4. АСИНХРОНИ РЕЖИМ ПРЕНОСА (АТМ)

4. АСИНХРОНИ РЕЖИМ ПРЕНОСА (АТМ) Асинхрони режим преноса (Asynchronous Transfer Mode-АТМ) је ћелијски-базирана техника комутације која користи асинхроно временско мултиплексирање. Код њега се врши кодирање података у малим по величини фиксираним ћелијама (ћелијском релејуcell relay) и обезбеђује линк података који се преносе преко OSI Layer 1, тј на слоју физичке везе. То се разликује од других технологија комутације заснованих на пакетно-комутираним мрежама (као што су Интернет Протокол или Етернет), у којима се користе промењиве величине пакета (познати као рамови који раде на слоју 2). АТМ користи особине оба начина комутације и умрежавања, што га чини погодним за широку област умрежавања, као и за пренос у реалном времену. АТМ користи конективно-оријентисане моделе и успоставља виртуелни проток између две крајње тачке пре него што започне стварна размена података. Асинхрони режим преноса је основни протокол који се користи за пренос преко SONET /SDH и окосница интегрисаних мрежа ISDN-a. 4.1. КОНЦЕПТ АТМ-а 4.1.1. ЋЕЛИЈСКИ БАЗИРАНА ТЕХНИКА КОМУТАЦИЈЕ 4.1.1.1.Структура ћелије АТМ ћелија се састоји од 5-бајта заглавља и 48-бајта корисног терета. О начину и разлозима овакве структуре биће речи у следећем поглављу. АТМ дефинише два различита формата ћелија: NNI (Мрежа-Мрежа интерфејс, Network- Network Interface) и UNI (корисник-мрежа Интерфејс или User-Network Interface). Већина АТМ веза користи UNI формат ћелије. Дијаграми који показују структуру ових формата приказан је на слици 61. а) б) Корисни терет и пуњење ако је потребно (48 бајта) Корисни терет и пуњење ако је потребно (48 бајта) Слика 61.-Структура UNI (а) и NNI (б) формата АТМ ћелије СИСТЕМИ ПРЕНОСА Страна 66

На слици 61. скраћенице имају следеће значење: GFC = Општа контрола протока (Generic Flow Control) (4 bitа) VPI = Идентификатор виртуелног пута (Virtual Path Identifier) (8 bitа UNI или 12 bitа NNI) VCI = Идентификатор виртуелног канала(virtual channel identifier) (16 bitа) PT = Врста корисног терета (Payload Type) (3 bitа) CLP = Неприоритетна ћелија (Cell Loss Priority) (1-bit) HEC = Контрола грешака заглавља (Header Error Control) (8-bitа CRC, полиномни = X 8 + X 2 + X + 1) АТМ користи РТ поље за означавање различитих специјалних врста ћелија за операције, администрације и одржавање (ОАМ), као и да опише границе пакета у неким слојевима АТМ прилагођавањима (AAL- ATM Adaptation Layer). Неки од протокола АТМ веза користи НЕС поље да управља CRC-базираним алгоритмом урамљивања, који омогућава лоцирање АТМ ћелија без заглавља што се изводи другачије од онога како се иначе изводи заштита заглавља. 8-битни CRC се користи за корекцију једнобитских грешака заглавља и откривање вишебитских грешака заглавља. Када се открију вишебитске грешке заглавља, текуће и накнадне ћелије се избацују док се не пронађе грешка ћелије без заглавља. UNI ћелија резервише GFC поље за локалну контролу/субмултиплексирање протока у систему између корисника. То треба да омогући да више терминала дели једну мрежну везу, на исти начин на који два ISDN телефона деле једну BRI ISDN конекцију. Сва четири бита за општу контролу протока (GFC) морају бити једнаки нули по подразумеваној вредности. NNI формат ћелије копира UNI формат готово тачно, осим што je 4-битнo GFC поље поново додељенo VPI пољу, проширујући VPI на 12 бита. Дакле, један NNI формат ATM интерконекције је у стању адресирања готово 2 12 виртуелних путева до скоро 2 16 виртуелних канала сваки (у пракси неки VP и VC бројеви су резервисани). 