Technologie ATM je telekomunikační koncept definovaný mezinárodními standardy pro přenos plného rozsahu uživatelského provozu, včetně hlasových, datových a video signálů. Byl vyvinut pro potřeby digitální sítě širokopásmových služeb a byl původně navržen pro integraci telekomunikačních sítí. Zkratka ATM znamená asynchronní přenosový režim a do ruštiny se překládá jako „asynchronní přenos dat“.
Tato technologie byla vytvořena pro sítě, které potřebují zvládat jak tradiční vysoce výkonný datový provoz (jako je přenos souborů), tak obsah v reálném čase s nízkou latencí (jako je hlas a video). Referenční model pro ATM mapuje zhruba tři nižší vrstvy ISO-OSI: síť, datové spojení a fyzické. ATM je primární protokol používaný přes okruhy SONET/SDH (veřejná komutovaná telefonní síť) a Integrated Services Digital Network (ISDN).
Co je to?
Co znamená ATM pro připojení k síti? Ona poskytujefunkčnost podobná přepínání okruhů a sítím s přepínáním paketů: technologie využívá asynchronní multiplexování s časovým dělením a kóduje data do malých paketů s pevnou velikostí (ISO-OSI rámců) nazývaných buňky. To se liší od přístupů, jako je internetový protokol nebo Ethernet, které používají pakety a rámce s proměnnou velikostí.
Základní principy technologie ATM jsou následující. Používá model orientovaný na spojení, ve kterém musí být vytvořen virtuální okruh mezi dvěma koncovými body, než může začít skutečná komunikace. Tyto virtuální okruhy mohou být „trvalé“, to znamená vyhrazená připojení, která jsou obvykle předem nakonfigurována poskytovatelem služby, nebo „přepínatelné“, to znamená, že je lze konfigurovat pro každý hovor.
Asynchronní režim převodu (ATM znamená anglicky) je známý jako způsob komunikace používaný v bankomatech a platebních terminálech. Toto využití však postupně upadá. Použití technologie v bankomatech bylo z velké části nahrazeno internetovým protokolem (IP). V referenčním spojení ISO-OSI (vrstva 2) se základní přenosová zařízení běžně označují jako rámce. V ATM mají pevnou délku (53 oktetů nebo bajtů) a jsou specificky nazývány „buňkami“.
Velikost buňky
Jak je uvedeno výše, dešifrování ATM je asynchronní přenos dat prováděný jejich rozdělením do buněk o určité velikosti.
Pokud je řečový signál redukován na pakety a oninuceni k odesílání na lince s velkým datovým provozem, bez ohledu na jejich velikost, narazí na velké plnohodnotné pakety. Za normálních podmínek nečinnosti mohou zaznamenat maximální zpoždění. Aby se tomuto problému předešlo, všechny ATM pakety nebo buňky mají stejně malou velikost. Pevná buněčná struktura navíc znamená, že data lze snadno přenášet hardwarem bez inherentních zpoždění způsobených softwarově přepínanými a směrovanými snímky.
Konstruktéři ATM tedy použili malé datové buňky ke snížení jitteru (v tomto případě rozptylu zpoždění) při multiplexování datových toků. To je zvláště důležité při přenosu hlasového provozu, protože převod digitalizovaného hlasu na analogový zvuk je nedílnou součástí procesu v reálném čase. To napomáhá provozu dekodéru (kodeku), který vyžaduje rovnoměrně rozložený (v čase) proud datových prvků. Pokud další v řadě není v případě potřeby k dispozici, nemá kodek jinou možnost, než se pozastavit. Později se informace ztratí, protože doba, kdy měla být převedena na signál, již uplynula.
Jak se ATM vyvíjel?
Během vývoje ATM byla 155 Mb/s Synchronní digitální hierarchie (SDH) s 135 Mb/s užitečné zatížení považována za rychlou optickou síť a mnoho spojů Plesiochronní digitální hierarchie (PDH) v síti bylo výrazně pomalejších (ne více než 45 Mbps/s). VPři této rychlosti by se typický datový paket plné velikosti 1500 bajtů (12 000 bitů) měl stahovat rychlostí 77,42 mikrosekund. Na nízkorychlostním spojení, jako je linka T1 1,544 Mb/s, trvalo odeslání takového paketu až 7,8 milisekundy.
