Asynchronous Transfer Mode

Asynchronous Transfer Mode - ATM ist eine Technik der Datenübertragung, bei der Datenverkehr in kleine Pakete (Zellen oder Slots genannt), mit einer fester Länge (53 Byte) codiert und über asynchrones Zeitmultiplexing übertragen wird. Die Zellen- Technik hat im Vergleich zu Übertragungstechniken mit variabler Paketgröße (z.B. Ethernet) den Vorteil, dass die Zellen durch so genanntes "Zell-Relay" effizienter weitergeleitet werden können. Im Gegensatz zur Ethernet – oder TCP/IP-Technik, die in Lastsituationen zu unberechenbaren Ergebnissen führen kann, bietet ATM Garantien hinsichtlich effektiver Bitrate, Delay (Verzögerung) und Jitter (Schwankungen), was gewöhnlich als QoS (Quality of Service) bezeichnet wird.

Eigenschaften

ATM ist eine verbindungsorientierte Übertragunstechnik. In einem ATM-Netz werden die Nutzdaten in Zellen mit konstanter Größe verpackt und mit einem Header mit Steuerinformationen versehen. Der Versand der Daten erfolgt unabhängig vom Netztakt. ATM setzt in den meisten Fällen als Trägerprotokoll für die Übertragung auf Synchrone Digitale Hierarchie (SDH) und Synchronous Optical Network (SONET), jedoch auch FDDI, E1, UTP. Je nach Trägerprotokoll und Hardware lassen sich damit Übertragunsgeschwindigkeiten von 1,5 bis 622 MBit/s realisieren. Aus Sicht von ATM gibt es keine Geschwindigkeitsbeschränkung, solange die physikalische Schnittstelle dafür verfügbar ist. Nicht benötigte Kapazitäten werden bei ATM mit Leerzellen aufgefüllt, diese haben ein Flag im Header, der sie als solche markiert. Diese Pakete können von anderen Teilnehmern des Netzes auch "überschrieben" werden und so für die eigene Verbindung genommen werden. Durch diese Möglichkeit steigt der Durchsatz des anderen Teilnehmers.

Fehlerbehandlung

In ATM wurde keine der gängigen Fehlerbehandlungen eingeführt, da diese entweder für Hochgeschwindigkeitsprotokolle ungeeignet sind oder durch zuviele zusätzliche Daten ausgezeichnet haben. Daher wurde diese Tätigkeit den höheren Protokollebenen überlassen.

Zellenarten

Es gibt bei ATM verschiedene Arten von Zellen:

• Zellen der physikalischen Schicht (physical Layer):
  • Gültige Zellen (Valid Cells) - Zellen deren Header korrekt ist oder dessen Reparatur erfolgreich war.
  • Ungültige Zellen (Invalid Cells) - Zellen deren Header defekt ist und nicht repariert wurden oder deren Reparatur nicht erfolgreich war.
  • Leerzellen - Zellen, die der physical Layer schickt um den Zellenstrom zu füllen.

• Zellen der ATM Schicht:
  • Zugewiesene Zellen (Assigned Cells) - Zellen die einer bestimmten Verbindung zugeordnet wurden.
  • Leerzellen (Unassigned Cells) - Zellen die keiner Verbindung zugeordnet wurden, z.B. um den Zellstrom für die physikalische Schicht gleichmäßig zu halten.

Zwischen den Leerzellen der physikalischen und der ATM Schicht wird unterschieden, welche bevorzugt werden hängt von der Implementierung ab.

Adressierung

Die Adressierung bei ATM erfolgt über hierarchische Nummern, ähnlich einer Telefonnummer. Diese werden in dem Standard E.164 festgelegt und auch nach ihr benannt.

