POLITECHNIKA OPOLSKA

SPIS TREŚCI:

1. WSTĘP

Jeszcze niedawno wydawało się, że niezależnie od rozwoju standardu Ethernet, istnieje granica, poza którą sięgają już tylko przełączniki ATM. Za sprawą dziesięciogigabitowego Ethernetu okazało się jednak, że niewiele przełączników ATM operuje na większych prędkościach. Większość oferuje interfejsy działające z prędkością 155 lub 622 Mb/s, a tylko nieliczne - 40 Gb/s.

W przeciwieństwie do Ethernetu ATM nie specyfikuje warstwy fizycznej. W wypadku standardu ATM nie jest istotne, czy komórki ATM są nadawane poprzez szybkie łącza światłowodowe, czy przesyłane bit po bicie za pomocą chorągiewek. Dlatego właśnie ATM jest chętnie stosowany w sieciach bezprzewodowych i wielu innych rozwiązaniach, gdzie upraszcza zadanie projektantom.
Wszystkie szybkie interfejsy działające z prędkością powyżej 155 Mb/s wywodzą się z hierarchii SONET/SDH. Nie musi to jednak wcale znaczyć, że sprzęt SDH jest potrzebny podczas budowy sieci ATM. Jest często pomocny, jeżeli trzeba między przełącznikami zestawić ścieżkę za pomocą sieci transportowej, ale równie dobrze można przełączniki połączyć ze sobą bezpośrednio.
Pierwszym interfejsem działającym z prędkością 155 Mb/s jest interfejs STM-1. Prędkość 155 Mb/s odpowiada podstawowemu strumieniowi STM-1. Kolejne interfejsy działające z prędkościami cztery razy większymi odpowiadają kolejnym strumieniom SDH: 622 Mb/s - strumieniowi STM-4, 2,5 Gb - STM-16, 10 Gb odpowiada STM-64, a 40 Gb/s - strumieniowi STM-256. Aby dać jakieś porównanie, większość sieci szkieletowych operatorów komórkowych jest zbudowana z traktów STM-1, niektóre - z STM-4.
Wszystkie te prędkości dotyczą prędkości bitowej warstwy fizycznej. Prędkość dostępna dla danych jest niższa o nagłówek - 9 bitów na każde 270 przesyłanych danych należy do nagłówka. Ładunek strumienia STM-1 jest oznaczony jako VC-4, następnych prędkości - jako VC4-4c, VC4-16c, gdzie c oznacza, że cztery lub więcej kontenerów VC4 zostało połączonych ze sobą. Odpowiednikiem strumienia STM1 w hierarchii SONET jest strumień OC-3. Kolejne stopnie hierarchii, podobnie jak w SDH, odpowiadają strumieniom 4-krotnie szybszym: OC-12 odpowiada strumieniowi STM-4, OC-48 - strumieniowi STM-16 itp.

2. Technologia ATM

Technologia ATM {Asynchronous Transfer Moce} powstała w wyniku kompromisu między dwoma już funkcjonującymi technikami cyfrowej transmisji szerokopasmowej: STM {Synchronous Transfer Mode} i PTM (Packet Transfer Mode), łącząc zalety istniejących technologii przy jednoczesnej eliminacji większości wad tych systemów. Technika STM jest stosowana sieciach ISDN, PTM zaś w lokalnych sieciach komputerowych. Wywodząca się z telekomunikacji technologia ATM jest coraz częściej postrzegana jako technika łącząca standard przekazów telekomunikacyjnych sieci SDH (Synchronous Digital Hierarchy) na poziomie warstwy fizycznej z różnymi sieciami komputerowymi.

Współcześnie tworzone sieci ATM osiągają bardzo duże rozmiary zarówno ze względu na rozpiętość geograficzną jak też liczbę podłączonych do niej urządzeń końcowych, powodując wzrost komplikacji budowanych struktur, ATM staje się obecnie najbardziej rozpowszechniana technologia szkieletową dla złożonych sieci kampusowych, korporacyjnych, metropolitalnych i regionalnych.

Technologia ATM jest obecnie jedną z najbardziej efektywnych technologii przekazu z wizualizacją kanałów komunikacyjnych przeznaczonych do przesyłania usług multimedialnych (głosu, obrazu i danych), a także jest uważana za docelową technikę transmisji w szerokopasmowych sieciach rozległych WAN. Łączy zalety techniki pakietowej z przekazami synchronicznymi przez sieci SDH.

Regionalne i metropolitalne sieci ATM są przystosowane do świadczenie usług w różnorodnych zastosowaniach:

• Tworzeniu wirtualnych sieci korporacyjnych dla indywidualnych klientów;

• Udostępnianiu usług centralnych bez danych poszczególnym klientom działającym w środowisku rozproszonym;

• Zapewnianiu klientom sprawnego dostępu do sieci zewnętrznych, przede wszystkim do usług internetowych;

• Świadczeniu usług informatycznych wybranym klientom

Standard ATM, opracowany pierwotnie ja ho element specyfikacji BISDN (CCITT 1988 f,), nie definiuje dokładnie konkretnego medium transmisyjnego między węzłami, lecz zasady komunikacji w sieci. Umożliwia to zastosowanie technologii ATM w różnorodnych już istniejących środowiskach transmisyjnych wykorzystujących jako medium zarówno przewody koncentryczne (sieci lokalne, sieci rozsiewcze), światłowodowe (sieci LAM MAN), jak i bezprzewodowe (sieci globalne). Od 1993 r. wszyscy liczący się producenci implementują technologię ATM we własnych urządzeniach przełączających (huby, przełączniki, routery),

Uniwersalność technologii ATM polega na możliwości przesyłania informacji o dowolnym przeznaczeniu przez różne rodzaje nośników, niezależnie od stosowanych przepływności czy rozmiarów już istniejących sieci.

