Asynchronous Transfer Mode

The Role of Asynchronous Transfer Mode(ATM의 역할)

• ATM은 효율적인 스위칭 방식
• 통계적 다중화를 기반
• 전송되는 패킷의 길이는 고정길이
  → 고정 길이 패킷 : Cell
  • 작고 고정된 길이(53byte)
  • 고정길이의 패킷을 사용함으로써 효율적인 다중화 가능
• 지연을 줄일 수 있음
• 지연의 변이도 줄일 수 있음
• 서비스 품질 향상
• 연결의존서비스
• circuit switching의 성능을 가지면서 packet switching의 융통성과 효율성을 가짐
• 어떠한 서비스도 제공가능(실시간 or 비실시간) : 데이터, 음성, 비디오
• QoS 서비스 품질 제공
• 우선순위 컨트롤 가능

ATM

• ITU-T : international tele communication union
• ATU Forum
• 다중화 스위칭 기법 사용
• IP네트워크와 인터넷의 backbone망에서 사용
• Streamlined packet transfer interface 사용
• packet switching, frame relay와 비슷
  • 셀 단위로 전송
  • 하나의 물리적 선으로 다수개의 논리적 연결을 제공 - 다중화 기법 사용
• ATM은 광섬유를 기반으로 한 망
  • 광섬유는 용량이 큼 → 상당히 많은 수의 사용자가 공유
• 망을 고속화하기 위해서는 error control과 flow control을 줄여야 함
  • 에러 컨트롤 방식
    • point to point : 매 노드를 지날 때마다 에러를 컨트롤
    • end to end : 중간 노드에서는 에러 체크 안 함, 신뢰성이 높아야 함
• ATM은 광섬유를 기반으로 하기 때문에 망의 신뢰성이 높음 → end to end error control → 고속가능

Protocol Architecture

• Layer : 계층
• Plane : 평면
• User plane : 사용자 정보를 전달하기 위한 평면, 음성 데이터
• Control plane : 지역 평면, 컨트롤 신호를 보내는 평면, 다이얼 정보
• Management Plane : 관리 평면, 두 종류의 관리 수행(Layer management, Plane management)
• Physical Layer : 물리 계층
  • 셀은 비트로 구성 → 각 비트를 신호로 바꿔줌(광신호)
• ATM Layer : 프레임을 만드는 layer
  • 셀에는 헤더가 있음
  • header 5 byte, payload 48byte
  • ATM header를 만들어 붙임
• Higher Layer : 응용 계층
• 음성이라는 긴 데이터를 48바이트보다 작은 단위로 자른 후 셀 헤더를 붙여 셀을 완성시켜 비트단위로 신호로 바꿈
• 수신 측에서는 신호를 받아 비트로 바꾸고 셀 단위로 ATM 계층으로 올라가 셀 허더를 처리한 후 제거하여 payload를 AAL로 보내어 조립 후 higher layer로 보내줌

Reference Model Planes

• User Plane : 사용자 정보 전송
• Control Plane : 컨트롤 신호를 전송, 컨트롤 신호는 call control, 연결 컨트롤, 다이얼 정보
• Management Palne
  • Plane Management : 전체 시스템 관리와 coordination 사이에 자리
  • Layer Management : 자원과 파라미터 사이에 자리

ATM Network Interface

• UNI(user-network interface) : 사용자와 망 사이의 인터페이스
  • audio, router, LAN switch, workstation, video, server
  • backbone망 구성요소 : 네트워크 노드(ATM에서는 ATM스위치)
• NNI(network node interface) : 노드와 망 사이의 인터페이스
• 링크의 타입 정의
• 주소 형식
• 셀 형식
• 컨트롤 신호를 주고받는 프로토콜에 대한 정의

  

ATM Logical Connection

• 패킷스위칭에서 Virtual circuit과 같은 컨셉
• Connection orientation
• ATM망은 광섬유를 기반으로 만들어짐
• 광섬유의 용량은 매우 큼(수십 테라바이트)
• ATM망에서 광섬유를 계층화하여 연결을 설정하는 개념 도입
• 하나의 광섬유를 다수개의 virtual path로 나눔
• 하나의 virtual path는 다수 개의 virtual channel로 구성
• Virtual channel은 virtual circuit과 유사
• 두 end user를 연결
• 하나의 end user쌍은 하나의 virtual cahnnel사용
• 가변 속도
• Full duplex 제공
• 고정된 셀로 전송
• VCC의 용도
  • 컨트롤 신호를 주고받을 수 있음
  • Network management와 routing을 주고받음

ATM Virtual Path Connection

• Virtual Path Connection(VPC)
  • 다수개의 virtual channel로 구성된 것이 virtual path
  • 시작점과 끝점이 같은 것들의 모임

