Асинхронный режим передачи ( ATM ) — это стандарт телекоммуникаций, определенный Американским национальным институтом стандартов и Сектором стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ITU-T, ранее CCITT) для цифровой передачи нескольких типов трафика. ATM был разработан для удовлетворения потребностей широкополосной цифровой сети с интеграцией услуг , определенных 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 реальном времени с низкой задержкой , такой как телефония (голос) и видео. [2] [3] ATM предоставляет функциональность, которая использует особенности сетей коммутации каналов и коммутации пакетов , используя асинхронное мультиплексирование с временным разделением . [4] [5] ATM рассматривался в 1990-х годах как конкурент Ethernet и сетям, передающим IP-трафик, поскольку, в отличие от Ethernet, он был быстрее и разрабатывался с учетом качества обслуживания, но он вышел из моды, когда Ethernet достиг скорости 1 гигабит в секунду. [6]
В эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI) на уровне канала передачи данных (уровень 2) основные единицы передачи называются кадрами . В ATM эти кадры имеют фиксированную длину (53 октета ), называются ячейками . Это отличается от таких подходов, как протокол Интернета (IP) (уровень 3 OSI) или Ethernet (также уровень 2), которые используют пакеты или кадры переменного размера. ATM использует модель, ориентированную на соединение , в которой виртуальный канал должен быть установлен между двумя конечными точками до начала обмена данными. [5] Эти виртуальные каналы могут быть как постоянными (выделенные соединения, которые обычно предварительно настраиваются поставщиком услуг), так и коммутируемыми (настраиваются на основе каждого вызова с использованием сигнализации и отключаются при завершении вызова).
Сетевая эталонная модель ATM приблизительно соответствует трем низшим уровням модели OSI: физическому уровню , уровню канала передачи данных и сетевому уровню . [7] ATM — это основной протокол, используемый в синхронной оптической сети и синхронной цифровой иерархии (SONET/SDH) магистрали телефонной сети общего пользования и в цифровой сети с интеграцией услуг (ISDN), но в значительной степени был заменен в пользу сетей следующего поколения, основанных на технологии IP. Беспроводной и мобильный ATM так и не занял значительного положения.
Чтобы минимизировать задержку в очереди и вариацию задержки пакетов (PDV), все ячейки ATM имеют одинаковый малый размер. Уменьшение PDV особенно важно при передаче голосового трафика, поскольку преобразование оцифрованного голоса в аналоговый аудиосигнал по своей сути является процессом реального времени . Декодеру необходим равномерно распределенный поток элементов данных.
На момент разработки ATM синхронная цифровая иерархия со скоростью 155 Мбит/с и полезной нагрузкой 135 Мбит/с считалась быстрым оптическим сетевым каналом, а многие плезиохронные цифровые иерархические каналы 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 типичный полноразмерный кадр Ethernet размером 1500 байт будет передаваться 77,42 мкс . На линии T1 с более низкой скоростью 1,544 Мбит/с тот же пакет будет передаваться до 7,8 миллисекунд. Задержка в очереди, вызванная несколькими такими пакетами данных, может превышать показатель 7,8 мс в несколько раз. Это считалось неприемлемым для речевого трафика.
Проект ATM был нацелен на сетевой интерфейс с низким джиттером. Ячейки были введены для обеспечения коротких задержек в очереди, продолжая при этом поддерживать трафик датаграмм . ATM разбил все пакеты данных и голосовые потоки на 48-байтовые части, добавив 5-байтовый заголовок маршрутизации к каждой из них, чтобы их можно было собрать заново позже. Будучи 1/30 размера, уменьшил джиттер конфликта ячеек в те же 30 раз.