Technologia ATM zapewnia podstawowy przekaz informacji w trybie połączeniowym, co oznacza, że przed przesłaniem informacji właściwej musi wystąpić faza zestawienia łącza (również wirtualnego) na podstawie parametrów deklarowanych przez abonenta (typ usługi, przewidywana przepływność, docelowy adres), a po zakończeniu przekazu - jego likwidacja. Technologia ATM jest techniką asynchroniczną, co oznacza, że szybkość transmisji w ramach kanału wirtualnego jest zmienna, zgodna z szybkością źródła lub najszybszego węzła. Parametry zadeklarowane we wstępnej fazie mogą ulegać renegocjacji, przy czym sieć zwykle redukuje częstotliwość negocjacji, jak też zapotrzebowanie na szerokość pasma. W sieci ATM węzły nie sprawdzają poprawności przesyłanej informacji, a kontrola błędów jest prowadzona w systemach użytkowników końcowych.

D tej pory ukształtowały się następujące klasy przepływności w sieciach ATM: 25 Mb/s (w zaniku), 100 Mb/s 155,52 Mb/s(powszechne stosowane) oraz 622 Mb/s i 2,5 Gb/s dla sieci transportowych SDH.

Za pomocą technologii ATM są świadczone usługi na wielu poziomach:

• sieci lokalnych ATM/LAN - współpracujących bezpośrednio ze stacjami roboczymi w tradycyjnych technologiach komputerowych (Ethernet, Token Ring, FDDI);

• sieci rozległych - stosujących różne technologie dostępu (Frame Ralay, SMDS) lub ATM, ale zapewniające przepływ danych w formacie ATM do urządzeń sieci publicznej;

• urządzeń sieci publicznej - jako centrale komutacyjne ATM współpracujące z siecią transmisyjną PDH, SDH lub SONET; początkowo jako sieć podkładowa, docelowo jako jednorodna forma transmisji globalnej ATM.

1. ATM Forum

Uzgadnianiem i nieformalnym ustalaniem standardów sieci oraz zgodności urządzeń i przełączników ATM zajmuje się międzynarodowe konsorcjum ATM Forum, utworzone we wrześniu 1991 r. przy dużym udziale Cisco, NET, Northem Telecom i US Sprint. Obecnie ATM Forum skupia ponad 580 organizacji, w tym 168 członków aktywnych. Organizacja ta zaleca wykorzystanie w charakterze fizycznych interfejsów ATM - sieci dla kilku technologii o różnych przepływnościach informacji: FDDI (100 Mb/s), Fibrę Channel (800 Mb/s), SONET (52 Mb/s), SDH (155 Mb/s, 622 Mb/s. 2,5 Gb/s, a ostatnio również 10 Gb/s) oraz T3 (45 Mb/s).

Dziedziny, w których ATM Forum wykazuje największą aktywność standaryzacyjną, obejmują:

• sygnalizację przez interfejs UNI (User to Network Interface): wersja 3.0 dla SVC (Switched Virtual Circuitl), wersja 3.1 z uwzględnieniem skrętki UTP i łącza Tl, wersja 4.0 uzupełniona o transmisję głosu;

• emulację LANE (LAN Emulation) według specyfikacji RFC 1483, wprowadzoną do emulowania sieci Ethernet/Token Ring w standardach ATM;

• standaryzację interfejsu PNNI (Private Network to Network Interface) - faza 0 i 1 z algorytmem dynamicznego routingu;

• zarządzanie trafikiem przez sieć ATM (uszczegółowienie parametrów ABR, CBR, UBR i VBR), a także przepływnością na styku ATM-WAN;

• zarządzanie siecią: specyfikacja M3 do zarządzania na styku sieci publicznych i prywatnych, specyfikacja NM-SWG określająca elementy zarządzania MIB (Management Infornation Bases).

1. Cechy standardu ATM

Przekaz informacji w standardzie ATM charakteryzuje się następującymi właściwościami:

• przesyłanie stałych porcji informacji o pojemności 53 bajty (w tym 48 bajtów informacji użytecznej), co ułatwia proces ich obróbki w węzłach sieci ATM;

• ustalaniem indywidualnych połączeń o dowolnej szybkości w obrębie przyjętych lub istniejących standardów (25 Mb/s, 100 Mb/s, 155 Mb/s, 622 Mb/s, 2500 Mb/s), dzięki przyporządkowaniu dowolnej liczby komórek do konkretnego połączenia użytkownika;

• obsługą transmisji izochronicznych (głos, obraz ruchomy, HDTV) z opóźnieniem nie większym niż 10 ms. przez zastosowanie przełączników ATM z szybkim przełączaniem komórek i połączeń;

• skalowaniem przepływności ścieżek i węzłów ATM, dzięki czemu wykorzystuje się w pełni maksymalną przepływność dowolnego medium transportowego. Wysoka przepływność torów światłowodowych w sieciach LAN i WAN stosowana do multipleksacji statycznej poszczególnych kanałów pozwala na efektywne gospodarowanie łączem transmisyjnym;

• tworzenie przekazów głównie w trybie połączeniowym, co oznacza, że przed wysłaniem informacji właściwej występuje faza zestawienia łącza według parametrów deklarowanych przez abonenta (typ usługi, przewidywana przepływność, deklarowany adres), a po zakończeniu przekazu - jego likwidacja;

• wirtualizacja połączeń przez sieć zarówno dla pojedynczych kanałów, jak i definiowanych grup kanałów zwanych ścieżkami. Jest to możliwe dzięki istnieniu odpowiednich identyfikatorów VCI (Virtual Channel Identifier) dla kanałów oraz identyfikatorów VPI (Virtual Path Identifier) dla ścieżek wirtualnych. Pola tych identyfikatorów znajdują się w nagłówku każdej komórki ATM przesłanej przez sieć;

• Adaptacja strumienia komórek ATM do dowolnej przepływności medium transportowego, przez wprowadzanie komórek pustych, pomijanych w węźle docelowym;

• Przypisanie komórkom ATM (kanałowi, ścieżce, połączeniu między użytkownikami) konkretnej usługi, której parametry mogą być dynamicznie zmieniane, zarówno w fazie nawiązania łącza, jak i w trakcie działania usługi komunikacyjnej;

• Zapewnianiem „przezroczystości” przenoszenia informacji przez sieć ATM, a więc dostosowanie pracy sieci z różnymi protokołami komunikacyjnymi i do realizacji różnych usług.




