ATM yleisesti
S-38.116 Teletietotekniikka
Seminaariesitelmä 17.4.1996
Petri Talala
45118P SII
Sisällysluettelo
1. Johdanto.................................................................................................................. 4
2. ATM-tekniikan yleiskuvaus.................................................................................. 4
2.1 ATM-solun rakenne..................................................................................... 5
3. Standardointi......................................................................................................... 7
4. Yhteiskäytännön perusmalli................................................................................. 7
4.1 ATM-sovituskerros....................................................................................... 7
4.2 AAL tyyppi 1................................................................................................ 9
4.3 AAL tyyppi 5................................................................................................ 10
4.4 ATM-kerros.................................................................................................. 10
4.5 Fyysinen kerros............................................................................................. 11
4.6 Esimerkki fyysisen kerroksen alla, SDH......................................................... 11
5. ATM-verkkoarkkitehtuuri ja rajapinnat.............................................................. 11
6. ATM-verkon hallinta............................................................................................. 12
7. ATM-verkkotuotteita............................................................................................. 13
8. Olemassa olevia ATM-kokeiluja Suomessa........................................................... 14
8.1 FASTER (Finnish Asynchronous Transfer Mode Education and Research).... 14
9. Yhteenveto............................................................................................................... 14
10. Lähteet..................................................................................................................... 15
Lyhenneluettelo
AAL ATM Adaption Layer, ATM sovellus kerros.
ANSI American National Standards Institute, Amerikkalainen standardointi elin.
ATM Asynchronous Transfer Mode, Asynkrooninen tiedonsiirto.
ATM Forum ATM-tekniikan käyttäjien ja valmistajien järjestö.
BCH-koodi Bose-Chadhuri-Hocquenghem 8-bittinen syklinen koodi.
BCLDS Broadband Connectionless Data Service, Laajakaistainen yhteydetön data-
palvelu.
BER Bit Error Rate, Bittivirhe suhde.
B-ICI B-ISDN Inter Carrier Interface, Kahden julkisen ATM-verkon välinen raja-
pinta.
B-ISDN Broadband Integrated Services Digital Network, Laajakaistainen digitaalinen
monipalveluverkko.
C-4 Container-4, SDH:n kontti 4.
CCITT International Telegraph and Telephone Consultative Commitee, Entinen
kansainvälinen puhelin- ja lennätinalan neuvoa-antava komitea.
CLP Cell Loss Priority, Etuoikeus solueston tapahtuessa.
CRC Cyclic Redundancy Code, 32 bitin tarkistussumma.
CS Convergence Sublayer, AAL-kerroksen alikerros.
CSI Convergence Sublayer Indication, AAL1-tyypin SN-kentän merkkibitti.
ETSI European Telecommunications Standards Institute, Eurooppalainen standar-
dointielin.
FASTER Finnish Asynchronous Transfer Mode Education and Research Network,
Suomalainen ATM-tekniikkaa kehittävä tutkimushanke.
Frame Relay Lähiverkon yhdistämis-protokolla.
GFC Generic Flow Control, Yleinen vuon ohjaus.
HEC Head Error Control, Otsikon suojaus.
IETF Internet Engineering Task Force, Standardointielin.
ILMI Interim Link/Local Management Interface, ATM-käyttäjälaitteen ja ATM- verkkolaitteen välinen mekanismi tiedon välitykseen.
IP Internet Protocol, TCP/IP:stä tuttu verkkokerroksen protokolla
ITU-T International Telecommunications Union - Telecommunication Sector, Kansainvälinen standardointielin.
LAN Emulation Local Area Network Emulation, ATM liikenteestä lähiverkossa pyritään
tekemään `perinteisen' lähiverkkoratkaisun näköistä.
MAC Medium Access Control, OSI-mallin siirtoyhteyskerroksella oleva protokolla.
MIB Management Information Base, SNMP:n mukaisesti organisoitu hallintaobjekti.
NNI Network to Network Interface, ATM-kytkinten välinen rajapinta.
NMS Network Management System, Verkonhallinta.
OAM Operations, Administration and Maintenance, SDH-verkon hallintaproseduuri.
OSI Open System Interconnection, ISO:n standardoitu 7-kerroksinen protokolla- malli.
PMD Physical Layer Dependent sub-layer, Bittien siirrosta vastaava fyysisen kerroksen alikerros.
PRM Protocol Reference Model, Yhteiskäytäntömalli.
PT Payload Type, Otsikon kenttä, joka kertoo kantaako solu käyttäjän dataa vai
hallintatietoa.
SAR Segmentation and Reassemply, ATM sovituskerroksen alikerros, joka osittaa
ja jakaa informaation soluiksi.
SC Sequence Count, AAL1:sen 3 bitin laskurikenttä.
SDH Synchronous Digital Hierarchy, Laajakaistainen lähinnä optisiin siirto- järjestelmiin perustuva synkrooninen siirtoverkko.
SDU Service Data Unit, Datatieto.
SN Sequence Number, AAL1 formaatissa oleva 4 bitin otsikkokentän numero.
SNMP Simple Network Management Protocol, Verkonhallintaprotokolla.
SNP Sequence Number Protection, AAL1 formaatin otsikkokentän 4 bitin suojaus.
STM Synchronous Transport Mode 1, SDH:n siirtomoduli.
TC Transmission Convergence, Fyysisen kerroksen toinen alikerros, jonka tehtävä
on mm. HEC:n generointi ja tarkastus.
