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24.12.1993

ATM ist die Eintrittskarte fuer zukuenftige Multimedia-Welten

Wann immer von kuenftigen Anwendungsszenarien in Form integrierter Sprach-, Daten- und Bilduebertragung die Rede ist, gilt der derzeit in aller Munde gefuehrte Begriff der Breitbandkommunikation als unabdingbare Definition ihrer technischen Voraussetzung. Jenseits noch offener Standardisierungsfragen hat sich in diesem Zusammenhang mit ATM der Hoffnungstraeger schlechthin herauskristallisiert, der nach Ansicht von Juergen Moetrath* geradezu praedestiniert ist, die Grundlage kuenftiger multimedialer Applikationen sowohl im LAN- als auch im MAN-Bereich zu bilden.

Hinter dem Terminus ATM verbirgt sich ein als Standard des CCITT (Comite Consultatif International de Telegrafique et Telefonique) fuer Cell Relay definiertes Verfahren, das sowohl zur Uebertragung von Sprache, Daten und Videoanwendungen im lokalen Bereich und auf dem Campusgelaende Verwendung finden kann wie auch als Grundlage fuer das bei der Telekom im Aufbau befindliche oeffentliche Breitband-ISDN (B-ISDN) dient. Ohne zu detailliert auf die zugrundeliegende Technik einzugehen, sei hier die Funktionsweise des ATM kurz dargestellt.

Die Uebertragung von Daten, Sprache und Bildinformationen geschieht mittels Zellen einer fest definierten Laenge von 53 Byte. Bei einem Header von fuenf Byte pro Zelle lassen sich somit 48 Byte Nutzdaten (Payload) sicherstellen. Wie Abbildung 1 zeigt, nehmen diese Zellen nach Bedarf LAN- und WAN-Daten sowie Sprach- oder Videoinformationen auf, die zuvor in 48 Byte grosse Teile fragmentiert wurden. Beim Empfaenger werden diese Teilinformationen dann wieder zusammengesetzt, so dass der Originaldatenstrom entsteht. Dieser Vorgang wird als Segmentation and Re-Assembly (Sara) bezeichnet und ist bei den bereits verfuegbaren Systemen wahlweise in Form von Hardwarefunktionen oder als reine Softwareloesung realisiert.

Um die Verbindung und damit die korrekte Weiterleitung und Zustellung der Datenpakete an den Empfaenger sicherzustellen, werden sogenannte virtuelle Kanaele - wie vom X.25- Paketvermittlungsverfahren her bekannt - aufgebaut. Diese virtuellen Kanaele erhalten einen Virtual Channel Identifier (VCI), der sie eindeutig identifiziert.

ATM integriert diverse Uebertragungsdienste

So ist es nicht erforderlich, bei jedem Datenpaket Source- und Destination-Adresse nebst diversen anderen Informationen zu uebertragen, sondern lediglich diesen VCI, der Quelle und Senke eines Datenpaketes definiert. Wird eine Uebertragung der Datenpakete ueber mehrere ATM-Knoten erforderlich, kommt ein Virtual Path Identifier (VPI) hinzu, der auch mehrere VCIs zusammenfassen kann. Dadurch muss bei dem hypothetischen Ausfall eines Knotens oder einer Verbindungsleitung zwischen zwei ATM- Knoten lediglich dieser eine virtuelle Pfad neu aufgebaut werden, nicht jedoch jeder einzelne der betroffenen virtuellen Kanaele.

Warum aber wurde ATM ueberhaupt entwickelt? Eine Betrachtung der existierenden Uebertragungsdienste ergibt, dass diese in zwei Gruppen aufgeteilt werden koennen:

- leitungsvermittelte und

- paketvermittelte Dienste.

Als leitungsvermittelte Dienste sind beispielsweise die verwendeten Verfahren der Zeit-Multiplexer (Time Division Multiplexer = TDMs) und das oeffentliche ISDN bekannt, wohingegen X.25, Frame Relay, FDDI und Ethernet die populaersten paketvermittelten Dienste sind. Beide Uebertragungsdienstgruppen verfuegen ueber spezifische Vor- und Nachteile, die sie fuer die eine oder andere Anwendung geeignet oder ungeeignet erscheinen lassen.