3. Interfejsy ATM

W sieci szerokopasmowej opartej na technologii ATM rozróżnia się dwie podstawowe klasy interfejsów:

• styk użytkownika UN1 (User to Network Interface) z siecią szerokopasmową, znajdujący się między sprzętem użytkownika a zakończeniem sieci, w którym są realizowane protokoły dostępu do sieci (przełączniki dostępowe);

• styk sieciowy NNI (Network to Network Interface) znajdujący się między węzłami ATM lub między węzłami komutującym tej samej sieci NNI (Node to Node Interface).

W celu zwiększenia zgodności przełączników pochodzących od różnych producentów i działających w odrębnych sieciach organizacja ATM Forum określiła dodatkowo (w 1995 r.) nowy interfejsowy standard PNNI (Private Network to Network Interface), definiujący szczegółowo współpracę przełączników ATM wraz z możliwością „uczenia się" topologii sieci, w której są instalowane. Przekaz i wzajemne pamiętanie w przełącznikach dodatkowych informacji o stanie i parametrach poszczególnych łączy (szerokość pasma, poziom QoS, opóźnienia przekazu komórek, uszkodzenia łączy itp.) obniża do minimum ilość przesyłanych informacji aktualizujących. Dzięki temu zestawianie tras jest optymalne, bez generowania zbędnego ruchu w sieci.


Interfejs UNI określa punkt połączenia stacji lub urządzenia końcowego z prywatną siecią ATM, którą w szczególnym przypadku może być również sieć publiczna należąca do telkomu. Interfejsy NNI łączące węzły wewnątrz sieci ATM, oprócz funkcji przełączania , umożliwiają współdziałanie i zarządzanie przełącznikami ATM zarówno w lokalnej, jak i rozległej sieci ATM. Ten sam typ interfejsu łączy również odrębne sieci ATM. Wyodrębniony typ interfejsu NNI (Network to Network Interface) określa specyfikacja B-ICI (Broadband Interchange Carrier Interconnect) przeznaczona do definiowania połączeń ATM między sieciami publicznymi należącymi do różnych operatorów.

3. Wizualizacja połączeń

Dowolna topologia sieci fizycznej może być wybrana do tworzenia struktury sieciowej ATM Przez organizację wirtualnych połączeń logicznych charakterystycznych dla tej technologii. Rozróżnia się dwa typy połączeń wirtualnych:

• kanał wirtualny VC (Virtual Channel) jako jednokierunkowe połączenie logiczne przez sieć między dwiema stacjami końcowymi, ustanawiane i połączane dynamicznie przez węzły pośredniczące sieci (fizyczne przełączniki ATM);

• ścieżki wirtualne VP (Virtual Path) jako wiązka kanałów wirtualnych przebiegająca ta samą trasą co kanały wirtualne i łącza dwóch użytkowników lub grupę abonentów końcowych zainstalowanych w tych samych węzłach dostępu.


Główna zaleta takiego łączenia kanałów i ścieżek polega na przeprowadzeniu połączeń w sieci tą samą trasą, razem zgrupowanych i mogących być częściowo obsługiwanych wspólnie. Dodanie lub ujecie kanału wirtualnego w ścieżce w razie zmiany zapotrzebowania na przepływność

połączenia między abonentami lub końcowymi węzłami dostępu jest wtedy stosunkowo proste, gdyż nie trzeba powtarzać procedury ustalania przebiegu trasy. Zmiana przebiegu trasy całej ścieżki wirtualnej, spowodowana koniecznością uniknięcia przeciążenia węzła pośredniczącego lub związania z uszkodzeniem przełącznika ATM, powoduje automatycznie zmianę przebiegu wszystkich związanych z nią kanałów wirtualnych.

Realizacja koncepcji ścieżek i kanałów wirtualnych w istniejącej topologii sieci jest zapewniona przez przydzielenie im odpowiednich identyfikatorów ścieżki wirtualnej VPI (Virtual Path Identifier) oraz kanałów wirtualnych (Virtual Channel Identifier) w obrębie każdej ścieżki. Pola identyfikatorów VPI oraz VCI, znajdujące się w nagłówku każdego pakietu przesyłanego przez sieć ATM, są zwykle wypełnianie i kasowane w węzłach dostępowych sieci oraz modyfikowane przez węzły pośredniczące. Tak zmodyfikowana sieć połączeń umożliwia dowolne konfigurowanie struktury, niezależnie od topologii sieci z uwzględnieniem relacji:

• użytkownik - użytkownik, w których połączenia wirtualne są zakończone u abonentów, zapewniając dużą przepływność magistralową przez sieć;

• użytkownik - sieć, co odpowiada koncepcji centralki abonenckiej PABX w strukturach klasycznych;

• sieć - sieć, w których zakończenia ścieżek wirtualnych znajdują się w węzłach dostępowych sieci ATM lub w węzłach sieci współpracujących.


