Asynchronous Transfer Mode

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1 Asynchronous Transfer Mode
ATM - Grundbegriffe Asynchronous Transfer Mode Ergänzungen Asynchronous : Im ATM werden alle Daten in Datenpaketen, den "ATM-Zellen transportiert. Diese Zellen werden in Abhängigkeit von der tatsächlich zu transportierenden Datenmenge gebildet (diesbezüglich besteht enge Verwandtschaft zu Datex-M; ATM erreicht allerdings höhere Übertragungsraten). Bei den klassischen Verbindungen mußte meist die gesamte Bandbreite „gekauft“ und auch im Netz bereitgehalten werden - unabhängig davon, ob sie momentan auch tatsächlich benötigt wurde; die Übertragungsrate war nicht variabel. Transfer Mode : Bei ATM handelt es sich nicht um eine Übertragungstechnik, sondern um ein Übertragungsverfahren (Modus), das als Übertragungsmedium verschiedenartige Übertragungstechnik (z.B. PDH, SDH) nutzen kann. Basiswissen TDSL Seminar S

2 Charakterisierung Bisheriges ISDN: ATM („Breitband-ISDN“):
Dienste-integrierend (viele Dienste, ein Netz) Feste beschränkte Geschwindigkeit je Kanal (mit 64 kbit/s ungeeignet für Anwendungen mit hohen oder variablen Bandbreitenanforderungen) ATM („Breitband-ISDN“): Diensteintegrierender „Premiumdienst“ der Deutschen Telekom Variable Bitraten (Nutzbitrate in 400 bit/s-Schritten von 400 bit/s bis ca. 108 Mbit/s skalierbar; breitbandige Ergänzung zum ISDN) Anwendungen: LAN-Kopplungen, Multimedia, interaktive Dienste, ... ATM - Anwendungsbeispiele: International tätige Firmen lassen weltweit planen, entwickeln und produzieren; hierfür müssen allerdings auch die vielfältigen Werkzeuge zur Verfügung stehen. Telemedizin: Der Zugriff auf medizinische Datenbanken ermöglicht Diagnosen (z.B Tomogramme), ohne daß der betreffende Experte vor Ort sein muß; er kann sich das Bildmaterial bedarfsweise holen und hat Bearbeitungsmöglichkeiten. Die Anforderungen an Übertragungsgüte, Integration verschiedener Dienste, Flexibilität und Wirtschaftlichkeit wachsen durch derartige Anwendungen beständig, Multimediafähigkeit (Sprache, Bild, Daten) ist gefragt. Rechnervernetzung Auch als LAN-Protokoll wird ATM genutzt: gegenüber den klassischen LAN-Protokollen (Ethernet, Token Ring) ermöglicht ATM vor allem im Bereich der Hochgeschwindigkeitsnetze einen höheren Datendurchsatz bei weniger Verzögerung. Vorteilhaft ist hier auch, daß im Falle einer LAN-Kopplung über das WAN kein Protokollwechsel erforderlich ist (falls die jeweilige WAN-Anbindung ebenfalls via ATM erfolgt). Nachteil: ATM ist gravierend teurer als die weit verbreitete Ethernet-Technologie. Schnittstellennutzung Aus technischer Sicht könnte der Kunde Ethernet- und ATM-Schnittstelle gleichzeitig nutzen, dies ist jedoch aus Gründen der Abrechnung ausdrücklich unerwünscht! LAN: Local Area Network - lokales (räumlich begrenztes) Rechnernetz WAN: Wide Area Network - Weitbereichsnetz zur Verbindung entfernter Regionen Basiswissen TDSL Seminar S

3 Charakterisierung 64 kbit/s 2 Mbit/s 6 Mbit/s Paket- Daten Variable Bitrate Der Asynchrone Transfer Mode erlaubt die Verarbeitung von Daten unterschiedlicher Geschwindigkeit und unterschiedlicher zeitlicher Charakteristik Über eine Verbindung lassen sich jeweils bedarfsgerecht die Daten von mehreren Diensten gleichzeitig transportieren Basiswissen TDSL Seminar S

