ATM ist die Abkürzung für Asynchronous Transfer Mode und ist die Übertragungsart der Zukunft. Dabei handelt es sich um eine Art der digitalen Datenübertragung. Bei ATM werden die zu übertra-genden Daten in kleine Pakete aufgeteilt, die dann vom Sender zum Empfänger über Netzwerkknoten hinweg geschickt werden. ATM benutzt ein besonderes Paketformat, welches ATM-Zelle genannt wird. Jede dieser Zellen hat die gleiche Größe und besteht aus einem Zellkopf, auch Header genannt, und einem Informationsfeld. Im Header befinden sich alle Parameter, die nötig sind, um eine ATM-Zelle durch das Netzwerk zu lenken und zu identifizieren. Im Informationsfeld befinden sich die zu übertragenden Informationen.
Der Begriff "asynchronous" spielt darauf an, daß die Zeitabstände, in denen einzelne Pakete einer Verbindung den Empfänger erreichen, nicht gleich sein müssen. Eine Zelle wird nicht aufgrund ihrer zeitlichen Lage innerhalb eines Übertragungsfensters identifiziert, wie es z.B. beim STM (Synchro-nous Transfer Mode) der Fall wäre.
Bei ATM handelt es sich um eine verbindungsorientierte Übertragungsart. Vor der eigentlichen Ü-bertragung wird eine Verbindung zwischen Sender und Empfänger aufgebaut. Dabei handelt es sich um eine virtuelle Verbindung. Bei dem Verbindungsaufbau legen die beteiligten Netzwerkknoten ei-nen Weg von Sender nach Empfänger fest. Das bedeutet, daß alle Zellen einer Verbindung denselben Weg durch das Netzwerk nehmen. Das zeitaufwendige Routing findet nur ein einziges Mal je Verbindung statt. Die ausgewählten Netzwerkknoten merken sich mit Hilfe von sogenannten Ver-bindungstabellen, wo Zellen einer bestimmten Verbindung während des Verbindungsaufbaus herkamen, und wo sie hingeleitet wurden.
* ATM ist für jegliche Art von Diensten geeignet. Seien es Telephon, Bildtelephon, Fax, Datenübertragung, Fernsehprogrammübertragung etc.
* ATM hat einen entscheidenden Vorteil: Es ist schnell. Übertragungsraten von bis zu 622 Mbit/s werden damit möglich sein
* ATM ermöglicht eine gute Ausnutzung der Bandbreite durch Dienste variabler Bitrate, d. h. ATM ermöglicht die Benutzung nicht genutzter Bandbreite, indem es diese nicht genutzte Bandbreite anderen Verbindungen zur Verfügung stellen kann
* ATM ist das Übertragungsprotokoll des ISDN-Nachfolgers B-ISDN
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
2 VERMITTLUNGSVERFAHREN
2.1 LEITUNGSVERMITTLUNG (CIRCUIT SWITCHING)
2.2 NACHRICHTENVERMITTLUNG (MESSAGE SWITCHING)
2.3 PAKETVERMITTLUNG (PACKET SWITCHING)
2.4 VERBINDUNGSLOSE PAKETVERMITTLUNG (DATAGRAM)
2.5 VERBINDUNGSORIENTIERTE PAKETVERMITTLUNG (VIRTUAL CIRCUIT)
3 SCHICHTEN DES ATM
3.1 DIE PHYSIKALISCHE SCHICHT (PHYSICAL LAYER)
3.2 DIE ATM-SCHICHT
3.3 DIE ANPASSUNGSSCHICHT
4 BESCHREIBUNG DES ATM-ZELLFORMATS
4.1 GENERIC FLOW CONTROL - GFC
4.2 VIRTUAL PATH IDENTIFIER - VPI / VIRTUAL CHANNEL IDENTIFIER - VCI
4.3 PAYLOAD TYPE - PT
4.4 CELL LOSS PRIORITY - CLP
4.5 HEADER ERROR CHECK - HEC
