La tecnología ATM es un concepto de telecomunicaciones definido por estándares internacionales para transportar toda la gama de tráfico de usuarios, incluidas señales de voz, datos y video. Fue desarrollado para satisfacer las necesidades de una red digital de servicios de banda ancha y fue diseñado originalmente para la integración de redes de telecomunicaciones. La abreviatura ATM significa Modo de transferencia asíncrona y se traduce al ruso como "transferencia de datos asíncrona".
La tecnología se creó para redes que necesitan manejar tanto el tráfico de datos tradicional de alto rendimiento (como la transferencia de archivos) como el contenido en tiempo real de baja latencia (como voz y video). El modelo de referencia para ATM corresponde aproximadamente a las tres capas inferiores de ISO-OSI: red, enlace de datos y física. ATM es el protocolo principal utilizado en los circuitos SONET/SDH (red telefónica pública conmutada) y red digital de servicios integrados (ISDN).
¿Qué es esto?
¿Qué significa ATM para una conexión de red? ella proporcionaFuncionalidad similar a la conmutación de circuitos y las redes de conmutación de paquetes: la tecnología utiliza multiplexación por división de tiempo asíncrona y codifica datos en pequeños paquetes de tamaño fijo (tramas ISO-OSI) llamados celdas. Esto es diferente de enfoques como el Protocolo de Internet o Ethernet, que utilizan paquetes y tramas de tamaño variable.
Los principios básicos de la tecnología ATM son los siguientes. Utiliza un modelo orientado a la conexión en el que se debe establecer un circuito virtual entre dos puntos finales antes de que pueda comenzar la comunicación real. Estos circuitos virtuales pueden ser "permanentes", es decir, conexiones dedicadas que suelen estar preconfiguradas por el proveedor del servicio, o "conmutables", es decir, configurables para cada llamada.
El modo de transferencia asíncrono (ATM significa inglés) se conoce como el método de comunicación utilizado en cajeros automáticos y terminales de pago. Sin embargo, este uso está disminuyendo gradualmente. El uso de la tecnología en los cajeros automáticos ha sido reemplazado en gran medida por el Protocolo de Internet (IP). En el enlace de referencia ISO-OSI (capa 2), los dispositivos de transmisión subyacentes se denominan comúnmente tramas. En ATM, tienen una longitud fija (53 octetos o bytes) y se denominan específicamente "células".
Tamaño de celda
Como se indicó anteriormente, el descifrado de cajeros automáticos es una transferencia de datos asíncrona que se realiza al dividirlos en celdas de cierto tamaño.
Si la señal de voz se reduce a paquetes, yforzados a ser enviados en un enlace con mucho tráfico de datos, sin importar su tamaño, encontrarán grandes paquetes en toda regla. En condiciones normales de inactividad, pueden experimentar retrasos máximos. Para evitar este problema, todos los paquetes o celdas ATM tienen el mismo tamaño pequeño. Además, la estructura de celda fija significa que los datos pueden transferirse fácilmente por hardware sin los retrasos inherentes introducidos por los marcos enrutados y conmutados por software.
Por lo tanto, los diseñadores de cajeros automáticos utilizaron celdas de datos pequeñas para reducir la fluctuación (en este caso, la dispersión del retardo) en la multiplexación de flujos de datos. Esto es especialmente importante cuando se transporta tráfico de voz, ya que la conversión de voz digitalizada a audio analógico es una parte integral del proceso en tiempo real. Esto ayuda al funcionamiento del decodificador (códec), que requiere un flujo de elementos de datos distribuidos uniformemente (en el tiempo). Si el siguiente en la línea no está disponible cuando se necesita, el códec no tiene más remedio que hacer una pausa. Posteriormente, la información se pierde porque ya ha pasado el tiempo en el que debería haberse convertido en señal.
¿Cómo se desarrolló ATM?
Durante el desarrollo de ATM, la jerarquía digital síncrona (SDH) de 155 Mbps con una carga útil de 135 Mbps se consideraba una red óptica rápida, y muchos de los enlaces de la jerarquía digital plesiócrona (PDH) en la red eran significativamente más lentos (no más de 45 Mbps /Con). AA esta velocidad, un paquete de datos típico de tamaño completo de 1500 bytes (12 000 bits) debería descargarse en 77,42 microsegundos. En un enlace de baja velocidad, como una línea T1 de 1,544 Mbps, se tardaba hasta 7,8 milisegundos en transmitir dicho paquete.