4 Die ATM-Zelle... Header (Wegesuche, Steuerinformation)
transportiert Signalisierungs- und Nutzinformation hat eine feste Länge von 53 Byte gliedert sich in Zellkopf (Header, 5 Byte) und Nutzdatenfeld (Payload, 48 Byte) Header (Wegesuche, Steuerinformation) 53 Byte Payload (Nutzdaten, Signalisierung) Zelltypen Zu unterscheiden sind grundsätzlich Zellen, die in ihrem Payload-Bereich reine Anwendungsdaten transportieren, und Zellen, die Signalisierungsinformation beinhalten - z.B. beim Verbindungsaufbau die Anforderung/Aushandlung der Übertragungsparameter. Desweiteren gibt es sogenannte „OAM“-Zellen (Operation and Maintenance), die z.B. Überwachungs- und Prüffunktionen zum Inhalt haben (u.a. Schleifenprüfung: ohne Beeinträchtigung des laufenden Betriebes werden „Schleifenzellen“ eingefügt, die von der adressierten Netzinstanz wieder zurückgesandt werden) Unterschieden werden diese Zelltypen anhand einer Information im Zell-Header. wird dann gesendet, wenn das Nutzdatenfeld gefüllt ist (und sie in das Zellraster der Leitung eingefügt werden kann  ggf. Wartezeit!) Basiswissen TDSL Seminar S

5 Das Zellraster Bitstrom: Zellraster:
Aus dem laufenden Bitstrom auf der Leitung resultiert ein Zellraster (1 Zelle = 424 Bit) Grundsätzlich wird ein kontinuierlicher Zellstrom erzeugt Vorteil: stabile Synchronisation Bitstrom: 424 Bit (53 Byte) 424 Bit Sendezeitpunkte Die Zellen können nicht zu jedem beliebigen Zeitpunkt ausgesandt werden: sie müssen in den laufenden Zellstrom auf der transportierenden Leitung eingepaßt werden (auf der auch die Zellen weiterer ATM-Verbindungen unterwegs sind). Zellraster: 1 Zelle Basiswissen TDSL Seminar S

6 Das Zellmapping Eine sendefertige Zelle muß warten (Pufferung), bis sie in das Zellraster eingefügt werden kann Sind keine Daten zu transportieren, so werden Leerzellen eingefügt Hieraus resultiert ggf. eine Varianz der Zellverzögerung (t ) abgesandte Zellen (äquidistant) Zellmapping ...deutsch: Zelleinfügung Leerzellen ...würden das Netz sinnlos belasten. Sie erhalten eine Kennzeichnung, damit sie von den Netzknoten erkannt und dem Zellstrom vor dem Weitertransport wieder entnommen werden können. Somit wird das Netz nur mit der tatsächlich genutzte Bandbreite belastet. Verzögerungsvarianz: Eine Schwankung der Zellverzögerung ist bei zeitkritischen Anwendungen unerwünscht! t 1 t 2 t 3 Zellraster einsortierte Nutz- und Leer- Zellen Basiswissen TDSL Seminar S

7 ATM - Netzkomponenten  Switches: VNK (Vermittelnde Netzknoten)
UNI  Switches: VNK (Vermittelnde Netzknoten)  Links: Netzschnittstellen (NNI, Network-Network-Interface) ATM-Netz (WAN)  Kundenschnittstellen (UNI, User-Network-Interface) NNI  Endstellen NNI (Network-Network-Interface): Die netzinternen Schnittstellen werden meist über hochbitratige Glasfasersysteme der SDH (155 Mbit/s, 622 Mbit/s) geführt UNI (User-Network-Interface): Bei ATM-Zugängen über ADSL werden generell mehrere Kunden auf eine 155 Mbit/s-Anbindung an das ATM-Netz gebündelt  Konzentrator bzw. DSL-AM (AM: access multiplexer). Die Anbindung erfolgt i.d.R. an der OLT (Optical Line Termination, optischer Netzabschluß) des ATM-Netzes, über die der Teilnehmer letztlich zum ATM-VNK geführt wird. LAN: Local Area Network - lokales (räumlich begrenztes) Rechnernetz WAN: Wide Area Network - Weitbereichsnetz zur Verbindung entfernter Regionen MAN: Metropolitan Area Network - regionaler Verbund von Rechnern und -Netzen MAN NNI LAN LAN Basiswissen TDSL Seminar S

