第十一章

非同步傳輸模式網路

ATM

(Asynchronous Transfer Mode)

「非同步傳輸模式」(Asynchronous Transfer Mode, 簡稱ATM) 網路是目前最新一代的高速網路，由於其具有相當完善的服務品質保障功能，因此受到全世界先進國家的重視，紛紛投入大量的人力及物力進行研發的工作。ATM 網路的相關技術漸趨成熟，目前已經邁入實用的階段。我國目前正大力推展的「國家資訊基礎建設」(National Information Infrastructure, 簡稱 NII) 也是以ATM 網路為骨幹，希望藉此建立國家的資訊高速公路，提供未來大量資訊傳輸的橋樑。 NII 建設所需的ATM 骨幹網路將由中華電信公司負責架設。除了提供一般的通訊服務外也可提供更先進的服務，如「遠距教學」(Distance Learning)、「隨意視訊」(Video-on-Demand)、「視訊會議」(Video Conference)等等。而連接在 ATM 網路上的 WWW Server 也可以提供更快速、豐富的節目及內容。 ATM 網路將在廣域網路 (WAN) 中扮演極為重要的骨幹網路角色。ATM網路雖然也適用於區域網路的環境，但由於近年來ATM網路的價格仍然偏高，加上Gigabit Ethernet於1998年三月標準底定後，兩者在區域網路市場的競爭更將白熱化。本章將介紹 ATM 網路的基本原理，並且說明其與傳統網路（如 Ethernet、Token-Ring、FDDI) 的差異性。

ATM 網路的架構是以「交換機」(switches)為主體，每一個交換機有若干個輸入輸出「埠」(port)。工作站（或PC) 上的ATM 網路控制卡則經由傳輸媒介（如雙絞線、同軸電纜、光纖）連接到一個埠上。因此一個簡單的ATM 網路可以只包含一個 ATM 交換機及若干部的工作站。當然 ATM 交換機之間也可以相連而形成較大的網路（如校園網路）。圖11-1 所示的 ATM 網路包含一個ATM區域網路及一個 ATM 廣域網路；其中每一個網路包含三個交換機。ATM 網路的特性如下：

多種傳輸速率。與 ATM 交換機相連的每一部工作站都有一條專線連接到交換機，該傳輸線的頻寬為此工作站所專用。目前制定的標準中，傳輸速率包含 622Mbps、155Mbps、100Mbps、51Mbps、25Mbps 等等。其中又以155Mbps 最為常用。也就是說每一部工作站可以使用高達 155Mbps 的傳輸頻寬。

傳送資料單位為固定長度 之「細胞」(cell)。

多種傳輸媒介。工作站除了有專屬頻寬外，ATM 交換機上的每一個埠也可以使用不同的傳輸媒介。較常用的傳輸媒介有光纖、同軸電纜、雙絞線等等。無線ATM網路則尚處於雛形建立階段，距離實用尚有一些問題待克服。這使得工作站連接上網路的方式更具有彈性，伺服器級的工作站可以使用100Mbps 以上的傳輸速率搭配光纖，一般的用戶(clients) 則可以使用51Mbps 以下的傳輸速率搭配雙絞線以降低使用成本。傳統網路(Ethernet, FDDI, Token-Ring)通常要求每一個工作站必須使用相同的傳輸媒介（如 Ethernet 可有粗線 Ethernet (10Base5,使用粗同軸電纜）、細線 Ethernet (10Base2,使用細同軸電纜）、10BaseT (使用雙絞線）、10BaseF (使用光纖）等等）。雖然目前有些 FDDI 網路可以讓工作站以不同的傳輸媒介連接上FDDI 網路的「中樞器」(Concentrator)，如100Mbps Taxi 光纖界面及100Mbps 雙絞線界面，但是傳統網路是不允許工作站以不同的傳輸速率連接上網路的。

累加型頻寬。目前使用最普及的 Ethernet 只有 10Mbps的頻寬，而目前國內許多大學的校園網路，FDDI 網路，則具有 100Mbps的頻寬。然而除了頻寬的不同外，頻寬的使用也是截然不同的。Ethernet 及 FDDI 網路都是屬於「頻寬分享」(Shared bandwidth) 型網路，也就是說網路上所有的工作站共同分享網路的頻寬 (10Mbps 或 100 Mbps)。網路上工作站接得越多則平均每一部工作站所能使用的頻寬就越少。其最直接的影響就是傳輸資料所需要的時間變長，對於一些具有即時傳輸需求的應用（如聲音、影像、視訊）則可能無法提供令人滿意的服務。ATM 網路是屬於「頻寬累積」(Aggregated bandwidth) 型網路，也就是說網路的頻寬不是固定的，而是由所有傳輸線的頻寬累加起來。例如一個ATM交換機如果接上16部工作站而每部工作站的傳輸速率為 155 Mbps, 則此ATM網路的頻寬為將近 2.4 Gbps (155Mbpsx16=2.4 Gbps)。雖然屬於累加型，ATM交換機頻寬仍然有其極限。通常此極限決定於交換機中的線路設計。而此頻寬極限也限制了同時可以連接上一個交換機的工作站數量。

連線導向通訊模式。傳統網路是屬於「非連線式」(connectionless) 的網路。也就是說，網路上的任何二個工作站在通訊之前不必先建立連線。工作站只要準備好欲傳送之「訊框」，然後便依據該網路之通訊協定（如 Ethernet 的 CSMA/CD, FDDI 的訊標傳遞) 於適當的時機將該訊框傳送出去。由於每一個訊框都包含原始工作站及目的地工作站的位址，因此目的地工作站可以順利的收到該訊框。事實上，每一個訊框可以視為一封信（有寄信人及收信人住址），而傳統網路的傳送方式則可以視為一個郵遞系統。ATM 網路是屬於「連線導向」 (connection-oriented) 的網路。也就是說，ATM 網路上的任何二個工作站在通訊之前必須先建立連線。例如兩個工作站間如果要傳送檔案則必須先建立一條連線。又例如多媒體工作站上的使用者可能因為要編輯一個多媒體節目而到一個「視訊伺服器」(Video Server) 上擷取視訊訊息，同時又到另外一個「音訊伺服器」(Audio Server) 上擷取配樂或背景音樂。此時該工作站就必須同時分別和「視訊伺服器」及「音訊伺服器」建立一條連線。ATM 網路就像是一個電話系統，在通話之前必須先打通電話（建立連線）。

提供傳輸服務品質保証。ATM網路的運作模式雖然與電話系統相似，但是每一條連線卻可以有不同之「服務品質」(Quality of Service, 簡稱 QoS)。例如用來傳送檔案的連線可能只要求資料的正確性而不須即時傳送，而視訊或音訊卻要求訊息要在一定的時間之內送到接收端，否則便來不及播放。不過在不影響播放品質的前提下，可以允許少量的訊息在傳送的過程中流失。為了能較具體的描述服務品質，ATM網路使用量化的參數表示之。如「最高傳送速率」(peak rate)、「平均傳送速率」(average rate)、「時間延遲」(delay)、「時間延遲變異度」(delay jitter)、「細胞流失機率」(cell loss probability) 等等。每一條連線的服務品質是在連線建立時由工作站與網路協商完成的。首先由工作站提出其需求，而網路中則有一個頻寬管理系統來負責檢查目前的網路狀況能否滿足該連線所提出的服務品質需求。這必須考慮到不影響已經建立的連線的服務品質。如果該頻寬管理系統同意接受此連線之建立則必須給予其所提出的服務品質保障 (QoS guarantee)。也就是說，網路將盡其所能使該連線的資料在傳送時能享有其服務品質。如果該頻寬管理系統認為接受此連線之建立會影響到其他已經建立的連線的服務品質，則可以拒絕此連線之建立要求。這種控制連線能否建立的機構便稱為「允入控制」(Admission control)。相對於網路必須提供服務品質的保障給每一條連線，每一條連線在傳送資料時也應該遵守當初的約定。由於在連線建立時使用者通常不容易準確預估其所需要的服務品質（如要頻寬多寡），因此當資料傳送時往往會超出當初所協商的水平。為了避免對網路造成不良影響，網路（交換機或網路界面卡）會有一個監控使用者傳送狀態的機制，稱為「使用者參數控制」(Usage Parameters Control, UPC)。當使用者傳送過多的資料時，此機制通常有兩種作法。第一種是將超出協商的部份全部丟棄，第二種是依當時網路狀決定，如果網路負擔尚輕則將這些多出來的部份標記後依然放行。在傳送的過程中如果發生擁擠的現象則這些被標記的部份將優先被丟棄。

