第四章 第四章 ATMATM 网络技术网络技术 异步转移模式（ Asynchronous Transfer Mode， ATM ）已被国际电信联盟电信标准部（ ITU-T ）于 1992 年 6 月定义为未来宽带综合业务数字网（ B-ISDN ）的传递模式。 ATM 是以名叫信元（ cell ）的固定长度信息块（分组）为信息传输和交换基本单位的快速分组交换技术。术语“转移”包括了传输和交换两个方面，所以转移模式意指信息在网络中传输和交换的方式。“异步”是指在传输和接续中用户端带宽的分配方式。

4.1 ATM网络的基本概念

4.2 ATM协议参考模型4.3

ATM的信元传输方式4.4

ATM的交换方式4.5 ATM

网络管理

ATM 以信元在网中传送各种信息，每个信元长

度为 53 字节。

ATM 与现存的各种传输模式的关系如下所示：

4.1 4.1 ATMATM 网络的基本概念网络的基本概念

4.1.1 4.1.1 ATMATM 信元信元由于 ATM 的交换控制是根据信头而

进行的，所以 ATM 信元结构与信头格式的标准化是极其重要的。 ITU-T 在 I.361建议中有明确的规定，一个 ATM 信元长 53 个 字 节 ， 前 面 5 个 字 节 称 为 信 头（ header ），后面 48 个字节称作信息域（ information field），如图 4.1 所示。

一般流量控制（ GFC）：它由 4bit组成，仅用于用户—网络接口。

虚通路标识符（ VPI）：该字段在用户—网络接口由 8bit 组成，用于路由选择；而在网络—节点接口由 12 bit 组成，以增强网络中路由选择功能。

虚信道识别符（ VCI）：它由 16bit组成，用于 ATM 虚信道路由选择。

信息类型（ PT）：该字段的长度为3bit。

信元丢失优先级（ CLP ）：该字段由 1bit 组成，用于表示信元丢失的等级。

信头差错控制（ HEC）：该字段长度为 8bit。

4.1.2 4.1.2 ATMATM 虚连接虚连接ATM 信头中的 VPI/VCI 一起标识一

个 ATM 虚连接。在 ATM 系统中，虚路径（ Virtual Path ， VP ） 、 虚 通 道（ Virtual Channel， VC ）和物理信道间的关系如图 4.2 所示，它们是一种等级关系。一个物理信道由多个 VP 组成，一个VP 又由多个 VC 组成。

在一条通信线路上具有相同的 VPI 的信 元 所 占 有 的 子 信 道 叫 做 一 个 VP 链 路（ VP Link）。

一个 VPC 中传送的具有相同的 VCI

的信元所占有的子信道叫做一个 VC 链路（ VC Link）。

注意：在组成一个 VPC 的各个 VP 链路上， ATM 信元的 VPI 不必相同。同样，在 组 成 一 个 VCC 的 各 个 VC 链 路上， ATM 信元的 VCI 也不必相同。

VP 交叉连接设备和 VC 交叉连接设备都叫做 ATM 交叉连接设备，它们的不同仅 在 于 是 处 理 ATM 信 元 的 VPI 还 是VCI。

4.1.3 4.1.3 ATMATM 与统计时分复用与统计时分复用复用技术是一种能使多个信号利用同

一物理通道进行传输的技术。在传统的以电路交换为基础的传递模式中，为提高线路 的 利 用 率 ， 常 采 用 所 谓 的 时 分 复 用（ TDM ）技术。

收、发双方的同步是通过固定时隙来实现的，因此，这种时分复用技术又可称为 同 步 时 分 复 用 （ Synchronous Time Division Multiplexing， STDM）。

与同步时分复用相对应的是异步时分复用。它是将一条线路按照传输速率所确定的时间周期划分为帧的形式，而一帧中又再划分成若干时隙来承载用户数据。

4.2 4.2 ATMATM 协议参考模型协议参考模型ATM 技 术 标 准 和 规 范 主 要 由 ITU-

T、 ANSI和 ATM Forum 制定。

ATM 协议参考模型基于国际电联的标准产生，如图 4.6 所示。它由 3 个面组成 ，即控 制 面 （ control ）、用 户 面（ user ）和管理面（ management）。

ATM 协议结构基于国际电联的标准产生，如图 4.7 所示。 ATM 协议结构分为三层，即 ATM适配层（ ALL）、 ATM

层 和 物 理 层 。 表 4.1 中 总 结 了 物 理层、 ATM层和 ATM适配层执行的功能。

ATM层主要执行交换、路由选择和多路复用功能。 ATM 网实际是在终端用户间提供端到端 ATM层接续。

AAL 主要功能是将业务信息适配到ATM 信息流。应用特定业务在用户终端由ATM适配层提供。

4.2.1 4.2.1 物理层物理层物理层主要处理相邻 ATM层间 ATM

信元的传输。 ATM层独立于物理层，它能够在各种类型物理链路上工作。

ATM 物理层的功能较一般物理层功能多。在常规网络中，物理层只是通过物理媒介传输比特流；但是在 ATM 网中，物理层向 ATM层传递的是信元，而不是比特流。

一、传输汇聚子层一、传输汇聚子层11 ．传输帧适配．传输帧适配在面向帧的传输系统中，传输汇聚子

层在发送器产生传输帧，并在接收器从比特流中恢复它。传输帧产生功能就是把帧相关信息和 ATM 信元，置于预定义的帧结构。

22 ．． HECHEC 信元的产生和验证信元的产生和验证

物理层从 ATM层传递 53 字节信元。这时，除了 HEC 字节， 53 字节是完全的。HEC 字节由传输汇聚子层处理，并且在它传到物理媒介之前就插入信元首标的信头差错控制域。在接收端，物理层利用接收的 HEC值，进行信元信头完整性差错检验。

33．信元率解耦．信元率解耦一般来说，物理媒介要求连续比特流传

输（拆线信道传输除外）。当收发器要求物理层连续传递信元流时，就产生这样的问题：如果没有足够的信元从 ATM层传向物理层时，用什么填满传输管道？为了保持连续比特流在链路传输，传输汇聚子层就把空闲信元插入用户信元流，这些空闲信元在传输汇聚子层被接收器丢弃，因此它们不会被传到ATM层。