UNI User to Network Interface, ATM-päätelaitteen ja ATM-kytkimen välinen
rajapinta.
VCI Virtual Channel Identifier, Virtuaalisen kanavan tunnistin.
VPI Virtual Path Identifier, Virtuaalisen polun tunnistin.
1. Johdanto
Nykyiset tiedonsiirtoverkot ovat saavuttamassa rajansa, sillä samassa ajassa jolloin tietokoneiden prossessorien nopeudet ovat 200-kertaistuneet, on tiedonsiirron nopeus vain 10-kertaistunut [5]. Puhelinverkot ja yleiset dataverkot toimivat nykyisin vielä omissa kaapeleissa ja päätelaitteissa, jolloin päällekkäisten verkkoarkkitehtuurien ylläpito ja kehittäminen on kallista. Tarve kehittää yhteinen laajakaistainen siirtomedia sekä teleliikenteelle että tietokoneyhteyksille on ilmeinen. ATM (Asynchronous Transfer Mode) on nousemassa merkittäväksi tulevaisuuden laajakaistaisen siirtomedian standardiksi. Kansainvälinen standardointijärjestö ITU-T (entinen CCITT) on kehittämässä laajakaistaisen tiedonsiirtoverkon B-ISDN standardia, joka määrittelisi yhteisen siirtomedian yhtä lailla äänen, kuvan kuin datankin siirtämiselle. ITU-T on valinnut B-ISDN:n perusteknologiaksi nimenomaan ATM:n, joka antaa kyllin laajakaistaisen siirtoverkon eri tyyppisille multimediasovelluksille ja erittäin nopealle tiedon siirrolle [1]. ATM-tekniikkaan perustuvia verkkoja on jo testikäytössä laajalti ja kaupallisten verkkojen määrän odotetaan kasvavan vähitellen lähiaikoina. Suomi on ATM-tekniikan käytössä ja kehityksessä tällä hetkellä yksi maailman johtavia maita.
2. ATM-tekniikan yleiskuvaus
Ideaalinen tiedonsiirtoverkko on sellainen, joka siirtää täysin virheettömästi äärettömän määrän bittejä nollaviiveellä. Siis virheettömyys ja viiveettömyys ovat ne päämäärät, joihin pyritään. ATM-tekniikan luonteeseen kuuluu tietyn bittivirhesuhteen (BER, Bit Error Rate) salliminen, joka on suuruusluokkaa 10-8. Tämä on kompromissi, jolla vältetään viiveiden kasvu, mutta siirto on silti kyllin hyvä toteuttamaan haluttu palvelu. Selvin valtti ATM-verkolla nykyisiin verkkoihin verrattuna on suuri, jopa tuhatkertainen nopeus. Verkon tyypillisiä nopeuksia ovat 155 ja 622 Mbit/s ja runkoverkoissa voidaan saavuttaa jopa 2,4 gigabittiä sekunnissa [6].
ATM on nopea pakettivälitystekniikka, joka nimestään huolimatta ei toimi bittitasolla anynkroonisesti, vaan informaation käsittelyajoissa on vaihteluja. Informaation siirto lähettäjän ja vastaanottajan välillä ei kaikissa olosuhteissa toimi vakioviiveellä alkuperäiseen informaatioon verrattuna, vaan viiveessä voi olla vaihteluja järjestelmästä johtuvan paketointiviiveen lisäksi. ATM:ssä on kuitenkin tarkka solujen oikean järjestyksen seuranta, joten solut tulevat perille samassa järjestyksessä, kuin ne on lähetettykin [4].
ATM välittää kiinteämittaisia, itsereitittyviä soluja. Yhteyttä nopeuttaa se, että ATM-solua voidaan käsitellä kytkimissä, rekistereissä ja väylissä suoraan fyysisillä piireillä solun kiinteän pituuden takia. ATM voi siirtää useaa eri tyyppistä asiaa (kuvaa, dataa, ääntä) yhden liitännän kautta liittämällä siirtomedia useaksi virtuaaliseksi yhteydeksi. ATM on yhteydellinen protokolla, jolloin saadakseen ATM-yhteyden, käyttäjän on kytkeydyttävä ATM-kytkimeen, joka hoitaa tarvittavat määrittelyt (esim. kaistanleveys). Määrittely on tärkeää sillä ATM-verkossa voi olla hyvinkin erilaisia laitteita, joiden välinen kommunikointi edellyttää määrittelyjen olevan kunnossa.
2.1 ATM-solun rakenne
Solun rakenteeksi on valittu kansainvälisenä kompromissina 48 tavun hyötykuorma ja 5 tavun otsikko. Euroopassa oli kiinnostusta vieläkin lyhyempään datakenttään, jotta viive olisi saatu minimoitua [6]. Kuvassa 1 on esitetty ATM-solun rakenne [1].
GFC VPI
VPI VCI
VCI
VCI PT CLP
HEC
DATAA 48 TAVUA
Kuva 1. ATM-solun rakenne
ATM-solun otsikossa on esitetty ohjauksessa ja reitityksessä tarvittavaa informaatiota. Viiden tavun otsikolla täytyy tyytyä rajalliseen toiminnallisuuteen. ATM:n yhteydellisyys auttaa tässä asiassa, sillä siinä ei tarvita lähde- ja kohdeosoitteita eikä esimerkiksi pakettien numerointia. Virtuaaliyhteydet tunnistetaan kussakin kytkentäpisteessä numerolla, joka on vain paikallisesti merkittävä.
