ATM面临的挑战和其发展方向

摘要：作为一项从80年代就提出来的技术，ATM经历了从被人们狂热吹捧到打入冷宫最后理性认识的三个阶段，现在已经发展的相当成熟。ATM凭借其低时延，低抖动，超高的带宽和吞吐量，以及可以提供QoS保证和通信流量工程管理等特性，几乎成为构建所有网络的不二人选。但是近期随着吉比特以太网出现和IP技术的冲击，ATM面临着前所未有的挑战，ATM的路在何方，ATM将如何发展?本文将详细论述。

关键词：ATM，QoS，吉比特以太网，IP，比较，发展方向

引言

众所周知，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,公用电话网不能用来传送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;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、Videoondemand、网络电话,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。

2.ATM的基本概念和参考模型

2.1 ATM的基本概念

ATM是异步转移模式的英文缩写。ITU对ATM的定义是：ATM是一种转移模式。在这种转移模式中，信息被组织成"信元"，来自某用户信息的各个信元不需要周期性地出现。从这个意义上来说，这种转移模式是异步的。这里，"转移模式"是指网络中所采用的复用、交换、传输技术，即信息从一地"转移"到另一地所用的传递方式。"异步"是指ATM统计复用的性质。所以，ATM就是一种在网络中以信元为单位进行统计复用和交换、传输的技术。

信元实际上就是具有固定长度的分组，信元长度为53个字节，其中5个字节是信头，48个字节是信息段，或称净荷。信头包含表示信元去向的逻辑地址、优先等级等控制信息。信息段装载来自不同用户、不同业务的信息。任何业务的信息都经过切割封装成统一格式信元。

ATM采用异步时分复方式(即统计复用)，将来自不同信息源的信元汇集到一起，在缓冲器内排队，队列中的信元根据到达的先后按优先等级逐个输出到传输线路上，形成首尾相接的信元流。具有同样标志的信元在传输线上并不对应着某个固定的时隙，也不是按周期出现的。异步时分复用使ATM具有很大的灵活性，任何业务都按实际信息量来占用资源，使网络资源得到最大限度的利用。此外，不论业务源的性质有多么不同(如速率高低、突发性大小、质量和实时性要求如何)，网络都按同样的模式来处理，真正做到完全的业务综合。

为了提高处理速度、保证质量、降低时延和信元丢失率，ATM以面向连接的方式工作。通信开始时先建立虚电路，并将虚电路标志写入信头(即前面说的地址信息)，网络根据虚电路标志将信元送往目的地。虚电路是可以拆除释放的。在ATM网络的节点上完成的只是虚电路的交换。为了简化网络的控制，ATM将差错控制和流量控制交给终端去做，不需逐段链路的差错控制和流量控制。因此，ATM兼顾了分组交换方式统计复用、灵活高效和电路交换方式传输时延小、实时性好的优点。

为了保证服务质量、更好地支持各种业务，ATM在流量管理、拥塞控制、业务分类与结构、支持话音业务、交换式虚电路、反复用技术等方面开展了大量研究工作和取得了许多成果。

2.2 ATM的协议参考模型

在ITU-T的I.321建议中定义了ATM协议参考模型(如图1所示)。它包括三个面：用户面、控制面和管理面，而在每个面中又是分层的，分为物理层、ATM层、AAL层和高层。

协议参考模型中的三个面分别完成不同的功能。用户平面：采用分层结构，提供用户信息流的传送，同时也具有一定的控制功能，如流量控制、差错控制等;控制平面：采用分层结构，完成呼叫控制和连接控制功能，利用信令进行呼叫和连接的建立、监视和释放; 　　管理平面：包括层管理和面管理。其中层管理采用分层结构，完成与各协议层实体的资源和参数相关的管理功能，如元信令。同时层管理还处理与各层相关的OAM信息流;面管理不分层，它完成与整个系统相关的管理功能，并对所有平面起协调作用。(如图2所示)。

