Asinhronais pārraides režīms

ATM (Asynchronous Transfer Mode - Asinhronais pārraides režīms) – ir tīkla pakešu komutācijas tehnoloģija ar augstu veiktspēju, kas balstīta uz datu nosūtīšanu šūnās (cell), kuru izmērs ir fiksēts (53 baiti), no kuriem 5 baiti tiek izmantoti šūnas galvenei. Atšķirībā no sinhronā datu pārraides režīma (STM - Synchronous Transfer Mode), ATM ir labāk piemērots, lai nodrošinātu datu pārraidi pakalpojumiem ar ļoti atšķirīgām vai mainīgām datu plūsmām. ATM izmanto ITU-T standartu šūnu pārsūtīšanai mazās, fiksēta izmēra šūnās. Tas ļoti labi noder gan balss, gan video, gan arī datu pārraidei caur publiskajiem tīkliem lielā ātrumā. ATM tika izstrādāts kā universāls transporta mehānisms jaunās paaudzes tīkliem ar pakalpojumu integrāciju. ATM pieder pie populārākajiem tīklu pakalpojumiem ar pakešu komutāciju, gluži tāpat, kā Frame Relay. ATM spēja nodrošināt lielus pārraides ātrumus rada lielākas iespējas arī augstāko slāņu sniedzamajiem pakalpojumiem.

ATM izveides vēsture

ATM tehnoloģijas pamati tika izstrādāti Francijā un ASV 1970. gados. Tos izstrādāja divi zinātnieki: Žans Pjērs Kudress (Jean-Pierre Coudreuse), kurš strādāja France Telecom pētnieciskajā laboratorijā, un Sendijs Freizers (Sandy Fraser), kurš bija Bell Labs inženieris. Viņi abi vēlējās radīt arhitektūru, kas spētu pārraidīt gan datus, gan arī balsi lielā ātrumā, un efektīvāk izmantotu tīkla resursus.

Datoru tehnoloģijas radīja iespējas ātrākai datu apstrādei un pārsūtīšanai starp sistēmām. 20. gadsimta 80. gados, telefonu centrāļu operatori konstatēja, ka balss datplūsma nav tik svarīga kā pārējā datu plūsma un tā sāk dominēt pār balss datplūsmu. Toreiz tika ierosināts izmantot ISDN, kas aprakstīja ciparu tīklu ar pakešu komutāciju, kas nodrošina telefona pakalpojumus un datu pārraidi. Optiskās šķiedras ļāva realizēt datu pārraidi lielā ātrumā ar zemiem zaudējumiem. Taču pakešu komutācijas tehnoloģija nenodrošināja drošu balss pārraidi, un daudzi šaubījās par to, vai kādreiz to spēs atbalstīt. Atšķirībā no pakešdatu tīkliem, publiskajos telefonu tīklos izmantoja ķēžu komutācijas tehnoloģiju, kura ir ideāla balss pārraidei, bet datu pārraidei neefektīva. Un tad telekomunikāciju industrija vērsās pie ITU, lai tiktu izstrādāts jauns standarts datu un balss datplūsmas pārsūtīšanai tīklos ar lielu joslas platumu. 80. gadu beigās, starptautiskā telefonu un telegrāfu konsultatīvā komiteja CCITT (kas vēlāk tika pārdēvēta par ITU-T) izstrādāja ieteikumu kopumu par otrās paaudzes ISDN, tā saukto B-ISDN (platjoslas ISDN). Kā pārraides režīms zemākajiem līmeņiem B-ISDN tika izvēlēts ATM. 1988.gadā, ITU sanāksmē Ženēvā tika izvēlēts ATM šūnas garums – 53 baiti. Tas bija kā kompromiss starp amerikāņiem, kuri vēlējās 64 baitu datu apjomu šūnās, un eiropiešiem, kuri tiecāsuz 32 baitu izmēru. Neviena no abām pusēm nespēja uzvarēt šajā strīdā un beigu beigās tika izlemts par kompromisu - 48 baiti. Galvenes laukam tika atvēlēti 5 baiti, kas bija minimālais izmērs, ar kuru samierinājās ITU. 1990.gadā tika apstiprināts ATM pamata ieteikumu kopums.

