个E1支路上不同通道（Channel）间的交换情况。
(3) ATM和TDM的比较
a. TDM是同步传输模式。
TDM是为实时话音数据传送而设计的，因此，
TDM以基本带宽为固定的64Kbps信道为单元，
在复用过程中各信道的位置（时隙：TimeSlot）固定，而且各通信双方在通信中独占信道，故而，
TDM在传输对时延不敏感的数据流时效率很低。
b. ATM本质上是一个异步传送技术
ATM能同时传输实时数据和非实时数据；
没有特定时隙或专用信道的概念；
灵活的带宽分配和高的信道资源使用率；
同时对不同的业务能提供相应的QoS保证。
2. ATM的定义
　 　ATM即Asynchronous Transfer Mode，译为异步转移模式，或称为异步传输模式、异步传送模式。ATM是B-ISDN的核心技术。如前所述，电路交换和分组交换都不能适应未来的宽带、 多速率、不同QoS业务的发展需求。为此，逐渐推出了各种传输模式。其中最有吸引力的便是ATM。它们的相互关系可以简明地表示如下。
异步转移模式ATM定义，归结为：
　　(1)面向连接的快速分组交换技术（Connection-oriented, high-speed packet switching）。
(2)基于固定长度信元的异步传输技术（53-byte celled streaming）。各种类型的信息流（包括语音、数据、视频等）均被适配成固定长度的（53字节）的"信元"（Cell）中进行传输。信元是同步定时发送的，但信元所包含的信息之间却是异步，即不保证原来的信息顺序到达目的地。
ATM技术规范由ATM论坛和ITU-T标准给出。
3. ATM的特点
可同时传送包括语音、数据、视频等多种话音和非话业务。
可提供各种可能的服务质量选择（QoS：Quality of Services），包括不变速率传输、可变速率传输：
i. 根据传输业务类型选择信息速率。
ii. 在每次连接发起时临时协商确定一个所需的速率（并且可变），通常称为未定速率。
可提供Mbps到Gbps的各种速率。
可用于同轴缆、光纤和普通双绞线缆介质。
可以作为LAN或WAN的基础技术，即构成所谓IPoATM网络。
1． ATM的层次模型
　　ATM层和OSI模型不完全一致，它主要处理物理层和数据链路层问题，其协议分层如下图5所示，其中简要地列出了各层的中英对照和相应的功能。
　ATM可用速率分若干等级：
a)1.544Mbps/2.048Mbps；
b)25Mbps；
c)45Mbps；
d)155Mbps；
e)622Mbps，
　　它们可以分别容纳不同QoS和速率要求的业务。顺便指出NMS的ArTeMux系列ATM产品可以为UTP（Unshielded-twist-pair），MMF(Multi Mode Optical Fiber)和SMF(Single Mode Optical Fiber)提供25Mbps和155Mbps两种速率（但25Mbps是北美标准，不适合中国）。
2． ATM的信元
　 　ATM信元实际上就是分组，为区分X.25分组（Packet）改称为信元（Cell）。ATM信元具有固定的长度，总长为53字节。其中前5个字节为 信头（Header），包含各种控制信息，包括信元目的（逻辑）地址、纠错码、业务控制和维护信息等；后面48字节为信息字段（Payload），又称净 荷，其中包含了业务的数据，它们将被透明地传输。信元结构如下图6所示。在UNI接口和NNI接口上ATM的信元头结构是不同的。
GFC（Generic Flow Control）：一般流量控制。如图7所示，GFC仅在UNI信头存在，因为ATM只在端设备与用户设备处进行流控制，以减少网络过载的可能性。
VPI（Virtual Path Identifier）：虚通道标识符。在ATM中，若干虚通路（VC）组成一个虚通道（VP），并以VP作为网络管理单位，相当于X.25中的逻辑信道群号（LCGN）。
VCI（Virtual Connection Identifier）：虚通路标识符。类似于X.25中逻辑信道号（LCN），用于标志一个VPI群中的唯一呼叫，在呼叫建立时分配，呼叫结束时释放。在ATM中的呼叫由VPI和VCI共同决定，且唯一确定。
PTI（Payload Type Identifier）：净荷类型。用于指示信息字段的信息是用户信息还是网络信息。
CLP（Cell Loss Priority）：信元抛弃优先级。当CLP为"1"时，表示当网络拥塞时可以抛弃该信元；相反，不能抛弃CLP为"0"的信元。
HEC（Header Error Control）：信头差错控制。为了提高处理效率（同时传输线路条件允许如此），ATM仅进行信头 差错控制，以防VPI/VCI差错，即呼叫间"串话"。
3． ATM的信令接口：
　　UNI和NNI ATM有两种类型的接口：一种是用户-网络接口（UNI：User-Network Interface），一种是网络－网络接口（NNI：Network-Network Interface）。如下图7所示。
其中的UNI接口完成终端用户系统与专有ATM交换机和公众ATM网络之间及专用ATM交换机与公众ATM网络之间的消息互通。而NNI是专为公众或专 有ATM网络之间的消息互通。通过这两种接口，一方面可以维持现有的话音、视频、数据等本地网络不变而轻松地在UNI下得以综合，另一方面可以利用NNI 高速地传输多种类型的信息。
4． ATM的地址
　　在ATM中，地址是呼叫建立过程中通过UNI信令确定的，然后据此寻找合适的路由，并建立VC（虚连接）。虚连接由一系列VPI/VCI路由构成，并用VPI/VCI标识。ATM中使用20字节的地址结构，如下所示：
ATM地址有三种格式：
DCC格式：按国家分配的地址；
ICD格式：按国际组织分配的地址；
E.164格式：传统电话编号方式。
　　它们的区别由交换机MAC地址中的地址前缀指明。
　　其中适配器的MAC地址，又称ESI（End System Identifier）是48比特的MAC地址（与现有LAN-MAC地址兼容）。选择字（SEL）在NNI接口中没有意义，仅在UNI接口处解释，在 NMS的ArTeMux中用于识别终端系统中的终端接入点（地址空间大小为256）。
5． ATM的地址注册
　　在呼叫建立过程中终端系统和ATM交换机之间（UNI）通过过渡性本地管理接口（ILMI：Interim Local Management Interface）协议完成地址注册。注册过程如下图所示。
（1） ATM终端系统通知ATM交换机自己的MAC地址ESI；
（2） 如果正常，ATM发回包含ATM地址的其余部分（包括ATM交换机MAC）的响应包。
6． ATM的虚连接（Virtual Connection）
　　ATM和STM都是面向连接的传输模式。但ATM和STM不同，其连接是"临时"的，不像STM中那样，用户在呼叫期间独占物理通道（的一部分），而 是逻辑上的"虚连接"，故称"虚电路"。用户间的信元传输必须在虚电路建立之后，才能进行；信元按序发送，并按序到达目的终端；且各虚电路拥有自己（在呼 叫建立期间协商好）的业务性能参数。