44 ．信元定界．信元定界在一个比特流中界定各个信元的功能

称作信元定界功能。信元定界就是确定信元的边界（信元的起始和结束位置）。由于信元间没有使用特别的分割符， ITU-T I.432 建议定义了利用信元首标 HEC 域，进行信元定界的处理，信元定界方法如图4.10 所示。

图中定义了 3 种不同的状态：搜索态、预同步态和同步态。

分组交换系统中的 HDLC 帧定位功能是依靠特定的帧头和帧尾码来实现的。为了保证数据的透明传输，在帧中使用了“比特填充”方法，即在每 5 个连 1 后面插入一个 0 。

二、物理媒介相关子层二、物理媒介相关子层两个子层要交换数据，它们必须互相

同步。物理媒介相关子层的传输和检测功能实际就是在导线和光缆上传递和识别电信号和光信号。

使用前一种方法，一组 4bit 信息被编码成 5bit码组传输；而用后一种技术， 8bit 信息被编码成 10bit码组。

接收信号检测比特边界要求：传递到物理媒介相关子层的码型是二进制代码，如果没有足够的代码转换，则难于检测比特边界。显然代码 0 和 1 间的转换不是用户数据可控制的。 4 位码可编码 16 个取值。如果以 5位码传输，则可编码 32 个取值。如果从中选取 16 个值，就有充足的代码转换，从而使接收电路时钟同步比较容易。

额外值要求：额外的代码值可用于传输链路两端控制信息的传递。

4.2.2 4.2.2 ATMATM层层ATM层在同一 ATM层单元间传递信

元。它利用物理层业务在 ATM层用户间顺序传送信元，在始发端，它从 ATM适配层接收 48 字节信元信息，再加 4 字节首标（ HEC 字节除外）组成 ATM 信元，然后将它传送到物理层进行 HEC 处理和传输。

一、信元结构和编码一、信元结构和编码11 ．一般流量控制．一般流量控制一般流量控制（ GFC ）用于控制终

端到网络的业务流量。由于在用户网络接口定义了两套进程，即控制的和非控制的，因此也就有两级接续，即受控接续和非控接续。

22 ．接续识别符．接续识别符ATM 是面向接续的技术，它要求端

到端 接 续 在 业 务 量开始流 通 前就建立。 ATM 接续既可以利用管理功能预建立，也可以使用信令根据需要动态建立。

ATM 信元首标包含 28bit 路由选择域，它由两个识别符构成，即虚通路标识符（ VPI ）和虚信道标识符（ VCI）。

３．信息类型指示符（３．信息类型指示符（ PTIPTI ））信息类型指示符域 3比特长。比特 3

是最左位也是最高有效位，它用于规定信元是携带用户数据还是携带操作、管理和维护（ OAM ）数据。当该比特等于零时，比特 2 用于指示信元是否通过拥塞交换。比特 1 用于区分最后用户信元。

44 ．信元丢失优先级比特（．信元丢失优先级比特（ CLPCLP ））ATM 信元首标的信元丢失优先级域，用于表示信元丢失优先等级。由于接续的统计多路复用性， ATM 网不可避免要有一些信元丢失。

