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非同期転送モード( ATM ) は、米国規格協会 (ANSI)と国際電気通信連合電気通信標準化部門(ITU-T、旧称 CCITT)によって定義された、複数の種類のトラフィックのデジタル伝送のための電気通信規格です。ATM は、1980 年代後半に定義されたブロードバンド統合サービスデジタルネットワークのニーズを満たすために開発され、 [ 1 ]電気通信ネットワークを統合するように設計されています。従来の高スループットデータトラフィックと、電話(音声) やビデオなどのリアルタイムで低遅延のコンテンツの両方を処理できます。[ 2 ] [ 3 ] ATM はセル交換技術であり、[ 4 ] [ 5 ]非同期時分割多重化を使用して回線交換とパケット交換ネットワークの機能を組み合わせた機能を提供します。[ 6 ] [ 7 ] ATMは1990年代にはイーサネットやIPトラフィックを伝送するネットワークの競合相手と見なされていました。イーサネットよりも高速で、イーサネットとは異なりサービス品質を考慮して設計されていたためですが、イーサネットが1ギガビット/秒の速度に達すると人気がなくなりました。[ 8 ]
オープンシステム相互接続 (OSI) 参照モデルのデータリンク層(レイヤ 2)では、基本的な転送単位はフレームと呼ばれます。 ATM では、これらのフレームはセルと呼ばれる固定長 (53オクテット)です。これは、可変サイズのパケットまたはフレームを使用するインターネット プロトコル(IP) (OSI レイヤ 3) やイーサネット(同じくレイヤ 2)などのアプローチとは異なります。 ATM は、データ交換を開始する前に 2 つのエンドポイント間で仮想回線を確立する必要があるコネクション指向モデルを使用します。 [ 7 ]これらの仮想回線は、永続的 (通常、サービス プロバイダによって事前設定される専用接続) またはスイッチング (シグナリングを使用して通話ごとに設定され、通話が終了すると切断される) のいずれかになります。
ATM ネットワーク参照モデルは、OSI モデルの 3 つの最下位層 (物理層、データリンク層、ネットワーク層) にほぼ対応しています。[ 9 ] ATM は、公衆交換電話網の同期光ネットワークおよび同期デジタル階層(SONET/SDH) バックボーンや統合サービスデジタルネットワーク(ISDN)で使用されるコア プロトコルですが、IP 技術に基づく次世代ネットワークに取って代わられつつあります。無線およびモバイル ATM は、大きな足場を築くことはありませんでした。
キューイング遅延とパケット遅延変動（PDV）を最小限に抑えるため、すべてのATMセルは同じ小型サイズになっています。デジタル化された音声をアナログ音声信号に変換する処理は本質的にリアルタイムであるため、音声トラフィックを伝送する際にはPDVの低減が特に重要になります。デコーダは、均等な間隔でデータ項目がストリーム状に送られてくることを必要とします。
ATMの設計当時、155 Mbit/sの同期デジタル階層と135 Mbit/sのペイロードは高速光ネットワークリンクと考えられていましたが、デジタルネットワーク内の多くの準同期デジタル階層リンクはそれよりもかなり遅く、米国では1.544～45 Mbit/s 、ヨーロッパでは2～ 34 Mbit/sの範囲でした。
155 Mbit/sの速度では、標準的な 1,500 バイトのイーサネット フレームの送信には 77.42マイクロ秒かかります。一方、低速の1.544 Mbit/s のT1 回線では、同じパケットの送信に最大 7.8 ミリ秒かかります。このようなデータ パケットが複数発生すると、キューイング遅延によって 7.8 ミリ秒を何度も超える可能性があります。これは音声トラフィックには許容できないと考えられました。
ATMの設計は、低ジッタのネットワークインターフェースを目指したものでした。データグラムトラフィックをサポートしつつ、キューイング遅延を短縮するためにセルが導入されました。ATMはすべてのデータパケットと音声ストリームを48バイトの断片に分割し、それぞれに5バイトのルーティングヘッダーを追加することで、後で再構成できるようにしました。サイズが1/30になったことで、セル競合ジッタも30分の1に低減されました。
48 バイトという選択は、技術的な理由というよりは政治的な理由によるものでした。[ 10 ] [ 11 ] CCITT (現在の ITU-T) が ATM を標準化していた とき、米国の関係者は 64 バイトのペイロードを希望しました。これは、データ伝送に最適化されたより大きなペイロードと、音声などのリアルタイム アプリケーションに最適化されたより短いペイロードとの間の良い妥協点であると考えられたためです。ヨーロッパの関係者は、32 バイトのペイロードを希望しました。これは、サイズが小さい (音声データ 4 ms) ため、国内の音声通話でエコー キャンセレーション が不要になるためです。米国は、国土が広いため、すでにエコー キャンセラーが広く展開されていました。ヨーロッパの関係者のほとんどは最終的に米国の主張を受け入れましたが、フランスとその他数カ国は、より短いセル長を主張し続けました。