El retraso de descarga causado por varios paquetes de este tipo en la cola puede superar el número de 7,8 ms varias veces. Esto es inaceptable para el tráfico de voz, que debe tener una fluctuación baja en el flujo de datos que se alimenta al códec para producir audio de buena calidad.
El sistema de paquetes de voz puede hacer esto de varias maneras, como usar un búfer de reproducción entre la red y el códec. Esto suaviza el jitter, pero el retraso que se produce al pasar por el búfer requiere un cancelador de eco, incluso en redes locales. En ese momento se consideró demasiado caro. Además, aumentaba el retraso en el canal y dificultaba la comunicación.
La tecnología de red de cajeros automáticos proporciona de forma inherente baja fluctuación (y la latencia general más baja) para el tráfico.
¿Cómo ayuda esto con la conexión de red?
El diseño de ATM es para una interfaz de red de baja fluctuación. Sin embargo, se introdujeron "celdas" en el diseño para permitir retrasos cortos en la cola sin dejar de soportar el tráfico de datagramas. La tecnología ATM dividió todos los paquetes, datos y flujos de voz en fragmentos de 48 bytes, agregando un encabezado de enrutamiento de 5 bytes a cada uno para que pudieran volver a ensamblarse más tarde.
Esta elección de tamañoera político, no técnico. Cuando CCITT (actualmente ITU-T) estandarizó ATM, los representantes de EE. UU. querían una carga útil de 64 bytes, ya que se consideraba un buen compromiso entre grandes cantidades de información optimizada para la transmisión de datos y cargas útiles más cortas diseñadas para aplicaciones en tiempo real. A su vez, los desarrolladores en Europa querían paquetes de 32 bytes porque el tamaño pequeño (y por lo tanto el tiempo de transmisión corto) facilita las aplicaciones de voz en términos de cancelación de eco.
El tamaño de 48 bytes (más el tamaño del encabezado=53) se eligió como compromiso entre las dos partes. Se eligieron encabezados de 5 bytes porque se consideró que el 10 % de la carga útil era el precio máximo a pagar por la información de enrutamiento. La tecnología ATM multiplexó celdas de 53 bytes, lo que redujo la corrupción de datos y la latencia hasta 30 veces, reduciendo la necesidad de canceladores de eco.
Estructura de celda ATM
ATM define dos formatos de celda diferentes: interfaz de red de usuario (UNI) e interfaz de red (NNI). La mayoría de los enlaces de red de cajeros automáticos utilizan UNI. La estructura de cada paquete consta de los siguientes elementos:
- El campo Control de flujo genérico (GFC) es un campo de 4 bits que se agregó originalmente para admitir la interconexión de cajeros automáticos en la red pública. Topológicamente, se representa como un anillo de bus dual de cola distribuida (DQDB). El campo GFC ha sido diseñado para quepara proporcionar 4 bits de interfaz de red de usuario (UNI) para negociar multiplexación y control de flujo entre celdas de diferentes conexiones ATM. Sin embargo, su uso y valores exactos no se han estandarizado y el campo siempre se establece en 0000.
- VPI - identificador de ruta virtual (UNI de 8 bits o NNI de 12 bits).
- VCI - identificador de canal virtual (16 bits).
- PT - tipo de carga útil (3 bits).
- MSB - celda de control de red. Si su valor es 0, se utiliza un paquete de datos de usuario, y en su estructura, 2 bits es Indicación de congestión explícita (EFCI) y 1 es Experiencia de congestión de red. Además, se asigna 1 bit más para el usuario (AAU). Lo utiliza AAL5 para indicar los límites de los paquetes.
- CLP - prioridad de pérdida de celda (1 bit).
- HEC: control de errores de encabezado (CRC de 8 bits).
La red ATM utiliza el campo PT para designar varias celdas especiales con fines de operaciones, administración y gestión (OAM), y para definir los límites de los paquetes en algunas capas de adaptación (AAL). Si el valor MSB del campo PT es 0, se trata de una celda de datos de usuario y los dos bits restantes se utilizan para indicar la congestión de la red y como un bit de encabezado de propósito general disponible para las capas de adaptación. Si el MSB es 1, es un paquete de control y los dos bits restantes indican su tipo.
