La tecnologia ATM è un concetto di telecomunicazioni definito dagli standard internazionali per il trasporto dell'intera gamma del traffico degli utenti, inclusi segnali voce, dati e video. È stato sviluppato per soddisfare le esigenze di una rete digitale di servizi a banda larga ed è stato originariamente progettato per l'integrazione delle reti di telecomunicazioni. L'abbreviazione ATM sta per Asynchonous Transfer Mode ed è tradotta in russo come "trasferimento di dati asincrono".
La tecnologia è stata creata per le reti che devono gestire sia il traffico dati tradizionale ad alte prestazioni (come il trasferimento di file) che i contenuti in tempo reale a bassa latenza (come voce e video). Il modello di riferimento per ATM corrisponde approssimativamente ai tre livelli inferiori di ISO-OSI: rete, collegamento dati e fisico. ATM è il protocollo principale utilizzato sui circuiti SONET/SDH (rete telefonica pubblica commutata) e ISDN (Integrated Services Digital Network).
Cos'è questo?
Cosa significa ATM per una connessione di rete? Lei forniscefunzionalità simili alle reti a commutazione di circuito e a commutazione di pacchetto: la tecnologia utilizza il multiplexing a divisione di tempo asincrono e codifica i dati in piccoli pacchetti di dimensioni fisse (frame ISO-OSI) chiamati celle. Questo è diverso da approcci come il protocollo Internet o Ethernet, che utilizzano pacchetti e frame di dimensioni variabili.
I principi di base della tecnologia ATM sono i seguenti. Utilizza un modello orientato alla connessione in cui è necessario stabilire un circuito virtuale tra due endpoint prima che possa iniziare la comunicazione effettiva. Questi circuiti virtuali possono essere "permanenti", ovvero connessioni dedicate, solitamente preconfigurate dal fornitore del servizio, oppure "commutabili", ovvero configurabili per ogni chiamata.
La modalità di trasferimento asincrona (ATM sta per inglese) è conosciuta come il metodo di comunicazione utilizzato negli sportelli automatici e nei terminali di pagamento. Tuttavia, questo uso sta gradualmente diminuendo. L'uso della tecnologia negli sportelli automatici è stato ampiamente soppiantato dal protocollo Internet (IP). Nel collegamento di riferimento ISO-OSI (livello 2), i dispositivi di trasmissione sottostanti sono comunemente indicati come frame. In ATM, hanno una lunghezza fissa (53 ottetti o byte) e sono specificamente chiamati "celle".
Dimensione cella
Come notato sopra, la decrittazione ATM è un trasferimento di dati asincrono effettuato suddividendoli in celle di una certa dimensione.
Se il segnale vocale è ridotto a pacchetti, e lorocostretti a essere inviati su un collegamento con un intenso traffico di dati, indipendentemente dalle loro dimensioni, incontreranno pacchetti di grandi dimensioni in piena regola. In normali condizioni di inattività, potrebbero verificarsi ritardi massimi. Per evitare questo problema, tutti i pacchetti o le celle ATM hanno la stessa piccola dimensione. Inoltre, la struttura a celle fissa significa che i dati possono essere facilmente trasferiti dall'hardware senza i ritardi intrinseci introdotti dai frame commutati e instradati via software.
Pertanto, i progettisti di ATM hanno utilizzato piccole celle di dati per ridurre il jitter (in questo caso, la dispersione del ritardo) nel multiplexing dei flussi di dati. Ciò è particolarmente importante quando si trasporta il traffico vocale, poiché la conversione della voce digitalizzata in audio analogico è parte integrante del processo in tempo reale. Questo aiuta il funzionamento del decoder (codec), che richiede un flusso uniformemente distribuito (nel tempo) di elementi di dati. Se il prossimo in linea non è disponibile quando necessario, il codec non ha altra scelta che mettere in pausa. Successivamente, l'informazione viene persa perché è già trascorso il periodo di tempo in cui avrebbe dovuto essere convertita in un segnale.
Come si è sviluppato ATM?
Durante lo sviluppo di ATM, la gerarchia digitale sincrona (SDH) a 155 Mbps con un carico utile di 135 Mbps è stata considerata una rete ottica veloce e molti dei collegamenti della gerarchia digitale plesiocrona (PDH) nella rete erano significativamente più lenti (no più di 45 Mbps/con). InA questa velocità, un tipico pacchetto di dati da 1500 byte (12.000 bit) dovrebbe essere scaricato a 77,42 microsecondi. Su un collegamento a bassa velocità come una linea T1 a 1,544 Mbps, sono stati necessari fino a 7,8 millisecondi per trasmettere un tale pacchetto.
