Dacă un semnal de vorbire este redus la pachete și este forțat să împartă o legătură cu un trafic de date în rafală (trafic cu unele pachete de date de mari dimensiuni), atunci, indiferent cât de mici ar putea fi făcute pachetele de vorbire, acestea vor întâlni întotdeauna pachete de date de dimensiuni complete. În condiții normale de coadă de așteptare, celulele ar putea înregistra întârzieri maxime de așteptare. Pentru a evita această problemă, toate pachetele ATM, sau „celulele”, au aceeași dimensiune mică. În plus, structura fixă a celulelor înseamnă că ATM poate fi ușor de comutat prin hardware fără întârzierile inerente introduse de cadrele comutate și rutate prin software.
Astfel, proiectanții ATM au utilizat celule de date mici pentru a reduce jitterul (variația întârzierilor, în acest caz) în multiplexarea fluxurilor de date. Reducerea jitterului (și, de asemenea, a întârzierilor dus-întors de la un capăt la altul) este deosebit de importantă atunci când se transportă trafic de voce, deoarece conversia vocii digitizate într-un semnal audio analogic este un proces inerent în timp real, iar pentru a face o treabă bună, decodorul (codecul) care face acest lucru are nevoie de un flux de elemente de date spațiat uniform (în timp). Dacă următorul element de date nu este disponibil atunci când este nevoie de el, codecul nu are altă opțiune decât să producă tăcere sau să ghicească – iar dacă datele sunt întârziate, sunt inutile, deoarece perioada de timp în care ar fi trebuit să fie convertite în semnal a trecut deja.
În momentul proiectării ATM, 155 Mbit/s de ierarhie digitală sincronă (SDH) cu o sarcină utilă de 135 Mbit/s era considerată o legătură de rețea optică rapidă, iar multe legături de ierarhie digitală plesiocronă (PDH) din rețeaua digitală erau considerabil mai lente, variind de la 1.544 la 45 Mbit/s în SUA și de la 2 la 34 Mbit/s în Europa.
La 155 Mbit/s, un pachet de date tipic de 1.500 de octeți (12.000 de biți) de lungime completă, suficient pentru a conține un pachet IP de dimensiune maximă pentru Ethernet, ar dura 77,42 µs pentru a fi transmis. Într-o legătură de viteză mai mică, cum ar fi o linie T1 de 1,544 Mbit/s, același pachet ar dura până la 7,8 milisecunde.
O întârziere la coadă indusă de mai multe astfel de pachete de date ar putea depăși cifra de 7,8 ms de mai multe ori, în plus față de orice întârziere de generare a pachetului în pachetul de vorbire mai scurt. Acest lucru a fost considerat inacceptabil pentru traficul de voce, care are nevoie de un jitter scăzut în fluxul de date introdus în codec pentru a produce un sunet de bună calitate. Un sistem de voce în pachete poate produce acest jitter scăzut în mai multe moduri:
- Utilizarea unui buffer de redare între rețea și codec, unul suficient de mare pentru ca codecul să depășească aproape tot jitterul din date. Acest lucru permite netezirea jitterului, dar întârzierea introdusă de trecerea prin buffer necesită anulatoare de ecou chiar și în rețelele locale; acest lucru a fost considerat prea scump la vremea respectivă. De asemenea, aceasta creștea întârzierea pe canal și îngreuna conversația pe canalele cu întârzieri mari.
- Utilizarea unui sistem care oferă în mod inerent un jitter scăzut (și o întârziere totală minimă) traficului care are nevoie de el.
- Operarea pe bază de utilizator 1:1 (adică o conductă dedicată).
