Технология ATM: значение, расшифровка аббревиатуры. Способ передачи данных по сети, основы, принцип работы, преимущества и недостатки данной технологии. Сети и технологии ATM

АТМ — Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим транспортировки, который создавался как единая система для транспортировки разного трафика (голосовой,цифровой и тд) по одним каналам связи. Технологию АТМ когда-то считали самой универсальной и перспективной — от локальных сетей до глобальных магистралей. Но из-за большой цены и сложности реализации она ограничивается на глобальных и локальных магистралях.

Данные в этой технологии транспортируются в ячейках (call), конкретного размера — 53 байта, из которых доступными являются 48 байт. Коммутация ячеек имеет преимущества , а заключается в скачкообразном изменяющеимся трафике. Маленький размер ячеек отлично подходит к трафику, который чувствителен к задержкам. Также ее фиксированый размер разрешает на аппаратном уровне работать на большой скорости с ячейками.

Интерфейсы NNI и UNI

Технология ATM предполагает двухточечным соединением друг с другом. Коммутаторы поддерживают два типа интерфейса: UNI и NNI.

• UNI — пользовательский интерфейс для подключение конечных узлов к коммутатору
• NNI — межсетевой интерфейс, который реализован между коммутаторами

Сеть ATM с интерфейсами NNI и UNI показана на рис.1.

Рисунок — 1

ATM ачейки имеют 5-байтные заголовки, формат разный для UNI и NNI (рис.2). Поля ячеек имеют назначение:

• GFC — общее управление потоком. Поле существует в UNI и традиционно не используется
• VPI — идентификатор виртуальной сети, вместе с VCI определяет следующую точку назначения ячейки при транспортировке по каналам коммутаторов. Для NNI разрядность поля расширения, так как там больше виртуальных сетей
• VCI — идентификатор виртуальной линии
• PT — тип данных. Первый бит дает понять, данные пользовательские (0) или управляющие (1).Для пользовательских данных:
  • второй бит — для сигнализации о перегрузке
  • третий бит — признак последней ячейки в цепочке

  При управляющих данных, ячейки могут быть: передавать данные информационного потока (ОАМ), для управления, и еще один зарезервирован.

• HEC — контрольная последовательность, реализована только для заголовка. Разрешает исправлять однократные и выявлять многократные ошибки

Рисунок — 2, а — UNI, б — NNI

ATM принципиально работают с соединениями, в следствии которого должен быть реализован между абонентами виртуальный канал VC. Виртуальный путь — связка виртуальных каналов, которые коммутированы на основе общего VPI. Однако VCI и VPI имеют ценность для конкретного канала связи и перераспределяются на каждом коммутаторе. Существуют три типа сервиса АТМ:

• PVC — постоянные виртуальные цепи — реализуют прямую связь между узлами
• SVC — коммутируемые виртуальные цепи, устанавливаются динамически на время транспортировки данных
• Сервис без установки соединения

Архитектурная модель АТМ

Архитектурная модель АТМ показана на рис.3. В существует три плана, которые распространяются на все уровни:

• Управления — генерация и обслуживания запросов сигнализации
• Пользовательский — обслуживание транспортировки информации
• Менеджмент — управление функциями, специфическими для конкретных уровней и управление планами в комплексе

Рисунок — 3

Уровни модели ATM:

• Физический — аналогичный уровню OSI определяет методы транспортировки относительно среды
• Уровень АТМ — отвечает за транспортировку через сеть АТМ, реализуя данных их заголовков
• Уровень адаптации АТМ, AAL реализует изоляцию верхних протокольных уровней от деталей АТМ-процесса
• Высшие уровни, которые над AAL, принимают данные, оформляют их в виде пакетов для AAL

Физический уровень преобразует ячейки в биты и обратно, транспортирует и принимает биты, определяет границы ячеек и упаковывает ячейки в кадры. Физический уровень делится на два подуровня:

• PMD — Синхронизирует транспортировку и прием с непрерывными потоками, определяет физическую среду, типы кабелей и коннекторов. К примеру это каналы: SDH/SONET, DS-3/E3, транспортировка по ММ-волокну или витой паре со скоростью 155 Мбит/с с кодированием 8B/10B.
• Подуровень конвергенции передачи ТС определяет границы ячеек в потоке бит, проверяет и генерирует контрольное поле заголовка (HEC), согласует скорость транспортировки ячеек и упаковывает ячейки в кадры.

СЕРГЕЙ РОПЧАН

Абсолютно все о ATM

Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) разработана как единый универсальный транспорт для нового поколения сетей с интеграцией услуг, которые называются широкополосными сетями ISDN (Broadband-ISDN, B-ISDN).

По планам разработчиков единообразие, обеспечиваемое ATM, будет состоять в том, что одна транспортная технология сможет обеспечить несколько перечисленных ниже возможностей, то есть подразумевалось сделать эту технологию насколько возможно универсальной:

• 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: Т1/Е1, ТЗ/ЕЗ, 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 Bell Labs еще в далеком 1968 году. Основной разрабатываемой технологией тогда была технология TDM с синхронными методами коммутации, основанными на порядковом номере байта в объединенном кадре. Главный недостаток технологии TDM, которую также называют технологией синхронной передачи STM (Synchronous Transfer Mode), заключается в невозможности перераспределять пропускную способность объединенного канала между подканалами. В те периоды времени, когда по подканалу не передаются пользовательские данные, объединенный канал все равно передает байты этого подканала, заполненные нулями.

Попытки загрузить периоды простоя подканалов приводят к необходимости введения заголовка для данных каждого подканала. В промежуточной технологии STDM (Statistical TDM), которая позволяет заполнять периоды простоя передачей пульсаций трафика других подканалов, действительно вводятся заголовки, содержащие номер подканала. Данные при этом оформляются в пакеты, похожие по структуре на пакеты компьютерных сетей. Наличие адреса у каждого пакета позволяет передавать его асинхронно, так как местоположение его относительно данных других подканалов уже не является его адресом. Асинхронные пакеты одного подканала вставляются в свободные таймслоты другого подканала, но не смешиваются с данными этого подканала, так как имеют собственный адрес.

Технология ATM 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, в связи с чем облегчается анализ и мониторинг. 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. Технология ATM с самого начала разрабатывалась как технология, способная обслуживать все виды трафика в соответствии с их требованиями.

Службы верхних уровней сети B-ISDN должны быть примерно такими же, что и у сети ISDN – это передача факсов, распространение телевизионного изображения, голосовая почта, электронная почта, различные интерактивные службы, например проведение видеоконференций. Высокие скорости технологии ATM создают гораздо больше возможностей для служб верхнего уровня, которые не могли быть реализованы сетями ISDN – например, для передачи цветного телевизионного изображения необходима полоса пропускания в районе 30 Мбит/с. Технология ISDN такую скорость поддержать не может, а для ATM она не составляет больших проблем.

Разработку стандартов ATM осуществляет группа организаций под названием ATM Forum под эгидой специального комитета IEEE, а также комитеты ITU-T и ANSI. ATM – это очень сложная технология, требующая стандартизации в самых различных аспектах, поэтому, хотя основное ядро стандартов было принято в 1993 году, работа по стандартизации активно продолжается. Оптимизм внушает тот факт, что в ATM Forum принимают участие практически все заинтересованные стороны – производители телекоммуникационного оборудования, производители оборудования локальных сетей, операторы телекоммуникационных сетей и сетевые интеграторы.

Основные концепции технологии ATM

Сеть ATM имеет классическую структуру крупной территориальной сети – конечные станции соединяются индивидуальными каналами с коммутаторами нижнего уровня, которые, в свою очередь, соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Коммутаторы ATM пользуются 20-байтными адресами конечных узлов для маршрутизации трафика на основе техники виртуальных каналов. Для частных сетей ATM определен протокол маршрутизации PNNI (Private NNI), с помощью которого коммутаторы могут строить таблицы маршрутизации автоматически. В публичных сетях ATM таблицы маршрутизации могут строиться администраторами вручную, как и в сетях Х.25, или могут поддерживаться протоколом PNNI.

Коммутация пакетов происходит на основе идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI), который назначается соединению при его установлении и уничтожается при разрыве соединения. Адрес конечного узла ATM, на основе которого прокладывается виртуальный канал, имеет иерархическую структуру, подобную номеру в телефонной сети, и использует префиксы, соответствующие кодам стран, городов, сетям поставщиков услуг и т. п., что упрощает маршрутизацию запросов установления соединения, как и при использовании агрегированных IP-адресов в соответствии с техникой CIDR (техника захвата среды).

