ATM-teknologi er et telekommunikasjonskonsept definert av internasjonale standarder for å bære hele spekteret av brukertrafikk, inkludert tale-, data- og videosignaler. Den ble utviklet for å møte behovene til et digit alt nettverk av bredbåndstjenester og ble opprinnelig designet for integrering av telekommunikasjonsnettverk. ATM-forkortelsen står for Asynchonous Transfer Mode og er oversatt til russisk som "asynkron dataoverføring".
Teknologien ble laget for nettverk som trenger å håndtere både tradisjonell høyytelses datatrafikk (som filoverføring) og sanntidsinnhold med lav latens (som tale og video). Referansemodellen for ATM kartlegger grovt sett de tre nedre lagene av ISO-OSI: nettverk, datalink og fysisk. ATM er den primære protokollen som brukes over kretsene SONET/SDH (public switched phone network) og Integrated Services Digital Network (ISDN).
Hva er dette?
Hva betyr ATM for en nettverkstilkobling? Hun girfunksjonalitet som ligner på kretssvitsjing og pakkesvitsjede nettverk: teknologien bruker asynkron tidsdelingsmultipleksing og koder data til små pakker med fast størrelse (ISO-OSI-rammer) k alt celler. Dette er forskjellig fra tilnærminger som Internet Protocol eller Ethernet, som bruker pakker og rammer med variabel størrelse.
De grunnleggende prinsippene for minibankteknologi er som følger. Den bruker en tilkoblingsorientert modell der en virtuell krets må etableres mellom to endepunkter før selve kommunikasjonen kan begynne. Disse virtuelle kretsene kan være "permanente", det vil si dedikerte forbindelser som vanligvis er forhåndskonfigurert av tjenesteleverandøren, eller "switchable", det vil si konfigurerbare for hver samtale.
Asynchonous Transfer Mode (ATM står for engelsk) er kjent som kommunikasjonsmetoden som brukes i minibanker og betalingsterminaler. Denne bruken går imidlertid gradvis ned. Bruken av teknologi i minibanker har i stor grad blitt erstattet av Internet Protocol (IP). I ISO-OSI-referanselenken (lag 2) blir de underliggende overføringsenhetene ofte referert til som rammer. I ATM har de en fast lengde (53 oktetter eller byte) og kalles spesifikt "celler".
Cellestørrelse
Som nevnt ovenfor er ATM-dekryptering en asynkron dataoverføring som utføres ved å dele dem inn i celler av en viss størrelse.
Hvis talesignalet reduseres til pakker, og detvunget til å bli sendt på en kobling med stor datatrafikk, uansett størrelse, vil de møte store fullverdige pakker. Under normale tomgangsforhold kan de oppleve maksimale forsinkelser. For å unngå dette problemet har alle ATM-pakker eller -celler samme lille størrelse. I tillegg betyr den faste cellestrukturen at data enkelt kan overføres med maskinvare uten de iboende forsinkelsene introdusert av programvaresvitsjede og rutede rammer.
Derfor brukte ATM-designere små dataceller for å redusere jitter (i dette tilfellet forsinket spredning) i multipleksing av datastrømmer. Dette er spesielt viktig når du fører taletrafikk, siden konvertering av digitalisert stemme til analog lyd er en integrert del av sanntidsprosessen. Dette hjelper driften av dekoderen (kodeken), som krever en jevnt fordelt (i tid) strøm av dataelementer. Hvis den neste i køen ikke er tilgjengelig ved behov, har kodeken ikke annet valg enn å pause. Senere går informasjonen tapt fordi tidsperioden da den skulle ha blitt konvertert til et signal allerede er passert.
Hvordan utviklet minibanken seg?
Under utviklingen av ATM ble 155 Mbps Synchronous Digital Hierarchy (SDH) med 135 Mbps nyttelast ansett som et raskt optisk nettverk, og mange av Plesiochronous Digital Hierarchy (PDH)-koblingene i nettverket var betydelig tregere (nei mer enn 45 Mbps /Med). PåMed denne hastigheten bør en typisk full størrelse 1500-byte (12 000-bit) datapakke laste ned på 77,42 mikrosekunder. På en lavhastighetslink som en T1 1,544 Mbps-linje tok det opptil 7,8 millisekunder å overføre en slik pakke.