ATM协议机构基于国际电联的标准产生。(如下图所示)ATM协议结构分为三层，即ATM适配层(ALL)、ATM层和物理层。ATM层主要执行交换、路由选择和多路复用功能。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。现在已定义各种ATM适配层协议支持不同类型的业务(比如说比较常用的A、B、C、D四级业务和X、Y级业务)。物理层则在相邻ATM层间传递ATM信元。

ATM的发展现状和面临的挑战

如果在几年前，问起未来网络的走向时，相信会有很多人将关注的目光投向了ATM。的确，ATM曾经以高带宽、提供良好的质量服务(QoS)、传送语音、数据、视频多媒体信息等优点，在网络技术中独树一帜，令不少人憧憬ATM将是未来网络大同世界中的唯一选择。如今时过境迁，ATM不但没有代替以太网占据主导地位，反而面临越来越大的来自IPoverSDH和IPoverFiber的压力。

作为一项从80年代就已经提出并发展的技术，ATM目前非常成熟，并且在现在乃至将来相当长一段时间内都具有如下无以伦比的优势：ATM技术可以提供一套完善的网络协议和信令体系来保证网络的可靠性;ATM技术能够为不同的业务定制不同的业务质量，并能够为了实现这种服务质量(QoS)保证提供完善的业务整形、业务调度、排队、管制等流量管理手段;ATM技术不仅定义了有关网元管理方面的协议，还定义了作为网络该如何管理，提供了充分的网络管理能力;ATM技术提供了一套相应的路由和信令机制来保证网络的不断扩展和延伸;ATM技术采用定长信元的方法，具有高速的端口速率和大的交换容量;ATM技术具有组建VPN的能力。

不可否认，ATM确实是解决目前网络存在问题的理想手段，事实上，ATM技术在提出之初，为的就是实现解决一切传统网络存在的问题。但是，ATM技术从一开始定位实现的目标就太理想化了，从而导致ATM实现非常复杂性。相应地，由于ATM技术过于完善，其协议体系的复杂性造成了ATM系统研制、配置、管理、故障定位的难度，所以ATM网络设备也非常昂贵，价格一直居高不下。同时，现有的网络虽然有这样那样的问题，我们也没有必要全部将它们推翻，ATM诞生后始终没有机会建立一个纯ATM网来表现其卓越的性能。

网络的发展和实践表明，"包治百病"的理想解决方案最终只能是一厢情愿。例如，国际标准化组织(ISO)的OSI七层模型非常完善，但现在却是TCP/IP体系大行其道，OSI始终没有得到广大厂家的应用和推广。是最好的，并不一定最流行，ATM技术的应用同样也是如此。

而现在对ATM冲击最大的则是局域网中的吉比以太网和广域网中的IP技术。

如果说快速以太网和交换式以太网在与ATM在局域网领域中的较量还分不出胜负的话，那么在千兆以太网标准IEEE802.3Z通过后，胜负的天平似乎已经偏离ATM。千兆以太网采用以太网和快速以太网的标准，保留以太网的帧格式、流量控制及链路层管理，因此千兆以太网与10 BASE T及100 BASE T是完全兼容的，可以向下兼容。在以太网和快速以太网上已经应用很久并非常成熟的IP子网的结构和地址都可以用在千兆交换设备上而无需任何改变。另外，网络管理员由于非常熟悉以太网，可以很轻易地管理千兆以太网，在他们眼里，所不同的仅仅是比快速以太网快十倍、比以太网快百倍而已。

千兆以太网能和用户目前广泛使用的网络很容易地融合在一起，并在速度上有很大的提高，千兆以太网异常宽的带宽帮助改善了QoS，规范化迟滞时间把视频抖动和音频迟滞降到最低。与ATM技术相比，千兆以太网具有更多的经济性、向上兼容性和与其它技术的协调性，具有广泛的应用前景和极大的应用市场。