提供多元化傳輸服務。針對應用程式的不同需求， ATM 網路提供多元化傳輸服務。包括有「常速率」（Constant Bit Rate, CBR） 服務、「變速率」（Variable Bit Rate, VBR）服務、「餘速率」（Available Bit Rate, ABR）服務及「未知速率」（Unspecify Bit Rate, UBR）服務。常速率服務因為提供類似專線的服務，因此又稱之為「線路模擬」(Circuit Emulation) 服務。變速率服務可讓使用者在傳送資料時以不相同的速率傳送，常見的應用是壓縮的音訊或視訊資料。常速率服務與變速率服務通常都提供傳送時的品質保障。為了讓不需要即時傳送的傳統應用軟體（如檔案傳輸）也能在 ATM 網路上運作，ATM 又提供了餘速率服務。此類服務設計用來服務一些既存的區域網路通訊協定，只能使用線路上目前所剩餘的頻寬來傳送資料。一旦線路上的頻寬都保留給具服務品質保障的連線時，使用餘速率服務的資料便無法傳送，必須暫時存在緩衝器中，直到線路又有多餘頻寬為止。而為了防止此服務的傳輸造成網路壅塞，在流量控制方面使用以速率為基本（Rate based）的機制來作為餘速率的壅塞控制。也就是說，在ATM細胞中使用資源管理細胞（Resource Management cell, RM cell）或顯性順向壅塞指示位元（Explicit Forward Congestion Indication, EFCI ）來告知網路中壅塞發生與否。未知速率服務不提供任何的服務保證。使用者可在其規定的最大限度內自由傳送資料，但是網路不保證其細胞流失（cell loss）、延遲（delay）、延遲變異（delay variation）等。所以，對於未知速率服務也不做任何的流量控制。

　

圖11-1 ATM網路範例

當連線建立完成後工作站就可以開始傳送資料。與傳統網路不同的是ATM網路上所傳送的是固定大小的資料，稱為「細胞」(Cell)。每一個細胞的長度為 53 位元組，包括 5 位元組的細胞標頭 (Cell Header) 及 48 位元組的酬載 (payload), 如圖 11-2 所示。其中

GFC(Generic Flow Control)：流量控制欄位 (4 位元），用來控制使用者與網路間傳送細胞的流量。此欄位只有在 UNI (User-Network Interface) 介面間傳送的細胞才代表流量控制。在 NNI (Network-Network Interface) 介面間傳送的細胞中，此欄位將擴充為 VPI 欄位。

VPI (Virtual Path Identifier)：虛擬路徑辨識碼 (8 位元），用來辨識此細胞屬於哪一條虛擬路徑。

VCI (Virtual Channel Identifier)：虛擬通道辨識碼 (16 位元），用來辨識此細胞屬於哪一條虛擬通道。

PTI (Payload Type Identifier)：酬載型態辨識碼 (3 位元），用來辨識酬載的資料型態。

CLP (Cell Loss Priority)：細胞流失優先權 (1 位元），用來指示此細胞遭遇擁塞時被丟棄的優先權。CLP=1 表示此細胞可優先被丟棄。

HEC (Header Error Correction)：細胞標頭錯誤更正欄位 (8 位元），用來更正細胞標頭的前四個位元組中的任何一個位元錯誤及偵測多位元錯誤。

(a) UNI 細胞格式

(b) NNI介面細胞格式

圖 11-2 ATM 細胞結構

傳統網路傳送的資料單位是「訊框」，而且每一種網路所能允許的最大訊框亦不相同。例如 Ethernet 所能允許的最大訊框為 1518 位元組，而 FDDI 所能允許的最大訊框為 4500 位元組。ATM網路之所以捨棄傳統網路採用之訊框（可不同長度）而使用細胞（固定長度）最主要是因為ATM 網路採用交換機的架構。為了簡化交換機之設計及提高資料交換的速度與效能，採用固定長度的資料方式是必然的。

ATM 通訊協定包含三層：實體層(Physical Layer), ATM 層(ATM Layer),及 ATM 調節層(ATM Adaptation Layer, AAL), 如圖11-3 所示。其中實體層為傳輸媒介（如光纖、雙絞線）及界面接頭，ATM 層則負責處理 ATM 細胞（工作站中負責傳送及接收細胞，交換機中則負責完成細胞之交換及多工）。由於一般上層通訊協定傳輸資料的單位為長度不一的「封包」(packet)，而 ATM 層所處理的都是固定長度的細胞(cell)。因此中間需要一層通訊協定來進行兩者間的協調工作，這一層就是ATM 調節層。

圖11-3 ATM 網路通訊協定架構

實體層主要負責提供實體媒介來傳輸ATM細胞。其所具有的功能完全與實體媒介相關連，這些功能包括所有在媒介上的位元傳輸和排列、編碼、光電轉換等等。實體層是獨立的，與ATM層沒有關連，並可使用各種不同的實體媒介來做傳輸。實體層又細分為兩個次層(Sublayer)，即傳輸匯集(Transmission Convergence: TC) 和實體媒介(Physical Medium)，如圖11-4所示。

圖11-4 實體層之架構

一般來說，位元組並非標準的傳輸形式，而是會被重新編碼以提供足夠的狀態資訊，使得接收者能得到正確的時序。而在提供實體媒介傳輸之前有幾點是我們必須加以考量的：(1) ATM網路必須是快速的，(2) ATM網路的錯誤比例必須比其他網路少，(3) 資料傳輸必須是很輕易就可達成的。因此，ATM Forum制訂了四個標準的高速傳輸媒介：

155.520Mbps於單模(single-mode)或多模(multi-mode)之光纖。

155.520Mbps於多模光纖或遮蔽式雙絞線(shielded twisted pair)，並使用8B/10B之編碼。

100Mbps於多模光纖，並使用4B/5B之編碼。

44.736Mbps於同軸電纜(coaxial cable)。

而在低速方面，ATM Forum也一樣有審慎的考量。目前被定義的有：51.840Mbps category-3 非遮蔽式雙絞線、155.520Mbps category-5 非遮蔽式雙絞線、歐洲標準速率 34.368Mbps（E3）和139.264Mbps（E4），和更低速的1.544Mbps（DS-1 or T-1)和2.048Mbps（E1)。

至於傳輸匯集次層在ATM協定中是最下層的匯集層，它主要執行五項特定的工作，而這五項工作都是為了服務上層，即ATM層。

傳輸訊框之產生與復原：如果下層的傳輸系統是個訊框式的傳輸網路，如SONET，SDH或T-3等，那麼在傳送前，傳輸匯集次層就必須將細胞包裝成合法的訊框的格式。在接收端接收到訊框之後，則傳輸匯集次層必須將其訊框再還原成員來的細胞。

傳輸訊框之改裝：其訊框的結構必須適合ATM細胞的傳輸。

細胞之分割：當傳輸匯集次層接收到一個位元串（bit stream）時，傳輸匯集次層必須有辦法偵測出細胞的邊界，以將其位元串還原成細胞。

標頭錯誤檢查序列之產生與驗證：在ATM網路中，對細胞唯一做的錯誤檢查就是利用標頭錯誤檢查序列（HEC）來檢查標頭是否有發生錯誤。因此在傳送之前，傳輸匯集次層必須產生標頭錯誤檢查序列，而接收端則必須檢查。一旦發現錯誤，就必須將其細胞丟棄，以免被送到錯誤的目的地。

細胞速率之調整：在資料的傳送過程中，可能中間會有空白停頓的時間，而接著又有資料要傳送。當傳輸匯集次層在傳送細胞時，便必須為這些空白的時間填入空的細胞。在接收端，傳輸匯集次層則必須將這些空的細胞過濾掉，只將有用的細胞上傳給ATM層。

當然，最重要的是我們必須知道ATM網路是被設計在以光纖為主的網路上執行的。事實上，ATM網路是被設計在一種非常特別的光纖網路上。此種網路，在ITU-T中稱為SDH （Synchronous Digital Hierarchy），在ANSI中稱為SONET（Synchronous Optical NETwork）。SDH和SONET並不相同，但其不同之處主要在於專有名詞，所以我們在此簡單介紹一下SONET。

SONET是由數位傳輸結構(digital transmission hierarchy)改造而來的。而數位傳輸結構，即T-1，T-3，包含訊框(frame)和指標(pointer)，以便容易存取較低速的頻道。它仍是一種頻道化(channelized)的網路，但是SONET將所有頻道形成一個整體的新族群。在美國，開始發展時速度為51.84Mbps到2.1Gbps。未來，將會達到13Gbps。雖然在歐洲也使用相同的技術，但不採用SONET的架構，而是從155Mbps(SONET STS-3)開始起算，此為SDH STM-1。且SDH是以155Mbps為單位的。所以，任何SONET STS的編號除以3即是SDH STM的編號，例如，STS-48=STM-16。

我們常聽到B-ISDN (Broadband-ISDN)、ATM和SONET。然而，三者之間到底有何關係呢？基本上，B-ISDN是一個提供服務的系統，而為了提供服務，便需要ATM的細胞傳輸、交換、和多工的技術，至於SONET便是傳輸ATM細胞的實體幹線。

SONET是一個同步光學網路 (Synchronous Optical NETwork)，其同步是指用來結合頻道的多工方法。SONET藉由保證在多工器輸入端的時序都在一個可忍受的範圍內，而此可容忍的範圍要比T-1網路中的定義要好的多。

表11-1介紹SONET的標準高速頻道。在電子方面（用來產生信號（signal））用STS（Synchronous Transport Signal）來當作字首，主要用在由輸入裝置產生的資料流。在光學方面使用OC（光纖載子，Optical Carrier）當作字首，主要參考經由光纖載子系統所傳輸的信號。

