Virtual Path Identifier

Asynchronous Transfer Mode (ATM) ist eine Technik der Datenübertragung, bei der der Datenverkehr in kleine Pakete – Zellen oder Slots genannt – mit fester Länge (53 Byte, davon 48 Byte Daten, 5 Byte Zellkopf) codiert und über asynchrones Zeitmultiplexing übertragen wird.

Überblick und Entstehungsgeschichte

ATM wurde als Netz-Standard entwickelt, der die synchronen (Plesiochrone Digitale Hierarchie (PDH), Synchrone Digitale Hierarchie (SDH)) Transporttechniken verwendet und ihnen weitere nützliche Leistungsmerkmale hinzufügt. Nicht nur leitungsvermittelte Datenübertragung wird von ATM unterstützt, sondern auch paketbasierte wie IP, Frame Relay etc. Im Gegensatz zur einfachen und robusten Ethernet-Technik, die in Lastsituationen zu unberechenbaren Ergebnissen führen kann, bietet ATM Garantien hinsichtlich effektiver Bitrate, Delay und Jitter, was gewöhnlich (neben anderen Eigenschaften) als Quality of Service (QoS) bezeichnet wird.

Das Problem, vielfältige Datenströme unterschiedlicher Art zusammenzuführen, also zum Beispiel sowohl mit synchronen als auch paketbasierten Netzen zusammenarbeiten zu können, wurde gelöst, indem beide Bitstrom-Arten (synchron oder paketbasiert) an den Schnittpunkten auf einen neuen Bitstrom mit ATM-Zellen umgesetzt werden. Die Zellen werden typischerweise in den Nutzdaten von PDH- oder SDH-formatierten Datenströmen gesendet. Asynchron bei ATM bedeutet, dass Sender und Empfänger mit in weiten Grenzen voneinander abweichenden Taktraten arbeiten können: der Empfänger prüft mittels Header Error Check (HEC) für jede Zelle neu, ob eine ausreichende Synchronisation besteht, und führt notfalls eine Neusynchronisation durch.

In der ursprünglichen Konzeption war ATM die Schlüsseltechnik für das 'Broadband Integrated Services Digital Network' (Breitband-ISDN), das für das existierende analoge Telefonnetz (Plain Old Telephone System, POTS) das Backbone-Netz bilden sollte. Der komplette ATM-Standard besteht deshalb aus Definitionen für die Layer 1 bis 3 (Bitübertragungsschicht, Sicherungsschicht und Vermittlungsschicht) des OSI-Modells. Federführend bei der Entwicklung der ATM-Standards waren vorwiegend Telekommunikationsfirmen, aber auch das amerikanische Department of Defense (DoD). Aus diesem Grunde wurden viele der existierenden Telekommunikationstechnologien und -konventionen in ATM integriert.

Heute wird die ATM-Technik zur Unterstützung für Anwendungen von den globalen Internet- und Telefonie-Backbones über die DSL-Technik bis zum privaten LAN genutzt. Die Spezifikationen werden vom ATM Forum entwickelt. Die Spezifikationen werden dann bei der ITU-T (früher CCITT) zur Standardisierung eingereicht.

ATM-Standards

ATM-Schichten-Modell (Ebenen):

Höhere Schichten für Nutzdaten, Steuerbits
ATM-Anpassungsschicht
ATM-Schicht
Bitübertragungsschicht

Management-Funktionen (OAM) sind für ATM in wesentlich stärkerem Ausmaß definiert als für IP. Sie umfassen Konfigurationsmanagement, Fehlermanagement und Leistungsmessung.

Aufgaben der Schichten:

Bitübertragungsschicht

physikalische Verbindung zu anderen Systemen, bevorzugtes Medium SDH

ATM-Schicht

Transport und Vermittlung von ATM-Zellen

Anpassungsschicht oder ATM Adaptation Layer (AAL)

Aufgabe der AAL ist, Daten höherer Schichten an das Format des Nutzdaten-Feldes der ATM-Zelle anzupassen, und der Gegenseite Steuerinformationen zu übermitteln. Man unterscheidet 5 Diensttypen, wovon aber bisher nur der einfachste eine größere Bedeutung hat. IP benutzt die ATM Adaption Layer 5 (AAL5). Die Adaptierung der AAL5 übernimmt hauptsächlich die Fragmentierung und Reassemblierung für die IP-Pakete, die nicht in das kurze Nutzdatenfeld passen.

