ATM（Asynchronous Transfer Mode，异步传输模式）是一种基于信元的交换和复用技术，其设计初衷是为了满足综合业务数字网（ISDN）的需求，实现语音、视频、数据等多种业务的统一传输，ATM技术的核心在于其分层结构，这种分层设计确保了不同业务的可靠传输和网络的高效管理，ATM的分层结构主要参考了OSI参考模型和TCP/IP模型，但结合自身特点进行了优化，可分为物理层、ATM层和ATM适配层（AAL），其中AAL层进一步细分为多个子层,以适应不同业务的需求。
物理层
物理层是ATM协议栈的最底层，负责在物理介质上传输比特流，物理层的功能与OSI模型中的物理层类似，包括定义物理接口的电气特性、机械特性、功能特性和规程特性，以及实现比特的同步、编码和传输，ATM物理层支持多种物理接口标准，如同步数字体系（SDH）、同步光纤网络（SONET）以及基于铜缆的接口（如E1、T1），在SDH/SONET中，物理层以帧结构（如STM-1帧）传输数据，而ATM信元被封装到这些帧的有效载荷中，物理层还负责管理物理链路的建立、维护和拆除，确保物理连接的可靠性，物理层的另一个重要功能是实现传输 convergence子层（TC），它将ATM信元映射到物理层的帧结构中，并处理信元定界和差错检测,确保接收端能够正确识别信元的边界。
ATM层
ATM层是ATM技术的核心层，位于物理层之上，主要负责信元的交换、复用和路由，ATM层与物理介质无关，其基本传输单元是固定长度的信元（53字节，其中5字节为信头，48字节为 payload），ATM层的主要功能包括信元复用、信元交换、流量控制和拥塞管理，在信元复用方面，ATM层将来自不同虚通路（VC）或虚通道（VP）的信元交织在一起，通过同一物理链路传输，实现统计复用，提高带宽利用率，信元交换则是根据信头中的虚通路标识符（VCI）和虚通道标识符（VPI）进行路由选择，将信元从输入端口转发到正确的输出端口，ATM层还通过流量控制机制（如信元丢弃优先级标记）和拥塞管理策略（如早期随机丢弃，RED）来确保网络在高负载情况下的稳定性，防止因拥塞导致的服务质量（QoS）下降。
ATM适配层（AAL）
ATM适配层（AAL）位于ATM层之上，负责将不同类型的高层业务数据适配到ATM信元中，AAL的设计目标是屏蔽业务类型的差异，为高层提供统一的接口，根据业务特性的不同（如恒定比特率CBR、可变比特率VBR、可用比特率ABR等），AAL定义了多个协议类型，其中最常用的是AAL1、AAL2、AAL5和AAL3/4（后两者已逐渐融合），AAL层进一步分为两个子层：分段与重组子层（SAR）和会聚子层（CS）。
- 分段与重组子层（SAR）：负责将高层应用数据分割成48字节的 payload，并封装到ATM信元中，或在接收端将信元 payload 重组为原始数据，AAL1用于CBR业务（如语音、视频），通过SAR子层实现定时信息的传递；AAL5用于数据业务（如文件传输）,通过SAR子层处理大数据的分段和重组。
- 会聚子层（CS）：位于SAR之上，负责处理与业务相关的特定功能，如时钟恢复、差错检测和流量控制，AAL1的CS子层用于处理CBR业务的定时同步；AAL5的CS子层则通过添加校验序列（CRC）来保证数据的完整性。
AAL层的选择取决于业务的QoS需求，实时性要求高的语音和视频业务通常采用AAL1或AAL2，而非实时的数据业务则采用AAL5，这种分层设计使得ATM网络能够灵活支持多种业务,实现资源的动态分配。
通信过程示例
以语音通信为例，语音信号首先被数字化并进入AAL1层，CS子层处理时钟同步后，SAR子层将语音数据分割成48字节的 payload，并封装到ATM信元中，ATM层根据VCI/VPI将信元复用到物理链路上，物理层通过SDH/SONET帧传输信元，接收端物理层提取信元，ATM层根据VCI/VPI进行交换，AAL层重组语音数据并还原为模拟信号，整个过程中,分层结构确保了语音数据的实时性和可靠性。
相关问答FAQs
Q1: ATM层与物理层的主要区别是什么？
A1: ATM层主要负责信元的逻辑交换、复用和路由，与物理介质无关，其功能基于信头中的VCI/VPI标识；而物理层负责在物理介质上传输比特流，处理电气、机械等物理特性，实现信元的实际传输和同步，ATM层是“逻辑层面的信元处理”，物理层是“物理层面的比特传输”。
Q2: 为什么AAL层需要分为SAR和CS两个子层？
A2: SAR子层和CS子层的分工不同，SAR子层专注于将高层数据适配到ATM信元的固定长度payload（48字节）或反向重组，确保数据分割和重组的准确性；CS子层则处理业务特定的功能，如时钟同步（CBR业务）、差错检测（AAL5的CRC校验）和流量控制，这种分层设计使得AAL能够灵活支持不同业务类型,同时保持协议的模块化和可扩展性。
