Dariusz Kusz Wojciech Stojanowski

POLITECHNIKA SZCZECIŃSKA INSTYTUT ELEKTRONIKI, TELEKOMUNIKACJI I INFORMATYKI Kierunek: Elektronika i Telekomunikacja Szerokopasmowa technologia teleinformatyczna ATM, monitoring i elementy projektowania Dariusz Kusz Wojciech Stojanowski Promotor: dr inż. Tomasz Ostrowski Recenzent: prof. dr hab. inż. Wojciech Lipiński

Spis treści 1. Wprowadzenie...4 1.1. Słowo wstępne...4 1.2. Cel pracy...6 2. Charakterystyka ogólna technologii ATM...7 2.1. Geneza sieci ATM...7 2.2. Co wyróżniło ATM...9 2.3. ATM a istniejąca infrastruktura...10 2.4. Właściwości standardu ATM...12 3. Budowa i zasada działania technologii ATM...14 3.1. Topologie i interfejsy sieci ATM...14 3.1.1. Interfejs UNI...14 3.1.2. Interfejs NNI...15 3.1.3. Protokoły styków UNI/NNI...16 3.2. Komórka ATM...17 3.2.1. Format komórki ATM...17 3.2.2. Struktura komórki UNI...21 3.2.3. Struktura komórki NNI...24 3.2.4. Typy komórek ATM...25 3.3. Adresacja ATM...26 3.4. Architektura protokołu ATM...28 3.5. Warstwa fizyczna...33 3.5.1. Podwarstwa medium fizycznego PM...33 3.5.2. Podwarstwa zbieżności transmisji TC...34 3.5.3. Prędkości transmisji danych...41 3.6. Warstwa ATM...43 3.6.1. Funkcje użytkowe...43 3.6.2. Kanały i ścieżki wirtualne...44 3.6.3. Rodzaje połączeń w sieci ATM...46 3.6.4. Funkcje sterowania ruchem...47 3.6.5. Metody sterowania ruchem...49 3.6.6. Funkcje zarządzania i utrzymania...50 3.7. Warstwa AAL...51 3.7.1. AAL1...55 3.7.2. AAL2...58 3.7.3. AAL3/4...59 3.7.4. AAL5...65 3.8. Parametry QoS i kontrakt ruchowy w sieci ATM...70 3.9. Komutacja połączeń w sieciach ATM...72 4. Monitoring...73 4.1. Utrzymanie warstwy fizycznej i warstwy ATM...74 4.2. Funkcja OAM w warstwie ATM...75 4.3. Testery systemów ATM...78 5. Projektowanie sieci ATM...81 5.1. Kierunki w projektowaniu...81 5.2. Planowanie i analiza sieci ATM...82 2

5.3. Proces budowy sieci ATM...83 5.4. Urządzenia sieci ATM...87 5.4.1. Zasady funkcjonowania przełączników...88 5.4.2. Typy przełączników ATM...89 5.4.3. Parametry przełączników ATM...90 5.4.4. Producenci przełączników ATM...92 6. Bezpieczeństwo w sieciach ATM...94 6.1. Bezpieczeństwo transmisji w sieciach ATM...94 6.2. Sposoby zabezpieczenia transmisji...95 7. Porównanie Gigabit Ethernet sieci ATM...97 7.1. Historia powstania standardu Ethernet...97 7.2. Gigabit Ethernet...98 7.3. Gigabit Ethernet czy ATM...100 8. Przyszłość ATM...107 8.1. Kierunki rozwoju...107 8.2. IP over ATM...109 9. Podsumowanie...111 10. Spis rysunków...113 11. Spis tabel...114 12. Wykaz skrótów...115 13. Przypisy...119 14. Bibliografia...120 3