表11-1 SONET與SDH之頻道規格

每一個頻道的速率都是基本STS-1（51.840Mbps）的倍數。目前SONET定義最快的頻道是STS-256（13.271Gbps）。

至於SONET的結構，我們以STS-1為例，其一個訊框是一個長為90，寬為9的陣列，陣列的元素是一個位元組，所以每一個訊框有810個位元組。每秒則傳送出8000個訊框，即每125m s傳送一個訊框。因此，51.840Mbps的基本速率便由此計算得來，8*9*90*8000=51,840,000。其訊框的架構中，如圖11-5所示，主要包含資訊酬載（Information Payload），傳輸負擔（Transport Overhead）和路徑負擔（Path Overhead）。其中前三行為傳輸負擔，佔用1.728Mbps的頻寬，主要用來攜帶有關於SONET傳輸連結（transmission link）的警告指示（alarm indication）、狀態資訊（status information）等。第四行為路徑負擔，佔用576kbps的頻寬，用來傳輸有關SONET之端點間的狀態資與維護資訊。故確實用來傳送使用者資料的頻寬為49.536Mbps。

圖11-5 STS-1頻道之結構

那麼ATM的細胞是如何放入SONET的訊框中的呢？其實很簡單。ATM在SONET的上層，所以細胞會被對應到訊框中，然而他們並不會對應得很整齊。以STS-1架構而例，有9*87=783位元組可裝資料。但是一個ATM細胞長度為53位元組，故一個訊框可裝783/53=14.77個細胞。這意味著有些細胞必須被分割放置到下一個訊框來傳送，因此，在路徑負擔（path overhead）中，有一個所謂的H4指標，用來當作ATM細胞的指標指示器。

至此，我們知道SONET是同步的（synchronous），ATM是非同步的（asynchronous），那麼他們是如何能在一起工作呢？這有兩個原因：一、在SONET中的synchronous是一種時序的方式（clock scheme），用來排列資料，使得其中任何位元組能被結構中的任何層次存取。而在ATM中，非同步（asynchronous）的意思是在資料流中，位元的所有權不是由其位置所能決定的，也就是所謂的統計式多工（Statistical Multiplexing）。故與SONET中的synchronous並不相互衝突。二、ATM在B-ISDN通訊協定模式中比SONET的層次高，所以根據網路中層層不相關的基本理念來說，一層的技術是不需要依靠其他層的。這就好像在ISO七層模式中的TCP/IP一樣，TCP是連結導向的，而IP則是非連結導向的。

雖然 ATM 層處理所有有關細胞的傳送、接收、及交換的工作，它並不知道這些細胞究竟是從哪一種資料轉換而來，例如是一般檔案資料或具有即時性的聲音、影像、視訊資料。這種作法可以使 ATM 層的工作單純化，提高處理的效率和速度，但也因此需要某一層通訊協定來提供能夠滿足各種應用軟體需求的服務。AAL層就是這個負責提供各種不同的服務給上層應用軟體的通訊協定。目前在標準中制定的服務有四類，分別代表常見的四種應用，如表11-2 所示。為了方便起見，此四類服務分別稱為 AAL1，AAL2，AAL3/4，及 AAL5。

表11-2 AAL 層提供之四類服務

第一類的服務提供須建立連線、即時傳輸、及常速率傳送(Constant Bit Rate, CBR)的服務。需要此項服務的應用中以電話通訊最具代表性。一般電話通訊必須先將電話打通，而且聲音在傳送時要求即時傳送，而數位化的聲音傳輸量為常速率的64Kbps （每秒鐘取樣 8000 次，每次取樣轉換為 8 位元）。此類服務因為提供類似專線的服務，因此又稱之為「線路模擬」(Circuit Emulation) 服務。

第二類的服務提供須建立連線、即時傳輸、及變速率傳送(Variable Bit Rate, VBR)的服務。需要此項服務的應用中以經過壓縮的視訊或音訊(compressed video and audio) 最具代表性。大家都知道視訊及音訊需要即時傳輸而且需要事先建立連線，除此之外，為了減少傳送時所需的頻寬，這些訊號在傳送時一般都經過壓縮處理。例如常見的視訊壓縮技術有 JPEG 及 MPEG。為了讓數位化的視訊在接收端解壓縮(decompression) 播放時不失真，通常每秒鐘必須傳送 30 張畫面。JPEG 壓縮技術是將每一張畫面單獨壓縮，而 MPEG 則是採用相對壓縮技術，第一張畫面單獨壓縮，以後的數張則只傳送與前一張畫面的差異值。由於每一張畫面的複雜度可能不同，因此壓縮後的資料量也不盡相同。這就是所謂的變速率傳送。

第三類的服務提供須建立連線、變速率傳送、但不須即時傳輸的服務。需要此項服務的應用中以檔案傳送及遠端簽入最具代表性。一般檔案傳送（如 ftp)及遠端簽入（如 telnet) 必須先建立連線而且資料在傳送時以不定量的方式傳送，除此之外，其資料並不要求即時傳輸。

第四類的服務提供不須建立連線、變速率傳送、也不須即時傳輸的服務。需要此項服務的應用中以網路管理系統中的資料查詢最具代表性。網路管理系統通常以 SNMP (Simple Network Management Protocol) 為通訊協定，其下則有非連線式的通訊協定（如 UDP, IP)。這類的通訊協定在運作時不需要建立連線而且不要求即時傳送。

由於 ATM 層所提供的服務是將一個固定長度 (53 bytes) 的「細胞」 (Cell) 傳送出去，對於高層軟體來說，必須有一個部份來負責做訊框切割與組合的工作。這個工作就是由「切割與組合次層」(Segmentation And Reassembly Sublayer, 簡稱 SAR Sublayer) 來負責。上層的通訊軟體（如 IP, IPX) 將封包交給 AAL 層，AAL 層中的 SAR 則將之切割成許多長度為 48 位元組的單元然後往下交給 ATM 層處理。ATM 層則先加上 5 個位元組的細胞標頭完成細胞的組裝工作，然後將細胞在適當的時間傳送出去。接下來我們說明一個封包如何被切割成固定長度的細胞及工作站收到這些細胞之後如何組合成原來的封包。

首先我們先看看 AAL 層訊框的格式。AAL 層提供四種不同型態的服務品質 (AAL1，AAL2，AAL3/4，AAL5)，而且每一型態都包含一個「匯集次層」(Convergency Sublayer，簡稱 CS) 及「切割與組合次層」(SAR)。以下針對每一種型態說明其 CS 次層訊框 (CS frame) 如何被切割及組合。

正常的情形下，常速率 (CBR) 服務使用 AAL1 型態，因為它以常速率的方式至上層通訊協定接收/傳送「服務資料單元」(Service Data Units, SDU)。AAL1 也傳送原始工作站與目的地工作站間的時間資訊 (Timing Information)。除此之外，如果有必要，有關資料結構的資訊也可經由 AAL1 型態傳送。AAL 1 型態的 SAR-PDU 長度為 48 位元組，包含「通訊協定控制資訊」(Protocol Control Information, PCI, 1 位元組) 及酬載(47 位元組）, 如圖11-6 所示。其中

SN (Sequence Number)：順序號碼欄位 (4 位元）。此欄位又分為 CSI(Convergence Sublayer Indication) 欄位（1 位元）及 SC (Sequence Count) 欄位（3 位元）。CSI 用來指示此 SAR-PDU 是否攜帶有關時間及資料結構的資訊，SC 則用來檢查細胞是否有流失或插入不當之細胞。

SNP (Sequence Number Protection) ：順序號碼保護欄位 (4 位元）。此欄位又分為 CRC 欄位（3 位元）及 P (Even Parity) 欄位（1 位元）。CRC 用來保護 SN 欄位，而 P 欄位則進一步保護前面 7 位元資料使之成為 Even Parity。CRC 使用之多項式為 G(x) = x³ + x + 1。

圖 11-6 AAL1 型態 SAR-PDU 之包裝

AAL 2 型態的 SAR-PDU 長度為 48 位元組，包含酬載(47 位元組）及前後各 4 位元之「酬載頭」及「酬載尾」, 如圖11-7 所示。其中

SN (Sequence Number)：順序號碼欄位 (2 位元）。SN 用來檢查細胞是否有流失或插入不當之細胞。

IT (Information Type)：資訊型態欄位 (2 位元）。資訊有下列四種型態：

BOM(Beginning of Message): 表示此酬載為此 CS-PDU 的第一個酬載。

COM(Continue of Message): 表示此酬載為此 CS-PDU 的中間酬載。

EOM(End of Message): 表示此酬載為此 CS-PDU 的最後一個酬載。

SSM(Single Segment Message): 表示此酬載為此 CS-PDU 唯一的酬載。

Length：酬載長度欄位 (2 位元）。

CRC：酬載檢查碼欄位 (2 位元），檢查酬載內容是否傳送錯誤。檢查範圍包含酬載頭、酬載、及酬載長度欄位等。

　

圖 11-7 AAL2 型態 SAR-PDU 之包裝

AAL 3/4 型態的資料在傳送時首先 CS 次層在包裝上層的封包時加上長度分別為 4 位元組的訊框標頭 (Header) 及訊框尾標 (Trailer) 使之成為 CS-PDU, 如圖11-8 所示。其中

