какое техническое устройство обеспечивает работу сети атм
Введение в ATM
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ATM Сети с трансляцией ячеек Сети с установлением соединения Коммутируемые сети АРХИТЕКТУРА ATM Физический уровень Уровень ATM и виртуальные каналы Уровень адаптации ATM и качество сервиса СТАНДАРТЫ МОДЕЛИ
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ATM
Базовые принципы, лежащие в основе технологии ATM, могут быть выражены в трех утверждениях:
Сети с трансляцией ячеек
Идея сети с трансляцией ячеек проста: данные передаются по сети небольшими пакетами фиксированного размера, называемыми ячейками (cells). В сети Ethernet передача данных осуществляется большими пакетами переменной длины, которые называют кадрами (frames). Ячейки имеют два важных преимущества перед кадрами. Во-первых, поскольку кадры имеют переменную длину, каждый поступающий кадр должен буферизоваться (т.е. сохраняться в памяти), что гарантирует его целостность до начала передачи. Поскольку ячейки всегда имеют одну и ту же длину, они требуют меньшей буферизации. Во-вторых, все ячейки имеют одинаковую длину, поэтому они предсказуемы: их заголовки всегда находятся на одном и том же месте. В результате коммутатор автоматически обнаруживает заголовки ячеек и их обработка происходит быстрее.
Любое устройство, подключенное к сети ATM (рабочая станция, сервер, маршрутизатор или мост), имеет прямой монопольный доступ к коммутатору. Поскольку каждое из них имеет доступ к собственному порту коммутатора, устройства могут посылать коммутатору ячейки одновременно. Время ожидания становится проблемой в том случае, когда несколько потоков трафика достигают коммутатора в один и тот же момент. Чтобы уменьшить время ожидания в коммутаторе, размер ячейки должен быть достаточно маленьким; тогда время, которое занимает передача ячейки, будет незначительно влиять на ячейки, ожидающие передачи.
Уменьшение размера ячейки сокращает время ожидания, но, с другой стороны, чем меньше ячейка, тем большая ее часть приходится на «издержки» (то есть на служебную информацию, содержащуюся в заголовке ячейки), а соответственно, тем меньшая часть отводится реальным передаваемым данным. Если размер ячейки слишком мал, часть полосы пропускания занимается впустую и передача ячеек происходит длительное время, даже если время ожидания мало.
Сети с установлением соединения
Коммутируемые сети
Когда соединение установлено, коммутаторы начинают функционировать как мосты, просто пересылая пакеты. Однако такие коммутаторы отличаются от мостов одним важным аспектом: если мосты отправляют пакеты по всем достижимым адресам, то коммутаторы пересылают ячейки только следующему узлу заранее выбранного маршрута.
Коммутация в сети Ethernet может быть сконфигурирована таким образом, что все рабочие станции окажутся подключенными непосредственно к коммутатору. В такой конфигурации коммутация в Ethernet похожа на коммутацию в сети ATM: каждое устройство осуществляет прямой монопольный доступ к порту коммутатора, который не является устройством совместного доступа.
Однако коммутация ATM имеет ряд важных отличий от коммутации Ethernet. Поскольку каждому устройству ATM предоставляется непосредственный монопольный доступ к порту коммутатора, то нет необходимости в сложных схемах арбитража для определения того, какое из этих устройств имеет доступ к коммутатору. В противоположность этому, рабочие станции, соединенные с коммутатором Ethernet, должны участвовать в схемах арбитража даже несмотря на их непосредственный монопольный доступ к порту коммутатора. Сетевые интерфейсные платы Ethernet рассчитаны на использование арбитражного протокола для определения того, имеет ли рабочая станция доступ к устройству.
АРХИТЕКТУРА ATM
Модель ATM, в соответствии с определением ANSI, ITU и ATM Forum, состоит из трех уровней:
Эти три уровня примерно соответствуют по функциям физическому, канальному и сетевому уровню модели OSI (рисунок 1). В настоящее время модель ATM не включает в себя никаких дополнительных уровней, т.е. таких, которые соответствуют более высоким уровням модели OSI. Однако самый высокий уровень в модели ATM может связываться непосредственно с физическим, канальным, сетевым или транспортным уровнем модели OSI, а также непосредственно с ATM-совместимым приложением.
(1×1)
Рисунок 1.
В отличие от других протоколов передачи, ATM используетсобственную модель, а не модель OSI.
Физический уровень
Как в модели ATM, так и в модели OSI стандарты для физического уровня устанавливают, каким образом биты должны проходить через среду передачи. Точнее говоря, стандарты ATM для физического уровня определяют, как получать биты из среды передачи, преобразовывать их в ячейки и посылать эти ячейки уровню ATM.
Стандарты ATM для физического уровня также описывают, какие кабельные системы должны использоваться в сетях ATM и с какими скоростями может работать ATM при каждом типе кабеля. Изначально ATMForum установил скорость DS3 (45 Мбит/с) и более высокие. Однако реализация ATM со скоростью 45 Мбит/с применяется главным образом провайдерами услуг WAN. Другие же компании чаще всего используют ATM со скоростью 25 или 155 Мбит/с.
Хотя ATM Forum первоначально не принял реализацию ATM со скоростью 25 Мбит/с, отдельные производители стали ее сторонниками, поскольку такое оборудование дешевле в производстве и установке, чем работающее на других скоростях. Только 25-мегабитная ATM может работать на неэкранированной витой паре (UTP) категории 3, а также на UTP более высокой категории и оптоволоконном кабеле. Вследствие того что оборудование для 25-мегабитной ATM относительно недорого, оно предназначено для подключения к сети ATM настольных компьютеров (см. врезку «Более доступный вариант: ATM со скоростью 25 Мбит/с»).
155-мегабитная ATM работает на кабелях UTP категории 5, экранированной витой паре (STP) типа 1, оптоволоконном кабеле и беспроводных инфракрасных лазерных каналах. 622-мегабитная ATM работает только на оптоволоконном кабеле и может использоваться в локальных сетях (хотя оборудование, работающее с такой скоростью, реализовано еще недостаточно широко). А для беспроводной связи лаборатория Olivetti Research Labs создает прототип радиосети ATM, работающей со скоростью 10 Мбит/с.
Уровень ATM и виртуальные каналы
В модели OSI стандарты для канального уровня описывают, каким образом устройства могут совместно использовать среду передачи и гарантировать надежное физическое соединение. Стандарты для уровня ATM регламентируют передачу сигналов, управление трафиком и установление соединений в сети ATM. Функции передачи сигналов и управления трафиком уровня ATM подобны функциям канального уровня модели OSI, а функции установления соединения ближе всего к функциям маршрутизации, которые определены стандартами модели OSI для сетевого уровня.
Стандарты для уровня ATM описывают, как получать ячейку, сгенерированную на физическом уровне, добавлять 5-байтный заголовок и посылать ячейку уровню адаптации ATM. Эти стандарты также определяют, каким образом нужно устанавливать соединение с таким качеством сервиса (QoS), которое запрашивает ATM-устройство или конечная станция.
После того как соединение установлено, коммутаторы между конечными станциями получают адресные таблицы, содержащие сведения о том, куда необходимо направлять ячейки. В них используется следующая информация:
Адресные таблицы также определяют, какие VCI и VPI коммутатор должен включить в заголовки ячеек перед тем как их передать.
Имеются три типа виртуальных каналов:
PVC включает в себя конечные станции, среду передачи и все коммутаторы, расположенные между конечными станциями. После установки PVC для него резервируется определенная часть полосы пропускания, и двум конечным станциям не требуется устанавливать или сбрасывать соединение.
SVC устанавливается динамически, а не вручную. Для него стандарты передачи сигналов уровня ATM определяют, как конечная станция должна устанавливать, поддерживать и сбрасывать соединение. Эти стандарты также регламентируют использование конечной станцией при установлении соединения параметров QoS из уровня адаптации ATM.
Большая часть раннего оборудования ATM поддерживала только PVC. Поддержка SVC и SPVC начинает реализовываться только сейчас.
PVC имеют два преимущества над SVC. Сеть, в которой используются SVC, должна тратить время на установление соединений, а PVC устанавливаются предварительно, поэтому могут обеспечить более высокую производительность. Кроме того, PVC обеспечивают лучший контроль над сетью, так как провайдер ATM-услуг или сетевой администратор может выбирать путь, по которому будут передаваться ячейки.
