El modo de transferencia asíncrono ( ATM ) es un estándar de telecomunicaciones definido por el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares y el Sector de Normalización de las Telecomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-T, anteriormente CCITT) para la transmisión digital de múltiples tipos de tráfico. ATM se desarrolló 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 se diseñó para integrar redes de telecomunicaciones. Puede manejar tanto el tráfico de datos de alto rendimiento tradicional como el contenido de baja latencia y en tiempo real , como la telefonía (voz) y el video. [2] [3] ATM proporciona una funcionalidad que utiliza características de las redes de conmutación de circuitos y conmutación de paquetes mediante el uso de multiplexación por división de tiempo asíncrona . [4] [5] ATM fue visto en la década de 1990 como un competidor de Ethernet y las redes que transportaban tráfico IP ya que, a diferencia de Ethernet, era más rápido y estaba diseñado teniendo en cuenta la calidad del servicio, pero cayó en desgracia una vez que Ethernet alcanzó velocidades de 1 gigabits por segundo. [6]
En la capa de enlace de datos (capa 2) del modelo de referencia de interconexión de sistemas abiertos (OSI) , las unidades de transferencia básicas se denominan tramas . En ATM, estas tramas tienen una longitud fija (53 octetos ) y se denominan celdas . Esto difiere de enfoques como el Protocolo de Internet (IP) (capa 3 de OSI) 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 suelen estar preconfiguradas por el proveedor de servicios) o conmutados (se configuran por llamada mediante señalización y se desconectan cuando finaliza la llamada).
El modelo de referencia de red ATM se corresponde aproximadamente con las tres capas más bajas del modelo OSI: capa física , capa de enlace de datos y capa de red . [7] ATM es un protocolo básico 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 (ISDN), pero ha sido reemplazado en gran medida en favor de redes de próxima generación basadas en tecnología IP. El ATM inalámbrico y móvil nunca estableció una presencia significativa.
Para minimizar el retraso en la cola y la variación del retraso de los paquetes (PDV), todas las celdas ATM tienen el mismo tamaño pequeño. La reducción de 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, una jerarquía digital síncrona de 155 Mbit/s con una carga útil de 135 Mbit/s se consideraba un enlace de red óptica rápido, y muchos enlaces de jerarquía digital plesiócrona en la red digital eran considerablemente más lentos, desde 1,544 a 45 Mbit/s en los EE. UU. y de 2 a 34 Mbit/s en Europa.
A 155 Mbit/s, una trama Ethernet típica de 1500 bytes de longitud completa tardaría 77,42 μs en transmitirse. En una línea T1 de menor velocidad de 1,544 Mbit/s , el mismo paquete tardaría hasta 7,8 milisegundos. Un retraso en la cola inducido por varios paquetes de datos de este tipo podría superar la cifra de 7,8 ms varias veces. Esto se consideró inaceptable para el tráfico de voz.
El diseño de ATM apuntaba a una interfaz de red de baja fluctuación. Se introdujeron celdas para proporcionar demoras de cola cortas y, al mismo tiempo, seguir admitiendo el tráfico de datagramas . ATM dividió todos los paquetes de datos y flujos de voz en fragmentos de 48 bytes, agregando un encabezado de enrutamiento de 5 bytes a cada uno para que pudieran volver a ensamblarse más tarde. Al tener un tamaño de 1/30, redujo la fluctuación de contención de celdas en el mismo factor de 30.
La elección de 48 bytes fue política más que técnica. [8] [9] Cuando el CCITT (ahora ITU-T) estaba estandarizando ATM, las partes de los Estados Unidos querían una carga útil de 64 bytes porque se pensaba que era un buen compromiso entre cargas útiles más grandes optimizadas para la transmisión de datos y cargas útiles más cortas optimizadas para aplicaciones en tiempo real como la voz. Las partes de Europa querían cargas útiles de 32 bytes porque el tamaño pequeño (4 ms de datos de voz) evitaría la necesidad de cancelación de eco en llamadas de voz nacionales. Estados Unidos, debido a su mayor tamaño, ya tenía canceladores de eco ampliamente implementados. La mayoría de las partes europeas finalmente aceptaron los argumentos presentados por los estadounidenses, pero Francia y algunos otros se mantuvieron a favor de una longitud de celda más corta.