Виртуальные соединения могут быть постоянными (Permanent Virtual Circuit, PVC) и коммутируемыми (Switched Virtual Circuit, SVC), Для ускорения коммутации в больших сетях используется понятие виртуального пути – Virtual Path, который объединяет виртуальные каналы, имеющие в сети ATM общий маршрут между исходным и конечным узлами или общую часть маршрута между двумя коммутаторами сети. Идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) является старшей частью локального адреса и представляет собой общий префикс для некоторого количества различных виртуальных каналов. Таким образом, идея агрегирования адресов в технологии ATM 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).

Соединения конечной станции ATM с коммутатором нижнего уровня определяются стандартом UNI (User Network Interface). Спецификация UNI определяет структуру пакета, адресацию станций, обмен управляющей информацией, уровни протокола ATM, способы установления виртуального канала и способы управления трафиком. В настоящее время принята версия UNI 4.0, но наиболее распространенной версией, поддерживаемой производителями оборудования, является версия UNI 3.1.

Стандарт ATM не вводит свои спецификации на реализацию физического уровня. Здесь он основывается на технологии SDH/SONET, принимая ее иерархию скоростей. В соответствии с этим начальная скорость доступа пользователя сети – это скорость ОС-3 155 Мбит/с. Организация ATM Forum определила для ATM не все иерархии скоростей SDH, а только скорости ОС-3 и ОС-12 (622 Мбит/с). На скорости 155 Мбит/с можно использовать не только волоконно-оптический кабель, но и неэкранированную витую пару категории 5. На скорости 622 Мбит/с допустим только волоконно-оптический кабель, причем как SMF, так и MMF.

Имеются и другие физические интерфейсы к сетям ATM, отличные от SDH/SONET. К ним относятся интерфейсы Т1/Е1 и ТЗ/ЕЗ, распространенные в глобальных сетях, и интерфейсы локальных сетей – интерфейс с кодировкой 4В/5В со скоростью 100 Мбит/с (FDDI) и интерфейс со скоростью 25 Мбит/с, предложенный компанией IBM и утвержденный ATM Forum. Кроме того, для скорости 155,52 Мбит/с определен так называемый «cell-based» физический уровень, то есть уровень, основанный на ячейках, а не на кадрах SDH/SONET. Этот вариант физического уровня не использует кадры SDH/SONET, а отправляет по каналу связи непосредственно ячейки формата ATM, что сокращает накладные расходы на служебные данные, но несколько усложняет задачу синхронизации приемника с передатчиком на уровне ячеек.

Все перечисленные выше характеристики технологии ATM 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 ATM 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 таким образом, чтобы каждый тип трафика получил требуемый уровень обслуживания и не рассматривался как «второстепенный».

Подход, реализованный в технологии ATM, состоит в передаче любого вида трафика – компьютерного, телефонного или видео – пакетами фиксированной и очень маленькой длины в 53 байта. Пакеты ATM называют ячейками – cell. Поле данных ячейки занимает 48 байт, а заголовок – 5 байт.

Чтобы пакеты содержали адрес узла назначения и в то же время процент служебной информации не превышал размер поля данных пакета, в технологии ATM применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием – передача ячеек в соответствии с техникой виртуальных каналов с длиной номера виртуального канала в 24 бита, что вполне достаточно для обслуживания большого количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора глобальной (может быть всемирной) сети ATM.

Размер ячейки ATM является результатом компромисса между телефонистами и компьютерщиками – первые настаивали на размере поля данных в 32 байта, а вторые – в 64 байта.

Чем меньше пакет, тем легче имитировать услуги каналов с постоянной битовой скоростью, которая характерна для телефонных сетей. Ясно, что при отказе от жестко синхронизированных временных слотов для каждого канала идеальной синхронности добиться будет невозможно, однако чем меньше размер пакета, тем легче этого достичь.

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

Однако на выбор размера ячейки большее влияние оказала не величина ожидания передачи ячейки, а задержка пакетизации. Задержка пакетизации – это время, в течение которого первый замер голоса ждет момента окончательного формирования пакета и отправки его по сети. При размере поля данных в 48 байт одна ячейка ATM обычно переносит 48 замеров голоса, которые делаются с интервалом в 125 мкс. Поэтому первый замер должен ждать примерно 6 мс, прежде чем ячейка будет отправлена по сети. Именно по этой причине телефонисты боролись за уменьшения размера ячейки, так как 6 мс – это задержка, близкая к пределу, за которым начинаются нарушения качества передачи голоса. При выборе размера ячейки в 32 байта задержка пакетизации составила бы 4 мс, что гарантировало бы более качественную передачу голоса. А стремление компьютерных специалистов увеличить поле данных до 64 байт вполне понятно – при этом повышается полезная скорость передачи данных. Избыточность служебных данных при использовании 48-байтного поля данных составляет 10 %, а при использовании 32-байтного поля данных она сразу повышается до 16 %.

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. Для полного решения этой задачи технология ATM привлекает и развивает идеи заказа пропускной способности и качества обслуживания, реализованные в технологии frame relay. Но если сеть frame relay изначально была предназначена для передачи только пульсирующего компьютерного трафика (в связи с этим для сетей frame relay так трудно дается стандартизация передачи голоса), то разработчики технологии ATM 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 ATM. Если приложение указывает сети, что требуется, например, передача голосового трафика, то из этого становится ясно, что особенно важными для пользователя будут такие показатели качества обслуживания, как задержки и вариации задержек ячеек, существенно влияющие на качество переданной информации – голоса или изображения, а потеря отдельной ячейки с несколькими замерами не так уж важна, как, например, воспроизводящее голос устройство может аппроксимировать недостающие замеры и качество пострадает не слишком. 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.

Другим важным параметром трафика, существенно влияющим на способ его передачи через сеть, является величина его пульсаций. Разработчики технологии ATM решили выделить два различных типа трафика в отношении этого параметра – трафик с постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate, CBR) и трафик с переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR).

К разным классам были отнесены трафики, порождаемые приложениями, использующими для обмена сообщениями протоколы с установлением соединений и без установления соединений. В первом случае данные передаются самим приложением достаточно надежно, как это обычно делают протоколы с установлением соединения, поэтому от сети ATM высокой надежности передачи не требуется. А во втором случае приложение работает без установления соединения и восстановлением потерянных и искаженных данных не занимается, что предъявляет повышенные требования к надежности передачи ячеек сетью ATM.

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 ATM, с установлением соединения или без установления соединения (только для случая передачи компьютерных данных).

Очевидно, что только качественных характеристик, задаваемых классом трафика, для описания требуемых услуг оказывается недостаточно. В технологии ATM для каждого класса трафика определен набор количественных параметров, которые приложение должно задать. Например, для трафика класса А необходимо указать постоянную скорость, с которой приложение будет посылать данные в сеть, а для трафика класса В – максимально возможную скорость, среднюю скорость и максимально возможную пульсацию. Для голосового трафика можно не только указать на важность синхронизации между передатчиком и приемником, но и количественно задать верхние границы задержки и вариации задержки ячеек.

В технологии ATM поддерживается следующий набор основных количественных параметров:

• Peak Cell Rate (PCR) – максимальная скорость передачи данных;
• Sustained Cell Rate (SCR) – средняя скорость передачи данных;
• Minimum Cell Rate (MCR) – минимальная скорость передачи данных;
• Maximum Burst Size (MBS) – максимальный размер пульсации;
• Cell Loss Ratio (CLR) – доля потерянных ячеек;
• Cell Transfer Delay (CTD) – задержка передачи ячеек;
• Cell Delay Variation (CDV) – вариация задержки ячеек.

Параметры скорости измеряются в ячейках в секунду, максимальный размер пульсации – в ячейках, а временные параметры – в секундах. Максимальный размер пульсации задает количество ячеек, которое приложение может передать с максимальной скоростью PCR, если задана средняя скорость. Доля потерянных ячеек является отношением потерянных ячеек к общему количеству отправленных ячеек по данному виртуальному соединению. Так как виртуальные соединения являются дуплексными, то для каждого направления соединения могут быть заданы разные значения параметров.

