\pnb0 第一部分 项目介绍
\pnb0
\pnb0 ATM研究部主要从事宽带网络和宽带交换技术的研究开发，正在开发的
产品有ATM接入交换机（）、ATM业务接入器和ATM LAN-SWITCH。
这些产品的开发成果，将为公司在数据通信领域的研究填补空白，向数据通
信领域迈出坚实的一步。在公用数据网及局域网的应用中，这些产品将大有
可为。
\pnb0 INTERNET迅速崛起，带宽的需求越来越大，骨干网络的压力也越来越
大，ATM交换机的利用可以解决带宽的问题，同时为VOD等宽带多媒体业
务筑起平台。
宽带网络的建设正在从无到有，从小到大，一步一步地发展，中国宽带网的
规范正在制订，邮电部已经指出了发展宽带网的路标。据称，2000年以前中
国宽带网会初具规模。
\pnb0 ATM研究部跟踪国际国内动态，研究市场需求，制订了技术先进、堪
称一流的总体方案，完成这个方案，是一项极具挑战性的任务。
第二部分 ATM基本概念、原理和技术
一、ATM技术的特点
异步转移模式（Asynchronous Transfer Mode, ATM）技术是一种全新的电信
技术，是融合电路模式和分组模式的优点发展而成的。所谓“转移模式”，CCITT
是这样定义的，转移模式就是在电信网路中传输、复用和交换的诸方面。而这里
指的“异步”与通常所说的数据通信中的异步传输（如RS－232C）不同，它并非
是传输码流的异步，而是指被分组的用户信息––– 信元不必像TDM中的时隙那
样周期性地出现而占据固定信道，也就是说信元是动态占用信道的。
ATM信元是ATM网络传送信息的基本载体，CCITT规定其长度为53字节，
分成信头（Header）和净荷（Payload）两部分，信头为5字节，净荷为48字节。
依据其位置不同，在用户－网络接口（User Network Interface，UNI）、网络节
点接口（Network Node Interface,NNI），信元格式略有区别，如图。两者不同
之处主要在信头中，UNI信元信头中有4比特的一般流量控制段（General Flow
Control，GFC）用于用户一网络接口的流量控制，以防止信道过载。UNI信头的
虚通道标识（Virtual Path Identifier, VPI）为8比特，虚通路
8 7 6 5 4 3 2 1 1 8 7 6 5 4 3 2 1
信头（Header） 5 GFC/VPI VPI 1
（5字节） 6 VPI VCI 2
信元净荷（Payload） VCI 3
(48字节) VCI PT CLP 4
53 HEC 5
ATM信元格式 UNI/NNI信元信头格式
GFC：一般流量控制，4比特 PT：净荷类型，3比特
VPI：虚通道标识，8比特/12比特 CLP：信元丢失优先级，1比特
VCI：虚通路标识，16比特 HEC：信头误码控制，8比特
图 ATM信元格式
标识（Virtual channel Identifier, VCI）为16比特，净荷类型（Payload Type, PT）
为3比特，信元丢失优先级（Cell Loss Priority, CLP）为1比特，信头误码控制（Header
Error Control, HEC）为8比特，而NNI信头的VPI为12比特，其余与UNI信头相同。
ATM本质上是一种寻址型特殊分组转移模式，它将数字化话音、数据及图
像等所有的数字信息分割成固定长度的数据块，在每个数据块前加上一个包含地
址等控制信息的头（Header），从而构成一个信元（Cell），图（a）是将
(a) 异步转移模式（ATM）
(b) 时分复用方式（TDM）
用户信息
其它用户信元信元 装入用户信息的信元
用户信息
时隙 125微秒帧125微秒帧125微秒帧
图 TDM与ATM的比较
待发送的信息分解成信元并进行多路复用的过程。电路模式中的传统时分多路复
用（TDM）技术，采用周期为125①s的帧结构，发送信息以字节或比特形式固定
加入到每帧内的相应时隙，在连接建立后，不论有无发送信息，时隙必定属于该
连接，而不能被其它连接占用。图(b)中所示发送信道加入每帧内的第3时隙，
这种依据帧内的时隙位置识别通路的复用方式称为位置复用。而ATM复用方式
与分组复用方式有些类似，只要信道上存在的空位置就可将发送信息组成的信元
加入信道，显然，信元的复用无周期性和固定位置。由于它依靠信头内的通路标
记进行信元的识别、传送和交换，因此称作标记复用或统计复用。虽然或以
太网、令牌环等分组交换中也采用标记复用，但由于分组长度在上限范围内可变，
因此每个分组在信道上的位置是任意的，而ATM信元的长度固定，使信元像TDM
时隙一样定时出现。因此，可以采用硬件电路高速地对信头进行识别、复分接和
交换处理，由此可见，ATM复用技术融合了电路模式和分组模式的优点。
信元形式的ATM网络和分组形式的传统数据网络的本质区别之一就是ATM
网络采用面向连接的呼叫接续方式。传统数据网络如以太网、令牌环和FDD采用
无连接操作方式，这些网络假设目的端点可用并可接收信息，每个端点必须检查
每一分组的路由标记以此确定是否接收该分组。ATM网络的操作类似于电话呼
