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ATM

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Descrizione generale

Sigla dell'inglese Asynchronous Transmission Mode (modalità di trasmissione asincrona), usata in telefonia digitale per indicare una tecnica di trasporto, multiplazione e commutazione di tipo asincrono, caratterizzata da alte velocità e indipendenza dalla tipologia di traffico trattato. Nonostante sia assimilabile a una tecnica a commutazione di pacchetto che utilizza delle connessioni virtuali, l'ATM consente infatti anche il trasporto delle informazioni relative a servizi isocroni simulando delle connessioni a circuito. Questa flessibilità d'uso ha reso l'ATM la tecnica di trasporto indicata in ambito di normalizzazione per la rete integrata a larga banda. Ogni servizio di telecomunicazione genera le informazioni da trasmettere secondo modalità differenti: il traffico telefonico per esempio è caratterizzato da un impegno piuttosto elevato della risorsa trasmissiva e prevede che le informazioni vengano trasferite all'estremo ricevente con il minimo ritardo e nella sequenza con cui sono state effettivamente emesse; il traffico dati tra elaboratori, invece, è caratterizzato da una trasmissione intermittente (burst), con un impegno discontinuo del canale di comunicazione e una buona tolleranza ai ritardi. L'esigenza di trattare servizi con caratteristiche di traffico differenti ha dato vita a reti di comunicazione specializzate, in grado di offrire solo determinati servizi o comunque poco adatte a trattarne di diversi. La pluralità delle reti esistenti, con gli elevati costi impiantistici, di esercizio e manutenzione connessi, ha moltiplicato gli sforzi per arrivare al traguardo di una rete unica, in grado di offrire tutte le tipologie di servizio, strutturata in modo tale da assicurare la flessibilità necessaria per soddisfare, per quanto possibile, le richieste di nuove applicazioni. Sulla scia di tali esigenze è venuta prendendo forma la tecnica di trasporto ATM, che nasce come una diretta evoluzione delle reti a pacchetto, ma che contempla anche la possibilità di fornire servizi di tipo isocrono come la fonia, storicamente riservati alle reti a commutazione di circuito. Per una descrizione sistematica della tecnica ATM è necessario distinguere due livelli di protocollo: il livello ATM (AL, ATM Layer), preposto al trasporto in rete delle celle, e il livello di adattamento ATM (AAL, ATM Adaptation Layer), che arricchisce le funzioni del livello ATM per adeguarle alle richieste dei livelli superiori. I livelli AL e AAL sono elementi del più generale modello di riferimento per la rete integrata di comunicazioni a larga banda (B-ISDN), a cui si rimanda per un inquadramento completo.

Il livello ATM (AL)

Il funzionamento dell'ATM prevede che le informazioni vengano trasferite in unità dati chiamate celle, di lunghezza fissa pari a 53 byte, di cui 5 di intestazione (header) e 48 di dati d'utente (payload). La scelta di utilizzare una lunghezza fissa per la cella è stata dettata dalla necessità di ridurre la complessità degli apparati e di semplificare il trattamento delle celle in rete. La dimensione della cella è stata determinata prendendo in considerazione l'effetto dei ritardi sul traffico isocrono (voce e video), l'efficienza della trasmissione e la necessità di semplificare gli aspetti implementativi per ridurre i tempi di elaborazione e commutazione. Le funzioni di multiplazione e commutazione sono effettuate direttamente dall'hardware consentendo il trattamento dei flussi ad alta velocità. La complessità della rete di transito è stata ridotta ulteriormente concentrando sullo strato di accesso le funzioni specifiche per i vari tipi di servizio e mantenendo all'interno dei nodi di commutazione solo le funzioni di trasporto strettamente necessarie (approccio core and edge). Nella tecnica ATM, il traffico generato da varie sorgenti viene combinato su un singolo collegamento trasmissivo, utilizzando il concetto della multiplazione statistica che prevede l'assegnazione dinamica delle risorse trasmissive alle sorgenti che in quel momento ne fanno richiesta. Questa filosofia di multiplazione permette di ottimizzare la capacità della rete che risulta divisa, istante per istante, tra le sole sorgenti che devono effettivamente trasmettere dati. L'efficienza della multiplazione ATM si chiarisce se la si pone a confronto con la multiplazione a divisione di tempo (TDM, Time Division Multiplexing), nella quale ogni sorgente dispone di risorse assegnatele staticamente al momento dell'apertura della connessione e utilizzate in modo parziale se la sorgente, come tipicamente avviene, trasmette in modo discontinuo. Nella tecnica ATM le celle non sono associate in maniera fissa a una sorgente, ma sono a disposizione di tutte; ogni sorgente può trasferire nelle celle, fermo restando il vincolo sulla velocità globale del sistema, il contenuto informativo da trasmettere: quanto maggiore è la velocità di trasmissione della sorgente, tanto più elevato è il numero di celle che potrà utilizzare. L'intestazione di una cella ATM è composta da sei campi distinti: a) il GFC (Generic Flow Control, controllo generico di flusso) utilizzato per gestire l'accesso di più terminali a una stessa interfaccia d'utente; b) il VCI (Virtual Channel Identifier, identificatore di canale virtuale); c) il VPI (Virtual Path Identifier, identificatore di cammino virtuale); d) il PT (Payload Type, tipo di carico utile), che identifica il tipo di dati da trasferire (dati di utente o informazioni di gestione della rete); e) il CLP (Cell Loss Priority, priorità di perdita della cella), che specifica il grado di importanza delle informazioni contenute nella cella e identifica le celle che possono essere scartate in particolari condizioni di rete (per esempio in congestione); f) l'HEC (Header Error Control, controllo di errore dell'intestazione), utilizzato per la rilevazione e la correzione degli errori. In realtà il formato dell'intestazione è differente a seconda che si faccia riferimento all'interfaccia utente-rete (UNI, User to Network Interface) o all'interfaccia rete-rete (NNI, Network to Network Interface): il campo GFC in particolare è presente solo all'interfaccia utente-rete dal momento che rappresenta un meccanismo di accesso alla rete. L'ATM è una tecnica orientata alla connessione e usa i due campi VCI e VPI dell'intestazione delle celle per identificare la connessione virtuale su cui trasferire le informazioni. Il campo VCI indica il canale virtuale (VC, Virtual Channel) utilizzato all'interno del cammino virtuale (VP, Virtual Path) indicato dal campo VPI. Le coppie VPI/VCI hanno un valore locale ai nodi di commutazione e sono assegnate alla connessione virtuale al momento della sua instaurazione. Le operazioni svolte da un nodo di commutazione prevedono il trasferimento della cella dalla porta di ingresso alla corrispondente porta di uscita (commutazione di multiplex) e la relativa modifica della coppia VPI/VCI (commutazione di etichetta). Ogni nodo ATM di commutazione gestirà quindi una tabella di instradamento (routing table) che associa la coppia VPI/VCI di ingresso alla corrispondente coppia VPI/VCI di uscita. Se nel trasferimento delle celle attraverso un nodo viene modificato il solo VPI, il nodo effettua una permutazione di cammino virtuale, trasportando i canali appartenenti a quel cammino in modo trasparente dall'estremo d'ingresso a quello di uscita. Qualora invece il trasferimento comporti la modifica dell'intera coppia VPI/VCI, il nodo effettua la commutazione del singolo circuito virtuale. Una connessione ATM è quindi determinata da una concatenazione di coppie di identificatori VPI/VCI sui collegamenti fisici tra i nodi della rete. Esistono due tipi di connessioni: la connessione a canale virtuale (VCC, Virtual Channel Connection) e la connessione a cammino virtuale (VPC, Virtual Path Connection). La VCC è tipicamente stabilita dagli utenti su base chiamata per effettuare singole transazioni sulla rete. La VPC è solitamente instaurata e abbattuta su base prenotazione attraverso un sistema di gestione ed è utilizzata per trattare come un'unica entità gruppi di VCC che seguono lo stesso percorso o per stabilire tra utenti dei collegamenti di tipo permanente. Quando la connessione viene rilasciata, gli identificativi e le associazioni contenute all'interno della tabella di instradamento potranno essere riutilizzati per nuove connessioni.

