ATM技术的发展及应用

1、ATM技术的发展及应用摘要：随着In ternet与多媒体技术的飞速发展， Web上的图像、音频、视频等 多媒体容越来越多，用户需要有更高的接入速率。而现有的电路交换和分组交 换很难胜任宽带高速的交换任务。对于电路交换，当数据的传输速率及其突发 性变化很大时，交换的控制就变得十分复杂；对于分组交换，当数据传输速率 很高时，协议数据单元在各层的处理成为很大的开销，无法满足实时性很强的 业务的时延要求。异步传输模式 ATM(Asynchronous Transfer Mode )就是建 立在电路交换和分组交换基础上的一种新的交换技术，他可以很好地进行宽带 信息交换。本文讨论了 ATM技术的特点和存

2、在的问题，并介绍了 ATM技术在数 字通信、帧中继及PSTN/N-ISDN等业务中的发展和应用，同时对 ATM的应用前 景进行了初步分析。关键词：ATM 应用发展时分复用B-ISDN一、ATM的产生自Alexander GrahamBell于1870年发明后，？为有效地连接日益增多的用户，交换网应运而生。它经历了人工交换，机电式自动交换系统以及数字程 控系统发展过程，但电路交换的原理一直未变。随着计算机的普及，网通过使 用Modems进行计算机数据传输及数据信息交换，随之产生了公用数据网，其 典型的代表是X.25分组交换网，它是基干包交换的一种技术，具有信输可靠性 高的优点，但由于Modem?

3、速率及交换技术本身限制，X.25只能处理中低速数 据流。虽然LAN局域网)技术的发展突飞猛进,如Ethernet > Token ring > Token bus等,传输速率已可达千兆，但它局域网的性质本身就大大限制了LAN的大规模的覆盖及应用，目前的LAN? 一般用于企业部的数据传送，无法形成广域网的 规模。由此我们不难看出，传统网络普遍存在以下缺陷：第一，业务的依赖性，一般 性网络只能用于专一服务,公用网不能用来传送TV信号,X.25不能用来传送高 带宽的图像和对实时性要求较高的语言信号；第二，无灵活性,?即业务拓展的 可能性不大，原有网络的服务质量，很难适应今后出现的新业务；

4、第三,效率低， 一个网络的资源很难被其它网络共享。随着社会不断发展，网络服务不断多样化，人们可以利用网络干很多事情， 如收发信件、家庭办公、Video on dema nd网络,?这对网络的要求越来越高, 有人还不禁提出这样一个想法：能否把这些对带宽、实时性、传输质量要求各不 相同的网络服务由一个统一的多媒体网络来实现 ,?做到真正的一线通？回答是 肯定的,这就是ATM网。幸运的是,?现在的半导体和光纤技术为 ATM的快速交 换和传输提供坚实的保障。目前的CMO处理能力已达二三百兆，ECL?可达5到 10GSDH和SONE技术提供了大容量的可靠传输,目前的STM-I标准为155.52M。 事实

5、上在80年代中期，人们就已经开始进行快速分组交换的实验， 建立了多种 命名不相同的模型，欧洲重在图象通信把相应的技术称为异步时分复用(ATD美国重在高速数据通信把相应的技术称为快速分组交换(FPS ,国际电联经过 协调研究，于1988年正式命名为 Asynchronous Transfer Mode(ATM) 技术， 推荐其为宽带综合业务数据网 B-ISDN的信息传输模式。ATM的成功，固然取决 于微电子等高技术的进步以及社会需求的驱动，而ATM其自身的优势，使它在交换技术中独占鳌头。ATM是在分组交换技术上发展起来的快速分组交换。它综合吸取了分组交 换高效率和电路交换高速率之优点，针对分组交

6、换速率低的弱点，用电路交换 完全与协议处理几乎无关的特点，通过高性能LSI的硬设备来提高处理速度， 以实现高速化，因此也可以说 ATM技术是在克服了分组交换和电路交换方式局 限性的基础上产生的。3 7 6 54 3 213 7 6 54 3 21何头tTGFCVPIVPI(5字节)VPIVCIVPIVCI信元净荷VCIVCI(48字节VCIPTCLFJVCIPTCLPHECHECATM ' /LUN If,无结构Nhll估尤结构梱LI ATM営元胳朮二、ATM勺特点及存在的问题1. ATM技术的特点(1) ATM作为电信网的一种新技术，不仅适用于高速信息传送和对服务 质量（QoS ）的

