以ATM信元為對象的交換，它是寬頻ISDN中的一種基本交換方式。
基本介紹
- 中文名：異步傳輸模式交換
- 外文名：asynchronous transfer mode switching
- 套用學科：有線通信
簡介,ATM信元,ATM交換特點,ATM交換,4.1 ATM真正具有電路交換和分組交換的雙重性,4.2 ATM信元頭和有效載荷,4.3 異步多路復用和快速分組交換,4.4 面向連線的技術和虛擬連線,4.5 分組交換與線路交換的綜合,4.6 標記交換,ATM物理層,5.1 物理介質相關層,5.2 傳輸聚合子層,ATM層,發展,
簡介
異步傳送模式(ATM)交換技術是一種包含傳輸、 組網和交換等技術內容的新穎的高速通信技術。 它是由產業界、用戶團體、研究機構和標準化組織開發和定義的。它被設計滿足下一代通信技術要求，如支持頻寬資源的有效利用，有利於有各種類型的網路互連以及能夠提供各種先進的通信業務。它被看作是先進和有效的軍用和民用通信的先進通信技術。它適用於區域網路和廣域網，它具有高速數據傳輸率和支持許多種類型如聲音、數據、傳真、實時視頻、CD質量音頻和圖像的通信。
按國際電話電報諮詢委員會（CCITT）的定義，轉移模式是指在電信網中信息傳輸、復用和交換的方式。異步轉移模式（簡稱ATM）的特徵是信息的傳輸、復用和交換都以信元為基本單位。所謂異步，這裡是指屬於同一用戶的信元並不一定按固定的時間間隔周期性地出現。
圖1 異步傳送模式信元ATM信元
簡稱信元。按CCITT的建議，在通信網內部的ATM信元叫做網路一節點接口（簡稱NNI）信元，在用戶和通信網之間的ATM信元叫做用戶一網路接口（簡稱UNI）信元。兩種信元都由53個位元組組成，前面5個位元組叫做信頭，後面48個位元組是信息域。但是，兩種信元的信頭定義有所不同，見圖。其中GFC：一般流量控制域；VPI：虛擬路徑標識符；VCI：虛擬通道標識符；PT：淨荷類型，即後面48個位元組信息的類型；CLP：信元丟棄處理優先權；RES：未定義的保留位；HEC：信頭錯誤校驗碼，使用校驗多項式X8+x2+x+1。
ATM信元有兩種標準速率：155.520Mbit/s和622.080Mbit/s。
一個虛擬路徑經常是由多個虛擬通道組成。每個虛擬通道為一個特定的通信進程所專有。每個虛擬路徑都有自己的標識符（VPI），每個虛擬通道也都有自己的標識符（VCI）。VPI和VCI給出了一個信元的路由信息，依據VPI和VCI，就可以知道一個信元是從哪裡發出和送到哪裡去。ATM交換機應該能夠根據用戶和通信網上的要求，建立或拆除虛擬路徑和虛擬通道。
除去承載用戶信息的用戶信息信元外，ATM信元還有空閒信元、信令信元和運行維護信元等類型。其中，信令信元用於承載諸如建立或拆除虛擬路徑和虛擬通道這樣的控制信息，其功能與電話網中的信令相同。運行維護倍元承載通信網運行維護方面的信息。在沒有信息傳送的時侯，使用空閒信元來填充信道。不同的信元類型依靠不同的信頭來予以區分。
由於在寬頻ISDN中不僅有數據信息，還有語音、活動圖像等要求實時性的信息，並且傳輸速率極高，所以ATM信元又有許多方面不同於普通的數據分組。例如：ATM信元是固定長度的，並且長度較短，它的信息域沒有定義錯誤校驗碼，也不進行反饋重發。這些都是為了傳送實時性信息。又如HATM信元的路由管理分為虛擬路徑和虛擬通道兩級，這是為了方便對於大量高速而又短促的ATM信元的控制和管理。
ATM交換特點
ATM交換的基本功能是把入線上的ATM信元，根據其信頭上的VPI和VCI，轉送到某一出線上去，在發生出線衝突（多個ATM信元在同一時刻發往同一出線）時，選擇一個信元送到出線上，並對其它信元進行緩衝存儲或將其丟棄。ATM交換機還應能夠接受信令信元和運行維護信元的控制，並在必要時向外部傳送信令信元和運行維護信元。
因為信息傳輸速度快、規模大，所以，雖然ATM交換在概念上類似於分組交換，卻並不能用普通的分組交換結構采實現。相反，幾種ATM交換結構，如縱橫空分結構、多級網際網路結構、異步時分結構、匯流排矩陣結構等，都和電路交換有一定的淵源聯繫。
與電路交換相比，ATM交換要複雜得多。例如：對每個ATM信元都要進行信頭分析和緩衝存儲，在必要時還要改變信頭的某些部分。而一個信元的處理，即使在155.520Mbit/s的情況下，也只有大約2.7μs的時間，這是相當苛刻的要求。為此，必須採用超大規模積體電路，並且必須儘量採用超高速的材料和工藝，例如砷化鎵等。可以說，超高速超大規模積體電路是發展ATM交換的物質基礎。
此外，ATM交換的性能分析也比電話交換和分組交換複雜得多。
ATM交換
4.1 ATM真正具有電路交換和分組交換的雙重性
從技術上看，ATM是從快速分組交換技術演變而來的，用於信息傳輸的基本的ATM數據單元是ATM信元。這種ATM信元的長度是固定的，並由53個8位二進制數組成，包括 5個8位二進制數的頭標欄位和48個8位二進制數的信息有效載荷欄位。一個ATM信元的總ATM具有分組交換和電路交換的特徵，並包含傳輸、組網、多路復用和交換技術。ATM典型的數據速率為155Mb/s。通過計算150M/8/53=360 000，即每秒鐘信道上有36萬個信元來到，所以每個信元處理周期僅為2.7us。商用ATM交換機可以連線16~1024個邏輯信道，於是每個周期中要處理16~1024個信元。短的、固定長度的信元為使用硬體進行高速交換創造了條件。
