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ATM Netzwerke

Dieses Dokument beschreibt ATM-Netzwerke sowie deren Fehlerarten & Leistungsmerkmale. Unter anderem wird ATM in den verschiedenen Schichten genau definiert.


Autor: Oliver Bacun (Baol)
Datum: 13-02-2003, 18:24:58
Referenzen: Keine.
Schwierigkeit: Fortgeschrittene
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Glossar
ATM-Netzelement
Bezeichnung für ATM-Switches, ATM-Crossconnects, ATM-Konzentratoren, etc. im Gegensatz zum ATM-Endgerät.

Virtual Channel (VC)
wird die unidirektionale Verbindung zwischen zwei oder mehr ATM-Endgeräten zum sequentiellen Transport von ATM Zellen verstanden.

Virtual Channel Identifier (VCI)
16 Bit Identifikation aus dem ATM-Zellenkopf für eine Teilstrecke eines VC zwischen ATM-Endgerät und Vermittlungsstelle oder zwischen zwei ATM-Vermittlungsstellen.

Virtual Path (VP)
Zusammenfassung einer Gruppe von VCs (Kanalbündel) als Transporteinheit zwischen ATM-Endgerät und ATM-Netzelement oder zwischen ATM-Netzelementen.

Virtual Path Identifier (VPI)
8 Bit Identifikation aus dem ATM-Zellenkopf für das zum Transport der ATM-Zelle erforderliche Kanalbündel (VP)

Virtual Channel Link (VCL)
Unidirektionaler Transportweg von ATM-Zellen zwischen dem Punkt, an dem eine VCI zugewiesen wird und dem Punkt, an dem dieser Wert verändert oder entfernt wird. Ein VPL ist also in diesen Fällen ein durch einen VCI eindeutig bezeichneter Teil eines VC zwischen zwei Switches.

Virtual Path Link (VPL)
Unidirektionaler Transportweg von ATM-Zellen zwischen dem Punkt, an dem eine VPI zugewiesen wird und dem Punkt, an dem dieser Wert verändert oder entfernt wird. Ein VPL ist ein durch eine bestimmte VPI definiertes Kanalbündel zwischen ATM-Engerät und ATM-Netzelement oder zwischen ATM-Netzelementen.

Virtual Channel Connection (VCC)
ATM-Verbindung zwischen zwei ATM-Endgeräten, die sich aus mehreren, hintereinandergeschalteten VCLs zusammensetzt. Aus diesem Grunde kann sich die VPI einer VCC vom Sender bis zum Empfänger mehrmals ändern.

Virtual Path Terminator (VPT)
ATM-Netzelement, das die VCs eines VP zur einzelnen Weitervermittlung aus dem Kanalbündel heraustrennt.

Virtual Path Connection (VPC)
Eine unidirektionale Hintereinanderschaltung von VPLs zwischen zwei VPTs.

ATM-Crossconnect
Weiche. ATM-Netzelement zur Schaltung der Kanalbündel anhand der VPIs in verschiedene Richtungen.

ATM-Switch
Vermittlungsstelle. ATM-Netzelement, das virtuelle Verbindungen vermittelt. Dabei können sowohl VPI als auch VPI entsprechend der Durchschaltungsinformation verändert werden.

ATM-Connection
Geschaltete physikalische oder virtuelle Kanäle zwischen ATM-Endgeräten.

Header (Verwaltungskopf)

Teil einer Dateneinheit (z.B. Zelle), der die Verwaltungs- und Steuerdaten für die zu übertragenden Daten enthält.

Payload (Nutzdaten)
Die zu übertragenden Benutzerdaten.

Trailer
Steuerdaten, die an den Nutzdatenbereich angehängt werden.

