Технологія ATM: значення, розшифровка абревіатури. Спосіб передачі даних по мережі, основи, принцип роботи, переваги і недоліки даної технології

Технологія ATM являє собою концепцію телекомунікацій, визначену міжнародними стандартами для передачі повного спектру користувача трафіку, включаючи сигнали голосу, даних і відео. Вона була розроблена для задоволення потреб цифрової мережі широкосмугових послуг і спочатку призначена для інтеграції мереж електрозв'язку. Розшифровка абревіатури ATM звучить як Asynchonous Transfer Mode і перекладається на російських мову як "асинхронна передача даних". Технологія була створена для мереж, які повинні обробляти як традиційний високопродуктивний трафік даних (наприклад, передача файлів), так і контент у режимі реального часу з низькою затримкою (такий як голос і відео). Еталонна модель для ATM приблизно зіставляється з трьома нижчими рівнями ISO OSI: мережевим, каналу передачі даних і фізичним. ATM є основним протоколом, використовуваним по основному каналу SONET/SDH (телефонної мережі загального користування), а також цифрової мережі Integrated Services (ISDN).

Що це таке?

Що значить ATM для мережного з'єднання? Вона забезпечує функціональність, аналогічну комутації каналів і мереж пакетної комутації: технологія використовує асинхронне мультиплексування з тимчасовим поділом і кодує дані в невеликі пакети фіксованого розміру (кадри ISO OSI), що називаються осередками. Це відрізняється від таких підходів, як інтернет-протокол або Ethernet, які застосовують пакети і кадри з перемінним розміром. Основні принципи технології ATM полягають у наступному. Вона використовує орієнтовану на з'єднання модель, в якій віртуальна схема повинна бути встановлена між двома кінцевими точками до початку фактичного обміну даними. Ці віртуальні схеми можуть бути «перманентними», тобто виділеними сполуками, які зазвичай попередньо сконфігуровані постачальником послуг, або ж «перемикаються», тобто налаштованим для кожного виклику.


Asynchonous Transfer Mode (розшифровка ATM з англійської) відома як спосіб зв'язку, використовуваний у банкоматах та платіжних терміналах. Однак дане застосування поступово знижується. Використання технології в банкоматах значною мірою було замінено Internet Protocol (IP). В еталонному каналі ISO OSI (рівень 2) базові передавальні пристрої зазвичай називаються кадрами. В ATM вони мають фіксовану довжину (53 октету або байта) і спеціально називаються «осередками».

Розмір комірки

Як вже було зазначено вище, розшифровка ATM – це асинхронна передача даних, здійснювана з допомогою їх поділу на комірки певного розміру. Якщо мовний сигнал зводиться до пакетів, і вони змушені передаватися посиланням з інтенсивним трафіком даних, то незалежно від того, якими є їх розміри, вони будуть стикатися з об'ємними повномасштабними пакетами. В нормальних умовах очікування вони можуть відчувати максимальні затримки. Щоб уникнути цієї проблеми, всі пакети ATM або комірки мають однаковий малий розмір. Крім того, структура фіксованих осередків означає, що дані можуть бути легко передані апаратним забезпеченням без властивих затримок, введених програмними комутованими і надсилатимуться кадрами.
Таким чином, розробники ATM використовували невеликі осередки даних для зменшення джиттера (в даному випадку дисперсії затримки) в мультиплексировании потоків даних. Це особливо важливо при перенесенні голосового трафіку, оскільки перетворення оцифрованого голосу в аналоговий звук є невід'ємною частиною процесу реального часу. Це допомагає роботі декодера (кодека), для якого потрібно рівномірно розподілений (по часу) потік елементів даних. Якщо наступний в черзі недоступний, коли це необхідно, у кодека немає вибору, окрім як призупинити роботу. Надалі інформація виявляється загубленою, тому що період часу, коли вона повинна була бути перетворена в сигнал, вже пройшов.

Як відбувався розвиток ATM?

