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Transport de données sur ATM
lundi 22 septembre 2014, par gerla
Outils et place de l’ATM

Le modem routeur/commutateur connecté à la prise murale du téléphone « historique », assure la liaison sur la boucle locale (le dernier kilomètre et permet l’acheminement des contenus numériques de données, Images (vidéo) et voix (téléphonie).

Initialement développés par les entreprises de télécommunication (France Télécom, Belgacom, etc.), les réseaux de distribution et de connexion était totalement dédiés à la téléphonie analogique (figure 1) . Avec l’arrivée de l’Internet et des contenus numériques, ATM (Asynchronous Transfert Mode) est né du besoin des opérateurs téléphoniques de véhiculer ces contenus numériques ayant des volumes de plus en plus importants (vidéo) et des contraintes différentiées (voix, données, vidéo). En particulier, les contraintes de transmission et reconstitution sont différentes pour la parole (voix) et la vidéo.

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Cet article aborde la transmission de données sur ATM. Ces notions dont les racines sont déjà anciennes (travaux du CNET par exemple), ont été fixées par l’ UIT-T (dans le cadre de travaux soutenus par des opérateurs publics) et l’ ATM Forum (groupement d’opérateurs privés et sociétés d’informatique) sous forme de recommandations et de standards.

Cet article vient en appuie des techniques de transmission développées dans le tome 2 de Techniques audiovisuelles et multimédias publié aux éditions Dunod et également disponible dans toutes les bonnes librairies.

1- Structure du réseau de transport et de distribution

Partant des équipements de l’unité d’habitation, le chemin emprunté par les contenus audiovisuels, Internet et la téléphonie est en général composé de :

• la ligne (une paire de fils de cuivre) connectée à la prise de téléphone du domicile ;

• un point de concentration (par exemple, borne connectant plusieurs abonnés) « cuivre » ;

• un sous-répartiteur lui-même connecté à un répartiteur « cuivre » ou NRA (Nœud de Raccordement Abonné) ou encore le central téléphonique ;

• un DSLAM cuivre / optique.

Sur l’ensemble de ces équipements « cuivre », les signaux transmis sont modulés xDSL (voir le paragraphe 3.1.2 Connexion au réseau téléphonique et la figure 3.2, page 66 de Techniques audiovisuelles et multimédias, tome 2 . Voir également la figure 3.5 page 71 ).

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Dans le central téléphonique, une fois raccordé (jarretières) et filtrée, la ligne RTC correspondant à un abonné passe par une Unité de Raccordement Abonné (URA) chargée de convertir le signal analogique d’un appel téléphonique en données numériques. Les données de la voix sont alors transmises à un CAA (Commutateur à Autonomie d’Acheminement).

Dans le central téléphonique (répartiteur), le DSLAM est le premier élément du réseau de transport au standard xDSL. Le DSLAM est constitué de cartes modem correspondant à chaque abonné (figure 2) . La structure du DSLAM permet de traiter simultanément les flux correspondant à plusieurs centaines de clients.

Le BAS (Broadband Acces Server) permet d’accéder à une bande passante suffisante (côté ATM) correspondant aux besoins de l’audiovisuel. Le BAS (nœud de transport, revoir la figure 2 ) gère l’ allocation des adresses et les connexions en fonction des demandes remontant de chaque client via le DSLAM. 

Côté IP, le BAS analyse les en-têtes des paquets IP et effectue le routage via RBCI (Réseau Backbone de Collecte Interne, dorsale ) en direction des fournisseurs. Le RBCI permet le transport à très haut débit. Il assure les liaisons au niveau national et international.

2- Mise en ligne, multiplexage et commutations

La combinaison des techniques de multiplexage des flux de contenus numériques entrant et de commutation doit permettre de partager les ressources disponibles du réseau.

Le multiplexage (figure 3) consiste à placer les contenus numériques de plusieurs sources à faible débit dans un canal à haut débit.

Le multiplexage temporel (TDM, Time Division Multiplexing) permet de monter sur un canal haut débit unique les informations issues des différentes sources (figure 3a) . Les paquets de données correspondant à chaque voie d’entrée sont intercalés dans le temps dans le canal de sortie. Les signaux issus des sources sont transmis en bande de base. Un démultiplexeur permet d’effectuer l’opération inverse en fin de transmission sur le canal haut débit afin de retrouver les signaux originaux sur différentes voies bas débit.