Solun GFC-kentän (Generic Flow Control, yleinen vuon ohjaus) pituus on 8 bittiä. Kenttää tarvitaan pääsyn ohjaamisessa käyttäjään liittyvään fysikaaliseen mediaan. Tätä kenttää tarvitaan kun on kyseessä käyttäjäliitynnän UNI-rajapinta (user-network interface). Jos soluja siirretään kytkinpisteiden tai keskusten välillä NNI-rajapinnoissa (network-network interface) niin GFC-kenttää ei tarvita, vaan sen sisältämillä biteillä voidaan laajentaa VPI-kenttää (Virtual Path Identifier, virtuaalipolun tunnistin) [6].
ATM-solut kulkevat verkossa virtuaalikanavissa (VC), joita identifoivat VCI:t (Virtual Channel Identifier, virtuaalisen kanavan tunnistin). ATM-yhteys voi sisältää monia välietappeje kahden päätepisteensä välillä. Välietappien väliseen yhteyteen valitaan aina omat virtuaalikanavat (VCI:t). Virtuaalipolkujen tarkoitus on kerätä virtuaalikanavat yhteen niiden hallinnan helpottamiseksi. Hallintaoperaation (esim reititys, kaistanleveyden varaus) tekeminen yhteen virtuaalipolkuun vaikuttaa samalla jokaiseen polun virtuaalikanavaan [5].
VC
SIIRTOMEDIA VP VC
VC
VP VC
Kuva 2. ATM:n virtuaalikanavan suhde virtuaalipolkuun
VCI-kentän pituus on 16 bittiä, joten sillä voidaan tunnistaa tuhansia kanavia. Koska yksi virtuaaliyhteys tarvitsee vain muutaman kilobitin siirtotien ja laajakaistaverkkojen siirtokyky tulee olemaan mega- jopa gigabittien luokkaa, tarvitaan näin suuri virtuaalisen kanavan tunnistuskenttä. Multimediasovellukset tulevat vaatimaan useamman VCI:n samanaikaista käyttöä, koska sovelluksen komponentit (ääni, data, kuva, ...) voivat siirtyä kukin erikseen. Virtuaalipolun siirtokapasiteetti on tyypillisesti suuri, joten sille riittää lyhyempi VPI-tunnistin. Tilaajaliittymässä (User Interface) VPI-kenttä on 8 bittiä ja solmujen välillä 12 bittiä.
Otsikon PT-kenttä (Payload Type) on pituudeltaan 3 bittiä. Se kertoo kantaako hyötykuorma käyttäjän dataa vai hallintatietoa. Käyttäjän datasta erotellaan onko matkalla havaittu ruuhkaa vai ei. CLP (Cell Loss Priority) sisältää vain yhden bitin. Se ehdottaa verkolle ensisijaisesti hukattavaksi sellaisia soluja, joilla CLP=1, jos jotain pitää hukata [6].
ATM-solun dataa ei varjella ATM-kerroksella tarkistussummalla. Tätä perustellaan nykyisten verkkojen paremmalla bittivirhesuhteella sekä sillä, ettei osa sovelluksista (kuva, ääni) välttämättä kärsi muutaman databitin virheestä. ATM keskittyy soluotsikon virheisiin HEC (Header Error Control) suojalla, jonka kentän pituus on 8 bittiä. Virhe otsikossa on aina dataa pahempi, sillä yleensä solu hukkuu tai pahimmillaan joutuu väärään kohteeseen. Otsikon suojauksessa on päädytty mekanismiin, jossa virhe (virheet) havaitaan ja yksi bittivirhe pystytään korjaamaan. Mekanisminä toimii 8 bittinen syklinen BCH-koodi (Bose-Chadhuri-Hocquenghem) [6]. Tätä valintaa voidaan perustella myös sillä että yleensä bittivirheet ovat joko yksittäisiä tai ryöppymäisiä. Ryöppymäisiä virheitä sisältävää solun otsikkokenttää ei kannata yrittää edes korjata, sillä todennäköisesti myös data on vaurioitunut [5].
3. Stadardointi
ATM standardointi on tehty ITU-T:n työryhmissä 11 ja 13. Ryhmän 11 vastuulla on ollut merkinanto ja ryhmällä 13 kaikki muu [6]. Virallisesti ITU-T:ssä päätöksiä tekevät jokaisen maan telehallintoviranomaiset, mutta käytännössä asiat valmistelee ITU-T:n jäsenjärjestöt, joihin kuuluu kansallisia standardointielimiä (ANSI), teleoperaattoreita (Tele) tai laitevalmistajia (Nokia). Euroopassa standardeja laativa ETSI, jonka jäseniä ovat eurooppalaiset teleoperaattorit ja yritykset, yrittää kasvattaa myös Euroopan painoarvoa ATM:n standardointityössä.
Virallisten standardointi järjestöjen lisäksi ATM-standardointiin vaikuttaa voimakkaasti ATM Forum, johon kuuluu tällä hetkellä yli 700 yritys/yhteisöjäsentä [5]. ATM Forum on perustettu nopeuttamaan ATM:n kehitystä, sillä ITU-T toimii monien mielestä liian hitaasti. ATM Forum on julkaissut lukuisia toteutusmäärittelyjä. Niistä tärkeimpiä ovat yksityisten ja julkisten verkkojen liitäntärajapinnat sekä sovellus, testaus ja verkonhallintamäärittelyt.
