Technológia ATM je telekomunikačný koncept definovaný medzinárodnými štandardmi na prenášanie celého rozsahu užívateľskej prevádzky vrátane hlasových, dátových a video signálov. Bol vyvinutý pre potreby digitálnej siete širokopásmových služieb a pôvodne bol navrhnutý na integráciu telekomunikačných sietí. Skratka ATM znamená asynchrónny režim prenosu a do ruštiny sa prekladá ako "asynchrónny prenos dát".
Táto technológia bola vytvorená pre siete, ktoré potrebujú zvládnuť tradičnú vysokovýkonnú dátovú prevádzku (napríklad prenos súborov) a obsah v reálnom čase s nízkou latenciou (napríklad hlas a video). Referenčný model pre ATM mapuje zhruba tri nižšie vrstvy ISO-OSI: sieť, dátové spojenie a fyzické. ATM je primárny protokol používaný v obvodoch SONET/SDH (verejná komutovaná telefónna sieť) a integrovaných službách digitálnej siete (ISDN).
Čo je toto?
Čo znamená ATM pre sieťové pripojenie? Ona poskytujefunkčnosť podobná prepínaniu okruhov a sieťam s prepínaním paketov: technológia využíva asynchrónne multiplexovanie s časovým delením a kóduje dáta do malých paketov s pevnou veľkosťou (ISO-OSI rámcov) nazývaných bunky. Toto sa líši od prístupov, ako je internetový protokol alebo Ethernet, ktoré používajú pakety a rámce s premenlivou veľkosťou.
Základné princípy technológie ATM sú nasledovné. Používa model orientovaný na spojenie, v ktorom musí byť vytvorený virtuálny okruh medzi dvoma koncovými bodmi predtým, ako môže začať skutočná komunikácia. Tieto virtuálne okruhy môžu byť „trvalé“, to znamená vyhradené pripojenia, ktoré sú zvyčajne vopred nakonfigurované poskytovateľom služby, alebo „prepínateľné“, to znamená, že sa dajú konfigurovať pre každý hovor.
Asynchrónny režim prevodu (ATM znamená angličtinu) je známy ako spôsob komunikácie používaný v bankomatoch a platobných termináloch. Toto využitie však postupne upadá. Používanie technológie v bankomatoch bolo do značnej miery nahradené internetovým protokolom (IP). V referenčnom spojení ISO-OSI (vrstva 2) sa základné prenosové zariadenia bežne označujú ako rámce. V ATM majú pevnú dĺžku (53 oktetov alebo bajtov) a špecificky sa nazývajú „bunky“.
Veľkosť bunky
Ako je uvedené vyššie, dešifrovanie ATM je asynchrónny prenos údajov, ktorý sa uskutočňuje ich rozdelením do buniek určitej veľkosti.
Ak je rečový signál zredukovaný na pakety a tiebudú nútení byť odoslaní na linke s vysokou dátovou prevádzkou, bez ohľadu na ich veľkosť, narazia na veľké plnohodnotné pakety. Za normálnych podmienok nečinnosti môžu zaznamenať maximálne oneskorenia. Aby sa predišlo tomuto problému, všetky ATM pakety alebo bunky majú rovnakú malú veľkosť. Pevná bunková štruktúra navyše znamená, že dáta môžu byť jednoducho prenášané hardvérom bez inherentných oneskorení spôsobených softvérovo prepínanými a smerovanými rámcami.
Konštruktéri ATM teda použili malé dátové bunky na zníženie jitteru (v tomto prípade rozptylu oneskorenia) pri multiplexovaní dátových tokov. Toto je obzvlášť dôležité pri prenose hlasovej prevádzky, pretože konverzia digitalizovaného hlasu na analógový zvuk je neoddeliteľnou súčasťou procesu v reálnom čase. To napomáha činnosti dekodéra (kodeku), ktorý vyžaduje rovnomerne rozložený (v čase) prúd dátových prvkov. Ak v prípade potreby nie je k dispozícii ďalší v poradí, kodek nemá inú možnosť, ako sa pozastaviť. Neskôr sa informácia stratí, pretože čas, kedy mala byť prevedená na signál, už uplynul.
