Razvoj ATM mreža vezan je uz pojam digitalne mreže integriranih usluga ISDN (Integrated Services Digital Network) koji se počeo razvijati kad je 1984. godine CCITT prihvatio prvi skup preporuka za ISDN mreže. ISDN mreža je osiguravala digitalnu prospojenost s kraja na kraj i podržava širok skup usluga (govornih i negovornih) kojima korisnici pristupaju preko ograničenog skupa standardiziranih višenamjenskih sučelja. U ISDN mreži su definirane dvije osnovne brzine prijenosa: 64 kbit/s i 2.048 Mbit/s. Ubrzo se uvidjelo da te dvije brzine nisu dovoljne za primjene kao sto su prijenos slike, video signala itd., pa se razvila ideja za širokopojasnu digitalnu mrežu integriranih usluga B-ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network). CCITT preporuka I.113 definira B-ISDN mrežu kao uslugu ili sustav koji zahtijeva kapacitet kanala iznad 2 Mbit/s.

ITU-T (tada još CCITT) je 1988. godine preporukom I.121 “Broadband aspects of ISDN” dao osnovnu zamisao B-ISDN u kojoj je ATM tehnologija odabrana za ostvarenje proizvoljnog i varijabilnog pojasa objedinjujući najbolje od komutacije kanala i komutacije paketa. U toj preporuci je navedeno da B-ISDN podržava komutirane, polustalne i stalne veze, od točke do točke, te od jedne prema više točaka, a usluga ostvaruje na zahtjev, rezervacijom ili stalno.Moguće je koristiti komutaciju kanala i komutaciju paketa u jedno ili višemedijskim okolnostima, jednosmjerno ili dvosmjerno, a komunikaciju ostvariti spojno ili nespojno orijentirano.

ATM je paketska tehnika komutiranja, multipleksiranja i prijenosa koja se koristi paketima (tzv. ćelije) male i konstantne duljine da bi se prenijela informacija u B-ISDN mreži. Kratke ćelije koje putuju vrlo velikim brzinama nude mreži fleksibilnost i čine je dobro iskorištenom. Tehnika multipleksiranja je stohastička, što znači da nekoliko veza može dijeliti link čiji je kapacitet manji od sume vršnih vrijednosti svih veza. Pojam asinkroni označuje da se ćelije mogu pojavljivati u nepravilnim intervalima unutar mrežnih veza.

ATM je spojna tehnika komuniciranja, što znači da mora biti uspostavljena veza između dva krajnja čvora prije slanja podataka. To se ostvaruje na način da korisnik obavijesti mrežu (sve čvorove kroz koje prolazi veza) o svojim zahtjevima za kvalitetom usluge (QoS – Quality of Service) koji se obično sastoje od vršne i srednje vrijednosti širine pojasa (tj. brzine prijenosa). Na osnovu te informacije, mreža mora dodijeliti potrebne resurse duž cijele veze (svih čvorova kroz koje prolazi veza). Dodijeljena širina pojasa može biti između vršne i srednje vrijednosti. Ako ona odgovara vršnoj vrijednosti širine pojasa, tada ATM ne daje nikakve prednosti pred STM (Synchronous Transfer Mode) koji radi na takav način. Ako se pak dodijeli manja širina pojasa od vršne, tada se povećava vjerojatnost pojave zagušenja u mreži. Zbog toga treba primijeniti vrlo sofisticirane mehanizme kontrole zagušenja kako bi se osigurao ispravan rad mreže.

