Modo de Transferencia Asíncrona

Tarjeta de interfaz de red IBM Turboways ATM 155 PCI

El modo de transferencia asíncrono (ATM) es un estándar de telecomunicaciones definido por el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares y ITU-T (anteriormente CCITT) para la transmisión digital de múltiples tipos de tráfico. ATM se desarrolló para satisfacer las necesidades de la red digital de servicios integrados de banda ancha, tal como se definió a fines de la década de 1980, y se diseñó para integrar redes de telecomunicaciones. Puede manejar tanto el tráfico de datos tradicional de alto rendimiento como el contenido de baja latencia en tiempo real, como telefonía (voz) y video. ATM proporciona una funcionalidad que utiliza características de conmutación de circuitos y redes de conmutación de paquetes mediante el uso de multiplexación por división de tiempo asíncrona.

En la capa de enlace de datos del modelo de referencia OSI (capa 2), las unidades básicas de transferencia se denominan tramas. En ATM estas tramas tienen una longitud fija (53 octetos) llamadas celdas. Esto difiere de enfoques como el Protocolo de Internet (IP) o Ethernet que utilizan paquetes o tramas de tamaño variable. ATM utiliza un modelo orientado a la conexión en el que se debe establecer un circuito virtual entre dos puntos finales antes de que comience el intercambio de datos. Estos circuitos virtuales pueden ser permanentes (conexiones dedicadas que generalmente están preconfiguradas por el proveedor de servicios) o conmutados (establecidos por llamada mediante señalización y desconectados cuando finaliza la llamada).

El modelo de referencia de red ATM se asigna aproximadamente a las tres capas más bajas del modelo OSI: capa física, capa de enlace de datos y capa de red. ATM es un protocolo central utilizado en la red troncal óptica síncrona y la jerarquía digital síncrona (SONET/SDH) de la red telefónica pública conmutada y en la red digital de servicios integrados (ISDN), pero ha sido reemplazado en gran medida a favor de las redes de próxima generación basadas en sobre tecnología IP. Los cajeros automáticos inalámbricos y móviles nunca establecieron un punto de apoyo significativo.

Arquitectura de protocolo

Para minimizar el retraso en la cola y la variación del retraso de paquetes (PDV), todas las celdas ATM tienen el mismo tamaño pequeño. La reducción de PDV es particularmente importante cuando se transporta tráfico de voz, porque la conversión de voz digitalizada en una señal de audio analógica es un proceso inherentemente en tiempo real. El decodificador necesita un flujo uniformemente espaciado de elementos de datos.

En el momento del diseño de ATM, la jerarquía digital síncrona (SDH) de 155 Mbit/s con una carga útil de 135 Mbit/s se consideraba un enlace de red óptica rápido, y muchos enlaces de jerarquía digital plesiócrona en la red digital eran considerablemente más lentos. que van desde 1.544 a 45 Mbit/s en EE. UU. y de 2 a 34 Mbit/s en Europa.

A 155 Mbit/s, una trama Ethernet típica de 1500 bytes de longitud completa tardaría 77,42 µs en transmitirse. En una línea T1 de 1,544 Mbit/s de menor velocidad, el mismo paquete tardaría hasta 7,8 milisegundos. Un retraso en la cola inducido por varios de estos paquetes de datos podría superar la cifra de 7,8 ms varias veces. Esto se consideró inaceptable para el tráfico de voz.