叫接续过程，在通信前必须在源和目的端之间建立连接，这个连接是一个“虚连
接”，网络根据用户的要求（如峰值比特率、平均比特率、信元丢失率、信元时
延和信元时延变化等指标），分配VPI/VCI和相应的带宽，并在交换机中设置相
应的路由。所谓“虚连接”是指网络依据VPI/VCI对信元进行处理，当该用户没有
信元发送时，其它用户可占用这个用户的带宽，但其相应的VP/VC连接依然保持。
ATM技术中最重要的特点是信元的复用、交换和传输过程，均在虚通路
（Virtual Channel, VC）上进行。虚通路是ATM网络链路端点之间的一种逻辑联
系，是在两个或多点端点之间传送ATM信元的通信通路，可用于用户到用户、
用户到网络、网络到网络的信息转移，虚通道（Virtual Path, VP）是在给定参考
点上具有同一虚通道标识符的一组虚通路。虚通路在传输过程中，将组合在一起
构成虚通道，二者关系如图。ATM网络中不同用户的信元是在不同的VP、VC
中传送，而不同的VP/VC利用各自的VP标识（VPI）和VC标识（VCI）来区分。
图 物理传媒和VP、VC的关系
ATM的连接分为虚通道连接和虚通路连接，如图。VP的交换设备（通常
是交叉连接器和集中/分配器）仅对信元的VPI进行处理和变换，功能较为简单，
VC交换设备（ATM交换机、复接/分接器）则要同时对VPI/VCI进行处理和变换，
物理传媒
VC11
VC12
VC13
VC14
VP11
VP12
功能较为复杂。VPI和VCI只有局部意义，每个VPI/VCI在相应的
图 ATM连接的两种类型
VP/VC交换节点被处理，相同的VPI/VCI值在不同的VP/VC链路段并不代表同一
个“虚连接”。图是由两个网络节点（NN1、NN2）和三个用户接入网（CPN1、
CPN2及CPN3）组成的系统，从图中可以看出，CPN之间的连续经过网络节点NN
交换时，VPI/VCI的值也被改变，例如，CPN1和CPN3之间的VP/VC连接在CPN1
时为VP5/VC11，经过NN1变为VP3/VC7，再经过NN2变为VP1/VC9，显然，同
一连接在不同链路的VPI/VCI是不同的。
图 ATM网络的选路概念
前面提到，ATM网络在通信时必须进行呼叫连接，那么如何建立和释放虚
通路（VC）呢？ATM网络有两个标准接口：UNI和NNI。在UNI处采用两种方法：
①信令方式，这种方式利用UNI信令（如ITU－T的）自动完成VC连
接的建立、释放以及VCI的分配，具体过程包括（a）利用元信令
（Meta-Sig-nalling）建立/释放一个用户用户信令的VC，而元信令的VPI/VCI和
带宽都是预先给定的；(b) 利用用户信令建立/释放一个用于用户通信的VC。
VC
VP VP VP VP
VC VC
虚通路连接
(VCC)
虚通道连接
(VPC)
用户终端交换节点用户终端
虚通路连接
(VCC)
虚通道连接
(VPC)
VP/VC交换VP交换
①预订方式，这种方式通过网络管理设备设定所需的通信VC（分配VPI/VCI
和带宽）。
在NNI处建立/释放VC也是这两种方法，但其信令方式采用NNI信令（
信令）。
根据VC的建立/释放方法，可将其分成两种：交换虚通路（Switched Virtual
Channel, SVC）和永久虚通路（Permanent Virtual Channel, PVC）。SVC是用户
需要通信时，通过终端设备由信令建立的虚通路，SVC类似于电话网的用户线路，
只有经过呼叫请求，网络为通信双方建立起相应虚通路后，才能进行通信，通信
完成后，由信令释放SVC。使用SVC的用户对网络资源的利用率高，通信费用较
低，是ATM网络中使用的主要通信方式。PVC是通过网管预先建立的，不论是
否有业务通过或终端设备接入，PVC一直保持，直到由网管释放。因此，PVC类
似于电话网中的租用线路，经过PVC连接的用户需要通信时，不会因通信网络资
源不够而导致通信失败。PVC通常用于一些特殊的用户，如元信令VC必为PVC，
某些要求租求固定信道带宽的用户可也设定为PVC。使用PVC的用户每次通信时
无需呼呼叫请求，操作简便，通信质量好，但其通信费用很高，且不能充分发挥
ATM网络的优势，因此，应用范围较小。
ATM中用户间有两种连接方式：点对点和点对多点。当两个用户进行通信
时，ATM网络采用点对点（Point to Point）的连接方式。多个用户之间需要通信
时，采用点对多点（Point to Multipoint）连接方式，如图。
点对点
点对多点
图 点对点方式与点对多点方式比较
为了实现点对多点方式，ATM交换机应具有广播（Broadcast）和同播
（Multicast）功能。广播是指一个用户对网络中所有用户进行信息传送的通信功
能，这种方式通常是单向的，适用于电视、广播节目的传送；同播是指一个用户
对网络中部分用户有选择地进行信元传递的通信功能，这种方式适用于多方交互
业务，如多方电视会议等。
二、ATM分层结构
1、B－ISDN参考模型
(1) B-ISDN用户－网络接口（UNI）物理配置模型
①
① ATM交换
