شبکه ATM – حالت انتقال ناهمزمان

شبکه ATM – حالت انتقال ناهمزمان، Asynchronous Transfer Mode یا حالت انتقال ناهمزمان توسط اتحادیه بین‌المللی مخابرات ITU و بخش استاندارد های مخابراتی (ITU-T) تعریف و ارائه گردید، با هدف کارآمدی بیشتر در برقراری تماس و در جهت انتقال تمامی اطلاعات در انواع مختلف مانند داده، تصویر و صدا که در بسته‌های کوچک با اندازه های ثابت به نام سلول منتقل می‌شوند. سلول ها به صورت ناهمزمان منتقل می شوند و شبکه اتصال گرا (connection-oriented) است.

شبکه ATM – حالت انتقال ناهمزمان

فهرست مطالب

1. شبکه ATM
2. استفاده
3. فرمت سلول
   1. سرآیند UNI
   2. سرآیند NNI
4. تفاوت سلول ها
5. عملکرد
6. تفاوت شبکه ATM و شبکه داده DATA
7. لایه ها
8. معماری
9. کاربرد ها

به تعریفی دیگر (ATM) یک پروتکل ارتباطی مناسب برای انتقال داده، صدا و تصویر است. بسته های لایه 2 سلول یا اسلات نامیده می شوند، طول ثابتی دارند (53 بایت که 48 بایت آن داده (محموله) و 5 بایت هدر سلول است) و با استفاده از تقسیم زمانی ناهمزمان مالتی پلکس ارسال می شوند.

ATM در واقع یک فناوری است که رویدادی در توسعه ISDN باند پهن در دهه‌های 1970 و 1980 بوجود آورد که می‌توان آن را تکاملی در سوئیچینگ بسته در نظر گرفت. هر سلول 53 بایت طول دارد – هدر 5 بایت و Payload آن 48 بایت. برای برقراری تماس ATM ابتدا باید یک پیام جهت راه اندازی یک اتصال ارسال شود.

ATM یا Asynchronous Transfer Mode

پس از برقراری اتصال، تمامی سلول ها یک مسیر را تا مقصد دنبال می نمایند. شبکه ATM می تواند هم ترافیک نرخ ثابت (CBR) و هم ترافیک نرخ متغیر (VBR) را مدیریت نماید. بنابراین می تواند انواع مختلفی از ترافیک را با کیفیت خدمات ( QoS ) متفاوت به صورت end-to-end انتقال دهد. شبکه ATM مستقل از یک رسانه انتقال عمل می کند، بدین معنا که ممکن است به تنهایی روی یک کابل یا فیبر ارسال شود یا ممکن است در داخل محموله سیستم های حامل دیگر بسته بندی شود. شبکه های ATM از سوئیچینگ “بسته” یا “سلول” با مدارهای مجازی استفاده می نمایند. طراحی آن به اجرای شبکه های چند رسانه ای با کارایی بالا کمک می نماید.

علت استفاده از ATM:

1. ATM با ادغام خدمات و الزامات عملکرد هر دو شبکه تلفن و داده هدایت می شود: “چشم انداز خدمات یکپارچه پهن باند” (B-ISON).
2. شبکه های تلفن از کیفیت خدمات یکسانی پشتیبانی می نمایند و راه اندازی آن هزینه بردار است.
3. شبکه اینترنت از کیفیت خدمات پشتیبانی نمی نماید، البته انعطاف پذیر و مقرون به صرفه تر است.
4. شبکه‌های ATM برای پشتیبانی از طیف وسیعی از کیفیت‌های خدمات با هزینه معقول طراحی شده‌اند که هم شبکه تلفن و هم اینترنت را در بر می‌گیرد.

فرمت سلول های شبکه ATM

همانطور که میدانید اطلاعات در شبکه ATM در قالب واحدهایی با اندازه ثابت به نام سلول منتقل می شود. هر سلول 53 بایت طول دارد که شامل یک هدر 5 بایتی و 48 بایت محموله است.

حالت انتقال ناهمزمان ATM می تواند در دو نوع ساختار به شرح زیر طراحی گردد:

سرآیند UNI: این فرمت در شبکه های خصوصی ATM جهت ارتباط بین نقاط پایانی ATM و سوئیچ های ATM استفاده می شود. UNI Header شامل قسمت کنترل جریان عمومی (GFC) می باشد Generic Flow Control field.

سرآیند NNI: جهت ارتباط بین سوئیچ‌های ATM استفاده می‌شود و شامل کنترل جریان عمومی (GFC) نمی گردد، به‌جای آن شامل یک شناسه مسیر مجازی (VPI) است که 12 بیت اول را اشغال می نماید.

