ATM-technologie is een telecommunicatieconcept dat is gedefinieerd door internationale normen voor het vervoeren van het volledige scala aan gebruikersverkeer, inclusief spraak-, data- en videosignalen. Het werd ontwikkeld om te voldoen aan de behoeften van een digitaal netwerk van breedbanddiensten en was oorspronkelijk ontworpen voor de integratie van telecommunicatienetwerken. De afkorting ATM staat voor Asynchonous Transfer Mode en wordt in het Russisch vertaald als "asynchrone gegevensoverdracht".
De technologie is gemaakt voor netwerken die zowel traditioneel high-performance dataverkeer (zoals bestandsoverdracht) als re altime content met lage latentie (zoals spraak en video) moeten afhandelen. Het referentiemodel voor ATM komt grofweg overeen met de drie onderste lagen van ISO-OSI: netwerk, datalink en fysiek. ATM is het primaire protocol dat wordt gebruikt via SONET/SDH (openbaar geschakeld telefoonnetwerk) en Integrated Services Digital Network (ISDN) circuits.
Wat is dit?
Wat betekent ATM voor een netwerkverbinding? Ze biedtfunctionaliteit vergelijkbaar met circuitschakeling en pakketgeschakelde netwerken: de technologie maakt gebruik van asynchrone tijdverdelingsmultiplexing en codeert gegevens in kleine pakketten van vaste grootte (ISO-OSI-frames), cellen genaamd. Dit verschilt van benaderingen zoals het internetprotocol of Ethernet, die pakketten en frames van variabele grootte gebruiken.
De basisprincipes van ATM-technologie zijn als volgt. Het maakt gebruik van een verbindingsgericht model waarin een virtueel circuit tot stand moet worden gebracht tussen twee eindpunten voordat de daadwerkelijke communicatie kan beginnen. Deze virtuele circuits kunnen "permanent" zijn, dat wil zeggen speciale verbindingen die meestal vooraf zijn geconfigureerd door de serviceprovider, of "schakelbaar", dat wil zeggen configureerbaar voor elke oproep.
Asynchonous Transfer Mode (ATM staat voor Engels) staat bekend als de communicatiemethode die wordt gebruikt in geldautomaten en beta alterminals. Dit gebruik neemt echter geleidelijk af. Het gebruik van technologie in geldautomaten is grotendeels achterhaald door het Internet Protocol (IP). In de ISO-OSI-referentielink (laag 2) worden de onderliggende transmissieapparaten gewoonlijk frames genoemd. In ATM hebben ze een vaste lengte (53 bytes of bytes) en worden ze specifiek "cellen" genoemd.
Celgrootte
Zoals hierboven vermeld, is ATM-decodering een asynchrone gegevensoverdracht die wordt uitgevoerd door ze te verdelen in cellen van een bepaalde grootte.
Als het spraaksignaal wordt gereduceerd tot pakketten, en zegedwongen om te worden verzonden op een link met zwaar dataverkeer, ongeacht hun grootte, zullen ze grote volwaardige pakketten tegenkomen. Onder normale inactieve omstandigheden kunnen ze maximale vertragingen ondervinden. Om dit probleem te voorkomen, hebben alle ATM-pakketten of cellen hetzelfde kleine formaat. Bovendien betekent de vaste celstructuur dat gegevens gemakkelijk door hardware kunnen worden overgedragen zonder de inherente vertragingen die worden veroorzaakt door softwaregeschakelde en gerouteerde frames.
Ontwerpers van geldautomaten gebruikten dus kleine datacellen om jitter (in dit geval vertraging van dispersie) bij het multiplexen van datastromen te verminderen. Dit is vooral belangrijk bij spraakverkeer, aangezien de conversie van gedigitaliseerde spraak naar analoge audio een integraal onderdeel is van het re altime proces. Dit komt de werking van de decoder (codec) ten goede, waarvoor een gelijkmatig verdeelde (in de tijd) stroom van data-elementen nodig is. Als de volgende in de rij niet beschikbaar is wanneer nodig, heeft de codec geen andere keuze dan te pauzeren. Later gaat de informatie verloren omdat de periode waarin deze in een signaal had moeten worden omgezet al verstreken is.