La bande passante d’un canal haut débit peut être divisée en plusieurs sous-bandes dans chacune desquelles pourront transiter les paquets issus de différentes sources. Cette technique est appelée multiplexage fréquentiel ou Frequency Division Multiplexing (FDM). Pour monter les paquets de données issues des différentes sources sur chacune des sous-bandes (figure 3b) , une transposition de fréquence doit être effectuée. Pour cela, des porteuses (f1, f2, ...) sont modulées par les paquets de données entrants. Dans le récepteur placé à l’issu du canal haut débit, des démodulateurs permettent de retrouver les signaux originaux.

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La commutation (agissant comme un aiguillage de voie ferrée) permet de mettre en relation un utilisateur donné avec n’importe quel autre utilisateur d’un réseau. Les techniques commutation permettent de partager les ressources disponibles du réseau (en termes d’encombrement, bande passante, ...). Des mécanismes d’adressage , de sélection de la route à suivre (routage), de contrôle du trafic sont nécessaires au bon acheminement des données de la source vers le destinataire.

Selon les applications envisagées à l’origine des réseaux (informatique, téléphonique), le déploiement s’est fait en suivant des principes différents :

• La transmission en mode avec connexion (figure 4a) à l’usage des téléphonistes s’appuie sur une signalisation qui définit l’établissement de la connexion et fournit des garanties quant à la bande passante octroyée (débit constant) , le temps de latence fixe (recevoir au rythme imposé par la source), la sécurité et plus globalement la qualité du service rendu.

• La transmission en mode sans connexion (figure 4b) à l’usage des informaticiens est à l’origine des LAN et d’Internet. Les données sont organisées en paquets ( datagrammes IP , ils comportent l’adresse du destinataire). Les datagrammes sont transmis avec des risques de perte (congestion, collisions, ...) et un temps de latence aléatoire («  best effort  ») selon l’encombrement et les chemins suivis qui peuvent être différents d’un paquet à l’autre.

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A partir de cette approche très succincte, on voit se dessiner une « incompatibilité » entre la téléphonie classique et l’Internet (voir le tableau suivant) . A cela vient s’ajouter les contraintes liées à la diffusion de la télévision sur les réseaux numériques, en termes de bande passante, gigue cellule (ou CDV pour Cell Delay Variation, retard toléré inférieur à 100ms), erreurs (pertes tolérées inférieures à 10 puissance -5), types de diffusion (unicast, multicast).

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3- Introduction à l’ATM (Asynchronous Transfer Mode)

L’objectif de l’ATM (standardisé sous l’égide de UIT-T et ATM Forum) est de faire cohabiter sur un même réseau tous les types de communication (Voix, Données, Images) , de supporter des débits élevés et d’offrir une qualité de service garantie de bout en bout . En ce sens, ATM assure une convergence entre les téléphonistes et les informaticiens tout en reposant sur les standards des couches physiques existantes (fibre optique, paire torsadée).

Pour répondre à ces prérogatives de « réseau multimédia » , ATM est basé sur :

• un service orienté connexion. En ce sens, un chemin est établi avant de transmettre les données ;

• un découpage des données transmises en cellules (paquets de données de petite taille). Chaque cellule comporte l’identificateur de la connexion ;

• un multiplexage temporel asynchrone ;

• différentes classes de service afin de supporter les différents types de trafic et satisfaire aux exigences de chacun des types d’application en terme de QoS (Qualité de Service).

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Les données organisées en petits paquets (cellules ATM) sont transmises en mode connecté (figure 5) à travers des circuits virtuels . Chaque liaison ATM est point à point et unidirectionnelle.

• En ce sens, le transfert des données est précédé d’une demande de connexion. Cette connexion est interrompue en fin de transfert.

• Les intervenants de la connexion sont authentifiés de bout en bout et le flux de données est contrôlé.

• A noter que les ressources mobilisées (capacité de transfert, bande passante) ne sont pas forcément totalement utilisées. Le fait de réserver un canal de transmission ne signifie pas pour autant qu’il est occupé.

Les cellules ATM ont une longueur fixe de 53 octets avec 5 octets d’en-tête et 48 octets de données (figure 6) . La cellule ATM est « petite » de façon à augmenter la vitesse de transfert et n’est pas asservie à une horloge globale (Asynchronous TM) comme en réseau téléphonique.

Une des contraintes définissant la faible longueur de la cellule ATM est liée au délai de propagation des contenus audionumériques issus du combiné téléphonique.

