سويچهاي ATM

مقدمه :

با توجه به پيشرفت هاي سريع دانش و فن آوري در عرصه هاي گوناگون و به ويژه علوم كامپيوتر، انفورماتيك و ارتباطات و از سوي ديگر افزايش فزايندة حجم مبادلات اطلاعاتي در سراسر جهان از طريق رسانه هاي متعدد، به ويژه شبكه جهاني اينترنت، نياز به فراهم آوردن ابزارها و بسترهاي فيزيكي مناسب جهت نيل به سرعتهاي هر چه بيشتر در انتقال اطلاعات كاملاً ملموس مي باشد. در اين راستا مي توان به كابل تابيده ( Twisted Pair)، كابل كواكسيال با پهناي باند كم

(Baseband Coaxial Cable)، كابل كواكسيال با پهناي باند وسيع( Broadband Coaxial Cable (، و فيبرنوري در عرصة انتقال غير بي سيم و همچنين انتقال راديويي ( Radio Transmission) ، مايكرو ويو (Microwave)، مادون قرمز (Infrared) ، و موج نوري (Lightwave Transmission) در عرصة انتقال بي سيم و امواج الكترو مغناطيسي نام برد كه فن آوري هاي گوناگون و متعددي همچون سيستمهاي مخابراتي و تلفن، I SDN كم پهنا ، ISDN با پهناي باند زياد ، راديوي سلولي (C

ellular Radio)، و ماهواره هاي مخابراتي بر پاية آنها بنا شده اند. پر واضح است كه به لحاظ سرعت، سيستم هايي كه بر اساس فن آوري هاي بي سيم و خصوصاً امواج الكترو مغناطيسي اطلاعات را منتقل مي كنند، بسيار كاراتر مي باشندولي هزينة بسيار بالا و تجهيزات مخابراتي ويژه اي كه براي راه اندازي اين سيستمها مورد نياز است، موارد استفادة عملي آنها را محدود به شبكه هاي وسيع مانند WAN و ارتباطات راه دور مي نمايد. بنابراين، نياز به رسانه هاي انتقال (Transmission Media) غير بي سيم، و بهينه سازي ابعاد كيفيتي گوناگون آنها از جمله سرعت انتقال داده ها، پهناي باند، و ضريب دقت جلب توجه مي نمايد.
در اينجا قصد داريم به بررسي كلي يكي از جديد ترين فن آوري ها در اين زمينه بپردازيم. اين فن آوري نوين كهAsynchronous Transfer Mode) ATM ( نام دارد، اساس شبكه هاي N-ISDN و B-ISDN را تشكيل مي دهند كه امروزه جزو پر سرعت ترين فن آوري هاي موجود شبكه مي باشند. همچنين از نقطه نظر سخت افزاري و با ديدي عميقتر به بررسي « سويچهاي ATM » كه وظيفه اصلي راه گزيني ( Switching or Routing) را در شبكه هاي ATM انجام مي دهند، مي پردازيم.

ويژگيهاي ATM :

ATM سر نام عبارت حالت انتقال ناهمزمان ( Asynchronous Transfer Mode) مي باشد . علت اين نامگذاري اينست كه بر خلاف خطوط تلفن ، انتقال در ATM بصورت همزمان و وابسته به يك Clock واحد نيست.
ايدة اساسي تشكيل دهندة ATM اينست كه اطلاعات در قالبهاي كوچك و با اندازة ثابت كه سلول Cell) ) ناميده مي شوند، منتقل گردند. طول سلولها در ATM 53 بايت است. پنج بايت اول به عنوان آغازين (Header) و ۴۸ بايت بقيه اطلاعات را تشكيل مي دهند. تركيب اين ۵۳ بايت در شكل ۱ آمده است.

 

شكل شمارة ۱ – سلول ATM

ساختار داخلي Header يك سلول ATM در شكل ۲ آمده است.

ويژگي ATM نسبت به سيستمهاي مخابراتي اينست كه ATM از فن آوري C

ell-Switching استفاده مي نمايد، در حاليكه سيستم تلفن فن آوري Circuit-Switching را به كار مي گيرد.دلايل انتخاب فن آوري Cell-Switching براي ATM عبارتند از:

• Cell-Switching كاملاً انعطاف پذير است و و مي تواند به راحتي ترافيك با نرخ ثابت مانند صوت و تصوير، و ترافيك با نرخ متغير مانند داده را كنترل كند. در ATM مي توان داده ها را با هر نرخ انتقالي، ارسال و دريافت نمود. همچنين اين امكان وجود دارد كه دز طول زمان نرخ ترافيك تغيير كند. در سيستم تلفن نرخ ترافيك، بايد مضربي از ۸ Kbps باشد.
• با توجه به اينكه در حال حاضر دستيابي به سرعتهاي بالا ( در حد گيگا بيت در ثانيه ) ممكن شده است، راه گزيني (Switching) سلولها (Cells) به ويژه در كاربردهاي فيبر نوري، به صورت ديجيتالي بسيار آسانتر از روشهاي رايج Multiplexing مي باشد.
• Cell-Switching مي تواند امكان انتشار (Broadcasting) را كه لازمة گسترش توزيعي(Distributed) سيستم تلويزيون مي باشد، فراهم نمايد، در حاليكه اين امر در Circuit-Switching امكان پذير نمي باشد.