Однако и SVC имеют ряд преимуществ перед PVC. Поскольку SVC устанавливается и сбрасывается легче, чем PVC, то сети, использующие SVC, могут имитировать сети без установления соединений. Эта возможность оказывается полезной в том случае, если вы используете приложение, которое не может работать в сети с установлением соединений. Кроме того, SVC используют полосу пропускания, только когда это необходимо, а PVC должны постоянно ее резервировать на тот случай, если она понадобится. SVC также требуют меньшей административной работы, поскольку устанавливаются автоматически, а не вручную. И наконец, SVC обеспечивают отказоустойчивость: когда выходит из строя коммутатор, находящийся на пути соединения, другие коммутаторы выбирают альтернативный путь.
Когда пользователь запрашивает виртуальный канал, коммутаторы определяют, какой виртуальный путь использовать для достижения конечных станций. По одному и тому же виртуальному пути в одно и то же время может передаваться трафик более чем для одного виртуального канала. Например, виртуальный путь с полосой пропускания 120 Мбит/с может быть разделен на четыре одновременных соединения по 30 Мбит/с каждый.
Уровень адаптации ATM и качество сервиса
В модели OSI стандарты для сетевого уровня определяют, как осуществляется маршрутизация пакетов и управление ими. В модели ATM стандарты для уровня адаптации ATM выполняют три подобные функции:
Уровень адаптации ATM состоит из четырех протоколов (называемых протоколами AAL), которые форматируют пакеты. Эти протоколы принимают ячейки с уровня ATM, заново формируют из них данные, которые могут быть использованы протоколами, действующими на более высоких уровнях, и посылают эти данные более высокому уровню. Когда протоколы AAL получают данные с более высокого уровня, они разбивают их на ячейки и передают их уровню ATM.
Каждый протокол AAL упаковывает данные в ячейки своим способом. Все эти протоколы, за исключением AAL 5, добавляют некоторую служебную информацию к 48 байтам данных в ячейке ATM. Эти «издержки» включают в себя специальные команды обработки для каждой ячейки, которые используются для обеспечения различных категорий сервиса.
Уровень адаптации ATM определяет также четыре категории сервиса:
Эти категории используются для обеспечения различных уровней качества сервиса (QoS) для разных типов трафика (на рисунке 2 приведены характеристики каждой категории).
(1×1)
Рисунок 2.
QoS определяет уровень сервиса, который может предоставить сеть.
Категория CBR используется для восприимчивого к задержкам трафика, такого как аудио- и видеоинформация, при котором данные передаются с постоянной скоростью и требуют малого времени ожидания. CBR гарантирует самый высокий уровень качества сервиса, но использует полосу пропускания неэффективно. Чтобы защитить трафик CBR от влияния других передач, CBR всегда резервирует для соединения определенную часть полосы пропускания, даже если в данный момент в канале не происходит никакой передачи. Таким образом, резервирование полосы пропускания является особенно большой проблемой при работе по WAN-каналам, когда абоненту приходится платить за каждый мегабит полосы пропускания независимо от того, используется ли виртуальный канал.
Поскольку VBR не резервирует полосу пропускания, она используется более эффективно, чем в случае с CBR. Однако, в отличие от CBR, VBR не может гарантировать качества сервиса.
UBR применяется для трафика типа TCP/IP, который допускает задержки. Подобно VBR, UBR не резервирует дополнительной полосы пропускания для виртуального канала. В результате один и тот же виртуальный канал может многократно применяться для нескольких передач, таким образом полоса пропускания используется более эффективно. Однако поскольку UBR не гарантирует качества сервиса, в сильно загруженных сетях UBR-трафик теряет большое число ячеек и имеет много повторных передач.
Подобно UBR, ABR используется для передачи трафика, который допускает задержки, и дает возможность многократно использовать виртуальные каналы. Однако если UBR не резервирует полосы пропускания и не предотвращает потерь ячеек, то ABR обеспечивает для соединения допустимые значения ширины полосы пропускания и коэффициента потерь.
CBR, VBR, UBR, и ABR включают в себя различные параметры трафика, например среднюю и пиковую скорости, с которыми конечная станция может передавать данные. Эти категории сервиса также включают в себя следующие параметры качества сервиса (QoS).
Перед установлением соединения конечная станция запрашивает одну из четырех категорий сервиса. Затем сеть ATM устанавливает соединение, используя соответствующие параметры трафика и QoS. Например, если конечная станция запросила соединение CBR для передачи видеоинформации, сеть ATM резервирует необходимую ширину полосы пропускания и использует параметры трафика и QoS для обеспечения допустимых значений скорости передачи, коэффициента потерь ячеек, задержки и изменения задержки.
Сеть ATM использует параметры QoS и для защиты трафика, т. е. предотвращения перегрузки сети. Сеть «следит» за тем, чтобы установленные соединения не превышали максимальной ширины полосы пропускания, которая им была предоставлена. Если соединение начинает ее превышать, сеть отказывается передавать ячейки. Кроме того, сеть ATM определяет, какие ячейки можно отбросить в случае ее переполнения: она проверяет параметры QoS данного соединения и отбрасывает ячейки, для которых установлен высокий коэффициент потерь. И наконец, сеть отказывается устанавливать соединения, если не может их поддерживать.
Способность ATM обеспечивать для приложений различные уровни QoS считается одним из достоинств данной технологии. Пользователи могут резервировать только ту полосу пропускания, которая им необходима; при этом сохраняется качество передаваемых аудио- и видеосигналов, а сеть предохраняется от переполнения. Однако для того чтобы получать реальную выгоду от качества сервиса в сети ATM, необходимы приложения, рассчитанные на его использование.
СТАНДАРТЫ МОДЕЛИ ATM
ATM Forum разработал много стандартов, основанных на модели ATM, в том числе следующие:
Эти стандарты определяют, как рабочие станции и коммутаторы взаимодействуют в сети ATM.
Стандарты UNI, разработанные ATM Forum, определяют, каким образом устройства взаимодействуют с коммутатором. На рисунке 3 показано, как пакет передается с рабочей станции коммутатору. Сначала пользователь посылает данные, например аудио-, видеоинформацию и т.д. В соответствии с типом данных какой-либо из четырех протоколов AAL получает эти данные и разбивает их на ячейки. Затем ячейки передаются на уровень ATM, который добавляет к ним информацию, необходимую для маршрутизации. Потом ячейки передаются на физический уровень, разбивающий их на биты и посылающий через среду передачи коммутатору.
(1×1)
Рисунок 3.
Взаимодействие рабочей станцииАТМ с коммутатором.
Спецификация PNNI, разработанная ATM Forum, включает в себя стандарты, которые дают возможность двум коммутаторам различных производителей работать вместе. На рисунке 3 показано, как ячейка проходит через коммутатор ATM. Коммутатор получает ячейку на физическом уровне как физический сигнал, передает этот сигнал на уровень ATM и преобразовывает его в ячейку. Затем коммутатор проверяет заголовок ячейки, определяя, куда она должна быть направлена, снова преобразует ячейку в физический сигнал и передает его следующему коммутатору или конечной станции.
Кроме того, поскольку PNNI дает возможность коммутаторам распространять информацию иерархическим образом, то для пересылки ячеек каждому из них не нужно знать топологию всей сети. Провайдер ATM-услуг или сетевой администратор может разделить сеть на несколько концептуальных уровней, и тогда каждый коммутатор должен будет знать топологию только того уровня, к которому он относится. Таким образом, можно создавать чрезвычайно большие сети, не перегружая коммутаторы информацией.
Сеть также может содержать только один уровень. По утверждению Энди Реида, менеджера по программным продуктам компании FORE Systems, сеть ATM, имеющая только один уровень, способна поддерживать приблизительно 200 коммутаторов.
На самом низком уровне сетевой топологии коммутаторы разделены на кластеры, называемые «группами равных» (peer groups). Все коммутаторы, относящиеся к такой группе, обмениваются друг с другом маршрутизационной информацией. Коммутатор, который является граничным узлом (входит более чем в одну группу), обменивается маршрутизационной информацией со всеми группами равных, к которым он принадлежит. Таким образом, группы «узнают», как направлять ячейки адресатам, находящимся в пределах досягаемости одной из групп. Используя PNNI, коммутаторы внутри каждой группы равных выбирают так называемого «лидера» группы.
На следующем уровне сетевой топологии несколько лидеров групп равных составляют собственную группу равных, а затем с помощью PNNI также выбирают лидера. Эти лидеры могут составлять группу равных следующего уровня и так далее, до самого высокого уровня, на котором вся сеть представляется одной группой равных.
