14. Асинхронен трансферен метод. Комуникационен стандарт АТМ – мрежа за пренос на данни, глас, изображения и видеокартина

 

Асинхронният трансферен метод (Asynchronous Transfer Mode- ATM) е създаден в резултат  на дейността по разработката на широколентови цифрови мрежи с интегрирани услуги (Broadband Integrated Services Digital Network- BISDN), предназначени за предаване на глас, видеокартина и данни с висока скорост. През 1991 г. фирмите Cisco Systems, NET/ADAPTIVE, Nothern Telecom и Sprint създават организацията АТМ Forum. Тя включва различни работни групи, които разработват спецификации на стандарти за АТМ - http://www.protocols.com/pbook/atm.htm, http://cio.cisco.com/warp/public/614/12.html

 Спазването на тези стандарти осигурява съвместна работа на телекомуникационното оборудване, произведено от различни фирми.

АТМ представлява комуникационен стандарт, в чиято основа е техниката на “предаване на клетки” (cell relay technics). Предаването на клетка е гъвкав и ефективен метод за мултиплексиране на всички видове цифров график- данни, глас, изображения и видеокартина. Този метод позволява да се реагира по подходящ начин на бързите промени в количеството и вида на мрежовия трафик. Целият трафик се разпределя в информационни пакети с фиксирана дължина, наричани клетки (cells), и се комутира с висока скорост. Предаването на клетки комбинира добрите качества, както на мултиплексирането с времеделене TDM, така и на обикновената комутация на пакети. Затова то се счита, за един от най-добрите технологии за мултиплексиране в съвременните комуникационни приложения.

Предаването на клетки може да обработва едновременно от трафик на данни с много голям обем и трафик на информация, която е чувствителна на временни закъснения. При това за всеки тип трафик се осигурява качество на услугите в съответствие с неговите изисквания. Този метод е основан на асинхронно предаване на много къси пакети, което позволява ефективно да се приложи към широка гама интерфейси с различни скорости.

На фиг.14.1 е показан форматът на АТМ клетката. Той включва заглавие от 5 байта и 48 байта данни за предаване (payload data). Клетката се комутира в мрежата на базата на маршрутната информация, която се съдържа в техните заглавия. АТМ пренася всички видове трафик (данни, глас, изображения, видеокартина), като използва клетки с един и същ формат.

АТМ се различава от мултиплексирането с времеделене по начина на разпределяне на комуникационните канали. При TDM комуникационните канали са разделени на фиксирани периоди от време, наречени “Кадри” (frames). Кадрите се състоят от фиксиран брой еднакви по продължителност временни интервали (time slots). На всеки клиент са заделени определен брой временни интервали във всеки кадър. На клиента могат да бъдат присвоени и повече от един временни интервали в даден кадър (фиг.14.2).

Временните интервали на всеки клиент се намира на точно определено във времето място на всеки кадър. Тъй като те се синхронизират, TDM често се определя като синхронен трансферен метод (Synchronous Transfer Mode- STM). Клиентите имат достъп до комуникационния канал само когато принадлежащият им временен интервал е налице. Например клиент А може да изпраща съобщения по комуникационния канал само през време на интервала, определен за клиент А. Ако няма трафик, готов за предаване по време на съответния интервал, то този временен интервал не се използва. При положение, че клиентът има данни за предаване с голям обем, който надвишава капацитета на присвоените му временни интервали, допълнителни интервали не могат да се използват независимо от факта, че те са празни. В резултат на тази особеност може да се получи голямо закъснение при получаването на данни с голям обем трафик, предавани през TDM мрежа.

Достъпът до комуникационния канал при АТМ е по-гъвкав. Всеки клиент, който се нуждае от комуникационния канал, може да го използва при положение, че той е свободен. За разлика от TDM, ATM не предоставя регулярен начин за достъп на клиента до комуникационния канал. Същността на този метод може да се разглежда като предоставяне на честотна лента по клиентска заявка.