Il ritardo di download causato da diversi pacchetti di questo tipo nella coda può superare il numero di 7,8 ms diverse volte. Questo è inaccettabile per il traffico vocale, che deve avere un jitter basso nel flusso di dati immesso nel codec per produrre un audio di buona qualità.
Il sistema vocale a pacchetto può farlo in diversi modi, ad esempio utilizzando un buffer di riproduzione tra la rete e il codec. Questo attenua il jitter, ma il ritardo che si verifica quando si passa attraverso il buffer richiede un cancellatore di eco, anche su reti locali. All'epoca era considerato troppo costoso. Inoltre, ha aumentato il ritardo sul canale e ha reso difficile la comunicazione.
La tecnologia di rete ATM fornisce intrinsecamente un basso jitter (e una latenza complessiva più bassa) per il traffico.
In che modo questo aiuta con la connessione di rete?
Il design dell'ATM è per un'interfaccia di rete a basso jitter. Tuttavia, nel progetto sono state introdotte "celle" per consentire brevi ritardi nelle code pur continuando a supportare il traffico dei datagrammi. La tecnologia ATM ha suddiviso tutti i pacchetti, i dati e i flussi vocali in frammenti da 48 byte, aggiungendo a ciascuno un'intestazione di routing da 5 byte in modo che potessero essere riassemblati in seguito.
Questa scelta di dimensioniera politico, non tecnico. Quando CCITT (attualmente ITU-T) ha standardizzato l'ATM, i rappresentanti degli Stati Uniti hanno voluto un payload di 64 byte in quanto considerato un buon compromesso tra grandi quantità di informazioni ottimizzate per la trasmissione dei dati e payload più brevi progettati per applicazioni in tempo reale. A loro volta, gli sviluppatori in Europa desideravano pacchetti da 32 byte perché le dimensioni ridotte (e quindi il breve tempo di trasmissione) semplificano le applicazioni vocali in termini di cancellazione dell'eco.
La dimensione di 48 byte (più la dimensione dell'intestazione=53) è stata scelta come compromesso tra le due parti. Sono state scelte intestazioni a 5 byte perché il 10% del carico utile era considerato il prezzo massimo da pagare per le informazioni di routing. La tecnologia ATM ha multiplexato celle da 53 byte, riducendo la corruzione e la latenza dei dati fino a 30 volte, riducendo la necessità di cancellatori di eco.
Struttura della cella ATM
ATM definisce due diversi formati di cella: interfaccia di rete utente (UNI) e interfaccia di rete (NNI). La maggior parte dei collegamenti di rete ATM utilizza le UNI. La struttura di ciascuno di questi pacchetti è composta dai seguenti elementi:
- Il campo Generic Flow Control (GFC) è un campo a 4 bit originariamente aggiunto per supportare l'interconnessione ATM nella rete pubblica. Topologicamente, è rappresentato come un anello DQDB (Distributed Queue Dual Bus). Il campo GFC è stato progettato in modo talefornire 4 bit di interfaccia utente-rete (UNI) per negoziare multiplexing e controllo del flusso tra celle di diverse connessioni ATM. Tuttavia, il suo utilizzo e i valori esatti non sono stati standardizzati e il campo è sempre impostato su 0000.
- VPI - identificatore di percorso virtuale (8 bit UNI o 12 bit NNI).
- VCI - identificatore del canale virtuale (16 bit).
- PT - tipo di carico utile (3 bit).
- MSB - cella di controllo della rete. Se il suo valore è 0, viene utilizzato un pacchetto di dati utente e, nella sua struttura, 2 bit è l'indicazione di congestione esplicita (EFCI) e 1 è l'esperienza di congestione della rete. Inoltre, viene assegnato 1 bit in più per l'utente (AAU). Viene utilizzato da AAL5 per indicare i limiti dei pacchetti.
- CLP - priorità di perdita di celle (1 bit).
- HEC - controllo degli errori di intestazione (CRC a 8 bit).
La rete ATM utilizza il campo PT per designare varie celle speciali per scopi operativi, di amministrazione e gestione (OAM) e per definire i confini dei pacchetti in alcuni livelli di adattamento (AAL). Se il valore MSB del campo PT è 0, questa è una cella di dati utente e i restanti due bit vengono utilizzati per indicare la congestione della rete e come bit di intestazione per scopi generici disponibile per i livelli di adattamento. Se l'MSB è 1, è un pacchetto di controllo ei restanti due bit ne indicano il tipo.
