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04.03.1994

Eine etwas andere Sicht auf ATM Vom Wundermittel zum Motor der Informationsgesellschaft

Breitbandkommunikation in Form von Cell Relay ist in aller Munde; ueberall wird jedenfalls in Fachkreisen und solchen, die sich dafuer halten, ueber die kuenftige eierlegende Wollmilchsau in puncto Uebertragungstechnik diskutiert. Eckhart Eichler* fasst die wichtigsten technischen Features von ATM zusammen und setzt sich darueber hinaus mit dem, wenn man so will, gesellschaftspolitischen Aspekt zukuenftiger Multimedia-Netze auseinander.

ATM fuer Asynchronous Transfer Mode - eine Abkuerzung, mit der momentan selbst viele Fachleute noch nicht allzuviel anzufangen wissen. Was sollen sich dann erst nicht permanent mit dem Fachgebiet Kommunikation befasste Personen unter diesem Begriff vorstellen, der zumindest in der DV als Zauberformel fuer die kuenftige Daten- und Multimedia-Kommunikation gehandelt wird?

Die Anwender haben andere Sorgen

Besonders beklemmend muss in diesem Zusammenhang auf die Anwender die Tatsache wirken, dass nahezu alle in Frage kommenden Hersteller ihren Kunden immer wieder vor Augen halten, dass ohne den neuen Hoffnungstraeger bald keine vernuenftige Informationsuebertragung mehr moeglich sein wird.

Weil die meisten Anwender mit ihren tagtaeglichen Problemen in puncto Informationstechnik ganz andere Sorgen haben, wirkt daher der Begriff "Asynchronous Transfer Mode" auf viele mindestens ebenso nichtssagend wie die Abkuerzung selbst. Will man hier notwendige Aufklaerungsarbeit leisten, gilt es, neben der hohen Uebertragungsgeschwindigkeit auch andere, ebenso wichtige Aspekte dieser Technologie mit aller Deutlichkeit herauszustellen. Zu diesem Zweck ist es allerdings notwendig, zunaechst ein bisschen zurueckzublicken.

Beginnen sollte man vielleicht mit der Entwicklung der Telegrafie, die erstmals die Moeglichkeit eroeffnete, Nachrichten schnell zu transportieren. Zugegebenermassen waren diese nicht so umfangreich wie heute, hatten jedoch den Effekt, dass man ploetzlich rechtzeitig auf entfernte Ereignisse reagieren konnte. Viel wichtiger fuer den einzelnen war jedoch die weitere Verbreitung des Telefons. Stellen Sie sich einmal vor, wie wir den heutigen Wohlstand unserer Gesellschaft ohne Telefon und Fernschreiben realisieren koennten!

Zu diesen Informationssystemen gesellte sich vor einigen Jahren auch der Computer, der auf dem besten Wege ist, unsere Gesellschaft nachhaltig zu veraendern - wenn er dies nicht bereits getan hat. Jedenfalls ist jegliche Betrachtung von Kommunikationstechnik ohne Beruecksichtigung gesellschaftspolitischer Aspekte unvollstaendig - auch und vor allem im Hinblick auf die zwischenmenschliche Kommunikation. Gleichzeitig mit den Fortschritten der Wohlstandsgesellschaft und einer stets wachsenden Weltbevoelkerung tritt eine Vielzahl von Problemen auf, die uns heute zwar teilweise bewusst sind, deren Loesung aber noch in weiter Ferne erscheint.

Unsere Gesellschaft neigt - unabhaengig von der derzeit populaeren Standortdebatte - dazu, diesen Problemen mit einer Art Vogel- Strauss-Politik zu begegnen oder aber ins andere Extrem zu verfallen und alles, was auch nur im entferntesten mit Technik zu tun hat, zu verdammen. Beispiel Verkehrspolitik: Dort begegnet man den zunehmenden Belastungen entweder mit der Methode, immer schnellere Autos zu bauen (damit wir dann mit mehr PS im Stau stehen), oder aber mit der wahnwitzigen Idee, moeglichst viele verkehrsberuhigende Massnahmen mit dem Ergebnis von noch mehr Staus anzuwenden. Bedauerlicherweise kommt in diesem Zusammenhang so gut wie niemand auf die Idee, das Problem bei der Wurzel zu packen und die Notwendigkeit staendiger Ortsveraenderungen zu verringern.

