Сети и технологии ATM. Идентификаторы виртуального соединения ATM

Полезные советы

АТМ – пакетная технология коммутации, мультиплексирования и передачи, в которой используются пакеты фиксированной малой емкости, называемые ячейками (иногда в литературе фрагментами). В ячейке постоянной длины (емкости) 53 байта (октета – 8 битов – двоичных символов), для информации пользователя отведено 48 байт, а заголовок, 5 байт, содержит информации, необходимые для передачи, мультиплексирования и коммутации ячейки в устройствах сети АТМ (коммутаторах). Короткие ячейки, передаваемые очень большими скоростями (до 10…40 Гбит/с), обеспечивают сети большую гибкость и эффективность использования.

Формат ячейки 53 байта – компромиссное решение ITU-T между предложениями европейцев в 32 байта и североамериканцев и японцев 64 байта.

При формировании ячейки АТМ информация временно записывается, затем вносится в ячейку, и когда ячейка наполнится, она передается в сети. Если нет информации для передачи, то передается пустая ячейка, которая поддерживает физические транспортные функции (синхронизация приемника, контроля качества по ошибкам).

АТМ - технология коммуникации с ориентацией на соединение, т.е. до передачи данных между двумя оконечными устройствами должно быть установлено соединение. По информации пользователя сеть прокладывает путь передачи ячеек с определенной скоростью, отвечающей качеству услуг. Как правило качество устанавливается по пиковой скорости передачи ячеек.

АТМ - технология, поддерживающая дэйтаграммные (бессвязные) услуги передачи данных без установления соединения.

Последовательность принимаемых ячеек АТМ в точке назначения одинакова последовательности ячеек посылаемых от источника.

АТМ обеспечивает возможность приспосабливания скорости передачи к скорости генерирования информационных данных, т.е. рациональное использование емкости сети за счет статистического мультиплексирования.

Мультиплексирование в АТМ обеспечивает простую интеграцию разной исходной информации по одному физическому тракту.

АТМ независим от существующей системы передачи, т.е. физических транспортных функций. Ячейки могут размещаться в циклах SDH (Synchronous Digital Hierarchy) и PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy).

Возможности АТМ коммутации:

контроль соединения и сброс соединения, если сеть не располагает достаточными ресурсами;

контроль перегрузки – ограничение нагрузки в приемлемых пределах;

распределение ресурсов сети на основе договора о выделении полосы частот (скорости) и буферной памяти;

контроль параметров трафика, например пиковой и средней скорости в соединении.

Ячейки АТМ при передаче и коммутации испытывают задержки:

неравномерность времени передачи ячеек CDV (Cell Delay Variation);

отклонение во времени при разборке/сборке ячеек CAD (Cell Assembly/ Reassembly Delay).

2.2. Ячейки АТМ

Каждая АТМ ячейка (пакет) содержит в заголовке адрес (маршрут) передачи, который является уникальным идентификатором каждой ячейки. Процедура формирования ячеек (пакетов) АТМ демонстрируется на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1. Формирование ячеек АТМ

Рисунок 2.2. Ячейка АТМ

Входные потоки данных разных пользователей, имеющие разные скорости (64 кбит/с; 2 Мбит/с; 34 Мбит/с и другие), разбиваются на блоки данных. При этом, чем выше скорость потока, тем больше блок данных. Каждый блок данных разбивается на одинаковые сегменты. В технологии АТМ сегменты имеют объем 48 байт. Очевидно, что чем выше скорость входящих данных, тем больше сегментов формирует уровень адаптации. На уровне АТМ каждый сегмент получает индивидуальный заголовок и далее передается на физический уровень для транспортирования через сеть (общий физический канал). Полная структура ячейки (пакета) АТМ, предназначенного для передачи через различные участки сети АТМ, представлена на рисунке 2.2.

Заголовки ячеек бывают двух типов. Первый тип заголовка, названный UNI (рисунок 2.3), предназначен для участка сети «пользователь-сеть». Второй тип заголовка, названный NNI, предназначен для обмена между узлами сети АТМ.

Каждый элемент заголовка ячейки АТМ имеет определенное назначение.

GFC (Generic Flow Control) – контроль общего потока (на участке пользователь-сеть).

VCI и VPI (Virtual Channel Identifier, Virtual Path Identifier) – идентификаторы виртуального пути (VPI) и канала (VCI).

Рисунок 2.3. Типы заголовков

Каждая ячейка АТМ содержит в заголовке адрес, состоящий из двух частей: идентификатора виртуального пути (VPI) и идентификатора виртуального канала (VCI). Этот адрес дает уникальную идентификацию виртуального соединения АТМ на физическом интерфейсе.

При этом понятие «виртуальное соединение» предполагает наличие соединения по запросу пользователя, т.е. в моменты обмена данными и при этом создается иллюзия существования непрерывного канала, но на самом деле физического соединения нет.

Физический путь передачи содержит один или несколько виртуальных путей, каждый из которых состоит из одного или нескольких виртуальных каналов. VPI и VCI связаны с конкретным соединением на заданном пути передачи и имеют только локальное значение для каждого коммутатора. Коммутатор преобразует входные VPI и VCI в выходные VPI и VCI, что демонстрируется на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4. Назначение идентификаторов VPI и VCI

Между узлами и терминалами сети образуются виртуальные пути и виртуальные каналы. Адресное пространство на участке терминал-сеть (А-Б или Д-Е) составляет 2 8 VPI и 2 16 VPI, а на участке между коммутаторами (В-Г) составит 2 12 VPI и 2 16 VCI. На участках сети АТМ А-В и Г-Е сохраняется идентификатор виртуального канала (VCI 57 и VCI 15), но изменяется идентификатор виртуального пути VPI 2 VPI 7 и VPI 3 VPI 1. Это изменение происходит в кроссовом коммутаторе – ATM Cross Connect. Общая структура коммутатора приведена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5. Общая структура коммутатора АТМ

Виртуальные каналы, создаваемые в сети АТМ, представлены тремя видами:

PVC (Permanent Virtual Circuit) – постоянные виртуальные каналы – это постоянное соединение между двумя оконечными станциями, которое устанавливается в процессе конфигурирования сети;

SVC (Switched Virtual Circuit) – коммутируемые виртуальные каналы – устанавливается соединение каждый раз, когда одна оконечная станция пытается адресовать данные другой оконечной станции. При этом когда посылающая станция запрашивает соединение, сеть АТМ распространяет адресные таблицы и сообщает этой станции VCI и VPI, включаемые в заголовок ячейки. SVC устанавливается динамически.

SPVC – это гибрид PVC и SVC. SPVC обладает лучшими свойствами двух видов виртуальных каналов. Позволяет заранее задать конечные станции и некоторые связи, т.е. экономить время на установление соединения.

Три бита PTI (Payload Type Identificates) – идентификатор типа полезной нагрузки, используемый для описания типа полезной нагрузки (данные пользователя или сетевое сообщение, таблица 2.1).

Таблица 2.1. Кодирование идентификатора РТ

Кодовая комбинация	Тип потока	Индикатор перегрузки	Тип блока данных
000	0 Пользователя	0 Нет перегрузки	0 Тип 0 блока
001	0 Пользователя	0 Нет перегрузки	1 Тип 1 блока
010	0 Пользователя	1 Есть перегрузка	0 Тип 0 блока
011	0 Пользователя	1 Есть перегрузка	1 Тип 1 блока
100	1 Сети	0 Обслуживание (сегмент за сегментом)
101	1 Сети	0 Обслуживание из конца в конец
110	1 Сети	1 Административное управление сетевыми ресурсами
111	1 Сети	1 Резерв

CLP (Cell Loss Priority) – один бит заголовка содержит информацию о приоритете пакета АТМ. Приоритет устанавливается в коммутаторе в зависимости от состояния сети. CLP = 1 – высокий приоритет потери ячейки. Ячейки выбрасываются в первую очередь при перегрузке сети. CLP = 0 – низкий приоритет потерь.

Для синхронизации между передатчиком и приемником ячеек АТМ используется процедура поля HEC (Header Error Control) – контроль ошибок в заголовке. HEC кроме синхронизации обеспечивает обнаружение и частичное исправление ошибок в заголовке (рисунок 2.6).

Поток данных первых четырех байт делится в передатчике на многочлен х 8 +х 2 +х+1. Остаток от деления (8 бит) передается в поле HEC. Поле HEC для ячеек одного канала фиксировано. Приемник после каждых 53 байт фиксирует поле HEC. Если шесть раз подряд фиксируется одинаковое поле HEC, то приемник переходит в режим синхронизма. В этом режиме могут поддерживаться два состояния: обнаружение и исправление одиночных ошибок и обнаружение и неисправление многих ошибок в определенном временном интервале или в заголовке.

