"Asynchronous Transfer Mode" (ATM)Professor Adjunto do Departamento de Engenharia Informática do ISEP A introdução da fibra óptica veio revolucionar a tecnologia de transmissão. A fibra óptica permite comunicações a longa distância com taxas de erros muito inferiores às cablagens de cobre a curta distância. Este avanço provocou necessariamente uma inadequação da tecnologia de nível superior existente. Tradicionalmente uma das grandes preocupações era lidar de uma forma eficiente com taxas de erros relativamente elevadas. A definição do ATM teve em consideração este facto adoptando a técnica Cell Relay. A designação "Modo de Transferência Assíncrono" provém do facto de se utilizar comutação de pacotes e não comutação de circuitos. Isto não é novidade, o “standard” X.25 já utiliza esta técnica à muito tempo, contudo em termos de performance está totalmente esgotado. Sob este ponto de vista o ATM pode ser visto como o seu sucessor. Devido à facilidade de transportar qualquer tipo de dados, o ATM foi adoptado pelo ITU como tecnologia base para a implementação da B-ISDN ("Broadband Integrated Services Digital Network"). O ATM utiliza "Cell Relay" que envolve diversas simplificações, nomeadamente relativamente ao X.25, as suas principais características são as seguintes:
Alguns deste factores são preponderantes na eficiência geral:
Uma rede ATM implementa a sua funcionalidade segundo o já habitual modelo de camadas. Os serviços disponibilizados pela camada mais elevada não atingem os requesitos do nível 2 do MR-OSI já que proporcionam um serviço não fiável. O esquema seguinte apresenta a estrutura de camadas das redes ATM:
O nível AAL ("ATM Adaptation Layer") tem por missão proceder a adapta Nível FísicoO nível físico ATM é constituido por dois sub-níveis:
"Physical Medium" (PM)O sub-nível "Physical Medium" (Meio Físico) define as caracteristicas da transmissão de sequências de bits, nomeadamente a taxa de transmissão, e o tipo de cablagem e conectores usados. A definição do PM, baseada em células, refere três modos para as taxas de transmissão:
Foram previstas diversas outras implementações do meio físico de modo a respeitar a diversidade tecnológica disponível através do conceito de UNI ("User-Network Interface"). O sub-nível "Transmission Convergence" (TC) tem de adaptar as células que são regra no nível ATM às estruturas particulares usadas neste sub-nível. Os principais UNI previstos são:
As implementações UNI a 155 Mbps (STS-3) são várias:
A taxa de transmissão de 100 Mbps utiliza fibra óptica multímodo com o "chip set" TAXI da AMD, o sub-nível PM é neste caso idêntico ao nível físico das redes FDDI. A taxa de transmissão de 45 Mbps corresponde às redes publicas de dados nos EUA e Japão. A taxa de transmissão de 25 Mbps (25,6 Mbps) pode usar diversos tipos de cablagem incluindo UTP categoria 3 e destina-se a fazer chegar a rede ATM a conjuntos númerosos de postos de trabalho, de uma forma mais economica. "Transmission Convergence" (TC)Este sub-nível define uma interface baseada em células com o nível ATM. O sub-nível TC é responsavel pela gestão do cabeçalho das células no que diz respeito à detecção de erros e correcção de erros em um único bit. Numa implementação totalmente baseada em células, estas são transmitidas num fluxo continuo, este sub-nível é responsável pela inserção e eliminação de células vazias de modo a adaptar o fluxo de células do nível ATM à taxa de transmissão praticada. Quando é usada uma UNI, o sub-nível "Transmission Convergence" tem de adaptar o formato de células da interface com a camada ATM às estruturas particulares usadas. Um caso comum é a utilização de uma UNI SONET/SDH a 155 Mbps. O SONET é um meio físico em fibra-óptica monómodo e utiliza o formato de trama SDH. Esta técnologia é usada em ligações WAN onde a capacidade de um meio de transmissão deve ser dividida por vários utilizadores. O SDH usa TDM ("Time Division Multiplexing"), cada trama SDH transporta informação com diversas origens e destinos. Uma trama SDH é constituida por um total de 2430 bytes que estão organizados em 9 estruturas idênticas com um total de 270 bytes cada. Estas 9 estruturas correspondem a dados totalmente independentes, potencialmente com origens e destinos distintos, logo cada uma possui a sua informação de controlo independente, contituida por 10 bytes ficando os restantes 260 bytes para dados. Quando uma rede ATM é implementada sobre SONET/SDH o sub-nível "Transmission Convergence" tem por missão encaixar as células ATM de 53 bytes nos 270 bytes disponibilizados pelas tramas SDH, (como 270 não é múltiplo de 53 uma célula pode ser distribuída por mais do que uma trama SDH). Nível ATMCanais virtuais e caminhos virtuaisO nível ATM gere canais virtuais ("Virtual Channel") e caminhos virtuais ("Virtual Path"):
Um canal virtual é uma ligação lógica entre dois nós finais (utilizadores da rede), em tudo semelhante a um circuito virtual da norma X.25. Um canal virtual fornece uma taxa de transmissão variável, em "full-duplex" para células de comprimento fixo. Para troca de informação de controlo entre os nós finais e a rede são também usados canais virtuais. O conceito de caminho virtual agrupa todos os canais virtuais que têm a mesma origem e destino. A definição de caminhos virtuais tem a vantagem de simplificar o funcionamento interno da rede, aumentando a eficiência e fiabilidade. As caracteristicas que se esperam dos canais virtuais e caminhos virtuais estão definidos na recomendação I.150, em sintese:
Para os canais virtuais as especificações são exactamente do mesmo tipo, acrescentando-se que a rede pode reservar para uso próprio alguns identificadores de canal virtual relativos a um dado caminho virtual. O nível ATM é responsável pela criação de células e extracção dos dados das mesmas, gerindo nomeadamente os identificadores de canal virtual (VCI - "Virtual Channel Identifier") e os identificadores de caminho virtual (VPI - "Virtual Path Identifier"). Uma célula ATM contém 53 bytes (o valor 53 bytes é um compromisso entre os 64 bytes pedidos pelos EUA e os 32 bytes pretendidos pela Europa e Japão). As células possuem um cabeçalho de 5 bytes e os restantes 48 para transporte de dados. A estrutura do cabeçalho é a seguinte:  O formato dos cabeçalhos varia ligeiramente conforme se trate de uma transmissão entre um nó final (UNI) e um comutador (parte superior da figura) ou se trate de transmissões entre comutadores no interior da rede (NNI - "Network Node Interface") (parte inferior da figura). Os significados dos campos são os seguintes:
Estabelecimento de canais e caminhos virtuaisA recomendação I.150 indica também métodos para o estabelecimento de canais virtuais e caminhos virtuais. O grande problema é a necessidade de um canal prévio para comunicar com a rede ATM para que esta estableça o canal pretendido. Para resolver o problema existe geralmente um canal permanente (assim que o nó é activado está automaticamente disponível) de baixa capacidade conhecido por "meta-signaling channel". O canal permanente "meta-signaling" (VPI=0; VCI=1) pode ser usado para establecer um canal virtual de controlo ("signaling virtual cannel") entre o utilizador (nó final) e a rede. O canal virtual de controlo pode ser então usado para definir canais e caminhos virtuais. Encaminhamento de células na redeO encaminhamento das células através dos nós da rede baseia-se nas combinações VPI/VCI que cada célula possui. Como já foi referido nem o VPI nem o VCI são os mesmos ao longo da rede, este identificadores são definidos de modo privado entre dois nós da rede quando se estabelece o canal ou o caminho. Isto já acontecia com os identificadores de circuito virtual das redes X.25 e as razões são obvias: para arranjar um identificador disponível em todos os nós pelo qual o canal passa seria necessário um algoritmo de negociação complexo e moroso. Nível AAL ("ATM Adaptation Layer")O Nível AAL tem por missão adaptar a informação dos protocolos de nível superior ao formato de células das redes ATM,
devido ao reduzido tamanho das células a informação dos níveis superiores tem de ser geralmente fragmentada e dividida por várias células, sendo mais tarde reconstituida no receptor, esta função é asseguradas pelo sub-nível SAR ("Segmentation and Reassembly Sublayer"). Para permitir a utilização de protocolos de comunicação mais antigos sobre a camada AAL a sub-camada CS efectua uma conversão prévia para um formato intermédio.
A estrutura da camada AAL é a seguinte:
As implementações das sub-camada SAR e CS estão fortemente relacionadas entre sí e dependem do tipo serviço disponibilizado pela camada AAL. Os formatos das estruturas usadas pelos protocolos SAR e CS (PDU´s - Protocol Data Unit) dependem do tipo de camada AAL. Estão definidos quatro tipos de serviço:
AAL 1Fornece um serviço orientado à conexão com taxa de transmissão constante e relação temporal entre emissor e receptor, é por isso adequada para som, imagem e tráfego similar. A estrutura das unidades do protocolo SAR (SAR PDU) é constituida por um cabeçalho de 8 bits, dividido em dois campos de 4 bits, designados por SN ("Sequence Number") e SNP ("Sequence Number Protection"). O campo SN é usado para detectar perda de células, o campo SNP é usado para detectar e corrigir erros no campo SN. O campo de dados contém portanto 47 octetos. AAL 2Difere do AAL 1 pelo facto de fornecer uma taxa de transmissão variável. É adquado para o mesmo tipo de aplicações que o AAL 1, mas devido à taxa variável os dados devem ser previamente comprimidos. O SAR PDU para o AAL 2 contém os seguintes campos:
AAL 3/4Os serviços de classe C são serviços de transporte de dados provenientes de protocolos de nível superior, por esta razão torna-se necessária a implementação da sub-camada CS. Na sub-camada CS os pacotes de tamanho variável do nível superior são transformados na estrutura CS PDU, o comprimento do CS PDU deve ser múltiplo de 4, logo pode ser necessário acrescentar 1 a 3 octetos ("padding"). A estrutura do CS PDU no AAL 3/4 é a seguinte:
A sub-camada SAR fragmenta os CS PDU para os colocar nos seus próprios PDU´s de 48 bytes, com a seguinte estrutura:
AAL 5O nome original desta implementação é SEAL ("Simple and Efficient AAL"), trata-se de uma implementação parcial do AAL 3/4. O CS PDU do AAL 5 não possui cabeçalho, o formato é o seguinte:
O SAR PDU do AAL 5 apenas contém dados, todas as funções foram transferidas para a sub-camada CS, note-se que não há multiplexagem com o AAL 5. Serviços de Classe D |