4.2 ATM信元頭和有效載荷
CLP:信元丟失優先權 PTI:有效載荷類型識別符 GFC:類屬流控制* VCI:虛擬信道識別符** HEC:頭標差錯控制VPI:虛擬通道識別符** UNI:用戶-網路接口 *GFC欄位的功能至今仍未被標準化機構完全定義 **VCI和VPI組成信元交換中使用信元標記欄位
ATM信元的信息有效載荷(I)欄位包括用戶和管理數據。在I欄位的48個8位位元組中，前面的少數8位位元組(最多達4個8位位元組)與業務無關，其餘的8位位元組按特定業務編碼。
4.3 異步多路復用和快速分組交換
ATM技術所基於的工作原理是分解業務信號，把這些信號映射成固定長度的ATM信元，以異步方式多路復用這些ATM信元，從而組成連續傳輸的數據流， 接著通過網路上的虛擬通信信道，使數據流實現高速交換和傳輸。減少協定開銷和增加誤差檢校和對終端系統高層的重發這樣一些功能，可提高傳輸速度。
4.4 面向連線的技術和虛擬連線
ATM是一種面向連線的技術，意即通信信道建立階段必須處理實時信息交換。 在通信信道建立階段，通過網路建立一條端到端的通信信道。在ATM中， 通過網路中節點到節點連線的連鎖邏輯關聯來實現這樣的信道。每次邏輯關聯表明傳輸ATM信元的單向信息傳輸能力， 並調用一個虛信道(VC)。由於虛信道與專用的物理線路無關，並且它與其他連線共享其物理信道，所以把它視為虛擬。一個局部性的顯著邏輯標識符VCI識別一個VC，而VCI由ATM 層分配並放置在信元頭標中。當ATM層分配一個VCI值時，產生一條VC鏈路。一旦VC鏈路建立起來，它的後面將跟隨屬於同一VC連線的所有信元，從而確保在屬於VC連線的傳輸中以這樣的方式排序。整個ATM網路中實現端到端連線VC連鎖連線被稱作虛信道連線(VCC)。
4.5 分組交換與線路交換的綜合
ATM通信技術將現有的線路交換方式數字通信方式與分組通信方式加以綜合。首先， ATM允許憑藉信元標記定義和識別個人通信；就此而論，ATM裝配普通的分組傳輸方式。 第二，ATM與分組方式通信緊密相連，因此，它只有當有業務要傳送時才利用頻寬。第三， 像分組交換一樣，在呼叫建立階段，ATM支持服務質量(QoS)協商，並通過在多種連線中共享其傳輸媒體而支持虛電路的利用。但是也有明顯差別，因為分組方式一般利用可變長度的分組，而ATM則將固定長度分組的ATM信元作為其基本的傳輸媒介。此外，普通的分組方式主要是為可變比特率(VBR)、非實時數據信號創建的，而ATM同樣可以很好地管理實時恆定比特率( CBR)信號。
4.6 標記交換
ATM方式時，根據信元標記欄位中包含的信息進行信元尋由和交換， 而信元標記欄位是信元頭標的VCI和VPI。信元標記並非是一個明確地址。
鑒於ATM固有的優點及其對潛在套用的支持，它將對民用和軍事通信用產生重大影響,並將引起通信方式的變革。
就經濟效益而言，其優點包括按使用付費、較好的頻寬保證、減少(昂貴的)租用線預訂、資源最佳化、可縮放的和靈活的頻寬分配以及投資保證。
就提供業務來說，其優點包括支持LAN、MAN和WAN環境中的綜合通信，改善QoS、保證頻寬、按需頻寬和可縮放的頻寬分配，繼續提供高質量的業務以及提供新的業務。
就網路基礎結構而言，其優點包括多種類型的網路互連，支持靈活的網路基礎結構，並支持多機種網路基礎結構。
ATM物理層
ATM物理層分為兩個子層。
5.1 物理介質相關層
物理介質相關層PDM（physical Mediun Dependent sublayer）是有關傳輸介質、信號電平、比特定時等規定。但是ATM沒有提供相應的規則，而是準備採用現有的傳輸標準。
5.2 傳輸聚合子層
傳輸聚合子層TC（Transmission Convergence）提供與ATM層的統一接口。在傳送方，它從ATM層接收信元，組成特定形式的幀。在接收方，它從PDM子層提供的比特流中提取信元，驗證信元頭，並將有效的信元提交給ATM層。這一層類似於數據鏈路層的功能。
ATM層
ATM層類似於網路層的功能，它以虛電路提供面向連線服務。ATM支持兩級連線，即虛通路（virtual path）和虛信道（virtual channal）。虛信道相當於X.25的虛電路，一組虛信道捆綁在一起形成虛通路，這樣的兩級連線提供了更好的調度信能。
發展
在20世紀80年代中期，為了研究寬頻綜合業務信息的交換問題，提出了快速分組交換和異步時分復用兩個概念。前者的出發點是改進分組交換以改善其速度和隨機時間延遲。後者的出發點是改進時分電路交換，以使其靈活適配寬頻綜合業務信息的不同速率要求。這二者不僅出現時間大致相同，達到結果也很相似。在1988年的CCITT建議書中定義了異步轉移模式。
雖然在20世紀90年代初已經有了ATM交換的實驗產品，但在整個90年代，ATM交換都仍是各國電信界研究的一個主流方向。
