Jari Haarala
Annemari Auvinen
Anu Niemi
ATM (Asynchronous Transfer Mode, asynkroninen toimintamuoto) on laajakaistainen eli suurinopeuksinen verkkotekniikka, joka on suunniteltu siirtämään dataa, ääntä ja liikkuvaa kuvaa. ATM sopii laajan alueen dataverkkoihin WAN ( Wide Area Network), lähiverkkoihin LAN (Local Area Network) sekä puhe- ja videoverkkoihin. Se on yleisverkko, joka sopii kaikkialle, siirtää kaikkea tietoa sekä tarjoaa erittäin suuret siirtonopeudet. Pitkällä tähtäimellä ATM on tärkein uusi tekniikka aluksi runkoverkoissa ja myöhemmin myös loppukäyttäjillä. [1]
Siirtonopeuden vaatimukset eri sovelluksilla ovat erilaisia. Osa vaatii vakiosiirtonopeutta ja osassa taas siirtokaistan tarve on vaihteleva. Lähteen ja kohteen välillä voi olla myös tiukka ajastusriippuvuus, joissain tapauksissa taas informaatio voi tulla varsin väljissä aikarajoissa perille. Jotkut sovellukset ovat yhteyspohjaisia, toiset sovellukset taas siirtävät datapakettinsa yksi kerrallaan verkossa reitittäen. [1]
Perinteisesti tiedonsiirtoyhteydet on jaettu kahteen pääluokkaan: piiri- ja pakettikytkentäisiin yhteyksiin. Piirikytkentäinen yhteys tarkoittaa, että lähettäjän ja vastaanottajan välille muodostetaan ikään kuin kahden pisteen välinen putki. Yhteys on vain näiden kahden pisteen välillä. Lähetetty tieto tulee siis muuttumattomana ulos "putkesta" vastaanottajan päässä Esimerkkejä tämäntyyppisestä tiedonsiirrosta ovat puhelinverkko ja ISDN. Piirikytkentäinen siirto sopii erinomaisesti sovelluksille, jotka vaativat vakiosiirtonopeutta. Näitä ovat mm. äänen ja videon siirto. Huono puoli on, että yhteys ja siirtokaista ovat varattuina, vaikka mitään ei siirrettäisikään. [1]
Pakettikytkentäisessä tai -välitteisessä siirrossa osapuolet keskustelevat vaihtelevamittaisten kehysten tai pakettien välityksellä. Hyötydataa edeltävien otsikkotietojen perusteella siirtoverkko osaa välittää kehyksen tai paketin oikeaan kohteeseensa. Tällä tavalla samalla fyysisellä linjalla voi olla loogisia yhteyksiä moniin eri paikkoihin. Esimerkkejä pakettivälityksestä ovat lähiverkkojen liikenne yleensä, TCP/IP, X.25-pohjaiset pakettiverkot sekä frame relay. Pakettivälityksen etuna on, että fyysistä yhteyttä käytetään säästeliäästi: samalla linjalla voi olla useita loogisia yhteyksiä, samoin käyttämätön kapasiteetti on välittömästi muiden yhteyksien käytössä. Menettely sopii taas huonosti vakiobittinopeutta tai tiettyjä viiveitä vaativille sovelluksille.[1]
Soluvälityksessä siirrettävä data pilkotaan vakiomittaisiin paloihin eli soluihin. Vakiokapasiteettia tai -viiveitä vaativat sovellukset saavat etuoikeuden täyttää soluja. Muut sovellukset siirtävät datansa jäljelle jäävissä soluissa. Soluvälityksessä tavallaan yhdistyy piirikytkennän ja pakettikytkennän parhaat puolet, mikä tekee sen sopivaksi kaikenlaisen datan siirtämiseen. [1]
ATM:ssä ei puhuta kehyksistä eikä paketeista kuten lähiverkkotekniikoissa yleensä, vaan soluista. Solun pituus on 53 tavua, mistä hyötydataa on 48 tavua ja otsikkotietoja 5 tavua. Tulevaisuudessa ATM-solu saattaa olla tietoliikenteessä yhtä keskeinen tietoyksikkö kuin tavu on tietokoneille. Solun otsikossa ovat seuraavat kentät:
ATM-verkossa käytetään keskittimiä ja kytkimiä. Kytkin voi ohjata liikennettä useisiin portteihin. Se voi siis muodostaa virtuaalipolkuja ja –kanavia mille tahansa kahden siirtolinjan välille. Kytkimessä on kytkentäkenttä, jonka tehtävänä on huolehtia ATM-solujen siirtämisestä kytkimen eri porttien välillä. Kytkentäkentässä tärkeää on sen nopeus. Mikäli se ei pysty välittämään samanaikaisesti kaikkien porttien maksimikuormaa, sanotaan sen olevan estävä.