Diensteklassen (ATM Transfer Capabilities)

Diensteklassen ist der Begriff den das ATM-Forum geprägt hat, ein anderer Ausdruck ist "ATM Transfer Capabilities" (ATC), welcher von der ITU-T benutzt wird. Mit den Diensteklassen werden bestimmte Parameter in den Zellen beschrieben. Das ATM-Forum und die ITU-T haben auch hier verschiedene Begriffe geprägt:

ATM-Forum		ITU-T
CBR	Constant Bit Rate	DBR	Deterministic Bit Rate
rt-VBR	Real-Time Variable Bit Rate	rt-SBR	Real-Time Statistical Bit Rate
nrt-VBR	Non-Real-Time Variable Bit Rate	nrt-SBR	Non-Real-Time Statistical Bit Rate
UBR	Unspecified Bit Rate	DBR (unsp.)	Deterministic Bitrate with unspecified QoS class
GFR	Guaranteed Frame Rate	GFR	Guaranteed Frame Rate
ABR	Avaible Bit Rate	ABR	Avaible Bit Rate
-		ABT-DT	ATM Block Transfer with Delayed Transmission
-		ABT-IT	ATM Block Transfer with Immediate Transmission
-		CT	Controlled Transfer

Für die Dienstklassen gelten folgende Parameter

	Dienstklassen/ATM Transfer Capabilities
ATM-Forum	CBR	rt-VBR	nrt-VBR	UBR	GFR	ABR	-	-	-
ITU-T	DBR	rt-SBR	nrt-SBR	DBR	GFR	ABR	ABT-DT	ABT-IT	CT
	Parameter für Dienstgüte
CTD	X	X	-	-	-	-	X	X	-
CDV	X	X	-	-	-	-	X	X	-
CLR	X	X	X	-	X	X	X	-	X
	Parameter für Verkehr
PCR	X	X	X	-	X	X	-	X	X
SCR	-	X	X	-	-	-	-	X	-
MBS	-	X	X	-	X	-	-	X	-
MFS	-	-	-	-	X	-	-	-	-
MCR	-	-	-	-	-	X	-	-	-
CDVT	X	X	X	-	X	X	-	X	X
	Resource Management
Kapazitäts- Zuweisung	Spitzen- wert	statisch		Keine	-	elastisch		-	elastisch
Fluss- kontrolle	-	-	-	-	-	X	X	X	X

Constant Bit Rate (Deterministic Bit Rate)

Bei der CBR wird die Spitzenzellrate durch den Parameter PCR reserviert und garantiert die Parameter CLR, CTD und CDV. Diese Festlegung gilt für die gesamte Dauer einer Verbindung. Anwendung findet diese Dienstklasse bei Echtzeitanwendungen und der Emulation von leitungsvermittelnden Verbindungen (circuit emulation).

Real Time Variable (Statistical Bit Rate)

Bei der RTV wird nicht der Spitzenzellratenwert sondern das statistische Verhalten des Dienstes reserviert. Reserviert wird diese durch die Parameter PCR, SCR und MBS. Garantiert wird durch diese Klasse die Qualitätsparameter CLR, CTD und CDV. Diese Festlegung gilt für die gesamte Dauer einer Verbindung. Anwendung findet diese Dienstklasse z.B. bei Videoübertragungen, wobei diese keinen großen Puffer vorsehen.

Non Real Time Variable (Non Statistical Bit Rate)

Bei der RTV wird nicht der Spitzenzellratenwert sondern das statistische Verhalten des Dienstes reserviert. Reserviert wird diese durch die Parameter PCR, SCR und MBS. Garantiert wird durch diese Klasse nur der Qualitätsparameter CLR. Diese Festlegung gilt für die gesamte Dauer einer Verbindung. Amwendung findet diese Dienstklasse in den Bereichen wo einfache Datenmengen gesendet werden, z.B. Transaktionen.

Unspecified Bitrate

In dieser Dienstklasse gibt es keine Garantien für die Qualität, jedoch kann sich der Dienst jede verfügbare Kapazität nehmen, wie es z.b. bei IP ist. Da keine Garantie für die Qualität der Übertragung vorhanden ist, können auch Zellen verloren gehen.

Guaranteed Frame Rate

Bei der GFR wird über den Maximum Frame Size (MFS) Parameter festegelegt wie groß die AAL-5-Rahmen sind um so den Verlust von Zellen zu vermeiden. Zusätzlich werden auch die Parameter PCR, MCR und MBS festgelegt. Geht der Wert über den reservierten Wert hinaus, teilt der Dienst sich die freie Kapazität mit anderen Diensten dieser Klasse.

Available Bit Rate

Bei der ABR wird mit einer Art Flusskontrolle gearbeitet, dazu sendet der Dienst regelmäßig Resource Management Zellen (RM-Zellen) aus um die Kapazität des Netzes zu ermitteln. Als Parameter werden MCR und PCR gesetzt, garantiert wird jedoch nur die CLR.