(1) 虚电路（Virtual Circuit）概念
虚通路（VC）：两个终端接入点的逻辑连接。
虚通道（VP）：一组虚通路集合。
　 　VCI和VPI分别用于标识为一个呼叫链路所分配的虚通路和虚通道。前面所讲的ATM地址仅在UNI接口处用于识别用户终端及用户终端内的逻辑设备；在 ATM交换和传输控制过程中都以VPI+VCI作为参考值（参见ISDN及七号信令部分中的呼叫参考值）。VC和VP的关系如图9所示。
值得指出的是，一个呼叫链路由端-端VCI/VPI和ATM交换机的路由表唯一确定，一个呼叫链路上的信元的VPI+VCI在ATM交换过程中会被改变（由路由表决定）。
(2) ATM交换
　　ATM中的两种交换：虚通道交换（VCS：Virtual Channel Switching）和虚通路交换（VPS：Virtual Path Switching）。前者指同一个VP内或不同VP内的VC之间的交换；后者指一个VP内所有信元同时被映射到另一个VP内的过程。见下图10。
(3) ATM的两种虚连接
永久虚连接（PVC：Permanent Virtual Connection）：是一种静态虚连接，必须手工配置。其优点是，不必每次呼叫都进行虚连接配置，所以连接快（小于30us），仅由系统响应时间决定。其缺点是，这些PVC必须手工配置，不能进行大量PVC配置。
动态虚连接（SVC：Switched Virtual Connection），又称交换虚连接：是一种动态的虚连接，由终端用户或终端应用发起连接请求，系统临时建立。连接时间由ATM网络决定，在系统拥塞时可能失败。但SVC比PVC具有更高的QoS适应性和带宽利用率。
二者都必须能进行点-点连接和点-多点连接。
1. ATM的QoS
(1). 业务质量分类
业务质量分类有多种分类方法。ATM中按照速率要求把各种业务分为五大类：
未定比特速率（：Unspecified Bit Rate）：对传输速率没有指定，但可靠性要求很高，即所谓"尽力传输"（Best Effort），用于局域网仿真（LAN Emulation）。
不变比特速率（：Constant Bit Rate）：有固定的带宽（速率）要求，适用实时的话音和视频信号传输。
可用比特速率（：Available Bit Rate）：只需指定峰值（Peak）和谷值（Minimum）信元速率，应用不多。
可变比特速率（：Variable Bit Rate）：允许随时可变的带宽，但必须指定峰值带宽、最大突发数据长度和必须维持的最低速率。
实时可变比特速率（：Real Time Variable Bit Rate）：主要用于速率可变的实时业务（如视频监控和压缩话音通信等业务）。
它们的大致关系如下图11所示。
各种ATM服务类型的特性如下表。
带宽保证是是是可选不适用于实时通信是是不不不适用于突发通信不不是是是有关于拥塞的反馈不不不是不
(2). 业务质量描述参数（QoS---- 服务质量）
　　业务质量参数是指一个呼叫对网络所提供质量的一系列要求。为了在有效利用网络资源的同时，又保证一定的QoS，ATM在UNI接口处进行业务量的控 制，以避免网络拥塞和过载。所以ATM在UNI信令中规定，用户系统在虚电路建立过程中必须提出自己的业务质量要求（由业务描述参数表示），由网络决定是 否接受这个请求；一旦请求被接受，网络对各链路的业务量进行监控，限制超过业务量要求的包通过，从而避免网络过载。
这些参数列于下表：
峰值信元速率
信元发送的最大速率
持续信元速率
长时间的平均信元传输速率
最小信元速率
最小的可接受的信元传输速率
信元延迟变化极值
最大的可接受的信元抖动
信元丢失比率
信元丢失或提交得太迟的比例
信元传送延迟
信元提交时拖延的时间（中间值和最大值）
信元延迟变化
信元提交时间的变化幅度
信元错误比率
提交无错信元的比例
严重错误信元块比率
出错信元的比例
信元错误目的地比率
信元提交至错误目的地的比例
　 　显然不同业务质量QoS要求，其信元传输的优先级是不同的。其网络优先级依次为：CBR信元：最高级；rt-VBR信元：高；VBR信元：中等；ABR 及UBR信元：低。其中高、中优先级用于话音和视频传输（CBR及VBR），而低优先级通常用于数据传送（ABR及UBR）。
2. ATM的适配层（AAL：ATM Adaptation Layer）
　　ATM适配层，是ATM核心（包括ATM层和物理层，与业务无关）和高层间的接口()，它是为使ATM层能适应不同业务类型而设置的，故ATM对各种业务承载能力集中体现在ATM适配层。ATM适配层又细分为若干子层。具体如下图12。
ATM适配层共有6种类型：AAL0，AAL1，AAL2，AAL3，AAL4，AAL5。
　　用于传送原始ATM信元，必须为53字节大小，对非53字节长度的信元必须由用户开发的协议解释。
　　AAL0主要用于传送信令和短消息（OAM用）。
　　由于传送恒速率（CBR）业务数据及其定时信息（包括发送定时及时钟恢复）。主要目的是用来模拟电路交换（CSS：Circuit Switching Simulation），能支持N×64Kbps的不变速率话音传送；同时也（仅）支持G.726下的ADPCM的恒比特率压缩话音数据。
　　在同一个虚通道（VC）中，AAL1还支持一个或多个DS0（64Kbps）。当虚通道中只有一个DS0话音时，可以使用无结构数据格式（UDF：Unstructured Data Format）传送，这是一种面向比特的技术；当有多个DS0同时传送时，必须使用结构化数据格式（SDF：Structured Data Format），此时各DS0数据流按字节依次传送，即是面向字节的。这两种格式的区别如下图13所示。其中AAL1指针用于指示多DS0时，第一个DS0字节位置，以便定时。利用AAL1可以实现ATM对STM（TDM）信号的传送，见图14。
AAL1主要用于TDM电路仿真。其特点是：
a) 速率恒定：用于N×64Kbps话带数据；
b) 可以通过部分填充的办法发送信元，以减少传送时延（用到AAL1指针）；
但是，AAL1用于话音传送时有如下缺点：
a) 比TDM多占12-15％的带宽；
b) 不能利用静默技术提高带宽利用率； c) 只能使用恒比压缩算法。
AAL2适用低速率及变比特率传送，在话音传送方面优于AAL1，因为：
a) 同样适合实时传送，且允许使用静默技术、语音压缩及带内信令；
b) 在一个虚通路VC中可以传送多话路，且业务性能可以不同； 即，AAL2可以节省带宽，从而比AAL1更为经济。
AAL2的信元格式如下：
　图中清楚地显示了一个ATM信元中传输多路话音的情形。其中的各CPS-PH+CPS-PP相当于该ATM信元所在VC中的微通道（Mini- Channel），这就允许选择最佳的分组尺寸以获得最小时延，同时允许多个活动AAL2微通道有效地复用在一个VC中，从而提高带宽效率。