Keskittimestä lähtee ulospäin ainoastaan yksi siirtolinja, jolle sitten multipleksoidaan työasemilta tuleva liikenne. Tämä on suurin ero keskittimen ja kytkimen välillä. Keskittimessä koko laitteen liikenteen läpäisyn määrää sen portin (siirtotien) nopeus, johon/josta soluja kytketään. [2]
Kaikki laitteet liitetään ATM-kytkimeen, jonka avulla laitteiden välille voidaan muodostaa joko kiinteitä virtuaaliyhteyksiä (PVC, Permanent Virtual Circuit) tai kytkettyjä virtuaaliyhteyksiä (SVC, Switched Virtual Circuit). Tiedonsiirto kahden laitteen välillä perustuu siis ”putkiin” toisin kuin esimerkiksi ethernetissä, jossa käytetään osoitteellisia kehyksiä ja jaettua mediaa. [5]
Koska ATM on yhteydellinen, täytyy virtuaaliyhteydet muodostaa ennen datan siirtoa.Kytkin tunnistaa mihin virtuaaliyhteyteen solu kuuluu kahden tunnistekentän eli virtuaalipolun tunnisteen (VPI) ja virtuaalikanavan (VCI) avulla. [5] [6]
Seuraava kuva esittää ATM:n käyttöä lähiverkossa. Kahteen ATM-kytkimeen on kytketty lähiverkkokytkin, reititin, palvelin sekä tehokäyttäjien työasemia. [5]
Yritysten ja julkishallinnon organisaatioille ATM-liitäntä tuodaan nopeaa yhteyttä pitkin toimiston omaan ATM-kytkimeen. Nopeus voi olla 34, 155, 622 tai 2488 Mbps. Tämä ATM-kytkin palvelee alkuvaiheessa tavallisesti lähiverkon työasemia, mutta jatkossa myös puhelin- ja videoliikennettä. Työasemat liitetään toisiinsa perinteisellä lähiverkolla tai ATM-lähiverkolla, puhelimet liitetään puhelinvaihteeseen, joka puolestaan liittyy ATM-kytkimeen ja video saadaan joko liittämällä suoraan videolaitteet ATM:ään tai video-ominaisuuksilla varustetun työaseman avulla. Seuraavassa vaiheessa laitteet liitetään suoraan ATM-kytkimeen joko ATM:n avulla tai siten, että sovitus on kytkimessä. Jatkossa esim. puhelinvaihteen ominaisuudet integroitunevat itse kytkimeen. [1]
ATM:n ja perinteisten lähiverkkojen integroimiseen on olemassa kaksi tapaa. Toimivin tapa servereiden ja työasemien yhdistämiseksi olemassaolevaan lähiverkkoon on ns. classical IP:n ja ATM-modulilla varustetun reitittimen käyttäminen, jolloin ATM-sovittimilla varustetut laitteet muodostavat keskenään oman osaverkkonsa. Toinen tapa on käyttää ATM LAN emulointia (LANE), joilloin samaan loogiseen osaverkkoon liitetään ethernettiin ja ATM:ään kytketyt työasemat ja serverit. [6]
ATM-kytkin on laite, joka tarvitsee sisälleen paitsi kytkentälogiikkaa, myös älykkyyttä yhteydenmuodostusta, signalointia ja liikenteenvalvontaa varten. ATM:ssä yksi pienen solukoon etu on, että soluja voidaan puskuroida suoraan kytkentäsiruille. Tämä on tarpeellista, jotta kytkemisestä tulisi nopeaa. Itse solujen puskurointi on ylipäänsä välttämätöntä, sillä soluissa olevan VPI/VCI-tiedon perusteella voidaan kaivaa esiin ao. yhteyden laatuparametrit kytkentäalgoritmeille. [1]
