异步传输模式（ATM）的产生和发展是高速电路交换和分组交换的演进结果。ATM综合了电路交换实时性和分组交换灵活性的特点，采用了固定长度的分组（称为信元），降低了交换节点的复杂度，被ITU—T最终选为宽带综合业务数字网络B—ISDN的核心技术，成为B—ISDN网络平台的交换、复用和传输技术。

（一）ATM的发展背景

随着高速电信技术的到来，很多新业务开始在20世纪80年代问世。这些业务通常包括话音、数据、图像和视频，带宽从56/64kbit/s直到455Mbit/s或更高的速率。这些业务对带宽的需求有固定的和动态的，有面向连接的和无连接的，有实时的和非实时的。

传统的话音业务在整个呼叫期间需要固定的带宽。然而，来自计算机网络的数据业务往往具有突发性，换言之，用户有时在较长时间内保持沉默，有时又突然在短期内以高速发送大量数据。这样，即使用户所需的平均带宽很小，也要考虑如何在短期内给用户分配高很多的带宽。有些应用是面向连接的，即用户在信息交换之前需要建立连接，在这种情况下，对于多媒体业务而言，单一的用户可能同时需要多条信道。有些应用是无连接的，如电子邮件和其他LAN类型的数据通信。音频、视频等业务是实时的，而文件传输、信息检索等业务是非实时的。

在高速技术开始发展的过程中，ITU—T第18研究组承担了标准制定任务，目的是通过单一、集成的接口在公用网或专用网上提供不同的业务。由于跨越任何接口的信息传输都可能涉及多个功能层，如业务模块、传输模式、物理传送等，第18研究组提出了一种新的传输模式——异步传输模式（ATM）。

1991年，建立了一个称为ATM论坛的国际组织，以促进ATM技术的理解和发展。从那时起，ATM论坛就ATM协议的不同方面发表了一系列的技术规范，出版了白皮书和基于计算机的培训课程。例如，开发了下面的规范：ATM之上的电路仿真和LAN仿真、综合层管理接口、用于ATM的物理接口以及媒介依赖接口等。

为了保证服务质量、更好地支持各种业务，ITU—T和ATM论坛在ATM的流量管理、拥塞控制、业务分类与结构、支持话音业务、交换式虚电路、信令式虚电路、信令技术等方面开展了大量研究工作，取得了许多成果。

（二）ATM的定义和特点

ATM是以信元为基础的一种分组交换和复用技术，它是一种为了多种业务设计的通用的面向连接的传输模式。

ATM是一种传输模式。传输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（transfer）到另一地所用的传递方式。在ATM这种传输模式中，信息被组织成“信元”，来自某用户信息的各个信元不需要周期性地出现。从这个意义上来说，这种传输模式是异步的。“异步”是指ATM统计复用的性质，因此，虽然术语“异步”出现在它的描述中，但它与“异步串行通信”毫不相干，实际上，信元中的每个位常常是同步定时发送的，即通常所说的“同步串行通信”。

ATM作为B—ISDN的核心技术，特别适合高带宽和低时延时用。下面从信元传输、面向连接、统计多路复用和服务质量等方面介绍ATM技术的重要特征。

1.信元传输

ATM的基本传输单位是信元，数据都是被封装在信元中传输的。信元就是具有固定长度的分组。ATM信元的长度为53个字节，其中5个字节是信头，48个字节是信息字段。信头包含表示信元去向的逻辑地址、优先等级等控制信息。每个信元的信头都包含一个VCI（虚拟信道标识符，即所谓的逻辑地址），VCI提供一种创建多条逻辑信道的方法，并在需要时进行多路复用。信息字段装载来自不同用户、不同业务的信息。任何业务的信息都要经过分拆或装配，封装成统一格式的信元。因为信元长度固定，信元可能包含无用的比特。