　 　在AAL5中，数据（可以长达65,536字节）先被缓存，被分割适配到ATM信元并透明传输，同时加上了纠错，因而AAL5特别适合可变比特率数据传 送，支持面向连接的、对时延不太敏感的业务。AAL5的优点是开销小、纠错强，同AAL3/4相比除了不支持复用外，基本相同。
　　AAL5的信元格式，如下图15所示。图中给出了一个60字节的数据块通过两个ATM信元传送的例子。
因此，AAL5主要用于传送数据，当然也可利用AAL5进行话音业务传送。
对以上各类AAL，推荐使用如下QoS：
AAL0：任何一种均可；
AAL1：CBR或UBR；
AAL2：VBR或UBR；
AAL5（数据）：UBR或ABR；
AAL5（话音）：CBR。
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Title:Engineer
1. ATM 技术的应用
　　如前所 述，ATM相对于STM有很多优点，因此不仅将成为B-ISDN的基础传输技术，在目前很多业务和技术体系中也纷纷采纳ATM技术。比如目前非常热门的 ADSL专线上网就主要采用ATM技术（当然ADSL中也有采用STM技术的标准，但ATM的可变速率特性更具竞争力）。有兴趣的读者可以在有关ADSL 的讨论区找到相关资料(,)，我们还会专门开辟一个章节讲述的内容。这里先就另外比较热门的非语音应用IPoATM（IP over ATM）：ATM LANE作简单介绍。
2. ATM LANE
1) ATM LANE的概念
　　顾名思义，LANE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。
　　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。
(1) 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；
(2) 充分支持LAN中的无连接特性；
(3) 支持单播、多播及广播传送；
(4) 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。
2) ATM LANE的构成
　　每个ELAN(Emulated LAN)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。LE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。ATM LANE的构成及相互关系如下图16所示：
(1) LANE客户端（LEC：LANE Client）
　　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。
(2) LANE服务器（LES：LANE Server）
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
(3) LANE广播和未知服务器（BUS：Broadcast & Unknown Server）
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
(4) LANE 配置服务器（LECS：LANE Configuration Server）
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
3) LANE的优点和局限
　　因为LANE提供与现有MAC协议给网络层提供的驱动相同的服务接口，不需要改变该驱动，这将加速ATM的发展和应用。
　　但是，LANE的功能是使ATM的特性对高层协议透明，因此它使高层协议不能利用ATM固有的优点，尤其是其服务质量保证。尽管LANE提供在ATM网络子网内桥接的有效方式，但子网间的业务仍需要通过路由器转发，因此，ATM路由器很可能成为瓶颈。
1. NMS的ATM产品简介
　　NMS提供整套ATM解决方案，下图17给出了一个Voice Over ATM/xDSL的应用方案。
　NMS提供的ArTeMux系列产品，包括ISA、PCI、cPCI等接口板；支持多种Chassis协议总线，包括TDM、H-100、H-110、MVIP、SCSA等电信总线；支持AAL0-AAL5。
PCI板卡，支持MVIP协议，可以通过AAL0、AAL1、AAL5接入TDM到ATM；
支持UNI 3.0, 3.1, ILMI, LANE；
接入速率为155Mbps (光纤或UTP), 25Mbps (UTP)
虚电路接入能力：1-122 DS0/VC，在155Mbps上可以进行256个全双工话音通信或1024个全双工数据通信。
(2) S002：除了支持SCSA以外，和S001很相似。
(3) S003：除了为ISA卡及同时兼容MVIP和SCSA外，和前二者相似。
　　另外，还有S005和S007，其接入能力和上述产品相似，只是S005为PCI板卡，支持H.100、MVIP和SCSA协议，而S007为cPCI卡，且仅支持H.110。
　　NMS的ArTeMux系列的产品还可以通过TDM总线扩展集成两个到上千个Chassis，支持多达1024Ch的高密度话音交换能力，以及通过API和AMACS灵活配置系统以支持PVC和SVC，屏蔽ATM细节。
附录（有关缩略语列表）
API：Application Program Interface 应用程序编程接口
AMACS：ArTeMux Multi-Chassis ATM Connectivity Software NMS的ArTeMux产品的多底板（ATM机框）互联软件
Chassis：底板（机框），指支持PCI或cPCI等总线的母板（机框），其上可以插各种符合母板总线标准的功能模块协调工作。
cPCI：Compact PCI，中文直译为紧凑式PCI总线，和VME等都是高性能、高带宽的工业总线。
CSM：Circuit Switching Mode 电路交换模式
MVIP：Multi-Vendor Interface Protocol多厂商接口协议
PVC：Permanent Virtual Connection：永久虚连接，是一种静态虚连接
SVC：Switched Virtual Connection，动态虚连接，又直译为交换虚连接
SCSA：Signal Computing System Architecture信号计算系统结构
STM：Synchronous Transfer Mode 同步传输模式
TDM：Time Division Multiplexing 时分复用
VCC：Virtual Channel Connection 虚通道连接
VPC：Virtual Path Connection 虚通路连接
How to Buy
Quick Links无标题文档
第五节 ATM网
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1.ATM网络的主要特点有哪些？
2.为什么说ATM网络对多媒体通信给予充分的支持？
3.ATM网络是一种面向连接的网络。那么建立、维护和拆除连接的控制命令通过什么实现？