Tavallisesti ATM-yhteydet ovat aina kaksisuuntaisia, joten kytkimellä on yhtä monta ulosmenevää linkkiä kuin on sisään tuleviakin. Ongelmana on reitittää N sisään tulevaa linjaa N:lle ulostulevalle ilman, että kytkentä laskisi kunkin linkin siirtonopeutta. Lisävaatimuksia tulee liikenteen tyypistä: reaaliaikainen liikenne yleensä vaatii pienen kytkentäviiveen, jos kyseessä on viiveherkkä yhteys, tai muussa tapauksessa vakioviiveen, jotta reaaliaikaisuus ei vääristyisi. Toisaalta osalla liikenteestä ei ole reaaliaikavaatimuksia lainkaan. Nämä aiheuttavat ristiriitaisia, mutta kuitenkin ratkaistavissa olevia, vaatimuksia kytkimen rakenteelle. Lisäksi pieni kytkentäviive ja linkkien tehokas hyödyntäminen ovat myös suorassa ristiriidassa keskenään: pieni kytkentäviive edellyttää, että puskureiden täyttöaste pysyy pienenä, mikä johtaa siihen, että ne väistämättä ovat osan aikaa tyhjillään, mikä tietysti laskee linkin kapasiteettia. Kytkimet eivät aina voi täyttää tehtäväänsä, sillä esimerkiksi voi syntyä tilanne, jossa kaikki sisään menevät linjat haluavat kirjoittaa samaan ulosmenevään linjaan. Tässä tapauksessa väistämättä syntyy soluhävikkiä. [1]
Kytkimet luokitellaan kolmeen ryhmään: työryhmä-, yritys-, ja operaattorikytkimet.
Erilliset puskurit ja kytkentälogiikka ovat kytkimien perusominaisuuksia. Kytkimiä voidaan jaotella sen perusteella, mihin puskurimuisti sijoitetaan. Puskuri voi olla sisääntuloissa, ulosmenoissa tai yhteinen. [1]
Sisääntulopuskureissa kuhunkin sisään tulevaan linjaan laitetaan puskuri, joka muistuttaa FIFO-puskuria (FIFO = first in first out). Kytkentälogiikka tarkistaa kunkin puskurin ja valitsee sieltä kuhunkin ulostuloon menevät solut. Puskurit eivät voi olla puhtaita FIFO-puskureita, sillä silloin voi syntyä ns. Head-of-Queue-ilmiö. Tällöin sisään tulevan linjan päällimmäisin paketti kuuluu joko prioriteetiltaan matalaan yhteyteen tai on menossa ulosmenolinjalle joka sillä hetkellä on hyvin kuormittunut. Jos kytkinlogiikka näkisi vain päällimmäisen solun, muut jonossa olevat solut olisivat loukussa kunnes päällimmäinen solu on reititetty. [1]
Ulosmenopuskureissa puskuri laitetaan ulosmenevään linjaan. Tämäkin puskuri on loogisessa mielessä jono. Kullekin sisään tulevalle solulle valitaan yhteysparametriensa mukaan paikka ulosmenevässä jonossa. Kytkentälogiikka on tietyssä mielessä yksinkertaisempaa kuin jos puskurit olisivat sisääntuloissa. Ulostulopuskureiden täytyy kuitenkin olla kooltaan suurempia kuin vastaavien sisäänmenopuskureiden. [1]