ATM交换
ATM交换
ATM交换
①
①
①
①
①
①
B－ISDN UNI的物理配置与N－ISDN的极其相似，如图。B－ISDN分成
公用网和专用网两部分，ATM网络的端点通过一个接口边到公用ATM交换机上，
这个接口称作用户－网络接口（UNI），ATM论坛又把UNI分为公用UNI和专用UNI
两种，UB、TB是公用UNI的参考点，而SB、R是专用UNI的参考点。
图 B－ISDN用户－网络接口物理配置模型
UB是公用网和带宽用户终端B－NT1之间的接口，目前，ITU－T对此接口的
速率传媒等特性尚无具体规定，在各厂商（如AT&T、富士通等）的设备中，通
常采用SDH的155Mbit/s STM－1和622Mbits/s STM－4作为物理传输系统接口标
准。
TB接口和UB一样，也是公用UNI，ITU－T将它定义为B－NT1和B－NT2之
间的接口标准，目前规定了五种标准接口速率： Mbit/s、 Mbit/s、
Mbit/s、155 Mbit/s和622 Mbit/s，可采用SDH、PDH传输系统或纯信元形式的传
输系统。
SB接口属于专用网UNI，是B－NT2和B－NT1或宽带适配器之间的接口，经
常用于局域网及单位内部网的UNI。例如，为方便局域网的连接，ATM论坛规定
了多种基于现有局域网物理传输系统的接口标准，如25 Mbit/s、51Mbit/s、
100Mbit/s以及155Mbit/s接口，传输线路可以是非屏蔽双绞线（UTP）、屏蔽双
绞线（STP）、同轴电缆或光纤。
R接口，属于专用UNI，与前三种接口不同之处在于：UB、TB和SB接口的用
户信息是信元形式，而R接口都是非信元形式的终端业务。R接口标准根据接入
的终端种类确定，例如，当接入E1业务时，R接口遵循建议，接入Ethernet
时，遵循IEEE 建议。
公用UNI与专用UNI的区别如下：
①公用UNI是指公用ATM网络与用户终端设备的接口，另外，专用网交换机
和公用网间的接口也是公用UNI接口，专用UNI则是指专用ATM网络与用户终端
设备的接口。
专用ATM
交换机
B－NT2
公用ATM
交换模块
B－LT/ET
物理终端
B－NT1
UB TB
物理终端
B－NT1
SB R
ATM端点
B－TE1
B－TE2
ATM端点
B－TE1
B－TE2
专用网公用网
专用UNI
公用UNI
①链路类型不同，在专用UNI中，某些链路只能在很短的距离内工作（例如
100m以内），显然，这种链路不能用于公用UNI中。
①地址格式不同，公用ATM网使用ITU－T的地址方式，而专用ATM网
则可使用或OSI的DCC和ICD地址方式。
①公用UNI由ITU－T规定，而专用UNI由ATM论坛规定。
显然，两种UNI之间的区别主要是使用的原因，但是，UNI公用网一侧要比
专用网一侧遵循更严格的，必须确保专用设备的失效不会引起公用网的失效。
(2) B－ISDN协议参考模型
为了简单明了地描述ATM网络功能，ITU－T定义了B－ISDN协议参考模型
（B－ISDN Protocol Reference Model, B-ISDN PRM），如图。该模型分成三
个不同的面：用户面、管理面和控制面，三个功能层：物理层、ATM层和ATM
适配层。
用户需要的数据、话音和视频等应用及相
关协议和业务，都包括在用户面；控制面包括
与呼叫建立、维护以及撤消有关的功能，ATM
的信令功能；管理负责与系统有关的网络管
理、维护功能、依据功能不同，又细分为层管理和面管理两部分，层管理主要用
于各层内部的管理，面管理用于各个功能层之间管理信息的交互和管理。
2、ATM物理层技术
(1) 物理层的位置和功能
物理层位于B－ISDN协议参考模型的最底层，主要负责将ATM层送来的逻
辑比特或符号转换成相应物理传输媒介可传送的信号，并正确地收/发这些物理
信号。
目前，ITU－T和ATM论坛主要针对UNI的物理层有比较详细的规定，下面
讨论的物理层功能既适用于公用UNI又适用于专用UNI。
物理层划分为物理媒介相关子层（PMD）和传输会聚子层（TC）。
物理层的工作过程如下：经物理媒介接口送来的信号在接收端的PMD子层
通过同步比特恢复成连续比特流，送入TC子层，比特流利用传输帧恢复功能确
定传输帧的结构，然后将传输帧的净荷提取出来（即传输帧适配）。净荷是由信
元组成的，通过信元定界机制保证信元同步，并判定其HEC有无错误，对正确信
元进行速率去耦，丢弃发送时插入的空闲信元，将有效信元作解扰处理后送入
ATM层。
(2) ATM物理层接口类型
ITU－T针对UNI的SB/TB参考点，规定了 Mbit/s两种
接口速率，以SDH帧结构或纯信元形式传送。采用不同物理媒介时传送距离和质
量不尽相同，光纤（单模/多模）媒介的传送距离可达几公里到几十公里，同轴
电缆可在100～200m内提供满意的传输，屏蔽双绞线（STP）最大传输距离达
高层高层
ATM适配层
物理层
图 协议参考模型
ATM层
管理面
层
管
理
面
管
理
100m。当采用622Mbit/s的接口时，通常用光纤传输，可使用对称方式或不对称
