ＡＴＭ技术的发展和应用

１ ＡＴＭ技术的发展和存在的问题

    异步转移模式（ＡＴＭ）是为Ｂ－ＩＳＤＮ提供的一种快速分组传送技术。Ｂ－ＩＳＤＮ的目标是要实现现有以及未来可能出现的各种电信业务的综合。Ｂ－ＩＳＤＮ的基本构成包括宽带传输／交换网络、接入网络和网络管理系统。传输网络由采用同步数字系列（ＳＤＨ）或波分复用（ＷＤＭ）技术的光纤网络构成；交换网络主要由ＡＴＭ骨干交换机构成；接入网络以ＡＴＭ接入设备为基础，采用多种接入方式如非对称数字用户环路（ＡＤＳＬ）、光纤分配网络、光纤／同轴电缆混合（ＨＦＣ）接入以及无线接入等方式。以ＡＴＭ为基础的Ｂ－ＩＳＤＮ具有与传统的电话网络和分组网络显著不同的特点：首先，Ｂ－ＩＳＤＮ的网络实现与业务无关，提高了网络资源的利用率；其次，Ｂ－ＩＳＤＮ采用统计复用方式，灵活分配各种资源，可保证各种业务的服务质量（ＱｏＳ）；此外，ＡＴＭ信元采用定长短分组技术，实现了信息的高速交换，因此，使网络功能大大简化。

    为了推动以ＡＴＭ技术为基础的Ｂ－ＩＳＤＮ的发展，ＩＴＵ－Ｔ在８０年代中期开始制订有关Ｂ－ＩＳＤＮ的规范，目前已为Ｂ－ＩＳＤＮ及ＡＴＭ研究制订了大体完善的建议，内容涉及Ｂ－ＩＳＤＮ网络总体、性能、网络互通、资源管理、信令、网络接口（ＵＮＩ／ＮＮＩ）、ＯＡＭ、ＡＴＭ适配等各个方面。同时，ＩＴＵ－Ｔ和ＡＴＭ 论坛不断对公众和专用宽带ＵＮＩ进行了标准化。利用这些建议和标准，供应商已能够在这些接口上实现互通，服务提供者可以开始提供高速数据和类似专用线路的传输业务。尚需标准化的是为支持交换式多媒体业务环境的信令、高层应用协议和更为先进的操作、网管能力。围绕着建设Ｂ－ＩＳＤＮ，世界各国对ＡＴＭ进行了内容广泛的研究和试验。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。

    但是，以ＡＴＭ为基础的Ｂ－ＩＳ-ＤＮ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，但部分技术内容仍不完善，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技术更难在局域网范围内得到采用。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－ＩＳ-ＤＮ等）领域发挥优势。

２ ＡＴＭ与ＩＰ技术的结合

    以ＩＰ为基础的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的发展出乎许多人的预料，短短几年内已迅速席卷了全球，对传统的电信运营形成了巨大的冲击，同时引发了一场关于未来信息高速公路是以Ｂ－ＩＳＤＮ为基础还是以Ｉｎｔｅｒｎｅｔ为基础的争论。计算机业界一致看好Ｉｎｔｅｒ-ｎｅｔ。但无论如何，Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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。随着网络的覆盖范围不断扩大、网络的业务类型不断增加以及网络用户的增长，Ｉｎｔｅｒ-ｎｅｔ中必然会出现网络拥塞、带宽资源紧张和用户质量下降等问题，因此Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络终究要实现宽带化。Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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Ｉｎｔｅｒｎｅｔ所面临的问题提供了解决方案。ＩＰ技术只有与ＡＴＭ技术相结合才可能在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上提供大范围的宽带业务。目前，电信和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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Ｉｎｔｅｒｎｅｔ（Ｉ２）。在Ｉ２总体结构中，ＡＴＭ和ＳＯＮＥＴ作为骨干技术用于连接各个千兆比接纳点。利用ＡＴＭ构造宽带Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的骨干网，不仅可解决Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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Ｉｎｔｅｒｎｅｔ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（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。

