Netzwerk-Know-how (tecCHANNEL COMPACT) Kapitel 7: Grundlagen der ATM-Netzwerktechnologie

Veröffentlicht: 11. Jul 2005

Von PROF. DR. STEPHAN EULER

ATM ist aus der Konvergenz von Telefonie und digitaler Datenübertragung entstanden. Die verbindungsorientierte Netzwerktechnik kommt heute vor allem im WAN zum Einsatz und bietet unter anderem QOS als wichtigen Vorteil.

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Dn151199.ACDCF196BC98A92A7E35715F19C8C405(de-de,TechNet.10).png Broadband-ISDN und ATM

Dn151199.ACDCF196BC98A92A7E35715F19C8C405(de-de,TechNet.10).png ATM-Grundlagen

Dn151199.ACDCF196BC98A92A7E35715F19C8C405(de-de,TechNet.10).png Dienstgüte, Quality of Service

Dn151199.ACDCF196BC98A92A7E35715F19C8C405(de-de,TechNet.10).png ATM-Zellengrößen

Dn151199.ACDCF196BC98A92A7E35715F19C8C405(de-de,TechNet.10).png Sprachqualität und Laufzeit

Dn151199.ACDCF196BC98A92A7E35715F19C8C405(de-de,TechNet.10).png ATM-Zellen-Header

Dn151199.ACDCF196BC98A92A7E35715F19C8C405(de-de,TechNet.10).png ATM-Anpassungsschicht

Dn151199.ACDCF196BC98A92A7E35715F19C8C405(de-de,TechNet.10).png AAL-Typen

Dn151199.ACDCF196BC98A92A7E35715F19C8C405(de-de,TechNet.10).png Übergänge zwischen LAN und ATM

In den späten 80er Jahren begannen die Telefongesellschaften mit der Digitalisierung ihrer Netze. Ziele waren zum einen die Verbesserung des Telefondienstes durch eine bessere Qualität und ein höherer Komfort mit neuen Leistungsmerkmalen. Zum anderen wollten die TK-Anbieter auf Grund des absehbaren Zusammenwachsens von klassischem Telefondienst und neuen Datenanwendungen auf eine einheitliche Netzstruktur umstellen. Weiterhin sollte die neue Technik kompatibel zu bestehenden Installationen sein und ohne neue Verkabelung auskommen.

Diese Zielsetzung führte zunächst zur Entwicklung des ISDN-Netzes (Integrated Services Digital Network), aus dem später die Netztechnologie ATM entstand. Das ISDN-Netz besteht aus Daten- und Signalisierungskanälen. Jeder Datenkanal (B-Kanal) hat eine Bandbreite von 64 Kbit/s. Diese Bandbreite ist für die Übertragung von Sprache in guter Telefonqualität ausgelegt. Sie ergibt sich aus einer Abtastrate von acht kHz und einer Kodierung der Abtastwerte mit acht Bit. Die Signalisierung, etwa für den Verbindungsauf- und -abbau erfolgt über einen getrennten Kanal (D-Kanal). Dieser Kanal kann auch zur Übertragung von Daten benutzt werden.

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Broadband-ISDN und ATM

Zur Auswahl stehen dem Kunden ein ISDN-Basisanschluss (zwei B-Kanäle und ein D-Kanal mit 16 Kbit/s) oder ein Primär-Multiplexanschluss (30 B-Kanäle und ein D-Kanal mit 64 Kbit/s). Als Erweiterung oder Ergänzung für Anwendungen mit höherem Bedarf an Bandbreite konzipierten die TK-Gesellschaften B-ISDN (Broadband-ISDN). Es sollte sowohl den ansteigenden Datenverkehr aufnehmen als auch eine Grundlage für neuartige Dienste, wie hochwertiges Bildtelefon oder "Video-on-Demand", darstellen.

Für einen solchen allgemeinen Einsatz ist eine Einteilung in feste Kanäle nicht mehr effizient. Daher wurde als Netztechnologie ATM - Asynchronous Transfer Mode - ausgewählt. B-ISDN hat es allerdings nie zur Marktreife gebracht. Auf Grund seiner guten Eigenschaften bei hohen Übertragungsraten ist ATM aber auch für andere Einsatzgebiete attraktiv. Daher kommt es heute vor allem im WAN-Bereich oder zur Verbindung mehrerer LANs zum Einsatz.

