Asynchronous Transfer Mode

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Особенности ATM
Asynchronous Transfer Mode - передача информации в асинхронном режиме, работа над стандартом начата в CCITT в 1988 году, первый стандарт опубликован в 1992 году
Физический и канальный уровни модели OSI/RM
Передача информации различного типа (данные, звук, видео, пр.) маленькими порциями (в ячейках 53 байта, cells) по предустановленному виртуальному каналу
Среда передачи: в основном, оптоволокно
Скорость передачи - зависит от физического уровня, обычно более 155Мбит/с (не определена стандартом)
Возможность подключения к сети АТМ рабочих станций, маршрутизаторов, устройств цифровой передачи (например, E1)
АТМ совмещает в себе черты коммутации каналов (гарантированная пропускная способность) с коммутацией пакетов (гибкое управление трафиком), более эффективное использование полосы пропускания, чем у систем синхронной связи TDMA
Благодаря малому размеру ячейки задержка в передаче данных минимальна

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Структура сети ATM
ATM сеть состоит из коммутаторов АТМ и оконечных устройств, соединенных друг с другом. Назначение коммутатора: прочитать заголовочную часть ячейки, изменить маршрутную информацию, отправить ее на один из своих исходящих портов. различают два вида интерфейсов АТМ: UNI (user to network interface) и NNI (network to network interface).
UNI
UNI
UNI
Сеть АТМ
NNI
NNI

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Кадры (ячейки) ATM
General Flow Control - 4 бита, часто не используются, содержит информацию в случае нескольких на одном АТМ интерфейсе, отсутствуют в NNI.
Virtual Path Identifier - 1 (1.5) байт (4096 путей в пределах одного коммутатора).
Virtual Channel Identifier - (2 байта). Пара значений VPI и VCI используется коммутаторами для перенаправления ячеек.
Payload Type - тип ячейки (3 бита управление/данные, перегрузки, пометка последней ячейки в кадре AAL5.
Cell Loss Priority - 1 бит разрешения уничтожения ячейки.
Head Error Check - контрольная сумма заголовка (1 байт). Тело ячейки не проверяется на корректность передачи.
Кадр UNI
Кадр NNI

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Адресация и режим работы
Соединение между двумя устройствами АТМ может быть по выделенному виртуальному каналу или по коммутируемому ВК. В основном для АТМ характерны соединения типа точка-точка (одно и двунаправленные), но бывают и один-ко-многим (однонаправленное), когда работу по размножению широковещательных ячеек берет на себя коммутатор.
На момент установления соединений устройства АТМ пользуются единой системой адресации NSAP (Network Service Access Point) (стандарт Е.164, 20-байтные адреса). Всего существует 3 типа адресов АТМ, первый байт идентифицирует их тип. Следующие 13 байт адреса идентифицируют коммутатор, оставшиеся - устройства, к нему подключенные.
Для поддержки служб более высокого уровня модели OSI/RM, например, сетевого-транспортного для TCP/IP, в сетях АТМ предусмотрено функционирование протоколов согласования АТМ адресов с глобальными адресами (ARP-, DNS-подобные службы).

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Действия коммутаторов АТМ
На этапе установления соединения все промежуточные АТМ устройства прописывают в свои таблицы коммутации правила перенаправления ячеек на основании конкретных значений VPI/VCI.
А посылает запрос на передачу и B отвечает (однопроходная схема), таким образом образуется виртуальный канал внутри коммутаторов (устанавливается коммутируемый виртуальной канал на время передачи данных). Для узла А выделяется свое значение VCI/VPI, а потом его постоянно изменяют коммутаторы, когда перенаправляют ячейки на какой-то свой порт, основываясь на ранее запомненных параметрах виртуального пути.
А
В
коммутаторы
VPI/VCI=М
VPI/VCI=Е
VPI/VCI=А
VPI/VCI=D

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Стек АТМ
OSI/RM
ПРИКЛАДНОЙ
ПРЕДСТАВИТ.
СЕАНСОВЫЙ
ТРАНСПОРТНЫЙ
СЕТЕВОЙ
КАНАЛЬНЫЙ
ФИЗИЧЕСКИЙ
ATM Adaptation Level
подуровень ATM
физический уровень
АТМ
Протоколы более
высоких уровней

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Физический уровень АТМ
Физический уровень АТМ делится на два подуровня - Transmission Convergence (подуровень подготовки к передаче) и PMD (зависимый от среды передачи).
ТС:
- распознавание границ ячеек (отсутствует преамбула, ячейки всегда длиной 53 байта, если суммы нескольких подряд ячеек совпадают - значит, границы ячейки правильно установлены),
- расчет и проверка контрольной суммы заголовка (HEC),
- генерация дополнительных символов Idle (при необходимости более нижнему уровню),
- упаковка потока бит в формат кадра несущей сети (например, SONET/SDH, DS-3 или 155 Мбит/с с кодирование 8В/10В для экранированной витой пары).
PMD:
- поддерживает синхронизацию относительно сигнала,
- соответствует физическому представлению сигнала (в том числе кодированию) для транспортной сети, используемой в качестве среды передачи.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Канальный уровень АТМ
На канальном уровне АТМ определен формат ячейки, а также он (уровень) ответственен за деление одного физического канала на несколько виртуальных. На канальном уровне происходят процедуры перенаправления ячеек из порта в порт коммутатора.
Вместе с уровнем адаптации ATM они подготавливают данные для упаковки в 48 байтовые ячейки. Уровень AAL маскирует от более высоких уровней особенности взаимодействия поверх АТМ, предоставляя лишь сервис определенного качества.
Существует 4 вида услуг, предоставляемых уровнем адаптации АТМ, которые полностью соответствуют градациям качества обслуживания (Quality of Service, QoS). Понятие QoS вводится для разделения классов предоставляемого сетью сервиса (от полностью асинхронного типа трафика, характерного для ЛВС, до синхронного, воплощенного в сетях SONET/SDH или ISDN).