8 Der Zelltransport (1) ATM arbeitet verbindungsorientiert
Im ATM-Netz werden virtuelle Verbindungen geschaltet Festgeschaltete Verbindungen (PVC) und... PVC: permanent virtual connection, die Verbindung wird im VNK einmal fest eingerichtet Wählverbindungen (SVC) sind möglich. SVC: switched virtual connection, die Verbindung wird bei Bedarf aufgebaut „verbindungsorientiert“: Jede Verbindung kann zwar mehrere Wege über unterschiedliche Switches/Links nehmen, allerdings werden alle zu einer Verbindung gehörenden Zellen auf dem selben Weg durch das Netz geleitet, nachdem dieser anhand der Adreßinformation einmal durchgeschaltet wurde. Damit ist sichergestellt, daß die Zellen in ihrer ursprünglichen Reihenfolge ankommen. Weiterhin arbeitet diese Zellvermittlung sehr effektiv (schnell), da die logische Durchschaltung der Zellen nur einmal je Verbindung eingerichtet wird, bei allen nachfolgenden Zellen ist diese vollständige Adreßverarbeitung nicht mehr notwendig. Virtuelle Verbindung: Es wird keine physikalische Verbindung geschaltet, für den Nutzer ist dies jedoch nicht erkennbar; im Falle von ATM wird lediglich beim Verbindungsaufbau die benötigte Netzkapazität reserviert. Wird die diesbezügliche Anfrage vom Netz nicht positiv quittiert, so kommt auch keine ATM-Verbindung zustande. Basiswissen TDSL Seminar S

9 Der Zelltransport (2) Die gesamte Verkehrslast im ATM-Netz wird von vielen voneinander unabhängigen Quellen erzeugt, starke Schwankungen bzw. Überlastfälle sind somit möglich Im Überlastfall werden Zellen ... die nicht den mit dem Nutzer vereinbarten Parametern entsprechen, verworfen die den Vereinbarungen entsprechen, zwischengespeichert und bei nächster Gelegenheit wieder ausgelesen (FIFO-Pufferung). „FIFO“-Pufferung (first - in - first - out): ... ist eine Bezeichnung der Arbeitsweise, nicht jedoch die korrekte Gerätetebezeichnung des Puffers. Vorteil des Puffers: Die Netzauslastung wird weiter optimiert Nachteil: Verzögerungsvarianz (bei zeitkritischen Anwendungen unerwünscht) Zellverzögerung Neben der Pufferung ist noch die eigentliche Verarbeitungszeit in den VNK zu berücksichtigen. Daraus ergeben sich Zellverzögerungen von durchschnittlich ca. 100 µs je VNK (max. 250 µs bei voller Last) Gesamt-Verkehrsaufkommen Verkehr im Netz Link-Bandbreite FIFO- buffer Basiswissen TDSL Seminar S

10 ATM - Verbindungen (1) L i n k V P2 V P1
ATM-Verbindungen erfolgen über virtuelle Kanäle V C (virtual channel) Jeder VC erhält eine eigene Kanalnummer V C I (virtual channel identifier) Mehrere VC ergeben ein Kanalbündel V P (virtual path) Jeder VP erhält eine eigene Pfadnummer V P I (virtual path identifier) V P1 V P2 V C 1 2 3 4 VC (virtual channel): Alle zu einer Verbindung gehörenden Zellen werden in einem VC transportiert , tragen somit denselben VCI-Wert. Einem VC kann eine nahezu beliebige Bandbreite zugewiesen werden (innerhalb der Bandbreite des Übertragungsweges). Somit kann ein einzelner Kanal (VC) innerhalb eines Bündels (VP) auch eine größere Bandbreite haben als ein gesamtes anderes Kanalbündel auf der Strecke. VCI Die VCI-Werte auf einem Link können mehrfach vergeben werden, da als weiteres Unterscheidungskriterium noch der VPI vorhanden ist (der allerdings nur einmal je Link vorhanden sein darf). Ein L i n k (Übertragungsweg) kann mehrere VP beinhalten Basiswissen TDSL Seminar S

