A tecnologia ATM é um conceito de telecomunicações definido por padrões internacionais para transportar toda a gama de tráfego de usuários, incluindo sinais de voz, dados e vídeo. Foi desenvolvido para atender às necessidades de uma rede digital de serviços de banda larga e foi originalmente projetado para a integração de redes de telecomunicações. A abreviatura ATM significa Modo de Transferência Assíncrona e é traduzida para o russo como "transferência de dados assíncrona".
A tecnologia foi criada para redes que precisam lidar com tráfego de dados tradicional de alto desempenho (como transferência de arquivos) e conteúdo em tempo real de baixa latência (como voz e vídeo). O modelo de referência para ATM mapeia aproximadamente as três camadas inferiores do ISO-OSI: rede, link de dados e físico. ATM é o protocolo primário usado nos circuitos SONET/SDH (rede telefônica pública comutada) e Rede Digital de Serviços Integrados (ISDN).
O que é isso?
O que significa ATM para uma conexão de rede? Ela fornecefuncionalidade semelhante à comutação de circuitos e redes comutadas por pacotes: a tecnologia usa multiplexação por divisão de tempo assíncrona e codifica os dados em pequenos pacotes de tamanho fixo (quadros ISO-OSI) chamados células. Isso é diferente de abordagens como o Internet Protocol ou Ethernet, que usam pacotes e quadros de tamanho variável.
Os princípios básicos da tecnologia ATM são os seguintes. Ele usa um modelo orientado à conexão no qual um circuito virtual deve ser estabelecido entre dois terminais antes que a comunicação real possa começar. Esses circuitos virtuais podem ser "permanentes", ou seja, conexões dedicadas que normalmente são pré-configuradas pelo provedor de serviços, ou "comutáveis", ou seja, configuráveis para cada chamada.
Modo de Transferência Assíncrona (ATM significa inglês) é conhecido como o método de comunicação usado em caixas eletrônicos e terminais de pagamento. No entanto, esse uso está diminuindo gradualmente. O uso da tecnologia em ATMs foi amplamente substituído pelo Internet Protocol (IP). No link de referência ISO-OSI (camada 2), os dispositivos de transmissão subjacentes são comumente chamados de quadros. No ATM, eles têm um comprimento fixo (53 octetos ou bytes) e são especificamente chamados de "células".
Tamanho da célula
Como observado acima, a descriptografia ATM é uma transferência assíncrona de dados realizada dividindo-os em células de um determinado tamanho.
Se o sinal de fala for reduzido a pacotes, e elesforçados a serem enviados em um link com tráfego de dados pesado, não importa o tamanho, eles encontrarão grandes pacotes completos. Em condições normais de inatividade, eles podem sofrer atrasos máximos. Para evitar esse problema, todos os pacotes ou células ATM têm o mesmo tamanho pequeno. Além disso, a estrutura de célula fixa significa que os dados podem ser facilmente transferidos por hardware sem os atrasos inerentes introduzidos por quadros comutados e roteados por software.
Assim, os projetistas de ATM usaram pequenas células de dados para reduzir o jitter (neste caso, a dispersão de atraso) na multiplexação de fluxos de dados. Isso é especialmente importante ao transportar tráfego de voz, pois a conversão de voz digitalizada em áudio analógico é parte integrante do processo em tempo real. Isso ajuda a operação do decodificador (codec), que requer um fluxo uniformemente distribuído (no tempo) de elementos de dados. Se o próximo na linha não estiver disponível quando necessário, o codec não terá escolha a não ser pausar. Mais tarde, a informação é perdida porque já passou o período de tempo em que deveria ter sido convertida em sinal.
Como surgiu o ATM?
Durante o desenvolvimento do ATM, a Hierarquia Digital Síncrona (SDH) de 155 Mbps com carga útil de 135 Mbps foi considerada uma rede óptica rápida, e muitos dos links da Hierarquia Digital Plesiócrona (PDH) na rede eram significativamente mais lentos (não mais de 45 Mbps /Com). NoNessa taxa, um pacote de dados de tamanho normal de 1.500 bytes (12.000 bits) deve ser baixado em 77,42 microssegundos. Em um link de baixa velocidade, como uma linha T1 de 1,544 Mbps, levava até 7,8 milissegundos para transmitir esse pacote.