Pola identyfikatorów kanałów VCI i ścieżek wirtualnych VPI znajdują się w nagłówku każdej komórki transmitowanej przez sieć ATM. Trasy jednokierunkowych połączeń w obydwie strony nie muszą być identyczne, a szerokości pasm różne. Ścieżki wirtualne są w zasadzie inicjowane w węzłach dostępowych (interfejs UNI) lub w ustalonych węzłach o odpowiednich uprawnieniach, natomiast informacja użytkownika ulokowana w pakietach (komórkach) jest przesyłana w sposób „przeźroczysty” przez kolejne węzły sieci, bez ingerencji w jej zawartość.

Uzyskanie połączenia dwukierunkowego między abonentami wymaga zestawienia pary połączeń wirtualnych VC lub VP, przy czym połączenia te mogą być niesymetryczne, o strukturze jedno lub wielopunktowej typu: unicast (point to point) - dwukierunkowo między dwoma użytkownikami, multicast (point to multipoint) stosowanej w obsłudze konferencyjnej lub broadcast niezbędnej w jednokierunkowych przekazach rozsiewczych.

3. Struktura komórki

Struktura elementarnego pakietu, mającego postać komórki o stałej długości 53 bajtów, jest zdefiniowana w warstwie ATM. Stosowanie pakietów o jednakowych rozmiarach umożliwia przewidywanie wymagań aplikacji na określony zakres pasma, gwarantując dostarczenie uzgodnionego pasma w odpowiednim czasie.

Istnieją dwa typy pakietów związane z odmienną konstrukcją nagłówka: pakiety generowane w węzłach dostępu z połączonym interfejsem UNI oraz pozostałe, tworzone w przełącznikach sieciowych ATM. Istotną różnice wnosi pole GFC (Generic Flow Control) umożliwiające wielu przyłączonym abonenckim stacjom roboczym korzystanie z tego samego interfejsu UNI w obrębie swojej prywatnej sieci. W innych przypadkach 4-bitowe pole GFC służy do określania klasy usługi, ułatwiając sterowanie przepływem informacji przez sieć dla różnych poziomów jakości usług QoS (Quality of Service).


Komórka ATM jest samodzielnym pakietem komunikacyjnym o łącznej długości 53 bajtów, składającym się z 5 bajtów nagłówka (header) oraz ładunku (playload) niosącego 48 bajtów informacji użytecznej w cyfrowym strumieniu transmisyjnym. Stosunkowo wysoki narzut sterowania , wynoszący 5/53-9,4%, jest rekompensowany stałą wartością pakietu, dużą elastycznością przy rozładowaniu spiętrzeń w przypadku nagłego wzrostu natłoku informacyjnego oraz łatwością przy rekonfigurowaniu struktury sieciowej.

4. Multipleksacja i przełączanie komórek


Dynamiczne multipleksowanie wielu ścieżek i kanałów wirtualnych w jeden lub kilka strumieni cyfrowych, pomimo prostoty funkcji, jest najbardziej spektakularnym elementem całej sieci ATM. W odróżnieniu od znanej multipleksacji z podziałem czasu TDM (Time Division Multiplexing) w sieciach ATM stosuje się wyłącznie technikę multipleksacji etykietowanej LM (Label Multiplexing) interpretującej na bieżąco zawartość odpowiednich pól identyfikatorów VPI i VCI w komórkach nadchodzących asynchronicznie z wielu źródeł. W przypadku spiętrzeń (burstiness) strumieni cyfrowych ponad deklarowaną średnią przepływność sieć (przełączniki ATM) jest przygotowana na chwilowy wzrost aktywności przez poszerzenie istniejącego pasma.

Funkcja skalowalności przełączników i ścieżek ATM stanowi integralną cechę węzłów dostępowych i sieciowych, na których opiera się szybka, przebiegająca prawie bez opóźnień

komutacja usług multimedialnych w sieciach ATM. Dzięki temu również sieć ATM, wykorzystując w pełni wysoką przepływność kabli światłowodowych oraz dysponując odpowiednio zarezerwowaną szybkością pasma komutowaną przez przełączniki ATM, jest w stanie obsługiwać aplikacje działające w czasie rzeczywistym.

Multipleksacja informacji polega na łączeniu (i rozdzielaniu) wielu strumieni danych w jednym elemencie przełączającym, zwanym przełącznikiem. Technika multipleksacji statystycznej stosowana w przełącznikach ATM, w odróżnieniu od tradycyjnej multipleksacji z podziałem czasu TDM (Time Division Multiplexing), umożliwia analizę gęstości nadchodzącego ruch z wielu źródeł wejściowych w celu dynamicznej zmiany przepływności kanałów, także priorytetowanie kierunków, przyspieszając proces transmisji w okresach natłoku informacji.


Duża szybkość multipleksowania portów i strumieni cyfrowych, sięgająca w rozbudowanych przełącznikach klasy high end do przepływności powyżej 2,5 Gb/s, wynika ze sprzętowej realizacji procesu przełączania i niewielkiej pojemności buforowej pamięci operacyjnej (ok. 100 komórek). Chociaż znane są przełączniki do kolejkowania strumieni źródłowych o pojemności buforów powyżej 100 kB, nie jest najbardziej istotny parametr określający przydatność przełącznika.

Dla maksymalnej szybkości przekazu komórek przełączniki ATM nie mają warstwy sieciowej modelu odniesienia ISO/OSI, co oznacza, że przełączniki nie prowadzą kontroli błędów transmisyjnych, a stacja odbiorcza sama musi sprawdzić, czy przekaz był kompletny i poprawny. Sieć ATM, inaczej niż w sieciach typu X.25, nie odpowiada za błędne przesłanie komórki, gdyż założono, że urządzenia transmisyjne i media są bardzo dobrej jakości, a zatem mało podatne na zakłócenia i błędy.

