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ATM (Asynchronous Transfert Mode)

Introduction

I) Le modèle de référence

1) Le modèle OSI
2) Le modèle ATM

II) Le fonctionnement des couches

1) Couche physique
2) Couche ATM
3) Couche AAL

III) Fonctionnement d'un réseau ATM

1) Signalisation, adressage et routage
2) Equipement du réseau

IV) Applications ATM

1) Intégration de l'existant informatique
2) ATM et multimédia

Conclusion

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Introduction

Les principes ATM (Asynchronous Transfert Mode) ont été élaborés au début des année 80 par les équipes du CNET Lannion. Son origine dans un centre de recherche de France Télécom explique en grande partie les objectifs d'ATM : permettre le transport de tous types de trafic (voix, données, images) sur les supports physiques des opérateurs (exploitants) de réseaux publics à l'échelle d'un pays ou d'un continent. Comme il n'existe pas de support physique unique, ATM se doit d'en être indépendant. Dans ce but, une fonction de convergence permet d'adapter le protocole ATM à tout support de transport. A cela s'ajoute la nécessité de fournir à chaque client un contrat de débit adapté à ses besoins et susceptible d'évoluer à volonté.

Ainsi, l'association des nouvelles applications Internet et audiovisuelles aux réseaux multimédias ATM (intégrant les autres techniques) et le faible coût des postes multimédias, constituent une révolution des modes de communication et d'information, concrétisée par les autoroutes de l'information.

Ce dossier a pour but d'expliquer les principes de fonctionnement et la mise en œuvre d'ATM

I) Le modèle de référence

Le but des réseaux est de faire communiquer plusieurs ordinateurs ensemble. Si les hommes communiquent entre eux grâce aux différentes langues, les ordinateurs utilisent différents protocoles. Les communications sont souvent internationales, et comme pour les hommes, il n'existe pas de protocole universel. Certains sont plus utilisés que d'autres, il en existe cependant un très grand nombre, chacun cherchant à imposer sa propre norme.

Comment expliquer clairement ce qu'est un protocole ? Supposons que quelqu'un veuille envoyer une lettre à quelqu'un d'autre. On va placer cette lettre dans une enveloppe et on y notera l'adresse. Pour l'acheminement du courrier, le contenu de la lettre n'est d'aucune utilité. Les différents services de la poste regardent les différents champs de l'adresse et dirigent l'enveloppe, donc son contenu dans la bonne direction.

Il en est de même quand un ordinateur veut envoyer des données à un autre ordinateur. Les données sont enfermées (on dit encapsulées) dans une enveloppe qui contient les informations permettant l'acheminement des données. Un protocole, c'est la façon dont l'adresse est écrite sur l'enveloppe, le fait de mettre d'abord le nom, puis la rue et enfin la ville. Un autre protocole, c'est aussi le fait de mettre le lieu et la date en haut à droite et la signature en bas.

Finalement, un protocole est une description formelle de règles et de conventions à suivre dans un échange d'informations, que ce soit pour acheminer les données jusqu'au destinataire ou pour que le destinataire comprenne comment il doit utiliser les données qu'il a reçues.

1) Le modèle OSI

Pour s'y retrouver plus facilement dans l'ensemble des protocoles, l'International Standard Organization (ISO) a défini un modèle de base appelé modèle OSI. Ce modèle définit 7 niveaux différents pour le transfert de données. Ces niveaux sont également appelés couches.

• Le septième niveau, la couche Application, gère le transfert des informations entre programmes.
• Le sixième niveau, la couche Présentation, s'occupe de la mise en forme des textes et des conventions d'affichage.
• Le cinquième niveau, la couche Session, s'occupe de l'établissement, de la gestion et coordination des communications.
• Le quatrième niveau, la couche Transport, gère la remise correcte des informations.
• Le troisième niveau, la couche Réseau, qui détermine les routes de transport et qui s'occupe du traitement et du transfert de messages.
• Le deuxième niveau, la couche Liaison de données, s'occupe du codage, de l'adressage, et de la transmission des informations.
• Le premier niveau, la couche Physique, gère les connexions matérielles.

A chacun de ces niveaux, on encapsule un en-tête et une fin de trame qui comporte les informations nécessaires en suivant les règles définies par le protocole utilisé. Sur le schéma ci-dessous, la partie qui est rajoutée à chaque niveau est la partie sur fond blanc. La partie sur fond grisé est celle obtenue après encapsulation du niveau précédent. La dernière trame, celle qu'on obtient après avoir encapsulé la couche physique, est celle qui sera envoyée sur le réseau.

L'interconnexion de systèmes se décompose en un certain nombre de fonctions regroupées en couches. On distingue deux composants : les nœuds du réseau ne comportent que les couches liées à l'acheminement de l'information (couches 1 à 3) et les systèmes d'extrémité représentant l'utilisateur comprenant l'ensemble des couches (couches 1 à 7), notamment celles chargées de l'adaptation des informations au réseau.

Les couches sont classées par niveaux d'abstraction de la couche physique jusqu'aux couches de plus en plus logiques. Dans une interconnexion des systèmes informatiques, les couches 1 et 2 se traduisent par une carte d'interface du système. Les couches supérieures sont réalisées par du logiciel.

2) Le modèle ATM

Tout en reprenant les principes du modèle de référence OSI (ou ISO) utilisé pour l'interconnexion des systèmes informatiques, l'ITU-T a adopté une nouvelle architecture. Cette nouvelle architecture est motivée par la nécessité d'intégrer des flux multimédias (voix- données-images) à la différence du modèle OSI qui n'est bâti que pour des applications de données. De plus, l'ITU-T ne s'intéresse qu'au transport de bout en bout de l'information sur le réseau et à son traitement aux extrémités (équipement de l'utilisateur). Le modèle défini par l'ITU-T est composé de quatre couches :

• La couche de transport des cellules sur un support physique (couche physique)
• La couche ATM proprement dite, chargée du transport des cellules de bout en bout selon un principe de commutation
• La couche réalisant l'adaptation à ATM des couches supérieures (couche AAL : ATM Adaptation Layer)
• Les couches supérieures représentant les applications utilisant ATM

Le Modèle ATM de l'ITU-T ne s'intéresse qu'à la prise en compte des applications de l'utilisateur (couches supérieures) et non pas à la structuration de ces dernières, comme peut le faire le modèle OSI. La notion d'application (couches supérieures) a donc une signification très large. Il peut s'agir d'applications informatiques, du transport de la voix ou de la vidéo, de l'émulation de réseaux (Frame-Relay) ou de services (SMDS/CBDS).