В технологии ATM принят не совсем традиционный подход к трактовке термина «качество обслуживания» – QoS. Обычно качество обслуживания трафика характеризуется параметрами пропускной способности (здесь это RCR, SCR, MCR, MBS), параметрами задержек пакетов (СТО и CDV), а также параметрами надежности передачи пакетов (CLR). В ATM характеристики пропускной способности называют параметрами трафика и не включают их в число параметров качества обслуживания QoS, хотя по существу они таковыми являются. Параметрами QoS в ATM являются только параметры CTD, CDV и CLR. Сеть старается обеспечить такой уровень услуг, чтобы поддерживались требуемые значения и параметров трафика, и задержек ячеек, и доли потерянных ячеек.

Соглашение между приложением и сетью ATM называется трафик-контрактом. Основным его отличием от соглашений, применяемых в сетях frame relay, является выбор одного из нескольких определенных классов трафика, для которого наряду с параметрами пропускной способности трафика могут указываться параметры задержек ячеек, а также параметр надежности доставки ячеек. В сети frame relay класс трафика один, и он характеризуется только параметрами пропускной способности.

Необходимо подчеркнуть, что задание только параметров трафика (вместе с параметрами QoS) часто не полностью характеризует требуемую услугу, поэтому задание класса трафика полезно для уточнения нужного характера обслуживания данного соединения сетью.

Если для приложения не критично поддержание параметров пропускной способности и QoS, то оно может отказаться от задания этих параметров, указав признак «Best Effort» в запросе на установление соединения. Такой тип трафика получил название трафика с неопределенной битовой скоростью – Unspecified Bit Rate, UBR.

После заключения трафик-контракта, который относится к определенному виртуальному соединению, в сети ATM работает несколько протоколов и служб, обеспечивающих нужное качество обслуживания. Для трафика UBR сеть выделяет ресурсы «по возможности», то есть те, которые в данный момент свободны от использования виртуальными соединениями, заказавшими определенные параметры качества обслуживания.

Технология ATM изначально разрабатывалась для поддержки как постоянных, так и коммутируемых виртуальных каналов (в отличие от технологии frame relay, долгое время не поддерживающей коммутируемые виртуальные каналы). Автоматическое заключение трафик-контракта при установлении коммутируемого виртуального соединения представляет собой весьма непростую задачу, так как коммутаторам ATM необходимо определить, смогут ли они в дальнейшем обеспечить передачу трафика данного виртуального канала наряду с трафиком других виртуальных каналов таким образом, чтобы выполнялись требования качества обслуживания каждого канала.

Стек протоколов ATM показан в таблице:

Стек протоколов ATM соответствует нижним уровням семиуровневой модели ISO/OSI и включает уровень адаптации ATM, собственно уровень ATM и физический уровень. Прямого соответствия между уровнями протоколов технологии ATM и уровнями модели OSI нет.

Уровень адаптации (ATM Adaptation Layer, AAL) представляет собой набор протоколов AAL1-AAL5, которые преобразуют сообщения протоколов верхних уровней сети ATM в ячейки ATM нужного формата. Функции этих уровней достаточно условно соответствуют функциям транспортного уровня модели OSI, например функциям протоколов TCP или UDP. Протоколы AAL при передаче пользовательского трафика работают только в конечных узлах сети, как и транспортные протоколы большинства технологий.

Каждый протокол уровня AAL обрабатывает пользовательский трафик определенного класса. На начальных этапах стандартизации каждому классу трафика соответствовал свой протокол AAL, который принимал в конечном узле пакеты от протокола верхнего уровня и заказывал с помощью соответствующего протокола нужные параметры трафика и качества обслуживания для данного виртуального канала. При развитии стандартов ATM такое однозначное соответствие между классами трафика и протоколами уровня AAL исчезло, и сегодня разрешается использовать для одного и того же класса трафика различные протоколы уровня AAL.

Уровень адаптации состоит из нескольких подуровней. Нижний подуровень AAL называется подуровнем сегментации и реассемблирования (Segmentation And Reassembly, SAR). Эта часть не зависит от типа протокола AAL (и, соответственно, от класса передаваемого трафика) и занимается разбиением (сегментацией) сообщения, принимаемого AAL от протокола верхнего уровня, на ячейки ATM, снабжением их соответствующим заголовком и передачей уровню ATM для отправки в сеть.

Верхний подуровень AAL называется подуровнем конвергенции – Convergence Sublayer, CS. Этот подуровень зависит от класса передаваемого трафика. Протокол подуровня конвергенции решает такие задачи, как, например, обеспечение временной синхронизации между передающим и принимающим узлами (для трафика, требующего такой синхронизации), контролем и возможным восстановлением битовых ошибок в пользовательской информации, контролем целостности передаваемого пакета компьютерного протокола (Х.25, frame relay).

Протоколы AAL для выполнения своей работы используют служебную информацию, размещаемую в заголовках уровня AAL. После приема ячеек, пришедших по виртуальному каналу, подуровень SAR протокола AAL собирает посланное по сети исходное сообщение (которое в общем случае было разбито на несколько ячеек ATM) с помощью заголовков AAL, которые для коммутаторов ATM являются прозрачными, так как помещаются в 48-битном поле данных ячейки, как и полагается протоколу более высокого уровня. После сборки исходного сообщения протокол AAL проверяет служебные поля заголовка и концевика кадра AAL и на их основании принимает решение о корректности полученной информации.

Ни один из протоколов AAL при передаче пользовательских данных конечных узлов не занимается восстановлением потерянных или искаженных данных. Максимум, что делает протокол AAL, – это уведомляет конечный узел о таком событии. Так сделано для ускорения работы коммутаторов сети ATM в расчете на то, что случаи потерь или искажения данных будут редкими. Восстановление потерянных данных (или игнорирование этого события) отводится протоколам верхних уровней, не входящим в стек протоколов технологии ATM.

Существует определенный интерфейс между приложением, которому требуется передать трафик через сеть ATM, и уровнем адаптации AAL. С помощью этого интерфейса приложение (протокол компьютерной сети, модуль оцифровывания голоса) заказывает требуемую услугу, определяя тип трафика, его параметры, а также параметры QoS. Технология ATM допускает два варианта определения параметров QoS: первый – непосредственное задание их каждым приложением, второй – назначение их по умолчанию в зависимости от типа трафика. Последний способ упрощает задачу разработчика приложения, так как в этом случае выбор максимальных значений задержки доставки ячеек и вариации задержек перекладывается на плечи администратора сети.

Самостоятельно обеспечить требуемые параметры трафика и QoS протоколы AAL не могут. Для выполнения соглашений трафик-контракта требуется согласованная работа коммутаторов сети вдоль всего виртуального соединения. Эта работа выполняется протоколом ATM, обеспечивающим передачу ячеек различных виртуальных соединений с заданным уровнем качества обслуживания.

Протокол ATM

Протокол ATM занимает в стеке протоколов ATM примерно то же место, что протокол IP в стеке TCP/IP или протокол LAP-F в стеке протоколов технологии frame relay. Протокол ATM занимается передачей ячеек через коммутаторы при установленном и настроенном виртуальном соединении, то есть на основании готовых таблиц коммутации портов. Протокол ATM выполняет коммутацию по номеру виртуального соединения, который в технологии ATM разбит на две части – идентификатор виртуального пути (Virtual Path Identifier, VPI) и идентификатор виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI). Кроме этой основной задачи протокол ATM выполняет ряд функций по контролю за соблюдением трафик-контракта со стороны пользователя сети, маркировке ячеек-нарушителей, отбрасыванию ячеек-нарушителей при перегрузке сети, а также управлению потоком ячеек для повышения производительности сети (естественно, при соблюдении условий трафик-контракта для всех виртуальных соединений).

Протокол ATM работает с ячейками следующего формата.

Поле Управление 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 (VitualPath Identifier, VPI) и Идентификатор виртуального канала (Vitual Channel Identifier, VCI) занимают 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 трех 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 ATM отмечают ячейки, которые нарушают соглашения о параметрах качества обслуживания, чтобы удалить их при перегрузках сети. Таким образом, ячейки с CLP=0 являются для сети высокоприоритетными, а ячейки с CLP=1 – низкоприоритетными.

Поле Управление ошибками в заголовке (Header Error Control, НЕС) 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 исправлять все одиночные ошибки, а также некоторые двойные. Поле НЕС 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 ATM, или же в потоке бит физического уровня, основанного на ячейках. Указателей, позволяющих в поле данных кадра STS-n (STM-n) технологии SONET/SDH обнаруживать границы ячеек ATM (подобных тем указателям, которые используются для определения, например, границ виртуальных контейнеров подканалов Т1/Е1), не существует. Поэтому коммутатор ATM вычисляет контрольную сумму для последовательности из 5 байт, находящихся в поле данных кадра STM-n, и если вычисленная контрольная сумма говорит о корректности заголовка ячейки ATM, первый байт становится границей ячейки. Если же это не так, то происходит сдвиг на один байт и операция продолжается. Таким образом, технология ATM выделяет асинхронный поток ячеек ATM в синхронных кадрах SDH или потоке бит физического уровня, основанного на ячейках.