Коммутаторы, находящиеся на самом низком уровне сетевой топологии, используют для определения маршрутов информацию с более высоких уровней. В результате коммутаторы не должны знать топологию всей сети.
Стандарты PNNI также устанавливают, как должна выполняться передача сигналов. Стандарты PNNI на передачу сигналов определяют, каким образом устанавливаются, поддерживаются и сбрасываются виртуальные каналы ATM с соответствующим качеством сервиса. Кроме того, эти стандарты регламентируют осуществление защиты сети от переполнения, разрешая устанавливать только те соединения, которые сеть может поддерживать, и следя за тем, чтобы существующие соединения не использовали большую ширину полосы пропускания, чем им была выделена.
Понимание базовых концепций, модели и стандартов ATM поможет вам решить, подходит ли эта технология для вашей сети. Однако ознакомление с данной статьей является лишь первым шагом. Прежде чем решиться приобрести оборудование ATM для своей сети, вы должны узнать, как реальные устройства ATM от разных производителей взаимодействуют друг с другом и с традиционным оборудованием локальной сети. Но это уже тема отдельной статьи, которую мы планируем опубликовать в следующем номере нашего журнала.
Статья подготовлена научным редактором журнала «Сети» Игорем Ковалерчиком по материалам журнала «NetWare Connetion» (февраль 1997 г.), издаваемого международной ассоциацией NetWare Users International.
Организации по стандартизации ATM
К формированию стандартов ATM приложило руку много организаций. Ниже указаны наиболее влиятельные из них, а также разработанные ими основные стандарты.
ANSI, CCITT и ITU
ATM FORUM
ATM Forum, консорциум производителей оборудования ATM, приспособил и расширил стандарты B-ISDN, с тем чтобы создать отраслевые стандарты, которые дают возможность продуктам ATM взаимодействовать с оборудованием традиционных локальных сетей.
Ниже перечислены некоторые наиболее важные стандарты ATM, разработанные ATM Forum:
Кроме того, ATM Forum разработал интерфейс Interim Local Management Interface, который определяет, как осуществляется управление в сетях ATM.
Рабочая группа Internet Engineering Task Force (IETF) разработала стандарт Classical IP Over ATM, позволяющий производителям создавать продукты, которые могут передавать IP-пакеты по сети ATM внутри одной подсети IP. Сейчас IETF работает над протоколом Next Hop Routing Protocol (NHRP), который позволит осуществлять маршрутизацию IP-пакетов между подсетями IP.
Более доступный вариант: ATM со скоростью 25 Мбит/с
Большинство выпускаемых коммутаторов ATM обеспечивает производительность 155 Мбит/с. Для компаний, которые в настоящее время имеют сети, работающие со скоростью 10 Мбит/с, использование оборудования ATM на 155 Мбит/с для подключения рабочих станций может оказаться слишком большим прыжком. Стоимость такого оборудования часто является неприемлемо высокой, тем более что 155-мегабитная ATM не способен работать на неэкранированной витой паре (UTP) и для ее реализации может потребоваться создание новой кабельной системы.
В результате ATM Forum принял спецификацию сети ATM со скоростью 25 Мбит/с, которая может работать на кабеле UTP категории 3. Поскольку такая сеть является достаточно быстрой для передачи аудио- и видеоинформации и ее реализация может обойтись дешевле, чем 155-мегабитная ATM, то ATM со скоростью 25 Мбит/с является идеальным решением для компаний, которые не могут позволить себе дорогую сеть или еще не нуждаются в скорости 155 Мбит/с.
И хотя сети ATM, работающие со скоростью 25 Мбит/с, все еще достаточно дороги, многие компании могут решить, что возможность передачи аудио- и видеоданных оправдывает затраты.
Глоссарий ATM
ATM FORUM. Консорциум производителей оборудования ATM, который разрабатывает стандарты ATM.
INTERNET ENGINEERING TASK FORCE (IETF). Организация, разрабатывающая стандарты для сетей TCP/IP. IETF разработала стандарт Classical IP Over ATM.
NEXT HOP ROUTING PROTOCOL (NHRP). Протокол, разрабатываемый IETF, который добавит возможности маршрутизации к протоколу Classical IP over ATM.
Поделитесь материалом с коллегами и друзьями
С.В.Кунегин
В пособии представлены основные сведения о технологии высокоскоростных асинхронных сетей АТМ. Пособие будет полезно слушателям факультета специальной техники при изучении современных сетевых технологий.
Содержание
Введение
Основные принципы АТМ
В качестве примера рассмотрим речевой сигнал. Во время обычного двухстороннего телефонного разговора уровень речевого сигнала каждого из абонентов непостоянен и имеют место как межслоговые, межслововые и межфразные паузы, так и промежутки молчания на время прослушивания собеседника.
В целом, передача речевого сигнала от одного из собеседников осуществляется примерно в течении 40% общего времени разговора. Очевидно, было бы желательно передавать речевой сигнал только в периоды его активности и не занимать канал связи на время пауз в речи. Данный факт был использован уже в начале 60-ых годов для создания систем передачи со статистическим уплотнением, что позволило повысить эффективность использования дорогих подводных межконтинентальных линий связи почти вдвое.
В то же время представляется весьма заманчивым использовать периоды молчания и паузы в речевом сигнале для передачи других типов сигналов (данные, видео и пр.).
Однако, такие сигналы по сравнению с речевым создают крайне неравномерную по интенсивности нагрузку.
Ячейки АТМ
Традиционным способом передачи неравномерной нагрузки является тот или иной вид коммутации сообщений (пакетов).
Пакеты АТМ называются ячейками (cell), так как все они имеют фиксированную длину. Длина ячеек АТМ равна 53 байтам (октета), из которых 48 байт отводится для передачи информации (нагрузки) и 5 байт для заголовка. Информация, содержащаяся в 5 байтах заголовка, достаточна для доставки сетью каждой ячейку по назначению.
Сеть АТМ является инфраструктурой, предназначенной для транспортирования ячеек. В качестве аналогии из транспортирования грузов можно привести систему контейнерных перевозок.
Пример сети АТМ
Рассмотрим пример сети АТМ. В данном случае мы имеем сигналы речи, данных и видеосигналы, которые необходимо передать через сеть, а также устройства, преобразующие эти сигналы в ячейки и обратно. Ячейки мультиплексируются в один поток, который по линии связи поступает в “облако” сети АТМ. Сеть АТМ коммутирует и доставляет ячейки по назначению.
Используя инфраструктуру коммутации ячеек, возможно добавлять новые типы нагрузки без изменения самой инфраструктуры. Поскольку пользователь взаимодействует только с пограничными устройствами, то для изменения (введения) нового типа нагрузки достаточно модифицировать только эти пограничные устройства. Это одна из положительных сторон технологии АТМ. При необходимости без затруднений можно производить изменение или расширение сети.
Широкополосная цифровая сеть интегрального обслуживания (B-ISDN)
Иногда возникает путаница в использовании понятий АТМ и B-ISDN. Эти понятия родственны, поскольку АТМ появился в результате усилий по стандартизации B-ISDN. По сути АТМ является технологией, на которой основывается B-ISDN.
Обычно термин “B-ISDN” используют применительно к глобальным транспортным службам, но не применяется по отношению к локальным сетям и университетским (campus) сетям, даже если в качестве базовой технологии используется АТМ. Естественно, преимущества АТМ сохраняются также и в сетях данного масштаба.
Перенос битового потока
Рассмотрение принципов работы пограничных устройств АТМ начнем с устройств, преобразующих речевой сигнал в ячейки и обратно. Несмотря на то, что мощность речевого сигнала является переменной величиной, практически все современные способы цифрового представления речевых сигналов образуют битовый поток с постоянной скоростью передачи, например 64 Кбит/с при использовании стандартной ИКМ. Данный цифровой поток необходимо преобразовать в ячейки. Пограничное устройство “разрезает” цифровой поток на отдельные ячейки для передачи через сеть.
В качестве примера (см. рисунок) допустим, что одна ячейка несет 8 бит (а не 53 байта) информации. Биты собираются порция за порцией, помещаются в ячейку и направляются в сеть. Заметим, что несущие информацию ячейки могут перемежаться пустыми, поскольку скорость цифрового речевого потока обычно значительно ниже, чем скорость передачи в линии. Следовательно, необходимы “пустые” ячейки. (Пустые ячейки занимают временные позиции, в течение которых могла бы передаваться другая информация). Ячейки проходят через сеть и попадают в линию принимающего пограничного устройства.
