Technologia ATM (ang. Asynchronous Transfer Mode) jest szerokopasmową technologią komunikacyjną, która wykorzystywana jest do przesyłania danych interakcyjnych, różnej wielkości plików, transmisji głosu, a także sygnału wizyjnego. Standard ATM może być stosowany zarówno w sieciach lokalnych LAN, miejskich MAN jak i rozległych WAN. Połączenie pomiędzy odbiorcą a nadawcą, tworzone jest na podstawie informacji zawartej w przesyłanych komórkach informacyjnych (ang. cell) o jednakowych rozmiarach.

Standard ATM (Asynchronous Transfer Mode) nie definiuje medium transmisyjnego, wykorzystywanego do realizacji połączeń miedzy węzłami, lecz zasady komunikacji w sieci, dopuszczając zastosowanie technologii ATM w różnorodnych środowiskach transmisyjnych, takich jak kable koncentryczne (sieci lokalne), światłowody (sieci LAN, WAN), bądź kanały bezprzewodowe (sieci globalne). ATM nie jest też związany z określoną szybkością przesyłania danych. Początkowo zdefiniowano szybkości transmisji od 1.5 Mb/s do 622 Mb/s, ale sieci ATM mogą swobodnie osiągać coraz wyższe prędkości przesyłania danych, w miarę rozwoju sprzętu i technologii transmisyjnych. Określone w standardach mechanizmy synchronizacji i sygnalizacji zajmują około 1 Mb/s każdego łącza fizycznego, stąd nie jest korzystne używanie wolniejszych łączy niż T1/E1.

Termin "asynchroniczny - asynchronous" w nazwie technologii ATM (Asynchronous Transfer Mode), odnosi się do trybu transmisji danych. W metodzie ATM przesyłane strumienie bitów dzielone są na grupy po 53 bajty, zwane “komórkami". Komórki z różnych połączeń są ze sobą wymieszane i przesyłane bez żadnego ustalonego porządku.

Architektura ATM (Asynchronous Transfer Mode) została zdefiniowana jako element specyfikacji B-ISDN (ang. Broadband - Integrated Services Digital Network, rys.1). Skrót B-ISDN oznacza szerokopasmową sieć cyfrową z integracją usług, w której informacje są przesyłane z dużą szybkością w postaci komutowanych pakietów danych, mowy i obrazów ruchomych i nieruchomych (wideo). Podobnie jak i w innych typach sieci telekomunikacyjnych, również i w systemie B-ISDN ATM, funkcje sterowania, zarządzania, obsługi procesów użytkowych oraz związane z nimi protokoły mają strukturę warstwową.

Model architektury ATM składa się z trzech warstw:

- warstwy fizycznej - definiującej funkcje związane z dostępem do medium transmisyjnego;

- warstwy ATM - określającej format komórki oraz funkcje zapewniające niezawodny transfer komórek ATM, bez względu na typ usługi;

- warstwy AAL (ang. ATM Adaptation Layer - AAL) - adaptacyjnej, obejmującej funkcje zależne od typu realizowanej usługi, które określają sposób konwersji informacji z warstw wyższych do postaci komórek ATM,

oraz płaszczyzn:

- płaszczyzny użytkownika - pełniącej funkcje transferu informacji użytkownika oraz sterowania przepływem strumieni tych informacji, itp.;

- płaszczyzny sterowania - odpowiedzialnej za realizacje zgłoszeń; w płaszczyźnie tej zawarte są funkcje sygnalizacyjne odpowiedzialne za ustanawianie, zarządzanie i rozłączanie połączeń ATM;

- płaszczyzny zarządzania - realizującej funkcje nadzoru warstwą (zarządzanie zasobami oraz parametrami obiektów istniejących w protokole) i nadzoru płaszczyzną (koordynacja miedzypłaszczyznowa).

Rys. 1 Model warstwowy szerokopasmowego ISDN.