Informacija se privremeno sprema (memorira) pri nastajanju, a zatim se ubacuje u ćeliju kad dostigne veličinu same ćelije, koja se zatim prenosi mrežom. Kod multipleksiranja, ćelija se iz određenog toka podataka prenosi odmah ako postoji neiskorištena ćelija. Ako trenutno nema informacije koja se treba prenositi, šalje se nedodijeljena ćelija (unassigned cell). Dakle, u odnosu na postojeće paketske tehnike, ATM se razlikuje u nekoliko bitnih stvari:

Redoslijed u kojem ćelije stižu na odredište jednak je redoslijedu odašiljanja na izvorištu, a takav slučaj se može, ali i ne mora pojaviti kod ostalih paketskih mreža. Takva tehnika omogućuje veliku fleksibilnost jer se brzina prijenosa prilagođava brzini generiranja informacija. To je vrlo važno za zahtjevne usluge, posebno one s komponentom video signala, jer one pripadaju uslugama s promjenljivom brzinom generiranja informacije (VBR – Variable Bit Rate). Budući da je ATM tehnikom omogućena prilagodljivost brzine prijenosa brzini generiranja informacije, preostali kapacitet u mreži se može racionalno iskoristiti. Naime, za vrijeme slabije aktivnosti nekog izvora informacije, ćelije iz ostalih izvora informacije mogu se statistički multipleksirati (svojstveno ATM-u) na link. Takvo multipleksiranje ćelija omogućava jednostavnu integraciju različitih izvora informacija na jednom linku.

Varijacije kašnjenja (jitter delay) nastaje u repovima čekanja kod komutacije i multipleksora, što vodi do promjene razmaka između dviju susjednih ćelija. Takvi efekti najviše dolaze do izražaja kod usluga osjetljivih na kašnjenja (delay-sensitive services), od kojih je najpoznatija usluga prijenosa govora.

Drugi nedostatak, kašnjenje kod sastavljanja ćelija, nastaje zbog toga što se informacija, prije njenog pakiranja u ćelije, privremeno memorira u spremnicima (buffer). Vrijeme koje informacija čeka u spremniku ovisi o brzini kojom se informacija generira. Očigledno je da će kod “sporijih” informacijskih sustava to vrijeme biti veće. Budući da vrijeme boravka u spremniku predstavlja kašnjenje informacije, ono će imati najveći utjecaj na usluge osjetljive na kašnjenje. Međutim, ovdje treba naglasiti da je ATM nezavisan u odnosu na aktualne transmisijske sustave, što znači da ATM ćelije mogu biti prenošene unutar okvira sinkrone digitalne hijerarhije (SDH) ili trenutne pleziokrone hijerarhije (PDH).

ATM koristi asinkroni TDM (Time Division Multiplexing) kojim se multipleksira tok informacije u organizirane blokove bita, tzv. ćelije. Ćelija se sastoji od informacijskog polja koje, nosi korisnu informaciju, i zaglavlja koje sadrži mrežnu informaciju, npr. usmjerivačku (routing) informaciju. Zbog toga što su ćelije iz više različitih veza multipleksirane u jednu zajedničku, mora postojati način kako da se identificira ćelija koja pripada istoj vezi, a to se upravo postiže informacijom sadržanom u zaglavlju.

Ukratko, informacijsko polje se prenosi transparentno ATM mrežom, a nad njim se ne obavlja nikakvo procesiranje (npr. kontrola pogrešaka). Redoslijed kojim stižu ćelije je sačuvan u ATM mreži, tj. ćelije stižu u istom redoslijedu u kojem su poslane (cell sequence intgrity). ATM je spojno orijentirana tehnika prijenosa. Zbog toga, prije nego se informacije počnu razmijenjivati, između korisnika mora biti uspostavljen put u fazi uspostave veze (poziva). Svaka veza ima svoj kapacitet koji joj je pridružen na zahtjev korisnika. To se također uspostavlja u fazi uspostave veze korištenjem tzv. CAC mehanizma (CAC – Connectin Admission Control). Nadalje, postoji i UPC proces (UPC – Usage Parameter Control) koji nadgleda vezu i poduzima određene akcije ako ona zahtijeva veći kapacitet nego joj je dozvoljen.