Fehlerarten in ATM
Verfälschungen während einer Datenübertragung können größtenteils durch geeignete Mechanismen erkannt oder korrigiert werden. Es gibt zwei Arten von Verfälschungen:
  • Fehler (error): Ein Fehler ist ein Bit mit unbekanntem Wert an einer unbekannten Stelle.
  • Auslöschung (erasure): Eine Auslöschung ist ein Bit mit unbekanntem Wert an einer bekannten Stelle.
In welcher Art Fehler auftreten, ist vom verwendeten Medium und den verwendeten Mechanismen abhängig. Zwei Hauptgruppen werden unterschieden:
  • random bit error: Isolierte Verfälschung eines einzelnen Bits.
  • burst error: Hintereinander und zusammenhängend auftretende Verfälschungen.
Die für ATM typischen Fehlerarten werden in in zwei Gruppen eingeteilt:
  • ATM Zellenverlust durch Stauung (congestion)
  • Zufällige Bitfehler (random bit errors)
Während burst bit errors für Kupferdrahtmedien typisch ist, treten in Glasfaserverbindungen eher random bit errors auf [15]. Allerdings sind auch in Glasfaserleitungen burst errors denkbar. Ein plötzlicher Verlust einer Gruppe von Zellen kann beispielsweise durch defekte Repeater auf der Glasfaserstrecke verursacht werden, wenn auf eine Ersatzleitung umgeschaltet werden muss, was ungefähr alle vier Tage geschieht [115]. Die dazu benötigte Zeit von 20 bis 40 ms erhöhen die Bitfehlerrate beträchtlich. Bei einer Übertragungsrate von 155 Mbit/s werden dadurch durchnittlich ungefähr 10900 Zellen (was einem Nutzdatendatenumfang von ca. 0,5 MByte entspräche) in Mitleidenschaft gezogen. Das entspricht einer Fehlerwahrscheinlichkeit von ca. 8,6 * 10^-8 bei einer angenommenen durchschnittlichen burst-Länge von 30 ms.
Ein Verlust (loss) von ATM-Zellen tritt auf, wenn:
  1. ein nicht korrigierbarer Fehler auftritt,
  2. durch Stau (congestion) auf der Übertragungsstrecke Zellen verworfen werden und den Empfänger dadurch nicht erreichen. Wegen der hohen Variabilität der Datenraten der auf ATM benutzten Dienste, sind weder genaue Voraussagen noch allgemeingültige Statistiken möglich. Die in [115] angenommene Verlustrate von 10^-6 erscheint vor dem Hintergrund von modernen Übertragunsgraten im Gbit/s-Bereich nicht mehr als ausreichend. Eine Optimierung zur Vermeidung Zellenverlustes durch Stau wird in [19] beschrieben.
  3. ATM-Zellen falsch geleitet werden (misrouting). Das kann entweder aus einem verfälschten Header resultieren, bei dem der Fehler nicht erkannt wurde oder weil die Zelle absichtlich mit einem falschen Header versehen wurde. Im Fehlerfalle müsste allerdings die fehlerhafte Kombination von VPI/VCI-Feld und passendem HEC-Wert eine gültige Route ergeben. Werte im Bereich besser als 10^-10 [115] lassen dies jedoch sehr unwahrscheinlich erscheinen.

    In den meisten Arbeiten wird der Typ a) aufgrund von random errors bei der typischen Übertragung über Glasfaserstränge als vernachlässigbar klassifiziert. Da die hier auftretenden Verfälschungen mit einer charakteristischen Rate von 10^-9 auftreten [A, 15], sind ATM-Zellenverluste hierdurch sehr unwahrscheinlich. Selbst bei einer Datentransferrate von 622 Mbit/s und einer Wahrscheinlichkeit von 10^-18 kommen theoretisch solche Verfälschungen in sinnvollen Zeiträumen nicht vor. Allerdings könnten Fehler vom Typ burst error Zellenverluste in größerem Umfange verursachen.

    Typ b) hingegen ist nicht von physikalischen Bedingungen abhängig, sondern von der im benutzten Netz vorgefundenen Verkehrsdichte und den dafür verwendeten Steuermechanismen. Der mögliche Überlauf in den Eingangspuffern der Netzelemente (z.B. ATM-Switches) oder Protokollimplementationen (z.B. AAL-1 Byteumschichtung) ist eine Ursache von Zellenverlust, die in ATM-Netzen typischerweise in nicht vernachlässigbaren Größenordnungen vorkommt. Diese Art von Zellenverlust (congestion loss) kann in zeitlich begrenzten Ausbrüchen auftreten (bursts) und betrifft in der Regel direkt hintereinanderfolgende Zellen. Um dies zu minimieren, werden außer effektiven Korrekturmechanismen (FEC) an die ATM-Zellen zusätzlich Sequenznummern vergeben.

    In [117] zeigen Partridge, Hughes und Stone allerdings, dass die traditionelle Grundannahme für Fehlerraten, Nutzdaten kämen in statistischer Gleichverteilung (random data) vor, falsch ist und aus diesem Grunde die Eigenschaften von Prüfsummen und CRCs in praxi verzerrt werden können. In einem speziellen Falle kamen nur 0,01% der zulässigen Datenwerte in 19% der benötigten Zeit vor. Die aus solchen Eigenschaften resultierenden Extremverteilungen der Prüfsummen und CRCs beeinflussen das Verhalten im Fehlerfalle nicht unerheblich.