Tehnoloģijas pamati

ATM tehnoloģijas pamatā ir multipleksēšanas un šūnu komutācijas tehnoloģijas, un tā sevī apvieno pakešu komutācijas un ķēžu komutācijas priekšrocības. No ķēžu komutācijas, ko raksturo garantēta caurlaidība un ar pastāvīgu pārraides aizkavi, tika paņemts nelielais pakešu lielums, bet no pakešu komutācijas, kas īpaša ar elastību un efektivitāti brīžos, kad datplūsma ir nevienmērīga, tika paņemta datu pārraide adresējamu pakešu veidā. Šo īpašību apvienošana un integrēšana ļāva paplašināt joslas platumu no dažiem megabitiem sekundē (Mbps) līdz daudziem gigabitiem sekundē (Gbps).

Tehnoloģijas priekšrocības

Pateicoties pārraides neregularitātei (asinhronismam) šī tehnoloģija ir efektīvāka par sinhronajām tehnoloģijām, kuras pielieto laikdales multipleksēšanu (TDM), kura darbojas tā, ka katram lietotājam periodiski tiek piešķirts laika intervāls, un neviens cits tīkla mezgls šajā laika intervālā nevar sūtīt savus datus. ATM tehnoloģija šos laika intervālus izdala pēc pieprasījuma. Mezgli sūta šūnas (tad, kad tas ir nepieciešams), ar informāciju, kas identificē pārraides avotu katrā ATM šūnas galvenē. Papildus tam, pie ATM priekšrocībām jāmin arī:

Datu pārraides ātrumu hierarhija, desmitiem megabitu sekundē ar garantētu joslas caurlaidību svarīgām lietojumprogrammām.
Kopēji transporta protokoli lokālajam (LAN) un globālajam (WAN) tīklam.
Esošās fizisko kanālu un fizisko protokolu (T1/E1, T3/ E3, SDH STM-n) infrastruktūras saglabāšana.
Savstarpēja mijiedarbība ar mantojamajiem lokālo un globālo tīklu protokoliem: IP, SNA, Ethernet, ISDN.

ATM pakete (šūna)

ATM aparatūrā lieto ļoti lielo integrālo shēmu (very large-scale integration – VLSI) tehnoloģiju, lai varētu segmentēt datus fiksētā izmēra paketēs. ATM paketes tiek sauktas par šūnām (cell). Katras šūnas izmērs ir 53 baiti. No šiem 53 baitiem pirmie 5 baiti satur šūnas galvenes informāciju, pārējie 48 baiti - lietotāja informāciju (angļu: payload). Tā kā balss un video datplūsma ir kritiska pret aizkavēm, kas varētu rasties pārsūtot lielas paketes, tad ATM šūnas, kuras ir mazas un ar fiksētu izmēru, ir ļoti ērtas šīs datplūsmas pārsūtīšanai. Atšķirībā no ISDN, kas arī nodrošina integrētus pakalpojumus, taču balss pārraidei tam ir lielāka prioritāte, ATM tehnoloģijā visu veidu datplūsmām ir vienādas prioritātes, kas ir atbilstošas pakalpojumu kvalitātes prasībām.

Šūnu pārraidīšana

Jo mazāka ir pakete, jo vieglāk ir simulēt kanāla pakalpojumus ar fiksētu bitu pārraides ātrumu, kas ir tipiska telefonu tīkliem. Ir skaidrs, ka sinhronizētu laikspraugu pagaidu atteikuma gadījumā, katram kanālam ideālu sinhronitāti nav iespējams sasniegt, taču, jo mazāka ir pakete, jo vieglāk ir sasniegt šo mērķi. Paketei, kas sastāv no 53 baitiem (ar ātrumu 155 Mbit/s) pārraides laiks uz izejas portu ir mazāks par 3 mikrosekundēm. Tātad šī kavēšanās nav būtiska (aptuveni 2%) datplūsmai, kuras paketēm ir jābūt nosūtītām ik pēc 125 mikrosekundēm (64 kbit/s).

Pakešu izmēra izvēle

Paketizācijas kavēšanās - tas ir laiks, kurā pirmais balss mērījums gaida, kad pakete tiks izveidota un nosūtīta tīklā. Tā kā datu lauka izmērs ir 48 baitu, tad viena ATM šūna parasti transportē 48 balss mērījumus, kas veikti ik pēc 125 mikrosekundēm. Tāpēc, pirmajam mērījumam jānogaida apmēram 6 mikrosekundes - aizture, kas ir tuvu robežai, kuru pārsniedzot sākas balss datplūsmas kvalitātes traucējumi.