11 ATM - Verbindungen (2) Jede ATM-Verbindung ist eindeutig gekennzeichnet durch ein Wertepaar VPI.VCI Eine ATM-Verbindung kann aus mehreren Verbindungssegmenten (Abschnitten) bestehen VPI und VCI können auf jedem Segment andere Werte haben User VC1 VP1/VC2 VP1.VC1 1 2 VP1 VP2 User VC1 VP2/VC6 VP0/VC1 ATM-Vermittlung Beim Verbindungsaufbau wird im ATM-VNK eine Verbindungs- bzw. Routingtabelle angelegt. Der Eintrag wird wieder gelöscht, wenn die dazugehörige Verbindung nicht mehr benötigt wird. Beispiel: Routingtabelle für Switch 1 VPI.VCI VPI.VCI ATM-Switch / ATM-Crossconnect In ATM-Switches können sowohl VPI als auch VCI umgewertet werden. Hingegen ändern sich in ATM-Crossconnects nur die VPI-Werte, die Kanäle werden bündelweise durchgeschaltet. Der Einsatz eines Crossconnects ist dort sinnvoll, wo alle Kanäle eines Bündels den selben Weg nehmen sollen. Vorteilhaft ist der geringere Vermittlungsauf-wand, gleichbedeutend mit einer Zeitersparnis. User VP2/VC2 User VC3 VP2/VC5 VP1/VC4 User VP0.VC1 Basiswissen TDSL Seminar S

12 Details zur ATM-Zelle Zellkopf (5 Bytes) Nutzdaten (48 Bytes)
hier: UNI-Header GFC (4 bits) VPI (4 bits) VCI (4 bits) PT (3 bits) CLP VCI (8 bits) HEC Cell Payload (Byte 1) Cell Payload (Byte 2) Cell Payload (Byte 47) Cell Payload (Byte 48) Zellkopf (5 Bytes) Felder im (UNI-) Zellkopf: GFC General Flow Control, dient der Flußsteuerung VPI Virtual path identifier (0 bis 255) VCI Virtual circuit identifier (0 bis 65535) PT Payload type. Unterscheidung zwischen Zellen, die Nutzdaten transportieren, und OAM-Zellen (operation and maintenance) CLP Cell loss priority indicator. Gibt die Priorität der Zelle an: 0 für hohe Priorität und 1 für niedere Priorität; Zellen niederer Priorität werden bei Engpässen zuerst verworfen HEC Header error control, ermöglicht die Korrektur von Einzel- bitfehlern und die Erkennung von Mehrfachfehlern im Header (das Nutzdatenfeld wird im ATM nicht überwacht !) NNI-Header: Bei Zellen mit NNI-Header entfällt das GFC-Feld, dadurch erhöht sich das VPI-Feld auf 12 Bit (VPI-Werte: 0 bis 4095) Nutzdaten (48 Bytes) Summe: Bytes Basiswissen TDSL Seminar S

13 Das ATM-Referenzmodell
Ähnlich dem OSI-Referenzmodell werden auch im ATM verschiedene Funktionsebenen (Schichten) unterschieden: Nutzinformationsteil: den Anwendungen einen passenden Zugang (AAL) zum ATM bereitstellen Steuerteil: Signalisierung für Nutzinfo-Teil Höhere Schicht - Nutzinformationsteil - - Steuerteil - Anwendungsspezifische Parameter festlegen (AAL-Typ 0 bis 5), Anpassung der Nutzdaten an das ATM-Zellformat Adaptions - Schicht (AAL) ATM Adaption Layer Zusammenwirken der Schichten: Jede Schicht (engl.: Layer) wird von der darüberliegenden angefordert und stellt dieser ihren Dienst über SAP (Service Access Points - Dienstezugriffspunkte) zur Verfügung Details zur Adaptionsschicht: Je nach Anwendung bestehen verschiedene Anforderungen an die Zellübertragung: - konstante oder variable Übertragungsrate - zeitkontinuierlich (z.B. Sprache, Video) oder ohne festen Zeitbezug (z.B . Daten) - verbindungsorientiert (z.B. Sprache) oder verbindungslos (z.B. LAN-Anbindung) Diese verschiedenen Anforderungen werden durch verschiedene AAL-Typen (0-5) abgebildet - Beispiele: AAL-Typ 1: Sprachanwendungen (feste Übertragungsrate, zeitkontinuierlich, verbindungsorientiert) AAL-Typ 4: LAN-Kopplungen (variable Übertragungsrate, burstartiger verbindungsloser Verkehr) AAL-Typ 5: Datenaustausch zwischen festen Partnern (variable Übertragungsrate, burstartiger verbindungsorientierter Verkehr); der Normalfall bei ADSL-Anschlüssen!) Die AAL-spezifischen Eintragungen erfolgen in den ersten Bytes des Nutzdatenfeldes (Payload) der Zelle Eine weitere Aufgabe der Adaptionsschicht besteht in der Anpassung der Nutzdaten an das ATM-Zellformat. So müssen z.B. Ethernet-Frames (bis zu ca Byte Länge) in „Häppchen“ (PDU - protocol data unit) von max. 48 Byte zerlegt (segmentation) bzw. auch wieder zusammengefügt (reassembly) werden. Schließlich muß der Zugriff einer Anwendung auf die Adaptionsschicht mit dem richtigen AAL-Typ noch koordiniert werden - u.a. eine Aufgabe der darüberliegenden Schicht. ATM-Zellen vermitteln und multiplexen / de-multiplexen, Zellköpfe mit VPI/VCI erzeugen u. verarbeiten, ATM - Schicht Fehlerüberwachung (OAM-Funktionen), Zellstrom generieren, Bitsynchronisation Anpassungen an das Übertragungsmedium Bitübertragungsschicht (physikalische Schicht) Basiswissen TDSL Seminar S