4.1.1.2. Разлози примене ћелијске структуре Ова техника користи се услед тежње да се говорни сигнали сведу на пакете и форсиране поделе везе са "разбијеним" преносом података (пренос са великим пакетима података). Без обзира колико мали говорни пакети могу бити, они увек могу наићи у пуној величини пакета података, и под нормалним условима чекања, у пракси могу имати максимална кашњења. Зато сви пакети, или "ћелије", требају имати подједнако малу величину. Поред фиксне ћелијске структуре АТМ-ови могу одмах без одлагања бити пребачени на хардвер ради извођења комутације и преусмеравања (рутирања) фремова. Дакле, дизајнери АТМ-ова користе мале ћелије података како би се смањио џитер (кашњење варирања, у овом случају) при мултиплексирању стримова података. Смањење џитера (и кашњења повратног преноса с краја на крај) је посебно важно када се врши пренос гласа, јер претварање дигитализованог гласа у аналогни аудио-сигнал је у реалном времену инхерентан (нераздвојив) процес, и да би то добро обавио, кодек који то ради треба равномерно распоредити (у времену) проток података. Ако следећи податак није до- СИСТЕМИ ПРЕНОСА Страна 67

ступан у тренутку када је то потребно, кодек нема другог избора него да произведе "тишину" - и ако подаци касне, он је бескористан, јер временски период када је требао бити конвертован у сигнал већ је прошао. У време пројектовања АТМ-а, 155 Mbit/s SDH (135 Мbit/s корисног терета) се сматрао брзом оптичком мрежном везом, јер су многи PDH линкови у дигиталним мрежама били знатно спорији, (у распону од 1,544 до 45 Мbit/s у САД и 2 до 34 Мbit/s у Европи). С овом брзином, типична пуна дужина преноса 1500 бајта (12000-бита) за пакетни пренос података била је 77,42 μs. Са нижим брзинама везе, као што је веза од 1,544 Мbit/s, тј. Т1 веза, пренос пакета од 1500 бајта трајао је и до 7,8 милисекунди. Кашњења изазвана од неколико таквих пакета података може да прелази цифру од неколико пута по 7,8 ms, уз сва кашњења генерисаних пакета у краћем говорном пакету. То је, сасвим јасно, неприхватљиво за говорни саобраћај, који треба да има низак џитер у стриму података којима се пуни кодек како би произвео добар квалитет тона. Систем пакетног преноса говора може бити остварен на неколико начина: - Да има репродукциони бафер између мреже и кодека, један довољно велики да кодек преброди скоро све џитере у подацима. Ово омогућава уједначење џитера, али се кашњење ствара при пролазу кроз бафер што захтева елиминисање еха чак и у локалним мрежама. То се у то време сматрало превише скупим. Такође, то повећава кашњења у каналу, а разговор је отежан због великог кашњења канала; - Изградња система који може да себи обезбеди мали џитер (и минимална укупна кашњења) у саобраћају у којем је потребан; - Рад на корисничкој основи 1:1 (тј., обезбеђеном протоку). Дизајн АТМ-а намењен је за мрежни интерфејс са ниским џитером. Међутим, да би био у стању да пружи кратак период кашњења, али и да буде у стању да носи велике датаграме, морао је да има ћелије. АТМ разбија све пакете, податке и гласовне стримове у 48-бајтне комаде, додајући 5-бајтно заглавље за рутирање сваком од њих, тако да би се они касније могли састављати. Избор од 48 бајтова био је пре политички, а не технички. Када је CCITT био стандардизовао АТМ, странке из САД захтевале су 64-бајтни корисни терет јер су осетиле да могу постићи добар компромис у погледу оптимизације веће носивости преноса података и мање носивости за рад у реалном времену као што је пренос гласовних сигнала. С друге стране, странке из Европе желеле су 32-бајтни пренос корисног терета, јер мале величине (а тиме и кратак пут преноса) поједностављују гласовне апликације у односу на ехо. Већина европских странака на крају се сложило с америчким аргументима, али Француска и неколико других држава определило се за краће величине ћелија. Са 32- бајтним, Француска је била у стању да спроведе АТМ мреже базиране на гласовним позивима са једног краја Француске на други без потребе елиминисања шума, па је 48-бајтни пренос (плус 5 бајтова заглавља, што је укупно 53 бајта) изабран као компромис између две стране. 5 бајта заглавља је одабрано јер се мислило да је 10% корисног терета максимална цена коју треба платити за информације о рутирању. АТМ је мултиплексиран у ове СИСТЕМИ ПРЕНОСА Страна 68