1. Wprowadzenie 1.1. Słowo wstępne Tendencja do konwergacji sieci i usług we współczesnej telekomunikacji jest przejawem wyrastania nowej epoki w dziejach komunikacji pomiędzy członkami ogólnoświatowej społeczności epoki, charakteryzującej się narastającym upodabnianiem się sposobów wymiany informacji pomiędzy odległymi systemami komputerowymi, członkami lokalnych grup interesu oraz zespołami wykonującymi swoje czynności w warunkach współdziałania. Obszary polityki, finansów, nauki czy życia społecznego zbliżają się do wspólnej płaszczyzny, której osiągnięcie będzie umożliwiało pełną integrację zamierzeń i wynikających z nich działań praktycznych. Powodzenie procesu jednoczenia wymienionych obszarów zależy od niewątpliwie najważniejszego czynnika integracyjnego, jakim jest wypracowanie odpowiednich metod wymiany informacji. Projektowanie i organizacja efektywnych i elastycznych systemów łączności, które zapewnić mają bezkonfliktowy przebieg procesów informatyzacji społeczeństw wspólnoty światowej wychodzą naprzeciw istniejącym obecnie i możliwym do przewidzenia potrzebom użytkowników. Ośrodki naukowe, kierujące się motywacjami poznawczymi oraz wielkie korporacje, które rozważają swoje działania w kategoriach opłacalności finansowej wykazują jednomyślność w przekonaniu, iż szerokopasmowa integracja usług jest najbardziej perspektywicznym kierunkiem rozwojowym współczesnej telekomunikacji. Tryb transferu asynchronicznego, znany również jako szybkie przełączanie pakietów (ang. Fast Packet Switching), został opracowany jako szerokopasmowa alternatywa dla cyfrowej sieci usług zintegrowanych (ISDN). Pojęcie techniki transmisji ATM jest nierozerwalnie związane z tematem sieci B-ISDN, która ma dostarczać swoim użytkownikom szeroki zakres usług. Sieci B-ISDN stanowią idealną platformę integracyjną dla systemów telefonii klasycznej, N-ISDN oraz wszystkich typów sieci komputerowych. 4

XVIII grupa badawcza ITU-T jako konstruktor ATM zdecydowała się zaprojektować go tak, aby mógł pracować z istniejącymi oraz jeszcze nie opracowanymi technologiami. Specyfikacje Międzynarodowej Unii Telekomunikacyjnej są uznawane na całym świecie. W ten właśnie sposób spełnia się marzenie inżynierów i menedżerów sieci technologia sieciowa wychodząca naprzeciw ich teraźniejszym i przyszłym potrzebom. Forum IETF ATM przyjęło jako nadrzędne - prace nad technologią, która byłaby elastyczna i skalowalna. Opracowanie ATM, miało na celu rozwiązanie problemów, z jakimi borykały się konwencjonalne przełączniki pakietów o zmiennej długości. ATM nie przełącza pakietów, jak czynią to konwencjonalne sieci ATM przełącza komórki. Komórka w odróżnieniu od pakietu ma ustaloną długość, która sprawia, że urządzenia przełączające mogą działać dużo szybciej niż konwencjonalne przełączniki pakietów o zmiennej długości, gdyż przetwarzania wymaga tylko nagłówek komórki. W sieci ATM długość komórki wynosi 53 bajty (48 bajtów danych i 5 bajtów nagłówka). Konwencjonalne przełączniki pakietów o zmiennej długości muszą czytać i przetwarzać każdy bit przychodzący przez przewód, aby mogły określić początek i koniec każdego z pakietów. Pomimo, iż sieci ATM są obecnie wykorzystywane w praktyce, to standard ten wciąż jest w dużym stopniu niekompletny i w dalszym ciągu trwają nad nim prace. Obecne implementacje ATM polegają w tym zakresie na producentach, którzy dostarczają niektóre brakujące standardy. Dlatego bardzo ważne jest, aby producenci współdziałali ze sobą i czynili wszelkie starania, aby wdrażać nowe projekty sieci ATM na jednorodnym sprzęcie. [1] 5

1.2. Cel pracy Celem niniejszej pracy jest przedstawienie szerokopasmowej technologii teleinformatycznej ATM z wyróżnieniem budowy, zasady działania oraz systemu monitoringu i elementów jej projektowania. Zawarta charakterystyka systemu transmisji ATM pozwala wyłonić szereg jej istotnych cech. Zostały także ujęte kierunki i perspektywy dalszego rozwoju tej technologii. Od czasów telegrafu w planowaniu możliwości komunikacyjnych obowiązywała zasada, że z trzech przymiotników szybko, daleko i niedrogo transmisję mogą opisywać dowolne dwa. Jeśli wsłuchać się dobrze w zachwyty nad ATM, można zauważyć, że określenia ATM, duża szybkość i szerokie pasmo wymawiane są niemal jednym tchem. Milcząco przyjmuje się, że ATM jest w jakiś sposób przyczyną dużej prędkości, co nie jest prawdą. ATM wiąże się z dużą prędkością transmisji głównie dlatego, że protokół ten jest prosty i na tyle elastyczny, aby pracować w szerokim zakresie prędkości. Należy pamiętać jednak, iż nieubłagane prawo ekonomii podwyższa drastycznie koszty wraz ze wzrostem prędkości transmisji, odległości lub obydwu tych parametrów, co również odnosi się do ATM. Z ATM duża prędkość kosztuje, a do tego ATM narzuca swoje własne koszty... 6

