Fachhochschule Koblenz

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1 Fachhochschule Koblenz Automatisierungstechnik Prof. Dr. Ing. W. Stanek ATM Asynchronous Transfer Mode geschrieben von: E. Hoffmann, H. Thelen, A. Pindor

2 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 1 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Was ist ATM? Das ATM Prinzip Schalten einer Verbindung mit ATM Routing Austausch der Datenpakete Headeraufbau Beispiel: Versorgung eines Gleichwellenfunknetzes via ATM Die Gleichwelle Die Versorgung via ATM Fazit Literaturverzeichnis... 13

3 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 2 1. Einleitung In den Medien wird sehr oft von Informationszeitalter im Bezug auf die Entwicklung der vergangenen Jahre gesprochen. Kommunikation, also der Austausch von Informationen war nie so einfach wie heute. Es ist derzeit kein Problem, mit jemandem am sprichwörtlichen Anderen Ende der Welt Kontakt aufzunehmen. Es braucht dazu nur die entsprechenden Hilfsmittel. Einige Beispiele für solche Geräte sind Computer, Telefone und Bildtelefone, Handy s und Faxgeräte, um nur die wesentlichen zu nennen. Diese Geräte erfreuen sich wachsender Beliebtheit. Mit der steigenden Nutzung dieser Möglichkeiten steigt natürlich auch die Informationsmenge die an dieser Kommunikation teilnimmt. Es müssen zur Zeit immer mehr Kanäle zum Informationstransport bereitgestellt werden, um die steigende Nachfrage zu befriedigen. Die Digitaltechnik bringt es mit sich, daß heute die meisten Informationen in Form von Bits und Bytes ausgetauscht werden. Man spricht von digitaler Kommunikation. Alle oben genannten Beispiele arbeiten heute weitestgehend digital. Im Zuge dieser Entwicklung ist ein Begriff entstanden, der die Situation treffend beschreibt. Viele Leute, insbesondere Politiker, sprechen heute von Datenhighway oder zu deutsch der Datenautobahn. Der Begriff entstand aus der Situation, daß Datenverbindungen geschaffen wurden (und weiter werden) mit denen immer mehr Menschen an der digitalen Kommunikation teilnehmen können. Leider krankt die Datenautobahn, wie auch die bekannte Autobahn für den Straßenverkehr an mehr oder minder häufig auftretenden Staus. Diese Staus äußern sich in nicht zustande kommenden Verbindungen, schlechter Übertragungsqualität oder lahmenden Internetzugriffen um nur einige Beispiele zu nennen. Um physikalische Verbindungen optimaler als bisher nutzen zu können, müssen neue Verfahren geschaffen werden. Hier kommt ATM ins Spiel. 2. Was ist ATM? Die Abkürzung ATM steht für asynchronous transfer mode, was sich mit Asynchroner Transfermodus ins Deutsche übersetzen läßt. ATM ist eine Hochgeschwindigkeits - Paketvermittlungstechnik, die für das Breitband ISDN 1 (B-ISDN) 2 die technologische Basis bildet. ATM wurde für Digitalnetzkonzepte entworfen, die weder auf spezielle Dienste noch auf Anwendungen zugeschnitten sind und keine festen Bitraten unterstützen. Somit ist es egal ob Daten für Internetanwendungen, Telefongespräche, Videokonferenzen, HDTV oder etwa Bildtelefonie übertragen werden. Ein Netz das sich auf die ATM Technologie stützt ist also weitaus flexibler als es beim heutigen ISDN oder etwa bei Standleitungen der Fall ist. Um das zu erreichen wird ein statistisches Zeitmultiplexverfahen angewandt. Ziel des Einsatzes von ATM ist es jedem Benutzer des Netzes nur diejenige Bandbreite und Übertragungsqualität zur Verfügung zu stellen, die er für seine Anwendung benötigt. Somit kann er zwischen Kosten, Übertragungsrate und Qualität selbst optimieren. 1 ) ISDN: engl. Integrated services digital network 2 ) Brietband ISDN wird als die netztechnische Fortschreibung des heutigen Schmalband ISDN mit der charakteristischen Übertragungsrate von 64 kbit/s gesehen.