    Eine weitere Fehlerursache berichten Druschel, Peterson und Daviein [75]. Durch die Zusammenschaltung (striping) von vier 155 MBit/s-Kanälen wird im "Osiris"-Adapter eine effektive Übertragungsrate von 622 Mbit/s erzielt. Durch die unterschiedlichen Verzögerungen, welche die Zellen in den unterschiedlichen Kanälen erfahren, kann es zu einer Unterbrechung der vorgegebenen Reihenfolge der Zellen kommen. Gründe für die einzelnen Verzögerungen können durch unterschiedliche Pfadlängen auf der physikalischen Ebene, durch unterschiedliches Multiplexing und durch unterschiedliche Pufferung an verschiedenen Stellen des Netzes gegeben sein.
Alternativen zur Rückgewinnung unkorrigierbar empfangener Daten
Zwei Hauptgruppen von Mechanismen dienen zu Rückgewinnung fehlerhafter und nicht korrigierbarer Daten:
  • ARQ: Automatic Repeat Request
  • FEC: Forward Error Correction
Auch bei der Standardisierung von B-ISDN und ATM wurden verschiedene Ansätze diskutiert. Beispielsweise ARQ in [22] und FEC in [20].
Während ein reines ARQ-Protokoll in Netzen, die eine relativ große Verzögerung (delay) erlauben, unproblematisch zu implementieren ist, muss bei der Übertragung von Daten auf verzögerungsempfindlichen Strecken (Raumsonden, Breitbandnetze, etc.) oder bei hohen Übertragunsgraten ARQ versagen. Aus diesem Grunde werden intelligente Redundanzerweiterungsverfahren benutzt, mit deren Hilfe verfälschte oder verlorene Dateneinheiten effizient zurückgewonnen werden können ohne eine Wiederholung anzufordern.

Leistungsmerkmale in ATM
Es werden verschiedene Werte (Leistungsparameter) definiert, um die auftretenden Fehler in meßbaren Werten darstellen zu können.

physikalische Schicht
Corrected Header Ratio (CHR): Verhältnis der empfangenen Zellen mit fehlerhaftem, aber korrigierbarem Header (im Rahmen der durch das Verfahren gegebenen Korrigierbarkeit) und den insgesamt empfangenen Zellen. Discarded Cell Ratio: Verhältnis der mit fehlerhaftem, aber nicht korrigierbarem Zellenheader bestückten Header, die verworfen wurden und aller empfangenen Zellen. Loss of Cell Delineation Rate: Anzahl der Zellensynchronisationsverluste innerhalb eines definierten Zeitintervalls, dividiert durch die Zeitintevalldauer. Mean Loss of Delineation Duration: Anzahl der nicht eingetretenen Referenzereignisse aufgrund von Zellensynchronisationsverlusten innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls, dividiert durch die Summe aus dieser Zahl plus Anzahl aller anderen Referenzereignisse (CRE2) während desselben Zeitintervalls. Demux-Error-Ration: Verhältnis aller korrekt übertragenen Zellen mit ungültigem VPI-Wert zur Anzahl der insgesamt korrekt übertragenen Zellen.

ATM Schicht
cell error ration: Zellenfehlerrate: Verhältnis zwischen Anzahl der fehlerhaft übertragenen Zellen zur Summe aus der Anzahl der erfolgreich übertragenen Zellen plus der Anzahl der fehlerhaft übertragenen Zellen. Fehlerhafte Zellen in Zellenfehlerblöcken werden dabei nicht mitgerechnet. Severely errored cell block ratio: Zellenblockfehlerrate ist das Verhältnis der fehlerhaften Zellenblöcke zur gesamten Blöcklänge innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls.
cell loss ratio: Verhältnis der verlorenen Zellen zu den insgesamt übertragenen Zellen innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls. Verlorene Zellen innerhalb von Zellenblöcken werden nicht mitgerechnet.
Cell Misinsertion Rate: Anzahl der Falschzellen innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls (falsche VPI/VCI Information aufgrund nicht erkannter Headerfehler), dividiert durch diesen Zeitintervall.

Bitsicherungsmechanismen in den ATM-Schichten
Die im Folgenden benutzte Einteilung in physikalische Schicht, ATM-Schicht und Anpassungsschicht dient zwar einer sinnvollen Unterteilung der Aufgaben; sie kann jedoch nicht durchgehend eingehalten werden, weil:
  • die Aufgaben oder Strukturen teilweise über Schichtgrenzen hinweg wirken oder benutzt werden und
  • auch die Standardtexte der ITU und des ATM-Forums nicht streng dieser Einteilung folgen.
Anmerkung
Zum Beispiel wird die Header Error Control zwar in der ATM-Schicht berechnet und kontrolliert, sie wird aber auch in der physikalischen Schicht zur Zellensynchronisation benutzt.

ATM-Zelle, ATM-Schichtenmodell
Das Grundelement von ATM ist die Zelle. Eine Zelle besteht aus 53 Oktetts (Bytes), von denen 5 Oktetts den Verwaltungskopf (Header) enthalten. Die übrigen 48 Oktetts beinhalten die Nutzdaten.


Abbildung 1: ATM-Zellenformat


Abbildung 2: Aufbau des ATM-Zellenkopfes (Header) an der UNI (user-network interface).

