Katedra Informatyki Stosowanej

Politechnika Łódzka

Al. Politechniki 11, 90-925 Łódź

Tel. [phone]

Sieci komputerowe I

Wykład 8: ATM.

Opracowanie:

mgr inż. Łukasz Sturgulewski ([e-mail])

Krótka historia.

Standard ATM powstał jako odpowiedź na zapotrzebowanie na szerokopasmowe sieci komputerowe umożliwiające transmisje audio, wideo czy też inne interaktywne usługi. Prace nad szybką transmisją w trybie asynchronicznym rozpoczęto na początku 1980. Pierwsza wersja standardu ATM powstała w 1989.

Krótka charakterystyka.

• Szerokopasmowa technologia komunikacyjna: stosowana w LAN, MAN, WAN (skalowalność);

• Standard ATM określa zasady komunikacji w sieci (medium transmisyjne dowolne);

• Nie określono też szybkości przesyłania danych (początkowo od 1.4 Mb/s do 622 Mb/s, obecnie swobodnie osiągane są coraz wyższe);

• Mechanizmy synchronizacji i sygnalizacji zajmują około 1 Mb/s każdego łącza fizycznego;

• Komórki mają stały rozmiar po 53 bity - tak dzielony jest przesyłany strumień bitów;

• Asynchroniczny - komórki z różnych połączeń są ze sobą wymieszane i przesyłane bez określonego porządku.

Przesyłanie danych w ATM.

Cechą szczególną wyróżniającą standard ATM od innych rozwiązań jest bardzo mała wielkość pakietu (zwanego tutaj komórką) - tylko 53 bajty. Pięć pierwszych bajtów to nagłówek, zaś pozostałe 48 zawiera właściwą informacje.

Najważniejsze pojęcia związane ze standardem ATM:

• Kanał wirtualny (Virtual Channel): W fizycznym łączu przesyłane są komórki należące do różnych połączeń. Każdemu połączeniu odpowiada jeden kanał wirtualny. Przynależność komórki do określonego kanały wirtualnego jest identyfikowana na podstawie VCI (Virtual Channel Identifier). Kanał wirtualny jest po prostu logicznym połączeniem między dwoma węzłami sieci. Szybkość przesyłania danych w kanale jest ustalana na etapie zestawiania połączenia.

• Ścieżka wirtualna (Virtual Path): Kanały wirtualne tworzą grupy zwane ścieżkami wirtualnymi. Każda ścieżka wirtualna ma przydzielone wirtualne pasmo, którym może dowolnie rozporządzać. Zastosowanie ścieżki wirtualnej pozwoliło uzyskać:

• Uproszczenie doboru trasy połączenia;

• Identyfikator VCI komórki nie musi być analizowany w każdym pośrednim węźle.

W związku z istnieniem pojęć ścieżki i kanału wirtualnego wprowadzono dwa poziomy komutacji (przełączania):

• Wykorzystujący ścieżki wirtualne;

• Wykorzystujący kanały wirtualne.

Proces transmisji danych poprzedza procedura zestawienia połączenia pomiędzy punktami sieci, które będą się komunikować. W fazie negocjacji jednostka zgłaszająca chęć nawiązania połączenia określa swoje potrzeby, co do jakości połączenia (szybkość, QoS). Jednostka odbierająca może propozycję odrzucić, gdy nie jest w stanie zapewnić połączenia o żądanej jakości, lub zaakceptować.

Podsumowanie:

• Sieć ATM składa się z wielu połączonych przełączników.

• Na podstawie informacji w nagłówku komórki, jest ona kierowana do kolejnego węzła.

• Przełączanie sprzętowe.

• Brak weryfikacji poprawności przesyłanej komórki (warstwy wyższe to robią).

• KANAŁ WIRTUALNY : logiczne połączenie między nadawcą a odbiorcą.

• ŚCIEŻKA WIRTUALNA : zestaw kanałów o wspólnym węźle docelowym.

• Odpowiednie identyfikatory kanałów i ścieżek są zawarte w nagłówkach komórek (pola VCI 12 bajtów, VPI 8-12bajtów).

• Liczba ścieżek jest dużo mniejsza od liczby kanałów - prostsze zarządzanie (ułatwia zestawienie połączenia w węzłach pośrednich, przez które przechodzi ścieżka do odbiorcy).

