31.10.1999
Antti Vainio
Tietotekniikan osasto
Teknillinen korkeakoulu
avainio@cc.hut.fi
Miia Vainio
Sähkötekniikan osasto
Teknillinen korkeakoulu
mrotola@cc.hut.fi
ATM on nimensä mukaisesti asynkronisesti toimiva verkkoteknologia. Se perustuu pakettien nopeaan välittämiseen virtuaaliyhteyksien avulla vakiokokoisissa paketeissa, ATM-soluissa. Kantavana ideana on, että ATM:n avulla voidaan siirtää eri tyyppistä dataa (teksti, kuva, ääni, video) verkon yli yhdellä ja samalla tekniikalla. Olennaista on myös se, että ATM:ssä on otettu käyttöön Quality of Service -parametrit (laatuparametrit), joiden avulla voidaan kullekin yhteydelle määrätä haluttu palvelutaso.
1 Johdanto
2 ATM:n standardoinnin kehityksestä lyhyesti
3.1 Mallin osat
3.2 Kerrokset
3.2.1 Fyysinen kerros
3.2.2 ATM-kerros
3.2.3 ATM-sovituskerros (AAL)
3.2.4 Ylemmät kerrokset
3.3 Mallin vertailua
ATM eli Asynchronous Transfer Mode (usein suomennettu asynkroninen toimintamuoto) on paketinvälitystekniikka, jossa välitetään vakiokokoisia 53 tavun soluja verkon yli. Kukin solu sisältää osoitetiedon, jonka avulla solut löytävät haluttuun osoitteeseen. Huomattavaa on myös, että ATM-verkot ovat luonteeltaan yhteydellisiä.
Vaikka ATM:ssä on yleisellä tasolla paljon yhtenevyyksiä perinteiseen pakettikytkentäiseen verkkoon, on olemassa kuitenkin olennaisia eroja:
ATM tuo mukanaan erinäisiä etuja: solukytkentä on luonteeltaan hyvin joustavaa, joten voidaan käsitellä sekä vakionopeudella liikkuvaa (video, ääni) että vaihtuvalla nopeudella liikkuvaa, purskeista, dataa. Solujen kytkeminen on myös helpompaa kuin perinteiset multipleksaustekniikat ajatellen tulevaisuuden todella korkeita (nopeus luokkaan gigabittejä/s) tiedonsiirtonopeuksia, erityisesti ajateltuna kuituoptiikkaa. Lisäksi solukytkentä tarjoaa mahdollisuuden broadcastingiin (esim. TV:tä ajatellen), jota piirikytkentäiset ratkaisut eivät mahdollista. [5]
Seuraavissa kappaleissa on hieman tarkemmin tutkittu ATM-tekniikkaa: pääkohtia sen standardoinnin kehityksestä, sen osien rakennetta ja referenssimallia. Tavoitteena on luoda yleiskuva ko. tekniikasta ja sen ratkaisuista.
ATM on syntyminen juontaa alkunsa verkon käyttäjien siirtokapasiteetin puutteesta; tietoliikenneinfrastruktuurin yli ei ole ollut mahdollista siirtää tehokkaasti ääntä ja dataa [2]. 1980-luvulla CCITT (nykyinen ITU-T) alkoi kehittää tähän ongelmaan ratkaisuksi yleiskäyttöistä laajakaistaratkaisua, B-ISDN:ää (Broadband Integrated Services Digital Network). ATM taas valittiin B-ISDN:n alla toimivaksi tekniikaksi, joka sitten mahdollistaisi laajakaistaisen digitaalisen tiedonsiirron.