ATM-Konzepte

Warum Zellen?

Der Grund für die Benutzung kleiner Daten-„Zellen“ war die Reduktion des Jitters beim Multiplexen von Datenströmen.

Zu der Zeit, als ATM entwickelt wurde, waren STM-1-Leitungen mit 155 Mbit/s (135 Mbit/s Nutzlast) eine schnelle optische Netzverbindung, wobei viele PDH-Leitungen der damaligen Netze noch ein ganzes Stück langsamer waren, zwischen 1,544 Mbit/s und 45 Mbit/s in den USA, und 2-34 Mbit/s in Europa.

Bei diesen Datenraten braucht ein typisches Datenpaket voller Länge (1546 Byte/12368 bit) etwa 89 µs für die Serialisierung der Daten. Bei langsameren Verbindungen, beispielsweise 1,544 Mbit/s T1, bräuchte das gleiche Paket 8 Millisekunden.

Jetzt stellen wir uns ein auf Pakete aufgeteiltes Sprachsignal vor, das sich die Leitung mit großvolumigem Datenverkehr teilen muss. Egal wie klein die Sprachpakete gemacht werden könnten, sie würden immer auf die Datenpakete voller Größe treffen, und die Wartezeiten, bis die Leitung mal frei ist, wären ein mehrfaches der reinen Serialisierungszeit von 7,8 ms. Für Sprachverkehr war dies ganz klar inakzeptabel. Selbst wenn man den Jitter herausfilterte, war die Verzögerung so groß, dass man sogar im lokalen Netz Echokompensation benötigt hätte. Zu jener Zeit war dies schlichtweg zu teuer.

Die ATM-Lösung bestand nun darin, alle Pakete, sowohl Daten als auch Sprache, in 48 Byte große Teile zu splitten und einen Routing-Header von 5 Byte hinzuzufügen, so dass sie später wieder zusammengefügt werden konnten, und diese 53-Byte-Zellen dann anstelle von Paketen zu multiplexen. Dieses Verfahren reduzierte die Warteschleifen-Zeit fast um den Faktor 30, wodurch man sich die Echokompensation sparen konnte.

Die Regeln für die Aufteilung und Re-Assemblierung von Paketen und Streams in Zellen werden als ATM Adaptation Layers bezeichnet: Die zwei wichtigsten sind AAL 1, der für Streams (zum Beispiel Sprache) zuständig ist, und AAL 5 für fast alle Arten von Paketen. Welcher AAL jeweils benutzt wird, ist nicht in der Zelle encodiert. Stattdessen wird er zwischen zwei Endpunkten konfiguriert oder auf Basis einer virtuellen Verbindung vereinbart.

Heute braucht ein Ethernet-Paket voller Länge nur noch 1,2 µs auf einer optischen Verbindung mit 10 Gbit/s Datenübertragungsrate, was es eigentlich nicht mehr notwendig macht, kleine Pakete zu verwenden, um die Latenzzeiten kurz zu halten. Manche schließen daraus, dass ATM in Backboneverbindungen dadurch überflüssig geworden sei.

Für langsame Verbindungen (bis zu 2 Mbit/s) ist ATM immer noch sinnvoll. Aus diesem Grund nutzen viele ADSL-Systeme ATM zwischen der physischen Schicht und einem Layer-2-Protokoll wie PPP oder Ethernet.

Wozu virtuelle Verbindungen?

ATM beruht auf Verbindungen, die sowohl fest eingerichtet werden können, als auch mittels einer ISDN-ähnlichen Signalisierung nur für eine bestimmte Zeit geschaltet werden können. Für diesen Zweck wurden Virtual Paths (VPs) und Virtual Channels (VCs) definiert. Jede ATM-Zelle enthält im Header einen Virtual Path Identifier (VPI, 8 bzw. 12 Bit) und einen Virtual Channel Identifer (VCI, 16 Bit). Während diese Zellen das ATM-Netz passieren, wird das Switching durch Änderung der VPI/VCI-Werte erreicht. Obwohl die VPI/VCI-Werte also nicht notwendigerweise von einem Ende der Verbindung zum anderen gleich bleiben, entspricht dies dem Konzept einer Verbindung, da alle Pakete mit gleichen VPI/VCI-Werten den gleichen Weg nehmen (im Gegensatz zu IP, wo ein Paket sein Ziel über eine andere Route erreichen könnte als vorhergehende und nachfolgende Pakete).