Рисунок 2.6. Синхронизация ячеек и распознавание ошибок

В технологии АТМ принято различать следующие виды ячеек: пустые (свободные); исправные; неисправные; присвоенные; не присвоенные; ячейки сигнализации; ячейки управления и обслуживания.

Пустые (свободные) ячейки – ячейки физического уровня сети АТМ, которые предназначены для приспособления скорости передачи информационных ячеек по границе среды АТМ и среды физической к емкости системы передачи. С их помощью обеспечивается непрерывность потока ячеек.

Исправные ячейки – ячейки, которые имеют заголовок без ошибок, или на которых сделана коррекция на физическом уровне.

Неисправная ячейка – ячейки, заголовки которых содержат ошибки, которые неисправимы на физическом уровне. Такие ячейки подлежат отбрасыванию на физическом уровне, т.е. на уровне транспортировки в физической среде.

Присвоенные ячейки – ячейки, которые определены для конкретных услуг на уровне АТМ.

Ячейки без присвоения – ячейки, которые не содержат присвоения услугам уровня АТМ, но имеют значения VPI и VCI.

Ячейки сигнализации – ячейки, переносящие сигнальные сообщения между элементами сети для установления, поддержки или разъединения соединения в сети.

Ячейки управления и обслуживания – ячейки, которым определено переносить информацию администрирования и обслуживания (например, контроля и управления трафиком).

В сети АТМ возможно применение других видов ячеек, которые будут назначены стандартами.

Контрольные вопросы

1. Какие принципы преобразования и передачи данных применены в АТМ?
2. Какие возможности имеет коммутация в АТМ?
3. Какие компоненты входя в состав ячейки АТМ?
4. Что обозначает VC и VP?
5. Какие виртуальные каналы могут создаваться в сети АТМ?
6. Чем отличаются виртуальные каналы АТМ?
7. Каким образом распознаются ошибки в заголовке ячейки АТМ?
8. Какие функции выполняют пустые ячейки?
9. Какие функции выполняет поле заголовка ячейки, обозначенное PTI?
10. Сколько виртуальных путей и каналов может быть организовано через заголовок ячейки?

Технология ATM представляет собой концепцию телекоммуникаций, определенную международными стандартами для передачи полного спектра пользовательского трафика, включая сигналы голоса, данных и видео. Она была разработана для удовлетворения потребностей цифровой сети широкополосных услуг и изначально предназначена для интеграции сетей электросвязи. Расшифровка аббревиатуры ATM звучит как Asynchonous Transfer Mode и переводится на русских язык как "асинхронная передача данных".

Технология была создана для сетей, которые должны обрабатывать как традиционный высокопроизводительный трафик данных (например, передача файлов), так и контент в режиме реального времени с низкой задержкой (такой как голос и видео). Эталонная модель для ATM приблизительно сопоставляется с тремя низшими уровнями ISO-OSI: сетевым, канала передачи данных и физическим. ATM является основным протоколом, используемым по основному каналу SONET/SDH (телефонной сети общего пользования), а также цифровой сети Integrated Services (ISDN).

Что это такое?

Что значит ATM для сетевого соединения? Она обеспечивает функциональность, аналогичную коммутации каналов и сетей пакетной коммутации: технология использует асинхронное мультиплексирование с временным разделением и кодирует данные в небольшие пакеты фиксированного размера (кадры ISO-OSI), называемые ячейками. Это отличается от таких подходов, как интернет-протокол или Ethernet, которые применяют пакеты и фреймы с переменным размером.

Основные принципы технологии ATM заключаются в следующем. Она использует ориентированную на соединение модель, в которой виртуальная схема должна быть установлена между двумя конечными точками до начала фактического обмена данными. Эти виртуальные схемы могут быть «перманентными», то есть выделенными соединениями, которые обычно предварительно сконфигурированы поставщиком услуг, или же «переключаемыми», то есть настраиваемыми для каждого вызова.

Asynchonous Transfer Mode (расшифровка ATM с английского) известна как способ связи, используемый в банкоматах и платежных терминалах. Однако данное применение постепенно снижается. Использование технологии в банкоматах в значительной степени было заменено Internet Protocol (IP). В эталонном канале ISO-OSI (уровень 2) базовые передаточные устройства обычно называются кадрами. В ATM они имеют фиксированную длину (53 октета или байта) и специально называются «ячейками».

Размер ячейки

Как уже было отмечено выше, расшифровка ATM - это асинхронная передача данных, осуществляемая с помощью их разделения на ячейки определенного размера.

Если речевой сигнал сводится к пакетам, и они вынуждены передаваться ссылкой с интенсивным трафиком данных, то независимо от того, каковы их размеры, они будут сталкиваться с объемными полномасштабными пакетами. В нормальных условиях ожидания они могут испытывать максимальные задержки. Чтобы избежать этой проблемы, все пакеты ATM или ячейки имеют одинаковый малый размер. Кроме того, структура фиксированных ячеек означает, что данные могут быть легко переданы аппаратным обеспечением без присущих задержек, введенных программными коммутируемыми и маршрутизируемыми кадрами.

Таким образом, разработчики ATM использовали небольшие ячейки данных для уменьшения джиттера (в данном случае дисперсии задержки) в мультиплексировании Это особенно важно при переносе голосового трафика, поскольку преобразование оцифрованного голоса в аналоговый аудиосигнал является неотъемлемой частью процесса реального времени. Это помогает работе декодера (кодека), для которого требуется равномерно распределенный (по времени) поток элементов данных. Если следующий в очереди недоступен, когда это необходимо, у кодека нет выбора, кроме как приостановить работу. В дальнейшем информация оказывается утерянной, потому что период времени, когда она должна была быть преобразована в сигнал, уже прошел.

Как происходило развитие ATM?

Во время разработки ATM синхронная цифровая иерархия 155 Мбит/с (SDH) с полезной нагрузкой 135 Мбит/с считалась быстрой оптической сетью, а многие каналы плезиохронной цифровой иерархии (PDH) в сети были значительно медленнее (не более 45 Мбит/с). При такой скорости типичный полноразмерный 1500-байтовый (12 000-битный) пакет данных должен загружаться со скоростью 77,42 микросекунды. В низкоскоростном канале, таком как линия T1 1,544 Мбит/с, передача такого пакета занимала до 7,8 миллисекунды.

Задержка загрузки, вызванная несколькими такими пакетами в очереди, может превышать число 7,8 мс в несколько раз. Это неприемлемо для речевого трафика, который должен иметь низкий джиттер в потоке данных, подаваемом в кодек, чтобы производить звук хорошего качества.

Система голосовой передачи пакетов может производить это несколькими способами, например, такими как использование буфера воспроизведения между сетью и кодеком. Это позволяет сгладить дрожание, но задержка, возникающая при прохождении через буфер, требует эхоподавителя даже в локальных сетях. В то время это считалось слишком дорогостоящим. Кроме того, он увеличивал задержку по каналу и затруднял взаимодействие.

ATM по своей сути обеспечивает низкий джиттер (и минимальную общую задержку) для трафика.

Как это помогает в сетевом соединении?

Дизайн ATM предназначен для сетевого интерфейса с низким уровнем дрожания. Тем не менее «ячейки» были введены в проект, чтобы обеспечить короткие задержки в очередях, продолжая поддерживать трафик датаграмм. Технология ATM разбила все пакеты, данные и голосовые потоки на 48-байтовые фрагменты, добавив к каждому из них 5-байтовый заголовок маршрутизации, чтобы позже их можно было собрать повторно.

Данный выбор размера был политическим, а не техническим. Когда CCITT (в настоящее время ITU-T) стандартизовал ATM, представители из США хотели получить 64-байтовую полезную нагрузку, поскольку это считалось хорошим компромиссом между большими объемами информации, оптимизированными для передачи данных, и более короткими полезными нагрузками, рассчитанными для приложений реального времени. В свою очередь, разработчики из стран Европы хотели получить 32-байтовые пакеты, потому что небольшие размеры (и, следовательно, малое время на передачу) упрощают голосовые приложения в отношении эхоподавления.

В качестве компромисса между двумя сторонами был выбран размер 48 байт (плюс размер заголовка = 53). 5-байтовые заголовки были выбраны, поскольку считалось, что 10 % полезной нагрузки является максимальной ценой для оплаты маршрутизации информации. Технология ATM мультиплексировала 53-байтовые ячейки, которые уменьшали повреждение и задержку данных почти в 30 раз, что уменьшало потребность в эхоподавителях.

