Modo Assíncrono de transferência

Cartão de interface de rede IBM Turboways ATM 155 PCI

Modo de transferência assíncrona (ATM) é um padrão de telecomunicações definido pelo American National Standards Institute e ITU-T (anteriormente CCITT) para transmissão digital de vários tipos de tráfego. O ATM foi desenvolvido para atender às necessidades da Rede Digital de Serviços Integrados de Banda Larga, conforme definido no final da década de 1980, e projetado para integrar redes de telecomunicações. Ele pode lidar com tráfego de dados tradicional de alto rendimento e conteúdo de baixa latência em tempo real, como telefonia (voz) e vídeo. O ATM fornece funcionalidade que usa recursos de comutação de circuitos e redes de comutação de pacotes usando multiplexação por divisão de tempo assíncrona.

Na camada de enlace de dados do modelo de referência OSI (camada 2), as unidades básicas de transferência são chamadas de quadros. No ATM, esses quadros têm comprimento fixo (53 octetos) chamados células. Isso difere de abordagens como protocolo de Internet (IP) ou Ethernet que usam pacotes ou quadros de tamanho variável. O ATM usa um modelo orientado a conexão no qual um circuito virtual deve ser estabelecido entre dois terminais antes que a troca de dados comece. Esses circuitos virtuais podem ser permanentes (conexões dedicadas que geralmente são pré-configuradas pelo provedor de serviços) ou comutados (configurados por chamada usando sinalização e desconectados quando a chamada é encerrada).

O modelo de referência de rede ATM mapeia aproximadamente as três camadas mais baixas do modelo OSI: camada física, camada de enlace de dados e camada de rede. ATM é um protocolo central usado na rede óptica síncrona e na espinha dorsal da hierarquia digital síncrona (SONET/SDH) da rede telefônica pública comutada e na Rede Digital de Serviços Integrados (ISDN), mas foi amplamente substituído em favor de redes de próxima geração baseadas em tecnologia IP. O ATM sem fio e móvel nunca estabeleceu uma posição significativa.

Arquitetura do protocolo

Para minimizar o atraso na fila e a variação no atraso do pacote (PDV), todas as células ATM têm o mesmo tamanho pequeno. A redução de PDV é particularmente importante ao transportar tráfego de voz, porque a conversão de voz digitalizada em um sinal de áudio analógico é um processo inerentemente em tempo real. O decodificador precisa de um fluxo uniformemente espaçado de itens de dados.

Na época do projeto do ATM, a hierarquia digital síncrona (SDH) de 155 Mbit/s com carga útil de 135 Mbit/s era considerada um link de rede óptica rápido, e muitos links de hierarquia digital plesiócrona na rede digital eram consideravelmente mais lentos, variando de 1,544 a 45 Mbit/s nos EUA e de 2 a 34 Mbit/s na Europa.

A 155 Mbit/s, um quadro Ethernet típico de 1.500 bytes levaria 77,42 µs para ser transmitido. Em uma linha T1 de 1,544 Mbit/s de velocidade mais baixa, o mesmo pacote levaria até 7,8 milissegundos. Um atraso de fila induzido por vários desses pacotes de dados pode exceder a figura de 7,8 ms várias vezes. Isso foi considerado inaceitável para o tráfego de fala.