Формат ячейки ATM

Рассмотрим методы коммутации ячеек ATM на основе пары чисел VPI/VCI. Коммутаторы ATM могут работать в двух режимах – коммутации виртуального пути и коммутации виртуального канала. В первом режиме коммутатор выполняет продвижение ячейки только на основании значения поля VPI, а значение поля VCI он 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, что соответствует идее агрегирования адресов. В результате один виртуальный путь соответствует целому набору виртуальных каналов, коммутируемых как единое целое.

После доставки ячейки в локальную сеть ATM ее коммутаторы начинают коммутировать ячейки с учетом как VPI, так и VCI, но при этом им 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.

Подход здесь аналогичен подходу в сети ISDN – для установления соединения разработан отдельный протокол Q.2931, который весьма условно можно отнести к сетевому уровню. Этот протокол во многом похож на протоколы Q.931 и Q.933 (даже номером), но в него внесены, естественно, изменения, связанные с наличием нескольких классов трафика и дополнительных параметров качества обслуживания. Протокол Q.2931 опирается на достаточно сложный протокол канального уровня SSCOP, который обеспечивает надежную передачу пакетов Q.2931 в своих кадрах. В свою очередь, протокол SSCOP работает поверх протокола AAL5, который необходим для разбиения кадров SSCOP на ячейки ATM и сборки этих ячеек в кадры при доставке кадра SSCOP в коммутатор назначения.

Виртуальные соединения, образованные с помощью протокола Q.2931, бывают симплексными (однонаправленными) и дуплексными.

Протокол Q.2931 позволяет также устанавливать виртуальные соединения типа «один к одному» (point-to-point) и “один-ко-многим” (point-to-multipoint). Первый случай поддерживается во всех технологиях, основанных на виртуальных каналах, а второй характерен для технологии ATM и является аналогом мультивещания, но с одним ведущим вещающим узлом. При установлении соединения “один-ко-многим” ведущим считается узел, который является инициатором этого соединения. Сначала этот узел устанавливает виртуальное соединение всего с одним узлом, а затем добавляет к соединению с помощью специального вызова по одному новому члену. Ведущий узел становится вершиной дерева соединения, а остальные узлы – листьями этого дерева. Сообщения, которые посылает ведущий узел, принимают все листья соединения, но сообщения, которые посылает какой-либо лист (если соединение дуплексное), принимает только ведущий узел.

Пакеты протокола Q.2931, предназначенные для установления коммутируемого виртуального канала, имеют те же названия и назначение, что и пакеты протокола Q.933, рассмотренные выше при изучении технологии frame relay, но структура их полей, естественно, другая.

Адресом конечного узла в коммутаторах ATM является 20-байтный адрес. Этот адрес может иметь различный формат, описываемый стандартом ISO 7498. При работе в публичных сетях используется адрес стандарта Е.164, при этом 1 байт составляет AFI, 8 байт занимает IDI – основная часть адреса Е.164 (15 цифр телефонного номера), а остальные 11 байт части DSP (Domain Specific Part).

При работе в частных сетях ATM обычно применяется формат адреса, соответствующий домену международных организаций, причем в качестве международной организации выступает ATM Forum. В этом случае поле IDI занимает 2 байта, которые содержат код ATM Forum, данный ISO, а структура остальной части DSP соответствует описанной выше за исключением того, что поле HO-DSP занимает не 4, а 10 байт.

Адрес ESI присваивается конечному узлу на предприятии-изготовителе в соответствии с правилами IEEE, то есть 3 первых байта содержат код предприятия, а остальные три байта – порядковый номер, за уникальность которого отвечает данное предприятие.

Конечный узел при подключении к коммутатору ATM выполняет так называемую процедуру регистрации. При этом конечный узел сообщает коммутатору свой ESI-адрес, а коммутатор сообщает конечному узлу старшую часть адреса, то есть номер сети, в которой работает узел.

Кроме адресной части пакет CALL SETUP протокола Q.2931, с помощью которого конечный узел запрашивает установление виртуального соединения, включает также части, описывающие параметры трафика и требования QoS. При поступлении такого пакета коммутатор должен проанализировать эти параметры и решить, достаточно ли у него свободных ресурсов производительности для обслуживания нового виртуального соединения. Если да, то новое виртуальное соединение принимается и коммутатор передает пакет CALL SETUP дальше в соответствии с адресом назначения и таблицей маршрутизации, а если нет, то запрос отвергается.

Услуги протокола ATM и управление трафиком

Для поддержания требуемого качества обслуживания различных виртуальных соединений и рационального использования ресурсов в сети на уровне протокола ATM реализовано несколько служб, предоставляющих услуги различных категорий (service categories) по обслуживанию пользовательского трафика. Эти службы являются внутренними службами сети ATM, они предназначены для поддержания пользовательского трафика различных классов совместно с протоколами AAL. Но в отличие от протоколов AAL, которые работают в конечных узлах сети, данные службы распределены по всем коммутаторам сети. Услуги этих служб разбиты на категории, которые в общем соответствуют классам трафика, поступающим на вход уровня AAL конечного узла. Услуги уровня ATM заказываются конечным узлом через интерфейс UNI с помощью протокола Q.2931 при установлении виртуального соединения. Как и при обращении к уровню AAL, при заказе услуги необходимо указать категорию услуги, а также параметры трафика и параметры QoS. Эти параметры берутся из аналогичных параметров уровня AAL или же определяются по умолчанию в зависимости от категории услуги.

Всего на уровне протокола ATM определено пять категорий услуг, которые поддерживаются одноименными службами:

• CBR – услуги для трафика с постоянной битовой скоростью;
• rtVBR – услуги для трафика с переменной битовой скоростью, требующего соблюдения средней скорости передачи данных и синхронизации источника и приемника;
• nrtVBR – услуги для трафика с переменной битовой скоростью, требующего соблюдения средней скорости передачи данных и не требующего синхронизации источника и приемника;
• ABR – услуги для трафика с переменной битовой скоростью, требующего соблюдения некоторой минимальной скорости передачи данных и не требующего синхронизации источника и приемника;
• UBR – услуги для трафика, не предъявляющего требований к скорости передачи данных и синхронизации источника и приемника.

Названия большинства категорий услуг совпадают с названием типов пользовательского трафика, для обслуживания которого они разработаны, но необходимо понимать, что сами службы уровня ATM и их услуги – это внутренние механизмы сети ATM, которые экранируются от приложения уровнем AAL.

Услуги категории CBR предназначены для поддержания трафика синхронных приложений – голосового, эмуляции цифровых выделенных каналов и т. п. Когда приложение устанавливает соединение категории CBR, оно заказывает пиковую скорость трафика ячеек PCR, являющуюся максимальной скоростью, которую может поддерживать соединение без риска потерять ячейку, а также параметры QoS: величины максимальной задержки ячеек CTD, вариации задержки ячеек CDV и максимальной доли потерянных ячеек CLR.

Затем данные передаются по этому соединению с запрошенной скоростью – не с большей и, в большинстве случаев, не меньшей, хотя уменьшение скорости приложением возможно, например, при передаче компрессированного голоса с помощью услуги категории CBR. Любые ячейки, передаваемые станцией с большей скоростью, контролируются первым коммутатором сети и помечаются признаком CLP-1. При перегрузках сети они могут просто отбрасываться сетью. Ячейки, которые запаздывают и не укладываются в интервал, оговоренный параметром вариации задержки CDV, также считаются мало значащими для приложения и отмечаются признаком низкого приоритета CLP-1.

Для соединений CBR нет ограничений на некоторую дискретность заказа скорости PCR, как, например, в каналах Т1/Е1, где скорость должна быть кратна 64 Кбит/с.

По сравнению со службой CBR, службы VBR требуют более сложной процедуры заказа соединения между сетью и приложением. В дополнение к пиковой скорости PCR приложение VBR заказывает еще и два других параметра: длительно поддерживаемую скорость – SCR, которая представляет собой среднюю скорость передачи данных, разрешенную приложению, а также максимальный размер пульсации – MBS. Максимальный размер пульсации измеряется в количестве ячеек ATM. Пользователь может превышать скорость вплоть до величины PCR, но только на короткие периоды времени, в течение которых передается объем данных, не превышающий MBS. Этот период времени называется Burst Tolerance, ВТ – терпимость к пульсации. Сеть вычисляет этот период как производный от трех заданных значений PCR, SCR и MBS.