2.面向连接

ATM提供的服务是面向连接的，通过虚电路传送数据。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。

另外，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处理，在链路上不进行差错控制和流量控制。

3.统计多路复用

ATM采用统计时分多路复用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。同一信道或链路中的信元可能来自不同的虚电路。传输线上的信元并不对应某个固定的时间，也不按周期出现。

采用统计多路复用使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。用户无论何时要发送数据，只要根据所要求的带宽发送相应数量的信元即可。网络能够做到带宽的动态分配，使网络资源得到最大限度的利用。

按需分配带宽是ATM与生俱来的优点。在一些专用网中，虽然用户可要求更高的带宽，便通常必须先申请，经过网络管理者进行业务登记后才能提供，不能在连接建立时动态分配。即使一些专用网能够动态增加带宽，也需要在用户两端装备相应的多路复用设备，范围非常有限。利用ATM，用户可在开始呼叫时请求所希望的带宽，只要用户在预定时间预定了这种特性，网络将试图动态分配所请求的带宽，更进一步，ATM网络在适当的位置上设置了通信量和拥塞控制机制，如果发生了拥塞，也能使网络为每个用户维持最低限度的服务质量。因此，开始安装网络只需要预留最低容量，仅当时对带宽的需求达到一定程度，不能为每个用户提供所预定的服务质量时，再对网络进行扩展。

4.服务质量

为了使网络性能满足用户各种业务所要求的服务（QoS），ATM交换机能够以非平等的方式处理同一信道内不同虚电路中的信元流。不论用户业务的性质有多么不同，如速度高低、突发性大小、质量和实时性要求等，网络都按同样的模式来处理，保证服务质量，真正做到完全的业务综合。

（三）ATM协议栈

与以前的分组交换协议相比，ATM实际上是一个非常简单的协议。ATM仅把数据从一个端点传输到另一个端点，它本身并不提供对数据的差错恢复。当然，ATM被设计成可与现有协议进行互操作。事实上，它几乎适应任何支持端到端差错恢复的上层协议。

为了有效地处理不同的业务，协议被构造成层次体系结构，每层实现特定的功能，图9-10显示了ATM通用的协议栈。

ATM协议本身可分为3层：ATM适配层、ATM层和物理层。高层协议包括OSI参考模型的应用层、表示层、传输层和网络层。应用层的例子包括用于传送文件的文件传输协议FTP、简单邮件传送协议（SMTP）、提供虚拟终端服务的Telnet协议等，传输控制协议（TCP）和互联网协议（IP）则分别是传输层协议和网络层协议的例子。

图9-10　ATM协议栈

1.ATM适配层

ATM适配层（AAL）的作用就是把来自高层的各种业务的数据“适配”到下层的ATM层，以便用统一的ATM信元形式来传送。每种业务的细节可能不尽相同，如无连接的数据业务、面向连接的数据业务、恒定比特率数据业务、可变比特率业务等，来自上层的不同长度的用户数据块传递给ATM适配层，ATM适配层根据业务类型的规则附加上标头、标尾、填充字节和循环冗余校验（CRC）位；产生的数据块分割成较小的块，然后在ATM层封装进53字节的信元，传送到目的地的就是这些ATM信元。

根据适配层的这些功能，适配层分成两个子层：会聚子层（CS）和拆装子层（SAR）。CS本身又包括两个子层：特定业务会聚子层（SSCS）和公共部分会聚子层（CPCS）。SSCS完成与特殊业务有关的功能，而CPCS完成所有业务的公共功能。SAR把上层来的数据分割成48字节的ATM有效载荷，以便ATM层后加上5字节的信头，构成53字节的信元传送；另一方面，SAR也负责把来自ATM层的信元组装成报文送到上层。