Заметим, что расстояние между ячейками несколько изменилось. Этот факт отражает статистическую (асинхронную) природу АТМ и не является проблемой, поскольку данные изменения обычно незначительны. (Ниже будут рассмотрены эффекты, возникающие при изменении величины задержки ячеек).
Сеть АТМ сохраняет порядок передачи ячеек. Иногда ячейки могут теряться, но порядок ячеек сохраняется. Принимающее пограничное устройство воспринимает поток ячеек и преобразует его в исходный битовый поток.
Перенос пакетов
При передаче данных информация обычно уже разбита на пакеты. Процесс преобразования в ячейки аналогичен рассмотренному выше. Однако, в данном случае имеется некоторое отличие, поскольку информация поступает значительными “порциями”. Ячейки, несущие информацию одного пакета, передаются в сеть сгруппировано. При выходе из сети они могут перемежаться другими ячейками. Тем не менее сборка содержимого ячеек в исходный пакет не представляет затруднений, поскольку содержимое ячеек, несущих другую информацию, просто не включается в собираемый пакет.
Многоуровневая архитектура
АТМ основывается на многоуровневой архитектуре.
Нижним уровнем является физический (PHY). Подробно различные типы физического уровня АТМ будут рассмотрены в следующем разделе.
Над физическим уровнем располагается уровень АТМ. На данном уровне присутствуют ячейки.
Поскольку сеть АТМ должна осуществлять доставку информации различного типа, предусмотрено несколько различных уровней AAL. Некоторые из них будут рассмотрены ниже.
Физические уровни
Частный интерфейс пользователь-сеть (Private UNI)
Ячейки АТМ транспортируются через физический уровень.
С тех пор как начали развиваться стандарты АТМ, появилось несколько спецификаций физических уровней, которые хорошо применимы внутри здания и практически не применимы для доступа к сети общего пользования. Подключение к сети АТМ общего пользования осуществляется посредством “интерфейса пользователь-сеть сети общего пользования” (public user-network interface). Подключение к корпоративному коммутатору АТМ, входящему в состав корпоративной сети АТМ предприятия, осуществляется посредством “частного интерфейса пользователь-сеть” (private user-network interface). Имеется тенденция использования различных физических интерфейсов для private UNI и для public UNI.
В таблице приведены физические уровни, применяемые в качестве private UNI. Их достаточно много, что демонстрирует одну из сильных сторон АТМ: отсутствие жесткой ориентации на единственный физический уровень. Спектр возможных уровней достаточно широк: от интерфейса со скоростью 25 Мбит/с на основе неэкранированного симметричного кабеля категории 3 до интерфейса со скоростью 622 Мбит/с на основе оптического волокна.
Заметим, что физический уровень STM-1 может применяться в обоих типах интерфейсов.
Интерфейсы private UNI физического слоя Форума АТМ
25.6 Мбит/с / 32 Мбод
100 Мбит/с / 125 Мбод
155.52 Мбит/с / 194.4 Мбод
Интерфейс пользователь-сеть сети общего пользования (Public UNI)
В данном интерфейсе применяются форматы передачи, типичные для телефонных сетей, такие как T1 и T3 в Северной Америке, Е1 и Е3 в Европе, J1 в Японии.
Пусть предполагается подключение к магистральной сети. Обычно магистральные сети уже имеют оборудование указанного типа. Поэтому экономически целесообразно использовать традиционно применяемые в магистральных сетях интерфейсы.
Наряду с физическими уровнями, соответствующими плезиохронной цифровой иерархии, специфицированы физические уровни синхронной цифровой иерархии, а также дробные (fractional) потоки Т3/Е3. Окончательные детали некоторых спецификаций еще не утверждены. В таблице этот факт отмечен звездочкой.
Отметим, что в данном интерфейсе скорости ниже по сравнению с private UNI. Основной причиной этого является относительная дороговизна пропускной способности сетей общего пользования, и, следовательно, относительно большой потребности в низкоскоростном доступе к сетям общего пользования.
Интерфейсы public UNI физического слоя Форума АТМ
Два подуровня
Подуровень TCS определяет границы ячеек (delineation). Если имеется битовый поток, то в данном потоке необходимо выделить ячейки.
Для разных сред передачи виды подуровней TCS различаются и зависят от подуровней PMD.
Поток SDH STM-1, 155 Мбит/с
SDH осуществляет контейнерный перенос информационных потоков независимо от конкретной среды. Обычной физической средой для SDH является оптическое волокно. Кроме оптоволокна средой передачи может служить радиолиния (STM-RR). Форумом АТМ прорабатывается возможность использования в качестве физической среды для SDH неэкранированного симметричного кабеля.
Первые девять столбцов STM-1 предназначены для передачи служебной информации. В частности, в первых двух байтах передается синхросигнал. Кроме того, для служебных целей в ряде случаев может использоваться еще один столбец.
В результате для передачи нагрузки (ячеек) остается 260 столбцов по 9 строк по 64 кбит/с, т.е. скорость передачи ячеек составляет 149,76 Мбит/с.
SDH имеет прекрасные возможности по масштабируемости и в настоящее время стандартизированы синхронные транспортные модули более высоких порядков: STM-4 (622 Мбит/с) и STM-16 (2,5 Гбит/с). Ожидается принятие стандарта STM-64 со скоростью передачи 10 Гбит/с.
Определение границ ячеек при использовании SDH
Определение границ ячеек при использовании SDH производится по контрольной сумме заголовка ячейки (HEC).
Данная операция аналогична поиску синхросигнала. При определении границ ячейки приемник предполагает, что имеющиеся в настоящий момент 5 байт являются заголовком, подсчитывает контрольную сумму по первым четырем байтам и сравнивает результат с пятым. Если суммы совпадают, то приемник отсчитывает 48 байт и вычисляет контрольную сумму снова. При выполнении данного условия несколько раз подряд можно считать, что границы ячеек определены правильно. Если контрольные суммы не совпадают, производится сдвиг временного окна и поиск продолжается. Вероятность того, что контрольная сумма будет правильно подсчитана по находящимся в информационной части ячейки пользовательским данным исчезающе мала.
Рассмотрим случай, когда ячейка содержит одни нули. В этом случае контрольная сумма, вычисленная с помощью обычного циклического кода, будет также равна нулю. Следовательно, вычисление контрольной суммы должно проводиться по алгоритмам, отличным от простого циклического кода.
Конкретной реализацией алгоритма является вычисление контрольной суммы с помощью циклического кода с последующим поразрядным сложением контрольной суммы по модулю 2 с определенной “маской”. Даже в случае нулевой контрольной суммы результат будет отличен от нулевого. На приеме перед вычислением контрольной суммы маска снимается.
Результирующая скорость передачи нагрузки (без учета заголовков ячеек) при использовании STM-1 составляет около 135 Мбит/с. (Реально скорость передачи оказывается несколько ниже и в значительной степени зависит от уровня AAL, что подробнее будет описано ниже).
Поток T1, 1.544 Мбит/с
Операторы магистральных сетей Северной Америки могут предлагать для АТМ поток T1. Формат кадра T1 содержит 24 последовательно идущих байта (октета) и один бит заголовка для целей синхронизации. Применяется специальный порядок следования битов заголовка, что позволяет их идентифицировать, и тем самым определить структуру кадра.
Рассмотрим вопрос определения границ ячеек.
Как показано на рисунке, скорость передачи нагрузки (ячеек) с помощью T1 составляет около 1.4 Мбит/с.
Поток T3, 44 Мбит/с
Цифровой поток T3 плезиохронной цифровой иерархии является еще одним важным интерфейсом АТМ (по крайней мере для США, где он будет оставаться доминирующим в течение нескольких ближайших лет). Несмотря на преимущества технологии SDH, данные сети не получили достаточно широкого распространения, в то время как системы плезиохронной цифровой иерархии широко эксплуатируются на сетях связи.
Рассмотрим структуру кадра передачи T3. Передача бит осуществляется последовательно слева направо сверху вниз. Первый бит кадра несет служебную информацию, затем следуют 84 бита информационной нагрузки, затем еще один бит служебной информации и так далее. Длительность кадра составляет 106,4 мкс. Скорость передачи нагрузки составляет 44,21 Мбит/с.
Определение границ ячеек при использовании цифрового потока T3
В данном случае имеется битовый поток блоками по 84 бита. Необходимо анализировать данный поток бит, чтобы определить границы ячеек. Кроме того, желательно иметь кадр длительностью 125 мкс с точки зрения совместимости с SDH и системами плезиохронной цифровой иерархии. В процессе обработки кадра DS-3 осуществляется как определение границ ячеек, так и разбиение на кадры по 125 мкс.