Hoe is ATM ontstaan?
Tijdens de ontwikkeling van ATM werd de 155 Mbps Synchronous Digital Hierarchy (SDH) met 135 Mbps payload beschouwd als een snel optisch netwerk, en veel van de Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH)-links in het netwerk waren aanzienlijk langzamer (geen meer dan 45 Mbps /Met). BijBij deze snelheid zou een normaal datapakket van 1500 bytes (12.000 bits) op 77,42 microseconden moeten downloaden. Op een lage-snelheidsverbinding, zoals een T1 1.544 Mbps-lijn, duurde het tot 7,8 milliseconden om zo'n pakket te verzenden.
De downloadvertraging die wordt veroorzaakt door meerdere van dergelijke pakketten in de wachtrij kan het aantal van 7,8 ms meerdere keren overschrijden. Dit is onaanvaardbaar voor spraakverkeer, dat een lage jitter in de gegevensstroom moet hebben die in de codec wordt ingevoerd om audio van goede kwaliteit te produceren.
Het pakketspraaksysteem kan dit op verschillende manieren doen, zoals het gebruik van een afspeelbuffer tussen het netwerk en de codec. Dit verzacht jitter, maar de vertraging die optreedt bij het passeren van de buffer vereist een echo-onderdrukker, zelfs op lokale netwerken. Dat werd toen als te duur beschouwd. Bovendien verhoogde het de vertraging op het kanaal en bemoeilijkte het de communicatie.
ATM-netwerktechnologie biedt inherent een lage jitter (en de laagste algehele latentie) voor verkeer.
Hoe helpt dit bij de netwerkverbinding?
ATM-ontwerp is voor een lage jitter-netwerkinterface. Er werden echter "cellen" in het ontwerp geïntroduceerd om korte wachtrijvertragingen mogelijk te maken en toch datagramverkeer te ondersteunen. ATM-technologie brak alle pakketten, gegevens en spraakstromen op in fragmenten van 48 bytes, en voegde aan elk een routeringsheader van 5 bytes toe, zodat ze later weer in elkaar konden worden gezet.
Deze maatkeuzewas politiek, niet technisch. Toen CCITT (nu ITU-T) ATM standaardiseerde, wilden de vertegenwoordigers van de VS een payload van 64 bytes, omdat dit werd beschouwd als een goed compromis tussen grote hoeveelheden informatie die is geoptimaliseerd voor gegevensoverdracht en kortere payloads die zijn ontworpen voor re altime-toepassingen. Op hun beurt wilden ontwikkelaars in Europa 32-byte-pakketten omdat het kleine formaat (en dus de korte transmissietijd) het gemakkelijker maakt voor spraaktoepassingen in termen van echo-onderdrukking.
De grootte van 48 bytes (plus headergrootte=53) werd gekozen als een compromis tussen de twee partijen. Er is gekozen voor headers van 5 bytes omdat 10% van de payload werd beschouwd als de maximale prijs die voor routeringsinformatie moest worden betaald. ATM-technologie multiplexeerde 53-byte cellen, waardoor datacorruptie en latentie tot 30 keer werd verminderd, waardoor er minder echo-onderdrukkers nodig waren.
ATM celstructuur
ATM definieert twee verschillende celformaten: gebruikersnetwerkinterface (UNI) en netwerkinterface (NNI). De meeste ATM-netwerkverbindingen gebruiken UNI's. De structuur van elk dergelijk pakket bestaat uit de volgende elementen:
- Het veld Generic Flow Control (GFC) is een 4-bits veld dat oorspronkelijk is toegevoegd om ATM-interconnectie in het openbare netwerk te ondersteunen. Topologisch wordt het weergegeven als een Distributed Queue Dual Bus (DQDB) ring. Het GFC-veld is zo ontworpen dat:om 4 bits gebruikersnetwerkinterface (UNI) te bieden om multiplexing en stroomregeling tussen cellen van verschillende ATM-verbindingen te onderhandelen. Het gebruik en de exacte waarden zijn echter niet gestandaardiseerd en het veld is altijd ingesteld op 0000.