Podobnie jak w wielu innych architekturach sieciowych, tak i w ATM, poszczególne warstwy dzielą się na podwarstwy, pełniące różne zdefiniowane funkcje. Zestawienie funkcji realizowanych w poszczególnych warstwach przedstawione jest w tabeli 1:

Tabela 1 Funkcje realizowane w warstwach technologii ATM

Na rys.2 (poniższy) przedstawiony jest ogólny sposób formowania informacji użytkownika (payload) i tworzenia komórki ATM (ATM cell).

Rys.2 Formatowanie informacji w ATM

Standard ATM (Asynchronous Transfer Mode) definiuje dwa podstawowe rodzaje interfejsów (styków) fizycznych.

Pierwszym z nich jest styk UNI (ang. User-to-Network Interface) - określający zasady połączenia użytkownika z siecią ATM. Z interfejsem tym związany jest protokół ILMI.

Natomiast drugi styk NNI (ang. Network-to-Network Interface) - styk międzywęzłowy opisujący zasady łączenia przełączników ATM i odpowiadający głównie za zarządzanie ich współdziałaniem. Z interfejsem tym związany jest protokół PNNI.

Protokół ILMI (ang. Integrated Local Management Interface) odpowiedzialny jest za autokonfigurację wielu parametrów protokołu ATM, np. wyznaczanie adresów serwerów inicjalizujących różne protokoły sieciowe ATM czy też określanie adresów ATM stacji końcowych. Mechanizm rejestracji adresów ATM w standardzie ILMI pozwala przełącznikom ATM rezerwować początkową cześć adresu stacji końcowych, podczas gdy pozostała cześć stanowi unikatowy 48-mio bitowy adres MAC (Medium Access Control) stacji, nazywany tu ESI (End System Identifier). Protokół ten umożliwia administratorowi sieci kontrolę rezerwowanych adresów.

Protokół PNNI (ang. Private Network-to-Network Interface) w ATM definiuje zbiór reguł dynamicznego routingu oraz sterowania, obejmujących zasady ustalania połączenia z gwarancją jakości usług QoS, z uwzględnieniem dostępnej w danej chwili przepustowości, obciążenia sieci i średniego opóźnienia transmisji. Protokół PNNI umożliwia przełącznikom ATM wymianę informacji o dostępnych adresach w sąsiednich przełącznikach oraz metryk QoS, wykorzystywanych przy określaniu parametrów kontraktu nowego połączenia. Wymiana informacji pomiędzy przełącznikami ATM z wykorzystaniem protokołu PNNI umożliwia zestawienie połączenia tak, by został osiągnięty pożądany poziom QoS oraz by uniknąć przeciążeń w sieci. Protokół PNNI jest stosowany zarówno w małych, lokalnych sieciach ATM, jak i w sieciach o zasięgu globalnym. Jest to możliwe dzięki hierarchicznemu podziałowi urządzeń w sieci na poziomy i grupy (ang. Peer Groups). W jednej grupie znajduje się liczba przełączników, dobrana tak, by zapewnić zarówno wysokie wykorzystanie przepustowości łączy, jak i właściwe metryki QoS połączeń. Każda grupa posiada "lidera" (ang. Peer Group Leader). "Liderzy" wchodzą w skład grup wyższego poziomu, które też mają swoich liderów. Każdy poziom hierarchii jest identyfikowany przez określoną część 20 bajtowego adresu ATM (rys.3), który złożony jest z 13 bajtów prefiksu sieciowego (Network Prefix), 6 bajtów ESI (End System Identifier) i 1 bajtu SEL (Selector).

Rys. 3 Adres sieciowy węzła w sieci PNNI.

W ten sposób hierarchia przełączników może nawet obejmować do 104 poziomów (Network Prefix ma 13 bajtów = 104 bity. Po ustaleniu klasy usługi, jakości usługi QoS oraz zestawieniu połączenia wirtualnego następuje transmisja danych.

