Мультисервисные АТМ - сети

    

    Технология  ATM имеет огромный потенциал всеобщего и гибкого транспорта. На основе ATM сетей могут строиться другие сети. Эта технология используется для передачи сообщений протоколов прикладного уровня и пока чаще транспортирует пакеты других протоколов канального и сетевого уровней (Ethernet, IP, IPX, frame relay, X.25). Поэтому протоколы и спецификации очень важны для современных сетей. Учитывая, что IP-протокол – это основной протокол построения составных сетей, то стандарты работы IP через сети ATM - это стандарты, определяющие взаимодействие двух наиболее популярных технологий сегодняшнего дня.

    

     Сегодня для всех организаций вопросы  стандартизации играют немалую роль. Не остаются в стороне от этого процесса и вопросы стандартизации сетевых решений. Корпоративные сетевые стандарты позволяют обеспечить эффективное взаимодействие всех станций сети за счет использования одинаковых версий программ и однотипной конфигурации. Однако, значительные сложности возникают при унификации технологии доступа рабочих станций к WAN-сервису, поскольку в этом случае происходит преобразование данных из формата token ring или Ethernet в форматы типа X.25 или T1/E1. ATM обеспечивает связь между станциями одной сети или передачу данных через WAN - сети, без изменения формата ячеек. Таким образом, технология ATM является универсальным решением для ЛВС и телекоммуникаций. Нет сомнений в том, что скоростные технологии ЛВС являются основой современных сетей. ATM, FDDI и Fast Ethernet являются основными вариантами для организация сетей с учетом перспективы. Очевидно, что приложениям multimedia, системам обработки изображений, CAD/CAM, Internet и др. требуется широкополосный доступ в сеть с рабочих станций. Все современные технологии обеспечивают высокую скорость доступа для рабочих станций, но только ATM обеспечивает эффективную связь между локальными и WAN - сетями. Технология ATM сначала рассматривалась исключительно как способ снижения телекоммуникационных расходов, возможность использования в ЛВС просто не принималась во внимание. Большинство широкополосных приложений отличается взрывным характером трафика. Высокопроизводительные приложения типа ЛВС клиент-сервер требуют высокой скорости передачи в активном состоянии и практически не используют сеть в остальное время. При этом система находится в активном состоянии (обмен данными) достаточно малое время. Даже в тех случаях, когда пользователям реально не нужна обеспечиваемая сетью полоса, традиционные технологии ЛВС все равно ее выделяют. Следовательно, пользователям приходится платить за излишнюю полосу. Перевод распределенных сетей на технологию ATM позволяет избавиться от таких ненужных расходов. Комитеты по стандартизации рассматривали решения для обеспечения недорогих широкополосных систем связи в начале 80-х годов. Важно то, что целью этого рассмотрения было применение принципов коммутации пакетов или статистического мультиплексирования, которые так эффективно обеспечивают передачу данных, к системам передачи других типов трафика. Вместо выделения специальных сетевых ресурсов для каждого соединения сети с коммутацией пакетов выделяют ресурсы по запросам (сеансовые соединения). Поскольку для каждого соединения ресурсы выделяются только на время их реального использования, не возникает больших проблем из-за спада трафика. Проблема, однако, состоит в том, что статистическое мультиплексирование не обеспечивает гарантированного выделения полосы для приложений. Если множество пользователей одновременно захотят использовать сетевые ресурсы, кому-то может просто не хватить полосы.

     