- VPI - virtuele padidentificatie (8 bit UNI of 12 bit NNI).
- VCI - virtuele kanaalidentificatie (16 bits).
- PT - type lading (3 bits).
- MSB - netwerkcontrolecel. Als de waarde 0 is, wordt een gebruikersgegevenspakket gebruikt en in zijn structuur is 2 bits Explicit Congestion Indication (EFCI) en 1 is Network Congestion Experience. Daarnaast wordt er nog 1 bit toegewezen voor de gebruiker (AAU). Het wordt gebruikt door AAL5 om pakketgrenzen aan te geven.
- CLP - prioriteit voor celverlies (1 bit).
- HEC - header-foutcontrole (8-bits CRC).
Het ATM-netwerk gebruikt het PT-veld om verschillende speciale cellen aan te wijzen voor operaties, administratie en beheer (OAM) en om pakketgrenzen in sommige adaptatielagen (AAL's) te definiëren. Als de MSB-waarde van het PT-veld 0 is, is dit een gebruikersgegevenscel en worden de resterende twee bits gebruikt om netwerkcongestie aan te geven en als headerbit voor algemene doeleinden die beschikbaar is voor aanpassingslagen. Als de MSB 1 is, is het een controlepakket en de resterende twee bits geven het type aan.
Sommige ATM-protocollen (Asynchronous Data Transfer Method) gebruiken het HEC-veld om een op CRC gebaseerd framing-algoritme te besturen datcellen zonder extra kosten. De 8-bits CRC wordt gebruikt om single-bit header-fouten te corrigeren en multi-bit-headers te detecteren. Wanneer de laatste worden gevonden, worden de huidige en volgende cellen weggegooid totdat een cel wordt gevonden zonder kopfouten.
Het UNI-pakket reserveert het GFC-veld voor lokale stroomregeling of sub-multiplexing tussen gebruikers. Dit was bedoeld om meerdere terminals een enkele netwerkverbinding te laten delen. Het werd ook gebruikt om twee ISDN-telefoons (Integrated Service Digital Network) in staat te stellen dezelfde basis ISDN-verbinding met een bepaalde snelheid te delen. Alle vier de GFC-bits moeten standaard nul zijn.
Het NNI-celformaat repliceert het UNI-formaat op vrijwel dezelfde manier, behalve dat het 4-bits GFC-veld opnieuw wordt toegewezen aan het VPI-veld, waardoor het wordt uitgebreid tot 12 bits. Dus één NNI ATM-verbinding kan elke keer bijna 216 VC's aan.
Cellen en transmissie in de praktijk
Wat betekent ATM in de praktijk? Het ondersteunt verschillende soorten diensten via AAL. Gestandaardiseerde AAL's omvatten AAL1, AAL2 en AAL5, evenals de minder vaak gebruikte AAC3 en AAL4. Het eerste type wordt gebruikt voor diensten met constante bitsnelheid (CBR) en circuitemulatie. Synchronisatie wordt ook ondersteund in AAL1.
Het tweede en vierde type worden gebruikt voor diensten met variabele bitsnelheid (VBR), AAL5 voor gegevens. De informatie over welke AAL voor een bepaalde cel wordt gebruikt, is daarin niet gecodeerd. In plaats daarvan wordt het gecoördineerd of aangepast aan:eindpunten voor elke virtuele verbinding.
Na het eerste ontwerp van deze technologie zijn netwerken veel sneller geworden. Een 1500-byte (12000 bit) Ethernet-frame van volledige lengte heeft slechts 1,2 µs nodig om te verzenden op een 10 Gbps-netwerk, waardoor er minder kleine cellen nodig zijn om de latentie te verminderen.
Wat zijn de sterke en zwakke punten van zo'n relatie?