W sieci ATM wyróżniamy następujące rodzaje połączeń:

PVC (ang. Permanent Virtual Connection) - połączenie zestawiane jest na stałe, niezależnie od tego czy jest wykorzystywane do transmisji, wartości identyfikatorów w połączeniu PVC ustala administrator sieci, który też ustanawia i zamyka połączenie;

SPVC (ang. Soft-Permanent Virtual Connection) - różni się od połączenia PVC tym, że połączenie jest ustalane tylko na czas przesyłania danych, ale wartości identyfikatorów połączenia są z góry nadane przez administratora sieci;

SVC (ang. Switched Virtual Connection) - połączenie zestawiane jest tylko na czas przesyłania danych (dynamicznie), a wartości identyfikatorów połączenia ustalane są podczas ustanawiania połączenia.

Sieć ATM składa się na ogół z wielu połączonych ze sobą przełączników ATM (ATM switch). Gdy komórka informacyjna przybywa do switcha ATM, jest ona kierowana, na podstawie informacji adresowej zawartej w nagłówku, właściwą drogą do kolejnego węzła. Przełączanie komórek następuje sprzętowo. Z uwagi na to przesyłanie danych w standardzie ATM jest bardzo szybkie. W switchu ATM nie jest dokonywana weryfikacja poprawności przesyłanych komórek - odpowiadają za nią wyższe warstwy zaimplementowane w stacjach nadawcy i odbiorcy.

Zgodnie z koncepcją ATM pomiędzy stacjami źródłową a docelową zestawiane jest logiczne połączenie zwane kanałem wirtualnym VCC (ang. Virtual Channel Connection). Zestaw kanałów o wspólnym węźle docelowym tworzy tzw. wirtualną ścieżkę VPC (ang. Virtual Path Connection). W komutatorze ATM ma więc miejsce multipleksacja statystyczna poszczególnych kanałów. Kanały i ścieżki wirtualne są rozróżniane przez części adresowe VPI (ang. Virtual Path Identifier - 12-to (w NNI) lub 8-mio (w UNI) bitowe identyfikatory w zależności od wersji styku ATM) i VCI (ang. Virtual Channel Identifier - 16-to bitowy identyfikator) umieszczone w nagłówku komórki (rys.5 i 6).

Użycie ścieżek wirtualnych VP upraszcza zarządzanie siecią, ponieważ liczba ścieżek wirtualnych jest znacznie mniejsza od liczby kanałów wirtualnych VC. Brak konieczności zestawiania połączeń w węzłach pośrednich, przez które przebiega dana ścieżka, wpływa na przyspieszenie procedury ustanawiania nowego połączenia ATM, wykorzystującego ścieżki wirtualne.

Kanały wirtualne VC należące do jednej ścieżki wirtualnej VP muszą charakteryzować się jednakowym poziomem wymaganej jakości usługi QoS. Transmisja danych odbywa się z udziałem węzłów-switchy ATM. Rozróżniamy przy tym dwa rodzaje switchy (przełączników). Są to przełączniki ścieżek VP i kanałów VC (rys.4). W przełączniku VP znajdują się zakończenia ścieżek VPx. W związku z tym dokonywane są zamiany wartości VPI ścieżki wchodzącej na VPI ścieżki wychodzącej, według adresu docelowego danego połączenia. W przełączniku kanałów VC translacji ulegają zarówno wartości wskaźników VCI jak i VPI.

Rys. 4 Typy przełączania w ATM.

ATM (Asynchronous Transfer Mode) dysponuje dobrymi mechanizmami obronnymi przed powstaniem przeciążeń. W razie awarii przełącznika w sieci lub dużego zagęszczenia ruchu następuje przełączenie całej wirtualnej ścieżki na inną drogę w sieci. Ułatwia to zarządzanie siecią ATM, gdyż wymagane jest tylko określenie przebiegu wirtualnych ścieżek, nie zaś indywidualnych kanałów. Określenie ścieżki i kanału w sieci, rodzaj przesyłanej informacji (użytkowa, zarządzania siecią) oraz priorytet komórki są umieszczone w nagłówku komórki.