El diseño de ATM apuntaba a una interfaz de red de baja fluctuación. Las celdas se introdujeron para proporcionar demoras breves en las colas sin dejar de admitir el tráfico de datagramas. ATM dividió todos los paquetes, datos y flujos de voz en fragmentos de 48 bytes, agregando un encabezado de enrutamiento de 5 bytes a cada uno para que pudieran volver a ensamblarse más tarde. La elección de 48 bytes fue más política que técnica. Cuando el CCITT (ahora ITU-T) estaba estandarizando ATM, las partes de los Estados Unidos querían una carga útil de 64 bytes porque se consideró que era un buen compromiso entre cargas útiles más grandes optimizadas para la transmisión de datos y cargas útiles más cortas optimizadas para aplicaciones en tiempo real como voz. Las partes de Europa querían cargas útiles de 32 bytes porque el tamaño pequeño (y, por lo tanto, los tiempos de transmisión cortos) mejoran el rendimiento de las aplicaciones de voz. La mayoría de los partidos europeos finalmente aceptaron los argumentos presentados por los estadounidenses, pero Francia y algunos otros se mantuvieron a favor de una celda más corta. Con 32 bytes, Francia habría podido implementar una red de voz basada en cajeros automáticos con llamadas de un extremo a otro de Francia sin necesidad de cancelación de eco. Se eligieron 48 bytes (más 5 bytes de encabezado = 53) como compromiso entre los dos lados. Se eligieron encabezados de 5 bytes porque se pensaba que el 10 % de la carga útil era el precio máximo a pagar por la información de enrutamiento. ATM multiplexó estas celdas de 53 bytes en lugar de paquetes, lo que redujo la inestabilidad de contención de celdas en el peor de los casos en un factor de casi 30, lo que redujo la necesidad de canceladores de eco.

Estructura celular

Una celda ATM consta de un encabezado de 5 bytes y una carga útil de 48 bytes. ATM define dos formatos de celda diferentes: interfaz de usuario-red (UNI) e interfaz de red-red (NNI). La mayoría de los enlaces ATM utilizan el formato de celda UNI.

GFC

El campo de control genérico de flujo (GFC) es un campo de 4 bits que se agregó originalmente para apoyar la conexión de redes ATM a redes de acceso compartido, como un anillo de doble bus de cola distribuida (DQDB). El campo GFC fue diseñado para dar a la Interfaz de Red de Usuarios (UNI) 4 bits en los que negociar la multiplexación y el control de flujo entre las células de varias conexiones ATM. Sin embargo, el uso y los valores exactos del campo GFC no han sido estandarizados, y el campo siempre está fijado a 0000.

VPI

identificador de ruta virtual (8 bits UNI, o 12 bits NNI)

VCI

Identificador de canal virtual (16 bits)

PT

Tipo de carga (3 bits)

Bit 3 (msbit): Unidad de gestión de redes. Si 0, celda de datos del usuario y la siguiente aplica:

Bit 2: Indicación de la congestión avanzada (EFCI); 1 = congestión de red experimentada

Bit 1 (lsbit): bit ATM user-to-user (AAU). Utilizado por AAL5 para indicar los límites del paquete.

CLP

Prioridad de pérdida celular (1 bit)

HEC

Control de error de cabecera (8-bit CRC, polinomial = X⁸ + X² + X + 1)

ATM utiliza el campo PT para designar varios tipos especiales de celdas con fines de operaciones, administración y gestión (OAM), y para delimitar los límites de los paquetes en algunas capas de adaptación ATM (AAL). Si el bit más significativo (MSB) del campo PT es 0, se trata de una celda de datos de usuario, y los otros dos bits se utilizan para indicar congestión en la red y como bit de encabezado de propósito general disponible para capas de adaptación ATM. Si el MSB es 1, esta es una celda de gestión y los otros dos bits indican el tipo. (Segmento de gestión de red, gestión de red de extremo a extremo, gestión de recursos y reservado para uso futuro).

Varios protocolos de enlace ATM utilizan el campo HEC para impulsar un algoritmo de tramas basado en CRC, que permite ubicar las celdas ATM sin sobrecarga más allá de lo que se necesitaría para la protección del encabezado. El CRC de 8 bits se utiliza para corregir errores de encabezado de un solo bit y detectar errores de encabezado de varios bits. Cuando se detectan errores de encabezado de múltiples bits, las celdas actuales y subsiguientes se descartan hasta que se encuentra una celda sin errores de encabezado.

Una celda UNI reserva el campo GFC para un sistema de submultiplexación/control de flujo local entre usuarios. El objetivo era permitir que varios terminales compartieran una única conexión de red, del mismo modo que dos teléfonos RDSI pueden compartir una única conexión RDSI de tarifa básica. Los cuatro bits GFC deben ser cero de forma predeterminada.