При други методи за предаване на пакети, например HDLC (High-Level Data Link Control), всеки клиент може да получи достъп до комуникационния канал. Обаче, ако канала се заеме от клиент, който изпраща дълго съобщение, останалите клиенти не получават достъп до канала, докато това съобщение не се предаде изцяло. При АТМ всяко съобщение се разделя на малки клетки с фиксирана дължина. Нито един клиент не може да заеме комуникационния канал за дълго време, ако други клиенти имат съобщение за предаване (фиг.14.3 ).

Клетките се разпространяват в АТМ мрежата, преминавайки през АТМ комутатори (ATM switches). АТМ комутаторът получава клетки на входните си интерфейси. Той анализира информацията в полето “заглавие” на клетката и въз основа на този анализ предава клетката към изходен интерфейс, свързан със следващ комутатор, към който клетката трябва да се маршрутизира.

АТМ е технология, която реализира комутация на клетки и мултиплексиране. Той съчетава предимствата, както на метода “комутация на канала” (константно закъснение при предаване и гарантирана пропускна способност), така и на метода “комутация на пакети” (гъвкавост и ефективност при нерегулярен трафик). Подобно на методите Х.25 и Fame Relay АТМ дефинира интерфейс между апаратурата на клиента (например работна станция и маршрутизатора) и мрежата. Този интерфейс се нарича UNI (User-Network Interface).

Друга важна характеристика на АТМ е, че се използва типология “звезда”. АТМ комутаторът представлява централен възел в мрежата, към който директно се включват всички останали устройства. Това улеснява въвеждането на промени в конфигурация на мрежата и откриване на грешки.

АТМ е адаптивен, тъй като докато даден АТМ комутатор не е достигнал максималната си обща скорост на предаване на клетки, към него без промени могат да се включат нови връзки. При това общата честотна лента на системата съответна нараства. Ако комутаторът може да предава клетки по всички свои интерфейси с максималната им скорост, то той се нарича неблокиран. Например за да бъде неблокиран един АTМ комутатор с 16 интерфейса, всеки от които има максимална скорост на предаване 115 Mb/s, то неговата обща пропускна способност трябва да бъде около 2,5 Gb/s.

Някои от основните предимства на АТМ са следните:

·        Ефективно използване на честотната лента- чрез разрешение на достъпа на клиента до мрежата винаги, когато ресурсите са свободни, се осигурява по-добро използване на честотната лента при предаване на данни с голям обем. Чрез накъсване на трафика на малки клетки с фиксирана дължина този метод не позволява на клиенти с дълги съобщения да блокират достъпа до мрежата.

·        Гъвкавост- осигурява се възможност за използване на широка гама от скорости на предаване и приложения. Разработените интерфейсни стандарти поддържат скорости на предаване от 1,5 Mb/s до 1,2 G/ps.

·        Прозрачността на приложенията – размерът на клетката при АТМ е компромис между дългите кадри, използвани при предаване на данни, и късите постоянно повтарящи се блокове, използвани при предаването на глас. Поради своята асинхронност методът осигурява трафик, съобразен със скоростта и степента на обем, изисквани от приложенията (данни, глас и др.), а не със скоростта, подходяща за мрежата.

·        Мрежови предимства – бърз и прост маршрутизиращ процес, който се базира на виртуалния канален идентификатор (VCI), намиращ се в полето “Заглавие” на клетката. В мрежата над ниво “клетка” други комутационни и маршрутизиращи процеси не се изпълняват, което опростява и увеличава скоростта на обработка на съобщенията. Тази опростена и бързa обработка на съобщения, позволява да се създават високоскоростни самомаршрутизиращи се комутатори, които могат да се разширяват по размер и скорост в съответствие с бъдещи изисквания.

 

Формати на полето “Заглавие” на клетките при АТМ

 

Полето “Заглавие” на всяка клетка съдържа управляваща информация, която се използва от АТМ комутаторите за маршрутизиране и предаване на клетката от станцията-предавател до станцията- приемник. АТМ стандартът дефинира два типа поле “Заглавие” на предаваните клетки. Първият тип е наречен UNI (User Network Interface). Той се използва при обмен на клетки между крайните станции на клиента (работни станции, маршрутизатори и др.) и АТМ комутаторите на мрежата. Вторият тип поле “Заглавие” се нарича NNI (Network-Node Interface) и се използва при обмен на клетки само между АТМ комутаторите.