Если скорость PCR наблюдается в течение периода времени, большего чем ВТ, то ячейки помечаются как нарушители – устанавливается признак CLP-1.

Для услуг категории rtVBR задаются и контролируются те же параметры QoS, что и для услуг категории CBR, а услуги категории nrtVBR ограничиваются поддержанием параметров трафика. Сеть также поддерживает для обеих категорий услуг VBR определенный максимальный уровень доли потерянных ячеек CLR, который либо задается явно при установлении соединения, либо назначается по умолчанию в зависимости от класса трафика.

Для контроля параметров трафика и QoS в технологии ATM применяется так называемый обобщенный алгоритм контроля скорости ячеек – Generic Cell Rate Algorithm, который может проверять соблюдение пользователем и сетью таких параметров, как PCR, CDV, SCR, ВТ, CTD и CDV. Он работает по модифицированному алгоритму «дырявого ведра», применяемому в технологии frame relay.

Для многих приложений, которые могут быть чрезвычайно «взрывными» в отношении интенсивности трафика, невозможно точно предсказать параметры трафика, оговариваемые при установлении соединения.

В отличие от CBR и обеих служб VBR, служба UBR не поддерживает ни параметры трафика, ни параметры качества обслуживания. Служба UBR предлагает только доставку «по возможности» без каких-либо гарантий. Разработанная специально для обеспечения возможности превышения полосы пропускания, служба UBR представляет собой частичное решение для тех непредсказуемых «взрывных» приложений, которые не готовы согласиться с фиксацией параметров трафика.

Главными недостатками услуг UBR являются отсутствие управления потоком данных и неспособность принимать во внимание другие типы трафика. Несмотря на перегрузку сети, соединения UBR будут продолжать передачу данных. Коммутаторы сети могут буферизовать некоторые ячейки поступающего трафика, но в некоторый момент буферы переполняются, и ячейки теряются. А так как для соединений UBR не оговаривается никаких параметров трафика и QoS, то их ячейки отбрасываются в первую очередь.

Служба ABR подобно службе UBR предоставляет возможность превышения полосы пропускания, но благодаря технике управления трафиком при перегрузке сети она дает некоторые гарантии сохранности ячеек. ABR – это первый тип служб уровня ATM, который действительно обеспечивает надежный транспорт для пульсирующего трафика за счет того, что может находить неиспользуемые интервалы в общем трафике сети и заполнять их своими ячейками, если другим категориям служб эти интервалы не нужны.

Как и в службах CBR и VBR, при установлении соединения категории ABR оговаривается значение пиковой скорости PCR. Однако соглашение о пределах изменения задержки передачи ячеек или о параметрах пульсации не заключается.

Вместо этого «сеть и конечный узел заключают соглашение о требуемой минимальной скорости передачи MCR. Это гарантирует приложению, работающему в конечном узле, небольшую пропускную способность, обычно минимально необходимую для того, чтобы приложение работало. Конечный узел соглашается не передавать данные со скоростью выше пиковой, то есть PCR, а сеть соглашается всегда обеспечивать минимальную скорость передачи ячеек MCR.

Если при установлении соединения ABR не задаются значения максимальной и минимальной скорости, то по умолчанию считается, что PCR совпадает со скоростью линии доступа станции к сети, a MCR считается равной нулю.

Трафик соединения категории ABR получает гарантированное качество услуг в отношении доли потерянных ячеек и пропускной способности. Что касается задержек передачи ячеек, то хотя сеть и старается свести их к минимуму, но гарантий по этому параметру не дает. Следовательно, служба ABR не предназначена для приложений реального времени, а предназначена для приложений, в которых поток данных не очень чувствителен к задержкам в передаче.

При передаче трафика CBR, VBR и UBR явное управление перегрузками в сети отсутствует. Вместо этого используется механизм отбрасывания ячеек-нарушителей, а узлы, пользующиеся услугами CBR и VBR, стараются не нарушать условия контракта под угрозой потери ячеек, поэтому они обычно не пользуются дополнительной пропускной способностью, даже если она в данный момент доступна в сети.

Служба ABR позволяет воспользоваться резервами пропускной способности сети, так как сообщает конечному узлу о наличии в данный момент избыточной пропускной способности с помощью механизма обратной связи. Этот же механизм может помочь службе ABR снизить скорость передачи данных конечным узлом в сеть (вплоть до минимального значения MCR), если сеть испытывает перегрузку.

Узел, пользующийся услугами ABR, должен периодически посылать в сеть наряду с ячейками данных специальные служебные ячейки управления ресурсами – Resource Management, RM. Ячейки RM, которые узел отправляет вдоль потока данных, называются прямыми ячейками RM – Forward Recource Management (FRM), а ячейки, которые идут в обратном по отношению к потоку данных направлении, называются обратными ячейками RM – Backward Recource Management (BRM).

Существует несколько петель обратной связи. Самая простая петля обратной связи – между конечными станциями. При ее наличии коммутатор сети извещает конечную станцию о перегрузке с помощью специального флага в поле прямого управления перегрузками (флаг EFCI) ячейки данных, переносимой протоколом ATM. Затем конечная станция посылает через сеть сообщение, содержащееся в специальной ячейке управления BRM исходной станции, говоря ей о необходимости уменьшить скорость посылки ячеек в сеть.

В этом способе конечная станция несет основную ответственность за управление потоком, а коммутаторы играют пассивную роль в петле обратной связи, только уведомляя станцию-отправитель о перегрузке.

Такой простой способ имеет несколько очевидных недостатков. Конечная станция не узнает из сообщения BRM, на какую величину нужно уменьшить скорость передачи данных в сеть. Поэтому она просто понизит скорость до минимальной величины MCR, хотя, возможно, это и необязательно. Кроме того, при большой протяженности сети коммутаторы должны продолжать буферизовать данные все время, пока уведомление о перегрузке будет путешествовать по сети, а для глобальных сетей это время может быть достаточно большим, и буферы могут переполниться, так что требуемый эффект достигнут не будет.

Разработаны и более сложные схемы управления потоком, в которых коммутаторы играют более активную роль, а узел-отправитель узнает более точно о возможной в данный момент скорости отправки данных в сеть.

В первой схеме узел-источник посылает в ячейке FRM явное значение скорости передачи данных в сеть, которую он хотел бы поддерживать в данное время. Каждый коммутатор, через который проходит по виртуальному пути это сообщение, может уменьшить запрашиваемую скорость до некоторой величины, которую он может поддерживать в соответствии с имеющимися у него свободными ресурсами (или оставить запрашиваемую скорость без изменения). Узел назначения, получив ячейку FRM, превращает ее в ячейку BRM и отправляет в обратном направлении, причем он тоже может уменьшить запрашиваемую скорость. Получив ответ в ячейке BRM, узел-источник точно узнает, какая скорость отправки ячеек в сеть для него в данный момент доступна.

Во второй схеме каждый коммутатор сети может работать как узел-источник и узел назначения. Как узел-источник он может сам генерировать ячейки FRM и отправлять их по имеющимся виртуальным каналам. Как узел назначения он может отправлять на основе получаемых ячеек FRM ячейки BRM в обратном направлении. Такая схема является более быстродействующей и полезной в протяженных территориальных сетях.

Как видно из описания, служба ABR предназначена не только для прямого поддержания требований к обслуживанию конкретного виртуального соединения, но и для более рационального распределения ресурсов сети между ее абонентами, что в конечном итоге также приводит к повышению качества обслуживания всех абонентов сети.

Коммутаторы сети ATM используют различные механизмы для поддержания требуемого качества услуг. Кроме описанных в стандартах ITU-T и ATM Forum механизмов заключения соглашения на основе параметров трафика и параметров QpS, а затем отбрасывания ячеек, не удовлетворяющих условиям соглашения, практически все производители оборудования ATM реализуют в своих коммутаторах несколько очередей ячеек, обслуживаемых с различными приоритетами.

Стратегия приоритетного обслуживания трафика основана на категориях услуг каждого виртуального соединения. До принятия спецификации ABR в большинстве коммутаторов ATM была реализована простая одноуровневая схема обслуживания, которая давала трафику CBR первый приоритет, трафику VBR второй, а трафику UBR – третий. При такой схеме комбинация CBR и VBR может потенциально заморозить трафик, обслуживаемый другим классом служб. Такая схема не будет правильно работать с трафиком ABR, так как не обеспечит его требования к минимальной скорости передачи ячеек. Для обеспечения этого требования должна быть выделена некоторая гарантированная полоса пропускания.