2. Charakterystyka ogólna technologii ATM 2.1. Geneza sieci ATM Znany powszechnie pod akronimem ATM (ang. Asynchronous Transfer Mode) tryb transferu asynchronicznego został pierwotnie utworzony przez Międzynarodowy Komitet Konsultacyjny ds. Telefonii i Telegrafii, czyli przez komitet CCITT 1 (franc. Comiteé Consulatif Internationale de Telegraphique et Telephonique) jako mechanizm (asynchronicznego) transferu dla szerokopasmowej sieci cyfrowej usług zintegrowanych, czyli sieci B-ISDN (ang. Broadband Integrated Services Digital Network). Przewidywane zastosowanie tego trybu miało być ograniczone do przeprowadzania transmisji między centralami telefonicznymi. Wczesne lata 90-te wykazały jednak, że wysoka przepustowość i małe opóźnienia jakie daje sieć ATM, czynią ją idealnym mechanizmem dla sieci LAN nowej generacji. ATM mógł teoretycznie obsługiwać biurowe wideokonferencje, które wymagające dużej szybkości i szerokiego pasma, z taką samą łatwością, z jaką mógł obsłużyć tradycyjne aplikacje interaktywne. [1] Standardy ATM opisują uniwersalną strukturę sieciową, która realizuje transmisję zarówno na łączach 2Mbps jak i 10Mbps niezależnie od medium (miedź, światłowody, linie radiowe, łącza satelitarne). Zaletą standardu ATM jest fakt, iż wykorzystuje on zaawansowane rozwiązania w dziedzinie gwarantowanej jakości usług (QoS, Quality of Service). Technologia ATM została zaprojektowana między innymi do świadczenia usług transmisji multimedialnych (fonia, wizja), w których jakość przekazu w czasie rzeczywistym - w odbiorze ma kluczowe znaczenie. Klasy QoS, które oferuje ATM, są różne. Połączenia w standardzie ATM określają zawsze prędkość transmisji. Niektóre transmisje tolerują długie i zmienne opóźnienia, podczas gdy inne muszą mieć nadany priorytet, aby uniknąć pogorszenia jakości. Sieci ATM często określa się mianem sieci podkładowych. Pojęcie to należy rozpatrywać w kontekście możliwości wykorzystania ATM do budowy sieci lokalnych i rozległych, które obsługują ruch zintegrowany. ATM jest technologią, jaką można zastosować zarówno 7

w sieciach lokalnych jak i rozległych bazując na tych samych zasadach zarówno w sieciach LAN jak i WAN, z zaznaczeniem, iż na granicy tych dwóch nie ma potrzeby zmiany formatu danych. Zakłada się, że sieci oparte o międzynarodowy standard B-ISDN, stanowić będą przyszłość telekomunikacji, włącznie ze zwykłą telefonią i wideofonią. Usługi ATM oparte są na przesyłaniu pakietów danych, a więc nie używa się zestawianych połączeń jak ma to miejsce w tradycyjnej telefonii. Działające w 1992 roku najwolniejsze połączenia ATM przesyłały 45 Mb/s a najszybsze ponad 600 Mb/s. Eksperymenty prowadzono jednak przy znacznie większych szybkościach. W założeniach przyjmuje się, że koszty routerów ATM (komputerów przełączających pakiety danych ATM) są na tyle niskie, że powinny one stosunkowo szybko wyprzeć centrale telefoniczne. Jest to pierwsza technologia komputerowych sieci rozległych, która jest w pełni zintegrowna z sieciami telekomunikacji publicznej. W rozwoju technologii ATM oczekuje się takich aplikacji jak przesyłanie programów video na żądanie, telekonferencje i inne zastosowania multimedialne. Rysunek nr 1. Integracja technologii i usług w sieciach ATM [Źródło: strona: http://marek.bromirski.net] 1 Skrót CCITT oznacza Międzynarodowy Komitet Konsultacyjny ds. Telefonii i Telegrafii. Nazwa komitetu została niedawno zmieniona na Międzynarodową Unię Telekomunikacyjną (ITU). 8