Algunos protocolos ATM (Método de transferencia de datos asíncrono) utilizan el campo HEC para controlar un algoritmo de tramas basado en CRC que puede encontrarceldas sin costo adicional. El CRC de 8 bits se utiliza para corregir errores de encabezado de un solo bit y detectar errores de varios bits. Cuando se encuentran estos últimos, las celdas actuales y posteriores se descartan hasta que se encuentra una celda sin errores de encabezado.
El paquete UNI reserva el campo GFC para control de flujo local o submultiplexación entre usuarios. Esto estaba destinado a permitir que múltiples terminales compartieran una sola conexión de red. También se utilizó para permitir que dos teléfonos de red digital de servicios integrados (ISDN) compartieran la misma conexión ISDN básica a una determinada velocidad. Los cuatro bits GFC deben ser cero por defecto.
El formato de celda NNI replica el formato UNI de la misma manera, excepto que el campo GFC de 4 bits se reasigna al campo VPI, expandiéndolo a 12 bits. Entonces, una conexión de cajero automático NNI puede manejar casi 216 VC cada vez.
Células y transmisión en la práctica
¿Qué significa cajero automático en la práctica? Admite varios tipos de servicios a través de AAL. Los AAL estandarizados incluyen AAL1, AAL2 y AAL5, así como los menos utilizados AAC3 y AAL4. El primer tipo se utiliza para servicios de tasa de bits constante (CBR) y emulación de circuitos. La sincronización también es compatible con AAL1.
El segundo y cuarto tipo se utilizan para servicios de tasa de bits variable (VBR), AAL5 para datos. La información sobre qué AAL se usa para una celda determinada no está codificada en ella. En cambio, está coordinado o ajustado parapuntos finales para cada conexión virtual.
Después del diseño inicial de esta tecnología, las redes se han vuelto mucho más rápidas. Una trama Ethernet de longitud completa de 1500 bytes (12000 bits) tarda solo 1,2 µs en transmitirse en una red de 10 Gbps, lo que reduce la necesidad de celdas pequeñas para reducir la latencia.
¿Cuáles son los puntos fuertes y débiles de esa relación?
Las ventajas y desventajas de la tecnología de red ATM son las siguientes. Algunos creen que aumentar la velocidad de la comunicación permitirá que sea reemplazada por Ethernet en la red troncal. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el aumento de la velocidad por sí solo no reduce la inestabilidad debida a las colas. Además, el hardware para implementar la adaptación de servicios para paquetes IP es costoso.
Al mismo tiempo, debido a la carga útil fija de 48 bytes, ATM no es adecuado como enlace de datos directamente bajo IP, ya que la capa OSI en la que opera IP debe proporcionar una unidad de transmisión máxima (MTU) de al menos menos 576 bytes.
En conexiones más lentas o congestionadas (622 Mbps e inferiores), ATM tiene sentido y, por esta razón, la mayoría de los sistemas de línea de suscriptor digital asimétrica (ADSL) utilizan esta tecnología como una capa intermedia entre la capa de enlace físico y el protocolo de capa 2 como PPP o Ethernet.
A estas velocidades más bajas, ATM brinda la capacidad útil de transportar múltiples lógicas en un solo medio físico o virtual, aunque existen otros métodos, como multicanalPPP y VLAN Ethernet, que son opcionales en las implementaciones de VDSL.
DSL se puede utilizar como una forma de acceder a la red de cajeros automáticos, lo que le permite conectarse a muchos ISP a través de una red de cajeros automáticos de banda ancha.
Por lo tanto, las desventajas de la tecnología son que pierde su efectividad en las conexiones modernas de alta velocidad. La ventaja de una red de este tipo es que aumenta significativamente el ancho de banda, ya que proporciona una conexión directa entre varios dispositivos periféricos.
Además, con una conexión física usando ATM, varios circuitos virtuales diferentes con diferentes características pueden operar simultáneamente.
Esta tecnología utiliza herramientas de gestión de tráfico bastante potentes que continúan desarrollándose en la actualidad. Esto hace posible transmitir datos de diferentes tipos al mismo tiempo, incluso si tienen requisitos completamente diferentes para enviarlos y recibirlos. Por ejemplo, puede crear tráfico usando diferentes protocolos en el mismo canal.