Під час розробки ATM синхронна цифрова ієрархія 155 Мбіт/с (SDH) з корисним навантаженням 135 Мбіт/с вважалася швидкої оптичною мережею, а багато канали плезіохронної цифрової ієрархії (PDH) в мережі були значно повільніше (не більше 45 Мбіт/с). При такій швидкості типовий повнорозмірний 1500-байтовий (12000-бітний) пакет даних повинен завантажуватися зі швидкістю 7742 мікросекунди. У низькошвидкісному каналі, такому як лінія T11544 Мбіт/с, передача такого пакета займала до 78 мілісекунди. Затримка завантаження, викликана кількома такими пакетами в черзі, може перевищувати число 78 мс в кілька разів. Це неприйнятно для мовного трафіку, який повинен мати низький джиттер в потоці даних, що подається в кодек, щоб виробляти звук хорошої якості.
Система голосової передачі пакетів може робити це кількома способами, наприклад, такими як використання буфера між мережею і відтворення кодеком. Це дозволяє згладити тремтіння, але затримка, що виникає при проходженні через буфер, вимагає эхоподавителя навіть у локальних мережах. У той час це вважалося занадто дорогим. Крім того, він збільшував затримку по каналу і утруднював взаємодія. Мережева технологія ATM за своєю суттю забезпечує низький джиттер (і мінімальну загальну затримку) для трафіку.

Як це допомагає в мережевому з'єднанні?

Дизайн ATM призначений для мережевого інтерфейсу з низьким рівнем вібрації. Тим не менш «ячейки» були введені в проект, щоб забезпечити короткі затримки в чергах, продовжуючи підтримувати трафік датаграм. Технологія ATM розбила всі пакети, дані і голосові потоки на 48-байтові фрагменти, додавши до кожного з них 5-байтовий заголовок маршрутизації, щоб пізніше їх можна було зібрати повторно. Даний вибір розміру був політичним, а не технічним. Коли CCITT (в даний час ITU-T) стандартизовал ATM, представники з США хотіли отримати 64-байтовую корисну навантаження, оскільки це вважалося гарним компромісом між великими обсягами інформації, оптимізованими для передачі даних, і більш короткими корисними навантаженнями, розрахованими для додатків реального часу. У свою чергу, розробники з країн Європи хотіли отримати 32-байтові пакети, тому що невеликі розміри (і, отже, малий час на передачу) спрощують голосові програми щодо ехоподавлення.

В якості компромісу між двома сторонами був обраний розмір 48 байт (плюс розмір заголовка = 53). 5-байтові заголовки були обрані, оскільки вважалося, що 10 % корисної навантаження є максимальною ціною для оплати маршрутизації інформації. Технологія ATM мультиплексировала 53-байтові клітинки, які зменшували пошкодження і затримку даних майже в 30 разів, що зменшувало потребу в эхоподавителях.

Структура комірки ATM

ATM визначає два різних форматів клітинок: користувальницький мережевий інтерфейс (UNI) і мережевий інтерфейс (NNI). Більшість каналів мережі ATM використовують UNI. Структура кожного такого пакета складається з наступних елементів: Поле Generic Flow Control (GFC) - це 4-бітове поле, яке спочатку було додано для підтримки приєднання ATM мережі загального доступу. По топології воно представлено як кільце з подвійною шиною розподіленої черги (DQDB). Поле GFC було розроблено так, щоб надати 4 біта User-Network Interface (UNI) для узгодження мультиплексування і управління потоком серед осередків різних сполук ATM. Проте його використання і точні значення не були стандартизовані, і поле завжди встановлено на 0000. VPI - ідентифікатор віртуального шляху (8 біт UNI чи 12 біт NNI). VCI - ідентифікатор віртуального каналу (16 біт). PT - тип корисного навантаження (3 біт). MSB - осередок управління мережею. Якщо її значення 0 використовується пакет даних, і в її структурі 2 біта - це явна індикація прямий перевантаження (EFCI), і 1 - досвід перевантаження мережі. Крім того, виділено ще 1 біт для користувача (AAU). Він використовується AAL5 для вказівки кордонів пакетів. CLP - пріоритет втрати клітинки (1 біт). HEC - управління помилкою заголовка (8-бітний CRC). Мережа АТМ використовує поле PT для позначення різних спеціальних осередків для цілей операцій, адміністрування і управління (OAM), а також для визначення меж пакетів в деяких адаптаційних рівнях (AAL). Якщо значення MSB поля PT дорівнює 0 це комірка для користувача даних, а решта два біти використовуються для вказівки перевантаження мережі і як біт заголовка загального призначення, доступний для рівнів адаптації. Якщо MSB дорівнює 1 це пакет управління, а інші два біта вказують його тип.
У деяких протоколах ATM-зв'язку (асинхронного способу передачі даних) використовується поле HEC для управління алгоритмом кадрування на основі CRC, який дозволяє знаходити осередки без додаткових витрат. 8-бітний CRC використовується для виправлення однобитовых помилок заголовка і виявлення многобитовых. При виявленні останніх поточна і наступні клітинки відкидаються до тих пір, поки не буде знайдена осередок без помилок заголовка. Пакет UNI резервує поле GFC для локальної системи управління потоком або субмультиплексирования між користувачами. Це призначалося для того, щоб декілька терміналів могли спільно використовувати одне мережеве з'єднання. Також дана технологія використовувалася з тією метою, щоб два телефону цифрової мережі з інтегрованою послугою (ISDN) могли б використовувати одне базове з'єднання ISDN з певною швидкістю. Всі чотири біта GFC повинні бути нульовими. Формат комірки NNI повторює формат UNI майже аналогічно, за винятком того, що 4-бітове поле GFC перерозподіляється в поле VPI, розширюючи його до 12 біт. Таким чином, одне з'єднання NNI ATM може обробляти майже 216 VC кожен раз.