ATM Block Transfer with Delayed Transmission/ATM Block Transfer with Immediate Transmission

Die beiden Dienstklassen gehen von einem ähnlichen Ansatz wie die GFR aus. Die Kapazitätsbelegung wird wie bei der Constant Bit Rate gemacht, jedoch mit Ein/Aus-Schalten. Das heißt einmal wird eine konstante Bitrate reserviert und einmal nicht. Der Unterschied zwischen ABT-DT und ABT-IT ist die Art der Reservierung. Bei ABT-DT wird die Reservierung vor dem Senden der Zelle mit einer RM-Zelle gemacht und bei positiver Rückmeldung gesendet. ABT-IT sendet auch die Reservierung, wartet jedoch nicht auf die Rückmeldung und sendet die Daten sofort.

Controlled Transfer

Bei der CT erfolgt die Einstufung der Zellen in Form von Credits, die gegen Kapazität eingetauscht werden können. Jeder beteidigete Strecke reserviert eigentständig die Kapazität. Die Credits werden mit RM-Zellen ausgetauscht. Hier wird nur der Parameter PCR gesetzt und garantiert wird nur die CLR.

Header

Es gibt den User-Network-Interface (UNI) und Network-Node-Interface (NNI) Header. Die Verwendung der einzelnen Header hängt von den verwendeten Schnittstellen ab. UNI wird für die Kommunikation zwischen Endgerät (User) und Schnittstelle des Netzbetreibers (Network) verwendet, wogegen NNI nur für die Kommunikation der Netzgeräte verwendet wird (Cross Connect).

Diagramm einer UNI-Zelle	Diagramm einer NNI-Zelle
7 6 5 4 3 2 1 0 GFC VPI VPI VCI VCI VCI PT CLP HEC Payload 48Byte	7 6 5 4 3 2 1 0 VPI VPI VCI VCI VCI PT CLP HEC Payload 48Byte

Generic Flow Control (GFC)

Für den Fall, daß ATM-Zellen auf Shared-Media-LANs übertragen werden und eine LAN-typische Medien-Zugriffs-Kontrolle nötig ist, kann das GFC-Feld verwendet werden. Verkehrssteuerung zwischen Endgerät und Netzknoten. Unterscheidung von ungesteuerten, gesteuerten und steuernden Geräten. Bei Nichtverwendung werden die Bits auf 0 gesetzt.

Virtual Path Identifier (VPI)/Virtual Channel Identifier (VCI)

Die Felder VCI und VPI beinhalten die logische Adresse für die Verbindung, da es keine Ende-zu-Ende Verbindungs ist, stehen in dem Feld kein endgültigen Adressen, sondern nur Links. Mit dem VPI lassen sich mehrere VCIs bündeln, VP Switches und VP Cross Connects routen immer diese Bündel. Dagegen werten VC Switches und VC Cross Connects das gesamte Adressfeld aus um die Pakete zu routen. So können diese auch die VPI und VCI einer Verbindung wärend des Routings ändern, wogegen ein VP Switch nur die VPI ändern kann.

Werden VP- und VC-Connections über das Netzwerkmanagement eingestellt spricht man von einer Permanent Virtual Connection (PVC), werden sie dagegen durch Zeichengabe (Signalisierung) des Benutzers gesetzt spricht man von Switched Virtual Connections (SVC).

Payload Type (PT)/Payload Type Identifier (PTI)

Angabe über Inhalt der Zelle. Z.B. Nutzdaten oder Verwaltungsinformationen.

ID	Payload Type
000	Benutzer-Zelle, keine Überlast festgestellt, SDU-Type = 0
001	Benutzer-Zelle, keine Überlast festgestellt, SDU-Type = 1
010	Benutzer-Zelle, Überlast festgestellt, SDU-Type = 0
011	Benutzer-Zelle, Überlast festgestellt, SDU-Type = 1
100	Segment OAM F5 Zelle
101	End-to-End OAM F5 Zellen
110	Lastmanagement
111	(reserved)

Cell Loss Priority (CLP)

Bei CPL = 1 wird in Stausituationen die Zelle verworfen. Durch diesen Verlust muss die Zelle neu angefordert werden, was zu einem sinkenden Datandurchsatz führt. Innerhalb einer Sprachverbindung würde man ein Knacksen hören. Dies sind regelmäßig Zellen, die ein Endgerät über die zulässige Datenrate (CIR, committed information rate) hinaus sendet, und die dann vom ATM-Netz-Zugangs-Knoten an der UNI-Schnittstelle mit CLP=1 gekennzeichnet werden. Solange ein Endgerät innerhalb der CIR sendet, bleibt CLP=0 bestehen.

