Глобальные сети АТМ

1 Введение

Глобальные сети (Wide Area Networks, WAN),которые также называются территориальными компьютерными сетями, служат для того, чтобы предоставлять свои сервисы большому количеству абонентов, разбросанных по большой территории. Ввиду большой протяженности каналов связи построение глобальной сети требует очень больших затрат, в которую входят стоимость кабелей и работ по их прокладке, затраты на коммутационное оборудование и промежуточную усилительную аппаратуру, обеспечивающую необходимую полосу пропускания канала, а также эксплутационные затраты на постоянное поддержание в работоспособном состоянии разбросанной по большой территории аппаратуры сети.

Типичными абонентами глобальной компьютерной сети является локальные сети предприятий, расположенные в разных городах и странах, которым нужно обмениваться данными между собой. Услугами глобальных сетей пользуются также и отдельные компьютеры. Крупные компьютеры класса мэйнфреймов обычно обеспечивают доступ к корпоративным данным, в то время как персональные компьютеры используются для доступа к корпоративным данным и публичным данным Internet.

Широкое распространение корпоративных сетей, которое сегодня стало очевидной тенденцией, приводит к существенным изменениям в архитектуре объединенных вычислительных сетей, в том числе Интернета.

Сегодняшние корпоративные вычислительные сети изначально возникли как островки локальных сетей, связанные друг с другом тоненькими мостиками межсетевых коммуникаций. Простая магистраль Ethernet с небольшой полосой пропускания вполне удовлетворяла тем требованиям, которые предъявлялись к ней при таком взаимодействии между сетями. Однако по мере того, как все большая часть информации и услуг сосредотачивалась на мощных централизованных серверах, перегруженные маршрутизаторы сетевой магистрали превратились в ее самое узкое место и начали существенно ограничивать взаимодействие между сетями.

Альтернативой технологии Ethernet является технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, АТМ), разработанная как единый универсальный транспорт для нового поколения сетей с интеграцией услуг, которые называются широкополосными сетями ISDN.

Сеть АТМ имеет классическую структуру крупной территориальной сети - конечные станции соединяются индивидуальными каналами с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы АТМ пользуются 20 - байтными адресами конечных узлов для маршрутизации трафика на основе техники виртуальных каналов.

Технология АТМ с самого начала разрабатывалась как технология, способная обслужить все виды трафика в соответствии с их требованиями

По планам разработчиков единообразие, обеспечиваемое АТМ, будет состоять в том, что одна транспортная технология сможет обеспечить несколько перечисленных ниже возможностей.

Передачу в рамках одной транспортной системы компьютерного и мультимедийного (голос, видео) трафика, чувствительного к задержкам, причем для каждого вида трафика качество обслуживания будет соответствовать его потребностям.

Иерархию скоростей передачи данных, от десятков мегабит до нескольких гигабит в секунду с гарантированной пропускной способностью для ответственных приложений.

Общие транспортные протоколы для локальных и глобальных сетей.

Сохранение имеющейся инфраструктуры физических каналов или физических протоколов: T1/E1, T3/E3, SDH STM-n, FDDI.

Взаимодействие с унаследованными протоколами локальных и глобальных сетей: IP, SNA, Ethernet, ISDN.

Главная идея технологии асинхронного режима передачи была высказана достаточно давно - этот термин ввела лаборатория ввела Bell Labs еще в 1986 году.

2 Принцип работы

АТМ - режим асинхронной передачи.

Это сетевая технология, в которой используют маленькие пакеты фиксированной длины, называемые ячейками.

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

Рассмотрим методы коммутации ячеек АТМ на основе полей VPC/VCI. Коммутаторы АТМ могут работать в двух режимах - коммутации виртуального пути и коммутации виртуального канала.

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

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

Таким образом технология АТМ применена на двух уровнях - на уровне адресов конечных узлов (работает на стадии установления виртуального канала) и на уровне номеров виртуальных каналов (работает при передаче данных по имеющемуся виртуальному каналу).

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

АТМ - это асинхронная технология, поскольку ячейки передаются по сети не занимая конкретных временных интервалов. Размер ячейки составляет 53 байта.

Технология АТМ обеспечивает сервис с установлением соединения, что означает, что для передачи данных сначала необходимо установить соединение между двумя оконечными пунктами (абонентской системы) с помощью специального протокола связи. После установления соединения АТМ-ячейки маршрутизируют сами себя, поскольку каждая ячейка содержит поля идентифицирующие соединения. К которым она относится.

Скорость передачи данных в АТМ достигает 2.5 Губит/с. Небольшой фиксированный размер ячейки обеспечивает предсказуемую пропускную способность и небольшую задержку в сети, что позволяет передавать различные виды информации (речь, видео голос). Кроме того, фиксированный размер ячеек позволяет реализовать алгоритм коммутации аппаратно, что позволяет устранить задержки, которые возникают при программной реализации алгоритмов.

2.1 Формат ячейки АТМ

Биты  8 7 6 5 4 3 2 1

Поле Управления потоком(Generic Flow Control) используется только при взаимодействии конечного узла и первого коммутатора сети. В настоящее время его точные функции не определены.