O design do ATM visa uma interface de rede de baixo jitter. As células foram introduzidas para fornecer atrasos curtos nas filas, continuando a suportar o tráfego de datagramas. O ATM dividiu todos os pacotes, dados e fluxos de voz em blocos de 48 bytes, adicionando um cabeçalho de roteamento de 5 bytes a cada um para que pudessem ser remontados posteriormente. A escolha de 48 bytes foi mais política do que técnica. Quando o CCITT (agora ITU-T) estava padronizando o ATM, as partes dos Estados Unidos queriam uma carga útil de 64 bytes porque isso era considerado um bom compromisso entre cargas maiores otimizadas para transmissão de dados e cargas menores otimizadas para aplicações em tempo real como voz. Partes da Europa queriam cargas úteis de 32 bytes porque o tamanho pequeno (e, portanto, tempos de transmissão curtos) melhoram o desempenho de aplicativos de voz. A maioria dos partidos europeus acabou concordando com os argumentos apresentados pelos americanos, mas a França e alguns outros resistiram por um comprimento de célula menor. Com 32 bytes, a França teria sido capaz de implementar uma rede de voz baseada em ATM com chamadas de um lado da França para o outro sem necessidade de cancelamento de eco. 48 bytes (mais 5 bytes de cabeçalho = 53) foi escolhido como um compromisso entre os dois lados. Os cabeçalhos de 5 bytes foram escolhidos porque se pensava que 10% da carga útil era o preço máximo a pagar pelas informações de roteamento. O ATM multiplexou essas células de 53 bytes em vez de pacotes, o que reduziu o jitter de contenção de células no pior caso por um fator de quase 30, reduzindo a necessidade de canceladores de eco.

Estrutura celular

Uma célula ATM consiste em um cabeçalho de 5 bytes e uma carga útil de 48 bytes. O ATM define dois formatos de célula diferentes: interface usuário-rede (UNI) e interface rede-rede (NNI). A maioria dos links ATM usa o formato de célula UNI.

FED

O campo genérico de controle de fluxo (GFC) é um campo de 4 bits que foi originalmente adicionado para apoiar a conexão de redes ATM para redes de acesso compartilhadas, como um anel de dupla fila distribuída (DQDB). O campo GFC foi projetado para dar ao User-Network Interface (UNI) 4 bits em que negociar multiplexação e controle de fluxo entre as células de várias conexões ATM. No entanto, o uso e os valores exatos do campo GFC não foram padronizados, e o campo é sempre definido como 0000.

VPI

Identificador de caminho virtual (8 bits UNI, ou 12 bits NNI)

VCI

Identificador de canal virtual (16 bits)

PT

Tipo de carga (3 bits)

Bit 3 (msbit): Célula de gerenciamento de rede. Se 0, a célula de dados do usuário e o seguinte se aplicam:

Bit 2: Indicação de congestão antecipada (EFCI); 1 = congestão de rede experiente

Bit 1 (lsbit): ATM user-to-user (AAU) bit. Usado pela AAL5 para indicar limites de pacotes.

CLP

Prioridade de perda de células (1-bit)

HEC

Controle de erro do cabeçalho (8-bit CRC, polinomial = X⁸ + X² + X + 1)

O ATM usa o campo PT para designar vários tipos especiais de células para fins de operações, administração e gerenciamento (OAM) e para delinear os limites de pacotes em algumas camadas de adaptação ATM (AAL). Se o bit mais significativo (MSB) do campo PT for 0, esta é uma célula de dados do usuário e os outros dois bits são usados para indicar o congestionamento da rede e como um bit de cabeçalho de uso geral disponível para camadas de adaptação ATM. Se o MSB for 1, esta é uma célula de gerenciamento e os outros dois bits indicam o tipo: segmento de gerenciamento de rede, gerenciamento de rede ponta a ponta, gerenciamento de recursos e reservado para uso futuro.

Vários protocolos de link ATM usam o campo HEC para conduzir um algoritmo de framing baseado em CRC, que permite localizar as células ATM sem sobrecarga além do que é necessário para proteção de cabeçalho. O CRC de 8 bits é usado para corrigir erros de cabeçalho de bit único e detectar erros de cabeçalho de vários bits. Quando erros de cabeçalho de vários bits são detectados, as células atuais e subsequentes são descartadas até que uma célula sem erros de cabeçalho seja encontrada.

Uma célula UNI reserva o campo GFC para um controle de fluxo local e sistema de submultiplexação entre usuários. A intenção era permitir que vários terminais compartilhassem uma única conexão de rede, da mesma forma que dois telefones ISDN podem compartilhar uma única conexão ISDN de taxa básica. Todos os quatro bits GFC devem ser zero por padrão.