Šūnas galvene

ATM šūnas galvenei var būt viens no diviem formātiem: UNI (User-to-Network Interface) vai NNI (Network-Node Interface), atkarībā no saskarnes, kura tiek izmantota komunikācijai. UNI galvene sastāv no GFC, VPI, VCI, PT, CLP un HEC laukiem.

Generic Flow Control (GFC) – Kopējā plūsmas vadība. Nodrošina lokālās funkcijas, piemēram, vairāku mezglu (kas izmanto vienu ATM saskarni) identificēšana. Parasti šis lauks netiek izmantots.
Virtual Path Identifier (VPI) – Virtuālā ceļa identifikators. Kopā ar VCI (Virtual Channel Identifier) nosaka nākamo ATM komutatoru, kuram tiek pārsūtīta šūna ceļā uz saņēmēju.
Virtual Channel Identifier (VCI) – Virtuālā kanāla identifikators. Kopā ar VPI nosaka nākamo ATM komutatoru, kam tiek pārsūtīta šūna ceļā uz saņēmēju.
Payload Type (PT) – Lietotāja informācijas tips. Šī lauka pirmais bits nosaka to, vai šūna satur lietotāja datus, vai vadības informāciju. Ja šūna satur lietotāja datus, tad otrais bits norāda uz pārblīvi, bet trešais norāda to, vai šī šūna ir pēdēja šūnu secībā, kura pārstāv ATM adaptācijas slāņa AAL5 kadru.
Congestion Loss priority (CLP) – Pārblīvētības zaudējuma prioritāte. Norāda, vai šūnai jābūt noraidītai, ja tā sadurās ar pārmērīgo tīkla pārblīvētību. Ja šūnas CLP bits ir 1, tad šūnai jābūt noraidītai agrāk par tām šūnām, kuru CLP bits ir 0.
Header Error Control (HEC) – Aprēķina kontrolsummu pēc galvenes satura.

NNI (Network-Node Interface) galvenes formāts ir līdzīgs UNI galvenes formātam, taču tā galvene nesatur GFC (Generic Flow Control ) lauku, bet tā vietā VPI lauks aizņem pirmos 12 bitus (UNI formātā tas aizņem 8 bitus), kas ļauj ATM komutatoriem izmantot lielākas VPI vērtības.

ATM tīkls

ATM tīkls sastāv no ATM komutatoriem un ATM gala sistēmām. ATM komutators atbild par šūnu pārvietošanu caur ATM tīklu. Tas pieņem šūnu no ATM gala sistēmas vai cita ATM komutatora, un pēc tam lasa un modificē šūnas galvenes informāciju un pārslēdz šūnu uz izejas saskarni saņēmēja virzienā. ATM gala sistēmas satur ATM tīkla saskarnes adapterus. Kā ATM gala sistēmu piemērus var minēt darbstacijas, maršrutētājus, ciparpakalpojumu blokus (digital service units - DSU), lokālo tīklu (LAN) komutatorus un video kodekus (CODEC). ATM uztur divus saskarņu pamattipus: UNI (User-to-Network Interface), kas savieno ATM gala sistēmas ar ATM komutatoriem, un NNI (Network-Node Interface), kas savieno divus ATM komutatorus. Šīs saskarnes parasti tiek dalītas publiskajās un privātajās UNI un NNI saskarnēs, atkarībā no tā, kam pieder komutatori.

ATM pakalpojumi

Eksistē trīs veidu ATM pakalpojumu tipi:

pastāvīgas virtuālās ķēdes (PVC),
komutējamās virtuālās ķēdes (SVC) un
bezsavienojuma serviss.

Pastāvīgas virtuālās ķēdes (PVC)

PVC nodrošina tiešu savienojumu starp gala sistēmām. Tādējādi, PVC ir līdzīga nomātajai līnijai. Pie PVC priekšrocībām var minēt to, ka PVC garantē piekļuvi savienojumam, bet neprasa savienojuma nodibināšanas procedūru. Savukārt pie PVC trūkumiem jāmin tas, ka savienojums ir statisks.

Komutējamās virtuālās ķēdes (SVC)

SVC nodibina un pārtrauc dinamiski, to izmanto tikai kamēr datus pārraida (šajā ziņā tā ir līdzīga telefona izsaukumam). Dinamiskā izsaukumu vadība prasa signalizācijas protokolu starp ATM gala sistēmu un ATM komutatoru. Pie SVC priekšrocībām var minēt savienojuma elastību, bet pie trūkumiem jāmin papildlaiks, kas nepieciešams, lai izveidotu savienojumu.