方式（不对称方式是指网络至用户方向为622Mbit/s，用户至网络方面为
155Mbit/s）。表中列出了目前已使用的物理传输系统接口标准。
表 ATM UNI接口种类
传输系统 接口 数据速率
(Mbit/s)
信元吞吐量
(Mbit/s)
传输媒介 使用范围 制定单位
成帧
SDH STM-1
(STS-3c)
STM-4
(STS-12c)
单模光纤
（SM）
单模光纤
（SM）
广域网
(WAN)
广域网
（WAN)
ITU-T
ITU-T
结构
PDH
DS-1(T-1)
E-1
DS-3(T-3)
E-3
E-4
同轴电缆
同轴电缆
同轴电缆
同轴电缆
同轴电缆
WAN/LAN
WAN/LAN
WAN
WAN
WAN
ANSI
ETSI
ANSI
ETSI
ETSI
注：SM：单模光纤 STP：屏蔽双绞线
MM：多模光纤 UTP－3：第三类非屏蔽双绞线
由表中可看出，这些传输中分成有帧结构和无帧结构两大类。
具有帧结构的传输系统主要包括PDH和SDH，它们采用时分复用技术
（TDM），过去主要用于传输数字编码话音。PDH/SDH系统主要在电信部门以
及某些用于数据传送的广域网（WAN）中有广泛的应用。在早期ATM应用中，
现有业务和ATM业务可共享这些设备，另外，ATM中某些恒定比特率业务借助
于PDH/SDH的125①s帧定时可获得本身所需的定时信息。显然，早期ATM系统
可建立在PDH传输系统上，而SDH系统会成为最终ATM系统的基本传输系统之
一。
无帧结构传输系统，主要是指目前组成各种LAN或MAN，用于计算机数据
业务传送的系统。与SDH和PDH方式不同，这种接口不是将一组信元装入帧结构
中进行传输，而是从起始信元开始逐个地传输，因此，不含任何与时钟有关的周
期性帧定位信号（例如周期125①s帧定位信号）。
依据使用方式可分成两种：用于LAN和用于WAN。
用于LAN的物理层接口包括：
① Mbit/s接口。
①100 Mbit/s接口，即FDDI物理媒介接口。
① Mbit/s接口，即光纤通道（Fibre Channel）接口。
①51 Mbit/s接口，这种接口也是用于LAN。
①除了以上几种典型的LAN接口外，还有一类接口称为数据交换接口（Data
Exchange Interface, DXI）。这类接口也称为“RVX”接口，主要是指R系列、V系
列和X系列接口，其中最常用的包括(RS-232)、、、RS－422以及高
速串行接口（High Speed Serial Interface, HSSI），在ATM早期应用中会采用这些
传输系统资源，传送信元形式的信息。
采用以上几种接口，简化了TC子层的功能，省去了信元去耦以及传输帧码
产生/恢复等功能，比较适用于专用UNI。
用于WAN的物理层纯信元接口包括：155 Mbit/s和622 Mbit/s两种。ITU－T
正在着手制定其具体规范，目前尚无实用产品问世。这两种接口虽然采用与SDH
相同的线路速率，但由于直接采用信元形式传输，没有帧结构开销，提高了传输
系统的利用率，降低了系统的成本，具有很大的发展前途。
3、ATM层技术
(1) ATM层的位置与功能
①ATM层所处的位置
为了清楚地了解ATM层在网络中的位置，用图来表示出ATM网络的分层
模型。由图中可以看出，ATM层在网络中处于第二层，在物理层之上利用物理
层提供的传输通道；在ATM适配层之下为AAL提供服务。ATM本身并未区分用
户面与控制面，对这个平面的信息的处理方式是一致的。还可看出，不论是用户
设备还是网络节点都具备ATM层功能，但这两处ATM层所处的相对位置有所区
别。用户设备中ATM层的上面同时具有用户面与控制面的AAL，而网络节点的
ATM层上仅有控制面的信令适配SAAL。
CP：控制面 UP：用户面
图 ATM网络分层模型
①ATM层的功能
用户设备与网络节点中ATM层的位置不同，所完成的功能有所区别，下面
分别讨论。
对于用户设备，ATMN层来讲，它所完成的核心功能在于给ATM层适配所
形成的信息帧加上信元头，从而形成能够在ATM网中传送的信元。与此同时，
通过分配与识别信元头中的VPI与VCI值完成信元的复接与分接功能。
网络节点中的ATM层所完成的核心功能在于信元头的变换，通过变换信元
头实质上完成了VP交换与VC交换的功能。
4、ATM适配层技术
高层
SAAL
ATM
PHY
CP
高层高层
AAL AAL
ATM
PHY
CPUP
物理链路 物理链路
网络节点
用户设备
用户设备
高层高层
AAL AAL
ATM
PHY
CPUP
ATM适配层（ATM Adaptation Layer, AAL）位于ATM层和高层之间，它在
ATM网络中的地位十分重要。ATM网络要满足宽带业务的需求，使业务种类与
信息转移方式、通信速率与通信网设备无关，保证网络传输的透明性和灵活恬，
就要通过AAL完成适配功能，将用户业务与ATM层隔离，将不同特性的业务转
化为相同格式的信元，实现真正的ATM功能。由此可见，AAL层是为ATM网络
适应不同类型业务的特殊需要而设定的，不仅支持用户面的高层功能，还支持控
制面（信令）和管理面（OAM）的高层功能，以及ATM网络与非ATM网络（64