    

Advantages of Virtual Path

• virtual path의 장점
  • group control
  • 네트워크 구조를 단순화할 수 있음
  • 네트워크 성능과 신뢰성을 증가시킴
  • 프로세싱을 줄이고 연결 설정 시간이 짧음(오버헤드 줄임)
  • 네트워크 서비스 향상
  • 우선순위가 높으면 대역폭을 많이 할당 → 전송 성공할 확률 높아짐

Virtual Path/Virtual Channel Terminology

• Virtual Channel(VC)
• Virtual Channel Link : virtual channel을 제공하는 것
• Virtual Channel Identifier : VC번호, VC는 여러 개이므로 구분할 수 있어야 함
• Virtual Channel Connection(VCC)
• Virtual Path
• Virtual Path Link
• Virtual Path Identifier(VPI)
• Virtual Path Connection(VPC) : 목적지까지 다수개의 virtual path 제공, 직렬연결

Call Establishment Using VPs

• Call 설정 과정
  • VPC가 존재하는가(목적 노드로 가는 경로가 있는가?)
  • VPC가 있다면 서비스 품질을 만족하는가?
  • 서비스 품질을 만족하면 연결 설정
  • 서비스 품질 만족 안 하면 막거나 용량을 더 만들어 봄
    • 만족하는 품질이 만들어지면 연결을 설정
    • 만들 수 없으면 거절
  • VPC가 존재하지 않으면 새로운 VPC설정

Virtual Channel Connection Uses

• end user 사이의 사용
• end user와 네트워크 간의 사용
• 네트워크 내에서의 사용

Virtual Channel Characteristics

• VC마다 서비스 품질이 다를 수 있음
• Virtual channel은 switched가 될 수도 있고 semi-permanent channel이 될 수도 있음
  • Permanent는 선이 영원히 연결되어 있는 것
  • Switched는 call에 의해 switch가 설정됨
  • Semi-permanent는 네트워크 오퍼레이터에 의해 연결됨
    • 상대적으로 연결시작이 길다
• ATM은 기본적으로 preventive control(예방제어)
  • 예측을 위해 connection admission control을 함
  • 망의 서비스를 받고 싶으면 망에 요구조건을 신고
  • 망이 요구조건을 수용할 수 있으면 받아들이고 할 수 없으면 거절함
  • ⇒ 서비스 품질이 좋음
  • Reactive control(반응제어) - 저속망에는 적합하지만 고속망에는 적합하지 않음
  • 고속망은 패킷의 길이가 짧음 → 링크 위에 올라갈 수 있는 패킷의 수가 많음
  • 망이 바쁠 때 고속망은 못 받는 패킷의 수가 많음
• 트래픽 파라미터(사용자 요구사항) 협상
• 사용 모니터링 - 허용한 사용자가 신고한 대로 망을 사용하고 있는지 관리

Virtual Path Characteristics(VP 특징)

• VP마다 서비스 품질이 다를 수 있음
• Switched, semi-permanent channel을 제공
• 셀 순서가 보장됨
• 트래픽 파라미터 협상, 사용 모니터링
• 같은 VPC 내에서만 virtual channel identifier제한

Control Signaling - VCC

• virtual channel connection을 이용하는 것
• VCC를 설정하고 해제하기 위해 사용
• Control Signal을 전송하기 위해 별도의 연결을 사용
• 방법
  • Semi-permanent VCC
  • meta- signaling channel : control channel을 최소만 가지고 control channel에 의해 새로운 control channel을 생성할 수 있음 , 필요에 따라 control channel을 생성 가능
  • 사용자 네트워크 사이의 signaling
  • 사용자와 사용자 사이의 signaling

Control Signaling - VPC

• VP를 설정하는 방법
  1. Semi-permanent - 언제든지 원하면 변경할 수 있지만 한번 설정하면 변경 주기가 길다
  2. customer controlled - 사용자가 경로를 만들어 냄
  3. network controlled - 네트워크가 경로를 만들어 냄

ATM Signaling

• UNI Signaling
  • end user와 switch node사이에서 사용
  • 프로토콜 정의
• NNI Signaling
  • switch들 간의 사용
  • Signaling과 routing이 필요