4 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 3 3. Das ATM Prinzip ATM ist, wie bereits erwähnt zur Übermittlung von Daten konzipiert. Da heute die meisten Kommunikationsgeräte ihre Daten digital zur Verfügung stellen ist die Art der Datenquelle zunächst unerheblich. Wir betrachten den Datentransport von der Datenquelle bis zur Datensenke zunächst allgemein. Das Prinzip von ATM beruht grundsätzlich auf der Segmentierung der bereitgestellten Daten. Die Datensegmente besitzen alle eine feste Größe von 48 Bytes. Diese Daten, versehen mit einem 5 Byte großen Header bilden ein Datenpaket. Die Pakete aus mehreren Quellen werden über ein statistisches Zeitmultiplexverfahen in den Datenstrom einer Hochleistungsverbindung einsortiert. Sprache Audio Video ATM Paketierer Alle Zellen besitzen die gleiche Größe. derzeit bis zu 622 Mbit/s Nutzdaten (48 Bytes) Header (5 Bytes)

5 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 4 Die Transportgeschwindigkeit auf dieser Verbindungsleitung hängt von Typ der Leitung ab. Übertragungs- Physikalisches Medium Rate (Mbps) SMF 3) MMF 4) STP 5) UTP 5 6) UTP 3 7) Koax 8) 622, , , , ,000 97,718 51,840 44,730 43,368 25,920 25,600 12,960 6,312 2,048 1,544 Auf diesen Hochleistungsverbindung werden ständig Datenpakete mit maximaler Übertragungsrate ( siehe Tabelle ) vermittelt. Diese Übertragung findet synchron statt. Dies bedeutet, daß auch wenn keine Daten zur Übertragung anstehen, ständig leere Pakete übermittelt werden. Mehrere Leitungen geringer Übertragungsrate können mittels des statistischen Zeitmultiplexverfahrens zusammengefaßt und auf einer Leitung mit höherer Übertragungsrate weiter transportiert werden. Dazu sind Vermittlungsstellen erforderlich, die als Switches bezeichnet werden. Diese Switches bilden die Knotenpunkte des ATM Netzes. Die Zusammenarbeit der Switches wird in Kapitel 4 beschrieben. 4. Schalten einer Verbindung mit ATM Im folgenden soll vereinfacht der Aufbau einer ATM Verbindung dargestellt werden. ATM arbeitet mit einer verbindungsbezogenen Paketvermittlung, d.h. vor der Übertragung Datenpaketen muß eine Verbindung geschaltet werden. Dieser Vorgang wird als Signalisierung bezeichnet. Die Verbindung wird im vermaschten Netz irgendwie geschaltet, d.h. ist der kürzeste Weg bereits ausgelastet wird ein Ausweichweg verwendet. Dadurch werden die vorhandenen physikalischen Verbindungen optimal ausgenutzt und das System bleibt arbeitsfähig wenn eine Leitung ausgefallen ist. Während der Signalisierung wird mittels Routingtabellen, die in den Netzvermittlungsstellen zur Verfügung stehen, ein Weg zum Endteilnehmer 3 ) SMF engl. Single Mode Faser, dt. Monomodelichtwellenleiter 4 ) MMF engl. Multi Mode Faser, dt. Multimodelichtwellenleiter 5 ) STP engl. Shielded Twisted Pair, dt. Geschirmte, verdrillte Zweidrahtleitung 6 ) UTP 5 engl. Unshielded Twisted Pair Catagory 5, dt. Ungeschirmte, verdrillte Zweidrahtleitung, Kategorie 5 7 ) UTP 3 engl. Unshielded Twisted Pair Catagory 3, dt. Ungeschirmte, verdrillte Zweidrahtleitung, Kategorie 3 8 ) Koax Koaxialleitung