14 ATM - Verkehrsparameter
Die Verkehrsparameter werden zwischen Nutzer und Netzbetreiber vereinbart: SCR sustainable cell rate: Langzeitmittelwert der erzeugten Nutzdatenrate PCR peak cell rate: maximal zulässige Datenrate MBS max. burst size: max. Anzahl der zusammenhängenden Zellen mit PCR CTD cell transfer delay: max. Zellverzögerung von der Quelle zum Ziel CDV cell delay variation: max. Verzögerungsvarianz CLR cell loss ratio: max. Zellverlustrate (bei Einhaltung der vereinbarten Parameter) Die Einhaltung der vereinbarten Parameter wird an den Kundenschnittstellen des ATM-Netzes (UNI) überwacht Mit den Verkehrsparametern wird eine definierte Dienstegüte (QoS, quality of service) und die genutzte ATM-Dienstekategorie festgelegt Die Verkehrsparameter legen einerseits die Grenzen fest, die der Kunde nicht überschreiten darf - andererseits definieren sie, worauf der Kunde Anspruch hat bzw. was der Netzbetreiber ihm gewährleistet. Verkehr, der nicht den vereinbarten Parametern entspricht, wird selektiv ausgesondert, um eine Überlast bzw. Beeinträchtigung der Dienstegüte anderer Nutzer zu verhindern. Basiswissen TDSL Seminar S

15 ATM - Dienstekategorien
Je nach den Erfordernissen seiner Anwendungen nutzt der Anwender bestimmte Dienstekategorien: CBR constant bit rate: konstante Datenrate; eng begrenzte Zellverzöger- ung, Verzögerungsvarianz und Zellverlustrate (z.B. für Sprache) PCR VBR variable bit rate: variable Datenrate; eng begrenzte Zellverlustrate (z.B. für Datenübertragung), sowohl „rt“ (realtime) als auch „nrt“ (non-real-time) rt/nrt bezieht sich auf Zellverzögerung/Verzögerungsvarianz Auf einem ATM-Zugang sind mehrere Verbindungen unterschiedlicher Dienstekategorien gleichzeitig möglich. Die Dienstekategorien sind unterschiedlich anspruchsvoll, was sich denn auch unmittelbar im Preis für die jeweils genutzte Netzkapazität niederschlägt: die unzuverlässigeren ABR/UBR-Verbindungen können wesentlich günstiger als die hochwertigen CBR/VBR-Verbindungen angeboten werden (sind derzeit jedoch nicht im Angebot der Deutschen Telekom). Bei der Normung waren zwei Institutionen weitgehend unabhängig voneinander tätig: einerseits das „ATM-Forum, andererseits die „Internationale Fernmeldeunion“ ITU-T In der Folge existieren teilweise unterschiedliche Dienstekategorien, oder auch für identische Dienstekategorien unterschiedliche Bezeichnungen. Hier sind die Bezeichnungen des ATM-Forums angegeben. Quellen: Unterrichtsblätter 3/1997 Unterrichtsblätter 10/1998 Technikkatalog des KSC-Netzinfrastruktur (Intranet: PCR SCR MBS – ABR available bit rate: Lückenfüller: momentan freie Netzkapazität, Bandbreite wird beim Verbindungsaufbau vereinbart – UBR unspecified bit rate: Lückenfüller ohne feste Basiswissen TDSL Seminar S

16 ATM - Grundbegriffe ... Schlußwort
Das Leben kommt auf alle Fälle aus einer Zelle. Doch manchmal endet´s auch -bei Strolchen- in einer solchen. Heinz Erhard Basiswissen TDSL Seminar S