5 ROUTING IN ATM-NETZWERKEN NACH DEM VERBINDUNGSAUFBAU
6 SIGNALISIERUNG IN ATM-NETZWERKEN
6.1 UNI-SIGNALISIERUNG
6.1.1 UNI-SIGNALISIERUNG FÜR DEN VERBINDUNGSAUFBAU
6.1.2 UNI-SIGNALISIERUNG FÜR DEN VERBINDUNGSABBAU
6.2 NNI-SIGNALISIERUNG
6.2.1 NNI-SIGNALISIERUNG FÜR DEN VERBINDUNGSAUFBAU
6.2.2 NNI-SIGNALISIERUNG FÜR DEN VERBINDUNGSABBAU
7 VERBINDUNGSAUFBAU IN ATM-NETZWERKEN
7.1 BEISPIEL FÜR EINEN GELUNGENEN VERBINDUNGSAUF- UND ABBAU
7.2 EIN ZWEITES BEISPIEL FÜR EINEN GELUNGENEN VERBINDUNGSAUF- UND ABBAU
7.3 BESONDERE MERKMALE VON ATM-NETZWERKEN
7.4 KONFLIKTE UND IHRE VERMEIDUNG BEI DER VERGABE VON VPI/VCI
8 ZEITLICHE VORGÄNGE AN DER UNI-SCHNITTSTELLE
9 KOPPELNETZE
9.1 CROSSPOINTS
9.2 2X2 KOPPELNETZ AUS CROSSPOINTS
9.3 ALTERNATIVE DARSTELLUNGSMÖGLICHKEIT DER CROSSPOINTS
9.4 BANYAN-NETZWERKE
10 WEGESUCHE IN KOPPELNETZEN
10.1 SELBSTSTEUERNDES KOPPELNETZ MIT VOREINGESTELLTEN WEGEN UNTER VERWENDUNG VON BANYAN-NETZWERKEN
10.2 ALTERNATIVE KONZEPTE
10.2.1 SUCHVERFAHREN MIT VOREINGESTELLTEN WEGEN
10.2.2 SUCHVERFAHREN OHNE VOREINGESTELLTE WEGE
11 MASSNAHMEN GEGEN BLOCKIERUNG IN KOPPELNETZEN
11.1 EINGANGSSPEICHERUNG
11.2 AUSGANGSSPEICHERUNG
11.3 KOMBINATION AUS EIN- UND AUSGANGSSPEICHERUNG
11.4 ZENTRALSPEICHERUNG
12 DATENÜBERTRAGUNGSRATEN IM BREITBAND-ISDN
12.1 BEZUG DATENRATE - DATENPAKETE PRO SEKUNDE
12.2 KONSEQUENZEN FÜR DIE SIMULATION
13 DAS IN DER SIMULATION VERWENDETENUMMERNSYSTEM
14 GRUNDSÄTZLICHES ZUR IMPLEMENTATION
15 DIE IMPLEMENTATION DER ATM-ZELLEN ( ZELLE.CPP )
15.1 DIE KLASSE ATM_ZELLE
15.2 DIE KLASSE ZELLE_UNI
15.3 DIE KLASSE ZELLE_NNI
15.4 DIE DATEN VON ZELLE.CPP
15.4.1 DIE EIGENSCHAFTEN DER KLASSEN ATM_ZELLE, ZELLE_UNI BZW. ZELLE_NNI
15.4.2 GLOBALE DEKLARATIONEN
16 DIE IMPLEMENTATION DER ATM-KNOTEN ( KNOTEN.CPP )
16.1 DIE KLASSE ATM_KNOTEN
16.2 DIE DATEN VON KNOTEN.CPP
16.2.1 DIE EIGENSCHAFTEN DER KLASSEATM_KNOTEN
16.2.2 GLOBALE DEKLARATIONEN
17 DIE IMPLEMENTATION DER ATM-TEILNEHMER ( TEILN.CPP )
17.1 DIE KLASSE ATM_TEILNEHMER
17.2 DIE DATEN VON TEILN.CPP
17.2.1 DIE EIGENSCHAFTEN DER KLASSE ATM_TEILNEHMER
18 DIE IMPLEMENTATION EINES ZELLGENERATORS ( GENER.CPP )
18.1 DIE KLASSE GENERATOR
18.2 DIE DATEN VON GENER.CPP
18.2.1 DIE EIGENSCHAFTEN DER KLASSE GENERATOR
19 BESCHREIBUNG DER DEMONSTRATIONS-PROGRAMME
19.1 DEMO1.CPP: FEHLERERKENNUNG UND KORREKTUR
19.2 DEMO2.CPP: ZEITSTEMPEL, VERBINDUNGSAUFBAU
19.3 DEMO3.CPP: KOPPELVIELFACH / PUFFERGRÖSSE
19.4 DEMO4.CPP: BESETZT-SITUATION
19.5 DEMO5.CPP: WEGESUCHE/ROUTING
19.6 DEMO6.CPP: SERVICE-ZELLEN
19.7 DEMO7.CPP: KONFLIKTVERMEIDUNG BEIM ROUTING
19.8 ZUSAMMENFASSUNG
20 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICKE
Zielsetzung und Themen
Das Hauptziel dieser Diplomarbeit ist die objektorientierte Modellierung und Implementierung von ATM-Netzknoten (Asynchronous Transfer Mode) unter Verwendung der Programmiersprache C++. Dabei liegt der Fokus auf der Simulation von Verbindungsaufbau, Routing und Zellverarbeitung innerhalb eines solchen Netzwerks.