تفاوت سلول های ATM

هر سلول ATM از 53 بایت تشکیل شده است: هدر پنج بایت است و 48 بایت باقی مانده (محموله) اطلاعات لایه های بالاتر را حمل می نماید. تنها تفاوت بین این دو نوع سلول ATM این است که سلول های رابط شبکه کاربر دارای یک فیلد داده برای کنترل جریان داده ها از کاربران هستند. این بدان معناست که تنها هشت بیت برای شناسه های مسیر مجازی به جای 12 بیت در رابط گره شبکه در دسترس است.

عملکرد شبکه ATM

استاندارد ATM از دو نوع اتصال بهره می برد. اتصالات مسیر مجازی (VPC یا Virtual path connections) که از اتصالات کانال مجازی (VCC یا Virtual channel connections) تشکیل شده است که همراه با هم یک واحد پایه می باشد که یک جریان واحد از سلول ها را از کاربری به کاربر دیگر حمل می نماید. یک مسیر مجازی virtual path را می توان بصورت  end-to-end (انتها به انتهای) یک شبکه ATM ایجاد نمود، چراکه سلول ها را به مدار مجازی خاصی هدایت نمی نماید. در صورت خرابی عمده، تمام سلول ‌های متعلق به یک مسیر مجازی خاص به همان روش از طریق شبکه ATM هدایت می‌شوند و در نتیجه به بازیابی سریع‌تر کمک می نماید.

سوئیچ های متصل به مشترکین به صورت ترکیبی از VPI و VCI (مسیر مجازی و کانال مجازی) جهت سوئیچ کردن سلول ها استفاده می نمایند سوئیچ هایی که می توانند اتصالات کانال مجازی متفاوتی را بین خود داشته باشند، به منظور ایجاد یک ترانک مجازی بین سوئیچ ها که می تواند به عنوان یک موجودیت واحد استفاده شود در نظر گرفته می شوند. عملیات اساسی آن هدایت مستقیم با جستجوی مقدار اتصال در جدول local translation و تعیین پورت خروجی اتصال و مقدار جدید VPI/VCI اتصال در آن پیوند است.

تفاوت شبکه ATM و شبکه داده DATA (اینترنت)

• ATM مبتنی بر “مدار مجازی” است: مسیر قبل از انتقال رزرو می گردد. در حالی که پروتکل اینترنت (IP) بدون اتصال است و رزرو منابع به صورت end-to-end امکان پذیر نیست. RSVP یک پروتکل سیگنالینگ جدید در اینترنت است.
• سلول های ATM: اندازه ثابت یا کوچک است و Tradeoff بین صدا یا داده است. در حالی که بسته های IP دارای اندازه متغیر هستند.
• آدرس دهی: ATM از آدرس های NSAP جهانی 20 بایتی برای سیگنال دهی و برچسب های 32 بیتی اختصاص داده شده به صورت locally در سلول ها استفاده می نماید. در حالی که IP از آدرس های جهانی 32 بیتی در همه بسته ها استفاده می نماید.

لایه های ATM

1. لایه انطباق  ATM Adaption Layer (AAL)

در واقع برای جداسازی پروتکل های لایه بالاتر از جزئیات فرآیندهای ATM و آماده سازی جهت تبدیل داده های کاربر به سلول ها و سگمنت های محموله سلول 48 بایتی است. پروتکل AAL انتقال از سرویس‌های لایه بالایی را مستثنا می نماید و به آنها در برنامه‌های نگاشت ، مانند صدا، داده به سلول‌های ATM کمک می نماید.

2. لایه فیزیکی – Physical Layer

این لایه وظیفه انتقال وابسته به رسانه را مدیریت می نماید و به دو بخش یا زیرلایه وابسته به رسانه فیزیکی و زیرلایه همگرایی انتقال تقسیم می شود. توابع اصلی به شرح زیر است:

1. سلول ها را به جریان بیت تبدیل می نماید.
2. انتقال و دریافت بیت ها را در محیط فیزیکی را کنترل می نماید.
3. می تواند محدوده سلول های  ATM را ردیابی نماید.
4. به دنبال بسته بندی سلول ها در فریم های مناسب است.

3. لایه ATM

فرایند انتقال، سوئیچینگ، کنترل ازدحام، پردازش سرآیند سلول، تحویل پی در پی (متوالی) و … را انجام می دهد و مسئول به اشتراک گذاری همزمان مدارهای مجازی از طریق پیوند فیزیکی معروف به مالتی پلکس سلولی و عبور سلول ها از طریق یک شبکه ATM معروف به رله سلولی است که از اطلاعات VPI و VCI در هدر سلول استفاده می نماید.