2.ATM层

ATM层为各种业务提供信元传送功能。ATM层类似于数据链路层协议，它允许来自不同信源的用户数据通过多个虚拟信道在同一条物理链路上进行多路复用，并规定了简单的流量控制。然而在某些方面，ATM层不同于其他链路层协议。例如，在ATM中，信元长度固定为53字节，ATM的接收器不提供确认过程。信元中的差错可被检出，但不纠正。ATM认为传输媒介是高度可靠的。

3.物理层

ATM物理层的主要功能是使信元以比特流的形式在传输系统中进行传送。ATM的物理层包括两个子层：物理媒介（PMD）子层和传输会聚（TC）子层。

物理媒介依赖子层实际传输ATM信元的各比特，提供比特流传输、信号定时、线路编码和传输媒介的物理接入，ATM可以采用不同的传输媒介、速率和体系，如SDH、DQDB、FDDI、T1/E1等。

传输会聚子层的主要功能是实现比特流和信元之间的转换。

（四）ATM信元结构

ATM信元由53字节组成：前5个字节是信头，其余48字节是信息字段。用户网络接口（UNI）处的信元结构如图9-11所示。

简言之，信头的前4位组成通用流量控制（GFC），它在用户到网络的接口处，利用ATM层提供简单的流量控制机制。其后的8位是虚路径标识符（VPI），后跟16位的虚信道标识符（VCI），这两个字段指定ATM连接的一个逻辑信道。负载类型指示符（PTI）有3位长，描述信元的信息字段所承载的数据类型。信元丢失优先权（CLP）指示接收器在网络发生拥塞的情况下是否丢弃该信元。信头差错控制（HEC）字段是对信头前4个字节的8位CRC码校验，其目的是使接收器能够检测出信头在传输过程中发生的差错。位于网络到网络接口（NNI）的信元格式具有相似的结构，只是把GFC字段代之以VPI字段，这时的VPI字段的长度变成12位。(www.daowen.com)

图9-11　B—ISDN用户网络接口的ATM信元结构

（五）ATM的业务类型

ATM是B—ISDN的核心技术，目的是向用户提供综合业务的服务，开始时，ITU—T根据定时关系、比特率和连接方式定义了A、B、C、D这4种业务类型：

（1）A类业务。实时、恒定比特率、面向连接的业务。

（2）B类业务。实时、可变比特率、面向连接的业务。

（3）C类业务。非实时、可变比特率、面向连接的业务。

（4）D类业务。非实时、可变比特率、无连接的业务。

ITU—T为这4种业务类型分别定义了4种ATM适配层协议：AAL1、AAL2、AAL3、AAL4。后来发现C类和D类业务的技术要求十分相似，从而将AAL3和AAL4合并为一种AAL3/4。ATM论坛认为AAL3/4太复杂，不令人满意，就定义了另一种协议AAL5来取而代之。

ATM论坛后来定义了5种业务类型，取代ITU—T定义的4种A、B、C、D业务类型，如表9-3所示。

表9-3　ATM论坛定义的业务类型

1.恒定比特率（CBR）

CBR业务要求指定的带宽在整个呼叫期间都保持固定。在这种情况下，如果有时延、则所有信元的时延相同。只有当网络能够提供呼叫所请求的带宽时，网络才接受该呼叫。本业务包括诸如话音、视频和电路仿真数据等对时延敏感、实时的应用。CBR业务在当前的电话系统和将来的B—ISDN系统之间作了一个比较圆滑的过滤。

2.实时可变比特率（RT—VBR）

RT—VBR业务需要可变的带宽，但本质上是实时的。RT—VBR业务适合以分组方式传输的多媒体业务，如交互式的压缩视频（例如电视会议）。

3.非实时可变比特率（NRT—VBR）

NRT—VBR业务也要求可变带宽。然而，由于它本质上是非实时的，因此，一定数量的时延和时延抖动是可以被应用程序忍受的，如文件传输、电子邮件等。

4.可用比特率（ABR）

ABR业务是为带宽范围已大体知道的突发性信息传输而设计的。ABR业务可以指示网络所需带宽的上限和下限。网络为用户分配的带宽数量在呼叫期间可能会改变，当网络中发生拥塞时会要求发送者减小发送速率。因此，ABR业务不适合实时应用，而适合网页浏览等非实时应用。