Zpoždění stahování způsobené několika takovými pakety ve frontě může několikanásobně překročit počet 7,8 ms. To je nepřijatelné pro hlasový provoz, který musí mít nízkou jitter v datovém toku přiváděném do kodeku, aby produkoval zvuk v dobré kvalitě.
Paketový hlasový systém to může udělat několika způsoby, například pomocí vyrovnávací paměti přehrávání mezi sítí a kodekem. To vyhlazuje jitter, ale zpoždění, ke kterému dochází při průchodu vyrovnávací pamětí, vyžaduje potlačení ozvěny, a to i v místních sítích. V té době to bylo považováno za příliš drahé. Navíc to zvýšilo zpoždění na kanálu a ztížilo komunikaci.
Síťová technologie ATM ze své podstaty poskytuje nízké jitter (a nejnižší celkovou latenci) provozu.
Jak to pomůže s připojením k síti?
Design ATM je pro síťové rozhraní s nízkým jitterem. Do návrhu však byly zavedeny „buňky“, které umožňují krátká zpoždění ve frontě a přitom stále podporují datagramový provoz. Technologie ATM rozbila všechny pakety, data a hlasové toky na 48bajtové fragmenty a ke každému přidala 5bajtové směrovací záhlaví, aby je bylo možné později znovu sestavit.
Tato volba velikostibyl politický, ne technický. Když CCITT (v současnosti ITU-T) standardizoval ATM, zástupci USA chtěli 64bajtové užitečné zatížení, protože to bylo považováno za dobrý kompromis mezi velkým množstvím informací optimalizovaných pro přenos dat a kratšími užitečnými zatíženími navrženými pro aplikace v reálném čase. Vývojáři v Evropě zase chtěli 32bajtové pakety, protože malá velikost (a tedy krátká doba přenosu) usnadňuje hlasovým aplikacím z hlediska potlačení ozvěny.
Velikost 48 bajtů (plus velikost záhlaví=53) byla zvolena jako kompromis mezi oběma stranami. 5bajtová záhlaví byla vybrána, protože 10 % užitečného zatížení bylo považováno za maximální cenu za směrovací informace. Technologie ATM multiplexovala 53bajtové buňky, což snížilo poškození a latenci dat až 30krát, čímž se snížila potřeba potlačení ozvěny.
Struktura buňky bankomatu
ATM definuje dva různé formáty buněk: uživatelské síťové rozhraní (UNI) a síťové rozhraní (NNI). Většina linek sítě ATM používá UNI. Struktura každého takového balíčku se skládá z následujících prvků:
- Pole Generic Flow Control (GFC) je 4bitové pole, které bylo původně přidáno pro podporu propojení ATM ve veřejné síti. Topologicky je reprezentován jako okruh DQDB (Distributed Queue Dual Bus). Pole GFC bylo navrženo tak, abyposkytnout 4 bity uživatelského síťového rozhraní (UNI) pro vyjednávání multiplexování a řízení toku mezi buňkami různých připojení ATM. Jeho použití a přesné hodnoty však nebyly standardizovány a pole je vždy nastaveno na 0000.
- VPI – identifikátor virtuální cesty (8bitový UNI nebo 12bitový NNI).
- VCI – identifikátor virtuálního kanálu (16 bitů).
- PT – typ užitečného zatížení (3 bity).
- MSB - buňka ovládání sítě. Pokud je jeho hodnota 0, použije se uživatelský datový paket a v jeho struktuře jsou 2 bity Explicit Congestion Indication (EFCI) a 1 je Network Congestion Experience. Navíc je pro uživatele (AAU) přidělen další 1 bit. Používá ho AAL5 k označení hranic paketů.
- CLP – priorita ztráty buňky (1 bit).
- HEC – kontrola chyb v záhlaví (8bitové CRC).
Síť ATM používá pole PT k označení různých speciálních buněk pro účely operací, správy a správy (OAM) ak definování hranic paketů v některých adaptačních vrstvách (AAL). Je-li hodnota MSB pole PT 0, jedná se o uživatelskou datovou buňku a zbývající dva bity se používají k indikaci zahlcení sítě a jako bit hlavičky pro obecné účely dostupný pro adaptační vrstvy. Pokud je MSB 1, jedná se o kontrolní paket a zbývající dva bity označují jeho typ.