Le modèle ATM définit par l'ITU-T a un objectif beaucoup plus large que le modèle ISO qui est applicable au domaine de l'informatique. La comparaison des deux modèles n'est donc pas évidente et pas toujours souhaitable.

Le modèle ISO suppose que les mécanismes de gestion et de contrôle utilisent le réseau de façon identique aux données de l'usager. Or, dans le réseau ATM, les données sont d'une façon différente des données de l'utilisateur. C'est la raison pour laquelle le modèle de référence a introduit cette notion de plan.

Les informations véhiculées prennent place dans le plan usager. C'est également ce plan qui prend en charge les erreurs de transfert et la surveillance du flux émis. Le plan de contrôle est responsable de l'établissement, de la libération et de la surveillance des connexions. En effet, ATM étant une technologie orientée connexion, chacune d'entre elles donne lieu à une phrase d'appel du destinataire via un (ou plusieurs) canal de contrôle séparé des données de l'usager (comme le canal D du RNIS).

Le plan de gestion a en charge la gestion d'un flux spécifique de cellules appelées OAM Cells (Operation And Maintenance Cells) ; elles assurent des opérations de contrôle et de maintenance :

• La gestion des performances
• La détection des pannes
• La protection du système
• L'information sur les pannes et les performances
• La localisation des fautes

La couche physique est composée de deux sous-couches :

• La sous-couche TC (Transmission Convergence) concerne l'adaptation des cellules ATM aux trames de transmission du réseau de transport choisi. Cette fonction permet d'adapter un flux ATM sur une infrastructure physique d'opérateurs. Dans le cas d'une transmission directe (un réseau local par exemple), le rôle de cette sous-couche se réduit à la génération du checksum sur l'en-tête de la cellule
• La sous-couche PHY (PHYsique) concerne l'adaptation physique du signal sur les différents médias utilisables : câble cuivre, fibre optique ou câble coaxial. La couche ATM est responsable de l'acheminement des données

Les principales fonctions assurées sont les suivantes :

• Le contrôle générique de flux
• Le multiplexage/démultiplexage des cellules issues des données d'applications différentes (éventuellement associées à des priorités différentes)
• L'ajout/retrait de l'en-tête de la cellule
• La translation VPI/VCI assurée à l'intérieur du réseau par le processus d'acheminement des cellules dans les commutateurs

Le rôle de la couche AAL (ATM Adaptation Layer) est de segmenter le flux d'information en provenance des applications en unités d'information de 48 octets et de réassembler les unités d'information chez le destinataire. Les fonctions de la couche AAL dépendent des caractéristiques des applications. Ainsi quatre AAL (AAL1, AAL2, AAL3/4, AAL5) sont normalisées selon les classes de service ci-dessous :

En outre, une AAL spécifique basée sur AAL3/4 ou AAL5 est conçue pour prendre en charge les données de la signalisation : la SAAL ( Signaling AAL). La fonction AAL peut donc se décomposer en fait en deux sous-fonctions :

• Une sous-fonction qui a pour rôle d'adapter les données de l'utilisateur aux caractéristiques du réseau (fonction CS : Convergence Sublayer)
• Une sous-fonction chargée de la segmentation des paquets utilisateurs en cellules et de leur reconstitution

Résumé des fonctions réalisées par les couches :

II)Le fonctionnement des couches

Les informations devant être transportées sur un réseau ATM sont découpées en cellules de longueur fixe (53 octets) qui sont ré-assemblées une fois parvenues à leur destination. Un réseau ATM est donc conçu pour véhiculer des petits paquets de données appelés cellule.

Une liaison ATM est modélisée comme un flux continu de cellules, les applications remplissent au gré de leur besoins le train de cellules, laissant certaines cellules vides lorsqu'une information n'est à émettre.

1) Couche physique

La couche physique concerne l'adaptation d'ATM sur un support physique. Ce support peut être une infrastructure privée (à l'intérieur d'un campus par exemple) ou bien une infrastructure d'un opérateur public. On parlera d'une infrastructure de transmission. Ainsi un réseau de transmission SDH (Synchronous Digital Hierarchy) peut servir de réseau de transmission pour un réseau de commutation ATM, qui à son tour peut servir de support à la mise en œuvre de service de type voix, vidéo, Frame Relay, etc.

L'adaptation réalisée par la couche Physique est divisée en deux parties (deux sous-couche) :

• Physical Medium (PM) qui effectue les opération suivantes :
  
  • spécification des supports
  • l'adaptation au support de transmission

• Transmission Convergence (TC) qui effectue les opération suivantes :
  • Génération de la trame de transmission et extraction
  • Adaptation des cellules à la trame de transmission
  • Délimitation des cellules (fonction de synchronisation)
  • Génération du HEC (protection de l'en-tête de la cellule)
  • Adaptation de débit (génération de cellules vides)

La technique de commutation ATM est conçue de façon à être indépendante du support physique (infrastructure de transmission). En conséquence, les cartes interfaces des équipements ATM actuels sont prévues pour s'interfacer soit sur des réseaux de transmission PDH, soit sur des réseaux SONET/SDH, soit directement dans le cas d'utilisation sur un réseau local d'entreprises (c'est notamment le cas pour les cartes ATM 25 Mb/s).

Afin de réaliser l'adaptation de débit, la sous-couche TC doit générer des cellule vides. D'autre part, des cellules OAM sont utilisées afin d'assurer la gestion du niveau physique d'un réseau ATM. En complément des cellules OAM du niveau physique, d'autres cellules OAM sont utilisées au niveau ATM. Ces cellules sont issues du plan de gestion. En complément des cellules d'exploitation et de maintenance issues du plan de gestion, des cellules sont utilisées au niveau ATM afin de gérer les connexions. On les appelle cellules de service.

