Kapitel 2 ATM-Architektur

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1 19 Kapitel 2 ATM-Architektur

2 20 2 ATM-Architektur 2.1 B-ISDN-Referenzmodell Die ATM-Standards hängen eng mit den vom CCITT erarbeiteten Standards für B- ISDN zusammen. B-ISDN hat den Zweck, ISDN-Services mit einer Bandbreite von bis zu 622 mbps und darüber hinaus anzubieten. B-ISDN sieht Transportsysteme vor, die vor allem auf Zellübermittlung beruhen. Als entsprechende Technologie wurde ATM entwickelt. Zellübermittlung findet in den CCITT-B-ISDN-Standards nur lückenhaft Beachtung; um so mehr ist in den letzten paar Jahren die ATM-Standardisierung vorangetrieben worden. ATM definiert 3 Layer: Den Physical Layer PHY: Dies umschließt Kabel, Bandbreiten, Interfaces und so weiter. Den ATM Layer ATM: Hier werden Zellverwendung und -struktur, Adressierung und dergleichen geregelt. Den ATM Adaptation Layer AAL: Hier geht es um anwendungsspezifischen Gebrauch des Zelldatenbereichs. Die Management-Ebene ist in Ebenen- und Layer-Management zweigeteilt. Das Ebenen-Management enthält die Gesamtheit aller Funktionen des ATM-Netzes und koordiniert alle Ebenen miteinander. Das Layer Management erledigt Funktionen, die zur Verwaltung der Netzressourcen und zum Betrieb und zur Wartung des Netzes notwendig sind, die sogenannten Operation-And-Maintenance-Funktionen OAM.

3 2.2 Architektur-Überblick Architektur Überblick ATM besteht aus den drei Hauptlayern Physical Layer, ATM Layer und ATM Adaptation Layer: Der ATM Adaptation Layer AAL erhält Nutzdaten von den höheren Schichten. Seine differenzierte Funktionalität ermöglicht es, dass Nutzdaten für eine Vielzahl unterschiedlicher Services auf das ATM-Netzwerk gestellt werden können. Der AAL besteht aus 2 Sub Layern, mit denen wir uns später beschäftigen wollen. Der ATM Layer ist zuständig für das Switching, das Multiplexing und den Transport von Zellen. Hierdurch können mehrere Services gleichzeitig über eine physische Verbindung übertragen werden. Der Physical Layer definiert die physikalischen Interfaces und die Framestruktur einer physikalischen Verbindung und besteht aus zwei Sub Layern bzw. Teilschichten.

4 22 2 ATM-Architektur 2.3 Physical Layer Beginnen wir die genauere Betrachtung der drei Hauptlayer mit dem Physical Layer: Dieser definiert die physikalischen Interfaces und die Framestruktur für ein ATM- Netzwerk-Segment. Die zwei Sub Layer sind: und der Transmission Convergence (TC) Sub Layer ein Physical Media Dependant (PMD) Sub Layer. Der TC Sub Layer ist der höhere von beiden Sub Layern; er erzeugt und erkennt den Übertragungsrahmen, also die logische Strukturierung des Bitstroms. Senderseitig wird der Zellenstrom in den Übertragungsrahmen integriert; empfängerseitig wird der Zellenstrom aus dem Übertragungsrahmen extrahiert und dem darüber liegenden ATM Layer übergeben. Der TC Sub Layer fügt in Senderichtung Leerzellen zur Anpassung der jeweiligen Dienstebitrate der ATM- Zellen an die allgemeine Übertragungsbitrate des Übertragungssystems ein, empfangsseitig werden die Leerzellen an dieser Stelle wieder entfernt.

5 2.3 Physical Layer 23 Der PMD Sub Layer ist die unterste Schicht. Sie führt Funktionen aus, die vom physikalischen Medium abhängig sind. Sie stellt die Bitübertragungsmöglichkeiten einschließlich der Bitzuweisung bereit. In diesem Sub Layer wird die Leitungscodierung und gegebenenfalls die elektro-optische Umwandlung vorgenommen. Zur Bitsynchronisation wird die Generierung und der Empfang einer mediumsgeeigneten Signalform geregelt; in Senderichtung werden Bitsynchronisationsinformationen eingefügt und in Empfangsrichtung extrahiert.

