寬帶ATM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展概況

鄒昕光　賈世樓

摘要　ATM技術(shù)作為寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心技術(shù)得到了飛速發(fā)展，但它同時(shí)也存在許多問(wèn)題。本文針對(duì)ATM的各個(gè)

重要的方面如：衛(wèi)星ATM技術(shù)、寬帶接入、寬帶主干網(wǎng)、與IP協(xié)議互連以及安全問(wèn)題討論了ATM的現(xiàn)狀，存在的

問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞　衛(wèi)星ATM　服務(wù)質(zhì)量　寬帶接入　協(xié)議互連

　　ATM作為寬帶網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)得到了快速的發(fā)展。ATM技術(shù)發(fā)展主要有幾個(gè)方面：（a）ATM綜合業(yè)務(wù)能力簡(jiǎn)化

了網(wǎng)絡(luò)管理和運(yùn)行；（b）有QoS保證，能有效的執(zhí)行各種關(guān)鍵性的應(yīng)用；（c）網(wǎng)絡(luò)可以延伸到幾千兆比特速率

，能滿足交互型多媒體的高帶寬應(yīng)用；（d）WAN、LAN的成熟標(biāo)準(zhǔn)確保了專(zhuān)用、公用ATM網(wǎng)絡(luò)的互操作性；（e）

有效的利用網(wǎng)絡(luò)資源，節(jié)省帶寬費(fèi)用有潛力。

　　1　無(wú)線、衛(wèi)星、ATM

　　ATM網(wǎng)絡(luò)在無(wú)線、衛(wèi)星上使用，有很多優(yōu)點(diǎn)。第一：通過(guò)使用衛(wèi)星，ATM業(yè)務(wù)可以更廣闊的地理范圍內(nèi)提供

。第二：衛(wèi)星通信系統(tǒng)在傳輸速率較低的情況下有著非常靈活的帶寬按需分配能力。第三：衛(wèi)星能對(duì)不同的使

用ATM節(jié)點(diǎn)提供靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和寬量分配。第四：衛(wèi)星能方便地建立廣播和多播通信，對(duì)于ATM多點(diǎn)通信十分

有利。第五：新的用戶群加入網(wǎng)絡(luò)還可作為地面光纖網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)備份。一旦出現(xiàn)故事或網(wǎng)絡(luò)擁塞問(wèn)題，可通過(guò)

衛(wèi)星信道恢復(fù)通信。第七：對(duì)那些帶寬需求和業(yè)務(wù)特性很難預(yù)測(cè)的通信連接，能提供可選擇的信道，這可以提

高資源利用率。

　　但發(fā)展無(wú)線、衛(wèi)星、ATM還存在一些技術(shù)難點(diǎn)。

　�。�1）無(wú)線信道誤碼率高。當(dāng)前大多數(shù)衛(wèi)星的調(diào)制解調(diào)器使用卷積碼技術(shù)來(lái)達(dá)到

10-1--10-5的誤碼率，這對(duì)于ATM來(lái)說(shuō)是不夠的，要求誤碼率必須達(dá)到很低的水平。為

了提高衛(wèi)星信道的誤碼性能，曾有人提出了一種稱(chēng)之為鏈狀編碼（Concatenated coding）方案。典型的做法是

在卷積碼之前加一層外碼，卷積碼作為內(nèi)碼，內(nèi)外碼結(jié)合達(dá)到低誤碼率。目前內(nèi)碼一般選擇卷積碼，而外碼一

般選擇Reed solomon（RS）碼，這是因?yàn)樗�有能力糾正突發(fā)成熟。

　　（2）無(wú)線頻帶資源少。一個(gè)C+Ku頻段同步衛(wèi)星的頻帶容量相當(dāng)于6.85條155Mbps的信道，而一對(duì)光纖能提

供16條155Mbps的信道。在衛(wèi)星信道中使用的頻帶存在著較高的雨衰，須用相應(yīng)的技術(shù)來(lái)減少雨衰的影響。雨衰

在0/30GHz（Ka波段）或更高的頻率對(duì)系統(tǒng)肯定有影響。

　�。�3）無(wú)線信道存在大的信元時(shí)延CTD和時(shí)延抖動(dòng)CDV。對(duì)CTD來(lái)說(shuō)，主要來(lái)源是自由空間的傳輸延時(shí)和衛(wèi)星