6 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 5 geroutet. Den Vorgang des Routing wollen wir uns im Kapitel 4.1 genauer betrachten. Wird die Signalisierung zum Verbindungsaufbau vom Zielteilnehmer akzeptiert, so wird eine Verbindung aufgebaut. Dabei werden die schon bei der Signalisierung übertragenen Verbindungseigenschaften berücksichtigt. Ab diesem Zeitpunkt ist jeder beteiligten Vermittlungsstelle diese Verbindung bekannt. Aufgrund der ausgetauscht Signalisierung werden in den Eingangsstufen der Vermittlungsstellen Verbindungstabellen angelegt. Darin wird für diese Verbindung ein virtueller Pfad (engl. virtual path; Abk. VP ) festgelegt. Dieser Pfad bezeichnet ein virtuelles Kanalbündel, das entlang dieses Pfades geschaltet wird. Darin enthalten sind virtuelle Kanäle, die ebenfalls in den Verbindungstabellen verzeichnet sind. Wird eine Signalisierung nicht akzeptiert kommt keine Verbindung zustande. Den Pakettransport auf einer so aufgebauten Verbindung betrachten wir in Kapitel Routing Das Routing ( Wegefindung ) im ATM Netz wird an folgendem Beispiel erläutert. In unserem ATM Netz haben wir vier Teilnehmer und sechs ATM Switches. Jeder der Teilnehmer liefert die zu übertragenen Daten digital an. Der Teilnehmer hat eine Kennung, die sich aus der Bezeichnung des Switches an dem er angeschlossen ist und der Portnummer des Anschlusses an diesem Switch zusammensetzt. Unsere Teilnehmer haben folgende Kennungen Annika : B 3 (Switch B, Leitung 3) Herr Nilsson : A 2 (Switch A, Leitung 2) Pippi : A 1 (Switch A, Leitung 1) Thomas : C 4 (Switch C, Leitung 4) Das Netz besitzt folgende Gestalt:

7 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 6 Die Wegefindung in diesem Netz erfolgt nach einer Routing Tabelle, die im folgenden dargestellt ist. Die römischen Ziffern stellen Leitungsverbindungen dar und die Buchstaben Bezeichnen die Switches. Ein Verbindungsbeispiel: Soll der Switch E Verbindung mit dem Switch C aufnehmen, so muß er über Switch D gehen. Um Switch D zu erreichen muß er die Leitungsverbindung II benutzen. Routing A B C D E F A - D D I D D B E - E E III E C D D - IV D V D I E IV - II VI E D III D II - D F D D V VI D Austausch der Datenpakete Ist eine Verbindung zustande gekommen, so besteht bereits ein virtueller Pfad ( engl. virtual path ), der unser virtuelles Kanalbündel beinhaltet. Der virtuelle Pfad ist durch einen VPI ( virtual path identifier ) gekennzeichnet. Die einzelnen virtuellen Kanäle in diesem Bündel ( engl. virtual channel ) tragen zur Kennzeichnung einen VCI ( virtual channel identifier ). Damit sind alle Kanäle innerhalb eines Pfades eindeutig beschrieben. Anhand der generierten Verbindungstabellen weiß jeder Switch wohin er ein eintreffendes Datenpaket weiterleiten muß. Wird ein höherer Datendurchsatz benötigt, so kann dies durch hinzufügen weiterer Kanäle (vergleichbar mit einer Erhöhung der Bandbreite) erreicht werden. Betrachten wir unser Netz mit den zugeordneten Pfaden und Kanälen:

8 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 7 5. Headeraufbau Durch die Informationen im Zellkopf jeder einzelnen ATM-Zelle werden die Zellen durch das Netz geleitet. VPI 12 Bits Virtual Path Identifier (Pfad- oder Kanalbündelidentifizierung) VCI 16 Bits Virtual Channel Identifier (Kanalidentifizierung) PTI 3 Bits Payload Type (unterscheidet Nutzinfo und Netzinfo) CLP 1 Bit Cell Loss Priority (gibt die Zellenpriorität an) HEC 8 Bits Header Error Control (CRC-Sequenz für den Zellenkopf) Virtual Path Identifier / Virtual Channel Identifier (VPI / VCI) Ein ATM Kanal (Virtual Channel, VC) bezeichnet dabei einen unidirektionalen Übertragungsweg für den Transport von ATM Zellen, wobei dann jedem Kanal eine Kanalidentifikation (VCI) zugeordnet wird. Ein ATM Pfad (Virtual Path, VP) besteht aus einem Bündel von ATM Kanälen. Jedem Pfad ist eine Pfadidentifikation (Virtual Path Identifier, VPI) zugeordnet, die damit eine Gruppe von Kanälen beschreibt, die entlang eines Pfades laufen. So kann an jedem Switch mit den Angaben VPI, VCI und genau bestimmt werden, an welchen Switch das Paket weitergereicht werden soll. Für jede Nutz- und Signalisierungsverbindung wird (für die Dauer dieser Verbindung) ein VPI (8 Bit) und ein VCI (16 Bit) je Richtung vergeben. Die VCI-Werte 0 bis 31 sind für bestimmte Funktionen reserviert oder wurden für zukünftige Festlegungen freigehalten. Beispiele für bereits reservierte Werte sind: Leerzellen, die immer dann übertragen werden, wenn die Quellen keine ATM- Zellen produzieren, um einen kontinuierlichen Zellenstrom zu bilden. Die Leerzellen sind durch ein festgelegte VPI- und VCI-Werte gekennzeichnet Metasignalisierung; sie dient dem Auf- und Abbau von Signalisierungsverbindungen, da auch die Signalisierungsverbindungen virtuelle Verbindungen sind. Payload Type Identifier (PTI) Die Payload-Type-Kennzeichnung unterscheidet Nutzinformationen und Netzinformationen. Unterschieden werden: Nutzinformationen (Zellen mit Nutzdaten einer Verbindung oder Zellen für den Austausch von Signalisierungsinformationen),

9 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 8 Steuerdaten für die Überwachung der Netzelemente, die sog. Operations and Maintenance-Steuerdaten, Resource Management, beispielsweise Änderung der vereinbarten Bandweite, um z.b. einen Paketstau bei einem Switch abzuwenden und somit das verwerfen von Zellen zu minimieren. Cell Loss Priority (CLP) Dieses Bit gibt an, ob die Zelle eine hohe (CLP = 0) oder niedrige Priorität (CLP = 1) besitzt. Dies ist nur dann wichtig, wenn eine Vermittlungsstelle überlaufen ist und einige Zellen verworfen werden müssen. Die Zellen mit der niedrigen Priorität werden als erste verworfen, um beispielsweise eine völlige Überlastung einer Einrichtung oder eines Anschlusses zu verhindern. Diese Funktion kann sich auch die Senderstelle zunutze machen, indem sie wichtige Datenzellen mit hoher Priorität versieht und so ihre Lieferung an die Endstelle sicherer macht. Header Error Control (HEC) Dieses Feld wird für das CRC-Prüfverfahren verwendet. Jede Sendestation muß vor dem Versenden einer ATM Zelle eine Prüfsequenz für den ATM Header errechnen und diese in das HEC Feld eintragen, bevor es die ATM Zelle abschickt. Es dient dazu, fehlerhafte Zellenköpfe zu identifizieren. Zellen, bei denen ein Fehler erkannt wurde, werden verworfen. Es erfolgt also keine Überprüfung der Korrektheit der Nutzinformationen. Diese Überprüfung muß also durch die Endeinrichtungen bzw. die Endteilnehmer erfolgen.