Чтобы поддерживать службу ABR, коммутаторы ATM должны реализовать двухуровневую схему обслуживания, которая бы удовлетворяла требованиям CBR, VBR и ABR. По этой схеме коммутатор предоставляет некоторую часть своей пропускной способности каждому классу служб. Трафик CBR получает часть пропускной способности, необходимую для поддержания пиковой скорости PCR, трафик VBR получает часть пропускной способности, необходимую для поддержания средней скорости SCR, а трафик ABR получает часть пропускной способности, достаточную для обеспечения требования минимальной скорости ячеек MCR. Это гарантирует, что каждое соединение может работать без потерь ячеек и не будет доставлять ячейки ABR за счет трафика CBR или VBR. На втором уровне этого алгоритма трафик CBR и VBR может забрать всю оставшуюся пропускную способность сети, если это необходимо, так как соединения ABR уже получили свою минимальную пропускную способность, которая им гарантировалась.

Передача трафика IP через сети ATM

Технология ATM привлекает к себе общее внимание, так как претендует на роль всеобщего и очень гибкого транспорта, на основе которого строятся другие сети. И хотя технология ATM может использоваться непосредственно для транспортировки сообщений протоколов прикладного уровня, пока она чаще переносит пакеты других протоколов канального и сетевого уровней (Ethernet, IP, IPX, frame relay, X.25), сосуществуя с ними, а не полностью заменяя. Поэтому протоколы и спецификации, которые определяют способы взаимодействия технологии ATM с другими технологиями, очень важны для современных сетей. А так как протокол IP является на сегодня основным протоколом построения составных сетей, то стандарты работы IP через сети ATM являются стандартами, определяющими взаимодействие двух наиболее популярных технологий сегодняшнего дня.

Протокол Classical IP (RFC 1577) является первым (по времени появления) протоколом, определившим способ работы интерсети IP в том случае, когда одна из промежуточных сетей работает по технологии ATM. Из-за классической концепции подсетей протокол и получил свое название – Classical.

Одной из основных задач, решаемых протоколом Classical IP, является традиционная для IP-сетей задача – поиск локального адреса следующего маршрутизатора или конечного узла по его IP-адресу, то есть задача, возлагаемая в локальных сетях на протокол ARP. Поскольку сеть ATM не поддерживает широковещательность, традиционный для локальных сетей способ широковещательных ARP-запросов здесь не работает. Технология ATM, конечно, не единственная технология, в которой возникает такая проблема, – для обозначения таких технологий даже ввели специальный термин – «нешироковещательные сети с множественным доступом» (Non-Broadcast networks with Multiple Access, NBMA). К сетям NBMA относятся, в частности, сети Х.25 и frame relay.

В общем случае для нешироковещательных сетей стандарты TCP/IP определяют только ручной способ построения ARP-таблиц, однако для технологии ATM делается исключение – для нее разработана процедура автоматического отображения IP-адресов на локальные адреса. Такой особый подход к технологии ATM объясняется следующими причинами. Сети NBMA (в том числе Х.25 и frame relay) используются, как правило, как транзитные глобальные сети, к которым подключается ограниченное число маршрутизаторов, а для небольшого числа маршрутизаторов можно задать ARP-таблицу вручную. Технология ATM отличается тем, что она применяется для построения не только глобальных, но и локальных сетей. В последнем случае размерность ARP-таблицы, которая должна содержать записи и о пограничных маршрутизаторах, и о множестве конечных узлов, может быть очень большой. К тому же, для крупной локальной сети характерно постоянное изменение состава узлов, а значит, часто возникает необходимость в корректировке таблиц. Все это делает ручной вариант решения задачи отображения адресов для сетей ATM мало пригодным.

В соответствии со спецификацией Classical IP одна сеть ATM может быть представлена в виде нескольких IP-подсетей, так называемых логических подсетей (Logical IP Subnet, LIS). Все узлы одной LIS имеют общий адрес сети. Как и в классической IP-сети, весь трафик между подсетями обязательно проходит через маршрутизатор, хотя и существует принципиальная возможность передавать его непосредственно через коммутаторы ATM, на которых построена сеть ATM. Маршрутизатор имеет интерфейсы во всех LIS, на которые разбита сеть ATM.

В отличие от классических подсетей маршрутизатор может быть подключен к сети ATM одним физическим интерфейсом, которому присваивается несколько IP-адресов в соответствии с количеством LIS в сети.

Решение о введении логических подсетей связано с необходимостью обеспечения традиционного разделения большой сети ATM на независимые части, связность которых контролируется маршрутизаторами, как к этому привыкли сетевые интеграторы и администраторы. Решение имеет и очевидный недостаток – маршрутизатор должен быть достаточно производительным для передачи высокоскоростного трафика ATM между логическими подсетями, в противном случае он станет узким местом сети. В связи с повышенными требованиями по производительности, предъявляемыми сетями ATM к маршрутизаторам, многие ведущие производители разрабатывают или уже разработали модели маршрутизаторов с общей производительностью в несколько десятков миллионов пакетов в секунду.

Все конечные узлы конфигурируются традиционным образом – для них задается их собственный IP-адрес, маска и IP-адрес маршрутизатора по умолчанию. Кроме того, задается еще один дополнительный параметр – адрес ATM (или номер VPI/VCI для случая использования постоянного виртуального канала, то есть PVC) так называемого сервера ATMARP. Введение центрального сервера, который поддерживает общую базу данных для всех узлов сети, – это типичный прием для работы через нешироковещательную сеть. Этот прием используется во многих протоколах, в частности в протоколе LAN Emulation, рассматриваемом далее.

Каждый узел использует адрес ATM сервера ATMARP, чтобы выполнить обычный запрос ARP. Этот запрос имеет формат, очень близкий к формату запроса протокола ARP из стека TCP/IP. Длина аппаратного адреса в нем определена в 20 байт, что соответствует длине адреса ATM. В каждой логической подсети имеется свой сервер ATMARP, так как узел может обращаться без посредничества маршрутизатора только к узлам своей подсети. Обычно роль сервера ATMARP выполняет маршрутизатор, имеющий интерфейсы во всех логических подсетях.

При поступлении первого запроса ARP от конечного узла сервер сначала направляет ему встречный инверсный запрос ATMARP, чтобы выяснить IP- и ATM-адреса этого узла. Этим способом выполняется регистрация каждого узла в сервере ATMARP, и сервер получает возможность автоматически строить базу данных соответствия IP- и ATM-адресов. Затем сервер пытается выполнить запрос ATMARP-узла путем просмотра своей базы. Если искомый узел уже зарегистрировался в ней и он принадлежит той же логической подсети, что и запрашивающий узел, то сервер отправляет в качестве ответа запрашиваемый адрес. В противном случае дается негативный ответ (такой тип ответа в обычном широковещательном варианте протокола ARP не предусматривается).

Конечный узел, получив ответ ARP, узнает ATM-адрес своего соседа по логической подсети и устанавливает с ним коммутируемое виртуальное соединение. Если же он запрашивал ATM-адрес маршрутизатора по умолчанию, то он устанавливает с ним соединение, чтобы передать IP-пакет в другую сеть.

Для передачи IP-пакетов через сеть ATM спецификация Classical IP определяет использование протокола уровня адаптации AAL5, при этом спецификация ничего не говорит ни о параметрах трафика и качества обслуживания, ни о требуемой категории услуг CBR, rtVBR, nrtVBR или UBR.

ATM + LAN

Технология ATM разрабатывалась сначала как «вещь в себе», без учета того факта, что в существующие технологии сделаны большие вложения и поэтому никто не станет сразу отказываться от установленного и работающего оборудования, даже если появляется новое, более совершенное. Это обстоятельство оказалось не столь важным для территориальных сетей, которые в случае необходимости могли предоставить свои оптоволоконные каналы для построения сетей ATM. Учитывая, что стоимость высокоскоростных оптоволоконных каналов, проложенных на большие расстояния, часто превышает стоимость остального сетевого оборудования, переход на новую технологию ATM, связанный с заменой коммутаторов, во многих случаях оказывался экономически оправданным.

