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ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）技术是以分组传输模式为基础并融合了电路传输模式高速化的优点发展而成的，可以满足各种通信业务的需求。ATM已被ITU-T于1992年6月指定为B-ISDN的传输和交换模式。由于它的灵活性以及对多媒体业务的支持，被认为是实现宽带通信的核心技术。
根据ITU-T定义，ATM是以信元为基本单位进行信息传输、复用和交换的。ATM信元具有53字节的固定长度，其中前5个字节是信元头，其余48个字节是有效载荷。ATM信元头的功能有限，主要用来标识虚连接，另外也完成了一些功能有限的流量控制，拥塞控制，差错控制等功能。
ATM是面向连接的交换，其连接是逻辑连接，即虚连接。ATM网络中，可以在物理链路上创建逻辑连接VP（Virtual Path，虚路径）和VC（Virtual Circuit，虚电路）。如图1所示，一条物理链路上可以创建多条VP，每个VP可以采用复用方式容纳多个VC。不同用户的信元通过不同的VP和VC传递。VP和VC通过虚路径标识符（Virtual Path Identifier，VPI）和虚通道标识符（Virtual Channel Identifier，VCI）来标识。
图 1 VP、VC和物理链路关系
ATM使用一对VPI/VCI的组合来标识一条逻辑连接。当一个连接被释放时，与此相关的VPI/VCI值对也被释放，它被放回资源表，供其它连接使用。
如图2所示，ATM交换机通过查找交换表项改变VPI/VCI值，实现ATM信元的转发。只改变VPI值的ATM交换过程称为VP交换，通过此方式建立的连接称为VPC（Virtual Path Connection，虚路径连接）。只改变VCI值或同时改变VPI/VCI值的ATM交换过程称为VC交换，通过此方式建立的连接称为VCC（Virtual Circuit Connection，虚电路连接）。
图 2 ATM交换示意图
目前，ATM接口只支持手工配置的永久虚电路（Permanent Virtual Circuit，PVC）和永久虚路径（Permanent Virtual Path，PVP），不支持通过信令建立的交换虚电路（Switched Virtual Circuit，SVC）。
ATM基本协议框架分为3个平面，即用户平面、控制平面和管理平面。用户平面和控制平面又各分为4层，即物理层、ATM层、ATM适配层和高层，在各层中还有更精细的子层划分。
l 控制平面主要利用信令协议来完成连接的建立和拆除。
l 管理平面又分为层次管理和平面管理。其中层次管理负责各平面中各层的管理，具有与其它平面相对应的层次结构；平面管理负责系统的管理和各平面之间的通信。
各平面与各层的关系如图3：
图 3 ATM协议模型图
各层的具体功能如下：
l 物理层主要提供ATM信元的传输通道，将ATM层传来的信元加上其传输开销后形成连续的比特流；同时，在接收到物理媒介上传来的连续比特流后，取出有效信元传递给ATM层。
l ATM层在物理层之上，利用物理层提供的服务，与对等层进行以信元为单位的通信。ATM层与物理媒介的类型和物理层的具体实现无关，与具体传送的业务类型也无关。输入ATM层的是48字节的净荷，这48字节的净荷被称为分段和重组协议数据单元（SAR－PDU），而ATM层输出的则是53字节的信元，该信元将传送到物理层进行传输。ATM层负责产生5个字节的信元头，信元头将加到净荷的前面。ATM层的其他功能包括虚路径标识符/虚通道标识符（VPI/VCI）传输、信元多路复用/分用以及一般流量控制。
l ATM适配层（ATM Adaption Layer，AAL）是高层协议与ATM层间的接口，它负责转接ATM层与高层协议之间的信息。目前，已经提出4种类型的AAL：AAL1、AAL2、AAL3/4和AAL5，每一种类型分别支持ATM网络中某些特征业务。大多数ATM设备制造商现在生产的产品普遍采用AAL5来支持数据通信业务。
l ATM高层协议则主要具有WAN互连、语音互连、与现有3层协议互连、封装方式、局域网仿真、ATM的多协议和经典IP等功能。
ATM接口支持如下应用方式：IPoA、IPoEoA、PPPoA、PPPoEoA、EoA。
IPoA（IP over ATM）指的是在ATM上承载IP协议报文：ATM为处在同一网络内的IP主机之间的通信提供数据链路层，同时将IP报文封装在ATM信元中。ATM作为IP业务的承载网提供了优良的网络性能和完善、成熟的QoS保证。
IPoEoA（IP over Ethernet over ATM）有三层结构：最上层封装IP协议；中间为IPoE，即以太网承载IP协议；最下一层为ATM承载IPoE。这就要求在服务器ATM端口承载以太网报文，这就是IPoEoA。
对于IPoEoA，设备实现的基本功能有：
l 在IPoEoA应用中使用三层VE（Virtual Ethernet，虚拟以太网）接口，一个VE接口可以关联多个PVC。