55 ．首标差错控制（．首标差错控制（ HECHEC ））首标差错控制域主要有两个功能：①

检测信元首标的比特差错，丢弃首标差错信元；② 信元定界。

二、虚通路识别符和虚信道识别二、虚通路识别符和虚信道识别符预留置符预留置

4.2.3 4.2.3 ATMATM适配层适配层不同业务具有不同的特性，并且对应

用功能的要求也不同，如数据话务不要求业务时钟频率信息，话音业务不需要了解比特差错等。

各种应用功能根据其业务要求和话务特性分为若干业务等级。不同的 ATM适配层定义了不同的业务等级。 ITU-T 根据3 个参数分类 ATM 业务：

① 源点和终点间定时关系；② 比特率（固定的或者可变的）；③ 接续方式（面向接续业务或者无

接续业务）。

诸如话音和视频一类实时业务要求通信应用端到端定时关系，这主要是因为话音和视频帧的接收速率要求和它们的始发速率相同。

ATM 网的固定比特率业务要求通信单元间的定时关系。

实时应用和一些数据业务要求在网中预定资源，这将保证向它们提供的业务不受其他源生话务干扰。

其中 4 级如下定义：A 级，是对应源点和终点间具有定时

关系的固定比特率面向接续业务。B 级，是对应源点和终点间具有定时

关系的可变比特率面向接续业务。C 级，是对应源点和终点间不具有定

时关系的可变比特率面向接续业务。

D 级，是对应源点和终点间不具有定时关系的可变比特率无接续业务。

除上述 4 级之外，还有两级业务定义如下：

X 级 ： ATM 适配层，话务 类 型（ CBR或者 VBR ）和定时要求都在此级由用户定义。

Y 级：允许网络提供的 ATM 层传递特性在接续建立后发生变化。

ATM适配层在业务质量一致的对应上层单元之间，提供透明和顺序的 AAL 业务数据单元（ AAL-SDU ）传递。

ATM适配层功能分为两个子层，即分段和重组子层（ SAR ）以及汇聚子层（ CS）。

一、固定比特率业务的一、固定比特率业务的 ATMATM适配层适配层ATM适配层类型 1（ AAL1）：适用于要

求接续端点间定时关系的固定比特率 CBR 业务，例如 CBR音频和 CBR视频。

AAL1汇聚子层包括的功能有：信元延迟变量的处理；顺序计数的处理；定时信息的传递方式；源点和终点间结构信息的传递；前向纠错（ FEC）。

AAL1 分 段 和 重 组 子层协 议 数 据 单 元（ SAR-PDU ）首标如图 4.14 所示。

汇聚子层需要时钟执行其功能。现在已经定义了 3 种方法处理定时关系，即自适应时钟法、网络同步时钟和同步剩余时间标记（ SRTS ）方法。

AAL1 现在定义的另一功能是，单向视频业务比特差错和信元丢失的纠正方法。

二、可变比特率业务的二、可变比特率业务的 ATMATM 适配层适配层AAL1 是惟一定义于固定比特率业务

的适配层，其他 ATM适配层协议都定义于可变比特率业务。

可变比特率业务特定汇聚子层（ VBR SSCS ）定义了两种方式业务：信息方式和数据流方式。

这两种业务方式都能提供两种同级操作过程：安全操作和非安全操作。

汇聚子层协议数据单元容量在可变比特业务中，不必是信元信息域的倍数。因此， CS-PDU 的最末信息段或协议数据单元的任何信息段，可以不填满全部信元信息域。

11 ．． ATMATM 适配层类型２（适配层类型２（ AAL2AAL2 ））AAL2开发用于要求端到端定时关系

的面向接续可变比特率业务。

AAL2 具有支持实时、变速和短包业务的特点，允许在一个 ATM 连接上承载多个AAL2 连接，在保证服务质量的前提下提高信道利用率。

AAL2 协议结构： AAL2 分为两个子层，即公共部分子层（ CPS ）和特定业务汇聚子层（ SSCS）。 SSCS在 CPS之上。 AAL2

交换在基于 ATM层之上的 CPS 进行。

（ 1） CPS 子层CPS 子层提供的 基 本 功 能 有 ：①

AAL2 通过 ATM 网络提供从 CPS 用户到另一个 CPS 用户传送 CPS-SDU ② ； 提供业务对等层操作，包括：传送 CPS-SDU数据，最大字节数 45 （缺省）或 64 字节；复用和解复用多路 AAL2 信道；在每一个AAL2 信道保证 CPS-SDU序列的完整性；

③ AAL2的 CPS 连接是一个基于端到端的 AAL2 信道连接； AAL2 通道是一个双向虚通道，两个方向使用相同的通道指示值； AAL2 多个通道建立在一个ATM层永久虚电路（ PVC ）或交换虚电路（ SVC ）上。

（ 2） SSCS 子层ITU-T I.366.2 规定了用于中继的 SSCS

协议，主要是面向速率较低，而且对时延敏感的业务流，如话音业务等。

22 ．． ATMATM适配层类型适配层类型 3/43/4 （（ AAL3/4AAL3/4 ））AAL3/4 定义用于源和端间不需定时的

面向接续和无接续可变比特率业务。它的基本功能支持无接续网络接入（ C 级）和面向接续的帧中继业务（ D 级）。

AAL3/4 分段和重组子层功能有：① 差错检测和处理：它利用 CRC-

10/SN 检测和处理比特差错，以及丢失或者误插入 SAR-PDU 的检测和处理；

② 多路复用和多路分解：它允许利用MID 域将若干 CPCS 接续，多路复用到一个 ATM层接续中；

③ 放弃：它提供方法放弃部分传递的 SAR-SDU。

33 ．． ATMATM 适配层类型适配层类型 55 （（ AAL5AAL5 ））与 AAL3/4 相类似， AAL5 用于可变

比特率业务，但是它不需要源和端之间的定时。

（ 1） SAR 子层SAR 子 层 从 CPCS 接 收 变 长 的

SDU ， 产 生 相 应 的 SAR-PDU ； SAR-PDU 包含 48 字节的 SAR-SDU ，其格式如图 4.21 所示。

（ 2） CPCS 子层CPCS 子层完成传送 CPCS-SDU 的任

务 ，并同 时 传 送 一 个 字 节 的 CPCS-UU。 CPCS 子层对 CPCS-SDU和 CPCS-UU 进行封装，使其成为接收端可以辩别和区分的一个完整的数据单元（即 CPCS-PDU），并在其中附加填充成分，使其长度成为 48 字节的整数倍；附加检错码，使其具备检错能力。

AAL5 CPCS 子层具有以下功能： ① CPCS-PDU 的保存：利用 SDU 类

型指示，提供 CPCS-SDU 的分隔和透明性； ② CPCS 用户到用户信息的保存：利

用 CPCS-PDU的 CPCS-UU 域，透明传递CPCS 用户到用户信息；

③ 差错检测和处理：利用长度指示符和 CRC-32 域，检测 CPCS-SDU 差错；

④ 放弃：提供方法放弃部分传递的CPCS-SDU；

⑤ 填充：调整 CPCS-PDU ，使它满足 48 字节倍数的要求；

⑥ 拥塞信息处理：在 CPCS 以上各层和双向 SAR层之间传递拥塞信息；

⑦ 丢失优先等级信息的处理：在CPCS 以上各层和双向 SAR层之间传递信元丢失优先级 CLP 信息。

44 ．． AAL3/4AAL3/4 与与 AAL5AAL5 的比较的比较

AAL3/4和 AAL5 都定义于面向接续

的可变比特率业务，以及不要求通信单元

间端到端定时的无接续应用。

4.3 4.3 ATMATM 的信元传输方的信元传输方式式

ATM 信元传输方式有三种，裸信元传输、基于 SDH 的传输和基于 PDH 的传输。4.3.1 4.3.1 裸信元传输裸信元传输裸信元传输指的是直接利用光纤或电缆

进行信元的传送，这是最基本的一种传输方法，不必借助其他下层的传输协议和系统。

在基于信元的 ATM 传输中由于直接使用电缆或光缆，所以在传输路径以下只有再生段而无数字段。

一、一、 OAMOAM 信元负载自身保护参数信元负载自身保护参数

OAM 信元通过两种方式防止本身信元出错。

编码保护：采取 8bit PSN 域对传送的F1和 F3 信元进行模 256 计数，保证在接收端可以知道是否出现 PL-OAM 信元丢失或误插入。

循环校验码保护：采用 10bit的 CRC校验码，占用负载区的最后两个字节，称为 信 元 差 错 控 制 CEC ， 用 于检测 PL-OAM 信元信息域的正确性。

二、二、 OAMOAM 信元对传输的信息进信元对传输的信息进行性能监测行性能监测

主要采用的方法是对物理层上传输的信元（包括空闲信元和 ATM层的信元）采用 8bit 交错奇偶校验码 BIP-8 方式，在发送端点对传输信息进行编码，在接收端点通过监测 BIP-8码和相应传输信元之间的关系，分析传输是否出错。