Muisti voi olla yhteistä myös linjojen välillä. Sisään tuleva solu sijoitetaan muistissa vapaana olevaan paikkaan, joka kerrotaan myös halutun ulosmenolinjan reitityslogiikalle. Tämä logiikka sitten valitsee muistissa kullakin hetkellä lähetysvuorossa olevan solun. [1]
Jaetun muistin kytkimessä ongelmana on riittävän nopean muistin ja muistinhallintalogiikan rakentaminen. Tyypillisesti logiikan täytyy olla paljon nopeampaa kuin linkkinopeus jo senkin takia, että keskitetyn logiikan tulee hallita kaikkia linkkejä samanaikaisesti. Jos edelleen halutaan käyttää halpoja single port -tyyppisiä muistipiirejä, logiikan opeusvaatimukset kasvavat edelleen. (Single port -muisti sallii vain yhden yhtäaikaisen luku/kirjoitusoperaation kerrallaan. Toinen vaihtoehto olisi ns. dual port -muisti, jossa käytetään ulosmeno- ja sisääntulo-ohjainta samaan aikaan.) Tämä tilanne on sama kytkimissä, joissa käytetään ulosmeno- ja sisääntulopuskureita. Lisäksi, paketit eivät siirry sisäänmenosta ulostuloon itsestään, vaan esim. jotakin väylää pitkin. Rajoituksena on tällöin käytetyn väylän nopeus ja väylälogiikka. [1]
ATM-verkkokortteja tarvitaan, kun halutaan liittää työasemia tai palvelimia suoraan ATM-kytkimiin. Niitä on saatavilla mm. 25-, 155- ja 622 Mbps nopeudella toimivina. [4]
Tiedonsiirto toteutetaan joko valokaapelilla tai kierretyllä CAT-5 parikaapelilla. Valokaapelista on olemassa myös standardeja nopeammille siirtonopeuksille (perusnopeuden kerrannaisia), joten se skaalautuu hyvin ylöspäin. Tästä odotettavasti tulee yleinen laajojen runkoverkkojen toteutusratkaisu. Järjestelmä skaalautuu hyvin eri nopeuksille ja siitä on käytössä mm. 34 ja 44 Mbit/s nopeudet. [3]
Järjestelmän haittana on, että kehykset vievät noin 5% siirtokaistasta (kehykset 2,68 Mbit/s 44Mbit/s kanavassa). Kehitteillä on versioita 51,68 Mbit/s ja 155 Mbit/S nopeuksille parikaapelia käyttäen (100 metrin siirtoetäisyys Category 5). ATM forum on standardoimassa 25 Mbit/s ATM verkkoa tason 3 parikaapelointia käyttäen. Omia 25 Mbit/s toteutuksia löytyy mm Olicom A/S:ltä, Fujitsu Microelectronics Ltd. ja IBM:ltä. [3]
Operaattorilta ostettaessa ATM-yhteys tarkoittaa esim. 10Mbps taattua kaistaa. Kaapelointimediana käytetään tavallisimmin monimuotokuitua (yleensä SC-liittimet) ja UTP5 parikaapelia lähiverkossa sekä yksimuotokuitua kaukoyhteyksissä. [5]
[1] Suomen ATK-kustannus:Tietoliikenne -tehokäyttäjän opas
[2] http://www.math.jyu.fi/~numive/switch.html
[3] http://www.hut.fi/~then/mytexts/verkko.html
[4] http://www.lanwan.fi/atmtuot1.html
[5] http://www.edu.ouka.fi/ohjeet/tverkot7.htm
[6] http://keskus.hut.fi/opetus/s38116/1997/esitelmat/40562u/