Fundamentos de circuitos virtuales
El modo de transferencia asíncrono (abreviatura de ATM) funciona como una capa de transporte basada en enlaces mediante circuitos virtuales (VC). Esto está relacionado con el concepto de caminos virtuales (VP) y canales. Cada celda ATM tiene un identificador de ruta virtual (VPI) de 8 o 12 bits y un identificador de circuito virtual (VCI) de 16 bits,definido en su cabecera.
VCI, junto con VPI, se utiliza para identificar el siguiente destino de un paquete cuando pasa por una serie de conmutadores ATM en su camino hacia su destino. La longitud del VPI varía dependiendo de si la celda se envía a través de la interfaz de usuario o la interfaz de red.
A medida que estos paquetes pasan a través de la red ATM, la conmutación se produce cambiando los valores de VPI/VCI (reemplazo de etiquetas). Aunque no necesariamente coinciden con los extremos de la conexión, el concepto del esquema es secuencial (a diferencia de IP, donde cualquier paquete puede llegar a su destino por una ruta diferente). Los conmutadores ATM utilizan los campos VPI/VCI para identificar el circuito virtual (VCL) de la próxima red por la que debe transitar una celda en su camino hacia su destino final. La función del VCI es similar a la del identificador de conexión de enlace de datos (DLCI) en la retransmisión de tramas y el número de grupo de canales lógicos en X.25.
Otra ventaja de usar circuitos virtuales es que se pueden usar como una capa de multiplexación, lo que permite usar diferentes servicios (como voz y frame relay). VPI es útil para reducir la tabla de conmutación de algunos circuitos virtuales que comparten rutas.
Uso de celdas y circuitos virtuales para organizar el tráfico
La tecnología ATM incluye movimiento de tráfico adicional. Cuando se configura el circuito, se informa a cada interruptor del circuito de la clase de conexión.
Los contratos de tráfico de cajeros automáticos son parte del mecanismoproporcionando "calidad de servicio" (QoS). Hay cuatro tipos principales (y varias variantes), cada uno de los cuales tiene un conjunto de parámetros que describen la conexión:
- CBR - tasa de datos constante. Tasa máxima especificada (PCR) que es fija.
- VBR - tasa de datos variable. Valor de estado estacionario o promedio especificado (SCR), que puede alcanzar su punto máximo en un cierto nivel, para el intervalo máximo antes de que ocurran problemas.
- ABR - tasa de datos disponible. Valor mínimo garantizado especificado.
- UBR - velocidad de datos indefinida. El tráfico se distribuye por el ancho de banda restante.
VBR tiene opciones en tiempo real, y en otros modos se utiliza para el tráfico "situacional". El tiempo incorrecto a veces se acorta a vbr-nrt.
La mayoría de las clases de tráfico también utilizan el concepto de variación de tolerancia de celda (CDVT), que define su "agregación" a lo largo del tiempo.
Control de transmisión de datos
¿Qué significa cajero automático dado lo anterior? Para mantener el rendimiento de la red, se pueden aplicar reglas de tráfico de red virtual para limitar la cantidad de datos transferidos en los puntos de entrada de la conexión.
El modelo de referencia validado para UPC y NPC es el Generic Cell Rate Algorithm (GCRA). Por regla general, el tráfico VBR suele controlarse mediante un controlador, a diferencia de otros tipos.
Si la cantidad de datos supera el tráfico definido por GCRA, la red puede restablecerseo marque el bit de prioridad de pérdida de celda (CLP) (para identificar el paquete como potencialmente redundante). El principal trabajo de seguridad se basa en el monitoreo secuencial, pero esto no es óptimo para el tráfico de paquetes encapsulados (porque descartar una unidad invalidará todo el paquete). Como resultado, se han creado esquemas como Partial Packet Discard (PPD) y Early Packet Discard (EPD) que son capaces de descartar toda una serie de celdas hasta que comience el siguiente paquete. Esto reduce la cantidad de información inútil en la red y ahorra ancho de banda para paquetes completos.
EPD y PPD funcionan con conexiones AAL5 porque utilizan el final del marcador de paquete: el bit de Indicación de interfaz de usuario ATM (AUU) en el campo Tipo de carga útil del encabezado, que se establece en la última celda del SAR -SDU.