kbit/s ISDN、CATV、LAN及电话网等）的互通。
全面分析各类业务的特性，可以发现通过下面三个基本参数：基于源端和终
端的定时关系、比特率、链接模式，就可对用户业务提供分类，不同的用户业务
通过不同的AAL业务接入点（Service Access Point SAP）进入AAL。
ITU－T将AAL业务分成四类，如表所示。A类业务是在源端和终端存在
定时关系、恒定比特率且面向连接的，量典型的例子是经由ATM传送的DS－1/E-1
话音业务，有时将这种通过ATM网络提供的业务称为线路仿真（Circuit Emulation）
业务；此外还有未经压缩的视频信息。B类业务也是在源端和终端具有定时关系
且面向连接但其为可变比行变，例如采用压缩算法的视听业务。C类业务没有定
时关系、比特率可变且面向连接，例如帧中继和TCP/IP业务。D类业务与C类业
务相似但它是无连接的，如高速（多兆位）数据交换业务（Switched Multimegabit
Data Service, SMDS）。
表 AAL业务分类
A类 B类 C类 D类
源与终端的
定时关系
需要 需要 不需要 不需要
比特率 恒定 可变 可变 可变
连接模式 面向连接 面向连接 面向连接 无连接
AAL功能在逻辑上可分成两个子层：分段和重组子层（Segmentation and
Reassembly, SAR）及会聚子层（Convergence Sublayer, CS），如图。
图 AAL分层结构
AAL-SAP
ATM－SAP
CS
SAR
A
A
L
原语
原语
原语
为了适配四类（A、B、C、D）用户业务，ITU－T定义了四类ATM适配功
能
①第一类AAL：用于适配A类业务。AAL1的功能包括用户信息的分段和重
组，丢失和误插信元的处理，信息到达延迟时间的处理，以及在接收端恢复源端
时钟频率。
①第二类AAL：用于适配B类业务，支持源端和终端具有定时关系可变比特
率视听业务，AAL2的功能与AAL1相似。
①第三/四类AAL：用于适配C/D两类业务，支持面向连接和无连接的数据业
务和信令。此类AAL由AAL3/AAL4合并，具有可变长度用户数据的分段和重组
及误码处理等功能。
①第五类AAL：主要用于适配面向连接、可变比特率的C类业务及ATM信令，
类似于简化的AAL3/4。
三、ATM交换技术
1、ATM交换的基本原理
现代通信网中广泛使用的交换方式有两种：电路交换方式和分组交换方式。
电路交换方式包括传统电路交换、多速率电路交换、快速电路交换等，分组交换
方式包括帧交换、帧中继、快速分组交换等，如图。
在综合业务环境下，不同业务对网络的要求不同，例如话音和数据业务对网
络的要求在下述两个方面是不同的。首先，话音业务要求端－端时延必须在允许
的一定范围内（通常<50ms），而数据业务则可以容忍一定的时延，且对时延变
化不如话音那么敏感；其次，话音业务的冗余量大，错几个比特，对话音质量不
会有多大影响，但是数据业务则要求误码率极小。显然，电路交换方式和分组交
换方式都不能满足综合业务环境的使用要求。
图 通信网的交换方式分类
ATM交换技术是一种融合了电路交换方式和分组交换方式和分组交换方式
优点而形成的新型交换技术。首先，简化了分组交换中许多通信规程，去掉了误
码和流量控制，消除了在网络节点间传输的状态信息，采用硬件进行交换处理；
其次，采用类似于电路交换的呼叫连接控制方式，在呼叫建立时，交换机为用户
在发送端和接收端之间建立起虚通路，以上这些做法，提高了交换机的处理能力，
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增加了网路的吞吐量，保证了交换的实时性，减少了信元传输处理时延。另外，
利用固定长度的短分组－－信元（Cell）传输信息，可以适应1kbit/s～几百Mbit/s
的各种业务，利用统计复用技术，动态使用传输和交换资源，带宽分配具有很大
的灵活性，业务种类与复用设备和交换设备的类型无关。
下面详细介绍ATM交换的原理。
图 ATM交换原理
ATM交换节点由输入、输出线路接口单元、交换单元和控制单元三大部分
组成，如图。输入、输出线路接口单元除完成物理层线路功能和ATM层功能
外，主要监视各个输入、输出线路的业务量状态，进行呼叫接续。在每次呼叫时，
根据输入接续路由表内容，通过硬件将信头VPI/VCI值转换成交换单元可识别的
路由标签（信头翻译），经过交换单元后，根据输出标签变换表内容将路由标签
转换成相应输出VPI/VCI。路由表的内容是在呼叫建立时，由控制单元根据信令
或管理信息设定的。交换单元根据路由标签选择交换路径，由硬件自选路由完成
交换过程。控制单元根据信令控制交换并完成一定的运行、维护管理功能。
ATM交换有两方面的功能：一是空间交换，即将信元从一条传输线转移到
另一条传输线上去，又叫路由选择；另一个功能是时间交换，即将信元从一个时
隙改换到另一个时隙。由于ATM的逻辑信道和时隙并没有固定关系，逻辑信道
的身分是靠信头值来标识的，因此时间交换是靠信头翻译来完成的，上例中，由