O atraso de download causado por vários desses pacotes na fila pode exceder o número de 7,8 ms em várias vezes. Isso é inaceitável para o tráfego de voz, que deve ter baixo jitter no fluxo de dados alimentado no codec para produzir áudio de boa qualidade.
O sistema de voz por pacotes pode fazer isso de várias maneiras, como usar um buffer de reprodução entre a rede e o codec. Isso suaviza o jitter, mas o atraso que ocorre ao passar pelo buffer requer um cancelador de eco, mesmo em redes locais. Na época era considerado muito caro. Além disso, aumentou o atraso no canal e dificultou a comunicação.
A tecnologia de rede ATM fornece inerentemente baixo jitter (e menor latência geral) para o tráfego.
Como isso ajuda na conexão de rede?
O design ATM é para interface de rede de baixo jitter. No entanto, "células" foram introduzidas no projeto para permitir atrasos de fila curtos enquanto ainda suportam tráfego de datagramas. A tecnologia ATM quebrou todos os pacotes, dados e fluxos de voz em fragmentos de 48 bytes, adicionando um cabeçalho de roteamento de 5 bytes a cada um para que pudessem ser remontados posteriormente.
Esta escolha de tamanhoera político, não técnico. Quando o CCITT (atualmente ITU-T) padronizou o ATM, os representantes dos EUA queriam uma carga útil de 64 bytes, pois era considerado um bom compromisso entre grandes quantidades de informações otimizadas para transmissão de dados e cargas úteis mais curtas projetadas para aplicações em tempo real. Por sua vez, os desenvolvedores na Europa queriam pacotes de 32 bytes porque o tamanho pequeno (e, portanto, o tempo de transmissão curto) facilita os aplicativos de voz em termos de cancelamento de eco.
O tamanho de 48 bytes (mais o tamanho do cabeçalho=53) foi escolhido como um compromisso entre as duas partes. Os cabeçalhos de 5 bytes foram escolhidos porque 10% da carga útil foi considerado o preço máximo a pagar pelas informações de roteamento. A tecnologia ATM multiplexou células de 53 bytes, o que reduziu a corrupção e a latência de dados em até 30 vezes, reduzindo a necessidade de canceladores de eco.
Estrutura da célula ATM
ATM define dois formatos de célula diferentes: interface de rede do usuário (UNI) e interface de rede (NNI). A maioria dos links de rede ATM usa UNIs. A estrutura de cada pacote consiste nos seguintes elementos:
- O campo Generic Flow Control (GFC) é um campo de 4 bits que foi originalmente adicionado para dar suporte à interconexão ATM na rede pública. Topologicamente, é representado como um anel Distributed Queue Dual Bus (DQDB). O campo GFC foi projetado para quefornecer 4 bits de User-Network Interface (UNI) para negociar multiplexação e controle de fluxo entre células de diferentes conexões ATM. No entanto, seu uso e valores exatos não foram padronizados e o campo é sempre definido como 0000.
- VPI - identificador de caminho virtual (UNI de 8 bits ou NNI de 12 bits).
- VCI - identificador de canal virtual (16 bits).
- PT - tipo de carga útil (3 bits).
- MSB - célula de controle de rede. Se seu valor for 0, um pacote de dados do usuário é usado e, em sua estrutura, 2 bits é Indicação Explícita de Congestionamento (EFCI) e 1 é Experiência de Congestionamento de Rede. Além disso, mais 1 bit é alocado para o usuário (AAU). É usado pelo AAL5 para indicar os limites do pacote.
- CLP - prioridade de perda de célula (1 bit).
- HEC - controle de erro de cabeçalho (CRC de 8 bits).
A rede ATM usa o campo PT para designar várias células especiais para fins de operação, administração e gerenciamento (OAM), e para definir limites de pacotes em algumas camadas de adaptação (AALs). Se o valor MSB do campo PT for 0, esta é uma célula de dados do usuário e os dois bits restantes são usados para indicar congestionamento de rede e como um bit de cabeçalho de propósito geral disponível para camadas de adaptação. Se o MSB for 1, é um pacote de controle e os dois bits restantes indicam seu tipo.