监测块的尺寸MBS 规定一个块中包含信元（不包括 PL-OAM 信元）数目。

监测快的数目 NMB-EDC ，指明在相邻同类 PL-OAM 信元之间的监测块，可以看到由于知道相邻同类 PL-OAM 信元之间信元长度以及监测块的长度，原理上可以推算出监测块的数目，这里相当冗余保护措施。

在接收端点相应的 F1 接收设备或 F3

接收设备对接收的信元进行 BIP-8监测，获得两类参数：

① 出错监测块个数 NMB-EB 。指明在传输的监测块中发现错误的监测块的个数。

② 块监测的结果 EB。

三、三、 OAMOAM故障告警故障告警在 F1 或 F3 层 次 上 发 现 出 现 错

误， OAM故障告警系统分别向上行、下行节点进行报告：

① 报警指示信号 AIS向下行端点报告本节点或本节点上游发生故障；

② 远端接收故障（ FERF ）向上行端点报告监测到失去信号、 AIS或其他严重故障。

4.3.2 4.3.2 基于基于 SDHSDH的的 ATMATM 传输传输ITU-T 建议 I.432 在给出基于信元的 ATM 传

输的同时规定了在 SDH 上传输 ATM 信元的方法。ITU-T 在提出 SDH 传输系统时，希望 SDH 网

络能够方便地对支路信号进行同步数字复用和交叉连接，同时希望帧结构能够兼容 E1 和 T1 两大PDH 系列的信号。

SDH 采取同步复接的方式，所有 STM-N采用的帧结构格式是相似的，即都以 STM-1 为基础。

段开销（ SOH ）是为了保证负载信息能够正确传送所必须附加的字节，主要是供网络运行、管理和维护使用，具体包括如帧定 位 、监测、公务 、保护倒换 等属于F1、 F2层等需要完成的操作， SOH 进一步分为复用段开销（ MSOH ）和再生段开销（ RSOH），其中复用段的概念相当于前面介绍的数字段， MSOH 用于各个数字段的管理和维护， RSOH 用于帧定位和再生段的管理和维护。

管理单元（ AU ）分成两部分，即AU 指针（ AU-PTR ）和负载区，其中AU-PTR 占去帧结构中的第 4 行的第 1至9列位置，负载区则占用其他 AU空间，即第 10列到第 270列共 261列的所有区域，用以传输用户信息和通道层开销。

作为通用的传输数字序列，必须能够传输 PDH 不同等级的数字序列， SDH 定义了5 种容器（ C），容器相当于运输装载的集装箱，用 C-n表示不同容器， n由两位数字组成。

SDH 传输系统中容器概念的引入方便了在 SDH 中传输各种业务，在 STM-1 的负载区中可以装载 VC-4负荷，根据上述介绍VC-4由 C-4 和相应的 POH 组成，如图 4.25所示。

一、再生段开销（一、再生段开销（ RSOHRSOH ））的定的定义和功能义和功能

RSOH 用于实现 STM-1 帧同步和再生段管理和维护功能。

RSOH 中涉及帧同步的字节有两个，即 A1 （ 11110110 ） 和A2（ 00101000），接收端通过判断 A1和A2 确定 STM-1 的起始位置。

二、复用段开销（二、复用段开销（ MSOHMSOH ））的定的定义和功能义和功能

MSOH 用于数字段的管理和维护。MSOH 中 用 于性能监测的 字 段 是

B2 ，长度为 3 字节，采用 BIP-24 对前一个 STM 帧中除 RSOH外的所有比特进行编码，接收端点据此判决在数字段上传输的数据是否出错。

MSOH 中用于故障处理的是 K2 的高3 位比特，传输 AIS和 FERF 信号，其中取值为 111 时表示是 AIS 信号，否则为FERF 信号；同时使用第 3个 Z2 字段传输FEBE 信号。

MSOH开销中有专门为操作维护预定的信道。

MSOH 中的 K1和K2 用于自动保护转换 APS 字节，其中 K1 的前 4比特用以表示APS请求的原因、指令和 APS 系统的现状，后 4比特表示 APS请求的系统序号。

MSOH 中的第 1个 Z1 字节的第 5至 8比特用于传输同步质量等级（同步于基准时钟或本地时钟或设备独立时钟等）消息，其余 Z1 字节及比特为备用。 Z2 为备用字节。

三、三、 AU-PTRAU-PTR 的定义和功能的定义和功能AU-PTR 的作用除了前面讲述的用于

描述 VC-4 转入相应的 AU-4 中时，可以允许 VC-4从 AU-4负载区的任意位置（字节对齐）开始到下一个 AU-4 同一位置结束，同时 AU-PTR 允许当 VC-4 中的数据使用一个不同于 STM-1 的发送时钟时， VC-4起始位置相对于 AU-4 起始位置会发生滑动， AU-PTR 可以用于数据滑动。

AU-PTR 执行的功能是指明 VC-4 相对于 AU-4 的位置，并且在 VC-4 时钟快于STM-1 时钟有数据将被溢出时，可以将多余数据设法存储起来（在 AU-4 负载区无法转入，只有在 AU-PTR 指针区设置这样的存放数据地点， SDH 规定在 AU-PTR中有 3 字节用以调整存放数据），

如果 VC-4 时钟慢于 STM-1 时钟时，每一段时间 VC-4 将无法装满，这时可以在不足数据到达 3 字节时，允许 VC-4 的特定位置不填充数据。当然多余数据填入 AU-PTR缓存区和 VC-4区，允许不填满，必须指定相应的具体位置并且需要在 AU-PTR中指明这样事件的发生，接收端才可以根据事件发生标志了解到出现数据滑动，同时知道多余数据或未填充数据的地址，将传送数据恢复出来。

AU-PTR 域共有 9 个字节，目前可以使用的字节为 H1（ 1 字节）、 H2（ 1 字节）和 H3（ 3 字节），其他 4 个字节分别是两个全 1 字节以及两个“ 1001SS01” （其中 S比特没有定义）字节。

四、通道开销（四、通道开销（ POHPOH））的定义和功能的定义和功能POH 用于传输路径的接入点标识、差错

控制和通道层管理，同时由于 POH 作为 VC-4的开销，所以有相应的域指明 VC-4 中装载数据的情况。

通道接入标志使用 J1 字节，将连续 16个VC-4 作为一组，对 16个 J1 字节统一定义，其中：第 2到 16 字节中，每个字节的第 1比特为0 ，其他 7 个比特组成 ASCII 字符。