4.ATM交换机将根据什么为特定的连接分配和预留资源？
5.在ATM网络中，是否需要采用三次握手法来建立连接和释放连接？
&&&&ISDN按信道的传输速率可分为窄带ISDN(N－ISDN)和宽带ISDN(B－ISDN)两类。通常, 无特别的说明,ISDN指的是N－ISDN。
&&&&ITU在I.113建议书中将宽带概念定义为“要求传输信道所支持的速率超过一次群接入速率的一种业务或系统。”
&&&&B－ISDN以光纤为传输介质, 传输速率可从155 Mb/s到几Gb/s。各种业务, 如从低速率的遥控、遥测业务到高速率的高清晰度电视业务都能以同样的方式在网络中传输。B－ISDN的业务范围比N－ISDN更加广泛, 这些业务在特性上的差异更大。从自然信息的特性来看, 任何信息源在通信过程中的数据率都不是恒定的, 且都具有一定的突发性。如果用恒定的速率来传送所有的业务信息(如N－ISDN那样), 结果不是降低服务质量就是浪费网络资源。因此, 必须寻找一种适合于B－ISDN可变速率的传送方式。
&&&&人们试图用快速分组交换来解决B－ISDN的传送问题, 并提出很多交换模型。有的把这种技术称为快速分组交换FPS (Fast Packet Switching)，如在美国；有的则把这种技术称为异步时分复用ATD (Asynchronous Time Division)，如在欧洲。1988年, ITU在蓝皮书中把这种技术定名为异步传输模式ATM(Asynchronous Transfer Mode), 并把它作为B－ISDN的信息传输方式。
&&&&ATM是一种新的网络技术, 也是实现B－ISDN的关键性技术。一些发达国家在90年代初便开始建造ATM试验网, 开展对ATM宽带网进行试验和研究, 加深对ATM技术的认识和理解, 推进ATM技术的实用化进程, 以便更快地向B－ISDN过渡。1990年, ITU公布了面向B－ISDN的ATM技术规范建议书。1991年成立了行业组织：ATM论坛(ATM Forum), 专门从事ATM技术规范的制定工作。一些网络设备制造厂商开始推出商用的ATM产品。
&&&&ATM网络的主要优点有以下几个方面:
&&&&①采用虚电路交换方式, 通过异步时分复用(也称统计时分复用)技术实现点对点、点对多点和多点对多点的虚电路连接, 能够按业务的需要动态地分配网络带宽。
&&&&②简化了网络功能, 将差错控制及流量控制等功能留给用户终端去处理。
&&&&③信息传输以信元(Cell)为单位, 每个信元固定为53个字节。这种短小而固定的信元传输可以缩小网络传输延迟。
&&&&④定义了多种不同速率的物理接口, 对不同的应用提供不同的传输带宽, 并可支持100 Mb/s以上的高速传输。ATM技术将LAN和WAN综合起来考虑, 提供一个公共的、统一的网络基础设施。
&&&&⑤ ATM定义了多种服务级别。不同服务类型分别代表不同的QoS，且各有其适用的场合。端节点可以根据要传输的媒体信息性质选择适当的QoS，ATM网络能够保证所承诺的QoS。这种特性对多媒体通信给予了充分的支持。
3.5.1ATM网体系结构
&&&&ATM网络的目的是给出一套与网络所传输的信息类型无关的网络服务。ATM提供的服务是由B－ISDN参考模型定义的，该参考模型定义了对高层的服务和操作以及维护ATM网络所需的功能。图3.10为简化的B－ISDN参考模型。
1.ATM物理层
&&&&ATM 物理层由传输汇聚(Transmission Convergence)子层和物理介质相关(Physical Medium Department)子层组成，主要完成物理线路信号编码和传输的功能。传输汇聚子层的功能是由物理层汇聚协议(PLCP)实现的，物理介质相关子层负责物理介质性质、信号定时及编码。ATM论坛定义的物理层接口有：SONET、DS-3、4B5B和8B10B等。
(1)SONET接口
&&&&同步光纤网(SONET)接口用于实现ATM网络的广域连接，它提供一种有效的、一致的网络设施，以满足远程通信所需的可伸缩能力。SONET是建立在同步传输信号(STS)基本信号结构基础上的, STS也称为光载波(OC)信号，SONET提供了一个信号速率序列，且以51.84Mb/s速率为基础，这个基本信号称为STS-1/OC-1，其它的信号速率都是51.84 Mb/s的倍数，参见下表。
&&&&与SONET相类似的传输系统还有北美地区使用的同步传输系统(STS)和地区使用的同步数字序列(SDH)，它们的电气特性规范与SONET不同。SDH的速率基础与SONET相同, 且具有相同的操作方式，但两者之间也存在一些微小的差别, 例如，SDH的基本速率级为STD-3C, 速率为155.52 Mb/s, 基本度量单位为同步传输模块(STM)。SONET的基本速率为51.84 Mb/s，这个速率不是SDH认可的信号速率单位。将STS/OC速率除以3便可推导出对应的STM的单位, STM-1等效于STS-3C或0C-3C, 而STM-4等效于STS-12C或0C-12C, 参见表3.3。
线路速率/(Mb/s)
STS-1/OC-1
STS-3/OC-3
STS-12/OC-12
STS-24/OC-24
1 244.16 (1.2Gb/s)
STS-48/OC-48
2 488.32 (2.4Gb/s)
STS-192/OC-192
9 953.28 (10 Gb/s)
&&&&SONET提供了一个统一的网络基础设施, 可以把公用数据网作为一个完整的网络体系来管理, 而不只是DS-1、DS-2、DS-3及DS-4等链路的混合, 所有的SONET设备都具有相同的操作特征, 并且提供同样的管理信息。电信网管理部门可以通过SONET来改善了公用数据网的管理, 增加了网络容量。为了有效地管理SONET设备, 现在已开发出一套传送管理信息的方法, 管理信息将装在SONET帧中与信元载体一起传输。
(2)DS-3接口
&&&&DS-3（Digital Signal-3）接口用于实现ATM网络与公用数据网的广域连接，其传输速率为44.736Mb/s。在连接公用数据网时，允许使用DS-3、DS-1或SONET接口。当使用DS-3接口时，ATM网络传输汇聚协议将用DS-3帧格式来封装ATM信元，并以串行方式来传输DS-3帧。DS-3帧结构由DS-3子帧组成, ATM信元将放在DS-3子帧的信息域。
(3)4B5B接口
&&&&4B5B是FDDI网络所定义和开发的一种物理接口，其传输速率是100Mb/s。ATM使用4B5B接口来实现ATM网络的局域连接，其操作方式与FDDI网络相类似。
&&&&在信元传输方法上，4B5B接口不同于SONET和DS-3接口。SONET和DS-3是在链路上附加一个组帧协议, 把一组信元装在帧结构中进行传输, 每帧之间要有指定的间隔，这些帧以固定的间隔进行传输。如果用户信息未能按固定的规律达到, 则对应的帧只能填入空信元。