Alguns protocolos ATM (Asynchronous Data Transfer Method) usam o campo HEC para controlar um algoritmo de enquadramento baseado em CRC que pode encontrarcélulas sem custo adicional. O CRC de 8 bits é usado para corrigir erros de cabeçalho de bit único e detectar erros de vários bits. Quando as últimas são encontradas, as células atuais e subsequentes são descartadas até que uma célula seja encontrada sem erros de cabeçalho.
O pacote UNI reserva o campo GFC para controle de fluxo local ou submultiplexação entre usuários. A intenção era permitir que vários terminais compartilhassem uma única conexão de rede. Ele também foi usado para permitir que dois telefones de rede digital de serviço integrado (ISDN) compartilhassem a mesma conexão ISDN básica em uma determinada velocidade. Todos os quatro bits GFC devem ser zero por padrão.
O formato de célula NNI replica o formato UNI da mesma maneira, exceto que o campo GFC de 4 bits é realocado no campo VPI, expandindo-o para 12 bits. Assim, uma conexão ATM NNI pode lidar com quase 216 VCs de cada vez.
Células e transmissão na prática
O que significa ATM na prática? Suporta vários tipos de serviços através de AAL. As AALs padronizadas incluem AAL1, AAL2 e AAL5, bem como as menos comumente usadas AAC3 e AAL4. O primeiro tipo é usado para serviços de taxa de bits constante (CBR) e emulação de circuito. A sincronização também é suportada em AAL1.
O segundo e o quarto tipos são usados para serviços de taxa de bits variável (VBR), AAL5 para dados. As informações sobre qual AAL é usada para uma determinada célula não são codificadas nela. Em vez disso, é coordenado ou ajustado paraendpoints para cada conexão virtual.
Após o projeto inicial desta tecnologia, as redes tornaram-se muito mais rápidas. Um quadro Ethernet completo de 1.500 bytes (12.000 bits) leva apenas 1,2 µs para transmitir em uma rede de 10 Gbps, reduzindo a necessidade de células pequenas para reduzir a latência.
Quais são os pontos fortes e fracos de tal relacionamento?
As vantagens e desvantagens da tecnologia de rede ATM são as seguintes. Alguns acreditam que o aumento da velocidade de comunicação permitirá que ela seja substituída pela Ethernet na rede backbone. No entanto, deve-se notar que aumentar a velocidade por si só não reduz o jitter devido ao enfileiramento. Além disso, o hardware para implementar a adaptação de serviços para pacotes IP é caro.
Ao mesmo tempo, devido à carga útil fixa de 48 bytes, o ATM não é adequado como um enlace de dados diretamente sob IP, pois a camada OSI na qual o IP opera deve fornecer uma unidade máxima de transmissão (MTU) de pelo menos 576 bytes.
Em conexões mais lentas ou congestionadas (622 Mbps e abaixo), o ATM faz sentido e, por esse motivo, a maioria dos sistemas de linha de assinante digital assimétrica (ADSL) usa essa tecnologia como uma camada intermediária entre a camada de link físico e o protocolo de camada 2 como PPP ou Ethernet.
Nessas velocidades mais baixas, o ATM fornece a capacidade útil de transportar várias lógicas em uma única mídia física ou virtual, embora existam outros métodos, como multicanalPPP e VLANs Ethernet, que são opcionais em implementações VDSL.
DSL pode ser usado como uma forma de acessar a rede ATM, permitindo que você se conecte a muitos ISPs através de uma rede ATM de banda larga.
Assim, as desvantagens da tecnologia são que ela perde sua eficácia em conexões modernas de alta velocidade. A vantagem de tal rede é que ela aumenta significativamente a largura de banda, pois fornece uma conexão direta entre vários dispositivos periféricos.
Além disso, com uma conexão física usando ATM, vários circuitos virtuais diferentes com características diferentes podem operar simultaneamente.
Esta tecnologia usa ferramentas de gerenciamento de tráfego bastante poderosas que continuam a se desenvolver no momento. Isso torna possível transmitir dados de diferentes tipos ao mesmo tempo, mesmo que tenham requisitos completamente diferentes para enviá-los e recebê-los. Por exemplo, você pode criar tráfego usando protocolos diferentes no mesmo canal.
