Sieci ATM
Janusz Kleban
Instytut Elektroniki i Telekomunikacji
Politechnika Poznańska
Plan wykładu
Ewolucja sieci telekomunikacyjnych
Wymagania komunikacyjne aplikacji
multimedialnych
Standardy ATM
Klasyfikacja usług szerokopasmowych
Architektura sieci ATM
Technika ATM
Model odniesienia protokołów BISDN
Warstwa adaptacji ATM
Klasyfikacja ruchu ATM
Mechanizmy zapewnienia QoS w ATM
Sieci ATM Janusz Kleban 2
Sieć telekomunikacyjna przekształcała się z sieci analogowej
przez zintegrowaną sieć cyfrową IDN (Integrated Digital
Network) aż do sieci cyfrowej z integracją usług ISDN
(Integrated Services Digital Network). Okazało się
jednak, że ta sieć nie jest w stanie sprostać zapotrzebowaniu
na szybkość transmisji.
Końcowym etapem ewolucji sieci szerokopasmowych z
integracją usług ma być sieć BISDN (Broadband
Integrated Services Digital Network) oparta na technice
ATM (Asynchronous Transfer Mode). Podstawowym
teletransmisyjnym systemem transportowym dla sieci BISDN
jest SDH (Synchronous Digital Hierarchy).
Sieci ATM Janusz Kleban 3
Sieci szerokopasmowe są projektowane pod kątem
możliwości świadczenia usług multimedialnych.
Telekomunikacyjne usługi multimedialne to taka
kategoria łączności, która umożliwia zdalne przekazywanie
wiadomości między odbiorcami za pomocą co najmniej dwóch
środków przekazu, takich jak mowa, ruchomy obraz, tekst,
grafika itp.
Usługi tego typu są powszechnie kojarzone z takimi pojęciami
jak: biblioteka wideo, programy edukacyjne, telezakupy,
usługi bankowe, wideotelefonia, wideokonferencja, poczta
elektroniczna, gry komputerowe, wideo na żądanie, serwis
informacyjny i reklamowy itd.
Sieci ATM Janusz Kleban 4
Rodzaje usług dla użytkowników domowych
Usługi rozrywkowe:
" rozsiewcza CATV (broadcast/cableTV) oraz radio;
" oglądanie dokumentów np. stron WWW, za darmo lub za
opłatą;
" wideo na żądanie (video on demand);
" gry na żądanie (games on demand);
" telewizja na żądanie (TV on demand);
" osobiste wideo (personal video);
" dostęp do teledysków (music video jukebox).
Sieci ATM Janusz Kleban 5
Edukacja:
" nauczanie na odległość (distance learning);
" wideo edukacyjne (educational video);
" gry edukacyjne (educational games);
" biblioteka interakcyjna (interactive library);
" biblioteka multimedialna (multimedia library).
Sieci ATM Janusz Kleban 6
Zakupy i transakcje:
" zakupy (grocery shopping);
" dostarczanie zamawianych posiłków (food delivery);
" zdalne załatwianie spraw bankowych (bank at home);
" płacenie rachunków (bill payment);
" usługi maklerskie (brokerage services);
" oferty turystyczne i sprzedaż biletów (travel sales);
" loteria i zakłady hazardowe (lottery/betting).
Sieci ATM Janusz Kleban 7
Praca w domu:
" interakcyjne kursy (interactive training);
" wideokonferencja (video conferencing);
" zdalny dostęp do sieci LAN (remote LAN access);
" telepraca (telecommuting) i dostęp do sieci
korporacyjnych.
Sieci ATM Janusz Kleban 8
Przeglądanie prasy i dostęp do informacji:
" książka telefoniczna (yellow pages);
" wiadomości interakcyjne (interactive news);
" wiadomości sportowe (sport news);
" informacje finansowe (financial information);
" prognoza pogody (weather);
" informacje turystyczne (travel information);
" wiadomości lokalne (community news);
" reklamy (advertising).