Der folgende Beitrag gibt eine Einführung in die Prinzipien und Anwendung von ATM. Der Schwerpunkt liegt auf den Aspekten der Netzwerkkommunikation. Eine ausführliche Darstellung unter stärkerer Betonung der Telekommunikationsanwendungen findet sich beispielsweise auf der Internet-Seite des ATM-Forums.

Das ATM-Forum wurde 1991 zur Unterstützung der ATM-Entwicklung und zur Förderung der ATM-Verbreitung gegründet. Mittlerweile sind etwa 150 Firmen Mitglieder dieser Organisation. Ziel ist die Weiterentwicklung der ATM-Spezifikationen, Abstimmung mit anderen Standardisierungsgremien sowie der Informationsaustausch zwischen Anbietern und Nutzern von ATM-Geräten.

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ATM-Grundlagen

Die Anforderungen an die Technologie für B-ISDN waren vielfältig. Sie sollte eine einheitliche Plattform sowohl für Anwendungen aus dem Telefonbereich als auch für die Datenkommunikation zwischen Rechnern bieten. Gleichzeitig sollte die Technologie kostengünstig in der Realisierung und skalierbar für wachsende Bandbreiten sein. Wie in unserem Beitrag Netzwerk-Basiswissen diskutiert, sind entsprechend den unterschiedlichen Anforderungen der Anwendungen zwei Vermittlungsverfahren üblich: die Leitungsvermittlung und die Paketvermittlung. ATM kann man als einen Mittelweg zwischen beiden Techniken sehen.

Der Datenverkehr von ATM beruht auf Daten, wobei aber feste Verbindungen zwischen den Teilnehmern bestehen. Eine Besonderheit ist, dass alle Pakete die gleiche konstante Länge haben. In der Terminologie von ATM werden diese Pakete als Zellen bezeichnet. Die Verbindung zwischen zwei Knoten besteht aus einem konstanten Strom von derartigen Zellen, die lückenlos aufeinander folgen. Stehen zu einem Zeitpunkt keine Daten zum Versand an, so wird eine spezielle Leerzelle in den Strom eingefügt.

Die feste Länge der Zellen verkürzt nicht unbedingt die Verarbeitungszeit pro Zelle in einem Vermittlungsknoten. Der große Gewinn gegenüber der allgemeinen Paketvermittlung liegt in der Übersichtlichkeit und Berechenbarkeit. Man kann die Situation an den Eingängen eines Switches gut mit der Bedienung an Supermarktkassen oder Flughafenschaltern vergleichen. Wenn die Zeitdauer der Abfertigung eines Kunden nicht genau vorhergesagt werden kann, ist die Auswahl der "schnellsten" Schlange schwierig. Es kann passieren, dass die gewählte Schlange sehr langsam abgearbeitet wird. Kunden, die sich später in einer anderen Schlange angestellt haben, kommen in diesem Fall schneller voran. Würde die Abfertigung eines jeden Kunden exakt gleich lange dauern, wäre die Auswahl der Warteschlange einfach und die Wartezeit damit vorab berechenbar.

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Dienstgüte, Quality of Service

Durch die Berechenbarkeit lassen sich leichter Aussagen zur Qualität einer Verbindung treffen (Dienstgüte, Quality of Service, QOS). Ein Switch kann Anforderungen wie eine Mindestbandbreite oder eine Obergrenze für die Verzögerung garantieren, indem er eine entsprechende Anzahl von Zellen pro Zeiteinheit für die Verbindung reserviert.

Wie der Name ATM besagt, sind diese Reservierungen asynchron. Die Lage der Zellen einer Verbindung in dem Strom ist nicht festgelegt. Demgegenüber wären bei einer synchronen Verbindung die Zellen für die verschiedenen Verbindungen in einem festen Raster angeordnet.

Die Vereinfachung der Vermittlung ermöglicht eine kostengünstige Realisierung von Vermittlungsgeräten. Insbesondere erleichtert die feste Zellengröße die Parallelisierung von Aufgaben. Die Weiterleitung einer Zelle ist eine klar definierte Aufgabe, für die ein Entwickler ohne viel Aufwand eine autonome Verarbeitungseinheit entwerfen kann. Durch die damit ermöglichte Parallelisierung eignen sich ATM-Switches besonders für einen großen Datendurchsatz.

ATM ist verbindungsorientiert. Die Kommunikation zwischen zwei Knoten erfolgt als so genannte virtuelle Verbindung. Zu Beginn der Kommunikation wird ein Weg als virtuelle Verbindung aufgebaut. In dieser Signalisierungsphase können die beteiligten Komponenten auch Verkehrsparameter für die Dienstgüte aushandeln.