On distingue quatre type de cellules :

• Les cellules usager contenant l'information à transmettre
• Les cellules de services utilisées pour le contrôle des connexions
• Les cellules d'exploitation et de maintenance (OAM)
• Les cellules vide utilisées pour l'adaptation au débit

2) Couche ATM

La couche ATM traite le transport de bout en bout de la cellule.

La cellule ATM est composée de cinq octets d'en-tête et de 48 octets d'information. Ce choix de taille est en fait un compromis entre ce que voulaient les européens (32 octets : plus la taille est petite, plus grande est la flexibilité) et les américains (64 octets : ce choix leur permettait de ne pas installer des milliers d'annulateurs d'échos sur le territoire..).

Une première remarque est que l'en-tête diffère légèrement suivant que l'on se trouve à une interface réseau/utilisateur (User to Network Interface :UNI) ou à une interface réseau/réseau (Network to Network Interface : NNI).

Le champ GFC est composé de 4 bits. Il est logiquement prévu pour des fonctions locales de contrôle de flux, mais n'est pas utilisé à ce jour. Selon les spécifications de l'ATM Forum, l'ensemble des bits doivent être positionnés à 1.

Le champ adresse (VPI/VCI) est constitué de 24 bits à l'interface UNI (8 bits pour le VPI, et 16 bits pour le VCI) et de 24 bits pour l'interface NNI (champ VPI étendu à 12 bits). Un canal virtuel, identifié par le couple VPI/VCI, est une route unidirectionnelle permettant le transport de cellules ATM. Un conduit virtuel, identifié par un VPI particulier, est un regroupement de canaux virtuels. A l'issue de la phrase d'établissement de connexion, les en-têtes des cellules comprennent, dans le champ VPI/VCI, des informations permettant l'identification du circuit virtuel sur lequel transitent les informations. L'identificateur de circuit virtuel (couple VPI/VCI) est défini localement entre deux commutateurs. En d'autres termes, une connexion entre deux usagers sera définie par une succession de couples VPI/VCI entre chaque commutateurs participant à la connexion.

Le champ Payload Type (PT) est constitué de 3 bits. Il est utilisé pour distinguer les cellules usagers des autres cellules (notamment des cellules OAM de maintenance).

Le champ Cell Loss Priority (CLP) permet de séparer les cellules en deux niveaux de priorité. Les cellules de priorité basse possèdent un bit CLP positionné à 1, les cellules de priorité haute possèdent un bit CLP positionné à 0. Dans le cas où la saturation d'un lien entre commutateurs est atteinte, ce sont les cellules de priorité basse qui sont détruites en premier.

Le champ Header Error Control (HEC) est un checksum permettant de protéger l'en-tête de la cellule contre les erreurs de transmission.

Les fonctions ATM du plan usager sont résumées dans le tableau suivant :

Les cellules prédéfinies sont les cellules de services et les cellules OAM. La couche ATM reconnaît le types de cellules et invoque le traitement nécessaire : une fonction de commutation s'il s'agit d'une cellule usager, une fonction de gestion s'il s'agit d'une cellule de gestion.

3) Couche AAL

La couche AAL (ATM Adaptation Layer) est conçue pour résoudre les problèmes dus au fait qu'ATM est un mode de transfert universel. Or, suivant le service demandé, les paramètre de transmission sont différents. Par exemple, le fait d'avoir une files d'attente à l'entrée des commutateurs ATM entraîne une variation des délais de transfert (appelée gigue) ; cette variation est plus dommageable pour les applications à forte contraintes temporelle (transmission de la voix). C'est pourquoi quatre types d'AAL sont définis suivant les services.

Le rôle de la couche AAL est de prendre les informations de la couche immédiatement supérieure (appelées PDU : Protocol Data Unit) pour les insérer dans les champs d'information des cellules de la couche ATM. Pour ce faire, la couche AAL réalise deux grandes fonctions réparties dans deux sous-couches :

• La sous-couche SAR (Segmentation And Reassembly) qui assure, du côté émetteur, le découpage des informations provenant des couches supérieures en cellules, et du côté récepteur, leur reconstitution : c'est donc le mécanisme de cellulisation. Il sera généralement intégré sous forme hardware.
• La sous-couche CS (Convergence Sublayer) qui assure les fonctions d'adaptation des couches hautes (couches utilisateurs) : les fonctions de correction d'erreurs, de traitement des pertes et des insertions de cellules, de filtrage des variations de délais de transmission et de récupération de l'horloge.

Encapsulation des messages utilisateurs :

L'efficacité des différentes AAL varie. En effet, l'introduction d'octets supplémentaires au message de l'utilisateur peut être significatif selon l'AAL considérée. C'est la raison pour laquelle l'AAL5 (prévue originellement pour les données informatiques) est également utilisée pour le transport de la vidéo MPEG, en raison de son efficacité. Les deux AAL majoritairement utilisées sont l'AAL5 pour l'ensemble des applications informatiques (y compris celles intégrant du multimédia) et l'AAL1 pour les applications voix et émulation de circuit.

Afin de juger de l'efficacité comparée des différentes AAL, voici un rapide descriptif de chacune :

• AAL1 (Service de classe A) est prévue pour le support des applications de type voix ou émulation de circuit. La couche CS ne met ni en-tête ni terminaison. Le PDU de la couche SAR est constituée de 48 octets. Seul le premier octet est réservé au contrôle, le reste aux informations.

• AAL2 (Service de la classe B) est prévue pour supporter des applications de type vidéo ou voix avec compression. La capacité utile (en provenance de l'application) est de 45 octets auxquels sont rajoutés un octet d'en-tête et deux octets de terminaison qui sont consacrés à un code de contrôle de champ d'information.

• AAL3/4 est étudiée pour le transport sécurisé des données. La fusion est due à la similitude des types 3 (correspondant à la classe C) et 4 (correspondant à la classe D). Pour ce type d'AAL, la couche CS est divisée en deux parties :
  • SSCS (Service-Specific Convergence Sublayer) pour les données orientées connexion.
  • CPCS (Common Part Convergence Sublayer) pour les données non orientées connexion

• AAL5 est aujourd'hui l'AAL la plus utilisée pour le transport de données. C'est une simplification du protocole AAL3/4 proposé par l'ATM Forum.