Выбор 48 байт был скорее политическим, чем техническим. [8] [9] Когда CCITT (теперь ITU-T) стандартизировал ATM, стороны из США хотели 64-байтовую полезную нагрузку, поскольку это считалось хорошим компромиссом между большими полезными нагрузками, оптимизированными для передачи данных, и более короткими полезными нагрузками, оптимизированными для приложений реального времени, таких как голос. Стороны из Европы хотели 32-байтовую полезную нагрузку, поскольку небольшой размер (4 мс голосовых данных) позволял избежать необходимости эхоподавления при внутренних голосовых вызовах. В США из-за своего большего размера уже были широко распространены эхоподавители. Большинство европейских сторон в конечном итоге согласились с аргументами, выдвинутыми американцами, но Франция и несколько других стран настаивали на более короткой длине ячейки.
В качестве компромисса было выбрано 48 байт, несмотря на все недостатки обоих предложений и дополнительное неудобство, заключающееся в том, что размер не является степенью двойки . [10] 5-байтовые заголовки были выбраны, поскольку считалось, что 10% полезной нагрузки — это максимальная цена, которую приходится платить за информацию о маршрутизации. [1]
Ячейка ATM состоит из 5-байтового заголовка и 48-байтовой полезной нагрузки. ATM определяет два различных формата ячеек: интерфейс пользователь-сеть (UNI) и интерфейс сеть-сеть (NNI). Большинство соединений ATM используют формат ячеек UNI.
ATM использует поле PT для обозначения различных специальных видов ячеек для целей эксплуатации, администрирования и управления (OAM), а также для обозначения границ пакетов в 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 MSB равен 1, это ячейка управления, а два других бита указывают тип: сегмент управления сетью, сквозное управление сетью, управление ресурсами и зарезервировано для будущего использования.
Несколько протоколов связи ATM используют поле HEC для управления алгоритмом кадрирования на основе CRC , что позволяет находить ячейки ATM без дополнительных затрат сверх того, что необходимо для защиты заголовка. 8-битный CRC используется для исправления однобитовых ошибок заголовка и обнаружения многобитовых 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 локального управления потоком и системы субмультиплексирования между пользователями. Это было сделано для того, чтобы позволить нескольким терминалам совместно использовать одно сетевое соединение таким же образом, как два телефона ISDN могут совместно использовать одно базовое соединение ISDN. Все четыре бита GFC должны быть равны нулю по умолчанию.
Формат ячеек 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 соединение NNI ATM способно адресовать почти 2 12 VP до почти 2 16 VC каждое. [a]
ATM поддерживает различные типы услуг через AAL. Стандартизированные AAL включают AAL1, AAL2 и AAL5, а также редко используемые [12] AAL3 и AAL4. AAL1 используется для услуг с постоянной скоростью передачи данных (CBR) и эмуляции каналов. Синхронизация также поддерживается в AAL1. AAL2–AAL4 используются для услуг с переменной скоростью передачи данных (VBR), а AAL5 — для данных. Какой AAL используется для данной ячейки, не кодируется в ячейке. Вместо этого он согласовывается или настраивается на конечных точках на основе каждого виртуального соединения.
После первоначального проектирования ATM сети стали намного быстрее. Полноразмерный кадр Ethernet размером 1500 байт (12000 бит) передается всего за 1,2 мкс по сети 10 Гбит/с, что снижает мотивацию для малых ячеек уменьшать джиттер из-за конкуренции. Увеличенные скорости соединения сами по себе не устраняют джиттер из-за очередей.
ATM обеспечивает полезную возможность переноса нескольких логических цепей на одной физической или виртуальной среде, хотя существуют и другие технологии, такие как Multi-link PPP , Ethernet VLAN , VxLAN, MPLS и поддержка нескольких протоколов через SONET .
Сеть ATM 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 взаимодействующими сторонами. Создание SVC управляется сигнализацией , в которой запрашивающая сторона указывает адрес принимающей стороны, тип запрашиваемой услуги и любые параметры трафика, которые могут быть применимы к выбранной услуге. Затем сеть выполняет прием вызова, чтобы подтвердить, что запрашиваемые ресурсы доступны и что маршрут для соединения существует.