U virtualnom kanalu kod spojno orijentiranih usluga (CO – Connected Oriented), prometni tok od izvorišta do odredišta prolazi istim putem. Podaci iz različitih veza imaju različite oznake virtualnih kanala (VCI). Zato svaka ćelija ima u svome zaglavlju polje duljine ovisne i veličini VCI-a, a ona je općenito znatno manja od duljine čitave adrese izvor-odredište koja je potrebna kod nespojnih usluga (CL – Connectionless). Osim toga, ćelije iz iste veze dolaze na odredište u redoslijedu u kojem su odaslane iz izvora, te je zato nepotrebno sekvencijalno označavati i privremeno spremati ćelije na odredištu za slučaj da one ne dođu u redoslijedu njihovog odašiljanja. Međutim, sekvencijalno označavanje je potrebno u slučaju kada aplikacijski sloj mora detektirati gubitak ćelije. Značajno je i to da ATM komutacija može identificirati različite veze na temelju njihovih VCI. Ta se mogućnost može koristiti na više načina za:

• kontrolu prihvata veze (admission control) – odbacivanje neke veze kad mreža ne raspolaže dovoljnim resursima,
• kontrolu zagušenja (congestion control) – ograničavanje količine prometa koji veza može prihvatiti, a da ne dođe do prometnog zagušenja (gomilanja),
• dodjelu resursa (resource allocation) – dogovaranje dodjele pojasa (tj. brzine) i spremnika vezi,
• nadzor veze (policing) – nadzor prometnih parametara (tj. vršne i srednje brzine) u vezi.

Jedna od ključnih karakteristika ATM komunikacijskih mreža jest dobitak iskorištenja mrežnih resursa koji se ostvaruje pri statističkom multipleksiranju dolaznih tokova ćelija. Taj dobitak proizlazi iz činjenice što mreža pridružuje prijenosne resurse samo u vremenu kad korisnici stvaraju ćelije neophodne za odgovarajući prijenos informacija (pridruženi mrežni resursi mijenjaju se u skladu s veličinom informacijskog toka kojeg korisnici prenose mrežom). Kada se takav mrežni resurs dijeli između više korisnika, ili preciznije između više npr. virtualnih kanala koji ne dostižu svoje vršne brzine simultano, mreža može reducirati veličinu resursa koji se pridružuje stalnom broju VC-a. Drugim riječima, fiksno dimenzioniran mrežni resurs može podržavati znatno veće opterećenje dolaznih prometa. Taj dobitak u iskorištenju, koji se može očitovati i kroz reduciranje dodjele mrežnih resursa, naziva se dobitak statističkog multipleksiranja.

Pridruživanje prijenosnog opsega u ATM komunikacijskim mrežama može se obaviti i znatno jednostavnije: rezervacijski. Naime, u fazi uspostave veze, svakom se dolaznom toku ćelija pridružuje maksimalni zahtijevni prijenosni kapacitet prema vršnoj vrijednosti prometa koji će biti stvaran nakon uspostave veze. Međutim, i u tako pojednostavljenom pristupu postoji vjerojatnost gubitaka ćelija ukoliko je kapacitet prijenosnog opsega manji od zbroja vršnih brzina.

Dosadašnje primjene ATM tehnologije u komunikacijskim mrežama oslanjale su se upravo na rezervacijski pristup pridruživanja prijenosnog opsega, što zbog nedovoljne razvijenosti mehanizama statističkog pridruživanja, a s druge strane i zbog vrlo malih vjerojatnosti gubitaka ćelija na dobro dimenzioniranim SDH prijenosnim sustavima. No, glede iskorištenja prijenosnih linija, ali i same ideje ATM-a da pridružuje prijenosni opseg na zahtjev, takav pristup je neekonomičan, pogotovo za one usluge s promjenljivom brzinom prijenosa s malim omjerom vršne i srednje brzine stvaranja ćelija (mala usnopljenost).