ATM Cells

• 53바이트(헤더 5바이트, 페이로드 48바이트)
• Header
  • virtual channel identifier : 16비트
    • 하나의 virtual path가 가질 수 있는 최대 virtual channel의 수는 2^16개
  • virtual path identifier
    • UNI - 8비트, 하나의 물리적 링크가 2^8개의 virtual path를 가짐\
      • Generic flow control : 4비트, ATM에서는 한번 받으면 책임을 지므로 망 내에서는 flow control을 하지 않고 user와 네트워크 사이에서 미리 flow control을 함
    • NNI - 12비트, 하나의 광섬유가 2^12개의 virtual path를 가짐, UNI보다 채널 용량이 큼
  • payload type : 3비트, 8가지 경우, payload가 데이터인지, control인지 등 형태를 나타냄
  • CLP : 1비트, 우선순위를 나타냄, 1(true)이면 우선적으로 폐기처분 대상(우선순위가 낮음)
  • Head Error Control(HEC) : 8비트, 헤더의 에러를 감지하기 위해 사용, 1비트 이상의 에러를 감지하고, 1비트 에러를 정정할 수 있는 능력이 있음

Payload Type(PT) Filed Coding

• 000 : user data 셀, 혼잡을 겪지 않음, Service Data Unit = 0
• 001 : user data 셀, 혼잡을 겪지 않음, Service Data Unit = 1(payload에 maintenance관련 정보도 실어 보낼 수 있음)
• 010 : user data 셀, 혼잡을 겪음, SDU = 0
• 011 : user data 셀, 혼잡을 겪음, SDU = 1
• 100,101 : OAM(operation, administration, maintenance)
• 110 : 자원 관리와 관련된 셀
• 111 : 미래의 사용을 위해 남겨져 있음

Generic Flow Control(GFC)

• UNI에만 있음
• uncontrolled transmission - controlled보다 우선적으로 전송될 수 있음
• controlled transmission : 제어 대상이 있음
• 모든 연결은 컨트롤 제어의 대상이 될 수도 있고 안 될 수도 있음
• 플로우 컨트롤 대상이면
  • 한 개의 그룹(A)
  • 두 개의 그룹(A, B)
• Flow control은 subscriber에서 network까지에 해당(UNI)

GFC - Single Group of Connections

• TRANSMIT : 1이면 전송 가능, 0이면 전송 불가능
  • 1이면 uncontrolled cell은 항상 전송 가능, 0이면 어떤 셀도 보낼 수 없음
• HALT신호를 받으면 TRANSMIT이 0이 됨
  • 네트워크가 subscriber에게 HALT신호를 보냄
• NO_HALT(해지) 신호가 올 때까지 전송 불가능
• TRANSMIT이 1이지만 uncontrolled cell이 없으면 controlled를 보내야 함
  • controlled를 너무 많이 보내면 망에 영향을 미치기 때문에 망에 상황에 따라 제한함
  • GO_CNTR > 0 : 카운터 값이 0보다 크면 카운터에 있는 수만큼 controlled cell을 보낼 수 있음
    • 하나 보낼 때마다 카운터 값 감소
    • 카운터 값이 0이 되면 보낼 수 없음
    • 0이 되면 초기화해야 함
• TE는 네트워크로부터 SET신호를 받으면 카운터 값을 GO_VALUE로 설정

Use of HALT

• HALT를 받으면 TRANSMIT이 0
• ATM에서 데이터 전송 속도 제한
• HALT가 반 이상이 되면 실질적으로 집어넣는 시간이 50%도 안됨
• HALT를 주기적으로 줄 수 있음

Generic Flow Control(GFC) Filed Coding

• 0000 : uncontrolled
• 01__ : A가 controlled
• 0_1_ : B가 controlled
• 마지막 비트 : 네트워크 컨트롤

Two Queue Model

• 카운터 2개, GO_VALUE 2개
  • GO_CNTR_A
  • GO_VALUE_A
  • GO_CNTR_B
  • GO_VLAUE_B

Header Error Control

• 1비트 이상의 에러를 감지할 수 있고 1비트 에러를 정정할 수 있음
• Correction Mode : 초기 상태, 에러가 발견되지 않으면 이 상태를 계속 유지, 1비트 에러가 발생하면 detection mode로 천이하면서 에러 정정
• Detection Mode : 에러가 더 이상 발생하지 않으면 correction mode로 천이, 에러가 더 발견되면 정정하지 않고 폐기
  • ATM은 신뢰성이 높은 망을 기반으로 만들어짐 → 연속적으로 2개의 셀에서 에러가 발생하면 정상적이 상태가 아니라고 봄
  • 다수 비트에서 에러가 나면 폐기 처분하고 detection mode로 감

Effect of Error in Cell Header

• 셀이 들어옴
• 헤더에 에러가 있는지 확인
• 에러가 발생하지 않으면 합리적인 셀
• 헤더에 에러가 있는데 감지가 안되면 합리적인 셀로 착각하고 받음 → 의도한 서비스가 아님
• 에러를 감지하면 어떤 상태인지 확인
• Correction mode이면 정정 시도
• 1비트 에러이면 정정하고 다수개 비트 에러이면 폐기
• 정정에 성공하면 의도한 서비스
• 정정 실패하면 의도하지 않은 서비스
• Detection mode이면 폐기