    ＡＴＭ技术与ＩＰ技术的结合存在许多困难，其中关键问题是地址解析和ＱｏＳ。ＡＴＭ与ＩＰ的差别是有目共睹的，ＡＴＭ是面向连接，有自己的信令、选路规程和地址结构；ＩＰ是面向无连接的，也有其特有的寻址方式和选路功能。ＡＴＭ与ＩＰ技术的结合实际上就是如何在ＡＴＭ上承载ＩＰ分组的问题。目前ＡＴＭ与ＩＰ结合的技术根据在ＡＴＭ网络上发送ＩＰ分组的不同方式可分为两类：重叠模型和集成模型。重叠模型中，ＩＰ协议在ＡＴＭ上运行，需要定义两套地址结构及路由协议，ＡＴＭ端系统除需分配ＩＰ地址外，还需分配ＡＴＭ地址，同时也需要两套维护和管理功能。属于重叠模型的技术主要包括ＩＥＴＦ定义的ＡＴＭ上的传统ＩＰ（ＣＩＰＯＡ）及ＡＴＭ Ｆｏｒｕｍ定义的局域网仿真（ＬＡＮＥ）和ＡＴＭ上的多协议（ＭＰＯＡ）。重叠模型使用ＡＴＭ的信令标准，可与ＡＴＭ业务兼容，在技术上较为成熟，标准化方面比较完善，ＬＡＮＥ和ＣＩＰＯＡ都有成熟的产品和应用。但是重叠模型基本上是ＩＰ协议在ＡＴＭ环境下的暂时解决方案。由于地址和路由功能的重复，传送ＩＰ分组的效率较低；集成模型中，ＡＴＭ端系统仅需标识ＩＰ地址，在ＡＴＭ网络内采用ＩＰ选路，不再需要ＡＴＭ的地址解析过程，因此集成模型传送ＩＰ分组的效率较高。但是其与标准ＡＴＭ的融合及对ＱｏＳ的支持比较困难。采用集成模型的技术包括ＩＥＴＦ提出的ＩＰ交换和标记交换、ＡＴＭ Ｆｏｒｕｍ提出的集成专用网络—网络接口（ＩＰＮＮＩ）等。近来由ＩＥＴＦ提出的多协议标签交换（ＭＰＬＳ）比较引人关注。ＭＰＬＳ也属于集成模型，它基于标签交换的机制在ＡＴＭ层上直接承载ＩＰ业务，提高了业务性能和网络效率。

３ 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。图１给出了一个帧中继和ＡＴＭ永久虚电路（ＰＶＣ）业务互通的ＡＴＭ－ＦＲ实现方案的参考模型。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／ＳＡＲ）。ＦＲ－ＳＳＣＳ的协议数据单元（ＰＤＵ）与Ｑ．９２２的帧结构兼容。

    帧中继连接复用到ＡＴＭ连接存在两种方式：（１）复用方式，即多个ＦＲ逻辑连接复用到一个ＡＴＭ逻辑连接中。ＦＲ－ＳＳＣＳ用数据链路连接标识（ＤＬＣＩ）提供复用。这种方式适用于在ＦＲ网络节点间基于ＡＴＭ的支持网上传输ＦＲ业务流，但需在流量管理和ＰＶＣ链路管理上做进一步的工作。（２）非复用方式，即每一个ＦＲ逻辑连接对应于一个ＡＴＭ通路。ＦＲ－ＳＳＣＳ链路由ＡＴＭ信头的ＶＰＩ／ＶＣＩ确认。此方式可用于ＦＲ和信元中继端点的互通，或者ＦＲ接口直接与ＡＴＭ骨干网交换机互通。

    非复用方式的ＦＲ—ＡＴＭ方向上，Ｑ．９２２中ＤＬＣＩ直接对应于ＦＲ－ＳＳＣＳ的ＤＬＣＩ段。帧可丢失指示（ＤＥ）、命令／响应指示（Ｃ／Ｒ）及前向显示拥塞比特（ＦＥＣＮ）等同地从Ｑ．９２２头中映射到ＦＲ－ＳＳＣＳ头中。ＤＥ比特的状态由ＦＲ－ＳＳＣＳ传到ＡＡＬ－ＣＰＣＳ层，对信元中信元丢失优先级（ＣＬＰ）进行设置。在协议中还规定了当ＡＴＭ网中发生拥塞时如何设置ＦＲ－ＳＳＣＳ的后向显示拥塞比特（ＢＥＣＮ）。在ＡＴＭ—ＦＲ方向，Ｑ．９２２头中ＤＬＣＩ根据ＰＶＣ的ＶＰＩ／ＶＣＩ确定适当的数值。此外，Ｑ．９２２头中的ＦＥＣＮ比特根据ＦＲ－ＳＳＣＳ ＦＥＣＮ比特或ＡＡＬ５－ＣＰＣＳ ＰＤＵ指示拥塞被设置。ＦＲ－ＳＳＣＳ的ＢＥＣＮ、Ｃ／Ｒ和ＤＥ比特直接映射到Ｑ．９２２头中。ＩＷＵ和ＡＴＭ支撑网必需支持在ＦＲ业务中所采取的流量管理和拥塞控制过程。帧中继ＰＶＣ业务的流量管理基于用户提交的信息速率和突发尺寸。端到端连接（ＦＲ—ＡＴＭ—ＦＲ）的本地管理状态信息必须被保存，并应用中间本地管理接口协议，通过ＦＲ－ＵＮＩ接口进行传送。

４ 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（ＰＳＴＮ／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。特别是发达国家的电话网已基本饱和，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，而电话业务仍然在快速增长。考虑到技术更新换代的速度越来越快，应该在电话网中尽量采用新技术，因此国内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。Ｎ－ＩＳＤＮ／ＰＳＴＮ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）来实现电话网与ＡＴＭ网沟通，用宽带ＡＴＭ网来提供大容量的话音通道。