W standardzie ATM dane przesyłane są w postaci komórek o stałym, wynoszącym 53 bajty rozmiarze. Składają się one z 5-cio bajtowego nagłówka oraz 48-u bajtów danych (ang. payload). Ich stała długość powoduje, że sieć ATM jest przystosowana do transportu różnorodnych protokołów komunikacyjnych i usług. Jednocześnie fakt jednakowej długości komórek informacyjnych daje możliwość przydzielenia aplikacjom takiego pasma przesyłania, jakie jest im niezbędne, a w razie potrzeby zmianę jego zakresu. Ma to zasadnicze znaczenie dla przesyłania informacji głosowych i sygnału telewizyjnego, które wymagają stałego pasma oraz pojawiania się kolejnych komórek u odbiorcy w takiej samej kolejności, w jakiej zostały nadane. Struktura nagłówka została pokazana na rysunkach 5 i 6.

Rys. 5 Format nagłówka komórki ATM dla styku UNI.

Rys. 6 Format nagłówka komórki ATM dla styku NNI.

Pole GFC (ang. Generic Flow Control) - pole kontroli dostępu - jest używane tylko na styku użytkownik-sieć. W interfejsie NNI nie występuje. Służy do kontroli przepływu danych od stacji użytkownika do sieci ATM oraz zapobieganiu krótkotrwałym przeciążeniom na tym styku. Pole to nie jest związane z dalszą częścią nagłówka, dlatego nie może być używane do kontroli przepływu w poszczególnych ścieżkach czy kanałach.

Pole VPI (ang. Virtual Path Identifier) jest identyfikatorem ścieżki logicznej VPI, w zależności od rodzaju styku UNI czy NNI, ma długość 8 lub 12 bitów.

Pole VCI (ang. Virtual Channel Identifier) jest identyfikatorem kanału logicznego VCI, łącznie z polem VPI, służy do wyznaczania drogi przesyłania komórki. Długość tego pola VCI jest identyczna dla obu rodzajów styków.

Pole PT (ang. Payload type) wskazuje na typ danych, określa jakiego typu dane są przesyłane w danej komórce, np. wartość "000" wskazuje na dane użytkownika. W przypadku danych sieci pole to przenosi informacje potrzebne do zarządzania oraz przeprowadzenia określonych operacji.

Natomiast pole CLP (ang. Cell-Loss Priority) jest bitem priorytetu. Wartość "1" oznacza niski priorytet i taka komórka może ulec zniszczeniu w zależności od stanu sieci, np. przy zatłoczeniu. Bit CLP może być określany przez użytkownika lub usługę sieciową. Komórki przenoszące dane CBR mają zawsze wysoki priorytet CLP="0". Wiele usług VBR ma niskie wymagania co do jakości transmisji i komórki z ich danymi mogą mieć ustawiony bit CLP na "1". Poziom jakości transmisji jest określany przy ustalaniu połączenia, przy czym w trakcie trwania transmisji może ulec zmianie.

Pole HEC (ang. Header-Error-Control) jest polem kontrolnym. HEC w odróżnieniu od pozostałych pól nagłówka, ustawianych w warstwie ATM, określane jest w warstwie fizycznej i służy do sprawdzania poprawności transmisji, a także korekcji błędów. Generowane jest na podstawie pierwszych 32-ch bitów nagłówka według wielomianu generującego: x8+x2+x+1.

W ATM rozróżnia się kilka typów komórek:

- "puste" (ang. Idle) nie przenoszące żadnej informacji, generowane są przez warstwę fizyczną w celu dostosowania szybkości przepływu pomiędzy warstwą ATM a fizyczną, w przypadku obciążenia;

- "poprawne" (ang. Valid) przesłane prawidłowo bez błędów nagłówka lub takie, których nagłówek jest poprawny po przeprowadzeniu weryfikacji;

- "niepoprawne" (ang. Invalid) przesłane błędnie z niemożliwością przeprowadzenia poprawek weryfikacji;

- "przydzielone" (ang. Assigned) w warstwie ATM dostarczające usługi aplikacjom;

- "nieprzydzielone" (ang. Unassigned) wszystkie komórki w warstwie ATM nie będące "przydzielonymi".