48バイトは、両方の提案の欠点をすべて持ち、さらにサイズが2のべき乗ではないという不便さもあるにもかかわらず、妥協案として選ばれた。 [ 12 ] 5バイトのヘッダーが選ばれたのは、ペイロードの10%がルーティング情報のために支払うべき最大コストだと考えられたためである。[ 1 ]
ATMセルは、5バイトのヘッダーと48バイトのペイロードで構成されます。ATMでは、ユーザー・ネットワークインターフェース（UNI）とネットワーク・ネットワークインターフェース（NNI）の2種類のセルフォーマットが定義されています。ほとんどのATMリンクはUNIセルフォーマットを使用しています。
ATM は PT フィールドを使用して、運用、管理、運用(OAM) の目的でさまざまな特殊なセルを指定し、一部のATM 適応レイヤ(AAL)でパケット境界を区切ります。PTフィールドの最上位ビット(MSB) が 0 の場合、これはユーザ データ セルであり、残りの 2 ビットはネットワークの輻輳を示すため、および ATM 適応レイヤで使用可能な汎用ヘッダー ビットとして使用されます。MSB が 1 の場合、これは管理セルであり、残りの 2 ビットは、ネットワーク管理セグメント、エンドツーエンドのネットワーク管理、リソース管理、および将来の使用のために予約されているセルのタイプを示します。
いくつかのATMリンクプロトコルでは、HECフィールドを使用してCRCベースのフレーミングアルゴリズムを駆動します。これにより、ヘッダー保護に必要なオーバーヘッド以外にオーバーヘッドを発生させることなくATMセルを特定できます。8ビットCRCは、シングルビットのヘッダーエラーを訂正し、マルチビットのヘッダーエラーを検出するために使用されます。マルチビットのヘッダーエラーが検出されると、ヘッダーエラーのないセルが見つかるまで、現在および後続のセルは破棄されます。
UNIセルは、ユーザー間のローカルフロー制御およびサブマルチプレクサシステム用にGFCフィールドを予約します。これは、2台のISDN電話が1つの基本レートISDN接続を共有できるのと同様に、複数の端末が1つのネットワーク接続を共有できるようにすることを目的としています。デフォルトでは、4つのGFCビットすべてがゼロである必要があります。
NNIセルフォーマットはUNIフォーマットとほぼ同じですが、4ビットのGFCフィールドがVPIフィールドに再割り当てされ、VPIが12ビットに拡張されています。そのため、1つのNNI ATM相互接続で、それぞれ最大で2¹⁶ VCのほぼ2¹² VPをアドレス指定できます。[ a ]
ATM は AAL を介してさまざまな種類のサービスをサポートします。標準化された AAL には、AAL1、AAL2、AAL5 があり、あまり使用されない[ 14 ] AAL3 と AAL4 があります。AAL1 は、定ビットレート (CBR) サービスと回線エミュレーションに使用されます。同期も AAL1 で維持されます。AAL2 ～ AAL4 は可変ビットレート(VBR) サービスに使用され、AAL5 はデータに使用されます。特定のセルでどの AAL が使用されているかは、セルにはエンコードされません。代わりに、仮想接続ごとにエンドポイントでネゴシエートまたは設定されます。
ATMの初期設計以降、ネットワークは大幅に高速化しました。1500バイト（12000ビット）のフルサイズイーサネットフレームは、 10Gbpsネットワーク上でわずか 1.2μsで送信できるため、競合によるジッタを低減するためのスモールセルの必要性は低下しています。リンク速度の向上だけでは、キューイングによるジッタは解消されません。
ATMは、単一の物理媒体または仮想媒体上で複数の論理回線を伝送できる便利な機能を提供するが、マルチリンクPPP、イーサネットVLAN、VxLAN、MPLS 、 SONET上のマルチプロトコルサポートなど、他の技術も存在する。
ATMネットワークでは、2つの当事者がセルを相互に送信する前に接続を確立する必要があります。これは仮想回線（VC）と呼ばれます。仮想回線には、エンドポイントで管理上作成される常設仮想回線（PVC）と、通信当事者が必要に応じて作成する交換仮想回線（SVC）があります。SVCの作成はシグナリングによって管理され、要求側は受信側のアドレス、要求されたサービスの種類、および選択されたサービスに適用される可能性のあるトラフィックパラメータを示します。その後、ネットワークは呼び出し受付を実行し、要求されたリソースが利用可能であり、接続のための経路が存在することを確認します。