&&&&4B5B接口是面向信元传输的,也称为信元接口，只是在数据信元有效时才启动传输, 并且从起始信元开始逐个传输。4B5B接口将信息字节分成两个四位码组, 然后把四位码组编码成五位码组进行传输。接收端再把五位码组转换成四位码组, 完成原始信息的还原。同时, 在4B5B的解码过程中可实现接收时钟与相邻的传输时钟相同步。4B5B编码将产生20%的开销, 数据速率是100 Mb/s, 而线路信号速率则为125 Mb/s, 额外开销是25 Mb/s。
(4)8B10B接口
&&&&8B10B接口也是用于实现ATM网络的局域连接, 其传输速率是155.52 Mb/s。这一速率与SONET、 STS-3C数据速率相一致，以实现基于ATM的局域网和广域网的平滑连接。
&&&&8B10B接口与4B5B接口有些类似, 它将八位数据编码成10位符号进行传输。接收端再把10位符号组转换成八位数据, 完成原始信息的还原。同样, 在8B10B的解码过程中可实现接收时钟与相邻的传输时钟相同步。与4B5B接口不同的是, 8B10B接口利用了帧结构, 每个帧结构由27个信元组成, 即每次传输27个信元。这种接口也称为数据块接口。
&&&&ATM物理接口描述了特定的信号编码，以此来确保ATM信元能以正确的、可识别的格式达到目的地。这些接口可以由光纤或铜线介质支持。光纤介质可采用单模或多模光纤，铜介质可以采用屏蔽双绞线（STP）或无屏蔽双绞线(UTP)。
&&&&ATM层的目标是为网络中的用户和应用提供一套公共的传输服务。应用类型可以是数据、语音或视频应用等。
&&&&ATM网络有两种主要的设备类型，即端点和中间点。端点是服务用户，如计算机、服务器或其它设备；中间点是ATM交换节点，如ATM交换机。ATM层的基本服务是提供基于连接的信息传输服务。这种连接是按ATM网络端点间的虚连接或虚电路概念来建立的，并且可使用各种不同的物理层介质和接口来建立。
(1)ATM连接
&&&&所有的ATM连接都是端到端的，而中间点提供的是一种交换设备，对端点传来的信息进行中继传输。
&&&&连接是利用UNI信令和一套指定的连接参数建立的，这些连接参数将建立传输所需的QoS级别，如所需的传输速率、可接受的最大延迟等。ATM连接分为永久虚电路和交换虚电路：
&&&&?永久虚电路（PVC）：它是通过人工的网络路径映射在ATM网络端点之间建立的连接，必须由人工干预才能释放。
&&&&?交换虚电路（SVC）：它是通过UNI信令协议动态地在ATM网络端点之间建立的连接，这种连接可根据应用、设备以及ATM设施的要求动态地建立或撤销，而无需人工干预。
&&&&不论是永久虚电路还是交换虚电路，都是使用了虚路径连接(VPC)和虚通道连接（VCC)来建立连接的。虚路径和虚通道是一种逻辑机构，主要用来标识在ATM网络中所建立的多条单一连接。虚路径是一种可适应所有虚通道的逻辑结构，一个虚路径标识符内可以包含多个虚通道。也就是说，路径可以将许多通道捆绑在一起作公共处理。路径和通道概念的使用将允许ATM交换设备以相同的方式在一个路径上处理它所包含的所有通道。虚路径与虚通道的关系类似于X.25中逻辑信道组号与逻辑信道号的关系。
&&&&每个连接都分配一个惟一的虚路径标识符(VPI)和虚通道标识符(VCI)，VPI和VCI的组合则可以区分ATM网络内部的一个连接，也就可以在ATM网络上实现多个端点的相互连接。在ATM网络中，一个ATM端点可支持256(28)个虚路径，每个虚路径可支持)个虚通道。这样，ATM网络上单一物理UNI(User to Network Interface)可支持的路径和通道的组合总数可达个连接。
(2)ATM信元格式
&&&&在ATM网络中，信息传输是以信元（Cell）为单位的，每个信元为53个字节。其中，信元头为5个字节，信元载体为48个字节。信元格式如图3.11所示。
&&&&信元中各个字段的意义如下：
&&&&?GFC为一般流量控制域，用来实现端点到交换机的流量控制。GFC是针对UNI信元的，对于NNI信元，该字段为VPI。
&&&&?VPI为虚路径标识符，用来定义ATM网络中的一条虚路径连接。
&&&&?VCI为虚通道标识符，用来定义ATM网络中的一条虚通道连接。
&&&&?PT为信元载体类型，用来定义该信元是用户信元，还是管理信元。
&&&&?CLP为信元的优先级，用于指示在网络拥塞时可丢弃（CLP=1）或保留（CLP=0）的信元。
&&&&?HEC为信元头错误控制，用来保证信元头的正确性。
(3)ATM信元处理
&&&&根据ATM节点性质(端点和中间点)不同，ATM层提供的信元处理功能也不同。
&&&&对于端点，ATM层提供的信元处理功能相对比较简单，即：
&&&&①信元头的生成。当ATM层从ATM适配层接收到信元体后，生成一个信元头，附加在信元体上，形成完整的信元格式，然后再传送给物理层。ATM层并不关心信元体的内容，只是把它当作要传送的二进制位流，也就是说，ATM层与服务级别无关。
&&&&②信元头的分离。当ATM层从物理层接收到信元时，先分离信元头，将信
元体传送给ATM适配层。然后再把信元头提交给ATM适配层进行处理，这些信息包含了用户信元类型、接收优先级以及阻塞指示等。
&&&&对于中间点(即交换机)，ATM层的信元处理功能要复杂一些，即：
&&&&①信元头的转换。由于VPI和VCI只有局部意义，当信元通过网络时这些值可能会发生变化。中间点必须将输入的VPI/VCI值转换成输出的VPI/VCI值。每当信元头被转换时，必须对HEC值重新进行计算。
&&&&②信元的选径。对于从端口输入的信元，首先进行信元分捡，然后根据信元的VPI和VCI选择适当的端口输出。对于多个端口输入的信元，有些信元可能需要汇集到同一个端口输出，有些信元也可能需要汇集到不同的端口输出。
&&&&③信元的差错处理。当发生下列情况之一时，信元将被丢弃：
&&&&?无效的信元头，即信元头的HEC值校验错误。
&&&&?信元头的VPI和VCI值标识了一个尚未建立的连接或超出指定的范围。
&&&&?信元头的PT值为2（即系统保留值）。
&&&&?在链路上发生阻塞时，将丢弃CLP=1的信元，以疏导交通。
&&&&④信元的流量管理。在建立连接时，端点将根据ATM适配层的服务级别要求，向交换机提交网络特性参数来描述该连接的性能需求，这些特性参数主要有峰值信元速率、可支持信元的速率、速率变化的最大范围以及可容许的信元延迟等，这些特性参数实际上规定了用户对网络传输的QoS需求。一旦双方按商定的特性参数建立起连接，在以后的信元传输过程中，交换机必须按上述特性参数要求对信元流量实施控制和管理，提供信元转发服务，并保证与建立连接时相一致的服务质量。
&&&&⑤网络阻塞控制。当一条链路的流量大于该链路的容量时，将产生网络阻塞现象。网络阻塞将会造成信元的丢失。通常，当网络负载超过交换机最大容量的90% 以上时，交换机将通过修改信元头来指示阻塞事件的发生，其它节点收到这个信元后便知道网络上发生了阻塞。当发生阻塞后，交换机将按信元的优先级别由低到高地丢弃信元，直到阻塞缓解或消除。
(4)信令协议