Proiectarea ATM a avut ca scop o interfață de rețea cu jitter scăzut. Cu toate acestea, „celulele” au fost introduse în proiectare pentru a asigura întârzieri scurte la coada de așteptare, continuând în același timp să suporte traficul de datagrame. ATM a împărțit toate pachetele, datele și fluxurile de voce în bucăți de 48 de octeți, adăugând la fiecare dintre ele un antet de rutare de 5 octeți, astfel încât acestea să poată fi reasamblate ulterior. Alegerea celor 48 de octeți a fost mai degrabă politică decât tehnică. Atunci când CCITT (în prezent ITU-T) a standardizat ATM, părțile din Statele Unite doreau o sarcină utilă de 64 de octeți, deoarece se considera că acesta este un bun compromis între sarcini utile mai mari, optimizate pentru transmiterea de date, și sarcini utile mai scurte, optimizate pentru aplicații în timp real, cum ar fi vocea; părțile din Europa doreau sarcini utile de 32 de octeți, deoarece dimensiunea mică (și, prin urmare, timpii de transmisie scurți) simplifică aplicațiile vocale în ceea ce privește anularea ecoului. Majoritatea părților europene au acceptat în cele din urmă argumentele americanilor, dar Franța și alte câteva țări au insistat pentru o lungime mai mică a celulei. Cu 32 de octeți, Franța ar fi fost în măsură să implementeze o rețea de voce bazată pe ATM, apelurile de la un capăt la altul al Franței neavând nevoie de anularea ecoului. S-a optat pentru 48 de octeți (plus 5 octeți de antet = 53) ca un compromis între cele două părți. Au fost aleși antetele de 5 octeți deoarece s-a considerat că 10% din sarcina utilă era prețul maxim de plătit pentru informațiile de rutare. ATM a multiplexat aceste celule de 53 de octeți în loc de pachete, ceea ce a redus jitterul de contenție a celulelor în cel mai rău caz cu un factor de aproape 30, reducând nevoia de dispozitive de anulare a ecoului.
Structura celuleiEdit
O celulă ATM constă dintr-un antet de 5 octeți și o sarcină utilă de 48 de octeți. Dimensiunea sarcinii utile de 48 de octeți a fost aleasă așa cum a fost descrisă mai sus.
ATM definește două formate diferite de celule: user-network interface (UNI) și network-network interface (NNI). Majoritatea legăturilor ATM utilizează formatul de celule UNI.
|
Diagrama unei celule UNI ATM
|
Diagrama unei celule NNI ATM
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
GFC = Câmpul de control generic al fluxului (GFC) este un 4-biți care a fost adăugat inițial pentru a sprijini conectarea rețelelor ATM la rețelele de acces partajat, cum ar fi un inel DQDB (distributed queue dual bus). Câmpul GFC a fost conceput pentru a oferi interfeței utilizator-rețea (UNI) 4 biți în care să negocieze multiplexarea și controlul fluxului între celulele diferitelor conexiuni ATM. Cu toate acestea, utilizarea și valorile exacte ale câmpului GFC nu au fost standardizate, iar câmpul este întotdeauna setat la 0000. VPI = Identificatorul căii virtuale (8 biți UNI sau 12 biți NNI) VCI = Identificatorul canalului virtual (16 biți) PT = Tipul de sarcină utilă (3 biți) PT bit 3 (msbit): Celula de gestionare a rețelei. Dacă este 0, celulă de date de utilizator și se aplică următoarele: PT bit 2: Indicație explicită de congestie înainte (Explicit forward congestion indication – EFCI); 1 = congestie în rețea PT bit 1 (lsbit): Bit ATM utilizator-utilizator (AAU). Utilizat de AAL5 pentru a indica limitele pachetelor. CLP = Prioritatea de pierdere a celulei (1 bit) HEC = Controlul erorilor de antet (CRC pe 8 biți, polinomial = X8 + X2 + X + 1)
ATM utilizează câmpul PT pentru a desemna diferite tipuri speciale de celule în scopuri de operare, administrare și gestionare (OAM) și pentru a delimita limitele pachetelor în unele straturi de adaptare ATM (AAL). Dacă bitul cel mai semnificativ (MSB) al câmpului PT este 0, aceasta este o celulă de date de utilizator, iar ceilalți doi biți sunt utilizați pentru a indica congestia rețelei și ca bit de antet de uz general disponibil pentru straturile de adaptare ATM. Dacă MSB este 1, aceasta este o celulă de gestionare, iar ceilalți doi biți indică tipul. (Segment de gestionare a rețelei, gestionare a rețelei de la un capăt la altul, gestionare a resurselor și rezervat pentru utilizare viitoare.)
Câteva protocoale de legătură ATM utilizează câmpul HEC pentru a comanda un algoritm de încadrare bazat pe CRC, care permite localizarea celulelor ATM fără costuri suplimentare față de cele necesare pentru protecția antetului. CRC pe 8 biți este utilizat pentru a corecta erorile de antet pe un singur bit și pentru a detecta erorile de antet pe mai mulți biți. Atunci când sunt detectate erori de antet pe mai mulți biți, celulele curente și cele următoare sunt abandonate până când se găsește o celulă fără erori de antet.