Alcuni protocolli ATM (Asynchronous Data Transfer Method) utilizzano il campo HEC per controllare un algoritmo di framing basato su CRC in grado di trovarecelle senza costi aggiuntivi. Il CRC a 8 bit viene utilizzato per correggere gli errori di intestazione a bit singolo e rilevare quelli a più bit. Quando queste ultime vengono trovate, le celle attuali e successive vengono scartate finché non viene trovata una cella senza errori di intestazione.
Il pacchetto UNI riserva il campo GFC per il controllo del flusso locale o il sub-multiplexing tra utenti. Questo aveva lo scopo di consentire a più terminali di condividere un'unica connessione di rete. È stato utilizzato anche per consentire a due telefoni ISDN (Integrated Service Digital Network) di condividere la stessa connessione ISDN di base a una certa velocità. Tutti e quattro i bit GFC devono essere zero per impostazione predefinita.
Il formato della cella NNI replica il formato UNI più o meno allo stesso modo, tranne per il fatto che il campo GFC a 4 bit viene riallocato nel campo VPI, espandendolo a 12 bit. Quindi una connessione ATM NNI può gestire quasi 216 VC ogni volta.
Cellule e trasmissione in pratica
Cosa significa in pratica ATM? Supporta vari tipi di servizi tramite AAL. Gli AAL standardizzati includono AAL1, AAL2 e AAL5, nonché AAC3 e AAL4, meno comunemente utilizzati. Il primo tipo viene utilizzato per i servizi CBR (Constant Bit Rate) e l'emulazione del circuito. La sincronizzazione è supportata anche in AAL1.
Il secondo e il quarto tipo sono usati per i servizi VBR (Variable Bit Rate), AAL5 per i dati. Le informazioni su quale AAL viene utilizzato per una determinata cella non sono codificate in essa. Invece, è coordinato o adattatoendpoint per ogni connessione virtuale.
Dopo la progettazione iniziale di questa tecnologia, le reti sono diventate molto più veloci. Un frame Ethernet a lunghezza intera da 1500 byte (12000 bit) impiega solo 1,2 µs per trasmettere su una rete a 10 Gbps, riducendo la necessità di piccole celle per ridurre la latenza.
Quali sono i punti di forza e di debolezza di una tale relazione?
I vantaggi e gli svantaggi della tecnologia di rete ATM sono i seguenti. Alcuni ritengono che l'aumento della velocità di comunicazione consentirà di sostituirla con Ethernet nella rete backbone. Tuttavia, va notato che l'aumento della velocità di per sé non riduce il jitter dovuto alla coda. Inoltre, l'hardware per implementare l'adattamento del servizio per i pacchetti IP è costoso.
Allo stesso tempo, a causa del payload fisso di 48 byte, ATM non è adatto come collegamento dati direttamente sotto IP, poiché il livello OSI su cui opera IP deve fornire un'unità di trasmissione massima (MTU) di at minimo 576 byte.
Su connessioni più lente o congestionate (622 Mbps e inferiori), ATM ha senso, e per questo motivo la maggior parte dei sistemi ADSL (asymmetric digital Subscriber Line) utilizzano questa tecnologia come livello intermedio tra il livello di collegamento fisico e il protocollo Layer 2 come PPP o Ethernet.
A queste velocità inferiori, ATM offre l'utile capacità di trasportare più logiche su un singolo supporto fisico o virtuale, sebbene esistano altri metodi come il multicanaleVLAN PPP ed Ethernet, che sono opzionali nelle implementazioni VDSL.
DSL può essere utilizzato come un modo per accedere alla rete ATM, consentendoti di connetterti a molti ISP tramite una rete ATM a banda larga.
Quindi, gli svantaggi della tecnologia sono che perde la sua efficacia nelle moderne connessioni ad alta velocità. Il vantaggio di tale rete è che aumenta notevolmente la larghezza di banda, poiché fornisce una connessione diretta tra vari dispositivi periferici.
Inoltre, con una connessione fisica tramite ATM, possono funzionare contemporaneamente diversi circuiti virtuali con caratteristiche diverse.
Questa tecnologia utilizza strumenti di gestione del traffico piuttosto potenti che continuano a svilupparsi in questo momento. Ciò consente di trasmettere contemporaneamente dati di diverso tipo, anche se hanno requisiti completamente diversi per l'invio e la ricezione. Ad esempio, puoi creare traffico utilizzando protocolli diversi sullo stesso canale.