5.未指定比特率（UBR）

UBR业务不做任何承诺，对拥塞也没有反馈。如果发生拥塞，网络可能降低其带宽分配，也会丢弃信元，但并不指示发送者放慢速率。适合UBR业务的例子有后台文件传输等非实时应用。

（六）ATM应用举例

1.ATM高带宽主干网

ATM信元的长度固定，网络资源的调度非常容易，网络响应时间短。因此，ATM特别适合于高带宽主干网络，具有跨接局域网LAN、城域网MAN和广域网WAN的无缝联网能力。例如，可使用ATM作为网络主干，把以太网、令牌环网、FDDI等传统LAN连接起来，如图9-12所示，通过桥和路由器把传统LAN连接到ATM网络。

ATM生产厂商提供了不同种类的ATM交换机，增强了ATM的组网能力。例如，ATM交换机支持的速率有25.6Mbit/s、44.736Mbit/s、51.84Mbit/s、155Mbit/s和622Mbit/s等，线缆类型有2对或4对3类无屏蔽双绞线（UTR）、多模光纤、单模光纤、DS3和T1/E1铜线等。

2.ATM局域网

ATM局域网是指以ATM结构为基本框架的网络，它以ATM局域网交换机为交换点，通过各种ATM接入设备（如ATM集线器、ATM网卡等）将用户接入局域网，通过在ATM网上应用局域网仿真（LANE）技术，可以把分布在不同区域的局域网互联起来，在广域网上实现局域网的功能。对于LAN上的用户来说，他们所接触到的仍然是传统的局域网的范畴，根本感觉不到ATM的存在。

图9-12　ATM高宽带主干网

虽然ATM局域网面临高速以太网的挑战，但要看到ATM网络不仅具有带宽大、速度高的优点，更为重要的是ATM能提供保证质量的服务。它不仅能承载突发性的、可变比特率业务，也能承载对时延敏感的信息（如话音和视频），而这些信息通常是靠电路交换网承载的，传统LAN并不适合传输这些信息。ATM论坛开发了大量协议，以使ATM能够支持各自不同的业务，它们可以根据应用和客户的需要提供不同的服务质量。事实上，ATM网络在提供综合业务方面是独一无二的。

3.电信网交换机

由于ATM交换机有效的带宽管理和固有的低时延，ATM交换机对于电信运营广域网而言是比较理想的。同样，ATM网络也能处理信令信息、OAM（运行、维护和管理）数据、高级智能网的数据等，因此，ATM本质上为公用网提供了一个多业务平台。中国公众多媒体通信网就是采用TCR/IP、ATM和其他相应技术建设的多媒体通信业务网。

ATM也提供了从公用网或专用网综合接入宽带业务的方法。例如ATM可以把CD质量的音乐、付费电影频道、高清晰度电视、高速因特网数据下载等业务与电路交换的话音和低速数据业务合并，通过单一的ATM管道提供给用户端，用户端的机顶盒对这些业务进行分接。用户使用反向控制信道甚至可以向网络提供者要求特殊的业务。

4.实时多媒体信息的大规模发布

由于ATM的高带宽和低时延，ATM特别适合实时高质量多媒体节目的发布。例如，有线电视提供者或新闻服务组织实时地为其用户提供多媒体服务。利用MPEG—2编码器把模拟信号转换为数字信号，利用ITU推荐的高层协议H.310或H.321，把编码器的输出转换成适合ATM传输的形式，该ATM信号通过光纤传送到因特网或其他有线电视网。有线电视网首先把信号转换为模拟形式，以便通过网络广播出去。被编码的信号存储在服务器中，以便晚些时候进行广播，或在本地重放和编辑。