ATM（异步传输模式）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），简化了分组的头部，降低了交换结点的复杂度，被ITU-T最终选为宽带综合业务数字网络宽带ISDN（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。窄带ISDN（N-ISDN）的数据通道以64kbit/s为单位，采用电路交换技术；宽带ISDN支持更高的数据传输速率，采用分组交换技术。

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，即信息从一地传递（transfer）到另一地所用的传送方式。在ATM传输模式中，传送的单位是信元，来自某用户信息的各个信元不需要周期性地出现，因此，这种传输模式是异步的。“异步”是指ATM统计时分复用的性质，可以对比PDH或SDH所用的同步时分复用，PDH或SDH的传输模式称为同步传输模式（STM）。值得注意的是，ATM术语中的“异步”与“异步串行通信”毫不相干，实际上，信元中的每个位是同步定时发送的，信元也是逐个连续发送，即采用的是同步串行通信技术。

图8-12　ATM的协议栈

1.ATM协议层次结构

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协议本身可分为ATM适配层、ATM层和物理层3层，如图8-12所示。

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，这意味着其他网络也能够利用ATM网进行互连。ATM提供的服务是面向连接的，通过虚电路传送数据。ATM的地址由20字节组成，可以使用数据国家代码（DCC）格式，也可以使用与ISDN一样的E.164格式（电话号码格式）。通信开始时，先通过信令根据ATM地址呼叫对方，ATM交换机经过路由选择后，分配虚电路标志，在双方建立一条虚电路。发送数据时，将虚电路标志写入ATM信元的信头中，ATM交换机根据虚电路标志将信元送往目的地，不再使用ATM地址。通信完成后，虚电路被拆除释放。

ATM适配层根据各种业务的特性，把业务数据整理成一定的格式，再装入到ATM信元中。ATM适配层是一个端到端的协议。

ATM层提供信元的传送，实现信元的交换和复用。ATM层是一个点到点的协议，相当于数据链路层协议，但它不进行差错控制。信元出错可以被检出，但不纠正，只是简单地丢弃信元。

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：物理媒介依赖（PMD）子层和传输会聚（TC）子层。物理媒介依赖子层实际传输ATM信元中的各比特，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、FDDI（光纤分布式数据接口）、T1/E1等。传输会聚子层的主要功能是实现比特流和信元流之间的转换，即信元的定界。

2.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。最初，ITU-T根据定时关系、比特率和连接方式定义了A、B、C、D4种业务类型，后来又明确淘汰了这4种分类。目前，一般采用ATM论坛定义的如下6种业务类型。

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。仅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B-ISDN系统之间作了一个比较圆滑的过渡。

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（电视会议）。

3）非实时可变比特率NRT-VBR。NRT-VBR业务也要求可变的带宽。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，提供的是一种“尽力而为”型的服务。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度。适合UBR业务的例子有后台文件传输等非实时应用。

6）保证帧速率GFR。GFR用于支持IP骨干子网（包括以太网），对于基于帧的通信，能提供比UBR更好的服务。GFR对基于帧的通信量做了优化处理，可以识别帧/分组的边界，拥塞时可以丢弃所有信元。GFR能够保证最小可用容量，如果网络不拥塞，允许传输更多的帧。GFR比较适合源自以太网的流量。

3.ATM信元的结构

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字节，其中5字节是信头，48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。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。信元格式分为两种，用户网络接口（UNI）信元的各个字段如图8-13所示。网络—网络接口（NNI）的信元格式除不包含GFC字段，而代之以VPI字段外，其余字段均相同。

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图8-13　ATM信元结构

1）GFC（通用流量控制）。GFC用于流量控制，长度为4bit。在一个接口上接有多个终端时，这些终端共享缓冲器、接口线路等资源。因此，需要对它们发送的业务量进行控制，以减少可能出现的过载现象。GFC字段只有在用户终端到交换机之间的信元上才存在，当初是为了把共享媒介的局域网接入到ATM网络中而设计的，如以太网与ATM网络的连接。目前看来，该字段用处不大。

2）VPI（虚通路标识符）。位于UNI的信元VPI字段长度为8bit，位于NNI的信元该字段长度为12bit，也就是说，同一个用户的同一个信元从终端出来时，VPI为8bit，到达交换机后，交换机向下一个交换机转发这个信元时，VPI的长度为12bit（占用了GFC字段）。VPI一般用于主干网上线路的交叉连接。