7、支持，还具备了综合多种业务的能力，以及动态带宽分配与 连接管理能力和对已有技术的兼容性。（2）ATM的综合能力ATM以信元的方式传送信息，与业务的特性、比特率无关，只要将各类业务的信息在入网时转化为统一格式的信元，就可以在 网络中进行传输与交换，因此，高灵活性使之具有各种综合能力。（3）灵活的动态带宽分配与连接管理能力（4）ATM对已有技术的兼容性ATM作为一项独立的技术充分考虑了与已有 技术的融合。2. 存在问题目前，ATM技术已经进入了实用化阶段，商用化 ATM产品大量出现，很多国 家已建设了 ATM骨干网络，并提供多种高速、实时业务。ATM的应用同时也进入到局域网、无线网络和卫星网络等领

8、域。但是，以 ATM为基础的B-ISDN的建 设还处于初级阶段，各国的B-ISDN发展也不平衡。除政策原因外，还存在技术 原因：（1） ATM技术还无法经济地支持话音等低速率业务。人们期望 ATM技 术能够同时支持话音和数据业务，但不够灵活的适配方式以及由ATM网引入的相对较大的时延使得ATM对话音业务的支持不能令人满意；（2） 尽管ATM技 术的标准已经基本齐备，但部分技术容仍不完善，限制了ATM网络作为整个主干网络为用户提供端到端可保证 QoS和灵活业务的能力，特别是在网络管理、 业务量控制及对无连接数据业务的支持等方面还需做大量工作；（3） ATM的统计复用特性使业务量特性变化繁多，基于

9、业务量统计特性的控制也就变得愈 发复杂，因此ATM的流量和拥塞控制仍然存在很多问题；（4） 网络技术的发 展使ATM技术受到了来自其它技术的竞争，如千兆比以太网的出现使ATM技术更难在局域网围得到采用。目前还没有针对于 ATM的 “致命应用”。针对这些问题，致力于ATM的研究者们已经开展了很多工作，也提出了一 些解决方案。这些努力包括：简化信令和网络控制；提出新的ATM适配方式；将ATM技术与IP、智能网（IN ）、网管相结合，以灵活提供各种业务。这些研 究成果不仅拓宽了 ATM技术在宽带通信及互联网中的应用，也使该技术能够在 窄带业务（帧中继、PSTN/N-ISDN等 ）领域发挥优势。、AT

10、M的发展及应用1. ATM支持话音技术的研究在电信网中，从用户数的角度考虑，传统的用户仍将占主导地位，因此， ATM必须考虑如何支持话音的问题。ITU-T在1997年9月年通过了支持话音业 务和短分组业务适配的第二类 ATM适配层协议建议在1999年2 月通过了面向话音业务的建议用于中继的AAL2业务特定会聚子层SS CS ，并于1997年12月通过了支持AAL2交换的信令协议建议 Q.2630.1 （AAL2 信令协议-能力集1），基本完成了 ATM支持话音业务的标准化工作。采用 AAL2 协议来支持话音业务不论是效率方面，还是时延性能方面，都要优于IP。AAL2技术的应用主要有以下几个方面

11、：以低时延的性能支持话音和其他实时业务传送，用于PSTN或其它网络的中继传输；（2）用于第三代移动通信系统（IMT-2000），在BS和MSC之间以AAL2协 议支持低速话音和数据信息的传送；（3）用AAL2交换机代替ATM交换机（ATM层仅提供PVC交叉连接功能）， 提供端到端的ATM话音和数据业务。2. 简化ATM技术的研究ATM技术的缺点之一就是网络的复杂性，为了推动ATM技术的应用，就必须对ATM技术进行简化和优化，以达到简化网络，降低网络成本的目的。目 前,1-TUT和ATM论坛正在进行这方面的工作， 例如目前I-TUT正在制定的AT M轻型信令标准就是为了简化原有复杂的信令标准，以

12、降低网络的复杂性。另 外，在流量控制、网络管理等方面也都有需要进行相应的研究工作。技术的缺 点之一就是网络的复杂性，为了推动 ATM技术的应用，就必须对 ATM技术进行 简化和优化，以达到简化网络，降低网络成本的目的。目前， I-TUT和ATM论 坛正在进行这方面的工作，例如目前 I-TUT正在制定的ATM轻型信令标准就是 为了简化原有复杂的信令标准，以降低网络的复杂性。另外，在流量控制、网 络管理等方面也都有需要进行相应的研究工作。3. ATM与IP技术的结合以IP为基础的In ternet的发展出乎许多人的预料，短短几年已迅速席卷 了全球，对传统的电信运营形成了巨大的冲击，同时引发了一场关