III) Fonctionnement d'un réseau ATM

Les premiers réseaux ATM utilisaient uniquement des PVC (chemin virtuels permanents) pour établir des connexions entre différents points d'utilisation. Ce type de connexion statique nécessitait la programmation de tous les nœuds du réseau à l'aide des outils de configuration des produits. Bien que simple, cette méthode était inefficace pour les réseaux importants (au-delà d'une dizaine de commutateur ATM) et pour supporter l'allocation dynamique de connexion nécessaire à de nombreuses applications.

1) Signalisation, adressage et routage

a) Signalisation

Les applications utilisateurs nécessitent de pouvoir créer des connexions à la demande. Des circuits virtuels commutés (SVC) sont donc établis en utilisant des procédures de signalisation au travers du réseau : établissement de connexions, libération de connexion, etc. Ces procédures s'appuient sur des informations auxiliaires nécessaires à l'établissement des connexions, à leur maintien et à leur libération.

Le RNIS actuel utilise le canal D pour la signalisation. ATM est plus complexe car il utilise plusieurs canaux de signalisation (couple VPI/VCI) séparés des canaux de transfert de l'information, pour négocier des paramètres tels que le type d'AAL, le mode message ou flux, le transfert assuré ou non assuré, les débits, les pertes, les délais, etc.

A la différence du RNIS, les canaux de signalisation (VPI/VCI) ne sont pas fixe ; ils sont négociés à l'aide d'une procédure particulière : meta-signaling. Cette procédure très simple ne nécessite pas d'AAL. Les commandes sont envoyées en une cellule ATM au travers d'un canal ATM réservé (VPI=0,VCI=1). Afin de simplifier le processus, ATM Forum a réservé un canal de signalisation (VPI=0,VCI=5).

Compte tenu du fait qu'un réseau ATM n'effectue pas de contrôle d'erreurs mais s'appuie pour ce faire sur les couches supérieures, une AAL sécurisée est définie pour s'assurer que les données de signalisation transmises ne sont pas altérées. Il est alors possible de simplifier le traitement de la signalisation. Cette AAL est basée sur l'utilisation du protocole SSCOP (Service Specific Convergence Protocol).

La signalisation ATM fonctionne comme celle des réseaux téléphoniques, à savoir que les requête de connexion de l'appelant est propagée sur le réseau, établissant la connexion progressivement jusqu'à parvenir au destinataire. Le flux de données à transmettre suit la connexion ainsi établie. Le routage de la demande de connexion est assuré par les protocoles de routage d'ATM ( IISP ou PNNI, détaillés dans les partie c) et d) ).

L'appel déclenché par l'usager se fait par un message SETUP sur l'interface UNI. Les paramètres de ce message comprennent les éléments d'information suivants :

1.Called Party Number (Destination Address) représente l'adresse ATM du destinataire.
2.Calling Party Number (Origin Address) représente l'adresse ATM de l'émetteur. 3.ATM User Cell Rate spécifie la bande passante désirée exprimée en cellules par seconde.
4.Quality of Service indique la classe de service requise pour la connexion.
5.AAL type présise le type d'AAL utilisé, ainsi que d'autres informations sur les protocoles de plus haut niveau utilisés.

A la réception du message SETUP, le premier commutateur ATM du réseau répond à l'usager par un message CALL PROCEEDING. Ce message contient le couple VPI/VCI qui sera utilisé ultérieurement pour le transfert des informations. Puis le message SETUP est propagé sur le réseau jusqu'au destinataire. Celui ci reçoit de la part du commutateur ATM final les éléments d'information de l'émetteur, plus le couple VPI/VCI servant à l'échange des informations.

En cas d'acceptation de l'appel, le destinataire renvoie un message CONNECT qui est relayé jusqu'à l'émetteur par le réseau, en suivant le même chemin. Une fois que l'émetteur a reçu le message CONNECT et qu'il l'a acquitté, le transfert de données peut avoir lieu.

b) Adressage

Pour fonctionner, tout protocole de signalisation requiert un plan d'adressage afin d'identifier les sources et les destinations des connexions.

L'ITU-T a entériné l'adressage E.164 pour la structure d'adressage sur les réseaux ATM publics. Ce type d'adressage étant fixé pour le domaine public, l'ATM Forum s'est penché sur la définition d'un système d'adressage pour les réseaux privés. Il s'est appuyé sur la syntaxe d'adresse NSAP de l'ISO. Une adresse ATM est définie sur 20 octets (seulement 4 octets sont utilisés dans une adresse IP V4 et 16 octets dans une adresse IP V6).

Il y a actuellement trois façons d'encoder des adresses ATM privées :

1.Le format DCC
2.Le format ICD
3.Le format E.164 encodé NSAP

Chacun de ces trois formats partagent des fonctionnalités communes. Ainsi, les 13 octets d'en-tête sont fournis par le réseau, la station de travail étant définie par les 7 octets de fin.

Les octets d'en-tête désignent le préfixe réseau (Network Prefix) qui sert à identifier les réseaux entre eux. L'identificateur AFI (Authority and Format Identifier) dans le premier octet indique quel format d'adresse est utilisé :

• Le format DCC (Data Country Code) ou ISD (International Code Designator) est destiné à être utilisé par les opérateurs privés. Dix octets sont utilisés pour désigner les adresses réseaux de leurs clients selon la structure OSI NSAP (Network Service Access Point). L'obtention d'adresses officielles relève d'organismes officiels tels l'AFNOR.
• Le format E.164 (type RNIS) encodé NSAP est prévu pour permettre aux entreprises de constituer leur adresse réseau à partir de celle du réseau public sur lequel elles sont raccordées. Dans ce cas, quatre octets sont ajoutés pour spécifier l'adresse.