Ako sa vyvinul bankomat?
Počas vývoja ATM sa 155 Mbps Synchronous Digital Hierarchy (SDH) s 135 Mbps užitočným zaťažením považovala za rýchlu optickú sieť a mnohé spojenia Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH) v sieti boli výrazne pomalšie (nie viac ako 45 Mbps/s). oPri tejto rýchlosti by sa typický dátový paket plnej veľkosti s veľkosťou 1 500 bajtov (12 000 bitov) mal sťahovať rýchlosťou 77,42 mikrosekúnd. Na nízkorýchlostnom spojení, ako je linka T1 1,544 Mb/s, trvalo odoslanie takéhoto paketu až 7,8 milisekúnd.
Oneskorenie sťahovania spôsobené niekoľkými takýmito paketmi vo fronte môže niekoľkonásobne prekročiť počet 7,8 ms. Toto je neprijateľné pre hlasovú prevádzku, ktorá musí mať nízky jitter v dátovom toku privádzanom do kodeku, aby sa vytvoril zvuk dobrej kvality.
Paketový hlasový systém to môže urobiť niekoľkými spôsobmi, napríklad pomocou vyrovnávacej pamäte prehrávania medzi sieťou a kodekom. To vyhladzuje jitter, ale oneskorenie, ku ktorému dochádza pri prechode cez vyrovnávaciu pamäť, vyžaduje potlačenie ozveny, dokonca aj v miestnych sieťach. V tom čase to bolo považované za príliš drahé. Navyše to zvýšilo oneskorenie na kanáli a sťažilo komunikáciu.
Sieťová technológia ATM vo svojej podstate poskytuje nízke chvenie (a najnižšiu celkovú latenciu) prenosu.
Ako to pomôže s pripojením k sieti?
Dizajn ATM je určený pre sieťové rozhranie s nízkym jitterom. Do návrhu však boli zavedené „bunky“, ktoré umožňujú krátke oneskorenia vo fronte a zároveň podporujú datagramovú prevádzku. Technológia ATM rozdelila všetky pakety, dáta a hlasové toky na 48-bajtové fragmenty, pričom ku každému pridala 5-bajtovú smerovaciu hlavičku, aby ich bolo možné neskôr znova poskladať.
Tento výber veľkostibol politický, nie technický. Keď CCITT (v súčasnosti ITU-T) štandardizoval ATM, predstavitelia USA chceli 64-bajtové užitočné zaťaženie, pretože to bolo považované za dobrý kompromis medzi veľkým množstvom informácií optimalizovaných na prenos dát a kratšími užitočnými zaťaženiami navrhnutými pre aplikácie v reálnom čase. Na druhej strane, vývojári v Európe chceli 32-bajtové pakety, pretože malá veľkosť (a teda krátky prenosový čas) uľahčuje hlasovým aplikáciám z hľadiska potlačenia ozveny.
Veľkosť 48 bajtov (plus veľkosť hlavičky=53) bola zvolená ako kompromis medzi oboma stranami. 5-bajtové hlavičky boli zvolené, pretože 10 % užitočného zaťaženia sa považovalo za maximálnu cenu, ktorú treba zaplatiť za informácie o smerovaní. Technológia ATM multiplexovala 53-bajtové bunky, čo znížilo poškodenie a latenciu údajov až 30-krát, čím sa znížila potreba potlačenia ozveny.
Štruktúra bunky bankomatu
ATM definuje dva rôzne formáty buniek: používateľské sieťové rozhranie (UNI) a sieťové rozhranie (NNI). Väčšina sieťových spojení bankomatov používa UNI. Štruktúra každého takéhoto balíka pozostáva z nasledujúcich prvkov:
- Pole Generic Flow Control (GFC) je 4-bitové pole, ktoré bolo pôvodne pridané na podporu prepojenia ATM vo verejnej sieti. Topologicky je reprezentovaný ako prstenec Distributed Queue Dual Bus (DQDB). Pole GFC bolo navrhnuté tak, abyposkytnúť 4 bity rozhrania User-Network Interface (UNI) na dohodnutie multiplexovania a riadenia toku medzi bunkami rôznych pripojení ATM. Jeho použitie a presné hodnoty však neboli štandardizované a pole je vždy nastavené na 0000.