ATM は、VC を使用するチャネルベースのトランスポート層として動作します。これは、仮想パス (VP) と仮想チャネルの概念に含まれます。すべての ATM セルには、ヘッダーに定義された 8 ビットまたは 12 ビットの仮想パス識別子 (VPI) と 16 ビットの仮想チャネル識別子 (VCI) のペアがあります。[ 15 ] VCI は、VPI とともに、セルが宛先に向かう途中で一連の ATM スイッチを通過する際に、次の宛先を識別するために使用されます。VPI の長さは、セルがユーザー ネットワーク インターフェイス (ネットワークのエッジ) で送信されるか、ネットワーク間インターフェイス (ネットワーク内) で送信されるかによって異なります。
これらのセルが ATM ネットワークを通過する際、VPI/VCI 値を変更することによってスイッチングが行われます (ラベル スワッピング)。VPI/VCI 値は接続の一方の端から他方の端まで必ずしも一貫しているわけではありませんが、回線の概念は一貫しています(IP とは異なり、IP では任意のパケットが他のパケットとは異なる経路で宛先に到達する可能性があります)。[ 16 ] ATM スイッチは、VPI/VCI フィールドを使用して、セルが最終宛先に向かう途中で通過する必要のある次のネットワークの仮想チャネル リンク (VCL) を識別します。VCI の機能は、フレーム リレーのデータ リンク接続識別子(DLCI)やX.25の論理チャネル番号および論理チャネル グループ番号の機能と似ています。
仮想回線を使用するもう1つの利点は、多重化レイヤーとして使用できるため、さまざまなサービス（音声、フレームリレー、IPなど）を可能にすることです。VPIは、共通パスを持つ一部の仮想回線のスイッチングテーブルを削減するのに役立ちます。[ 17 ]
ATMは、仮想回線と仮想パスを静的または動的に構築できます。静的回線（永続仮想回線、PVC）またはパス（永続仮想パス、PVP）では、回線は一連のセグメントで構成され、通過するインターフェースのペアごとに1つのセグメントが必要です。
PVPとPVCは概念的には単純ですが、大規模ネットワークではかなりの労力を要します。また、障害発生時のサービス再ルーティングにも対応していません。一方、動的に構築されるPVP（ソフトPVPまたはSPVP）とPVC（ソフトPVCまたはSPVC）は、回線の特性（サービス契約）と2つのエンドポイントを指定することで構築されます。
ATMネットワークは、終端局からの要求に応じて、仮想回線交換機（SVC）をオンデマンドで作成および削除します。SVCの用途の一つとして、ATMを使用して相互接続された電話交換機ネットワークで個々の電話通話を伝送することが挙げられます。SVCは、ローカルエリアネットワークをATMに置き換える試みでも使用されました。
SPVP、SPVC、およびSVCをサポートするほとんどのATMネットワークは、スイッチ間でトポロジ情報を共有し、ネットワークを経由するルートを選択するために、プライベートネットワーク間インターフェース（PNNI）プロトコルを使用します。PNNIは、 OSPFやIS-ISと同様のリンクステートルーティングプロトコルです。PNNIには、非常に大規模なネットワークの構築を可能にする強力なルート集約メカニズムと、VCまたはVPのサービス要件を満たすために、ネットワークを経由する提案ルートで十分な帯域幅が利用可能かどうかを判断する呼受付制御（CAC）アルゴリズムも含まれています。
ATMのもう一つの重要な概念は、トラフィック契約です。ATM回線が確立されると、回線上の各スイッチに接続のトラフィッククラスが通知されます。ATMトラフィック契約は、サービス品質（QoS）を保証するメカニズムの一部を構成します。トラフィック契約には4つの基本タイプ（およびいくつかのバリエーション）があり、それぞれに接続を記述する一連のパラメータがあります。
VBRにはリアルタイム版と非リアルタイム版があり、バースト性の高いトラフィックに対応します。非リアルタイム版はvbr-nrtと略されることもあります。ほとんどのトラフィッククラスでは、セル遅延変動許容度（CDVT）という概念も導入されており、これはセルの時間的なクラスタリングを定義します。
ネットワークのパフォーマンスを維持するために、ネットワークは、使用/ネットワーク パラメータ制御 ( UPC および NPC) を使用して、ネットワークへのエントリ ポイント、つまりユーザー - ネットワーク インターフェイス(UNI) およびネットワーク間インターフェイス(NNI)で仮想回線をトラフィック契約に制限するために、トラフィック ポリシングを適用する場合があります。[ 18 ] ITU-T および ATM フォーラムが UPC および NPC に対して提供する参照モデルは、汎用セル レート アルゴリズム(GCRA) であり、[ 19 ] [ 20 ]これはリーキー バケット アルゴリズムのバージョンです。CBR トラフィックは通常、PCR と CDVT のみにポリシングされますが、VBR トラフィックは通常、デュアル リーキー バケット コントローラを使用して PCR と CDVT、および SCR と最大バースト サイズ (MBS) にポリシングされます。MBS は通常、セル内の VBR VC のパケット( SAR - SDU ) サイズになります。