Se eligieron 48 bytes como compromiso, a pesar de tener todas las desventajas de ambas propuestas y el inconveniente adicional de no ser una potencia de dos en tamaño. [10] Se eligieron encabezados de 5 bytes porque se pensó que el 10% de la carga útil era el precio máximo a pagar por la información de enrutamiento. [1]
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 para fines de operaciones, administración y gestión (OAM), y para delinear los límites de los 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 la congestión de la red y como un 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 reservada para uso futuro.
Varios protocolos de enlace ATM utilizan el campo HEC para controlar un algoritmo de encuadre basado en CRC , que permite localizar las celdas ATM sin sobrecarga más allá de la que se necesita 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, la celda actual y las subsiguientes se descartan hasta que se encuentra una celda sin errores de encabezado.
Una celda UNI reserva el campo GFC para un sistema de control de flujo local y submultiplexación entre usuarios. Esto se hizo para permitir que varios terminales compartan una única conexión de red de la misma manera que dos teléfonos ISDN pueden compartir una única conexión ISDN de velocidad 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. Por lo tanto, una sola interconexión ATM NNI es capaz de direccionar casi 2 12 VP de hasta casi 2 16 VC cada uno. [a]
ATM admite distintos tipos de servicios a través de las AAL. Las AAL estandarizadas incluyen AAL1, AAL2 y AAL5, y las raramente utilizadas [12] AAL3 y AAL4. AAL1 se utiliza para servicios de tasa de bits constante (CBR) y emulación de circuitos. La sincronización también se mantiene en AAL1. AAL2 a AAL4 se utilizan para servicios de tasa de bits variable (VBR) y AAL5 para datos. La AAL que se utiliza para una celda determinada no se codifica en la celda. En cambio, se negocia o se configura en los puntos finales en función de cada conexión virtual.
Tras el diseño inicial de ATM, las redes se han vuelto mucho más rápidas. Una trama Ethernet de tamaño completo de 1500 bytes (12000 bits) tarda solo 1,2 μs en transmitirse en una red de 10 Gbit/s, lo que reduce la motivación de las celdas pequeñas para reducir la fluctuación debido a la contención. Las velocidades de enlace incrementadas por sí solas no eliminan la fluctuación debido a la cola.
ATM proporciona una capacidad útil para transportar múltiples circuitos lógicos en un único medio físico o virtual, aunque existen otras técnicas, como Multi-link PPP , Ethernet VLAN , VxLAN, MPLS y soporte multiprotocolo sobre SONET .
Una red ATM debe establecer una conexión antes de que dos partes puedan enviarse celdas entre sí. Esto se denomina 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 necesiten las partes que se comunican. La creación de SVC se gestiona mediante señalización , en la que la parte solicitante indica la dirección de la parte receptora, el tipo de servicio solicitado y los parámetros de tráfico que puedan aplicarse al servicio seleccionado. A continuación, la red realiza la admisión de llamadas para confirmar que los recursos solicitados están disponibles y que existe una ruta para la conexión.
ATM funciona como una capa de transporte basada en canales, utilizando VC. Esto se engloba en el concepto de rutas virtuales (VP) y canales virtuales. Cada celda ATM tiene un par de identificadores de ruta virtual (VPI) de 8 o 12 bits y un identificador de canal virtual (VCI) de 16 bits definidos en su encabezado. [13] El VCI, junto con el VPI, se utiliza para identificar el próximo destino de una celda a medida que 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 celdas atraviesan una red ATM, se produce una conmutación modificando los valores VPI/VCI (cambio 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 dado podría llegar a su destino por una ruta diferente a los demás). [14] 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 canal lógico en X.25 .
Otra ventaja del uso de circuitos virtuales es 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. [15]
ATM puede construir circuitos virtuales y rutas virtuales de forma estática o dinámica. Los circuitos estáticos (circuitos virtuales permanentes o PVC) o las rutas (rutas virtuales permanentes o PVP) requieren que el circuito esté compuesto por una serie de segmentos, uno por cada par de interfaces por las que pasa.