Fundamentos de circuitos virtuais
Modo de Transferência Assíncrona (abreviação de ATM) opera como uma camada de transporte baseada em link usando circuitos virtuais (VCs). Isso está relacionado ao conceito de caminhos virtuais (VP) e canais. Cada célula ATM tem um Identificador de Caminho Virtual (VPI) de 8 bits ou 12 bits e um Identificador de Circuito Virtual (VCI) de 16 bits.definido em seu cabeçalho.
VCI, juntamente com VPI, é usado para identificar o próximo destino de um pacote que passa por uma série de switches ATM em seu caminho para seu destino. O comprimento do VPI varia dependendo se a célula é enviada pela interface do usuário ou pela interface de rede.
Como esses pacotes passam pela rede ATM, a comutação ocorre alterando os valores de VPI/VCI (substituindo tags). Embora não correspondam necessariamente às extremidades da conexão, o conceito do esquema é sequencial (diferente do IP, onde qualquer pacote pode chegar ao seu destino por uma rota diferente). Os switches ATM usam os campos VPI/VCI para identificar o circuito virtual (VCL) da próxima rede que uma célula deve transitar em seu caminho para seu destino final. A função do VCI é semelhante à do Data Link Connection Identifier (DLCI) no frame relay e o número do grupo de canal lógico em X.25.
Outra vantagem do uso de circuitos virtuais é que eles podem ser usados como uma camada de multiplexação, permitindo a utilização de diferentes serviços (como voz e frame relay). VPI é útil para reduzir a tabela de comutação de alguns circuitos virtuais que compartilham caminhos.
Uso de células e circuitos virtuais para organizar o tráfego
A tecnologia ATM inclui movimento de tráfego adicional. Quando o circuito é configurado, cada switch do circuito é informado da classe de conexão.
Os contratos de tráfego ATM fazem parte do mecanismofornecendo "qualidade de serviço" (QoS). Existem quatro tipos principais (e várias variantes), cada um com um conjunto de parâmetros que descrevem a conexão:
- CBR - taxa de dados constante. Taxa de pico especificada (PCR) que é fixa.
- VBR - taxa de dados variável. Valor médio ou de estado estacionário especificado (SCR), que pode atingir o pico em um determinado nível, para o intervalo máximo antes que os problemas ocorram.
- ABR - taxa de dados disponível. Valor mínimo garantido especificado.
- UBR - taxa de dados indefinida. O tráfego é distribuído pela largura de banda restante.
VBR tem opções em tempo real, e em outros modos é usado para tráfego "situacional". O tempo incorreto às vezes é encurtado para vbr-nrt.
A maioria das classes de tráfego também usa o conceito de Cell Tolerance Variation (CDVT), que define sua "agregação" ao longo do tempo.
Controle de transmissão de dados
O que significa ATM dado o acima? Para manter o desempenho da rede, as regras de tráfego de rede virtual podem ser aplicadas para limitar a quantidade de dados transferidos nos pontos de entrada de conexão.
O modelo de referência validado para UPC e NPC é o Generic Cell Rate Algorithm (GCRA). Como regra, o tráfego VBR geralmente é controlado usando um controlador, ao contrário de outros tipos.
Se a quantidade de dados exceder o tráfego definido pelo GCRA, a rede pode redefinircélulas ou sinalizar o bit Cell Loss Priority (CLP) (para identificar o pacote como potencialmente redundante). O principal trabalho de segurança é baseado no monitoramento sequencial, mas isso não é ideal para tráfego de pacotes encapsulados (porque a eliminação de uma unidade invalidará todo o pacote). Como resultado, foram criados esquemas como Partial Packet Discard (PPD) e Early Packet Discard (EPD) que são capazes de descartar uma série inteira de células até que o próximo pacote comece. Isso reduz o número de informações inúteis na rede e economiza largura de banda para pacotes completos.
EPD e PPD funcionam com conexões AAL5 porque usam o final do marcador de pacote: o bit ATM User Interface Indication (AUU) no campo Payload Type do cabeçalho, que é definido na última célula do SAR -SDU.