- VPI – identifikátor virtuálnej cesty (8-bitový UNI alebo 12-bitový NNI).
- VCI – identifikátor virtuálneho kanála (16 bitov).
- PT – typ užitočného zaťaženia (3 bity).
- MSB – riadiaca bunka siete. Ak je jeho hodnota 0, použije sa užívateľský dátový paket a v jeho štruktúre sú 2 bity Explicit Congestion Indication (EFCI) a 1 je Network Congestion Experience. Okrem toho je pre používateľa (AAU) pridelený ešte 1 bit. Používa ho AAL5 na označenie hraníc paketov.
- CLP – priorita straty bunky (1 bit).
- HEC – kontrola chýb hlavičky (8-bitové CRC).
Sieť ATM používa pole PT na označenie rôznych špeciálnych buniek na účely operácií, správy a riadenia (OAM) a na definovanie hraníc paketov v niektorých adaptačných vrstvách (AAL). Ak je hodnota MSB poľa PT 0, ide o bunku užívateľských dát a zvyšné dva bity sa používajú na označenie preťaženia siete a ako bit hlavičky na všeobecné účely, ktorý je dostupný pre adaptačné vrstvy. Ak je MSB 1, ide o riadiaci paket a zvyšné dva bity označujú jeho typ.
Niektoré protokoly ATM (Asynchrónna metóda prenosu údajov) používajú pole HEC na riadenie rámcového algoritmu založeného na CRC, ktorý dokáže nájsťbunky bez dodatočných nákladov. 8-bitový CRC sa používa na opravu jednobitových chýb hlavičky a detekciu viacbitových chýb. Keď sa nájde druhá, aktuálne a nasledujúce bunky sa zahodia, kým sa nenájde bunka bez chýb hlavičky.
Balík UNI si vyhradzuje pole GFC na miestne riadenie toku alebo submultiplexovanie medzi používateľmi. Toto malo umožniť viacerým terminálom zdieľať jedno sieťové pripojenie. Používal sa aj na to, aby dva telefóny s integrovanou službou digitálnej siete (ISDN) mohli zdieľať rovnaké základné pripojenie ISDN pri určitej rýchlosti. Všetky štyri bity GFC musia byť predvolene nula.
Formát buniek NNI replikuje formát UNI takmer rovnakým spôsobom, okrem toho, že 4-bitové pole GFC je prerozdelené do poľa VPI, čím sa rozšíri na 12 bitov. Takže jedno pripojenie k bankomatu NNI dokáže spracovať takmer 216 VC zakaždým.
Bunky a prenos v praxi
Čo znamená bankomat v praxi? Podporuje rôzne typy služieb prostredníctvom AAL. Štandardizované AAL zahŕňajú AAL1, AAL2 a AAL5, ako aj menej bežne používané AAC3 a AAL4. Prvý typ sa používa pre služby s konštantnou bitovou rýchlosťou (CBR) a emuláciu okruhu. Synchronizácia je podporovaná aj v AAL1.
Druhý a štvrtý typ sa používajú pre služby s variabilnou bitovou rýchlosťou (VBR), AAL5 pre dáta. Nie je v nej zakódovaná informácia o tom, ktorý AAL sa pre danú bunku používa. Namiesto toho sa koordinuje alebo prispôsobujekoncové body pre každé virtuálne pripojenie.
Po prvotnom návrhu tejto technológie sa siete stali oveľa rýchlejšími. 1500-bajtový (12000 bit) ethernetový rámec plnej dĺžky trvá len 1,2 µs na prenos v sieti 10 Gbps, čím sa znižuje potreba malých buniek na zníženie latencie.
Aké sú silné a slabé stránky takéhoto vzťahu?