De voor- en nadelen van ATM-netwerktechnologie zijn als volgt. Sommigen zijn van mening dat het verhogen van de communicatiesnelheid het mogelijk zal maken om het te vervangen door Ethernet in het backbone-netwerk. Er moet echter worden opgemerkt dat het verhogen van de snelheid op zichzelf de jitter als gevolg van wachtrijen niet vermindert. Bovendien is de hardware om serviceaanpassing voor IP-pakketten te implementeren duur.
Tegelijkertijd is ATM vanwege de vaste payload van 48 bytes niet geschikt als datalink direct onder IP, aangezien de OSI-laag waarop IP werkt een maximale transmissie-eenheid (MTU) van ten minste minimaal 576 bytes.
Op langzamere of overbelaste verbindingen (622 Mbps en lager) is ATM zinvol, en om deze reden gebruiken de meeste asymmetrische ADSL-systemen (digital subscriber line) deze technologie als een tussenlaag tussen de fysieke verbindingslaag en het Layer 2-protocol zoals PPP of Ethernet.
Bij deze lagere snelheden biedt ATM de handige mogelijkheid om meerdere logica's op één fysiek of virtueel medium te vervoeren, hoewel er ook andere methoden zijn, zoals meerkanaalsPPP en Ethernet VLAN's, die optioneel zijn in VDSL-implementaties.
DSL kan worden gebruikt als een manier om toegang te krijgen tot het ATM-netwerk, waardoor u verbinding kunt maken met veel ISP's via een breedband ATM-netwerk.
De nadelen van de technologie zijn dus dat het zijn effectiviteit verliest in moderne hogesnelheidsverbindingen. Het voordeel van een dergelijk netwerk is dat het de bandbreedte aanzienlijk vergroot, aangezien het een directe verbinding biedt tussen verschillende randapparatuur.
Bovendien kunnen met één fysieke verbinding die ATM gebruikt, meerdere verschillende virtuele circuits met verschillende kenmerken tegelijkertijd werken.
Deze technologie maakt gebruik van vrij krachtige verkeersbeheertools die zich op dit moment blijven ontwikkelen. Dit maakt het mogelijk om gegevens van verschillende typen tegelijkertijd te verzenden, zelfs als ze totaal verschillende vereisten hebben voor het verzenden en ontvangen ervan. U kunt bijvoorbeeld verkeer creëren met verschillende protocollen op hetzelfde kanaal.
Fundamenten van virtuele circuits
Asynchonous Transfer Mode (afkorting voor ATM) werkt als een op links gebaseerde transportlaag met behulp van virtuele circuits (VC's). Dit hangt samen met het concept van virtuele paden (VP) en kanalen. Elke ATM-cel heeft een 8-bit of 12-bit Virtual Path Identifier (VPI) en een 16-bit Virtual Circuit Identifier (VCI),gedefinieerd in de koptekst.
VCI wordt samen met VPI gebruikt om de volgende bestemming van een pakket te identificeren wanneer het op weg naar zijn bestemming door een reeks ATM-switches gaat. De lengte van de VPI varieert afhankelijk van of de cel via de gebruikersinterface of de netwerkinterface wordt verzonden.
Terwijl deze pakketten door het ATM-netwerk gaan, vindt het schakelen plaats door de VPI/VCI-waarden te wijzigen (tags vervangen). Hoewel ze niet noodzakelijk overeenkomen met de uiteinden van de verbinding, is het concept van het schema sequentieel (in tegenstelling tot IP, waarbij elk pakket zijn bestemming via een andere route kan bereiken). ATM-switches gebruiken de VPI/VCI-velden om het virtuele circuit (VCL) te identificeren van het volgende netwerk dat een cel moet passeren op weg naar zijn eindbestemming. De functie van de VCI is vergelijkbaar met die van de Data Link Connection Identifier (DLCI) in de framerelay en het logische kanaalgroepnummer in X.25.
Een ander voordeel van het gebruik van virtuele circuits is dat ze kunnen worden gebruikt als een multiplexlaag, waardoor verschillende services (zoals spraak- en framerelay) kunnen worden gebruikt. VPI is handig voor het verkleinen van de schakeltabel van sommige virtuele circuits die paden delen.