Virtuelle Verbindungen haben auch den Vorteil, dass man sie als Multiplexing-Layer für unterschiedliche Services (Sprache, Frame Relay, IP, SNA etc.) benutzen kann, die sich dann eine gemeinsame ATM-Verbindung teilen können, ohne sich gegenseitig zu stören.

Traffic-Management mit Zellen und virtuellen Verbindungen

Ein weiteres Schlüsselkonzept von ATM nennt sich „Traffic Contract“ (dt. „Verkehrsvertrag“): Wenn eine ATM-Verbindung eingerichtet wird, wird jeder Switch auf dem Weg über die Traffic-Klasse der Verbindung informiert.

Traffic Contracts sind Teil des Mechanismus, über den Quality of Service (QoS) realisiert wird. Es gibt vier Grundtypen (mit mehreren Varianten), die jeweils einen Satz mit Parametern der Verbindung beschreiben:

• UBR – Unspecified Bit Rate (dt. unbestimmte Bitrate), der Defaulttyp für „normalen“ Traffic. Hier bekommt man an Bandbreite, die übrig ist, nachdem der QoS-Traffic abgewickelt ist. Es handelt sich hier also um eine Best-Effort-Verbindung.
• ABR – Available Bit Rate (dt. verfügbare Bitrate), die Senderate wird anhand der aktuell freien Bandbreite geregelt. Die Regelung erfolgt entweder über das EFCI-Flag im Cellheader oder über spezielle Resource-Management (RM)-Zellen.
• VBR – Variable Bit Rate (dt. variable Bitrate), hier „bestellt“ man eine durchschnittliche Zellenrate, die man aber um einen bestimmten Betrag für eine bestimmte Zeit überschreiten darf (es gibt Echtzeit- (RT-VBR) und Non-Echtzeit-Varianten (NRT-VBR)).
• CBR – Constant Bit Rate (dt. konstante Bitrate), hier wird eine Spitzenrate (Peak Cell Rate, PCR) angefordert, die dann garantiert wird. Auf der anderen Seite bedeutet das aber auch, dass u.U. Bandbreite ungenutzt bleibt.

Das Einhalten der Traffic Contracts wird normalerweise durch „Shaping“, eine Kombination aus Warteschleife und Klassifizierung von Paketen, sowie „Policing“ erzwungen.

Traffic Shaping

Üblicherweise passiert das Shaping am Eingangspunkt eines ATM-Netzes, es wird dort versucht, den Zellfluss so zu steuern, dass der Traffic Contract eingehalten werden kann. Einfachste Form ist das Peak Cell Rate- (PCR) Shaping, was die maximale Zellrate nach oben auf einen vorgegebenen Wert begrenzt. Shaping innerhalb des ATM-Netzes erfordert Pufferkapazitäten (Buffer Manager), da die Zellen gelegentlich verzögert weitergeleitet werden und es daher zu Zellanhäufung kommt.

Traffic Policing

Um die Netz-Performance zu erhalten, ist es möglich, virtuellen Verbindungen Regeln entgegen ihren Traffic Contracts zu geben. Wenn eine Verbindung ihren Traffic Contract überschreitet, kann das Netz die Zellen entweder selbst verwerfen oder das Cell Loss Priority (CLP)-Bit setzen, um die Pakete für weitere Switches auf dem Weg als verwerfbar zu markieren. Dieses Policing arbeitet also Zelle für Zelle, was zu Problemen führen kann, wenn paketbasierte Kommunikation auf ATM umgesetzt und die Pakete in ATM-Zellen verpackt wurden. Wenn man eine dieser ATM-Zellen verwirft, wird natürlich das ganze vorher segmentierte Paket ungültig. Aus diesem Grund erfand man Schemata wie Partial Packet Discard (PPD) und Early Packet Discard (EPD), die eine ganze Serie von Zellen verwerfen, bis der nächste Frame beginnt (siehe Discard-Protokoll). Dies reduziert die Anzahl redundanter Zellen im Netz und spart Bandbreite für volle Frames. EPD und PPD arbeiten nur mit AAL 5, weil sie das Frame End Bit auswerten müssen, um das Ende eines Paketes festzustellen.

Struktur einer ATM-Zelle

Eine ATM-Zelle besteht aus einem Header von 5 Byte und 48 Byte Nutzlast (Payload). Die Payload-Größe von 48 Bytes ergab sich als Kompromiss zwischen den Bedürfnissen der Sprachtelefonie und denen paketbasierter Netze. Man nahm einfach den Durchschnitt der Paketlängen des amerikanischen (64 Byte) und des europäischen Vorschlags (32 Byte).

