Režim asynchronního přenosu - Asynchronous Transfer Mode

Asynchronous Transfer Mode ( ATM ) je telekomunikační standard definovaný ANSI a ITU (dříve CCITT) pro digitální přenos více typů provozu, včetně telefonních (hlasových), datových a video signálů v jedné síti bez použití oddělených překryvných sítí . ATM byl vyvinut tak, aby vyhovoval potřebám digitální sítě širokopásmových integrovaných služeb , jak byl definován na konci 80. let, a byl navržen tak, aby integroval telekomunikační sítě. Zvládne jak tradiční datový provoz s vysokou propustností , tak obsah s nízkou latencí v reálném čase , jako je hlas a video. ATM poskytuje funkce, které využívají funkce sítí přepínání obvodů a přepínání paketů . Používá asynchronní multiplexování s časovým dělením .

Ve vrstvě datového odkazu referenčního modelu OSI (vrstva 2) se základním přenosovým jednotkám obecně říká rámce . V ATM mají tyto rámce pevnou (53 oktetů nebo bajtů ) délku a specificky se nazývají buňky . To se liší od přístupů, jako je IP nebo Ethernet, které používají pakety nebo rámce s proměnnou velikostí. ATM používá model orientovaný na připojení, ve kterém musí být před zahájením výměny dat mezi dvěma koncovými body vytvořen virtuální obvod . Tyto virtuální obvody mohou být buď trvalé, tj. Vyhrazená připojení, která jsou obvykle předkonfigurována poskytovatelem služeb, nebo přepínaná, tj. Nastavená na základě volání pomocí signalizace a odpojená, když je hovor ukončen.

Síťový referenční model ATM se přibližně mapuje na tři nejnižší vrstvy modelu OSI: fyzickou vrstvu , vrstvu datového spojení a síťovou vrstvu . ATM je základní protokol používaný v páteři SONET/SDH veřejné komutované telefonní sítě (PSTN) a v digitální síti integrovaných služeb (ISDN), ale do značné míry byl nahrazen ve prospěch sítí nové generace založených na internetovém protokolu (IP ) technologie, zatímco bezdrátový a mobilní ATM nikdy nezískal významnou oporu.

Síťová karta rozhraní IBM Turboways ATM 155 PCI
Síťová karta Marconi ForeRunnerLE 25 ATM PCI

Architektura protokolu

Pokud je řečový signál zredukován na pakety a je nucen sdílet spojení s hromadným datovým provozem (provoz s neobvykle velkým počtem paketů za krátkou dobu, k čemuž může dojít během mimořádné situace velkého rozsahu a mobilní sítě došlo k nadměrnému předplatnému), pak bez ohledu na to, jak malé by mohly být řečové pakety vytvořeny, vždy by narazily na datové pakety plné velikosti. Za normálních podmínek zařazování do fronty mohou buňky zaznamenat maximální zpoždění ve frontě. Abychom se tomuto problému vyhnuli, všechny pakety ATM neboli „buňky“ mají stejnou malou velikost. Pevná buněčná struktura navíc znamená, že ATM lze snadno přepínat hardwarem bez inherentních zpoždění zavedených softwarově přepínanými a směrovanými rámci.

To znamená, že konstruktéři ATM použity malé datové buňky ke snížení chvění (velké změny v paketu doba obrátky , nebo jednosměrný době, v tomto případě) v multiplexování datových proudů. Snížení chvění (a také zpoždění mezi spouštěmi mezi koncovými body) je zvláště důležité při přenosu hlasového provozu, protože převod digitalizovaného hlasu na analogový zvukový signál je neodmyslitelně proces v reálném čase a odvádí dobrou práci, dekodér , který toto potřebuje rovnoměrně rozložených (v čase) proudu datových položek. Pokud další datová položka není k dispozici, když je potřeba, kodek nemá jinou možnost než vytvořit ticho nebo hádat - a pokud jsou data pozdě, jsou k ničemu, protože časové období, kdy mělo být převedeno na signál, má již prošlo.

