Asynchronous Transfer Mode – einheitliche Plattform für die Übertragung multimedialer Daten

Wie ATM die Vorteile der Leitungs- und Paketvermittlung vereint

27.02.2008 | Autor / Redakteur: Gerhard Kafka / Andreas Donner

Wie ein breites Förderband transportiert ATM die Informationen in priorisierten Zellen; Quelle: pixelio
Wie ein breites Förderband transportiert ATM die Informationen in priorisierten Zellen; Quelle: pixelio

Aus den Firmennetzen längst von der IP-Technik verdrängt ist ATM in Wide und Metropolitan Area Networks immer noch ein Garant für hohe Übertragungsqualität. Was den Asynchronous Transfer Mode ausmacht und was es über ATM zu wissen gibt, zeigt dieser Beitrag.

In der Vergangenheit wurden für die unterschiedlichen Kommunikationsformen Sprache, Daten und Video spezifische Netzwerke implementiert: analoge und digitale Sprachnetze, Datennetze (X.25, Frame Relay), Kabelfernsehnetze und Mobilfunknetze. In den späten 80er Jahren wurde das Sprachnetz digitalisiert. Da aber die ISDN-Kanalstruktur mit ihren 64 kBit/s nur begrenzte Kapazitäten zur Verfügung stellte, wurde bei ITU-T mit der Entwicklung von Breitband-ISDN (B-ISDN) begonnen.

Für B-ISDN wurden zwei wichtige Technologien definiert: SDH (Synchrone Digitale Hierarchie) und ATM (Asynchroner Transfer Mode). Damit sollte ein einheitliches und zukunftssicheres Weitverkehrsnetz für alle Anwendungen geschaffen werden. Die bisher getrennten Welten der Sprach- und Datenkommunikation sollten darüber zusammengeführt werden.

Mitte der 90er Jahre haben sogar viele große Unternehmen ihre Firmennetze auf Basis der vom ATM Forum erarbeiteten Spezifikationen aufgebaut. Heute sind die „privaten“ ATM-Netze jedoch in der Regel durch IP-Infrastrukturen ersetzt. Das ATM Forum ist heute gemeinsam mit dem Frame Realy Forum im IP/MPLS Forum integriert. In den öffentlichen Netzen ist ATM jedoch nach wie vor der Garant für hohe Qualität.

Durch den Einsatz von ATM können Netzbetreiber eine Reihe von Vorteilen erzielen (siehe hierzu auch Abbildung 1):

  • Integration von Diensten für Sprache, Bild, Video, Text, Daten und Multimedia sowie flexible Anpassung an die unterschiedlichsten Anforderungen und Verkehrsprofile
  • Vereinheitlichte Netzstrukturen und -komponenten führen zu verbesserter Effizienz und Verwaltbarkeit
  • Bereitstellung von angepassten Bandbreiten für neue Anwendungen in Telemedizin, Videoverteilung und Telelearning
  • Medienunabhängige Übertragung der ATM-Zellen über die dafür transparenten Technologien wie PDH, SDH/SONET u.a.
  • Die skalierbare ATM-Technologie lässt sich sehr flexibel an Kundenwünsche anpassen
  • Die Dienstegüte (QoS) kann an die vom Kunden gewünschten Dienste angepasst und auch garantiert werden
  • ATM kann in Firmen-, Zugangs- und Weitverkehrsnetzen eingesetzt werden und stellt damit eine durchgängige Ende-zu-Ende Lösung zur Verfügung. Bei ADSL-Anschlüssen erfolgt der Transport über ATM-Verbindungen.

ATM im Überblick

ATM ist ein verbindungsorientiertes, zellvermitteltes Datenübertragungsverfahren (siehe Abbildung 2) und basiert auf dem Konzept der schnellen Paketvermittlung FPS (Fast Packet Switching). ATM vereint die Vorteile der Leitungs- und der Paketvermittlung auf einer Plattform. Die Übertragung von Nutz- und Signalisierungsinformationen erfolgt mit Zellen, die eine feste Länge von 53 Oktetts besitzen. Auf einer ATM-Verbindung werden kontinuierlich aneinander gehängte Zellen übertragen, auch wenn keine Informationen zu transportieren sind. Damit wird zugleich die Synchronisierung der Übertragungsleitung aufrechterhalten.