Les octets de fin sont communs aux trois format d'adresse :

• Six octets ESI (End System Identifier) servent à identifier de manière unique une station de travail. Généralement, il s'agit de l'adresse MAC (48 bits) de l'adaptateur.
• L'octet SEL (SELector fiels) de fin n'est pas utilisé pour le routage mais peut servir à identifier une application particulière sur la station de travail.

En conclusion, la structure hiérarchique d'adressage (Network Prefix), permet de simplifier le routage et la constitution de grands réseaux, avec le cas échéant plusieurs domaines de responsabilité.

c) Routage IISP

Les octets d'en-tête désignent le préfixe réseau (Network Prefix) qui sert à identifier les réseaux entre eux. L'identificateur AFI (Authority and Format Identifier) dans le premier octet indique quel format d'adresse est utilisé :

• Le format DCC (Data Country Code) ou ISD (International Code Designator) est destiné à être utilisé par les opérateurs privés. Dix octets sont utilisés pour désigner les adresses réseaux de leurs clients selon la structure OSI NSAP (Network Service Access Point). L'obtention d'adresses officielles relève d'organismes officiels tels l'AFNOR.
• Le format E.164 (type RNIS) encodé NSAP est prévu pour permettre aux entreprises de constituer leur adresse réseau à partir de celle du réseau public sur lequel elles sont raccordées. Dans ce cas, quatre octets sont ajoutés pour spécifier l'adresse.

Les octets de fin sont communs aux trois format d'adresse :

• Six octets ESI (End System Identifier) servent à identifier de manière unique une station de travail. Généralement, il s'agit de l'adresse MAC (48 bits) de l'adaptateur.
• L'octet SEL (SELector fiels) de fin n'est pas utilisé pour le routage mais peut servir à identifier une application particulière sur la station de travail.

En conclusion, la structure hiérarchique d'adressage (Network Prefix), permet de simplifier le routage et la constitution de grands réseaux, avec le cas échéant plusieurs domaines de responsabilité.

d) Routage PNNI

Pour les réseaux conséquents, il est nécessaire de recourir à un protocole de routage dynamique de la signalisation. Ainsi l'ATM forum a défini le protocole PNNI destiné à être utilisé dans des réseaux privés mettant en œuvre l'adressage NSAP. Le protocole PNNI comprend deux parties :

1.un protocole de signalisation NNI qui reprend les éléments fournis à l'UNI et les rend à leur forme d'origine à l'UNI du destinataire
2.un protocole de routage de circuit virtuel permettant de router la signalisation du réseau.

Le protocole de routage associé à PNNI est basé sur l'expérience acquise dans les protocoles de routage existants (notamment les protocoles de routage du type OSPF utilisés dans les réseaux TCP-IP). Il permet la construction d'une base topologique du réseau à l'intérieur des commutateurs ATM, grâce à l'échange d'informations régulières entre les commutateurs. Ces informations concernent l'état des liens ATM et des commutateurs du réseau.

Les informations échangées entre les commutateurs ATM concernant le statut des liens et des commutateurs sont exprimés par des métriques et des attributs. Elles permettent à PNNI de prendre en compte la qualité de services demandée par l'usager. Les attributs sont des paramètres qui permettent d'exclure un élément de la route si la valeur de qualité de service requise pour la connexion d'un usager n'est pas satisfaite par l'élément considéré. Il est possible par exemple, de savoir si le débit disponible sur un lien à un instant donné permet de satisfaire la demande d'un utilisateur.

Grâce aux valeurs des paramètres, chaque commutateur peut obtenir à un instant donné un état estimatif du réseau. Un commutateur quelconque du réseau est donc normalement en mesure d'effectuer le routage d'une requête de connexion effectuée par un usager lui étant rattaché. Ce mode de routage, est dénommé routage à la source.

Voici un exemple de routage :

Le routage d'une cellule est réalisé grâce aux champs VPI et VCI contenus dans son en-tête. Cette double identification permet de considérer des conduits (VP) et, à l'intérieur de ces conduits, des voies virtuelles (VC).

2) Equipement du réseau

a) Les multiplexeurs de service

Les multiplexeurs de service ont pour mission de collecter et d'adapter les divers affluents de service, en général non ATM, et de les convertir en flux de cellules pour permettre le transport dans le réseau de brassage ATM.

De par leur localisation à la frontière entre réseau de brassage ATM et usager, les multiplexeurs de service (MS) prennent en compte une grande variété de services. Les interfaces de service utilisateurs combineront du trafic provenant de différents équipements de communication locaux tels que réseaux locaux ( Ethernet , Token Ring, FDDI,...), des PABX (par exemple via une interface 2 Mbit/s en mode émulation de circuits), des routeurs, des équipements Frame Relay, des réseaux locaux ATM ou des salles de visioconférence.

Les flux ATM provenant de différents groupes d'utilisateurs seront combinés dans le multiplexeur de service qui pourra ajouter / supprimer de nouvelles connexions virtuelles.

Le terme de multiplexeur de service recouvre en fait un ensemble d'équipements divers et flexibles, dont la configuration doit être adaptée à chaque contrainte spécifique au service et à sa localisation dans le réseau.

Les multiplexeurs de service sont constitués de quatre sous ensembles :

• insertion des cellules complémentaires de maintenance destinées à contrôler la qualité de transport de bout en bout ;
• régulation des débits des sources, pour les maintenir à l'intérieur d'un gabarit négocié avec l'opérateur de réseau ;
• adaptation au réseau de transport, dans lequel le débit de cellule est ajusté, pour atteindre le débit nominal utile du conduit de transmission ;
• gestion de l'équipement (défauts et anomalies, contrôle des performances, compatibilité de trafic, sécurité d'accès).

b) Brasseur

Les cellules sont aiguillées dans les noeuds du réseau en fonction de leur VPI. A aucun moment dans ce réseau ne sont ouverts les VP; les VC sont donc transportés dans leur VP de façon totalement transparente.

La commutation de cellules consiste à assurer le transfert des cellules entre VP ou VC des différents accès, en fonction de connexions virtuelles établies au moyen d'une table de routage.