在千兆以太网技术之前，业界似乎比较倾向于在网络的主干采用ATM骨干交换机，以提供高带宽的保证，而采用以太网交换机、10/100M以太网集线器来直接连接桌面，以后网络的升级和提速时再将ATM延伸到桌面;纯粹的ATM网只在对QoS要求非常高或者需要提供数据、语音、视频等综合传输的场所，这是唯一的ATM到桌面的应用，也是代价非常昂贵的应用。现在，千兆以太网虽然在QoS、语音/视频传输等方面还暂时赶不不上ATM，但由于它最能保护现有投资(世界上有80%的网络节点是以太网是个雄辨的数字)，所以在网络主干的纷争中大有后来居上之势，尤其是在除纯ATM网外其它场合更是有明显的优势。虽然现在奢谈千兆位到桌面还为时尚早，但在这种情况下，ATM到桌面自然渐渐变成一个遥远的美梦。

Internet在全球范围的兴起和普及的同时，也带来IP的一片生机勃勃。基于IP业务空前热闹，发展也极具潜力。以IP电话为例，在2000年，网络的通话量超过了普通电话， 而到了2003年，网络电话业务占国际长途电话市场的36%。正是因为IP业务具有如此美好前景，传统的电信厂商开始纷纷涉足数据通信领域，并采取一系列重大的购并行动，以期在未来IP战略中占有先机。借助IP业务的热潮，业界普遍认为未来网络将是数据、语音、视频综合传输的"统一网络"，而它们传输的平台就是IP。一句话，EverythingoverIP正成为一种趋势。

IP在行动，IP的发展如火如荼，那么ATM呢?ATM经过十几年的发展，已经逐步在现代通信网中被采用，ATM的概念也深入人心。虽然在局域网中，ATM遭遇千兆以太网而进展缓慢;但在广域网中，ATM以其显著的优点成为宽带数据骨干网的主流。虽然如此，面对IP的空前发展和基于IP应用的激增，ATM技术在数据骨干网中也因此面临着新的挑战。(如IPoverSDH/Sonet、IPoverFiber等正以崭新的模型出现在数据骨干网中)。

下面将详细论述比较ATM与吉比以太网和IP技术的优势和不足。

ATM、吉比以太网和IP网络技术分析

按照广泛的看法，吉比以太网和ATM相比具有两个优势：升级的简易性和价格低廉。同相应的ATM设备比较，千兆以太网在LAN交换机的上连接口和数据服务器的网卡是低价格的。在杂志或者各种顾问报告中可以找到提示价格并且象前面所说的那样通常会比ATM优惠50%左右。这主要是因为两个原因：a.千兆以太网标准使用了低价的光纤(这将限制千兆以太网网络的设备距离);b.易于实现，千兆以太网采用与以太网同样的帧格式，无需转换。

同样的，千兆以太网的问题也不少。首先就是它的升级并不简易。同它的名字一样，千兆以太网同标准以太网不是完全相同的。首先对帧的要求不同;还有时间同步(Timing)和电缆类型的考虑也是不同的。这说明装备这样的网络需要培训，并且需要新工具来管理网络。尽管千兆以太网比ATM只要较少的培训，但能否将你所现有的网络升级到千兆以太网网络实际上还很大程度上依赖现存的LAN交换机、路由以及数据服务器的能力。对几年前所购买的大部分LAN交换机、数据服务器以及路由器而言，你会发现，首先它不能升级具有千兆以太网接口(这些产品已经被新一代来自具有千兆以太网接口的制造商的产品所替代)。其次，或者它能够被"策略性"的升级，但是也只能够得到"连接"却不能具有相应的性能。如果你需要你的网络具有同样的性能，那么你必须购买当前新一代的产品。许多经验丰富的IT技术人员都知道所遇到的许多网络问题都是由于未成熟的新技术引进而造成的。因此问题出现是独立于所使用的技术。以太网是众所周知的技术，但是它也存在很多种形式(粗同轴电缆、细同轴电缆、10BaseT转发器、可管理和不可管理的、交换机等等)。包含ATM在内的各种技术，每一代都有它自己的发现以及难题。千兆以太网也会同其它技术一样经历这个过程。