Форматът на полето “Заглавие” на клетка от тип UNI е показан на фиг.14.4

Заглавието на клетка тип UNI включва следните полета:

·        GFC (Generic Flow Control)- това поле има дължина 4 бита и е предназначено за общо управление на обмена. То може да се използва за реализиране на локални функции, като например идентифициране на няколко станции, които заедно работят с един и същ АТМ интерфейс. В типичните случаи полето GFC не се използва и в него е записана стойност по подразбиране.

·        VPI (Virtual Path Identifier) - Полето е с дължина 8 бита и в него е записан идентификатор на виртуалния път. То се използва съвместно с полето VCI за определяне н следващото местоназначение по пътя на клетка, която преминава през серия от АТМ комутатора до нейното крайно местоназначение.

·        VCI (Virtual Channel Identifier) - Това поле е с размер 16 бита, които представляват идентификатор на виртуалния канал. Използва се заедно с полето VPI от АТМ комутаторите за определяне на следващото местоназначение на клетките, постъпили на входните интерфейси. По-долу е дадено подробно описание на предназначението на полетата VPI и VCI.

·        PT (Payload Type)- Полето включва 3 бита и се използва за дефиниране на типа на данните.

·        CLP (Congestion Loss Priority) - Това поле е с размер един бит, който задава приоритета на загуба при претоварване. Състоянието на този бит определя дали клетката ще бъде изхвърлена, ако се получи претоварване  при нейното преминаване през мрежата. По-подробно описание на полето CLP е дадено в подточка “Качество на услугата”.

·        НЕС (Header Error Control) - Полето е с размер 8 бита и съдържа сума за контролиране на грешките, които могат да възникнат при предаване. Тази сума се изчислява само за цялото поле “Заглавие”.

Заглавието от типа NNI не съдържа поле GFC. Вместо него полето VPI заема първите 12 бита на заглавието. Това позволява АТМ комутаторите да използват голям брой идентификатори на виртуален път. Останалите полета на заглавието NNI са идентични с тези на заглавието UNI.

 

Еталонен модел на АТМ

 

. Физическият слой при този модел съответства на физическия слой на ISO еталонния модел. АТМ слоят и АТМ адаптивният слой изпълняват функциите на каналния слой на ISO модела. Високите слоеве над АТМ адаптивния слой съвпадат със слоевете от ISO (мрежов, транспортен, сесиен, представителен и приложен). Равнината на контрол генерира и обработва заявките за сигнализация в мрежата. Равнината за клиента реализира управлението и предаването на данните.

 

Физически слой

 

Първото изискване за работата на терминално оборудване с АТМ мрежа е да предава информацията на физическото ниво по подходящ начин.

Съществува важна разлика в архитектурата на физическото ниво при АТМ от тази на физическото ниво при ISO модела. При традиционния еталонен модел физическият слой обработва битове и предава битове между два възела на мрежата. При АТМ най-малката информационна единица, която се обработва и предава, е клетката. Затова част от функциите по тази обработка се изпълняват от физическия слой. За целта той е разделен на два подслоя - PMD и TCS. На най-ниско ниво се намира подслоят PMD (Physical Medium Dependent), който е зависим от физическата среда за предаване (коаксиален кабел, оптично влакно, усукана двойка и т.н.). В този слой се дефинират техническите параметри на използваните куплунги и среди на предаване и се изпълняват функции по кодиране/декодиране, синхронизация и съгласуване.

Над PDM се намира подслоят за конвергенция на предаването TCS (Transmission Convergence Sublayer), който изпълнява част от функциите по обработка на клетките. Една такава функция е “очертаване на клетката” (cell delineation). Тя реализира намирането на граници на всяка клетка в приемния поток от битове.

При наличие на данни за предаване в мрежата се изпращат клетки. Ако липсват данни за предаване, в мрежата трябва да се продължат да се изпращат клетки, за да се запази нейната работоспособност. В този случай подслоят TCS вмъква празни клетки при предаване и отделя празните клетки, когато не достигнат своето местоназначение.

Поради различните начини ва свързване към оптични или други физически реди за предаване подслоят TCS зависи от съответната среда.