Клітинки і передача на практиці

Що значить ATM на практиці? Вона підтримує різні види послуг через AAL. Стандартизовані AAL включають AAL1 AAL2 і AAL5 а також рідко використовуються AAC3 і AAL4. Перший тип використовується для послуг постійною бітовою швидкістю (CBR) і емуляції схеми. Синхронізація також підтримується в AAL1. Другий і четвертий тип використовуються для послуг із змінним бітрейтом (VBR), AAL5 - для даних. Інформація про те, який AAL використовується для даної комірки, не закодована у ній. Замість цього вона погоджується або налаштовується на кінцевих точках для кожного віртуального з'єднання. Після первісного проектування даної технології мережі стали працювати набагато швидше. 1500-байтовий (12000 біт) повнорозмірний Ethernet-кадр вимагає всього 12 мкс для передачі в мережі 10 Гбіт/с, що зменшує необхідність у невеликих осередках для зменшення затримок.

У чому сильні і слабкі сторони?

Переваги і недоліки мережевої технології ATM наступні. Деякі вважають, що збільшення швидкості зв'язку дозволить замінити її на Ethernet магістральної мережі. Однак слід зазначити, що збільшення швидкості саме по собі не зменшує джиттер через черги. Крім того, апаратне забезпечення для реалізації адаптації послуг для IP-пакетів є дорогим. У той же час через фіксованого корисного навантаження в 48 байт ATM не підходить в якості каналу передачі даних безпосередньо під IP, оскільки рівень OSI, на якому працює IP, повинен забезпечувати максимальний блок передачі (MTU) не менше 576 байт. У більш повільних або перевантажених з'єднаннях (622 Мбіт/с і нижче) застосування мережі ATM має сенс, і з цієї причини більшість асиметричних систем цифрової абонентської лінії (ADSL) використовують цю технологію в якості проміжного рівня між фізичною канальним рівнем і протоколом рівня 2 таким як PPP або Ethernet. На цих більш низьких швидкостях ATM забезпечує корисну можливість переносити декілька логічних схем на одному фізичному або віртуальному носії, хоча існують і інші методи, такі як багатоканальні PPP і Ethernet VLAN, які є необов'язковими в реалізаціях VDSL. DSL може використовуватися як спосіб доступу до мережі АТМ, що дозволяє підключатися до багатьох провайдерів інтернет-послуг через мережу широкосмугових банкоматів. Таким чином, недоліки технології полягають у тому, що в сучасних високошвидкісних з'єднаннях вона втрачає свою ефективність. Переваги ж такої мережі полягають у тому, що вона суттєво збільшує смугу пропускання, оскільки безпосередньо забезпечує з'єднання між різними периферійними пристроями. Крім того, при наявності одного фізичного підключення за допомогою АТМ можуть одночасно функціонувати кілька різних віртуальних каналів, що володіють різними характеристиками. Дана технологія застосовує досить потужні інструменти, призначені для управління трафіком, які продовжують розвиватися і в даний час. Завдяки цьому стає можливим передавати одночасно дані різного типу, навіть якщо вони пред'являють різні вимоги для їх надсилання й отримання. Так, можна створити трафік, здійснюваний за різними протоколами, на одному каналі.

