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Asynchronous Transfer Mode


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Asynchronous Transfer Mode oder kurz ATM ist eine Technologie bei der der in kleine Pakete (bei ATM "Zellen" genannt) fester Länge (53 byte) encodiert wird. Die hat im Vergleich zu Übertragungstechniken mit variabler (v.a. Ethernet ) den Vorteil dass die Pakete geswitcht nicht geroutet werden und so effizienter weitergeleitet können.

Inhaltsverzeichnis

Überblick und Entstehungsgeschichte

ATM wurde als Netzwerk-Standard entwickelt der synchronen ( PDH SDH ) Transporttechnologien verwendet und ihnen weitere nützliche hinzufügt. Nicht nur leitungsvermittelte Datenübertragung werden von sondern auch paketbasierte wie ( IP Frame Relay etc.). Im Gegensatz zur einfachen und Ethernet- oder TCP/IP-Technologie die in Lastsituationen zu Ergebnissen führen kann bietet ATM Garantien hinsichtlich Bitrate Delay und Jitter was gewöhnlich (neben anderen Features) als Quality of Service (QoS) bezeichnet wird.

Das Problem vielfältige Datenströme unterschiedlicher Art also z.B. sowohl mit synchronen als auch Netzwerken zusammenarbeiten zu können wurde gelöst indem Bitstrom-Arten (synchron oder paketbasiert) an den Schnittpunkten einen neuen Bitstrom mit ATM-Zellen umgesetzt werden. Zellen werden typischerweise bei Bedarf in einem Zeitfenster in einem PDH - oder SDH -Netz gesendet. Asynchron ist bei ATM das oder Nicht-Senden der Zellen im Zeitfenster nicht zugrundeliegende Träger-Bitstrom.

In der ursprünglichen Konzeption war ATM Schlüsseltechnologie für das 'Breitband Integrated Services Digital ( B-ISDN ) dass für das existierende analoge Telefonnetz Plain Old Telephone System POTS ) das Backbone-Netz bilden sollte. Der komplette besteht deshalb aus Definitionen für die Layer bis 3 (Bitübertragungsschicht Sicherungsschicht und Vermittlungsschicht) des OSI-Modells . Federführend bei der Entwicklung der ATM-Standards vorwiegend Telekommunikationsfirmen (Telcos) aber auch das amerikanische of Defence (DOD). Aus diesem Grunde wurden der existierenden Telco-Technologien und -Konventionen in ATM

Heute ist ATM eine Technologie mit großer Leistungsfähigkeit mit Unterstützung für Anwendungen vom Telco-Netzwerk bis zum privaten LAN .

Fast alle Telcos haben im Backbone-Bereich eingerichtet benutzen aber keine ATM-Signalierung sondern feste Im breitbandigen Zugangsnetz wird als Multiplex-Layer fast ATM genutzt ( DSLAM RAS . ATM konnte sich als Technologie für Netzwerke nur im Hochleistungsbereich durchsetzen. Seine hohe und die damit verbundenen Kosten verhinderten den Einsatz als integrierte Netzwerklösung im Bürobereich. Einige Prinzipien der ATM-Standards wie z.B. die Möglichkeit Typen des Datenverkehrs zu priorisieren wurden später MPLS übernommen ein allgemeines Protokoll für effizientes auf Layer 2.

ATM-Konzepte

Warum Zellen?

Der Grund für die Benutzung kleiner war die Reduktion des Jitters beim Multiplexen von Datenströmen.

Zu der Zeit als ATM entwickelt waren STM-1-Leitungen mit 155 Mbit/s (135 Mbit/s eine schnelle optische Netzwerkverbindung wobei viele PDH-Leitungen damaligen Netzwerke noch ein ganzes Stück langsamer zwischen 1 544 Mbit/s und 45 Mbit/s den USA und 2-34 Mbit/s in Europa.

Bei diesen Datenraten braucht ein typisches voller Länge (1500 Byte/12000 bit) etwa 89 für die Übertragung. Bei langsameren Verbindungen beispielsweise 544 Mbit/s T1 bräuchte das gleiche Paket 8 Millisekunden.