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Deux types d’en-têtes peuvent être interprétées selon qu’on est sur une interface de bord de réseau ou utilisateur/réseau (User to Network Interface : UNI) ou sur une interface inter nœuds de communication réseau/réseau (Network to Network Interface : NNI) . Voir également la figure 7 .

4- Connexion, commutation ATM

Afin d’optimiser le service rendu, ATM propose de faire de la commutation de données (découpées en cellules) tout en ayant l’idée que c’est sur un circuit propre que transitent ces données. ATM repose sur la notion de réseaux virtuels en mettant en œuvre des techniques de commutation haut débit sur des liaisons à fibre optique (sur de longues distances) ou sur des paires torsadées (sur de courtes distances).

La notion de réseau virtuel est liée à la différentiation (signalisation) des types de contenus. Lorsqu’une connexion est établie, les cellules suivent toujours le même chemin (de bout en bout).

Le chemin (path) suivi par les cellules sur le réseau (couche physique) peut être décomposé au niveau ATM :

• en conduits ou faisceaux virtuels (Virtual Path) VP  ;

• chaque VP comportant des canaux virtuels VC (Virtual Channel) pouvant être permanents (PVC) ou commutés (Switched VC ou SVC).

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Cette décomposition fait apparaître une hiérarchie de commutation VP et VC (figure 7) . Au « cœur » du réseau, les commutateurs ATM (circuits de brassage) établissent la connexion entre les VP et permettent une commutation normal/secours .

Au « bord » du réseau, l’insertion et la connexion entre VC étant réalisée par des commutateurs VC. Le routage des cellules se fait par rapport aux identifiants contenues dans l’en-tête des cellules :

VPI (Virtual Path Identifier). C’est le numéro de conduit ou faisceau virtuel  ;

VCI (Virtual Channel Identifier) ou numéro de canal virtuel.

L’établissement d’un circuit virtuel commuté s’appuie sur des techniques particulières de routage dynamique des cellules ATM. Lors de la demande d’établissement d’une connexion :

• envoi d’un setup de la station source vers le commutateur qui transmet le setup vers un commutateur voisin et ainsi de suite jusqu’au destinataire ;

• retour d’un Call proceeding du destinataire vers le commutateur voisin et ainsi de suite de proche en proche ;

• acceptation du chemin virtuel par chaque élément et envoi d’un accusé de réception (ACK, ackowledge connect) de proche en proche ;

• les tables de routage des différents commutateurs sont mises à jour (et mémorisées) pour établir (et maintenir) la liaison ;

• le couple VPI - VCI (contenu dans l’entête de la cellule) identifiant le circuit virtuel est mis à jour et évolue au passage de chaque commutateur ATM.

En fin de transmission des contenus (données utiles), le circuit virtuel est détruit après circulation d’un message REALEASE.

5- Récupération des cellules ATM

Les cellules ATM sont transférées les unes à la suite des autres sans délimitation particulière (figure 8) . Pour délimiter chaque cellule (cell delineation) dans les commutateurs et la station réceptrice, il est nécessaire d’inclure un symbole ou un contenu numérique reconnaissable (pattern recognition). Un algorithme permet de situer et reconnaître l’en-tête de chaque cellule à partir d’un calcul sur HEC (Header Error Control) .

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L’algorithme démarre en mode de reconnaissance où il se déplace bit à bit à la recherche d’un en-tête valide. Ensuite, il va en mode de pré-synchronisation où il continue à se déplacer de cellule en cellule (saut de 48 octets), à la recherche d’un nouvel en-tête. Quand la recherche est valide et confirmée 3 fois, l’algorithme passe en mode synchronisation .

Outre la fonction première de contrôle d’erreur sur l’en-tête, HEC permet d’assurer également la récupération de l’ horloge de synchronisation.

6- Protocoles ATM et qualité de service

Le standard ATM définit un ensemble d’outils (protocoles). Ces outils (figure 9) peuvent être répartis en couches :

• la couche physique est la plus basse. Elle est chargée du transport des cellules sur le média (support physique) et est similaire à la même couche du modèle TCP/IP  ;

• la couche intermédiaire ATM est chargée de l’acheminement des cellules de bout en bout et de la gestion des chemins virtuels  ;

• la couche d’adaptation AAL (ATM Adaptation Layer) comporte des mécanismes capables d’assurer une classe de service en fonction des besoins et est à l’interface des couches supérieures de la pile de protocoles implantée sur le terminal utilisateur.