Aehnliche Zusammenhaenge lassen sich auch bei der Abholzung der Regenwaelder in Kombination mit dem Papierverbrauch beziehungsweise der Papierindustrie herstellen oder in bezug auf die sinnlose Suvbention hoffnungslos veralteter Industrie- und Wirtschaftsbereiche. Sie werden sich nun als Leser sicherlich fragen, was das Ganze mit ATM zu tun hat? Nun, auf den ersten Blick nicht sehr viel, wohl aber auf den zweiten oder vielleicht auch dritten. Zumindest muss man sich die Frage stellen, wozu eigentlich eine Vielzahl von Menschen jeden Tag ins Buero fahren, nur um dort vor einem Tisch zu sitzen, einen Computer zu bedienen, mit Leuten zu telefonieren, Schriftstuecke zu lesen und hin und wieder eine Besprechung zu absolvieren?

Denn es ist ja mittlerweile unbestritten, dass sich die meisten dieser Dinge bei einer geeigneten Infrastruktur auch von zu Hause aus erledigen lassen. Das Problem ist nur, dass zwar viele Menschen auch in ihren eigenen vier Waenden ueber einen Computer verfuegen, ueber diesen aber in den seltensten Faellen mit dem Rechner in der Firma kommunizieren koennen. Auch eine Besprechung mit mehreren Personen nur ueber das Telefon abzuwickeln ist nicht unbedingt effizient; gleiches gilt fuer den Hin- und Hertransport von Akten und Dokumenten, also Papier, das vielen Leuten in kurzen Abstaenden zugaenglich sein muss. Skeptiker moegen jetzt aufhorchen oder aufschreien, aber die technische Bewaeltigung all dieser Schwierigkeiten ist eines der Potentiale von ATM.

Nachdem also zum wiederholten Male erklaert wurde, dass ATM eine Art Wundermittel fuer kuenftige DV- und IT-Szenarien ist, sollte man es auch moeglichst allgemein verstaendlich erklaeren. ATM ist zunaechst die Bezeichnung fuer eine Technik, die Informationsstroeme jeglicher Art (herkoemmliche Computerdaten, Sprachsignale, Fernsehbilder etc.) in sehr kleine Einheiten unterteilt, um diese dann aufgrund ihrer Kompaktheit mit hoher Geschwindigkeit zu transportieren. Diese Einheiten, auch Zellen genannt, sind ferner in der Lage, alle genannten Informationen ueber eine gemeinsame Infrastruktur (Kabel beziehungsweise Vermittlungszentrale) zu uebertragen und in ein gemeinsames Endgeraet (Computer, Telefon, Fernseher oder eine Kombination daraus) einzuspeisen. Die hierfuer erforderliche Infrastruktur muss ueberwiegend aus Lichtwellenleitern bestehen und in vielen Faellen - sowohl beim Anwender als auch im Leitungs- und Netzbereich der Carrier - geschaffen werden, wogegen die entsprechende Unterteilungs- und Vermittlungstechnik in Form serienreifer Produkte zum Teil schon vorhanden ist.

Die sich dadurch ergebenden Moeglichkeiten sind also umfassend und koennten nach Ansicht von immer mehr Fachleuten durchaus die naechste industrielle Revolution einleiten; zumindest wird es technisch gesehen kuenftig keine Rolle mehr spielen, ob in dem vorher erwaehnten Beispiel das Telefon beziehungsweise der Computer zu Hause oder im Buero steht. Dies hat natuerlich auch Auswirkungen auf die gesamte Freizeitgestaltung. Warum soll man sich etwa ueber die immer schlechter werdenden Fernsehprogramme aergern, wenn man ueber die direkte Verbindung mit einer Videothek jeden beliebigen Film elektronisch abrufen und mit einem entsprechenden Endgeraet abspielen kann?

Unterschiede zu anderen Techniken

Zurueck zur Technik: ATM ist in der Lage, ueber eine gemeinsame Infrastruktur sowohl Daten als auch sogenannte isochrone (zeitkritische) Dienste wie Sprache oder Bewegtbilder zu uebertragen. Hierin bestehen die grossen Unterschiede zu bereits verbreiteten Techniken wie etwa FDDI. Die Art der Informationen hat wiederum direkte Auswirkungen auf die zum Einsatz kommende Technik, da fuer den reinen Datentransfer die Uebertragung von Paketen (Rahmen) ausreichend ist, fuer isochrone Dienste jedoch virtuelle Verbindungen erforderlich sind. Im oeffentlichen Bereich kommen schon alleine aus Kostengruenden nur solche Systeme zum Einsatz, die beide Verkehrsarten integrieren koennen - sogenannte hybride Uebertragungssysteme.