ATM definiert zwei unterschiedliche Zellen-Formate: NNI (Network-Network-Interface) und UNI (User-Network-Interface). Private ATM-Verbindungen benutzen das UNI-Format, öffentliche ATM-Netze das NNI-Format.

Diagramm einer UNI-ATM-Zelle 7 4 3 0 GFC VPI VPI VCI VCI VCI PT CLP HEC Payload 48Byte

Diagramm einer NNI-ATM-Zelle 7 4 3 0 VPI VPI VCI VCI VCI PT CLP HEC Payload 48Byte

(GFC: Generic Flow Control, VPI: Virtual Path Identifier, VCI: Virtual Channel Identifier, PT: Payload Type, CLP: Cell Loss Priority, HEC: Header Error Control)

In einer Zelle mit UNI-Headerformat ist das GFC-Feld für eine (bis heute undefinierte) lokale Flusskontrolle zwischen Netz und User reserviert. Wegen dieses geplanten Verwendungszwecks wird die Übertragung der GFC-Bits von öffentlichen ATM-Netzen nicht garantiert. Bis zur Normung der lokalen Flusskontrolle müssen alle vier Bits standardmäßig auf Null gesetzt sein. In privaten Netzen können sie beliebig genutzt werden, falls nicht herstellerspezifische Einschränkungen dies verbieten.

Das NNI-Format einer ATM-Zelle ist bis auf das fehlende GFC-Feld mit dem UNI-Format identisch. Diese Bits werden statt dessen benutzt, um das VPI-Feld von 8 auf 12 Bits zu vergrößern. Daher können dann über einen einzigen Port 2¹² VPs mit je 2¹⁶ VCs adressiert bzw. die entsprechende Anzahl von Verbindungen geschaltet werden. Beim UNI-Format sind es nur 256 VPs mit je 2¹⁶ VCs. In der Praxis sind gewöhnlich einige VP/VC-Nummern für besondere Zwecke reserviert und können daher nicht für Nutzverbindungen verwendet werden.

Das PT-Feld wird zur Unterscheidung verschiedener Arten von Zellen für Nutzdaten oder Wartungs- und Management-Zwecke benutzt. So z.B.: Zellen für den Austausch von Signalisierungsinformationen, Steuerdaten für die Überwachung von Netzelementen sowie Zellen für Resource Management und Traffic Control.

Das Cell Loss Priority Bit (CLP) gibt an, ob die Zelle eine hohe (CLP = 0) oder niedrige Priorität (CLP = 1) besitzt. Dies ist nur dann wichtig, wenn ein Netzknoten überlastet ist und einige Zellen verworfen werden müssen. Zellen mit der niedrigen Priorität werden als erste verworfen. Das CLP-Bit kann von Endeinrichtungen oder von Netzknoten gesetzt bzw. verändert werden.

Das HEC-Feld (Header Error Correction, Checksumme des Headers) ermöglicht es zu prüfen, ob der Header der ATM-Zelle fehlerfrei übertragen wurde; eine Fehlerüberprüfung der Nutzdaten muss in höheren Schichten erfolgen. Ferner dient es der Zellsynchronisation: wenn die empfangende Seite den Zellbeginn nicht korrekt identifiziert hat, nimmt sie auch die falschen Bytes als HEC-Feld und kommt dann solange zu negativen Prüfergebnissen, bis sie sich wieder auf den korrekten Zellbeginn synchronisiert hat. Das Prüfen des HEC-Feldes wird von der empfangenden Seite in Echtzeit vorgenommen.

Siehe auch: DSS2, DSL, IP, MPLS, DQDB

Nummerierung in ATM-Netzen

Ursprünglich war vorgesehen, dass für das auf der ATM-Technik beruhende B-ISDN der gleiche Nummernraum verwendet wird wie für das ISDN, also der nach ITU-T Empfehlung E.164 standardisierte. Nachdem aber auch die IT-Welt die ATM-Technik als verwendbar erkannte, fand ein heftiger Kampf gegen dieses Nummernschema statt. Er endete damit, dass ein alternativer Nummernraum geschaffen wurde, der heute unter dem Begriff „ATM End-System Address“ (AESA) bekannt ist. Damit konnte vermieden werden, dass die nationalen Telekommunikationsgesellschaften, die damals noch häufig Monopole waren, die Nummernvergabe dominieren könnten. Heute sind beide Adresstypen üblich, die sich aber grundsätzlich unterscheiden:

1. Adresstyp A besteht aus einer internationalen Adresse gemäß E.164 mit einer Subadresse. Die Subadresse enthält die notwendige Information, mit der das Endgerät identifiziert wird. Die Subadresse kann aus einem privaten Namensraum kommen und auf einer AESA beruhen.
2. Adresstyp B ist die AESA, die auf dem Format der OSI NSAP Adresse beruht (aber selbst keine ist).