Vuonna 1990 CCITT julkisti em. päätöksen käyttää ATM:ää B-ISDN:n yhteyskäytäntönä. Tämä teki ATM:stä eräänlaisen muotitermin. Lokakuussa 1991 perustettiin ATM Forum, johon silloin kuului neljä jäsentä. ITU on YK:n alainen organisaatio ja kooltaan suurena sen toiminta oli jossain määrin hidasta - ATM Forumin yhtenä perimmäisenä tarkoituksena olikin nopeuttaa ATM:ään liittyvien standardien kehitystä. Muita ATM Forumin perustamisen takana olleita ajatuksia olivat yhteensopivuuden varmistaminen ja tämän uuden organisaation jäsenien sijoitusten turvaaminen tietokonealalla. Nyttemmin ATM Forumin jäsenmäärä on noussut yli 750:een yritykseen, jotka edustavat kaikkia kommunikointi- ja tietotekniikkateollisuuden aloja sekä useita tutkimusorganisaatioita, valtionhallinnon toimistoja ja muita käyttäjiä. [3,4,6]
ATM Forum ei sinällään luo varsinaisia standardeja, koska sillä ei ole virallista standardoijan asemaa. Standardien asemesta se tekee toteutussopimuksia, joissa alan yritykset keskenään sopivat mitä standardeja aiotaan käyttää. Näin siis itse asiassa päädytään 'de facto'-standardeihin. Vaikka ATM Forumin yhtenä olennaisena tavoitteena oli tuottaa nopeasti suosituksia, on nykyään alkanut ilmaantua vastaavia ongelmia kuin ITU:ssa - kasvanut organisaation koko hidastaa työtä. [3]
ATM:n referenssimalli (tai oikeastaan B-ISDN -referenssimalli) koostuu kolmesta osasta ja neljästä kerroksesta. Referenssimallin syntymiseen on voimakkaasti vaikuttanut N-ISDN (Narrowband-ISDN), josta on peritty juuri jako kolmeen osaan [3]. Malli poikeaa esim. OSI ja TCP/IP -malleista - näitä eroja on mietitty oheisen luvun loppupuolella. Seuraavissa kappaleissa on lähemmin tarkasteltu mallin kerroksia ja osia.
ATM-malli on siis jaettu kolmeen osaan: käyttäjä(user)-, ohjaus(control)- ja hallintaosaan(management), jotka voidaan ajatella saman verkon erilaisina ulottuvuuksina. Näistä ensimmäinen tarjoaa asiakkaan tarjoamat siirtopalvelut (datan siirto, virheen korjaus, jne. eli käyttäjälle läpinäkyvä informaatio) kun taas kaksi jälkimmäistä ovat verkon omaa toimintaa varten - ohjaus huolehtii yhteyksien luomisesta ja purkamisesta merkinannon avulla kun taas hallintaosa vastaa mm. verkon konfiguraation, laskutuksen ja tietoturvan hallinnasta. [3]
ATM-referenssimalli koostuu siis neljästä kerroksesta. Olennaista kerrosmallissa on se, että fyysinen (perus) kerros ja ATM-kerros ovat kaikille yhteyksille yhteiset.
Fyysinen kerros on nimensä mukaisesti "rautataso" eli kyse on jännitteistä, bittien ajoituksesta jne. ATM:ssä ei erikseen määritellä tiettyjä sääntöjä tälle kerrokselle, vaan siirtotienä voidaan käyttää suoraan optista kuitua tai kaapelia, mutta on mahdollista pakata ATM-solut myös jonkin muun järjestelmän (esim. SONET) kuormaosaan (payload). Tämä siis tarkoittaa sitä, että järjestelmä on suunniteltu riippumattomaksi siirtomediasta. [5]
Fyysinen kerros jakautuu edelleen alikerroksiin: TC:hen (siirtosovituskerros) ja PMD:hen (siirtomediakerros). PMD:n vastuulla on bittien lähettäminen ja vastaanottaminen ja bittien synkronointi fyysisessä mediassa. TC taas pakkaa solut kehyksiin joita fyysinen media käyttää sekä mm. tarkistaa solujen otsikkotietoja ja lisää tyhjiä soluja tarvittaessa ylläpitääkseen fyysisen median käyttöastetta.[6]
Kerroksen tehtävänä on luoda yhteyksiä ATM-kytkimien kautta kahden pisteen välille ja suorittaa solujen kuljetus luotua virtuaalista kanavaa pitkin [6]. Lisäksi sille kuuluvat myös yleinen vuon ohjaus, solujen multipleksaus ja demultipleksaus sekä solujen otsikon poisto/lisäys.
Sovituskerroksen tehtävä on muokata ylemmiltä protokollilta saatava data muotoon, jota ATM ymmärtää eli vakiomittaisiin solun kuormiin (48 tavua). Käytännössä tämä siis tarkoittaa saatavan datan pilkkomista pienemmiksi paloiksi ja yhteyden sovittaminen sellaiseksi, jossa halutunlaista dataa voidaan siirtää. [6]
Koska yhtenä ATM:n pohjimmaisena ideana oli kyky siirtää useita eri datatyyppejä verkon, asettaa se tietynlaisia kriteereitä käytettävälle yhteydelle. Tämän vuoksi on olemassa erilaisia ATM-sovituskerroksia, jotka on listattu ja kuvattu lyhyesti seuraavassa.