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
Качество обслуживания QoS
Перед включением станции в сеть необходимо настроить уровень адаптации АТМ в соответствие с выбранным классом обслуживания. Заголовки разных уровней адаптации отличаются друг от друга.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
ATM Adaptation Level
AAL 1
1 байт заголовков (порядковые номера последовательно отправленных ячеек) + 47 байт данных.
AAL 1 разработан для поддержки постоянной скорости передачи битов (приложения реал-тайм).
AAL 2
Назначение: обеспечить передачу данных с переменной скоростью в реальном времени (пустые ячейки не отсылаются, используется самосинхронизация). Полезная нагрузка - 45 байтов, 3 байта - CRC + длина поля данных + порядковые номера.
AAL 3/4
Передача информации с переменной скоростью как в ориентированной на соединение, так и не в ориентированной на соединение модели обмена данными.
Данные - 44 байта (из 53). Кроме полей AAL 2 есть еще тип информации и идентификатор мультиплексирования (для идентификации протоколов вышележащих уровней). Очень много накладных расходов.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
AAL 5
AAL 5
Обеспечивает максимальную эффективность передачи по сети АТМ потоков данных. Основное назначение: передача при помощи АТМ данных разных протоколов.
Полезная информация (сегмент данных высокого уровня делится на ячейки по 48 байт) передается в каждой ячейке, кроме последней. В предпоследней в потоке передаются заголовки высоких уровней, а в последней - служебная информация.
Заголовки последней ячейки:
CRC-32, длина сегмента (0-65535), пометки основной части (для последней ячейки), поле заполнения потока до кратного 48 байтам.
Кроме конфигурирования уровня адаптации, в АТМ есть понятия "политика трафика" и "управление трафиком". Эти параметры обговариваются на этапе подключения станции к сети. "Политика трафика" устанавливает пиковую, среднюю пропускную способность, возможность кратковременного увеличения трафика от станции и др. "Управление трафиком" реализовано на основании аппаратно-программных очередей в сетевых ресурсах.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
LAN Emulation
LANE - эмуляция локальной вычислительной сети.
АТМ используется только для связи между ЛВС, она выступает в качестве транзитной сети, инкапсулируя кадры ЛВС (например, Ethernet) в потоки ячеек АТМ.
Работу по преобразованию трафика ЛВС в трафик АТМ выполняют пограничные АТМ-LAN конверторы (коммутаторы). У них есть собственный АТМ адрес и информация о всех MAC адресах в ЛВС, кроме этого есть таблица соответствия MAC адресов объединенной сети адресам ATM-LAN коммутаторов, чтоб знать, какому коммутатору посылать пакет для эмуляции ЛВС). Особенность инкапсуляции: кадр не переупаковывается полностью, а разбивается по 48 байт.
UNI
Сеть АТМ
NNI

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
LAN Emulation
Организация соединений между устройствами ЛВС - не есть полная эмуляция. необходимо уметь распространять широковещательный трафик и выполнять еще некоторые специфические операции для ЛВС, например, Ethernet.
В АТМ (!) нет широковещательных сообщений, сл. нужно каким-то образом поддерживать транзитные адресные таблицы коммутаторов. Это делается либо вручную на каждом коммутаторе, либо ставят спец. сервер LES (LAN Emulation Server) внутри АТМ сети, который накапливает базу соответствия MAC адресов адресам коммутаторов после момента включения (каждый коммутатор обязан доложиться, поскольку при включении он знает только один АТМ адрес - адрес своего сервера).
ARP запросы (для стека IP протоколов, разрешение MAC адреса по сетевому адресу) поступают на такой сервер. Если сервер у себя не находит ответа - посылает всем пограничным коммутаторам.
Поддержка широковещательных сообщений ЛВС путем рассылки следующим образом. Ставят еще один сервер Broadcast and Unknown Server, BUS. Адрес этого АТМ сервера сообщается станциям сервером LES и если станции надо послать широковещательный пакет или пакет с неизвестным адресом, то посылают к нему.

Petrozavodsk State University, Alex Moschevikin, 2004
NETS and OSs
LAN Emulation
Посредством таких серверов LES и BUS (по одному для каждой сети) есть возможность сделать на основе одной АТМ сети несколько совершенно независимых ЛВС.
Ставят еще один сервер LAN Emulation Configuration Server, LECS. Этот сервер хранит список имен эмулируемых сетей, а также значения их основных параметров - АТМ-адреса серверов LES и BUS каждой сети, тип сети (например, Ethernet или Token Ring), максимальный размер кадра, поддерживаемого этой сетью и т.п.
Проблемы LANE:
слишком большой трафик на выделенные сервера, необходимость зеркалирования и дублирования, сравнительно большие накладные расходы (более 5 байт из 53).