Sieci ATM Janusz Kleban 9
Cechy aplikacji multimedialnych:
" typ przenoszonej informacji: zależna od czasu (wideo,
audio, animacje);
" wymagania dystrybucyjne: aplikacja czasu rzeczywistego
(wideotelefon, wideokonferencja, gry sieciowe itd.);
" asymetria połączeń; wymagana jest większa przepływność
kanałów od sieci do abonenta, niż od abonenta do sieci;
" typ połączeń: punkt-punkt, punkt-grupa (multicast),
grupa-grupa;
Sieci ATM Janusz Kleban 10
" generowanie zmiennych w czasie strumieni bitów, ruch
przenoszony w sieci jest ruchem zbitkowym (zgęstkowym);
" zazwyczaj wysokie wymagania co do szerokości pasma
transmisyjnego;
" duża wrażliwość na opóz
nienie przesyłanego sygnału;
" wrażliwość na błędy transmisyjne, wymagana jest mała
stopa błędów.
Sieci ATM Janusz Kleban 11
Techniki stosowane w sieciach LAN, MAN, WAN a
transmisja multimedialna
Wady sieci komputerowych utrudniające świadczenie usług
multimedialnych:
" zmienne opóz
nienie w dostarczaniu pakietów do
odbiorców wynikające między innymi z potrzeby
obsłużenia pakietów przez urządzenia sieciowe
analizujące nagłówek (router, przełącznik) i opóz
nienia
transmisyjnego;
" rywalizacyjne metody dostępu do medium
transmisyjnego w LAN;
Sieci ATM Janusz Kleban 12
Techniki stosowane w sieciach LAN, MAN, WAN a
transmisja multimedialna
" realizowany przez oprogramowanie wybór drogi dla
pakietu spowalniający ich przesyłanie;
" zmienna wielkość ramek i pakietów wpływająca ujemnie
na jakość transmisji multimedialnej;
" dyskryminacja jednych pakietów w stosunku do innych w
celu zapewnienia żądanej jakości obsługi; komplikuje to
sterowanie siecią;
Sieci ATM Janusz Kleban 13
Techniki stosowane w sieciach LAN, MAN, WAN a
transmisja multimedialna
" brak możliwości zapewnienia odpowiednio dużej
szybkości transmisji; zastępczo stosuje się metody
zmniejszania szybkości transmisji przez wprowadzenie
kompresji przesyłanych danych;
" zwiększenie dostępnego pasma może odbywać się
jedynie na drodze zmiany techniki na Fast Ethernet,
Gigabit Ethernet, FDDI, ATM itd.
Sieci ATM Janusz Kleban 14
Techniki stosowane w sieciach LAN, MAN, WAN a
transmisja multimedialna
Tradycyjne sieci LAN, MAN i WAN oraz protokoły
komunikacyjne zostały zaprojektowane w taki sposób, aby
zapewnić integralność przesyłanej wiadomości; nie
gwarantują one odpowiednio małego czasu dostarczenia
pakietu do odbiorcy.
Sieci ATM Janusz Kleban 15
Sieci BISDN
Decydujące decyzje dotyczące filozofii BISDN podejmowano
w latach 1988-1992. Początkowe standardy pojawiły się w
Niebieskiej Księdze CCITT w 1988 r.
W grudniu 1990 r. grupa XVIII zatwierdziła 13 zaleceń
tworząc tym samym zarys rodziny zaleceń opisujących różne
aspekty BISDN. Są to następujące zalecenia:
I.113 - terminologia sieci szerokopasmowych;
I.121 - szerokopasmowe aspekty ISDN;
I.150 - charakterystyka funkcjonalna ATM;
I.211 - aspekty usług BISDN;
Sieci ATM Janusz Kleban 16
I.311 - ogólne aspekty sieci BISDN;
I.321 - model odniesienia protokołów ISDN i jego
zastosowanie;
I.327 - architektura funkcjonalna BISDN;
I.361 - specyfikacja warstwy ATM;
I.362 - opis funkcji warstwy adaptacyjnej ATM;
I.363 - specyfikacja warstwy adaptacyjnej ATM;
I.413 - styk użytkownika z siecią;
I.432 - styk UNI, specyfikacja warstwy fizycznej;
I.610 - podstawowe funkcje eksploatacyjne i utrzymaniowe
dostępu do sieci BISDN oraz warstwy ATM.
Sieci ATM Janusz Kleban 17
Usługi transmisyjne dla abonentów sieci BISDN:
" pełny dupleks z szybkością 155.52 Mbit/s;
" usługa asymetryczna: od abonenta do sieci z szybkością
155.52 Mbit/s i w przeciwnym kierunku z szybkością
622.08 Mbit/s;
" pełny dupleks z szybkością 622.08 Mbit/s.