So sind die Paketdienste fuer Applikationen praedestiniert, bei denen Datenverkehr auf mehreren Kanaelen mit variabler Frame-Laenge und insbesondere stark schwankender Auslastung (Burst Traffic) erwartet wird. Dabei ist keine maximale Verzoegerungszeit eines Paketes auf dem Weg vom Sender zum Empfaenger garantiert, was die Paketdienste denkbar ungeeignet fuer Sprach- und Videoanwendungen macht. Auch eine konstante Bandbreite, die einer Anwendung zur Verfuegung gestellt wird, kann aufgrund der Vielzahl der moeglichen Applikationen auf der gleichen Leitung nicht garantiert werden.

Leitungsvermittelte Dienste hingegen zeichnen sich durch eine fuer die jeweilige Anwendung konstante Bandbreite und kurze Verzoegerungszeiten bei der Uebertragung zwischen Sender und Empfaenger aus. Diese Eigenschaften sind fuer Video- und Sprachuebertragungen unabdingbar. Sie erfordern allerdings konstante Frame-Laenge, und ein Mehrkanalbetrieb ist nur durch Verwendung aufwendiger TDM-Technologien moeglich.

ATM integriert die positiven Merkmale beider Dienste. Durch das Paketverfahren sind mehrere logische Kanaele und die Eignung fuer Burst Traffic gegeben. Die Ausrichtung auf Sprach- und Videoanwendungen wird, ebenso wie die dafuer erforderliche konstante Bandbreite, ueber Prioritaetsverfahren gesichert. Die Geschwindigkeit, mit der staendig neue freie Zellen zur Verfuegung gestellt werden koennen, garantiert kurze Verzoegerungszeiten.

ATM wird auch die Basis des zukuenftigen oeffentlichen B-ISDN der Telekom mit Geschwindigkeiten von zunaechst 155 Mbit/s, zukuenftig sogar 622 Mbit/s und mehr darstellen.

In der CCITT-Empfehlung I.121 wurde dies bereits festgelegt; ATM entstand aus dieser Entwicklung heraus. B-ISDN wird unabhaengig von bestimmten Uebertragungstechniken sein, durch ATM wird lediglich das Multiplex-Verfahren definiert. Somit ist ATM im lokalen wie auch im Weitverkehrsbereich gleichermassen einsetzbar und stellt eine Loesung fuer unterschiedliche Applikationen dar. Wie diese aussehen koennen, soll nun nach einer Vorstellung der derzeit verfuegbaren Hardware an konkreten Beispielen gezeigt werden.

Gegenwaertig sind drei grundsaetzlich unterschiedliche ATM-Loesungen auf dem Markt: Die sogenannten ATM-Hubs, die einfachen ATM- Switches und die technisch aufwendigeren ATM-Adaption-Switches. Eine etwas genauere Betrachtung der einzelnen Technologien aus Sicht des Anwenders zeigt deren prinzipielle Unterschiede.

ATM-Hub-Systeme : Keine echte Datenumwandlung

Die ATM-Hub-Systeme verwenden als internes Backbone-System zur Uebertragung der an sie herangeleiteten Datenstroeme das beschriebene ATM-Verfahren. Fuer den Anwender existiert dabei keine Moeglichkeit, direkt auf diesen ATM-Backbone zuzugreifen. Die Funktionsweise ist recht einfach: Alle einkommenden Datenstroeme (zum Beispiel Ethernet oder Token Ring) werden in 48 Byte grosse Teilinformationen zerlegt, mit dem bereits erlaeuterten 5-Byte- Header als Routing-Information versehen und auf den ATM-Backbone gelegt. Von da aus wird das Paket aehnlich wie in einer campusweiten ATM-Vernetzung zum Zielmodul des Hubs weitergeleitet und dort aufgenommen.