معماری پروتکل ATM

معماری پروتکل حالت انتقال ناهمزمان (ATM) جهت پشتیبانی از انتقال داده ها با طیف وسیعی از تضمین های کیفیت خدمات طراحی شده است. داده های کاربر به بسته های کوچک با طول ثابت که سلول نامیده می شوند، تقسیم می شوند و از طریق اتصالات مجازی منتقل می شوند. ATM روی مدارهای فیزیکی با سرعت داده بالا فعالیت می نماید و ساختار ساده سلول های ATM اجازه می دهد تا سوئیچینگ در سخت افزار انجام شود که سرعت و کارایی سوئیچ های ATM را بهبود می بخشد.

شکل زیر مدل مرجع ATM را نشان می دهد. اولین نکته ای که باید به آن توجه کرد این است که در این مدل، علاوه بر لایه‌ها، صفحات نیز دیده میشوند. توابع انتقال داده های کاربر در صفحه کاربر قرار دارد. توابع مرتبط با کنترل اتصالات در صفحه کنترل قرار دارند. و توابع هماهنگی مرتبط با لایه ها و سطوح در سطوح مدیریتی قرار دارند.

نمایش سه بعدی معماری پروتکل ATM به جهت به تصویر کشیدن رابطه بین انواع مختلف پروتکل در نظر گرفته شده است. لایه‌های افقی نشان ‌دهنده کپسوله‌ سازی پروتکل‌ها از طریق سطوح انتزاع است، چراکه یک لایه بر روی لایه دیگر ساخته شده است، در حالی که سطوح عمودی عملکرد هایی را نشان می‌دهند که نیاز به هماهنگی اقدامات انجام شده توسط لایه‌های مختلف را دارند. مزیت تقسیم توابع به سطوح کنترل و کاربر این است که درجه ای از استقلال را در تعریف توابع معرفی می کند: پروتکل های انتقال داده های کاربر (سطح کاربر) از پروتکل های کنترل اتصالات (صفحه کنترل) جدا می شوند.

پروتکل‌های لایه ATM ارتباط بین سوئیچ‌های ATM را فراهم می نمایند در حالی که پروتکل‌ها در لایه سازگاری (ATM AAL) بین کاربران کار می نماید. که در مثال شبکه ATM در شکل زیر نشان داده شده است.

اتصالات مجازی virtual connections راه اندازی شده در شبکه های ATM با ترکیب فیلدهای شناسه مسیر مجازی و شناسه کانال مجازی که در شکل نشان داده شده است، شناسایی می شوند.. مزیت این سلسله مراتب این است که در برخی موارد سوئیچینگ سلول های ATM ممکن است تنها بر اساس شناسه مسیر مجازی باشد.

برخی از نکته های فیلد های ATM

فیلد نوع محموله Payload نوع سلول را مشخص می نماید. فیلد اولویت از دست دادن سلول (CLP) یک بیت است. اگر بیت 0 باشد آن سلول دارای اولویت بالا و اگر بیت 1 باشد سلول دارای اولویت پایین است. این اطلاعات ممکن است بر تصمیم گیری در مورد حذف سلول ها در صورت شلوغ شدن شبکه تأثیر بگذارد. فیلد کنترل خطای سرآیند شامل بررسی افزونگی چرخه ای در سایر بایت های هدر است.

کاربرد های ATM

• شبکه گسترده ATM (ATM WANs)
  می توان از ATM به عنوان WAN برای ارسال سلول ها در فواصل طولانی استفاده نمود، روتر به عنوان نقطه پایانی بین شبکه ATM و شبکه های دیگر، که دارای دو پشته از پروتکل می باشد.
• شبکه های خصوصی مجازی چند رسانه ای و خدمات مدیریت شده (Multimedia virtual private networks and managed services)
  که می تواند به مدیریت خدمات ATM، LAN، صوت و تصویر کمک نماید و می تواند خدمات کامل شبکه خصوصی مجازی، که شامل دسترسی یکپارچه به چند رسانه ای است را، انجام دهد.
• ستون فقرات Frame relay  (Frame relay backbone)
  خدمات فریم رله به عنوان یک زیرساخت شبکه برای طیف وسیعی از خدمات داده استفاده می شود و خدمات ATM فریم رله را برای خدمات Internetworking فعال می نماید.
• شبکه های باند پهن مسکونی (Residential broadband networks)
  ATM به عنوانی انتخاب زیرساخت شبکه را جهت ایجاد خدمات پهن باند مسکونی در جستجوی راه حل های بسیار مقیاس پذیر تر فراهم می نماید.
• زیرساخت حامل برای شبکه های تلفن و خطوط خصوصی (Carrier infrastructure for telephone and private line networks)
  جهت استفاده موثرتر از زیرساخت های فیبر SONET/SDH با ایجاد زیرساخت ATM برای حمل ترافیک تلفن و خطوط خصوصی.

کابل های فیبر نوری

کابل های شبکه مسی

تجهیزات فیبر نوری