Структура ячейки ATM

ATM определяет два разных формата ячеек: пользовательский сетевой интерфейс (UNI) и сетевой интерфейс (NNI). Большинство каналов сети ATM используют UNI. Структура каждого такого пакета состоит из следующих элементов:

Поле Generic Flow Control (GFC) - это 4-битовое поле, которое изначально было добавлено для поддержки присоединения ATM в сети общего доступа. По топологии оно представлено как кольцо с двойной шиной распределенной очереди (DQDB). Поле GFC было разработано так, чтобы предоставить 4 бита User-Network Interface (UNI) для согласования мультиплексирования и управления потоком среди ячеек различных соединений ATM. Однако его использование и точные значения не были стандартизированы, и поле всегда установлено на 0000.
VPI - идентификатор виртуального пути (8 бит UNI или 12 бит NNI).
VCI - идентификатор виртуального канала (16 бит).
PT - тип полезной нагрузки (3 бит).
MSB - ячейка управления сетью. Если ее значение 0, используется пакет пользовательских данных, и в ее структуре 2 бита - это явная индикация прямой перегрузки (EFCI), и 1 - опыт перегрузки сети. Кроме того, выделен еще 1 бит для пользователя (AAU). Он используется AAL5 для указания границ пакетов.
CLP - приоритет потери ячейки (1 бит).
HEC - управление ошибкой заголовка (8-битный CRC).

Сеть АТМ использует поле PT для обозначения различных специальных ячеек для целей операций, администрирования и управления (OAM), а также для определения границ пакетов в некоторых адаптационных уровнях (AAL). Если значение MSB поля PT равно 0, это ячейка пользовательских данных, а остальные два бита используются для указания перегрузки сети и как бит заголовка общего назначения, доступный для уровней адаптации. Если MSB равно 1, это пакет управления, а остальные два бита указывают его тип.

В некоторых (асинхронного способа передачи данных) используется поле HEC для управления алгоритмом кадрирования на основе CRC, который позволяет находить ячейки без дополнительных затрат. 8-битный CRC используется для исправления однобитовых ошибок заголовка и обнаружения многобитовых. При обнаружении последних текущая и последующие ячейки отбрасываются до тех пор, пока не будет найдена ячейка без ошибок заголовка.

Пакет UNI резервирует поле GFC для локальной системы управления потоком или субмультиплексирования между пользователями. Это предназначалось для того, чтобы несколько терминалов могли совместно использовать одно сетевое соединение. Также данная технология использовалась с той целью, чтобы два телефона цифровой сети с интегрированной услугой (ISDN) могли бы использовать одно базовое соединение ISDN с определенной скоростью. Все четыре бита GFC по умолчанию должны быть нулевыми.

Формат ячейки NNI реплицирует формат UNI почти аналогично, за исключением того, что 4-битное поле GFC перераспределяется в поле VPI, расширяя его до 12 бит. Таким образом, одно соединение NNI ATM может обрабатывать почти 216 VC каждый раз.

Ячейки и передача на практике

Что значит ATM на практике? Она поддерживает различные виды услуг через AAL. Стандартизованные AAL включают AAL1, AAL2 и AAL5, а также редко используемые AAC3 и AAL4. Первый тип используется для услуг постоянной битовой скорости (CBR) и эмуляции схемы. Синхронизация также поддерживается в AAL1.

Второй и четвертый тип используются для услуг с переменным битрейтом (VBR), AAL5 - для данных. Информация о том, какой AAL используется для данной ячейки, не закодирована в ней. Вместо этого она согласовывается или настраивается на конечных точках для каждого виртуального соединения.

После первоначального проектирования данной технологии сети стали работать намного быстрее. 1500-байтовый (12000 бит) полноразмерный Ethernet-кадр требует всего 1,2 мкс для передачи в сети 10 Гбит/с, что уменьшает необходимость в небольших ячейках для уменьшения задержек.

В чем сильные и слабые стороны такой связи?

Преимущества и недостатки сетевой технологии ATM следующие. Некоторые считают, что увеличение скорости связи позволит заменить ее на Ethernet в магистральной сети. Однако следует отметить, что увеличение скорости само по себе не уменьшает джиттер из-за очереди. Кроме того, аппаратное обеспечение для реализации адаптации услуг для IP-пакетов является дорогостоящим.

В то же время по причине фиксированной полезной нагрузки в 48 байт ATM не подходит в качестве канала передачи данных непосредственно под IP, поскольку уровень OSI, на котором работает IP, должен обеспечивать максимальный блок передачи (MTU) не менее 576 байт.

В более медленных или перегруженных соединениях (622 Мбит/с и ниже) применение сети ATM имеет смысл, и по этой причине большинство асимметричных систем цифровой абонентской линии (ADSL) используют эту технологию в качестве промежуточного уровня между физическим канальным уровнем и протоколом уровня 2, таким как PPP или Ethernet.

На этих более низких скоростях ATM обеспечивает полезную возможность переносить несколько логических схем на одном физическом или виртуальном носителе, хотя существуют и другие методы, такие как многоканальные PPP и Ethernet VLAN, которые являются необязательными в реализациях VDSL.

DSL может использоваться как способ доступа к сети АТМ, позволяющий подключаться ко многим провайдерам интернет-услуг через сеть широкополосных банкоматов.

Таким образом, недостатки технологии заключаются в том, что в современных высокоскоростных соединениях она теряет свою эффективность. Достоинства же такой сети заключаются в том, что она существенно увеличивает полосу пропускания, поскольку обеспечивает напрямую соединение между различными периферийными устройствами.

Кроме того, при наличии одного физического подключения при помощи АТМ могут одновременно функционировать несколько разных виртуальных каналов, обладающих различными характеристиками.

Данная технология применяет довольно мощные инструменты, предназначенные для управления трафиком, которые продолжают развиваться и в настоящее время. Благодаря этому становится возможным передавать одновременно данные различного типа, даже если они предъявляют совершенно разные требования для их отправки и получения. Так, можно создать трафик, осуществляемый по различным протоколам, на одном канале.

Основы функционирования виртуальных цепей

Asynchonous Transfer Mode (аббревиатура ATM) работает как транспортный уровень на основе канала, используя виртуальные схемы (VC). Это связано с концепцией виртуальных путей (VP) и каналов. Каждая ячейка ATM имеет 8- или 12-битный идентификатор виртуального пути (VPI) и 16-битный идентификатор виртуального канала (VCI), определенный в его заголовке.

VCI вместе с VPI используется для идентификации следующего пункта назначения пакета, когда он проходит через ряд коммутаторов ATM на своем пути к месту назначения. Длина VPI варьируется в зависимости от того, отправлена ли ячейка по пользовательскому либо по сетевому интерфейсу.

По мере того как эти пакеты проходят через сеть ATM, переключение происходит путем изменения значений VPI/VCI (заменой ярлыков). Несмотря на то что они не обязательно согласуются с концами соединения, концепция схемы является последовательной (в отличие от IP, где любой пакет может попасть в пункт назначения другим маршрутом). Коммутаторы ATM используют поля VPI/VCI для идентификации виртуального канала (VCL) следующей сети, которую ячейка должна транзитировать на своем пути в конечный пункт назначения. Функция VCI аналогична функции идентификатора соединения линии передачи данных (DLCI) в реле кадра и номера группы логических каналов в X.25.

Еще одно преимущество использования виртуальных схем заключается в возможности применять их в качестве уровня мультиплексирования, позволяя использовать различные сервисы (такие как голос и ретрансляция кадров). VPI полезен для уменьшения таблицы переключения некоторых виртуальных схем, которые имеют общие пути.

Использование ячеек и виртуальных схем для организации трафика

Технология АТМ включает в себя дополнительно перемещение трафика. Когда настраивается схема, каждый коммутатор цепи информируется о классе соединения.

Контракты на трафик ATM являются частью механизма, обеспечивающего «качество обслуживания» (QoS). Существует четыре основных типа (и несколько вариантов), каждый из которых имеет набор параметров, описывающих соединение:

CBR - постоянная скорость передачи данных. Указана пиковая скорость (PCR), которая является неизменной.
VBR - переменная скорость передачи данных. Указано среднее или устойчивое ее значение (SCR), которое может достигать пика на определенном уровне, на максимальный интервал до возникновения проблем.
ABR - доступная скорость передачи данных. Указано минимальное гарантированное значение.
UBR - неопределенная скорость передачи данных. Трафик распределяется по всей оставшейся пропускной способности.

VBR имеет варианты в режиме реального времени, и в других режимах служит для «ситуационного» трафика. Некорректное время иногда сокращается до vbr-nrt.

Большинство классов трафика также используют концепцию вариации толерантности к ячейке (CDVT), которая определяет их «скопление» во времени.

Управление передачей данных

Что значит АТМ с учетом вышеизложенного? Чтобы поддерживать производительность сети, могут применяться правила трафика для виртуальных сетей, ограничивающие объем передаваемых данных в пунктах входа в соединение.

Эталонная модель, утвержденная для UPC и NPC, является алгоритмом общей скорости ячейки (GCRA). Как правило, трафик VBR обычно контролируется с использованием контроллера, в отличие от остальных видов.