Některé protokoly ATM (Asynchronous Data Transfer Method) používají pole HEC k řízení rámovacího algoritmu založeného na CRC, který dokáže najítbuňky bez dalších nákladů. 8bitový CRC se používá k opravě chyb jednobitových hlaviček a detekci vícebitových chyb. Když jsou nalezeny druhé, aktuální a následující buňky jsou vyřazeny, dokud není nalezena buňka bez chyb v záhlaví.
Balík UNI vyhrazuje pole GFC pro místní řízení toku nebo submultiplexování mezi uživateli. To mělo umožnit více terminálům sdílet jediné síťové připojení. Byl také použit k tomu, aby dva telefony s integrovanou servisní digitální sítí (ISDN) mohly sdílet stejné základní připojení ISDN při určité rychlosti. Všechny čtyři bity GFC musí být ve výchozím nastavení nula.
Formát buněk NNI replikuje formát UNI v podstatě stejným způsobem, kromě toho, že 4bitové pole GFC je přerozděleno do pole VPI, čímž se rozšiřuje na 12 bitů. Jedno připojení k bankomatu NNI tedy zvládne pokaždé téměř 216 VC.
Buňky a přenos v praxi
Co znamená ATM v praxi? Podporuje různé typy služeb prostřednictvím AAL. Standardizované AAL zahrnují AAL1, AAL2 a AAL5, stejně jako méně běžně používané AAC3 a AAL4. První typ se používá pro služby s konstantní bitovou rychlostí (CBR) a emulaci okruhu. Synchronizace je také podporována v AAL1.
Druhý a čtvrtý typ se používají pro služby s proměnnou bitovou rychlostí (VBR), AAL5 pro data. Není v ní zakódována informace o tom, který AAL je pro danou buňku použit. Místo toho se koordinuje nebo přizpůsobujekoncové body pro každé virtuální připojení.
Po prvotním návrhu této technologie se sítě staly mnohem rychlejšími. 1500bajtový (12000bitový) ethernetový rámec plné délky trvá pouze 1,2 µs k přenosu v síti 10 Gb/s, což snižuje potřebu malých buněk ke snížení latence.
Jaké jsou silné a slabé stránky takového vztahu?
Výhody a nevýhody síťové technologie ATM jsou následující. Někteří se domnívají, že zvýšení rychlosti komunikace umožní její nahrazení Ethernetem v páteřní síti. Je však třeba poznamenat, že zvýšení rychlosti samo o sobě nesnižuje jitter způsobený řazením do fronty. Kromě toho je hardware pro implementaci přizpůsobení služeb pro IP pakety drahý.
Zároveň vzhledem k pevnému užitečnému zatížení 48 bajtů není ATM vhodný jako datové spojení přímo pod IP, protože vrstva OSI, na které IP funguje, musí poskytovat maximální přenosovou jednotku (MTU) při nejméně 576 bajtů.
U pomalejších nebo přetížených připojení (622 Mb/s a méně) dává ATM smysl, a z tohoto důvodu většina systémů asymetrických digitálních účastnických linek (ADSL) používá tuto technologii jako mezivrstvu mezi vrstvou fyzického spojení a protokolem Layer 2 jako je PPP nebo Ethernet.
Při těchto nižších rychlostech poskytuje ATM užitečnou schopnost přenášet více logik na jednom fyzickém nebo virtuálním médiu, ačkoli existují i jiné metody, jako je například vícekanálovýPPP a Ethernet VLAN, které jsou volitelné v implementacích VDSL.
DSL lze použít jako způsob přístupu k síti ATM, což vám umožní připojit se k mnoha ISP prostřednictvím širokopásmové sítě ATM.
Nevýhodami této technologie je tedy to, že v moderních vysokorychlostních připojeních ztrácí svou účinnost. Výhodou takové sítě je, že výrazně zvyšuje šířku pásma, protože poskytuje přímé spojení mezi různými periferními zařízeními.
Navíc s jedním fyzickým připojením pomocí ATM může současně fungovat několik různých virtuálních okruhů s různými charakteristikami.
Tato technologie využívá poměrně výkonné nástroje pro řízení provozu, které se v současné době neustále vyvíjejí. To umožňuje přenášet data různých typů současně, i když mají zcela odlišné požadavky na jejich odesílání a přijímání. Můžete například vytvořit provoz pomocí různých protokolů na stejném kanálu.