CPI(Common Part Indicator)：共同部份指示欄位 (8 位元）。在 AAL 3/4 型態下， CPI = 00000000。

Btag/Etag (Beginning/Ending Tag)： Btag (8 位元）及 Etag (8 位元）值相同, 代表屬於同一個封包。其值由 0 到 255 輪迴使用。

BAsize (Buffer Allocated Size)：緩衝器大小欄位（16 位元），代表接收端在接收此封包時所需的緩衝器大小。

PAD (Padding)：填塞欄位 (0 - 3 位元組），用來使 CS-PDU 的長度為 4 的整數倍。填塞內容無特別意義。

AL (Alignment)：對齊欄位 (8 位元），用來使訊框尾標的長度為 32 位元，其值無特別意義。

Length：長度欄位 (16 位元），用來記錄 CS-PDU 的長度。

　

圖11-8 AAL 3/4 CS-PDU 之包裝

在傳送一個 CS-PDU 前首先必須將 CS-PDU 切割成一些長度為 44 位元組的「片段」(Segments)，如圖11-9所示。然後將每一個片段加上長度為兩個位元組的「片段頭」及「片段尾」。其中

ST(Segment Type)：片段型態欄位 (2 位元）。片段有下列四種型態：

BOM(Beginning of Message): 表示此片段為此 CS-PDU 的第一個片段。

COM(Continue of Message): 表示此片段為此 CS-PDU 的中間片段。

EOM(End of Message): 表示此片段為此 CS-PDU 的最後一個片段。

SSM(Single Segment Message): 表示此片段為此 CS-PDU 唯一的片段。

SN (Sequence Number)：順序號碼欄位 (4 位元），表示此片段在傳送時的順序，其值為 0 到 15。第一個片段的順序為 0, 以後則每一個片段加 1，直到 15 為止。15 之後又從 0 開始使用。

P (Priority)：優先權欄位（1 位元），P=1 表示此 CS-PDU 具有優先權，P=0 表示此 CS-PDU 為一般之 PDU。

MID (Multiplexing Identifier)：多工辨識碼欄位（9 位元），屬於同一筆 CS-PDU 的片段有一個相同的識別碼。

PL (Payload Length)：酬載長度欄位 (6 位元），所有的片段長度都是 44 個位元組，除了最後一個。如果片段的長度不是 44 的整數倍則最後一個片段的長度小於 44。因此使用 6 位元來記錄其長度即可。

CRC ：酬載檢查碼欄位 (10 位元），利用 CRC-10 檢查碼來檢查片段內容是否傳送錯誤。檢查範圍包含片段頭、片段酬載、及片段長度欄位等。

圖11-9 AAL 3/4 片段之包裝

接下來我們說明工作站（或橋接器、路徑器）如何能夠在所收到的許許多多細胞中辨認出那些是要傳給自己的。每一個CS-PDU 都有「目的地位址」 (Destination Address)欄位，而這個欄位在切割時會被放到第一個片段中。換言之，第一個片段 (型態為 BOM) 將包含此資訊。網路上的任何一個工作站在收到屬於 BOM 型態的片段時都必須進一步檢查其中的目的地位址是否等於自己。如果是則將該片段拷貝下來並且將其中的「多工識別碼」記錄下來。以後只要收到型態為 COM 而且多工識別碼相同的片段就表示屬於同一 CS-PDU，可以拷貝起來。最後當型態為 EOM 而且多工識別碼相同的片段也收到時則表示該筆 CS-PDU已接收完畢，可以開始進行組合的工作。

由於每一個片段都有一個順序編號，因此接收端可以由所接收到的順序中檢查出片段是否有流失。如果一個片段在傳送的過程中發生錯誤則可以利用位於片段尾的 CRC 檢查碼檢查出來。錯誤的片段將會被丟棄。在傳送的過程中只要有任何一個片段流失或錯誤，則接收端將無法組合成原來的CS-PDU。3h此時所有其他接收到的將會被丟此時所有其他接收到的片段將會被丟棄。由於順序編號只佔了四個位元，而且其值為循環使用，因此在傳送的過程中如果連續流失 16 個片段將使接收端無法檢查出此錯誤而進行組合的工作。不過在組合完成之後會發現其長度不對而將之丟棄。無論哪一種情形，工作站無法在 ATM 通訊協定要求傳送端重送流失的 CS-PDU。使用者如果需要高可靠度的傳輸則必須依賴上層通訊協定 (如 TCP) 的協助。

另外一種比較複雜的錯誤狀況可能發生在傳送端連續傳送兩個CS-PDU 給相同的接收端而且使用相同的多工識別碼。當然每一個CS-PDU 都會被切割成許多 片段而且以 BOM，COM，COM，…，COM，EOM 的順序傳送。如果第一個 CS-PDU 的 EOM 和第二個 CS-PDU 的 BOM 同時流失，則接收端會將屬於兩個 CS-PDU 的片段視為屬於同一個 CS-PDU（因為有相同的多工識別碼）而進行錯誤的組合。為了避免這個問題，每一個 CS-PDU 的頭尾都有一個內容相同的 BEtag (Beginning-Ending Tag) 旗標，而且不同的 CS-PDU 使用不同的旗標。如此一來，接收端如果發現組合後的頭尾旗標不一致則將該 CS-PDU 丟棄。

AAL 5 型態的資料在傳送時不像 AAL 3/4 般保護每個片段而採用最直接的方法。CS 次層在包裝上層的封包時沒有加上訊框標頭 (Header)，只在封包最後加上 PAD 及訊框尾標 (Trailer)，如圖11-10 所示。其中 PAD (Padding) 的目的是要使整個訊框的長度為 48 的整數倍。

圖11-10 AAL5 CS 次層包裝上層封包

SAR 次層則非常直接的將包裝好的訊框切割成長度為 48 位元組的片段，然後就交給 ATM 層處理，如圖11-11 所示。 為了讓接收端在組合時能知道哪一個片段為最後一個片段，在細胞標頭中使用了一個 more flag。所有的片段其 more flag 為 true, 只有最後一個片段其 more flag 為 false。接收端在組合時則盲目的將收到的片段串接起來直到最後一個片段收到為止。此時再利用訊框最後面的 CRC-32 檢查訊框是否正確。

圖11-11 AAL 5 片段切割方式

這種切割/組合方式除了非常簡單外也可讓每一個細胞酬載較多的資料量（48位元組，AAL 3/4 的酬載量為 44 位元組）。然而其也同時喪失 AAL 3/4 用來保護及組合片段的資訊，如 BOM,COM,EOM, 順序編號,及MID 等等。這也使得接收端在組合片段時必須花更多的時間才能判斷是否能成功的組合。例如在 AAL 3/4 切割方法下每一個片段都有一個順序編號，若有一個片段（細胞）在傳送的過程中流失，則接收端在組合時可依據前後一個片段的順序編號立刻判斷出來而判定組合失敗。然而在 AAL5 的切割/組合方法中卻無法立刻判斷片段的流失，必須等到最後一個片段收到後才能經由檢查碼判定組合是否成功。另外在使用 AAL5 時屬於同一條連線的封包也必須按順序傳送。假設工作站 A 與工作站 B 間有一條連線而工作站 A 有兩個封包要傳給工作站 B，這兩個封包在傳送時都會被切成細胞，但是由於 AAL5 沒有 MID 資訊，屬於這兩個封包的細胞不可以交錯傳送，否則接收端將無法判斷其隸屬於哪一個封包。

交換機的基本架構如圖11-12所示。每一個輸入端均有一個輸入控制器（Input Controller：IC），在每一個輸出端亦有一個輸出控制器（Output Controller：OC）。輸入控制器控制資料進入交換機，輸出控制器則利用輸出線將收到的資料傳送出去。輸入控制器與輸出控制器則利用其中的內接網路傳送資料。

圖11-12交換機的基本架構

矩陣式交換機結構如圖11-13所示，每一條輸入線均與所有輸出線相連接，其連接點便形成一個矩陣的形式。當資料輸入時，依據其路徑資訊將其資料送至適當的輸出端。在這形式的交換機中，緩衝器可以被放置在三個地方：(1) 輸入控制器，(2) 輸出控制器，(3)連接點。介紹如下：

圖11-13矩陣式交換機之架構

1、輸入緩衝器（input buffer）

此結構將緩衝器放置在輸入控制器中，如圖11-14所示。有幾種不同的策略可用來擷取存在緩衝器的資料：

圖11-14輸入緩衝器結構

a、先入先出：這種策略執行簡單，但如果有兩個或兩個以上的資料同時被送到相同的輸出端時，會發生碰撞。而在發生碰撞的資料的緩衝器中，若後面還有資料，那即使這些資料不是要送到那個發生碰撞的輸出端，也必須要等待。所以這種策略簡單歸簡單，但是會發生這種阻擋現象。

b、隨機存取：這種策略就是為了克服先入先出的缺點所產生的。也就是說，當緩衝器中的第一個資料發生碰撞後，第二筆資料就會被送出，依此類推。因此避免了阻擋問題。但這種策略執行起來比較複雜，而且還必須注意到資料的順序，不可亂掉。

2、輸出緩衝器

此結構將緩衝器放置在輸出控制器中，如圖11-15所示。在這種形式的交換機中，只有一種可能會發生碰撞，那就是這矩陣中的元件都運作在相同的速度上，如資料的交換、緩衝器存取。所以可以將資料交換的速度加快並減少緩衝器存取所需的時間來解決碰撞的問題。但是可能會因為技術的問題，使得交換機的大小受到限制。也因為如此，在輸入端必須加一些額外的緩衝器來防止因為阻擋而產生的資料流失。