Impact of Random Bit Errors on HEC Performance

• x축 : 1비트 에러가 발생할 확률
• 폐기 처분될 확률
• 에러가 있는 헤더가 합리적인 셀로 인식될 확률

Transmission of ATM Cells

• 셀 전송 방식 2가지
  • Cell based : 셀 단위로 전송
  • Frame based(SDH based) : 여러 셀을 모아 한의 프레임으로 전송
    • 단위 시간에 전송되는 프레임 수가 정해져 있음
• 다양한 속도 제공
  • OC1 : 51.84 Mbps
  • OC3 : 155.52 Mbps
  • 배수 관계 가짐

Cell Based Physical Layer

• 셀 단위로 전송
• 53바이트의 연속적인 셀 전송
• 수신 측에서는 연속적으로 보내지는 셀 단위를 인식할 수 있어야 함
  • 셀 시작과 끝을 인지할 수 있어야 함 → delineation 알고리즘 필요
  • 경계 식별 알고리즘은 헤더 에러 컨트롤 필드를 활용하여 만듦

Cell Delineation State Diagram

• Header의 마지막 바이트 HEC
• 처음 상태 HUNT 모드 : bit by bit 연산, 한 비트 받을 때마다 계산함
  • HEC 나눠서 떨어지면 PRESYNC로 이동
• PRESYNC : cell by cell : 53바이트 후 비교 셀 단위로 점검해서 나눠 떨어지지 않으면 HUNT모드로, 델타만큼 나눠 떨어지는 것이 확인되면 SYNC로 넘어감
• SYNC : cell by cell, 알파개의 연속적인 에러가 발생하면 HUNT모드로 이동

Impact of Random Bit Errors on Cell Delineation Performance

Acquisition Time vs Bit Error Rate

• Acquisition time : bit를 받기 시작해서 셀 경계를 식별하는 것이 완성되는 데까지 걸리는 시간
  • HUNT 모드에서 SYNC모드까지 가는 시간
  • 단위 : cell time
  • 채널 속도가 빨라지면 짧아짐

SDH Based Physical Layer

• Frame based
• 155.52 Mbps : STM-1, STS-3, OC-3
• 51 Mbps : OC-1
• 10 Gbps : OC-198

STM-1 Payload for SDH-Based ATM Cell Transmission

• 270Byte(10byte 오버헤드 + 260byte payload)
• row : 9
• 이런 프레임이 1초에 8000개 전송
• 한 프레임이 나가는 데 걸리는 시간 : 1/8000초 = 125 microsec
• 프레임 길이 = (270 * 9 * 8) bits
• 전송 속도 = (270 * 9 * 8) bits * 8000 = 155.Mbps
• H4 : 경계식별을 하기 위한 일종의 포인터

ATM Service Categories

• 실시간 서비스 : 지연이 제한됨, jitter(delay variation)
  • Constant bit rate(CBR) : 고정 비트율, 데이터율이 고정되어 있음, 음성데이터
  • Real time variable bit rate(rt-VBR) : 가변 비트율, 압축 비디오
• 비실시간 서비스
  • Non-real time variable bit rate(nrt-VBR) : 응답시간이 중요한 곳에서 사용(항공예약, 은행거래), peak cell rate, 평균 cell rate, cell rate가 얼마나 급격히 변하는지 측정
  • Available bit rate(ABR) : 이용 가능하면 보냄, 용량이 남아있으면 보냄, 미니멈이 정해져 있음(MCR)
    • MCR은 보장해 줌
    • LAN
  • Unspecified bit rate(UBR) : ABR가 동일하지만 미니멈이 정해져 있지 않음
    • cell loss나 가변 지연이 있는 것을 허용
    • BE(Best Effort) : 망이 여유 있으면 서비스의 퀄리티를 고려하지 않고 어떤 것도 서비스함 → 나쁜 서비스
    • Text/data/image, 전화
  • Guaranteed frame rate(GFR) : 일정한 시간 간격으로 전송할 수 있는 형태
    • Frame base traffic을 서비스함(IP, Ethernet)
    • 용량을 예약해서 사용하는 형태
    • 새로 추가된 서비스의 일종

ATM Bit Rate Services

• 속도를 높이는 방법
  • 채널의 속도를 절대적으로 높임
  • 같은 데이터 속도라 하더라도 효율적으로 상요하여 이용률을 높임