El formato de celda NNI replica el formato UNI casi exactamente, excepto que el campo GFC de 4 bits se reasigna al campo VPI, extendiendo el VPI a 12 bits. Así, una única interconexión ATM de NNI es capaz de direccionar casi 2¹² VP de hasta casi 2¹⁶ VC cada uno (en la práctica algunos de los números de VP y VC están reservados).

Tipos de servicio

ATM admite diferentes tipos de servicios a través de AAL. Los AAL estandarizados incluyen AAL1, AAL2 y AAL5, y los AAL3 y AAL4 que se usan con poca frecuencia. AAL1 se utiliza para servicios de tasa de bits constante (CBR) y emulación de circuitos. La sincronización también se mantiene en AAL1. AAL2 a AAL4 se utilizan para servicios de tasa de bits variable (VBR) y AAL5 para datos. Qué AAL está en uso para una celda determinada no está codificado en la celda. En su lugar, se negocia o se configura en los puntos finales por conexión virtual.

Después del diseño inicial de ATM, las redes se han vuelto mucho más rápidas. Una trama Ethernet de tamaño completo de 1500 bytes (12000 bits) tarda solo 1,2 µs en transmitirse en una red de 10 Gbit/s, lo que reduce la necesidad de celdas pequeñas para reducir la fluctuación debido a la contención. Las mayores velocidades de enlace por sí mismas no alivian la fluctuación debida a las colas. Además, el hardware para implementar la adaptación del servicio para paquetes IP es costoso a velocidades muy altas.

ATM brinda una capacidad útil para transportar múltiples circuitos lógicos en un solo medio físico o virtual, aunque existen otras técnicas, como PPP de enlaces múltiples, VLAN de Ethernet y compatibilidad con múltiples protocolos a través de SONET.

Circuitos virtuales

Una red debe establecer una conexión antes de que dos partes puedan enviarse células entre sí. En ATM esto se denomina circuito virtual (VC). Puede ser un circuito virtual permanente (PVC), que se crea administrativamente en los puntos finales, o un circuito virtual conmutado (SVC), que las partes que se comunican crean según sea necesario. La creación de SVC se gestiona mediante señalización, en la que el solicitante indica la dirección del receptor, el tipo de servicio solicitado y los parámetros de tráfico aplicables al servicio seleccionado. "Admisión de llamadas" Luego, la red lo realiza para confirmar que los recursos solicitados están disponibles y que existe una ruta para la conexión.

Motivación

ATM funciona como una capa de transporte basada en canales mediante VC. Esto se engloba en el concepto de caminos virtuales (VP) y canales virtuales. Cada celda ATM tiene un identificador de ruta virtual (VPI) de 8 o 12 bits y un par de identificador de canal virtual (VCI) de 16 bits definido en su encabezado. El VCI, junto con el VPI, se utiliza para identificar el siguiente destino de una celda cuando pasa por una serie de conmutadores ATM en su camino hacia su destino. La longitud del VPI varía según si la celda se envía por la interfaz usuario-red (en el borde de la red), o si se envía por la interfaz red-red (dentro de la red).

A medida que estas celdas atraviesan una red de cajeros automáticos, la conmutación tiene lugar modificando los valores de VPI/VCI (intercambio de etiquetas). Aunque los valores de VPI/VCI no son necesariamente consistentes de un extremo de la conexión al otro, el concepto de un circuito es consistente (a diferencia de IP, donde cualquier paquete dado podría llegar a su destino por un camino diferente). ruta que las demás). Los conmutadores ATM utilizan los campos VPI/VCI para identificar el enlace de canal virtual (VCL) de la próxima red que una celda necesita para transitar en su camino hacia su destino final. La función del VCI es similar a la del identificador de conexión de enlace de datos (DLCI) en Frame Relay y el número de canal lógico y el número de grupo de canal lógico en X.25.

Otra ventaja del uso de circuitos virtuales es la posibilidad de utilizarlos como capa de multiplexación, permitiendo diferentes servicios (como voz, Frame Relay, n* 64 canales, IP). El VPI es útil para reducir la tabla de conmutación de algunos circuitos virtuales que tienen caminos comunes.