另外，如前面所提到的，千兆以太网使用低价的光纤媒质，对于单模光纤会限制3公里的传输距离,而多模光纤只有550米。这就表明需要有其它的长距离传输技术(或许是ATM)或者其它昂贵的光纤转发器。因此，虽然价格是一个优势，但是当需要长距离传输时，可能最终解决方案的整体价格并不便宜。

ATM与IP作为两种不同的网络技术，两者在许多方面还存在着一定的差异。

首先是设计思想上的差异。ATM是ITU-T提出的标准，它基于QoS，技术的先进性以及兼容性，这一方面使得ATM功能强大，技术先进，适用于实时性强，多媒体通信等高端业务，另一方面又使得ATM协议庞杂，运行维护困难;而IP是由IETF标准化，其根本思想是先简单、实用、有效，后在实践中完善，它造就了IP的精髓——包容性和开放性，便于补充新协议和扩展新功能，同时它也决定了IP要提供电信级的服务还有一段路要走。

其次，ATM是技术驱动的产物，而IP则是市场驱动的产物，从而决定了ATM现阶段主要应用于技术、资金都十分雄厚的运营商的网络中，而IP则大量用于平民的网络。也正是这种平民化，使得IP技术较ATM获得了更迅猛的发展，IP技术不断完善，业务也不断壮大，IP现已向ATM形成了很大的冲击。IP协议所具有的最大优势在于，它可以运行在任何介质和网络上，可以保证异种网络的互通，即"IPovereverything"。随着IPv6的完善，移动IP技术等的发展，在IP网上传输话音、视频等实时业务，保证服务质量等问题正逐步得到解决和应用。目前正在发展多种算法和协议，将话音、视频业务及传统的数据通信业务转移到IP网上，出现了所谓的"EverythingonIP"的局面。IP业务即将成为通信业务的主流，但传统电信传输网的基础网是SDH、ATM而不是IP。

由上可见，ATM与IP在发展中都遇到了一些问题。于是，人们开始考虑将这两种技术融合起来，以期发挥出两者的最大优势。下面将详细论述ATM和IP的融合。

ATM和IP的融合

Internet最大的价值是connectivity(连接性)，ATM最大的价值是performance(性能)，如果二者结合起来，利用ATM网络为IP用户提供高速直达链路，一方面可以解决Internet网络发展过程中的瓶颈问题，利用ATM的网络管理和QoS功能来保证Internet的服务质量，推动Internet的进一步发展，另一方面可以使ATM运营部门充分利用ATM网络资源，发展ATM上的IP用户，为ATM自身的商用化铺平道路。

IP和ATM结合有许多解决方式，按照IP协议和ATM协议的关系划分主要有两种模型：重叠模型和集成模型(如图3所示)。重叠模型是指IP协议在ATM上运行，所以需要定义两套选路协议，两套维护和管理功能，而且ATM端系统即需分配IP地址，也需要分配ATM地址。此种模型包括的技术有CIPOA，LANE，MPOA等。集成模型指网络模型不再需要ATM地址解析，而是只采用IP的选路，因此ATM端系统仅需标识IP地址。此种模型的主要技术有IP交换，CSR，TAG交换，ARIS和MPLS等。

其中比较典型的几种技术为CIPOA，LANE，MPOA，MPLS。CIPOA技术是利用了RFC1483建议将IP数据包进行封装，然后利用ATM技术中的AAL5适配，形成ATM信元。它充分利用了ATM网络的优点，解决了IP地址与ATM地址的映射问题。不足之处事只支持IP协议，不支持其他协议，并且不支持LAN的广播和组播业务。

MPOA是一种功能强大的网络层解决方案，它将路由器的功能集成到ATM交换机中，实现了在交换机提供路由的新思想，这样，就可以使用MPOA协议在具有MPOA功能的任意两台主机间建立跨跃ATM网络的直接连接，彻底消除了传统路由器"多跳"所带来的网络性能下降，大大提高了网络的吞吐量。