Základy virtuálních okruhů
Asynchonous Transfer Mode (zkratka pro ATM) funguje jako spojová transportní vrstva využívající virtuální okruhy (VC). To souvisí s konceptem virtuálních cest (VP) a kanálů. Každá buňka ATM má 8bitový nebo 12bitový identifikátor virtuální cesty (VPI) a 16bitový identifikátor virtuálního okruhu (VCI),definováno v jeho záhlaví.
VCI spolu s VPI se používá k identifikaci dalšího cíle paketu, který prochází řadou ATM přepínačů na cestě k cíli. Délka VPI se liší v závislosti na tom, zda je buňka odeslána přes uživatelské rozhraní nebo síťové rozhraní.
Když tyto pakety procházejí sítí ATM, dochází k přepínání změnou hodnot VPI/VCI (náhradou značek). I když se nemusí nutně shodovat s konci spojení, koncept schématu je sekvenční (na rozdíl od IP, kde každý paket může dosáhnout svého cíle jinou cestou). Přepínače ATM používají pole VPI/VCI k identifikaci virtuálního okruhu (VCL) další sítě, kterou musí buňka projít na své cestě ke svému konečnému cíli. Funkce VCI je podobná jako u Data Link Connection Identifier (DLCI) v přenosu rámců a číslo skupiny logického kanálu v X.25.
Další výhodou používání virtuálních okruhů je, že je lze použít jako multiplexní vrstvu, která umožňuje použití různých služeb (jako je hlas a přenos snímků). VPI je užitečné pro snížení přepínací tabulky některých virtuálních okruhů, které sdílejí cesty.
Používání buněk a virtuálních okruhů k organizaci provozu
Technologie ATM zahrnuje další pohyb dopravy. Když je obvod nakonfigurován, každý spínač v obvodu je informován o třídě připojení.
Smlouvy o provozu ATM jsou součástí mechanismuposkytování „kvality služeb“(QoS). Existují čtyři hlavní typy (a několik variant), z nichž každý má sadu parametrů, které popisují připojení:
- CBR - konstantní přenosová rychlost. Specifikovaný Peak Rate (PCR), který je pevný.
- VBR – proměnná rychlost přenosu dat. Specifikovaná průměrná nebo ustálená hodnota (SCR), která může vyvrcholit na určité úrovni, po maximální interval, než nastanou problémy.
- ABR – dostupná rychlost přenosu dat. Zadaná minimální zaručená hodnota.
- UBR - nedefinovaná rychlost přenosu dat. Provoz je distribuován po zbývající šířce pásma.
VBR má možnosti v reálném čase a v jiných režimech se používá pro „situační“provoz. Nesprávný čas je někdy zkrácen na vbr-nrt.
Většina tříd provozu také používá koncept odchylky buněčné tolerance (CDVT), která definuje jejich „agregaci“v průběhu času.
Ovládání přenosu dat
Co znamená ATM vzhledem k výše uvedenému? K udržení výkonu sítě lze použít pravidla provozu virtuální sítě, která omezí množství dat přenášených na vstupních bodech připojení.
Referenčním modelem ověřeným pro UPC a NPC je Generic Cell Rate Algorithm (GCRA). Na rozdíl od jiných typů je provoz VBR zpravidla řízen pomocí ovladače.
Pokud množství dat překročí provoz definovaný GCRA, síť se může buď resetovatnebo označit bit Priority ztráty buněk (CLP) (k identifikaci paketu jako potenciálně redundantního). Hlavní bezpečnostní práce je založena na sekvenčním monitorování, ale to není optimální pro provoz zapouzdřených paketů (protože zahozením jedné jednotky se zruší platnost celého paketu). V důsledku toho byla vytvořena schémata jako Partial Packet Discard (PPD) a Early Packet Discard (EPD), která jsou schopna zahodit celou řadu buněk, dokud nezačne další paket. To snižuje počet zbytečných informací v síti a šetří šířku pásma pro celé pakety.
EPD a PPD fungují s připojeními AAL5, protože používají konec značky paketu: bit ATM User Interface Indication (AUU) v poli Payload Type v záhlaví, který je nastaven v poslední buňce SAR -SDU.