Struktura i duljina ćelije (tj. paketa) predstavljala je ključnu nedoumicu pri definiranju ATM-a. Glede učinkovitosti korištenja mrežnih resursa, nakon podrobnih analiza, zaključeno je da promjenljiva duljina ćelija ipak pokazuje slabije rezultate u odnosu na pogodnosti korištenja ćelija stalne duljine. Te pogodnosti vezuju se prije svega uz složenost i brzinu rada komutacijskih čvorova. Nakon odabira ćelije stalne duljine, nametnuo se problem izgleda same ćelije, odn. izbora njezine duljine. Na konačni oblik i duljinu same ATM ćelije utjecali su parametri prijenosne učinkovitosti, kašnjenja (pakiranje i otpakiranje, čekanjau repu), te jednostavne izvedbe ćelije.

O veličini ćelije vodile su se brojne rasprave. ITU-T (u to vrijeme, krajem osamdesetih, CCITT) se u osnovi podijelio na dva tabora: američki i europski. Stručnjaci iz SAD predlagali su veličinu ćelije od 6+64 (zaglavlje + informacijski dio) okteta, a Europljani veličinu od 4+32 okteta. Europljani su zastupali načela važna s telekomunikacijskog gledišta: kašnjenje govora u mreži mora biti što je moguće manje i zato ćelije moraju biti što je moguće kraće. Naime, za govorni kanal (64kbit/s) je potrebno 4ms da ga se pretvori u 32 okteta dugu ćeliju (32okteta/(8000okteta/s)), a dvostruko više kod ćelije od 64 okteta. Budući da kašnjenje na vezi treba biti ograničeno na 25ms kako bi se izbjegla upotreba poništivača i potiskivača odjeka, to dodatno kašnjenje je bilo neprihvatljivo. Za razliku od Europe, gdje se poništavanje odjeka rijetko koristi, u Americi je ugradnja potiskivača odjeka gotovo uobičajena. Ipak, drugi je razlog podjele ključni: Europljani su u to vrijeme bili gotovo potpuno usmjereni na telefoniju, kašnjenja, spojne mreže i jamčenje QoS, dok su Amerikanci davali prednost podatkovnim komunikacijama, datagramskim mrežama i općenito zastupali pragmatičniji pristup. Na kraju su se nagodili: informacijski dio će biti dugačak 48 okteta, a zaglavlje dužine 5 okteta nalazit će se “u sredini”.

B-ISDN/ATM referentni složaj standardiziran je ITU-T preporukom I.321 slično OSI

ATM prilagodni sloj (AAL - ATM Adaption Layer) je ovisan od usluga (tj. višeg sloja) i ima zadatak da informacije iz različitih izvora segmentira (dodajući im još neke podatke) u pakete duljine 48 okteta, te da ih zatim isporuči ATM sloju.

ATM sloj (ATM) svakom takvom paketu dodaje zaglavlje od 5 okteta čime je tvorba ATM ćelije obavljena i ona se isporučuje fizičkom sloju. Dakle, ATM sloj je neovisan od vrste usluge.

Kontrolna ravnina obuhvaća signalizacijske funkcije, tj. slojevi obuhvaćeni tom ravninom izvode kontrolne funkcije virtualne veze (uspostava, raskid i nadgledanje veze). Te su funkcije potrebne samo kod komutiranih virtualnih veza (SVC), a nisu prisutne u mrežama koje sadrže stalne virtualne veze (PVC). I korisnička i kontrolna ravnina dijele AAL sloj (tj. koriste njegove dijelove) i više protokole, dok se niži slojevi ne razlikuju s obzirom na te ravnine.