&&&&在ATM网络中，连接的建立、维护和拆除以及其它的网络控制和管理操作是由信令协议实现的。信令协议由一系列用服务原语描述的过程组成，定义了建立、维护和拆除连接所需的操作。在建立连接时，端点使用相应的UNI信令原语向中间点发出建立连接请求，该连接请求包含有特性参数信息。交换机将为该连接分配VPI和VCI标识符，并按特性参数预留网络资源。ATM论坛定义了两类信令协议：用户-网络接口UNI(User to Network Interface)信令和网络-网络接口NNI(Network to Network Interface)信令。
&&&&UNI信令协议定义了ATM端点和ATM交换节点的接口，UNI信令协议提供了下列功能：
&&&&?动态地分配连接（交换虚电路方式）；
&&&&?点到点或点到多点的连接；
&&&&?客户注册进程；
&&&&?支持A～D及X类的ATM传输服务；
&&&&?建立虚连接标识；
&&&&?公用和专用UNI地址；
&&&&?对信令功能分离的信令通道；
&&&&?错误恢复。
&&&&通常，由端点服务请求程序使用相应的UNI信令发出建立连接请求，该连接请求将包含相应的连接参数，如目标端点地址以及QoS参数等信息。ATM层使用这些信息去建立端点和中间点之间的连接，并通过VPI和VCI值来标识连接。
&&&&NNI信令协议定义了公用ATM网络中两个交换节点之间的接口，以保证不同厂商ATM交换机之间的平滑互连。
(5)ATM层的管理功能
&&&&ATM层的管理功能是通过管理项来实现的，可支持ATM适配层和ATM层之间的局部信息交换，并且在连接建立和控制的过程中，ATM管理项与其它ATM管理项之间也可以交换信息。ATM管理项主要用于启动和响应UNI信令所描述的连接信息，并且还负责执行故障管理和流量管理等方面的网络管理。
&&&&?故障管理包含了报警监视和连接验证。报警监视是一个监视虚路径和虚通道是否出错的过程。连接验证是一个回馈过程，以确保在一条指定的虚电路连接上管理程序之间的可靠通信。
&&&&?流量管理主要负责监视和控制流量，以确保网络负载与建立连接时所设定的连接参数相一致。
3.ATM适配层
&&&&ATM适配层主要负责将用户层的信息转换成ATM网络可用的格式。当用户层把一个较长的数据包提交给ATM适配层后，ATM适配层按规定长度将数据分组分割成若干信元体，再传送给ATM层。ATM适配层由汇聚子层(Convergence Sublayer)和分割组装子层(Segmentation and Reassembly Sublayer)组成。
&&&&汇聚子层为分割用户信息作准备。为了使目的端点的ATM 适配层能够重新装配数据分组，汇聚子层需要将一些控制信息附加在用户信息上。也就是说，48字节的信元体将包含控制信息和用户信息两部分内容。
&&&&分割组装子层在发送数据时负责将汇聚子层传来的信息单元（称为汇聚子层协议数据单元CS-PDU)精确地分割成48字节的信元体，然后提交给ATM层；在接收数据时负责将ATM层传来的信元体重新组装成原始数据分组，然后再传送给用户层。
&&&&ATM的传输服务分成五种类型：
&&&&①A类(Class A）服务：其特点是端点间保持定时同步、比特率恒定、面向连接。这种服务也称恒定比特率（CBR）业务，主要用于语音以及静态图像的传输服务，如64Kb/sPCM语音、T1电路。由AAL1子层适配于A类服务。
&&&&②B类(Class B）服务：其特点是端点间保持定时同步、比特率可变、面向连接。这种服务也称实时可变比特率（RT-VBR）业务，可用于支持可变速率语音和压缩视频图像的传输服务，如多媒体会议、视频点播点。由AAL2子层适配于B类服务。
&&&&③C（Class C）类服务：其特点是端点间不要求定时同步、比特率可变、面向连接。这种服务也称非实时可变比特率（NRT-VBR）业务，可用于支持突发性数据的传输服务，如多媒体电子函件。由AAL3/AAL4或AAL5子层适配于C类服务。
&&&&④D类（Class D）服务：其特点是端点间不要求定时同步、比特率可变、无连接，主要用于QoS要求较低或不要求的场合。如果提供拥塞反馈机制，则称可用比特率（ABR）业务；否则，称为未确定比特率（UBR）业务。由AAL3/AAL4或AAL5子层适配于D类服务。
&&&&⑤X类（Class X）服务：由用户或厂家自定义的服务。
&&&&以上的服务类型是以端点间的定时关系、比特率可变性及可连接性为主要特征进行分类的。
&&&&端点间的定时关系表明了实时通信的基本特征。在实时通信中，端点和端点之间要保持定时同步，即每个端点要从网络中获取同步，尽管每个端点都有自己独立的时钟。
&&&&比特率可变性是以传输信息的规律性为基础的，有些应用具有固定的比特率，如语音数据传输；有些应用则具有可变的比特率，如压缩图像传输。
&&&&可连接性将确保信息传输的可靠性和顺序性，ATM网络主要支持面向连接的传输。
&&&&通常，A、B类用于支持面向语音和视频的应用以及DS电路的模拟；C、D类用于支持面向数据的应用。ATM适配层提供了五个AAL子层，即AAL1、AAL2、AAL3、AAL4及AAL5与上述服务类型相适配。
&&&&用户所期望的服务质量(QoS)应当与某一ATM服务类型相对应，通过ATM适配层，与五个AAL子层相适配，转换成相应的QoS参数。在建立ATM连接时，ATM层使用这些QoS参数与ATM网络协商QoS级。一旦连接建立起来，该连接上的各个节点必须遵守所协商的QoS级，保证提供相应的服务质量。下面是ITU定义的QoS参数集：
&&&&?峰值信元速率PCR (Peak Cell Rate)：用户发送信元的最大瞬间速率。
&&&&?持续信元速率SCR (Sustained Cell Rate)：经过一个长时期测量到的平均信元速率。
&&&&?最小信元速率MCR (Minimum Cell Rate): 用户期望至少要达到的最小信元速率。
&&&&?最大突发长度MBS (Muximum Burst Size)：允许以PCR发速的最大突发长度。
&&&&?信元丢失率CLR (Cell Loss Rate)：在信元传输过程中丢失的信元所占的百分比。
&&&&?信元传输延迟CTD (Cell Transfer Delay)：一个信元从进入网络到离去所经历的延迟。
&&&&?信元延迟变化范围CDV (Cell Delay Variation)：CTD的变化范围。
&&&&ATM用户层由用户平面、控制平面和管理平面组成。
&&&&①用户平面是指用户所要求的应用、协议以及服务，包含了数据、语音以及视频等方面的应用。
&&&&②控制平面将包含连接的建立、维护和拆除等有关功能。ATM适配层和ATM层的管理项功能将保证对特殊层进行适当的操作。
&&&&③管理平面包括层次管理和平面管理功能。层次管理与物理层、ATM层、ATM适配层相衔接。平面管理负责层次和平面的协调，通过层次管理支持用户平面和管理平面。
3.5.2ATM网组成与应用
&&&&ATM网络的核心是ATM交换机，根据ATM交换机的处理能力，ATM交换机可分成广域ATM交换机和局域ATM交换机，分别用于构造广域网和局域网。
3.5.2.1ATM广域网
&&&&ATM广域网由广域ATM交换机、光纤传输线路和用户接入设备(ATM终端或路由器)组成，通过广域ATM交换机的互连构成ATM广域网。
