宽带ATM网络通信技术的发展概况

摘要　ATM技术作为宽带网络技术的核心技术得到了飞速发展，但它同时也存在许多问题。本文针对ATM的各个重要的方面如：卫星ATM技术、宽带接入、宽带主干网、与IP协议互连以及安全问题讨论了ATM的现状，存在的问题及未来的发展。

关键词　卫星ATM　服务质量　宽带接入　协议互连

　　ATM作为宽带网络的新技术得到了快速的发展。ATM技术发展主要有几个方面：（a）ATM综合业务能力简化了网络管理和运行；（b）有QoS保证，能有效的执行各种关键性的应用；（c）网络可以延伸到几千兆比特速率，能满足交互型多媒体的高带宽应用；（d）WAN、LAN的成熟标准确保了专用、公用ATM网络的互操作性；（e）有效的利用网络资源，节省带宽费用有潜力。

　　1　无线、卫星、ATM

　　ATM网络在无线、卫星上使用，有很多优点。第一：通过使用卫星，ATM业务可以更广阔的地理范围内提供。第二：卫星通信系统在传输速率较低的情况下有着非常灵活的带宽按需分配能力。第三：卫星能对不同的使用ATM节点提供灵活的网络结构和宽量分配。第四：卫星能方便地建立广播和多播通信，对于ATM多点通信十分有利。第五：新的用户群加入网络还可作为地面光纤网络的一个备份。一旦出现故事或网络拥塞问题，可通过卫星信道恢复通信。第七：对那些带宽需求和业务特性很难预测的通信连接，能提供可选择的信道，这可以提高资源利用率。

　　但发展无线、卫星、ATM还存在一些技术难点。

　　（1）无线信道误码率高。当前大多数卫星的调制解调器使用卷积码技术来达到10-1--10-5的误码率，这对于ATM来说是不够的，要求误码率必须达到很低的水平。为了提高卫星信道的误码性能，曾有人提出了一种称之为链状编码（Concatenatedcoding）方案。典型的做法是在卷积码之前加一层外码，卷积码作为内码，内外码结合达到低误码率。目前内码一般选择卷积码，而外码一般选择Reedsolomon（RS）码，这是因为它有能力纠正突发成熟。

　　（2）无线频带资源少。一个C+Ku频段同步卫星的频带容量相当于6.85条155Mbps的信道，而一对光纤能提供16条155Mbps的信道。在卫星信道中使用的频带存在着较高的雨衰，须用相应的技术来减少雨衰的影响。雨衰在0/30GHz（Ka波段）或更高的频率对系统肯定有影响。

　　（3）无线信道存在大的信元时延CTD和时延抖动CDV。对CTD来说，主要来源是自由空间的传输延时和卫星信道上编码和解码造成的延时，以及地面交换机和飞行器上的交换设备中排队、交换、路由产生的延时。LEO的典型时延是20-25ms；MEO的典型时延是110-130ms；GEO的典型时延是250-280ms。时延太大，发信端收到的网络拥塞状态会与当前的网络拥塞状态相差很大，不利于反馈控制优势的发挥。对CDV来说，主要是业务负载的结构和ATM中虚路径VP、虚信道VC的数量和比例不同而不同；并还跟交换机的缓冲大小和缓冲机制有关；另在一个连接中，其大小会随着连接中节点的数目增加而增加；最后还也卫星ATM设备内部交换处理次数的多少有关。

　　（4）由于无线带宽资源少，就要求卫星ATM网络的流量控制协议更加精确有效，这将导致现存的ATM网络协议作修改甚至重新定义。还有，由于卫星通信存在着固有的长时延，这就要求流量控制功能能更快和更有效的发挥。针对这种情况，就提出了ＢＥＣＮ(BackwardExplicitCongestionNotification)算法，它能很快将网络拥塞信息传给源端。每个产生拥塞的网络设备都可通过反向信道直接将拥塞信息传递给源端，使源端能较快地做出反应。

　　（5）在卫星ATM中对业务做了新的分级。业务分为：第一类（stringentclass），用来定义延时敏感的业务，与原来的CBR，实时VBR对应；第二类（tolerantclass），是可容忍时延的业务类，与ABR，非实时VBR对应；第三类（bilevelclass），支持VBR,ABR业务，如高速数据业务；第四类（unspecifiedclass），支持UBR业务，如电子邮件。