Jetzt stellen wir uns ein auf aufgeteiltes Sprachsignal vor das sich die Leitung großvolumigem Datenverkehr teilen muss. Egal wie klein Sprachpakete gemacht werden könnten sie würden immer die Datenpakete voller Größe treffen und die bis die Leitung mal frei ist wären mehrfaches der reinen Übertragungszeit von 7 8 Für Sprachverkehr war dies ganz klar inakzeptabel. wenn man den Jitter herausfilterte war die so groß dass man sogar im lokalen Echokompensation benötigt hätte. Zu jener Zeit war schlichtweg zu teuer.

Die ATM-Lösung bestand nun darin alle sowohl Daten als auch Sprache in 48 große Teile zu splitten und einen Routing-Header 5 Byte hinzuzufügen so dass sie später zusammengefügt werden konnten und diese 53-Byte-Zellen dann von Paketen zu multiplexen. Dieses Verfahren reduzierte Warteschleifen-Zeit fast um den Faktor 30 wodurch sich die Echokompensation sparen konnte.

Die Regeln für die Aufteilung und von Paketen und Streams in Zellen werden ATM Adaptation Layers bezeichnet: Die zwei wichtigsten sind AAL 1 der für Streams (z.B. Sprache) zuständig und AAL 5 für fast alle Arten von Paketen. AAL jeweils benutzt wird ist nicht in Zelle encodiert. Stattdessen wird er zwischen zwei konfiguriert oder auf Basis einer virtuellen Verbindung

Seitdem wurden die Glasfasernetze viel schneller. braucht ein Ethernet-Paket voller Länge nur noch 2 µs auf einer optischen Verbindung mit Gbit/s Bandbreite was es eigentlich nicht mehr macht kleine Pakete zu verwenden um die kurz zu halten. Einige Leute haben daraus Schluss gezogen dass ATM im Netzwerk-Backbone dadurch wurde.

Für langsamere Verbindungen (2 Mbit/s und ist ATM immer noch sinnvoll. Aus diesem nutzen viele ADSL-Systeme ATM zwischen der physischen und dem Layer-2-Protokoll wie PPP oder Ethernet.

Wozu virtuelle Verbindungen?

ATM ist eine kanalbasierte Transportschicht. Dies sich im Konzept der Virtual Paths (VPs) und Virtual Circuits (VCs) wider. Jede ATM-Zelle hat einen bit langen Virtual Path Identifier (VPI) und Virtual Circuit Identifer (VCI) von 16 bit ihrem Header. Während diese Zellen das ATM-Netzwerk wird das Switching durch Änderung der VPI/VCI-Werte Obwohl die VPI/VCI-Werte also nicht notwendigerweise von Ende der Verbindung zum anderen konsistent sind dies dem Konzept einer Verbindung da alle mit gleichen VPI/VCI-Werten den gleichen Weg nehmen Gegensatz zu IP wo ein Paket sein Ziel über andere Route erreichen könnte als vorhergehende und Pakete).

Virtuelle Verbindungen haben auch den Vorteil man sie als Multiplexing-Layer für unterschiedliche Services Frame Relay IP SNA etc.) benutzen kann sich dann eine gemeinsame ATM-Verbindung teilen können sich gegenseitig zu stören.

Traffic-Management mit Zellen und Virtuellen Verbindungen

Ein weiteres Schlüsselkonzept von ATM nennt "Traffic Contract" wörtlich ein "Vertrag über Traffic": eine ATM-Verbindung eingerichtet wird wird jeder Switch dem Weg über die Traffic-Klasse der Verbindung

Traffic Contracts sind Teil des Mechanismus den Quality of Service (QoS) realisiert wird. Es gibt drei (mit mehreren Varianten) die jeweils einen Satz Parametern der Verbindung beschreiben:

  • UBR - Unspecified Bit Rate (unbestimmte der Defaulttyp für "normalen" Traffic. Hier bekommt an Bandbreite was übrig ist nachdem der abgewickelt ist.
  • CBR - Constant Bit Rate (konstante hier wird eine Spitzenrate (Peak Cell Rate PCR ) angefordert die dann garantiert wird (gibt in Echtzeit- und Non-Echtzeit-Varianten)
  • VBR - Variable Bitrate hier "bestellt" eine durchschnittliche Zellenrate die man aber um bestimmten Betrag für eine bestimmte Zeit überschreiten

Die meisten Traffic-Klassen enthalten auch das der "Cell Delay Variation Time" (CDVT) das "Anhäufung" von Zellen über die Zeit definiert.