شبكه هاي ATM اتصال گرا هستند، بنابر اين بر قراري يگ ارتباط نيازمند اينست كه ابتدا يك پيام فرستاده شود تا اتصال بر قرار گردد. سپس سلولهاي متوالي در مسير تعيين شده به سمت مقصد جاري مي گردند. حفظ ترتيب توالي سلولها در ATM تضمين شده است.
سرعت هاي مورد نظر براي ATM در حال حاضر ، ۱۵۵-Mbps و ۶۲۲-Mbps مي باشد. البته امكان نيل به سرعتهاي بالاتر نيز وجود دارد.

 

مدل مرجع ATM :

ATM از مدل مرجعي خاص خود و متفاوت با مدل مرجع OSI و TCP/IP استفاده مي كند. اين مدل كه مدل مرجع ATM (ATM Reference Model) نام دارد از سه لايه تشكيل شده است.

• ATM Adaptation Layer

۱) Canvergence Sublayer
2) Segmentation and Reassembly Sublayer
• ATM Layer
• ‍Physical Layer
1) ‏Transmission Convergence Sublayer
2) Physical MediumDependent Sublayer
لاية فيزيكي مربوط به رسانة فيزيكي ( Physical Medium) است: ولتاژها، زمان بندي بيتها (BitTiming)، و موارد ديگر است. ATM قواعد خاصي را در اين مورد وضع ننموده است، ولي تعيين نموده است كه سلولها مي توانند از طريق يك سيم يا فيبر منتقل گردند. همچنين سلولها مي توانند در داخل بخش اطلاعات (Payload) سيستمهاي انتقال ديگر بسته بندي شوند. بنابراين A TM طوري طراحي شده است كه از رسانة انتقال مستقل باشد.
‌لاية ATM كنترل سلولها و انتقال آنها را انجام مي دهد. تركيب سلول و ساختارهاي موجود در Header آن را تعيين مي نمايد. همچنين وظيفة برقراري و آزادسازي مدارات مجازي را انجام مي دهد. علاوه بر آن كنترل تراكم (Congestion Control) نيز در همين لايه انجام مي شود.
از آنجايي كه بسياري از برنامه هاي كاربردي مستقيماً با سلولها كار نمي كنند، يك لايه در بالاي لاية ATM وجود دارد كه به كاربر اجازه مي دهد تا بسته هاي بزرگتر از اندازة سلول را انتقال دهد. رابط ATM بسته ها را به قطعات اندازة سلولها تقسيم مي كند، سلولها را به صورت انفرادي ارسال مي كند، و در سوي ديگر آنها را به هم مي پيوندد. اين لايه، لاية مبدل A TM (ATM Adaptation Layar) يا AAL نام دارد. AAL خود به دو زير لايةSAR ، (Segmentation and Reassembly) و CS(Convergence Sublayer) تقسيم مي شود.بر خلاف ساير مدلهاي مرجع، مدل مرجع ATM بصورت سه بعدي تعريف شده است. بخشهايي كه در سطح لاية بالايي قرار گرقته اند، عبارتند از:
• Plane Management : كار كنترل منابع را انجام مي دهد.
• Layer Management : هماهنگي داخلي بين لايه ها را انجام مي دهد.
• Control Plane : مربوط به كنترل و مديريت اتصال است.
• User Plane : وظيفة انتقال داده ها، كنترل جريان، و تصحيح خطا را به عهده دارد.
زيرلاية PMD ارتباط مستقيم با رسانة انتقال دارد، بيتها را منتقل مي نمايد و زمانبندي آنها را تنظيم مي كند.
زير لاية ديگر لاية فيزيكي، (Transmission Convergence) در هنگام ارسال، سلولها را بصورت يك رشته از بيتها به لاية PMD تحويل مي دهد. بنابراين زمان دريافت ، تنها يك رشته از بيتها را دريافت مي نمايد. در اين حالت كار اين لايه اينست كه رشتة بيتها را به سلولهاي اوليه تبديل نمايد و به لاية ATM باز گرداند.

سويچهاي ATM :

با توجه به اين امر كه ATM يك سيستم Packet-Switching ديجيتال با سرعت بالا مي باشد، سويچ (Switch) يا راه گزيني(Router) كه در شبكه هاي ATM به كار مي رود، در بهينه سازي سرعت انتقال اطلاعات در ATM نقش بسيار مؤثري دارد.
همانطور كه ذكر شد، سرويس ATM اتصال گرا(C

onnection Oriented) است. اما اين سرويس عملاً به روش Packet-switching پياده سازي مي شود. در اين حالت دو نوع اتصال ارائه مي شود.