• Kanały należące do jednej ścieżki muszą mieć ten sam poziom QoS.

• Przełącznik ścieżek VP (zmiana tylko pola VPI wg adresu docelowego).

• Przełączniki kanałów VC (zmiana pola VP i VC wg adresu docelowego).

• W razie awarii lub dużego ruchu na przełączniku następuje przełączenie całej ścieżki na inną drogę.

Architektura protokołu.

Standard ATM określa jedynie sposób komutacji i transmisji danych, stąd w ATM zdefiniowano jedynie trzy warstwy - rysunek 2. Warstwy wyższe komunikujące się z użytkownikiem nie mają dla ATM znaczenia.

• Warstwa fizyczna: Określa funkcje związane z dostępem do medium transmisyjnego.

• Podwarstwa medium fizycznego: Odpowiedzialna za transmisję bitów i fizyczny dostęp do medium:

• Taktowanie bitów;

• Kodowanie;

• Konwersja do postaci sygnałów elektrycznych lub fizycznych.

• Podwarstwa zbieżności transmisji: Główne zadania realizowane przez tę warstwę:

• Obliczanie nadmiaru kodowego dla każdej komórki;

• Dokonywanie skramblingu pola informacyjnego;

• Weryfikacja nagłówka odebranej komórki;

• Umieszczanie komórek w ramce transmisyjnej;

• Wydzielanie komórki z ramki.

• Warstwa ATM: Określa format komórki oraz zapewnia ich niezawodny transfer. Główne zadania tej warstwy:

• Multipleksacja i demultipleksacja komórek w komutatorach, czyli łączenie i rozdzielanie struktur komórek pochodzących z wielu kanałów i ścieżek wirtualnych w sumaryczny strumień przesyłany magistralą ATM;

• Tworzenie nagłówka komórki ATM (48 bajtów informacji otrzymanych jest z warstwy adaptacyjnej);

• Dobór trasy dla pakietu (modyfikacja pól VPI i VCI).

• Warstwa adaptacyjna ATM: Konwersja z warstw wyższych do komórek ATM (sposób konwersji zależy od typu usługi)

• Podwarstwa segmentacji i składania: Dokonuje transformacji jednostek PDU warstw wyższych na pola informacyjne komórki ATM;

• Podwarstwa zbieżności: Bezpośrednio odpowiedzialna za realizację usług tej warstwy. Protokoły warstwy adaptacyjnej:

• ALL 1 - klasa usług „A”;

• ALL 2 - klasa usług „B”;

• ALL 3/4 - klasa usług „C” i „D”;

• ALL 5.

Rodzaje interfejsów fizycznych.

UNI (User-to-Network Interface) - protokół ILMI:

• Definiuje zasady połączenia stacji użytkownika z siecią ATM.

• UNI publiczny - interfejs między użytkowaniem a publiczną siecią ATM.

• UNI prywatny - interfejs między użytkownikiem a przełącznikiem ATM należących do tej samej korporacji.

NNI (Network-to-Network Interface) - protokół PNNI:

• Definiuje zasady połączenia przełączników ATM.

• UNI publiczny - dotyczy przełączników publicznych sieciach ATM.

• UNI prywatny - dotyczy przełączników prywatnych sieciach ATM.

Protokół ILMI (Interim Local Management Interface):

• Autokonfiguracja wielu parametrów protokołu ATM (określanie adresów ATM stacji końcowych lub serwerów inicjujących różne protokoły sieciowe)

• Rejestracja adresów (Przełącznik ATM rezerwuje początkową część adresu stacji końcowej - pozostałą część stanowi unikatowy adres MAC stacji)

Protokół PNNI (Private Network-to-Network Interface):

• Definiuje zbiór reguł routingu oraz sterowania (uwzględniające połączenia QoS, dostępną w danej chwili przepustowość, obciążenia sieci oraz średnie opóźnienia transmisji)

• QoS (z gwarancją pasma, z częściową gwarancją pasma, bez gwarancji pasma)

• Umożliwia przełącznikom ATM wymianę informacji o dostępnych adresach w sąsiednich przełącznikach oraz metryk QoS - do określenia parametrów nowego połączenia (dzięki temu unikamy przeciążeń w sieci otrzymując jednocześnie potrzebne QoS)

• Stosowany w lokalnych i globalnych sieciach (dzięki hierarchizacji - podział na poziomy i grupy)

Każda grupa posiada lidera.