53-бајтне ћелије уместо у пакете. На тај начин смањење џитера на фактор од око 30 смањује потребу за елиминисање еха. 4.1.1.3. Ћелије у пракси ATM подржава различите врсте услуга преко ATM aдаптациoних слојева (AAL-ATM Adaptation Layers). Стандардизовани AAL-ови укључују AAL1, AAL2 и AAL5, а ретко се користе AAL3 и AAL4. AAL1 се користи за услуге са сталном битском брзином (CBRconstant bit rate) и емулацију кола. Синхронизација се такође одржава на AAL1. AAL2 и AAL4 се користе за услуге са промењивом битском брзином (VBR-variable bit rate), а AAL5 за податке. Који ће се AAL користити за неку ћелију није кодирано у ћелији него се договара или се конфигурише на крајњим тачкама на основу виртуелне везе. Пратећи почетни дизајн АТМ-а, мреже су постале знатно брже. Пренос пуне величине Етернет пакета од 1500 бајта (12000 бита) траје само 1,2 μs при преносу на 10 Gbit/s оптичким мрежама, уз тежњу да се смањи потреба за малим ћелијама како би се смањио џитер. Неки сматрају да је ово прави начин да се замени АТМ Етернетом у окосници мреже. Међутим, треба напоменути да повећање брзине везе не смањује џитер због количине података. Уз то, хардвер за увођење услуга прилагођавања за IP пакете на веома великим брзинама је скуп. Конкретно, на брзинама OC-3 и вишим, трошкови сегментације и поновног састављања (SAR- segmentation and reassembly) сам хардвер чини АТМ мање конкурентним за IP него пакетни пренос преко SONET (POS- Packet Over SONET). SAR границе перформанси говоре да је најбржи IP рутер АТМ интерфејса на SТМ16 - SТМ64, при чему тек од 2004.год. POS може да ради на ОC-192 (SТМ64), а веће брзине очекују се тек у будућности. На споријим или закрченим везама (622Мbit/s и нижим) ATM има смисла и из тог разлога већина ADSL система користи АТМ као средњи слој између слоја физичког линка и протокола на слоју 2 као што су PPP или етернет. На овим мањим брзинама АТМ даје корисне могућности ношења више логичких кола на једном физичком или виртуелном медијуму, мада постоје и друге технике, као што су мулти-линк и Етернет PPP VLAN-ови, који су опциони при увођењу VDSL-а. DSL може да се користи као метод за приступ АТМ мрежи, што омогућава DSL прикључна тачка у телефонској централи за повезивање на бројне Интернет провајдере преко широког подручја (wide-area) АТМ мреже. У Сједињеним Државама дозвољено je DSL провајдерима да обезбеде АDSL приступ корисницима већине провајдера интернет услуга. Једна DSL прикључна тачка може да подржи више ISP-ова, па је економска оправданост DSL-а значајно повећана. 4.1.1.4. Виртуелна кола Асинхрони начин преноса ради као преносни слој базиран на каналу, коришћењем виртуелних кола и протока (VC- Virtual circuits). Ово је обухваћено концептом Виртуелног пута (VP) и Виртуелних канала. Свака ћелија АТМ-а има 8 - или 12-битни идентификатор виртуелног пута (VPI-Virtual Path Identifier) и 16-битни идентификатор виртуелног канала (VCI-Virtual Channel Identifier) дефинисаних у свом заглављу. Заједно, они представљају виртуелно коло које се користи за везу. Дужина VPI варира у зависности од тога да СИСТЕМИ ПРЕНОСА Страна 69