Для локальных сетей, в которых замена коммутаторов и сетевых адаптеров равнозначна созданию новой сети, переход на технологию ATM мог быть вызван только весьма серьезными причинами. Гораздо привлекательнее полной замены существующей локальной сети новой сетью ATM выглядела возможность «постепенного» внедрения технологии ATM в существующую на предприятии сеть. При таком подходе фрагменты сети, работающие по новой технологии ATM, могли бы мирно сосуществовать с другими частями сети, построенными на основе традиционных технологий, таких как Ethernet или FDDI, улучшая характеристики сети там, где это нужно, и оставляя сети рабочих групп или отделов в прежнем виде. Применение маршрутизаторов IP, реализующих протокол Classical IP, решает эту проблему, но такое решение не всегда устраивает предприятия, пользующиеся услугами локальных сетей, так как, во-первых, требуется обязательная поддержка протокола IP во всех узлах локальных сетей, а во-вторых, требуется установка некоторого количества маршрутизаторов, что также не всегда приемлемо. Отчетливо ощущалась необходимость способа согласования технологии ATM с технологиями локальных сетей без привлечения сетевого уровня.

В ответ на такую потребность ATM Forum разработал спецификацию, называемую LAN emulation, LANE (то есть эмуляция локальных сетей), которая призвана обеспечить совместимость традиционных протоколов и оборудования локальных сетей с технологией ATM. Эта спецификация обеспечивает совместную работу этих технологий на канальном уровне. При таком подходе коммутаторы ATM работают в качестве высокоскоростных коммутаторов магистрали локальной сети, обеспечивая не только скорость, но и гибкость соединений коммутаторов ATM между собой, поддерживающих произвольную топологию связей, а не только древовидные структуры.

Спецификация LANE определяет способ преобразования кадров и адресов МАС-уровня традиционных технологий локальных сетей в ячейки и коммутируемые виртуальные соединения SVC технологии ATM, а также способ обратного преобразования. Всю работу по преобразованию протоколов выполняют специальные компоненты, встраиваемые в обычные коммутаторы локальных сетей, поэтому ни коммутаторы ATM, ни рабочие станции локальных сетей не замечают того, что они работают с чуждыми им технологиями. Такая прозрачность была одной из главных целей разработчиков спецификации LANE.

Так как эта спецификация определяет только канальный уровень взаимодействия, то с помощью коммутаторов ATM и компонентов эмуляции LAN можно образовать только виртуальные сети, называемые здесь эмулируемыми сетями, а для их соединения нужно использовать обычные маршрутизаторы.

Использование технологии ATM

Технология ATM расширяет свое присутствие в локальных и глобальных сетях не очень быстро, но неуклонно. Число сетей, выполненных по этой технологии, ежегодно увеличивается на 20-30 %.

В локальных сетях технология ATM применяется обычно на магистралях, где востребованы такие ее качества, как масштабируемая скорость (выпускаемые сегодня корпоративные коммутаторы ATM поддерживают на своих портах скорости 155 и 622 Мбит/с), качество обслуживания (для этого нужны приложения, которые умеют запрашивать нужный класс обслуживания), петлевидные связи (которые позволяют повысить пропускную способность и обеспечить резервирование каналов связи). Петлевидные связи поддерживаются в силу того, что ATM – это технология с маршрутизацией пакетов, запрашивающих установление соединений, а значит, таблица маршрутизации может эти связи учесть – либо за счет ручного труда администратора, либо за счет протокола маршрутизации PNNI.

Основной соперник технологии ATM в локальных сетях – технология Gigabit Ethernet. Она превосходит ATM в скорости передачи данных – 1000 Мбит/с по сравнению с 622 Мбит/с, а также в затратах на единицу скорости. Там, где коммутаторы ATM используются только как высокоскоростные устройства, а возможности поддержки разных типов трафика игнорируются, технологию ATM, очевидно, заменит технология Gigabit Ethernet. Там же, где качество обслуживания действительно важно (видеоконференции, трансляция телевизионных передач и т. п.), технология ATM останется. Для объединения настольных компьютеров технология ATM, вероятно, еще долго не будет использоваться, так как здесь очень серьезную конкуренцию ей составляет технология Fast Ethernet.

В глобальных сетях ATM применяется там, где сеть frame relay не справляется с большими объемами трафика, и там, где нужно обеспечить низкий уровень задержек, необходимый для передачи информации реального времени.

Сегодня основной потребитель территориальных коммутаторов ATM – это Internet. Коммутаторы ATM используются как гибкая среда коммутации виртуальных каналов между IP-маршрутизаторами, которые передают свой трафик в ячейках ATM. Сети ATM оказались более выгодной средой соединения IP-маршрутизаторов, чем выделенные каналы SDH, так как виртуальный канал ATM может динамически перераспределять свою пропускную способность между пульсирующим трафиком клиентов IP-сетей. Примером магистральной сети ATM крупного поставщика услуг является сеть компании UUNET – одного из ведущих поставщиков услуг Internet Северной Америки.

И напоследок хотелось бы сделать некоторые выводы, касающиеся рассматириваемого нами материала на протяжении цикла «АБСОЛЮТНО ВСЕ О.....», итак.

Хотя технология ATM разрабатывалась для одновременной передачи данных компьютерных и телефонных сетей, передача голоса по каналам CBR для сетей ATM составляет всего 5 % от общего трафика, а передача видеоинформации – 10 %. Телефонные компании пока предпочитают передавать свой трафик непосредственно по каналам SDH, не довольствуясь гарантиями качества обслуживания ATM. Кроме того, технология ATM пока имеет недостаточно стандартов для плавного включения в существующие телефонные сети, хотя работы в этом направлении идут.

Что же касается совместимости ATM с технологиями компьютерных сетей, то разработанные в этой области стандарты вполне работоспособны и удовлетворяют пользователей и сетевых интеграторов.

К технологиям глобальных сетей с коммутацией пакетов относятся сети Х.25, frame relay, SMDS, ATM и TCP/IP. Все эти сети, кроме сетей TCP/IP, используют маршрутизацию пакетов, основанную на виртуальных каналах между конечными узлами сети.

Сети TCP/IP занимают особое положение среди технологий глобальных сетей, так как они выполняют роль технологии объединения сетей любых типов, в том числе и сетей всех остальных глобальных технологий. Таким образом, сети TCP/IP относятся к более высокоуровневым технологиям, чем технологии собственно глобальных сетей.

Техника виртуальных каналов заключается в разделении операций маршрутизации и коммутации пакетов. Первый пакет таких сетей содержит адрес вызываемого абонента и прокладывает виртуальный путь в сети, настраивая промежуточные коммутаторы. Остальные пакеты проходят по виртуальному каналу в режиме коммутации на основании номера виртуального канала, который является локальным адресом для каждого порта каждого коммутатора.

Техника виртуальных каналов имеет преимущества и недостатки по сравнению с техникой маршрутизации каждого пакета, характерной для сетей IP или IPX. Преимуществами являются: ускоренная коммутация пакетов по номеру виртуального канала, а также сокращение адресной части пакета, а значит, и избыточности заголовка. К недостаткам следует отнести невозможность распараллеливания потока данных между двумя абонентами по параллельным путям, а также неэффективность установления виртуального пути для кратковременных потоков данных

Сети Х.25 относятся к одной из наиболее старых и отработанных технологий глобальных сетей. Трехуровневый стек протоколов сетей Х.25 хорошо работает на ненадежных зашумленных каналах связи, исправляя ошибки и управляя потоком данных на канальном и пакетном уровнях.

Сети Х.25 поддерживают групповое подключение к сети простых алфавитно-цифровых терминалов за счет включения в сеть специальных устройств PAD, каждое из которых представляет собой особый вид терминального сервера.

На надежных волоконно-оптических каналах технология Х.25 становится избыточной и неэффективной, так как значительная часть работы ее протоколов ведется «вхолостую».

Сети frame relay работают на основе весьма упрощенной, по сравнению с сетями Х.25, технологией, которая передает кадры только по протоколу канального уровня – протоколу LAP-F. Кадры при передаче через коммутатор не подвергаются преобразованиям, из-за чего технология и получила свое название.

Важной особенностью технологии frame relay является концепция резервирования пропускной способности при прокладке в сети виртуального канала. Сети frame relay создавались специально для передачи пульсирующего компьютерного трафика, поэтому при резервировании пропускной способности указывается средняя скорость трафика CIR и согласованный объем пульсаций Вс.

Сеть frame relay гарантирует поддержку заказанных параметров качества обслуживания за счет предварительного расчета возможностей каждого коммутатора, а также отбрасывания кадров, которые нарушают соглашение о трафике, то есть посылаются в сеть слишком интенсивно.