Sie basieren prinzipiell auf einer Pulsfolge, die in Einheiten (Slots, Zellen) gleicher Laenge unterteilt wird. Diese Einheiten werden nun entweder dem paket- oder dem leitungsvermittelten Verkehr (Datenuebertragung oder isochrone Dienste) zugeordnet. Zur Aufteilung der Zeitschlitze (Einheiten) dient das sogenannte Interleaved-Slot-Verfahren, bei dem die einzelnen Zeitschlitze fuer beide Verkehrsarten gleichermassen zur Verfuegung stehen. Fuer leitungsvermittelten Verkehr (Sprache, Video) ist dabei je nach erforderlicher Uebertragungskapazitaet eine bestimmte Anzahl von Zeitschlitzen reserviert, die restlichen stehen fuer die paketvermittelte Datenuebertragung zur Verfuegung.

In der Industrie herrscht ein bemerkenswerter Konsens darueber, dass Cell Relay - auch bekannt unter dem Begriff Cell-Switching, ATM oder Breitband-ISDN - jene Technologie darstellt, deren Zeit nun angesichts zukuenftiger High-Speed-Netze gekommen ist.

Wie wurde dieser Konsens erreicht, und welche der vielen Eigenschaften von Cell Relay tragen zu seinem Image als der zukuenftigen Uebertragungstechnik bei? Anbieter oeffentlicher Uebertragungsdienste haben bereits vor zwei Jahren zellbasierte Verfahren wie etwa den Switched Multimegabit Data Service (SMDS) vorgestellt. Darueber hinaus ist zu beobachten, dass Hersteller von paketvermittelnden Knotenrechnern beziehungsweise Frame-Relay- Komponenten mit Hochdruck an entsprechenden Produkten arbeiten. Gleiches gilt fuer Internetworking-Companies wie Router- und Hub- Hersteller.

Fuer Cell Relay gibt es zwei Standards

Neben diesen Bemuehungen der Industrie ist jedoch auch von groesster Bedeutung, dass bereits zwei Standards fuer Cell Relay existieren. Diese sind IEEE 802.6 - auch bekannt als DQDB (Distributed Queued Dual Bus) - fuer MANs sowie ein ATM-Standard der CCITT fuer WANs. Obwohl diese beiden Spezifikationen nicht identisch sind, sind sie aufgrund der engen Zusammenarbeit beider Standardisierungsgremien kompatibel. Diese Entwicklung ist aus zweierlei Gruenden bisher beispiellos. Einerseits gab es einen Standard, noch bevor die ersten Produkte entwickelt, geschweige denn ausgeliefert wurden, andererseits wurde erstmals eine Spezifikation fuer die gemeinsame Uebertragung von Daten und isochronen Diensten kreiert, die sowohl von der DV- als auch von der TK-Industrie getragen wird.

Neben den beiden offiziellen Standardisierungsgremien gibt es eine weitere Gruppe, die primaer aus einer Vielzahl von Herstellern und grossen Anwendern besteht. Das sogenannte "ATM-Forum" arbeitet mit Nachdruck an der praxisgerechten Umsetzung beziehungsweise Ergaenzung der offiziellen Standards und kann hier schon auf eine Reihe von Ergebnissen verweisen. Nichtsdestotrotz muss aber allen Beteiligten bewusst sein, dass ATM noch in den Kinderschuhen steckt und demzufolge weitgespannte Erwartungen Frustrationen nach sich ziehen. Dennoch wird diese Technik wegweisend fuer das Informationszeitalter im 21. Jahrhundert sein.

Schon 1986 begann die CCITT-Study-Group-XVIII mit den Arbeiten an Standards fuer das sogenannte Breitband-ISDN (B-ISDN). Als Resultat wurden in der CCITT-Empfehlung I.121 folgende Richtlinien fuer den Aufbau eines B-ISDN-Netzwerkes festgelegt.

