Wprowadzenie do Komutacji Komórek i ATM

Komutacja komórek to metoda komunikacji sieciowej, która łączy cechy komutacji łączy i komutacji pakietów. Jest to odmiana komutacji pakietów, w której pakiety danych, zwane komórkami, mają stały, niewielki rozmiar. Takie podejście zostało zaprojektowane w celu stworzenia uniwersalnej sieci zdolnej do wydajnej obsługi różnych rodzajów ruchu – od wrażliwego na opóźnienia głosu i wideo, po „wybuchowe” dane komputerowe.

Paradygmatyczną technologią implementującą komutację komórek jest ATM (Asynchronous Transfer Mode) – asynchroniczny tryb transferu.

Dlaczego Stosuje się Małe Komórki o Stałym Rozmiarze?

Wybór małych komórek o stałej długości był świadomą decyzją inżynierską, mającą na celu rozwiązanie głównego wyzwania zintegrowanych sieci: jak zagwarantować jakość usługom czasu rzeczywistego, jednocześnie efektywnie obsługując dane.

• Przewidywalne Opóźnienie (Latencja): W tradycyjnej sieci pakietowej o zmiennej długości pakietów, mały, pilny pakiet głosowy mógł utknąć w kolejce za ogromnym pakietem z transferu plików. Powoduje to nieprzewidywalne, duże opóźnienia (jitter), co jest katastrofalne dla jakości głosu. Dzięki małym komórkom maksymalny czas oczekiwania jest krótki i przewidywalny.
• Przełączanie Sprzętowe: Stała i prosta struktura komórek umożliwia ich bardzo szybkie przetwarzanie w sprzęcie. Przełączniki nie potrzebują złożonego oprogramowania do określania początku i końca każdego pakietu, co pozwala na osiągnięcie bardzo wysokich prędkości transmisji, rzędu setek Mb/s i więcej.
• Jedna Technologia dla Wszystkich Usług: ATM została zaprojektowana jako podstawa dla Szerokopasmowej Sieci ISDN (B-ISDN), pojedynczej sieci dla wszystkich usług. Komórki były idealnym kompromisem: wystarczająco deterministyczne dla głosu, a jednocześnie wystarczająco elastyczne dla danych.

Anatomia Komórki ATM

Komórka ATM ma całkowitą długość 53 bajtów, co było wynikiem wielkiego międzynarodowego kompromisu. Dzieli się ona na 5-bajtowy nagłówek do celów sterowania oraz 48-bajtowe pole danych (ładunek) na dane użytkownika.

Wyjaśnienie Pól Nagłówka

• GFC (Generic Flow Control): 4-bitowe pole występujące tylko w styku użytkownik-sieć (UNI). Było przeznaczone do zarządzania przepływem ruchu, ale rzadko było używane.
• VPI/VCI (Virtual Path/Channel Identifier): Te dwa pola tworzą adres komórki. ATM używa dwupoziomowej hierarchii: wiele Kanałów Wirtualnych (VC, identyfikowanych przez VCI) może być zgrupowanych w jedną Ścieżkę Wirtualną (VP, identyfikowaną przez VPI). Umożliwia to przełącznikom trasowanie całej grupy połączeń, patrząc tylko na VPI, co upraszcza zarządzanie siecią.
• PT (Payload Type): Wskaźnik typu ładunku. Informuje, czy komórka zawiera dane użytkownika, czy specjalne dane do zarządzania siecią (komórki OAM).
• 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 dołoży starań, aby ją dostarczyć.
• HEC (Header Error Control): 8-bitowa suma kontrolna obliczana tylko dla 5-bajtowego nagłówka. Jest to kluczowe, ponieważ błąd w VPI/VCI spowodowałby błędne skierowanie komórki. HEC pozwala sieci na korekcję jednobitowych błędów w nagłówku lub odrzucenie komórek z nienaprawialnymi błędami. Kontrola błędów dla 48-bajtowego pola danych jest odpowiedzialnością wyższych warstw.

Dziedzictwo i Wpływ ATM

Chociaż ATM nie stała się uniwersalną technologią sieciową zgodnie z wizją B-ISDN, jej koncepcje miały ogromny wpływ i rozwiązały wiele problemów istniejących we wcześniejszych sieciach.

• Porażka w sieciach LAN: ATM przegrała walkę o sieci lokalne z Ethernetem, który był prostszy, tańszy i ewoluował wystarczająco szybko, aby zaspokoić potrzeby przedsiębiorstw.
• Sukces w sieciach szkieletowych: Przez długi czas ATM była dominującą technologią w sieciach szkieletowych operatorów telekomunikacyjnych, efektywnie agregując ruch IP, głosowy i Frame Relay na jednej szybkiej infrastrukturze.
• Intelektualny następca: Kluczowa idea ATM – użycie krótkich etykiet o stałej długości (VPI/VCI) do podejmowania szybkich, sprzętowych decyzji komutacyjnych – jest bezpośrednim prekursorem MPLS (Multi-Protocol Label Switching), która jest dziś fundamentem większości nowoczesnych sieci operatorskich i dostawców internetu.