El modo de transferencia asíncrona ( ATM ) es un estándar de telecomunicaciones definido por el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares y el ITU-T (anteriormente CCITT) para la transmisión digital de múltiples tipos de tráfico. ATM fue desarrollado para satisfacer las necesidades de la Red Digital de Servicios Integrados de Banda Ancha tal como se definió a fines de la década de 1980, [1] y diseñado para integrar redes de telecomunicaciones. Puede manejar tanto el tráfico de datos tradicional de alto rendimiento como contenido en tiempo real y de baja latencia , como telefonía (voz) y vídeo. [2] [3] ATM proporciona una funcionalidad que utiliza características de redes de conmutación de circuitos y de conmutación de paquetes mediante el uso de multiplexación por división de tiempo asíncrona . [4] [5]
En la capa de enlace de datos del modelo de referencia OSI (capa 2), las unidades de transferencia básicas se denominan tramas . En ATM estas tramas son de una longitud fija (53 octetos ) llamadas celdas . Esto difiere de enfoques como el Protocolo de Internet (IP) (OSI capa 3) o Ethernet (también capa 2) que utilizan paquetes o tramas de tamaño variable. ATM utiliza un modelo orientado a la conexión en el que se debe establecer un circuito virtual entre dos puntos finales antes de que comience el intercambio de datos. [5] Estos circuitos virtuales pueden ser permanentes (conexiones dedicadas que generalmente están preconfiguradas por el proveedor de servicios) o conmutados (configurados por llamada mediante señalización y desconectados cuando finaliza la llamada).
El modelo de referencia de la red ATM se asigna aproximadamente a las tres capas inferiores del modelo OSI: capa física , capa de enlace de datos y capa de red . [6] ATM es un protocolo central utilizado en la red óptica síncrona y la jerarquía digital síncrona (SONET/SDH) de la red telefónica pública conmutada y en la red digital de servicios integrados (RDSI), pero ha sido reemplazado en gran medida a favor de los siguientes protocolos. Redes de generación basadas en tecnología IP. Los cajeros automáticos inalámbricos y móviles nunca establecieron un punto de apoyo significativo.
Para minimizar el retraso en la cola y la variación del retraso de paquetes (PDV), todas las celdas ATM tienen el mismo tamaño pequeño. La reducción del PDV es particularmente importante cuando se transporta tráfico de voz, porque la conversión de voz digitalizada en una señal de audio analógica es un proceso inherentemente en tiempo real . El decodificador necesita un flujo de elementos de datos espaciados uniformemente.
En el momento del diseño de ATM, la jerarquía digital síncrona de 155 Mbit/s con una carga útil de 135 Mbit/s se consideraba un enlace de red óptico rápido, y muchos enlaces de jerarquía digital plesiócronos en la red digital eran considerablemente más lentos, oscilando entre 1,544 y 45 Mbit. /s en EE.UU. y de 2 a 34 Mbit/s en Europa.
A 155 Mbit/s, una trama Ethernet típica de longitud completa de 1.500 bytes tardaría 77,42 µs en transmitirse. En una línea T1 de 1,544 Mbit/s de menor velocidad , el mismo paquete tardaría hasta 7,8 milisegundos. Un retraso en la cola inducido por varios paquetes de datos de este tipo podría superar varias veces la cifra de 7,8 ms. Esto se consideró inaceptable para el tráfico de voz.
El diseño de ATM apuntaba a una interfaz de red con baja fluctuación. Se introdujeron celdas para proporcionar breves retrasos en las colas y al mismo tiempo continuar admitiendo el tráfico de datagramas . ATM dividió todos los paquetes, datos y transmisiones de voz en fragmentos de 48 bytes, agregando un encabezado de enrutamiento de 5 bytes a cada uno para poder volver a ensamblarlos más tarde. La elección de 48 bytes fue más política que técnica. [7] Cuando el CCITT (ahora ITU-T) estaba estandarizando el ATM, las partes de los Estados Unidos querían una carga útil de 64 bytes porque se consideraba que era un buen compromiso entre cargas útiles más grandes optimizadas para la transmisión de datos y cargas útiles más cortas optimizadas para la transmisión real. Aplicaciones de tiempo como voz. Los partidos de Europa querían cargas útiles de 32 bytes porque el tamaño pequeño (y por lo tanto los tiempos de transmisión cortos) mejoran el rendimiento de las aplicaciones de voz. La mayoría de los partidos europeos finalmente aceptaron los argumentos presentados por los estadounidenses, pero Francia y algunos otros se resistieron a una duración más corta de las células. Con 32 bytes, Francia habría podido implementar una red de voz basada en cajeros automáticos con llamadas de un extremo a otro de Francia sin necesidad de cancelación de eco. Se eligieron 48 bytes (más 5 bytes de encabezado = 53) como compromiso entre las dos partes. Se eligieron encabezados de 5 bytes porque se pensaba que el 10% de la carga útil era el precio máximo a pagar por la información de enrutamiento. [1] ATM multiplexó estas celdas de 53 bytes en lugar de paquetes, lo que redujo la fluctuación de contención de celdas en el peor de los casos en un factor de casi 30, reduciendo la necesidad de canceladores de eco.