Если объем данных превышает трафик, определенный GCRA, сеть может либо сбросить ячейки, либо отметить бит приоритета потери ячеек (CLP) (чтобы идентифицировать пакет как потенциально избыточный). Основная работа по обеспечению безопасности работает на основе последовательного мониторинга, но это не оптимально для инкапсулированного пакетного трафика (поскольку отбрасывание одной единицы приведет к аннулированию всего пакета). В результате были созданы такие схемы, как Partial Packet Discard (PPD) и Early Packet Discard (EPD), которые способны отбрасывать целую серию ячеек до тех пор, пока не начнется следующий пакет. Это уменьшает количество бесполезных единиц информации в сети и экономит полосу пропускания для полных пакетов.

EPD и PPD работают с соединениями AAL5, поскольку они используют конец маркера пакета: бит индикации пользовательского интерфейса пользователя ATM (AUU) в поле «Тип полезной нагрузки» заголовка, который устанавливается в последней ячейке SAR-SDU.

Формирование трафика

Основы технологии АТМ в этой части можно представить так. Формирование трафика обычно происходит в сетевой интерфейсной плате (NIC) в пользовательском оборудовании. При этом происходит попытка обеспечить такие условия, где поток ячеек на VC будет соответствовать его контракту трафика, то есть единицы не будут отброшены или уменьшены в приоритетном порядке в UNI. Поскольку эталонной моделью, заданной для управления трафиком в сети, является GCRA, этот алгоритм обычно используется и для формирования и направления данных.

Типы виртуальных цепей и путей

Технология ATM может создавать виртуальные схемы и пути как статически, так и динамически. Статические схемы (ПВС) или пути (ПВП) требуют, чтобы схема состояла из серии сегментов, по одному для каждой пары интерфейсов, через которые она проходит.

ПВП и ПВХ, хотя и являются концептуально простыми, требуют значительных усилий в крупных сетях. Они также не поддерживают повторную маршрутизацию службы в случае сбоя. Напротив, динамически построенные ПВП (SPVP) и ПВХ (SPVC) строятся путем указания характеристик схемы (сервисного «контракта») и двух конечных точек.

Наконец, сети ATM создают и удаляют коммутируемые виртуальные схемы (SVC) по требованию конечной части оборудования. Одним из приложений для SVC является перенос отдельных телефонных вызовов, когда сеть коммутаторов соединена между собой через ATM. SVC также использовались при попытке заменить локальные сети ATM.

Виртуальная схема маршрутизации

Большинство сетей технологии АТМ, поддерживающих SPVP, SPVC и SVC, используют интерфейс Private Network Node или протокол Private Network-to-Network Interface (PNNI). PNNI использует тот же алгоритм кратчайшего пути, который используется OSPF и IS-IS для маршрутизации IP-пакетов для обмена топологической информацией между коммутаторами и выбора маршрута через сеть. PNNI также включает в себя мощный механизм суммирования, позволяющий создавать очень большие сети, а также алгоритм управления доступом к вызову (CAC), который определяет доступность достаточной полосы пропускания по предлагаемому маршруту через сеть для удовлетворения требований к обслуживанию VC или VP.

Прием и подключение к звонкам

Сеть должна установить соединение, прежде чем обе стороны могут отправлять ячейки друг другу. В называется виртуальной схемой (VC). Это может быть постоянная виртуальная схема (PVC), которая создается административно в конечных точках, или коммутируемая виртуальная схема (SVC), создаваемая по мере необходимости передающими сторонами. Создание SVC управляется сигнализацией, в которой запрашивающая сторона указывает адрес принимающей стороны, тип запрашиваемой услуги и любые параметры трафика, которые могут быть применимы к выбранной службе. Затем «Сеть» подтвердит, что запрашиваемые ресурсы доступны, и что маршрут существует для соединения.

Технология АТМ определяет следующие три уровня:

адаптации ATM (AAL);
2 ATM, примерно соответствующий уровню линии передачи данных OSI;
физический, эквивалентный аналогичному уровню OSI.

Развертывание и распространение

Технология ATM стала популярной среди телефонных компаний и многих производителей компьютеров в 1990-х годах. Однако даже к концу этого десятилетия лучшая цена и производительность продуктов на базе протокола Интернет начала конкурировать с ATM для интеграции в реальном времени и пакетного сетевого трафика.

Некоторые компании и сегодня ориентированы на продукты ATM, в то время как другие предоставляют их в качестве опции.

Мобильная технология

Беспроводная технология состоит из базовой сети ATM с сетью беспроводного доступа. Ячейки здесь передаются от базовых станций к мобильным терминалам. Функции мобильности выполняются на коммутаторе ATM в базовой сети, известном как «кроссоверный», который аналогичен MSC (мобильному коммутационному центру) сетей GSM. Преимуществом беспроводной связи ATM является ее высокая пропускная способность и большая скорость передачи обслуживания, выполненная на уровне 2.

В начале 1990-х годов некоторые исследовательские лаборатории активно работали в этой области. Был создан форум ATM для стандартизации технологии беспроводных сетей. Его поддерживали несколько телекоммуникационных компаний, в том числе NEC, Fujitsu и AT&T. Мобильная технология ATM нацелена на предоставление высокоскоростных мультимедийных коммуникационных технологий, способных предоставлять широкополосную мобильную связь, помимо сетей GSM и WLAN.

2.2.3.Технология ATM - технология передачи ячеек или технология трансляции ячеек

Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) - технология передачи данных является одной перспективных технологий построения высокоскоростных сетей (от локальных до глобальных). АТМ - это коммуникационная технология, объединяющая принципы коммутации пакетов и каналов для передачи информации различного типа.

Технология ATM разрабатывалась для передачи всех видов трафика в локальных и глобальных сетях, т.е. передачи разнородного трафика (цифровых, голосовых и мультимедийных данных) по одним и тем же системам и линиям связи. Скорость передачи данных в магистралях ATM составляет 155 Мбит/с - 2200 Мбит/с.

ATM поддерживает физический и канальный уровни OSI. Технология ATM использует для передачи данных технику виртуальных соединений (коммутируемых и постоянных).

В технологии ATM информация передается в ячейках (cell) фиксированного размера в 53 байта, из них 48 байт предназначены для данных, а 5 байт - для служебной информации (для заголовка ячейки ATM). Ячейки не содержат адресной информации и контрольной суммы данных, что ускоряет их обработку и коммутацию.

20-байтовыми адресами приемник и передатчик обмениваются только в момент установления виртуального соединения. Основная функция заголовка сводится к идентификации виртуального соединения. В процессе передачи информации ячейки пересылаются между узлами через сеть коммутаторов, соединенных между собой цифровыми линиями связи. В отличие от маршрутизаторов коммутаторы АТМ выполняют свои функции аппаратно, что ускоряет чтение идентификатора в заголовке ячейки, после чего коммутатор переправляет ее из одного порта в другой.

Малый размер ячеек обеспечивает передачу трафика, чувствительного к задержкам. Фиксированный формат ячейки упрощает ее обработку коммуникационным оборудованием, которое аппаратно реализует функции коммутации ячеек.

Именно, сочетание фиксированного размера ячеек для передачи данных и реализация протоколов ATM в аппаратном обеспечении дает этой технологии возможность передавать все типы трафика по одним и тем же системам и линиям связи.

Телекоммуникационная сеть, использующая технологию АТМ, состоит из набора коммутаторов, связанных между собой. Коммутаторы АТМ поддерживают два вида интерфейсов: UNI (UNI - user-network interface) и NNI (NNI - network-network interface). Пользовательский интерфейс UNI (пользователь - сеть) используется для подключения к коммутатору конечных систем. Межсетевой интерфейс NNI (сеть - сеть) используется для соединений между коммутаторами.

Коммутатор АТМ состоит:

из коммутатора виртуальных путей;
из коммутатора виртуальных каналов.

Коммутатор АТМ анализирует значения идентификаторов виртуального пути и виртуального канала ячейки, которая поступает на его вход и направляет ячейку на один из его выходных портов. Номер выходного порта определяется динамически создаваемой таблицей коммутации.

Для передачи данных в сети АТМ формируется виртуальное соединение. Виртуальное соединение определяется сочетанием идентификатора виртуального пути и идентификатора виртуального канала. Идентификатор позволяет маршрутизировать ячейку для доставки в путь назначения, т.е. коммутация ячеек происходит на основе идентификатора виртуального пути и идентификатора виртуального канала, определяющих виртуальное соединение. Несколько виртуальных путей составляют виртуальный канал.

Виртуальный канал является соединением, установленным между двумя конечными узлами на время их взаимодействия, а виртуальный путь – это путь между двумя коммутаторами.