Un brasseur de faisceaux virtuels permet d'acheminer en bloc toutes les voies virtuelles appartenant à un même faisceau. De tels brasseurs peuvent être utilisés notamment pour configurer des réseaux de liaison spécialisées, fournir des routes de secours, constituer l'interconnexion de nœuds de commutation pour un service sans connexion.

La commutation de cellules nécessite un réseau de connexion pour permettre le transfert des cellules des accès d'entrée vers les accès de sortie. Ce réseau dispose de files d'attente (buffer) permettant de faire face à l'arrivée simultanée de cellules destinées à un même accès en sortie, et de prendre en compte les différences de débit pouvant exister entre les différents accès.

c) Commutateur

Outre l'analyse et la modification de l'en-tête (nouvelles valeurs de VPI / VCI), un commutateur ATM fournit essentiellement deux fonctions :

• routage (ou acheminement) des cellules vers les ports de sortie appropriés, les circuits virtuels réalisés peuvent être semi permanent ou commuté ;
• stockage temporaire des cellules.

Le commutateur doit également gérer plusieurs flux de cellules différenciés par des niveaux de priorité et fournir un traitement préférentiel aux cellules de haute priorité. De plus, certains services ATM nécessitent la diffusion de cellules issues d'une même source: diffusion globale (broadcast), vers toutes les destinations, ou restreinte (multicast), vers un ensemble prédéterminé d'accès destinataires. Par soucis d'efficacité, on cherche à repousser le plus possible en aval le point de duplication des cellules : à partir d'une information particulière (adresse de diffusion), un commutateur ATM doit être capable de générer sur plusieurs ports de sortie des répliques d'une même cellule.

IV) Applications ATM

Cette quatrième partie de l'exposé est consacrée aux utilisations d'ATM et sa mise en œuvre.

Conçu pour intégrer des applications incluant la voix, les données, les images fixes ou animées, ATM doit faire face à une double problématique : intégrer l'existant (le trafic des réseaux locaux traditionnels, des réseaux étendus et des réseaux voix ou vidéo) et permettre le développement de nouvelles applications multimédias.

Comme toute nouvelle technologie, ATM pose des problèmes. Au niveau informatique, on en dénombre principalement trois :

• 1.ATM est orienté connexion (nécessité de procéder à un appel du correspondant avant le transfert d'informations) alors que les protocoles informatiques existants (IP, IPX…) sont conçus pour fonctionner sur des réseaux sans connexion.
• 2.ATM supporte plusieurs qualités de services que l'usager peut normalement négocier. Une fois encore, les protocoles réseaux existants ne sont pas prévus dans ce sens. Des mécanismes complémentaires ont été définis récemment pour permettre aux réseaux TCP/IP de gérer la qualité de services, ouvrant ainsi la voie à de nouvelle applications multimédias ( IP V6). Il est donc nécessaire d'établir une correspondance entre ces mécanismes et ceux disponibles sur ATM.
• 3.ATM est considéré par les applications informatiques comme une technique de commutation et induit donc une mise à plat du réseau. Cela pose des problèmes de performance car toutes les connexions reçoivent les nombreux messages de diffusion (broadcast) émis par les protocoles existants.

Pour remédier aux problèmes techniques évoqués ci-dessus, de nombreuses solutions d'intégration de l'existant informatique ont vu le jour : Classical IP, Lan Emulation, MPOA, pour les solutions officielles, et d'autres solutions propriétaires (IP Switching, Tag Switching, Fast-IP), sans compter les solutions en cours de discussion au sein de l'ATM Forum.

1) Integration de l'existant informatique

Le monde actuel des réseaux locaux traditionnels ne supposant aucune connexion avant l'émission d'information, un enjeu majeure consiste à fournir des mécanismes permettant une transition en douceur vers cette nouvelle technologie.

On peut classer les possibilités de mise en œuvre d'ATM en trois grandes familles :

• 1.l'intégration de l'existant sans modification : cette approche vise uniquement à bénéficier de la bande passante d'ATM sans ses caractéristiques spécifiques.
• 2.l'intégration de l'existant avec modification des composants du réseau, sans toutefois modifier les postes clients du réseau : il s'agit d'une première mise en œuvre des caractéristique d'ATM.
• 3.la mise en œuvre d'ATM de façon native : intégration de la technologie ATM dans les postes clients du réseau, et suppression des composants actuels des réseaux. Cette étape ultime, assurant une connexion ATM de bout en bout, permet de bénéficier au maximum des caractéristiques d'ATM.

Voici donc quatre mécanismes différents en fonction de leur apparition chronologique et sur leurs caractéristiques essentielles qui seront détaillés à la suite :

• 1.RFC 1483 de l'IETF : approche centrée sur l'intégration d'ATM sur des ponts.
• 2.Classical IP (RFC 1577) : approche centrée sur l'intégration d'ATM sur des routeurs.
• 3.LAN Emulation : approche centrée sur l'intégration d'ATM sur des commutateurs (Ethernet ou Token-Ring)
• 4.MPOA (Multi Protocol Over ATM) : approche qui vise à combler les faiblesses des deux approches précédentes grâce à l'intégration des techniques de routage et de commutation permettant le support natif des protocoles réseaux informatiques.

a) RFC 1483

Cette première approche a pour objectif de bénéficier de la rapidité d'ATM dans l'interconnexion de réseaux. Basé sur des techniques d'encapsulation du trafic dans ATM, elle donne lieu à deux méthodes de multiplexage de protocoles :

• 1.le multiplexage basé sur les circuits virtuels (VC Based Multiplexing) qui permet le support d'un seul protocole par connexion ATM.
• 2.l'encapsulation LLC qui permet le support de multiples protocoles sur une connexion ATM. Cette techniques n'étant guère utilisé, elle ne sera pas développée davantage.

b) Classical IP

Cette approche vise à constituer des sous-réseaux IP sur ATM, de façon identique à ce qui est fait à ce jour sur les réseaux locaux traditionnels. Cette approche ne prend en compte que le protocole TCP/IP et suppose une pile de protocole TCP/IP spécifique dans le poste de travail raccordé sur ATM. Elle est susceptible de s'insérer aisément dans un réseau de routeurs, sous réserve que ces derniers disposent du mécanisme logiciel approprié.