Tak wielka wizja unifikacji sieci wyzwoliła niespotykaną aktywność zarówno na rynku, jak i w sferze badań i rozwoju. Powstało przemysłowe konsorcjum, tzw. ATM Forum, którego prace obejmują definiowanie zunifikowanych interfejsów sieciowych, opracowanie zasad zarządzania i sterowania ruchem, a także szeroko pojętą promocję technologii ATM. Obsłużenie tak wielu różnych technologii wymaga od ATM wyjątkowo małego opóźnienie i fluktuacji. Zatem sieć ATM musi być przezroczysta i w żaden sposób nie może spowalniać ani przyspieszać ruchu sieciowego - musi działać z odpowiednio wysoką szybkością, by nie stać się wąskim gardłem, jak to się dzieje w przypadku wielu sieci WAN. ATM działa z szybkością z zakresu od 1,54 Mbps do 622 Mbps, jest dobrze przystosowany do transmisji danych, głosu oraz obrazu i właściwie adaptuje się do nowych technologii. Charakterystyczną zaletą ATM jest możliwość uzyskania większej szerokości pasma w czasie porcjowania (pakietowania) danych, dzięki wykorzystywaniu czasu przestoju na łączu. Tak więc od ATM wymaga się obsługiwania zmiennych prędkości przesyłania bitów, odpowiadających umownym wskaźnikom informacji (takim jak ustalane w sieci Frame Relay) dla aplikacji czasu rzeczywistego i umożliwiających rozszerzanie pasma w celu lepszego dopasowania do warunków ruchu w sieci. Reasumując ATM ma być wszystkim dla wszystkich. [1] 2.2. Co wyróżniło ATM? Początkowe przewidywania określały, iż dla tak wymagającej sieci B-ISDN odpowiednim sposobem transmisji będzie synchroniczny tryb transmisji STM (ang. Synchronous Transfer Mode), którego wcześniej wykorzystywano w implementacji ISDN. Rozważane były także struktury hybrydowe. Jednak nieakceptowalne ograniczenia STM sprawiły, iż ostatecznie przyjęto ATM jako właściwy sposób transmisji. W założeniach było również istnienie struktur hybrydowych jako form przejściowych. Zarówno ATM jak i STM opierają się na podziale zasobów (pasma) sieci i odpowiedniego przydzielania ich użytkownikowi, podkreślając jednak, iż o ile ATM w istocie swego 9

działania jest przykładem techniki komutacji pakietów, o tyle STM opiera się na komutacji łączy. STM w latach swojej świetności zastąpił FDM (ang. Frequency Division Multiplexing), zaś ideą działania STM jest TDM (ang. Time Division Multiplexing). W odróżnieniu od STM, technologia PTM (ang. Packet Transfer Mode) bazuje na przesyłaniu pakietów jako porcji informacji, których przynależność do danego połączenia jest identyfikowana na podstawie adresu przenoszonego wewnątrz tej struktury. PTM, jak z samej nazwy wynika, opiera się na komutacji pakietów i nie wymaga fazy nawiązywania połączenia. W tym wypadku źródło i cel transmitowanych danych jest jednoznacznie określone poprzez unikalne adresy. Technikę tą szeroko wykorzystuje się w komputerowych sieciach lokalnych. Dostęp do fizycznego łącza odbywa się zaś na zasadzie rywalizacji (CSMA/CD - Ethernet), bądź poprzez współgospodarowanie łączem (Token Ring). Takie rozwiązanie pozwala na elastyczne gospodarowanie zasobami sieci, z drugiej jednak strony uniemożliwia pracę w czasie rzeczywistym. W konsekwencji określonej danej usłudze nie jesteśmy w stanie zapewnić nawet minimalnej, ale zawsze gwarantowanej przepływności. Najlepsze cechy poprzednio omawianych STM (prostota, osiąganie dużych prędkości transmisji i możliwość pracy w czasie rzeczywistym ) oraz PTM (elastyczność przydzielania pasma) - jak można powiedzieć - łączy w sobie technologia ATM. [3] 2.3. ATM a istniejąca infrastruktura Obecnie obowiązujące poglądy wskazują, iż najbardziej podatny na wprowadzenie techniki ATM jest transportowy system publiczny, zaś struktury sieciowe niższych szczebli wykorzystywać będą dotychczasowe protokoły jeszcze przez kilkanaście najbliższych lat, co związane jest z wyeksploatowaniem użytych do ich organizacji zasobów. Podatność poszczególnych typów sieci na wprowadzenie techniki ATM została przedstawiona na rysunku nr 2. 10