ATM Forumin ohella myös Internet Engineering Task Force (IETF) on vaikuttanut ATM:n standardointiin [6]. Sen saavutuksia ovat RFC-standardit, joista mm. RFC 1577 kuvaa miten klassinen IP voidaan toteuttaa ATM:n päällä. Yleisesti ottaen ATM-standardointitilanne on tällä hetkellä se, että kaikki keskeisimmät asiat on saatu määriteltyä, mutta monia asioita on vielä määrittelemättä.
4. Yhteiskäytännön perusmalli
ATM:n perusrakenne selviää kuvassa 3 esitetystä yhteyskäytännön perusmallista PRM (=Protocol Reference Model) B-ISDN:ää varten [3]. Mallista selviää että käyttäjän lähettämä informaatio siirretään alaspäin sellaisenaan AAL-kerrokseen (ATM Adaption Layer, ATM:n sovituskerros). AAL sovittaa informaation muotoon, joka sopii edelleen siirrettäväksi ATM-soluissa. ATM-kerroksessa informaatio pakataan soluihin. Solut matkaavat eteenpäin fyysisessä kerroksessa esim. optista kuitua pitkin vastaanottajalle asti. PRM on saanut vaikutteita OSI-mallista, mutta eroaa selvästi siitä jo kolmiulotteisuudensa takia. Kuten kuvasta näkyy ylimmät kerrokset jakautuvat käyttäjätasoon ja ohjaustasoon. Näiden lisäksi hallintataso ulottuu kaikkiin kerroksiin. Käyttäjätasossa sovelletaan korkeimpien kerroksien yhteyskäytäntöä. Ohjaustasossa tapahtuu ATM-verkon merkinanto- ja ohjaustoimminnot. Ohjaustason merkinanto tarkoittaa kaikkea yhteyteen liittyvää hallintaa kuten esimerkiksi yhteyden avaus ja purku [1].
4.1 ATM-sovituskerros
ATM-sovituskerros AAL sovittaa ATM-kerroksen tarjoaman solunvälityspalvelun korkeamman tason palveluita varten. Näitä palveluita ovat käyttäjän palvelut, merkinantopalvelut tai hallinta-palvelut . ITU-T on jaotellut palvelut neljään eri luokkaan, joista kukin asettaa omat vaatimuk-sensa sovituskerrokselle [1].
Luokan A palvelu on yhteydellinen, sen bittinopeus on vakio ja lisäksi lähettäjän että vastaan-ottajan kello pitää olla synkronoitu, eli vallitsee aikariippuvuus. Palvelu pystyy käsittelemään pakettiverkolle tyypillisiä viiveitä ja siirtoviiveiden vaihteluita. Tyypillinen esimerkki tällaisesta palvelusta on kiinteä yhteys.
HALLINTA-
TASO
Ohjaustaso Käyttäjätaso Taso-
hallinta
Ylempien kerrosten yhteyskäytännöt
ATM:n sovituskerros Kerros-
hallinta
ATM kerros
Fyysinen kerros
Kuva 3. ATM yhteyskäytännön perusmalli
Luokan B palvelu on myös yhteydellinen ja aikariippuva, mutta sen bittinopeus ei ole vakio. Tämän luokan palveluita voisi olla esim. kompressoitu, vaihtuvanopeuksinen video ja audio.
Luokan C palvelu on yhteydellinen ja vaihtuvanopeuksinen, mutta ei aikariippuvainen. Kyseessä on tyypillinen yhteydellinen datapalvelu kuten Frame Relay. Merkinantopalvelu sopii myös tähän ryhmään.
Luokan D palvelu on yhteydetön, vaihtuvanopeuksinen ja aikariippumaton. Mikä tahansa yhteydetön datapalvelu voitaisiin lukea tähän kategoriaan. Erityisesti tähän kategoriaan kuuluu ITU-T:n määrittelemä laajakaistainen yhteydetön datapalvelu (Broadband Connectionless Data Service BCLDS) ja ATM Forumin LAN Emulaatio-palvelu [6].
Ensin oli tarkoitus, että kutakin neljää palveluluokkaa varten määriteltäisiin oma ATM-protokollansa niin, että sovitusprotokollat AAL 1- AAL 4 vastaisivat palveluluokkia A-D. Tällä hetkellä AAL 1 on määritelty vakionopeuksisille palveluille. AAL 2:n määrittelyä ei ole vielä aloitettu B luokan palveluille , eikä näillä näkymin tulla aloittamaan, sillä se voitaneen korvata AAL 5:n päälle toteutettavalla CS-protokollalla. AAL 3/4 on muodostunut tyypeistä AAL 3 ja AAL 4. AAL 3 on alunperin suunniteltu yhteydellisille ja AAL 4 yhteydettömille vaihtuvanopeuksisille palveluille, kunnes huomattiin ettei näille tarvittukaan erillisiä AAL-tyyppejä. Näin muodostui AAL 3/4, joka on siis sekä yhteydellisille että yhteydettömille palveluille. AAL 3/4 sai kuitenkin 1993 kilpailijakseen AAL 5:n, joka on AAL 3/4 huomattavasti yksinkertaisempi. AAL 5 on tämän takia saavuttanut vankan aseman data- ja merkinantotyyppinä.
ATM-sovituskerros jakaantuu kahteen alikerrokseen SAR (Segmentation and Reassemply) ja CS (Convergence Sublayer). SAR:n tehtävänä on lähetettäessä paloitella data ATM-kerroksen soluihin sopivaksi ja vastaanotettaessa taas koota soluista datakehyksiä. CS-alikerros on palveluriippuva ja huolehtii kunkin palvelun erityisvaatimuksista [6].