信道上編碼和解碼造成的延時(shí)，以及地面交換機(jī)和飛行器上的交換設(shè)備中排隊(duì)、交換、路由產(chǎn)生的延時(shí)。LEO的

典型時(shí)延是20-25ms；MEO的典型時(shí)延是110-130ms；GEO的典型時(shí)延是250-280ms。時(shí)延太大，發(fā)信端收到的網(wǎng)絡(luò)

擁塞狀態(tài)會(huì)與當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)相差很大，不利于反饋控制優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。對(duì)CDV來(lái)說(shuō)，主要是業(yè)務(wù)負(fù)載的結(jié)構(gòu)

和ATM中虛路徑VP、虛信道VC的數(shù)量和比例不同而不同；并還跟交換機(jī)的緩沖大小和緩沖機(jī)制有關(guān)；另在一個(gè)連

接中，其大小會(huì)隨著連接中節(jié)點(diǎn)的數(shù)目增加而增加；最后還也衛(wèi)星ATM設(shè)備內(nèi)部交換處理次數(shù)的多少有關(guān)。

　�。�4）由于無(wú)線帶寬資源少，就要求衛(wèi)星ATM網(wǎng)絡(luò)的流量控制協(xié)議更加精確有效，這將導(dǎo)致現(xiàn)存的ATM網(wǎng)絡(luò)協(xié)

議作修改甚至重新定義。還有，由于衛(wèi)星通信存在著固有的長(zhǎng)時(shí)延，這就要求流量控制功能能更快和更有效的

發(fā)揮。針對(duì)這種情況，就提出了ＢＥＣＮ(Backward Explicit Congestion Notification)算法，它能很快將網(wǎng)

絡(luò)擁塞信息傳給源端。每個(gè)產(chǎn)生擁塞的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都可通過(guò)反向信道直接將擁塞信息傳遞給源端，使源端能較快

地做出反應(yīng)。

　　（5）在衛(wèi)星ATM中對(duì)業(yè)務(wù)做了新的分級(jí)。業(yè)務(wù)分為：第一類(lèi)（stringent class），用來(lái)定義延時(shí)敏感的業(yè)

務(wù)，與原來(lái)的CBR，實(shí)時(shí)VBR對(duì)應(yīng)；第二類(lèi)（tolerant class），是可容忍時(shí)延的業(yè)務(wù)類(lèi)，與ABR，非實(shí)時(shí)VBR對(duì)

應(yīng)；第三類(lèi)（bilevel class），支持VBR,ABR業(yè)務(wù)，如高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；第四類(lèi)（unspecified class），支持

UBR業(yè)務(wù)，如電子郵件。

　�。�6）寬帶無(wú)線終端應(yīng)能兼容各種無(wú)線寬帶網(wǎng)，這需要先進(jìn)的軟件無(wú)線電技術(shù)支持。軟件無(wú)線電的基本思想

是同一硬件平臺(tái)上，通過(guò)安裝不同的軟件，使個(gè)人通信終端能夠進(jìn)入不同體制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)不同的通信

功能。目前軟件無(wú)線電技術(shù)還有待進(jìn)一步的完善成熟。

　　ITU-T工作組4B在1999年完成了s.atm（ATM Performane）和S.atm_av（ATM Availability）的建議草案，

在建議草案中S.atm和S.atm_av的當(dāng)前版本主要討論的是地球同步衛(wèi)星在15GHz頻帶以下的傳輸特性，至于在更

高頻段上的衛(wèi)星技術(shù)和LEO，MEO衛(wèi)星在以后的版本中討論。目前，各國(guó)都在積極的發(fā)展寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)，如