Основи функціонування віртуальних ланцюгів

Asynchonous Transfer Mode (абревіатура ATM) працює як транспортний рівень на основі каналу, використовуючи віртуальні схеми (VC). Це пов'язано з концепцією віртуальних шляхів (VP) і каналів. Кожна комірка ATM має 8 - або 12-бітний ідентифікатор віртуального шляху (VPI) і 16-бітний ідентифікатор віртуального каналу (VCI), визначений у його заголовку. VCI разом з VPI використовується для ідентифікації наступного пункту призначення пакета, коли він проходить через ряд комутаторів ATM на своєму шляху до місцем призначення. Довжина VPI варіюється в залежності від того, відправлена комірка користувача або по мережевому інтерфейсу. По мірі того як ці пакети проходять через мережу ATM, перемикання відбувається шляхом зміни значень VPI/VCI (заміною ярликів). Незважаючи на те, що вони не обов'язково узгоджуються з кінцями з'єднання, концепція схеми є послідовною (на відміну від IP, де будь-який пакет може потрапити в пункт призначення іншим маршрутом). Комутатори ATM використовують поля VPI/VCI для ідентифікації віртуального каналу (VCL) наступної мережі, яку комірка повинна транзитувати на своєму шляху в кінцевий пункт призначення. Функція VCI аналогічна функції ідентифікатора з'єднання лінії передачі даних (DLCI) в реле кадру і номера групи логічних каналів в X. 25. Ще одна перевага використання віртуальних схем полягає в можливості застосовувати їх в якості рівня мультиплексування, дозволяючи використовувати різні сервіси (такі як голос і ретрансляція кадрів). VPI корисний для зменшення таблиці перемикання деяких віртуальних схем, які мають спільні шляхи.

Використання комірок і віртуальних схем для організації трафіку

Технологія АТМ включає в себе додатково переміщення трафіку. Коли налаштовується схема, кожен комутатор ланцюга інформується про класі з'єднання. Контракти на трафік ATM є частиною механізму, забезпечує «якість обслуговування» (QoS). Існує чотири основних типи (і кілька варіантів), кожен з яких має набір параметрів, що описують з'єднання: CBR - постійна швидкість передачі даних. Вказана пікова швидкість (PCR), яка є незмінною. VBR - змінна швидкість передачі даних. Зазначено середня або стійке значення (SCR), яке може досягати піку на певному рівні, на максимальний інтервал до виникнення проблем. ABR - доступна швидкість передачі даних. Зазначено гарантоване мінімальне значення. UBR - невизначена швидкість передачі даних. Трафік розподіляється по всій залишилася пропускної здатності. VBR має варіанти у режимі реального часу, і в інших режимах служить для «ситуаційного» трафіку. Некоректний час іноді скорочується до vbr-nrt. Більшість класів трафіку також використовують концепцію варіації толерантності до клітинки (CDVT), яка визначає їх «скупчення» у часі.

Управління передачею даних

Що значить АТМ з урахуванням вищевикладеного? Щоб підтримувати продуктивність мережі, можуть застосовуватися правила трафіку для віртуальних мереж, що обмежують обсяг переданих даних в пунктах входу в з'єднання. Еталонна модель, затверджена для UPC і NPC, є алгоритмом загальної швидкості клітинки (GCRA). Як правило, трафік VBR зазвичай контролюється з використанням контролера, на відміну від інших видів. Якщо обсяг даних перевищує трафік, визначений GCRA, мережа може або скинути комірки, або зазначити біт пріоритету втрати осередків (CLP) (щоб ідентифікувати пакет як потенційно надлишковий). Основна робота по забезпеченню безпеки працює на основі послідовного моніторингу, але це не оптимально для інкапсульованого пакетного трафіку (оскільки відкидання однієї одиниці призведе до втрати всього пакету). В результаті були створені такі схеми, як Partial Packet Discard (PPD) і Early Packet Discard (EPD), які здатні відкидати цілу серію осередків до тих пір, поки не почнеться наступний пакет. Це зменшує кількість непотрібних одиниць інформації в мережі та економить смугу пропускання для повних пакетів. EPD і PPD працюють з сполуками AAL5 оскільки вони використовують кінець маркера пакету: біт індикації користувальницького інтерфейсу користувача ATM (AUU) в полі «Тип корисного навантаження» заголовка, який встановлюється в останній комірці SAR-SDU.