Rysunek nr 2. Podatność technik sieciowych na wprowadzenie techniki ATM [Źródło: strona: http://marek.bromirski.net] Kształtowanie procesu wdrażania technik szerokopasmowych do powszechnego użytku zależy w dużej mierze od szeregu istotnych uwarunkowań, wśród których wymienia się szybkość wypierania tradycyjnych usług przez multimedia, poziom inwestycji realizowanych przez operatorów oraz dostawców sprzętu, zdolność organizacji normalizacyjnych do wypracowania właściwych zaleceń, a także skłonność użytkowników do akceptacji nowych trybów komunikacyjnych. Wzajemne interakcje wymienionych czynników obrazuje rysunek nr 3. 11

Rysunek nr 3. Czynniki kształtujące wprowadzanie sieci szerokopasmowych [Źródło: strona: http://marek.bromirski.net] 2.4. Właściwości standardu ATM Technika asynchronicznego przekazu danych ATM jest uniwersalną technologią, w której wyróżnić należy charakterystyczne cechy: ATM jest przezroczysty względem przenoszonej informacji co sprawia, iż jest przystosowany do przenoszenia różnych protokołów komunikacyjnych i usług. Stała wielkość modułu transportowego podstawową jednostką transportową, niezależnie od rodzaju przesyłanych danych jest 53-bajtowa komórka. Komórki ATM posiadają jeden stały rozmiar, co ułatwia proces ich obróbki w węzłach sieci. 12

Informacja zawarta w nagłówku stanowi identyfikację przynależności danej komórki do konkretnego połączenia. Komórka ATM jest dynamicznie przypisywana konkretnej usłudze poprzez nadanie jej odpowiedniego identyfikatora. ATM umożliwia realizację dowolnych prędkości transmisji - każdemu połączeniu może być przyporządkowana dowolna ilość komórek, ograniczona jedynie dostępną pojemnością łącza. Przydzielenie identyfikatora konkretnemu połączeniu wymaga fazy nawiązania połączenia. Przepływność strumienia komórek dostosowuje się do przepływności transmisyjnej na podstawie wprowadzenia komórek pustych, pomijanych w węźle docelowym. Wykorzystanie przez ATM multipleksowania statystycznego poszczególnych kanałów pozwala na efektywne gospodarowanie łączem. Nieograniczona skalowalność ATM nie posiada technologicznych ograniczeń co do rozmiaru sieci i maksymalnej prędkości transmisji, może pełnić rolę systemu transmisji zarówno dla sieci WAN, MAN, jak też LAN (założenia projektowe ATM uwzględniają implementację systemów taryfikacji). Poprawa bezpieczeństwa systemu - możliwość monitorowania przepływu danych przez osoby niepowołane jest znacznie ograniczona przez duże szybkości transmisji i silną fragmentację informacji. 13

3. Budowa i zasada działania technologii ATM 3.1. Topologie i interfejsy sieci ATM Sieci oparte na technologii ATM pracują w topologii gwiazdy lub hierarchicznej gwiazdy (w przypadku połączeń między komutatorami) z komutatorem (swich'em) ATM w centrum. ATM w odróżnieniu od wielu dzisiejszych protokołów sieciowych warstwy drugiej, które są implementowane w przełącznikach, został od razu zaprojektowany jako sieć komutowana. Każde urządzenie jest bezpośrednio przyłączone do przełącznika ATM i ma własne dedykowane z nim połączenie. Dla ATM jest zdefiniowanych wiele typów wysoko wyspecjalizowanych interfejsów. Wiele z nich jest blisko ze sobą powiązanych. Dzielą je tylko drobne różnice, które są wymuszone względami prawnymi. Jako podstawowe dla standardu ATM wyróżnia się dwa rodzaje styków (interfejsów) fizycznych: styk UNI oraz styk NNI. 3.1.1. Interfejs UNI UNI (ang. User-to-Network Interface) - styk użytkownik-sieć - określający zasady połączenia sprzętu użytkownika (ang. terminal equipment) z siecią ATM a ściślej zakończeniem sieciowym (ang. network termination), w którym są realizowane protokoły dostępu do sieci. Interfejs UNI powinien zapewniać użytkownikowi podłączenie do globalnej sieci urządzenia typu: - teminal szerokopasmowy B-ISDN, - urządzenie sieci LAN/MAN przystosowane do współpracy z standardem ATM, - komutator - switch - ATM. Istnieją przy tym dwa rodzaje interfejsów UNI: 14