Los PVP y los PVC, aunque conceptualmente son simples, requieren un esfuerzo significativo en redes grandes. Tampoco admiten el redireccionamiento del servicio en caso de falla. Los PVP (soft PVP o SPVP) y los PVC (soft PVC 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 ruta muy potente 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 es el contrato de tráfico . Cuando se establece un circuito ATM, cada conmutador del circuito recibe información sobre la clase de tráfico de la conexión. Los contratos de tráfico ATM forman parte del mecanismo mediante el cual se garantiza la calidad del servicio (QoS). Existen 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 en tiempo 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 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 red a red (NNI) utilizando el control de parámetros de uso/red (UPC y NPC). [16] El modelo de referencia dado por la UIT-T y el Foro ATM para UPC y NPC es el algoritmo genérico de velocidad de celda (GCRA), [17] [18] que es una versión del algoritmo de cubo con fugas . El tráfico CBR normalmente se vigilará a un PCR y CDVT solo, mientras que el tráfico VBR normalmente se vigilará utilizando un controlador de cubo con fugas dual a un PCR y CDVT y un SCR y tamaño máximo de ráfaga (MBS). El MBS normalmente será el tamaño del paquete ( SAR - SDU ) para el VC VBR en celdas.
Si el tráfico en un circuito virtual excede su contrato de tráfico, según lo determinado por la GCRA, la red puede descartar las celdas o establecer el bit de Prioridad de pérdida de celdas (CLP), lo que permite descartar las celdas en un punto de congestión. El control básico 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 celdas 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 ATM a usuario ATM (AUU) en el campo de tipo de carga útil del encabezado, que se establece en la última celda de una SAR-SDU.
La modelación del tráfico generalmente se lleva a cabo en el controlador de interfaz de red (NIC) en el equipo del usuario e intenta garantizar que el flujo de celdas en un VC cumpla con su contrato de tráfico, es decir, que las celdas no se eliminen ni se reduzca la prioridad en la UNI. Dado que el modelo de referencia proporcionado para el control del tráfico en la red es el GCRA, este algoritmo también se utiliza normalmente para la modelación, y se pueden utilizar implementaciones de contenedores con fugas simples y dobles según corresponda.
El modelo de referencia de red ATM se corresponde aproximadamente con las tres capas más bajas del modelo de referencia OSI . Especifica las siguientes capas: [19]
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En los años 1990, el ATM se hizo popular entre las compañías telefónicas y muchos fabricantes de computadoras. Sin embargo, incluso a fines 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. [20] Empresas como FORE Systems se enfocaron en productos ATM, mientras que otros grandes proveedores como Cisco Systems proporcionaron ATM como una opción. [21] Después del estallido de la burbuja punto-com , algunos todavía predijeron que "ATM va a dominar". [22] 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 . [23]
ATM inalámbrico, [24] o ATM móvil, consiste en una red central ATM con una red de acceso inalámbrica. Las celdas ATM se transmiten desde estaciones base a terminales móviles. Las funciones de movilidad se realizan en un conmutador ATM en la red central, conocido como conmutador de cruce , [25] que es similar al centro de conmutación móvil de las redes GSM.
La ventaja de la ATM inalámbrica es su gran ancho de banda y las transferencias de alta velocidad realizadas en la capa 2. A principios de la década de 1990, los laboratorios de investigación Bell Labs y NEC trabajaron activamente en este campo. [26] Andy Hopper, del Laboratorio de Computación de la Universidad de Cambridge, también trabajó en esta área. [27] Se formó un foro ATM inalámbrico para estandarizar la tecnología detrás de las redes ATM inalámbricas. El foro fue apoyado por varias empresas de telecomunicaciones, incluidas NEC, Fujitsu y AT&T . La ATM móvil 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.
Después de un largo debate, los comités finalmente se unieron en dos bandos: uno que abogaba por celdas de 32 bytes, el otro por celdas de 64 bytes. En un espíritu de compromiso técnico, finalmente se acordó una carga útil ATM de 48 bytes.
1989: CCITT se comprometió y fijó la carga útil en 48. Desafortunadamente, nadie estaba contento. Estados Unidos no obtuvo una potencia de 2, un encabezado de 5 bytes representa un 10 % de sobrecarga. 48 bytes demasiado altos y Francia necesitaría canceladores de eco.