Эти операции осуществляются с помощью специального заголовка кадра, состоящего из двух байт синхросигнала, байта номера кадра и байта признака вставки. Приемник начинает определение границ ячеек с поиска синхросигнала, после чего считывает номер кадра. Затем пропускаются следующие за номером кадра 54 байта. За этими байтами должен опять следовать синхросигнал и очередной на единицу меньший номер кадра. Если это так, то считается, что границы ячеек определены. Тем не менее, приемник продолжает проверять границы ячеек по указанному алгоритму для подтверждения временной позиции начала ячеек в кадре DS-3.
Длительность кадра увеличивается со значения 106,4 мкс до 125 мкс вставкой размером 13 или 14 бит. Длина вставки определяется байтом признака вставки.
Скорость передачи нагрузки в данном случае составляет около 37 Мбит/с.
Поток E1, 2.048 Мбит/с
Интерфейс Е1 очень широко распространен в Европе.
На рисунке приведен формат кадра Е1. Кадр содержит 32 байта (октета), повторяющихся с периодом 125 мкс. Байты 0 и 16 используются для синхронизации и других служебных целей. Остальные 30 байт используются для передачи ячеек.
Следовательно, данный физический уровень может переносить ячейки со скоростью 1.920 Мбит/с.
Для определения границ ячеек так же, как и в случае SDH и T1, используется поле HEC.
Поток Е3, 34 Мбит/с
На рисунке показан один кадр потока Е3. Его длительность составляет 125 мкс. Кадр содержит 9 строк по 59 байт в каждом и 6 дополнительных байт для передачи сигналов синхронизации и служебной информации. Скорость потока составляет 34.368 Мбит/с. Емкость по переносу ячеек составляет 33.92 Мбит/с.
Для определения границ ячеек также используется HEC.
Поток J2, 6.312 Мбит/с
Этот физический уровень применяется в магистральных сетях Японии. Хотя скорость потока J2 аналогична североамериканскому потоку DS2, использование битов этих потоков отличается.
На рисунке показаны четыре кадра длительностью 125 мкс. Каждый кадр содержит 98 восьмибитных канальных интервала (784 бита) и 5 бит заголовка (биты F), следующие в специальном порядке. Два последних канальных интервала не используются для переноса ячеек.
Неэкранированный симметричный кабель категории 3, 25.6 Мбит/с
Физическим уровнем с наименьшей скоростью private UNI является интерфейс 25 Мбит/с на основе неэкранированного симметричного кабеля категории 3. Этот уровень был разработан специально с целью возможности использования существующей кабельной проводки внутри здания для соединения рабочего места пользователя и кабельного шкафа. Таким образом, данный интерфейс позиционируется как АТМ пользователя (desktop ATM).
Основой для данного интерфейса послужил физический уровень протокола Token Ring. Он был модифицирован следующим образом.
Определение границ ячеек производится следующим образом. Из состава служебных символов выделяется специальный символ (символ Х). Данный символ помещается перед ячейкой. Поскольку содержимое ячейки кодируется 16-ю «информационными» символами и среди них не встречается символа Х, приемник легко определяет границы ячейки. Символ Х повторяется дважды.
Другой особенностью, отличающей физический уровень 25 Мбит/с от Token Ring, является использование скремблирования с предустановкой. Если предустановка скремблера на приеме не требуется, то вместо второго символа Х передается символ 4.
Кодирование 8В10В, 155 Мбит/с
Предусмотрен еще один интерфейс со скоростью передачи 155 Мбит/с, основанный на использовании так называемого линейного кодирования 8В10В. Скорость передачи была специально выбрана совпадающей со скоростью передачи STM-1, но способ определения границ ячеек и кодирования бит различаются.
Этот физический интерфейс может применяться при использовании многомодового оптического волокна длиной до 2 км и экранированного симметричного кабеля длиной до 100 м. Экранированный симметричный кабель используется для проводки внутри здания.
Идея линейного кодирования 8В10В сводится к тому, что 10 бодовых (символьных) интервалов в линии несут 8 бит информации. Линейный сигнал обладает наиболее предпочтительной формой спектральной плотности мощности и мало подвержен межсимвольной интерференции.
Определение границ ячеек осуществляется при помощи специального синхросигнала (СС) длительностью 5 символьных интервалов. Синхросигнал уникален и не может повториться в пользовательских данных. Следовательно, его достаточно легко обнаружить и тем самым определить границы ячеек. За синхросигналом следует 48 символьных интервалов, зарезервированных для передачи служебной информации (СИ). За ячейкой СИ следуют 26 ячеек, содержащих информацию пользователей.
Таким образом, имеется повторяющаяся структура из синхросигнала, ячейки СИ, 26 “пользовательских ячеек”, затем опять синхросигнал и т.д.
Скорость передачи ячеек составляет 135,6 Мбит/с, что эквивалентно аналогичному показателю для STM-1.
Это очень удобно. Например, можно использовать симметричный кабель для проводки от рабочего места до распределительного шкафа, а затем осуществить переход к STM-1, используемому в распределенной по площади корпоративной сети. Данный переход может быть осуществлен на физическом уровне соответствующим преобразователем, не нуждающимся в наличии буферов из-за равенства скоростей преобразуемых потоков.
Заметим, что данный блочный код не является изобретением Форума АТМ и соответствует применяемому в стандарте Fiber Channel. Позицией Форума АТМ является применение, по возможности, известных стандартов, пригодных для использования в технологии АТМ.
Кодирование 4В5В, 100 Мбит/с
Существует еще один физический уровень со скоростью передачи 100 Мбит/с. Его параметры соответствуют параметрам технологии FDDI. Так же, как и в FDDI используется линейное кодирование 4В5В, т.е. 5 символьных интервалов кодируют 4 бита информации.
Определение границ ячеек осуществляется поиском специального символьного интервала ТТ. Данный интервал вставляется перед каждой ячейкой и легко обнаруживается приемником, поскольку используется только для целей разграничения и не встречается в ячейках.
Уровень АТМ
Ячейка АТМ интерфейса UNI
В предыдущем разделе был рассмотрен перенос ячеек через физическое соединение с помощью физического уровня АТМ. В данном разделе рассмотрим, что представляют из себя собственно ячейки АТМ и каким образом ячейки достигают получателя.
Управляющие поля ячейки показаны на рисунке.
Задержка при разбиении данных на короткие ячейки
Первый вопрос, который возникает о размере ячейки, это: “Почему 53 байта?”. Это не часто используемое число, к тому же не очень большое. Рассмотрим причины, почему длина ячейки была выбрана именно такой.
Рассмотрим задачу заполнения ячейки. Если ячейка имеет 48 байт нагрузки, то первый отсчет речевого сигнала будет находиться в частично заполненной ячейке в течение 40 периодов дискретизации и после этого будет направлен в сеть. То есть первый отсчет будет задержан на время около 5 мс, прежде чем ячейка будет направлена в сеть. Этот эффект называется “задержка, возникающая при разбиении данных на пакеты” или “задержка пакетизации” (“packetization delay”) и очень важен при работе с трафиком, требующим реального масштаба времени при передаче (изохронный трафик). Типичным примером изохронного трафика является речевой сигнал.
Примером влияния задержки на качество передачи речи может служить ведение переговоров по спутниковому каналу (задержка около 250 мс в одну сторону). Наряду с неудобством ведения переговоров из-за снижения чувства контакта между абонентами возможно возникновение мешающих эхосигналов. Данные проблемы могут возникать и при небольшой задержке порядка 10..100 мс.
Размер ячейки должен быть малым для обеспечения малого времени задержки. Однако, необходим некоторый заголовок ячейки для обеспечения ее доставки по назначению. На рисунке показана зависимость процентной величины заголовка в пакете при использовании заголовка длиной 5 байт от размера (числа байт) нагрузки.
С другой стороны, нельзя сильно уменьшать длину ячейки, чтобы не терять эффективность.
Следовательно, при выборе длины ячейки необходимо найти компромисс между приемлемой величиной задержки и достаточно высокой эффективностью. При использовании заголовка длиной 5 байт и 48 байт нагрузки размер заголовка составляет около 10%.
Очереди при малых ячейках
Кроме абсолютной величины задержки очень важным параметром является изменение величины задержки, называемый также “вариация задержки” или “джиттер задержки” (delay variation).