歐洲的ARTEMTS;日本的MTStar；韓國(guó)的KOREASAT-3；盧森堡的ASTRA；美國(guó)的TDRSS。

　　2　寬帶接入

　　目前，網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀是：主干網(wǎng)利用先進(jìn)的光纖技術(shù)，容量逐步增加。局域網(wǎng)利用成熟的技術(shù)，以達(dá)到百兆，

并向千兆速率發(fā)展。但接入網(wǎng)仍大量使用銅雙絞線，接入環(huán)路中還是使用3.4KHz的話音信號(hào)。由于各種原因，

接入網(wǎng)成為了網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，因而寬帶接入網(wǎng)在寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中顯得尤為重要。發(fā)展方向就是全業(yè)務(wù)網(wǎng)（Full

Service Network），它可承載以廣播電視為特征的娛樂(lè)業(yè)務(wù)，以桌面多媒體業(yè)務(wù)為主的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和以電

話為特征的通信業(yè)務(wù)。寬帶接入技術(shù)主要有：

　　*ADSL非對(duì)稱(chēng)用戶數(shù)字環(huán)路和HDSL高速用戶數(shù)字環(huán)路。該方案是利用目前的銅線條件，外加復(fù)雜的回播抵消

、調(diào)制和信號(hào)處理技術(shù)等，突破話音頻帶的限制，在銅線上提供高速數(shù)據(jù)傳輸。由于不涉及接入線路的更替，

在現(xiàn)有條件下為急需的用戶提供定寬帶接入能力。但實(shí)現(xiàn)起來(lái)復(fù)雜，有以下幾個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：（1）線路的衰減與

失真性能要求苛刻；（2）反射干擾及平衡性能要求高；（3）噪聲及串音對(duì)通信影響大；（4）產(chǎn)生的輻射干擾

可能會(huì)影響現(xiàn)有的中頻廣播；（5）信道特性不穩(wěn)定。

　　*光纖同軸混合接入網(wǎng)HFC。HFC是在傳統(tǒng)的同軸電纜CATV的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。光纖作為CATV網(wǎng)的主干部分

，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分光纜區(qū)和電纜區(qū)兩個(gè)部分。中間相接部分是光纖節(jié)點(diǎn)ON（Optical Node），完成光信號(hào)和電信的

轉(zhuǎn)換。這種接入技術(shù)存在著本身固有的缺點(diǎn)：（1）它是用戶共享通信媒質(zhì)的技術(shù)。該技術(shù)分給單個(gè)用戶的帶寬

變化性很大。當(dāng)用戶少時(shí)，單個(gè)用戶分得的帶寬就很少了。不利于寬帶實(shí)時(shí)通信；（2）CATV網(wǎng)絡(luò)本身是一個(gè)非

對(duì)稱(chēng)的網(wǎng)絡(luò)，下行信道的帶寬遠(yuǎn)大于上行信道的帶寬，很難適合話音、可視電話等對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)，而且網(wǎng)絡(luò)中的有

源放大器一般是單向，為了適合上行信道信息的傳輸，必須更有源放大器；（3）傳統(tǒng)的CATV網(wǎng)絡(luò)中存在著嚴(yán)重

的脈沖干擾、射頻干擾、群延時(shí)等對(duì)數(shù)字通信危害很大的干擾源。

　　*光無(wú)線技術(shù)。它利用紅外線作為通信手段，由于光波的帶寬巨大，光無(wú)線提供的寬帶比無(wú)線電帶寬提高10

倍。但是強(qiáng)的紅外線對(duì)人體尤其對(duì)眼睛有傷害。加之，環(huán)境溫度和空氣密度的變化使得空氣的折射率發(fā)生變化

，造成發(fā)射和接收的困難。外界的光線也是光無(wú)線通信的一個(gè)不可忽視的干擾源。光無(wú)線技術(shù)雖前景誘人，但

實(shí)現(xiàn)起來(lái)還有一定的技術(shù)難度。

　　*光纖用戶環(huán)路FITL。這是寬帶接入網(wǎng)的最終形式，它的一般結(jié)構(gòu)其中ADM為異步插入復(fù)用設(shè)備。光纖接入