V době návrhu ATM byla synchronní digitální hierarchie 155 Mbit/s (SDH) s užitečným zatížením 135 Mbit/s považována za rychlé optické síťové spojení a mnoho propojení s plesiochronní digitální hierarchií (PDH) v digitální síti bylo podstatně pomalejší, v rozmezí od 1,544 do 45 Mbit/s v USA a 2 až 34 Mbit/s v Evropě.

Při rychlosti 155 Mbit/s by typický datový paket s celkovou délkou 1 500 bajtů (12 000 bitů), dostatečný pro obsazení paketu IP maximální velikosti pro ethernet , trval 77,42 µs . V spojení s nižší rychlostí, jako je linka T1 s rychlostí 1 544 Mbit/s , by stejný paket trval až 7,8 milisekundy.

Zpoždění řazení do fronty vyvolána několika těchto datových paketů může přesahovat hodnotu 7,8 ms několikanásobně, kromě jakéhokoliv zpoždění paketů generace v kratším řeči paketu. To bylo považováno za nepřijatelné pro provoz řeči, který potřebuje nízký jitter v datovém proudu přiváděném do kodeku, pokud má produkovat zvuk dobré kvality. Paketový hlasový systém může produkovat toto nízké chvění několika způsoby:

  • Pomocí vyrovnávací paměti pro přehrávání mezi sítí a kodekem je jeden dostatečně velký na to, aby kodek překryl téměř veškerý jitter v datech. To umožňuje vyhlazení chvění, ale zpoždění zavedené průchodem přes vyrovnávací paměť vyžaduje potlačení ozvěny i v místních sítích; v té době to bylo považováno za příliš drahé. Také to zvýšilo zpoždění napříč kanálem a ztěžovalo konverzaci přes kanály s velkým zpožděním.
  • Použití systému, který ze své podstaty poskytuje nízké chvění (a minimální celkové zpoždění) provozu, který to potřebuje.
  • Pracujte na uživatelském základě 1: 1 (tj. Vyhrazené potrubí).

Konstrukce ATM byla zaměřena na síťové rozhraní s nízkými vibracemi. „Buňky“ však byly do návrhu zavedeny, aby poskytovaly krátká zpoždění ve frontách a zároveň nadále podporovaly provoz datagramu . ATM rozdělil všechny pakety, data a hlasové toky na 48bajtové bloky a ke každému přidal 5bajtovou směrovací hlavičku, aby je bylo možné později znovu sestavit. Volba 48 bajtů byla spíše politická než technická. Když CCITT (nyní ITU-T) standardizoval ATM, strany ze Spojených států chtěly 64 bajtové užitečné zatížení, protože to bylo považováno za dobrý kompromis ve větších užitečných zatíženích optimalizovaných pro přenos dat a kratších užitečných zatíženích optimalizovaných pro aplikace v reálném čase, jako je hlas; strany z Evropy chtěly 32bajtové užitečné zatížení, protože malá velikost (a tedy krátké přenosové časy) zjednodušují hlasové aplikace s ohledem na potlačení ozvěny. Většina evropských stran nakonec dospěla k argumentům Američanů, ale Francie a několik dalších se drželo kratší délky buněk. S 32 bajty by Francie dokázala implementovat hlasovou síť založenou na ATM s hovory z jednoho konce Francie na druhý, které nevyžadují zrušení ozvěny. Jako kompromis mezi oběma stranami bylo vybráno 48 bajtů (plus 5 bajtů záhlaví = 53). Byly vybrány 5bajtové záhlaví, protože se předpokládalo, že 10% užitečného zatížení představuje maximální cenu za směrování informací. ATM multiplexovalo tyto 53 bajtové buňky namísto paketů, což téměř třicetkrát snížilo nejistotu narušení buněk, což snížilo potřebu rušičů ozvěny.