Una celda ATM consta de un encabezado de 5 bytes y una carga útil de 48 bytes. ATM define dos formatos de celda diferentes: interfaz usuario-red (UNI) e interfaz red-red (NNI). La mayoría de los enlaces ATM utilizan el formato de celda UNI.
ATM utiliza el campo PT para designar varios tipos especiales de celdas con fines de operaciones, administración y gestión (OAM), y para delinear límites de paquetes en algunas capas de adaptación ATM (AAL). Si el bit más significativo (MSB) del campo PT es 0, se trata de una celda de datos de usuario y los otros dos bits se utilizan para indicar congestión de la red y como bit de encabezado de propósito general disponible para las capas de adaptación ATM. Si el MSB es 1, se trata de una celda de gestión y los otros dos bits indican el tipo: segmento de gestión de red, gestión de red de extremo a extremo, gestión de recursos y reservado para uso futuro.
Varios protocolos de enlace ATM utilizan el campo HEC para impulsar un algoritmo de entramado basado en CRC , que permite localizar las celdas ATM sin gastos adicionales más allá de lo que de otro modo se necesitaría para la protección del encabezado. El CRC de 8 bits se utiliza para corregir errores de encabezado de un solo bit y detectar errores de encabezado de varios bits. Cuando se detectan errores de encabezado de varios bits, las celdas actuales y posteriores se eliminan hasta que se encuentra una celda sin errores de encabezado.
Una celda UNI reserva el campo GFC para un sistema de submultiplexación y control de flujo local entre usuarios. Esto tenía como objetivo permitir que varios terminales compartieran una única conexión de red de la misma manera que dos teléfonos RDSI pueden compartir una única conexión RDSI de tarifa básica. Los cuatro bits GFC deben ser cero de forma predeterminada.
El formato de celda NNI replica el formato UNI casi exactamente, excepto que el campo GFC de 4 bits se reasigna al campo VPI, extendiendo el VPI a 12 bits. Así, una única interconexión ATM NNI es capaz de direccionar casi 2 12 VP de hasta casi 2 16 VC cada uno. [a]
ATM admite diferentes tipos de servicios a través de AAL. Las AAL estandarizadas incluyen AAL1, AAL2 y AAL5, y las raramente utilizadas [9] AAL3 y AAL4. AAL1 se utiliza para servicios de velocidad de bits constante (CBR) y emulación de circuitos. La sincronización también se mantiene en AAL1. AAL2 a AAL4 se utilizan para servicios de velocidad de bits variable (VBR) y AAL5 para datos. La AAL que se utiliza para una celda determinada no está codificada en la celda. En cambio, se negocia o se configura en los puntos finales por conexión virtual.
Tras el diseño inicial de los cajeros automáticos, las redes se han vuelto mucho más rápidas. Una trama Ethernet de tamaño completo de 1500 bytes (12000 bits) tarda sólo 1,2 µs en transmitirse en una red de 10 Gbit/s, lo que reduce la motivación de las células pequeñas para reducir la fluctuación debido a la contención. El aumento de la velocidad del enlace por sí solo no elimina la inquietud debida a las colas.
ATM proporciona una capacidad útil para transportar múltiples circuitos lógicos en un único medio físico o virtual, aunque existen otras técnicas, como PPP multienlace , VLAN Ethernet , VxLAN, MPLS y soporte multiprotocolo sobre SONET .
Una red de cajeros automáticos debe establecer una conexión antes de que dos partes puedan enviarse celdas entre sí. Esto se llama circuito virtual (VC). Puede ser un circuito virtual permanente (PVC), que se crea administrativamente en los puntos finales, o un circuito virtual conmutado (SVC), que se crea según lo necesitan las partes que se comunican. La creación de SVC se gestiona mediante señalización , en la que el solicitante indica la dirección del receptor, el tipo de servicio solicitado y los parámetros de tráfico que puedan ser aplicables al servicio seleccionado. Luego, la red realiza la admisión de la llamada para confirmar que los recursos solicitados están disponibles y que existe una ruta para la conexión.