Nedlastingsforsinkelsen forårsaket av flere slike pakker i køen kan overstige antallet på 7,8 ms flere ganger. Dette er uakseptabelt for taletrafikk, som må ha lav jitter i datastrømmen som mates inn i kodeken for å produsere lyd av god kvalitet.
Pakkestemmesystemet kan gjøre dette på flere måter, for eksempel ved å bruke en avspillingsbuffer mellom nettverket og kodeken. Dette jevner ut jitter, men forsinkelsen som oppstår når den passerer gjennom bufferen krever en ekkokansellering, selv på lokale nettverk. Den gang ble det ansett som for dyrt. I tillegg økte det forsinkelsen på kanalen og gjorde kommunikasjonen vanskelig.
ATM-nettverksteknologi gir i seg selv lav jitter (og lavest total ventetid) for trafikk.
Hvordan hjelper dette med nettverkstilkobling?
ATM-design er for nettverksgrensesnitt med lavt jitter. Imidlertid ble "celler" introdusert i designet for å tillate korte køforsinkelser mens de fortsatt støttet datagramtrafikk. ATM-teknologi brøt alle pakker, data og talestrømmer i 48-byte-fragmenter, og la til en 5-byte-rutingsoverskrift til hver slik at de kunne settes sammen igjen senere.
Dette valget av størrelsevar politisk, ikke teknisk. Da CCITT (for tiden ITU-T) standardiserte ATM, ønsket de amerikanske representantene en 64-byte nyttelast, da det ble ansett som et godt kompromiss mellom store mengder informasjon optimalisert for dataoverføring og kortere nyttelast designet for sanntidsapplikasjoner.. På sin side ønsket utviklere i Europa 32-byte-pakker fordi den lille størrelsen (og derfor korte sendetiden) gjør det enklere for taleapplikasjoner når det gjelder ekkokansellering.
Størrelsen på 48 byte (pluss overskriftstørrelse=53) ble valgt som et kompromiss mellom de to partene. 5-byte overskrifter ble valgt fordi 10 % av nyttelasten ble ansett for å være den maksimale prisen å betale for rutinginformasjon. ATM-teknologi multiplekserte 53-byte celler, noe som reduserte datakorrupsjon og latens med opptil 30 ganger, noe som reduserer behovet for ekkokansellere.
ATM-cellestruktur
ATM definerer to forskjellige celleformater: brukernettverksgrensesnitt (UNI) og nettverksgrensesnitt (NNI). De fleste ATM-nettverkskoblinger bruker UNI-er. Strukturen til hver slik pakke består av følgende elementer:
- Feltet Generic Flow Control (GFC) er et 4-bits felt som opprinnelig ble lagt til for å støtte ATM-sammenkobling i det offentlige nettverket. Topologisk er den representert som en DQDB-ring (Distributed Queue Dual Bus). GFC-feltet er utformet slik atå gi 4 biter av brukernettverksgrensesnitt (UNI) for å forhandle multipleksing og flytkontroll mellom celler i forskjellige ATM-forbindelser. Bruken og nøyaktige verdiene er imidlertid ikke standardisert, og feltet er alltid satt til 0000.
- VPI - virtuell baneidentifikator (8 bit UNI eller 12 bit NNI).
- VCI - virtuell kanalidentifikator (16 bits).
- PT - nyttelasttype (3 bits).
- MSB - nettverkskontrollcelle. Hvis verdien er 0, brukes en brukerdatapakke, og i strukturen er 2 bits Explicit Congestion Indication (EFCI) og 1 er Network Congestion Experience. I tillegg tildeles 1 bit til for brukeren (AAU). Den brukes av AAL5 for å indikere pakkegrenser.
- CLP – celletapsprioritet (1 bit).
- HEC - header error control (8-bit CRC).
Minibanknettverket bruker PT-feltet til å utpeke ulike spesialceller for operasjoner, administrasjon og administrasjon (OAM), og til å definere pakkegrenser i enkelte tilpasningslag (AAL). Hvis MSB-verdien til PT-feltet er 0, er dette en brukerdatacelle og de resterende to bitene brukes til å indikere nettverksoverbelastning og som en generell headerbit tilgjengelig for tilpasningslag. Hvis MSB er 1, er det en kontrollpakke og de resterende to bitene indikerer typen.