6 24 2 ATM-Architektur 2.4 ATM Layer Der ATM Layer übernimmt sender- und empfängerseitig Aufgaben im Zelltransport. Beim Sendeprozess empfängt er Nutzdaten eines höheren Layers, fügt einen Header hinzu und leitet die entstandenen 53-Byte-Zellen zum Physical Layer weiter. Umgekehrt erhält der ATM-Layer im Empfangsprozess 53 Byte große Zellen vom Physical Layer, streift den Header ab und leitet die verbleibenden 48 Byte weiter zu einem höheren Layer. Dem ATM Layer sind die verschiedenen Verkehrsdatentypen unbekannt, er unterscheidet aber anhand der Information, die er während des Verbindungsaufbaus erhalten hat, den jeweiligen Quality of Service.

7 2.4 ATM Layer 25 Eine weitere Funktion des ATM Layers erstreckt sich auf die allgemeine Flusskontrolle bzw Generic Flow Control GFC. Die GFC-Funktion ist nur an der Benutzer-Netz- Schnittstelle definiert. Innerhalb des ATM-Netzes, also an den Network-Node-Schnittstellen, gibt es keine interne Flusskontrolle, weil das ATM-Netz dann bei der Bewältigung der hohen Übertragungsraten überfordert wäre. Stattdessen kontrolliert ATM die Dateninputrate an der Benutzer-Netz-Schnittstelle, um die zum Netz übermittelte Datenrate limitieren zu können. Der ATM Layer fasst in Senderichtung Zellen einzelner virtueller Verbindungen zu einem nicht zeitsynchronen Strom von Zellen zusammen; in Empfangsrichtung werden die Zellen dann wieder entsprechend der virtuellen Verbindungen getrennt, sodass die Integrität der Zellenfolge einer Verbindung durch den ATM Layer gewährleistet wird.

8 26 2 ATM-Architektur 2.5 Virtuelle Pfade und virtuelle Kanäle Der ATM Layer fügt Header und Nutzlast, die er vom AAL erhält, zu einer 53 Byte großen Zelle zusammen, die dann auf der physikalischen Ebene zu übertragen ist. Daten, die innerhalb eines Netzwerks zwischen 2 Endpunkten übertragen werden sollen, können auf ihrem Weg durch das Netzwerk verschiedene Netzelemente durchlaufen. Hierzu werden zwischen Netzelementen logische Verbindungen aufgebaut, bis zwischen Sender und Empfänger - über mehrere Netzelemente hinweg - eine logische Route entstanden ist. Diese Route nennen wir virtuelle Verbindung. Virtuelle Verbindungen bestehen immer zwischen Endpunkten einer Übertragung.

9 2.5 Virtuelle Pfade und virtuelle Kanäle 27 ATM unterstützt sowohl Switched Virtual Circuits SVCs als auch Permanent Virtual Circuits PVCs, auf welche wir später eingehen werden. Diese werden durch die Adressinformationen in den entsprechenden Kontrollfeldern des ATM-Zellheaders identifiziert. Der Zellheader enthält einen Virtual Channel Identifier VCI und einen Virtual Path Identifier VPI. Der VCI bringt eine Zelle mit einem bestimmten virtuellen Kanal in Verbindung. Virtuelle Kanäle existieren zwischen zwei Netzelementen; man darf sie sich jedoch nicht als einzelne physikalische Leitungen vorstellen. Der VPI identifiziert eine Gruppe virtueller Kanäle, die denselben Pfad durch das Netzwerk nehmen. Eine Gruppe virtueller Kanäle kann einem virtuellen Pfad zugeordnet werden. Mehrere dieser virtuellen Pfade können auf einer physikalischen Leitung übertragen werden.