ATM работает как транспортный уровень на основе каналов, используя VC. Это охватывается концепцией виртуальных путей (VP) и виртуальных каналов. Каждая ячейка ATM имеет 8- или 12-битный идентификатор виртуального пути (VPI) и 16-битный идентификатор виртуального канала (VCI), определенные в ее заголовке. [13] VCI вместе с VPI используется для идентификации следующего пункта назначения ячейки, когда она проходит через ряд коммутаторов ATM на пути к месту назначения. Длина VPI варьируется в зависимости от того, отправляется ли ячейка на интерфейсе пользователь-сеть (на границе сети) или на интерфейсе сеть-сеть (внутри сети).
Когда эти ячейки проходят через сеть ATM, переключение происходит путем изменения значений VPI/VCI (обмен метками). Хотя значения VPI/VCI не обязательно согласованы от одного конца соединения к другому, концепция цепи согласована (в отличие от IP, где любой заданный пакет может попасть в пункт назначения другим маршрутом, чем другие). [14] Коммутаторы ATM используют поля VPI/VCI для идентификации виртуального канала связи (VCL) следующей сети, которую ячейка должна пройти по пути к своему конечному пункту назначения. Функция VCI аналогична функции идентификатора соединения канала передачи данных (DLCI) в Frame Relay и логического номера канала и номера группы логических каналов в X.25 .
Еще одно преимущество использования виртуальных каналов заключается в возможности использовать их в качестве уровня мультиплексирования, что позволяет использовать различные сервисы (такие как голос, Frame Relay, IP). VPI полезен для сокращения таблицы коммутации некоторых виртуальных каналов, имеющих общие пути. [15]
ATM может строить виртуальные цепи и виртуальные пути статически или динамически. Статические цепи (постоянные виртуальные цепи или PVC) или пути (постоянные виртуальные пути или PVP) требуют, чтобы цепь состояла из серии 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 сервиса в случае сбоя. Динамически построенные PVP (soft PVP или SPVP) и PVC (soft PVC или SPVC), напротив, строятся путем указания характеристик схемы (сервисного контракта ) и двух конечных точек.
Сети ATM создают и удаляют коммутируемые виртуальные каналы (SVC) по требованию конечной станции . Одним из применений SVC является передача отдельных телефонных вызовов, когда сеть телефонных коммутаторов соединена с помощью ATM. SVC также использовались в попытках заменить локальные сети на ATM.
Большинство сетей ATM, поддерживающих SPVP, SPVC и SVC, используют протокол Private Network-to-Network Interface (PNNI) для обмена топологической информацией между коммутаторами и выбора маршрута через сеть. PNNI — это протокол маршрутизации на основе состояния канала , такой как OSPF и IS-IS . PNNI также включает в себя очень мощный механизм суммирования маршрутов , позволяющий строить очень большие сети, а также алгоритм управления приемом вызовов (CAC), который определяет доступность достаточной полосы пропускания на предлагаемом маршруте через сеть для удовлетворения требований к обслуживанию VC или VP.
Другая ключевая концепция ATM включает в себя контракт трафика . Когда устанавливается цепь ATM, каждый коммутатор на цепи информируется о классе трафика соединения. Контракты трафика ATM являются частью механизма, с помощью которого обеспечивается качество 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 пульсирующего трафика. Не в реальном времени иногда сокращается до vbr-nrt. Большинство классов трафика также вводят концепцию толерантности к вариации задержки ячеек (CDVT), которая определяет слипание ячеек во времени.
Для поддержания производительности сети сети могут применять политику трафика к виртуальным каналам, чтобы ограничить их контрактами трафика в точках входа в сеть, то есть интерфейсами пользователь-сеть (UNI) и интерфейсами сеть-сеть (NNI), используя управление параметрами использования/сети (UPC и NPC). [16] Эталонная модель, предоставленная Форумом ITU-T и ATM для UPC и NPC, — это алгоритм общей скорости ячеек (GCRA), [17] [18], который является версией алгоритма дырявого ведра . Трафик CBR обычно будет ограничиваться только PCR и CDVT, тогда как трафик VBR обычно будет ограничиваться с помощью контроллера дырявого ведра с двумя PCR и CDVT, а также SCR и максимального размера пакета (MBS). MBS обычно будет размером пакета ( SAR - SDU ) для VC VBR в ячейках.