Traffic Shaping
Os fundamentos da tecnologia ATM nesta parte podem ser representados da seguinte forma. A modelagem de tráfego normalmente ocorre em uma placa de interface de rede (NIC) no equipamento do usuário. Isso tenta garantir que o fluxo de células no VC corresponda ao seu contrato de tráfego, ou seja, as unidades não serão descartadas ou reduzidas em prioridade na UNI. Como o modelo de referência fornecido para gerenciamento de tráfego na rede é o GCRA, esse algoritmo também é comumente usado para modelagem e roteamento de dados.
Tipos de circuitos virtuais e caminhos
A tecnologia ATM pode criar circuitos e caminhos virtuais comoestaticamente como dinamicamente. Circuitos estáticos (STS) ou caminhos (PVP) requerem que o circuito consista em uma série de segmentos, um para cada par de interfaces que ele passa.
PVP e PVC, embora conceitualmente simples, requerem um esforço considerável em grandes redes. Eles também não suportam reencaminhamento de serviço em caso de falha. Em contraste, SPVPs e SPVCs construídos dinamicamente são construídos especificando as características de um esquema (um "contrato" de serviço) e dois terminais.
Finalmente, as redes ATM criam e excluem circuitos virtuais comutados (SVCs) conforme exigido pelo equipamento final. Uma aplicação para SVCs é transportar chamadas telefônicas individuais quando uma rede de switches é interconectada via ATM. SVCs também foram usados na tentativa de substituir LANs ATM.
Esquema de roteamento virtual
A maioria das redes ATM que suportam SPVP, SPVC e SVC usa a interface Private Network Node ou o protocolo Private Network-to-Network Interface (PNNI). O PNNI usa o mesmo algoritmo de caminho mais curto usado pelo OSPF e IS-IS para rotear pacotes IP para troca de informações de topologia entre switches e seleção de rotas pela rede. O PNNI também inclui um poderoso mecanismo de sumarização que permite a criação de redes muito grandes, bem como um algoritmo Call Access Control (CAC) que determina a disponibilidade de largura de banda suficiente ao longo de uma rota proposta através da rede para atender aos requisitos de serviço de um VC ou VP.
Recebendo e conectando achamadas
A rede deve estabelecer uma conexão antes que ambos os lados possam enviar células entre si. No ATM, isso é chamado de circuito virtual (VC). Isso pode ser um circuito virtual permanente (PVC) que é criado administrativamente nos terminais ou um circuito virtual comutado (SVC) que é criado conforme necessário pelas partes transmissoras. A criação de um SVC é controlada por sinalização, na qual o solicitante especifica o endereço da parte receptora, o tipo de serviço solicitado e quaisquer parâmetros de tráfego que possam ser aplicáveis ao serviço selecionado. A Rede confirmará então que os recursos solicitados estão disponíveis e que existe uma rota para a conexão.
A tecnologia ATM define os três níveis a seguir:
- Adaptações ATM (AAL);
- 2 ATM, aproximadamente equivalente à camada de enlace de dados OSI;
- equivalente físico à mesma camada OSI.
Implantação e distribuição
A tecnologia ATM tornou-se popular entre as companhias telefônicas e muitos fabricantes de computadores na década de 1990. No entanto, mesmo no final desta década, o melhor preço e desempenho dos produtos de Protocolo de Internet começaram a competir com o ATM pela integração em tempo real e tráfego de rede de pacotes.
Algumas empresas ainda se concentram em produtos ATM hoje, enquanto outras os oferecem como uma opção.
Tecnologia Móvel
A tecnologia sem fio consiste em uma rede central ATM com uma rede de acesso sem fio. As células aqui são transmitidas de estações base para terminais móveis. FunçõesAs mobilidades são realizadas em um switch ATM na rede core, conhecido como “crossover”, que é análogo ao MSC (Mobile Switching Center) das redes GSM. A vantagem da comunicação sem fio ATM é sua alta taxa de transferência e alta taxa de transferência realizada na camada 2.
No início da década de 1990, alguns laboratórios de pesquisa atuavam nessa área. O fórum ATM foi criado para padronizar a tecnologia de rede sem fio. Foi apoiado por várias empresas de telecomunicações, incluindo NEC, Fujitsu e AT&T. A tecnologia móvel ATM visa fornecer tecnologias de comunicação multimídia de alta velocidade capazes de fornecer banda larga móvel além das redes GSM e WLAN.