ли се ћелија шаље на интерфејс корисник-мрежа (на крају мреже), или на интерфејс мрежа-мрежа (у мрежи). Како ове ћелије пролазе кроз мрежу ATM-a, комутација се одвија тако што се мењају вредности VPI/VCI (ознака замене). Иако вредности VPI/VCI нису нужно конзистентне с једног краја везе до другог краја, концепт кола је доследан (за разлику од IP-а, где се сваком пакету може дати његово одредиште различито од осталих рута). Још једна предност коришћења виртуелних кола представља могућност коришћења на слоју мултиплексирања, који омогућава различите услуге као што су глас, Frame Relay, n*64 канала, IP). 4.1.1.5. Коришћење ћелија и виртуелних кола у саобраћају Још једна кључна ствар АТМ концепта представља уговор о саобраћају. Када је АТМ коло подешено за укључивање, оно има и информацију о класи везе. Уговори о АТМ саобраћају саставни су део механизма који сервис услуге (QoS) обезбеђује. Постоје четири основна типа (и неколико варијанти), а сваки од њих има скуп параметара који описују везу: 1. Сервис са сталном битском брзином (CBR-Constant bit rate) намењен је за апликације у реалном времену које се преносе сталном брзином, као што су сервис емулације кола и видео константне брзине. Пошто је брзина преноса константна, апликација се не мења током времена, брзина пика ћелије је довољна да опише количину саобраћаја коју апликација преноси преко везе. Толеранција варијације кашњења ћелије (CDVT-cell delay variation tolerance) је такође одређена. CBR је сервис за апликације у реалном времену, и стога је кашњење с краја на крај важан параметар сервиса услуга (QoS). Укратко, брзина пика ћелије (PCR-Peak cell rate) и CDVT параметри саобраћаја су дефинисани. Такође, дефинисани су и QoS параметри: смањење брзине ћелије (CLR-cell loss rate), Peak-to-peak варијације кашњења ћелија и max CTD (cell transfer delay-каш-њење преноса ћелије) 2. Сервис са промењивом битском брзином (VBR-Variable bit rate) јавља се у два облика: за пренос у реалном времену (RT-VBR) и не-реалном времену (NRT-VBR). RT-VBR је предвиђен за рад са апликацијама реалним у времену, као што су кодирани видео и кодирани гласовни сигнали. Пошто је брзина преноса промењива проток апликација варира током времена, а брзина пика није довољна да опише количину саобраћаја који апликација преноси преко везе. Одређени су следећи параметри преноса: брзина пика ћелије (PCR), толеранција варијације кашњења ћелије (CDVT), одрживост брзине ћелије (SCR-sustained cell rate), максимална величина праска (MBS-maximum burst size), као и CLR QoS параметар. 3. Сервис са доступном брзином (ABR - Available bit rate) код кога је одређена гарантована минимална брзина преноса. Овај сервис је намењен за апликације у нереалном времену којима може да се разликује брзина преноса услед загушења у мрежи. Корисник захтева ABR сервис са минималном брзином преноса ћелије (MCR- minimum cell rate), а максимална брзина је брзина пика ћелија (PCR). Минимална брзина ћелије може бити 0. Корисник варира своју брзину преноса између MCR-а и PCR-а у зависности од повратних порука које се добијају од мреже. Ове повратне поруке се преносе до корисника кроз механизам имплементиран у мрежи. СИСТЕМИ ПРЕНОСА Страна 70

Током времена када наступи затишје у мрежи, кориснику је дозвољено да повећа брзина преноса зависну од прираштаја. Када настане загушење у мрежи, од корисника се тражи да смањи брзину преноса. Следећи параметри су одређени: PCR, CDVT и MCR. Очекује се да CLR за изворе ABR-а буде низак. У зависности од мреже, може бити одређена и вредност за CLR. 4. Сервис са неодређеном битском брзином (UBR - Unspecified bit rate) - саобраћај је додељен свом преосталом капацитету преноса. Ово је најбоља врста сервиса за нереални временски саобраћај са промењивом брзином. Намењен је за апликације које укључују пренос података, као што су пренос датотека, Интернет, и е-пошта. Могу бити одређени PCR и CDVT, али их мреже могу игнорисати. Сходно томе, UBR корисник може да назначи пожељну минималну брзину ћелије (DMCR - desirable minimum cell rate), али мрежа није предвиђена за