Jos puhesignaali pelkistetään paketeiksi ja se joutuu jakamaan linkin purskeisen dataliikenteen kanssa (liikenne, jossa on joitakin suuria datapaketteja), niin riippumatta siitä, kuinka pieniksi puhepaketit voitaisiin tehdä, ne kohtaisivat aina täysikokoisia datapaketteja. Normaaleissa jonotusolosuhteissa solut saattavat kokea suurimmat jonotusviiveet. Tämän ongelman välttämiseksi kaikki ATM-paketit eli ”solut” ovat samankokoisia. Lisäksi kiinteä solurakenne tarkoittaa, että ATM voidaan helposti kytkeä laitteistolla ilman ohjelmistokytkentäisten ja -reititettyjen kehysten aiheuttamia viiveitä.
ATM:n suunnittelijat käyttivät siis pieniä datasoluja vähentääkseen jitteriä (tässä tapauksessa viiveiden vaihtelua) tietovirtojen multipleksoinnissa. Jitterin (ja myös päästä päähän -kierrosviiveiden) vähentäminen on erityisen tärkeää, kun siirretään puheliikennettä, koska digitalisoidun äänen muuntaminen analogiseksi äänisignaaliksi on luonnostaan reaaliaikainen prosessi, ja tehdäkseen hyvää työtä dekooderi (koodekki), joka tekee tämän, tarvitsee (ajallisesti) tasaisesti jakautuneen datavirran. Jos seuraavaa dataa ei ole saatavilla silloin, kun sitä tarvitaan, koodekilla ei ole muuta vaihtoehtoa kuin tuottaa hiljaisuutta tai arvausta – ja jos data on myöhässä, se on hyödytöntä, koska aika, jolloin se olisi pitänyt muuntaa signaaliksi, on jo kulunut.
ATM:n suunnittelun aikaan 155 Mbit/s synkronista digitaalista hierarkiaa (SDH), jonka hyötykuorma oli 135 Mbit/s, pidettiin nopeana optisena verkkoyhteytenä, ja monet digitaalisen verkon plesiochronous digital hierarchy (PDH) -yhteydet olivat huomattavasti hitaampia, vaihtelivat välillä 1.544-45 Mbit/s Yhdysvalloissa ja 2-34 Mbit/s Euroopassa.
155 Mbit/s:n nopeudella tyypillisen täyspitkän 1500 tavun (12 000 bitin) datapaketin, joka riittäisi sisältämään Ethernetin maksimikokoisen IP-paketin, lähettäminen kestäisi 77,42 µs. Pienemmän nopeuden linkillä, kuten 1,544 Mbit/s T1-linjalla, sama paketti kestäisi jopa 7,8 millisekuntia.
Monien tällaisten datapakettien aiheuttama jonotusviive saattaa ylittää 7,8 ms:n luvun moninkertaisesti lyhyemmän puhepaketin mahdollisen paketinmuodostusviiveen lisäksi. Tätä ei voitu hyväksyä puheliikenteessä, jossa koodekkiin syötettävän tietovirran jitterin on oltava vähäistä, jos halutaan tuottaa hyvälaatuista ääntä. Pakettipuhejärjestelmä voi tuottaa tämän alhaisen jitterin monella eri tavalla:
- Verkon ja koodekin välissä on toistopuskuri, joka on riittävän suuri, jotta koodekki voi siirtää lähes kaiken datan jitterin. Tämä mahdollistaa jitterin tasoittamisen, mutta puskurin läpi kulkemisen aiheuttama viive vaatii kaiunvaimentimia jopa paikallisverkoissa; tätä pidettiin tuolloin liian kalliina. Lisäksi se lisäsi viivettä koko kanavassa ja vaikeutti keskustelua suuren viiveen kanavilla.
- Käytetään järjestelmää, joka tarjoaa luonnostaan alhaisen jitterin (ja minimaalisen kokonaisviiveen) sitä tarvitsevalle liikenteelle.
- Toimitaan 1:1 käyttäjäkohtaisesti (eli dedikoidussa putkessa).