a/ prywatny UNI (ang. private UNI)- odnosi się do styku pomiędzy użytkownikiem a systemem komutacyjnym -przełącznikiem ATM, należącym do tej samej korporacji co użytkownik, b/ publiczny UNI (ang. public UNI)- wykorzystywany jest, gdy użytkownik lub sieć prywatna łączy się z publiczną siecią ATM. 3.1.2. Interfejs NNI NNI (ang. Network-to-Network Interface lub Node-to-Node Interface) - styk międzywęzłowy opisujący zasady łączenia komutatorów ATM i odpowiadający głównie za zarządzanie ich współdziałaniem, inaczej mówiąc za ich pośrednictwem łączone są sieci i podsieci ATM. Jest to interfejs sieć publiczna-sieć publiczna. W przypadku NNI możemy także wyróżnia dwa rodzaje styków: a/ prywatny NNI (ang. private NNI) - dotyczący urządzeń wewnątrz sieci prywatnej, b/ publiczny NNI (ang. public NNI) - stosowany w sieciach publicznych. Rysunek nr 4. Rodzaje styków (interfejsów) dla standardu ATM [Źródło: Walkowiak K., SK, Asynchroniczny przekaz danych ATM] Podział na dwa rodzaje interfejsów spowodował rozróżnienie dwóch formatów komórek ATM. Istnieje wiele specyfikacji interfejsów UNI/NNI, z których każda obejmuje opis stosowanej warstwy fizycznej i charakterystykę warstwy ATM. 15

Interfejsy UNI/NNI zwierają w sobie zagadnienia związane z płaszczyzną kontroli (ang. Control Plane): zarządzania połączeniami i sygnalizacją. 3.1.3. Protokoły styków UNI/NNI Ze stykami UNI/NNI związane są odpowiednie protokoły: Ze stykiem UNI wiąże się protokół ILMI (ang. Integrated Local Management Interface) jest to protokół odpowiedzialny za autokonfigurację wielu parametrów protokołu ATM, jak np. wyznaczanie adresów serwerów inicjalizujących różne protokoły sieciowe ATM czy też określanie adresów ATM stacji końcowych. Mechanizm rejestracji adresów ATM w standardzie ILMI pozwala przełącznikom ATM rezerwować początkową cześć adresu stacji końcowych, podczas gdy pozostała cześć stanowi unikatowy 48-mio bajtowy adres MAC stacji. Protokół ten umożliwia administratorowi sieci kontrole rezerwowanych adresów. PNNI (ang. Private Network-to-Network Interface) jest protokołem powiązanym ze stykiem NNI. Jego zadaniem jest definiowanie zbioru reguł dynamicznego routingu oraz sterowania, obejmujących zasady ustalania połączenia z gwarancją jakości usług QoS, z uwzględnieniem dostępnej w danej chwili przepustowości, obciążenia sieci i średniego opóźnienia transmisji. Protokół PNNI umożliwia przełącznikom ATM wymianę informacji o dostępnych adresach w sąsiednich przełącznikach oraz metryk QoS, wykorzystywanych przy określaniu parametrów kontraktu nowego połączenia. Wymiana informacji pomiędzy przełącznikami ATM z wykorzystaniem protokołu PNNI umożliwia zestawienie połączenia tak, by został osiągnięty pożądany poziom QoS oraz by uniknąć przeciążeń w sieci. Protokół PNNI jest stosowany zarówno w małych, lokalnych sieciach ATM, jak i w sieciach o zasięgu globalnym. Jest to możliwe dzięki hierarchicznemu podziałowi urządzeń w sieci na poziomy i grupy (ang. Peer Groups). W jednej grupie znajduje się liczba przełączników, dobrana tak, by zapewnić zarówno wysokie wykorzystanie przepustowości łączy, jak i właściwe metryki QoS połączeń. Każda grupa posiada "lidera" (ang. Peer Group Leader). "Liderzy" wchodzą w skład grup wyższego poziomu, które też mają swoich liderów. Każdy poziom hierarchii jest 16