圖11-15輸出緩衝器結構

3、連接點緩衝器

此種結構的交換機又稱之為「蝴蝶交換機」（butterfly switch），如圖11-16所示。緩衝器放置在連接點上，這樣的話可避免資料相互干擾。但是如果有一個以上的緩衝器對應到同一個輸出端的話，那麼輸出控制器就必須選擇先服務哪一個緩衝器的資料。這種放置方式有個缺點就是每個連接點必須放置一個緩衝器，緩衝器的數量需求不少，且緩衝器不能共享。舉例來說，若一個5*5的交換機，則前兩種交換機只需五個緩衝器，而連接點緩衝器的交換機卻需要25個緩衝器。而且輸入端2與輸出端3的連接點只能存放從輸入端2進來且要從輸出端3出去的資料，其他資料則無法使用此緩衝器。

圖11-16連接點緩衝器結構

1、隨機策略（random）：

顧名思義，隨機策略任意挑選一輸入端來服務，這也是執行起來最簡單的仲裁策略之一。但會產生最大的延遲變異。

2、循環策略（Cyclic）：

此策略以循環的方式來服務輸入端，例如有三個輸入端則服務的順序為1、2、3、1、2、3、、、，這種方法也非常簡單執行，可稍稍改善隨機方法的缺點。

3、狀態相依策略（state dependent）：

此策略挑選有最多筆資料的緩衝器來服務。所以必須比較緩衝器中的資料量，盡量減少資料流失的機率。

4、延遲相依策略 (delay dependent)：

此策略將所有對應到同一個輸出端的緩衝器示為一整個先進先出的緩衝器。也就是說，哪一筆資料先由輸出端送出，就先服務哪一筆。使用此策略交換機就必須記錄所有資料的進出順序，在製作上較為複雜。但可產生最小的延遲變異。

中央記憶體交換機之架構如圖11-17所示，中間內接網路的部份是用一個記憶體來運作。所有輸入控制器和輸出控制器皆與此中央記憶體相連接，且此中央記憶體能被所有的輸入控制器寫入資料，所有的輸出控制器能夠讀取資料。

圖11-17中央記憶體交換機之架構

匯流排式交換機之架構如圖11-18所示，其中內接網路是由一條高速的匯流排所構成，利用時間分割多工（Time Division Multiplexing：TDM）來傳輸。所謂時間分割多工是說時間被分割成小的時間槽，每一個輸入端都會得分配到一的固定的時間槽來傳送資料。若要避免碰撞的發生則匯流排的傳輸能力必須大於所有輸入端的傳輸能力的總和。

圖11-18匯流排式交換機之架構

環狀交換機之結構如圖11-19所示，內接網路為一個環狀網路，所有的輸入控制器與輸出控制器皆連到此環狀網路之上。和匯流排交換機一樣，環狀交換機亦將時間分割為時間槽，分配給各個輸入端。也一樣的就是環狀網路的傳輸能力需大於所有輸入端傳送能力的總和。但如果不足時，則需要一個彈性的分配方法，當然這將會產生一些負擔。環狀網路相對於匯流排來說有一個好處，就是其時間槽可重複使用。這必須要有輸出控制器的配合，及當輸出控制器接收到資料之後，必須將其時間槽中的資料清除，以方便重複使用。

圖11-19環狀交換機之架構

有了固定大小的細胞結構後，可以將ATM 交換機的功能視為是「細胞交換」(cell switching) 。也就是說，ATM 交換機的主要任務是將由每個輸入埠進入的細胞「交換」至適當的輸出埠去。由於ATM網路是連線導向式傳輸，因此在細胞進入網路之前其路徑都已經事先決定。換句話說，當一條連線建立時每一個在此路徑上的交換機都已經將此連線的輸入埠/輸出埠對照表建造完成。當屬於此連線的細胞進入交換機時，該交換機只要查一下對照表就可以知道該細胞應該由哪一個輸出埠送出去。另外每一條通訊線路都有一定的頻寬容量，如 622 Mbps, 155Mbps，100Mbps 等等。為了有效的使用此頻寬，每一條線路都可以酬載許多條不同頻寬需求的連線，只要這些經過的連線其頻寬需求的總和不超過此線路的頻寬容量即可。

為了要容易分辨這些經過的連線，我們將每一條連線稱為「虛擬通道」(virtual channel)。因此每一條虛擬通道都有一個「虛擬通道辨識碼」(Virtual Channel Identification，簡稱 VCI)。為了讓交換機更有效率的完成其交換線路的工作，我們將若干條連線合併起來稱為「虛擬路徑」(virtual path)。因此每一條虛擬路徑都有一個「虛擬路徑辨識碼」(Virtual Path Identification，簡稱 VPI)。有了這樣的設計後，我們就可以用一對的 (VPI，VCI) 來區別經過一條通訊線路上的連線。例如圖11-20中的通訊連線上有三條虛擬路徑其辨識碼分別為 VPI = 100，200，300。其中第一條虛擬路徑包含兩條虛擬通道其辨識碼分別為 VCI = 100, 200。第二條虛擬路徑包含三條虛擬通道其辨識碼分別為 VCI = 100, 200，300。第三條虛擬路徑包含四條虛擬通道其辨識碼分別為 VCI = 10, 20，30，40。這九條的連線都有其唯一的 (VPI,VCI) 辨識碼：(100,100),(100,200),(200,100),(200,200), (200,300),(300,10),(300,20),(300,30),(300,40)。

圖 11-20 VPI 與 VCI 設計範例

這些 (VPI,VCI) 辨識碼便記錄在每一個在通訊線路上傳送的細胞上。當交換機收到一個細胞時便可依其上之 (VPI,VCI) 值來判斷其應屬於哪一條連線，並且依該連線所需求的服務品質處理之。由於一條連線常需要經過許多個交換機，因此連線可以用一連串的 (VPI,VCI) 來表示，其中每經過一段通訊線路便有一對 (VPI,VCI)。為了方便起見，我們用 [(VPI1,VCI1),(VPI2,VCI2),...(VPIn,VCIn)] 來代表一條連線。值得注意的是屬於同一條連線的這些 (VPI,VCI) 其辨識碼不一定要相同。如圖11-21所示為一個具有四個輸入/輸出埠的交換機。其中埠 0 及埠 3 採用無遮蔽式雙絞線(Unshielded Twist Pair, UTP，在100Mbps 傳輸速率下可連接100公尺), 埠 1 採用單模光纖(Single-Mode Fiber, SMF, 在155Mbps 傳輸速率下可連接 20 公里), 而埠 2 則採用多模光纖(Multi-Mode Fiber, MMF, 在155Mbps 傳輸速率下可連接 2 公里)。假設有四條連線經過此交換機（二條由埠 0 進入，二條由埠 3 進入）。為了簡單起見，我們用一個數字來代表 VPI/VCI 值。 因為一條線路在經過交換機前後可有不同之 (VPI,VCI) 辨識碼，因此交換機中的每一個輸入埠必須有一個 (VPI,VCI) 輸入輸出對照表。此對照表還必須包含該連線之輸出埠。如此才能將由輸入端進入的細胞正確的傳送到輸出端。圖中也顯示此四條連線的輸入/輸出埠對照表。其中第一條連線的細胞在進入交換機前的VPI/VCI 值等於 100，這些細胞在進入交換機之後將由埠 1 輸出並且換上新的 VPI/VCI 值 300。第三條連線的細胞在進入交換機前的VPI/VCI 值也等於 100，這些細胞在進入交換機之後將由埠 0 輸出並且使用原來的 VPI/VCI 值。值得注意的是第二條及

圖11-21 ATM 交換機之細胞交換及細胞多工功能範例

第四條連線的細胞都將由埠 2 輸出。此時交換機完成的功能稱之為「細胞多工」(cell multiplexing)。這些細胞由埠 2 輸出時沒有一定的順序，通常是依照細胞進入交換機的順序而定。如果有兩個細胞同時要由埠 2 輸出則其中有一個會被延遲（存在輸出埠 2 的緩衝器中）。

圖11-22所示為一個包含四個交換機 (a,b,c,d) 及四部工作站(A,B,C,D)的例子。圖中已經建立三條連線，其中工作站 (A,B) 間的連線所使用的 VPI/VCI 值為 [(100,10),(200,10),(300,20),(100,20)]，工作站(A,C) 間的連線所使用的 VPI/VCI 值為 [(100,20),(200,20), (300,10)]，而工作站(C,D) 間的連線所使用的 VPI/VCI 值為 [(100,10),(200,10),(300,10)]。圖中同時也展示出各個工作站及交換機代表以上三條連線的 (VPI,VCI) 輸入輸出對照表。當工作站 A 將資料送給工作站 B 時（連線 1) ，每一個送出的細胞的 VPI/VCI 值將等於 (100,10)，這些細胞在經過交換機 a 後其 VPI/VCI 值將變成 (200,10)。經過交換機 b 後其 VPI/VCI 值將變成 (300,20)，最後經過交換機 d 後其 VPI/VCI 值將變成 (100,20)。