Die virtuellen Verbindungen sind dabei in zwei Hierarchien organisiert. Ein virtueller Kanal (Virtual Channel, VC) stellt eine unidirektionale Verbindung bereit. Mehrere virtuelle Kanäle zwischen zwei Knoten bündelt ein so genannter virtueller Pfad (Virtual Path, VP). So können beispielsweise für eine Multimedia-Verbindung zwischen zwei Teilnehmern getrennte Kanäle für Audio- und Video-Signale in einem gemeinsamen Pfad liegen. Diese zweistufige Organisation erleichtert die Aufgabe der Switches, da diese nur die Kennung für den Pfad auswerten müssen.

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ATM-Zellengrößen

Nachdem die Vorteile einer festen Zellengröße einsichtig sind, stellt sich die Frage nach der optimalen Zellengröße. Kleine Zellen haben den Vorteil geringer Verzögerungszeit. Dafür ist bei vorgegebener Größe des Headers das Verhältnis zwischen Nutzdaten und Zellengröße schlechter als bei großen Zellen. Große Zellen sind jedoch bei kurzen Nachrichten, wie etwa Bestätigungsmeldungen, nur zu einem geringen Teil mit Nutzdaten gefüllt.

Diese Überlegungen zeigen, dass es keine optimale Zellengröße für alle Fälle gibt. Vielmehr erweisen sich bei unterschiedlichen Anwendungen auch unterschiedliche Zellengrößen als optimal. Nicht umsonst wird im Bereich der Rechnernetze mit ihren vielfältigen Anwendungen eine variable Länge der Pakete bevorzugt.

Bei der Festlegung der Größe der ATM-Zellen hat man sich an der damals wichtigsten Anwendung, der Übertragung von Telefongesprächen, orientiert. Die Kunden erwarten beim Telefonieren zumindest die vom Analognetz gewohnte Qualität. Neben dem Frequenzgang und dem Rauschanteil ist die Verzögerungszeit dabei ein entscheidender Faktor. Um die konkrete Festlegung für die Paketlänge zu verstehen, muss man jedoch etwas weiter ausholen.

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Sprachqualität und Laufzeit

Die Sprachsignale eines Teilnehmers werden vom Telefon des Gesprächspartners zum Teil reflektiert. Der Sprecher nimmt seine Worte deshalb als zeitverzögertes Echo wahr. Dieser Effekt entsteht unter anderem dadurch, dass das Mikrofon in einem Telefonhörer auch die Signale des Lautsprechers leise mit aufnimmt und zurücksendet. Diese Echos stören normalerweise nicht. Sie tragen im Gegenteil sogar zu einem natürlichen, räumlichen Gesprächseindruck bei.

Mit steigender Laufzeit werden diese Echos allerdings zunehmend als störend wahrgenommen und beeinträchtigen ab 150 ms das Gespräch. Daher enthalten Verbindungen mit langer Laufzeit, etwa bei der Übertragung via Satellit (Latenzzeit >200 ms), in der Regel spezielle Echokompensatoren.

In den Standardisierungsgremien von ATM machten die Vertreter aus Amerika und Europa unterschiedliche Vorschläge zur Länge der Zellen. In den USA ist auf Grund der geographischen Ausdehnung der Einsatz von Echokompensatoren ohnehin erforderlich. Daher plädierten die amerikanischen Vertreter für eine Länge von 64 Daten-Bytes. Die meisten europäischen Länder setzen demgegenüber keine Echokompensatoren ein. Bei dem europäischen Vorschlag von 32 Daten-Bytes wäre die Verzögerung innerhalb der akzeptablen Zeit geblieben. Zumindest bei der Kommunikation im eigenen Landesnetz wollte man so die damals teuren Kompensatoren einsparen. Die Gremien konnten sich jedoch nicht auf einen dieser beiden Vorschläge einigen und wählten als Kompromiss den mittleren Wert von 48 Daten-Bytes.

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ATM-Zellen-Header

Zu dem Feld von 48 Bytes für Nutzdaten kommt ein Header mit fünf Bytes, so dass eine ATM-Zelle insgesamt 53 Bytes lang ist. Prinzipbedingt gibt es bei ATM zwei Arten von Schnittstellen:

  • Network Node Interface (NNI): die Schnittstelle zwischen zwei ATM-Switches.
  • User Node Interface (UNI): die Schnittstelle zwischen einem ATM-Switch und einem Endpunkt.