通道故障性能监测使用 B3 字节，采用 BIP-8 编码方式对 VC-4 中的所有数据进行编码。

通道差错控制使用 G1 字节，其中１至４比特传输 FEBE 信号，这 4 个比特共有 16 种组合，其中前 9 个值是合法值，表示 BIP-8检验的结果共有 0～ 8 个误码组。

4.3.3 4.3.3 基于基于 PDHPDH的的 ATMATM 传输传输PDH 不同等级传输帧格式之间的关系与

SDH 的 不 同 ， 在 SDH 中 STM-1 、 STM-

4、 STM-16和 STM-64虽然传输速率不同，但传输帧之间有明确的关系，所以非常容易确定信息复用方式和复接格式。

直接在 PDH 帧结构中传输 ATM信元，并利用 PL-OAM 进行操作维护

重建传输帧的格式用以传输 ATM信元

在 PDH 传 输 帧 的 基 础 上 构 建ATM 传输帧

可以认为这是一种介于前两种适配方式的折衷方案。

一、直接在一、直接在 PDHPDH 帧结构中传输帧结构中传输ATMATM信元信元

这种方式目前可以用于 E1和 T1 上传输 ATM 信元。 E1 是中国和欧洲的基群系统，传输速率为 2.048Mbit/s ，帧长为 32字节，帧频为 8000Hz ，用以传输 30 路数字话音，第 0 字节用以传输帧同步信号，第 16 字节传输信令和控制信息。

在使用 E1和 T1 进行传输 ATM 信元时，同步字节 / 位以及信令字节 / 位仍作为传输系统控制开销，其他传输话音的负载部分用以传输 ATM 信元，如果 ATM 信元的速率小于 E1和 T1负载速率时，可以使用空闲信元进行填塞。

二、重建传输帧的格式用以传输二、重建传输帧的格式用以传输ATMATM信元信元

这种方式是一种较为普遍的适配方式，由 ITU-T 定义，可以用于高次群传输系统中的 ATM 信元适配。这里给出 E3 传输系统的适配。

帧同步功能： FA1 和 FA2 两个字节，取值分别为“ 11110110” 和“ 00101000” 。

性能监测功能：使用 EM 字节存放对传输帧中 537 字节信息进行 BIP-8编码的结果。故障报告功能：使用 MA 字节。其中比特

1 用于传送 FERF 信号；比特 2 用于传送远端块出错（ FEBE ）信号（ 0 表示 BIP-8监测无误码， 1 表示 BIP-8监测有误码，但是这里的FEBE并不传递出现误码的个数）；比特 3到比特 5 用于指明重建帧负载区传输的信息种类，例如当值为 010 时表示传递 ATM 信元；比特6到比特 8留作他用。

三、在三、在 PDHPDH 传输帧的基础上构建传输帧的基础上构建ATMATM传输帧传输帧

这种方式是一种较为普遍的适配方式，由 ATM 论坛定义，可以用于高次群传输系统中的 ATM 信元适配。

PLCP 帧中的 POH 必须完成以下功能：由于采取可变长的帧结构格式，所以必须有相应的字节指出本帧的填充区是 13个 4比特或 14 个 4比特。

PLCP 帧采用 12 行方式，由于每行的长度和 T3 帧的负载区长度没有倍数关系，所以每行都设置定帧标记，这样可以非常清楚地对信元定界。

帧同步功能： A1 和 A2 共 24 字节，其取值分别为“ 11110110” 和“ 00101000” 。

性能监测功能：使用 B1 字节存放对PLCP 帧中通道开销和 PLCP负载区共 12×54＝ 648 字节信息进行 BIP-8编码的结果。

故障报告功能：使用 G1 字节报告传输中状态信息，其中包括 4比特的 FEBE用以传输接收端使用 BIP-8 对接收信息监测的结果，显然只需使用 0到 8 种状态编号，其他值的填写认为是没有错误发生。另外 1比特用以传送警告信息，其余 3比特没有定义。

填塞区长度指示：使用 C1 字节作为标识。

4.4 4.4 ATMATM 的交换方式的交换方式交换是电信网络中至关重要的一部分，

是完成电信网络任意两点之间的通信的保证，从最初的人工交换、步进制交换、纵横交换到后来的程控交换，从电信网络（广域网）中时分、空分交换到局域网中的总线、令牌交换，都对宽带 ATM 交换产生巨大的影响。

4.4.1 4.4.1 ATMATM 交换的基本原理和交换的基本原理和要求要求一、一、 ATMATM交换机基本组成结构交换机基本组成结构

在前面介绍 ATM 传输网络中引入VCC和 VPC 概念时讲述到 VP 交换和 VC交换，实际上 ATM 交换就是相应的 VC/VP 交换。

11 ．入线处理部件．入线处理部件

由于在传输线路上信息传送的形式是以比特流格式进行的，而信息交换必须以信元为单位，将 53 字节即 53×8＝ 424比特信息作为一个整体同时交换，而不是逐比特进行。

22 ．控制单元．控制单元控制单元完成 3 种功能：① 完成 VPC 和 VCC 的建立和拆除

操作。② 进行信令信元发送。③ 进行 OAM 信元处理和发送。

33 ．出线处理部件．出线处理部件完成与入线处理部件相反的处理，即

类似于信元如何从 ATM层处理成适合于特定传输媒介的比特流形式，具体地说：

① 将交换单元输出信息流、控制单元给出的 OAM 信元流以及相应的信令信元信息流复合，形成送往出线的信令流。

② 速率适配：将来自 ATM 交换机的信元适配成适合线路传输的速率，例如当收到的信元流速率过低时，填充空闲信元；当速率过高时，则使用存储区予以缓存。

③ 形成特定传输结构：将信元比特流适配层特定的传输媒介所要求的格式，例如 PDH和 SDH 帧结构格式。

44 ．交换单元．交换单元

作为实际执行交换动作的部件，其实现的好坏直接关系到交换机的效率和性能，以至于人们在讨论宽带交换系统时仅注重交换单元的设计，而忽略交换机的其他三个基本组成单元。

二、宽带业务对于交换机的要求二、宽带业务对于交换机的要求11 ．多速率交换．多速率交换由于宽带网络支持的业务包括现在和

将来的所有应用，这样网络就必须支持从一般业务控制的几十 bit/s到几 kbit/s 和视频通信的几Mbit/s到几十Mbit/s 的速率交换，作为 ATM 端口和用户端口的基本接入速率 155.520Mbit/s显然可以满足这一要求。