Если трафик на виртуальном канале превышает контракт трафика, как определено GCRA, сеть может либо отбросить ячейки, либо установить бит Cell Loss Priority (CLP), позволяющий отбрасывать ячейки в точке перегрузки. Базовый контроль работает на основе ячейки за ячейкой, но это не оптимально для инкапсулированного пакетного трафика, поскольку отбрасывание одной ячейки сделает недействительным значение ячеек пакета. В результате были разработаны такие схемы, как частичное отбрасывание пакетов (PPD) и раннее отбрасывание пакетов (EPD), чтобы отбрасывать ячейки целого 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 пользователь-пользователь ATM (AUU) в поле типа полезной нагрузки заголовка, который устанавливается в последней ячейке SAR-SDU.
Формирование трафика обычно происходит в контроллере сетевого интерфейса (NIC) в пользовательском оборудовании и пытается гарантировать, что поток ячеек на VC будет соответствовать своему контракту трафика, т. е. ячейки не будут отброшены или понижены в приоритете на UNI. Поскольку эталонной моделью, данной для контроля трафика в сети, является GCRA, этот алгоритм обычно используется и для формирования, а реализации с одним и двумя дырявыми ведёрками могут использоваться по мере необходимости.
Сетевая эталонная модель ATM приблизительно соответствует трем самым низким уровням эталонной модели OSI . Она определяет следующие уровни: [19]
.jpg/1280px-ForeRunnerLE_25_ATM_switch_(1).jpg)
ATM стал популярен среди телефонных компаний и многих производителей компьютеров в 1990-х годах. Однако даже к концу десятилетия лучшее соотношение цены и производительности продуктов на основе протокола Интернета конкурировало с технологией ATM за интеграцию трафика в реальном времени и пульсирующего сетевого трафика. [20] Такие компании, как FORE Systems, сосредоточились на продуктах ATM, в то время как другие крупные поставщики, такие как Cisco Systems, предоставляли ATM в качестве опции. [21] После того, как лопнул пузырь доткомов , некоторые все еще предсказывали, что «ATM будет доминировать». [22] Однако в 2005 году ATM Forum , который был торговой организацией, продвигающей технологию, объединился с группами, продвигающими другие технологии, и в конечном итоге стал Broadband Forum . [23]
Беспроводной ATM, [24] или мобильный ATM, состоит из базовой сети ATM с беспроводной сетью доступа. Ячейки ATM передаются от базовых станций к мобильным терминалам. Функции мобильности выполняются на коммутаторе ATM в базовой сети, известном как кроссоверный коммутатор , [25], который похож на мобильный коммутационный центр сетей GSM.
Преимуществом беспроводной ATM является ее высокая пропускная способность и высокоскоростные передачи, выполняемые на уровне 2. В начале 1990-х годов исследовательские лаборатории Bell Labs и NEC активно работали в этой области. [26] Энди Хоппер из компьютерной лаборатории Кембриджского университета также работал в этой области. [27] Был создан форум беспроводной ATM для стандартизации технологии, лежащей в основе беспроводных сетей ATM. Форум поддерживали несколько телекоммуникационных компаний, включая NEC, Fujitsu и AT&T . Мобильная ATM была направлена на обеспечение высокоскоростной технологии мультимедийной связи, способной предоставлять широкополосную мобильную связь за пределами GSM и WLAN.
После долгих дебатов комитеты в конце концов разделились на два лагеря: один выступал за 32-байтовые ячейки, другой — за 64-байтовые ячейки. В духе технического компромисса в конце концов была согласована полезная нагрузка ATM в 48 байт.
1989: CCITT скомпрометировал и установил полезную нагрузку на уровне 48. К сожалению, никто не был счастлив. США не получили мощность 2, 5-байтовый заголовок — это 10% накладных расходов. 48 байт слишком много, и Франции понадобятся эхоподавители.