ATM opera como una capa de transporte basada en canales, utilizando VC. Esto se engloba en el concepto de caminos virtuales (VP) y canales virtuales. Cada celda ATM tiene un par de identificador de ruta virtual (VPI) de 8 o 12 bits y un par de identificador de canal virtual (VCI) de 16 bits definido en su encabezado. [10] El VCI, junto con el VPI, se utiliza para identificar el siguiente destino de una celda cuando pasa a través de una serie de conmutadores ATM en su camino hacia su destino. La longitud del VPI varía según si la celda se envía en una interfaz usuario-red (en el borde de la red) o si se envía en una interfaz red-red (dentro de la red).
A medida que estas células atraviesan una red ATM, la conmutación se produce cambiando los valores VPI/VCI (intercambio de etiquetas). Aunque los valores VPI/VCI no son necesariamente consistentes de un extremo de la conexión al otro, el concepto de circuito es consistente (a diferencia de IP, donde cualquier paquete determinado podría llegar a su destino por una ruta diferente a los demás). [11] Los conmutadores ATM utilizan los campos VPI/VCI para identificar el enlace de canal virtual (VCL) de la siguiente red que una celda necesita transitar en su camino hacia su destino final. La función del VCI es similar a la del identificador de conexión de enlace de datos (DLCI) en Frame Relay y al número de canal lógico y al número de grupo de canales lógicos en X.25 .
Otra ventaja del uso de circuitos virtuales viene con la posibilidad de utilizarlos como capa de multiplexación, permitiendo diferentes servicios (como voz, Frame Relay, IP). El VPI es útil para reducir la tabla de conmutación de algunos circuitos virtuales que tienen rutas comunes. [12]
ATM puede construir circuitos virtuales y caminos virtuales de forma estática o dinámica. Los circuitos estáticos (circuitos virtuales permanentes o PVC) o caminos (caminos virtuales permanentes o PVP) requieren que el circuito esté compuesto por una serie de segmentos, uno para cada par de interfaces por las que pasa.
Los PVP y PVC, aunque conceptualmente simples, requieren un esfuerzo significativo en redes grandes. Tampoco admiten el redireccionamiento del servicio en caso de falla. Los PVP (PVP blandos o SPVP) y los PVC (PVP blandos o SPVC) construidos dinámicamente, por el contrario, se construyen especificando las características del circuito (el contrato de servicio ) y los dos puntos finales.
Las redes ATM crean y eliminan circuitos virtuales conmutados (SVC) a pedido cuando lo solicita una estación final . Una aplicación de los SVC es transportar llamadas telefónicas individuales cuando una red de conmutadores telefónicos está interconectada mediante ATM. Los SVC también se utilizaron en intentos de reemplazar las redes de área local con ATM.
La mayoría de las redes ATM que admiten SPVP, SPVC y SVC utilizan el protocolo de interfaz de red privada a red (PNNI) para compartir información de topología entre conmutadores y seleccionar una ruta a través de una red. PNNI es un protocolo de enrutamiento de estado de enlace como OSPF e IS-IS . PNNI también incluye un mecanismo de resumen de rutas muy poderoso para permitir la construcción de redes muy grandes, así como un algoritmo de control de admisión de llamadas (CAC) que determina la disponibilidad de ancho de banda suficiente en una ruta propuesta a través de una red para satisfacer los requisitos de servicio de un VC o VP.
Otro concepto clave de ATM implica el contrato de tráfico . Cuando se establece un circuito ATM, se informa a cada conmutador del circuito de la clase de tráfico de la conexión. Los contratos de tráfico ATM forman parte del mecanismo mediante el cual se garantiza la calidad de servicio (QoS). Hay cuatro tipos básicos (y varias variantes), cada uno de los cuales tiene un conjunto de parámetros que describen la conexión.
VBR tiene variantes en tiempo real y no real y sirve para tráfico en ráfagas . El tiempo no real a veces se abrevia como vbr-nrt. La mayoría de las clases de tráfico también introducen el concepto de tolerancia a la variación del retardo de celda (CDVT), que define la agrupación de celdas en el tiempo.