Sieci ATM Janusz Kleban 18
Ze względu na ogromne znaczenie standardów ATM dla
rozwoju sieci publicznych i prywatnych, firmy komercyjne:
Adaptive, Northern Telekom, Sprint i Cisco Systems
utworzyły w sierpniu 1991 roku organizację o nazwie ATM
Forum, której głównym celem było zapewnienie integralności
rozwiązań proponowanych dla sieci publicznych i prywatnych,
oraz przyspieszenie przemysłowego rozwoju techniki ATM.
Sieci ATM Janusz Kleban 19
Wśród organizacji opracowujących standardy dla sieci ATM
należy jeszcze wymienić ANSI (American National
Standards Institute) w Ameryce oraz ETSI (European
Telecommunications Standards Institute) w Europie.
Obie te instytucje skupiają się na problemach wynikających z
technicznych oraz prawnych uregulowań w każdym regionie.
Sieci ATM Janusz Kleban 20
Kategorie usług szerokopasmowych (zalecenie I.211):
" usługi interakcyjne;
" usługi dystrybucyjne.
Usługi interakcyjne dzielimy na usługi:
" konwersacyjne;
" związane z przesyłaniem wiadomości;
" umożliwiające korzystanie z wiadomości przechowywa-
nych w bazie danych.
Usługi dystrybucyjne dzielimy na usługi:
" świadczone bez indywidualnej kontroli procesu realizacji;
" uwzględniające możliwość ingerencji w przebieg realizacji
danej usługi.
Sieci ATM Janusz Kleban 21
Lokalizacja komutatorów oraz styków w sieci ATM
Sieci ATM Janusz Kleban 22
Ogólna struktura komórki ATM
Sieci ATM Janusz Kleban 24
Struktura nagłówka komórki na styku UNI
Sieci ATM Janusz Kleban 25
Graficzna reprezentacja zależności między
ścieżką wirtualną i kanałem wirtualnym
Sieci ATM Janusz Kleban 26
Zalety wynikające ze stosowania ścieżek wirtualnych:
" Uproszczenie architektury sieci. Funkcje transportowe
sieci mogą być rozdzielone na funkcje odnoszące się do
indywidualnych połączeń logicznych VCC (Virtual Channel
Connection) i na funkcje odnoszące się do grup połączeń
logicznych VPC (Virtual Path Connection).
" Zwiększenie jakości i niezawodności działania sieci.
Sterowanie sieciowe obsługuje mniejszą liczbę
zagregowanych połączeń logicznych.
Sieci ATM Janusz Kleban 27
" Skrócenie czasu zestawiania połączenia. Na skutek
zarezerwowania całej pojemności VP, dla dalszych połączeń,
nowe kanały VC będą zestawiane przez zrealizowanie
prostych funkcji sterujących w końcowych punktach VPC;
nie jest wymagana dodatkowa obsługa połączeń w węzłach
tranzytowych. Zestawienie nowego kanału VC w ramach
istniejącej ścieżki VP wymaga minimalnej ilości czasu.
" Zwiększenie zakresu usług sieciowych. Połączenie
ścieżek wirtualnych (VPC) jest wykorzystywane wewnętrznie
w sieci, ale jest również widziane przez użytkownika
końcowego. Dzięki temu może on, definiując odpowiednie
ścieżki wirtualne, tworzyć sieci wydzielone oraz zamknięte
grupy użytkowników.
Sieci ATM Janusz Kleban 28
Model odniesienia protokołów BISDN
Sieci ATM Janusz Kleban 30
Klasyfikacja usług BISDN
Klasa Zależność Przepł. Tryb Przykłady usług Typ usług
usług czasowa bitowa połącz- AAL
enia
Klasa A Wymagana Stała Zorient. Wideo CBR, emulacja AAL-1
DS1
połącz.
Klasa B Wymagana Zmien. Zorient. Wideo VBR, AAL-2
pakietowe wideo
połącz.