22 ．多点交换．多点交换

在提供原有电路交换中点对点连接方式的基础上，宽带网络还必须能提供点到多点的广播 / 组播连接功能，这就要求ATM 交换机中可以实现将一条入线的信元输出到多条出线上的操作，而不是简单地要求用户通过申请多个连接完成多点通信。

33 ．多媒体业务支持．多媒体业务支持

指网络中允许接入的业务有不同的形式，如语音、数据、静止图像、活动视频或者它们的某种组合，每种媒体有不同的服务质量要求，如带宽（传输速率）、延迟、信号失真度（误码率）等诸多不同的参数要求。

交换时延：交换机完成 ATM 信元交换的时延在信息端到端传输时延中占有极大比重，这就要求交换单元在路由选择、信元缓冲上采取优良的算法和实施技术。

连接阻塞：在 ATM 网络中通信双方采用面向连接方式，但是 ATM 网络采用面向连接的方式并不意味着 ATM 交换机内部采用面向连接的方式。

4.4.2 4.4.2 ATMATM 交换单元的构成交换单元的构成交换的实质是将某条入线的信息输出

到特定的出线上，任意时刻入线和出线之间可能出现的关联可以有多种形式：一对多的连接、一对一的连接、入线和出线空闲状态等等。

一、空分交换结构一、空分交换结构ATM 交换的最简单构建方法是将每

一条入线和每一条出线相连接，在每条连接线上装上相应的开关，根据信头 VPI/VCI决定相应的开关是否闭合以实现特定输入和输出线路接通，也就是将某入线上信元交换到出线上。

11．出线冲突时的入线选择策略．出线冲突时的入线选择策略当来自多条入线的信元同时竞争一条出线

时，只有一个信元可以传送，其他信元将被延迟，这里就必须有仲裁机制去选择“获胜信元”。

随机法：随机地从多条竞争的入线中选取一条入线，传送该入线上的信元。

固定优先级法：每条入线都有固定的优先级，不同优先级的入线发生出线冲突时，优先级高的入线获得发送信元的权利。

缓存区状态确定法：显然 ATM 交换机必须设置缓存区以置放无法立即交换的信元，根据缓存区的溢满程度选择传输的信元。

信元状态确定法：根据不同的信元丢失率， CLP值确定信元服务的先后顺序，如果信元优先级相同可以采用随机法、固定优先级法或是缓存区法以确定具体服务的信元。

22．阻塞信元的处理．阻塞信元的处理————缓存存储方法缓存存储方法

（１）输入缓存

在这种情况下，采用图 4.34 所示的方

法来解决输入端可能的竞争问题。

（ 2 ）输出缓存

输出缓存方法如图 4.35 所示。采用这

种方法对不同入线上要去往同一出线的信

元可以在一个信元的时间内全部被传送

（交换）。

（ 3 ）中央缓存中央缓存方法是在基本交换单元的中

央设置一缓存器，这个缓存器被所有的入线和出线公用，而不是由某条单一的入线和出线专用，如图 4.36 所示。

（ 4 ） 3 种缓存比较

对交换单元入线上一种确定的业务量类型和负荷来说，上述 3 种缓存方法在信元丢失、时延和信元缓存器大小方面具有不同的性能。

二、时分交换结构二、时分交换结构

ATM 本质是异步时分（ ATD ）复用，它将信道分成等长的时隙，时隙中填充等长的分组，借鉴同步时分复用（ STM ）中的时分交换的概念，人们设计了异步时分的交换机结构。

TSI 本质上可以看作一个缓冲区，该缓存区从输入线路某时隙中读入数据，然后向特定的输出时隙写入该信息单元，相当于对一条线路上不同时隙内容进行互换，在STM 中线路上不同时隙相当于不同的子信道，时隙交换也就相当于线路交换。

输入时隙：时隙数和输入线路数相等，每个时隙中装载的信息包括两部分内容，即输出线路编号和该输入时隙号对应的入线上的传输信息。

输出时隙：时隙数和输出线路数相等，每个时隙中装载的是相应入线上的信息。图中时隙方框中填写的是对应的入线时隙编号，实际只是存放相应的信息。

缓存区：完成将输入时隙中的信息交换到特定的输出时隙中，其中缓存区的容量和输出线路是相等的，采用的策略是将输入时隙中的信息根据其输出时隙的编号填入相同编号的缓存区中，以便扫描实现完成交换的目的，最后将缓存信息顺序读到输出时隙中。

首先是 ATM 交换机必须要有高速缓存区，我们知道目前一般存储区访问周期为 70～ 80μs ，数据总线带宽为 32bit ，这样每秒钟可以读写的比特数为 32/ （ 70×1

0-9 ）＝ 457M ，即存储区的访问速率为 45

7Mbit/s。

分区法：根据出线的数目，将缓存区分成若干等份，对于每条出线可以缓存若干 信 元 ， ATM 交 换 单 元 根 据 信 元 的VPI/VCI值确定信元写入缓存区的位置，如果发生缓存区溢出可以采取某种策略抛弃信元。

共享法：缓存区并不分区，只要缓存区中有空余空间就可将信元写入，当执行读出操作时，根据当前输出时隙标号，转换成对应的信元 VPI/VCI值，交换系统根据该标识值在缓存区中查找相应的信元，并将其填入相应的输出时隙。

三、总线交换结构三、总线交换结构基于总线机制的 ATM 交换单元的构

造如图 4.39 所示，所有入线和出线都连接到总线上，总线通过总线管理器进行管理。这里涉及到不同入线出线间如何传输信息的控制问题。计算机内部总线结构和局域网的总线结构采取不同的实现方案。