Utváření dopravy
Základy technologie ATM v této části lze znázornit následovně. K tvarování provozu obvykle dochází na kartě síťového rozhraní (NIC) v uživatelském zařízení. To se pokouší zajistit, že tok buněk na VC bude odpovídat jeho provozní smlouvě, tj. jednotky nebudou vynechány nebo snížena priorita na UNI. Protože referenční model pro řízení provozu v síti je GCRA, tento algoritmus se běžně používá také pro tvarování a směrování dat.
Typy virtuálních okruhů a cest
Technologie ATM může vytvářet virtuální okruhy a cesty jakostaticky i dynamicky. Statické obvody (STS) nebo cesty (PVP) vyžadují, aby se obvod skládal ze série segmentů, jeden pro každý pár rozhraní, kterými prochází.
PVP a PVC, i když jsou koncepčně jednoduché, vyžadují ve velkých sítích značné úsilí. Nepodporují ani přesměrování služby v případě selhání. Naproti tomu dynamicky vytvářené SPVP a SPVC jsou vytvářeny specifikováním charakteristik schématu (smlouvy o službě) a dvou koncových bodů.
Konečně sítě ATM vytvářejí a odstraňují přepínané virtuální okruhy (SVC), jak to vyžaduje koncové zařízení. Jednou z aplikací pro SVC je přenášet jednotlivé telefonní hovory, když je síť přepínačů propojena prostřednictvím ATM. SVC byly také použity ve snaze nahradit ATM LAN.
Schéma virtuálního směrování
Většina sítí ATM, které podporují SPVP, SPVC a SVC, používá rozhraní privátního síťového uzlu nebo protokol PNNI (Private Network-to-Network Interface). PNNI používá stejný algoritmus nejkratší cesty, jaký používají OSPF a IS-IS pro směrování IP paketů pro výměnu informací o topologii mezi přepínači a výběr trasy přes síť. PNNI také obsahuje výkonný sumarizační mechanismus, který umožňuje vytváření velmi rozsáhlých sítí, stejně jako algoritmus řízení přístupu k volání (CAC), který určuje dostupnost dostatečné šířky pásma podél navrhované trasy přes síť, aby byly splněny servisní požadavky VC. nebo viceprezident.
Příjem a připojení khovory
Síť musí navázat spojení, aby si obě strany mohly vzájemně posílat buňky. V ATM se tomu říká virtuální okruh (VC). Může to být permanentní virtuální okruh (PVC), který je administrativně vytvořen na koncových bodech, nebo přepínaný virtuální okruh (SVC), který je vytvořen podle potřeby vysílajícími stranami. Vytvoření SVC je řízeno signalizací, ve které žadatel specifikuje adresu přijímající strany, typ požadované služby a jakékoli provozní parametry, které mohou být použitelné pro vybranou službu. Síť poté potvrdí, že jsou požadované zdroje dostupné a že pro připojení existuje trasa.
technologie ATM definuje následující tři úrovně:
- Adaptace bankomatu (AAL);
- 2 ATM, zhruba ekvivalentní vrstvě datového spoje OSI;
- fyzický ekvivalent stejné vrstvy OSI.
Nasazení a distribuce
Technologie ATM se stala oblíbenou u telefonních společností a mnoha výrobců počítačů v 90. letech. Nicméně i na konci tohoto desetiletí začala nejlepší cena a výkon produktů internetového protokolu soutěžit s ATM o integraci v reálném čase a paketový síťový provoz.
Některé společnosti se dnes stále zaměřují na produkty ATM, zatímco jiné je poskytují jako volitelnou možnost.
Mobilní technologie
Bezdrátová technologie se skládá z hlavní sítě ATM s bezdrátovou přístupovou sítí. Buňky jsou zde přenášeny ze základnových stanic do mobilních terminálů. FunkceMobility se provádějí na ATM přepínači v jádrové síti, známém jako „crossover“, což je analogie MSC (Mobile Switching Center) sítí GSM. Výhodou bezdrátové komunikace ATM je její vysoká propustnost a vysoká rychlost předávání prováděná na vrstvě 2.
Na počátku 90. let byly v této oblasti aktivní některé výzkumné laboratoře. Fórum ATM bylo vytvořeno za účelem standardizace technologie bezdrátových sítí. Bylo podporováno několika telekomunikačními společnostmi, včetně NEC, Fujitsu a AT&T. Mobilní technologie ATM má za cíl poskytovat vysokorychlostní multimediální komunikační technologie schopné poskytovat mobilní širokopásmové připojení mimo sítě GSM a WLAN.