網(wǎng)的帶寬大，但是目前光器件的價(jià)格和寬帶業(yè)務(wù)的普及率限制了FITL的發(fā)展。

　　綜合來(lái)看，各種寬帶按入技術(shù)各有各的特點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)共同存在。

　　3　寬帶主干網(wǎng)技術(shù)

　　為了更好地支持用戶的寬帶通信業(yè)務(wù)，主干網(wǎng)的容量還需進(jìn)一步擴(kuò)大。在未來(lái)業(yè)務(wù)需要很大的帶和很小的

時(shí)延是一件很普通的事情。為了發(fā)展?jié)M足上面要求的健壯和有效的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，須發(fā)展新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。而光網(wǎng)絡(luò)

技術(shù)能夠解決這些問(wèn)題。WDM光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可將主干網(wǎng)容量提高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。中國(guó)計(jì)劃發(fā)展的“中國(guó)高技術(shù)信息

示范網(wǎng)計(jì)劃”就是利用WDM網(wǎng)絡(luò)。未來(lái)的光網(wǎng)絡(luò)包括核心網(wǎng)（是全光網(wǎng)絡(luò)，無(wú)電子設(shè)備，盡可能地減少操作時(shí)延

）和邊緣網(wǎng)（是與現(xiàn)存的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互連，架構(gòu)起未來(lái)的信息網(wǎng)）。但是WDM技術(shù)存在以下的問(wèn)題：（1）在設(shè)計(jì)寬帶WDM傳輸系統(tǒng)時(shí)，光纖非線性的作用如FWM（four-wave mixing）,spm(self-phase modulation),XPM(cross-phase modulation),SRM(stimulation Raman modulation)應(yīng)盡可能地加以考慮，因?yàn)樗鼈儠?huì)造成通信損傷；（2）光放大器的工和帶寬應(yīng)足夠?qū)�。未�?lái)的寬帶通信業(yè)務(wù)的發(fā)展將使得光信道的數(shù)目大幅度增長(zhǎng)，發(fā)展更寬帶寬的光放大器是目前的研究熱點(diǎn)；（3）由于信道間距減少，各個(gè)光載波的精確性和穩(wěn)定性顯得十分重要。這是因?yàn)閃DM網(wǎng)絡(luò)需要很高的光頻率精確性和穩(wěn)定性，以避免不同頻率的光載波在同一根光纖中產(chǎn)生串?dāng)_。未來(lái)的傳輸網(wǎng)絡(luò)要跟上日益增長(zhǎng)的帶寬的需要，我們還應(yīng)進(jìn)一步提高光頻譜的利用率，甚至達(dá)到一赫茲一比特。這就對(duì)光頻率的準(zhǔn)確性要求更加嚴(yán)格。應(yīng)該加強(qiáng)各種先進(jìn)的光器件的研究。

　　4　與IP網(wǎng)的互連

　　IP網(wǎng)在近年發(fā)展迅速，成了主流的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。但I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)還存在接入速率低，提供的業(yè)務(wù)較單一，主要集中于文本傳輸。ATM作為新一代的交換和傳輸技術(shù)可用來(lái)提高IP網(wǎng)主干的傳輸速率和用戶接入速率。TCP/IP協(xié)議可用各種物理網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行傳輸，并和ATM傳輸交換技術(shù)沒(méi)有沖突。但是ATM技術(shù)是面向連接，業(yè)務(wù)分級(jí)，QoS保證的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，而IP網(wǎng)是非連接，不可靠，盡力傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將這兩種差別較大的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互連還存在一定的技術(shù)難度，在ATM網(wǎng)絡(luò)上承載IP業(yè)務(wù)稱(chēng)為IP　over ATM 。IP over ATM技術(shù)只對(duì)數(shù)據(jù)流的第一個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行路由處理，根據(jù)路由建立虛電路（VC），以后的數(shù)據(jù)包包沿VC以直通（Cut-Through）的方式進(jìn)行傳輸。IP over ATM有兩種類(lèi)型：