输入线路1换到输出线路10即是空间交换，而逻辑信道α变成逻辑信道γ则是时间
交换。
2、ATM交换的缓冲排队方式分类及性能
根据缓冲器位置可将缓站排队方式分成五类，
（1）输入缓冲排队方式
（2）输出缓冲方式
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（3）中央缓冲方式
（4）输入/输出缓冲方式
（5）重环回缓冲方式
其中，输出缓冲方式和中央缓冲方式由于吞吐率高，排队机时延小，易于实
现点对多点通信，缓冲器利用率高等优点，成为多种交换机的优选方式。虽然它
们对缓冲器的读/取速率要求较高，但随着VLSI技术的进步及使用并行处理技术，
可解决这一问题。因此，其重点在于解决复杂的缓冲器读/写控制逻辑问题。
缓冲排队方式性能比较表
吞吐率 缓冲器利
用率
时延 控制 规模 存储器读
/写速度
实现点到
多点
输入缓冲 低
（<60％）
较低 时延大抖
动大
仲裁逻辑
较复杂
大 低 困难
输出缓冲 高 共享式较
高专用式
较低
小 简单 共享式小
专用式大
共享式较
高专用式
较低
容易
中央缓冲 高 最高 小 复杂 小 最高 较容易
输入/输
出缓冲
较高 一般 较小 较复杂 较小 较低 容易
重环回缓
冲
较高 较高 大 较复杂 较小 较低 容易
3、ATM交换结构的分类
ATM交换单元的核心是交换结构（Switch Fabric），大型交换机的交换单元
一般由多个交换结构互连而成，小型交换机则可能由单个交换结构组成。根据
具体使用的交换方式，交换结构可分为时分和空分两大类。见图。
图 ATM交换结构分类
4、ATM交换机的组成
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ATM交换机的功能结构，主要包括信元交换单元、控制单元和定时单元三
大部分。
（1）信元交换单元：由线路终端、交换接口和交换单元三部分组成。交换
单元由前面介绍的交换结构组成，完成入线和出线之间的信元交换；交换接口完
成交换单元入口处和出口处的处理功能，如信头（VPI/VCI）转换，路由标签的
产生和删除以及用户业务的流量管理和信元的复接/分接；线路终端主要负责传
发媒介的接口适配，完成光电变换、速率适配等功能。
（2）控制单元：可分为板级和系统级两级控制，主要功能有信令处理、资
源管理、操作维护控制和外设控制等。
（3）定时单元：包括定时恢复和定时分配两部分。主要功能是从信源提取
定时信号，产生定时和同步信号，以及分配定时和同步信号给交换机各个单元。
四、ATM网络的信令技术
信令技术在ATM网络中占有重要的地位。虚电路连接的建立、保持、释放
等各阶段的控制都是由信令来完成的。由于ATM网络要支持各种各样的业务，
因此对信令提出了比以往的通信网更高的要求。ITU_T为ATM信令发展制订了详
细的计划。这一计划分成三个阶段：第一阶段提供支持恒定速率或峰值速率的面
向连接业务的信令协议；第二阶段提供可变速率的面向连接业务的信令协议；第
三阶段提供支持多媒体和分布式业务的信令协议。针对各阶段信令能力的要求，
信令规程可分成三个能力集，其中能力集1的信令规范已基本完成，目前ITU_T
正在加紧制订能力集2的信令规范。本书的介绍限于能力集1的范围。
用户网络接口信令
（1）呼叫/连接控制规程
ATM网络的信令如何在用户/网络接口上对一次呼叫请求建立相应的虚电路
连接（包括VPC与VCC），在通信过程中保持连接以及如何释放掉连接的处理过
程。
（2）呼叫/连接控制规程的处理过程举例
规程的处理过程中的消息流程可用图表示。
图 呼叫/连接控制规程的处理流程
2、网络节点接口信令
（1）网络信令
前一节中我们介绍的用户/网络接口信令用来控制用户与交换机之间的虚电
路连接。如果主、被叫用户接在同一台ATM交换机上，仅利用用户信令即可完
成对他们之间通信过程的控制。但更多的情况是主、被叫用户分别接在不同的
ATM节点交换机上，这样就需要有相应的信令功能在与主叫用户相接的交换机
（以下简称发端交换机）和与被叫相接的交换机（终端交换机）之间建立、维持、
释放虚电路连接，这类信令称为ATM网络节点接口信令（简称网络信令）。
目前普通的程控数字电话网与N_ISDN的网络信令一般为七号信令系统，
ATM网络节点令及其传送机制也采用了类似的体系结构，但有重大改变。ITU_T
建议中称B_ISDN网络信令功能模块为B_ISDN用户部分（BISUP），对其传送机
制仍称为消息传送部分（MTP）。BISUP利用MTP所提供的服务，BISUP与MTP
之间也是通过服务原语来交换信息，其原语包括、
、、等几
种。
（2）基本呼叫控制规程
连接建立规程：
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连接建立过程中的消息流程可用图来直观地表示。
图 网络信令呼叫建立过程
连接释放过程：
不论是由主叫用户发起的连接释放还是由被叫用户发起的连接释放，其处理
过程是完全一致的，只不过是发端交换机与终端交换机所执行的功能对调而已。
下面以主叫用户发起释放的情况为例来说明。