 

АТМ слой

 

Размер на клетката

 

Преди да разгледаме основните функции , които изпълнява АТМ слоят, ще се спрем на някои от причините, поради които в АТМ мрежите е избрана 53-байтова дължина на клетката.

 

Закъснение при пакетиране на клетката

 

При цифровото предаване на глас за преобразуване на аналоговия сигнал и двоичен код се използва импулсно кодова модулация PCM (Pulse Code Modulation). Нейният принцип на действие е използване на синусоидален сигнал (реалният аналогов сигнал представлява смес от много хармонични).

При импулсно кодова модулация моментната стойност на амплитудата на входния сигнал се определя 8000 пъти в секунда, т.е. на всеки 125 μs. Входният сигнал се преобразува  в последователност от импулси, всеки от които е с амплитуда, равна на амплитудата  на оригиналния аналогов сигнал за съответния момент от време. Тази последователност се нарича амплитудно модулиран импулсен – PAM (Pulse Amplitude Modulated) сигнал. Осем бита /1 байт/ се използва за кодиране в двоичен вид на всеки импулс от РАМ сигнал. Първият бит на определя поляритета на импулса, а останалите битове - неговата амплитуда. Посредством един байт могат да се кодират 256 различни стойности на амплитудата на входния сигнал. Това кодиране се нарича квaнтоване (quantization). При цифровото предаване на глас получените при импулсно кодовата модулация байтове  се предават последователно бит след бит със скорост 64 Kb/s (8000 байта за секунда).

Скоростта на изменение на амплитудата на синусоидалния сигнал е различна в различните части на сигнала. В областите с ниски амплитуди скоростта на изменение на амплитудата е висока, докато в областите с високи амплитуди тази скорост е ниска. Ако квaнтоването е линейно, това ще доведе до загуба на стойности  на амплитудата, които сас съществени при възстановяването на аналоговия сигнал и съответно до изкривяване на неговите форми.

За да се избегнат изкривяванията на аналоговия сигнал се използва нелинейно квантоване. При него амплитудата  на сигнала се разделя на равни части, наречени сегменти. Когато се кодира дадена моментна стойност на амплитудата, три бита се използват за определяне на сегмента, в който тя се намира, а четири бита за квантоване нейната конкретна стойност в рамките на този сегмент. По този начин за всеки сегмент се използват 16 стойности на нивото на амплитудата.

Нека предположим, че полето “Данни” на клетката е с дължина 40 байта. При предаване на глас през АТМ мрежа това поле трябва да се запълни с 40 стойности на амплитудата на аналоговия сигнал. Първата стойност ще престои в клетката, докато тя изцяло се запълни и бъде предадена в АТМ мрежата. Времето за нейния престой е равно на 40 интервала  на отчитане. Оттук следва, че закъснението на първата стойност до момента на предаване на клетката в мрежата е равно на 5 ms (125 μs . 40 = 5000 μs = 5 ms). Това закъснение се нарича “закъснение при пакетирате” и е от съществено значение при предаване на трафик в реално време - например глас.

При сателитните комуникации закъснението е от порядъка на 250 mSec във всяка посока. Такива големи закъснения предизвикват смущения на нормалния телефонен разговор и трябва да се избягват.

Дори и по-малки закъснения от порядъка на 10 до 100 ms могат да доведат до проблеми, поради възможността да се получи ефектът “ехо” при преобразуването на аналоговия в цифров сигнал. Този ефект се наблюдава в цифровите телефонни мрежи, когато устройствата за подтискане на ехото са повредени и се провежда разговор между два абоната, намиращи се на голямо разстояние един от друг. В този случай всеки от говорещите чува след малко закъснение като ехо своя собствен глас.

За да се сведе закъснението при пакетирането до минимум, трябва да се използват клетки с малка дължина. От друга страна клетката трябва да включва и служебна информация, въз основа на която се извършва нейното маршрутизиране в мрежата. За да се постигне по-високо ефективност при предаване на данни, съотношението между служебната информация и данните също трябва да бъде минимално. При така избрания формат на АТМ клетката, тя осигурява минимално закъснение при пакетиране, като служебната информация заема около 10% от цялата клетка.