O celulă UNI rezervă câmpul GFC pentru un sistem local de control al fluxului/submultiplexare între utilizatori. Acesta a fost conceput pentru a permite mai multor terminale să împartă o singură conexiune de rețea, în același mod în care două telefoane din rețeaua digitală cu servicii integrate (ISDN) pot împărți o singură conexiune ISDN cu debit de bază. Toți cei patru biți GFC trebuie să fie zero în mod implicit.
Formul celulei NNI reproduce aproape exact formatul UNI, cu excepția faptului că câmpul GFC de 4 biți este realocat câmpului VPI, extinzând VPI la 12 biți. Astfel, o singură interconectare ATM NNI este capabilă să adreseze aproape 212 VP de până la aproape 216 VC fiecare (în practică, unele dintre numerele VP și VC sunt rezervate).
Tipuri de serviciiEdit
ATM suportă diferite tipuri de servicii prin intermediul AAL-urilor. AAL-urile standardizate includ AAL1, AAL2 și AAL5, precum și AAL3 și AAL4, rar utilizate. AAL1 este utilizat pentru servicii cu rată de biți constantă (CBR) și pentru emulare de circuit. Sincronizarea este, de asemenea, menținută la AAL1. AAL2 până la AAL4 sunt utilizate pentru servicii cu debit binar variabil (VBR), iar AAL5 pentru date. Care AAL este utilizat pentru o anumită celulă nu este codificat în celulă. În schimb, este negociat sau configurat de către sau configurat la punctele de capăt pe baza fiecărei conexiuni virtuale.
După proiectarea inițială a ATM, rețelele au devenit mult mai rapide. Un cadru Ethernet de 1500 de octeți (12000 de biți) de dimensiune completă are nevoie de numai 1,2 µs pentru a fi transmis într-o rețea de 10 Gbit/s, reducând nevoia de celule mici pentru a reduce jitterul datorat contenției. Unii consideră că acest lucru reprezintă un argument pentru înlocuirea ATM cu Ethernet în rețeaua de bază. Vitezele crescute ale legăturilor nu reduc, prin ele însele, fluctuația datorată cozilor de așteptare. În plus, hardware-ul pentru implementarea adaptării serviciului pentru pachetele IP este costisitor la viteze foarte mari. Mai exact, la viteze OC-3 și mai mari, costul hardware-ului de segmentare și reasamblare (SAR) face ca ATM să fie mai puțin competitiv pentru IP decât Packet Over SONET (POS); din cauza încărcăturii utile fixe de 48 de octeți a celulei, ATM nu este potrivit ca strat de legătură de date care să stea direct la baza IP (fără a fi nevoie de SAR la nivelul legăturii de date), deoarece stratul OSI pe care funcționează IP trebuie să asigure o unitate maximă de transmisie (MTU) de cel puțin 576 de octeți. Limitele de performanță SAR înseamnă că cele mai rapide interfețe ATM ale routerului IP sunt STM16 – STM64, care se compară de fapt, în timp ce, începând cu 2004, POS poate funcționa la OC-192 (STM64), cu viteze mai mari așteptate în viitor, limite bazate pe segmentare și reasamblare (SAR).
Pe legături mai lente sau congestionate (622 Mbit/s și mai puțin), ATM are sens și, din acest motiv, majoritatea sistemelor de linii de abonat digitale asimetrice (ADSL) utilizează ATM ca strat intermediar între stratul de legătură fizică și un protocol de nivel 2, cum ar fi PPP sau Ethernet.
La aceste viteze mai mici, ATM oferă o capacitate utilă de a transporta mai multe circuite logice pe un singur mediu fizic sau virtual, deși există și alte tehnici, cum ar fi Multi-link PPP și VLAN-urile Ethernet, care sunt opționale în implementările VDSL. DSL poate fi utilizată ca metodă de acces la o rețea ATM, permițând unui punct de terminare DSL dintr-o centrală telefonică să se conecteze la mai mulți furnizori de servicii de internet prin intermediul unei rețele ATM de mare suprafață. Cel puțin în Statele Unite, acest lucru a permis furnizorilor DSL să ofere acces DSL clienților mai multor furnizori de servicii de internet. Având în vedere că un punct terminal DSL poate susține mai mulți furnizori de servicii de internet, fezabilitatea economică a DSL este îmbunătățită substanțial.
.