O formato de célula NNI replica o formato UNI quase exatamente, exceto que o campo GFC de 4 bits é realocado para o campo VPI, estendendo o VPI para 12 bits. Assim, uma única interconexão NNI ATM é capaz de endereçar quase 2¹² VPs de até quase 2¹⁶ VCs cada.

Tipos de serviço

O ATM suporta diferentes tipos de serviços via AALs. AALs padronizados incluem AAL1, AAL2 e AAL5, e os raramente usados AAL3 e AAL4. AAL1 é usado para serviços de taxa de bit constante (CBR) e emulação de circuito. A sincronização também é mantida em AAL1. AAL2 a AAL4 são usados para serviços de taxa de bits variável (VBR) e AAL5 para dados. Qual AAL está em uso para uma determinada célula não é codificado na célula. Em vez disso, ele é negociado ou configurado nos terminais por conexão virtual.

Seguindo o projeto inicial do ATM, as redes se tornaram muito mais rápidas. Um quadro Ethernet de 1.500 bytes (12.000 bits) leva apenas 1,2 µs para transmitir em uma rede de 10 Gbit/s, reduzindo a necessidade de células pequenas para reduzir o jitter devido à contenção. As velocidades de link aumentadas por si só não aliviam o jitter devido ao enfileiramento. Além disso, o hardware para implementar a adaptação do serviço para pacotes IP é caro em velocidades muito altas.

O ATM fornece uma capacidade útil de transportar vários circuitos lógicos em um único meio físico ou virtual, embora existam outras técnicas, como Multi-link PPP, Ethernet VLANs e suporte multiprotocolo sobre SONET.

Circuitos virtuais

Uma rede deve estabelecer uma conexão antes que duas partes possam enviar células uma para a outra. No ATM, isso é chamado de circuito virtual (VC). Pode ser um circuito virtual permanente (PVC), que é criado administrativamente nos pontos finais, ou um circuito virtual comutado (SVC), que é criado conforme a necessidade das partes que se comunicam. A criação do SVC é gerenciada por sinalização, na qual o solicitante indica o endereço do destinatário, o tipo de serviço solicitado e quaisquer parâmetros de tráfego aplicáveis ao serviço selecionado. "Chamada de admissão" é então executado pela rede para confirmar que os recursos solicitados estão disponíveis e que existe uma rota para a conexão.

Motivação

O ATM opera como uma camada de transporte baseada em canal, usando VCs. Isso está englobado no conceito de caminhos virtuais (VP) e canais virtuais. Cada célula ATM tem um identificador de caminho virtual (VPI) de 8 ou 12 bits e um identificador de canal virtual (VCI) de 16 bits definido em seu cabeçalho. O VCI, junto com o VPI, é usado para identificar o próximo destino de uma célula conforme ela passa por uma série de comutadores ATM a caminho de seu destino. O comprimento do VPI varia conforme a célula é enviada na interface usuário-rede (na borda da rede) ou se é enviada na interface rede-rede (dentro da rede).

À medida que essas células atravessam uma rede ATM, a comutação ocorre alterando os valores VPI/VCI (troca de rótulo). Embora os valores de VPI/VCI não sejam necessariamente consistentes de uma ponta a outra da conexão, o conceito de circuito é consistente (ao contrário do IP, onde qualquer pacote pode chegar ao seu destino por um caminho diferente percurso do que os outros). Os switches ATM usam os campos VPI/VCI para identificar o link de canal virtual (VCL) da próxima rede que uma célula precisa transitar em seu caminho para seu destino final. A função do VCI é semelhante à do identificador de conexão de enlace de dados (DLCI) no Frame Relay e ao número do canal lógico e ao número do grupo de canais lógicos no X.25.

Outra vantagem do uso de circuitos virtuais vem com a capacidade de usá-los como uma camada de multiplexação, permitindo diferentes serviços (como voz, Frame Relay, n* 64 canais, IP). O VPI é útil para reduzir a tabela de comutação de alguns circuitos virtuais que possuem caminhos comuns.