Dans le cas de Classical IP, le réseau ATM est vu comme un sous-réseau IP. Les stations ATM peuvent alors communiquer directement entre elles si elles appartiennent au même sous-réseau IP. Dans le cas contraire, tout le trafic entre deux stations n'appartenant pas au même sous-réseau (Subnet) doit passer par le routeur. Equipé d'une carte ATM, ce dernier effectue la conversion cellule-trame pour recevoir les informations à acheminer en provenance de la station source. Une fois le processus de routage effectué, il réalise la conversion trame-cellule permettant d'atteindre le destinataire situé sur le réseau ATM et appartenant à un sous-réseau différent.

c) LAN Emulation (LANE)

Cette approche vise à considérer le réseau ATM comme un réseau local virtuel. Au lieu de ce nom, on parle de réseau local émulé (Emulated LAN ou ELAN, à ne pas confondre avec le mécanisme LANE). La notion d'ELAN sur ATM ne doit pas être confondue avec les technologies de réseaux locaux virtuels (VLAN : Virtual LAN) utilisées dans les réseaux locaux traditionnels de type Ethernet ou Token Ring.

L'approche ELAN est matérialisée par des fonctions Lan Emulation Client (ou LEC) localisées dans les stations raccordées en ATM et dans les commutateurs de trames rattachés au réseau ATM. Ces fonctions logicielles clientes s'adressent à des fonctions serveurs (LAN Emulation Server : LES) qui sont généralement localisées dans les commutateurs ATM. Elles permettent de rendre ATM transparent aux protocoles réseaux utilisés (IP, IPX,…). Cette transparence empêche de tenir compte des caractéristiques de gestion de la qualité de services d'un réseau ATM (puisqu'il est considéré comme un réseau Ethernet ou Token-Ring Emulé).

Ce procédé permet de faire communiquer des stations natives ATM avec des stations classiques reliées à des réseaux locaux. Le principal avantage de l'émulation réseau local est de proposer une communication ATM à hauts débits tout en protégeant les investissements : les applications, mais aussi les ponts ou routeurs, puisqu'il suffit de leur ajouter une couche logicielle.

Grâce à l'émulation réseau local, des stations ATM profitent des applications hauts débits tout en conservant un accès aux données des serveurs de fichiers reliés aux réseaux locaux.

En ATM on établit des liaisons permanentes ou semi permanentes; les circuits virtuels, entre deux équipements. Le LAN Emulation établit un pont au niveau liaison, de MAC vers ATM. Cette couche va convertir l'adresse MAC du destinataire en adresse ATM. Pour émettre un paquet, il faudra ouvrir une connexion au préalable vers le destinataire, en effet le mode d'accès d'ATM est orienté connexion alors que sur un réseau local classique toutes les machines partagent un bus. L'AAL5 permet de fragmenter et réassembler les paquets transmis par les divers protocoles.

d) MPOA

Cette approche vise à marier les bénéfices du routage multiprotocole et de la rapidité de la communication.

L'idée de base consiste, pour une source de trafic, à obtenir l'adresse ATM du destinataire grâce à une fonction de routage et à établir un chemin direct en ATM. Les sources de trafic peuvent être soit des stations raccordées nativement en ATM, soit des commutateurs connecté sur ATM et agissant pour le compte de stations Ethernet ou Token-Ring. Ces deux éléments nécessitent un processus MPOA Client qui fonctionne en mode client/serveur avec des services MPOA Serveurs ; ces derniers peuvent être localisés sur un routeur doté d'une carte ATM.

Lors de l'établissement d'une communication entre station appartenant à des réseaux différents, le client MPOA demande la route au serveur de route. Le serveur de route répond avec l'adresse ATM du destinataire. Une communication directe peut alors s'établir avec le destinataire. A l'intérieur d'un même réseau virtuel, les client MPOA ou les stations ATM utilisent les services LAN Emulation décrits précédemment.

Alors que LAN Emulation permet d'interconnecter des LAN traditionnels d'un même réseau, MPOA permet la communication directe entre des entités appartenant à des réseaux différents. Pour ce faire, MPOA a recours aux fonctions de routage uniquement pour la résolution d'adresses ATM. MPOA peut donc être considéré comme une extension de LAN Emulation dont il intègre les fonctionnalités pour les communications internes aux sous-réseaux.

e) Les nouvelles approches

Les approches que nous venons de voir sont bien adaptées au concept de virtualisation applicable aux réseaux privés d'entreprise. Pour ce qui concerne les grands réseaux (tel que Internet), des travaux sont en cours pour leur permettre de bénéficier également des capacités unique d'ATM. Un certain nombre de constructeurs ont annoncé des architectures propriétaires, permettant de marier commutation et routage au sein d'un fonctionnement désigné sous le nom de routage multiniveau (Multi Layer Routing).

Trois de ces architectures propriétaires sont :

• IP Switching de la société Ipsilon.
• Tag Switching de la société Cisco Systems.
• Fast IP de la société 3Com.

2) ATM et multimedia

On peut envisager à court et à moyen terme deux approches du multimédia :

• Communication structurées, permettant par exemple la consultation de banques de données images fixes ou faiblement animées.
• Communication non structurées et principalement représentées par les applications audiovisuelles.

Les deux approches du multimédia peuvent se baser sur des infrastructures réseaux communes ; ATM constitue bien évidemment la technologie de choix. Cette cohabitation permet d'ailleurs aux applications informatiques des PC multimédias d'avoir directement accès à des serveurs vidéo en ATM.

La recherche de débit (bande passante) de plus en plus importants a toujours été une préoccupation de l'informatique pour véhiculer des données sans cesse plus volumineuse. Les grandes nouveautés introduites par les applications multimédias concernent le support de la qualité de services qui se traduit par un délai de transmission minimum et variable, et les types de connexion qui se déclinent en connexions de type n'importe qui vers n'importe qui ou de type un à plusieurs.