Klasa C Nie Zmien. Zorient. Połączeniowa trans. AAL-
wymagana danych, Frame Relay, 3/4,5
połącz
X.25
Klasa D Nie Zmien. Bez- Bezpołączeniowa AAL-
wymagana połącz. transmisja danych, 3/4,5
SMDS, IP
Sieci ATM Janusz Kleban 31
Przetwarzanie danych w warstwie AAL
Sieci ATM Janusz Kleban 32
Format jednostki SAR-PDU w warstwie AAL-1: SN-Serial Number,
SNP-Sequence Number Protection, CSI-Convergence Sublayer Indication,
SC-Sequence Count, CRC-Cyclic Redundancy Check, P-Parity
Sieci ATM Janusz Kleban 33
Przykład multipleksacji w warstwie AAL-1
Sieci ATM Janusz Kleban 34
Segmentacja jednostki CS-PDU w warstwie AAL-2
Sieci ATM Janusz Kleban 35
Jednostka SAR-PDU w warstwie AAL-2
Sieci ATM Janusz Kleban 36
Realizacja usługi przesyłania wiadomości (AAL3/4): a) jedna jednostka
AAL-SDU tworzy jedną jednostkę SSCS-PDU; b) wiele jednostek
AAL-SDU tworzy jedną jednostkę SSCS-PDU; c) jedna jednostka AAL-SDU
dzielona jest na wiele SSCS-PDU
Sieci ATM Janusz Kleban 37
Realizacja usługi strumieniowej (AAL3/4): a) jedna jednostka AAL-SDU
tworzy jedną SSCS-PDU; b) jedna jednostka AAL-SDU jest dzielona na
wiele SSC-PDU
Sieci ATM Janusz Kleban 38
Formaty jednostek warstwy AAL-3/4
Sieci ATM Janusz Kleban 39
Przykład multipleksacji w warstwie AAL-3/4
Sieci ATM Janusz Kleban 40
Formaty jednostek w warstwie AAL-5: a) jednostka CPCS-PDU:
PAD-Padding, LI-Length Indication, CPCS-UU User-to-User indication,
CPI-Common Part Indication; b) jednostka SAR-PDU
Sieci ATM Janusz Kleban 41
Segmentacja jednostki CS-PDU w warstwie AAL-5
Sieci ATM Janusz Kleban 42
Przykład multipleksacji w warstwie AAL-5
Sieci ATM Janusz Kleban 43
Proces segmentacji pakietów MPEG-2
Sieci ATM Janusz Kleban 44
Klasyfikacja ruchu ATM
" CBR (Constant Bit Rate) - usługi charakteryzujące się
małym opóz
nieniem i generujące stały strumień bitów
np. emulacja kanału rozmównego, transmisja radiowa,
wideokonferencja, telewizja, VoD.
" VBR (Variable Bit Rate) - usługi generujące ruch zmienny w
czasie. Jest to najbardziej znacząca kategoria usług, gdyż
kluczową zaletą techniki ATM jest elastyczny, zgodny z
zapotrzebowaniem przydział pasma dla poszczególnych
usług.
Sieci ATM Janusz Kleban 45
" RT-VBR (Real-Time VBR)  usługi, w ramach których
realizuje się statystyczną multipleksację przy dopuszczeniu
określonego, kontrolowanego poziomu strat komórek; ta
klasa usług jest szczególnie interesująca dla z
ródeł
generujących ruch zbitkowy np. sygnał wideo przy
zastosowaniu kompresji;
" NRT-VBR (Non-Real-Time VBR)  usługi bez istotnych
wymagań opóz
nieniowych, transportowany jest zmienny w
czasie strumień bitów; przeznaczony dla aplikacji o
zmiennym zapotrzebowaniu na pasmo i zmiennym
opóz
nieniu np. przenoszenie ruchu Frame Relay, aplikacje
wymagające krótkiego czasu odpowiedzi: rezerwacja miejsc
w samolotach i pociągach, transakcje bankowe itp.
Sieci ATM Janusz Kleban 46
" UBR (Unspecified Bit Rate)  usługa podobna do NRT-VBR;
użytkownik nie przesyła parametrów, generowanego przez
siebie ruchu, stąd w przypadku natłoku przydzielone mu
pasmo będzie podlegało stopniowej redukcji. Usługa nie
zapewnia jakichkolwiek gwarancji jakościowych stąd może
być wykorzystana do transmisji danych nie wymagających
określenia dopuszczalnego opóz
nienia lub zmienności
opóz
nienia. Kontrolowanie natłoku może być realizowane
przez komutatory w warstwie ATM lub przez protokoły
wyższych warstw. Usługa tego typu może zapewniać
łączność między sieciami LAN i WAN, które korzystając z
własnych mechanizmów potrafią sterować generowanym
ruchem.