Header Error Control (HEC)

Dieses Feld dient der Fehlererkennung im Header. Ein einzelnes fehlerhaftes Bit kann in Knoten direkt korrigiert werden. Weitere Fehler führen zum Verwerfen der ganzen Zelle. Neue ATM-Knoten verwenden die HEC um sich auf die Zellgrenzen zu synchronisieren.

Payload

Daten der Zelle, dies können zusätzliche Steuerdaten (PCI) der ATM-Anpassungs-Schichten (AAL) Der Payload ist immer 48Byte groß, dies ist ein Kompromiss zwischen Europa (Wunsch 32Byte) und Amerika (Wunsch 64Byte).

Layer

Funktionen der Layer

Funktion	Teilschicht	Schicht
Konvergenz (convergenz sublayer)	CS	AAL
Segmentierung und zusammensetzen der Daten (segmentation and reassembly sublayer	SAR
Generierung und Extraktion des Headers (cell header generation and extraction)		ATM
Übersetzen von VPI und VCI - Werten (VPI/VCI translation)
Multiplexen und Demultiplexen der Zellen (cell multiplex and demultiplex)
Entkopppeln der Zellrate von der Übertragungsrate (cell rate decoupling)	TC	PHY
Behandeln des Header-Fehlerschutzes (HEC generation and verification)
Erkennen der Zellgrenzen (cell delineation)
Anpassen an den Übertragungsrahmen (transmission frame adaptation)
Erzeugung und Wiederherstellen des Übertragungsrahmens (transmission frame generation and recovery)
Ereugen des Bit-Taktes (bit timing)	PM
Physikalisches Medium

Physical Layer

Der Physical Layer ist für die Abgrenzung der Zellen zuständigm sowie die Generierung und Verifizierung der HEC. Desweiteren bindet er ATM an das Trägerprotokoll an

ATM Layer

Der ATM Layer ist für die Flusskontrolle und die Generierung bzw. Extraktion der Headerdaten verantwortlich. Desweiteren kontrolliert/übersetzt es die VPI und VCI Angaben und de-/multiplext die Zellen. Die Einstufung der Zellen (Payload) sowie Tarffic shaping und policing erfolt auch in dieser Schicht. Zusätzlich wird in dieser Schicht das Routing übernommen.

ATM Adaption Layer

Die AAL ist für die Segmentierung und das Zusammensetzen der Daten zuständig sowie die Konvergenzfunktionen. Funktionen der AAL:

• Segmentieren/Zusammensetzen der Nutzdaten aus den Zellen
• Behandlung von verzögerten, verlorener und fehlgeleiteter Zellen
• Taktrückgewinnung beim Empfänger
• Erkennen und Behandlung von Bitfehlern im Informationsfeld
• Multiplexen und Demultiplexen der Nutzerströme
• Unterscheidung der Segmenttypen

Die AAL hat verschiedene Diensteklassen, welche in das Informationsfeld der Zellen eingetragen werden. Die Einteilung ist mittlerweile veraltet und wird nicht mehr verwendet.

Diensteklasse	A	B	C	D
Zeitbeziehung zwischen Quelle und Ziel	notwendig		nicht notwendig
Bitrate	konsant	variabel
Verbindungsart	verbindungsorientiert(CO)			verbindungslos(CL)
Beispiele	Mietleitungs- emulation	Video mit variabler Bitrate	Datentransfer, verbindungsorientiert	Datentransfer, verbindungslos
Möglicher AAL-Typ	Typ 1	Typ 2	Typ 3/4 Typ 5	Typ 3/4