Gebruik van cellen en virtuele circuits om het verkeer te organiseren
ATM-technologie omvat extra verkeersbewegingen. Wanneer het circuit is geconfigureerd, wordt elke schakelaar in het circuit geïnformeerd over de verbindingsklasse.
ATM-verkeerscontracten maken deel uit van het mechanismehet leveren van "kwaliteit van de dienstverlening" (QoS). Er zijn vier hoofdtypen (en verschillende varianten), die elk een set parameters hebben die de verbinding beschrijven:
- CBR - constante gegevenssnelheid. Gespecificeerde pieksnelheid (PCR) die vast is.
- VBR - variabele gegevenssnelheid. Opgegeven gemiddelde of stabiele waarde (SCR), die een piek kan bereiken op een bepaald niveau, gedurende het maximale interval voordat er problemen optreden.
- ABR - beschikbare datasnelheid. Minimum gegarandeerde waarde gespecificeerd.
- UBR - ongedefinieerde datasnelheid. Het verkeer wordt verdeeld over de resterende bandbreedte.
VBR heeft re altime-opties en wordt in andere modi gebruikt voor "situationeel" verkeer. Verkeerde tijd wordt soms afgekort tot vbr-nrt.
De meeste verkeersklassen gebruiken ook het concept van Cell Tolerance Variation (CDVT), dat hun "aggregatie" in de loop van de tijd definieert.
Besturing van gegevensoverdracht
Wat betekent geldautomaat gezien het bovenstaande? Om de netwerkprestaties te behouden, kunnen verkeersregels voor virtuele netwerken worden toegepast om de hoeveelheid gegevens die wordt overgedragen op toegangspunten van de verbinding te beperken.
Het referentiemodel dat gevalideerd is voor UPC en NPC is het Generic Cell Rate Algorithm (GCRA). In de regel wordt VBR-verkeer meestal bestuurd met behulp van een controller, in tegenstelling tot andere typen.
Als de hoeveelheid gegevens het door GCRA gedefinieerde verkeer overschrijdt, kan het netwerk ofwel resettencellen, of markeer de Cell Loss Priority (CLP) bit (om het pakket te identificeren als mogelijk overbodig). Het belangrijkste beveiligingswerk is gebaseerd op sequentiële monitoring, maar dit is niet optimaal voor ingekapseld pakketverkeer (omdat het laten vallen van één eenheid het hele pakket ongeldig maakt). Als resultaat zijn schema's zoals Partial Packet Discard (PPD) en Early Packet Discard (EPD) gecreëerd die in staat zijn een hele reeks cellen weg te gooien totdat het volgende pakket begint. Dit vermindert het aantal nutteloze stukjes informatie op het netwerk en bespaart bandbreedte voor complete pakketten.
EPD en PPD werken met AAL5-verbindingen omdat ze het einde van de pakketmarkering gebruiken: de ATM User Interface Indication (AUU) bit in het Payload Type-veld van de header, die is ingesteld in de laatste cel van de SAR -SDU.
Verkeersvorming
De basisprincipes van ATM-technologie in dit deel kunnen als volgt worden weergegeven. Verkeersvorming vindt typisch plaats op een netwerkinterfacekaart (NIC) in de gebruikersapparatuur. Hiermee wordt geprobeerd ervoor te zorgen dat de celstroom op de VC overeenkomt met het verkeerscontract, d.w.z. dat de eenheden niet worden verwijderd of in prioriteit worden verlaagd bij de UNI. Aangezien het referentiemodel voor verkeersbeheer in het netwerk GCRA is, wordt dit algoritme ook vaak gebruikt voor het vormen en routeren van gegevens.
Soorten virtuele circuits en paden
ATM-technologie kan virtuele circuits en paden creëren alsstatisch als dynamisch. Statische circuits (STS) of paden (PVP) vereisen dat het circuit bestaat uit een reeks segmenten, één voor elk paar interfaces waar het doorheen gaat.