Ainsi les caractéristiques bande passante, qualité de service, mécanisme de diffusion traduisent la capacité du réseau à supporter les flux d'informations issus des applications multimédias. Ces flux peuvent être classés selon trois groupes dans la technologie ATM :

• les applications de type Constant Bit Rate (CBR) : applications de type voix et vidéo basées sur l'anciennes générations de CODECS (CODeur/DECodeur) encore largement utilisés sur les réseaux vidéo numériques des professionnels de l'audiovisuel. Ces applications nécessitent un niveau fixe de bande passante.
• les applications de type Variable Bit Rate (VBR) : applications vidéo basé sur les CODECS modernes (MPEG-1, MPEG-2,…) qui produisent un débit variable avec des pics de trafic.
• les applications de type Available Bit Rate (ABR) : applications informatiques traditionnelles et les nouvelles applications multimédias qui peuvent fonctionner à des débit variables sans conséquence sur l'information transportée.

Voici donc deux exemples d'application sur ATM :

a) La voix sur ATM

Utiliser le réseau ATM comme support d'un service téléphonique n'est pas encore une réalité. En effet, malgré les promesses d'optimisation de la bande passante, la seule façon de transmettre la voix de façon normalisée sur un réseau ATM consiste actuellement à la transmettre sous la forme d'un trafic constant (CBR).

La solution actuelle est tout simplement une émulation de circuit obligeant à réserver une bande passante fixe pour le trafic voix, même en l'absence de conversation réelle. Dans la pratique, deux modes d'émulation de circuit sont définis :

• une émulation non structurée dans laquelle un circuit E1 (2 048 Mb/s) est assigné à un circuit virtuel ATM prévu pour le raccordements point à point entre sites.
• une émulation structurée dans laquelle des circuits de 64 Kbit/s peuvent être individuellement affectés à des circuits virtuels ATM.

L'autre solution consiste à transmettre la voix sous forme d'un trafic variable (VBR) permettant d'optimiser la bande passante. Des constructeurs se sont d'ores et déjà lancés dans cette voie en proposant au travers d'AAL propriétaires des fonctions de compression de la voix et de suppression des silences. Il en résulte à ce jour une situation confuse dans l'interconnexion de PABX. L'alternative se résume à utiliser le standard actuel qui ne traite pas efficacement la voix ou à utiliser des commutateurs mettant en œuvre des fonctions avancées mais propriétaires.

b) La vidéo sur ATM

Comme le transport de la voix, le transport des applications vidéo donne lieu à une alternative :

• Un transport à vitesse constante (CBR) qui est notamment utilisé par les systèmes de visioconférence sur RNIS. Ce type d'application est transmise sur ATM en mode émulation de circuit
• Un transport en mode paquet. Ce type d'application se retrouve dans différents environnements : directement sur ATM (vidéo numérique de type MPEG-2), sur des réseaux LAN (comme les produits de visioconférence pour LAN) ou encore sur un protocole réseau comme IP. Le transport sur le réseau ATM est alors possible en utilisant LAN Emulation pour les produits conçus pour le LAN et MPOA pour les produits s'appuyant sur un protocole réseau comme IP.

Comme la voix, la vidéo nécessite un faible délai d'acheminement (latence) et une faible variation de ce délai (gigue). Elle demande en outre une bande passante beaucoup plus importante. A titre d'exemple, la transmission d'une image de télévision au standard SECAM nécessite un débit de 400 Mbits/s ! C'est la raison pour laquelle les techniques de compression sont systématiquement mises en œuvre.

Afin d'adapter un flux vidéo MPEG-2 sur ATM, l'ATM Forum a choisi un fonctionnement basé sur l'utilisation de AAL5 et de la classe de service Real Time VBR. Le choix de AAL5 au lieu de l'AAL1 est justifié par le fait que le flux MPEG-2 possède déjà sa propre horloge et que AAL5 est plus efficace que AAL1. Cette normalisation a donné le jour à de nombreuses perspectives dans le domaine de la VOD (Vidéo On Demand) sur ATM.

Conclusion

La conclusion que je désire apporter à cet exposé est plutôt une ouverture vers le coût financier d'un réseau ATM, car ce qui prime au finale c'est le coût financier d'un réseau. Pour cela, j'ai pris le cas réelle de la communauté universitaire de Nancy qui a déployé 120 km de fibre optiques pour relier quarante-trois sites universitaires et de recherche, et ainsi créer une infrastructure ATM à 155 Mbit/s dont la réalisation a valu à son chef de projet, François Schwaab, d'être finaliste du prix du Manager Telecom/Réseaux 1999.

Le réseaux métropolitain s'appuie sur quatre commutateurs ATM qui jouent le rôle de concentration reliés par une boucle SDH à 155 Mbit/s. Ces quatre sites se répartissent la desserte des trente neuf sites satellites raccordés en fibre monomode et équipés de commutateur ATM/Ethernet 10/100 Mbits/s (avec connexions ATM à 155 Mbits/s). La configuration choisie fut le mécanisme LAN Emulation et le protocole de routage PNNI. Sur ce réseau circulent des applications consommatrice en bande passante, comme la consultation de CD-ROM gérés par le centres de documentation et le visionnage de cassettes de langues sur les postes banalisés des étudiants (le transport d'images vidéo sur des canaux ATM à 25 Mbits/s).

Ce réseau métropolitain universitaire a coûté 10,8 millions de francs ( 1,65 millions d'euro) dont 4,90 millions pour l'infrastructure optique ( câbles, génie civile), 4,8 millions pour les équipement actifs (commutateurs) et 950 000 francs pour la connectique optique. Actuellement, les coûts de fonctionnement pour l'ensemble du réseau sont d'environ 2 millions. Ces coût sont répartis entre les utilisateurs du réseau. Cet investissement est très intéressent car auparavant le réseau à base de lignes louées à France Télécom coûtait environ le double par an pour des débits largement inférieur ( 2Mbits/s au maximum).

En conclusion, l'ATM offre une solution de qualité aux applications de demain mais son coût d'installation pour des entreprises est trop élevé face à des technologies comme Fast-Ethernet (100 Mbit/s) ou Gigabit-Ethernet qui n'offre pas la qualité de service d'ATM mais qui permet de faire évolué un réseau existant à un coût moindre.