Das ATM-Referenzmodell (siehe Abbildung 3) verdeutlicht, dass sich die Standardisierung auf die Schichten 1 und 2 des OSI-Schichtenmodells konzentriert. Der physikalische Layer sorgt für die Anpassung der Signale an das Übertragungsmedium. Im ATM-Layer wird das Format der Zellen bestimmt. Und der ATM-Adaptionslayer (AAL) dient als Schnittstelle zu den Diensten. Diese werden in vier Klassen bereitgestellt:

  • AAL 1: CBR (Constant Bit Rate) dient zur Leitungsemulation und ist mit einer Festverbindung vergleichbar
  • AAL 2: VBR (Variabel Bit Rate) ist mit variabler Bitrate für Echtzeitanwendungen wie Sprache oder Video vorgesehen
  • AAL 3/4: stellt verbindungsorientierte Datenverbindungen bereit
  • AAL 5: stellt verbindungslose Datenverbindungen (z.B. IP) bereit.

Die ATM-Zelle (siehe Abbildung 4) besteht aus einem Header mit 5 Oktetts und einem Nutzdatenfeld mit 48 Oktetts. Im ATM-Header werden keine expliziten Quell- und Zieladressen angegeben, sondern jeweils ein virtueller Pfad und ein virtueller Kanal. Ein virtueller Pfad (VP = Virtual Path) ist eine temporär geschaltete Verbindung, die sich wie eine Festverbindung verhält. Zur Kennzeichnung wird ihr ein VPI (Virtual Path Identifier) zugeordnet. Ein virtueller Kanal (VC = Virtual Channel) ist ein Übertragungskanal, der innerhalb eines VPs die spezifische Anwendung adressiert. Zur Kennzeichnung dient ein VCI (Virtual Channel Identifier). Ein virtueller Pfad besteht somit aus mehreren virtuellen Kanälen, wobei komplexe Anwendungen mehrere virtuelle Kanäle gleichzeitig belegen können.

Für den Einsatz von ATM im LAN war es notwendig, die geeignete Emulation bereitzustellen. Da diese Emulation in der Schicht 2 arbeitet, lassen sich damit sowohl routebare als auch nicht routebare Protokolle übertragen. Für den Transport von IP-Paketen wurden deshalb verschiedene Verfahren entwickelt, die nachfolgend kurz beschrieben werden.

CLIP steht als Abkürzung für „Classical IP“. Damit werden Datenpakete aus unterschiedlichen Netzen (Ethernet, Token Ring) über ATM transportiert. Mit der Methode „Logical Link Control Encapsulation“ werden die virtuellen Verbindungen aufgebaut. Die mittels CLIP transportierten Datenpakete können aber nur immer innerhalb eines IP-Subnetzes transportiert werden, da ATM keine Routing-Funktion bereitstellt.

Mit LANE (LAN Emulation) kann eine existierende LAN-Infrastruktur auf ATM abgebildet werden. Das emulierte LAN (ELAN) besitzt eine Client/Serverarchitektur, bei welcher jedes Endgerät über einen softwareseitigen „LAN Emulation Client“ (LEC) verfügt. Dieser stellt die Steuerverbindungen zu den einzelnen LANE-Servern her. Damit können direkte Datenverbindungen zu anderen LECs aufgebaut werden. Broadcasts sind möglich, indem eine Nachricht an den „Broadcast and Unknown Server“ (BUS) geschickt wird, der diese an alle Clients verteilt. Das ELAN wird von einem „LAN Emulation Configuration Server“ (LECS) konfiguriert. Schließlich ist noch ein LAN-Emulations-Server (LES) erforderlich, der zur Registrierung einzelner Clients und zur Ermittlung von Adressen dient.

Das „Multiprotocol Encapsulation over ATM“-Verfahren (MPoA) eliminiert die Nachteile der beiden zuvor genannten Verfahren und ermöglicht das Routing zwischen Subnetzen. Außerdem kann hier die Dienstegüte für einzelne Anwendungen garantiert werden. Es basiert ebenfalls auf einer Client/Serverarchitektur. Die MPoA-Server dienen als virtuelle Router und haben die Aufgabe, die Route zum Zielnetz zu ermitteln. Die MPoA-Clients bauen mit den Informationen der MPoA-Server die gewünschte Verbindung auf, und übernehmen den eigentlichen Datentransport.

Über den Autor

Gerhard Kafka arbeitet als freier Fachjournalist für Telekommunikation in Egling bei München.

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