Sieci ATM Janusz Kleban 47
" ABR (Available Bit Rate) - jest klasą usług typu  best
effort , użytkownik może wynegocjować takie zasoby sieci,
jakie są aktualnie dostępne podając minimalne i
maksymalne wymagania na szybkość transmisji komórek.
Specjalnie dla tego typu połączeń został opracowany przez
ATM Forum mechanizm unikania natłoku wykorzystujący
komórki zarządzające zasobami - RM (Resource
Management Cells). Pasmo przydzielone użytkownikowi
może się zmieniać podczas trwania połączenia w zależności
od natłoku panującego w sieci. Z tego względu usługa ta nie
jest odpowiednia dla aplikacji czasu rzeczywistego. Usługa
ABR może być wykorzystana do realizacji takich aplikacji,
jak poczta elektroniczna, transfer plików, itp.
Sieci ATM Janusz Kleban 48
Jakość usług telekomunikacyjnych
QoS (Quality of Service) jest definiowana (zgodnie z
zaleceniami ITU-T G.106 i E. 800) jako efekt sprawności
wykonania usługi, który wyznacza poziom zadowolenia
użytkownika. Na podstawie powyższej definicji widzimy, że
wymagana jakość usług powinna odpowiadać punktowi
widzenia abonenta i tak powinna być postrzegana przez
operatora sieci. W związku z tym jakość usług można
utożsamić z jakością obsługi.
Sieci ATM Janusz Kleban 49
Mechanizmy QoS w ATM
1. Sterowanie przyjmowaniem zgłoszeń (Connection
Admission Control - CAC): zespół działań
podejmowanych przez sieć w celu określenia, czy nowe
zgłoszenie może zostać przyjęte do obsługi, czy powinno
być odrzucone. Funkcja jest wykorzystywana w momencie
zestawiania nowego połączenia oraz w procesie
renegocjacji warunków połączenia.
Przyjęcie nowego zgłoszenia do obsługi uwarunkowane
jest dostępnością zasobów sieciowych pozwalających na
zestawienie drogi połączeniowej przez sieć i utrzymanie
żądanych parametrów QoS.
Sieci ATM Janusz Kleban 50
2. Kontrolowanie parametrów generowanego ruchu
(Usage Parameter Control - UPC): proces działający
na styku UNI, którego głównym zadaniem jest
kontrolowanie ruchu generowanego przez z
ródło w danym
połączeniu ATM. Funkcja UPC kontroluje zarówno
strumienie użytkowników, jak i strumienie generowane
przez systemy zarządzające i utrzymaniowe (OAM).
Sprawdza również prawdziwość identyfikatorów VPI i VCI
tzn. sprawdza, czy wartości tych identyfikatorów są
związane z aktywnym połączeniem VCC.
Sieci ATM Janusz Kleban 51
3. Kontrolowanie priorytetu komórek (Cell Loss
Priority Control - CLP): funkcja niszcząca komórki z
bitem CLP=1, w przypadku zatoru w węz
le sieci. Jest to
odpowiednik UPC, ale działający wewnątrz sieci (na styku
NNI).
4. Priorytety ruchu (Priority Control): funkcja
pozwalająca operatorowi na ustanowienie różnych
priorytetów, dla różnych usług na podstawie żądanych
parametrów QoS.
Sieci ATM Janusz Kleban 52
5. Kształtowanie ruchu (Traffic shaping): funkcja
kontrolująca i dopasowująca charakterystykę strumienia
komórek, wprowadzanego do kanału wirtualnego, do
parametrów wynegocjowanych w fazie zestawiania
połączenia. Mechanizm ten zapewnia, że z
ródło nie
transmituje komórek z większymi wartościami chwilowymi
lub średnimi, niż te, które zostały przydzielone przez sieć.