Veza izmeðu ATM i OSI modela još uvijek nije standardizirana u međunarodnim telekomunikacijskim udrugama, tako da su relacije između tih dvaju složaja osobni pogled pojedinih autora. Osnovna karakteristika OSI modela - nezavisnost pojedinih slojeva - prisutna je i u ATM referentnom složaju i to za svaku ravninu sadržanu u modelu. Nadalje, fizički sloj s izvođenjem funkcija na razini bita gotovo je jednak fizičkom sloju OSI modela. Razmjerno je jednostavan i ATM sloj koji bi se mogao smjestiti na donji rub drugog OSI sloja. Složenija je situacija kod AAL sloja koji ima funkciju prilagodbe protokola viših slojeva, odnosno korisničkih i signalizacijskih informacija u fiksni oblik ATM ćelije. S motrišta kontrolne ravnine, signalizacijske funkcije koje se tu izvode mogle bi se svrstati ponovo na donji dio drugog OSI modela. Međutim, s aspekta korisničke ravnine, kada AAL sloj procesira korisničke informacije na rubovima mreže (u terminalima ili prilagodbenim uređajima), odgovarajući sloj za te funkcije jest donji dio četvrtog sloja OSI modela (transportni sloj).

ATM korisnički uređaj - ATM korisnički uređaj je uređaj sposoban komunicirati kroz ATM mrežu i najčešće je oblikovan kao širokopojasni terminalni adaptor B-TA (Broadband Terminal Adaptor). Korisnički uređaji međusobno komuniciraju preko virtualnih kanala (VC) i to u fazi uspostave i raskida veze, slično pozivu u telefonskoj mreži, preko komutiranih VC (SVC) ili preko stalno dodijeljenih VC (PVC), slično zakupljenim ili privatnim linijama.

ATM multipleksor - omogućava multipleksiranje više različitih VC iz različitih ATM UNI priključaka (portova) na jednu izlaznu liniju.

ATM prospojnik - znatno je složeniji od ATM multipleksora, a zadatak mu je prospajanje VP-a ostavljajući njihov sadržaj (pojedine VC) nepromijenjen. Upravljan je iz centra za upravljanje mrežom, pa se veze uspostavljaju komandom iz upravljačkog centra. Može se koristiti za uspostavu virtualnih zakupljenih linija (VLL).

ATM komutacija - potpuna ATM komutacija je najsloženiji i najmoćniji element ATM mreže. Uz prospajanje VP-a, ona komutira i njihov sadržaj, tj. VC. To je ujedno i jedini ATM čvor sposoban za interpretaciju i reagiranje na korisničku i mrežnu signalizaciju za uspostavu ili raskidanje postojeće veze. Drugim riječima, ATM komutacija je upravljana korisničkom signalizacijom.Ovisno o kapacitetu, ATM čvorovi se dijele na glavne, rubne, pristupne itd.

UNI (User Network Interface) - sučelje korisnik-mreža. ATM UNI je tehnička specifikacija koja omogućava povezivanje ATM korisničkih uređaja različitih proizvođača bilo s ATM komutacijom, prospojnikom ili multipleksorom. Nalazi se na rubu (granici) bilo javne bilo privatne mreže. Cilj standardizacije ITU-T i ATM Foruma je da ta dva sučelja budu što sličnija.

NNI (Network-Network Interface ili Network-Node Interface) - sučelje mreža-mreža (ili mreža-čvor). To je suèelje između čvorova unutar mreže ili između različitih podmreža. Javno NNI sučelje je unutar javne mreže, a privatno NNI (PNNI) sučelje između dva čvora privatne mreže ili između dviju privatnih mreža.

B-ICI (Broadband Inter-Carrier Interface) - sučelje između mreža različitih operatora. Ne samo da omogućava komunikaciju unutar mreže, već i definira jasne operativne i administrativne granice između povezanih ATM mreža. Temelji se na javnom NNI, ali uključuje dodatne sposobnosti vezane uz sigurnost, kontrolu i administriranje međumrežnih veza (npr. kad su dvije ATM mreže različitih operatora međusobno povezane). Susreće se i pod imenom INI (Inter-Network Interface).

