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.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Eigenschaften
- 1.1 Fehlerbehandlung
- 1.2 Zellenarten
- 1.3 Adressierung
- 1.4 Diensteklassen (ATM Transfer Capabilities)
- 1.4.1 Constant Bit Rate (Deterministic Bit Rate)
- 1.4.2 Real Time Variable (Statistical Bit Rate)
- 1.4.3 Non Real Time Variable (Non Statistical Bit Rate)
- 1.4.4 Unspecified Bitrate
- 1.4.5 Guaranteed Frame Rate
- 1.4.6 Available Bit Rate
- 1.4.7 ATM Block Transfer with Delayed Transmission/ATM Block Transfer with Immediate Transmission
- 1.4.8 Controlled Transfer
- 2 Header
- 3 Layer
- 4 Verbindungsaufbau/-abbau
- 5 Netzaufbau
- 6 Routing
- 7 Anwendung
- 8 Vorteile von ATM
- 9 Weiterführende Artikel
- 10 Literatur/Quellen
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 | - |
| 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 Echtzeitanwendungenund 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-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 | |||||||
| |||||||
Diagramm einer NNI-Zelle
| 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| VPI | |||||||
| VPI | VCI | ||||||
| VCI | |||||||
| VCI | PT | CLP | |||||
| HEC | |||||||
| |||||||
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 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
| 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 |
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.
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.
Weiterführende Artikel
Literatur/Quellen
- Harald Orlamünder - High-Speed-Netze - Hüthig ISBN 3-7785-3940-X