圖 11-22 ATM 網路連線範例

前面我們已經說過，工作站在通訊之前必須先建立一條連線。而以上所展示的 (VPI,VCI) 輸入輸出對照表內容便是在連線建立時所填入的。也就是說，建立一條連線事實上就等於填入一連串的 (VPI,VCI)。問題是，兩個工作之間可能存在許多條路徑，當要建立一條連線時，到底要選哪一條？這是傳統的路徑選擇問題。除了頻寬的考慮之外，在選擇路徑時還要注意到滿足「服務品質」的要求。基本上，任何一個 ATM 網路都需要有一個（集中式）或多個（分散式）「允入控制」軟體，其任務便包含有路徑的選擇。如果是集中式則此軟體可能安置在頻寬管理站上，如果是分散式則由所有的交換機來完成此工作。集中式的優點是其具有網路的全貌因此可以挑選到較佳的路徑，其缺點是如果網路很大則需要較久的時間來計算適合的路徑。分散式的優點是具有擴充性，交換機上的軟體不會因為網路的成長而需擴張，其缺點是路徑選擇變得較複雜，為了能選擇較好的路徑，交換機上必須配置「路徑選擇通訊協定」(routing protocol) 以方便交換機之間能夠彼此交換有關路徑方面的訊息。

在集中式允入控制方法下，一個工作站如果要建立一條連線則首先將其要求（包括目的地工作站與服務品質）送給頻寬管理站。頻寬管理站中的允入控制軟體便選擇一條路徑（如果存在的話）。路徑決定後則進一步在此路徑所經過的每一段線路上分配其所使用的 (VPI,VCI)。也就是決定 [(VPI1,VCI1),SW1, (VPI2,VCI2),SW2,...,SWn-1,(VPIn,VCIn)]。 然後將 (VPI1,VCI1) 及 (VPIn,VCIn) 分別通知傳送端及接收端，再將 (輸入埠/輸出埠，(VPIi,VCIi),(VPIi+1,VCIi+1)) 通知交換機 SWi。在此路徑上的交換機則將其所收到的資訊填入相關輸入埠的 「(VPI,VCI) 輸入/輸出對照表」。當傳送端、接收端、及在此路徑上的每一個交換機完成其工作時，此連線就算建立起來了。此後傳送端便可以開始傳送資料，而在此連線上所傳送的所有細胞其上的 (VPI,VCI) 值都將等於 (VPI1,VCI1)。

在分散式允入控制方法下，一個工作站如果要建立一條連線則首先將其要求（包括目的地工作站與服務品質）送給與其連接之交換機（第一個交換機）。該交換機中的允入控制軟體便選擇一條可到達目的地工作站的路徑（如果存在的話）。由於是分散式的關係，交換機只考慮要到達目的地工作站應該要經過哪一個交換機，也就是決定下一個交換機（第二個交換機）。第一個交換機便將該連線的建立要求傳給第二個交換機。第二個交換機在處理完該要求後再將之交給第三個交換機。餘此類推，一直到此路徑上之最後一個交換機處理完後將之傳給目的地工作站。目的地工作站如果同意此連線之建立則回送一個確認訊息。此確認訊息(包含所分配之 (VPI,VCI)) 便沿著該路徑回送到傳送端工作站。沿途則由各個交換機主動分配所使用的 (VPI,VCI) 並且將之填入相關輸入埠的 「(VPI,VCI) 輸入/輸出對照表」。也就是目的地工作站決定 (VPIn,VCIn)，SWn-1 決定 (VPIn-1,VCIn-1)，...，SW2 決定 (VPI2,VCI2)，SW1 決定 (VPI1,VCI1)。 當傳送端接收到帶有(VPI1,VCI1) 的確認訊息時，此連線就算建立起來了。此後傳送端便可以開始傳送資料，而在此連線上所傳送的所有細胞其上的 (VPI,VCI) 值都將等於 (VPI1,VCI1)。在以上所提的連線建立過程當中，只要有一個交換機 SWi 無法同意該連線之建立，便回送一個拒絕訊息給前一個交換機 SWi-1。交換機 SWi-1 則可嘗試走另外一條路徑。如果所有可能路徑都走不通則交換機 SWi-1 便回送一個拒絕訊息給前一個交換機 SWi-2。餘此類推，最後當傳送端接收到拒絕訊息時，此連線就算建立失敗。

由以上的說明我們可以知道無論是集中式處理或是分散式處理，建立一條連線需要花費不少的功夫。這種臨時需要才建立的連線稱之為「交換式虛擬通道」(Switched Virtual Channel, 簡稱 SVC)。建立一條 SVC 除了時間的延遲外還可能因為網路太過忙碌而無法建立起來。這對許多較重要的工作站或應用軟體來說是很不方便的。為了解決這個問題，ATM 網路通常還提供另外一種線路稱之為「永久式虛擬通道」(Permanent Virtual Channel, 簡稱 PVC)。也就是說，頻寬管理站主動的在兩個工作站間建立一條永久性的連線。此連線不因為工作站的因素（如當機或不傳送資料）而取消。只要工作站一開機便有一條連線可到達目的地工作站。傳送端工作站可以在任何時間傳送資料而不必管連線的狀況。雖然 PVC 提供非常便利的通訊環境，不過因為其具有永久性及專用性而往往容易造成頻寬的浪費。相對的，雖然 SVC 必須臨時建立但是卻具有極大的彈性，可以將不再需要的連線立即釋放，提高網路在頻寬管理上的調度能力。一個較完整的 ATM 網路通常都會同時提供 PVC 及 SVC 的服務，使用者可以根據需要採用 PVC，SVC，或兩種同時使用。

在前面我們已經說過為了分辨每一條連線，我們用一連串的 (VPI,VCI) 值來代表一條連線。對於傳送端而言，其只要記得與其直接連接線路上的 (VPI,VCI) 值（即 (VPI1,VCI1)) 即可。資料的傳送過程中自然有交換機來完成每一段 (VPI,VCI) 值的對照工作。這也就是一般所謂的「虛擬通道」的特性。但是要具有虛擬通道的特性似乎只要有 VCI 即可，為什麼還需要 VPI 呢？這種利用雙重辨識碼 (VPI 及 VCI) 的連線辨識方法到底有什麼特別的好處呢？基本上，使用 (VPI,VCI) 是要減少交換機在做 (VPI,VCI) 值對照時所要花費在查表上的時間。舉例來說，假設辨識碼的總長度為 8 個位元。在這種情況下每一條線路最多能提供 256 條虛擬通道 (SVC 或 PVC)。接下來我們來比較兩種不同的虛擬通道辨識法：

(1) 只用 VCI，其長度為 8 個位元。

(2) 使用 VPI 及 VCI，其長度分別為 3 個位元及 5 個位元。

現假設工作站 A 及 B 之間存在 256 條虛擬通道。首先我們討論第一種方法。由於每一段線路上的 256 個 VCI 值都可以自由分配給任何一條經過的虛擬通道，代表每一條由工作站 A 到工作站 B 的虛擬通道的一連串 VCI 便可以有不同的值。例如第一條虛擬通道可能為 [(1),(2),(3)]，第二條虛擬通道可能為 [(127),(35),(255)]，第 k (k <= 256)條虛擬通道可能為 [(208),(254),(38)] 等等。為了區別這 256 條虛擬通道，交換機上的「VCI 輸入/輸出對照表」的大小必須為 256, 如圖11-23所示。每當有一個細胞由輸入埠進入時，交換機必須利用細胞上所記載的 VCI 值在這個表上查出其輸出埠及新的 VCI 值。

圖11-23單一 VCI 辨識碼使用範例

接下來我們討論第二種方法。在這種方法之下，每一段線路可以提供 8 條虛擬路徑而每一條虛擬路徑可以容納 32 條虛擬通道。我們知道由於每一段線路上的 8 個 VPI 值都可以自由分配給任何一條經過的虛擬路徑，代表每一條由工作站 A 到工作站 B 的虛擬路徑的一連串 VPI 便可以有不同的值。例如第一條虛擬路徑可能為 [(1),(2),(3)]，第二條虛擬路徑可能為 [(3),(1),(4)]，第 k 條虛擬路徑可能為 [(7),(6),(2)] 等等。由於範例中的 256 條虛擬通道都是由工作站 A 到工作站 B (相同的傳送端及接收端），在分配每一段線路上的 (VPI,VCI) 值時我們可以做到一條虛擬通道具有一連串相同的 VCI 值。例如

第一條虛擬路徑中的第一條虛擬通道為 [(1,1),(2,1),(3,1)]，

第一條虛擬路徑中的第二條虛擬通道為 [(1,20),(2,20),(3,20)]，

第二條虛擬路徑中的第一條虛擬通道為 [(3,5),(1,5),(4,5)]，

第二條虛擬路徑中的第二條虛擬通道為 [(3,2),(1,2),(4,2)]，

第 i (i <=8) 條虛擬路徑中的第一條虛擬通道為 [(7,5),(6,5),(2,5)]，

第 i 條虛擬路徑中的第 j (j <=32) 條虛擬通道為 [(7,3),(6,3),(2,3)]。

由於每一條虛擬通道具有一連串相同的 VCI 值，區別這 256 條虛擬通道事實上只要區別其所隸屬的 8 條虛擬路徑。換句話說，交換機上的「(VPI,VCI) 輸入/輸出對照表」的大小只要等於 8 即可，如圖11-24所示。每當有一個細胞由輸入埠進入時，交換機只要利用細胞上所記載的 VPI 值在這個表上查出其輸出埠及新的 VPI 值。至於細胞上的 VCI 值則可以原封不動的經過交換機。