Auf dem Modul selbst findet eine Rueckumwandlung in das Originaldatenpaket statt, das anschliessend wieder dem Netzwerk zur Verfuegung gestellt wird. Bei dieser Methode erfolgt also keine echte Datenumwandlung wie bei Einsatz eines Routers zum Beispiel von Ethernet nach FDDI, sondern wird ATM lediglich als schnelles Verfahren zur Uebermittlung zwischen zwei Modulen genutzt.

ATM-Switches erfordern ATM-faehige Netzanschluesse

Eine weitere, haeufig anzutreffende Technologie ist die des reinen ATM-Switches. Sie ist vergleichbar mit den bekannteren Ethernet- Switches. Das bedeutet, alle im Netzwerk befindlichen Endgeraete muessen mit ATM-faehigen Netzanschluessen ausgestattet sein, um am Datenaustausch teilzunehmen. Die von diesen Endgeraeten versandten ATM-Pakete werden innerhalb des ATM-Switches lediglich zwischen Quell- und Ziel-Port geschaltet, so dass eine Kommunikation zwischen beliebigen Endgeraeten moeglich ist.

Der eindeutige Nachteil dieser Systeme liegt darin, dass alle Endgeraete ueber ATM-Netzwerkkarten verfuegen muessen, um am Datenaustausch teilnehmen zu koennen. Dies ist aber heute noch nicht realistisch, da zum einen noch keine ATM-Karten fuer alle denkbaren Endgeraete existieren, zum anderen diese Karten zum Teil teurer sind als die Endgeraete selbst.

Die derzeit am sinnvollsten erscheinende Form der ATM- Konzentratoren bilden die weitaus selteneren ATM-Adaption- Switches. Bei diesen Systemen wird neben den bereits beschriebenen Funktionen des ATM-Switches zusaetzlich eine Routing-Technologie eingesetzt, die den Anschluss unterschiedlichster Endgeraete und die Einbindung verschiedener Dienste ermoeglicht. So ist lokal der direkte Anschluss von ATM- wie auch von Ethernet-Endgeraeten moeglich, waehrend im WAN-Bereich X.25- und Frame-Relay-Endgeraete integriert werden koennen. Zusaetzlich ist die Anbindung von Nebenstellenanlagen wie auch der Anschluss von Videoendgeraeten vorgesehen (vgl. Abbildung 2).

Somit kann dasselbe Geraet sowohl als reiner ATM-Switch wie auch als Adaption-Switch fungieren, wodurch eine echte Alternative zum derzeit noch verbreiteteren FDDI entsteht. Der modulare Aufbau der Geraete erlaubt groesstmoegliche Flexibilitaet und den Aufbau eines vollredundanten Systems.

ATM-Adaption-Switches ueberzeugen am meisten

Realisiert wird diese Technologie durch die Aufsplittung des Gesamtsystems in fuenf aufeinander aufbauende Funktionsgruppen, die je nach Aufgabenstellung miteinander kombiniert werden koennen. Abbildung 3 zeigt schematisch diesen modularen Aufbau, bestehend aus:

- dem Switch-Gehaeuse einschliesslich Netzteil und Main-Prozessor,

- der ATM-Matrix mit einem waehlbaren Datendurchsatz von 3,2 oder 6,4 Gbit/s,

- den einzelnen Slot-Prozessoren,

- den erforderlichen Interface-Cards I/F und

- den zugehoerigen Funktions-Controllern DOC.

Je nach Wahl der einzelnen Interface-Cards und Funktions- Controller ist nun der Anschluss von ATM-, Frame-Relay-, Ethernet-, X.25- und anderen Endgeraeten moeglich. Die integrierte IP-Router- Funktion erlaubt dabei eine Umsetzung zwischen den einzelnen Diensten, so dass das vorgestellte System eine echte Alternative zu einem FDDI-Router darstellt. Abbildung 4 fasst diese Funktionalitaet grafisch zusammen und stellt die einzelnen Ebenen der zu integrierenden Dienste, der Adaptionsebenen sowie des ATM-Switches und der anschliessenden physikalischen Uebertragung der erzeugten ATM-Zellen dar.