13、于未来信息咼速公路是以B-ISDN为基础还是以In ternet为基础的争论。计算机业界一致 看好In ternet。但无论如何，In ternet原本是为了把已存在的众多局域网络连 接成一个统一的网络。随着网络的覆盖围不断扩大、网络的业务类型不断增加 以及网络用户的增长，In ternet中必然会出现网络拥塞、带宽资源紧和用户质 量下降等问题，因此In ternet网络终究要实现宽带化。In ternet要使用公共 通信网资源，仅仅依靠IP协议并不能解决传输宽带化的问题，还要解决怎样利用新的传输设备来提供高带宽。ATM技术的出现为In ternet所面临的问题提供了解决方案。IP技术只有与

14、ATM技术相结合才可能在In ternet上提供大围的宽带业务。目前，电信和 In ternet业界都已认定未来的宽带骨干网应基于 ATM技术。国外一些大学和科 研机构正在研究下一代In ternet （ I2 ）。在I2总体结构中，ATM和SONE作为 骨干技术用于连接各个千兆比接纳点。利用ATM勾造宽带In ternet的骨干网，不仅可解决In ternet骨干网的带宽问题，也为其提供高 QoS的IP业务奠定了 基础。尽管受到其它网络技术的竞争，许多人仍认为ATM不仅是电信网也是In ternet骨干网的最终解决方案。目前，在宽带计算机通信领域中与 ATM技术竞争的技术主要是千兆比以太 网

15、（GE）。由于其对原有局域网技术的兼容性，用户可以很低投入获得网络性能 的大幅提高，这使其在宽带局域网互联中被广泛采用，许多对QoS要求不高的城域网及企业网也开始采用千兆比以太网技术。但作为一种信息传递技术，ATM 的性能显然优于千兆比以太网，它具有无限缩放性，可用于局域、城域直到广 域网环境，并且由于拥有 QoS保证，可以说ATM几乎是未来多媒体业务的唯一 选择。4. 帧中继业务中引入ATM技术帧中继（FR是基于分组复用方案的技术，可在一条2Mbit/s物理链路上建立多条虚通路。自90年代初引入以来，帧中继在专用网中得到了迅速发展， 成为新的业务流量源。目前，很多用户基地设备（CPE供应商开

16、始支持帧中继。 这种新业务的迅速增长需要网络容量的更新，并使其有可能引入ATM等新技术。 ATM网络可用来连接帧中继网络，使各个站点间能够通信。ATM骨干网不仅可以 用于传输帧中继业务流，而且也为帧中继网之间的互通提供了一种简洁的方式。帧中继业务中引入ATM技术需要实现帧中继承载业务与 C类面向连接的可 变比特率（VBR业务之间的互通，也就是帧中继逻辑连接与ATM虚通路之间进 行映射。其中，互通单元（IWU是帧中继交换机或复用器，在帧中继 UNI执行 互通的功能；AAL5用于帧中继和ATM之间的互通；帧中继业务特定会聚子层（FR-SSCS支持AAL5的公共部分会聚子层/拆装子层（CPCS/SA

17、R。FR-SSCS 的协议数据单元（PDU与Q.922的帧结构兼容。5. PSTN/ N-ISDN与宽带ATM网的互通ATM技术能够在单一网络上真正实现话音、数据和视频等业务的综合，满 足各类业务和不同带宽的要求。提供基于64kbit/s的窄带业务（PST/N-ISDN） 应是ATM的一项基本能力。但是目前ATM应用技术的研究主要偏重在宽带领 域，而对ATM实现话音通信技术的研究比较薄弱。特别是发达国家的网已基 本饱和，其对ATM网提供话音业务的研究并不积极。在中国，高速数据业务和 传统话音业务的发展很不平衡，干线网和许多省市都建成了宽带ATM网，但数据业务量不饱和，而业务仍然在快速增长。考虑

18、到技术更新换代的速度越来越 快，应该在网中尽量采用新技术，因此国许多研究机构和厂商都在研究如何用 ATM技术传送窄带业务。PST/N-ISDN与ATM网间实现互通，应分为两个阶段， 即网络互通和更进一步的业务互通。网络互通主要实现在宽带网络上提供对现 行窄带网业务的支持；而业务互通则实现宽带网业务和现行窄带网业务间的互 通。ITU-T制定的I.580建议已经给出了 5类互通的情况。现阶段通常采用网 络互通方式，即采用窄带与宽带互通单元（NB-IWU来实现网与ATM网沟通， 用宽带ATM网来提供大容量的话音通道。要实现PST/N-ISDN与ATM网的互通，首先要解决的关键技术是低时延、 高效率的

