Komutacja Komórek

Wprowadzenie do Komutacji Komórek i ATM

W modelu ATM komutacja komórek łączy logiczną ścieżkę zestawianą przed transmisją z przesyłaniem krótkich jednostek danych. Jest odmianą komutacji pakietów, w której pakiety danych, zwane komórkami, mają stały, niewielki rozmiar. Projektowano ją jako sposób obsługi różnych rodzajów ruchu, od wrażliwego na opóźnienia głosu i wideo po burstowy ruch danych komputerowych.

Najbardziej znaną technologią implementującą komutację komórek jest ATM (Asynchronous Transfer Mode), czyli asynchroniczny tryb transferu.

Dlaczego Stosuje się Małe Komórki o Stałym Rozmiarze?

Wybór małych komórek o stałej długości był decyzją inżynierską dotyczącą głównego wyzwania sieci zintegrowanych. Jak zapewnić jakość usług czasu rzeczywistego i jednocześnie obsługiwać ruch danych?

• Przewidywalne Opóźnienie (Latencja): W tradycyjnej sieci pakietowej o zmiennej długości pakietów mały, pilny pakiet głosowy mógł oczekiwać za dużym pakietem z transferu plików. Czas serializacji większej jednostki zwiększa opóźnienie i jego zmienność dla ruchu głosowego. Komórka o stałym rozmiarze ogranicza tę składową opóźnienia, choć kolejkowanie i przeciążenie nadal mogą wprowadzać opóźnienie.
• Przełączanie Sprzętowe: Stała i prosta struktura komórek upraszcza ich szybkie przetwarzanie sprzętowe. Granice komórek wynikają ze stałej długości oraz procedur warstwy fizycznej, więc urządzenie nie musi obsługiwać zmiennej długości każdej jednostki. Umożliwiało to pracę łączy o przepływnościach rzędu setek Mb/s i większych.
• Jedna Technologia dla Wszystkich Usług: ATM została zaprojektowana jako podstawa dla Szerokopasmowej Sieci ISDN (B-ISDN), pojedynczej sieci dla wszystkich usług. Komórki stanowiły kompromis. Zapewniały ograniczony czas serializacji dla głosu i pozostawiały możliwość przenoszenia danych za pomocą warstw adaptacyjnych.

Anatomia Komórki ATM

Komórka ATM ma całkowitą długość 53 bajtów. Rozmiar ten wynika z kompromisu między ograniczeniem opóźnienia a narzutem nagłówka. Komórka dzieli się na 5-bajtowy nagłówek sterujący oraz 48-bajtowe pole danych użytkownika.

Wyjaśnienie Pól Nagłówka

• GFC (Generic Flow Control): 4-bitowe pole występujące tylko na styku użytkownik-sieć (UNI). Przeznaczono je do zarządzania przepływem ruchu, lecz w praktyce rzadko odgrywało istotną rolę.
• VPI/VCI (Virtual Path/Channel Identifier): Wartości te są lokalne dla danego interfejsu, a przełącznik lub przełącznica może tłumaczyć je na granicy łącza. Na styku UNI VPI ma 8 bitów, na styku NNI 12 bitów, a VCI 16 bitów. ATM używa dwupoziomowej hierarchii. Wiele kanałów wirtualnych (VC, identyfikowanych przez VCI) może być zgrupowanych w ścieżkę wirtualną (VP, identyfikowaną przez VPI). Przełącznik VP kieruje całą grupę na podstawie VPI, a przełącznik VC wykorzystuje także VCI.
• PT (Payload Type): Wskazuje, czy ładunek zawiera informacje użytkownika czy informacje zarządcze. W komórkach użytkownika PTI przenosi także wskazanie przeciążenia i sygnalizację użytkownik-użytkownik, a pozostałe kody oznaczają komórki OAM F5 oraz zarządzania zasobami.
• CLP (Cell Loss Priority): Pojedynczy bit określający priorytet utraty komórki. Jeśli $CLP=1$, komórka jest uznawana za niskopriorytetową i może zostać odrzucona przez sieć w przypadku przeciążenia. Jeśli $CLP=0$, sieć traktuje ją priorytetowo, lecz dostarczenie nadal nie jest gwarantowane.
• HEC (Header Error Control): 8-bitowe pole HEC jest wyznaczane na podstawie czterech pierwszych oktetów nagłówka i chroni cały 40-bitowy nagłówek. Kod umożliwia korekcję pojedynczego błędu bitowego oraz wykrywanie błędów wielobitowych. W trybie detekcji komórki z wykrytym błędem nagłówka są odrzucane, co ogranicza ryzyko błędnego skierowania po uszkodzeniu VPI/VCI. Kontrola błędów dla 48-bajtowego pola danych należy do wyższych warstw.

Dziedzictwo i Wpływ ATM

ATM znalazła zastosowanie w wielu sieciach i konstrukcjach przełączników, choć nie stała się uniwersalną technologią B-ISDN przewidywaną na początku.

• Zastosowanie w sieciach LAN: W sieciach lokalnych ATM została wyparta przez Ethernet, który oferował prostszą i tańszą infrastrukturę oraz rozwijał się wraz z wymaganiami przedsiębiorstw.
• Zastosowanie w sieciach szkieletowych: Przez wiele lat ATM była szeroko stosowana w sieciach szkieletowych operatorów telekomunikacyjnych. Agregowała ruch IP, głosowy i Frame Relay na jednej infrastrukturze o wysokiej przepływności.
• Wpływ na rozwój MPLS: Idea ATM polegająca na użyciu krótkich etykiet o stałej długości (VPI/VCI) do podejmowania szybkich, sprzętowych decyzji komutacyjnych wpłynęła na rozwój MPLS (Multi-Protocol Label Switching), stosowanego w sieciach operatorskich.