identyfikowany przez określoną część 20 bajtowego adresu ATM, który złożony jest z 13 bajtów prefiksu sieciowego (ang. Network Prefix), 6 bajtów ESI (ang. End System Identifier) i 1 bajtu SEL (ang. Selector). W ten sposób hierarchia przełączników może nawet obejmować do 104 poziomów (Network Prefix ma 13 bajtów = 104 bity). Po ustaleniu klasy usług, jakości QoS oraz zestawieniu połączenia wirtualnego następuje transmisja danych. [5] 3.2. Komórka ATM Postać komórki jest podstawową strukturą transportu danych w ATM. W odróżnieniu od większości sieci LAN, dla ATM struktura warstwy 2 ma ustaloną, stałą długość i ma zawsze 53 oktety. Długość komórki jest liczbą dość niezwykłą, a wywodzi się raczej z zasady kompromisu, aniżeli matematyki. Północnoamerykańscy współtwórcy standardu CCITT ATM optowali za 64-oktetową częścią użyteczną, zaś reprezentanci Europy i Azji uważali, że bardziej odpowiedni będzie ładunek 32-oktetowy. Komitet CCITT wyciągnął średnią arytmetyczną i określił jako standard 48-oktetową część użyteczną z 5-oktetowym nagłówkiem stąd zatem cała długość wynosi 53 oktety. [1] 3.2.1. Format komórki ATM Stała długość komórek powoduje, że sieć ATM jest przystosowana do transportu różnorodnych protokołów komunikacyjnych i usług. Fakt jednakowej długości komórek informacyjnych daje również możliwość przydzielenia aplikacjom pasma przesyłania o niezbędnej szerokości, a w razie potrzeby zmianę jego zakresu. Ma to zasadnicze znaczenie dla przesyłania informacji głosowych i sygnału telewizyjnego, które wymagają stałego pasma oraz pojawiania się kolejnych komórek u odbiorcy w takiej samej kolejności, w jakiej zostały nadane. Budowa komórki w postaci 53 bajtów, z czego właściwa informacja zajmuje 48 bajtów, stwarza konieczność segmentacji przy nadawaniu informacji o długości większej niż 48 bajtów oraz składania takiej informacji przy jej odbiorze. Zaletą stałej długości komórek jest brak zmienności opóźnień ich transmisji wynikającej z różnych czasów transmisji komórek o różnej długości. Stała długość komórki upraszcza sterowanie ruchem i zarządzanie zasobami sieci. Niepotrzebne stają się również pola synchronizacji - początku i zakończenia komórki. 17

Dla komórek ATM istnieją w rzeczywistości dwie różne struktury, jedna dla interfejsu UNI, druga dla NNI. Różnice w tych strukturach polegają na różnym formacie 5-oktetowego nagłówka. Szczegółowiej obie struktury nagłówka zostaną przedstawione w kolejnych podpunktach, zaś na rysunku nr 5 została przedstawiona ogólna struktura komórki ATM. 5 bajtów 48 bajtów Nagłówek Część użyteczna 40 bitów 40 bitów 1 8 0/4 2 1 8/12 16 Zarezerwowane Kontrola błędów nagłówka HEC Sterowanie przepływem ogólnym GFC Ładunek typu konserwacyjnego Priorytet Identyfikator ścieżki wirtualnej VPI Identyfikator kanału wirtualnego VCI Rysunek nr 5. Struktura komórki ATM [Źródło: Sportack M., Sieci komputerowe. Księga eksperta. Wydaw. Helion Gliwice 1999 /rysunek nieznacznie zmieniony] Znaczenie pól komórki ATM jest następujące: GFC (ang. Generic Flow Control) - pole kontroli dostępu (sterowanie przepływem ogólnym: 0 lub 4 bity). Pole GFC jest używane tylko na styku użytkownik-sieć (styk UNI). W interfejsie NNI nie występuje. Służy do kontroli przepływu danych od stacji użytkownika do sieci ATM oraz zapobieganiu krótkotrwałym przeciążeniom na tym styku. Pole to nie jest związane z dalszą częścią nagłówka, dlatego nie może być używane do kontroli przepływu 18