• ATM Adaption Layer - Typen

Verbindungsaufbau/-abbau

Beim Aufbau der ATM-Verbindung wird vom Sender eine Signalisierungszelle mit Zielinformationen und der gewünschten Netzkapazität an den Empfänger geschickt. Dabei wird die Route für die nachfolgenden Zellen festgelegt und zwischen dem Endsystem und dem Switch des Dienstanbieters ein Verkehrsvertrag vereinbart. Dort ist die Dienstklasse und die Bandbreite geregelt. Diesen Vorgang nett man auch Signalisierung. Anhand des Verkehrsvertrages überwacht das Endgerät und die Verkehrssteuerung des Dienstanbieters die Einhaltung der Übertragungsparameter aus dem Verkehrsvertrag. Die Informationen im Verkehrsvertrag werden in den Netzknoten gespeichert und nicht in den Headern der Zellen. So lassen sich viele beliebige und lange Routen definieren. Nach Abbau der Verbindung werden die Einträge aus den Switches gelöscht.

Netzaufbau

Das ATM-Netz besteht aus Netzknoten und den Verbindungen (NNI / PNNI) zwischen diesen Netzknoten, sowie den Endgeräten. Innerhalb der Netzknoten sind viele Funktionen fest verdrahtet (hardwaremäßig). Damit vermeidet man Übertragungsverzögerungen. Das UNI (User Network Interface) ist die Schnittstelle vom Netzknoten zum Anwender. Das NNI (Network Node Interface) bildet die Schnittstelle zwischen den Netzknoten (Cross-Connect). Das B-ICI (Broadband Inter Carrier Interface) verbindet die öffentlichen Netze der Netzbetreiber miteinander. Das ATM-Netz lässt sich auf einer Vielzahl von Übertragungssystemen aufbauen z.B. E1, SHD oder SONET.

Routing

AMT Pakete (Zellen) werden anhand der VCI und VPI Einträge im Header geroutet, wobei die Einträge von den Switches und Cross Connects auch geändert werden können. Eine Verbindung zwischen Geräten heißt Link bis die VCI bzw VPI geändert (umgewertet) wird, bei VPI VPL und bei VCI heißt es VCL. Mehrere aufeinander folgende Links werden zu einer Connection zusammen gefasst, eine Connection endet wenn in den Inhalt des VP oder VCs betrachtet wird.

• VCL - Virtual Channel Link
• VCC - Virtual Channel Connection
• VPL - Virtual Path Link
• VPC - Virtual Path Connection

Anwendung

• Classical IP over ATM (CLIP)
• Multiprotocol Lable Switching (MPLS)
• Next Hop Resolution Server (NHRS)
• Multicast Adress Resolution Server (MARS)
• LAN Emulation (LAN-E)
• Multiprotocol over ATM (MPOA)
• Private Network to Network Interface (PNNI)
• Träger- und Providernetze (LAN/MAN/GAN)
• Breitband ISDN

Vorteile von ATM

Durch die Verwendung von Zellen hat ATM eine vorhersehbare Transportzeit und die Netzwerkkomponenten lassen sich so einfacher bauen, da die Speicher maximal 53 Byte aufnehmen müssen. Durch Multiplexing können die Netzwerk und Switchingressourcen sehr gut ausgenutzt werden. Außerdem eignet es sich durch die Qualty of Service Unterstützung auch sehr gut für Multimediadienste. Die Skalierbarkeit von ATM ist nur durch die zu grunde liegende Technologie begrenzt, so lässt sich eine sehr hohe Bandbreite erreichen.

Nachteile von ATM

Einer der größten Nachteile von ATM sind hohe Anschaffungs-/Einrichtungskosten. Außerdem ist es sehr komplex und kein stabiler Standard.

Zukunft

ATM sollte 1990 mit B-ISDN eingeführt werden jedoch wurde es durch die hohen Kosten und den "Internetboom" mit dem Internet Protocol stark ausgebremst. Mittlerweile ist das klassische Internet an seinen Grenzen angelangt und die Netzbetreiber suchen nach Alternativen um die Leistung zu steigern. Hier wird ATM in den OSI-Schichten 1 und 2 als Trägerprotokoll für IP dienen und so den nötigen Leistungsschub bringen.

Weiterführende Artikel

• Resource Management Zelle (ATM)
• Abkürzungen (ATM)
• ATM Adaption Layer - Typen

Literatur/Quellen

• Harald Orlamünder - High-Speed-Netze - Hüthig ISBN 3-7785-3940-X