Tipos

O ATM pode construir circuitos virtuais e caminhos virtuais estática ou dinamicamente. Circuitos estáticos (circuitos virtuais permanentes ou PVCs) ou caminhos (permanent virtual paths ou PVPs) requerem que o circuito seja composto por uma série de segmentos, um para cada par de interfaces por onde passa.

PVPs e PVCs, embora conceitualmente simples, requerem um esforço significativo em grandes redes. Eles também não suportam o reencaminhamento do serviço em caso de falha. PVPs construídos dinamicamente (soft PVPs ou SPVPs) e PVCs (soft PVCs ou SPVCs), em contraste, são construídos especificando as características do circuito (o "contrato" de serviço) e os dois terminais.

As redes ATM criam e removem circuitos virtuais comutados (SVCs) sob demanda quando solicitados por um equipamento final. Uma aplicação para SVCs é transportar chamadas telefônicas individuais quando uma rede de comutadores telefônicos é interconectada usando ATM. SVCs também foram usados em tentativas de substituir redes locais por ATM.

Roteamento

A maioria das redes ATM que suportam SPVPs, SPVCs e SVCs usam a interface de nó de rede privada ou o protocolo PNNI (Private Network-to-Network Interface) para compartilhar informações de topologia entre switches e selecionar uma rota através de uma rede. PNNI é um protocolo de roteamento de estado de link como OSPF e IS-IS. O PNNI também inclui um mecanismo de sumarização de rota muito poderoso para permitir a construção de redes muito grandes, bem como um algoritmo de controle de admissão de chamada (CAC) que determina a disponibilidade de largura de banda suficiente em uma rota proposta através de uma rede para satisfazer os requisitos de serviço de um VC ou VP.

Engenharia de tráfego

Outro conceito-chave de ATM envolve o contrato de tráfego. Quando um circuito ATM é configurado, cada comutador no circuito é informado sobre a classe de tráfego da conexão.

Os contratos de tráfego ATM fazem parte do mecanismo pelo qual a "qualidade de serviço" (QoS) é assegurado. Existem quatro tipos básicos (e diversas variantes), cada um com um conjunto de parâmetros que descrevem a conexão.

1. CBR – Taxa de bit constante: uma taxa de célula de pico (PCR) é especificada, que é constante.
2. VBR – Taxa de bit variável: uma taxa média ou sustentável de células (SCR) é especificada, o que pode atingir um determinado nível, um PCR, para um intervalo máximo antes de ser problemático.
3. ABR – Taxa de bit disponível: uma taxa mínima garantida é especificada.
4. UBR – Taxa de bits não especificada: o tráfego é atribuído a toda a capacidade de transmissão restante.

VBR tem variantes em tempo real e não em tempo real e serve para "bursty" tráfego. Tempo não real às vezes é abreviado para vbr-nrt.

A maioria das classes de tráfego também apresenta o conceito de tolerância de variação de atraso de célula (CDVT), que define o "clumping" de células no tempo.

Policiamento de trânsito

Para manter o desempenho da rede, as redes podem aplicar o policiamento de tráfego aos circuitos virtuais para limitá-los aos seus contratos de tráfego nos pontos de entrada da rede, ou seja, as interfaces de rede do usuário (UNIs) e as interfaces de rede para rede (NNIs): controle de parâmetros de uso/rede (UPC e NPC). O modelo de referência fornecido pelo Fórum ITU-T e ATM para UPC e NPC é o algoritmo de taxa de célula genérica (GCRA), que é uma versão do algoritmo de balde com vazamento. O tráfego CBR normalmente será monitorado apenas para um PCR e CDVt, enquanto o tráfego VBR normalmente será monitorado usando um controlador de balde com vazamento duplo para um PCR e CDVt e um SCR e Maximum Burst Size (MBS). O MBS será normalmente o tamanho do pacote (SAR-SDU) para o VBR VC nas células.