Fondamenti di circuiti virtuali
La modalità di trasferimento asincrona (abbreviazione di ATM) opera come un livello di trasporto basato su collegamenti utilizzando circuiti virtuali (VC). Questo è legato al concetto di percorsi virtuali (VP) e canali. Ogni cella ATM ha un Virtual Path Identifier (VPI) a 8 o 12 bit e un Virtual Circuit Identifier (VCI) a 16 bit,definito nella sua intestazione.
VCI, insieme a VPI, viene utilizzato per identificare la prossima destinazione di un pacchetto mentre passa attraverso una serie di interruttori ATM nel suo percorso verso la sua destinazione. La lunghezza del VPI varia a seconda che la cella venga inviata tramite l'interfaccia utente o l'interfaccia di rete.
Mentre questi pacchetti passano attraverso la rete ATM, il passaggio avviene modificando i valori VPI/VCI (sostituendo i tag). Sebbene non corrispondano necessariamente alle estremità della connessione, il concetto dello schema è sequenziale (a differenza dell'IP, dove qualsiasi pacchetto può raggiungere la sua destinazione per un percorso diverso). Gli switch ATM utilizzano i campi VPI/VCI per identificare il circuito virtuale (VCL) della rete successiva che una cella deve transitare per raggiungere la sua destinazione finale. La funzione del VCI è simile a quella del Data Link Connection Identifier (DLCI) nel frame relay e al numero del gruppo di canali logici in X.25.
Un altro vantaggio dell'utilizzo dei circuiti virtuali è che possono essere usati come strato multiplexing, consentendo l'uso di servizi diversi (come voce e frame relay). VPI è utile per ridurre la tabella di commutazione di alcuni circuiti virtuali che condividono percorsi.
Utilizzare celle e circuiti virtuali per organizzare il traffico
La tecnologia ATM include movimenti di traffico aggiuntivi. Quando il circuito è configurato, ogni interruttore nel circuito viene informato della classe di connessione.
I contratti di traffico ATM fanno parte del meccanismofornendo "qualità del servizio" (QoS). Esistono quattro tipi principali (e diverse varianti), ognuno dei quali ha una serie di parametri che descrivono la connessione:
- CBR - velocità dati costante. Velocità di picco specificata (PCR) fissa.
- VBR - velocità dati variabile. Valore medio o stazionario specificato (SCR), che può raggiungere un picco a un certo livello, per l'intervallo massimo prima che si verifichino problemi.
- ABR - velocità dati disponibile. Valore minimo garantito specificato.
- UBR - velocità dati non definita. Il traffico è distribuito sulla larghezza di banda rimanente.
VBR ha opzioni in tempo reale e in altre modalità viene utilizzato per il traffico "situazionale". Il tempo errato a volte viene ridotto a vbr-nrt.
La maggior parte delle classi di traffico utilizza anche il concetto di Cell Tolerance Variation (CDVT), che definisce la loro "aggregazione" nel tempo.
Controllo trasmissione dati
Cosa significa ATM visto quanto sopra? Per mantenere le prestazioni della rete, è possibile applicare regole di traffico di rete virtuale per limitare la quantità di dati trasferiti ai punti di ingresso della connessione.
Il modello di riferimento convalidato per UPC e NPC è il Generic Cell Rate Algorithm (GCRA). Di norma, il traffico VBR è solitamente controllato tramite un controller, a differenza di altri tipi.
Se la quantità di dati supera il traffico definito da GCRA, la rete può ripristinarecelle o contrassegnare il bit Cell Loss Priority (CLP) (per identificare il pacchetto come potenzialmente ridondante). Il principale lavoro di sicurezza si basa sul monitoraggio sequenziale, ma questo non è ottimale per il traffico di pacchetti incapsulati (perché l'eliminazione di un'unità invaliderà l'intero pacchetto). Di conseguenza, sono stati creati schemi come Partial Packet Discard (PPD) e Early Packet Discard (EPD) in grado di scartare un'intera serie di celle fino all'inizio del pacchetto successivo. Ciò riduce il numero di informazioni inutili sulla rete e consente di risparmiare larghezza di banda per pacchetti completi.
EPD e PPD funzionano con connessioni AAL5 perché utilizzano la fine del marcatore di pacchetto: il bit ATM User Interface Indication (AUU) nel campo Payload Type dell'intestazione, che è impostato nell'ultima cella del SAR -SDU.
