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信元交换是ATM采用的交换方式，在很大程度上就是按照虚电路方式进行分组转发。在ATM传输模式中，信息被分成信元来传递，而包含同一用户信息的信元不需要在传输链路上周期性出现。ITU-T（国际电信联盟远程通信标准化组）定义ATM为“以信元为信息传输、复接和交换的基本单位的传送方式”。所谓的传送是指电信网中传输、复接和交换方式的整体。
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ATM协议包括物理层、ATM层、ATM适配层（ATM Adapter Layer，AAL）和高层。适配层采用了AAL1、AAL2、AAL3/4和AAL5等多种协议来支持不同的用户业务。
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ATM物理层是ATM模型的最底层，由传输汇聚层和物理介质子层组成。ATM物理层负责ATM信元的线路编码，并将信元递交给物理介质。传输汇聚层从ATM层接收信元。组装成适当格式后传送给物理介质子层。在无信息传输时，由传输汇聚层插入空闲信元，以保持信元流的连续。在接收端，传输汇聚层从来自物理介质子层的位流中提取信元，验证信元头，删去空闲信元，将有效信元传递给ATM层。
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ATM层的基本功能是负责生成信元。它接收来自AAL层的48字节，并附加上相应的5字节的信元头，以形成信元传送给物理层。
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ATM信元具有固定的长度，总长为53字节。其中前5字节为信头（Header），包含各种控制信息，包括信元目的（逻辑）地址、纠错码、业务控制和维护信息等；后面48字节为信息字段（Payload），又称为净荷，其中包含了业务的数据，它们将被透明地传输，如下图所示。
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GFC（Generic Flow Control，一般流量控制）：GFC仅在UNI信元中存在，因为ATM只在端设备与用户设备处进行流控制，以减少网络过载的可能性。
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VPI（Virtual Path Identifier，虚路径标识符）：在ATM中，若干虚通道（Virtual Channel，VC）组成一个虚路径（Virtual Path，VP），并以VP作为网络管理单位，相当于X.25中的逻辑信道群号。有8位（UNI）或12位（NNI）之分。
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VCI（Virtual Channel Identifier，虚通道标识符）：占16位，类似于X.25中逻辑信道号，用于标志一个VPI群中的唯一呼叫，在呼叫建立时分配，呼叫结束时释放。在ATM中的呼叫由VPI和VCI共同决定，且唯一确定。
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PTI（Payload Type Identifier，净荷类型）：占3位，用于指示信息字段的信息是用户信息还是网络信息。
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CLP（Cell Loss Priority，信元抛弃优先级）：当CLP为1时，表示当网络拥塞时可以抛弃该信元；相反，不能抛弃CLP为0的信元。
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HEC（Header Error Control，信头差错控制）：占8位。为了提高处理效率（同时传输线路条件允许如此），ATM仅进行信头差错控制，以防VPI/VCI差错，即呼叫间“串话”。
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UNI（User Network Interface，用户与网络之间接口）：ATM终端机和ATM网间的通信接口。
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NNI（Network Network Interface，网络与网络之间的接口）：ATM网络和ATM网络的通信接口。
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DCC（Data County Code，数据国家代码）格式：按国家分配的地址。
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ICD（International Code Designator，国际代码设计）格式：按国际组织分配的地址。
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E.164格式：传统电话编号方式由CCITT规定。
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其中适配器的MAC（Media Access Control，介质访问控制）地址又称为ESI（End System Identifier，终端系统标识符），是48位的字符串（与现有LAN-MAC地址兼容）；选择字（SEL）在NNI接口中没有意义，仅在UNI接口处解释；AFI（Authority and Format Identifier，认证和格式标识符）指明地址的类型和格式；IDI（Initial Domain Identifier，初始域标识符）分配地址的机构，分别为DCC、IDC、E.164。
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这是一个与业务相关的高层。按速率，将ATM分为5类。
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（1）UBR（Unspecified Bit Rate，未定位速率）：对传输速率没有指定，但可靠性要求很高，即所谓“尽力传输”（Best Effort），可用于传送IP分组。
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（2）CBR（Constant Bit Rate，不变位速率）：面向连接，有固定的带宽（速率）要求，适用实时的话音和视频信号传输，即模拟铜线和光纤通道。提供诸如64kb/s PCM的语音服务以及高质量的语音、静态图像等传输服务。
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（3）ABR（Available Bit Rate，可用位速率）：只需指定峰值（Peak）和谷值（Minimum）信元速率，用于突发性的通信。
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（4）VBR（Variable Bit Rate，可变位速率）：允许随时可变的带宽，但必须指定峰值带宽、最大突发数据长度和必须维持的最低速率。
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（5）用户或厂家自定义的服务：当需要传输压缩的视频流数据时，采用的服务类别最好是rt-VBR。
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AAL是高层协议和ATM层间的接口，转接ATM层与高层协议之间的信息。AAL层分为两个子层，分别是汇聚子层CS（Convergence）与分段和重组子层SAR（Segmentation And Reassembly）。由于ATM是分组交换网，信号在传输过程中产生的时延可能不同，目的端的CS必须补偿延时。因此，在源端和目的端的CS子层必须就如何对时延补偿达成一致的约定，保证目的端信号的正确接收。为了达到这一目的，在AAL中加入了顺序号和保护位（校验码）。同时为了减小时延，对需传输的信息不管是否够一个完整的信元信息段，在一定的时间内，及时地组成分段和重组子层的协议数据单元，装配成信元，通过ATM层进行传输。因为ATM信元信息段的长度是固定48字节，如果所传输的数据不够48字节，那么必须用填充字节进行填充。
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目前，已经提出的ATM适配层共有4种类型，每一种类型支持某些特定的业务。AAL类型和它的业务等级关系如下表所示。
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（1）AAL1：这种通信类型适用于面向接续，并且在接续点间具有定时关系，为不变位率的业务。对应于A类服务。
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（2）AAL2：和AAL1类似，与AAL1的区别在于AAL2为可变位率，因此其传输的位是随业务的变化而变化的。对应于B类服务。
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（3）AAL3/4：消息模式适合固定大小或可变长度的帧数据，流模式适合传输低时延的低速可变长数据分组。面向连接和无连接的服务，对应于C/D类服务。
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（4）AAL5：这是针对计算机行业提出的，AAL5这种通信类型为无连接，可变位，不需传送到远端的定时信息，主要用来携带IP数据分组。对应于C/D服务。
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