Warstwa ATM odpowiada za ustawienie połączenia, ustalenie parametrów przepływu oraz jego kontrolę. Do rozróżniania połączeń służą wskaźniki ścieżek VPI oraz kanałów VCI. Dwa różne kanały w dwóch różnych ścieżkach mogą mieć identyczny wskaźnik kanału VCI. Dlatego dopiero oba wskaźniki jednoznacznie określają połączenie. Wartość VPI zmieniana jest w miejscu zakończenia ścieżki (np. komutator ścieżek), a VCI w miejscu zakończenia kanału. Dlatego z definicji ścieżki i kanału wynika, że wraz ze zmianą VCI następuje zmiana VPI. Parametry przepływu danych są ustalane podczas ustawiania połączenia, jednak podczas transmisji mogą być negocjowane.

Warstwa adaptacyjna ATM AAL (ATM Adaptation Layer) składa się z:

- podwarstwa CS (Convergence Sublayer), która zależy od wybranej usługi, jakie prowadzi poprzez punkty udostępniania usług AAL-SAP, będące adresami aplikacji.

- podwarstwa SAR (Segmentation And Reassembly) - segmentująca pakiety PDU z podwarstwy CS i składająca komórki warstwy ATM w pakiety CS PDU.

Ze względu na różnorodność charakterystyk przepływu danych zostało wydzielonych kilka klas usług, z każdą związana jedna z warstw adaptacji AAL.

ATM AAL Typ 1

Protokół AAL typ 1 wykorzystywany jest przy usługach klasy A, która charakteryzuje się stałą szybkością transmisji (usługi CBR), np. przesyłanie dźwięku, wideo, usługi multimedialne. Protokół ten jest zorientowany połączeniowo (ang. Connection Oriented). Realizuje on segmentacje i scalanie danych użytkownika, informuje warstwy wyższe o zgubionych lub błędnych komórkach, jeżeli nie jest w stanie przeprowadzić ich korekty. Utrzymuje dopuszczalny poziom opóźnienia transmisji komórek oraz segmentacji/scalania pakietów. Protokół AAL1 odtwarza częstotliwości zegara w odbiorniku. Synchronizacja ta potrzebna jest do utrzymania odpowiedniej stałej częstotliwości nadawania/odbierania komórek.

W podwarstwie SAR jednostki SAR-PDU (rys.7) składają się z 48-miu oktetów. Pierwszy oktet zawiera informacje PCI (ang. Protocol Control Information), która jest podzielona na dwa pola:

- 4-ro bitowy numer kolejny SN (ang. Sequence Number):

- jeden bit CSI (ang. Convergence Sublayer Indication);

- trzy bity numeru sekwencyjnego SC (ang. Sequence Count)

- 4-ro bitowe pole poprawności SNP (ang. Sequence Number Protection)

- trzy bity CRC, które określają poprawność pola SN według wielomianu: x3+x+1,

- jeden bit parzystości określony na podstawie poprzednich 7-miu.

Rys. 7 Format AAL 1 Protocol Data Unit

Podwarstwa CS jest odpowiedzialna za utrzymanie dopuszczalnego opóźnienia. Realizuje to za pomocą odpowiedniej wielkości buforów.

ATM AAL Typ 2

Protokół warstwy AAL2 jest również zorientowany połączeniowo, ale charakteryzuje się zmienną szybkością transmisji VBR (świadczy usługi klasy B). AAL2 przenosi informacje synchronizacji pomiędzy nadawcą i odbiorcą oraz utrzymuje dopuszczalne opóźnienie transmisji. Warstwom wyższym może przekazywać informacje o błędach transmisji (błędne komórki lub ich zgubienie) (rys.8).