Luokka A B C D
Bittinopeus Vakio Vaihteleva
Lähde ja kohde Synkronoitu Riippumaton
Yhteysmuoto Yhteydellinen Yhteydetön
AAL-tyyppi AAL 1 AAL 2 AAL 3/4 tai AAL 5
Esimerkkipalvelu Kiinteä Video ja Frame Relay BCLDS
yhteys audio
Kuva 4. Sovituskerroksen palveluiden luokittelu
4.2 AAL tyyppi 1
AAL tyyppi 1 mahdollistaa vakionopeuksisen bittivirran siirron kahden AAL-käyttäjän välillä. AAL 1 voi myös siirtää ajoitustietoa sekä informaatiota bittivirran rakenteesta. AAL 1 ilmoittaa käyttäjälle havaituista puutteista ja virheellisestä informaatiosta [1].
Lähettävä AAL 1 kokoaa siirrettävät SDU:t (Service Data Unit) 47 tavun lohkoihin Payloadiksi. Samoin se varustaa kunkin lohkon 3 bitin järjestysnumerokentällä (SN) ja 4 bitin järjestysnumeron suojakentällä (SNP). Vastaanottava AAL 1 tarkistaa SN- SNP-kenttien arvot ja purkaa SDU:t payloadista.
Payloadin ensimmäistä tavua voidaan käyttää parillisilla SC:llä (0,2,4,6) SDU:den sijasta rakenneinformaation välittämiseen. Tällöin CSI bitin arvo SN-kentässä pitää olla 1 ja Payloadin ensimmäinen tavu sisältää rakenneosoittimen SP. Rakenneosoittimen arvo voi vaihdella välillä 0-93 ja se kertoo tavusiirtymän, josta seuraava, kiinteän mittainen tietolohko alkaa.
SN (4 bitts) SNP (4 bitts) Payload (47 octets)
1 46
SP User Information
CSI Sequence count CRC PC
1 3
3 1 User Information
SN = Sequence Number
SNP= Sequence Number Protection SP format, kun SC=0,2,4,6 ja CS=1
CSI = Convergence Sublayer Indicator (SP= Structure Pointer)
PC = Parity Check
Kuva 5. AAL 1-kehys
Parittomilla (1,3,5,7) SC-kentän arvoilla CSI-bitti sisältää 4 bitin pituisen aikaleiman (Residual Time Stamp, RTS) yhden bitin. Aikaleiman arvolla lähettäjä voi kertoa vastaanottajalle, kuinka paljon sen oman kellon taajuus eroaa verkosta saatavan kellon taajuudesta [6].
4.3 AAL tyyppi 5
Payload (0-47 octets) PAD Trailer
UU CPI Length CRC
1 1 2 4
Kuva 6. AAL 5 sanomarakenne
AAL 5 tyyppi suunniteltiin kevyeksi vaihtoehdoksi liian raskaana pidetylle AAL 3/4:lle. AAL 5:n avulla voidaan siirtää kiinteän ja vaihtelevan mittaista tietoa yhdeltä AAL 5 käyttäjältä yhdel-le tai useammalle toiselle AAL 5 käyttäjälle. AAL 5 huomaa siirrossa mahdollisesti syntyneet virheet, mutta ei yritä korjata niitä. Nykyisen AAL 5 on perusta merkinannolle, verkonhallinnalle sekä eri siirtoyhteys- ja verkkokerroksen protokollien toteuttamiselle ATM-verkon yli. AAL 5 sanomarakenne koostuu Payloadista ja Trailerista. Näiden kenttien välissä on 0-47 tavun mit-tainen täytekenttä (PAD), joka täyttää Payloadin 48 tavun monikertoihin, jotta kokonainen määrä ATM-soluja saadaan ositettua. Payload kenttä voi sisältää ATM-verkon yli kuljetettavan IP-pake-tin tai Frame Relay-kehyksen. Trailer kenttä jakaantuu neljään eri osakenttään:
· UU (AAL-layer-User-to-AAL-layer-User) on käyttäjän vapaasti käytettävissä oleva yhden tavun mittainen informaatiokenttä.
· CPI (Common Part Indicator) ei ole toistaiseksi mitään sovittua käyttöä.
· Lenght kertoo Payload kentän pituuden
· CRC (Cyclic Redundancy Code) on MAC paketeista tuttu 32 bitin tarkistussumma.
Payload kentän pituus on rajoitettu 64 Ktavuun, koska Lenght kentän pituus on 2 tavua. Tällä ei sinänsä ole merkitystä, sillä 4 tavun CRC kenttä menettää osan virheiden havaitsemiskyvystään jo noin 10 Ktavun kohdalla [6].
4.4 ATM-kerros
ATM-kerroksen tehtävänä on huolehtia solujen reitityksestä, liikenteen hallinnasta ja multipleksauksesta. Reititys suoritetaan solun viiden tavun otsikkotietojen (VPI- ja VCI-kenttien) avulla. ATM-solmuun tulessa solu rekisteröidään, etsitään reititystaulusta VPI ja VCI-kenttiä vastaavat uudet VCI- ja VPI-arvot ja lähetetään solu matkaan. Solun VPI/VCI-tunnistin vaihtuu siis jokaisessa solmupisteessä. Näin tehtäessä VPI/VCI-arvot eivät ainakaan tule loppumaan kesken. Jotta verkonhallinta olisi helpompaa, käytetään kahta eri tunnistetta. Operaattori voi halutessaan reitittää virtuaaliväyliä haluamallaan tavalla siten, ettei se näy tilaajalle, mutta myös tilaaja voi reitittää omia virtuaalikanaviaan kertomatta siitä operaattorille. Usein yhdessä kuidussa menee useita virtuaalipolkuja. ATM-kerros on täysin riippumaton fyysisestä kerroksesta.