Die Breite des Kopfes ist 8 Bit. Dabei bedeuten GFC Generic Flow Control, VPI Virtual Path Indetification, VCI Virtuel Channel Identification, PT Payload Type, CLP Cell Loss Priority und HEC Header Error Control. Im Zellenkopf an der NNI (network node interface) fehlt GFC, sodaß für VP ein größerer Adressraum entsteht.


Abbildung 3: Schichtenmodell für ATM

Physikalische Schicht
Wegen der unterschiedlichen Anforderungen, die durch das benutzte Übertragungsmedium bedingt sind, ist die physikalische Schicht in zwei Teilschichten eingeteilt:
  • Übertragungsanpassungsschicht (Transmission Convergence Sublayer, TC)
  • Physikalisches Medium (Physical Medium Dependent Sublayer, PMD)
Ob ein physikalisches Medium geeignet ist, um ATM-Zellen zu übertragen, hängt alleine von der Existenz der zugehörigen TC ab. Über TC liegende Schichten sind unabhängig von Art und Übertragungsrate des benutzten Übertragungsverfahrens.
Die Unterteilung erscheint zunächst überflüssig, zumal TC Eigenschaften aufweist, die man eigentlich in Schicht 2 (Data Link Layer) erwarten würde. Da man für ATM aber unbedingt die Zelle als primitivstes Element (Atom) betrachten wollte, musste man schon in Schicht 1 entsprechende Vorkehrungen treffen, um dies zu erreichen. Die in anderen Schichtenmodellen angewandte Datenkapselung findet zwar auch hier statt, jedoch wird hier das Modell der 53-Byte-ATM-Zelle durch alle Schichten hindurchgereicht.

Physical Medium Dependent Sublayer
Die Schicht PMD definiert das Übertragungsmedium (physical medium), die Methode (line coding) und das Zeitverhalten (bit timing) der Signalübertragung, sowie weitere physikalische Eigenschaften (z.B. Normen für Steckverbindungen). Diese Teilschicht entspricht der klassischen Schicht 1 des ISO-OSI-7-Schichten-Modells.

Transmission Convergence Sublayer
Die Schicht TC ist in ihrer Ausführung abhängig von der Schicht PMD (Bitrate). Sie definiert die Mechanismen zur der Zellensynchronisation (cell delineation) und die Entkopplung von Zellrate und Übertragungsrate (cell rate decoupling), z.B. durch Einfügen von leeren Zellen. Desweiteren sind in dieser Schicht die Vorschriften zum Einbetten der ATM-Zellen in die PDH- oder SDH-Übertragungsrahmen definiert. TC übernimmt Aufgaben, die sonst in Schicht 2 (nach ISO-OSI) vermutet werden [A, B].
Die beiden wichtigsten Aufgaben von TC sind:
  1. Cell Delineation (Erkennung der Zellgrenzen)
    Die ATM Zellen erscheinen hier als Strom von Bits. Es ist also notwendig, einen Mechanismus zur Erkennung der in den Bitketten enthaltenen Struktur einzusetzen. Problematisch ist dabei die Synchronisation des Empfängers mit dem vom Sender erzeugten Bitstrom. Um zu vermeiden, dass Sender und Empfänger nicht "auseinanderlaufen" (i.e. eine ungünstige Bitfolge im Empfänger nicht mehr korrekt erkannt werden kann; z.B. lange Folgen von 0), werden die Nutzdaten der Zelle (payload) durch ein einfaches Verfahren (payload scrambling) in eine statistisch günstigere Bitfolge verschlüsselt. Damit können die Zellgrenzen in der Regel sicher erkannt werden.
  2. Header Error Control (Fehlererkennung des Kopfinhalts)
    Mittels einer üblichen CRC-Prüfsumme werden die ersten vier Oktetts des Verwaltungskopfes gegen einfache Fehler abgesichert. Die Prüfsumme schließt als fünftes Oktett den Verwaltungskopf gegenüber dem Nutzdatenfeld ab. TC übernimmt die Berechnung der HEC-Prüfsumme (Senderseite) und wendet sie auf den Verwaltungskopf an (Empfängerseite). Die HEC-Prüfsumme wird außerdem auch für die Zellensynchronisation verwendet.
Direkte Zellenübertragung (Cell Based Physical Layer)
Die ATM-Zelle wird direkt Bit für Bit direkt in die physikalischen Signale des Übertragungsmediums umgewandelt und übertragen. Zur Sicherung der Synchronisation wird der Nutzdatenanteil (payload) mit dem Generatorploynom
G (x) = x^31 + x^28 + 1
verschlüsselt. Damit wird ebenfalls verhindert, dass eine Bitfolge des Nutzdatenteils, die einem Verwaltungskopf (4 Oktetts) mit HEC (1 Oktett) gleicht, die Synchronisation stören könnte. Die verwendete Methode heißt "Distributed Sample Scrambling".