Формування трафіку

Основи технології АТМ в цій частині можна представити так. Формування трафіку зазвичай відбувається в мережевої інтерфейсної плати (NIC) в додатковому обладнанні. При цьому відбувається спроба забезпечити такі умови, де потік чарунок на VC буде відповідати його контрактом трафіку, тобто одиниці не будуть відкинуті або зменшені в пріоритетному порядку UNI. Оскільки еталонною моделлю, заданої для управління трафіком в мережі, є GCRA, цей алгоритм зазвичай використовується і для формування та направлення даних.

Типи віртуальних ланцюгів і шляхів

Технологія ATM може створювати віртуальні схеми та шляхи як статично, так і динамічно. Статичні схеми (ПВС) або шляху (ПВП) вимагають, щоб схема складалася з серії сегментів, по одному для кожної пари інтерфейсів, через які вона проходить. ПВП і ПВХ, хоча і є концептуально простими, вимагають значних зусиль у великих мережах. Вони також не підтримують повторну маршрутизацію служби в разі збою. Навпаки, динамічно побудовані ПВП (SPVP) і ПВХ (SPVC) будуються шляхом зазначення характеристик схеми (сервісного «контракту») і двох кінцевих точок. Нарешті, мережі ATM створюють і видаляють комутовані віртуальні схеми (SVC) на вимогу кінцевої частини обладнання. Одним з додатків для SVC є перенесення окремих телефонних дзвінків, коли мережа комутаторів з'єднана між собою через ATM. SVC також використовувалися при спробі замінити локальні мережі ATM.

Віртуальна схема маршрутизації

Більшість мереж технології АТМ, що підтримують SPVP, SPVC і SVC, використовують інтерфейс Private Network Node або протокол Private Network-to-Network Interface (PNNI). PNNI використовує той же алгоритм найкоротшого шляху, який використовується OSPF і IS-IS для маршрутизації IP-пакетів для обміну топологічної інформацією між комутаторами та вибору маршруту через мережу. PNNI також включає в себе потужний механізм підсумовування, що дозволяє створювати дуже великі мережі, а також алгоритм керування доступом до викликом (CAC), який визначає доступність достатньої смуги пропускання по пропонованого маршруту через мережу для задоволення вимог до обслуговування VC або VP.

Прийом і підключення до дзвінків

Мережа повинна встановити з'єднання, перш ніж обидві сторони можуть відправляти осередку один одному. В ATM це називається віртуальною схемою (VC). Це може бути постійна віртуальна схема (PVC), яка створюється адміністративно в кінцевих точках, або комутована віртуальна схема (SVC), створювана за необхідності передають сторонами. Створення SVC управляється сигналізацією, в якій запитувана сторона вказує адресу приймаючої сторони, тип запитуваної послуги і параметри трафіку, які можуть бути застосовні до обраної службі. Потім «Мережа» підтвердить, що запитувані ресурси доступні, і що маршрут існує для з'єднання. Технологія АТМ визначає наступні три рівня: адаптації ATM (AAL); 2 ATM, що приблизно відповідає рівню лінії передачі даних OSI; фізичний, еквівалентний аналогічного рівня OSI.

Розгортання і поширення

Технологія ATM стала популярною серед телефонних компаній і багатьох виробників комп'ютерів у 1990-х роках. Однак навіть до кінця цього десятиліття краща ціна і продуктивність продуктів на базі протоколу Інтернет почала конкурувати з ATM для інтеграції в реальному часі і пакетного мережевого трафіку. Деякі компанії і сьогодні орієнтовані на продукти ATM, в той час як інші надають їх в якості опції.

Мобільна технологія

Бездротова технологія складається з базової мережі ATM з мережею бездротового доступу. Клітинки тут передаються від базових станцій до мобільних терміналів. Функції мобільності виконуються на комутаторі ATM в базовій мережі, відомому як «кроссоверного», який аналогічний MSC (мобільного комутаційного центру) мереж GSM. Перевагою бездротового зв'язку ATM є її висока пропускна здатність і велика швидкість передачі обслуговування, виконана на рівні 2. На початку 1990-х років деякі дослідні лабораторії активно працювали в цій галузі. Був створений форум ATM для стандартизації технології бездротових мереж. Його підтримували кілька телекомунікаційних компаній, у тому числі NEC, Fujitsu і AT&T. Мобільна технологія ATM націлена на надання високошвидкісних мультимедійних комунікаційних технологій, здатних надавати широкосмуговий мобільний зв'язок, крім мереж GSM і WLAN.