Je nach Schnittstelle unterscheiden sich die Felder im Header geringfügig. Folgende Tabelle zeigt den Header für ein NNI.

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Die beiden ersten Felder enthalten die Kennung für Pfad und Kanal (Virtual Path Identifier, Virtual Channel Identifier). Das PTI-Feld (Payload Type Identifier) spezifiziert die Art der Zelle. So kann zwischen Zellen mit Benutzerdaten und Zellen zur Steuerung unterschieden werden. Mit dem CLP-Bit (Cell Loss Priority) können Zellen mit niedriger Priorität markiert werden. Kommt es in einem Switch zu einem Überlauf, so werden zuerst Zellen mit gesetztem CLP-Bit, also Zellen mit niedriger Priorität, verworfen.

In dem Feld HEC (Header Error Control) schließlich steht die CRC-Prüfsumme über die ersten vier Bytes. Damit kann ein Switch Zellen mit fehlerhaftem Header erkennen. Die Prüfsumme dient zusätzlich einem ganz anderen Zweck, nämlich der Synchronisation auf die Zellengrenzen. Da die ATM-Zellen keine speziellen Anfangs- oder Endmarkierungen enthalten, sieht ein Empfänger zunächst nur einen stetigen Bitstrom. Um die Grenzen der einkommenden Zellen zu lokalisieren, entnimmt der Adressat zufällig Gruppen von jeweils fünf aufeinander folgenden Bytes.

Jede dieser Gruppen testet er bezüglich einer korrekten Prüfsumme. Falls die Prüfung zu einem korrekten Ergebnis führt, handelt es sich mit großer Wahrscheinlichkeit um einen Header. Diese Hypothese kann der Empfänger durch Untersuchung des nächsten potenziellen Headers nach 53 Bytes untermauern. Wenn er eine vorgegebene Anzahl von aufeinander folgenden Headern korrekt erkannt hat, kann er davon ausgehen, dass er die Synchronisation der Zellen ermittelt hat. Umgekehrt erkennt er den Verlust der Synchronisation, sobald er einen Schwellwert ungültiger Header in Folge ermittelt. In diesem Fall beginnt er an einer beliebigen Stelle im Bitstrom und sucht mit dem beschriebenen Verfahren nach gültigen Headern.

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ATM-Anpassungsschicht

ATM bietet einen Transport von Zellen fester Größe. Es gibt jedoch keine Garantie für die Korrektheit der übermittelten Nutzdaten. So kann es durchaus vorkommen, dass komplette Zellen unterwegs verloren gehen. Allerdings ist gewährleistet, dass die Zellen stets in der korrekten Reihenfolge ankommen. Anders als bei einer reinen Paketvermittlung kann auf der virtuellen Verbindung keine Zelle eine andere überholen.

Zwischen dem Transportdienst mit Zellen und den höheren Schichten ist eine Anpassung notwendig. Eine Anpassungsschicht (ATM Adaptation Layer, AAL) übernimmt die Umsetzung von Daten der höheren Schichten auf die ATM-Schicht.

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ATM Adaption Layer: Der AAL setzt die höheren Netzwerkschichten auf ATM um. (Quelle: ATM Forum)

ATM soll verschiedenartigste Dienste mit unterschiedlichen Anforderungen transportieren. Die Umsetzung kann daher nicht von einer einzigen Schnittstelle gewährleistet werden. Stattdessen existieren mehrere AAL-Typen, die jeweils für eine bestimmte Art von Dienst ausgelegt sind. Im Detail unterscheidet man bei dem AAL zwischen zwei Subschichten:

  • Convergence Sublayer (CS): Anpassung an die höheren Schichten (Konvergenzschicht).
  • Segmentation and Reassembly (SAR): Aufteilung größerer Dateneinheiten auf mehrere Zellen beim Sender (Segmentation) und Rekonstruktion (Reassembly) beim Empfänger.

Zu den Aufgaben der Konvergenzschicht gehören die Erkennung von Zellenverlusten und die Synchronisation zwischen Sender und Empfänger. Dazu benötigte zusätzliche Informationen werden in den Datenteil der ATM-Zellen eingetragen. Man kann sich dies als Minizelle, eingebettet in die ATM-Zelle, vorstellen. Es sei betont, dass dieser Prozess nur an den jeweiligen Endpunkten einer Verbindung notwendig ist. Das ATM-Netz selbst transportiert die Zellen unabhängig von der Bedeutung der Werte im Datenteil.