10 28 2 ATM-Architektur Virtuelle Pfade sind also Gruppen virtueller Kanäle und verbinden zwei Endpunkte miteinander. Die virtuellen Pfade sind in der Lage, Nutzdaten, welche an dasselbe Ziel gerichtet sind, zu bündeln, sodass diese effektiver dorthin übertragen werden können. Die Werte für den VCI und den VPI werden während des ersten Verbindungsaufbaus zugewiesen. Dies geschieht entweder dynamisch, wie bei SVCs, oder manuell, wie bei PVCs. Der jeweils aktuelle Wert der VCIs ist nur für ein bestimmtes ATM-Segment wichtig. Der VCI für eine bestimmte virtuelle Verbindung kann im Netz bei unterschiedlichen ATM-Segmenten verschieden sein. Zellen können innerhalb von Switches kopiert werden, sodass virtuelle Multicast Übertragungen möglich werden. Unterschiedlicher Datenverkehr kann auf dem Übertragungspfad vermischt werden. So können beispielsweise Sprachdaten, Nutzdaten und Videodaten auf jeweils verschiedenen virtuellen Verbindungen übermittelt werden.

11 2.5 Virtuelle Pfade und virtuelle Kanäle 29 Mehrere virtuelle Kanäle zwischen zwei oder mehreren ATM-Netzelementen können auf denselben physikalischen Leitungen existieren, indem sie die für diese Verbindung verfügbare Bandbreite untereinander aufteilen. Jede einzelne Zelle enthält genug Adressinformation, um das empfangende Switch in die Lage zu versetzen, die Zelle zum richtigen Switch weiterleiten zu können. ATM macht es möglich, Zellen mit unterschiedlichem Nutzdatenbestand auf derselben physikalischen Leitung zu übertragen. Es ist zu berücksichtigen, dass PVCs manuell durch den Netzadministrator errichtet werden, was sehr zeitaufwändig und unkomfortabel sein kann. Virtuelle Verbindungen können aber auch dynamisch je nach Bedarf konfiguriert werden. Dies erfordert allerdings einen automatisierten ATM- Adressierungsmechanimus und entsprechende Signalisierung.

12 30 2 ATM-Architektur 2.6 Multi-Point Channels Ergänzend zu normalen bidirektionalen Point-to-Point-Channels gibt es in ATM auch unidirektionale Point-to-Multipoint-Channels. Diese unterstützen Übertragung nur in eine Richtung, nämlich vom initiierenden Sender zu verschiedenen Empfängern. Rückübermittlung zum Sender oder Übertragung zwischen mehreren Multicast- Empfängern muss über andere Kanäle erfolgen. Bei User Network Interface oder UNI 3.1 ist es dem Sender gestattet, andere Empfänger hinzuzufügen. Zunächst wird der Kanal nur zu einem Empfänger aufgebaut. Zusätzliche Empfänger können durch den Sender zu jeder Zeit hinzugefügt oder wieder entfernt werden, wobei der erste Empfänger keinen Sonderstatus genießt. Empfänger können sich auch selber von der Verbindung trennen. Das User Network Interface UNI 4.1 erlaubt es Endstationen, sich einem existierenden Multipoint-Kanal anzuschließen. Diesen Sachverhalt nennen wir Leaf Initiated Join LIJ. Der Sender muss bereits beim Verbindungsaufbau festlegen, dass LIJ erlaubt ist, und entscheiden, ob er den selbstständigen Anschluss anderer Empfänger gestatten möchte.

13 2.5 Virtuelle Pfade und virtuelle Kanäle 31

14 32 2 ATM-Architektur 2.7 ATM Adaptation Layers (AALS) Der höchste der in ATM definierten Layer ist der ATM Adaptation Layer, welcher oberhalb des ATM Layers liegt und verschiedene Serviceklassen unterstützt, die aufgrund der verschiedenen Nutzdatentypen benötigt werden. Senderseitig segmentiert der AAL die Nutzdatenrahmen wie z.b. Ethernetrahmen, die von höheren Schichten kommen, in 48 Byte große Zellen. Empfängerseitig rekonstruiert der AAL die Nutzdatenrahmen aus den von der ATM-Schicht empfangenen Zellen und gibt sie an die höheren Protokollschichten weiter. Der AAL enthält die notwendigen Protokolle zur Bereitstellung von Nutzdatentransport zu den Endpunkten einer Netzwerkverbindung.