Liderzy wchodzą w skład grup wyższego poziomu.

Poziom hierarchii jest identyfikowany przez określoną część adresu ATM.

Nawiązanie połączenia.

Przed transmisją danych - Zestawienie połączenia.

Nadawca wysyła wiadomość setup zawierającą adres ATM odbiorcy, żądaną przepustowość oraz QoS.

Wiadomość idzie od przełącznika do przełącznika i ostatecznie trafia do stacji odbiorcy (trasę wyznacza protokół PNNI).

Stacja odbiorcza wysyła tą samą drogą wiadomość connect - jeśli wyraża zgodę na realizację połączenia.

Stacja odbiorcza wysyła tą samą drogą wiadomość release - jeśli nie wyraża zgody na realizację połączenia.

Wiadomość release - jeśli następuje rozłączenie połączenie po transferze danych.

Rodzaje połączeń.

• Stałe PVC (Permanent Virtual Connection) - połączenie zestawione na stałe (bez względu na jego wykorzystanie). Administrator sieci ustanawia i zamyka połączenie, ustala wartości identyfikatorów połączenia.

• Pół-stałe sPVC - połączenie jest ustalane tylko na czas przesyłania danych. Administrator sieci ustala wartości identyfikatorów połączenia.

• Zmienne SVC - połączenie jest ustalane tylko na czas przesyłania danych. Podczas nawiązywania połączenia ustalane są wartości identyfikatorów połączenia.

Typy usług.

• O stałej szybkości bitowej CBR (Constant Bit Rate) - zapewniona stała szybkość transmisji.

• O zmiennej szybkości bitowej VBR (Variable Bit Rate) - zmienna ale ograniczona maksymalną intensywnością transmisja; wymagająca QoS.

rt-VBR (Real-Time VBR) - źródła wymagające obsługi w czasie rzeczywistym (transmisja video).

nrt-VBR (Non-Real_Time) - źródła nie wymagające synchronizmu czasowego (dane komputerowe).

• O niezdefiniowanej szybkości bitowej UBR (Unspecified Bit Rate) - niezdefiniowana szybkość transmisji. Nieregularny transfer dużych porcji danych w miarę dostępności łącza. (Aplikacja nadająca nie troszczy się o to czy i kiedy inf. dotrą do celu). Tak transmitowane komórki sa gubione przy dużym przeciążeniu łącza.

• O dostępnej szybkości bitowej ABR (Available Bit Rate) - niezdefiniowana szybkość transmisji. Przepustowość jest na bieżąco negocjowana (przy małym ruchu wykorzystane może być całe dostępne pasmo, przy dużym obciążeniu transfer zostaje wręcz wstrzymany).

Klasyfikacja usług.

Standard ATM określa cztery klasy usług. Przedstawione są one w tabeli 1.

Parametr \ Klasa	A CBR (video i głos)	B VBR (video i głos)	C X.25, Frame Relay, TCP/IP		D Pakiety w sieci LAN
Synchronizacja czasowa	Wymagana		Nie wymagana
Szybkość transmisji	Stała	Zmienna
Typ połączenia	Połączeniowy			Bezpołączeniowy

Tabela 1. Klasyfikacja usług dla warstwy AAL.

Parametry ruchowe.

Po ustaleniu połączenia użytkownik podaje wartość żądanego pasma oraz deklaracje parametrów ruchowych.

• PCR (Peak Cell Rate) - wartość szczytowa szybkości generowania komórek przez źródło.

• SCR (Sustainable Cell Rate) - wartość graniczna średniej szybkości generowania komórek (liczona w odpowiednio długim czasie).

• CDV (Cell Delay Variation Tolerance) - tolerancja zmienności opóźnienia komórek (dopuszczalna różnica czasu przyjścia komórki od czasu teoretycznego przyjścia komórki).

• MBS (Maximum Burst Size) - maksymalna liczba komórek w paczce (gdy źródło transmituje komórki z szybkością PCR).

• MCR (Minimum Cell Rate) - minimalna szybkość transmisji komórek zeźródła.

• GCRA (Generic Cell Rate Algotihtm) - algorytm sprawdzający poprawność dotrzymanego kontraktu.

QoS (Quality of Service).

Podczas nawiązywania połączenia ustalane są również wartości parametrów QoS.