5. Transportowe przełączniki

W publicznych sieciach telekomunikacyjnych wyróżnia się następujące typy przełączników ATM:

1. węzły dostępowe, które dokonują konwersji zróżnicowanych protokołów usługowych sieci lokalnych na jednolity schemat ATM, zapewniający efektywny transport danych przez zasoby publicznych sieci telekomunikacyjnych. Węzły dostępowe cechują się przepływnością na poziomie kilku Gb/s i są wyposażone w wiele interfejsów umożliwiających dołączanie sieci LAN, centrali PABAX oraz terminali indywidualnych użytkowników;

2. przełączniki obszarowe, dokonujące integracji i dystrybucji ruchu w obsługiwanej strefie dzięki wyposażeniu ich sterowania w możliwości sygnalizacyjne. Oprócz standardowych interfejsów PDH i SDH/SONET, umożliwiających współpracę z publiczną siecią podkładową, przełączniki obszarowe są wyposażone w możliwość realizacji typowych usług pakietowych, takich jak: X.25, Frame Relay i SMDS. Przepływności węzłów obszarowych sięgają dziesiątków Gb/s.

3. Przełączniki systemowe przeznaczone do kierunkowania zintegrowanych strumieni danych i przenoszące informacje sygnalizacyjne między dołączonymi do systemu segmentami sieci innych typów (N-ISDN, GSM itp.)

9. Usługi sieciowe

Istnieją następujące rodzaje usług sieciowych związanych ze sposobem tworzenia połączeń wirtualnych w topologii sieci ATM:

• Stałe połączenia wirtualne PVC (Parmanent Virtual Connections) - przydzielanie w trakcie subskrypcji przed komunikacją, a następnie dostępne przez dłuższy czas (miesiące, lata). Z punktu widzenia użytkownika, takie połączenie spełnia funkcje prywatnej linii dzierżawionej o stałym opóźnieniu transmisji. W razie awarii tworzona jest droga zastępcza, omijająca uszkodzony fragment sieci;

• dynamicznie przełączane połączenia wirtualne SVC (Switched Virtual Circuits) - zestawianie i komutowanie na żądanie abonenta, typu „punkt-punkt”. Likwidacja połączeń następuje natychmiast po zakończeniu przekazu, analogicznie do komutowania łączy w centrali telekomunikacyjnej;

• usługi bezpołączeniowe (Connnectioniess services) - podobne do usług oferowanych w sieciach SMDS (Switched Multimegabit Data Service) i nie wymagające organizacji trasy połączenia przed realizacją transmisji.

1. Warstwowy model sieci


Warstwowy model sieci ISO/OSI definiuje szczegółowo trzy najniższe warstwy w odniesieniu do technologii ATM:

• warstwę fizyczną (ATM Physical Layer), w której są zgrupowane funkcje dostępu do medium transmisyjnego, bez definiowania konkretnego medium transmisyjnego;

• warstwę ATM (ATM Layer), zawierającą właściwe protokoły transmisji pakietów (komórek) i definicje routingu dla kanałów wirtualnych, bez względu na typ realizowanej usługi;

• warstwę adaptacyjną AAL (ATM Adaptation Layer), realizującą typowe funkcje dla różnych usług związanych z segmentacją (dzieleniem na fragmenty) i składaniem jednostek transmisyjnych między wyższymi warstwami a warstwą ATM.

Wizualizacja ścieżek umożliwia różnorodny podział fizycznych zasobów w topologii sieciowej ATM na podsieci logiczne ze ścisłym i wzajemnym ich odseparowaniem (brak multipleksacji między tymi ścieżkami). W skrajnym przypadku są to sytuacje, gdy:

• 
  przypadek a: ścieżka wirtualna obejmująca całe połączenie fizyczne, co minimalizuje liczbę ścieżek:

• przypadek d: ścieżki wirtualne są tworzone między dowolnymi węzłami sieci dla każdej klasy usług osobno (maksymalna liczba utworzonych śvieżek).

10. Funkcje warstwy adaptacyjnej AAL

Możliwości przełącznika określa warstwa adaptacyjne, w której mieszczą się protokoły (od AAL1 do AAL5) zgrupowane w trzy podwarstwy: zbieżności, adaptacji i segmentacji. Funkcje warstwy AAL umożliwiają wykrywanie i reakcję na błędy transmisji, rozpoznawanie zgubionych lub niesekwencyjnych pakietów, sterowanie przepływem i inne. Nie wszystkie funkcje warstwy AAL są implementowane w konkretnych urządzeniach ATM, co powoduje, że istnieje wiele różnorodnych węzłów i urządzeń transmisyjnych technologii ATM przeznaczonych do specjalizowanych funkcji w sieci.

11. Kategorie usług (klasy ruchowe)


Kategorie usług odnoszą się do połączeń w sieci ATM, czyli kanałów wirtualnych VC (Virtual Channels) oraz ścieżek VP (Virtual Paths). W ramach jednej ścieżki wirtualnej kanały wirtualne mogą dzielić asymetrycznie wspólne parametry jakościowe - takie jak CLR (Cell Loss Rate) - przez przyporządkowanie połączeniom odpowiedniej kategorii (klasy ruchu) usług, co w istotny sposób wpływa na przesłanie strumienia komórek przez sieć.

Stowarzyszenie ATM Forum wyodrębniło następujące klasy ruchowe dostarczające usługi ATM:

• CBR (Constant Bit Rate) - odnosi się do usług charakteryzujących się stałym zapotrzebowaniem na pasmo, takich jak emulacja łączy, transmisja głosu bez kompresji i mechanizmu wykrywania ciszy;

• VBR (Variable Bit Rate) - przeznaczona dla usług wymagających zmiennej przepływności, definiowanych przez dodanie kilku parametrów. Kategoria ta występuje w dwóch wersjach: jedna z istotnym uzależnieniem czasowym (real-time VBR) odpowiednia dla ruchu o wybitnie nierównomiernym charakterze (burst), druga bez wyraźnego uzależnienia czasowego (non-real VBR) dla aplikacji wymagających tylko limitowanego czasu reakcji (transakcje bankowe, sygnalizacja w systemach nadzoru i innych).