圖11-24 VPI/VCI 辨識碼使用範例

由以上的比較我們可以知道使用雙重辨識碼不但可以節省交換機的記憶體空間也可以加快查表的時間，減少細胞在交換機中停留的時間。但是我們應該注意到在以上的範例中我們考慮的是一種較特殊的情況：所有的虛擬通道都是由相同的傳送端到相同的接收端。真實的情況卻不見得是如此，因為一個工作站很可能同時和許多個工作站建立連線。以圖11-25為例，工作站 A 及 B 同時與工作站 C,D 各建立一條虛擬通道。無論對工作站 A 或 B，由於目的地工作站 C，D 不連接到相同的交換機，其所建立的兩條虛擬通道就不可能走完全相同的路徑，一定會在某一個交換機分開。

以圖11-8 為例，工作站 A（B）到目的地工作站 C，D 所建立的兩條虛擬通道 VC1，VC2 (VC3，VC4) 在交換機 SW3 分開。在交換機 SW3 之前由於其所經過的路徑相同，虛擬通道 VC1，VC2 (VC3，VC4) 可以隸屬於同一條虛擬路徑 VP1 (VP2)。交換機 SW3 之後這二條虛擬通道就必須分別隸屬於不同的虛擬路徑。相同的道理，由於工作站 A 及 B 到工作站 C (D) 的二條虛擬通道 VC1，VC3 (VC2，VC4) 在交換機 SW3 之後其所經過的路徑相同，虛擬通道 VC1，VC3 (VC2，VC4) 可以隸屬於同一條虛擬路徑 VP3 (VP4)。從這個例子中我們可以很清楚的看出來交換機可以簡單的分為兩類：第一類交換機只負責處理虛擬路徑的交換工作，如 SW1、SW2、SW4、SW5。第二類交換機除了負責處理虛擬路徑的交換還負責虛擬通道的交換工作，如 SW3。為了方便起見，我們將第一類交換機稱之為「虛擬路徑交換機」(VP Switch)而第二類交換機則稱之為「虛擬路徑/虛擬通道交換機」(VP/VC Switch)。由於「虛擬路徑/虛擬通道交換機」在完成虛擬通道（如 VC1) 之交換過程中必須先終止包含該虛擬通道的虛擬路徑（如 VP1)，因此又稱為「虛擬路徑終止器」(VP Terminator)。

圖11-25虛擬路徑與虛擬通道之交換

11-6 ATM 訊號與位址註冊號

11-6.1 ATM訊號（Signaling）

ATM網路是屬於連結導向（connection-oriented）的，即在ATM網路中，傳輸資料之前必須在來源端與接收端之間將連線建立起來。在非連結導向（connectionless）的網路中，資料的傳輸是不需要連線的。當網路節點接收到資料時利用慎密的路徑選擇協定（routing protocol）將資料傳送到下一個網路節點，最後送到接收端。但因為網路的架構或成員隨時都有可能會更動，因此在其協定中必須要隨時更新網路節點中的相關資料，以確保路徑選擇的正確性。在更新的過程中，會產生大量相關的訊務在網路中傳送，且這些訊務與使用者的資料無關，進而降低了網路的使用效能。但在ATM網路中，所有已建立的連線的資訊都存在網路節點中，當網路節點收到資料時，只需要參考其資訊，立刻便能知道該往哪送，因此能有效率的傳輸資料。而這些連線的資訊是經由訊號（signaling）來協調更新。

訊號的運作基本上有兩種方式：內頻（in-band）與外頻（out-of-band）。前者是指訊號和使用者資料在同一個連線或頻道中傳送，而後者則是另外建立一個連線，或專屬頻道來傳送訊號。

ATM網路採用外頻訊號。由於ATM網路的通道是用VPI/VCI來表示，因此在ATM網路中，有些VPI/VCI是保留給訊號使用的。這些通道我們稱之為訊號虛擬通道（signaling virtual channel），如表11-3所示。

表11-3 保留之VPI/VCI

ATM的訊號主要有兩個用途：(1) ATM連線的建立、維護與釋放(2) 訊務參數的傳輸與協調。也就是所謂的訊務控制（traffic control）與壅塞控制（congestion control）。

ATM網路的訊號虛擬通道有四種：

後訊號（Meta-signaling）：用來管理訊號虛擬通道的建立、維護與釋放。此種通道是雙向的且永久存在。

點對點（Point-to-Point）：用來建立、維護與釋放傳輸使用者資料的通道，此種訊號虛擬通道只有當使用者想傳輸資料時，才被配置出來使用。因此不是永久存在的，但仍是雙向的。

一般廣播（General broadcast）：用來將訊號傳送給網路中的每一個節點，是屬於單向的，且其方向是由網路到各個節點。

選擇性廣播（Selective broadcast）：用來將訊號送給某些節點，而這些節點具有某些相同的性質。也是屬於單向的，方向也是由網路到各個節點。

由於ATM網路能傳輸的資料除了文字外，還有影像、聲音、圖片等多媒體資料，那意味著在ATM網路中的應用也將朝多媒體發展，故其所要求建立的通道便不只是一對一的通道，許多多媒體應用需要建立一對多甚至多對多的通道，例如視訊會議（video conference）、隨選視訊（video on demand）等。所以訊號也必須能夠處理這類的服務以滿足使用者的需求。而為了解決這個問題，ATM網路便使用一種新技術，即後訊號（meta-signaling）。

其實，後訊號只是一個簡單的通訊協定，他只有三種功能，即（1）建立訊號虛擬通道，（2）檢查訊號虛擬通道，（3）移除訊號虛擬通道。且運作中所傳送的訊號都只用一個細胞就可處理了。

第一個功能是建立一個新的訊號通道。如圖11-26(a)所示，其建立過程只需來回協調一次即可。第二個功能是檢查訊號通道目前的狀態，例如是否在使用中，還是很久沒有被使用了（例如使用者不當的關機）。其檢查程序亦只需兩次訊息的交換，如圖11-26(b)。第三個功能是將已建立起來的通道移除，其程序需要三次的訊息交換，最後一次主要用來確認，如圖11-26(c)。

（a）建立訊號通道

（b）檢查訊號通道之狀態

（c）移除訊號通道

圖11-26後訊號通訊協定

除了後訊號外，ATM網路必須能依使用者的要求來建立或釋放傳送使用者資料的通道。此種通道要求是屬於使用者與網路（user-to-network）之間的協調。在協調之中，使用者必須提出訊務參數，網路依據這些參數來計算資源的分配，並依此決定是否允許使用者的要求。這些訊務參數包括目的地位址、品質服務保證（QoS）參數等。如果要求被允許了，那麼網路便會配置其所要求的資源和一組VPI/VCI，即完成通道的建立。使用者便利用此通道來做資料傳輸。

目前，在ATM使用者與網路介面（UNI）的訊號標準有三：

B-ISUP是寬頻間歇訊號使用者協定（Broadband Interim Signaling User Protocol）的簡稱，是由ITU-T所制訂。事實上，寬頻間歇訊號使用者協定就是ATM網路中的第七訊號系統（Signaling System 7 : SS7）。

Q.93B是Q.931的改良，經過標準化之後，稱為Q.2931。這些亦為ITU-T的改良。

由ATM FORUM所制訂出來的訊號協定，此協定只是Q.93B中的一部份。ATM FORUM最後將其制訂為一標準，且與Q.2931相容。

在ATM UNI 4.0中是使用ITU-T Q.2931通訊協定，其中VPI/VCI=0/5是保留給Q.2931傳輸訊號用的。Q.2931本身有支援點對點和多點的交換連線，並且允許使用者要求頻寬與品質服務保證的類別，表11-4所示為UNI 4.0中所定義的品質服務保證類別與其所需的參數。

表11-4 UNI 4.0中品質服務保證的類別與其所需的參數

用來傳輸訊號的ATM調節層（AAL）稱之為「訊號ATM調節層」（Signaling AAL，簡稱SAAL）。其傳輸服務基本上是屬於AAL5的型態，也就是說，其訊號的傳輸是用AAL5的服務。在訊號ATM調節層中主要利用共同匯集次層（Common Part Convergence Sublayer : CPCS）中的特定服務連結導向通訊協定（Service Specific Connection-Oriented Protocol : SSCOP）來提供可靠的訊號傳輸服務，而在特定服務連結導向通訊協定上，對使用者至網路（User-to-Network Interface : UNI）和網路至網路（Network-to-Network Interface : NNI）皆有提供特定服務協調功能（Specific Service Coordination Function : SSCF），如圖11-27所示。