ATM savienojumu tipi

ATM tīkli būtībā orientēti uz savienojumu, t.i. virtuālajam kanālam (virtual channel –VC) jābūt izveidotam caur ATM tīklu pirms datu pārraides uzsākšanas. Eksistē divu veidu ATM savienojumu tipi:

virtuālie ceļi (virtual path), kurus identificē ar virtuālo ceļu identifikatoriem (VPI),
virtuālie kanāli (virtual channels), kurus identificē ar VPI un virtuālā kanāla identifikatora (VCI) kombināciju.

Virtuālais ceļš un pārraides ceļš

Virtuālais ceļš ir virtuālo kanālu kopa, kura tiek komutēta caur ATM tīklu, izmantojot kopējo VPI. Tomēr, visiem VCI un VPI ir tikai lokālā nozīme katrā konkrētā sakaru posmā, un tie, nepieciešamības gadījumā, var tikt mainīti katrā komutatorā.
Pārraides ceļš (transmission path) ir virtuālo ceļu kopa. Virtuālie kanāli tiek apvienoti, lai radītu virtuālos ceļus, kuri, savukārt, tiek apvienoti, lai radītu pārraides ceļu.

ATM komutators

ATM komutatorā šūna tiek saņemta pa kanālu ar konkrēto VCI un VPI vērtību. Komutators meklē savienojuma vērtību savā lokālajā maršrutēšanas tabulā, lai noteiktu savienojuma izvadportu un jaunu savienojuma VPI/VCI vērtību nākamajā pārraides segmentā. Pēc tam komutators pārsūta šūnu tajā pārraides segmentā ar atbilstošo savienojuma identifikatoru.

ATM datplūsma

ATM tehnoloģijā, ir izdalītas četras galvenās satiksmes klases, kurām ir izstrādāti dažādi mehānismi, lai rezervētu un uzturētu nepieciešamo pakalpojumu kvalitāti. Pārsūtot balss datplūsmu, pakalpojumu kvalitātes rādītāji būs piemēram, šūnu kavēšanās un to kavēšanās variācijas, bet vienas šūnas pazaudēšana nav būtiska. Sinhronitātes prasības ir ļoti svarīgas daudziem pakalpojumiem - ne tikai balsij, bet arī video. Vēl viens svarīgs datplūsmas parametrs, kas būtiski ietekmē datplūsmas pārraidi tīklā ir datplūsmas pulsācijas lielums. Noteikti divi dažādi datplūsmas veidi:

datplūsma ar nemainīgu bitu pārraides ātrumu (Constant Bit Rate, CBR) un
datplūsma ar mainīgu bitu pārraides ātrumu (Variable Bit Rate, VBR).

ATM datplūsmas kvantitatīvie parametri

Kā kvantitatīvos parametrus var minēt:

Peak Cell Rate (PCR) - maksimālais datu pārraides ātrums;
Sustained Cell Rate (SCR) - vidējais datu pārraides ātrums;
Minimum Cell Rate (MCR) - minimālais datu pārraides ātrums;
Maximum Burst Size (MBS) – maksimālais pulsāciju izmērs;
Cell Loss Ratio (CLR) - pazaudēto šūnu daļa;
Cell Transfer Delay (CTD) - šūnu nodošanas aizture;
Cell Delay Izmaiņas (CDV) – šūnu kavēšanās variācijas.

ATM etalonmodelis

ATM arhitektūrā lieto loģisko modeli, lai aprakstītu funkcijas, kuras tā uztur. ATM funkcionalitāte atbilst OSI modeļa fizikālajam slānim un datu slānim. ATM etalonmodelis sastāv no šādām plātnēm (katra no tām aptver visus slāņus):

Vadības (control) plātne, kas atbildīga par signalizējošo pieprasījumu ģenerēšanu un vadību.
Lietotāja (user) plātne, kas atbildīga par datu pārraides vadību.
Parvaldības (management) plātne, kas ietver divus komponentus:

slāņa pārvaldību, kas pārvalda slāņa specifiskās funkcijas, tādas kā kļūmju atklāšana un protokola problēmas;
plāksnes pārvaldību, kas pārvalda un koordinē ar visu sistēmu saistītas funkcijas.