Ammattiliikenteen automaattiohjausjärjestelmän (ATM:n) suunnittelussa pyrittiin alhaisen jitterin omaavaan verkko-rajapintaan. Suunnittelussa otettiin kuitenkin käyttöön ”soluja”, jotta saatiin aikaan lyhyet jonotusviiveet samalla kun datagrammiliikennettä voitiin edelleen tukea. ATM pilkkoi kaikki paketit, data- ja puhevirrat 48 tavun palasiksi ja lisäsi kuhunkin 5 tavun reititysotsikon, jotta ne voitiin myöhemmin koota uudelleen. 48 tavun valinta oli pikemminkin poliittinen kuin tekninen. Kun CCITT (nykyisin ITU-T) oli standardoimassa ATM:ää, yhdysvaltalaiset osapuolet halusivat 64 tavun hyötykuormaa, koska sen katsottiin olevan hyvä kompromissi tiedonsiirtoon optimoitujen suurempien hyötykuormien ja reaaliaikaisiin sovelluksiin, kuten puheeseen, optimoitujen lyhyempien hyötykuormien välillä. Eurooppalaiset osapuolet halusivat 32 tavun hyötykuormia, koska niiden pieni koko (ja näin ollen lyhyet lähetysajat) yksinkertaistavat äänisovellusten toimintaa kaikujen kumoamisen suhteen. Suurin osa eurooppalaisista osapuolista yhtyi lopulta amerikkalaisten esittämiin perusteluihin, mutta Ranska ja muutamat muut pitivät kiinni lyhyemmän solun pituudesta. Ranska olisi voinut toteuttaa ATM-pohjaisen puheverkon 32 tavun solupituudella, jolloin puhelut Ranskan toisesta päästä toiseen eivät olisi vaatineet kaikujen kumoamista. 48 tavua (plus 5 otsikkotavua = 53 tavua) valittiin osapuolten väliseksi kompromissiksi. Viiden tavun otsikot valittiin, koska katsottiin, että 10 prosenttia hyötykuormasta oli enimmäishinta reititystiedoista. ATM multipleksoi nämä 53 tavun solut pakettien sijasta, mikä vähensi pahimmassa tapauksessa solujen riitelyjitteriä lähes 30-kertaisesti, mikä vähensi kaikujen kumoajien tarvetta.
Solun rakenneEdit
ATM-solu koostuu 5 tavun otsikosta ja 48 tavun hyötykuormasta. Hyötykuorman 48 tavun koko valittiin edellä kuvatulla tavalla.
ATM määrittelee kaksi erilaista solumuotoa: UNI (user-network interface) ja NNI (network-network interface). Useimmat ATM-linkit käyttävät UNI-solumuotoa.
|
UNI ATM-solun kaavio
|
Diagrammi NNI ATM-solusta
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
GFC = Generic flow control (GFC) -kenttä on 4-batavuinen kenttä.bittinen kenttä, joka lisättiin alun perin tukemaan ATM-verkkojen liittämistä jaettuihin liityntäverkkoihin, kuten DQDB-rinkiin (distributed queue dual bus). GFC-kenttä suunniteltiin antamaan käyttäjäverkkoliitännälle (User-Network Interface, UNI) 4 bittiä, joiden avulla voidaan neuvotella multipleksoinnista ja virranohjauksesta eri ATM-yhteyksien solujen välillä. GFC-kentän käyttöä ja tarkkoja arvoja ei kuitenkaan ole standardoitu, ja kentän arvoksi asetetaan aina 0000. VPI = virtuaalisen polun tunniste (8 bittiä UNI tai 12 bittiä NNI) VCI = virtuaalisen kanavan tunniste (16 bittiä) PT = hyötykuorman tyyppi (3 bittiä) PT bitti 3 (msbit): Verkonhallintasolu. Jos 0, käyttäjädatasolu ja sovelletaan seuraavia sääntöjä: PT-bitti 2: Explicit forward congestion indication (EFCI); 1 = verkon ruuhkautuminen PT-bitti 1 (lsbit): ATM user-to-user (AAU) bitti. Käytetään AAL5:ssä osoittamaan pakettien rajoja. CLP = Cell loss priority (soluhäviöprioriteetti) (1 bitti) HEC = Header error control (8-bittinen CRC, polynomi = X8 + X2 + X + 1)
ATM käyttää PT-kenttää erilaisten erityyppisten solujen merkitsemiseen OAM-tarkoituksiin (Operations, Administration and Management) ja pakettien rajojen määrittämiseen joissakin ATM-sovituskerroksissa (AAL). Jos PT-kentän merkitsevin bitti (MSB) on 0, kyseessä on käyttäjädatasolu, ja kahta muuta bittiä käytetään osoittamaan verkon ruuhkautumista ja ATM-sovituskerrosten käytettävissä olevana yleiskäyttöisenä otsikkobittinä. Jos MSB on 1, kyseessä on hallintasolu, ja kaksi muuta bittiä ilmaisevat tyypin. (Verkonhallintasegmentti, verkonhallinta päästä päähän, resurssienhallinta ja varattu tulevaa käyttöä varten.)
Monet ATM-linkkiprotokollat käyttävät HEC-kenttää ohjaamaan CRC-pohjaista kehystysalgoritmia, joka mahdollistaa ATM-solujen paikantamisen ilman ylimääräisiä kuluja, jotka eivät ylitä sitä, mitä muutoin tarvittaisiin otsikkosuojaukseen. 8-bittistä CRC:tä käytetään yhden bitin otsikkovirheiden korjaamiseen ja usean bitin otsikkovirheiden havaitsemiseen. Kun monibittisiä otsikkovirheitä havaitaan, nykyinen ja sitä seuraavat solut hylätään, kunnes löydetään solu, jossa ei ole otsikkovirheitä.
