Асинхронный режим передачи ( ATM ) — это телекоммуникационный стандарт, определенный Американским национальным институтом стандартов и ITU-T (ранее CCITT) для цифровой передачи нескольких типов трафика. ATM был разработан для удовлетворения потребностей широкополосной цифровой сети с интеграцией услуг , определенной в конце 1980-х годов [1] , и предназначен для интеграции телекоммуникационных сетей. Он может обрабатывать как традиционный трафик данных с высокой пропускной способностью , так и контент в режиме реального времени с низкой задержкой , такой как телефония (голос) и видео. [2] [3] ATM обеспечивает функциональность, которая использует функции сетей коммутации каналов и пакетов с использованием асинхронного мультиплексирования с временным разделением . [4] [5]
На канальном уровне эталонной модели OSI (уровень 2) основные единицы передачи называются кадрами . В ATM эти кадры имеют фиксированную длину (53 октета ) и называются ячейками . Это отличается от таких подходов, как Интернет-протокол (IP) (уровень OSI 3) или Ethernet (также уровень 2), в которых используются пакеты или кадры переменного размера. ATM использует модель, ориентированную на соединение , в которой между двумя конечными точками должен быть установлен виртуальный канал , прежде чем начнется обмен данными. [5] Эти виртуальные каналы могут быть либо постоянными (выделенные соединения, которые обычно предварительно настраиваются поставщиком услуг), либо коммутируемыми (настраиваются для каждого вызова с использованием сигнализации и отключаются при завершении вызова).
Эталонная модель сети ATM приблизительно соответствует трем нижним уровням модели OSI: физическому уровню , канальному уровню и сетевому уровню . [6] ATM — это основной протокол, используемый в синхронных оптических сетях и магистралях синхронной цифровой иерархии (SONET/SDH) коммутируемой телефонной сети общего пользования и в цифровой сети с интеграцией служб (ISDN), но в значительной степени был заменен в пользу следующего протокола : Сети генерации на основе IP-технологий. Беспроводные и мобильные банкоматы так и не завоевали значительную популярность.
Чтобы минимизировать задержку в очереди и изменение задержки пакета (PDV), все ячейки ATM имеют одинаковый небольшой размер. Сокращение PDV особенно важно при передаче голосового трафика, поскольку преобразование оцифрованного голоса в аналоговый аудиосигнал по своей сути является процессом, происходящим в реальном времени . Декодеру нужен равномерно распределенный поток элементов данных .
На момент разработки ATM синхронная цифровая иерархия 155 Мбит/ с с полезной нагрузкой 135 Мбит/с считалась быстрым каналом оптической сети, а многие каналы плезиохронной цифровой иерархии в цифровой сети были значительно медленнее - от 1,544 до 45 Мбит. /с в США и от 2 до 34 Мбит/с в Европе.
При скорости 155 Мбит/с передача типичного полноразмерного кадра Ethernet длиной 1500 байт займет 77,42 мкс . На линии T1 с более низкой скоростью 1,544 Мбит/с передача того же пакета займет до 7,8 миллисекунды. Задержка в очереди, вызванная несколькими такими пакетами данных, может в несколько раз превышать цифру 7,8 мс. Это считалось неприемлемым для речевого трафика.
Конструкция ATM нацелена на создание сетевого интерфейса с низким уровнем джиттера. Ячейки были введены для обеспечения коротких задержек в очереди при продолжении поддержки дейтаграммного трафика. ATM разбил все пакеты, данные и голосовые потоки на 48-байтовые фрагменты, добавив к каждому 5-байтовый заголовок маршрутизации, чтобы их можно было собрать позже. Выбор 48 байт был скорее политическим, чем техническим. [7] Когда CCITT (ныне ITU-T) стандартизировал ATM, стороны из США хотели использовать полезную нагрузку размером 64 байта, поскольку это считалось хорошим компромиссом между более крупными полезными нагрузками, оптимизированными для передачи данных, и более короткими полезными нагрузками, оптимизированными для реальных задач. приложения времени, такие как голос. Сторонам из Европы хотелось использовать 32-байтовые полезные данные, поскольку небольшой размер (и, следовательно, короткое время передачи) повышает производительность голосовых приложений. Большинство европейских партий в конечном итоге согласились с аргументами американцев, но Франция и некоторые другие настаивали на более короткой длине ячеек. Используя 32 байта, Франция могла бы реализовать голосовую сеть на базе банкоматов, позволяющую осуществлять звонки из одного конца Франции в другой, не требуя эхоподавления. 48 байтов (плюс 5 байтов заголовка = 53) были выбраны как компромисс между двумя сторонами. Были выбраны 5-байтовые заголовки, поскольку считалось, что 10% полезной нагрузки — это максимальная цена, которую приходится платить за информацию о маршрутизации. [1] ATM мультиплексировал эти 53-байтовые ячейки вместо пакетов, что уменьшало джиттер при конфликте ячеек в наихудшем случае почти в 30 раз, уменьшая необходимость в эхокомпенсаторах.