Traffic Shaping
Le basi della tecnologia ATM in questa parte possono essere rappresentate come segue. La modellatura del traffico si verifica in genere su una scheda di interfaccia di rete (NIC) nell'apparecchiatura utente. Questo tenta di garantire che il flusso cellulare sul VC corrisponda al suo contratto di traffico, ovvero le unità non verranno abbandonate o ridotte in priorità all'UNI. Poiché il modello di riferimento fornito per la gestione del traffico nella rete è GCRA, questo algoritmo è comunemente usato anche per modellare e instradare i dati.
Tipi di circuiti e percorsi virtuali
La tecnologia ATM può creare circuiti e percorsi virtuali comestaticamente oltre che dinamicamente. I circuiti statici (STS) oi percorsi (PVP) richiedono che il circuito sia costituito da una serie di segmenti, uno per ogni coppia di interfacce che attraversa.
PVP e PVC, sebbene concettualmente semplici, richiedono uno sforzo considerevole nelle reti di grandi dimensioni. Inoltre, non supportano il reindirizzamento del servizio in caso di errore. Al contrario, gli SPVP e gli SPVC costruiti dinamicamente vengono creati specificando le caratteristiche di uno schema (un "contratto di servizio") e due endpoint.
Infine, le reti ATM creano ed eliminano circuiti virtuali commutati (SVC) come richiesto dall'apparecchiatura finale. Un'applicazione per le SVC è quella di effettuare chiamate telefoniche individuali quando una rete di switch è interconnessa tramite ATM. Gli SVC sono stati utilizzati anche nel tentativo di sostituire le LAN ATM.
Schema di routing virtuale
La maggior parte delle reti ATM che supportano SPVP, SPVC e SVC utilizzano l'interfaccia Private Network Node o il protocollo Private Network-to-Network Interface (PNNI). PNNI utilizza lo stesso algoritmo del percorso più breve utilizzato da OSPF e IS-IS per instradare i pacchetti IP per lo scambio di informazioni sulla topologia tra gli switch e la selezione del percorso attraverso la rete. PNNI include anche un potente meccanismo di riepilogo che consente la creazione di reti molto grandi, nonché un algoritmo Call Access Control (CAC) che determina la disponibilità di larghezza di banda sufficiente lungo un percorso proposto attraverso la rete per soddisfare i requisiti di servizio di un VC o VP.
Ricezione e connessione achiamate
La rete deve stabilire una connessione prima che entrambe le parti possano scambiarsi le celle. In ATM, questo è chiamato circuito virtuale (VC). Può trattarsi di un circuito virtuale permanente (PVC) creato amministrativamente agli endpoint o di un circuito virtuale commutato (SVC) creato secondo necessità dalle parti trasmittenti. La creazione di una SVC è controllata dalla segnalazione, in cui il richiedente specifica l'indirizzo del destinatario, il tipo di servizio richiesto e gli eventuali parametri di traffico applicabili al servizio selezionato. La rete confermerà quindi che le risorse richieste sono disponibili e che esiste un percorso per la connessione.
La tecnologia ATM definisce i seguenti tre livelli:
- Adeguamenti ATM (AAL);
- 2 ATM, più o meno equivalente al livello di collegamento dati OSI;
- equivalente fisico allo stesso livello OSI.
Distribuzione e distribuzione
La tecnologia ATM è diventata popolare tra le compagnie telefoniche e molti produttori di computer negli anni '90. Tuttavia, anche entro la fine di questo decennio, il miglior prezzo e prestazioni dei prodotti di protocollo Internet hanno iniziato a competere con ATM per l'integrazione in tempo reale e il traffico di rete a pacchetti.
Alcune aziende si concentrano ancora oggi sui prodotti ATM, mentre altre li forniscono come opzione.
Tecnologia mobile
La tecnologia wireless consiste in una rete centrale ATM con una rete di accesso wireless. Le celle qui vengono trasmesse dalle stazioni base ai terminali mobili. FunzioniLe mobilità vengono eseguite su uno switch ATM nella rete centrale, noto come "crossover", che è analogo all'MSC (Mobile Switching Center) delle reti GSM. Il vantaggio della comunicazione wireless ATM è il suo elevato throughput e l'elevata velocità di trasferimento eseguita al livello 2.
All'inizio degli anni '90, alcuni laboratori di ricerca erano attivi in quest'area. Il forum ATM è stato creato per standardizzare la tecnologia di rete wireless. Era supportato da diverse società di telecomunicazioni, tra cui NEC, Fujitsu e AT&T. La tecnologia mobile ATM mira a fornire tecnologie di comunicazione multimediale ad alta velocità in grado di fornire banda larga mobile oltre le reti GSM e WLAN.
