Giao thức ATM tương ứng với lớp 2 nhưđó định nghĩa trong mụ hỡnh tham chiếu (OSI) cỏc hệ thống mở. ATM là kờt nối cú hướng, một kết nối cuối- cuối (hay kờnh ảo) cần được thiết lập trước khi định tuyến cỏc tế bào ATM. Cỏc tế bào được định tuyến dựa trờn hai giỏ trị quan trọng chứa trong 5 byte mào đầu tế bào: nhận dạng luồng ảo (VPI) và nhận dạng kờnh ảo (VCI), trong đú một luồng ảo bao gồm một số cỏc kờnh ảo. Số cỏc bit dành cho VPI phụ thuộc vào kiểu giao diện. Nếu đú là giao diện người sử dụng (UNI), giữa người sử dụng và chuyển mạch ATM đầu tiờn, 8 bit được dành cho VPI. Điều này cú nghĩa là cú tới 28 = 256 luồng ảo sẵn cú trong điểm truy nhập người sử dụng. Mặt khỏc nếu nú là giao diện node mạng (NNI), giữa cỏc chuyển mạch trung gian ATM, 12 bit sẽ dành cho VPI. Điều này cho thấy cú 212=4096 luồng ảo cú thể cú giữa cỏc chuyển mạch ATM. Trong cả UNI và NNI, cú 16 bit dành cho VCI. Vỡ thế cú 216=65 536 kờnh ảo cho mỗi luồng ảo.
Sự kết hợp cả VPI và VCI tạo nờn một liờn kết ảo giữa hai đầu cuối. Thay vỡ cú cựng VPI/VCI cho toàn bộ luồng định tuyến, VPI/VCI được xỏc định trờn mỗi liờn kết cơ sở thay đổi với mỗi chuyển mạch ATM. Một cỏch cụ thể, tại mỗi liờn kết đầu vào đến một node chuyển mạch, một VPI/VCI cú thểđược thay thế bằng một VPI/VCI khỏc tại đầu ra bằng sự tham chiếu tới một bảng gọi là bảng định tuyến (Routing Information Table –RIT) trong chuyển mạch ATM. Với bảng định tuyến mạng ATM cú thể tăng số lượng cỏc đường định tuyến.
Mỗi chuyển mạch ATM cú một bảng định tuyến chứa ớt nhất cỏc trường sau: VPI/VCI cũ, VPI/VCI mới, địa chỉ cổng đầu ra, và trường ưu tiờn (tuỳ chọn). Khi một tế bào ATM đến một đường đầu vào của chuyển mạch, nú bị chia thành 5 byte mào đầu và 48 byte tải trọng. Bằng cỏch sử dụng VPI/ VCI chứa trong phần mào đầu như giỏ trị VPI/VCI cũ, chuyển mạch tỡm trong bảng định tuyến VPI/VCI mới của cỏc tế bào đang đi đến. Khi đó tỡm thấy, giỏ trị VPI/VCI cũ sẽđược thay thế bằng VPI/VCI mới. Hơn nữa địa chỉ cổng đầu ra tương ứng và trường ưu tiờn được đớnh kốm trong 48 byte tải trọng trước khi nú được gửi đến kết cấu chuyển mạch. Địa chỉ cổng đầu ra chỉ tới cổng đầu ra nào mà tế bào được định tuyến. Cú ba kiểu định tuyến trong kết cấu chuyển mạch: chế độ unicast là chếđộ mà một tế bào được định tuyến tới một cổng đầu ra xỏc định, multicast là chếđộ một tế bào được định tuyến tới một số cỏc cổng đầu ra, và broadcast là chếđộ một tế bào được định tuyến tới tất cả cỏc cổng
đầu ra. Trường ưu tiờn cho phộp chuyển mạch truyền cỏc tế bào một cỏch cú lựa chọn tới cỏc cổng đầu ra hay loại chỳng khi bộđệm bịđầy, tuỳ theo cỏc yờu cầu dịch vụ.