Ячейка ATM состоит из 5-байтового заголовка и 48-байтовой полезной нагрузки. ATM определяет два разных формата ячеек: интерфейс пользователь-сеть (UNI) и интерфейс сеть-сеть (NNI). Большинство каналов ATM используют формат ячеек UNI.
ATM использует поле PT для обозначения различных специальных типов ячеек для целей эксплуатации, администрирования и управления (OAM), а также для определения границ пакетов на некоторых уровнях адаптации ATM (AAL). Если старший бит (MSB) поля PT равен 0, это ячейка пользовательских данных, а два других бита используются для указания перегрузки сети и в качестве бита заголовка общего назначения, доступного для уровней адаптации ATM. Если старший бит равен 1, это ячейка управления, а два других бита указывают тип: сегмент управления сетью, сквозное управление сетью, управление ресурсами и зарезервировано для будущего использования.
Некоторые протоколы каналов связи ATM используют поле HEC для управления алгоритмом формирования кадров на основе CRC , который позволяет находить ячейки ATM без дополнительных затрат, кроме тех, которые в противном случае необходимы для защиты заголовка. 8-битная CRC используется для исправления однобитовых ошибок заголовка и обнаружения многобитных ошибок заголовка. При обнаружении многобитовых ошибок заголовка текущая и последующие ячейки отбрасываются до тех пор, пока не будет найдена ячейка без ошибок заголовка.
Ячейка UNI резервирует поле GFC для локальной системы управления потоком и субмультиплексирования между пользователями. Это было предназначено для того, чтобы позволить нескольким терминалам совместно использовать одно сетевое соединение так же, как два телефона ISDN могут использовать одно ISDN-соединение базовой скорости. По умолчанию все четыре бита GFC должны быть равны нулю.
Формат ячейки NNI почти точно повторяет формат UNI, за исключением того, что 4-битное поле GFC перераспределяется в поле VPI, расширяя VPI до 12 бит. Таким образом, одно межсоединение NNI ATM способно адресовать почти 212 VP и почти 216 VC каждый. [а]
ATM поддерживает различные типы услуг через AAL. Стандартизированные AAL включают AAL1, AAL2 и AAL5, а также редко используемые [9] AAL3 и AAL4. AAL1 используется для служб с постоянной скоростью передачи данных (CBR) и эмуляции каналов. Синхронизация также поддерживается на уровне AAL1. AAL2–AAL4 используются для служб с переменным битрейтом (VBR), а AAL5 — для данных. Какой AAL используется для данной ячейки, не кодируется в ячейке. Вместо этого оно согласовывается или настраивается на конечных точках для каждого виртуального соединения.
После первоначального проектирования банкоматов сети стали намного быстрее. Полноразмерный кадр Ethernet размером 1500 байт (12 000 бит) передается всего за 1,2 мкс в сети со скоростью 10 Гбит/с, что снижает потребность малых сот в уменьшении джиттера из-за конкуренции. Увеличение скорости соединения само по себе не устраняет дрожание, возникающее из-за очередей.
ATM предоставляет полезную возможность переносить несколько логических цепей на одной физической или виртуальной среде, хотя существуют и другие методы, такие как многоканальный PPP , Ethernet VLAN , VxLAN, MPLS и поддержка нескольких протоколов через SONET .
Сеть банкоматов должна установить соединение, прежде чем две стороны смогут отправлять ячейки друг другу. Это называется виртуальным каналом (VC). Это может быть постоянный виртуальный канал (PVC), который создается административно на конечных точках, или коммутируемый виртуальный канал (SVC), который создается по мере необходимости взаимодействующих сторон. Создание SVC управляется сигнализацией , в которой запрашивающая сторона указывает адрес принимающей стороны, тип запрошенной услуги и любые параметры трафика, которые могут быть применимы к выбранной услуге. Затем сеть выполняет прием вызова , чтобы подтвердить, что запрошенные ресурсы доступны и существует маршрут для соединения.