3）VCI（虚信道标识符）。VCI的长度为16bit。VCI随呼叫的发生而生成，随呼叫的释放而取消。在一个接口上用VPI和VCI这两个值就能完全识别一个呼叫，标识了信元是哪个用户的。ATM是面向连接的，提供的是虚电路服务，VPI和VCI就相当于虚电路标识符，只不过在建立连接时，每到一个交换机，该交换机就会在下一个交换机之间分配一个新的VPI和VCI值。因此，当同一个信元沿着虚电路传送时，在网络结点之间就会有一系列不同的VPI和VCI值，这一系列不同的VPI和VCI就标识了这条虚电路。VPI和VCI没有本质的不同，只是粒度大小的划分不同而已，VPI的粒度比较大，为了不必对每个呼叫都进行处理，并且减少转发表的长度，可以把走向相同的VCI容纳到一个VPI中，类似于IP网络中的超网概念。

4）PT（负载类型）。PT是有效负荷类型指示符，长度为3bit，第1位用来指示信元中的数据是用户信息还是网络信息，第2位指示信元是否经历了拥塞，第3位被适配层利用，用来指示该信元是否为适配层PDU的最后一个信元，以便接受方能够把分拆的AAL5PDU重新组装起来。

5）CLP（信元丢失优先权）。CLP的长度为1bit。当网络拥塞时，可以抛弃CLP等于1的信元。可丢弃的信元适用于那些对时间敏感、而对正确性不太敏感的数据，如视频、音频数据。

6）HEC（信头差错控制）。HEC使用CRC码校验，长度为8bit。HEC只对信头作差错校验，而不对数据进行校验，当检测出信元出错时，就把信元丢弃。HEC的目的是防止因VPI、VCI出错，从而导致信元串入其他用户终端形成干扰，这一点与IP的校验和相同，不过，HEC采用的是CRC校验，可以纠正一位错。

4.ATM信元的定界

从ATM的信元结构来看，信元既没有附加的特征位，也没有信元同步标识。那么，接收方是如何从比特流中给信元定界的呢？

ATM采用一种特殊的方法为信元定界，它不采用附加成帧位等增加额外开销的方法，而是利用信元HEC字段来定界。信元中的HEC采用CRC校验，生成多项式为x⁸+x²+x+1，校验范围是信头的前4字节。因此，ATM就利用HEC对信元定界。ATM进入信元同步搜索时，先逐位进行CRC校验，如果CRC正确，则认为初步定界，然后逐信元进行CRC校验，如果连续α次检测HEC正确无误，则可判定信元已定界。如果连续β次收到错误的HEC，ATM就认为信元已失步，需要重新对信元定界。一般α取值为6，β值为7。

5.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信元形式来传送和交换。每种业务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，然后交给ATM层封装成53字节的信元。

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）。顾名思义，SSCS完成与正被讨论的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，以便送到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。

根据业务类型的不同，业务数据的拆装方法也不同。ITU-T曾定义了4种ATM适配层协议：AAL1、AAL2、AAL3、AAL4。后来ITU-T将AAL3和AAL4合并为一种AAL3/4。ATM论坛认为ALL3/4太复杂，不令人满意，就定义了另一种协议AAL5来取而代之。目前，AAL5是最常用的适配层协议，标准规定，ATM交换机和端点都必须支持AAL5。

从高层协议交给AAL层的数据一般有两种方式：报文方式和流方式。报文方式就是以报文为单位，如IP数据报，每个报文的边界需要保留。而流方式则没有保留边界的问题，如放在T1帧或E1帧中的音频流等。

ATM AAL5适合报文方式，AAL5的适配操作过程如图8-14所示。它把高层数据加上填充字段、长度字段和CRC校验，封装成一个48字节整数倍的CPCS-PDU。长度字段指示高层数据的字节数，CRC校验的生成多项式为CRC-32。AAL是端-端协议，差错控制由通信双方的端点来完成，ATM交换机不会参与AAL层的差错控制。这里没有用SSCS子层，实际上具有SSCS子层的AAL协议很少。

图8-14　ATMAAL5的适配操作过程

AAL5的SAR子层很简单。SAR-PDU没有添加任何字段，SAR-PDU由CS子层交来的48字节组成。SAR子层的唯一功能是用ATM信头的PT字段的值来区分信元是否为CPCS-PDU的最后一个信元，PT=xx1的信元表示该信元是最后一个信元。利用信元信头的PT字段，实际上是ATM层的功能，这说明AAL5破坏了ATM协议的层次结构，属于权宜之计的“补丁”方法。