При создании виртуального канала, коммутаторы определяют, какой виртуальный путь использовать для достижения пункта назначения. По одному и тому же виртуальному пути может передаваться одновременно трафик множества виртуальных каналов.

Физический уровень

Физический уровень аналогично физическому уровню OSI определяет способы передачи в зависимости от среды.

Стандарты ATM для физического уровня устанавливают, каким образом биты должны проходить через среду передачи, и как биты преобразовывать в ячейки.

На физическом уровне ATM используют цифровые каналы передачи данных, с различными протоколами, а в качестве линий связи используются: кабели "витая пара", экранированная "витая пара", оптоволоконный кабель.

Канальный уровень (уровень ATM + уровень адаптации)

Уровень ATM вместе с уровнем адаптации примерно эквивалентен второму уровню модели OSI. Уровень ATM отвечает за передачу ячеек через сеть ATM, используя информацию их заголовков. Заголовок содержит идентификатор виртуального канала, который назначается соединению при его установлении и удаляется при разрыве соединения.

Преимущества:

одно из важнейших достоинств АТМ является обеспечение высокой скорости передачи информации;
АТМ устраняет различия между локальными и глобальными сетями, превращая их в единую интегрированную сеть;
стандарты АТМ обеспечивают передачу разнородного трафика (цифровых, голосовых и мультимедийных данных) по одним и тем же системам и линиям связи.

Недостатки:

высокая стоимость оборудования, поэтому технологии АТМ тормозится наличием более дешевых технологий;
высокие требования к качеству линий передачи данных.

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 - 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.

ATM - история и базовые принципы

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, как показано на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 Адаптация ATM

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. В результате ATM может обеспечивать эффективную передачу всех типов трафика.

Даже при чередовании и приоритизации ячеек в сетях ATM могут наступать ситуации насыщения пропускной способности. Для сохранения минимальной задержки даже в таких случаях ATM может отбрасывать отдельные ячейки при насыщении. Реализация стратегии отбрасывания ячеек зависит от производителя оборудования ATM, но в общем случае обычно отбрасываются ячейки с низким приоритетом (например, данные) для которых достаточно просто повторить передачу без потери информации. Коммутаторы ATM с расширенными функциями могут при отбрасывании ячеек, являющихся частью большого пакета, обеспечить отбрасывание и оставшихся ячеек из этого пакета - такой подход позволяет дополнительно снизить уровень насыщения и избавиться от излишнего объема повторной передачи. Правила отбрасывания ячеек, задержки данных и т.п. определяются набором параметров, называемым качеством обслуживания (Quality of Service) или QoS. Разным приложениям требуется различный уровень QoS и ATM может обеспечить этот уровень.

Поскольку приходящие из разных источников ячейки могут содержать голос, данные и видео, требуется обеспечить независимый контроль для передачи всех типов трафика. Для решения этой задачи используется концепция виртуальных устройств. Виртуальным устройством называется связанный набор сетевых ресурсов, который выглядит как реальное соединение между пользователями, но на самом деле является частью разделяемого множеством пользователей оборудования. Для того, чтобы сделать связь пользователей с сетями ATM как можно более эффективной, виртуальные устройства включают пользовательское оборудование, средства доступа в сеть и собственно сеть ATM.

В заголовке ATM виртуальный канал обозначается комбинацией двух полей - VPI (идентификатор виртуального пути) и VCI (идентификатор виртуального канала. Виртуальный путь применяется в тех случаях, когда 2 пользователя ATM имеют свои собственные коммутаторы на каждом конце пути и могут, следовательно, организовывать и поддерживать свои виртуальные соединения. Виртуальный путь напоминает канал, содержащий множество кабелей, по каждому из которых может быть организовано виртуальное соединение.

Поскольку виртуальные устройства подобны реальным, они также могут быть "выделенными" или "коммутируемыми". В сетях ATM "выделенные" соединения называются постоянными виртуальными устройствами (PVC), создаваемыми по соглашению между пользователем и оператором (подобно выделенной телефонной линии). Коммутируемые соединения ATM используют коммутируемые виртуальные устройства (SVC), которые устанавливаются путем передачи специальных сигналов между пользователем и сетью. Протокол, используемый ATM для управления виртуальными устройствами подобен протоколу ISDN. Вариант для ISDN описан в стандарте Q.931, ATM - в Q.2931.

Виртуальные устройства ATM поддерживаются за счет мультиплексирования трафика, что существенно снижает расходы на организацию и поддержку магистральных сетей. если в одном из виртуальных устройств уровень трафика невысок, другое устройство может использовать часть свободных возможностей. За счет этого обеспечивается высокий уровень эффективности использования пропускной способности ATM и снижаются цены. Небольшие ячейки фиксированной длины позволяют сетям ATM обеспечить быструю передачу критичного к задержкам трафика (например, голосового). Кроме того, фиксированный размер ячеек обеспечивает практически постоянную задержку, позволяя эмулировать устройства с фиксированной скоростью передачи типа T1E1. Фактически, ATM может эмулировать все существующие сегодня типы сервиса и обеспечивать новые услуги. ATM обеспечивает несколько классов обслуживания, каждый из которых имеет свою спецификацию QoS.

Большая часть трафика, передаваемого через сети ATM использует класс обслуживания C, X или Y. Класс C определяет параметры QoS (качество обслуживания) для задержки и вероятности отбрасывания, но требует от пользователя аккуратного управления трафиком во избежание перенасыщения сети. трафик класса X дает пользователю большую свободу, но может не обеспечить стабильной производительности. Класс Y, называемый также "Available Bit Rate" (ABR или доступная скорость) позволяет пользователю и сети установить совместно скорость на основе оценки потребностей пользователя и возможностей сети.

ATM как технология ЛВС

Технология ATM изначально создавалась как часть сервиса "Broadband ISDN" под эгидой CCITT (сейчас ITU). Однако возможности ATM можно эффективно использовать и в локальных сетях.

Современные крупные сети используются для передачи самых разных типов данных, включая изображения, звук, CAD/CAM и т.п. Несмотря на то, что большинство компьютерных приложений используется уже достаточно давно, возможности современных настольных компьютеров позволяют по новому подойти к организации работы. Однако, рост возможностей настольных компьютеров существенно опережает расширение сетевых возможностей (в частности, пропускной способности сетей).

Возьмем для примера издательские системы, где с одним набором данных может одновременно работать множество людей. Представьте себе процесс подготовки газетной полосы для публикации. редакторы работают с одной частью полосы, корректоры просматривают текст, дизайнеры размещают материал на полосе - и все это происходит в одно время. Не будем забывать и о том, что высокое качество печати требует использования графических фалов размером в сотни мегабайт. Традиционные сети обеспечивают разделение доступа к таким файлам, однако из-за ограниченной пропускной способности доступ к расположенному на другом компьютере файлу размером в несколько сот мегабайт будет отнюдь не быстрым. ATM 25 позволяет пользователям организовать каналы доступа с полосой 25 Мбит/с для работы с серверами. Такое решение избавляет от задержек и позволяет готовить публикации существенно быстрее.

Преимущества ATM не ограничиваются вертикальным рынком. Сегодня организации могут связать через магистрали ATM свои корпоративные серверы. Можно ожидать и достаточно широкого использования ATM в настольных компьютерах при работе пользователей с большими объемами данных или использовании критичных к задержкам приложений.

Экономический фактор играет далеко не последнюю роль в расширении использования технологий ATM. Сегодня большинство людей использует в своей работе и телефон и компьютер. В течение нескольких лет существенно расширится обмен данными multimedia (клипами), использование видеоконференций и т.п. технология ISDN позволяет решить такие задачи. Однако, это потребует установки оборудования ISDN в каждый компьютер. Телефонные и сетевые кабельные системы не могут полностью совпадать, что дополнительно увеличивает сложность такого решения. Использование решения на базе ISDN с необходимостью приведет к возникновению параллельных кабельных систем для ЛВС и телефонии и подключению каждого компьютера к обеим системам. Нужно учесть еще и телевизионные кабели, которые также требуется проложить по причине расширения использования настольных видео-приложений. Такая кабельная система будет весьма сложна, а ее установка и поддержка потребуют высоких расходов. Переход на использование технологии ATM в локальных сетях позволяет обойтись одной кабельной системой и одним адаптером в компьютере, что не может не привести к значительному снижению расходов.

ATM позволяет не только организовать ЛВС, но может обеспечить передачу голосового и видео-трафика. Такое решение позволяет использовать настольные системы видеоконференций и приложения multimedia.

Фактически, использование ATM обеспечивает сразу множество преимуществ. Во-первых, высокая скорость доступа за приемлемую цену, во-вторых, возможность организации компактных магистралей на базе ATM (collapsed backbone). Наконец, эта архитектура обеспечивает сквозное повышение эффективности использования сетевых ресурсов.