&&&&ATM广域网主要提供虚电路交换方式，并分成交换虚电路(SVC)和永久虚电路(PVC)两种。在虚电路连接上可以进行点到点双向和点到多点单向的数据传输。由于虚电路连接共享线路资源，通过QoS机制，可以保证网络带宽和延迟，进而保证了网络的服务质量。
(1)ATM地址表示
&&&&对于SVC，在建立连接时，必须使用一个全局惟一的ATM地址来标识被叫ATM终端。ATM地址的编码格式有三种，均为国际标准地址代码。两种为ISO 8348格式，长度为20字节。一种为ITUE.164 的ISDN格式，长度为15个十进制数，分成两部分：网络地址和用户地址。网络地址由有关组织统一分配，用户地址由ATM终端自行定义(ATM网卡)。
&&&&一旦建立连接后，该连接用虚电路号来标识，虚电路号是局部地址，其编码格式为：虚路径号(VPI)．虚通道号(VCI)。UNI使用8位VPI，16位VCI；NNI使用12位VPI，16位VCI。由交换机动态分配。
(2)基于SVC数据交换过程
&&&&每个ATM终端接入ATM交换机时，都要通过UNI信令执行客户注册过程。客户注册主要有两个目的，一是ATM终端声明自己的存在；二是ATM终端与UNI上的ATM交换机交换寻址信息，ATM终端将用户地址提供给ATM交换机，ATM交换机将网络地址提供给ATM终端，并且为已注册成功的ATM终端分配VPI和VCI。基于SVC的数据交换过程如下：
&&&&?在建立连接阶段，呼叫方通过UNI信令Setup发送连接请求。在Setup中包含被叫方的ATM地址和QoS参数，信令虚电路是周知的，VPI=0, VCI=5。
&&&&?Setup信令在经过ATM网络时，NNI上的ATM交换机根据被叫方ATM地址进行路由选择，计算最佳路径，分配适当的VPI(ATM交换机只处理VPI)，并记录在交换机的路径表中。注意，UNI信令和NNI信令不同。
&&&&?最靠近被叫方的ATM交换机查找客户注册表，确定该客户是否存在以及它所对应的虚电路号(VPI和VCI)，然后使用UNI信令Setup通知被叫方，Setup信令包含的是为被叫方分配的虚电路号。
&&&&?被叫方如果同意连接，则使用UNI信令Connect进行响应，该信令沿着已建立的虚电路传输给呼叫方，在最靠近呼叫方的交换机上，通过查找客户注册表来确定该客户是否存在以及它所对应的虚电路号(VPI和VCI)，然后使用UNI信令Connect通知呼叫方。Connect信令包含的是为呼叫方分配的虚电路号。
&&&&?至此，这条虚电路已建立起来，可转入数据传输阶段。在单条虚电路上可以进行点到点的单向或双向数据传输。如果要进行点到多点传输，则必须建立多条虚电路，但只能进行单向数据传输。
&&&&?数据传输结束后,任何一方要使用UNI信令Release拆除虚电路，释放所占有的系统资源。
3.5.2.2ATM局域网
&&&&ATM技术将广域网和局域网综合起来考虑，提供一个公共的、统一的网络基础平台。因此，ATM技术不仅可用来构造广域网，也可用来构造局域网。
&&&&ATM局域网由ATM局域交换机和用户接入设备(ATM终端或路由器/LAN)组成，构成ATM交换网或者LAN-ATM网络体系，参见图。
&&&&在图(a)中，从用户终端到网络交换机都采用ATM技术，构成完全的ATM网络体系。用户计算机中必须插入ATM网卡，以ATM终端方式直接与ATM交换机连接。
&&&&在图(b)中，整个网络系统采用层次化网络体系结构，主干网采用ATM技术，分支网络采用传统LAN技术，构成LAN-ATM网络体系。用户计算机使用LAN网卡与LAN连接，再通过LAN接入ATM网络。
&&&&由于ATM网络与传统LAN技术之间存在较大差异。当LAN迁移到ATM网络后，一方面提高了网络性能，另一方面也存在如何保持与过去基于传统网络协议，如TCP/IP协议开发的大量网络应用程序的相兼容问题，以保护用户已有的投资。这也是ATM网络应用的关键所在。为此，有关国际组织提出了两种在ATM网络上应用传统网络技术的协议规范：
&&&&(1) IETF的ATM上IP（IP over ATM，IPOA）。主要解决在ATM终端上支持TCP/IP协议的问题。IPOA是在网络层提供基于IP协议的传输服务，使得IP数据报能在ATM网络上传输，并能支持现有的网络应用程序，不需要对应用程序作任何修改。尽管LANE也能支持IP协议，但用户将IP作为唯一网络协议（IP网络）时，IPOA可提供更佳的性能。
&&&&(2) ATM论坛的局域网仿真（LAN Emulation，LANE）。主要解决传统LAN接入ATM网络的问题。LANE是在介质访问控制（MAC）层上提供LAN的仿真服务，不依赖于上层协议的实现，可支持路由和非路由协议。通过LAN仿真，使得LAN信息流可以按以太网或令牌环的帧格式（其它LAN帧格式必须转换成这两种帧格式之一）在ATM网络上传输。而上层协议或应用软件可不必作任何修改。
1.ATM上的IP（IPOA）
&&&&IPOA规范主要定义了IP数据报封装方法、缺省的最大传输单元和地址解析方法等。目的是在不改变IP基本特性的基础上，实现IP数据报在ATM的永久虚电路（PVC）或交换虚电路（SVC）上传输，并且可支持IP逻辑子网概念，允许网络管理员定义每个逻辑子网上ATM的服务质量（QoS）。
(1)IP数据报封装
&&&&IPOA协议规定，IP数据报将放置在ATM适配层5（AAL5）的协议数据单元（PDU）中。IPOA的IP数据报长度缺省为9180字节，最大为64K字节。其缺省长度足以包容以太网、令牌环以及FDDI的最大帧长。
(2)ATM地址解析
&&&&ATM地址解析是指将IP地址映射成ATM地址（虚通道号），利用ATM的PVC或SVC传输IP数据报。对于PVC和SVC，IPOA采用不同的地址解析策略。
&&&&对于ATMPVC，每个站点都需要通过人工配置一个局部地址表实现IP地址与ATM地址的映射。由于这种方法需要由人工来维护局部地址表，只适合于规模较小的网络。这是目前惟一可用于只支持PVC的ATM广域网的地址解析方法。
&&&&对于ATM SVC，必须提供一种方法将IP地址自动转换成ATM地址。为此，IPOA定义了一个协议元素：ATM地址解析协议（ATMARP）。ATMARP采用客户/服务器模式，ATMARP服务器(ARS)将自动维护一个地址表，并响应客户请求，返回一个与给定IP地址相对应的ATM地址。当两个站点之间进行通信时，首先必须向ARS发出地址解析请求，要求ARS解析与目的站IP地址相对应的ATM地址，然后利用ARS返回的ATM地址建立ATM连接，实现数据交换。ARS的实现可以是网络服务器上的软件模块，也可以设置在ATM交换机或路由器上。
&&&&ARS只能解析本子网内节点的ATM地址。如果需要解析不同子网节点的ATM地址，则要通过路由器来访问对应子网的ARS。在ARS中存放有路由器的ATM地址，节点可以获取该ATM地址。因此，每个IP逻辑子网必须设置一个ARS。
(3)客户注册