• ABR (Available Bit Rate) - potrzebna podczas informacji w aplikacjach bez istotnych wymagań czasowych, ale z gwarancją pewnego minimalnego poziomu w dostępie do pasma oraz uzgodnionego poziomu CLR. Kategoria ABR jest stosowana w aplikacjach takich jak: poczta elektroniczna, transfer zbiorów i dostęp do internetu, w których można dopuścić niższe wymagania odnośnie parametru QoS.

• UBR (Unspecified Bit Rate) - wskazana dla usług bez jakichkolwiek gwarancji jakościowych, także dla transmisji nie wymagających określania dopuszczalnego opóźnienia lub jego zmienności.

10. Klasy i typy usług ATM

W szerokopasmowym środowisku ATM zdefiniowano wiele klas jakości QoS i powiązanych z nimi typów usług wynikających ze stosowania różnych kategorii, sposobu przesyłania bitów, wymaganej szerokości pasma i rodzaju połączeń:

• klasa A - usługi połączeniowe ze stałą chwilową szybkością transmisji CBR przeznaczone do zastosowań multimedialnych w czasie rzeczywistym (dźwięk, obraz, wideokonferencje);




• klasa B - usługi połączeniowe wyposażone w mechanizmy umożliwiające przesłanie głosu i obrazów wideo ze zmienną chwilową szybkością transmisji VBR, skompresowane sekwencje wideo. Większość usług sieci ATM, działającej w trybie multipleksacji statycznej, jest określana kategorią VBR;

• klasa C - usługi połączeniowe ze zmienną szybkością transmisji, bez synchronizacji czasowej (sieci X.25, Frame Relay, TCP/IP);

• klasa D - usługi bezpołączeniowe, nadające się do zastosowań w środowiskach, w których przepływ danych odbywa się ze zmienną szybkością, nie wymagając synchronizacji czasowej między węzłami końcowymi (sieci LAN, MAN).

1. Parametry jakościowe przekazu


Istnieją dwa określenia jakości obsługi telekomunikacyjnej: parametr GOS i parametr QoS. Parametr GOS (Grade of Service) dotyczy jakości usługi w warstwie połączenia (connection level) związanej z prawdopodobieństwem wystąpienia blokady zgłoszenia zarówno dla typu usługi, jak i dowolnego zgłoszenia; natomiast parametr QoS (Quality of Service) odnosi się do warstwy pakietowej (cell lecel). Jak dotychczas nie został sprecyzowany jednolity standard QoS odnośnie wymagań w sieciach ATM.

W trakcie transmisji przez siec ATM wiele źródeł wykorzystuje wspólne zasoby transmisyjne o dużej przepływności, co wymaga odpowiedniego starowania natłokiem w węzłach, aby zapewnić każdemu użytkownikowi wymagany poziom usług QoS. Sterowanie natłokiem zgłoszeń jest istotną funkcją węzłów ATM i obejmuje dwa podstawowe elementy: sterowanie przyjęciem zgłoszenia CAC (Connection Admission Control) oraz nadzorowanie źródła SP (Surce Policing) w celu ograniczenia transmisji sygnałów źródłowych.

Istnieją różne kryteria odnośnie wymagań QoS dla sieci ATM proponowane przez organizacje standaryzujące ISO i ITU-T. Według ATM Forum najbardziej odpowiedni zestaw parametrów usług w sieciach ATM obejmuje trzy poziomy sterowania:

• sterowanie łączem, odpowiadające za zestawienie i zwolnienie połączenia. Odrzucenie połączenia dokonuje się w chwili żądania zestawienia, jeśli wymagane pasmo nie jest dostępne;

• kontrola połączenia, odpowiadająca za przydział zasobów w fazie transferu danych. Połączenie jest odrzucane, gdy dostępnej ścieżki lub kanału do punktu docelowego;

• kontrola pakietów (czyli komórek) odpowiadająca za fazę transmisji danych. Strumień pakietów w zaakceptowanym połączeniu jest nadzorowany w sposób ciągły, aby sprawdzić, czy użytkownik nie przekracza wartości zakontraktowanych w fazie ustalania połączenia. Przekroczenie uzgodnionego trafiku powoduje ustawienie przez przełącznik ATM bitu CLP (Cell Loss Priority), informującego źródło o możliwości utraty komórek.

14. Sterowanie przepływem


Istotnym elementem w zarządzaniu ruchem komórek w węzłach sieci ATM jest kontrola nawiązania połączeń CAC, negocjowanie warunków przepływu i przyjęcie właściwego kryterium selekcjonowania (odrzucania) komórek nadchodzących do sieci. Problemy te, chociaż nadal nie rozwiązane ostatecznie, rzutują w zasadniczy sposób na uzyskanie odpowiedniej jakości usług QoS oferowanych przez sieć ATM. Klasycznie, powszechnie stosowane algorytmy sterowania przepływem strumienia GCRA (Generic Cell Rate Algorithm) stosując dwie podstawowe wersje: Virtual Scheduling Algirithm (sprzężenie zwrotne wynikające z porównania parametrów z przewidywanymi teoretycznie) i łatwa do implemantacji procedura Leakay-Bucket Algorithm (algorytm „cieknącego wiadra” z buforem).