Пользователи, которые думают об использовании ATM в будущем, должны использовать совместимые с ATM устройства уже сегодня - в противном случае переход может оказаться слишком дорогим и трудоемким. Мы рассмотрим этот вопрос более подробно в следующем разделе.

ATM как современная инфраструктура

Если виртуальные устройства напоминают реальные, ATM можно легко приспособить для текущих приложений, просто заменив выделенные или коммутируемые линии виртуальными устройствами ATM. Фактически, этот способ вместе с переходом на ATM в сетевых магистралях, является наиболее очевидным первым шагом.

На рисунках 4.2 , 4.3 и 4.4 показан типичный пользовательский сайт с устройствами, порождающими разнотипный трафик (голос, видео, данные). Эти три типа трафика могут передаваться с использованием сервиса ATM тремя показанными на рисунках способами.

1. Голос, данные и видео преобразуются в ячейки ATM в сети оператора с использованием функций адаптации ATM. Оператор будет реализовать все функции доступа и передачи, а для каждого устройства потребуется отдельная линия доступа в сеть ATM.

Рисунок 4.2 Преобразование в ATM осуществляется оператором

2. ЛВС, голосовые и видео-устройства подключаются к локальному коммутатору ATM для преобразования трафика в ячейки. Для доступа в сеть оператора используется одна линия, передающая все потоки трафика одновременно (как виртуальные устройства). Сеть оператора обеспечивает маршрутизацию трафика. Такое решение более экономично и может использоваться для организации "частных сетей ATM" для пользователей, которые имеют доступ к ATM-сервису или хотят создать свою распределенную сеть на базе ATM. Отметим, что находящийся в сети пользователя коммутатор ATM может принадлежать оператору и находиться у него на обслуживании.

Рисунок 4.3 Преобразование в ATM осуществляется у пользователя

3. Устройства оборудуются собственными интерфейсами ATM. Одно устройство доступа позволяет объединить весь пользовательский трафик в одном транке, связанном с сетью оператора. В этом случае на стороне пользователя устанавливается принадлежащее ему оборудование ATM, которое можно использовать для организации магистралей ЛВС или подключения настольных станций.

Рисунок 4.4 Сеть на базе ATM

Скорое появление интерфейсов ATM в телефонном и видео-оборудовании не представляется вероятным, поэтому реализация третьего варианта соединения с сетью не сможет в ближайшие годы стать доминирующей. Фактически, скорость распространения каждого из приведенных вариантов будет определяться темпами снижения цен на оборудование и услуги операторов сетей ATM. Отсутствие эффективного управления этими процессами порождает определенный хаос и не позволяет надежно предсказать перспективы того или иного сервиса ATM.

Стандарт, определяющий интерфейс между операторами и пользователями ATM называется Public User Network Interface или Public UNI. Этот интерфейс определяется для различных значений скорости. Первые услуги ATM предлагались в основном со скоростью T3 (45 Мбит/с). Сейчас многие операторы предлагают скорость 155 Мбит/с и выше, но такая полоса обычно не требуется пользователям, да и стоимость подобных услуг весьма высока. Для большинства пользователей, планирующих организовать доступ к ATM или создать частную сеть ATM основной проблемой является стоимость оборудования.

Форум ATM - организация производителей оборудования ATM и пользователей работает в направлении развития стандартов и обеспечения интероперабельности оборудования. В конечном итоге это не может не привести к снижению цен. Кроме обеспечения интероперабельности ATM ведется большая работа по реализации ATM на скоростях меньше T3. Здесь возможно несколько вариантов:

Полнофункциональные решения ATM при скорости T1. Один стандарт для ATM T1 уже утвержден, но некоторые производители и пользователи считают, что связанные с реализацией этого стандарта накладные расходы слишком велики - канал T1 с полосой 1.544 Мбит/с может обеспечить полезную полосу только около 1.1 Мбит/с.
Так называемый dixie-стандарт (от акронима DXI - Data eXchange Interface). DXI был разработан как способ использования ATM в кадровом режиме с маршрутизаторами и другими устройствами передачи данных и специальными устройствами DSU, обеспечивающими преобразование кадров в реальные ячейки ATM. DXI работает через стандартные интерфейсы типа V.35 и HSSI.
Интерфейс пользователь - сеть Frame Relay или F-UNI (произностися как FOONY), являющийся стандартом использования frame relay для доставки "кадров данных ATM" в сеть, которая будет конвертировать их в ячейки непосредственно на границе сети.
Инверсное мультиплексирование ATM или AIM - стандарт для инверсного мультиплексирования множества линий T1 в один транк с полосой между T1 и T3. Такая полоса обеспечивает поддержку ATM для приложений, где скоростные запросы незначительно превышают возможности T1.

Проверка этих вариантов показывает, что они в основном подходят для систем обмена данными. Причиной этого является эффективная поддержка технологией ATM взрывного трафика современных систем передачи данных (ЛВС). Как было отмечено выше ATM может просто использоваться взамен выделенных линий в таких сетях, обеспечивая коммутацию ЛВС, поддерживаемую ATM UNI.

Замена выделенных линий системами ATM позволяет более эффективно организовать сети. Отметим, что виртуальные устройства ATM используются для организации многосвязных систем, позволяющих обеспечить доставку трафика непосредственно адресату. Сегодня желание пользователей применять многосвязные системы на базе ATM для связи своих сетей в значительной мере определяется предлагаемыми операторами ценами на услуги. Если оператор берет деньги за каждое виртуальное устройство ATM UNI, а не за общий трафик, стоимость организации многосвязной сети может оказаться слишком велика. Конечно, в кампусной магистрали ATM стоимость полосы в многосвязной системе будет несравненно ниже. Поддержка многосвязности требует лишь прокладки дополнительных физических соединений (кабелей) и установки более скоростных транковых портов в коммутаторы. Эти дополнительные расходы достаточно малы по сравнению с общей стоимостью сети.

Рисунок 4.5 Многосвязная сеть

В многосвязной (каждый с каждым) сети ATM существует меньше транзитных точек, снижающих производительность и вносящих дополнительные задержки и насыщение. Такое решение обеспечивает существенное повышение стабильности работы приложений. Более того, каждый коммутатор является соседом для всех остальных коммутаторов и связан с ними напрямую. Это упрощает задачу динамического определения маршрута для протоколов маршрутизации типа RIP, используемого TCP/IP или NetWare, OSPF или IS-IS. Эти протоколы часто генерируют значительный трафик и могут существенно замедлить сеть при обмене конфигурационными данными (интервал сближения или конвергенции).

Если существует способ передачи "телефонного номера" ATM точке публичной сети ATM, которая достаточно близка к пользователям традиционной ЛВС, насколько можно приблизиться к пользователям? Ближайшей, готовой к использованию ATM станцией, сегодня является коммутатор. Это может быть магистральный коммутатор пользователя, коммутатор рабочей группы или даже настольный компьютер с адаптером ATM. В этом случае ATM используется как универсальная архитектура для коммуникаций, обеспечивающая связь между настольными системами вместе с традиционными технологиями ЛВС, а в некоторых случаях - взамен их. Это наиболее интересная, но и наиболее спорная часть применений ATM.

Сквозная ATM-парадигма для сетей

ATM на настольных станциях имеет несколько преимуществ. Во-первых, способность ATM гарантировать для приложений качество обслуживания (QoS) обеспечивает сквозную передачу критичного к задержкам трафика типа видео или голоса. Будучи технологией передачи данных, ATM не только может поддерживать "приложения завтрашнего дня", но и эффективно справляется с сегодняшними задачами. Пользователи задаются двумя основными вопросами - как будут формироваться распределенные сети на базе ATM и какие шаги нужно предпринять, чтобы быть готовым к переходу? Есть три разных варианта включения ATM в архитектуру межсетевого взаимодействия для современных и будущих приложений:

Эмуляция традиционных протоколов ЛВС с использованием оборудования ATM. В этом случае существующие приложения будут продолжать работать как раньше, а ATM-добавит к существующим протоколам новые, специально разработанные для приложений multimedia. Отметим, что слово "новые" в данном контексте отнюдь не означает, что эти протоколы еще не существуют (они скорее еще не стали общепринятыми).
Подключение сервиса ATM напрямую к интерфейсам прикладных программ, используемых сегодня, в обход традиционных протоколов нижних уровней. Для поддержки этого варианта потребуется разработка новых API.
Использование новых API для "новых" приложений и эмуляция традиционных протоколов для существующих приложений.

Поскольку использование ATM обычно начинается с нескольких станций, которым требуются multimedia-приложения, требуется обеспечить эмуляцию традиционных протоколов ЛВС в сетях ATM. Это позволяет обеспечить надежное взаимодействие между новыми станциями на базе ATM и традиционными ЛВС. Для эмуляции ЛВС в системах на базе ATM (ATM LAN emulation) предложены два варианта - ATM Forum LAN Emulation (LANE) и RFC 1577. Говоря здесь об эмуляции, мы имеем в виду оба варианта.