Die Einhaltung der Traffic Contracts wird durch "Shaping" eine Kombination aus Warteschleife und von Paketen sowie "Policing" erzwungen.

Traffic Shaping

Üblicherweise passiert das Shaping am Eingangspunkt ATM-Netzwerkes es wird dort versucht den Zellfluss zu steuern dass der Traffic Contract eingehalten kann.

Traffic Policing

Um die Netzwerk-Performance zu erhalten ist möglich virtuellen Verbindungen Regeln entgegen ihren Traffic zu geben. Wenn eine Verbindung ihren Traffic überschreitet kann das Netzwerk die Zellen entweder verwerfen oder das Cell Loss Priority (CLP)-Bit um die Pakete für weitere Switches auf Weg als verwerfbar zu markieren. Dieses Policing also Zelle für Zelle was zu Problemen kann wenn paketbasierte Kommunikation auf ATM umgesetzt die Pakete in ATM-Zellen verpackt wurden. Wenn eine dieser ATM-Zellen verwirft wird natürlich das vorher segmentierte Paket ungültig. Aus diesem Grund man Schemata wie Partial Packet Discard (PPD) Early Packet Discard (EPD) die eine ganze von Zellen verwerfen bis der nächste Frame Dies reduziert die Anzahl redundanter Zellen im und spart Bandbreite für volle Frames. EPD PPD arbeiten nur mit AAL 5 weil das Frame End Bit auswerten müssen um Ende eines Paketes festzustellen.

Struktur einer ATM-Zelle

Eine ATM-Zelle besteht aus einem Header 5 Byte und 48 Byte Nutzlast (Payload). Payload-Größe von 48 Bytes ergab sich als zwischen den Bedürfnissen der Sprachtelefonie und denen Netzwerke. Man nahm einfach den Durchschnitt der des amerikanischen (64 Byte) und des europäischen (32 Byte). Die Europäer konnten damit gut denn bei 64 Byte hätten sie möglicherweise Echokompensation in die nationalen Leitungen einbauen müssen.

ATM definiert zwei unterschiedliche Zellen-Formate: NNI und UNI (User-Netzwerk-Interface). Die meisten ATM-Verbindungen benutzen UNI-Format.

Diagramm einer UNI-ATM-Zelle

 Bisher nicht erwähnte Felder:  

 PT = Nutzlasttyp (Payload Type 3 GFC = Flusskontrolle (Generic Flow Control 4 HEC = Fehlerkorrektur Header (Header Error Correction des Headers)  

7

4
3


0
GFC VPI
VPI
VCI
VCI
VCI PT CLP
HEC




Payload 48Byte



Das PT-Feld wird zur Unterscheidung verschiedener Arten von Zellen für Wartungs- und Management-Zwecke um in einigen AALs Pakete abgrenzen zu benutzt.

In einer UNI-Zelle ist das GFC-Feld eine (bis heute undefinierte) lokale Flusskontrolle zwischen und User reserviert. Alle vier GFC-Bits müssen Null sein.

Das NNI-Format ist größtenteils mit dem identisch aber es enthält kein GFC-Feld so das VPI-Feld auf 12 bits verlängert werden Daher kann eine einzelne NNI-ATM-Verbindung fast 2 12 VPs mit je 2 12 VCs adressieren (in der Praxis sind VP/VC-Nummern für besondere Zwecke reserviert).

Siehe auch: DSL IP MPLS

Weblinks



Bücher zum Thema Asynchronous Transfer Mode

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