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AAL-Typen

Ursprünglich waren vier verschiedene AAL-Typen vorgesehen:

  • AAL 1: Verbindungsorientierte Echtzeit-Dienste mit fester Bandbreite (zum Beispiel Telefongespräche).
  • AAL 2: Verbindungsorientierte Echtzeit-Dienste mit variabler Bandbreite. Hierunter fallen beispielsweise komprimierte Video-Signale, bei denen der Kompressionsgrad, und damit die Datenrate, nicht konstant sind, sondern von Bildinhalt und Bildähnlichkeit abhängen.
  • AAL 3: Verbindungsorientierte Dienste für Datenübertragung ohne Echtzeitanforderungen.
  • AAL 4: Verbindungslose Dienste für Datenübertragung ohne Echtzeitanforderungen.

Die Typen 3 und 4 waren zur Datenübertragung zwischen Rechnern (Dateitransfer) vorgesehen. Im Laufe der Zeit zeigte sich, dass beide Typen sehr ähnlich sind. Daher wurden sie zu einem gemeinsamen Typ AAL 3/4 verschmolzen. Das Protokoll beinhaltet auch die Möglichkeit zum Multiplexen mehrerer Anwendungen in einer Verbindung

Aus Sicht der Computerindustrie war der Standard AAL 3/4 unnötig komplex. Daher entwickelte sie einen eigenen Vorschlag für die ATM-Datenübertragung mit dem bezeichnenden Namen Simple Efficient Adaptation Layer (SEAL). Im Prinzip werden dabei lediglich die Daten eines Pakets der höheren Schicht auf entsprechend viele ATM-Zellen aufgeteilt und um Fülldaten, die Längeninformation sowie einen Fehlerschutz mittels CRC-32 ergänzt. Diese Informationen stehen in der letzten Zelle des Pakets. Gekennzeichnet ist diese spezielle Abschlusszelle (End of Message, EOM) durch ein gesetztes drittes Bit im PTI-Feld des Headers. Diesen Vorschlag hat das ATM-Forum als AAL 5 übernommen.

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Übergänge zwischen LAN und ATM

In großen Netzen (WAN) oder als schnelle Verbindung zwischen Routern hat ATM weite Verbreitung gefunden. Mit den beschriebenen Vorzügen und Datenraten von 25 Mbit/s bis 2,4 Gbit/s stellt es eine geeignete Transporttechnologie für diese Einsatzgebiete dar. Im Gegensatz dazu ist der erwartete Durchbruch von ATM-fähigen Endgeräten weit gehend ausgeblieben. Durch Fortschritte in der Technologie und dem vermehrten Einsatz von Punkt-zu-Punkt-Verkabelungen bietet Ethernet bei günstigeren Preisen einen ähnlich guten Datendurchsatz.

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LAN via ATM: Eine Emulationsschicht kümmert sich um LAN-Besonderheiten wie Broadcasts. (Quelle: ATM Forum)

Daher ist weiterhin mit einer Koexistenz von LAN und ATM-Systemen zu rechnen. Eine Möglichkeit zur Verschmelzung ist die Nachbildung eines LANs durch ein ATM-System. In diesem Fall können alle vorhandenen LAN-Applikationen unverändert weiterverwendet werden. Ein Problem bei der LAN-Emulation durch ATM ist das Fehlen einer einfachen Möglichkeit für Broadcasts und Multicasts.

Insbesondere bei der Initialisierung sind Broadcasts ein wichtiges Mittel, um Informationen über andere Knoten zu erhalten. Ein Beispiel dafür ist das Adressauflösungsprotokoll ARP. Dieses Problem löst im Wesentlichen das LANE- (LAN-Emulation-) Protokoll, das dafür einen speziellen Server voraussetzt.

Dieser so genannte BUS (Broadcast and Unknown Server) erhält Multicast-Verbindungen zu allen Clients aufrecht. Ein Client schickt seine Multicast-Anfrage an den BUS, der die Verteilung übernimmt und die Antworten an den Client zurückgibt. Der gesamte Ablauf ist recht komplex. Er beinhaltet unter anderem auch die Umsetzung der MAC-Adressen in ATM-Adressen. Eine detaillierte Beschreibung findet sich beispielsweise bei der Ohio State University.

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