Как LANE, так и RFC 1577 основаны на допущении что пользователи ATM применяют адаптеры, поддерживающие интерфейс ATM UNI. Поскольку этот интерфейс располагается со стороны пользователя, его иногда называют "Private UNI"; существует набор стандартов, определяющих данный интерфейс. Стандарты Private UNI существуют для скоростей 25 Мбит/с (по медному кабелю), 100 Мбит/с (оптический кабель)и 155 Мбит/с (медь и оптика). Оба стандарта эмуляции ЛВС предполагают также, что пользователи подключены к коммутатору ATM. Некоторые ATM-коммутаторы поддерживают также станции других типов (не ATM). Такие коммутаторы обеспечивают взаимодействие между ЛВС Ethernet и token ring и сетями ATM. Коммутаторы также поддерживают порты (для подключения станций и серверов) и транки (для соединения коммутаторов ATM или подключения к магистральным коммутаторам) ATM. Интерфейс между коммутаторами основан на UNI, но включает дополнительно специальные сообщения для маршрутизации и управления состоянием маршрутов. ATM Forum называет этот интерфейс Private Network-to-Network Interface или P-NNI.

Эмуляция ЛВС во всех вариантах состоит из двух программных частей - функции клиента используются на конечных системах, подключенных к эмулируемым ЛВС, а функции сервера - реализуются в каждой группе клиентских станций. Группа клиентов и связанный с ней сервер называются эмулируемой ЛВС (Emulated LAN или ELAN).

Протоколы ЛВС являются многоуровневыми и, следовательно, любой стандарт, обеспечивающий взаимодействие традиционных ЛВС и ATM должен обеспечивать поддержку соответствующих уровней. В этом вопросе существующие стандарты эмуляции ЛВС существенно различаются. ATM LANE (стандарт ATM Forum) предназначен для эмуляции протоколов канального (MAC/LLC) уровня. Поскольку этот протокол занимает самый нижний для ЛВС уровень, LANE можно использовать со всеми протоколами ЛВС вышележащих уровней, включая TCP/IP, NetWare SPX/IPX, IBM SNA/LLC2. RFC 1577, с другой стороны, работает на сетевом уровне (уровень 3) и предназначен для протокола TCP/IP.

Оба варианта эмуляции ЛВС похожи по принципам работы, несмотря на различие уровней. При организации ATM ЛВС клиентские системы пытаются вступить в контакт с сервером и зарегистрировать адресную информацию, которая содержит адрес ATM, а также адреса канального и сетевого уровней. Сервер строит каталог адресной информации для последующего использования. По завершении регистрации клиенты и серверы переходят в режим ожидания пользовательского трафика.

Пользовательские программы, работающие на клиентских и серверных системах, функционируют в среде эмуляции ЛВС как в обычных средах традиционных локальных сетей и только коммуникационные драйверы нижних уровней связаны с ATM. Когда программа генерирует сообщение, это сообщение передается вниз по стеку протоколов программам ATM, прибывая к ним в форме дейтаграммы или сообщения без организации соединения на уровне два (канальном) или уровне 3 (сетевом) в зависимости от способа эмуляции ЛВС. Программы ATM должны обеспечить эмуляцию ЛВС.

Если между отправителем и получателем будет существовать виртуальное устройство, дейтаграммы можно просто помещать в это виртуальное устройство и передавать получателю в исходной форме (дейтаграмма) для обработки на станции получателя программами ATM и приложением. Фактически, каждый клиент ATM поддерживает таблицу адресов канального и сетевого уровня, а же идентификаторов виртуальных устройств ATM (VPI/VCI). Если адрес получателя найден в таблице, дейтаграмма передается соответствующему виртуальному устройству. Проблема возникает когда адрес получателя не найден - в этом случае в игру вступает сервер эмуляции ЛВС.

Клиентская система, не имеющая виртуального устройства ATM, должна организовать его, но дейтаграмма является сообщением ЛВС и не содержит ATM-адреса получателя. Для получения этого адреса клиент посылает сообщение своему серверу, указывая получателя дейтаграммы с помощью адреса сетевого и/или канального уровня и запрашивая соответствующий адрес ATM. Сервер сообщает адрес, после чего клиент организует коммутируемое соединение ATM SVC с адресатом, в которое направляется поток дейтаграмм.

Сервер также обеспечивает поддержку широковещательного и неадресованного (broadcast and unknown) трафика для клиентов, рассылающих широковещательные и групповые (multicast() дейтаграммы. Сервер в таких случаях пересылает принятые дейтаграммы всем зарегистрированным клиентам. Перед организацией SVC клиент может также использовать режим "broadcast and unknown" для рассылки дейтаграмм адресатам, для которых адреса ATM еще не получены.

Устройства традиционных ЛВС должны обмениваться данными со станциями ATM, работающими в эмулируемых ЛВС; коммутаторы обеспечивают функции proxy-клиента от имени станций традиционных ЛВС (не ATM). В этом случае станция ATM, вызывающая станцию ЛВС будет получать от сервера адрес proxy-клиента и организовывать SVC по этому адресу. Proxy-клиент будет в этом случае играть роль моста или маршрутизатора для передачи дейтаграмм нужной станции. На практике такое использование эмуляции является преобладающим, поскольку большинство настольных станций по-прежнему используют Ethernet или token ring.

Это может выглядеть как попытка создания всемирной "плоской" сети, но это не так. RFC 1577 задает ограничение на размер доменов эмуляции ЛВС - не более одной IP-подсети на домен. ATM Forum LANE не содержит такого ограничения, но практический размер домена устанавливается числом генерируемых многоадресных сообщений (с ростом этого числа растет нагрузка на сервер и клиентов). В действительности LANE представляет собой мост, а широковещательный и групповой трафик всегда является ограничивающим фактором для сетей на базе мостов.

Как связать между собой эмулируемые домены ЛВС? Лучшим способом является использование коммутаторов ЛВС. Поскольку коммутатор может одновременно работать с ATM LANE и дейтаграммами традиционных ЛВС, он может обеспечивать связь эмулируемых доменов (как подсетей IP или сегментов ЛВС).

Проблема возникает при использовании маршрутизаторов для соединения устройств ATM, использующих multimedia-приложения. Маршрутизаторы, как устройства, работающие без организации соединений, не могут обеспечивать гарантии качества обслуживания (QoS), предлагаемой коммутаторами ATM. Таким образом, маршрутизатор между двумя станциями ATM существенно ограничивает возможности связи между этими станциями (до уровня станций традиционных ЛВС). Решения на базе коммутаторов позволяют сохранить гибкость и скорость ATM.

Естественные соединения ATM требуют коммутируемого пути между адресатом и отправителем. Если оба устройства подключены к одному коммутатору, проблем не возникает. Также просто организовать связь между устройствами, использующими услуги одного оператора или коммутаторы одного производителя. При соединении устройств в среде с разнотипным оборудованием может потребоваться использование PNNI для организации мостов между двумя или несколькими коммутаторами ATM и в тех случаях, когда ATM-соединение организуется через распределенную сеть (WAN).

Существует три варианта организации "реальных" соединений ATM через распределенную сеть:

Выделенная цифровая линия от оператора (T3, например) служить транком между двумя коммутаторами ATM - эти коммутаторы будут генерировать ячейки, обеспечивать сигнализацию ATM и поддерживать потоки трафика. Фактически, это вариант частной сети ATM.
Оператор ATM может обеспечивать виртуальный путь между парой коммутаторов. В этом случае оператор передает ячейки и принимает участие в управлении трафиком ATM, но соединенные между собой устройства управляются виртуальными устройствами как при использовании соединения по выделенной линии.
Может использоваться предоставляемое оператором коммутируемое соединение ATM SVC.

В первых двух вариантах ATM-коммутаторы принадлежат пользователю и должны выполнять все операции по преобразованию адресов (логические адреса, известные приложениям, конвертируются в реальные адреса ATM). В последнем варианте может потребоваться преобразование адресов оператором или, по крайней мере, использование архитектуры, поддерживающей соединений частных сетей через публичные. Одна из таких архитектур обеспечивается протоколом NHRP (маршрутизация в следующий интервал), предложенным IETF. Поскольку элементы протокола NHRP включены в базовую архитектуру стандарта ATM Forum MPOA, очевидно, что MPOA будет поддерживать управление адресами в больших сетях ATM, подключенных к системам общего пользования.