10 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 9 6. Beispiel: Versorgung eines Gleichwellenfunknetzes via ATM Jetzt sollen die Möglichkeiten von ATM anhand der Versorgung eines Gleichwellenfunknetzes dargestellt werden. Dabei haben wir absichtlich dem digitalen ATM System mit der Gleichwelle ein analoges System gegenübergestellt, wobei ATM die Versorgung der Sender mit der Nutzinformation von der Sendezentrale sicher stellen soll. Als Nutzinformation möchten wir ein Sprachsignal im Bereich von 300 Hz bis 3 khz übertragen. Bevor wir darauf genauer eingehen, wollen wir die Arbeitsweise einer Gleichwelle näher betrachten. Dabei wird nur soweit in der Materie vorgedrungen, wie es zum Verständnis für die Versorgungsbedingungen durch ein ATM - Netz notwendig ist. 6.1 Die Gleichwelle Zur Funkversorgung großer Gebiete, z.b. einer Region sind mehrere Sender erforderlich um einen flächendeckenden Empfang sicherzustellen. Gleichwellenfunk bedeutet, daß alle Sender gleichzeitig in Betrieb sind und die gleiche Nachricht aussenden. Die Ausstrahlungsbereiche der Sender überlappen einander. Es ist zu beachten, das dabei keine Phasenverschiebung größer als 54 (empirisch ermittelter Wert) zwischen den beiden Signalen entsteht, da ansonsten kein ordnungsgemäßer Empfang mehr möglich ist. Für die maximale Frequenz unseres Sprachsignals beträgt die Periodendauer T 1 1 = = = 0, ms f 3 khz 333. Wird durch einen zweiten Sender das erste Signal überlagert, so ist dabei eine Phasenverschiebung von maximal 54 zugelassen. Daraus errechnet sich ein maximaler Laufzeitunterschied von 0,333 ms 54 t = = 50 µ s. 360 Da die Ausbreitung der Welle mit Lichtgeschwindigkeit geschieht legt das Signal in dieser Zeit eine Strecke von 15 km zurück. s = c t = km s 50 µ s = 15 km. Betrachten wir nun die Überlagerung der Signale der beiden Sender. Befindet sich ein Empfänger genau zwischen beiden Sendern, besteht keine Phasenverschiebung zwischen beiden Signalen. Nähert sich der Empfänger einem der beiden Sender auf direktem Weg, so wird die Signallaufzeit von nähergelegenen Sender linear verkürzt, wobei die Signallaufzeit vom entfernteren Sender ebenso zunimmt. Das folgende Diagramm erläutert diesen Zusammenhang.

11 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 10 t µ [ s ] E µ V m ϕ ges [ ] 15 7,5 0 7, 5 15 s [ km ] Betrachtet man die Anordnung der Sender von oben und die Stellen konstanter Phasenverschiebung ein, so ergibt sich eine Darstellung die als Isophasendiagramm bekannt ist. Die kritische 54 - Grenze ist durch eine graue Strichlinie markiert. Wird ein Gleichwellennetz auf diese Weise eingerichtet kann die Strecke zwischen den Sendern 30 km betragen. Dies setzt jedoch voraus, daß die zu übertragende Information absolut zeitgleich an den Sendern angeliefert und ausgestrahlt wird. Betrachten wir einen Fehlerfall: Sender 1 bekommt sein Nutzsignal5 µ s später als Sender 2 und strahlt dementsprechend auch um diese Zeit versetzt später aus.

12 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 11 Diese Verzögerungszeit macht sich durch eine zusätzliche Phasenverschiebung von 5,4 bemerkbar, um die Sender 2 voreilt. Dadurch wird die kritische Grenze von 54 früher erreicht und es entsteht durch Überlagerung beider Signale eine Schwebung. Damit geht jede Nutzinformation verloren, da der Empfänger nur den resultierenden Ton der Schwebung abgibt. Auf der direkten Verbindungslinie zwischen den Sendern hat dieser Störbereich eine Ausdehnung von s km f = c t f = s 5 µ s = 1, 5 km Man erkennt, das die Anlieferung des Nutzsignals sehr zeitkritisch ist, da jeder variable Verzögerung bei der Anlieferung der Nutzsignale einen ähnlichen Fehler hervorruft. Konstante Verzögerungen lassen sich hingegen sehr leicht ausgleichen. 6.2 Die Versorgung via ATM Daher muß jetzt das ATM Netz in unserem Beispiel sicherstellen, das keinerlei Laufzeitänderungen auftreten. Um solche Anpassungen an zu ermöglichen verfügt ein ATM Netz über eine sogenannte Anpassungsschicht (engl. ATM Adaption Layer ). Diese Anpassungsschicht verfügt über 5 Diensttypen, mit denen eine Anpassung an vier unterschiedene Nutzdatenarten möglich ist. Die Nutzdatenarten und die Diensttypen werden im folgenden Diagramm zugeordnet. Die Daten zur Versorgung des Gleichwellenfunkes entsprechen der Nutzdatenklasse A. Aus dem Diagramm kann abgelesen werden, das der Diensttyp 1 zur Übertragung von Daten der Klasse A genutzt werden kann. Um eine Verbindung des Dienstypes 1 zu erstellen wird dies bereits bei der Signalisierung beantragt. In Folge dessen sind der neuen Verbindung bestimmte Eingenschaften fest zugeordnet. Beim Diensttyp 1 sind die wichtigsten auf der folgenden Seite dargestellt.