• مدارهاي مجازي دائم (Permenant Virtual Circuits): به صورت دستي توسط كاربر تقاضا مي شود( مانند امكان ارسال يك فكس) و نوعاً در مدتهاي طولاني باقي مي مانند.
• مدارهاي مجازي راه گزين شده ( Switched Virtual Circuits): مانند تماسهاي تلفني كه در هنگام نياز بصورت پويا برقرار شده و پس از آن قطع مي گردند.

در سيستمهايي كه از Circuit-Switching استفاده مي نمايند، برقراري يك اتصال به اين معني است كه يك مسير فيزيكي بين منبع و مقصد برقرار گرديده است، در حاليكه در سيستمهاي Packet-Switching آنچه واقعاً روي مي دهد اينست كه مسير از منبع تا مقصد برگزيده مي شود. شكل شمارة ۳ اين مطلب را نشان مي دهد .
يك سويچ ATM بطور كلي داراي تعدادي خطوط ورودي و تعدادي خطوط خروجي مي باشد كه معمولاً ( به دليل دوطرفه بودن خطوط و سويچها) تعداد آنها با هم برابر مي باشد. هر سلول از طريق يك خط ورودي وارد شده و به ساختارهاي راه گزيني فرستاده مي شود و سرانجام روي خط خروجي مربوطه قرار مي گيرد.
هر سويچ داراي يك پالس ساعت اصلي مربوط به خود مي باشد. با توجه به اينكه سلولها بصورت ناهمزمان روي خطوط ورودي قرار مي گيرند، وظيفة پالس ساعت اينست كه ابتداي هر سيكل را مشخص مي كند. سلولهايي كه به طور كامل روي خطوط ورودي قرار ميگيرند، در ابتداي هر سيكل مي توانند وارد بخش سويچينگ شوند. سلولي كه كاملاً روي خطوط ورودي قرار نگرفته است، بايد تا ابتداي سيكل بعدي منتظر بماند.
با توجه به اينكه سلولها با سرعت رايج در A TM يعني در حدود ۱۵۰Mbps به سويچ وارد مي شوند، مي توان طول مدت زمان هر سيكل را محاسبه نمود:

تعداد بيتها در ثانيه: ۱۵۰ Mbps
( 150 * 106 ) / (52 * 8)=360,576 ≈ ۳۶۰,۰۰۰تعداد سيكلها در ثانيه:

۱/ ۳۶۰,۰۰۰= ۲٫۷۷ * ۱۰ -۶ ≈ ۲٫۷ µSecطول مدت هر سيكل:
يك سويچ معمولي مي تواند بين ۱۶ تا ۱۰۲۴ خط ورودي داشته باشد، بنابراين بايد بتواند در هر µSec 2.7 يك دستة ۱۶ تا ۱۰۲۴ تايي از سلولها را سو يچ كند.البته درMbps 622 اين زمان به nSec 700 تقليل مي يابد.كوچك بودن اندازة سلولها و ثابت بودن طول آنها سويچينگ را به اين طريق ممكن ساخته است.

مشكلي كه در سويچ بوجود مي آيد اينست كه در يك سيكل ممكن است دو يا چند سلول كه در ورودي قرار دارند بخواهند به يك خط خروجي بروند.
يك راه حل براي مشكل فوق اينست كه براي هر خط ورودي يك بافر در نظر بگيريم، يك سلول را به مدار سويچ وارد كنيم و بقية سلولهايي را كه به همان خط خروجي بايد سويچ شوند، تا ابتداي سيكل بعدي در بافر ورودي ذخيره كنيم. اين روش Input Buffering نام دارد. مشكلي كه در Input Buffering وجود دارد اينستكه هنگامي كه يك سلول در بافر نگهداشته مي شود، مسير عبور سلولهاي بعد از خود را مسدود مي سازد. اين پديده Head-of-Line Blocking نام دارد. راه ديگري كه براي بافرينگ وجود دارد و منجر به Head-of-Line Blocking نمي شود، Output Buffering است. در اين روش هنگامي كه دو سلول در يك سيكل واحد بايد به يك خروجي فرستاده شوند، سلولها به ترتيب وارد مدارات سويچينگ شده، و به خط خروجي مربوطه سويچ مي شوند، در آنجا سلول اول از مدار خارج شده و بقيه سلولها در بافر ذخيره مي گردند. بنابر اين در اين حالت خطوط ورودي در پايان هر سيكل آزاد هستند. استفاده از Output Buffering باعث صرفه جويي در تعداد سيكلها مي شود.
روشهاي گوناگوني براي طراحي مدارات سويچينگ وجود دارند:
• Knockout Switch
• Batcher-Banyan Switch

 

پيوست :

PNNI Routing in ATM:

مراجع:

Books:

Andrew S. Tanenbaum, “Computer Networks”, Prentice Hall, 1996
Doglas E. Comer, “ Computer Networks”, Pretice Hall, 1999

Web Sites:

http://www.via-isdn.org
http://cis.ohio-state.edu/~jain
ftp://ftp.netlab.ohio-state.edu/pub/jain/papers/cnis/index.html