w poszczególnych ścieżkach czy kanałach. GFC umożliwia wielu stacjom korzystanie z tego samego UNI. Cztery bity kontroli przepływu występują w przypadku interfejsu UNI, kiedy różnorodne urządzenia B-ISDN będą współdzieliły medium. Pole ma zasadnicze znaczenie tylko w przypadku, gdy dzielony jest dostęp do jednego portu ATM UNI przez kilka urządzeń. W przypadku, kiedy funkcja kontroli przepływu nie jest wykorzystywana pole to zawierałoby same zera. Funkcja pola GFC jest przeznaczona do ustanawiania komutowanych obwodów wirtualnych i nie została jak dotąd wdrożona w standardach ATM. Powoli ona użytkownikowi utworzyć połączenie z jednym lub wieloma punktami docelowymi. [1] VPI (ang. Virtual Path Identifier) - identyfikator ścieżki wirtualnej VPI, w zależności od rodzaju styku UNI czy NNI, ma długość 8 bitów dla styku UNI lub 12 bitów w przypadku NNI. VPI identyfikuje grupę kanałów wirtualnych. Dla styku UNI możliwa jest obsługa 256 ścieżek, zaś dla styku NNI 4096 ścieżek. VCI (ang. Virtual Channel Identifier) - identyfikator kanału wirtualnego VCI, łącznie z poprzednim polem, służy do wyznaczania drogi przesyłania komórki. Długość tego pola wynosi zawsze 16 bitów i jest identyczna dla obu rodzajów interfejsów styku, co pozwala na stworzenie do 65536 kanałów wirtualnych w obrębie każdej ścieżki wirtualnej. Identyfikator ścieżki wirtualnej opisuje całą trasę między punktami końcowymi. Identyfikator kanału wirtualnego dotyczy bezpośredniego połączenia między dwoma przełącznikami. Za każdym razem, gdy przełącznik odbiera komórkę, może zmienić obie te wartości zanim przekaże tą komórkę do następnego przełącznika. Proste przejrzenie identyfikatorów VPI i VCI dostarcza przełącznikowi informacji potrzebnych do określenia portu docelowego i następnego skoku VPI/VCI. [1] Inaczej opisując - w węzłach sieci odbywa się wymiana wartości VPI/VCI na inne, które są ważne tylko na odcinku do następnego węzła. Używając takiego mechanizmu warstwa ATM może asynchronicznie przeplatać w jednym fizycznym medium komórki z wielu połączeń. ATM jest protokołem, który aby ustanowić wirtualne połączenie w fizycznych łączach (uaktualnienia tablic w punktach komutacyjnych) wymaga fazy nawiązania połączenia. VPI/VCI identyfikacją daną komórkę z konkretnym połączeniem i są wykorzystywane do multipleksowania, demultipleksowania i komutacji komórek w węzłach sieci ATM. 19

Nie są to adresy - przyporządkowane są one danemu połączeniu na czas transmisji (przy nawiązaniu połączenia) i obowiązują na odcinku między węzłami sieci. Małe rozmiary komórek powodują, iż stosowanie pełnych adresów byłoby bardzo nieekonomiczne, dlatego stosuje się właśnie takie unikalne etykiety tylko w obrębie interfejsu. PT (ang. Payload type) typ danych, określa jakiego typu dane są przesyłane w danej komórce. W przypadku, gdy przesyłane są dane użytkownika pierwszy bit ustawiany jest na zero, jeśli przesyłane są dane kontrolne ATM pierwszy bit ustawiany jest na 1. Dla danych sieci pole to przenosi informacje potrzebne do zarządzania oraz przeprowadzenia określonych operacji. Drugi bit ustawiony na 1 w polu PT wskazuje na przeciążenie sieci. CLP (ang. Cell-Loss Priority) - bit priorytetu (1-bitowy priorytet straty komórki). Umożliwia wskazanie komórek z bitem o wartości 1 jako pierwszych w kolejności do usunięcia w czasie przeciążenia sieci. Wartość 1 oznacza niski priorytet i taka komórka może ulec zniszczeniu w zależności od stanu sieci, np. w sytuacji natłoku. Bit CLP może być określany przez użytkownika lub usługę sieciową. Komórki przenoszące dane CBR mają zawsze wysoki priorytet, a więc CLP=0. Wiele usług VBR ma niskie wymagania co do jakości transmisji i komórki z ich danymi mogą mieć ustawiony bit CLP=1. Poziom jakości transmisji jest określany przy ustalaniu połączenia, przy czym w trakcie trwania transmisji może ulec zmianie. HEC (ang. Header-Error-Control) - pole kontrolne 8-bitowa kontrola błędów nagłówka. HEC w odróżnieniu od pozostałych pól nagłówka, ustawianych w warstwie ATM, określany jest w warstwie fizycznej i służy do sprawdzania poprawności transmisji, a także korekcji błędów. Chroniona jest zawartość całego nagłówka. Pojedyncze błędy mogą być korygowane a większa liczba błędów wykrywana. Kontrola generowana jest na podstawie pierwszych 32-ch bitów nagłówka według wielomianu generującego: x 8 +x 2 +x+1. W odróżnieniu od wielu innych kanałów WAN, ATM nie oferuje kontroli błędów. Jednak z uwagi na fakt, iż tryb transferu asynchronicznego jest zazwyczaj wykorzystywany w bardzo szybkich sieciach światłowodowych, jak SONET, czy FDDI, gdzie nośnik fizyczny jest niemal całkowicie pozbawiony wad nośniki transmisyjne ATM są wyjątkowo niezawodne. Przy projektowaniu ATM zdecydowano, że informacje kontroli błędów 20