- Grundlagen von ATM-Vermittlungsverfahren und Schichtenmodellen.
- Detaillierte Analyse und Modellierung des ATM-Zellformats (UNI/NNI).
- Simulationskonzepte für Routing und Verbindungsmanagement in Koppelnetzen.
- Implementierung der wesentlichen Netzwerkkomponenten mittels C++-Klassen (Zellen, Knoten, Teilnehmer, Generatoren).
Auszug aus dem Buch
5 Routing in ATM-Netzwerken nach dem Verbindungsaufbau
Definition: Teilstrecken seien physikalische Verbindungen zwischen zwei unmittelbar benachbarten Knoten bzw. zwischen einem Knoten und seinen Endteilnehmeranschlüssen.
Bevor Daten zwischen Endteilnehmern ausgetauscht werden können, muß eine Verbindung zwischen ihnen aufgebaut werden. Während des Verbindungsaufbaus werden in den beteiligten Knoten Verbindungstabellen angelegt. Die zu einer Verbindung zugehörigen Zellen werden durch eine logische Kanalnummer identifiziert. Dies ist notwendig, da eine Teilstrecke in der Regel von einer Vielzahl von Verbindungen benutzt wird. Die logische Kanalnummer ist aber nicht global gültig. Sie wird für jede Teilstrecke neu vergeben. In den Verbindungstabellen wird während des Verbindungsaufbaus für jede einzelne Verbindung eingetragen, von welcher Teilstrecke die ihr zugehörigen Zellen kommen und welche logische Kanalnummer sie dort tragen. Ferner wird eingetragen, zu welcher Teilstrecke sie gelenkt werden sollen und welche logische Kanalnummer sie dort tragen. Die logische Kanalnummer befindet sich im Header der ATM-Zellen und heißt VCI (Virtual Channel Identifier). Aufgrund dieses Verfahrens muß für jede einzelne Verbindung ein Eintrag in den Verbindungstabellen der beteiligten Knoten erfolgen.
Es gibt aber eine Methode, die Anzahl der Einträge in den Verbindungstabellen zu reduzieren. Man benutzt einen sogenannten virtuellen Pfad. Ein virtueller Pfad ist eine logische Direktverbindung zwischen zwei Knoten im Netzwerk, die über zwei oder mehr Teilstrecken verbunden sind. Nehmen wir an, 150 Verbindungen hätten einen gemeinsamen Weg über die Knoten X und Y und zwischen diesen beiden Knoten lägen 20 Zwischenknoten. Bei diesen Zwischenknoten wäre es unsinnig, für jede der 150 Einzelverbindungen einen Eintrag in der Verbindungstabelle zu haben. Diese 150 Verbindungen erhalten alle einen besonderen Eintrag im Header der dazugehörigen Zellen. Dies ist der VPI (Virtual Path Identifier). Auf den 21 Teilstrecken zwischen den Knoten X und Y erhalten alle Zellen, die zu diesen 150 Verbindungen gehören, den gleichen VPI.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einführung in die Grundlagen des Asynchronous Transfer Mode (ATM) als verbindungsorientierte Übertragungsart.
2 VERMITTLUNGSVERFAHREN: Gegenüberstellung von Leitungs-, Nachrichten- und Paketvermittlung sowie deren Relevanz für ATM.
3 SCHICHTEN DES ATM: Beschreibung des ATM-Schichtenmodells mit der physikalischen Schicht, der ATM-Schicht und der Anpassungsschicht.