Cỏc kết nối ATM được thiết lập trước hoặc thiết lập một cỏch linh động theo bỏo hiệu được sử dụng, giống như bỏo hiệu UNI và bỏo hiệu định tuyến giao diện mạng – mạng riờng (PNNI). Thiết lập trước được tham chiếu tới cỏc kết nối ảo cốđịnh (PVCs), thiết lập linh động được tham chiếu tới cỏc kết nối ảo chuyển mạch (SVCs). Với cỏc SVCs, bảng định tuyến được cập nhật bởi bộ xử lớ cuộc gọi trong suốt quỏ trỡnh thiết lập cuộc gọi. Qỳa trỡnh thiết lập cuộc gọi sẽ tỡm một đường định tuyến phự hợp giữa nguồn và đớch. VPI/VCI của mỗi đường dẫn dọc theo tuyến, cỏc địa chỉ cổng đầu ra của cỏc bộ chuyển mạch và trường ưu tiờn được xỏc định và được bộ xử lớ cuộc gọi điền vào bảng. Bộ xử lớ cuộc gọi phải đảm bảo rằng tại mỗi chuyển mạch, VPI/VCI của cỏc tế bào đang đến từ cỏc cổng đầu vào khỏc nhau cú cựng một cổng đầu ra là khỏc nhau. Mỗi chuyển mạch ATM cú một bộ xử lớ cuộc gọi. Hỡnh 3.8 chỉ ra một bộ xử lớ cuộc gọi cập nhật bảng định tuyến trong chuyển mạch.
Ở hỡnh vẽ này, khi một cuộc gọi được thiết lập thành cụng nguồn bắt đầu gửi tế bào cú VPI/VCI được ghi là W. Ngay khi tế bào này đến chuyển mạch ATM đầu tiờn, đường vào bảng định tuyến được tỡm kiếm. Lối vào thớch hợp được tỡm thấy với VPI/VCI mới cú giỏ trị X, thay thế giỏ trị W. Địa chỉ cổng đầu ra tương ứng (cú giỏ trị 100) và trường địa chỉđược đớnh kốm tới tế bào vỡ thế tế bào cú thểđược định tuyến tới cổng đầu ra 100 của chuyển mạch đầu tiờn. Tại chuyển mạch ATM thứ hai, VPI/VCI của tế bào mà giỏ trị X được cập nhật với giỏ trị mới Y. Dựa vào địa chỉ cổng đầu ra đạt được từ bảng, tế bào đang đến được định tuyến tới cổng đầu ra 10. Hoạt động này được lặp lại trong cỏc chuyển mạch khỏc dọc theo đường tới đớch. Khi kết nối kết thỳc, bộ xử lớ cuộc gọi xoỏ lối vào liờn kết trong bảng dọc theo đường truyền.
Trong trường hợp multicast, một tế bào được sao chộp thành nhiều bản, và mỗi bản sao được định tuyến tới mỗi cổng đầu ra. Vỡ VPI/VCI của mỗi bản sao tại cổng đầu ra cú thể khỏc nhau, sự thay thế VPI/VCI thường được thực hiện tại cỏc cổng đầu ra thay vỡ cổng đầu vào. Kết quả là bảng định tuyến được chia làm 2 phần, một tại đầu ra và một tại đầu vào. Tại đầu vào cú hai trường trong bảng định tuyến: VPI/VCI cũ và N bit thụng tin định tuyến. Tại đầu ra cú ba trường trong bảng định tuyến: Số cổng đầu vào, VPI/VCI cũ, và VPI/VCI mới. Sự kết hợp của số của cổng đầu vào và VPI/VCI cũ cú thể nhận dạng duy nhất kết nối multicast và được sử dụng như một chỉ sốđểđịnh vị VPI/VCI mới tại cổng đầu ra. Khi nhiều VPI/VCI từ cỏc cổng đầu vào khỏc nhau cú thể hợp lại tại cựng cổng đầu ra và cú giỏ trị VPI/VCI cũ giống nhau, vỡ thế nú phải sử dụng thụng tin thờm như phần của chỉ số cho bảng định tuyến. Sử dụng số cổng đầu vào là hợp lớ và là cỏch dễ dàng.