Zellenanpassung auf vorhandene Übertragungsrahmen (Cell Mapping)
Ähnlich wie bei der direkten Zellenübertragung wird beim Transport in SDH- bzw. PDH-Medien der Nutzdatenteil verschlüsselt. Allerdings kommt hierbei ein anderes Verfahren zum Einsatz, SSS (self synchronizing scrambling [2], synchronized sample scrambling [A]). Das verwendete Generatorpolynom ist
G (x) = x^43 + 1

ATM Schicht
Die ATM-Schicht ist die Grenzschicht zur physikalischen Schicht. Die ATM-Schicht liefert ATM-Zellen, die von der darunterliegenden Schicht in entsprechende Rahmen integriert werden. Bei der Übergabe in die Adaptionsschicht (AAL) wird die ATM-Zelle von ihrem Kopf befreit und der Zelleninhalt weitergereicht. Gleichzeitig ist die ATM-Schicht auch der obere Abschluss des Leitungsnetzes (Carrier network) und stellt die transparente Ende-zu-Ende-Verbindung der Adaptionsschicht zur Verfügung.

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Abbildung 4:Trennung von Anpassungsschicht und ATM-Netz

Die ATM-Schicht sorgt für den Zellentransport und die Vermittlung von ATM-Zellen. Ebenso findet hier die Kopfsicherung statt.

Header Error Control in der ATM-Zelle (HEC)
Die Absicherung des Zellenkopfes geschieht mit einer 8-Bit CRC (Header Error Control, HEC). Über die ersten 4 Oktetts des ATM-Zellenheaders wird die CRC-Prüfsumme errechnet und als fünftes Oktett in den dafür vorgesehenen Ort im ATM-Zellenkopf abgelegt. Das Generatorpolynom dafür ist
G (x) = x^8 + x^2 + x + 1

Mit diesem Generatorpolynom können mehrere Bitfehler erkannt oder ein Bitfehler korrigiert werden. Die HEC dient nicht nur zur Fehlerbehandlung, es wird auch zur Zellensynchronisation (cell delineation) eingesetzt [S2].
ITU-Empfehlung I.432 legt nahe, dass zum HEC-Wert vor dem Ablegen in das HEC-Feld des ATM-Zellenkopfes noch das Muster "01010101" modulo-2 addiert wird. Dies dient, wie das Mischen der Nutzdaten ("Scrambling"), der Sicherung der Zellensynchronisation, indem lange Ketten von "0" weitestgehend vermieden werden. Der Empfänger hat dann vom Wert des empfangenes HEC-Feldes dieses Muster wieder abzuziehen, bevor der CRC-Rest (syndrome) berechnet wird.

HEC: Synchronisation
Das zur Synchronisation verwendete Verfahren wird durch ein Zustandsdiagramm mit drei Zuständen definiert.
Begonnen wird im HUNT-Zustand. Das empfangende Signal wird bitweise nach einem HEC-Muster abgesucht. Dies geschieht durch laufende Berechnung der HEC über einem 40-Bit-Block, wobei die ersten 36 Bit als Kopfinhalt, die "abschließenden" 8 Bit als HEC angenommen werden. Ergibt die HEC eine gültige Prüfsumme über den restlichen 40 Bit, so wird angenommen, dass es sich um einen Zellenkopf handelt. In diesem Falle geht das Verfahren in den zweiten, den PRESYNC-Zustand über. Nunmehr werden die folgenden DELTA Zellen (für ein empfohlenes DELTA=6) untersucht. Ergeben die Prüfsummen ebenfalls gültige Kopfinhalte, so wird Synchronizität zum Zellenstrom angenommen.. Es erfolgt dann der Übergang in den SYNC-Zustand. Wurden n < DELTA Zellen auf diese Weise gefunden, erfolgt der Übergang in den HUNT-Zustand. Der SYNC-Zustand bleibt solange erhalten, bis ALPHA aufeinanderfolgende (für empfohlene ALPHA = 7) HEC-Prüfsummen fehlerhafte Zellenköpfe anzeigen. Es wird dann vom Verlust der Synchronizität ausgegangen und es erfolgt der Übergang in den HUNT-Zustand.

Da der HUNT-Zustand von einer unstrukturierten Bitkette ausgehen muss, wird die Zuverlässigkeit des Verfahrens dadurch erhöht, dass die Bitfolgen, die dem Nutzdatenfeld (payload) zugeordnet werden, auf der Senderseite "gemischt" werden (scrambling), so dass ungünstigen Bitfolgen (z.B. längere Ketten von 0-Bits) vermieden werden. Das Mischen geschieht XOR-ing im Schieberegister mit einer definierten Bitfolge (Generatorpolynom). Als Generatorpolynom kommt
G (x) = x^43 + 1

zum Einsatz (Self Synchronizing Scrambler). Die einzige Ausnahme hiervon ist die direkte Zellenübertragung. Als Ersatz wird das Distributed Sample Scrambling mit dem Generatorpolynom
G (x) = x^31+x^28+1
eingesetzt.