Výhody a nevýhody sieťovej technológie ATM sú nasledovné. Niektorí veria, že zvýšenie rýchlosti komunikácie umožní jej nahradenie Ethernetom v chrbticovej sieti. Treba však poznamenať, že samotné zvýšenie rýchlosti neznižuje jitter v dôsledku radenia. Okrem toho je hardvér na implementáciu prispôsobenia služieb pre pakety IP drahý.
Zároveň vzhľadom na pevné užitočné zaťaženie 48 bajtov nie je ATM vhodný ako dátové spojenie priamo pod IP, pretože vrstva OSI, na ktorej IP funguje, musí poskytovať maximálnu prenosovú jednotku (MTU) pri najmenej 576 bajtov.
Pri pomalších alebo preťažených pripojeniach (622 Mb/s a menej) má ATM zmysel a z tohto dôvodu väčšina systémov asymetrickej digitálnej účastníckej linky (ADSL) používa túto technológiu ako medzivrstvu medzi vrstvou fyzického spojenia a protokolom vrstvy 2 ako napríklad PPP alebo Ethernet.
Pri týchto nižších rýchlostiach poskytuje ATM užitočnú schopnosť prenášať viacero logík na jedinom fyzickom alebo virtuálnom médiu, hoci existujú aj iné metódy, ako napríklad viackanálovéPPP a Ethernet VLAN, ktoré sú voliteľné v implementáciách VDSL.
DSL je možné použiť ako spôsob prístupu k sieti ATM, čo vám umožní pripojiť sa k mnohým ISP prostredníctvom širokopásmovej siete ATM.
Nevýhodami tejto technológie je teda to, že v moderných vysokorýchlostných pripojeniach stráca svoju účinnosť. Výhodou takejto siete je, že výrazne zvyšuje šírku pásma, pretože poskytuje priame spojenie medzi rôznymi periférnymi zariadeniami.
Okrem toho s jedným fyzickým pripojením pomocou ATM môže súčasne fungovať niekoľko rôznych virtuálnych okruhov s rôznymi charakteristikami.
Táto technológia využíva pomerne výkonné nástroje na riadenie premávky, ktoré sa v súčasnosti neustále vyvíjajú. To umožňuje súčasne prenášať dáta rôznych typov, aj keď majú úplne odlišné požiadavky na ich odosielanie a prijímanie. Môžete napríklad vytvoriť prenos pomocou rôznych protokolov na rovnakom kanáli.
Základy virtuálnych okruhov
Asynchrónny režim prenosu (skratka pre ATM) funguje ako prenosová vrstva založená na linkách pomocou virtuálnych okruhov (VC). Súvisí to s konceptom virtuálnych ciest (VP) a kanálov. Každá bunka ATM má 8-bitový alebo 12-bitový identifikátor virtuálnej cesty (VPI) a 16-bitový identifikátor virtuálneho okruhu (VCI),definované v jeho hlavičke.
VCI spolu s VPI sa používa na identifikáciu ďalšieho cieľa paketu, ktorý prechádza cez sériu ATM prepínačov na ceste k svojmu cieľu. Dĺžka VPI sa líši v závislosti od toho, či je bunka odoslaná cez používateľské rozhranie alebo sieťové rozhranie.
Keď tieto pakety prechádzajú cez sieť ATM, dochádza k prepínaniu zmenou hodnôt VPI/VCI (nahradením značiek). Hoci sa nemusia nevyhnutne zhodovať s koncami spojenia, koncepcia schémy je sekvenčná (na rozdiel od IP, kde každý paket môže dosiahnuť svoj cieľ inou cestou). Prepínače ATM používajú polia VPI/VCI na identifikáciu virtuálneho okruhu (VCL) ďalšej siete, ktorou musí bunka prejsť na svojej ceste do konečného cieľa. Funkcia VCI je podobná funkcii Data Link Connection Identifier (DLCI) v prenose rámcov a číslo skupiny logických kanálov v X.25.
Ďalšou výhodou používania virtuálnych okruhov je, že ich možno použiť ako vrstvu multiplexovania, čo umožňuje použitie rôznych služieb (ako je hlas a prenos rámcov). VPI je užitočné na zníženie prepínacej tabuľky niektorých virtuálnych okruhov, ktoré zdieľajú cesty.