Se o tráfego em um circuito virtual estiver excedendo seu contrato de tráfego, conforme determinado pelo GCRA, a rede pode descartar as células ou marcar o bit Cell Loss Priority (CLP) (para identificar uma célula como potencialmente redundante). O policiamento básico funciona célula a célula, mas isso não é ideal para o tráfego de pacotes encapsulados (já que descartar uma única célula invalidará o pacote inteiro). Como resultado, foram criados esquemas como o descarte parcial de pacotes (PPD) e o descarte antecipado de pacotes (EPD), que descartarão toda uma série de células até que o próximo pacote seja iniciado. Isso reduz o número de células inúteis na rede, economizando largura de banda para pacotes completos. EPD e PPD funcionam com conexões AAL5, pois usam o marcador de fim de pacote: o bit de indicação ATM user-to-ATM user (AUU) no campo de tipo de carga útil do cabeçalho, que é definido na última célula de um SAR- SDU.

Modelo de tráfego

A modelagem de tráfego geralmente ocorre na placa de interface de rede (NIC) no equipamento do usuário e tenta garantir que o fluxo de células em um VC cumpra seu contrato de tráfego, ou seja, as células não serão descartadas ou reduzidas em prioridade na UNI. Como o modelo de referência fornecido para policiamento de tráfego na rede é o GCRA, esse algoritmo também é normalmente usado para modelagem, e implementações de balde com vazamento simples e duplo podem ser usadas conforme apropriado.

Modelo de referência

O modelo de referência da rede ATM mapeia aproximadamente as três camadas mais baixas do modelo de referência OSI. Ele especifica as seguintes camadas:

• No nível de rede física, o ATM especifica uma camada equivalente à camada física OSI.
• A camada ATM 2 corresponde aproximadamente à camada de ligação de dados OSI.
• A camada de rede OSI é implementada como camada de adaptação ATM (AAL).

Implantação

ATM alternar por sistemas FORE

O ATM tornou-se popular entre as empresas de telefonia e muitos fabricantes de computadores na década de 1990. No entanto, mesmo no final da década, o melhor preço/desempenho dos produtos baseados em Protocolo de Internet competia com a tecnologia ATM para integrar tráfego de rede em tempo real e em rajadas. Empresas como a FORE Systems se concentravam em produtos ATM, enquanto outros grandes fornecedores, como a Cisco Systems, ofereciam o ATM como uma opção. Após o estouro da bolha pontocom, alguns ainda previram que "ATM vai dominar". No entanto, em 2005, o ATM Forum, que era a organização comercial que promovia a tecnologia, fundiu-se com grupos que promoviam outras tecnologias e acabou se tornando o Broadband Forum.

Caixa eletrônico sem fio ou móvel

O ATM sem fio, ou ATM móvel, consiste em uma rede de núcleo ATM com uma rede de acesso sem fio. As células ATM são transmitidas das estações base para os terminais móveis. As funções de mobilidade são executadas em um switch ATM na rede central, conhecido como "switch crossover", que é semelhante ao MSC (mobile switching center) das redes GSM. A vantagem do ATM sem fio é sua alta largura de banda e transferências de alta velocidade feitas na camada 2. No início da década de 1990, os laboratórios de pesquisa Bell Labs e NEC trabalharam ativamente neste campo. Andy Hopper, do Laboratório de Computação da Universidade de Cambridge, também trabalhou nessa área. Houve um fórum ATM sem fio formado para padronizar a tecnologia por trás das redes ATM sem fio. O fórum foi apoiado por várias empresas de telecomunicações, incluindo NEC, Fujitsu e AT&T. O Mobile ATM visa fornecer tecnologia de comunicação multimídia de alta velocidade, capaz de fornecer comunicações móveis de banda larga além de GSM e WLANs.

Versões

Uma versão do ATM é o ATM25, onde os dados são transferidos a 25 Mbit/s.