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La couche physique peut être décomposée en deux sous-couches :

• la sous-couche inférieure PMD (Physical Medium Dependant) est chargée de l’adaptation ( encodage / décodage ) au média de transport (câble, fibre optique). Elle assure l’émission et la réception d’un flot de bits, le cadencement et la synchronisation ;

• la sous-couche TC (Transmission Convergence) vérifie les contenus de l’en-tête (HEC vérification) des cellules, la délimitation, l’embrouillage et l’adaptation du débit des cellules.

La couche d’adaptation AAL peut être elle-même décomposée en deux sous-couches :

• La sous-couche de segmentation et réassemblage SAR (Segmentation And Reassembly) des données en cellules. Cette sous-couche est également chargée de compenser les délais d’acheminement, la perte de cellules et de récupérer l’horloge de synchronisation ;

• Sur la sous-couche SAR, la sous-couche de convergence CS (Convergence Sublayer). Elle assigne la classe de service et est en particulier chargée de la délimitation, de la réservation de mémoire tampon, de la détection d’erreur, du contrôle de flux, etc.

Les fonctions de la couche AAL dépendent des objectifs fixés par les applications : elles permettent de choisir la qualité de service offerte par la couche ATM et déterminent des mécanismes pour éviter la congestion du réseau . Dans ce cadre, quatre types de protocoles AAL sont standardisés (AAL1, AAL2, AAL3/4, AAL5) pour répondre à différentes classes de service A, B, C ou D (voir le tableau suivant) .

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Concrètement, chaque circuit virtuel ATM se trouve être associé à un contrat de trafic afin de garantir (ou non) un débit minimum (on retient également que plus il y a de ressources associées à une connexion, plus elle est coûteuse) :

DBR (Deterministic Bit Rate selon UIT-T) ou CBR (Constant Bit Rate selon ATM Forum) permet d’allouer à une connexion des ressources calculées sur la base du débit crête nécessaire et délais de transfert ;

SBR (Statistical Bit Rate / UIT-T) ou VBR (Variable Bit Rate / ATM Forum) permet une capacité de transfert (débit soutenable) adaptée aux sources à débit variable . La capacité VBR+ (bande passante garantie avec bande passante élastique / ATM Forum) est plus particulièrement développée pour les transmissions de type vidéo adaptative  ;

ABR (Available Bit Rate / ATM Forum) correspond à une notion de capacité gérée dynamiquement (bande passante variable) et doit permettre d’utiliser les ressources laissées disponibles par les services à bande passante fixe.

UBR (Unspecified Bit Rate) correspond à une gestion dynamique sans contrainte de débit ou de gigue ;

• Des mécanismes de priorité entre cellules assurent le maintien du contrat en cas de congestion.

7- Et pour terminer ...

Le modem/routeur (quelque soit la marque commerciale de celui-ci) relié à la prise téléphonique doit être configuré de façon à être compatible avec l’équipement ADSL du central téléphonique (partant du DSLAM, revoir la figure 2 ) qui lui est connecté.

Outre les identifiants de connexion (utilisateur et mot de passe fournis par le FAI lors de l’inscription), les informations de connexion, correspondant à l’équipement ADSL du central téléphonique, sont constituées par :

• le protocole PPPoE (PPP over Ethernet over ATM) ou PPPoA (PPP over ATM) dont le choix dépend de l’équipement ADSL. Point to Point Protocol (PPP) est un protocole Internet. Par exemple, PPPoA signifie que la liaison PPP est transportée «  over ATM  » depuis le terminal du client jusqu’au serveur du FAI ;

• le mécanisme d’encapsulation des données de type VCmux (Virtual Circuit multiplexing) ou LLC (Logical Link Control) pour permettre d’identifier le protocole des trames transportées dans AAL 5 (ATM Adaptation Layer 5) ; • les identifiants du canal virtuel ( VCI, par exemple 35 pour Orange) et du faisceau virtuel ( VPI, par exemple 8 pour Orange).

Les solutions ATM permettent le transport de données sur xDSL et constituent une partie importante du transport des flux de données Internet . Le marché propre à l’IP propose des solutions concurrentes avec les procédures MPLS (MultiProtocol Label Switching) et GMPLS (Generalized Multi-Protocol Label Switching) conçues pour fonctionner aussi bien sur les réseaux IP que sur ATM.

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