LANE解决了ATM局域网与现有局域网的互联互通问题。简单地说，就是在ATM上模拟传统局域网，通过ATM网将多个传统局域网和终端设备互联，在ATM网上构造新的局域网，这些局域网节点间的通信行为与传统的局域网完全相同。局域网仿真对局域网隐藏了ATM交换结构，局域网终端感觉不到ATM的存在，因此无需修改该终端设备的软硬件，就可以利用ATM网络的各种优点。更重要的是，它使得传统的局域网适配器，NDIS和ODI驱动设备以及所有第二层和第二层以上的协议都可以继续使用。

以上这些技术虽然利用了ATM高速交换的特性，但要么没有充分利用ATM的QoS特性，要么过于复杂和标准不完善。例如，LANE只能应用于较小规模的网络，不能支持像Internet这样的大型网络;IPOA在不同子网间的互联仍需要使用传统的路由器。因而吞吐量和时延问题仍然存在，此外，它只限于处理ATM上的IP业务，只支持较小规模的网络;MPOA经实践证明也只能支持中小型网络。

为了解决上面的问题，以Cisco公司为主的几家公司，提出了MPLS技术。MPLS(多协议标记交换)技术是网络时展最迅速的技术，并且已经成为宽带骨干网中的一个根本性的重要技术。基于ATM网络的MPLS方案和MPLS体系结构如图4所示。该网络结构由标记边缘路由器(LER)和标记交换路由器(LSR)组成。LER的作用是分析IP包头，用于决定相应得传送级别和标记交换路径(LSP)，IP数据包进入LER时，LER对其进行路由表的查找，确定通向目的地的链路，之后为每个路由建立一条LSP，在数据包上加上一个本地标记交换路径识别符。LSR的作用可以看作是ATM交换机与传统路由器的结合，由控制单元和交换单元组成，网内的节点LSR只需沿着标记确定的路径转发数据包即可，无需再查路由表，大大简化了数据转发功能，提高了网络性能。

LSR就是实现了MPLS功能的ATM交换机。LER可以是具有MPLS功能的ATM交换机，也可以是具有MPLS功能的路由器。标记交换的工作过程可概括为三个步骤：1由标记分布协议(LDP)和传统路由协议(OSPF等)一起。在LSR中建立路由表和标记映射表。2LER接收IP包，完成第三层功能，并给IP包加上标记。在MPLS出口的LER上，将分组中的标记去掉后继续进行转发。3LER对分组不再进行任何第三层处理，只是依据分组上的标记通过交换单元对其进行转发。

MPLS具有以下几个显著特点：(1) 与7号信令网络相同，每个交换机都具有第三层智能，可以重新进行选路连接。因此，当主要中继干线出现故障时，MPLS技术可以使业务中断时间最短，而选择另一条路由疏通业务流量，并使网络迅速恢复。(2)MPLS使用标记作为标识，通过路由表寻找下一跳，适用于高速中继，如STM-4，STM-16，STM-64。(3)MPLS使用无类域间路由(CIDR)的机制，不需要32位IP地址，CIDR是一个群地址的概念，可以适应Internet用户数量快速增长的需要。(4)MPLS采用VC融合(VC merge)的机制，同一终点的多个VC可以汇集成为一个VC，从而节省了VCI的资源。(5)ATM交换机与IP相结合，无需复杂的地址解析。

结束语

ATM发展到现在已经是一项非常成熟的技术。在局域网中应用到桌面还存在比较大的困难，但随着技术的日益成熟和设备价格的降低，在一些对服务质量和稳定性有要求的特殊场合得到了越来越多的应用。在广域网中，ATM和IP的融合已成了一种必然的趋势，其中最被看好的就是ATM+MPLS的组合。到目前为止，在向NGN过渡的过程中，ATM+MPLS的组合是最成熟，性能最佳的方案。

参考文献

[1] 刘朝晖. ATM新技术的应用.宁夏电力,2000

[2] 阿力木.艾沙,刘胜全,杨发宝.ATM技术及应用.网络与通信,2004

[3] 申普兵主编.宽带网络技术.人民邮电出版社,2004

[4] Martin de Prycker. Asynchronous Transfer Mode-Solution for Broadband ISDN,2001

转载请注明来自：http://www.uuqikan.com/yinxinglw/1138.html