Formación del tráfico
Los conceptos básicos de la tecnología ATM en esta parte se pueden representar de la siguiente manera. El modelado del tráfico generalmente ocurre en una tarjeta de interfaz de red (NIC) en el equipo del usuario. Esto intenta garantizar que el flujo de celdas en el VC coincida con su contrato de tráfico, es decir, las unidades no se eliminarán ni se reducirá su prioridad en la UNI. Dado que el modelo de referencia proporcionado para la gestión del tráfico en la red es GCRA, este algoritmo también se usa comúnmente para dar forma y enrutar datos.
Tipos de circuitos virtuales y caminos
La tecnología ATM puede crear rutas y circuitos virtuales comotanto estática como dinámicamente. Los circuitos estáticos (STS) o rutas (PVP) requieren que el circuito conste de una serie de segmentos, uno para cada par de interfaces por los que pasa.
PVP y PVC, aunque conceptualmente simples, requieren un esfuerzo considerable en redes grandes. Tampoco admiten el redireccionamiento del servicio en caso de falla. Por el contrario, los SPVP y SPVC construidos dinámicamente se construyen especificando las características de un esquema (un "contrato de servicio") y dos puntos finales.
Finalmente, las redes ATM crean y eliminan circuitos virtuales conmutados (SVC) según lo requiera el equipo final. Una aplicación de los SVC es transportar llamadas telefónicas individuales cuando una red de conmutadores está interconectada a través de ATM. Los SVC también se utilizaron en un intento de reemplazar las LAN ATM.
Esquema de enrutamiento virtual
La mayoría de las redes ATM que admiten SPVP, SPVC y SVC utilizan la interfaz de nodo de red privada o el protocolo de interfaz de red a red privada (PNNI). PNNI utiliza el mismo algoritmo de ruta más corta que utilizan OSPF e IS-IS para enrutar paquetes IP para el intercambio de información de topología entre conmutadores y la selección de rutas a través de la red. PNNI también incluye un poderoso mecanismo de resumen que permite la creación de redes muy grandes, así como un algoritmo de control de acceso a llamadas (CAC) que determina la disponibilidad de suficiente ancho de banda a lo largo de una ruta propuesta a través de la red para cumplir con los requisitos de servicio de un VC. o VP.
Recepción y conexión allamadas
La red debe establecer una conexión antes de que ambos lados puedan enviarse células entre sí. En ATM, esto se denomina circuito virtual (VC). Esto puede ser un circuito virtual permanente (PVC) que se crea administrativamente en los puntos finales, o un circuito virtual conmutado (SVC) que se crea según sea necesario por las partes transmisoras. La creación de un SVC se controla mediante señalización, en la que el solicitante especifica la dirección de la parte receptora, el tipo de servicio solicitado y los parámetros de tráfico que pueden ser aplicables al servicio seleccionado. Luego, la red confirmará que los recursos solicitados están disponibles y que existe una ruta para la conexión.
La tecnología ATM define los siguientes tres niveles:
- Adaptaciones de cajero automático (AAL);
- 2 ATM, más o menos equivalente a la capa de enlace de datos OSI;
- equivalente físico a la misma capa OSI.
Despliegue y distribución
La tecnología ATM se hizo popular entre las compañías telefónicas y muchos fabricantes de computadoras en la década de 1990. Sin embargo, incluso a fines de esta década, el mejor precio y rendimiento de los productos de Protocolo de Internet comenzó a competir con ATM por la integración en tiempo real y el tráfico de red de paquetes.
Algunas empresas todavía se enfocan en los productos de cajeros automáticos en la actualidad, mientras que otras los ofrecen como una opción.
Tecnología móvil
La tecnología inalámbrica consiste en una red central de cajeros automáticos con una red de acceso inalámbrico. Las celdas aquí se transmiten desde las estaciones base a los terminales móviles. FuncionesLas movilidades se realizan en un conmutador ATM en la red central, conocido como "crossover", que es análogo al MSC (Mobile Switching Center) de las redes GSM. La ventaja de la comunicación inalámbrica ATM es su alto rendimiento y alta tasa de traspaso realizada en la capa 2.
A principios de la década de 1990, algunos laboratorios de investigación estaban activos en esta área. El foro ATM se creó para estandarizar la tecnología de redes inalámbricas. Fue respaldado por varias compañías de telecomunicaciones, incluidas NEC, Fujitsu y AT&T. La tecnología móvil ATM tiene como objetivo proporcionar tecnologías de comunicaciones multimedia de alta velocidad capaces de proporcionar banda ancha móvil más allá de las redes GSM y WLAN.