В качестве примера рассмотрим источник сообщений длиной 100 байт, которые необходимо передавать с помощью цифрового потока DS-3. Будем рассматривать не всю сеть, а только одно соединение. Предположим также, что данное соединение используют совместно с данным еще 100 источников сообщений. Какие случаи будут наилучшими и наихудшими с точки зрения задержки для сообщения длиной 100 байт?
Наилучшим случаем, является тот, когда в момент появления сообщения от нашего источника отсутствуют сообщения от прочих источников. Сообщение направляется в линию практически без задержки.
Наихудшим является случай одновременной активности всех источников. При этом необходимо ждать пока все прочие источники отправят свои ячейки: посылается одна ячейка, ожидается пока свои ячейки отправят остальные 100 источников, затем посылается следующая ячейка и т.д.
Рассмотрим этот наихудший случай. Если длина нагрузки в ячейке мала, то необходимо передавать много ячеек и эффективность передачи мала. Если длина нагрузки в ячейке велика, то приходится долго ждать, пока прочие источники завершат передачу своих ячеек.
В качестве аналогии можно привести время ожидания проходящего поезда на железнодорожном переезде. Чем длиннее поезд, тем дольше приходится ждать, пока он пройдет и шлагбаум будет открыт. И, конечно, ждать почти не придется, если вагоны будут следовать раздельно.
По мере увеличения длины ячейки время ожидания доступа к линии растет почти линейно. На рисунке видны некоторые колебания зависимости задержки на ожидание от длины нагрузки ячейки для малых длин ячеек.
Почему 53 байта?
Естественно, важный вопрос выбора размера ячейки подвергался интенсивному анализу со стороны многочисленных экспертов.
В Европе определяющим параметром являлась задержка, возникающая при разбиении данных на ячейки. Европейские телефонные сети, в основном, не очень большие и на них практически не используется технология эхокомпенсации. Для европейских операторов нежелательно оборудовать сети эхокомпенсаторами, поэтому они предложили использовать небольшую длину нагрузки ячейки.
На сети Северной Америки технология эхокомпенсации применяется уже давно, поскольку ряд каналов данной сети имеет значительную протяженность. Операторы североамериканской сети предпочитали сделать длину нагрузки в ячейке достаточно большой, чтобы не терять эффективность при достаточно большой доли заголовка в ячейке.
МСЭ-Т, являясь международной организацией, выбрал компромиссное решение: применять в ячейках АТМ 48 октетов нагрузки и 5 октетов заголовка.
Виртуальные соединения
Итак, длина ячейки АТМ зафиксирована на 53 байтах. Далее рассмотрим каким образом ячейки перемещаются от источника к получателю.
Таким образом, заголовок ячейки меняется при ее прохождении через коммутатор. Конечно, информация (нагрузка) остается без изменений.
Значения VPI/VCI меняются по двум причинам. Во-первых, всего может быть около 17 миллионов значений VPI/VCI. Если сеть очень велика, то данного числа может не хватить для описания соединений всей сети.
Впрочем, возможно более важным является соображение администрирования уникальных значений VPI/VCI в большой сети. Например, как можно гарантировать, что устанавливаемое в Хабаровске новое соединение будет иметь уникальное значение, отличное от всех уже существующих в мире?
Интересно отметить, что оба эти соображения весьма актуальны для глобальной сети Internet, где доступно ограниченное число адресов IP. Если сделать адресное пространство достаточно большим для обслуживания универсальных адресов, то размер заголовка в сравнении с нагрузкой будет неприемлемым.
Значение VPI/VCI является значимым только в отношении данного интерфейса. Действительно, в примере значение “37” используется для обоих интерфейсов, но не возникает двусмысленности, поскольку они являются физически различными. Существует отдельная запись для значения 37 порта 2, которому, конечно, соответствует другой пункт назначения.
Таким образом, комбинация значений VPI/VCI позволяет сети ставить в соответствие конкретную ячейку конкретному соединению, и, следовательно, направлять ячейку по назначению.
Виртуальные пути и виртуальные каналы
Почему применяются различные значения VPI и VCI? Одно из возможных применений показано на рисунке. Существуют два способа установления соединения на сети АТМ. В рассмотренной выше таблице соединений коммутатора VPI-0/VCI-37 транслируется в VPI-0/VCI-76 с тем же значением виртуального пути.
Предположим, что имеется транспортная сеть и необходимо соединить два пункта посредством АТМ. Очевидно, было бы хорошо иметь пучок соединений. Тогда возможно устанавливать и разъединять виртуальные каналы между двумя пунктами без обращения к транспортной сети и, что более важно, без выполнения протоколов соединения транспортной сети.
В этом собственно и состоит смысл виртуального пути. В приведенном на рисунке примере показан виртуальный путь VPI=3, содержащий два виртуальных канала. Эти виртуальные каналы коммутируются как пучок и направляются далее в сеть без изменения значений VCI.
Сеть не меняет (не обращает внимания) значения VCI и рассматривает только поле VPI. Поле VPI может меняться (что и показано на рисунке), но пучок в целом проходит через сеть как единый объект. При необходимости добавления еще одного канала в пучок должно взаимодействовать только оконечное оборудование. Нет необходимости перенастраивать сеть и обращаться к оператору сети. Такой тип обслуживания называется службой виртуального пути (Virtual Path Service).
Приоритет потери ячейки
Наверное еще не было другого одиночного бита в истории телекоммуникаций, который выполнял бы столько функций и был бы так важен, как бит приоритета потери ячейки (cell loss priority). Во всяком случае, это наиболее важный бит в заголовке ячейки АТМ.
Назначение данного бита следующее. Ячейки с установленным битом CLP будут сброшены до сброса ячеек, у которых данный бит не установлен. Иначе говоря, при наличии данного бита ячейка несет в себе признак “сбрось меня”.
Рассмотрим причины, по которым ячейки могут помечаться как излишние. Во-первых, данный признак может установить терминальное (пользовательское) оборудование. Например, это может быть желательно, когда используются услуги глобальной транспортной сети и имеет место экономическая целесообразность использовать ячейки с низким приоритетом. Также это может использоваться при установке различных приоритетов различным типам трафика, когда используется согласованный уровень услуг.
Кроме того, бит приоритета потери ячейки может быть установлен сетью АТМ. Для уяснения принципов установки данного бита сетью рассмотрим принципы управления трафиком сети АТМ.
Категории обслуживания АТМ
Одной из ключевых идей АТМ является гарантия качества обслуживания. Рассмотрим основные категории обслуживания.
Управление трафиком
Сеть АТМ должна однозначно и заблаговременно определять свои ресурсы. Сеть должна поддерживать различные типы трафика и предоставлять услуги различного уровня.
Например, качественная передача речи требует малой задержки и малого джиттера задержки. Сеть должна определить свои ресурсы, чтобы это гарантировать. Решением этой проблемы является так называемое управление трафиком (traffic management).
При установке соединения (канала или пути) терминал устанавливает с сетью соглашение по трафику (traffic contract). Это позволяет сети АТМ или сети оператора проанализировать существующие возможности сети и определить может ли устанавливаемое соединение обеспечить предъявляемые к нему требования. Если ресурсы сети недостаточны, в соединении будет отказано. При наличии ресурсов сеть находит маршрут с достаточной емкостью для обеспечения характеристик трафика.
Пока все выглядит прекрасно, но проблема заключается в том, что характеристики трафика конкретного приложения редко известны точно. Рассмотрим передачу файлов. Казалось бы, что может быть проще. Однако, до начала передачи неизвестно какого размера файлы и как часто предполагается передавать. Следовательно, невозможно заранее определить, какими будут характеристики трафика.
Итак, идея управления трафиком заключается в следующем. Сеть “смотрит”, выполняют ли приходящие ячейки соглашение по трафику. Ячейки, нарушающие соглашение (неконформные ячейки), имеют установленный бит CLP. Это означает, что они являются претендентами на сброс. Однако, это не означает, что неконформные ячейки будут обязательно сброшены, а только то, что они будут сбрасываться первыми при перегрузке сети.
Теоретически, если ресурсы сети определены правильно, сброс всех ячеек с установленным битом CLP будет являться результатом поддержания уровня обслуживания в некоторой точке сети. Следовательно, это является критичным для достижения цели АТМ: для гарантирования качества обслуживания (или нескольких типов качества обслуживания) необходимы различные типы трафика.
Основной алгоритм скорости ячеек
Данный алгоритм точно определяет, когда поток ячеек нарушает или не нарушает соглашение по трафику. Рассмотрим последовательность прибывающих ячеек. Эта последовательность обрабатывается для определения того, какая ячейка нарушает соглашение.