&&&&ARS的地址表信息是通过客户注册来获取的。每个站点在加入到IP逻辑子网后，必须首先用自己的IP地址向ARS进行客户注册，ARS将为该IP地址分配一个ATM虚通道号，并保存在地址表中。
&&&&通常，站点使用一个周知的虚通道号与ARS建立连接，以请求用户注册和地址解析。
&&&&ARS对地址表进行动态刷新。站点必须定期地对其IP地址进行确认。如果一个IP地址长时间（通常为20分钟）不被确认，该地址将从地址表中删除，以避免无效的IP地址长期占据地址表，影响地址表的查找效率。因此，站点与ARS的连接可保持打开状态，也可定期地建立。
(4)建立ATM连接
&&&&当站点使用IP协议在ATM上传输数据时，必须首先建立ATM连接，其过程如下：
&&&&①发送站首先与IP逻辑子网上的ARS建立连接，然后发出一个ARP请求，要求解析与接收站IP地址对应的ATM地址。
&&&&② ARS响应该请求，从地址表查找接收站的ATM地址，然后回送给发送站。
&&&&③发送站使用这个ATM地址建立一个ATM连接，然后向接收站发送数据报。
&&&&④接收站收到第一个数据报后，也向ARS发出一个ARP请求，要求解析与发送站IP地址对应的ATM地址。
&&&&⑤ ARS响应该请求，从地址表查找发送站的ATM地址，然后回送给接收站。
&&&&⑥接收站使用这个ATM地址对发送站建立的ATM连接进行确认。
(5)数据传输
&&&&建立ATM连接后，发送站与接收站可以使用标准的IP协议直接在ATM的SVC上进行双向数据传输，而不需要访问ARS。一个站点可以同时建立多个ATM连接，同时与多个站点进行基于IP协议的数据传输。
(6)断开连接
&&&&当一个ATM连接建立后，如果静止（无数据传输）时间超过阈值（缺省值为15～20分钟），则会自动断开该连接，释放该连接所占用的ATM资源，供其它站点使用。
(7)IP逻辑子网互连
&&&&常规的IP网络是使用路由器实现IP逻辑子网间互连。IPOA完全支持这种基于路由器的互连方式。由于IP只把ATM看作是一种物理网络，与以太网、令牌环以及FDDI等传统网络同等对待，因此很容易实现与这些常规网络的互连。
&&&&在ATM互连网络中，每个IP逻辑子网都要配置一个ARS，并且逻辑子网间使用路由器实现互连。一个ARS经过配置后可以为多个子网提供地址解析服务，而不必设置多个物理服务器。
&&&&当一个IP逻辑子网的用户试图与另一个IP逻辑子网的用户进行通信时，首先由发送站建立与路由器的ATM连接，然后由路由器建立与接收站的ATM连接，其连接过程如上所述。在数据传输时，发送站将IP数据报分割成ATM信元（Cell），以便在ATM网络上传输。路由器将ATM信元组装成IP数据报，根据IP报头来查找转发路由。对于要转发的IP数据报必须重新分割成ATM信元，通过另一个ATM连接传输给接收站。接收站再把ATM信元组装成IP数据报。
&&&&现在，很多ATM交换机都支持第三层（网络层）交换功能，这将大大改善逻辑子网的互连性能。
2.局域网仿真（LANE）
&&&&ATM论坛为LANE定义了用户到网络接口（LUNI），它规定了以太网(802.3)或令牌环(802.5)的站点在ATM网络上建立连接和数据通信的方法。LANE不支持LAN混合式访问，它们之间必须使用网桥或路由器进行桥接。例如，以太网站点和令牌环站点之间必须使用网桥或路由器实现连接。通过LANE，常规的网络传输协议，如IP、IPX及AppleTalk等可直接用于ATM网络，不需要对应用程序作任何修改。
(1)LANE的组成
&&&&LANE主要由下列网络部件组成：
&&&&?LANE客户机（LEC）：提供LAN客户机与ATM网络的接口和仿真功能。
&&&&?LANE服务器（LES）：提供MAC地址注册，以及MAC地址与ATM地址的映射功能。
&&&&?LANE配置服务器（LECS）：为LEC提供配置信息及LES地址。
&&&&?广播未知服务器（BUS）：提供在ATM网络上进行广播和组播传输的功能。
(2)LANE需要解决的问题
&&&&在LANE中必须解决下列问题：
&&&&?地址解析：在LANE中，首先必须解决的问题是将MAC地址解析成ATM地址，它采用LES实现，源节点通过访问LES将目的节点的MAC地址解析成相应的ATM地址。
&&&&?组播和广播：由于LAN具有组播和广播传输特性，在LANE中必须支持这个功能，它采用BUS实现。源节点将组播帧或广播帧提交给BUS，由BUS实现组播和广播功能。
&&&&?客户注册：在客户(LEC)加入LANE之前必须首先进行客户注册，LEC将自己的MAC地址、ATM地址、LAN类型以及最大帧长度等信息注册到LES中。
&&&&?系统配置：在LANE中，允许每个LEC都有自己的LES和BUS，这些LES的ATM地址都记录在LECS中。
(3)LEC加入LANE过程
&&&&每个客户(LEC)通过下列过程加入LANE：
&&&&?每个LEC首先通过一个周知的ATM地址访问LECS来获取环境配置信息(仿真的LAN类型、允许的最大帧长等)和LES的ATM地址。
&&&&?LEC建立与LES的ATM连接，以便进行客户注册。通过客户注册，LEC将自己的MAC地址和ATM地址注册到LES上，为各个LEC之间建立连接提供地址查找和映射服务。同时，LEC还要获取BUS的ATM地址。
&&&&?LEC建立与BUS的ATM连接，以便进行组播和广播。
(4)LEC数据传输过程
&&&&每个LEC在传送数据时必须执行如下的数据传输过程：
&&&&?当源LEC向目的LEC传送数据帧时，必须知道目的LEC的ATM地址，以便建立ATM虚电路。如果不知道，则需要向LES发出地址解析请求(ARR)分组，以获取目的LEC对应的ATM地址。在地址解析过程中，源LEC可以利用BUS向未知的LEC广播数据帧。
&&&&?如果目的LEC 已在LES中注册，LES则向源LEC回送目的LEC的ATM地址。如果目的LEC尚未注册，则LES向目的LEC发送一个ARR分组，敦促它向LES注册，然后LES向源LEC回送目的LEC的ATM地址。如果目的LEC无响应，则LES向源LEC回送出错信息。
&&&&?一旦得到目的LEC的ATM地址后，源LEC就可利用该地址与目的LEC建立一个连接，然后向目的LEC发送数据帧。目的LEC收到第一个数据帧后，也向LES发出一个ARR请求，要求解析源LEC MAC地址对应的ATM地址。目的LEC得到源LEC的ATM地址后，便利用该地址与源LEC建立一个反向连接。这样，源LEC与目的LEC之间便建立了一个双向连接，可以进行双向的数据传输。
&&&&?当需要广播和组播数据帧时，发送站将数据帧发送给BUS，由BUS实现广播和组播功能。
&&&&?当一个ATM连接上空闲时间超过一个时限后，便自动拆除该连接。
&&&&LANE的ATM地址解析过程如图所示。
&&&&可见，ATM网络是一个广泛的网络基础平台，能够将广域网和局域网技术统一起来，这是其它网络技术难以实现。ATM网络能够提供多种传输速率和QoS保证，具有很高的网络性能，能够充分满足不断增长的数据、语音和视频等多媒体通信业务的发展需要，代表着今后网络技术发展的方向。