Kuten referenssimallikuvasta nähdään, myös sovituskerros jakautuu kahteen osaan. Näistä CR mahdollistaa sen, että ATM-järjestelmä voi tarjota erilaisia palveluja erilaisille sovelluksille kun taas alempi alikerros SAR huolehtii itse datan pilkkomisesta 48 tavun solukuormiksi. [5]
Ylempien kerrosten tehtävä on tukea käyttäjien haluamia palveluita. Nämä palvelut on ITU-T jakanut neljään eri palveluluokkaan:
Sinällään esim. OSI- ja ATM-mallien välillä huomataan selvää samankaltaisuutta, koska molemmissa on olennaisena käsitteenä protokollapinomalli. Erona voi kuitenkin heti huomata sen, että kerrosten määrä on malleissa erisuuri. Huomionarvoista on myös ATM-mallin kolmiulotteisuus OSI:n ja TCP/IP:n kahteen ulottuvuuteen verrattuna.
Verrattaessa aivan suoraan ATM- ja OSI-malleja, voidaan havaita likimain seuraavanlaisia yhtenevyyksiä: fyysisen kerroksen PMD-alikerros = peruskerros, fyysisen kerroksen TC-alikerros = siirtokerros. Raa'asti ottaen ATM-mallin kolme alinta kerrosta vastaavat OSI:n neljää kerrosta. Kuitenkin täytyy muistaa, että kyseessä on karkea vertaus, koska OSI-malli on tehty lähinnä dataverkkoja ajatellen - ATM-malli taas monipalveluverkkoja varten. [5, 3]
ATM-verkon pääosat ovat solmut (ATM-kytkimet tai keskittimet) ja niitä yhdistävät siirtotiet (ATM-linkit). Itse päätelaitteet eli käyttäjät ovat sitten UNI-rajapinnan (User-Network Interface) kautta yhteydessä johonkin verkon solmukohtaan. Solut kulkevat verkossa ns. virtuaaliyhteyksien kautta soluvirtana. Virtuaaliyhteys määritellään virtuaalipolun ja virtuaalikanavan perusteella. Virtuaalipoluissa ei sinällään siirretä tietoa, vaan se ikään kuin niputtaa yhteen useita virtuaalikanavia, joissa sitten solut kulkevat. Kun siis halutaan siirtää tietoa paikasta A paikkaan B ATM:ää käyttäen, täytyy muodostaa näiden pisteiden välille virtuaalikanavayhteys. [3]
Solmujen (kytkimien) tehtävänä on siirtää saapuvia soluja verkossa eteenpäin niiden otsikko-osassa olevan tiedon perusteella. Koska siirrettävät solut ovat pieniä ja vakiomittaisia, on kytkentä tehokasta. Kytkinten välistä rajapintaa kutsutaan nimellä NNI-rajapinta (Network-Network Interface). ATM-kytkintyyppejä on olemassa useita erilaisia, mutta niihin ei uppouduta tässä yhteydessä sen syvemmin. Näitä voi kuitenkin tutkailla dokumentin lopussa olevista lähteistä. Ohessa on pieni esimerkki kaavio siitä, miten ATM-kytkin toimii ottaessaan vastaan solun ja lähettäessään sen edelleen eteen päin.
Yhteyksiä on olemassa kahta eri tyyppiä: kiinteitä (permanent) ja kytkentäisiä (switched). Näiden ero on siinä, että kiinteät linjat ovat aina olemassa oli siirrettävää dataa tai ei. Kytkentäisiä taas täytyy aina erikseen pyytää kun havaitaan tarve tiedon siirtoon. Kytkentäistä linjaa voi siis verrata esim. puheluun: yhteys luodaan kun puhelu alkaa ja se puretaan heti puhelun loputtua. [5]
ATM-verkossa siis kytketään vakiomittaisia 53 tavun soluja, josta ensimmäiset 5 tavua on osoitetietona käytettävää otsikkoa ja loput 48 tavua itse lähetettävää informaatiota (kuorma). 53 tavun mittaiseen soluun päädyttiin kansainvälisenä kompromissina: Euroopassa haluttiin kooksi 32 tavua kun taas USA ja Australia olisivat mieluummin päätyneet 64 tavun soluihin. Yleisesti ottaen vakiokokoiseen soluun päädyttiin siitä syystä, että Bellin laboratorioissa havaittiin, että käytettäessä lyhyitä kiinteäkokoisia soluja, joita kytketään asiaan erikoistuneen laitteiston avulla, päästään mahdollisimman tehokkaaseen ja skaalautuvaan järjestelmään [6].