这一过程中的消息流程可以用图表示。
图 网络信令连接释放过程
3、ATM信令适配
（1）信令适配SAAL的结构
前面分别介绍了用户/网络接口与网络节点接口上的ATM信令协议。为了能
够在ATM网中传送信令信息，需要进行信令的适配功能，也就是将各种消息形
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式的信令信息转换成可在ATM网中传送的形式，并为信令建立AAL连接。完成
这一功能的是信令ATM适配层SAAL。
SAAL采用第五类ATM适配层规范（AAL5），它由业务特定会聚子层
（SSCS）与公共部分（CP）组成。而SSCS又包括业务特定协调功能（SSCF）
与业务特定面向连接规程（SSCOP）两部分。CP则由公共部分会聚子层
（CPCS）和拆装子层（SAR）两部分组成，这两部分要采用建议中给出的
AAL5的CPCS和SAR规程。
（2）SSCOP的主要功能
SSCOP在同层信令实体之间建议释放AAL连接并可靠地传送信令信息。
（3）SSCF的主要功能
SSCF的主要功能是在信令实体和SAAL中的SSCOP之间进行原语的转换。在
用户/网络接口它完成B_ISDN用户/网络信令呼叫控制的第3层规范（）和
SSCP间的原语转换。在网络节点接口，SSCF则进行BISDN的信令系统第3
功能级消息传递部分（MTP－3）规范和SSCOP间的原语转换。
五、ATM网络维护管理
1、ATM网络运行维护管理
为了使ATM网络可靠地运行，除了前几部分介绍的各项关键技术外，网络
运行维护管理（OAM）功能也是必不可少的。这些功能为网络的运营者提供监
视网络运行情况并对网络进行维护的手段。以往电信网络维护管理的基本原理仍
然适用于ATM网，但由于其特殊性，ATM网有一套自己的维护管理机制。网络
维护管理所涉及的范围很广，此处仅就某些主要方面加以简单介绍。
（1）ATM网络运行维护管理的功能范围
根据ITU－T有关建议，ATM网络维护管理功能有以下五个方面：
性能监测：网络维护管理功能实体连续地或周期地监测网络运行的各种性能
指标，以便及时地了解当前网络的运行情况。
故障检测：对各种网络设备的工作情况随时检测，保证一旦出现故障能立即
发现。
系统保护：一旦网络中某一设备出现故障，网络维护管理功能将采取措施将
其与整个网络隔离，以免影响整个网络的正常运行。
管理信息的传送：网络维护管理过程中所获得的各处状态信息需要及时地通
知网络中各处的维护管理实体，而维护管理实体所发出的控制信号也要及时地传
送给受控设备。因此，ATM网中管理信息的传送也是网络维护管理功能的一个
重要方面。
故障定位：为了能及时准确地处理故障，要求网络维护管理功能测试出故障
设备的位置，甚至定出故障在设备中的哪个分系统中。
虽然ITU－T所制订的建议中列出了以上五个方面的OAM功能，但并非各方
面都已具备了完整的规范，关于OAM功能的标准正在逐步完善中。
（2）针对ATM网络协议参考模型中的物理层与ATM层，网络的OAM功能也
相应地分成五个等级，每级分别对应一类OAM信息流。这五个等级分别是：
虚通路级（Virtual Channel Level）：在虚通路连接（VCC）上执行的OAM
功能。对应的OAM信息流称为F5信息流，在VCC的连接端点或连接点间传送。
虚通道级（Virtual Path Level）：在虚通道连接（VPC）上执行的OAM功能。
对应的OAM信息流称为F4信息流，在VPC的连接端点或连接点间传送。
传输通道级（Transmit Path Level）：这一级OAM功能在完成传输系统净荷
组装/拆卸的网络设备上执行，所对应的OAM信息流称为F3信息流。
数字段级（Digital Section Level）：在传输网的数字段端点间执行的OAM功
能，对应的OAM信息流称F2信息流。
再生段级（Regenerator Section Level）：在传输网的再生段端点间执行的
OAM功能，对应的OAM信息流称F1信息流。
OAM功能的分组情况及各级间的关系可以用图表示。
图 OAM功能分组情况
2、ATM网络的拥塞管理
（1）ATM网络拥塞管理的重要性
根据ITU－T的定义，ATM网络的拥塞指的是网络元素（如交换机、复接器
或传输设备等）的一种状态，在这种状态下网络不能保证已建立连接的服务质量
或者不能接纳新的连接请求。出现拥塞的原因有两方面：一是由于网络中流量强
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度不可预测地随机波动而造成网络过负荷；二是由于网络本身同现故障。任何一
个实用的电信网都需要解决网络拥塞的管理问题。也就是解决有限的网络资源与
用户需求间的矛盾。在满足用户对服务质量要求的前题下尽可能地充分利用网络
资源。ATM网与以往的电路交换方式或分组交换方式的网络相比这一问题显得
更加突出。这是因为ATM网络的拥塞管理既重要又困难。说它重要是因为ATM
是一种异步时分、统计型复用的信息传送方式，而统计型复用在提高网络资源利
用率、增强灵活性的同时不可避免地增加了引起网络拥塞的风险。拥塞管理的困