4.5 Fyysinen kerros
Fyysisen kerroksen tehtävänä on kuljettaa ATM-solut kahden ATM-kerroksen välillä. Sen tehtä-viin kuuluu myös taata tietyllä todennäköisyydellä, että kunkin solun 5 tavun otsikko on kunnos-sa (HEC, Header Error Control). Fyysinen kerros lisää lähetettävään dataan tarvitsemansa ohjaus-informaation suorituskyvyn seurantaa ja hälytystietoja varten.
Fyysinen kerros on jakaantunut kahteen alikerrokseen, joista ylempi on nimeltään konvergens-sikerros (TC, Transmission Convergence) ja alempi mediariippuva fyysinen kerros (PMD, Physical Medium Dependent). TC:n tehtävänä on HEC:n generointi ja tarkastus sekä sovittaa solut fyysiseen mediaan. Soluvirran alkamisen ja loppumisen ilmoittaminen hoidetaan myös TC-kerroksella. PMD:n tehtävänä on bittien ajastus sekä vastata viime kädessä bittien siirrosta. Sen on osattava generoida ja vastaanottaa kuhunkin siirtovälineeseen (optinen kuitu, kierretty pari) sopivat aaltomuodot ja tarvittaessa tehtävä sähköisestä optiseen tai optisesta sähköiseen muunnokset [6].
4.6 Esimerkki fyysisestä kerroksesta ATM:n alla, SDH
Tällä hetkellä SDH (Synchronous Digital Hierarchy) on yleinen siirtoverkko ATM:n alla. SDH on optisiin siirtojärjestelmiin perustuva laajakaistainen siirtoverkko, jolla on muutakin käyttöä kuin ATM-solujen siirto. SDH on standardoitu ITU-T:ssä, josta ETSI sorvaa eurooppalaiset suositukset.
ATM-solut voidaan siirtää 150Mbit/s nopeudella SDH:n synkronisessa siirtomodulissa STM-1 (Synchronous Transport Module), joka koostuu yhdeksästä rivistä, joissa kullakin on 270 tavua. Tällaisia kehyksiä SDH siirtää 8000 kappaletta sekunnissa, jolloin bruttonopeudeksi saadaan 9*270*8000*8 = 155.52 Mbit/s. STM-1 koostuu 9x9 tavun siirto-otsikkokentästä (Section Overhead) ja 261x9 tavun ryhmäyksiköstä (AU-4, Administrative Unit), joka kuljettaa virtuaali-konttia (VC-4, Virtual Container). Kontti muodostuu 1x9 tavun reittiotsikosta (VC-4 POH, Path Overhead) ja 260x9 tavun kontista (C-4, Container), johon lopulta ATM-solut laitetaan. SDH:n hyötykuorman siirtonopeudeksi tulee STM:n rakenteesta johtuen 149.76 Mbit/s. Kun tästä vielä vähennetään ATM-solujen otsikkokentät, todellinen informaation siirtonopeus on 135.631 Mbit/s. Huomataan myös että C-4 konttiin ei mahdu tasamäärä 53 tavun ATM-soluja, mutta tämä ei tuota ongelmia, sillä katkennut ATM-solu jatkuu seuraavassa C-4 kontissa. STM-4 siirto-modulilla voidaan siirtää SDH-verkossa 622 Mbit/s nopeudella samalla tavoin ATM-soluja [6].
5. ATM-verkkoarkkitehtuuri ja rajapinnat
Julkiset ATM-verkot muodostavat ATM-verkkoarkkitehtuurin ylimmän tason. Nämä yhdistävät toisiinsa yksityisiä ATM-verkkoja. Sekä julkiset että yksityiset verkot rakentuvat toisiinsa liitetyistä ATM-kytkimistä. Alimmalla tasolla verkkoarkkitehtuurissa ovat julkisiin ja yksityisiin ATM-verkkoihin liitetyt ATM-päätelaitteet, joita voivat olla esim. tietokoneet, reitittimet ja puhelinvaihteet. Julkiset ATM-verkot ovat yleensä ATM-kaukoverkkoja ja yksityiset verkot ATM-lähiverkkoja.
ATM-verkkoarkkitehtuuri muistuttaa hyvin läheisesti reititinverkkojen arkkitehtuuria. Eroina ovat lähinnä se, että ATM-verkkoarkkitehtuuri keskittyy OSI-mallin siirtoyhteyskerrokselle kun taas reititinverkkoarkkitehtuuri painottuu verkkokerrokselle sekä ATM:ssä lähiverkko ja kaukoverkko toteutetaan samalla tekniikalla kun taas reititin verkoissa toteutukset poikkeavat huomattavasti toisistaan.
Standardointimielessä ATM-verkkoarkkitehtuuri koostuu joukosta määriteltyjä rajapintoja. ATM-päätelaitteen ja ATM-kytkimen välistä rajapintaa nimitetään UNI:ksi (User-to-Network Interface). UNI voi olla yksityinen tai julkinen. Julkisessa UNI:ssa myös julkiseen ATM-verkkoon liitettyä yksityistä ATM-verkkoa pidetään ATM-päätelaitteena. Kahden kytkimen välistä rajapintaa joko saman verkon sisällä tai yksityisten verkkojen välillä kutsutaan Private NNI:ksi (Network-to-Network Interface). Kahden julkisen ATM-verkon välistä rajapintaa nimitetään B-ICI:ksi (B-ISDN Inter Carrier Interface).