Il livello di adattamento ATM (AAL)

Il livello di adattamento è diviso in due sottolivelli: il sottolivello di convergenza (CS, Convergence Sublayer), che espleta le funzioni specifiche dei vari servizi, e il sottolivello di segmentazione e riassemblaggio (SAR Sublayer, Segmentation And Reassembly Sublayer) che adatta i dati scambiati con i livelli superiori alle dimensioni della cella ATM. Le funzioni espletate dallo strato AAL dipendono dalla particolare categoria di servizio utilizzato. Sono state definite quattro classi di servizio e per ciascuna di queste sono stati creati protocolli AAL specifici. Le quattro classi sono state definite sulla base di tre parametri: sincronizzazione tra sorgente e destinazione, bit rate e modalità di connessione. L'AAL1 è utilizzato per i servizi di classe A, caratterizzati da frequenza di cifra costante (CBR, Constant Bit Rate), orientamento alla connessione e una relazione di temporizzazione tra sorgente e destinazione: appartengono a questa classe i servizi isocroni come la telefonia e la trasmissione video di tipo CBR. Questo tipo di traffico è molto sensibile alle variazioni dei ritardi e non tollera alterazioni nella sequenza delle informazioni trasferite. L'AAL1 assicura che gli scambi delle unità dati con i livelli superiori avvengano con frequenza di cifra costante, rispettando le relazioni di sincronizzazione tra sorgente e destinazione. L'AAL2 è ancora in fase di studio ed è destinato alla gestione dei servizi di classe B, orientati alla connessione, con sorgente e destinazione tra loro sincronizzate, ma caratterizzati da un traffico a frequenza di cifra variabile (VBR, Variable Bit Rate). Tipici esempi di questa classe sono le trasmissione di fonia e video con codifica VBR. L'AAL3/4, impiegato per i servizi di trasmissione dati a pacchetto a frequenza di cifra variabile, è nato dall'accorpamento dell'AAL3, usato per il trasferimento dati in modo orientato alla connessione (servizi di classe C; per esempio X.25, Frame Relay), e dell'AAL4, previsto per i servizi di trasferimento dati senza connessione (servizi di classe D; per esempio interconnessione di LAN, SMDS). In questo caso il traffico non è sensibile ai problemi di ritardo ma solo alla perdita dei dati, e prevede la possibilità di riordinare i pacchetti sulla base delle informazioni di sequenza, nel caso che questa non venga rispettata. L'AAL5, nato successivamente ai primi quattro, rappresenta l'evoluzione dell'AAL3/4, rispetto al quale garantisce maggiore efficienza di trasmissione e minore complessità elaborativa: è specifico per i servizi di classe C, tipo Frame Relay.