гарантовање неких параметара, као што је нпр. минимални пропусни опсег. Да би се одржао уговор о саобраћају, мрежа обично користи "обликовање" (shaping), тј комбинацију чекања и обележавања (маркирања) ћелије. То се обично поставља већ на почетку АТМ мрежа. За спровођење договора о саобраћају задужена је услуга под називом "Policing" (надгледање, надзор). Да би се задржале перформансе мреже, мреже могу надгледати виртуелна кола у смислу својих договора о саобраћају. Ако је коло и проток премашило саобраћајни договор, мрежа може или избацити ћелије или да се ћелија означи као ћелија која је изгубила битски приоритет (CLP-Cell Loss Priority), тј. да се ћелија даље идентификује као одбачена низ линију. Основно надгледање ради на бази ћелија по ћелија, али то је испод оптималног за енкапсулирани пакетни саобраћај (одбацивање једне ћелије поништава цео пакет). Као резултат тога створени су системи код којих се одбацује читав низ ћелија док не започне пренос следећег фрема, као што је то код шема са Делимичним пакетним Одбацивањем (PPD-Partial Packet Discard) и Претходним Пакетним Одбацивањем (ЕPD-Early Packet Discard). То смањује број бескорисних ћелија у мрежи, чиме се пропусни опсег штеди за пуне фремове. Рад ЕPD и PPD са ААL5 везама користе крајњи бит фрема за откривање крајева пакета. 4.1.1.6. Врсте виртуелних кола и путева АТМ може градити виртуелна кола и виртуелне путање или статички или динамички. Статичка кола (Сталнa Виртуелна кола или PVC- permanent virtual circuits) или путање (сталне виртуелне путање или PVP -permanent virtual paths) захтевају да се коло изгради као низ сегмената, по један за сваки пар интерфејса преко којих пролазе. PVP и PVC, иако концептуално једноставни, захтевају значајне напоре у великим мрежама. Они такође не подржавају преусмеравање сервиса у случају квара. Динамички изграђени PVP (меки PVP или SPVP - soft PVP) и PVC (меки PVC или SPVC), насупрот томе, су направљени да одређују карактеристике кола и две крајње тачке. СИСТЕМИ ПРЕНОСА Страна 71

Коначно, АТМ мрежа гради и на захтев разједињује комутирана виртуелна кола (SVC) када то изискује крајњи елемент опреме. Један од захтев SVCs-у је да носи појединачне телефонске позиве када су мрежни телефонски комутатори међусобно повезани путем АТМ-а. SVC-и су коришћени у покушају да се замене локалне мреже АТМ-овима. 4.1.1.7. Рутирање виртуелних кола Већина АТМ мрежа подржава SPVP, SPVC и SVC користећи приватни мрежни чворни интерфејс или протокол Приватна мрежа-мрежa интерфејс (PNNI). PNNI користи најкраћи пут-први алгоритам коришћен за ОSPF и IS-IS рутирање IP пакета за дељење информација о топологији између комутатора и изабране руте кроз мрежу. PNNI такође садржи веома моћан механизам за сумаризацију како би изградио веома велике мреже, као и алгоритам управљања приступним позивима (CAC- call admission control) који утврђује да ли је довољан пропусни опсег доступан на предложеној рути кроз мрежу за задовољење захтева сервиса VC или VP. 4.1.1.8. Пријем позива и успостављање везе Мрежа мора да успостави везу пре него што две стране могу послати ћелије једна другој. У АТМ саобраћају то се назива виртуелним колом (VC). То може бити стални виртуелно коло (PVC), које је креирано административно на крајњим тачкама, или комутирано виртуелно коло (SVC), које се креира по потреби страна у комуникацији. Стварање SVC-а управљано је од стране сигнализације, у којој позиваоц одређује адресу примаоца, врсту услуге и параметре саобраћаја који се могу применити на изабране услуге. Пријемник позива тада остварује умрежавање како би добио потврду о томе да ли су тражена средства на располагању и да ли постоји рута за везу. Слика 62.- IBM Turboways ATM 155 PCI мрежна картица за интерфејс СИСТЕМИ ПРЕНОСА Страна 72