PVP en PVC, hoewel conceptueel eenvoudig, vergen aanzienlijke inspanningen in grote netwerken. Ze ondersteunen ook geen serviceomleiding in geval van storing. Dynamisch gebouwde SPVP's en SPVC's worden daarentegen gebouwd door de kenmerken van een schema (een service-"contract") en twee eindpunten te specificeren.
Ten slotte maken en verwijderen ATM-netwerken geschakelde virtuele circuits (SVC's) zoals vereist door het eindapparaat. Een toepassing voor SVC's is het voeren van individuele telefoongesprekken wanneer een netwerk van switches onderling is verbonden via ATM. SVC's werden ook gebruikt in een poging om ATM-LAN's te vervangen.
Virtueel routeringsschema
De meeste ATM-netwerken die SPVP, SPVC en SVC ondersteunen, gebruiken de Private Network Node-interface of het Private Network-to-Network Interface (PNNI)-protocol. PNNI gebruikt hetzelfde kortste pad-algoritme dat door OSPF en IS-IS wordt gebruikt om IP-pakketten te routeren voor de uitwisseling van topologie-informatie tussen switches en routeselectie via het netwerk. PNNI bevat ook een krachtig samenvattend mechanisme waarmee zeer grote netwerken kunnen worden gemaakt, evenals een algoritme voor oproeptoegangscontrole (CAC) dat de beschikbaarheid bepa alt van voldoende bandbreedte langs een voorgestelde route door het netwerk om te voldoen aan de servicevereisten van een VC of VP.
Ontvangen en verbinden metoproepen
Het netwerk moet een verbinding tot stand brengen voordat beide partijen cellen naar elkaar kunnen sturen. In ATM wordt dit een virtueel circuit (VC) genoemd. Dit kan een permanent virtueel circuit (PVC) zijn dat administratief wordt aangemaakt op de eindpunten, of een geschakeld virtueel circuit (SVC) dat naar behoefte wordt gecreëerd door de verzendende partijen. Het aanmaken van een SVC wordt bestuurd door signalering, waarbij de aanvrager het adres van de ontvangende partij specificeert, het type gevraagde dienst en eventuele verkeersparameters die van toepassing kunnen zijn op de geselecteerde dienst. Het netwerk zal dan bevestigen dat de gevraagde bronnen beschikbaar zijn en dat er een route bestaat voor de verbinding.
ATM-technologie definieert de volgende drie niveaus:
- ATM-aanpassingen (AAL);
- 2 ATM, ongeveer gelijk aan OSI-datalinklaag;
- fysiek equivalent aan dezelfde OSI-laag.
Inzet en distributie
ATM-technologie werd in de jaren negentig populair bij telefoonmaatschappijen en veel computerfabrikanten. Maar zelfs tegen het einde van dit decennium begonnen de beste prijs en prestaties van Internet Protocol-producten te concurreren met ATM voor re altime integratie en pakketnetwerkverkeer.
Sommige bedrijven richten zich vandaag de dag nog steeds op ATM-producten, terwijl andere ze als optie aanbieden.
Mobiele technologie
Draadloze technologie bestaat uit een ATM-kernnetwerk met een draadloos toegangsnetwerk. Hier worden cellen doorgestuurd van basisstations naar mobiele terminals. FunctiesMobiliteiten worden uitgevoerd op een ATM-switch in het kernnetwerk, bekend als "crossover", wat analoog is aan de MSC (Mobile Switching Center) van GSM-netwerken. Het voordeel van draadloze ATM-communicatie is de hoge doorvoer en hoge overdrachtssnelheid die wordt uitgevoerd op laag 2.
In het begin van de jaren negentig waren er enkele onderzoekslaboratoria actief op dit gebied. Het ATM-forum is opgericht om draadloze netwerktechnologie te standaardiseren. Het werd ondersteund door verschillende telecommunicatiebedrijven, waaronder NEC, Fujitsu en AT&T. Mobiele ATM-technologie heeft tot doel high-speed multimediacommunicatietechnologieën te bieden die mobiele breedband kunnen bieden buiten GSM- en WLAN-netwerken.