4 BESCHREIBUNG DES ATM-ZELLFORMATS: Erläuterung des Aufbaus der 53-Byte-Zellen, unterteilt in Header und Informationsfeld für UNI- und NNI-Schnittstellen.
5 ROUTING IN ATM-NETZWERKEN NACH DEM VERBINDUNGSAUFBAU: Erörterung der Mechanismen von VPI und VCI zur effizienten Lenkung von Zellen durch das Netzwerk.
6 SIGNALISIERUNG IN ATM-NETZWERKEN: Analyse der Signalisierungsverfahren für Verbindungsaufbau und -abbau mittels UNI- und NNI-Nachrichten.
7 VERBINDUNGSAUFBAU IN ATM-NETZWERKEN: Detaillierte Beispiele für den Signalisierungsablauf und die Verwaltung von Verbindungstabellen.
8 ZEITLICHE VORGÄNGE AN DER UNI-SCHNITTSTELLE: Prozessdarstellung der zeitabhängigen Ereignisse bei der Kommunikation zwischen Teilnehmer und Netzwerk.
9 KOPPELNETZE: Einführung in technische Implementierungen von Koppelnetzen und die Funktionsweise von Crosspoints sowie Banyan-Netzwerken.
10 WEGESUCHE IN KOPPELNETZEN: Untersuchung von Strategien zur Pfadfindung unter besonderer Berücksichtigung von Banyan-Netzwerken.
11 MASSNAHMEN GEGEN BLOCKIERUNG IN KOPPELNETZEN: Diskussion verschiedener Pufferungskonzepte wie Eingangs-, Ausgangs- und Zentralspeicherung zur Vermeidung von Zellverlusten.
12 DATENÜBERTRAGUNGSRATEN IM BREITBAND-ISDN: Berechnungsgrundlagen für Durchsatz, Paketraten und die für die Simulation notwendigen Zeitmodelle.
Schlüsselwörter
ATM, Asynchronous Transfer Mode, Zellformat, Routing, VPI, VCI, Signalisierung, Koppelelemente, Banyan-Netzwerke, Pufferung, Simulation, C++, Netzwerkknoten, Datenübertragungsrate, B-ISDN.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der objektorientierten Modellierung von ATM-Netzwerken, wobei die grundlegenden Mechanismen von ATM, wie Routing, Verbindungsaufbau und Zellverarbeitung, mittels C++ simuliert werden.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Im Zentrum stehen die Struktur des ATM-Zellformats, verschiedene Vermittlungs- und Routingverfahren, der Verbindungsaufbau mittels UNI- und NNI-Signalisierung sowie Ansätze zur Implementierung eines ATM-Simulators.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das primäre Ziel ist die Entwicklung wiederverwendbarer C++-Klassen zur Modellierung und Simulation von ATM-Netzknoten und Endteilnehmern, um die Dynamik von ATM-Netzen (wie Zellfluss und Blockierung) nachvollziehbar zu machen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor wendet einen objektorientierten Ansatz zur Softwareentwicklung an und verknüpft diesen mit einer ereignisgesteuerten Simulation, die auf festen Zeiteinheiten und mathematischen Modellen für Datenübertragungsraten basiert.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen zu ATM-Netzen (Koppelnetze, Pufferung, Signalisierung) und einen umfangreichen Implementierungsteil, in dem die entwickelten C++-Klassen für Zellen, Knoten, Teilnehmer und Generatoren detailliert erläutert werden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Typische Schlüsselbegriffe sind ATM, VPI/VCI-Routing, Koppelnetze, Signalisierung, Zellformat, Pufferstrategien und C++-Implementierung.
Wie werden Konflikte bei der Vergabe von VPI/VCI gelöst?
Gemäß ITU-Empfehlung Q.2764 wird ein Verfahren genutzt, bei dem benachbarte Knoten an einem Teilstreckenpaar die verfügbaren VPI/VCI-Nummern aufteilen: Ein Knoten vergibt nur gerade, der andere nur ungerade Werte.
Welche Rolle spielen "Service-Zellen" in der Simulation?
Service-Zellen, wie z.B. Setup-, Connect- oder Pufferfüllungs-Nachrichten, dienen der internen Steuerung und Signalisierung des Netzwerks, jenseits der reinen Nutzdatenübertragung.
- Quote paper
- Stephan Richter (Author), 1996, Objektorientierte Modellierung von ATM-Netzknoten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/2504