　　（6）宽带无线终端应能兼容各种无线宽带网，这需要先进的软件无线电技术支持。软件无线电的基本思想是同一硬件平台上，通过安装不同的软件，使个人通信终端能够进入不同体制的网络结构，以实现不同的通信功能。目前软件无线电技术还有待进一步的完善成熟。

　　ITU-T工作组4B在1999年完成了s.atm（ATMPerformane）和S.atm_av（ATMAvailability）的建议草案，在建议草案中S.atm和S.atm_av的当前版本主要讨论的是地球同步卫星在15GHz频带以下的传输特性，至于在更高频段上的卫星技术和LEO，MEO卫星在以后的版本中讨论。目前，各国都在积极的发展宽带卫星通信技术，如欧洲的ARTEMTS;日本的MTStar；韩国的KOREASAT-3；卢森堡的ASTRA；美国的TDRSS。

　　2　宽带接入

　　目前，网络现状是：主干网利用先进的光纤技术，容量逐步增加。局域网利用成熟的技术，以达到百兆，并向千兆速率发展。但接入网仍大量使用铜双绞线，接入环路中还是使用3.4KHz的话音信号。由于各种原因，接入网成为了网络的瓶颈，因而宽带接入网在宽带网络技术中显得尤为重要。发展方向就是全业务网（FullServiceNetwork），它可承载以广播电视为特征的娱乐业务，以桌面多媒体业务为主的计算机数据业务和以电话为特征的通信业务。宽带接入技术主要有：

　　*ADSL非对称用户数字环路和HDSL高速用户数字环路。该方案是利用目前的铜线条件，外加复杂的回播抵消、调制和信号处理技术等，突破话音频带的限制，在铜线上提供高速数据传输。由于不涉及接入线路的更替，在现有条件下为急需的用户提供定宽带接入能力。但实现起来复杂，有以下几个技术难点：（1）线路的衰减与失真性能要求苛刻；（2）反射干扰及平衡性能要求高；（3）噪声及串音对通信影响大；（4）产生的辐射干扰可能会影响现有的中频广播；（5）信道特性不稳定。

　　*光纤同轴混合接入网HFC。HFC是在传统的同轴电缆CATV的基础上发展起来的。光纤作为CATV网的主干部分，整个网络分光缆区和电缆区两个部分。中间相接部分是光纤节点ON（OpticalNode），完成光信号和电信的转换。这种接入技术存在着本身固有的缺点：（1）它是用户共享通信媒质的技术。该技术分给单个用户的带宽变化性很大。当用户少时，单个用户分得的带宽就很少了。不利于宽带实时通信；（2）CATV网络本身是一个非对称的网络，下行信道的带宽远大于上行信道的带宽，很难适合话音、可视电话等对称业务，而且网络中的有源放大器一般是单向，为了适合上行信道信息的传输，必须更有源放大器；（3）传统的CATV网络中存在着严重的脉冲干扰、射频干扰、群延时等对数字通信危害很大的干扰源。

　　*光无线技术。它利用红外线作为通信手段，由于光波的带宽巨大，光无线提供的宽带比无线电带宽提高10倍。但是强的红外线对人体尤其对眼睛有伤害。加之，环境温度和空气密度的变化使得空气的折射率发生变化，造成发射和接收的困难。外界的光线也是光无线通信的一个不可忽视的干扰源。光无线技术虽前景诱人，但实现起来还有一定的技术难度。

　　*光纤用户环路FITL。这是宽带接入网的最终形式，它的一般结构其中ADM为异步插入复用设备。光纤接入网的带宽大，但是目前光器件的价格和宽带业务的普及率限制了FITL的发展。