Da im HUNT-Zustand nach dem Kopf gesucht wird, bleibt das Entmischen (descrambling) des Nutzdatenfeldes hier ausgeschaltet. Erst im PRESYNC- und SYNC-Zustand wird das Entmischen zugeschaltet und dann jeweils bei Empfang des nächsten Kopfes wieder zeitweise deaktiviert. Das Mischen hat noch zusätzliche Effekte. Zunächst wird so mit großer Wahrscheinlichkeit vermieden, dass ein Nutzdatenfeld einer ATM-Zelle zufällig die für einen sie transportierenden Rahmen (frame) gültige Headerbitfolge enthält und so die die ATM-Zelle transportierende physikalische Schicht ihre Synchronisierung verliert. Desweiteren ist ein aktiver Angriff eines Benutzers auf die Netzsicherheit so unwahrscheinlicher. Zwar kann ein solcher Benutzer z.B. die Scramblingfunktion in SONET leicht nachbilden und so eventuell frames fälschen; da aber in einer darüberliegenden Schicht ebenfalls Mischen auf den eigentlichen Zelleninhalt der ATM-Zelle angewandt wird, müsste ein solcher Benutzer ein Bitmuster finden, das gleichzeitig SONET und ATM-Mischen nachzubilden in der Lage ist. Der dazu nötige Aufwand ist erheblich größer.


Abbildung 5: HEC Synchronisation (Zustandsdiagramm nach ITU I.432)

HEC: Fehlerbehandlung
Die sendende Seite errechnet den Wert für das HEC-Feld. Der Empfänger besitzt zur Auswertung zwei verschiedene Zustände:
  • Korrigieren
  • Erkennen
Anfangs ist der Empfänger im Korrekturmodus. Jeder empfangene Zellenkopf wird untersucht und wenn ein Fehler erkannt wird, tritt einer von zwei möglichen Zuständen auf.
Ist der Empfänger im Korrekturmodus, können einfache Bitfehler korrigiert werden oder im Falle mehrfacher Fehler die Zelle verworfen werden und der Empfänger wechselt in den Zustand "Erkennen". Wird danach kein Fehler erkannt, erfolgt wieder der Wechsel in den Zustand "Korrigieren", andernfalls wird die Zelle verworfen.

Eine ältere Arbeit von 1994, [115], schlägt ein Modell mit vier Zuständen vor, um die Leistung bei der Fehlerbehandlung zu verbessern. Vor allem aufgrund von Bitfehlern auftretendes misrouting kann so noch besser verhindert werden. Desweiteren wird die Unfähigkeit kritisiert, mit Hilfe einer Segment-CRC den Verlust einer Zelle, eine fehlgeleitete Zelle oder vermengte Rahmen bemerken zu können. Es wird deswegen für AAL3/4 eine Rahmen-CRC vorgeschlagen.

ATM-Adaption Layer
In der Anpassungsschicht (AAL) wird die Abbildung der Datenstrukturen höherer Schichten in die ATM-Zelle durchgeführt. Ebenso ist hier die dafür notwendige Steuerung und das Management untergebracht.
Zur Definition der Anforderungen der verschiedenen transportierten Dienste an die AAL werden Klassen eingeführt. Es werden vier Klassen mit Rahmenbedingungen unterschieden, deren technische Ausführung in den jeweiligen Varianten der AAL festgelegt wird.


Abbildung 6: Serviceklassen und Zuordnung der AAL-Varianten

Generell unterteilt sich eine AAL-Schicht in zwei Teilschichten:
  • Convergence Sublayer CS
  • Segmentation and Reassembly Sublayer SAR
Während in der SAR ausschließlich das Segmentieren der Daten höherer Schichten zur Weiterleitung an die ATM-Schicht durchgeführt wird, hat die CS vielfältigere Aufgaben zu erfüllen, wie beispielsweise Fehlerbehandlung (verlorene oder falsche ingefügte Zellen), Resynchronisation mit der Sendefrequenz, Prüfen auf Bitfehler des AAL-Informationsfeldes, etc. Die verschiedenen Varianten der AAL werden als AAL-1, AAL-2, AAL-3/4 und AAL-5 bezeichnet. Mit AAL-0 wird die Abwesenheit jeglicher AAL-Funktionalität bezeichnet.

AAL1
Beispielsweise werden darunter alle Schnittstellen der PDH, die über B-ISDN übertragen werden, zusammengefasst. AAL-1 bietet Merkmale für Anwendungen mit konstanten Bitraten oder mit zu übertragender Taktinformation. Auch strukturierte Daten (z.B. auf Abtastperioden basierende) können hiermit übertragen werden.