ATM работает как канальный транспортный уровень с использованием виртуальных каналов. Это включено в концепцию виртуальных путей (VP) и виртуальных каналов. Каждая ячейка ATM имеет пару 8- или 12-битного идентификатора виртуального пути (VPI) и 16-битного идентификатора виртуального канала (VCI), определенную в ее заголовке. [10] VCI вместе с VPI используется для идентификации следующего пункта назначения ячейки, когда она проходит через ряд коммутаторов ATM на своем пути к месту назначения. Длина VPI варьируется в зависимости от того, отправляется ли ячейка через интерфейс пользователь-сеть (на границе сети) или через интерфейс сеть-сеть (внутри сети).
Когда эти ячейки проходят через сеть ATM, переключение происходит путем изменения значений VPI/VCI (замена меток). Хотя значения VPI/VCI не обязательно одинаковы от одного конца соединения к другому, концепция канала единообразна (в отличие от IP, где любой данный пакет может добраться до места назначения по другому маршруту, чем другие). [11] Коммутаторы ATM используют поля VPI/VCI для идентификации канала виртуального канала (VCL) следующей сети, по которому сота должна пройти на пути к конечному пункту назначения. Функция VCI аналогична функции идентификатора соединения канала передачи данных (DLCI) в Frame Relay , а также номеру логического канала и номеру группы логических каналов в X.25 .
Еще одним преимуществом использования виртуальных каналов является возможность использовать их в качестве уровня мультиплексирования, обеспечивая предоставление различных услуг (таких как голосовая связь, Frame Relay, IP). VPI полезен для сокращения таблицы коммутации некоторых виртуальных каналов, имеющих общие пути. [12]
ATM может создавать виртуальные каналы и виртуальные пути статически или динамически. Статические цепи (постоянные виртуальные цепи или PVC) или пути (постоянные виртуальные пути или PVP) требуют, чтобы схема состояла из ряда сегментов, по одному для каждой пары интерфейсов, через которые она проходит.
PVP и PVC, хотя концептуально просты, требуют значительных усилий в больших сетях. Они также не поддерживают перенаправление службы в случае сбоя. Динамически создаваемые PVP (мягкие PVP или SPVP) и PVC (мягкие PVC или SPVC), напротив, создаются путем указания характеристик цепи ( контракта на обслуживание ) и двух конечных точек.
Сети ATM создают и удаляют коммутируемые виртуальные каналы (SVC) по запросу конечной станции . Одним из применений SVC является передача отдельных телефонных звонков, когда сеть телефонных коммутаторов соединена между собой с помощью ATM. SVC также использовались при попытках заменить локальные сети банкоматами.
Большинство сетей ATM, поддерживающих SPVP, SPVC и SVC, используют протокол интерфейса частной сети (PNNI) для обмена информацией о топологии между коммутаторами и выбора маршрута через сеть. PNNI — это протокол маршрутизации по состоянию канала, такой как OSPF и IS-IS . PNNI также включает в себя очень мощный механизм суммирования маршрутов , позволяющий создавать очень большие сети, а также алгоритм контроля допуска вызовов (CAC), который определяет наличие достаточной пропускной способности на предлагаемом маршруте через сеть, чтобы удовлетворить требования к обслуживанию венчурный капиталист или вице-президент.
Другая ключевая концепция ОрВД связана с договором трафика . Когда канал ATM настроен, каждый коммутатор в канале информируется о классе трафика соединения. Контракты на трафик ATM являются частью механизма обеспечения качества обслуживания (QoS). Существует четыре основных типа (и несколько вариантов), каждый из которых имеет набор параметров, описывающих соединение.
VBR имеет варианты в реальном времени и не в реальном времени и служит для пакетного трафика. Режим нереального времени иногда сокращается до vbr-nrt. Большинство классов трафика также используют концепцию допуска изменения задержки ячейки (CDVT), которая определяет скопление ячеек во времени.