Používanie buniek a virtuálnych okruhov na organizáciu dopravy
Technológia ATM zahŕňa dodatočný pohyb dopravy. Keď je obvod nakonfigurovaný, každý spínač v obvode je informovaný o triede pripojenia.
Kontrakty prevádzky bankomatov sú súčasťou mechanizmuposkytovanie „kvality služby“(QoS). Existujú štyri hlavné typy (a niekoľko variantov), z ktorých každý má súbor parametrov, ktoré popisujú pripojenie:
- CBR – konštantná rýchlosť prenosu dát. Špecifikovaná špičková rýchlosť (PCR), ktorá je pevná.
- VBR – variabilná rýchlosť prenosu dát. Špecifikovaná priemerná alebo ustálená hodnota (SCR), ktorá môže vrcholiť na určitej úrovni počas maximálneho intervalu pred výskytom problémov.
- ABR – dostupná rýchlosť prenosu dát. Je určená minimálna garantovaná hodnota.
- UBR - nedefinovaná rýchlosť prenosu dát. Prevádzka je distribuovaná cez zostávajúcu šírku pásma.
VBR má možnosti v reálnom čase av iných režimoch sa používa na „situačnú“premávku. Nesprávny čas je niekedy skrátený na vbr-nrt.
Väčšina dopravných tried používa aj koncept odchýlky tolerancie buniek (CDVT), ktorá definuje ich „agregáciu“v priebehu času.
Ovládanie prenosu údajov
Čo znamená bankomat vzhľadom na vyššie uvedené? Na udržanie výkonu siete je možné použiť pravidlá prevádzky virtuálnej siete na obmedzenie množstva dát prenesených na vstupných bodoch pripojenia.
Referenčný model overený pre UPC a NPC je Generic Cell Rate Algorithm (GCRA). Na rozdiel od iných typov je prevádzka VBR spravidla riadená pomocou radiča.
Ak množstvo dát prekročí prenos definovaný GCRA, sieť sa môže buď resetovaťbunky alebo označiť bit priority straty buniek (CLP) (na identifikáciu paketu ako potenciálne redundantného). Hlavná bezpečnostná práca je založená na sekvenčnom monitorovaní, ale to nie je optimálne pre zapuzdrenú paketovú prevádzku (pretože zahodením jednej jednotky sa zruší platnosť celého paketu). V dôsledku toho boli vytvorené schémy ako čiastočné vyradenie paketov (PPD) a včasné vyradenie paketov (EPD), ktoré sú schopné vyradiť celú sériu buniek, kým nezačne ďalší paket. To znižuje počet zbytočných informácií v sieti a šetrí šírku pásma pre celé pakety.
EPD a PPD fungujú s pripojeniami AAL5, pretože používajú koniec paketovej značky: bit ATM User Interface Indication (AUU) v poli Payload Type hlavičky, ktorý je nastavený v poslednej bunke SAR -SDU.
Utváranie dopravy
Základy technológie ATM v tejto časti možno znázorniť nasledovne. K tvarovaniu prevádzky zvyčajne dochádza na karte sieťového rozhrania (NIC) v používateľskom zariadení. Toto sa pokúša zabezpečiť, aby sa tok buniek na VC zhodoval s jeho prevádzkovou zmluvou, t. j. jednotky nebudú vyradené alebo znížená priorita na UNI. Keďže referenčným modelom uvedeným pre riadenie prevádzky v sieti je GCRA, tento algoritmus sa bežne používa aj na tvarovanie a smerovanie údajov.
Typy virtuálnych okruhov a ciest
Technológia ATM dokáže vytvárať virtuálne okruhy a cesty akostaticky aj dynamicky. Statické obvody (STS) alebo cesty (PVP) vyžadujú, aby obvod pozostával zo série segmentov, jedného pre každý pár rozhraní, ktorými prechádza.