AAL1 Segmentation and Reassembling Sublayer (SAR)
Die SAR empfängt von der darüberliegenden CS 47 Bytes lange Datenblöcke und ergänzt diese mit einem SAR-Header. Die nun enstandene 48 Bytes lange Struktur wird SAR-PDU genannt. Analog wird die von der ATM-Schicht empfangene PDU (die von ihrem Header befreite ATM-Zelle, ATM-Payload) von ihrem SAR-Header getrennt und als 47-Bytes-Datenblock an die CS weitergereicht.


Abbildung 7: AAL-1 SAR-PDU

Der 8 Bit lange AAL1-SAR-Header besteht aus 2 Teilen:
  1. Sequenznummer (4 Bits):Das SN-Feld unterteilt sich wiederum in zwei Teile, nämlich in das CSI (Konvergenzidentifikationsfeld, 1 Bit) und das SC (Sequenzzahlfeld, 3 Bits).


    Abbildung 8:Sequenznummernfeld

    Das CSI dient verschiedenen Aufgaben aus der AAL1-CS, beispielsweise zur Übertragung der Taktinformation oder bei der Übertragung der Datenstrukturinformation als Indikatorflag [A, B].
  2. Sequenznummernprüfsumme CRC-3 (4 Bit):Um das Sequenznummernfeld abzusichern, wird eine CRC-3 Prüsumme verwendet, das Generatorpolynom ist hierbei
    G(x) = x^3 + x + 1
    Über die sieben Bits, die das Sequenznummernfeld und die CRC-3 Prüfsumme bilden, wird abschliessend ein Paritätsbit berechnet und in das vierte Bit der Sequenznummenprüsumme abgelegt.
AAL1 CS
Übertragung von Leitungsschnittstellen (PDH, SDH)
Zellen mit falscher Sequenznummer werden verworfen. Bei Überlauf des Empfangspuffers werden die zur Segmentierung auflaufende Zellen verworfen. Als Ersatz für verworfene Zellen werden zur Erhaltung der Bitratenintegrität Füllzellen mit einer Payload aus lauter Einsen generiert.

Übertragung von Videosignalen
Bei Zellenverlusten und Bitfehlern kommt ein Korrekturmodus zum Einsatz. Dies garantiert, dass eine von höheren Schichten definierte Grenze für Zellenverlustrate und Bitfehlerrate in der ATM-Schicht überschritten wird. Die benutzten Verfahren gehören zur Gruppe der Forward Error Correction Codes (FEC). Es wird eine Kombination von FEC und Byteumschichtung benutzt.
Das FEC-Polynom ist
G(x) = (x - ^120) * (x - ^121) * (x - ^122) * (x - ^123)
mit = x^8 + x^7 + x^2 + x + 1

Dieses Verfahren ermöglicht die Korrektur von zwei fehlerhaften Bytes oder vier verlorenen Bytes aus einem 128-Byteblock. Aus 124 Datenbytes werden 4 Reed-Solomon-Code-Bytes berechnet. Daraus wird eine 128 Spalten Matrixstruktur generiert, die 47 Zeilen besitzt. Hiernach erfolgt eine Umschichtung. Dabei werden die 47 128-Byte-Zeilen eingelesen und im nächsten Schritt die 47-Bit-Spalten ausgelesen. Eine solche Matrix hat also 128 * 47 = 6016 Bytes.Dies entspricht 128 SAR-PDUs oder einer CS-PDU. Der Beginn einer CS-PDU wird im CSI-Bit (Wert eins) der SAR-PDU mit dem ersten Informationsfeld angezeigt.


Abbildung 9: Byteumschichtung (byte interleave)

Innerhalb einer CS-PDU können:
  • lokalisierte Zellenverluste
  • Zellenverluste und ein fehlerhaftes Byte pro Reihe
  • fehlerhafte Bytes pro Reihe (falls gleichzeitig kein Zellenverlust auftritt).
Der durch den FEC-Code erzeugte Overhead vergrößert den ursprünglich zu übertragenden Datenumfang bei 124-Byte-Blocks um 4 Bytes, also um 3,23 %.
Durch das Verfahren ergibt sich eine Zellenverzögerung von 128 Zellen, das jeweils auf das Füllen einer CS-PDU gewartet werden muss

Übertragung von Sprachsignalen:
Für Zellenverluste und Bitfehler ist noch keine Regelung getroffen.