- Grundlage ist die Verwendung von Zellen fixer Laenge, das Verfahren der Paketvermittlung mittels solcher Zellen wurde als ATM bekannt.

- Breitband-ISDN ist unabhaengig von einer bestimmten Uebertragungstechnik, durch ATM wird lediglich das Multiplex- beziehungsweise Uebertragungsverfahren bestimmt.

- Die "Schmalband"-ISDN-Modelle sowie die Referenzkonfiguration sind im Prinzip auch fuer Breitband-ISDN gueltig, und

- Breitband-ISDN arbeitet verbindungsorientiert.

Ein wichtiges Prinzip von ATM ist, dass dieses Verfahren nicht an ein bestimmtes physikalisches Uebertragungssystem gebunden ist - dies gilt im Prinzip auch fuer DQDB (im Zusammenhang mit Metropolitan Area Networks), waehrend im Gegensatz dazu beispielsweise bei FDDI die physikalische Schicht exakt definiert ist. Dies wiederum ergibt fuer ATM und DQDB den Vorteil, dass die heute im oeffentlichen Bereich vorhandenen Uebertragungssysteme verwendet werden koennen und somit eine schrittweise Einfuehrung solcher Dienste moeglich ist. Am wirkungsvollsten kommt ATM gemeinsam mit einer digitalen Hochgeschwindigkeits-Plattform (Sonet in den USA beziehungsweise SDH in Europa) zum Einsatz, prinzipiell spricht jedoch nichts gegen die Verwendung langsamerer Traegersysteme wie E1 (2 Mbit/s) oder E3 (34 Mbit/s).

Die erste der bei ATM exakt definierten Schichten ist der sogenannte ATM-Layer, dessen wesentlichstes Merkmal wie bereits beschrieben die Verwendung von Zellen mit einer Laenge von 53 Byte ist. Der Header dieser Zellen enthaelt eine Reihe von Informationen, die fuer die Kennzeichnung der Verbindung (VCI = Virtual Channel Identifier, VPI = Virtual Path Identifier), den Aufbau von Multipointverbindungen (GFC = Generic Flow Control), die Unterscheidung zwischen Benutzerdaten und Wartungszellen (PT = Payload Type) sowie die Kennzeichnung von Zellen, die bei Blockierung verworfen werden koennen (CLP = Cell Loss Priority) verwendet werden.

Virtuelle Kanaele fuer diverse Verkehrsarten

Prinzipielle Aufgabe des ATM-Layers ist das Multiplexen beziehungsweise Demultiplexen von Zellen sowie das Weiterleiten der Zellstroeme zum Empfaenger. Dieses Verfahren bietet, wie beispielsweise bei X.25, sogenannte virtuelle Kanaele, die nach Belieben fuer die verschiedensten Verkehrsarten verwendet werden koennen. Die Zellen eines jeden Kanals koennen durch das Uebertragungssystem beliebig verschachtelt werden, wodurch uebrigens der Begriff Asynchronous Transfer Mode entstand, da die Zellen nicht gleichmaessig (synchron) innerhalb des Datenstromes angeordnet sind. Jeder dieser virtuellen Kanaele wird im Header der Zelle durch einen sogenannten Virtual Channel Identifier (VCI) und einen Virtual Path Identifier (VPI) gekennzeichnet.

Neben der grundsaetzlichen Funktion der Zell-Vermittlung wird innerhalb des ATM-Layers auch die Signalisierung zum Aufbau virtueller Kanaele sowie eine Reihe von Diensteklassen behandelt. Die Signalisierung ist ein aeusserst komplexes Gebiet, in dem es im Zusammenhang mit Breitband-ISDN mit groesster Wahrscheinlichkeit zur Definition eines auf dem ISDN-Signalisierungsstandard Q.931 basierenden Protokolls kommen duerfte.

Wegen dieser schwierigen Materie verfuegen die ersten, nun auf dem Markt erhaeltlichen ATM-Komponenten ueber keine geschalteten, sondern permanente virtuelle Verbindungen, die entsprechend voreingestellt werden muessen. Da Zellen unterschiedlichste Verkehrsarten uebertragen koennen, werden innerhalb des ATM-Layers weiterhin diverse Dienstklassen (Quality of Service) definiert.