　�。�1）疊加型的IP over ATM，這種技術(shù)將ATM當(dāng)作數(shù)據(jù)鏈路層，就如局域網(wǎng)中的以太網(wǎng)技術(shù)，遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)中的幀中繼，X.25一樣。又稱(chēng)為傳統(tǒng)的IP over ＡＲＭ。

　�。�2）集成型IP over ATM，這種類(lèi)型中網(wǎng)絡(luò)不再象第一種那樣有IP和ATM兩個(gè)層次，交換機(jī)不再有ATM地址到IP地址的轉(zhuǎn)換。屬于這種類(lèi)型的有IP Switching多協(xié)議標(biāo)記交換。傳統(tǒng)的IP over ATM由于要將兩個(gè)協(xié)議直接映射，造成兩層的一些功能重復(fù)，開(kāi)銷(xiāo)較大。ATM本身支持多點(diǎn)通信，但是要將ATM多點(diǎn)通信技術(shù)和IP網(wǎng)的多點(diǎn)業(yè)務(wù)適配還存在一些困難。ATM上的多播組管理比傳統(tǒng)的廣播型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)復(fù)雜許多，具體存在以下問(wèn)題：（a）ATM地址方案（組地址的定義）和信令協(xié)議的優(yōu)化；（b）多點(diǎn)通信的規(guī)模收到了多播路由的限制；（c）多個(gè)用戶給同一用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)要以一定的方式合并在一起。

　　IP網(wǎng)為了支持Qos，提出了RSVP協(xié)議。它允許在IP網(wǎng)中預(yù)留一定的資源給特定的業(yè)務(wù)。而ATM技術(shù)提供了強(qiáng)有力的QoS保證，這使得IP業(yè)務(wù)能有效地利用傳輸資源，要想在ATM環(huán)境中有效地支持RSVP，應(yīng)將ATM和IP兩層的功能緊密結(jié)合起來(lái)，具體要做到：（1）將IP業(yè)務(wù)類(lèi)型映射到相應(yīng)的ATM業(yè)務(wù)類(lèi)型上；（2）將IP的預(yù)留協(xié)議映射到ATM信令上；（3）對(duì)承載特定IP流的ATM虛電路進(jìn)行管理。

　　5　安全問(wèn)題

　　網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題是一個(gè)十分重要的問(wèn)題，影響著這個(gè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。ATM論壇成立了一專(zhuān)門(mén)小組研究安全問(wèn)題，與其它網(wǎng)絡(luò)相比，ATM安全問(wèn)題的研究才剛起步。ATM網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題有其自身的特點(diǎn)，如：虛電路竊取和業(yè)務(wù)分析。所謂虛電路竊取是指用戶非法將信元頭的VCI,VPI的值改變，從而達(dá)到竊取他們的虛電路的目的。我們知道，ATM是保證用戶通信質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)，如果網(wǎng)絡(luò)不安全，虛電路可能被他人盜用，服務(wù)質(zhì)量將變得毫無(wú)意義。業(yè)務(wù)分析是指攻擊者通過(guò)收集分析一條虛通路的容量、時(shí)序和通信方式等信息從而獲得自己想要的信息的一種手段。ATM網(wǎng)絡(luò)加密也是一個(gè)難題。首先是難以找到能夠滿足交換節(jié)點(diǎn)高速通信要求的加密解密算法。寬帶ATM技術(shù)支持的通信速率達(dá)幾百兆bps甚至Gbps，還有就是ATM信元長(zhǎng)度小，有效載荷　48字節(jié)，因此任何長(zhǎng)度大于384比特的塊加密算法都不適用于ATM。ATM技術(shù)很復(fù)雜，為這種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供安全保護(hù)將更復(fù)雜。

　　在新的世紀(jì)，ATM技術(shù)將面臨許多的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，只有從各個(gè)方面改進(jìn)技術(shù)，為各種用戶業(yè)務(wù)提供方便的接入方式，吸引更多的用戶才是發(fā)展之道。

摘自《無(wú)線電通信技術(shù)》2001.5