Noen ATM-protokoller (Asynchronous Data Transfer Method) bruker HEC-feltet til å kontrollere en CRC-basert rammealgoritme som kan finneceller uten ekstra kostnad. 8-biters CRC brukes til å korrigere enkelt-bits overskriftsfeil og oppdage multi-bits. Når sistnevnte blir funnet, blir gjeldende og påfølgende celler forkastet til en celle blir funnet uten overskriftsfeil.
UNI-pakken reserverer GFC-feltet for lokal flytkontroll eller sub-multipleksing mellom brukere. Dette var ment å la flere terminaler dele en enkelt nettverkstilkobling. Den ble også brukt til å gjøre det mulig for to integrerte ISDN-telefoner å dele den samme grunnleggende ISDN-tilkoblingen med en viss hastighet. Alle fire GFC-bitene må være null som standard.
NNI-celleformatet replikerer UNI-formatet på omtrent samme måte, bortsett fra at 4-bits GFC-feltet blir omfordelt til VPI-feltet, og utvider det til 12 biter. Så én NNI ATM-tilkobling kan håndtere nesten 216 VC-er hver gang.
Celler og overføring i praksis
Hva betyr minibank i praksis? Den støtter ulike typer tjenester gjennom AAL. Standardiserte AALer inkluderer AAL1, AAL2 og AAL5, samt de mindre brukte AAC3 og AAL4. Den første typen brukes til tjenester med konstant bithastighet (CBR) og kretsemulering. Synkronisering støttes også i AAL1.
Den andre og fjerde typen brukes for tjenester med variabel bithastighet (VBR), AAL5 for data. Informasjonen om hvilken AAL som brukes for en gitt celle er ikke kodet i den. I stedet blir det koordinert eller justert tilendepunkter for hver virtuell tilkobling.
Etter den første utformingen av denne teknologien har nettverk blitt mye raskere. En 1500-byte (12000 bit) Ethernet-ramme i full lengde tar bare 1,2 µs å sende på et 10 Gbps-nettverk, noe som reduserer behovet for små celler for å redusere ventetiden.
Hva er styrkene og svakhetene ved et slikt forhold?
Fordelene og ulempene med ATM-nettverksteknologi er som følger. Noen mener at å øke hastigheten på kommunikasjonen vil tillate det å bli erstattet av Ethernet i ryggradsnettverket. Det skal imidlertid bemerkes at å øke hastigheten i seg selv ikke reduserer jitter på grunn av kø. I tillegg er maskinvaren for å implementere tjenestetilpasning for IP-pakker dyr.
Samtidig, på grunn av den faste nyttelasten på 48 byte, er ATM ikke egnet som datalink direkte under IP, siden OSI-laget som IP opererer på må gi en maksimal overføringsenhet (MTU) på kl. minst 576 byte.
På langsommere eller overbelastede tilkoblinger (622 Mbps og lavere), er ATM fornuftig, og av denne grunn bruker de fleste asymmetriske digitale abonnentlinjesystemer (ADSL) denne teknologien som et mellomlag mellom det fysiske koblingslaget og Layer 2-protokollen for eksempel PPP eller Ethernet.
Ved disse lavere hastighetene gir ATM den nyttige muligheten til å bære flere logikker på ett enkelt fysisk eller virtuelt medie, selv om det finnes andre metoder som flerkanalsPPP og Ethernet VLAN, som er valgfrie i VDSL-implementeringer.
DSL kan brukes som en måte å få tilgang til ATM-nettverket, slik at du kan koble til mange Internett-leverandører gjennom et bredbånds ATM-nettverk.
Dermed er ulempene med teknologien at den mister sin effektivitet i moderne høyhastighetsforbindelser. Fordelen med et slikt nettverk er at det øker båndbredden betydelig, siden det gir en direkte forbindelse mellom ulike perifere enheter.
I tillegg, med én fysisk tilkobling som bruker ATM, kan flere forskjellige virtuelle kretser med forskjellige egenskaper operere samtidig.
Denne teknologien bruker ganske kraftige trafikkstyringsverktøy som fortsetter å utvikle seg for tiden. Dette gjør det mulig å overføre data av ulike typer samtidig, selv om de har helt forskjellige krav til å sende og motta dem. Du kan for eksempel opprette trafikk ved å bruke forskjellige protokoller på samme kanal.