Rys. 8 Format AAL 2 Common Part Sublayer PDU

OSF - pole offsetu; SN - numer sekwencyjny; P - bit parzystości

ATM AAL Typ 3 i 4

Protokoły AAL warstw 3/4 są bezpołączeniowe, o zmiennej szybkości transmisji nie wymagającej izochroniczności. Odnoszą się do usług klas C i D. Podwarstwa CS składa się z CPCS (ang. Common Part Convergence Sublayer) oraz SSCS (ang. Service-Specific Convergence Sublayer). Dla warstwy AAL Typ 3/4 są zdefiniowane dwa sposoby transmisji:

- wiadomości (ang. Message Mode) przesyła dane warstw wyższych w jednej lub kilku jednostkach SAR-PDU;

- strumieniowy (ang. Streaming Mode) przeznaczony do transmisji z małą prędkością i małymi opóźnieniami.

Protokół AAL typ 3/4 umożliwia przesyłanie z retransmisją błędnych lub utraconych komórek lub bez retransmisji. Jednostki CS-PDU (rys.9) z reguły są różnej długości. Podwarstwa SAR segmentuje je na 44-oktetowe części, dodaje dwu-oktetowy nagłówek oraz dwu-oktetowe zakończenie (ang. Trailer). Nagłówek składa się z pól:

- typ segmentu ST (ang. Segment Type) (2 bity) definiujący czy dana komórka zawiera początek (BOM), kontynuacje (COM), koniec (EOM) pakietu czy cały pakiet (SSM),

- numer kolejny SN (4 bity),

- wskaźnik multipleksacji MID (ang. Multiplexing Identification) (10 bitów).

W skład trailera wchodzą:

- wskaźnik ilości bitów informacji - 6 (w przypadku BOM i COM zawsze równy 44),

- pole poprawności transmisji CRC (10 bitów) określone dla całej SAR-PDU na podstawie wielomianu: x10+x9+x5+x4+x+1.

Rys. 9 Format AAL 3 /4 SAR PDU

Dodatkowo funkcje podwarstwy SAR to:

- wykrywanie pojedynczych błędów,

- multipleksacja/demultipleksacja jednostek CS-PDU należących do różnych połączeń w jedno połączenie warstwy ATM, wszystkie o jednakowym QoS (wszystkie jednostki SAR-PDU o jednakowym MID zawierają dane jednego CS-PDU).

Podwarstwa CS składa się z CPCS.

Rys. 10 Format AAL 3/4 CPCS-PDU

CPCS (rys.10) składa się z pól:

- wskaźnik części CP (ang. Common Part Indicator) (8 bitów),

- wskaźniki początku (Btag) i końca (Etag) CPCS-PDU (8 bitów),

- rozmiar wymaganego bufora BASize,

- pole wyrównujące PAD (0-24 bity),

- pole AL (8 bitów),

- wskaźnik ilości danych warstwy wyższej przenoszonych przez daną CS-PDU.

ATM AAL Typ 5

Protokół AAL typu 5 prowadzi podobne usługi jak typ AAL 3/4, ale likwiduje jego nadmiarowość. Jest on przeznaczony przede wszystkim do obsługi ruchu o dużej szybkości transmisji, pochodzącego z sieci LAN. Tryb wiadomości, strumieniowy oraz możliwość retransmisji jest identyczna jak w protokole AAL 3/4. AAL5 nie umożliwia multipleksacji, gdyż nie występuje tu pole MID.

Rys. 11 Format AAL 5 CPCS-PDU

Funkcją podwarstwy SAR jest segmentacja/scalanie pakietów CS. Nie dodaje ona żadnych własnych pól. Do określenia początku i końca pakietu używa bitu AUU w polu PT nagłówka komórki ATM ("1" oznacza koniec pakietu, a "0" początek lub kontynuacje).

Podwarstwa CS składa się z SSCS (przeważnie niewykorzystywana) oraz CPCS (rys.11), która charakteryzuje się 8-mio oktetowym zakończeniem oraz polem uzupełniającym (od 0 do 47 oktetów). Zakończenie zawiera:

- wskaźnik danych użytkownika UU (ang. User-to-User Indication) (8 bitów),

- wskaźnik części CPI,

- ilość przenoszonych danych,

- pole poprawności transmisji CRC.