AAL-2
AAL-2 bietet Datenströme mit variabler Bitrate mit zeitlicher Koordination zwischen Sender und Empfänger (Taktinformation). AAL-2 ist noch nicht komplett spezifiziert. Es existieren nur Vorstellungen von Grundfunktionen. Laut aktueller Information des ATM-Forums findet hier noch Entwicklungstätigkeit statt. Es handelt sich hierbei um die wichtig Gruppe der Dienste mit stark schwankendem Verkehrsaufkommen (bursty traffic), wie z.B. packet voice, packet video, etc. Unter anderem sollen hier Handhabung von verlorenen oder falsch eingefügten Zellen, Überprüfung und Handhabung des AAL-Protokoll-Headers (Protocol-Control-Information, PCI) auf Bitfehler, Überprüfung des AAL-Informationsfeldes auf Bitfehler und mögliche Korrektur. AAL2 ist nicht Hauptfokus der Implementationsbemühungen. In AAL2 ist zur Absicherung eine 10 Bit CRC vorgesehen. AAL3/4
AAL-3/4 bieten verbindungslosen oder verbindungsorientierten Verkehr mit Paketen. AAL3/4 unterscheidet zwei Betriebsarten (auf die hier nicht näher eingegangen wird):
  • Message Modus
  • Stream Modus
AAL3/4 unterscheidet in der CS noch weiter Teilschichten:
  • SSCS, Service specific Convergence Sublayer. Diese Teilschicht ist anwendungsspezifisch.
  • CPCS, Common Part Convergence Sublayer

Abbildung 10: CS-Schichtenunterteilung AAL-3/4. SSCS: Service Specific Convergence Sublayer, CPCS: Common Part Convergence Sublayer, SAS: Segmentation and Reassembly Sublayer, CS: Convergence Sublayer.

Eine vereinfachte Zusammenfassung der Abläufe innerhalb von AAL-3/4 soll die Zusammenhänge erläutern: Oberhalb von AAL-3/4 können Datenpakete variabler Länge im Bereich 1 65535 Bytes auftreten. Diese werden zunächst auf ganzzahlige Vielfache von 32 ergänzt (padding). Desweiteren kommen ein Header und ein Trailer hinzu. Die resultierende Struktur wird CS-PDU genannt. Diese CS-PDU wird danach in Segmente zu je 44 Bytes aufgeteilt, wiederum jeweils mit einem Header und einem Trailer versehen und dann als 48 Bytes lange SAR-PDU an die ATM-Schicht weitergeleitet.

AAL3/4 SAR


Abbildung 11: Zusammenhang zwischen ATM-Zelle und PDUs aus den Teilschichten CS und SAR.

Von der CS übergebene SAR-SDUs variabler Länge, die in SAR-PDUs verpackt sind, sind weiterzusenden.

Die SAR-PDU enthält wiederum:
  • Sequenznummernfeld
  • Segmenttyp Identifikationsfeld (Begin, Continuation, End)
  • Multiplex Identifikationsfeld
  • Längenfeld
  • 10 Bits CRC
Die 10-Bits CRC wird benutzt, um Bitfehler innerhalb des PDU Rahmens zu erkennen. Die Prüfsumme wird über den SAR-PDU Header, das Informationsfeld und das Längenfeld gebildet. Das verwendete Generatorpolynom ist
G(x) = x^10 + x^9 + x^5 + x^4 + x + 1
Um den Abbruch der Übertragung einer SAR-SDU anzuzeigen, ist eine Abbruch-PDU (abort PDU) vorgesehen, die gesendet werden kann. Hierbei handelt es sich um einen SAR-Rahmen, der im MID Feld als EOM gekennzeichnet ist (End of Message) und im Längenfeld den Wert 63 enthält. Das Informationsfeld wird vom Empfänger ignoriert (es kann mit dem Wert 0 belegt werden).
AAL3/4 CS
Für Klasse C Protokolle ist keine SSCS Teilschicht noetig. Für Klasse D ist sie nötig.
CPCS: Unter anderem stellt CPCS der ihr übergeordneten SSCS (falls implementiert) oder Anwendungsschicht Fehlererkennung und -anzeige (Bitfehler und Zellenverlust) sowie die Einhaltung der Übertragungsreihenfolge zur Verfügung.
SSCS: Ein Beispiel für diese Teilschicht ist SSCOP (B-ISDN Signalisierungskanäle). Weiteres dazu im Kapitel über Anwendungsschichten.

AAL-5
AAL5 ist eine stark vereinfachte Version des AAL3/4. Wie in AAL3/4 wird die CS in zwei Teilschichten unterteilt, SSCS und CPCS, mit analogen Eigenschaften.
Es gibt kein Multiplexen von Zellen, Alle Zellen einer CS-PDU werden sequentiell übertragen. Datenpakete variabler Länge werden auf Vielfache von 48 Bytes aufgefüllt und mit einem Trailer ergänzt. Es existiert kein Header. Die CS-PDU wird dann direkt in Segmente zu 48 Bytes unterteilt, die genau in ein ATM-Zellen-Informationsfeld passen.


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