Tipos

ATM puede construir circuitos virtuales y rutas virtuales de forma estática o dinámica. Los circuitos estáticos (circuitos virtuales permanentes o PVC) o caminos (caminos virtuales permanentes o PVP) requieren que el circuito esté compuesto por una serie de segmentos, uno para cada par de interfaces por los que pasa.

Los PVP y PVC, aunque conceptualmente simples, requieren un esfuerzo significativo en redes grandes. Tampoco admiten el cambio de ruta del servicio en caso de falla. Los PVP (PVP blandos o SPVP) y los PVC (PVC blandos o SPVC) creados dinámicamente, por el contrario, se construyen especificando las características del circuito (el "contrato" de servicio) y los dos puntos finales.

Las redes ATM crean y eliminan circuitos virtuales conmutados (SVC) a pedido cuando lo solicita un equipo final. Una aplicación para los SVC es transportar llamadas telefónicas individuales cuando una red de conmutadores telefónicos está interconectada utilizando ATM. Los SVC también se utilizaron en los intentos de reemplazar las redes de área local con ATM.

Enrutamiento

La mayoría de las redes ATM que admiten SPVP, SPVC y SVC utilizan la interfaz de nodo de red privada o el protocolo de interfaz de red a red privada (PNNI) para compartir información de topología entre conmutadores y seleccionar una ruta a través de una red. PNNI es un protocolo de enrutamiento de estado de enlace como OSPF e IS-IS. PNNI también incluye un mecanismo de resumen de ruta muy potente para permitir la construcción de redes muy grandes, así como un algoritmo de control de admisión de llamadas (CAC) que determina la disponibilidad de ancho de banda suficiente en una ruta propuesta a través de una red para satisfacer los requisitos de servicio de un VC o VP.

Ingeniería de tráfico

Otro concepto clave de ATM implica el contrato de tráfico. Cuando se establece un circuito ATM, se informa a cada conmutador del circuito de la clase de tráfico de la conexión.

Los contratos de tráfico de cajeros automáticos forman parte del mecanismo por el cual la "calidad de servicio" (QoS) está asegurado. Hay cuatro tipos básicos (y varias variantes), cada uno de los cuales tiene un conjunto de parámetros que describen la conexión.

1. CBR - Tasa de bits constantes: se especifica una tasa de células de pico (PCR), que es constante.
2. VBR - Tasa de bits variable: se especifica una tasa de célula media o sostenible (SCR), que puede alcanzar un nivel determinado, un PCR, por un intervalo máximo antes de ser problemático.
3. ABR - Tasa de bits disponible: se especifica una tasa mínima garantizada.
4. UBR - Tasa de bits no especificada: el tráfico se asigna a toda la capacidad de transmisión restante.

VBR tiene variantes en tiempo real y no en tiempo real, y sirve para "bursty" tráfico. El tiempo no real a veces se abrevia como vbr-nrt.

La mayoría de las clases de tráfico también introducen el concepto de tolerancia de variación de retardo de celda (CDVT), que define la "agrupación" de células en el tiempo.

Vigilancia de tráfico

Para mantener el rendimiento de la red, las redes pueden aplicar políticas de tráfico a los circuitos virtuales para limitarlos a sus contratos de tráfico en los puntos de entrada a la red, es decir, las interfaces de usuario-red (UNI) y las interfaces de red a red (NNI).: control de parámetros de uso/red (UPC y NPC). El modelo de referencia proporcionado por ITU-T and ATM Forum para UPC y NPC es el algoritmo de velocidad de celda genérica (GCRA), que es una versión del algoritmo de cubeta con fugas. Normalmente, el tráfico de CBR se controlará solo con una PCR y CDVt, mientras que el tráfico de VBR normalmente se controlará mediante un controlador dual de cubo con fugas para una PCR y CDVt y un SCR y tamaño máximo de ráfaga (MBS). El MBS normalmente tendrá el tamaño de paquete (SAR-SDU) para el VBR VC en las celdas.