19、话音ATM适配方法。64kbit/s的话音及话带业务是对时延和时延抖动 十分敏感的固定比特率（CBR业务。而适配时延是影响话音在 ATM网中整个传 输时延的最主要的因素。采用传统的AAL1适配方法无法满足话音业务对传输时 延的要求。为此一些新的低时延适配方法被提出来，包括部分填充信元法、组 合信元法、微信元法等。综合考虑效率因素，组合信元法和微信元法是通常被 采纳的方法。组合信元法的适配时延可小于12 5ys，依照特定控制策略， 可同时保持较高的信元适配效率，它更适合于汇接网干线业务量，利用ATM骨 干网对网业务进行交换和传递。ITU-T在1997年推出的AAL2协议使用微信元 概念减少了适配

20、时延(低于1mS，但AAL2协议中公共部分子层(CPS分组有 3字节，增加了传输开销；许多对话音进行静音检测压缩的算法被用于 AAL2适 配，用来抵消CPS分组头的开销以提高效率。在国，目前已有研究机构利用组 合信元法研制成功NB-IWU实验系统；一些厂商基于 AAL2适配、结合静音检测 压缩的NB-IWU系统也都具备雏形。四、ATM的业务介绍1. 商业应用在商业领域，有两大类 ATM的应用，即多媒体和高速数据。多媒体应用主 要包括有会议电视、职业教育和技术培训、电子信箱、桌面合作工作组、居家 办公、远程医疗、远程勘探等；高速数据应用主要设计局域网(LAN互联和数据网合成。(1) 桌面应用 桌

21、面合作工作组可以取代会议室。主要通过声、像双向传输将 分布于不同地点的工作小组组织起来，进行交互式工作，共享办公设施，不仅 便于管理，而且大大节省了差旅费，提高工作效率。这种应用可扩展到家庭办 公。(2) 远程医疗 如果将全国乃至全世界的医生、诊所、医院以及康复中心、医 学研究机构等、通过 ATM网连接起来，实施远程医疗，它可即时召集最有秀的 医生、提出最佳诊断方案，为病人提供及时、最有效的治疗。此外，图像医疗 权力机构可以在ATM网中建立必要的医疗信息库，使人们可以存取有关医疗数 据，如医疗记录、X光片、CAT扫描片等。(3) 远程教学远程教学中心通过ATM网可以向社会提供教学材料、培训和

22、教学，学员可以得到优秀教师的授课、雇员不离岗就可接受教育。此外，研究 机构、大学等可以加强技术和科研交流与合作。2. 居民应用ATM网络的初期应用主要有VOD(按需视像服务)、电子游戏、可视等。(1) VOD VODt可能成为ATM应用的最大市场之一。ATM网络将提供VCRVideoCassette Recorder)的功能。客户在家里通过电视机任意选播自己喜欢的电影， 可控制停播、快速前进和后退及暂停。当然， VOD的价格不能太贵，起码要与 租借录像带的价格相当，同时也要比录像带的质量高、节目丰富。(2) 居家购物 购物者可以利用ATM网络的交互能力，像在商店里一样进行物 品的挑选、采购，用

23、个人特有的进行支付。(3) 电子游戏 不同地区的多媒体工作站可以像在同一个 LAN样，通过ATM 网进行交互式电子游戏。当然，ATM网络的应用远不只上述这几种，ATM网络的应用将涉及社会方方 面面，如金融、航空、经贸、气象、政府机构、海关、广播、商业、教育、建 设、医疗等等。目前，ATM技术已经进入了实用化阶段，商用化ATM产品大量出现，很多 国家已建设了ATM骨干网络，并提供多种高速、实时业务°ATM的应用同 时也进入到局域网、无线网络和卫星网络等领域。五、ATM市场前景ATM技术目前处于较不利地位，其中的原因主要在于以太网以及TCP/IP协议相关的各种技术已经经过了几十年的发展和积累，在此基础上开发出来的技 术也在很大程度上承袭了已有技术的成果，其开发费用和生产成本都因此大大 降低，与其相反，ATM技术的发展还不到十年时间，其中绝大部分技术都得从 无到有进行开发，其费用自然相对较高，相信以ATM目前的发展趋