Fundamentals of virtuelle kretser
Asynchonous Transfer Mode (forkortelse for ATM) fungerer som et lenkebasert transportlag ved bruk av virtuelle kretser (VC). Dette er relatert til konseptet virtuelle stier (VP) og kanaler. Hver ATM-celle har en 8-biters eller 12-biters Virtual Path Identifier (VPI) og en 16-bits Virtual Circuit Identifier (VCI),definert i overskriften.
VCI, sammen med VPI, brukes til å identifisere neste destinasjon for en pakke når den passerer gjennom en serie minibanksvitsjer på vei til destinasjonen. Lengden på VPI-en varierer avhengig av om cellen sendes over brukergrensesnittet eller nettverksgrensesnittet.
Når disse pakkene passerer gjennom ATM-nettverket, skjer bytte ved å endre VPI/VCI-verdiene (erstatter tagger). Selv om de ikke nødvendigvis samsvarer med endene av forbindelsen, er konseptet med ordningen sekvensielt (i motsetning til IP, hvor enhver pakke kan nå sin destinasjon via en annen rute). ATM-svitsjer bruker VPI/VCI-feltene til å identifisere den virtuelle kretsen (VCL) til det neste nettverket som en celle må passere på vei til sin endelige destinasjon. Funksjonen til VCI er lik den til Data Link Connection Identifier (DLCI) i rammereléet og det logiske kanalgruppenummeret i X.25.
En annen fordel med å bruke virtuelle kretser er at de kan brukes som et multipleksingslag, slik at forskjellige tjenester (som stemme- og rammerelé) kan brukes. VPI er nyttig for å redusere byttetabellen til noen virtuelle kretser som deler stier.
Bruk av celler og virtuelle kretser for å organisere trafikk
ATM-teknologi inkluderer ekstra trafikkbevegelse. Når kretsen er konfigurert, informeres hver bryter i kretsen om tilkoblingsklassen.
ATM-trafikkkontrakter er en del av mekanismenå tilby "kvalitet på tjenesten" (QoS). Det er fire hovedtyper (og flere varianter), som hver har et sett med parametere som beskriver forbindelsen:
- CBR - konstant datahastighet. Spesifisert Peak Rate (PCR) som er fast.
- VBR - variabel datahastighet. Spesifisert gjennomsnitts- eller steady state-verdi (SCR), som kan toppe på et visst nivå, for maksim alt intervall før problemer oppstår.
- ABR – tilgjengelig datahastighet. Minimum garantert verdi spesifisert.
- UBR - udefinert datahastighet. Trafikken fordeles over den gjenværende båndbredden.
VBR har sanntids alternativer, og brukes i andre moduser for "situasjonsbestemt" trafikk. Feil tid blir noen ganger forkortet til vbr-nrt.
De fleste trafikkklasser bruker også konseptet Cell Tolerance Variation (CDVT), som definerer deres "aggregering" over tid.
Dataoverføringskontroll
Hva betyr minibank gitt ovenstående? For å opprettholde nettverksytelsen kan regler for virtuell nettverkstrafikk brukes for å begrense mengden data som overføres ved inngangspunkter for tilkoblinger.
Referansemodellen validert for UPC og NPC er Generic Cell Rate Algorithm (GCRA). Som regel styres VBR-trafikk vanligvis ved hjelp av en kontroller, i motsetning til andre typer.
Hvis datamengden overstiger trafikken definert av GCRA, kan nettverket enten tilbakestilleceller, eller flagg CLP-biten (Cell Loss Priority) (for å identifisere pakken som potensielt overflødig). Hovedsikkerhetsarbeidet er basert på sekvensiell overvåking, men dette er ikke optim alt for innkapslet pakketrafikk (fordi å droppe én enhet vil ugyldiggjøre hele pakken). Som et resultat har ordninger som Partial Packet Discard (PPD) og Early Packet Discard (EPD) blitt opprettet som er i stand til å forkaste en hel serie med celler til neste pakke begynner. Dette reduserer antallet ubrukelige deler av informasjonen på nettverket og sparer båndbredde for komplette pakker.
EPD og PPD fungerer med AAL5-tilkoblinger fordi de bruker slutten av pakkemarkøren: ATM User Interface Indication (AUU)-biten i feltet Payload Type i overskriften, som er satt i den siste cellen i SAR-en -SDU.