• Max CTD (Maximum Cell Transfer Delay) - maksymalne opóźnienie przesyłania komórki przez sieć (od wejścia pierwszego bitu do sieci, do wyjścia ostatniego bitu z sieci).

• CDV (Cell Delay Variation) - zmienność opóźnienia transmisji komórek (różnica między najmniejszą i największą wartością CTD).

• CLR (Cell Lost Ratio) - prawdopodobieństwo straty komórki (stosunek liczby komórek zagubionych do komórek wysłanych).

• CER (Cell Error Ratio) - prawdopodobieństwo przekłamania komórki (stosunek liczby przekłamanych komórek do sumy komórek dobrze przesłanych i przekłamanych).

• CMR (Cell Misinsertion Rate) - współczynnik błędnie przesłanych komórek (stosunek liczby błędnie przesłanych komórek do przedziału czasu)

• SECBR (Severely Errored Cell Block Ratio) - prawdopodobieństwo przekłamanych bloków komórek (stosunek liczby bloków przekłamanych do liczby bloków wysłanych. Blok komórek jest sekwencją N komórek wysłanych w danym połączeniu).

Rodzaje komórek (ze względu na jakość transmisji)

• Przesłane poprawnie - dodarły do celu bez przekłamań w odpowiednim czasie.

• Przesłane błędnie - dodarły do celu z błędem (jednym lub więcej) w odpowiednim czasie.

• Zagubione - nie odebrane przez odbiorcę lub otrzymane po ustalonym czasie.

• Źle przesłane - komórki, które dotarły do stacji nie będącej ich adresatem.

Komórka ATM.

Dzięki stałej długości komórki zapewnione zostało uproszczenie sterowania ich ruchem oraz niepotrzebne są bity synchronizacji początku i końca komórki. Dwie wersje formatu komórki zostały przedstawione na rysunku 3. Pod rysunkiem znajduje się opis znaczenia pól nagłówka.

• GFC (Generic Flow Control): Cztery bity kontroli przepływu stosowane w przypadku interfejsu UNI. Pole to ma znaczenie tylko w przypadku, gdy jest dzielony dostęp do jednego portu ATM UNI przez kilka urządzeń. Kontrola dostępu nie została zaimplementowana w UNI, gdyby jednak z czasem to nastąpiło pole to będzie zawierało same zera.

• VPI/VCI (Virtual Path Identifier / Virtual Channel Identifier): Bity identyfikacji wirtualnej ścieżki VPI i kanału VCI. VPI zawiera  8 bitów dla styku UNI a 12 dla NNI. Istnieje, więc możliwość stworzenia do 256 ścieżek wirtualnych w styku UNI i do 4096 w NNI. VCI zawiera zawsze 16 bitów, co pozwala na stworzenie do 65536 kanałów wirtualnych w obrębie każdej ścieżki wirtualnej. Pola te tworzą pole decydujące o routingu (routing field) czyli doborze trasy komórki w sieci między węzłami ATM. VPI/VCI służą do identyfikacji danej komórki z konkretnym połączeniem i są wykorzystywane do multipleksowania, demultipleksowania i komutacji komórek w węzłach sieci ATM. Nie są to adresy - przyporządkowuje się je danemu połączeniu na czas transmisji (przy nawiązaniu połączenia) i obowiązują na odcinku między węzłami sieci. Ze względu na małe rozmiary komórek stosowanie pełnych adresów byłoby bardzo nieekonomiczne, dlatego stosuje się właśnie takie etykiety unikalne tylko w obrębie interfejsu. Ogólnie rzecz biorąc w węzłach sieci odbywa się wymiana wartości VPI/VCI na inne - ważne tylko na odcinku do następnego węzła. Używając takiego mechanizmu warstwa ATM może asynchronicznie przeplatać w jednym fizycznym medium komórki z wielu połączeń.

• CLP (Cell Loss Priority): Jeden bit informujący o priorytecie komórki. Gdy CLP=1 pakiet może być utracony w sytuacji dużego natłoku. 

• HEC (Header Error Control): Ośmiobitowe pole umożliwiające wykrycie i usunięcie pojedynczych błędów w transmisji nagłówka - większa ilość błędów może być tylko wykrywana.

• DATA: Pole służące do przesyłania informacji użytkownika.

ATM

- 8 -

---