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.

Header

Es gibt den User-Network-Interface (UNI) und Network-Network-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

7	6	5	4	3	2	1	0
GFC				VPI
VPI				VCI
VCI
VCI				PT			CLP
HEC
Payload 48Byte

Diagramm einer NNI-Zelle

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

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 fr die Segmentierung und das Zusammenserzen der Daten zuständig sowie die Konvergenzfunktionen.

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

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 / P-NNI) 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.

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.