ATM etalomodelis satur šādus slāņus:

fizikālais slānis,
ATM slānis un
ATM adaptācijas slānis.

ATM fizikālais slānis ir analogs OSI etalonmodeļa fizikālajam slānim un vada vides atkarīgo datu pārraidi. ATM slānis kopā ar ATM adaptācijas slāni ir apmēram analogs OSI etalonmodeļa datu posma slānim. ATM slānis atbild par savienojumu nodibināšanu un šūnu pārsūtīšanu caur ATM tīklu, izmantojot informāciju katras ATM šūnas galvenē. ATM adaptācijas slānis (ATM adaptation layer – AAL) atbild par augstāko slāņu protokolu izolāciju no ATM procesu detaļām. Augstākie slāņi, kas atrodas virs AAL, pieņem lietotāja datus, organizē tos paketēs un nodod tās AAL.

IBM Turboways ATM 155 PCI tīkla saskarnes karte

ATM fizikālais slānis

Fizikālais slānis pilda šādas funkcijas:

Bitu pārveidošana šūnās,
Bitu pārraides un pieņemšanas vadīšana,
ATM šūnu robežu novērošana un šūnu iepakošana fizikālajai videi atbilstošo tipu kadros.

ATM fizikālais slānis ir dalīts divās daļās: fizikālās vides atkarīgais (physical medium-dependent – PMD) apakšslānis un pārraides konverģences (transmission-convergence - TC) apakšslānis. ATM standarts nenosaka savas specifikācijas fiziskā slāņa īstenošanai. Tiek pieņemta SDH/Sonet tehnoloģijas ātruma hierarhija. Sākotnējais lietotāja tīkla piekļuves ātrums ir OC-3 ātrums (155 Mbit/s), kā arī OC-12 ātrums (622 Mbit/s). Var tikt atbalstītas šādas saskarnes: T1/E1 un T3/E3, lokālo tīklu saskarnes.

PMD un TC apakšslāņu funkcijas

PMD apakšslānis pilda šādas funkcijas:

sinhronizē pārraidi un uztveri, sūtot un pieņemot nepārtrauktu bitu plūsmu kopā ar sinhronizācijas informāciju.
nosaka izmantojamo fizikālo vidi, ieskaitot savienojumu tipus un kabeļus.

Kā fizikālās vides ATM šūnu pārsūtīšanai izmantojamo standartu piemērus var minēt: DS-3/E3, 155 Mbps over multimode fiber (MMF) un 155 Mbps over shielded twisted-pair (STP), Synchronous Optical Network/Synchronous Digital Hierarchy (SONET/SDH).

Savukārt, TC apakšslānim ir četras funkcijas:

uztur šūnu robežas, ļaujot iekārtām atpazīt šūnas bitu plūsmā;
ģenerē un pārbauda iesākuma kļūdu kontroles kodu, lai garantētu datu drošumu;
iekļauj vai saspiež tukšas šūnas, lai adaptētu ATM šūnu pārraides ātrumu pārraidošās sistēmas iespējām;
iepako ATM šūnas freimos, kuri ir pieņemami konkrētai fizikālā slāņa realizācijai.

ATM adaptācijas slānis (AAL) pārveido augstāko slāņu procesu servisa datu blokus (SDU) ATM šūnās. Proti, AAL saņem paketes no augstāko slāņu protokoliem (tādiem kā AppleTalk, IP, NetWare) un sadala tās 48 baitu segmentos, kuri formē lietotāja informācijas (payload) laukus ATM šūnās. Pašlaik ir vairāki AAL varianti: AAL1, AAL3/4, AAL4, AAL5, kuri apraksta AAL slāni dažādiem trafika tipiem, savienojuma un bezsavienojuma režīmiem, pastāvīgam un mainīgam datu pārraides ātrumam.

ATM trūkumi

Ir vairāki ATM trūkumi, kas jāņem vērā pirms šīs tehnoloģijas ieviešanas:

Izmaksas – ATM iekārtu izmaksas ievērojami pārsniedz Gigabit Ethernet un citu ātrdarbīgu protokolu izmaksas.
Nepieciešami speciālisti, kam ir speciālas zināšanas par ATM infrastruktūru.
ATM kā ķēžu komutācijas protokola (kam nav apraides iespēju) lietošana maģistrālos tīklos vienlaikus ar Ethernet tipa protokoliem rada problēmas adrešu apzināšanā.