Для поддержания производительности сети сети могут применять политику регулирования трафика к виртуальным каналам, чтобы ограничить их контрактами трафика в точках входа в сеть, то есть интерфейсы пользователь-сеть (UNI) и интерфейсы сеть-сеть (NNI), используя использование/ контроль сетевых параметров (UPC и NPC). [13] Эталонная модель, предоставленная Форумом ITU-T и ATM для UPC и NPC, представляет собой общий алгоритм скорости ячейки (GCRA), [14] [15] , который представляет собой версию алгоритма дырявого ведра . Трафик CBR обычно ограничивается только PCR и CDVT, тогда как трафик VBR обычно контролируется с использованием двойного контроллера с дырявым сегментом для PCR и CDVT, а также SCR и максимального размера пакета (MBS). MBS обычно будет размером пакета ( SAR - SDU ) для VBR VC в ячейках.
Если трафик в виртуальном канале превышает контракт трафика, как определено GCRA, сеть может либо отбросить ячейки, либо установить бит приоритета потери ячеек (CLP), позволяющий отбрасывать ячейки в точке перегрузки. Базовое применение политик работает по отдельности, но это неоптимально для инкапсулированного пакетного трафика, поскольку отбрасывание одной ячейки приведет к аннулированию ценности ячеек пакета. В результате были разработаны такие схемы, как частичное отбрасывание пакетов (PPD) и раннее отбрасывание пакетов (EPD), чтобы отбрасывать ячейки всего пакета. Это уменьшает количество бесполезных ячеек в сети, экономя полосу пропускания для полных пакетов. EPD и PPD работают с соединениями AAL5, поскольку они используют маркер конца пакета: бит индикации между пользователем ATM (AUU) в поле типа полезной нагрузки заголовка, который устанавливается в последней ячейке SAR- СДУ.
Формирование трафика обычно происходит в контроллере сетевого интерфейса (NIC) в пользовательском оборудовании и пытается гарантировать, что поток ячеек на VC будет соответствовать контракту трафика, т. е. ячейки не будут отброшены или приоритеты в UNI не будут снижены. Поскольку эталонной моделью для контроля трафика в сети является GCRA, этот алгоритм обычно используется также и для формирования, и при необходимости могут использоваться реализации с одинарным и двойным дырявым сегментом .
Эталонная модель сети ATM приблизительно соответствует трем нижним уровням эталонной модели OSI . Он определяет следующие слои: [16]
.jpg/1280px-ForeRunnerLE_25_ATM_switch_(1).jpg)
Банкоматы стали популярны среди телефонных компаний и многих производителей компьютеров в 1990-х годах. Однако даже к концу десятилетия лучшее соотношение цены и производительности продуктов на базе Интернет-протокола конкурировало с технологией ATM за интеграцию пакетного сетевого трафика в реальном времени. [17] Такие компании, как FORE Systems, сосредоточились на продуктах банкоматов, в то время как другие крупные поставщики, такие как Cisco Systems, предлагали ATM в качестве опции. [18] После того, как лопнул пузырь доткомов , некоторые все еще предсказывали, что «банкоматы будут доминировать». [19] Однако в 2005 году Форум ATM , который был торговой организацией, продвигающей эту технологию, объединился с группами, продвигающими другие технологии, и в конечном итоге стал Форумом широкополосной связи . [20]
Беспроводной банкомат [21] или мобильный банкомат состоит из базовой сети банкомата и сети беспроводного доступа. Ячейки ATM передаются от базовых станций к мобильным терминалам. Функции мобильности выполняются на коммутаторе ATM в базовой сети, известном как «кроссоверный коммутатор» [22] , который аналогичен MSC (центру коммутации мобильной связи) сетей GSM. Преимущество беспроводного ATM заключается в его высокой пропускной способности и высокой скорости передачи обслуживания на уровне 2. В начале 1990-х годов исследовательские лаборатории Bell Labs и NEC [23] активно работали в этой области. Энди Хоппер из компьютерной лаборатории Кембриджского университета также работал в этой области. [24] Был создан форум беспроводных банкоматов с целью стандартизации технологии беспроводных сетей банкоматов. Форум поддержали несколько телекоммуникационных компаний, в том числе NEC, Fujitsu и AT&T . Целью Mobile ATM является предоставление технологии высокоскоростной мультимедийной связи, способной обеспечить широкополосную мобильную связь, выходящую за рамки GSM и WLAN.