Buněčná struktura

Buňka ATM se skládá z 5bajtového záhlaví a 48bajtového užitečného zatížení. Velikost užitečného zatížení 48 bajtů byla zvolena výše popsaným způsobem.

ATM definuje dva různé formáty buněk: uživatelské rozhraní (UNI) a síťové rozhraní (NNI). Většina odkazů na ATM používá formát buňky UNI.

Schéma buňky UNI ATM

7     4 3     0
GFC VPI
VPI
VCI
VCI
VCI PT CLP
HEC


Užitečné zatížení a polstrování v případě potřeby (48 bajtů)

Schéma buňky ATM NNI

7     4 3     0
VPI
VPI
VCI
VCI
VCI PT CLP
HEC


Užitečné zatížení a polstrování v případě potřeby (48 bajtů)

GFC = Pole generického řízení toku (GFC) je 4bitové pole, které bylo původně přidáno pro podporu připojení sítí ATM ke sdíleným přístupovým sítím, jako je prsten DQDB (dual queue dual bus). Pole GFC bylo navrženo tak, aby poskytovalo rozhraní User-Network Interface (UNI) 4 bity, ve kterých lze vyjednávat multiplexování a řízení toku mezi buňkami různých připojení ATM. Použití a přesné hodnoty pole GFC však nebyly standardizovány a pole je vždy nastaveno na 0000.
VPI = identifikátor virtuální cesty (8 bitů UNI nebo 12 bitů NNI)
VCI = identifikátor virtuálního kanálu (16 bitů)
PT = Typ užitečného zatížení (3 bity)
PT bit 3 (msbit): buňka pro správu sítě. Pokud 0, použije se buňka uživatelských dat a následující:
PT bit 2: Explicitní indikace dopředného zahlcení (EFCI); 1 = přetížení sítě zkušený
Bit PT 1 (lsbit): bit ATM od uživatele k uživateli (AAU). Používá AAL5 k označení hranic paketů.
CLP = priorita ztráty buňky (1 bit)
HEC = kontrola chyb záhlaví (8bitový CRC, polynom = X 8 + X 2 + X + 1)

ATM používá pole PT k označení různých speciálních typů buněk pro účely operací, správy a správy (OAM) a k vymezení hranic paketů v některých adaptačních vrstvách ATM (AAL). Pokud je nejvýznamnějším bitem (MSB) pole PT 0, jedná se o buňku uživatelských dat a další dva bity se používají k označení přetížení sítě a jako bit záhlaví obecného účelu dostupný pro vrstvy přizpůsobení ATM. Pokud je MSB 1, jedná se o buňku pro správu a další dva bity označují typ. (Segment správy sítě, správa sítě end-to-end, správa zdrojů a vyhrazeno pro budoucí použití.)

Několik protokolů propojení ATM používá pole HEC k řízení rámcového algoritmu založeného na CRC , který umožňuje lokalizaci buněk ATM bez režie nad rámec toho, co je jinak nutné pro ochranu záhlaví. 8bitový CRC se používá k opravě chyb jednobitového záhlaví a detekci chyb vícebitových záhlaví. Když jsou detekovány chyby vícebitových záhlaví, aktuální a následující buňky jsou zrušeny, dokud není nalezena buňka bez chyb záhlaví.

Buňka UNI rezervuje pole GFC pro místní systém řízení toku /submultiplexování mezi uživateli. Toto bylo zamýšleno umožnit několika terminálům sdílet jedno síťové připojení, stejným způsobem, jakým mohou dva telefony ISDN ( Integrated Services Digital Network ) sdílet jedno základní ISDN připojení. Všechny čtyři GFC bity musí být ve výchozím nastavení nulové.

Formát buňky NNI replikuje formát UNI téměř přesně, kromě toho, že 4bitové pole GFC je znovu přiděleno poli VPI, což rozšiřuje VPI na 12 bitů. Jedno propojení NNI ATM je tedy schopno adresovat téměř 2 12 VPs až téměř 2 16 VC (v praxi jsou některá čísla VP a VC vyhrazena).