 

Закъснение при преминаване на клетката през мрежата

 

Друг важен фактор, който зависи от размера на клетката, е закъснението при нейното преминаване през мрежата.

Да предположим, че по единична DS3 връзка, която се ползва разпределено от 100 други източници на данни, трябва да се предаде съобщение с дължина 100 байта. В най-добрия случай, когато нито един от източниците няма данни за предаване, съобщението се предава веднага  и закъснението при преминаване през мрежата е равно на нула. В най-лошия случай всеки от тези източници има данни за предаване. Тогава съобщението трябва да изчака всичките 100 източника да предадат своите данни. Времето на изчакване представлява закъснението при преминаване през мрежата. При малък размер на клетката то има малки стойности. При клетка с голяма дължина закъснението рязко нараства. Размерът на АТМ клетката е избран, така че да осигури минимално закъснение при преминаване през мрежата.

 

Съвместяване на техническите изисквания

 

Конкретният размер на АТМ клетката е определен на базата на съвместяване на техническите изисквания на Европа и Северна Америка. В Европа основното изискване е минимално време за пакетиране, тъй като европейските цифрови телефонни мрежи не са много големи по размер. Затова при тях не се използва технология за подтискане на ехото. В Северна Америка предаването на трафик от едното до другото крайбрежие  налага използването на такава технология. Поради тази причина при стандартизирането на АТМ мрежите американското предложение в полето “Заглавие” да бъде с дължина 5 байта, а полето “Данни”- с дължина 64 байта, докато европейското предложение определя 4-байтово поле “Заглавие” и 32-байтово поле “Данни”. Размерът на АТМ клетките е компромисен вариант, при който 48-те байта на полето “Данни” представляват средно аритметично между 64 и 32.

 

Функции  на АТМ слоя

 

АТМ слоят е отговорен за установяване на връзката и преминаване на клетките през АТМ мрежата. За целта той използва информацията, която се съдържа в полето “Заглавие” на клетката (фиг.14.4 ). Неговите основни функции са следните.

Виртуални връзки

 

АТМ слоят извършва маршрутизиране на клетките през мрежата и установяването на връзки между нейните абонати. За целта той използва полетата VPI (идентификатор на виртуалния път) и VCI (идентификатор на виртуалния канал). Маршрутизирането на клетките в мрежата се извършва от АТМ комутаторите.

 

Приоритет при загуба на клитката

 

Този приоритет се определя от бита CLP (приоритет при загуба при пренатоварване) от полето “Заглавие”. При пренатоварване на мрежата клетките, в които този бит е установен, се отхвърля от АТМ слоя преди останалите.

Различни са причините, поради които клетките могат да бъдат маркирани с най-висок приоритет за изхвърляне. Например това може да се извърши от терминалът, в случай, че се използват услуги на глобални мрежи, за които има ценова граница. Също така могат да се въведат различни приоритети за различни видове трафик. Битът CLP се използва от управлението на трафика и може да бъде установен от АТМ мрежата.

 

АТМ адаптивен слой

 

АТМ адаптивният слой (ATM Adaptation Layer- AAL) получава пакети от протоколите от по-високо ниво (например AppleTalk, Internet протоколи или NetWare) и ги разделя на 48-байтови сегменти, които формират полето “Данни” на АТМ клетката. В момента са дефинирани няколко типа АТМ адаптивни слоя..

 AAL 1

Адаптивният слой AAL1 подготвя клетката за предаване. Данните, които се предават и приемат от този слой, представляват синхронни порции от информация- например при предаване на глас един байт се генерира на всеки 125 μs.

Първите два байта, които слоят AAL1 записва в полето “Данни” изпълняват служебни функции. Байтът SN (Sequence Number) съдържа поредния номер на клетката, а байтът SNP (Sequence Number Protection) представлява поле за контрол на този номер. Тази информация е необходима за приемащия слой AAL1, за да извърши проверка дали клетките пристигат в коректна последователност. Останалата част от полето “Данни” на клетката се запълват с 46 байта полезна информация.

Слоят AAL1 е подходящ за транспорт на телефонен трафик и некомпресиран видео трафик. Той изисква синхронизация между източника и приемника и поради тази причина трябва да се използва с физическа среда, която поддържа такава синхронизация- например SONET.