四、令牌环交换结构四、令牌环交换结构

令牌环结构是高速局域网所采用的一种信息交换形式，相应的 ATM 单元可以采用如图 4.42 所示的结构设计。

4.4.3 4.4.3 ATMATM 多级交换网络多级交换网络一、一、 BanyanBanyan网络及其递归构造网络及其递归构造

一个交叉连接单元有两种状态：平行连接和交叉连接，如图 4.43 所示。平行连接时，入端 0 和出端 0 连接，入端 1 和出端 1 连接；交叉连接时，入端 0 和出端 1连接，入端 1 和出端 0 连接。

二、二、 BanyanBanyan网络的性质网络的性质

11 ．惟一路径性质．惟一路径性质

Banyan 网络中的每条入线和每条出线之间都只有一条路径并且只有这一条路径，称之为惟一路径性质。

22 ．自选路由性质．自选路由性质由 Banyan 网络的构造方法可知，一

个 Banyan 网络的入端数和出端数相等。并且若设其为 N ，则必有 N＝ 2M 。把 N个入端和 N 个出端顺序分别编号为 0 ， 1 ，2 ，…， N－ 1 ，那么，既可以依据 M 位二进制数字来区别 N 个入端，也可以依据M位二进制数字来区别 N个出端。

一个 N×N的 Banyan 网络共有 M 级，每级有 N/2 个 2×2 交叉连接单元。每个交叉连接单元的两个入端和两个出端都在图上的上下位置分别编号为 0 和 1 。

多级互联网络的这个性质很自然地使我们想到，如果我们把出线的编号（或者叫作地址）以二进制数字的形式送到交换单元，那么，每一级上的 2×2 交叉连接单元就只需要根据这个地址中的某一位就可以判别应将其送往哪一个出端上。

33 ．内部阻塞性质．内部阻塞性质在没有出线冲突时，纵横开关阵列是

没有内部阻塞的。但上面讨论的 Banyan网络则是有内部阻塞的。 Banyan 网络不仅有内部阻塞，而且这种内部阻塞随着阵列级数的增加而增加。

内部阻塞是在 2×2 交叉连接单元的两个入线要向同一个出线上发送信元时产生的。

由于多级互联结构中的排列很整齐，使用的电子开关数也较少，但是，内部阻塞又是一个必须要解决的问题，因此近年来许多人都进行这方面的研究，并提出了若干方案。

（ 1 ）增加多级开关阵列的级数。（ 2 ）排序 Banyan 网络，即通过在

Banyan 网络前面添加一个排序网络使其成为一个无阻塞网络。

4.5 4.5 ATMATM 网络管理网络管理ATM 网络管理主要是提供给网络管理人

员进行网络控制、配置和监控操作，以向网络用户提供合适的业务。

端到端连接的配置是 ATM 网络管理最主要的组成部分，面向连接配置管理包括用法参数控制、连接允许控制、资源管理和业务量管理等。

OAM 协议提供了标准的 OAM 信元，使由多个不同厂商的设备所组成的网络能够进行 OAM 的互操作， OAM 为每个虚通道或虚通路连接提供故障检测、故障定位和性能监视维护和监测功能。

4.5.1 4.5.1 OAMOAM 的功能的功能ITU-T 定义的 OAM 协议由许多部分

组成，包括管理信息的逻辑定义及携带管理信息的信元格式定义。

11 ．． OAMOAM 信息流信息流ATM 网络由 5 个 OAM 流等级组成。

五级 OAM 信息流如图 4.52 所示。

F1 、 F2 和 F3 信息流用于物理层。提供 OAM 功能和产生物理层 OAM 信息流的机制取决于所采用的传输系统。

ATM 层 OAM 信息流定义了两级：虚通路级的 F4 和虚信道级的 F5。

22 ．． OAMOAM信元类型信元类型OAM 信元的一般格式如图 4.53 所示。

信 头 指出 OAM 信 元属于哪个 VCC 或VPC；OAM 类型和功能类型字段用于区分OAM 信元的类型（例如故障管理信元或性能管理信元）；功能特定字段包括与信元类型 相 关 的 信 息 ； 10 比特循环冗余校验（ CRC ）位于 OAM 信元的尾部，它用来保证管理系统不会根据被破坏的 OAM 信元而作出错误的决定。

（ 1 ）故障管理信元故障管理 信 元 包 括告警指 示 信 号

（ AIS ）信元、远程故障指示（ RDI ）信元、连续性校验（ CC ）信元及环回信元。

（ 2 ）激活与去激活信元激活 /去激活信元可以激活或去激活

PM和 CC OAM 信元流， OAM 信元流也可以通过交换机的网络管理系统。

（ 3 ）性能管理

大多 数 ATM 业 务 类 别 都 有 相 关 的

QoS 参数。在实际网络中，端用户及端用

户应用将假定 ATM 网络能提供它们预先

协商的 QoS值。

从 PM OAM 信元可获得的结果包括：① 严重错误信元块（ SECB ② ）； 错误信元计数；③ 丢失的 CLP0＋ 1 用户信息的信元；④ 丢失的 CLP0 用户信息信元；⑤ 误插入的用户信息信元；⑥ 所传输的用户信元（ CLP0 ＋ 1及 CLP0 ）的数目；⑦ 被损伤的信元块；⑧ 传输延迟。