Typy služeb

ATM podporuje různé typy služeb prostřednictvím AAL. Standardizované AAL zahrnují AAL1, AAL2 a AAL5 a zřídka používané AAL3 a AAL4. AAL1 se používá pro služby s konstantní přenosovou rychlostí (CBR) a emulaci obvodu. Synchronizace je také udržována na AAL1. AAL2 až AAL4 se používají pro služby s proměnnou přenosovou rychlostí (VBR) a AAL5 pro data. Který AAL se pro danou buňku používá, není v buňce zakódován. Místo toho je vyjednáváno nebo konfigurováno v koncových bodech na základě virtuálního připojení.

Po počátečním návrhu ATM se sítě staly mnohem rychlejšími. 1 500 bajtů (12 000 bitů) ethernetového rámce v plné velikosti trvá přenos pouze 1,2 µs v síti 10 Gbit/s, což snižuje potřebu malých buněk omezovat chvění kvůli hádkám. Zvýšené rychlosti odkazů samy o sobě nesnižují chvění kvůli frontám. Navíc hardware pro implementaci přizpůsobení služby pro IP pakety je drahý při velmi vysokých rychlostech.

ATM poskytuje užitečnou schopnost přenášet více logických obvodů na jednom fyzickém nebo virtuálním médiu, přestože existují i ​​jiné techniky, jako například Multi-link PPP , ethernetové VLAN a podpora více protokolů přes SONET .

Virtuální obvody

Aby si dvě strany mohly navzájem posílat buňky, musí síť navázat spojení. V ATM se tomu říká virtuální okruh (VC). Může to být trvalý virtuální okruh (PVC), který je vytvořen administrativně na koncových bodech, nebo přepínaný virtuální okruh (SVC), který je vytvořen podle potřeby komunikujícími stranami. Vytváření SVC je řízeno signalizací , ve které požadující strana uvádí adresu přijímající strany, typ požadované služby a jakékoli parametry provozu, které mohou být pro vybranou službu použitelné. Síť poté provede „přijetí hovoru“, aby potvrdila, že jsou k dispozici požadované zdroje a že pro připojení existuje trasa.

Motivace

ATM funguje jako kanálová transportní vrstva pomocí VC. To je obsaženo v konceptu virtuálních cest (VP) a virtuálních kanálů. Každá buňka ATM má v záhlaví definován pár 8 nebo 12bitových identifikátorů virtuální cesty (VPI) a 16bitového identifikátoru virtuálního kanálu (VCI). VCI spolu s VPI slouží k identifikaci dalšího místa určení buňky při průchodu řadou ATM přepínačů na cestě do cíle. Délka VPI se liší podle toho, zda je buňka odeslána na rozhraní uživatelské sítě (na okraji sítě), nebo zda je odeslána na rozhraní síťová síť (uvnitř sítě).

Jak tyto buňky procházejí sítí ATM, přepínání probíhá změnou hodnot VPI/VCI (přepínání štítků). Ačkoli hodnoty VPI/VCI nejsou nutně konzistentní z jednoho konce připojení na druhý, koncept obvodu je konzistentní (na rozdíl od IP, kde se jakýkoli daný paket mohl dostat do cíle jinou cestou než ostatní). Přepínače ATM používají pole VPI/VCI k identifikaci propojení virtuálního kanálu (VCL) další sítě, kterou buňka potřebuje na cestě do svého konečného cíle. Funkce VCI je podobná funkci identifikátoru připojení datového spojení (DLCI) v rámcovém relé a číslo logického kanálu a číslo skupiny logických kanálů v X.25 .

Další výhoda použití virtuálních obvodů přichází s možností použít je jako multiplexní vrstvu, umožňující různé služby (jako je hlas, rámcové relé , n* 64 kanálů, IP). VPI je užitečné pro redukci přepínací tabulky některých virtuálních obvodů, které mají společné cesty.