13 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite 12 Konstante Nutzdatenrate Faktische Nachbildung einer Standleitung mit festgelegter Bandbreite Zellentransport im festen Zeitraster Die Zellen können in aquidistanten Zeiteinheiten übertragen werden Übertragung teilgefüllter Zellen Um die Zeitschritte einzuhalten können auch nur zum teil gefüllte Zellen übertragen werden (vermeiden eines Delay Jitter) Dummy Zellen Stehen keine Nutzdaten zur Übertragung an, so werden auf privaten Kanälen werden Dummy Zellen erzeugt und Übertragen. Zellensequenz Nummern Durch die Zellensequenznummern können fehlende Zellen erkannt werden. In unserem Beispiel kann in einem solchen Fall einfach vom Empfänger eine Leerzelle eingefügt werden. Dadurch bleibt die Laufzeit konstant. Der Verlust einer Zelle beeinträchtigt ein Sprachsignal nur gering Bereitstellung von Taktinformationen (Clock Cells) Es können Taktinformationen zur Synchronisation von Sender und Empfänger bereitgestellt werden. Durch die Verwendung des Diensttyps 1 kann auf recht einfache Art eine Standleitung mit der erforderlichen Datenrate nachgebildet werden. Auf diesem Weg kann in unseren Beispiel die Gleichwelle mit dem zu übertragenden Sprachsignal versorgt werden, ohne das unterschiedliche Laufzeiten auftreten. Somit ist also eine modernes digitales System wie ATM durchaus in der Lage auch ältere analoge Systeme wir die Gleichwelle in unserem Beispiel zu versorgen. Daher ist die Versorgung im Betrieb befindlicher Anlagen, die derzeit mit Standleitungen oder ISDN Verbindungen arbeiten auch bei einem flächendeckenden Umstieg auf ein ATM Netz möglich. 7. Fazit ATM als Übertragungsverfahren für digitale Informationen, besitzt ein hohes Maß an Flexibilität. Diese Flexibilität ist bereits im Grundkonzept von ATM enthalten. Daher sind der Aufbau von Mehrkanalverbindungen und wahlfreier Datenrate möglich. Diese beiden Aspekte machen auch den Hauptvorteil gegenüber Schmalband ISDN Verbindungen aus, da dort nur Übertragungen mit der festen Übertragungsrate von 64 kbit/s pro Kanal möglich ist. Dank der positiven Eigenschaften hat das ATM Konzept auch bereits Einzug in das Anwendungsfeld der LAN Netzwerke gehalten. Hauptgrund dafür ist das ATM nicht nur wie bei anderen lokalen Netzwerken üblich nur Bus -, Ring - oder Stern - Topologien ( und Kombinationen derer ) unterstützt, sondern auch vermaschte Netze auf den unterschiedlichsten Leitungstypen beherrscht. Aus den hier dargelegten Gründen sollte man, wenn es darum geht einen Übertragungskanal zwischen einer Datenquelle und der Datensenke bereitzustellen, ATM durchaus in die Überlegungen mit einbeziehen.

14 FH Koblenz Automatisierungstechnik Asynchronous Transfer Mode Seite Literaturverzeichnis [1] Conrads, Dieter; Datenkommunikation Verfahren, Netze, Dienste Vieweg Verlag [2] Funkschau 16/97, ATM in der Zwickmühle [3] Traeger/Volk; LAN Praxis lokaler Netze Teubner Verlag [4] Siegmund, Gerd; ATM Die Technik Hüthig Verlag