4.5.2 4.5.2 OAMOAM及网络管理及网络管理在 ATM 网络中，网络管理是一个巨

大的挑战。 ATM 网络包括非常大的网络拓扑，其中包括较长的传输线路、较多的节点、很高的速率、多个网络设备厂商提供的设备以及多个业务提供者。

一、连续性检验信元的使用一、连续性检验信元的使用在非 OAM环境中，如果用户业务流

的到达相对稳定，则网络节点能通过监视用户信元的正常稳定到达来确定线路是否正常。

为了能对连接进行稳定的检测，网络管理者需配置一个上游网络节点，用来周期性地在 信 元 流 中插入连 续性检测（ CC） OAM 信元。

二、环回信元的使用二、环回信元的使用环回信元是一种很有价值的诊断工具，

它可以在网络的任何两个节点间发送，这种功能在网络边界（例如不同业务提供者的边界）特别有用。

利用环回信元可以找出连接故障点的位置或证实一种新连接或网络拓扑。

三、性能管理信元的使用三、性能管理信元的使用ATM 网络要承载对时间敏感的声音

和视频业务，对于这些业务类型，仅仅提供一条连接还不能保证用户信息按要求到达目的地。

通过把 PM OAM 信元插入到用户信元块可以监视性能参数，例如信元块错误率、信元丢失率及误插入信元等。

4.5.3 4.5.3 流量管理和拥塞控制流量管理和拥塞控制当网络以 OC-12 （ 622.080Mbit/s ）

速 率 传 送 ATM 信 元 时 ， 如何有效管理ATM 信元变得极为重要。

流量管理过程的一个重要方面是监测用户是否获得了要求的业务质量的服务，也即用户根据在通信过程开始时和网络签订业务流量付费合同，是否物有所值。

一、流量管理一、流量管理ATM 连接过程的描述可采用两类参

数，一类参数用于用户设备或终端系统向网络提出的有关连接的需求，另一类参数则是用户设备向网络提出的有关连接的描述信息。下面的参数描述向网络提出的有关连接的需求：

带宽；业务质量；延迟容忍度；流量控制；优先级控制。

下列参数是有关连接的描述信息，这些信息将在流量控制过程中使用：

业务量类型；用法信息；路由优先信息；流量控制能力。

11 ．连接接纳控制（．连接接纳控制（ CACCAC ））CAC 是用来决定是否接收连接请求。

一般由下面两个因素决定：（ 1 ）是否有所需的资源以提供连接

的端到端服务质量（ QoS）；（ 2 ）通信过程有关参数，如用户配

置的基于源和目的地址、协议类型、时延等的接入表。

CAC 与路由功能相互作用以选择路由，分配带宽，估计新的和已存在的业务量的相对优先级。

CAC 功能可设置网络中的不同位置。22 ．用法参数控制．用法参数控制

用法参 数 控 制 （ Usage Parameter Control ， UPC ） 定 义 为 一 组 ， 用 于ATM 交换机监视和控制每一个激活连接的UNI 上的业务量操作。

33 ．信元丢失优先级选择性丢弃．信元丢失优先级选择性丢弃ATM 信元的信头中有一个位直接标

志信元丢失优先级（ CLP）。 CLP 位用于在一个连接中产生不同优先级的信元流。

44 ．选择性分组丢弃．选择性分组丢弃短的固定长度的信元更适合高速硬件

交换，但在一般情况绝大多数高层应用的数据是可变长度的分组。

尾分组丢弃：无论何时当一个信元被丢弃，尾分组丢弃将该分组的所有后续信元除了最后一个信元外全部丢弃，最后一个信元是由信头中负荷类型（ PT ）字段中的业务数据单元类型比特来标识。

早期分组丢弃：早期分组丢弃（ EPD ）技术是当交换机队列到达门限值时，交换机从新进入的分组开始丢弃除了最后分组信元的所有信元。

分组丢弃方案的目标是防止缓存的溢出，采用该方法的核心思想是防止缓冲区被损坏的分组信元或后续的分组信元迅速充满。

二、拥塞控制二、拥塞控制11．定义．定义拥塞是一种不正常的状态，它表示在一

定时间间隔中要求的资源超过了所能供给的资源，即求大于供。

22．拥塞控制的因素．拥塞控制的因素一些应用的特性对拥塞的产生负有一定

责任，如连接模式、重传策略、认证策略、响应机制和流量控制。

33．拥塞管理．拥塞管理拥塞管理试图确保网络避免经历拥塞。

例如，在交通管理方面，拥塞管理可能劝导司机不要在交通高峰时行驶，或劝导顾客等到某种服务的队列变短时再去排队。

（ 1 ）资源分配资源分配可以完全避免拥塞。分配的

资源包 括 ： 中继线容量 ；缓冲器容量 ；UPC/NPC 参数；虚通道连接（ VPC ）参数。

（ 2 ）用法参数控制（ UPC ）废弃具有废弃（ discard ）能力的 UPC 对

资源进行管理以确保全部资源被完全分配时不发生拥塞。

（ 3 ）完全预约连 接受理 控 制（ CAC）

流量合同中定义的 CLP 信元流的峰值信元率、可维持信元率和最大突发长度可用来预约缓冲器、中继线和交换机等资源。

（ 4 ）网络工程另外一种分配资源的有效方法是基于

对网络流量的长期观察和统计而作出的决策。

44 ．拥塞回避．拥塞回避拥塞回避的目的是避免严重拥塞，而

使网络的负载进入轻度拥塞区域。

（ 1 ）前向显拥塞通知（ EFCI）处于拥塞状态下的网络资源在信头中

设置 EFCI净荷类型（ PT ）码，以供后面的网络节点和接收端使用。

（ 2 ）用法参数控制标记用法参数控制主要用于业务量控制，

但与拥塞回避也有关，例如， UPC 通过改变 CLP 的比特位标识违约的信元（ CLP＝ 1）。

（ 3 ）“过预约”连接受理控制“ 过预约”的概念可理解为连接申请

的流量参数（如峰值信元率）在大部分时间大于实际使用的流量参数。

（ 4 ）阻止呼叫在网络进入严重拥塞状态之前， CAC

可以简单地阻止任何新的连接请求。

（ 5 ）利用流量控制进行拥塞回避很多数据通信应用为了充分地利用带

宽，就有意地使网络不断地处于轻度拥塞状态。

55 ．拥塞恢复．拥塞恢复拥塞恢复是对网络进入严重拥塞区域

的一种响应。拥塞恢复方法包括：选择性废弃信元、动态 UPC 、丢失反馈（ loss feedback ）和连接终结（ disconnect）。

（ 1 ）选择性废弃信元根据标准，选择性废弃信元定义为一

种状态，在这种状态下，网络可以废弃部分 CLP＝ 1 的信元而满足 CLP＝ 0和CLP＝ 1 信元流的 QoS。

（ 2 ）动态 UPC

另一种从拥塞状态下得以恢复的方法是动态地重构 UPC 参数，即通过用户和网络的再协商，修改某种连接的 UPC 参数。

（ 3 ）丢失反馈利用终端系统高层协议（如 TCP），

是控制拥塞的又一种方法。（ 4 ）连接终结如果网络中的严重拥塞继续存在，就

要采取一种极端的做法，即终结一些连接，使拥塞得以恢复。