ATM是一种面向连接的、基于信元交换的、采用统计时分复用技术的快速分组交换技术，它诞生于20世纪80-90年代，旨在为语音、数据和视频等多种业务提供一个统一的、高速的、可扩展的网络平台。
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以下是ATM技术最核心的几个特点,我将逐一进行解释：
基于信元的交换
这是ATM最根本的特征，与传统的以太网使用可变长度的数据帧不同，ATM将所有信息（无论是语音、数据还是视频）都分割成固定长度的信元进行传输。
- 信元结构：每个ATM信元由 5个字节的信元头 和 48个字节的净荷 组成，总共53个字节。
- 信元头：包含了路由、流量控制和差错控制等必要信息，其中最重要的字段是虚路径标识符和虚通道标识符,用于建立和维护虚电路。
- 净荷：承载着实际要传输的用户数据。
- 优点：
- 交换速度快：固定长度的信元使得网络设备（交换机、路由器）可以用硬件进行高速的转发处理,大大降低了交换延迟和复杂性。
- 可预测的延迟：因为信元大小固定，所以交换和处理每个信元的时间是固定的，这对于对延迟敏感的业务（如实时语音、视频）至关重要。
面向连接的特性
ATM在数据传输之前，必须先在源端和目的端之间建立一条虚电路。
- 两个阶段：
- 连接建立：发送端通过信令协议（如Q.2931）向网络请求建立连接，网络根据路由算法为这条连接分配一条从源到目的的路径，并为路径上的每个节点分配VPI/VCI值。
- 数据传输：一旦连接建立，所有的信元都将沿着这条预先确定的路径进行传输，信元头中的VPI/VCI值会随着在每个交换机的转发而改变,以保持路径的正确性。
- 连接拆除：通信结束后，通过信令协议释放这条虚电路,所占用的网络资源也随之被释放。
- 优点：
- 服务质量保证：面向连接的特性使得网络可以为每条连接预先分配资源（如带宽、缓存）,从而能够提供不同等级的服务质量保证。
- 有序传输：由于所有信元都走同一条路径，它们会按照发送顺序到达目的地,无需在接收端进行复杂的排序。
统计时分复用
这是ATM实现高效率的关键技术。
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- 对比传统时分复用：在传统的时分复用（如早期的PCM电话系统）中，时间被划分为固定时隙，每个用户独占一个时隙，即使没有数据传输，这个时隙也会被浪费掉，这被称为“静态时分复用”。
- ATM的方式：ATM将链路的带宽划分为一个连续的信元流，来自不同用户（不同虚电路）的信元被“交织”在一起在一条物理链路上传输，如果某个用户没有数据发送,那么它的时隙就可以被其他用户使用。
- 优点：
- 高带宽利用率：极大地提高了网络带宽的利用率，非常适合突发性数据业务（如计算机数据）,因为数据通常是间歇式传输的。
- 支持多业务：可以将语音、数据和视频等多种业务复用到同一个物理网络上。
服务质量 保证
这是ATM设计的核心目标之一，也是它区别于早期“尽力而为”的IP网络的最大优势,ATM通过多种机制来保障QoS：
- 业务类型：定义了四种不同的业务类型，以满足不同应用的需求：
- CBR (Constant Bit Rate - 恒定比特率)：为需要固定带宽和极低延迟的应用（如 uncompressed video, T1/E1 电路仿真）提供专用带宽。
- rt-VBR (Real-Time Variable Bit Rate - 实时可变比特率)：为对延迟和抖动敏感，但数据速率可变的业务（如 compressed video, 视频会议）提供保证。
- nrt-VBR (Non-Real-Time Variable Bit Rate - 非实时可变比特率)：为对延迟不敏感，但有突发流量特性的业务（如 email, 文件传输）提供保证。
- UBR (Unspecified Bit Rate - 未指定比特率)：类似于IP网络的“尽力而为”服务,不提供任何QoS保证。
- QoS参数：在建立连接时，用户可以协商并承诺以下参数，网络会据此进行资源预留和流量控制：
- 峰值信元速率：发送方可以发送信元的最高速率。
- 可持续信元速率：长期的平均发送速率。
- 最大突发尺寸：可以一次性发送的信元数量。
- 信元丢失率：网络允许丢失的信元比例。
- 信元延迟和抖动：对信元传输时间和时间差异的限制。
硬件交换与高速度
由于信元结构简单且固定，ATM交换机可以完全使用专用集成电路来实现,而不是依赖CPU进行软件路由。
- 优点：
- 极低的交换延迟：硬件交换的速度远快于软件路由,通常可以达到微秒甚至纳秒级别。
- 高吞吐量：能够支持从T1/E1 (1.544/2.048 Mbps) 到 OC-3/STM-1 (155.52 Mbps)，再到 OC-12/STM-4 (622.08 Mbps) 乃至更高速率的链路。
层次化寻址与流量控制
ATM的寻址和流量控制采用了层次化的结构。
- 层次化VPI/VCI：
- 虚路径：在大型网络中，可以将多条虚通道捆绑在一起形成一个虚路径，这简化了网络管理，因为只需在VP的入口和出口进行管理,而无需管理VP内部的每一条VC。
- 虚通道：VP内部的每一条逻辑连接。
- 流量控制：ATM不仅提供端到端的流量控制（通过业务参数约定），还在每个交换机上提供本地管理器功能，通过漏桶算法等机制对进入交换机的信元流进行监管和整形，防止某个用户或业务流过度占用资源,从而保护了整个网络的稳定性。
ATM的特点一览表
| 特点 | 描述 | 优点 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| 基于信元交换 | 使用固定53字节的信元进行传输。 | 交换速度快，延迟可预测。 | 语音、视频等实时业务。 |
| 面向连接 | 传输前需建立虚电路。 | 提供QoS保证，数据有序传输。 | 对可靠性、顺序和延迟敏感的业务。 |
| 统计时分复用 | 动态分配带宽，按需分配时隙。 | 带宽利用率高，支持突发性数据。 | 数据、视频等多媒体业务混合传输。 |
| 服务质量保证 | 通过业务类型和参数协商保障QoS。 | 能同时满足语音、视频、数据的不同需求。 | 企业核心网、宽带综合业务数字网。 |
| 硬件交换 | 依赖ASIC芯片进行高速转发。 | 延迟极低，吞吐量极高。 | 骨干网络、高性能计算环境。 |
| 层次化寻址 | VPI/VCI两级结构，简化管理。 | 适合构建大规模、可扩展的网络。 | 广域网、城域网。 |
局限性与衰落
尽管ATM技术非常先进，但由于其技术过于复杂（如信元头的开销、复杂的信令和流量控制协议），且成本高昂，在与简单、灵活、低成本且后来通过DiffServ、MPLS等技术补齐了QoS短板的IP网络的竞争中逐渐落败。
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ATM的理念（如信元交换、标签交换、QoS保证）被现代IP网络技术所吸收和发展，
- MPLS (多协议标签交换) 可以看作是ATM在IP世界中的精神继承者，它使用标签代替VPI/VCI来实现快速转发和流量工程。
- 以太网 的速度不断提升，并逐渐通过 1p优先级 和 DiffServ 等机制来提供QoS能力,最终在局域网和城域网中完全取代了ATM。
尽管ATM已不再是主流技术，但它在网络发展史上留下了深刻的印记,其许多核心思想至今仍在影响着现代网络的设计。