Typy

ATM může stavět virtuální obvody a virtuální cesty buď staticky nebo dynamicky. Statické obvody (trvalé virtuální obvody nebo PVC) nebo cesty (trvalé virtuální cesty nebo PVP) vyžadují, aby byl obvod složen ze série segmentů, jednoho pro každý pár rozhraní, kterými prochází.

PVP a PVC, přestože jsou koncepčně jednoduché, vyžadují značné úsilí ve velkých sítích. Rovněž nepodporují přesměrování služby v případě selhání. Naproti tomu dynamicky stavěné PVP (měkké PVP nebo SPVP) a PVC (měkké PVC nebo SPVC) se vytvářejí zadáním charakteristik obvodu („smlouva“ o službě) a dvou koncových bodů.

Sítě ATM vytvářejí a odebírají přepínané virtuální obvody (SVC) na vyžádání, když o to požádá koncové zařízení. Jednou aplikací pro SVC je přenášet individuální telefonní hovory, když je síť telefonních přepínačů propojena pomocí ATM. SVC byly také použity při pokusech nahradit lokální sítě ATM.

Směrování

Většina sítí ATM podporujících SPVP, SPVC a SVC používá ke sdílení informací o topologii mezi přepínači a výběru trasy prostřednictvím sítě protokol Node pro privátní síť nebo protokol PNNI ( Private Network-to-Network Interface ). PNNI je směrovací protokol stavu spojení jako OSPF a IS-IS . PNNI také obsahuje velmi účinný mechanismus shrnutí trasy, který umožňuje výstavbu velmi velkých sítí, a také algoritmus řízení příjmu volání (CAC), který určuje dostupnost dostatečné šířky pásma na navrhované trase přes síť, aby byly splněny požadavky na služby VC nebo VP.

Dopravní inženýrství

Další klíčový koncept ATM zahrnuje dopravní smlouvu . Když je nastaven obvod ATM, každý přepínač na okruhu je informován o dopravní třídě připojení.

Provozní smlouvy ATM tvoří součást mechanismu, kterým je zajištěna „ kvalita služby “ (QoS). Existují čtyři základní typy (a několik variant), z nichž každý má sadu parametrů popisujících připojení.

  1. CBR - Constant bit rate: je specifikována Peak Cell Rate (PCR), která je konstantní.
  2. VBR - Variabilní přenosová rychlost: je specifikována průměrná nebo udržitelná buněčná rychlost (SCR), která může dosáhnout vrcholu na určité úrovni, PCR, po maximální interval, než bude problematická.
  3. ABR - Dostupný datový tok: je stanovena minimální garantovaná rychlost.
  4. UBR - nespecifikovaná přenosová rychlost: provoz je přidělen veškeré zbývající přenosové kapacitě.

VBR má varianty v reálném čase i mimo něj a slouží pro „nárazový“ provoz. Non-real-time je někdy zkrácen na vbr-nrt.

Většina tříd provozu také zavádí koncept tolerance tolerance variace buněk (CDVT), který definuje „shlukování“ buněk v čase.

Dopravní policie

Aby byl zachován výkon sítě, mohou sítě na virtuálních okruzích uplatňovat policejní dohled, aby je omezily na své dopravní smlouvy ve vstupních bodech do sítě, tj. Rozhraní uživatel-síť (UNI) a rozhraní síť-síť (NNI): využití/ řízení parametrů sítě (UPC a NPC). Referenčním modelem poskytovaným Fórem ITU-T a ATM pro UPC a NPC je generický algoritmus rychlosti buněk (GCRA), což je verze algoritmu pro děravý segment . Provoz CBR bude normálně hlídán pouze pomocí PCR a CDVt, zatímco provoz VBR bude obvykle hlídán pomocí řadiče s dvojitým děravým kbelíkem pro PCR a CDVt a SCR a maximální velikosti burstu (MBS). MBS bude normálně velikost paketu ( SAR - SDU ) pro VBR VC v buňkách.