В долгосрочной перспективе ATM может полностью заменить технологии ЛВС и системы межсетевого взаимодействия в их современном виде. Сети на базе коммутаторов, в результате, будут значительно более гибкими, нежели связанные между собой ЛВС. Стоимость таких решений также может оказаться меньше. Многие пользователи верят в перспективность ATM и даже неизбежность успеха этой технологии. Однако переход к использованию ATM тормозится высокими ценами на оборудование и сложностью его использования.

Эволюция

Большинство организаций входят в одну из трех категорий с точки зрения перспектив использования ATM:

Организации, которые используют приложения сильно выигрывающие в результате перехода на ATM. Примером компаний этого класса являются организации здравоохранения, брокерские фирмы с большими потоками коммерческой информации, компании, занимающиеся производством видеопродукции.
Организации, которые могут перейти на ATM в результате агрессивной ценовой политики поставщиков услуг.
"Оборонительная стратегия" Организации этого типа знают, что технология ATM обеспечит им целый ряд преимуществ, но пока не планируют использовать данную технологию.

Для любой компании первым правилом эволюции ATM является предотвращение потери средств, вложенных на этапе оценки технологии ATM . Это означает, что при покупке сетевого оборудования сегодня нужно принимать во внимание возможность использования этого оборудования в будущей сети на базе ATM. Если от закупаемого сегодня оборудования придется потом отказываться, лучше сразу поискать другое решение.

Это правило наиболее ярко проявляется при выборе сетевых коммутаторов. Приобретаемые сегодня устройства должны обеспечивать возможность использования в системах на базе ATM. Минимальным требованием является возможность использования ATM-транков для связи между коммутаторами. Желательно также иметь в коммутаторе порт (или гнездо для его установки), позволяющий в будущем подключить настольные станции с интерфейсом ATM. Маршрутизаторы, пока не будет найдено более эффективного решения для ATM, должны использоваться как краевые устройства, обеспечивающие возможность подключения устройств традиционных ЛВС к сетям ATM. По крайней мере, такие устройства должны иметь интерфейс proxy-клиента эмуляции ЛВС.

Организации с "оборонной" стратегией, отмеченные в категории три, могут счесть наличие транкового порта ATM в коммутаторе достаточной для ближайших перспектив использования ATM (использовать не будем, но на всякий случай возьмем).

Компании, планирующие для ATM ключевую роль в своей сети, должны выбирать коммутаторы с портами ATM для подключения настольных станций. ATM обеспечивает широкий диапазон скоростей для подключения настольных станций - от 25 до 155 Мбит/с. ATM25 работает с кабельными системами категории 3 - 5 и может использоваться вместо token ring или 10BaseT для станций с высоким уровнем сетевых запросов.

Снижение цен на оборудование ATM для настольных станций играет важную роль, поскольку сегодня приложений, не способных обойтись без возможностей ATM, еще не так много. Скорей всего, пользователи первых станций ATM будут работать с одним из рассмотренных выше вариантов эмуляции ЛВС и большинство приложений будут скорее использовать эмуляцию, нежели естественные ATM API. Адаптеры ATM и коммутационные технологии должны удовлетворять потребности пользователей в течение 5 -8 лет, а скорость отказа от традиционных технологий ЛВС будет в значительной мере определяться темпами расширения числа видеоприложений.

Понимание того, что большинство пользователей не работает с приложениями, требующими возможностей ATM зачастую служит тормозом внедрения ATM, поскольку никому не хочется тратить деньги га приобретение неиспользуемых возможностей. Использование ATM только на части станций избавит от ненужных расходов на модернизацию сети.

Если вы предполагаете начать использование ATM в настольных станциях в течение ближайшей пары лет, вам нужно выбирать коммутаторы с учетом этой перспективы. Коммутаторы должны иметь порты для подключения станций и магистральны порты 155 и 622 Мбит/с для соединения коммутаторов. Порты ATM должны поддерживать эмуляцию ЛВС. Важно также обратить внимание на перспективы реализации в коммутаторах поддержки таких протоколов, как RFC 1577 и MPOA. наконец, транковый интерфейс для связи с другими коммутаторами должен поддерживать стандарт PNNI.

Если оператор ATM предлагает свои услуги по разумным ценам или ваша организация планирует организовать собственную магистраль ATM, следует оценить потребности до покупки оборудования ATM. Остается ответить на вопрос "Какой тип ATM-сервиса использовать?"

Публичные или частные системы ATM будут нормально поддерживать подключение устройств frame relay через специальные преобразователи (ATM DSU/CSU). Если ваше соглашение с оператором ATM требует покупки такого оборудования для подключения других источников трафика к ATM, может оказаться более эффективной реализация сервиса frame relay на базе существующих коммутаторов и их связь с ATM через краевые устройства.

Если для подключения связывающих сети устройств (типа маршрутизаторов) к ATM вам потребуется покупать дополнительные устройства, лучше будет купить интерфейс ATM для коммутатора. Этот интерфейс можно будет использовать и после перехода на ATM, тогда как устройства DSU/CSU после такого перехода станут просто ненужными. Существует три варианта подключения ATM к коммутаторам:

Естественная форма ATM (ячейки) с прямым подключением цифрового транка ATM (обычно T1 или T3) к маршрутизатору. Этот тип интерфейса может поддерживать все типы сервиса ATM (включая multimedia). Такой вариант целесообразно выбирать при планировании перехода от маршрутизаторов к коммутаторам ATM.
DXI-форма ATM - интерфейс на основе кадров, поддерживающий только транспортный сервис ATM, ориентированный на передачу данных. Такой тип подключения хорош для систем, где не планируется замена маршрутизаторов на коммутаторы ATM. Выбирая этот вариант, следует помнить, что некоторые операторы ATM не поддерживают DXI-сервис и может потребоваться покупка ATM DSU/CSU для преобразования DXI в ячейки ATM.
Интерфейс F-UNI, который представляет собой вариант интерфейса frame relay с поддержкой сигнализации ATM. Этот вариант пока распространен недостаточно широко, но может обеспечить просто и недорогой переход для маршрутизаторов, которые уже поддерживают frame relay.

При любом варианте перехода на ATM в первую очередь возникает задача организации магистралей. Организация компактных магистралей (collapsed backbone) без использования технологии ATM в таком случае будет весьма рискованным решением. Магистральные технологии при переходе на ATM приходится менять в первую очередь. Наиболее критичным при переходе на ATM будет первый шаг в сторону от традиционной коммутации ЛВС. В системах коммутации ЛВС без ATM-транков магистрали не используют технологии ATM и, следовательно, модернизация магистралей будет достаточно рискованным шагом. В идеальном случае коммутаторы ЛВС должны поддерживать магистрали ATM и других типов (например, FDDI).

Переход приложений на ATM будет постепенным. На настольных станциях ATM будет поначалу использоваться для эмуляции ЛВС и работы с набором традиционных приложений ЛВС. По мере расширения инфраструктуры ATM станет возможным связать большие группы пользователей в "чистые" сети ATM. Это позволит использовать специальные приложения, рассчитанные на качество обслуживания ATM (видео, multimedia и т.п.) или упростить работу с традиционными потоками данных за счет более высокой производительности ATM.

ATM, по мере реализации, будет делать сеть компании более гармоничной - сначала на уровне магистралей, а потом и для настольных систем. Полный переход на ATM наверняка будет определяться темпами снижения цен на порты для подключения настольных станций и адаптеры, а также реализацией поддержки возможностей в прикладных программах. Использование единой технологии для организации магистралей, подключения настольных станций и распределенных сетей может обеспечить, в конечном итоге, существенную экономию.

В долгосрочной перспективе ATM должна стать единой архитектурой внутрикорпоративных и межкорпоративных коммуникаций. Коммутируемые виртуальные устройства, используемые настольными системами могут быть расширены за счет поддержки соединений SVC операторами публичных сетей, делая ATM универсальной технологией multimedia-сетей. Протоколы типа NHRP являются средством обеспечения универсальной связи, но в конечном итоге набор протоколов ATM для multimedia будет, по-видимому, основан на службах каталогов.

Степень воздействия универсальных multimedia-коммуникаций на бизнес достаточно трудно прогнозировать с учетом отсутствия альтернативных вариантов. Несомненно, ATM будет играть значительную роль в коммерции, здравоохранении, обучении за счет систем распространения информации. Системы ATM основаны на экономичной технологии мультиплексирования, позволяющей преодолеть барьеры, связанные с взрывным характером трафика во многих приложениях.

С учетом всех этих влияний технология ATM остается привлекательной реализацией и очевидно, что множество пользователей будут готовы перейти на ATM в ближайшем будущем. Это означает, что и ваша организация может быстро начать работу с ATM и расширять использование этой технологии для повышения эффективности работы.

Приведенная в документе техническая информация может быть изменена без предупреждения.
© 1997 Xylan Corporation.
Перевод на русский язык © 1998, BiLiM Systems Ltd.