Der physikalische Aufbau von ATM-Netzwerken stellt sich fuer den Netzadministrator sehr einfach dar. Ausgehend von der vereinfachenden Vorstellung, es hier mit Router-Systemen zu tun zu haben, sind nahezu alle Topologien zur Verbindung der einzelnen ATM-Knoten erlaubt: Ring, Stern, Vermaschung und beliebige Kombinationen. Ueblicherweise zieht sich der Netzdesigner auf bereits bekannte und erprobte Strukturen zurueck, wie er sie zum Beispiel bei FDDI kennt.

So entsteht eine Campusvernetzung meist aufgrund des schon geplanten FDDI-Ringes, das heisst, alle Knoten werden durch eine ringfoermige Struktur verbunden. Dabei wirkt sich die Tatsache, dass die bei FDDI und ATM verwendeten Glasfaserkabel physikalisch identisch sind, im Falle einer Migration von FDDI zu ATM positiv aus.

Von den derart mit einer Geschwindigkeit von 100 oder 144 Mbit/s untereinander verbundenen ATM-Knoten ausgehend, erfolgt die sternfoermige Anbindung der einzelnen LAN-Segmente beziehungsweise ATM-Endgeraete. Dabei kann es je nach Struktur der mit dem ATM- Backbone zu verknuepfenden Netzsegmente sinnvoll sein, zur Konzentration der einzelnen Gebaeude- oder Etagen-LANs zunaechst herkoemmliche Router-Systeme zur Abwicklung des gebaeudeinternen Datenverkehrs vorzuschalten beziehungsweise diese Funktionalitaeten in den ATM-Knoten zusaetzlich zu realisieren.

Abbildung 5 zeigt ein fiktives Unternehmen, das zur Verbindung der fuenf einzelnen Firmengebaeude bereits einen ATM-Ring aufgebaut hat. An diesem Beispiel lassen sich die verschiedenen Moeglichkeiten, die eine Vernetzung mit ATM-Adaption-Switches bietet, verdeutlichen. So ist eine Querverbindung zwischen zwei Gebaeudeknoten, wie sie die Zeichnung zeigt, beim herkoemmlichen FDDI nicht moeglich, ohne den physikalischen FDDI-Ring in zwei physikalisch und logisch separate Ringe zu unterteilen.

Bei der Nutzung von ATM-Switches wird diese Verbindung zur Entlastung der bereits installierten Strecken eingesetzt, sobald dies, gemessen an der Belastung der betroffenen Knoten, fuer einen schnelleren beziehungsweise sichereren Datentransport angeraten erscheint. Natuerlich ist eine beliebige Anzahl solcher Querverbindungen moeglich.

Die LAN-Segmente innerhalb des Gebaeudes werden nun im ATM- Adaption-Switch durch entsprechende Schnittstellen-Karten konzentriert. Dabei uebernimmt der ATM-Switch durch eine integrierte Router-Software die Funktionen der bis dato dediziert eingesetzten Router-Systeme gleich mit; und dies nicht nur zwischen dem betreffenden LAN und dem ATM-Backbone, sondern auch zwischen den verschiedenen LAN-Segmenten.

Endgeraete, die ueber eine entsprechende Adapterkarte (aehnlich den heute bekannten Ethernet-Adaptern) mit einer ATM-Schnittstelle ausgeruestet sind, erhalten durch einen direkten Anschluss an den ATM-Switch unmittelbaren Zugang zum Unternehmens-Backbone. Interessant ist diese Moeglichkeit insbesondere beim Einsatz von schnellen Server-Maschinen, die die geforderte Verarbeitungsgeschwindigkeit erreichen koennen und deren Funktionalitaeten im gesamten Netz zur Verfuegung gestellt werden sollen; beispielsweise Datenbank-Server oder Gateways zu anderen Netzdiensten.