Sieci ATM Janusz Kleban 53
6. Sterowanie przepływem ze sprzężeniem zwrotnym
(Feedback Control): mechanizm wymiany informacji
między siecią i z
ródłem w celu zmiany szybkości
generowania komórek. y
ródło danych jest powiadamiane
o fakcie wystąpienia w sieci natłoku i na tej podstawie
podejmuje stosowne działania.
7. Sterowanie przepływem dla usług ABR (ABR flow
control): funkcja informacyjna, dająca wiedzę o
dostępnym aktualnie paśmie sieci i opóz
nieniach w niej
panujących, mająca wpływ na szybkość generowania
komórek przez z
ródło ABR.
Sieci ATM Janusz Kleban 54
Parametry związane z ruchem i QoS
PCR (Peak Cell Rate)  maksymalna wartość szybkości
generowania komórek ATM, które mają być transportowane
przez dane połączenie ATM;
CDV (Cell Delay Variation)  zmienność opóz
nienia w
napływaniu komórek w odniesieniu do maksymalnej szybkości
transportowania komórek; parametr może być mierzony w
danym punkcie w stosunku do nominalnej odległości między
komórkami, lub między węzłem nadawczym i odbiorczym;
parametr sygnalizuje tworzenie się zgęstek komórek;
Sieci ATM Janusz Kleban 55
SCR (Sustainable Cell Rate)  dla danego czasu
połączenia, parametr definiuje graniczną wartość średniej
szybkości transmisji komórek w połączeniu ATM;
MBS (Maximum Burst Size)  dla danego punktu
pomiarowego jest to maksymalny wzrost szybkości
generowania komórek w odniesieniu do parametru SCR;
parametr określa wybuchowość ruchu poprzez wskazanie
wielkości paczek (zgęstek) komórek;
MCR (Minimum Cell Rate)  minimalna gwarantowana
szybkość transmisji komórek;
parametry lub klasa QoS
Sieci ATM Janusz Kleban 56
Przykładowe deskryptory ruchu
CLR (Cell Loss Ratio)  stosunek liczby komórek
zgubionych tzn. takich, które nie dotarły do miejsca
przeznaczenia, do liczby komórek nadanych.
CER (Cell Error Ratio)  stosunek liczby błędnych komórek
tzn. takich, które dotarły do miejsca przeznaczenia z błędem
w polu informacyjnym, do liczby komórek odebranych,
wyrażonej jako suma liczby komórek przesłanych poprawnie i
liczby komórek błędnych.
Sieci ATM Janusz Kleban 57
SECBR (Severely Errored Cell Block Ratio) -
współczynnik odzwierciedla prawdopodobieństwo
przekłamania bloku komórek, przez który rozumiemy N
kolejno transmitowanych komórek w danym połączeniu. Jest
to stosunek liczby bloków znacznie przekłamanych
(tzn. komórki mają błędy w polu informacyjnym, albo zostały
zagubione, albo pojawiają się komórki z innego połączenia
wirtualnego) do liczby bloków transmitowanych. Przez blok
znacznie przekłamany rozumiemy blok, w którym
przekłamanych lub straconych zostało M komórek.
Sieci ATM Janusz Kleban 58
CMR (Cell Misinsertion Rate) - współczynnik obrazujący
intensywność pojawiania się, w okresie obserwacji, z
le
skomutowanych komórek, czyli takich, które nie zostały
wysłane przez z
ródło danych a docierają do odbiorcy ze
względu na błąd w węz
le komutacyjnym lub ze względu na
błędną interpretację nagłówka.
CDV (Cell Delay Variation)  zmienność opóz
nienia w
przekazywaniu komórek od końca do końca; może
przyjmować wartości z pewnego przedziału. Zmienność
opóz
nienia wynika z multipleksacji wielu połączeń w jednym
łączu fizycznym oraz z kolejkowania komórek w węzłach
komutacyjnych.
Sieci ATM Janusz Kleban 59
CDVT (Cell Delay Variation Tolerance)  parametr
określający tolerancję zmienności opóz
nienia - CDV dla
wynegocjowanego połączenia ATM. Jest definiowany w
stosunku do PCR i ogranicza możliwość tworzenia zgęstek
komórek.
CTD (Cell Transfer Delay)  opóz
nienie w przekazywaniu
komórek od nadawcy do odbiorcy.
Sieci ATM Janusz Kleban 60