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ATM技术的开发变化及应用.docx
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ATM技术的开发变化及应用
ATM技术的发展及应用
摘要:
随着Internet与多媒体技术的飞速发展,Web上的图像、音频、视频等多媒体内容越来越多,用户需要有更高的接入速率。
而现有的电路交换和分组交换很难胜任宽带高速的交换任务。
对于电路交换,当数据的传输速率及其突发性变化很大时,交换的控制就变得十分复杂;对于分组交换,当数据传输速率很高时,协议数据单元在各层的处理成为很大的开销,无法满足实时性很强的业务的时延要求。
异步传输模式ATM(AsynchronousTransferMode)就是建立在电路交换和分组交换基础上的一种新的交换技术,他可以很好地进行宽带信息交换。
本文讨论了ATM技术的特点和存在的问题,并介绍了ATM技术在数字通信、帧中继及PSTN/N-ISDN等业务中的发展和应用,同时对ATM的应用前景进行了初步分析。
关键词:
ATM应用发展时分复用B-ISDN
一、ATM的产生
自AlexanderGrahamBell于1870年发明电话后,为有效地连接日益增多的电话用户,电话交换网应运而生。
它经历了人工交换,机电式自动交换系统以及数字程控系统发展过程,但电路交换的原理一直未变。
随着计算机的普及,电话网通过使用Modem来进行计算机数据传输及数据信息交换,随之产生了公用数据网,其典型的代表是X.25分组交换网,它是基干包交换的一种技术,具有信输可靠性高的优点,但由于Modem速率及交换技术本身限制,X.25只能处理中低速数据流。
虽然LAN(局域网)技术的发展突飞猛进,如Ethernet、Tokenring、Tokenbus等,传输速率已可达千兆,但它局域网的性质本身就大大限制了LAN的大规模的覆盖及应用,目前的LAN一般用于企业内部的数据传送,无法形成广域网的规模。
由此我们不难看出,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。
幸运的是,现在的半导体和光纤技术为ATM的快速交换和传输提供坚实的保障。
目前的CMOS处理能力已达二三百兆,ECL可达5到10G。
SDH和SONET技术提供了大容量的可靠传输,目前的STM-I标准为155.52M。
事实上在80年代中期,人们就已经开始进行快速分组交换的实验,建立了多种命名不相同的模型,欧洲重在图象通信把相应的技术称为异步时分复用(ATD)美国重在高速数据通信把相应的技术称为快速分组交换(FPS),国际电联经过协调研究,于1988年正式命名为AsynchronousTransferMode(ATM)技术,推荐其为宽带综合业务数据网B-ISDN的信息传输模式。
ATM的成功,固然取决于微电子等高技术的进步以及社会需求的驱动,而ATM其自身的优势,使它在交换技术中独占鳌头。
ATM是在分组交换技术上发展起来的快速分组交换。
它综合吸取了分组交换高效率和电路交换高速率之优点,针对分组交换速率低的弱点,用电路交换完全与协议处理几乎无关的特点,通过高性能LS1的硬设备来提高处理速度,以实现高速化,因此也可以说ATM技术是在克服了分组交换和电路交换方式局限性的基础上产生的。
二、ATM的特点及存在的问题
1.ATM技术的特点
(1)ATM作为电信网的一种新技术,不仅适用于高速信息传送和对服务质量(QoS)的支持,还具备了综合多种业务的能力,以及动态带宽分配与连接管理能力和对已有技术的兼容性。
(2)ATM的综合能力ATM以信元的方式传送信息,与业务的特性、比特率无关,只要将各类业务的信息在入网时转化为统一格式的信元,就可以在网络中进行传输与交换,因此,高灵活性使之具有各种综合能力。
(3)灵活的动态带宽分配与连接管理能力
(4)ATM对已有技术的兼容性ATM作为一项独立的技术充分考虑了与已有技术的融合。
2.存在问题
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-ISDN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-ISDN等)领域发挥优势。
三、ATM的发展及应用
1.ATM支持话音技术的研究
在电信网中,从用户数的角度考虑,传统的电话用户仍将占主导地位,因此,ATM必须考虑如何支持话音的问题。
ITU-T在1997年9月年通过了支持话音业务和短分组业务适配的第二类ATM适配层协议AAL2I.363.2建议在1999年2月通过了面向话音业务的建议I.366.2用于中继的AAL2业务特定会聚子层SSCS,并于1997年12月通过了支持AAL2交换的信令协议建议Q.2630.1(AAL2信令协议-能力集1),基本完成了ATM支持话音业务的标准化工作。
采用AAL2协议来支持话音业务不论是效率方面,还是时延性能方面,都要优于IP电话。
AAL2技术的应用主要有以下几个方面:
(1)以低时延的性能支持话音和其他实时业务传送,用于PSTN或其它网络的中继传输;
(2)用于第三代移动通信系统(IMT-2000),在BS和MSC之间以AAL2协议支持低速话音和数据信息的传送;
(3)用AAL2交换机代替ATM交换机(ATM层仅提供PVC交叉连接功能),提供端到端的ATM话音和数据业务。
2.简化ATM技术的研究
ATM技术的缺点之一就是网络的复杂性,为了推动ATM技术的应用,就必须对ATM技术进行简化和优化,以达到简化网络,降低网络成本的目的。
目前,I-TUT和ATM论坛正在进行这方面的工作,例如目前I-TUT正在制定的ATM轻型信令标准就是为了简化原有复杂的信令标准,以降低网络的复杂性。
另外,在流量控制、网络管理等方面也都有需要进行相应的研究工作。