UNI-solu varaa GFC-kentän käyttäjien välistä paikallista virranohjaus-/submultipleksointijärjestelmää varten. Tämän tarkoituksena oli antaa useille päätelaitteille mahdollisuus jakaa yksi verkkoyhteys samalla tavalla kuin kaksi ISDN-puhelinta voi jakaa yhden perusnopeuksisen ISDN-yhteyden. Kaikkien neljän GFC-bitin on oltava oletusarvoisesti nolla.
NNI-solumuoto toistaa UNI-muodon lähes tarkalleen, paitsi että 4-bittinen GFC-kenttä siirretään uudelleen VPI-kenttään, mikä pidentää VPI:n 12 bittiin. Näin ollen yksi NNI-ATM-yhteys pystyy osoitteistamaan lähes 212 VP:tä ja jopa lähes 216 VC:tä kutakin (käytännössä osa VP- ja VC-numeroista on varattu).
PalvelutyypitMuutos
ATM tukee erityyppisiä palveluita AAL:ien kautta. Standardoituja AALeja ovat AAL1, AAL2 ja AAL5 sekä harvoin käytetyt AAL3 ja AAL4. AAL1:tä käytetään CBR-palveluihin (constant bit rate) ja piiriemulointiin. Synkronointia ylläpidetään myös AAL1:ssä. AAL2:sta AAL4:ään käytetään VBR-palveluihin (VBR, variable bitrate) ja AAL5:een datapalveluihin. Sitä, mikä AAL on käytössä tietyssä solussa, ei ole koodattu soluun. Sen sijaan se neuvotellaan tai konfiguroidaan päätepisteissä virtuaaliyhteyskohtaisesti.
ATM:n alkuperäisen suunnittelun jälkeen verkot ovat nopeutuneet huomattavasti. Täysikokoisen 1500 tavun (12000-bittisen) Ethernet-kehyksen lähettäminen 10 Gbit/s-verkossa kestää vain 1,2 µs, mikä vähentää pienten solujen tarvetta vähentääkseen kilpailun aiheuttamaa jitteriä. Joidenkin mielestä tämä puoltaa ATM:n korvaamista Ethernetillä verkon runkoverkossa. Lisääntyneet yhteysnopeudet eivät itsessään vähennä jonottamisesta johtuvaa jitteriä. Lisäksi IP-pakettien palvelumuokkauksen toteuttamiseen tarvittava laitteisto on kallista hyvin suurilla nopeuksilla. Erityisesti OC-3- ja sitä suuremmilla nopeuksilla segmentointi- ja uudelleenkokoamislaitteiston (SAR) kustannukset tekevät ATM:stä vähemmän kilpailukykyisen IP:lle kuin Packet Over SONET (POS). Kiinteän 48 tavun solun hyötykuormansa vuoksi ATM ei sovellu suoraan IP:n perustana olevaksi datayhteyskerrokseksi (ilman SAR-tarvetta datayhteystasolla), koska IP:n pohjana olevan OSI-kerroksen on tarjottava vähintään 576 tavun maksimilähetysyksikkö (MTU). SAR-suorituskyvyn rajoitukset merkitsevät sitä, että nopeimmat IP-reitittimen ATM-liitännät ovat STM16 – STM64, jotka ovat itse asiassa vertailukelpoisia, kun taas vuodesta 2004 alkaen POS voi toimia OC-192:lla (STM64), ja tulevaisuudessa odotetaan suurempia nopeuksia, jotka perustuvat segmentointiin ja uudelleenkokoamiseen (SAR).
Hitaammilla tai ruuhkaisilla yhteyksillä (622 Mbit/s ja alle) ATM on järkevä, ja tästä syystä useimmat epäsymmetriset digitaaliset tilaajajohtojärjestelmät (ADSL) käyttävät ATM:ää fyysisen linkkikerroksen ja PPP:n tai Ethernetin kaltaisen Layer 2 -protokollan välissä olevana välikerroksena.
Näillä alhaisemmilla nopeuksilla ATM tarjoaa hyödyllisen mahdollisuuden kuljettaa useita loogisia piirejä yhdellä fyysisellä tai virtuaalisella väliaineella, vaikka on olemassa muitakin tekniikoita, kuten Multi-link PPP ja Ethernet VLANit, jotka ovat valinnaisia VDSL-toteutuksissa. DSL:ää voidaan käyttää ATM-verkon liityntämenetelmänä, jolloin puhelinkeskuksessa sijaitseva DSL-päätepiste voi muodostaa yhteyden moniin Internet-palveluntarjoajiin ATM-laajakaistaverkon kautta. Ainakin Yhdysvalloissa tämä on mahdollistanut sen, että DSL-palveluntarjoajat ovat voineet tarjota DSL-yhteyksiä monien Internet-palveluntarjoajien asiakkaille. Koska yksi DSL-päätepiste voi tukea useita Internet-palveluntarjoajia, DSL:n taloudellinen toteutettavuus paranee huomattavasti.