GCRA によって決定された仮想回線のトラフィックがトラフィック契約を超えた場合、ネットワークはセルを破棄するか、セル損失優先度 (CLP) ビットを設定して、輻輳ポイントでセルを破棄することができます。基本的なポリシングはセル単位で機能しますが、単一のセルを破棄するとパケット分のセルが無効になるため、カプセル化されたパケットトラフィックには最適ではありません。そのため、パケット全体のセルを破棄する部分パケット破棄 (PPD) や早期パケット破棄 (EPD) などの方式が開発されました。これにより、ネットワーク内の不要なセルの数が減り、完全なパケットの帯域幅が節約されます。EPD と PPD は、パケットの終了マーカーであるヘッダーのペイロードタイプフィールドの ATM ユーザー間 (AUU) 表示ビットを使用するため、AAL5 接続で機能します。このビットは、SAR-SDU の最後のセルに設定されます。
トラフィックシェーピングは通常、ユーザ機器のネットワークインターフェースコントローラ（NIC）で行われ、VC上のセルフローがトラフィック契約を満たすように、つまりUNIでセルがドロップされたり優先度が低下したりしないようにします。ネットワークにおけるトラフィックポリシングの参照モデルはGCRAであるため、このアルゴリズムは通常シェーピングにも使用され、必要に応じてシングルリーキーバケットとデュアルリーキーバケットの実装が用いられます。
ATMネットワーク参照モデルは、OSI参照モデルの下位3層にほぼ対応しています。以下の層が指定されています。[ 21 ]
ATMは1990年代に電話会社や多くのコンピュータメーカーの間で普及しました。しかし、1990年代末になっても、インターネットプロトコルベースの製品の優れた価格性能比が、リアルタイムおよびバースト的なネットワークトラフィックの統合においてATM技術と競合していました。[ 22 ]さらに、ATMを使用しているケーブル会社では、電話、ビデオオンデマンド、放送およびデジタルビデオ受信用に個別の競合する管理チームが存在することが多く、効率に悪影響を及ぼしていました。[ 23 ] FORE Systemsなどの企業はATM製品に注力し、 Cisco Systemsなどの他の大手ベンダーはATMをオプションとして提供していました。[ 24 ]ドットコムバブル崩壊後も、「ATMが支配的になるだろう」と予測する人もいました。[ 25 ]しかし、2005年に、この技術を推進していた業界団体であるATM Forumは、他の技術を推進するグループと合併し、最終的にブロードバンドフォーラムになりました。[ 26 ]
無線ATM [ 27 ]、またはモバイルATMは、無線アクセスネットワークを備えたATMコアネットワークで構成されています。ATMセルは基地局からモバイル端末に送信されます。モビリティ機能は、GSMネットワークのモバイル交換センターに似たクロスオーバースイッチ[ 28 ]として知られるコアネットワーク内のATMスイッチで実行されます。
無線ATMの利点は、レイヤ2で行われる高帯域幅と高速ハンドオフです。1990年代初頭、ベル研究所とNECの研究室はこの分野で積極的に活動していました。[ 29 ]ケンブリッジ大学コンピュータ研究所のアンディ・ホッパーもこの分野で活動していました。[ 30 ]無線ATMネットワークの背後にある技術を標準化するために、無線ATMフォーラムが設立されました。このフォーラムは、NEC、富士通、AT&Tなどの複数の通信会社によって支援されていました。モバイルATMは、GSMやWLANを超えるブロードバンドモバイル通信を提供できる高速マルチメディア通信技術を提供することを目指していました。
ATMはセル交換の概念に基づいています。ATMは、従来のパケット交換（今日のデータネットワークで使用されている）と回線交換（電話網で使用されている）の利点を組み合わせたものです。
非同期転送モード（ATM）は、セルスイッチング、コネクション指向のテクノロジーです。
一方は32バイトのセルを、もう一方は64バイトのセルを主張した。技術的な妥協の精神に基づき、最終的に48バイトのATMペイロードが合意された。
1989年: CCITT が侵害され、ペイロードが 48 に設定されました。残念ながら、誰も満足しませんでした。米国は 2 のべき乗を取得できず、5 バイトのヘッダーは 10% のオーバーヘッドです。48 バイトは大きすぎ、フランスはエコー キャンセラーが必要になります。
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