技术的缺点之一就是网络的复杂性,为了推动ATM技术的应用,就必须对ATM技术进行简化和优化,以达到简化网络,降低网络成本的目的。
目前,I-TUT和ATM论坛正在进行这方面的工作,例如目前I-TUT正在制定的ATM轻型信令标准就是为了简化原有复杂的信令标准,以降低网络的复杂性。
另外,在流量控制、网络管理等方面也都有需要进行相应的研究工作。
3.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Internet。
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,Internet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。
4.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。
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。
5.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。
PSTN/N-ISDN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。
四、ATM的业务介绍
1.商业应用
在商业领域,有两大类ATM的应用,即多媒体和高速数据。
多媒体应用主要包括有会议电视、职业教育和技术培训、电子信箱、桌面合作工作组、居家办公、远程医疗、远程勘探等;高速数据应用主要设计局域网(LAN)互联和数据网合成。
(1)桌面应用桌面合作工作组可以取代会议室。
主要通过声、像双向传输将分布于不同地点的工作小组组织起来,进行交互式工作,共享办公设施,不仅便于管理,而且大大节省了差旅费,提高工作效率。
这种应用可扩展到家庭办公。
(2)远程医疗如果将全国乃至全世界的医生、诊所、医院以及康复中心、医学研究机构等、通过ATM网连接起来,实施远程医疗,它可即时召集最有秀的医生、提出最佳诊断方案,为病人提供及时、最有效的治疗。
此外,图像医疗权力机构可以在ATM网中建立必要的医疗信息库,使人们可以存取有关医疗数据,如医疗记录、X光片、CAT扫描片等。
(3)远程教学远程教学中心通过ATM网可以向社会提供教学材料、培训和教学,学员可以得到优秀教师的授课、雇员不离岗就可接受教育。
此外,研究机构、大学等可以加强技术和科研交流与合作。
2.居民应用
ATM网络的初期应用主要有VOD(按需视像服务)、电子游戏、可视电话等。
(1)VODVOD有可能成为ATM应用的最大市场之一。
ATM网络将提供VCR(VideoCassetteRecorder)的功能。
客户在家里通过电视机任意选播自己喜欢的电影,可控制停播、快速前进和后退及暂停。
当然,VOD的价格不能太贵,起码要与租借录像带的价格相当,同时也要比录像带的质量高、节目丰富。
(2)居家购物购物者可以利用ATM网络的交互能力,像在商店里一样进行物品的挑选、采购,用个人特有的号码进行支付。
(3)电子游戏不同地区的多媒体工作站可以像在同一个LAN内一样,通过ATM网进行交互式电子游戏。
当然,ATM网络的应用远不只上述这几种,ATM网络的应用将涉及社会方方面面,如金融、航空、经贸、气象、政府机构、海关、广播、商业、教育、建设、医疗等等。
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。
五、ATM市场前景
ATM技术目前处于较不利地位,其中的原因主要在于以太网以及TCP/IP协议相关的各种技术已经经过了几十年的发展和积累,在此基础上开发出来的技术也在很大程度上承袭了已有技术的成果,其开发费用和生产成本都因此大大降低,与其相反,ATM技术的发展还不到十年时间,其中绝大部分技术都得从无到有进行开发,其费用自然相对较高,相信以ATM目前的发展趋势,经过一段时间的积累,ATM设备的成本会逐步降低到与以太网设备相当的水平。
近两年Internet的急剧发展,网络的软硬件投资也大大增加,并迅速占领了数据通信市场,这给ATM的发展确实形成了较大压力,但是ATM与Internet并不是互斥的技术,Internet上运行的各种高层协议都可以很容易地在ATM中实现,随着用户对实时业务需求的增加,目前Internet所依赖的IP技术的弱点会逐渐显露,将Internet与ATM结合可以较好地解决这个矛盾,因此利用好了Internet可以对ATM的发展起到促进作用,这是ATM发展的一个机会,如果ATM的发展在今后几年内仍跟不上Internet及需求发展的节拍,也很有可能被市场所抛弃。
当然,从另一方面我们也可以看到,市场并不是只对ATM构成压力,近年来ATM也同样在迅猛发展,各国政府、公司及用户在ATM上也投入了大量的资金,出于对这部分投资保护,各种机构尤其是那些大通信公司一定会极力维护和促进ATM的发展。
但从本质上来说,市场是一个复杂的系统,它受到多种因素的左右。
六、结束语
ATM技术是一项优秀的传输、交换、复用、交叉连接技术。
目前,ATM技术以一种更务实的姿态进入实用中,对ATM技术的理解也应在思想上更新。
互联网的可持续发展需要ATM支持,以提高服务质量和扩容;ATM也需要互联网来发展、应用、展示自己。
随着能充分利用ATM的应用增加,ATM的优势日渐突出。
Internet的发展正是一个机遇,尤其是互联网业务的多媒体化需求,对ATM技术将是一个巨大的推动。
参考文献:
1.洪新伟付强黄载禄《有关ATM发展前景的讨论》华中理工大学电子与信息工程系;
2.陶洋《通信信息网》人民邮电出版社;
3.网络资源参考:
协议分析网;C114中国通信网。
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