Eri rajapintojen määrittelyissä pisimmällä tällä hetkellä ollaan julkisen sekä yksityisen UNI-rajapinnan standardoinnissa. Tämän hetkiset UNI-standardit mahdollistavat ATM-päätelaitteiden ja -kytkinten valmistuksen. UNI-standardointi on tapahtunut sekä ITU-T:ssä että ATM Forumissa. P-NNI:n standardointi on myös edennyt pitkälle, mutta käytännössä dynaamisesti reitittävää ATM-verkkoa on vielä vaikea rakentaa eri valmistajien kytkimistä [6].
B-ICI:stä ATM Forum on myös julkistanut ensimmäisen version ja toinen versio, joka sisältää myös kytkentäiset yhteydet, on pian valmis. Versiot määrittelevät B-ICI-rajapinnan lisäksi seuraavat rajapinnat:
· ATM-soluvälityspalvelu (Cell Relay Service, CRS)
· Piiriemulointi (Circuit Emulation Service, CES)
· Kehysvälityspalvelu (Frame Relay Service, FRS)
· SMDS (Switched Multimegabit Data Service)
6. ATM-verkon hallinta
ATM-verkon hallinta kattaa kaikki ATM-yhteiskäytäntömallin kerrokset sekä kaikki ATM-verkkoarkkitehtuurin liitännät. Fyysisen kerroksen hallinta tapahtuu ns. OAM (Operation and Maintenance) hallintaproseduureilla hallintavoiden F1, F2 ja F3 avulla. ATM-kerroksen hallinta lisää tähän omat vian- ja liikenteenhallintatoiminteet OAM-hallintavoiden F4 ja F5 avulla.
OAM-hallintavuot F1-F5 ovat ITU-T:n standardoimia. Näiden lisäksi ATM Forum on määritellyt UNI-rajapintaan ILMI (Interim Local Management Interface) protokollan. Tämän avulla päätelaite ja ATM-verkko keskustelevat keskenään konfigurointi-, tila- ja liikennetiedoista. ATM Forum on myös määritellyt verkonhallintaa varten referenssimallin, jonka avulla voidaan nähdä hallittavat verkon komponentit ja liitännät sekä ulkoisten hallintajärjestelmien väliset rajapinnat [6].
Private NMS M(3) Operator NMS M(5)
M(1) M(2) M(4)
Public
Private Public NNI to
ATM terminal UNI Private ATM UNI Operator A ATM Operator
ILMI & Switch ILMI & Switch B OAM
OAM OAM flows
flows flows
Kuva 7. ATM Forumin ATM-verkon hallintamalli
M1 on ATM-päätelaitteen hallintaan tarvittava rajapinta. M2 on yksityisen ja M4 julkisen ATM-verkon hallintaan tarkoitettu rajapinta. M3 rajapinta mahdollistaa julkisen verkon asiakkaan oman loogisen osansa valvonnan julkisessa verkossa. M5 rajapinta mahdollistaa kahden julkisen ATM-verkon välisen hallintainformaation vaihdon. M3:n SNMP-pohjainen määrittely on jo valmis, kun M4-rajapinnan SNMP-pohjainen määrittely on hieman vielä kesken. M1 ja M2 rajapintojen määrittelyä ei ole vielä aloitettu. Yksityisen ATM-verkon hallintaan on kuitenkin olemassa RFC 1695:n määrittelemät hallintaobjektit, jotka on organisoitu SNMP standardin mukaiseksi MIB (Management Information Base) -rakenteeksi. Hallintaobjektien sisältämä hallintainformaatio on jaoteltu seuraaviin ryhmiin:
· Fyysinen kerros (portin osoite, fyysinen tyyppi, tila)
· ATM-kerros (yhteyksien ja VPI/VCI bittien määrä, UNI-tyyppi)
· ATM-kerroksen tilastot (vastaanotettujen, hylättyjen, lähetettyjen solujen määrä)
· Virtuaalipolkuyhteydet (polkutunnus, liikennesopimus, tila)
· Virtuaalikanavayhteydet (polku/kanavatunnus, liikennesopimus, tila)
· Verkko-prefix (= päätelaitteen tunnus) (vain päätelaitteissa)
· Verkko-osoite (vain kytkimessä)
7. ATM-verkkotuotteita
Tällä hetkellä ATM-tuotteita on markkinoilla hyvin saatavissa ja hintataso on pudonnut 50 % vuosivauhdilla pari viime vuotta. Ensimmäiset ATM-tuotteet olivat ATM-kytkimiä ja liitäntäkortteja tietokoneisiin ja reitittimiin. Nyt on jo saatavilla ensimmäisiä ATM Lan Emulation-tuotteita, jotka ovat tärkeimmät tuotteet tulevaisuudessa ATM-tekniikan leviämisen kannalta.
Tällä hetkellä ATM-liitäntäkorttien hinnat työasemiin pyörivät noin 400$-500$ vaiheilla. Reitittimiin liityntäkortteja yleensä saa vain valmistajien (Cisco, Bay Networks) kalliisiin reititin malleihin, joten kortin hinta on myös kallis. ATM-kytkin markkinoilla laajin valikoima löytyy tällä hetkellä lähiverkkosolmuissa. ATM-lähiverkkovalmistajia ovat mm. Fore, Cisco, 3Com, IBM ja Digital. 155 Mbitin ATM-portin hinta lähiverkkokytkimessä on noin 800$-900$ [6].