Alternativen fuer WAN-Einsatzszenarien

Die Verwendung von ATM-Switches ist jedoch nicht nur lokal moeglich. Auch fuer die WAN-Funktionalitaet bieten sich in der Regel mehrere Alternativen an:

- der Datex-P-Dienst mit Geschwindigkeiten bis maximal 64 Kbit/s,

- Monopolleitungen und Datendirektverbindungen mit Geschwindigkeiten von wenigen Kbit/s bis maximal 34 Mbit/s,

- oeffentliche ISDN-Verbindungen, die als S0-Anschluss mit 2 x 64 Kbit/s oder als S2M-Anschluss mit 30 x 64 Kbit/s verfuegbar sind,

- der Zugang zu noch im Aufbau befindlichen Frame-Relay-Netzen, die in groben Zuegen mit den bekannten X.25-Diensten vergleichbar sind, durch den verringerten Protokoll-Overhead jedoch eine hoehere Nettodatenrate bieten sowie

- Anschluss an die zukuenftigen Netze des B-ISDN, die in der ersten Realisierungsphase bereits Geschwindigkeiten von 155 Mbit/s, im Endausbau sogar 622 Mbit/s bieten sollen.

Die beschriebenen Schnittstellen koennen natuerlich auch als lokale Interfaces eingesetzt werden, um zum Beispiel den Anschluss von X.25- oder Frame-Relay-Endgeraeten zu ermoeglichen. Aber auch die Hochgeschwindigkeits-Schnittstelle (HSSI) kann mit ihren 34 oder gar 52 Mbit/s zum Anschluss schneller serieller Endgeraete dienen, deren Dienste in den ATM-Backbone integriert werden sollen.

Nun ist aber ATM nicht nur zur Uebertragung reiner DV-Datenstroeme entwickelt und definiert worden. Ein wesentlicher Faktor ist die Integration der Sprachdienste, also der Anschluss von digitalen Nebenstellenanlagen. Hier wird ueblicherweise die G.703- Schnittstelle der Telefonanlage genutzt, und die dort gesendeten Signale werden als ATM-Datenstrom uebertragen. Eine wichtige Funktion stellt dabei die Taktrueckgewinnung dar, die auch als Dual Leaky Bucket bezeichnet wird. Durch sie kann der empfangene ATM- Zelldatenstrom in einen Bitdatenstrom zurueckverwandelt werden. Die physikalischen Schnittstellen (meist G.703) stellen Geschwindigkeiten von bis zu 2 Mbit/s zur Verfuegung. Der Verbindungsaufbau geschieht ueber Permanent Vir- tual Circuits (PVC) entlang des ATM-Netzes. Die Schnittstellen im ATM-Knoten sind protokoll- unabhaengig aufgebaut, um die unterschiedlichsten Datenstroeme, wie sie von Nebenstellenanlagen verschiedener Anbieter erzeugt werden, transparent uebertragen zu koennen.

Doch nicht nur die Integration des Sprachverkehrs, sondern auch von Videoapplikation ist bei ATM moeglich. Neuere Videokonferenzsysteme benoetigen nur noch Leitungskapazitaeten von 256 Kbit/s oder gar 64 Kbit/s, da die entsprechenden Kompressionsverfahren in der juengsten Vergangenheit wesentlich verbessert und zudem die Signallaufzeiten erheblich verringert werden konnten. Dadurch wurde es moeglich, diesen Dienst in eine bestehende Infrastruktur aufzunehmen. Unterstuetzt wird dazu die als H.261 Video Codec bekannte Signalisierung, die analog der Sprachuebertragung transparent uebertragen und im empfangenden ATM- Knoten als Bitdatenstrom bereitgestellt wird.

Dies alles zeigt deutlich, dass ATM nicht als zukuenftige Anwendung zu verstehen ist, sondern als ein Verfahren, das schon heute neue Wege in der Welt der Multimedia-Kommunikation eroeffnet. Der Einsatz von ATM im Backbone-Bereich eines Unternehmens ist eindeutig einem FDDI-Ring vorzuziehen: Vermaschte Strukturen, eine hoehere Nettodatenrate sowie die Integration von Sprache, Daten und Video und deren Uebertragung ueber eine gemeinsame Infrastruktur sind dafuer nur die wichtigsten Argumente.