Pokud provoz na virtuálním okruhu překračuje jeho smlouvu o provozu, jak stanoví GCRA, síť může buňky zrušit nebo označit bit CLP ( Cell Loss Priority ) (identifikovat buňku jako potenciálně nadbytečnou). Základní policejní práce fungují na bázi buněk po buňkách, ale toto je pro opouzdřený provoz paketů optimální (protože vyřazení jedné buňky zneplatní celý paket). V důsledku toho byla vytvořena schémata, jako je částečný odhoz paketu (PPD) a předčasný odhoz paketu (EPD), který zahodí celou řadu buněk, dokud nezačne další paket. To snižuje počet zbytečných buněk v síti a šetří šířku pásma pro celé pakety. EPD a PPD pracují s připojeními AAL5, protože používají konec značky paketů: bit indikace uživatele ATM uživatele ATM (AUU) v poli typu užitečného zatížení záhlaví, který je nastaven v poslední buňce SAR- SDU.

Tvarování provozu

Tvarování provozu se obvykle odehrává na kartě síťového rozhraní (NIC) v uživatelském zařízení a pokouší se zajistit, aby tok buněk na VC odpovídal jeho smlouvě o provozu, tj. Buňky nebudou v UNI upuštěny nebo prioritně sníženy. Vzhledem k tomu, že referenčním modelem udávaným pro sledování provozu v síti je GCRA, tento algoritmus se běžně používá také pro tvarování a podle potřeby lze použít implementace jednoho a dvou děravých segmentů .

Referenční model

Síťový referenční model ATM přibližně mapuje tři nejnižší vrstvy referenčního modelu OSI . Určuje následující vrstvy:

Rozvinutí

V devadesátých letech se bankomat stal oblíbeným u telefonních společností a mnoha výrobců počítačů. I do konce tohoto desetiletí však lepší cena/výkon produktů založených na internetovém protokolu konkurovala technologii ATM pro integraci síťového provozu v reálném čase. Společnosti, jako je FORE Systems, se zaměřily na produkty ATM, zatímco další velcí prodejci, jako je Cisco Systems, poskytovali ATM jako volitelnou možnost. Po výbuchu bubliny dot-com někteří stále předpovídali, že „bankomat bude dominovat“. V roce 2005 se však ATM Forum , obchodní organizace propagující tuto technologii, spojilo se skupinami propagujícími jiné technologie a nakonec se stalo Broadband Forum .

Bezdrátový nebo mobilní bankomat

Bezdrátový ATM nebo mobilní ATM se skládá z hlavní sítě ATM s bezdrátovou přístupovou sítí. Buňky ATM jsou přenášeny ze základnových stanic do mobilních terminálů. Funkce mobility se provádějí na přepínači ATM v základní síti, známém jako „crossover switch“, který je podobný MSC (mobilní přepínací centrum) sítí GSM. Výhodou bezdrátového ATM je jeho vysoká šířka pásma a vysokorychlostní předávání provedené ve vrstvě 2. Na počátku 90. let v této oblasti aktivně pracovaly výzkumné laboratoře Bell Labs a NEC . V této oblasti pracoval i Andy Hopper z Cambridge University Computer Laboratory. Bylo vytvořeno fórum pro bezdrátové ATM za účelem standardizace technologie bezdrátových sítí ATM. Fórum podpořilo několik telekomunikačních společností, včetně NEC, Fujitsu a AT&T . Mobile ATM si klade za cíl poskytovat vysokorychlostní multimediální komunikační technologie, schopné poskytovat širokopásmovou mobilní komunikaci nad rámec GSM a WLAN.

Verze

Jedna verze ATM je ATM25 , kde jsou data přenášena rychlostí 25 Mbit/s .

Viz také

Reference

externí odkazy