Алгоритм определяется двумя параметрами: инкрементный параметр “l” и ограничивающий параметр “L”. Представим ведро с дырой в дне. Одна порция жидкости вытекает из ведра за один период времени.
Параметр “l” управляет тем, как часто порция жидкости может быть налита в ведро. Это также можно представлять, как время, которое должно проходить между ячейками. Следовательно, “скорость” поступления порций жидкости в секунду обратно пропорциональна значению параметра “l”. Чем больше “l”, тем больше время, которое должно пройти между допустимыми порциями, т.е. скорость передачи снижается.
Параметр “L” схож с параметром “l”, за исключением того, что “L” влияет на размер выбросов нагрузки, которые могут быть обслужены. Таким образом, “l” и “L” вместе определяют размер ведра.
Предположим, что l=1. В этом случае ячейка может быть передана сразу же после того, как она появилась на приемном порту, т.е. скорость передачи ячеек равна скорости канала (линии). Если l=2, то ячейка может быть передана в каждый второй промежуток времени, т.е. скорость передачи ячеек будет составлять половину скорости канала (линии). (Здесь, для простоты, мы игнорируем параметр “L”). Таким образом, 1/l представляет собой допустимую скорость передачи ячеек как часть скорости передачи ячеек в линии. Другими словами, скорость передачи ячеек (ячейки/сек) = (1/l) ´ скорость передачи ячеек в линии (ячейки/сек).
Чтобы быть чуть более конкретными, представим, что в ведро наливается вода и что из ведра через дыру выливается один литр воды в единицу времени (за время передачи ячейки). Каждый раз, когда в сеть для данного соединения поступает ячейка, то сидящий рядом с ведром контролер трафика выливает в ведро “l” литров воды. Конечно, вода начинает вытекать.
Если l=2, то только одна из двух ячеек приводит к помещению порции воды в ведро. Другая ячейка может содержать “воду” для другого интерфейса или она может быть просто “пустой”.
Если ведро изначально пусто, то в него может поместиться много порций воды, но в конце концов оно заполнится. Конечно хорошо, если это случится попозже. Общая скорость, которая может быть обслужена, зависит от разницы между величиной “l” и скоростью вытекания. “l” определяет общую (“долгосрочную”) скорость передачи ячеек. “L” определяет размер неравномерности нагрузки, поскольку он определяет размер ведра. Следовательно, “L” определяет каким образом ячейки проходят через сеть. Это иллюстрируется двумя следующими подразделами.
Равномерный трафик
Рассмотрим работу алгоритма GCRA на примере равномерного трафика.
На диаграмме показано поступление ячеек, а также состояние ведра до (t-) и после (t+) поступления ячейки.
Если в следующей момент поступит ячейка, то она будет нарушать соглашение, т.к. в ведре нет места для очередных полутора литров воды. Предположим, что мы выполняем правила и не посылаем очередной ячейки, т.е. уровень воды в ведре остается прежним. В следующий момент вытекает и оставшаяся вода и мы снова имеем пустое ведро, т.е. то состояние, с которого начали.
Неравномерный трафик
В данном примере передаются три ячейки и ведро после них заполнено почти полностью, т.к. инкрементный параметр достаточно велик. После этого приходится ждать (и достаточно долго), пока вода будет выливаться из ведра литр за литром, прежде чем можно будет передавать очередную ячейку. Если дождаться момента полного освобождения ведра, то можно будет опять передать очередную порцию из трех ячеек.
Этот пример демонстрирует тот факт, что увеличение ограничивающего параметра позволяет обслуживать значительно неравномерный тип трафика.
Идентификатор типа нагрузки
Опять же, если ячейка пользовательская, третий бит переносится сетью прозрачно. В настоящее время он определен только для использования уровнем адаптации АТМ AAL5.
Основное управление потоком
Поле GFC в настоящее время еще не определено, зарезервировано и принято равным нулю. Возможным использованием этого поля может являться управление потоком или множественный доступ к разделяемой сети АТМ с использованием местных средств доступа.
Контрольная сумма заголовка
HEC может использоваться в двух режимах. Первым является режим обнаружения ошибок с помощью циклического кода (CRC). Если ошибка в заголовке обнаруживается, то ячейка сбрасывается. Вторым режимом является режим исправления одиночных ошибок. Применение того и другого режима зависит от используемой физической среды. Если используется оптическое волокно, то исправления однократной ошибки оказывается вполне достаточно, поскольку в данной физической среде наиболее вероятны такие ошибки. При использовании в качестве физической среды медного кабеля наиболее вероятно группирование ошибок. В данном случае применение режима исправления однократной ошибки увеличивает риск восприятия многократной ошибки как однократной и ее неправильного “исправления”. Это происходит потому, что свойства обнаружения ошибок ухудшаются в режиме исправления ошибок.
Отметим, что HEC пересчитывается от соединения к соединению, поскольку она зависит от значений VPI/VCI, которые меняются при прохождении через сеть.
АТМ коммутация
АТМ коммутация
Рассмотрев физический уровень и заголовок ячейки, рассмотрим как коммутируются ячейки. В данном разделе дается общее описание способов коммутации, применяемых в коммутаторах АТМ.
На рисунке показана общая схема коммутатора. В состав коммутатора входит коммутационное поле определенного типа, а также входные и выходные процессоры.
Входной процессор анализирует заголовок и определяет в какой выходной порт должна направляться ячейка. Коммутатор использует рассмотренную выше таблицу соединений, причем ярлык может применяться или не применяться. (Обычно ярлык используется. Ярлык (tag) является сообщением процессора коммутационному полю, в котором коммутационному полю сообщается каким образом обрабатывать данную ячейку. Ярлык используется только внутри коммутатора, его формат различен для разных коммутаторов и зависит от типа коммутационного поля.)
Заметим, что коммутационное поле, входные и выходные процессоры могут буферизировать информацию. Когда говорят о коммутаторе с буферизацией по входу, коммутаторе с буферизацией по выходу или коммутаторе с буферизацией в коммутационном поле, то это означает, что в данном узле производится основная буферизация ячеек.
Разделяемая магистраль
Небольшие коммутаторы АТМ, применяемые в локальных сетях, обычно строятся на основе общей среды, чаще всего разделяемой магистрали (шины) (Shared Backplane). На рисунке показаны входные процессоры, преобразующие VPI/VCI в ярлык. Доступ входных процессоров к общей разделяемой шине осуществляется на основе арбитража шины. Один из входных процессоров получает доступ к шине и посылает ячейку через общую шину на входы всех выходных процессоров.
Выходные процессоры анализируют ярлык с целью установления принадлежности данной ячейки данному выходному процессору. Выходной процессор, которому предназначается ячейка, считывает ее с шины, убирает ярлык (это выполняет фильтр ярлыков) и записывает ячейку в выходной буфер для последующей передачи в линию.
Заметим, что поскольку каждый выходной процессор видит каждую ячейку, то для данной архитектуры вполне естественной является передача широковещательных сообщений. Для этой цели возможно использование специального типа ярлыка.
Очень важным моментом в коммутации АТМ является управление выходным буфером. Наличие выходного буфера необходимо, поскольку на данный выходной порт могут поступать ячейки с нескольких входных портов и эти ячейки необходимо хранить до того, как они будут направлены в линию.
На рисунке не случайно показаны два буфера. Почему два? Прежде всего по тому, что обычно гарантируются два типа качества обслуживания.
Например, для речи желательно иметь малую задержку. На практике допустимо даже потерять ячейку с речевой информацией, нежели получить ее со значительной задержкой. Такой тип трафика можно направлять в отдельный относительно малый буфер.
Передача данных, в отличие от речи, предъявляет совершенно другие требования. В этом случае потеря ячеек крайне нежелательна, поэтому для данного типа трафика организуется относительно большой буфер. Это несколько увеличит задержку на передачу данных, но потери ячеек будут существенно меньше.
Разделяемая память
Еще одной возможной архитектурой является так называемая “разделяемая” или “коллективная память” (Shared Memory). Это двухпортовая память с возможностью чтения и записи в N раз быстрее скорости поступления ячеек с портов (N – число портов).
Входные процессоры принимают ячейки. Устройство управления очередью определяет последовательность записи ячеек в буферы разделяемой памяти и считывания ячеек в буферы выходных процессоров. Назначение выходных процессоров аналогично рассмотренному выше.