难又表现在两个方面：一方面，ATM网中传送的是各咱类型的业务信息综合而
成的数据流，其流量特性十分复杂难于控制；另一方面，由于ATM网络传输速
率高，一旦某处发生拥塞而不能及时解决，拥塞范围将迅速扩大。由此可见，ATM
网的拥塞管理是个很重要的问题。
（2）ATM网络拥塞管理的基本思想
由于ATM网络拥塞管理的复杂性，以往在电路交换网与分组交换中采用的
拥塞管理方法不再适用。电路交换网中拥塞控制的基本思想是资源预分配与即时
拒绝，在为呼叫请求建立一条连接的同时分配一部分被这条连接所独占的资源，
当网络资源不足时拒绝新的呼叫请求。这种方法的主要缺陷是缺乏灵活性，与
ATM动态分配资源的特性相矛盾。分组交换网中目前普遍使用协议中的窗
口流量控制技术来控制拥塞，其基本思想是通过反馈的方法来限制发送端发出过
多的流量，这种方法控制的速度较慢，不适合用于高速的ATM网络。
为了满足ATM网中拥塞管理的要求，ITU－T提出了一套新的拥塞控制机制。
其基本思想在于：引入预防性控制措施，不再是出现拥塞之后再采取措施来消除
拥塞，而是通过精心管理网络资源而避免拥塞的出现。拥塞管理的功能分成两个
层次。第一层是预防性措施，称为流量控制（Traffic Control），是为防止网络出
现拥塞而采取的一系列措施，包括：网络资源管理（NRM，Network Resoures
Management）、连接允许控制（CAC,Conection Admission Control）、使用参数
控制（UPC，Usage Parameter Control）以及优先级控制等。第二层是反应性措施，
称为拥塞后为将拥塞的强度、影响范围、持续时间减到最小而采取的一系列措施，
包括信元选择性丢弃与拥塞指示等。
ATM网中拥塞控制由流量控制与拥塞控制功能配合完成。用户向网络发出
呼叫请求时需要向网络提交即将发送的流量特性，以及对服务质量的要求，网络
此时执行连接允许控制CAC功能，确定网络是否有足够的资源来支持这一新的呼
叫请求。如果能支持就建立相应的虚电路连接，并同用户协商允许通过这条虚电
路输入网络的流量的特性参数。只有用户实际输入网络的流量特性满足协定的特
性参数时，网络才保证对它的服务质量。在通信过程中执行使用参数控制UPC功
能，监测每条虚电路中实际输入网络的流量，一旦发现超越了协定参数就采取措
施加以限制。以上这些功能目的都在于防止拥塞的出现，属于流量控制范围。
ATM网一旦检测到出现拥塞状况则启动拥塞控制功能，首先是有选择地丢弃掉
重要程度相对低的信元以缓解拥塞，同时行拥塞状态信息的前向、反向指示。当
这些措施仍不能很好地控制住拥塞时网络将进行释放连接或重选路由。
由此可见，ATM网的流量管理机制可分成如下几个阶段：
(a)呼叫请求建立连接阶段。其关键技术是连接允许控制。
(b)通信过程中对入网流量的监测与控制，关键技术是使用参数控制。
(c)拥塞控制阶段，关键技术是选择性信元丢弃与拥塞指示。
（3）ATM网络拥塞管理的主要功能
①连接允许控制（CAC）
当网络收到呼叫请求后首先启动CAC功能检测当前网络资源的分配与占用
情况，对照用户呼叫请求中提交的流量特性与服务质量要求，确定当前可供使用
的网络资源能否满足用户要求。如果能够满足要求并在建立新连接的同时仍能保
证已有连接的服务质量，则网络将接纳这一呼叫并建立相应的虚电路，否则拒绝
用户的请求。CAC功能在建立连接的同时还完成两方面的功能：其一是同用户协
商相应虚电路中允许入网流量的特性参数供UPC利用；其二是为相应的虚电路分
配资源。
①入网流量的监控
入网流量监控功能根据所处的位置分成使用参数控制（UPC）与网络参数控
制（NPC）。前者位于用户/网络接口而后者用在网络接口上，两者的功能类似，
下面主要介绍UPC功能。
在通信过程中用户实际输入网络的流量特性可能超越CAC功能执行过程中
所确定的值，对这种情况需要加以限制否则将影响网络的服务质量。为此在用户
/网络接口设立了监测与限制机制，以确保每条虚电路中实际入网的流量特性参
数符合协商值，这一机制即是UPC功能。目前UPC中的限制措施主要是对属于超
越协商值的那部分流量的信元打上标记，表示这部分信元的服务质量不能保证，
一旦网络发生拥塞首先丢弃这类信元。
①选择性信元丢弃
ATM网中传送的信元有两种优先级别，通过信元头中的CLP位来区分，CLP
＝0表示优先级高，CLP＝1表示优先级低。当网络发生拥塞时首先选择CLP＝1
的信元丢弃以缓解拥塞。CLP＝1的信元有两个来源，一是由用户产生，说明此
信元所承载的信息属于低优先级；二是UPC将某些CLP＝0的信元改成CLP＝1，
说明此信元属于超越协定值的流量部分。实际上ATM网拥塞时就是牺牲掉这些
信元来保证高优先级信元的传送质量。
①拥塞信息指示
选择性信元丢弃是在网络发生拥塞的地点进行的，在有些情况下仅仅依靠这
一处采取措施不足以控制拥塞，而要求整个网络协调行动，这就要求某处发生拥
塞后能及时地将拥塞信息传递给网络的其它部分，以便采取措施协助对拥塞的控
制。拥塞信息指示根据方向可分成前向拥塞指示与反馈拥塞指示两类。