Wśród wielu innych algorytmów sterowania, takich jak: Juping Window, Exponentially Weighted Moving Average, największą nadzieję - będącą alternatywą dla rozwiązań klasycznych - budzą algorytmy najnowszej konstrukcji oparte na sztucznej inteligencji, a szczególnie logice rozmytej (fuzzy logic).

Zapewnienie odpowiedniego poziomu jakości usług w sieci ATM wiąże się ściśle ze sterowaniem przyjęcia zgłoszenia CAC, co wymaga uprzedniej deklaracji przez użytkownika parametrów ruchowych i określenia wymaganej jakości usług QoS. Poziom jakości QoS jest zazwyczaj jednoznacznie określony przez podanie rodzaju usługi (klasa i typ), do którego należy zgłoszenie.

Na podstawie tej informacji jednostka sterująca, znając stan swojej sieci, decyduje o akceptacji lub odrzuceniu nowego przybywającego zgłoszenia. Decydującym kryterium jest wynik sprawdzenia spełniania wymogów jakościowych transmisji QoS w warstwie pakietowej, po ewentualnej akceptacji nowego zgłoszenia. W przypadku stwierdzenia nieścisłości lub wątpliwości co do ich spełniania - zgłoszenie zostaje odrzucone.

15. Routing w sieci ATM

Do zapewnienia właściwego trasowania komórek przez sieć ATM stosuje się jeden z trzech sposobów wyznaczania połączeń: routing centralny, routing rozproszony oraz najnowszą wersję routingu mieszanego - znanego pod nazwą przełączników z protokołem MPOA.

Historycznie pierwszym i nadal jeszcze stosowanym jest routing centralny. Polega on na instalacji w sieci ATM jednego dużego, szybkiego inteligentnego routera, włączonego jednocześnie do wielu (wszystkich) sieci wirtualnych. Ze względu na ograniczoną wydajność, skalowalność i odporność pojedynczego routera centralnego i jego łącza rozwiązanie to nie nadaje się do trasowania w większych sieciach ATM.


Powiązanie protokołem typu OSPF kilku równolegle działających routerów centralnych, rozmieszczonych w różnych punktach sieci ATM, pozwala na zwiększenie niezawodności (odporności na awarię każdego z nich) i wzrost ich wydajności. Brak wiedzy o topologii sieci powoduje, że dane między sieciami wirtualnymi mogą być przesłane okrężnymi trasami.

Odmiennym i bardziej efektywnym rozwiązaniem jest routing rozproszony, w którym każde urządzenie dostępowe Ethernet/ATM jest jednocześnie przełącznikiem brzegowym (warstwa 2) i routerem (warstwa 3). Każde urządzenie dostępowe z możliwością trasowania jest włączone do wszystkich sieci wirtualnych, w których uczestniczy, a wybór najlepszego routera jest dokonywany protokołem typu OSPF (Open Shortest Path First), stosowanym w sieciach TCP/IP. Wadami routerów rozproszonych są: wysoki kosz urządzeń, trudności w administrowaniu całością sieci oraz konieczność implementacji zabezpieczeń, gdyż routing dokonuje się w wielu niezależnie konfigurowanych węzłach.


Współczesną odmianą routingu rozproszonego jest protokół MPOA (Multi-Protocol Over ATM), mający zalety routingu centralnego, a pozbawiony jego wad. W tym sposobie routingu jedynymi urządzeniami trasującymi (w warstwie 3) są wybrane routery - stosunkowo nieliczne, lecz technicznie zaawansowane - znajdujące się w sieci ATM. Przy niewielkim obciążeniu całość trafiku w sieci jest trasowana przez te ustalone routery. Wzrost przepływności w sieci powyżej wyznaczonego progu powoduje utworzenie połączenia krótszą trasą i bezpośredni przekaz pakietów przez przełączniki ATM, znajdujące się na trasie między użytkownikami, z pominięciem routera trasującego. Po ustalonym czasie nieaktywności urządzenia brzegowe „zapominają” o bezpośrednim połączeniu, a ponowienie komunikacji dokonuje się powtórnie przez router trasujący.

16. Emulacja LAN w sieci ATM


Zdefiniowany w 1995 r. Przez konsorcjum ATM Forum standard LANE (LAN Emulation) do emulacji sieci lokalnych dostarcza stacjom roboczym połączonym przez sieć ATM takich samych możliwości pracy, jakie są normalnie dostępne w sieciach LAN według standardów IEEE802.3 (Ethernet), IEEE802.5 (Token Ring) i IEEE802.12 (100VG-AnyLAN), lecz działających z podwyższoną szybkością. Bieżąca specyfikacja emulacji LANE (wersja 1.0) nie zajmuje się odrębnie sieciami wykonanymi w technologii FDDI. Najnowsza wersja LANE (wersja 2.0) rozszerza standardowe funkcje przez zapewnienie odpowiedniej jakości usług QoS oraz implementację redundancyjnych usług LANE w krytycznych aplikacjach sieciowych.

Protokół emulacji LANE definiuje usługi wyższego poziomu warstwy sieciowej (adresy MAC), które są identyczne jak w sieciach LAN. Dzięki temu do współpracy z siecią ATM nie są potrzebne żadne modyfikacje ani wymiana sterowników (takich jak NIDS, ODI) funkcjonujących w sieciach LAN.

Podstawowym celem emulacji LANE jest zapewnienie istniejącym aplikacjom dostępu do sieci ATM, z wykorzystaniem protokołów, takich jak APPN, NetBIOS, IPX, IP i innych. Emulacja LANE obejmuje zarówno urządzeń brzegowych, jak też urządzenia i stacje pracujące w sieci LAN.