8. Olemassa olevia ATM-kokeiluja Suomessa
ATM-tekniikan tutkimuksen ja käyttöönoton suhteen Suomi on maailman johtava kärkimaa Yhdysvaltojen kanssa, jossa on kehitysasteella muutamia todella isoja ATM-verkkokokeiluja mm. Pohjois-Carolinessa, jonne on rakenteilla koko osavaltion kattava julkinen ATM-verkko, joka yhdistää koulut, sairaalat, julkiset virastot jne [5].
Suomessa merkittävin tutkimustyö ATM:n osalta on tehty TTKK:lla, jossa jo vuonna 1992 otettiin käyttöön ATM-pilottiverkko. Syksyllä 1994 otettiin FUNETin runkoverkossa välillä Helsinki-Tampere käyttöön 155 Mbit/s ATM-yhteys ensimmäisenä Euroopassa. 1995 vuoden aikana FUNET siirtyi omissa runkoverkkoyhteyksissään kokonaan ATM-tekniikkaan. Korkeakoulumaailman ulkopuolella ATM-tekniikkaa omissa runkoverkoissaan käyttävät mm. Kouvolan kaupunki ja Kela. Tällä hetkellä myös teleoperaattorit Tele ja paikalliset puhelinyhtiöt tarjoavat ATM-yhteyksiä kaikille halukkaille Suomen suurimmissa kaupungeissa [5].
8.1 FASTER (Finnish Asynchronous Transfer Mode Education and Research Network)
Faster on Suomalainen tutkimushanke, johon liittyy monimuotoviestinnän sovellusten toteuttaminen ATM-tekniikalla. Hankkeen tavoitteena on tarjota käytännön kokemusta ATM-tiedonsiirtosovellusten toteutuksiin. Multimediasovelluksissa pyritään usean työaseman väliseen audio-visuaaliseen viestintään. Lääketieteellisessä kuvankäsittelyssä siirrettään taas erittäin suuria tietomääriä ja tietoliikennettä ja samalla edellytetään ehdotonta luotettavuutta. ATM-teknikkaa kehitetään myös lähiverkkojen yhdistämiseen, pienryhmien videoneuvotteluihin, tietoverkon hajautettuun suunnitteluun ja etäopetukseen. Tutkimushanketta ovat suunnitelleet ja toteuttaneet yhdessä Tampereen teknillisen korkeakoulun kanssa mm. Nokia Tutkimuskeskus, Omnitele Oy, Santa Monica Software Oy, Sun Microsystems Oy, FUNET, Tampereen puhelinosuuskunta, Tele ja Valtion tutkimuskeskus. Hankkeen päärahoittaja on Teknologian kehittämiskeskus TEKES [2].
9. Yhteenveto
ATM-tekniikkaa pidetään tulevaisuuden tekniikkana ja siksi sen tutkimiseen sekä kehitykseen panostetaan voimakkaasti. Jo tällä hetkellä ATM on toimivaa tekniikkaa, mutta yleistymistä jarruttaa ennenkaikkea muihin verkkoratkaisuihin verrattuna kallis hinta. Lähiverkkoratkaisuissa muut vaihtoehtoiset siirtomediat säilyvät vielä pitkälle tulevaisuuteen, mutta runkoverkko-ratkaisuna ATM on jo tällä hetkellä hyvin varteenotettava vaihtoehto. Tällä hetkellä markkinoille tulee yhä kiihtyvämmällä vauhdilla uusia ATM-tuotteita ja sovelluksia, joilla epäilemättä on suotuisia vaikutuksia ATM-tekniikan hintakehitykseen.
ATM-tekniikan perusideana on kuljettaa kaikki mahdollinen informaatio kuvasta ja äänestä dataan samaa siirtokanavaa pitkin saman mittaisissa soluissa. Tulevaisuuden visiona on korvata kaikki nykyiset verkot lähiverkoista kaukoverkkoihin yhdellä ja samalla tekniikalla ATM:llä. ATM:stä uskotaankin tulevan eri maissa suunniteltavien `tiedon valtateiden' perusta.
10. Lähteet
[1] Chen, T.M; Liu, S.S. ATM Switching Systems. Artech House, Boston. 1995. 261 s.
[2] http://www.cs.tut.fi/communication.services/faster/faster.html. FASTER - Finnish Asynchro-nous Transfer Mode Education and Research Network. Tampereen Teknillinen Korkeakoulu, Tampere. 1995.
[3] Hämeen-Anttila, R; Hölttä, P; Niinioja, S. Tietoliikennejärjestelmät. Painatuskeskus, Opetushallinto, Helsinki. 1993. s. 85-94.
[4] Hämeen-Anttila, R. Havaintoja laajakaistaverkkojen koejärjestelmistä, multimediasta ja ATM:stä. Raportti nro 126, Helsingin Puhelinyhdistyksen Tutkimuslaitos, Helsinki. 1993. s 53-67.
[5] Koskelainen, P. ATM - Uudensukupolven tiedonsiirtotekniikka. http://www.cs.tut.fi/tlt. Digitaalisen Median Instituutti, Tampereen Teknillinen Korkeakoulu, Tampere. 1995.
[6] Relevantum Oy. ATM- Perustekniikka. Kurssimateriaali LM Ericsson OY:llä olevasta kurssista, Jorvas. 31.8-1.9.1995.