    Таким образом, статистическое мультиплексирование, весьма эффективное для передачи данных (где не требуется обеспечивать гарантированную незначительную задержку), оказывается малопригодным для систем реального времени (передача голоса или видео). Технология ATM позволяет решить эту проблему. Проблема задержек при статистическом мультиплексировании связана в частности с большим и непостоянным размером передаваемых по сети пакетов информации. Возможна задержка небольших пакетов важной информации из-за передачи больших пакетов малозначимых данных. Если небольшой задержанный пакет оказывается частью слова из телефонного разговора или multimedia-презентации, эффект задержки может оказаться весьма существенным и заметным для пользователя. По этой причине многие специалисты считают, что статистическое мультиплексирование кадров данных дает слишком сильную дрожь из-за вариации задержки (delay jitter) и не позволяет предсказать время доставки. С этой точки зрения технология коммутации пакетов является совершенно неприемлемой для передачи трафика типа голоса или видео. ATM решает эту проблему за счет деления информации любого типа на небольшие ячейки фиксированной длины. Ячейка ATM имеет размер 53 байта, пять из которых составляют заголовок, оставшиеся 48 - собственно информацию. В сетях ATM данные должны вводиться в форме ячеек или преобразовываться в ячейки с помощью функций адаптации. Сети ATM состоят из коммутаторов, соединенных транковыми каналами ATM. Краевые коммутаторы, к которым подключаются пользовательские устройства, обеспечивают функции адаптации, если ATM не используется вплоть до пользовательских станций. Другие коммутаторы, расположенные в центре сети, обеспечивают перенос ячеек, разделение транков и распределение потоков данных. В точке приема функции адаптации восстанавливают из ячеек исходный поток данных и передают его устройству-получателю. Передача данных в коротких ячейках позволяет ATM эффективно управлять потоками различной информации и обеспечивает возможность приоритизации трафика.

     Пусть два устройства передают в сеть ATM данные, срочность доставки которых различается (например, голос и трафик ЛВС). Сначала каждый из отправителей делит передаваемые данные на ячейки. Даже после того, как данные от одного из отправителей будут приниматься в сеть, они могут чередоваться с более срочной информацией. Чередование может осуществляться на уровне целых ячеек и малые размеры последних обеспечивают в любом случае непродолжительную задержку. Такое решение позволяет передавать срочный трафик практически без задержек, приостанавливая на это время передачу некритичной к задержкам информации. 

 

    1.1.1 Протоколы сетей ATM 

    В настоящее время начинают широко внедряться каналы с пропускной способностью 150,52 и 622,08 Мбит/с. Эти каналы, как для соединения локальных сетей, так и непосредственно для построения скоростных LAN, которые могут обеспечить любые современные телекоммуникационные услуги кроме телевидения высокого разрешения. Предусмотрен стандарт и на скорость передачи 2,48832 Гбит/c, так как время доставки для многих видов сетевых услуг реального времени является крайне важной характеристикой. АТМ находит широкое применение в телефонии, кабельном телевидении и других областях. Следует учитывать, что оцифрованный видеосигнал качества VHS требует 100Мбит/с при отсутствии сжатия и 1,5-6 Мбит/c при использовании сжатия. Кадр изображения 1000х1000 пикселей при 24 битах, характеризующих цвет, занимает 3 Мбайт. ATM справится с передачей такого кадра с учетом накладных расходов (заголовок) за ~0,2с. Понятно, что при использовании сжатия можно получить заметно большее быстродействие.Это не значит, что доступны лишь указанные скорости, интерфейсы позволяют мультиплексировать большое число каналов с самыми разными скоростями обмена. Но мультиплексирование на таких частотах представляет собой значительную проблему. Определенные трудности представляет то обстоятельство, что в ATM трудно реализовать обмен без установления соединения (аналог UDP в Интернет).

     Протокол  ATM (asynchronous transfer mode) является широкополосной версией ISDN, работает на скорости 150,52 Мбит/с. Асинхронный в названии означает, что тактовые генераторы передатчика и приемника не синхронизованы, а сами ячейки передаются и мультиплексируются по запросам. При мультиплексировании используется статистическая технология. Асинхронная передача не предполагает упорядочивания ячеек по каналам при пересылке. ATM поддерживает аппаратную и пакетную коммутацию.

     

     

    1.1.2 Каналы АТМ-сети 

    Каждый  пакет ATM имеет 53 байта (в англоязычной документации пакеты ATM носят название cell (ячейка), этот термин введен, чтобы отличить пакеты ATM от пакетов низкоскоростных каналов), из них 48 байт несут полезную информацию. Ячейка АТМ в случае транспортировки голосовых данных соответствует 6 мс звучания.

    Для выделения пакета из потока используются такие же, как и в ISDN разделительные байты (0x7E). Заголовок пакета содержит лишь 5 байт и предназначен главным образом для того, чтобы определить принадлежит ли данный пакет определенному виртуальному каналу. Отсутствие контроля ошибок и повторной передачи на физическом уровне приводит к эффекту размножения ошибок. Если происходит ошибка в поле идентификатора виртуального пути или виртуального канала, то коммутатор может отправить ячейку другому получателю. Таким образом, один получатель не получит ячейку, а другой получит то, что ему не предназначалось.