Bis auf die Diensteklassen fuer die unterschiedlichen virtuellen Kanaele besitzt der ATM-Layer keinerlei Kenntnis ueber die Art des zu uebertragenden Verkehrs. Konsequenterweise befindet sich ueber dem ATM-Layer noch der sogenannte ATM-Adaption-Layer. Im Vergleich mit LANs kann der Physikal Layer auf dem OSI-Layer 1, der ATM- Layer zwischen OSI-Layer 1 und 2 und der ATM-Adaption-Layer (AAL) auf OSI-Layer 2 angesiedelt werden. Der ATM-Adaption-Layer ist fuer die Anpassung der verschiedensten Informationsstroeme an die gemeinsame Datenuebertragungstechnik verantwortlich. Aufgrund der Unterschiede zwischen den verschiedenen Informationsstroemen existieren nun mehrere Adaption-Layer, die mit AAL1 bis AAL5 bezeichnet werden.

AAL1 (Klasse A) ist fuer die Uebertragung von Informationen mit einer konstanten Bitrate zustaendig (digitale Sprache), AAL2 fuer die Uebertragung von Informationen mit variablen Bitraten (paketierte Videosignale) und AAL3 beziehungsweise AAL4 fuer die Uebertragung von verbindungsorientierten beziehungsweise verbindungslosen Datenstroemen. Da der zusammengefasste Adaption- Layer AAL 3/4 erhebliche Schwaechen im Hinblick auf Datagramme aufweist, wird gegenwaertig die Standardisierung eines neuen Adaption-Layers speziell fuer die Uebertragung von Datagrammen (AAL5) diskutiert.

Bei der Datenuebertragung ist weiter zu beachten, dass die von hoeheren Schichten kommenden Daten unter Verwendung des Adaption- Layers in Zellen unterteilt und dann wieder zusammengesetzt werden muessen. Alle diese Festlegungen sind leider noch nicht ausreichend, um etwa ATM als LAN-Ersatz betreiben zu koennen, da sonst fuer jedes einzelne LAN-Protokoll (TCP/IP, IPX/SPX, Decnet etc.) eigens definiert werden muesste, wie es auf ATM aufsetzen soll. Aus diesem Grund wird gerade innerhalb des ATM-Forums an einer sogenannten LAN-Emulationstechnik gearbeitet, die den Systemen ein herkoemmliches LAN "vortaeuschen" soll, so dass diese auf Basis von Broad- und Multicast-Techniken arbeiten koennen.

Da an ATM-Knoten angeschlossene Endgeraete jedoch nicht grundsaetzlich mit einer Vielzahl von anderen Systemen kommunizieren koennen und ein Broadcast ueber alle Systeme natuerlich auch nicht erwuenscht ist, spricht man in diesem Zusammenhang von der Technik des sogenannten "Virtual LAN", das heisst, innerhalb der Knoten wird definiert, welche Endgeraete zu einer sogenannten "Broadcast Domain" gehoeren sollen. Sendet nun eines dieser Endgeraete einen Broadcast aus, wird er an alle ande-ren Endgeraete der Domain weitergeleitet; die restlichen Systeme bleiben davon jedoch voellig unberuehrt.

Die ATM-Technik ermoeglicht den Anwendern Geschwindigkeiten bis zu 155 Mbit/s, zwischen den einzelnen Vermittlungsknoten sollen sogar 622 Mbit/s und mehr realisiert werden koennen. Bedingt durch dieses hohe Tempo und aufgrund der raeumlichen Ausdehnung oeffentlicher Systeme von Carriern und Netzbetreibern muessen in einem ATM-Netz auch die Laufzeiten der Informationen beruecksichtigt werden. Daraus ergeben sich prinzipielle Schwierigkeiten bei der Flusssteuerung, da bis zum Erkennen einer Steuernachricht beim Sender der Pufferspeicher beim Empfaenger ueberlaufen wuerde. Daher unterstuetzt ATM keine Flusssteuermechanismen. Dies wird als Aufgabe der darueber liegenden Schichten und Protokolle betrachtet.

* Eckhart Eichler ist Geschaeftsfuehrer der Pro in Consulting GmbH, Wien. Der Artikel ist die gekuerzte Fassung eines Vortrages anlaesslich einer von Pro in Consulting veranstalteten Konferenz zum Thema Breitbandkommunikation im September 1993 in Wien.