В данной архитектуре передача широковещательных сообщений обеспечивается хранением ячеек в буферах разделяемой памяти и их многократной записью в выходные порты. В данном случае основная буферизация производится в разделяемой памяти, т.е. в коммутационном поле.
Пространственное разделение
Третьим типом архитектуры является пространственное разделение на основе простейших коммутационных элементов (self-routing fabric). Эта технология позволяет строить коммутационные элементы на основе многих небольших логических элементов.
Ярлык идентифицирует назначение ячейки. Каждый элемент принимает логическое решение. Например, допустим, что входящая ячейка получила ярлык 111. Первый бит анализируется на первом шаге. Поскольку он равен 1, ячейка коммутируется на нижний выход элемента и попадает на вход второго логического элемента. Он анализирует второй бит ярлыка и, поскольку он равен 1, также коммутирует ячейку на свой нижний выход. Третий элемент обнаруживает, что третий бит ярлыка также равен 1, и направляет ячейку на нижний выходной порт. Следовательно, ячейка с ярлыком 111 коммутируется на нижний порт независимо от номера входного порта, с которого она поступила. Таким образом, ярлык однозначно определяет номер выходного порта.
Однако, в данной архитектуре возможен конфликт при одновременной коммутации нескольких ячеек, поскольку ячейки могут предназначаться для одного и того же выходного порта. Для предотвращения этого используются определенные технические решения, основанные на анализе возможности появления таких конфликтов. После принятия решения о возможном возникновении конфликта одна из потенциально конфликтующих ячеек временно задерживается во входном буфере.
Одной из интересных особенностей данной архитектуры является то, что увеличивая число столбцов и строк логических элементов, можно получить достаточно большое число портов. Соответственно можно получать все большие и большие коммутаторы. Поэтому иногда данную архитектуру называют бесконечно наращиваемой коммутационной технологией.
Постоянные виртуальные соединения
В предыдущих подразделах мы рассмотрели, каким образом устанавливаются соединения внутри коммутаторов АТМ. Каким же образом устанавливаются соединения на сети?
Такие соединения наиболее целесообразно устанавливать на сети АТМ с малым числом подключенных устройств со стабильным местоположением (аналогом может служить телефонная сеть, построенная на основе выделенных линий). Так же эти соединения целесообразно устанавливать, если имеется значительное информационное тяготение между двумя пунктами сети. В этом случае нет необходимости часто устанавливать и отменять соединения. Именно поэтому данные соединения получили название постоянных.
Коммутируемые виртуальные соединения
Для возможности установления коммутируемых соединений используется протокол сигнализации (signaling protocol). Для целей сигнализации в качестве канала сигнализации зарезервировано значение VPI/VCI=0/5.
SVC устанавливается менее чем за секунду.
Установление соединения
Рассмотрим процесс установления SVC более подробно.
Предположим, что абонент А хочет связаться с абонентом Б. Сначала по сигнальному каналу передается сообщение “установка” (setup). Это сообщение содержит множество информации, в том числе адреса обоих абонентов, характеристики трафика, требуемое качество обслуживания. Кроме того, в сообщении установки содержится идентификатор (указатель) вызова, поскольку с помощью канала сигнализации VPI/VCI=0/5 устанавливается множество соединений и они должны быть различимы для сети.
Сеть проверяет ресурсы, ищет пути, и т.д., стараясь найти путь к вызываемому абоненту с соответствующими характеристиками.
Следующий момент является эквивалентом вызова (звонка). Сообщение, поступающее в терминал вызываемого абонента, индицирует входящий вызов, включает информацию о характеристиках трафика и пр.
Вызываемый терминал подтверждает получение данной информации. Терминал как бы говорит сети: “Хорошо, я подумаю” и начинает проверку своих собственных ресурсов на соответствие предъявляемым к соединению требованиям.
Предположим, что у вызываемого терминала достаточно ресурсов. Тогда он посылает сети сообщение о соединении со смыслом “Я готов!”.
Данное сообщение о соединении проходит обратно через сеть к вызывающему терминалу, которое говорит: “Соединение установлено. Можно начать передачу информации”.
Устанавливаемое соединение помечается в таблицах соединений коммутаторов сети. Если по каким-либо причинам соединение не может быть установлено, то сеть должна быть возвращена в исходное состояние и сделанные ранее записи для этого соединения должны быть удалены из таблиц.
Нумерация в АТМ
Для правильной работы протокола сигнализации необходима некоторая схема нумерации сети. Вероятно, корпоративные сети АТМ будут использовать нумерацию Network Service Access Point (NSAP) Международной организации стандартизации (МОС), прежде всего по причине наличия административного процесса получения номера. (Одним из важнейших моментов нумерации является уверенность в уникальности нового присвоенного номера. Этим занимается административный орган МОС, реализующий стандарты нумерации МОС. Например, вы являетесь правительственной организацией. Для правительственных организаций зарезервирован блок адресов, и организация имеет право получить соответствующие номера. Оператор большой корпоративной сети может получить блок номеров по заявке. Малая сеть может получить номера через системного интегратора.)
Сети АТМ общего пользования возможно будут использовать нумерацию по рекомендации Е.164 МСЭ-Т аналогично нумерации автоматически коммутируемых телефонных сетей общего пользования. Использование иной схемы нумерации может только задержать внедрение АТМ в сети общего пользования.
Формат адреса для корпоративных сетей
Для того, чтобы схема адресации была применима, должен быть стандартизирован формат адреса, понимаемый всеми коммутаторами в системе. Например, для телефонной связи используется определенный формат номера для вызовов внутри страны. При международном вызове этот формат дополняется кодом страны.
Каждое сообщение о установке соединения содержит два поля: идентификаторы вызываемой и вызывающей сторон.
На рисунке показаны три формата адресов, которые были определены Форумом АТМ. Первый байт в поле адреса идентифицирует используемый формат адреса. (Значения этого поля, отличные от трех приведенных, зарезервированы и/или используются для других целей).
Рассмотрим данные три формата.
Независимо от используемого формата необходимо достичь официальной глобальной уникальности номеров во избежание конфликтов при росте сети или при объединении нескольких сетей АТМ между собой.
За полями DCC, ICD или за полем номера Е.164 в случае использования этого формата следует поле маршрутизации. Для DCC и ICD оно содержит информацию о вызываемом адресе и может рассматриваться как адресное пространство. Термин “поле маршрутизации” подразумевает, что данное поле может содержать больше, чем просто адрес вызываемой стороны. В частности, механизм адресации должен быть достаточно иерархическим, чтобы обеспечивать маршрутизацию. В случае Е.164 использование поля маршрутизации в настоящее время не определено.
Каждый адрес в поле маршрутизации может означать конкретный коммутатор или даже конкретный UNI коммутатора. Если определяется коммутатор, то требуется больше информации для нахождения конкретного UNI. С другой стороны, если специфицируется UNI, то этого достаточно, чтобы обслуживать его как уникальный, глобально определенный адрес.
Регистрация адреса
В предыдущем подразделе были рассмотрены первые 13 байт адреса.
Рассмотрим случай адресации первыми 13 байтами адреса конкретного коммутатора. В этом случае коммутирующая система должна определить соответствующий вызываемый UNI.
Этот механизм может представлять интерес при создании большой “виртуальной корпоративной сети”, т.е. возможно получение адресов коммутации от соответствующей организации и затем местное распределение идентификаторов конечной системы. Преимуществом такого подхода является распределение индивидуальных адресов без привлечения сторонней организации. Однако, абоненту внешней сети необходимо знание значений обоих полей адреса для возможности вызова из внешней сети.
Байт селектора (S) не используется сетью АТМ, но передается ею прозрачно. Он может использоваться для определения некоторых параметров терминала, например, определять используемый стек протоколов.
Уровни адаптации АТМ
Классификация услуг МСЭ-Т
Механизм обработки содержимого ячеек предполагает некоторый систематизированный подход к классификации различных типов услуг, которые могут поддерживаться сетью АТМ. Рассмотрим, каким образом определяются протоколы уровней адаптации.
В таблице приведены результаты работы МСЭ-Т по определению классов услуг. Таблица читается по столбцам. Класс А имеет следующие характеристики:
Класс B имеет аналогичные характеристики за исключением переменной скорости потока. В ряде случаев переменная скорость потока может хорошо отражать неравномерный тип трафика (например, случай компрессированного видеосигнала).
Классы C и D имеют переменную скорость потока, но не имеют согласования по синхронизации. Они ориентированы на передачу данных и различие в них заключается в требовании установления соединения.