    要实现ＰＳＴＮ／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１２５μｓ，依照特定控制策略，可同时保持较高的信元适配效率，它更适合于汇接电话网干线业务量，利用ＡＴＭ骨干网对电话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时延（低于１ｍｓ），但ＡＡＬ２协议中公共部分子层（ＣＰＳ）分组有３字节包头，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。在国内，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。

    ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ与ＡＴＭ网互通时的呼叫控制是ＮＢ－ＩＷＵ系统的另一项关键技术，主要解决两类网络信令互通的问题，即在控制平面上完成窄带与宽带信令间的相互转换和消息映射。信令的互通可以在Ｂ－ＩＳＤＮ或Ｂ－ＵＮＩ处实现。从目前情况来看，采用ＵＮＩ的ＡＴＭ交换设备居多，因而基于Ｂ－ＵＮＩ实现窄带与宽带信令的互通是非常重要的。在信令互通中为解决ＴＵＰ／ＩＳＵＰ与Ｑ．２９３１直接映射时存在的问题，还需要采取一定的互通策略在宽带网中传递必要的窄带信令，即在ＩＷＵ之间建立一信令虚通路（ＰＶＣ）。该ＰＶＣ通过管理功能实体来创建（也可通过Ｑ．２９３１动态建立交换虚道路），信息通过信令ＡＴＭ适配层（ＳＡＡＬ）传送。

    进行ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ与Ｂ－ＩＳ-ＤＮ互通的研究具有很大困难，相关的国际标准很不成熟，缺少现成的技术参考。目前，国内研究机构已就有关组合信元适配的信令方式向国际电联提交建议文稿。但是窄带与宽带网的互通在推广应用的过程中遇到标准化和电信管理体制的问题。由于ＩＷＵ处在ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ和ＡＴＭ网之间，需要有新的标准和管理体制来支持这样的设备运行，其实用化还需要经过一番努力。

５ 综合接入与交换系统

    随着各种电信业务的不断增长，人们希望用一种能够接入和交换各种电信业务的综合接入与交换系统来替代目前种类繁多的接入和交换设备。国内的研究机构和厂商已经开始着手对这种综合接入与交换系统进行实用化的研究。这种多功能综合接入与交换系统提供现有的各种业务接口，支持多种业务用户的接入，包括ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ接口（Ｚ接口、ＢＲＩ／ＰＲＩ、Ｅ１／Ｅ３、Ｖ５．ｘ）、数据接入（１０Ｍｂｉｔ／ｓ／１００Ｍｂｉｔ／ｓ以太网、千兆比以太网、ｘＤＳＬ、ＤＤＮ、ＦＲ、ＡＴＭ等）。系统能用标准的ＬＡＮ或ＷＡＮ接口及其协议连接ＩＰ网，支持ＦＲ／ＡＴＭ网的连接。该系统还能支持至各种业务网的数据流分流功能，作为ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ、ＡＴＭ与ＩＰ网之间的大容量网关设备，可在接入侧实现Ｂ－ＩＳＤＮ（ＡＴＭ）用户、ＩＰ网用户及电话网用户之间业务上的互连互通，保证各种业务的ＱｏＳ；提供统一的网管和维护功能；支持多种业务网在ＡＮ侧的管理业务要求。

    综合接入与交换系统是一个多种业务综合交换的平台，必须具有强大的业务交换能力和ＱｏＳ保证机制，此外还需要维护、网管、计费等功能。系统的实现可以以ＡＴＭ为核心，也可以采用高速ＩＰ路由器。由于ＡＴＭ为一综合的网络平台，可提供周密的业务控制机制保证ＱｏＳ，具有较为完善的管理、维护和计费功能，因此以ＡＴＭ为核心可能是综合接入与交换系统的最优选择。

６ 结束语

    ＡＴＭ技术支持可变速率和灵活的服务级别使它成为承载多种业务的理想网络技术。从网络发展来看，向以ＡＴＭ为基础的Ｂ－ＩＳＤＮ网络的过渡是一种必然趋势，但在一个较长的时期内，ＡＴＭ需要与各种现行通信网并存。研究如何使用ＡＴＭ技术支持各种电信业务，将可加速在通信网中引入ＡＴＭ的进程，推动其向宽带网的过渡。但可以相信，以ＡＴＭ为基础的Ｂ－ＩＳＤＮ的研究和建设仍将是下世纪通信骨干交换网络发展的主流。

（收稿日期：１９９９－０５－０５）

[摘要] 文章讨论了ＡＴＭ技术的发展和存在的问题，并介绍了ＡＴＭ技术在数字通信、帧中继及ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ等业务中的应用。

[关键词] 异步转移模式 宽带综合业务数字网 网间协议 帧中继 公众交换电话网／窄带综合业务数字网

[Abstract] Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ＡＴＭ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ，ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ＡＴＭ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｒ-ｖｉｃｅｓ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｆｒａｍｅ ｒｅｌａｙ ａｎｄ ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．

[Keywords] ＡＴＭ Ｂ－ＩＳＤＮ ＩＰ ＦＲ ＰＳＴＮ／Ｎ－ＩＳＤＮ