圖11-27 Q.2931與SAAL

特定服務連結導向通訊協定（SSCOP）有下列功能：

序列之整合

利用重送（retransmission）修正錯誤

流量控制

將錯誤告知上層

要求重送

連線控制

使用者資料之傳輸

偵測特定服務連結導向通訊協定之標頭有無錯誤

狀態通告

在Q.2931運作的過程中，會互相的傳遞訊息，這些訊息定義了下列幾項動作：

建立連線（connection setup）

連線回應（connection acknowledgment）

狀態查詢（status inquery）

加入（add party）

呼叫處理（call proceeding）

釋放（release）

釋放完成（release complete）

圖11-28所示ATM網路中透過UNI，NNI建立連線之程序。圖11-29所示為釋放連線之程序，而圖11-30則為ATM網路本身欲移除連線時的訊號過程。

圖11-28連線建立程序

圖11-29連線釋放程序

圖11-30網路釋放連線程序

每一個訊號包含許多參數。有些參數是必須的，有些則屬於選項。這些參數 包括被呼叫者編號（called party number）、被呼叫者子位址（called party subaddress）、訊務描述子（traffic descriptors）、細胞速率（ATM user cell rate）、ATM調節層參數（AAL parameters）和呼叫狀態（call status）。

由於Q.2931是由Q.93B改良而來，表11-5列出Q.2931與Q.93B之差異。

表11-5、Q.2931與Q.93B之差異

11-6.2 ATM位址註冊（Address Registration）

ATM FORUM制定了四種ATM位址格式，長度皆為20位元組（bytes）。其中三種是私用的（private），一種是公用的（public）。私用UNI中必須能支援那三種私用位址，而公用UNI則可支援三種私用位址或一種公用位址。此四種位址之格式如下：

1. 資料國碼位址格式：Data Country Code（DCC）address format

此位址格式屬於私用的，其格式如圖11-31所示。

圖11-31資料國碼位址格式

AFI（Authority and Format Identifier）：又稱為country identifier，長度是1位元組，用來辨識位址的格式，若為DCC時，則AFI等於39。

DCC（Data Country Code）：長度為2位元組，用來記載此位址被那個國家所註冊使用。

DFI（Domain Format Identifier）：長度為1位元組，用來說明後面欄位的結構。

AA（Address Authority）：長度為3位元組，用來指示後面剩餘位址的使用認可。

RSVD（Reserved）：長度為2位元組，保留給將來使用。

RD（Routing Domain）：長度為2位元組，用來定義唯一的路徑找尋域（routing domain）。意即在此路徑找尋域中，這位址是唯一的

AREA：長度為2位元組，定義路徑找尋域中的一個唯一的區域。

ESI（End System Identifier）：長度為6位元組，定義區域（Area）中的端點系統（End System），一般來說，便是其MAC位址。

SEL（Selector）：長度為1位元組，用來選擇端點系統中的存取端（access point）。

2. 國際代碼格式（International Code Designator (ICD) address format）

此位址格示為私用的，其格式如圖11-32所示。

圖11-32國際代碼格式

若位址格式是屬於國際代碼格式時，AFI等於47。第二個欄位是國際代碼欄位，長度為2位元組，用來分辨國際組織。其餘的欄位則與資料國碼位址格式相同。

3. E.164 ATM私用格式：

格式如圖11-33所示，此格式的AFI值為45。第二個欄位長度8位元組，用來放置E164的位址，其他欄位則和前兩種位址格式一樣。

圖11-33 E.164 ATM私用格式

4. E.164 ATM公用格式：

格式如圖11-34所示，其性質與E164 ATM私用格式相似，但其位址的監管與分配是公開化的。

圖11-34 E.164 ATM公用格式

E.164位址格式是由ITU-T所制訂，原本是針對ISDN網路而設計的，其ISDN號碼最多為15個位數，E.164位址格式目前在ATM網路中使用最為普遍。

11-6.2.2 間歇區域性管理介面（Interim Local Management Interface ：ILMI)

間歇區域性管理介面是由ATM FORUM所制訂，其使用者至網路介面（UNI）規格中有非常相近的定義說明，在私用網路（private network）與公用網路（public network）中皆可使用，如圖11-35所示。

基本上，ILMI是利用簡易網路管理通訊協定（SNMP）來運作，其協定架構如圖11-36所示。如Q.2931一樣，一個永久的虛擬通道VPI/VCI=0/16保留給間歇區域性管理介面來傳遞訊息，此訊息由圖可知為經過AAL5包裝過的簡易網路管理通訊協定的訊息。主要用來提供ATM使用者有關虛擬路徑（VP）和虛擬通道（VC）連線的狀態和組態的一些資訊及在使用者至網路介面（UNI）中有關資料鏈結層（data link layer）和實體層的參數的狀態，組態與控制。

圖11-35 ILMI之使用環境

圖11-36 ILMI協定架構

ILMI另外還有一個很重要的功能就是位址的註冊。當一台用戶端的設備，如個人電腦或工作站，接上ATM交換機時，首先會在同步光纖網路（SONET）上，做相互同步的動作，使用戶設備與ATM交換機同步，以確保能正常的傳輸與接收。完成之後，表示實體層已可正常運作。接下來，就是向ATM交換機註冊用戶設備的位址，以使ATM交換機能知道與其相接的設備有那些。而其所註冊的位址是指用戶設備的ATM MAC位址，長度為20位元組，其格式即為前節所介紹。間歇區域性管理介面位址註冊之程序如圖11-37所示。

圖11-37 ILMI位址註冊程序

步驟? ，? 是SONET在相互調整同步。在步驟? 中，交換機會先將其所屬的前端位址，即三種私用ATM位址格式中的前面13個位元組，送給用戶設備，用戶設備接收到之後，便將其長度為6位元組的媒介擷取控制位址（一般是指乙太網路的媒介擷取控制位址）加在後面，再在最後加上1位元組的選擇欄位（SEL），便形成了20位元組的ATM位址。在步驟? 中，將ATM位址送回給交換機，完成註冊。此後，交換機便知道哪一台機器連接在哪一個埠了。

請說明 ATM 網路為何能同時提供多種傳輸速率。

傳統網路如 Ethernet, Token-Ring, Token-Bus, FDDI, 都是屬於「頻寬分享型」(Shared bandwidth) 的網路，但ATM 網路是屬於「頻寬累加型」(Aggregated bandwidth) 的網路。請說明二者之間的差異。

傳統網路如 Ethernet, Token-Ring, Token-Bus, FDDI, 都是屬於「非連線式」(Connectionless) 的網路，但ATM 網路是屬於「連線導向式」(Connection-oriented) 的網路。請說明二者之間的差異及為什麼 ATM 要採用連線導向式的傳輸方式。

ATM網路與SONET（或SDH）的關係為何？

ATM 網路的每一條連線在建立時都可以要求所謂的「服務品質」(Quality of Service, QoS)，而服務品質通常以量化的參數來表示。請解釋下列常用的服務品質參數：

Bandwidth

Peak rate

Average rate

Delay

Delay jitter

Cell loss probability

ATM 網路提供多種的傳輸服務。請說明下列服務的特性：

(a) Available Bit Rate, ABR

(b) Constant Bit Rate, CBR

(c ) Variable Bit Rate, VBR

(d) Unspecify Bit Rate, UBR

請說明下列ATM 網路控制機制的任務與運作原理：

(a) Admission Control

(b) Usage Parameters Control

(c ) Flow Control

ATM網路利用「細胞」 (Cell) 來提供傳輸的服務。請說明細胞的結構為何，並解釋細胞結構中下列欄位的使用方式：

Generic Flow Control, GFC

Virtual Path Identifier/Virtual Channel Identifier, VPI/VCI

Cell Loss Priority, CLP

何謂「虛擬路徑」(Virtual Path) 與「虛擬通道」(Virtual Channel) ？請說明 ATM 網路為什麼要同時使用虛擬路徑辨識碼與虛擬通道辨識碼而不直接使用一個辨識碼。

一般交換機有哪幾種類型，各有什麼優缺點？

ATM交換機的主要工作是進行細胞的交換 (switching) 及多工 (multiplexing) 。請說明這些工作是如何完成的。

請說明ATM交換機是如何運作，使得ATM網路能提供CBR、VBR、ABR的服務？

ATM 網路的連線如何建立？ATM 交換機在連線建立的過程中應負責那些工作？有那些資訊或資料庫應該建立在交換機中？

何謂 PVC (Permanent Virtual Channel) 及 SVC (Switched Virtual Channel)？ 請比較二者之差異性及優缺點。

ATM網路的通訊協定包括三層：實體層、ATM 層 (ATM Layer)、及 ATM 調節層(ATM Adaptation Layer, AAL)。請說明 ATM 層及 AAL 層的主要工作任務。

請說明下列ATM 調節層所提供服務的主要特性為何：

AAL 1

AAL 2

AAL 3/4

AAL 5

ATM 網路上傳送的資料單位是細胞。請針對下列不同的服務說明 (1) 工作站如何將一訊框切割成若干細胞, (2) 目的地工作站又如何將接收到的細胞組合成原來之訊框。

AAL 1

AAL 2

AAL 3/4

AAL 5

基本上，AAL 3/4 及 AAL 5 都使用 ABR 級的服務來傳送細胞。請就以下各點比較二者在傳送訊框時的差異性及優缺點：

訊框傳送可靠度

工作站在一條連線上同時傳送訊框數

工作複雜度

ATM網路有哪幾種位址？其格式為何？

請描述ILMI註冊位址的過程？