Pristupni multilpleksor - nalazi se blizu korisnika (pretplatnika) i usporediv je s izdvojenim udaljenim stupnjem kod telefonskih centrala. Može se nalaziti kod velikog poslovnog korisnika. U biti, granična linija između javne i privatne mreže je vrlo nejasna (često se zove “feeder”).

ATM poslovni čvor - to je ATM komutacija i/ili multipleksor na korisničkoj strani privatne mreže. Usporediv je s kućnom centralom (PBX).

IWU (Inter-Working Unit) - može biti ugrađen u svaku vrstu mrežnog čvora, a omogućava mrežama različitih prijenosnih tehnika (npr. PSTN, X.25, FR, LAN itd.) da se povežu na ATM mrežu. Obavlja i funkcije pretvorbe protokola.

Važno je svojstvo ATM mreža veliki broj mogućnosti donošenja odluka vezanih uz upravljanje nadzora veza kako bi se osigurali traženi parametri za različite aplikacije. Odluke se dijele u tri skupine:

B-ISDN standard gotovo ništa ne govori o izvođenju tih odluka. ATM Forum je predložio specifični format okvira koji mreža treba koristiti za prijenos nadzornih informacija i za interakciju s korisnicima. Mreža koristi informacijske tokove za nadzor i operativno vođenje za slijedeće funkcije:

- upravljanje pogreškama (kvarovima),

- kontrola prometa i zagušenja,

Upravljanje pogreškama posebno je važno kod javne ATM mreže. B-ISDN/ATM transportna arhitektura sastoji se od fizičkog i ATM sloja. SDH/SONET ima tri razine: regeneratorska dionica, digitalna dionica i prijenosni put. ATM sloj se dijeli na dvije razine: razinu VP veze i razinu VC veze. Sve te razine koriste zalihosne informacijske tokove za upravljanje i održavanje (OAM - Operating, Aministration and Maintance) koji se označavaju s F1, F2, F3, F4 i F5, sukladno s navedenim razinama (F1 odgovara OAM toku na razini regeneratorske dionice). ATM mreža koristi tok AOM ćelija za nadzor VPC (F4 ćelije) i tok AOM ćelija za nadzor VCC (F5 ćelije).

Glavni je zadatak OAM ćelija da detektiraju pogreške, te da njima i upravljaju. OAM ćelije za upravljanje kvarovima imaju početna 4 bita u informacijskom dijelu ćelije postavljena na 0000. Slijedeća 4 bita označavaju funkciju (FT - Function Type) koju ćelija izvršava: alarmni signal (AIS- Alarm Indication Signal), FERF (Far End Receive Failure) i tzv. “loopback” ćelija. Mrežni element. kad je otkrio kvar na vezi, šalje AIS ćelije duž VPC ili VCC. Takve se ćelije šalju od odredišta do pripadne veze. Kad uređaj na kraju veze primi AIS ćeliju, on natrag šalje FERF ćelije do drugog kraja veze. Treći tip OAM ćelije - “loopback” ćelija - sadrži polje koje označava treba li se ćelija vratiti natrag (indikator), korelacijsku oznaku za spriječavanje zbrke s ostalim “loopback” ćelijama, lokaciju gdje ju treba smjestiti (npr. kraj veze/segmenta), te adresu izvorišta takve ćelije.

Pretpostavimo da imamo privatnu ATM mrežu spojene preko privatne ATM komutacije na javnu ATM mrežu. Svaka veza kroz UNI se nadzire s dva UNI upravljačka entiteta - po jedan za svaki ATM uređaj. Dva takva entiteta zovu se susjedni, a ILMI specificira strukturu za bazu MIB (Management Information Base) koja sadrži atribute veze koju nadziru susjedni entiteti. Baza MIB je definirana za svako UNI sučelje. Sadržaj baze UNI MIB su atributi fizičkog sloja, ATM promet, informacije o vezama (VPC i VCC) koje prolaze kroz taj UNI itd.

- korisnik zahtijeva komutiranu virtualnu vezu (SVC),