Поля Идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) и Идентификатор виртуального канала(Virtual Channel Identifier, VCI) занимает соответственно 1 и 2 байта. Эти поля задают номер виртуального соединения, разделенный на старшую(VPI) и младшую(VCI) части.

Поле Идентификатор типа данных (Payload Type Identifier, PTI) состоит из 3 - х бит и задает тип данных, переносимых ячейкой, - пользовательские или управляющие (например, управляющие установлением виртуального соединения). Кроме того, один бит этого поля используется для указания перегрузки в сети - он называется Explicit Congestion Forward Identifier, EFCI - и играет ту же роль, что бит FECN в технологии frame relay, то есть передает информацию о перегрузке по направлению потока данных.

Поле Приоритет потери кадра(Cell Loss Priority, CLP) играет в данной технологии ту же роль, что и поле DE в технологии frame relay - в нем коммутаторы АТМ отмечают ячейки, которые нарушают соглашения о параметрах качества обслуживания, чтобы удалить их при перегрузках сети. Таким образом, ячейки с CPL=0 являются для сети высокоприоритетными, а ячейки с CPL=1 - низкоприоритетными.

Поле Управление ошибками в заголовке (Header Error Control, HEC) содержит контрольную сумму, вычисленную для заголовка ячейки. Контрольная сумма вычисляется с помощью техники корректирующих кодов Хэмминга, поэтому она позволяет не только обнаруживать ошибки, но и исправить все одиночные ошибки, а также некоторые двойные. Поле HEC обеспечивает не только обнаружение и исправление ошибок в заголовке, но и нахождение границы начала кадра в потоке байтов кадров SDH, которые являются предпочтительным физическим уровнем технологии АТМ, или же в потоке бит физического уровня, основанного на ячейках.

Все выше перечисленные характеристики технологии АТМ не свидетельствуют о том, что это некая "особенная" технология, а скорее представляют ее как типичную технологию глобальных сетей, основанную на технике виртуальных каналов. Особенности же технологии АТМ лежат в области качественного обслуживания разнородного трафика и объясняются стремлением решить задачу совмещения в одних и тех же каналах связи и в одном и том же коммуникационном оборудовании компьютерного и мультимедийного трафика получил требуемый уровень обслуживания и не рассматривался как "второстепенный".

Трафик вычислительных сетей имеет ярко выраженный асинхронный и пульсирующий характер. Чувствительность компьютерного трафика к потерям данных высокая, так как без утраченных данных обойтись нельзя и их необходимо восстановить за счет повторной передачи.

Мультимедийный трафик, передающий, например, голос или изображение, характеризуется низким коэффициентом пульсаций, высокой чувствительностью к задержкам передачи данных (отражающихся на качестве воспроизводимого непрерывного сигнала) и низкой чувствительностью к потере данных (из-за инерционности физических процессов потерю отдельных замеров голоса или кадров изображения можно компенсировать сглаживанием на основе предыдущих и последующих значений).

Сложность совмещения компьютерного и мультимедийного трафика с диаметрально противоположными характеристиками хорошо видно на следующем рисунке.

a

 b 

Два типа трафика : a-компьютерный; b-мультимедийный

На возможности совмещения этих двух видов трафика большое влияние оказывает размер компьютерных пакетов.

Для пакета, состоящего из 53 байт, при скорости в 155 Мбит/с время передачи кадра на выходной порт составляет не менее 3 мкс. Так что эта задержка не очень существенна для трафика, пакеты которого должны передаваться каждые 125 мкс.

Выбор для передачи данных любого типа небольшой ячейки фиксированного размера еще не решает задачу совмещения разнородного трафика в одной сети, а только создает предпосылки для ее решения.

Разработчики технологии АТМ проанализировали всевозможные образцы трафика, создаваемые различными приложениями, и выделили 4 основных класса трафика, для которых разработали различные механизмы резервирования и поддержания требуемого качества обслуживания.

Класс трафика (называемый также классом услуг - service class) качественно характеризует требуемые услуги по передаче данных через сеть АТМ. Требования к синхронности передаваемых данных очень важны для многих приложений - не только голоса, но и видеоизображения, и наличие этих требований стало первым критерием для деления трафика на классы.

В результате было определено пять классов трафика, отличающихся следующими качественными характеристиками:

наличием или отсутствием пульсации трафика, то есть трафики CBR или VBR;

требованием к синхронизации данных между передающей и принимающей сторонами;

типом протокола, передающего свои данные через сеть АТМ, - с установлением соединения или без установления соединения (только для случая передачи компьютерных данных).

Основные характеристики классов приведены в таблице 1.

Очевидно что только качественных характеристик, задаваемых классом трафика, для описания требуемых услуг оказывается недостаточно. В технологии АТМ для каждого класса трафика определен набор количественных параметров, которые приложение должно задать. В технологии АТМ также поддерживается и набор основных количественных параметров для трафиков.

2.2 Классы трафика АТМ