Oheisessa kuvassa on tarkemmin kuvattu solujen rakennetta - etenkin otsikkotietoa. Solun otsikkotiedoissa on protokollan ohjaustieto kokonaisuudessaan. Otsikon rakenne hieman vaihtelee riippuen siitä, onko kyseessä päätelaitteen ja verkon (UNI = User-Network Interface) vai kahden verkon (NNI = Network-Network Interface) rajapinta. Näissäkin on eroavaisuutena vain ensimmäisen tavun neljän ensimmäisen bitin poikkeavuus. Lyhyet kuvaukset otsikon eri kenttien merkityksestä on koottu alle. [10]
Yleistä vuonohjauskenttää (GFC, 4 bittiä) käytetään vain UNI-soluissa. Sen on varattu vuonohjaukseen ja mikäli ko. tietoa ei tarvita, jätetään kenttä tyhjäksi. [3]
Virtuaaliyhteyden tunnisteet eli virtuaalipolun (VPI 8-12 bittiä) ja virtuaalikanavan (VCI 16 bittiä) tunniste muodostavat yhdessä tiedon, jonka perusteella voidaan määrittää virtuaaliyhteys lähtöpisteen ja määränpään välillä. [3]
Kuorman tunniste (PT, 3 bittiä) kertoo minkälaista dataa oheinen solu sisältää. Sen tehtävänä on erotella ATM-kerroksen sisäiset tietovirrat palveltavan protokollan tiedoista. [3]
Hävikkiprioriteetti (CLP, 1 bitti) kertoo solun prioriteetin: jos ko. bitti on ykkönen se kertoo, että ruuhkatilanteessa solulla on "etuoikeus" tulla tuhotuksi liikenteen määrän pitämiseksi aisoissa. [3]
Otsakkeen tarkistussummaa (HEC, 8 bittiä) käytetään otsikossa olevien mahdollisten virheiden havaitsemiseen. Tarkistussumman avulla voidaan korjata yksi bittivirhe. Kentän käsittely kuuluu fyysiselle kerrokselle. [3]
ATM-tekniikka on siis vahvasti lyömässä itseään läpi nopeana siirtotekniikkana lähinnä runkoverkoissa. Tekniikan avulla saatavat hyödyt ovat selkeitä korkeine nopeuksineen ja esim. tukena QoS-parametreille ja eri tyyppisen datan siirrolle samassa verkossa. Niinpä parhaillaan ollaan kehittelemässä useissa yrityksissä ympäri maailmaa omia ATM-ratkaisuita. Luotavien ratkaisujen yhteensopivuus ei muodostune ongelmaksi ATM Forumin tekemän toteutussopimustoiminnan vuoksi. Lähitulevaisuus näyttää kuinka laajaksi ATM:n käyttö muodostuu.
| [1] | Alles, Anthony, ATM Internetworking, 1.6.1995, [viitattu 14.9.1999]
< http://www.cisco.com/warp/public/614/12.html > |
| [2] | Anon, K-NET ATM Guide, 24.6.1999, [viitattu 14.9.1999 < http://www.k-net.co.uk/ATM_Technology/ATM_Guide/atm_guide.htm > |
| [3] | Grundström, Mika & Mickos, Roy, ATM tekniikka ja monipalveluverkot, Gummerus Kirjapaino Oy, Jyväskylä, 1997, 397 s. |
| [4] | Gunell, Kim & Gabriel-Robez Nicolas, ATM -Asynchronous Transfer Mode, 18.9.1995, [viitattu 14.9.1999]
< http://keskus.hut.fi/julkaisut/tyot/muut/atm-perusteet/atm.html > |
| [5] | Tanenbaum, Andrew S., Computer Networks, 3rd international edition, Prentice-Hall, New Jersey, 1996, 813 s. |
| [6] | Wu Chwan-Hwa & Irwin J. David, Emerging Multimedia Computer Communication Technologies, Prentice-Hall, New Jersey, 1998,
443s.
|