Die ehemalige Auseinandersetzung um die ATM-Adressierung ähnelt der heutigen um die Adressierung in der IP-Telefonie, die unter anderen Lösungen zu der unter der Bezeichnung Telephone Number Mapping bekannten geführt hat.

Anwendung

Ein ATM-Übergabepunkt

Fast alle Betreiber von Kommunikationsnetzen haben im Backbone-Bereich ATM-Netze eingerichtet, benutzen aber keine ATM-Signalisierung, sondern feste Verschaltungen. Im breitbandigen Zugangsnetz wird als Multiplex-Layer fast ausschließlich ATM verwendet (DSLAM, RAS). ATM konnte sich als Technik für lokale Netze nur im Hochleistungsbereich durchsetzen. Seine hohe Komplexität und die damit verbundenen Kosten verhinderten den großflächigen Einsatz als integrierte Netzlösung im Bürobereich. Einige grundlegende Prinzipien der ATM-Standards wie zum Beispiel die Möglichkeit, bestimmte Typen des Datenverkehrs zu priorisieren, wurden später in MPLS übernommen, ein allgemeines Protokoll für effizientes Switching unterhalb Layer 3.

Verwendung bei Rundfunk- und Sendeanstalten

Die Verwendung der ATM-Technik wird von Sende- und Rundfunkanstalten in Deutschland genutzt: Über Glasfasernetze versenden größere Produktionsfirmen und Sender in Echtzeit u.a. ihr Ton- und Bildmaterial an die verschiedenen Sendeanstalten – das ARD-interne Produktionsnetz (HYBNET) basiert auf ATM-Technik. Mit Hilfe von Satellitentechnik (Uplink) lassen sich auch größere Strecken (interkontinental) über das ATM-Netz überbrücken. Die Übergabepunkte bestehen aus einem En- und einem Decoder, die so genannten Muxer (Multiplexverfahren). Die Technik bietet auch die Grundlage zum Live-Schalten von Studio zu Studio.

Aktuelle Situation

Obwohl z. B. die klassischen Telekommunikationsnetzbetreiber enorme Summen in ATM-Infrastruktur investierten, mehren sich seit den späten 90er Jahren Indizien ^{[1] [2][3] [4] [5]} dafür, dass bei immer mehr Anwendungen andere, oft Ethernet-basierte Technologien statt ATM zum Einsatz kommen. Gründe dafür könnten auch die viel niedrigeren Preise von Geräten der IEEE 802.3 Familie und das einfacher zugängliche Know How sein.

Die Deutsche Telekom AG plant, bis zum Jahre 2012 ihre Internet-DSL-Anschlüsse und auch ihre Telefonvermittlungstellen nicht mehr mit ATM-Technik aufzurüsten, so dass ATM im Backbonebereich in Zukunft keine große Rolle mehr spielt. Ersetzt wird die ATM-Technologie durch Ethernet-basierte Technologien und IP-basierende VPNs.

Obwohl ATM als Technik damit wohl keine Rolle mehr spielen wird, sollte noch erwähnt werden, dass einige der mit ATM gewonnenen Forschungserkenntnisse in anderen Netztechnologien "überleben" werden. MPLS wurde bereits genannt. Aber auch QoS im Internet, bzw. in zukünftigen Netzen oder die TCP-Überlastkontrolle, hat – zumindest im Bereich der Forschung – auch von ATM profitiert (siehe TCP / Überlastkontrolle als Forschungsfeld).

Siehe auch

• ILMI

Quellen

1. ↑ ATM versus Gigabit Ethernet
2. ↑ ATM versus Ethernet
3. ↑ Cisco recommends Customers migrate from ATM to Ethernet
4. ↑ Gigabit Ethernet stark im Kommen
5. ↑ Lucent ATM to Ethernet Migration

Weblinks

• ATM-Zellen-Formate