Para mantener el rendimiento de la red, las redes pueden aplicar vigilancia de tráfico a los circuitos virtuales para limitarlos a sus contratos de tráfico en los puntos de entrada a la red, es decir, las interfaces usuario-red (UNI) y las interfaces de red a red (NNI) utilizando el uso/ Control de parámetros de red (UPC y NPC). [13] El modelo de referencia proporcionado por el ITU-T y ATM Forum para UPC y NPC es el algoritmo genérico de velocidad de celda (GCRA), [14] [15] que es una versión del algoritmo del cubo con fugas . El tráfico CBR normalmente se controlará únicamente hacia un PCR y un CDVT, mientras que el tráfico VBR normalmente se controlará utilizando un controlador de cubeta con fugas doble para un PCR y un CDVT y un SCR y un tamaño de ráfaga máximo (MBS). El MBS normalmente será el tamaño de paquete ( SAR - SDU ) para el VBR VC en las celdas.
Si el tráfico en un circuito virtual excede su contrato de tráfico, según lo determinado por GCRA, la red puede descartar las celdas o establecer el bit de Prioridad de pérdida de celda (CLP), lo que permite que las celdas se eliminen en un punto de congestión. La vigilancia básica funciona celda por celda, pero esto no es óptimo para el tráfico de paquetes encapsulados, ya que descartar una sola celda invalidará el valor de las celdas de un paquete. Como resultado, se han desarrollado esquemas como el descarte parcial de paquetes (PPD) y el descarte temprano de paquetes (EPD) para descartar las células de un paquete completo. Esto reduce la cantidad de celdas inútiles en la red, ahorrando ancho de banda para paquetes completos. EPD y PPD funcionan con conexiones AAL5 ya que utilizan el marcador de fin de paquete: el bit de indicación de usuario de ATM a usuario de ATM (AUU) en el campo de tipo de carga útil del encabezado, que se establece en la última celda de un SAR- SDU.
La conformación del tráfico normalmente tiene lugar en la tarjeta de interfaz de red (NIC) del equipo de usuario e intenta garantizar que el flujo de células en un VC cumpla con su contrato de tráfico, es decir, que las células no se eliminen ni se reduzca su prioridad en la UNI. Dado que el modelo de referencia proporcionado para la vigilancia del tráfico en la red es el GCRA, este algoritmo se utiliza normalmente también para dar forma, y se pueden utilizar implementaciones de cubos con fugas simples y dobles, según corresponda.
El modelo de referencia de la red ATM se corresponde aproximadamente con las tres capas más bajas del modelo de referencia OSI . Especifica las siguientes capas: [16]
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Los cajeros automáticos se hicieron populares entre las compañías telefónicas y muchos fabricantes de computadoras en la década de 1990. Sin embargo, incluso a finales de la década, la mejor relación precio/rendimiento de los productos basados en el Protocolo de Internet competía con la tecnología ATM para integrar el tráfico de red en tiempo real y en ráfagas. [17] Empresas como FORE Systems se centraron en productos ATM, mientras que otros grandes proveedores como Cisco Systems ofrecieron ATM como una opción. [18] Después del estallido de la burbuja de las puntocom , algunos todavía predijeron que "el cajero automático va a dominar". [19] Sin embargo, en 2005, el Foro ATM , que había sido la organización comercial que promovía la tecnología, se fusionó con grupos que promovían otras tecnologías y finalmente se convirtió en el Foro de Banda Ancha . [20]
El cajero automático inalámbrico, [21] o cajero automático móvil, consta de una red central de cajero automático con una red de acceso inalámbrico. Las células ATM se transmiten desde las estaciones base a los terminales móviles. Las funciones de movilidad se realizan en un conmutador ATM de la red central, conocido como "conmutador cruzado", [22] que es similar al MSC (centro de conmutación móvil) de las redes GSM. La ventaja del cajero automático inalámbrico es su gran ancho de banda y transferencias de alta velocidad realizadas en la capa 2. A principios de la década de 1990, los laboratorios de investigación Bell Labs y NEC [23] trabajaron activamente en este campo. En esta área también trabajó Andy Hopper del Laboratorio de Computación de la Universidad de Cambridge . [24] Se formó un foro de cajeros automáticos inalámbricos para estandarizar la tecnología detrás de las redes de cajeros automáticos inalámbricos. El foro contó con el apoyo de varias empresas de telecomunicaciones, incluidas NEC, Fujitsu y AT&T . Mobile ATM tenía como objetivo proporcionar tecnología de comunicaciones multimedia de alta velocidad, capaz de ofrecer comunicaciones móviles de banda ancha más allá de las de GSM y WLAN.