Za pomocą protokołu LANE fizyczne sieci konkretnych grup użytkowników są odwzorowane na poszczególne sieci emulowane ELAN (Emulated LAN) w środowisku ATM, przy czym każdemu klientowi mogą odpowiadać jedna lub więcej sieci emulowanych w ramach istniejącej struktury ATM. Sieć ELAN jest całkowicie równoważna sieci wirtualnej VLAN, a każda z nich może emulować albo Ethernet, albo Token Ring za pomocą następujących komponentów:

• LAN Emulation Client (LEC);

• LAN Emulation Server (LES);

• Broadcast and Unknown Server (BUS);

• LAN Emulation Configuration Server (LECS).

14. Standard FUNI


Standard FUNI (Frame User to Network Interface) umożliwia dostęp do sieci ATM przy wykorzystaniu ramek o zmiennej długości pola danych, zamiast typowych komórek ATM o ustalonej długości (53 bajty). Zastosowanie tego typu interfejsu w przełącznikach brzegowych sieci ATM pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie łącza dostępowego do sieci. Pomimo swojego podobieństwa do formatu FR standardu FUNI nie zapewnia automatycznie współpracy z siecią Frame Relay.

Węzeł dostępowy sieci ATM dokonuje konwersji ramki formatu w standardzie FUNI na komórki ATM. W porównaniu ze stykiem ATM zakres funkcji i liczba kanałów standardu FUNI są zawężone. Standard FUNI dopuszcza jedynie 15 wirtualnych ścieżek VPI oraz 32 wirtualne kanały VCI, co umożliwia adresowanie tylko do 256 wirtualnych kanałów w styku. Segmentacja pola danych ramki FUNI jest realizowana w warstwie AAL5.

15. Przekaz głosu w sieci ATM

Standaryzacją przekazu głosu przez sieć ATM zajmuje się grupa robocza VTOA (Voice and Telephony Services Over ATM), utworzona w 1993 r. przy ATM Forum. Podstawowym i najprostszym sposobem realizacji kanałów głosowych w sieci ATM jest kategoria usług CBR o ustalonej charakterystyce przenoszenia. Stabilność warunków przekazu jest okupiona stosunkowo wysoką stratą przepustowości łącza, związaną z narzutem sieci (5 bajtów więcej na każde 48 bajtów danych) dla naturalnej przepływności głosu 64 kb/s.

Przekaz głosu w kategorii usług VBR o zmiennej szybkości i dodatkowo z kompresją danych wraz z tłumieniem ciszy daje duże oszczędności pasma, jednak brak jest jeszcze jednolitych i uzgodnionych standardów. Duże nadzieje są związane z protokołem AAL6, definiującym usługi kanałów VBR dla wolnych kanałów głosowych (przepływność kanałowa 32 kb/s, 16kb/s lub mniej).

16. Aplikacje ATM

Wśród różnorodnych zastosowań technologii ATM do przekazu informacji, wyróżnia się:

• 
  połączenia dwupunktowe między użytkownikami, typu P-P (Point to Point);

• połączenia konferencyjne typu P-M (Point to Multipoint) dla przekazu obrazu, także usług multimedialnych;

• transmisja zbiorów danych między sieciami LAN, MAN, WAN, a obejmująca dowolne konfiguracje przekazów między: siecią LAN, przełącznikiem ATM i terminalem końcowym;

• transmisja sygnałów obrazy (wideo, TV, HDTV);

• współpraca z abonenckimi sieciami dostępowymi różnego typu.

14. Podsumowanie

Zalety:

• przekaz cyfrowy o wysokiej i skalowanej przepływności;

• jeden interfejs fizyczny z siecią szerokopasmową, zapewniający dostęp do wszystkich usług możliwych do realizacji w sieci (transmisja głosu, obrazu i danych o dowolnej szybkości bitowej);

• elastycznie konfigurowane (komutacja i transmisja) sieci niezbędnej dla usług o nieprzewidywalnych parametrach transmisji;

• integracja fizyczna i funkcjonalna zapobiegająca zwielokrotnianiu zasobów i łączy dla wielu usług w odrębnych sieciach (separacja kanałów i łączy);

• połączenie z sieciami transportowymi o innej strukturze (FR, SMDS, X.25);

• możliwość tworzenia cyfrowych sieci hybrydowych.

Wady:

• wysoki narzut na sygnalizację wynoszący 9,4%;

• wnoszenie opóźnień podczas pakietowania przy nadawaniu i rozpakietowaniu po stronie odbiorczej;

• losowe opóźnienie przejścia pakietów przez sieć;

• możliwość utraty pakietów z powodu przepełniania buforów w przełącznikach źle zwymiarowanych pod kątem aplikacji;

• konieczność ciągłego nadzoru nad rzeczywistymi parametrami wszystkich aktywnych połączeń

14. Literatura

• Vademecum Teleinformatyka

• Nowicki W.: Telekomunikacja współczesna. PWN W-wa 1966Castelli R., Krause T.: Market Trends and Evolution for Optical Transmission Systems, Alcatel Telecomm. Review, 3/1998, (wersja polska: Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne 7, 1999)

• Holejko K.: Podstawy telekomunikacji światłowodowej. Francusko-Polska Wyższa Szkoła Nowych Technik Informacyjnych. Poznań, 1995

• Alferness R. C., Kogelnil H., Wood T. H.: The Evolution of Optical Systems: Optics Everywhere, BLTJ, Jan-March 2000

• Zuchmantowicz S.: Kable telefoniczne dalekosiężne. Przegląd Telekomunikacyjny 1928, Z 1 i 2

• Bem D. J., Dąbrowski M., Zientalski M.: Kierunki rozwoju i badań naukowych w telekomomunikacji. Prace Naukowe Instytutu Telekomunikacji i Akustyki Politechniki Wrocławskiej. Monografie nr 25, Wroclaw 1986

Internet:

http://www.telenetforum.pl/

21





























































---