　　综合来看，各种宽带按入技术各有各的特点，长时间会共同存在。

　　3　宽带主干网技术

　　为了更好地支持用户的宽带通信业务，主干网的容量还需进一步扩大。在未来业务需要很大的带和很小的时延是一件很普通的事情。为了发展满足上面要求的健壮和有效的网络技术，须发展新的网络技术。而光网络技术能够解决这些问题。WDM光网络技术可将主干网容量提高1-2个数量级。中国计划发展的“中国高技术信息示范网计划”就是利用WDM网络。未来的光网络包括核心网（是全光网络，无电子设备，尽可能地减少操作时延）和边缘网（是与现存的各种网络技术互连，架构起未来的信息网）。但是WDM技术存在以下的问题：（1）在设计宽带WDM传输系统时，光纤非线性的作用如FWM（four-wavemixing）,spm(self-phasemodulation),XPM(cross-phasemodulation),SRM(stimulationRamanmodulation)应尽可能地加以考虑，因为它们会造成通信损伤；（2）光放大器的工和带宽应足够宽。未来的宽带通信业务的发展将使得光信道的数目大幅度增长，发展更宽带宽的光放大器是目前的研究热点；（3）由于信道间距减少，各个光载波的精确性和稳定性显得十分重要。这是因为WDM网络需要很高的光频率精确性和稳定性，以避免不同频率的光载波在同一根光纤中产生串扰。未来的传输网络要跟上日益增长的带宽的需要，我们还应进一步提高光频谱的利用率，甚至达到一赫兹一比特。这就对光频率的准确性要求更加严格。应该加强各种先进的光器件的研究。

　　4　与IP网的互连

　　IP网在近年发展迅速，成了主流的网络技术。但IP网络还存在接入速率低，提供的业务较单一，主要集中于文本传输。ATM作为新一代的交换和传输技术可用来提高IP网主干的传输速率和用户接入速率。TCP/IP协议可用各种物理网络来进行传输，并和ATM传输交换技术没有冲突。但是ATM技术是面向连接，业务分级，QoS保证的网络技术，而IP网是非连接，不可靠，尽力传输的网络技术，将这两种差别较大的网络协议互连还存在一定的技术难度，在ATM网络上承载IP业务称为IP　overATM。IPoverATM技术只对数据流的第一个数据包进行路由处理，根据路由建立虚电路（VC），以后的数据包包沿VC以直通（Cut-Through）的方式进行传输。IPoverATM有两种类型：

　　（1）叠加型的IPoverATM，这种技术将ATM当作数据链路层，就如局域网中的以太网技术，远程网络中的帧中继，X.25一样。又称为传统的IPoverＡＲＭ。

　　（2）集成型IPoverATM，这种类型中网络不再象第一种那样有IP和ATM两个层次，交换机不再有ATM地址到IP地址的转换。属于这种类型的有IPSwitching多协议标记交换。传统的IPoverATM由于要将两个协议直接映射，造成两层的一些功能重复，开销较大。ATM本身支持多点通信，但是要将ATM多点通信技术和IP网的多点业务适配还存在一些困难。ATM上的多播组管理比传统的广播型网络技术复杂许多，具体存在以下问题：（a）ATM地址方案（组地址的定义）和信令协议的优化；（b）多点通信的规模收到了多播路由的限制；（c）多个用户给同一用户发送的数据要以一定的方式合并在一起。

　　IP网为了支持Qos，提出了RSVP协议。它允许在IP网中预留一定的资源给特定的业务。而ATM技术提供了强有力的QoS保证，这使得IP业务能有效地利用传输资源，要想在ATM环境中有效地支持RSVP，应将ATM和IP两层的功能紧密结合起来，具体要做到：（1）将IP业务类型映射到相应的ATM业务类型上；（2）将IP的预留协议映射到ATM信令上；（3）对承载特定IP流的ATM虚电路进行管理。

　　5　安全问题

　　网络安全问题是一个十分重要的问题，影响着这个网络技术的发展。ATM论坛成立了一专门小组研究安全问题，与其它网络相比，ATM安全问题的研究才刚起步。ATM网络的安全问题有其自身的特点，如：虚电路窃取和业务分析。所谓虚电路窃取是指用户非法将信元头的VCI,VPI的值改变，从而达到窃取他们的虚电路的目的。我们知道，ATM是保证用户通信质量的网络，如果网络不安全，虚电路可能被他人盗用，服务质量将变得毫无意义。业务分析是指攻击者通过收集分析一条虚通路的容量、时序和通信方式等信息从而获得自己想要的信息的一种手段。ATM网络加密也是一个难题。首先是难以找到能够满足交换节点高速通信要求的加密解密算法。宽带ATM技术支持的通信速率达几百兆bps甚至Gbps，还有就是ATM信元长度小，有效载荷　48字节，因此任何长度大于384比特的块加密算法都不适用于ATM。ATM技术很复杂，为这种复杂的网络技术提供安全保护将更复杂。

　　在新的世纪，ATM技术将面临许多的挑战和机遇，只有从各个方面改进技术，为各种用户业务提供方便的接入方式，吸引更多的用户才是发展之道。