Si el tráfico en un circuito virtual excede su contrato de tráfico, según lo determina la GCRA, la red puede descartar las celdas o marcar el bit de Prioridad de pérdida de celda (CLP) (para identificar una celda como potencialmente redundante). La vigilancia básica funciona celda por celda, pero esto no es óptimo para el tráfico de paquetes encapsulados (ya que descartar una sola celda invalidará todo el paquete). Como resultado, se han creado esquemas como el descarte parcial de paquetes (PPD) y el descarte temprano de paquetes (EPD) que descartarán una serie completa de celdas hasta que comience el siguiente paquete. Esto reduce la cantidad de celdas inútiles en la red, ahorrando ancho de banda para paquetes completos. EPD y PPD funcionan con conexiones AAL5 ya que utilizan el marcador de fin de paquete: el bit de indicación de usuario de ATM a usuario de ATM (AUU) en el campo de tipo de carga útil del encabezado, que se establece en la última celda de un SAR- SDU.

Formación del tráfico

La configuración del tráfico generalmente se lleva a cabo en la tarjeta de interfaz de red (NIC) en el equipo del usuario e intenta garantizar que el flujo de celdas en un VC cumplirá con su contrato de tráfico, es decir, las celdas no se descartarán ni se les reducirá la prioridad en la UNI.. Dado que el modelo de referencia proporcionado para la vigilancia del tráfico en la red es el GCRA, este algoritmo también se usa normalmente para dar forma, y se pueden usar implementaciones de cubetas con fugas simples y dobles según corresponda.

Modelo de referencia

El modelo de referencia de la red ATM corresponde aproximadamente a las tres capas más bajas del modelo de referencia OSI. Especifica las siguientes capas:

• A nivel de red física, ATM especifica una capa equivalente a la capa física OSI.
• La capa ATM 2 corresponde aproximadamente a la capa de enlace de datos OSI.
• La capa de red OSI se implementa como la capa de adaptación ATM (AAL).

Despliegue

ATM switch by FORE systems

El cajero automático se volvió popular entre las compañías telefónicas y muchos fabricantes de computadoras en la década de 1990. Sin embargo, incluso a finales de la década, la mejor relación precio/rendimiento de los productos basados en el Protocolo de Internet competía con la tecnología ATM para integrar el tráfico de red en ráfagas y en tiempo real. Empresas como FORE Systems se centraron en productos de cajeros automáticos, mientras que otros grandes proveedores, como Cisco Systems, ofrecieron cajeros automáticos como una opción. Después del estallido de la burbuja de las puntocom, algunos todavía predijeron que "los cajeros automáticos van a dominar". Sin embargo, en 2005, el ATM Forum, que había sido la organización comercial que promovía la tecnología, se fusionó con grupos que promovían otras tecnologías y finalmente se convirtió en el Broadband Forum.

Cajero automático inalámbrico o móvil

El cajero automático inalámbrico, o cajero automático móvil, consta de una red central de cajeros automáticos con una red de acceso inalámbrico. Las celdas ATM se transmiten desde las estaciones base a los terminales móviles. Las funciones de movilidad se realizan en un conmutador ATM en la red central, conocido como 'conmutador cruzado', que es similar al MSC (centro de conmutación móvil) de las redes GSM. La ventaja de los cajeros automáticos inalámbricos es su alto ancho de banda y transferencias de alta velocidad realizadas en la capa 2. A principios de la década de 1990, los laboratorios de investigación Bell Labs y NEC trabajaron activamente en este campo. Andy Hopper del Laboratorio de Computación de la Universidad de Cambridge también trabajó en esta área. Se formó un foro de cajeros automáticos inalámbricos para estandarizar la tecnología detrás de las redes de cajeros automáticos inalámbricos. El foro contó con el apoyo de varias empresas de telecomunicaciones, incluidas NEC, Fujitsu y AT&T. Mobile ATM tenía como objetivo proporcionar tecnología de comunicaciones multimedia de alta velocidad, capaz de ofrecer comunicaciones móviles de banda ancha más allá de GSM y WLAN.

Versiones

Una versión de ATM es ATM25, donde los datos se transfieren a 25 Mbit/s.