Trafikkforming
Det grunnleggende om ATM-teknologi i denne delen kan representeres som følger. Trafikkforming skjer typisk ved et nettverkskort (NIC) i brukerutstyret. Dette forsøker å sikre at cellestrømmen på VC-en vil matche trafikkkontrakten, dvs. enhetene vil ikke bli droppet eller redusert i prioritet ved UNI. Siden referansemodellen som er gitt for trafikkstyring i nettverket er GCRA, brukes denne algoritmen også for å forme og rutte data.
Typer virtuelle kretser og stier
ATM-teknologi kan lage virtuelle kretser og stier somstatisk så vel som dynamisk. Statiske kretser (STS) eller baner (PVP) krever at kretsen består av en serie segmenter, ett for hvert par grensesnitt den passerer gjennom.
PVP og PVC, selv om det er konseptuelt enkelt, krever betydelig innsats i store nettverk. De støtter heller ikke omdirigering av tjenester i tilfelle feil. Derimot bygges dynamisk bygde SPVP-er og SPVC-er ved å spesifisere egenskapene til et skjema (en tjeneste-"kontrakt") og to endepunkter.
Til slutt oppretter og sletter minibanknettverk svitsjede virtuelle kretser (SVC) som kreves av sluttutstyret. En applikasjon for SVC-er er å utføre individuelle telefonsamtaler når et nettverk av svitsjer er sammenkoblet via minibank. SVC-er ble også brukt i et forsøk på å erstatte ATM-LAN.
Virtuell ruteplan
De fleste ATM-nettverk som støtter SPVP, SPVC og SVC bruker Private Network Node-grensesnittet eller PNNI-protokollen (Privat Network-to-Network Interface). PNNI bruker den samme korteste veialgoritmen som brukes av OSPF og IS-IS for å rute IP-pakker for utveksling av topologiinformasjon mellom svitsjer og rutevalg gjennom nettverket. PNNI inkluderer også en kraftig oppsummeringsmekanisme som gjør det mulig å lage svært store nettverk, samt en Call Access Control (CAC) algoritme som bestemmer tilgjengeligheten av tilstrekkelig båndbredde langs en foreslått rute gjennom nettverket for å møte tjenestekravene til en VC eller VP.
Motta og koble tilsamtaler
Nettverket må opprette en forbindelse før begge sider kan sende celler til hverandre. I ATM kalles dette en virtuell krets (VC). Dette kan være en permanent virtuell krets (PVC) som opprettes administrativt ved endepunktene, eller en svitsjet virtuell krets (SVC) som opprettes etter behov av de overførende partene. Opprettelsen av en SVC styres av signalering, der rekvirenten spesifiserer adressen til den mottakende parten, typen tjeneste som forespørres, og eventuelle trafikkparametere som kan gjelde for den valgte tjenesten. Nettverket vil da bekrefte at de forespurte ressursene er tilgjengelige og at det finnes en rute for tilkoblingen.
ATM-teknologi definerer følgende tre nivåer:
- ATM-tilpasninger (AAL);
- 2 ATM, omtrent tilsvarende OSI-datalinklag;
- fysisk tilsvarer det samme OSI-laget.
Implementering og distribusjon
ATM-teknologi ble populær blant telefonselskaper og mange datamaskinprodusenter på 1990-tallet. Selv ved slutten av dette tiåret begynte imidlertid den beste prisen og ytelsen til Internett-protokollprodukter å konkurrere med ATM om sanntidsintegrasjon og pakkenettverkstrafikk.
Noen selskaper fokuserer fortsatt på minibankprodukter i dag, mens andre tilbyr dem som et alternativ.
Mobilteknologi
Trådløs teknologi består av et minibankkjernenettverk med trådløst tilgangsnettverk. Celler her overføres fra basestasjoner til mobile terminaler. FunksjonerMobiliteter utføres på en ATM-svitsj i kjernenettverket, kjent som "crossover", som er analogt med MSC (Mobile Switching Center) til GSM-nettverk. Fordelen med trådløs ATM-kommunikasjon er dens høye gjennomstrømning og høye overleveringshastighet utført på lag 2.
På begynnelsen av 1990-tallet var noen forskningslaboratorier aktive på dette området. ATM-forumet ble opprettet for å standardisere trådløs nettverksteknologi. Det ble støttet av flere telekommunikasjonsselskaper, inkludert NEC, Fujitsu og AT&T. ATM-mobilteknologi tar sikte på å tilby høyhastighets multimediakommunikasjonsteknologi som er i stand til å tilby mobilt bredbånd utover GSM- og WLAN-nettverk.