    Виртуальный канал в ATM формируется также как и в ISDN. Формально эта процедура не является частью ATM - протокола. Сначала здесь формируется сигнальная схема, для этого посылается запрос с VPI=0 и VCI=5. Если процедура завершилась успешно, можно начинать формирование виртуального канала. При создании канала могут использоваться 6 разновидностей сообщений:

    - setup - запрос формирования канала;

    - call proceeding - запрос в процессе исполнения;

    - connect - запрос принят;

    - connect ACK - подтверждение получения запроса;

    - release - сообщение о завершении;

    - release compleate - подтверждение получения сообщения release.

    

    Следует обратить внимание на то, что виртуальный  канал (circuit) и виртуальный проход (path) в данном контексте не тождественны. Виртуальный проход (маршрут) может содержать несколько виртуальных каналов. Виртуальные каналы всегда являются полностью дуплексными. 

    1.1.3 Адреса АТМ-сети 

    Предполагается, что между ЭВМ-инициализатором  и ЭВМ-адресатом находится два  ATM - переключателя. Каждый из узлов по пути к месту назначения при получении запроса setup откликается, посылая сообщение call proceeding. Адрес места назначения указывается в сообщении setup. В ATM используется три вида адресов:

- первый - имеет 20 байт и имеет структуру OSI-адреса. Первый байт указывает на вид адреса (один из трех). Байты 2 и 3 указывают на принадлежность стране, а байт 4 задает формат последующей части кода адреса, которая содержит 3 байта кода администрации (authority), 2 байта домена, 2 байта области и 6 байтов собственно адреса.

     - во втором формате байты 2 и 3 выделены для международных организаций, а не стран. Остальная часть адреса имеет тот же формат, что и в первом.

     - третий формат является старой формой (CCITT E.164) 15-цифровых десятичных телефонных номеров ISDN. В ATM не специфицировано никакого алгоритма маршрутизации. Для выбора маршрута (от коммутатора к коммутатору) используется поле VCP. VCI используется лишь на последнем шаге, когда ячейка посылается от переключателя к ЭВМ. Такой подход упрощает маршрутизацию отдельных ячеек, так как при этом анализируется 12- битовые коды, а не 28-битовые. В каждом коммутаторе (переключателе) формируются специальные таблицы, которые решают проблему переадресации ячеек. 

1. Принцип работы

 

    Технология  АТМ совмещает в себе подходы двух технологий:

    

    - коммутация пакетов;

    - коммутация каналов.

    От  первой она взяла на вооружение передачу данных в виде адресуемых пакетов, а от второй - использование пакетов небольшого фиксированного размера, в результате чего задержки в сети становятся более предсказуемыми. С помощью техники виртуальных каналов, предварительного заказа параметров качества обслуживания канала и приоритетного обслуживания виртуальных каналов с разным качеством обслуживания удается добиться передачи в одной сети разных типов трафика без дискриминации.

    Рассмотрим  методы коммутации ячеек АТМ на основе полей VPC/VCI. Коммутаторы АТМ могут работать в двух режимах:

    - коммутация виртуального пути;

    - коммутация виртуального канала.

    Коммутация  пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), который назначается соединению при его установлении и уничтожаются при разрыве соединения.

    Идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI), который  является старшей частью локального адреса и представляет собой общий  префикс для некоторого количества различных виртуальных каналов.

    Таким образом, технология АТМ применена на двух уровнях:

    - на уровне адресов конечных  узлов (работает на стадии установления виртуального канала);

    - на уровне номеров виртуальных каналов (работает при передаче данных по имеющемуся виртуальному каналу).

    

    В первом режиме коммутатор выполняет продвижение ячейки только на основании значения поля VCI - игнорирует. Обычно так работают магистральные коммутаторы территориальных сетей. Они доставляют ячейки из одной сети пользователя в другую на основании только старшей части номера виртуального канала. В результате один виртуальный путь соответствует целому набору виртуальных каналов, коммутируемых, как единое целое. После доставки ячейки в локальную сеть АТМ, ее коммутаторы начинают коммутировать ячейки с учетом VPI, так и VCI, но при этом их хватает для коммутации только младшей части номера виртуального соединения, так что фактически они работают с VCI, оставляя VPI без изменения. Последний режим называется режимом коммутации виртуального канала.