15 2.7 ATM Adaptation Layers (AALS) AAL Sub Layers Zwei Sub Layers sind innerhalb des AAL definiert: Der Segmentation and Reassembly Sub Layer SAR und der Convergence Sub Layer CS. Der SAR Layer ist für die Formatumwandlung der Nutzdateneinheiten in die 48 Byte großen Nutzdatenzellen verantwortlich. SAR ist ebenso zuständig für das Aufspüren verlustig gegangener oder duplizierter Zellen wie für das Auffüllen unvollständiger Zellen. Hierzu werden spezielle Kontrollfelder zu jeder einzelnen SAR Protocol Datagram Unit SAR-PDU hinzugefügt. Die Wiederherstellung verlorener oder durcheinander gebrachter Zellen gehört in den Zuständigkeitsbereich des Convergence Sub Layer CS. Der CS ist für die Ausführung von Servicefunktionen verantwortlich. Dies schließt - soweit erforderlich - Fehlerbehandlung ein. Weil ATM in der Lage ist, vielfältige Nutzdatentypen zu transportieren, gibt es im AAL verschiedene Adaptionsprotokolle, die jeweils simultan funktionieren.

16 34 2 GSM Services Verschiedene AAL-Typen Die ATM Adaptation Layer für spezifische Anwendungen werden nur an den Endpunkten einer Netzwerkverbindung wirksam und nicht in den zwischengeschalteten Switches, denn Switches routen die Zellen aufgrund der im Zellheader vorhandenen Informationen. Weil ATM viele verschiedene Nutzdatentypen überträgt und weil diese Nutzdatentypen unterschiedliche Übermittlungscharakteristiken aufweisen und demzufolge abweichende Dienstgüten erfordern, sind verschiedene AAL Layer definiert.

17 2.7 ATM Adaptation Layers (AALs) 35 Für ATM-Netze sind zur Zeit sieben verschiedene Adaptionsprotokolle definiert: AAL-0 ist ein Nullprotokoll für Nutzlast, die bereits in 48-Byte-Zellen gepackt ist. AAL1 unterstützt verbindungsorientierte Services mit einer konstanten Datenrate, die unter Echtzeitbedingungen mit geringer Verzögerungsdauer, also zeitkontinuierlich übertragen wird. Dieses Protokoll ist geeignet für kodierte Sprach- und Echtzeit-Video- Services. Angewandt wird dieses Protokoll beim Sprachdatentransport über öffentliche ATM-Netze. AAL2 unterstützt ebenso wie AAL1 verbindungsorientierte und zeitkontinuierliche Services, allerdings mit variierender Datenrate. Echtzeitanwendungen wie High Definition Television HDTV greifen auf dieses Protokoll zurück.

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19 2.7 ATM Adaptation Layers (AALs) 37 AAL3/4 ist zur ATM-Übertragung von Computerdaten definiert worden. Unterstützt werden verbindungslose wie verbindungsorientierte Services mit variierender Datenrate ohne Zeitkontinuität, also Anwendungen ohne Echtzeitbezug. Die Komplexität dieses Protokolls wird nicht in vollem Umfang in Anspruch genommen; seine Funktionen werden heutzutage von AAL5 übernommen. AAL5 ist ein älteres AAL-Protokoll, das als Ersatz für AAL3/4 eingeführt wurde, weil AAL3/4 in Bezug auf einige Anwendungen für zu leicht befunden wurde. AAL5 ist auch als Simple and Efficient Adaptation Layer SEAL bekannt und gilt als bevorzugte Methode, daten- und LAN-gestützte Systeme wie z.b. Arbeitsstationen in einem Netzwerk miteinander zu verbinden. AAL5 kann bis zu 64 KB große Datagramme transportieren; sein Overhead ist 10% kleiner als der von AAL3/4. Das Service Specific Connection Orientated Protocol SSCOP ist die Schnittstelle der Übertragung von Signalisierungsnachrichten zu AAL5.

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