PVP a PVC, hoci sú koncepčne jednoduché, vyžadujú značné úsilie vo veľkých sieťach. Nepodporujú ani presmerovanie služby v prípade zlyhania. Na rozdiel od toho sa dynamicky vytvárané SPVP a SPVC vytvárajú špecifikovaním charakteristík schémy ("zmluva o službe") a dvoch koncových bodov.
Nakoniec siete ATM vytvárajú a odstraňujú prepínané virtuálne okruhy (SVC) podľa požiadaviek koncového zariadenia. Jednou z aplikácií pre SVC je uskutočňovať jednotlivé telefónne hovory, keď je sieť prepínačov prepojená prostredníctvom ATM. SVC boli tiež použité pri pokuse nahradiť ATM LAN.
Schéma virtuálneho smerovania
Väčšina sietí ATM, ktoré podporujú SPVP, SPVC a SVC, používa rozhranie privátneho sieťového uzla alebo protokol PNNI (Private Network-to-Network Interface). PNNI používa rovnaký algoritmus najkratšej cesty, aký používajú OSPF a IS-IS na smerovanie IP paketov na výmenu informácií o topológii medzi prepínačmi a výber trasy cez sieť. PNNI tiež obsahuje výkonný sumarizačný mechanizmus, ktorý umožňuje vytváranie veľmi veľkých sietí, ako aj algoritmus riadenia prístupu k volaniam (CAC), ktorý určuje dostupnosť dostatočnej šírky pásma pozdĺž navrhovanej trasy cez sieť na splnenie požiadaviek na služby VC. alebo viceprezident.
Prijímanie a pripojenie khovory
Sieť musí vytvoriť spojenie, aby si obe strany mohli navzájom posielať bunky. V ATM sa to nazýva virtuálny okruh (VC). Môže to byť permanentný virtuálny okruh (PVC), ktorý je administratívne vytvorený na koncových bodoch, alebo prepínaný virtuálny okruh (SVC), ktorý je vytvorený podľa potreby vysielajúcimi stranami. Vytvorenie SVC je riadené signalizáciou, v ktorej žiadateľ špecifikuje adresu prijímajúcej strany, typ požadovanej služby a akékoľvek prevádzkové parametre, ktoré sa môžu vzťahovať na vybranú službu. Sieť potom potvrdí, že požadované zdroje sú dostupné a že existuje trasa pre pripojenie.
Technológia bankomatu definuje tieto tri úrovne:
- Adaptácie bankomatu (AAL);
- 2 bankomat, zhruba ekvivalentný vrstve dátového spojenia OSI;
- fyzický ekvivalent k rovnakej vrstve OSI.
Nasadenie a distribúcia
Technológia ATM sa stala populárnou u telefónnych spoločností a mnohých výrobcov počítačov v 90. rokoch. Avšak aj na konci tohto desaťročia začala najlepšia cena a výkon produktov internetového protokolu súťažiť s ATM o integráciu v reálnom čase a paketovú sieťovú prevádzku.
Niektoré spoločnosti sa aj dnes zameriavajú na produkty bankomatov, zatiaľ čo iné ich poskytujú ako voliteľnú možnosť.
Mobilná technológia
Bezdrôtová technológia pozostáva zo základnej siete ATM s bezdrôtovou prístupovou sieťou. Bunky sa tu prenášajú zo základňových staníc do mobilných terminálov. FunkcieMobility sa uskutočňujú na ATM prepínači v základnej sieti, známej ako "crossover", ktorý je analogický s MSC (Mobile Switching Center) sietí GSM. Výhodou bezdrôtovej komunikácie ATM je jej vysoká priepustnosť a vysoká prenosová rýchlosť vykonávaná na vrstve 2.
Začiatkom 90. rokov boli v tejto oblasti aktívne niektoré výskumné laboratóriá. Fórum ATM bolo vytvorené s cieľom štandardizovať technológiu bezdrôtových sietí. Podporilo ju niekoľko telekomunikačných spoločností vrátane NEC, Fujitsu a AT&T. Cieľom mobilnej technológie ATM je poskytovať vysokorýchlostné multimediálne komunikačné technológie schopné poskytovať mobilné širokopásmové pripojenie mimo sietí GSM a WLAN.