l 在同一个VE接口关联的PVC之间二层互通。
PPPoA（PPP over ATM）指的是在ATM上承载PPP协议报文：ATM信元封装PPP报文，IP或其它协议的报文则封装在PPP报文中。在这种视图下，可以将ATM简单地看成是PPP报文的承载层。PPPoA的意义在于：PPPoA的通讯过程由PPP协议管理，可以利用PPP的灵活性及其丰富的应用。为了在ATM上传送PPP报文，用户必须创建一个虚拟模板（Virtual Template，VT）接口。
PPPoEoA（PPPoE over ATM）指的是在ATM上承载PPPoE（PPP over Ethernet）协议报文，其实质是用ATM信元封装以太网报文，这时候可以用一个PVC来模拟以太网的全部功能。为了实现在ATM上承载以太网报文，接口管理模块提供了一种新的虚拟以太网（Virtual Ethernet，VE）接口。这种接口具有以太网的特性，由用户通过配置命令动态创建。为这种接口配置的协议栈是：底层为ATM的PVC，通过PVC收发报文；链路层为以太网协议；网络层及以上各层协议与普通以太网接口相同。
EoA（Ethernet over ATM）有两层结构：上层封装Ethernet；下一层为ATM承载Ethernet。这就要求在服务器ATM端口承载以太网报文。
对于EoA，设备实现的基本功能有：二层单播、广播和组播。
在EoA应用中使用VE-Bridge（Virtual Ethernet Bridge，二层虚拟以太网）接口，一个VE-Bridge接口只能关联一个PVC。
ATM支持四种服务类型：CBR、UBR、VBR-RT、VBR-NRT。这些服务类型的选择与网络的QoS需求有关。
CBR（Constant Bit Rate）业务用于在连接的生命期中需要静态带宽的连接。这个带宽由PCR（Peak Cell Rate，峰值信元速率）值来确定。在CBR业务中，源端可以持续地以峰值信元速率发送信元。
CBR业务一般用来支持对时延变化要求较高的实时业务（例如：语音、视频）。
VBR-RT（Variable Bit Rate- Real Time）业务也是一种实时的应用，对时延和抖动有严格的限制，VBR-RT的主要应用有语音和视频业务。
VBR-RT连接的指标主要靠峰值信元速率（PCR）、可持续信元速率（SCR）、最大突发长度（MBS）来描述。源端可以在平均信元速率为SCR的情况下，以PCR的速率发送最大长度为MBS的突发流量而不丢包。
VBR-NRT（Variable Bit Rate - Non Real Time）业务支持突发性的非实时的应用，该特性是通过PCR、SCR以及MBS来描述的。对那些满足流量合同的信元，VBR-NRT业务可以保证很低的信元丢失率但是不保证时延。
UBR（Unspecified Bit Rate）用于对时延和带宽都要求不高的应用，也就是那些对时延和时延变化要求都不太严格的应用。UBR业务不保证服务质量，连接的信元丢失率和信元传输时延均没有数值保证，如果发生拥塞，UBR信元最先被丢弃。
在ATM PVC环境中，可以使用逆向地址解析协议（InARP）来解析与本PVC相连的对端接口的IP地址，这样不需要为PVC静态配置对端的IP地址。InARP交换过程如图4所示。
图 4 InARP工作过程示意图
OAM的名词存在两种不同解释，主要是针对不同的协议而言。
l OAM：Operation And Maintenance（ITU-T I.610 02/99）
l OAM：Operation Administration and Maintenance（LUCENT APC User Manual，03/99）
OAM提供了一种不中断业务的故障检测、故障定位和性能检测功能。在用户信元流中间插入一些有着标准的信元结构的OAM信元，可以提供网络的一些特定信息。
OAM F5 LoopBack检测：一端发送OAM信元给对端，如果对端收到后，则把这个OAM信元返回给发送方。如果发送方判断接收到自己的OAM信元，并在预先设置的时间（此时间就是发送OAM信元的间隔时间frequency）内收到，则说明链路是通畅的；如果发送方没有在预先设置的时间内接收到自己的OAM信元，则说明链路可能出现故障，此时发送方会连续发送设置次数的OAM信元进行重传检测（发送OAM信元的间隔时间变为retry-frequency），如果在重传检测时间内仍然没有收到自己的OAM信元，则说明链路出现故障。
OAM F5 LoopBack检测有手动（OAMPing）和自动（OAM Frequency）两种方式：前者手动指定发送一定量的OAM信元，常用于故障诊断；后者指定以一定的时间间隔发生OAM信元，用于链路自动检测。
OAM CC（Continuity Check）检测：启动OAM连续性检测功能（即持续检查某个连接处于空闲状态还是故障状态），实现方式为一端发送OAM信元，对端进行检测。
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