Большинство первых сетей frame relay поддерживали только службу постоянных виртуальных каналов, а служба коммутируемых виртуальных каналов стала применяться на практике только недавно.

Технология ATM является дальнейшим развитием идей предварительного резервирования пропускной способности виртуального канала, реализованных в технологии frame relay.

Технология ATM поддерживает основные типы трафика, существующие у абонентов разного типа: трафик с постоянной битовой скоростью CBR, характерный для телефонных сетей и сетей передачи изображения, трафик с переменной битовой скоростью VBR, характерный для компьютерных сетей, а также для передачи компрессированного голоса и изображения.

Для каждого типа трафика пользователь может заказать у сети значения нескольких параметров качества обслуживания – максимальной битовой скорости PCR, средней битовой скорости SCR, максимальной пульсации MBS, а также контроля временных соотношений между передатчиком и приемником, важных для трафика, чувствительного к задержкам.

Технология ATM сама не определяет новые стандарты для физического уровня, а пользуется существующими. Основным стандартом для ATM является физический уровень каналов технологий SONET/SDH и PDH.

Ввиду того что ATM поддерживает все основные существующие типы трафика, она выбрана в качестве транспортной основы широкополосных цифровых сетей с интеграцией услуг – сетей B-ISDN, которые должны заменить сети ISDN.

Сети и технологии ATM

Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode - режим асинхрон­ной передачи) является одной из самых перспективных технологий по­строения высокоскоростных сетей. Она обеспечивает максимально эффективное использование полосы пропускания каналов связи при передаче различного рода информации: голоса, видеоинформации, дан­ных от самых разных типов устройств - асинхронных терминалов, узлов сетей передачи данных, локальных сетей и т.д. (к таким сетям относятся практически все ведомственные сети). Сети, в которых ис­пользуется ATM-технология, называются ATM-сетями. Эффектив­ность ATM-технологии заключается в возможности применения раз­личных интерфейсов для подключения пользователей к сетям ATM.

Основные особенности ATM-технологии .

1. ATM - это асинхронная технология, так как пакеты небольшо­го размера, называемые ячейками (cells), передаются по сети, не зани­мая конкретных временных интервалов, как это имеет место в B-ка­налах сетей ISDM.

2. Технология ATM ориентирована на предварительное (перед пе­редачей информации) установление соединения между двумя взаимо­действующими пунктами. После установления соединения ATM-ячей­ки маршрутизируют сами себя, поскольку каждая ячейка имеет поля, идентифицирующие соединение, к которому она относится.

3. По технологии ATM допускается совместная передача различных видов сигналов, включая речь, данные, видеосигналы. Достигаемая при этом скорость передачи (от 155 Мбит/с до 2,2 Гбит/с) может быть обес­печена одному пользователю, рабочей группе или всей сети. В ATM-ячейке не предусматриваются позиции для определенных видов переда­ваемой информации, поэтому пропускная способность канала регули­руется путем выделения полосы пропускания потребителю.

4. Поскольку передаваемая информация разбивается на ячейки фиксированного размера (53 байта), алгоритмы их коммутации реа­лизованы аппаратно, что позволяет устранить задержки, неизбежные при программной реализации коммутации ячеек.

5. ATM-технология обладает способностью к наращиваемости, т.е. к увеличению размера сети путем каскадного соединения нескольких АТМ-коммутаторов.

6. Построение ATM-сетей и реализация соответствующих технологий возможны на основе оптоволоконных линий связи, коаксиальных кабелей, неэкранированной витой пары. Однако в качестве стандарта на физичес­кие каналы для ATM выбран стандарт на оптоволоконные каналы связи синхронной цифровой иерархии SDH. Технология мультиплексирования и коммутации, разработанная для SDH, стала ATM-технологией.

7. ATM-технологии могут быть реализованы в ATM-сетях прак­тически любой топологии, но оконечное оборудование пользователей подключается к коммутаторам ATM индивидуальными линиями по схеме «звезда».

Главное отличие ATM-технологии от других телекоммуникаци­онных технологий заключается в высокой скорости передачи инфор­мации (в перспективе - до 10 Гбит/с), причем привязка к какой-либо одной скорости отсутствует. Важным является и то обстоятельство, что ATM-сети совмещают функции глобальных и локальных сетей, обеспечивая идеальные условия для «прозрачной» транспортировки различных видов трафика и доступа к услугам и службам взаимодей­ствующих с сетью ATM-сетей.

ATM-технология допускает использование как постоянных (PVC), так и коммутируемых виртуальных каналов (SVC).

Постоянные каналы PVC представляют собой соединение (после предварительной настройки) между взаимодействующими пользова­телями сети, которое существует постоянно. Устройства, связывае­мые постоянным виртуальным каналом, должны вести довольно гро­моздкие таблицы маршрутизации, отслеживающие все соединения в сети. Следовательно, рабочие станции, соединенные PVC, должны иметь таблицы маршрутизации всех остальных станций сети, что нерационально и может вызывать задержки в передаче.

Коммутируемые виртуальные каналы (SVC) позволяют устранить необходимость ведения сложных таблиц маршрутизации и таким об­разом повысить эффективность функционирования сети. Здесь соеди­нение устанавливается динамически, при этом используются АТМ-маршрутизаторы. В отличие от традиционных маршрутизаторов, ко­торые требуют физического подключения сетевого сегмента к каждо­му из своих портов, в ATM-маршрутизаторах используется не физи­ческая архитектура с ориентацией на соединения, а виртуальная сетевая архитектура, ориентированная на протоколы. Такие маршрутизаторы необходимы и удобны для создания виртуальной сети, для которой характерной является возможность переключения пользова­телей, находящихся в любой точке сети, с одного сегмента на другой с сохранением виртуального адреса рабочей группы, что упрощает ад­министратору сети задачу учета изменений списка пользователей.

ATM-технология способна обрабатывать трафики различных классов.

В существующих спецификациях предусмотрены четыре класса трафика, которые могут быть в режиме ATM .

Класс А - синхронный трафик с постоянной скоростью передачи и с предварительным установлением соединения. Протокол, обслу­живающий трафик этого класса, предназначен для обеспечения по­требностей в сетевых услугах при передаче информации с посто­янной скоростью (передача и прием ATM-ячеек по ATM-пути осуществляются с одной и той же скоростью). Примеры такого тра­фика - несжатая речь, видеоинформация.

Класс В - синхронный трафик с переменной скоростью передачи и с предварительным установлением соединения (например, сжа­тая речь, видеоинформация). Здесь, как и в случае трафика класса А, необходимы синхронизация аппаратуры отправителя и полу­чателя и предварительное установление связи между ними, но до­пускается переменная скорость передачи. Информация передает­ся через фиксированные промежутки времени, но ее объем в тече­ние сеанса передачи может изменяться. Если объем передаваемой информации превышает фиксированный размер одной ячейки, эта информация разбивается на несколько ячеек, сборка которых осу­ществляется в пункте назначения.

Класс С - асинхронный трафик с переменной скоростью переда­чи и с предварительным установлением соединения. Здесь синхро­низации аппаратуры отправителя и получателя не требуется. Та­кой способ передачи необходим в сетях с коммутацией пакетов (сети Х.25, Интернет, сети с ретрансляцией кадров). Трафик клас­са С, видимо, станет основным для передачи информации в гло­бальных сетях.

Класс D - асинхронный трафик с переменной скоростью переда­чи и без установления соединения. Протокол, управляющий дос­тавкой трафика класса D, разработан для обеспечения многоби­товой коммутации данных без установления соединения. В этом протоколе предусматривается использование кадров переменной длины: с помощью передатчика каждый кадр делится на сегменты фиксированного размера, которые помещаются в ATM-ячейки; приемник собирает сегменты в исходный кадр, завершая таким образом процесс, который называется сегментацией и сборкой. Режим асинхронной передачи основан на концепции двух оконеч­ных пунктов сети (абонентских систем, терминалов), осуществляю­щих связь друг с другом через совокупность промежуточных комму­таторов. При этом используются интерфейсы двух типов: интерфейс пользователя с сетью (UNI - User-to-Network Interface) и интерфейс между сетями (NNI - Network-to-Network Interface). UNI соединяет устройство оконечного пользователя с общедоступным или частным ATM-коммутатором, a NNI представляет собой канал связи между двумя ATM-коммутаторами сети (рис. 13.4).

Рис. 13.4. Сеть на базе ATM

Соединение между двумя оконечными пунктами сети (напомним, что ATM-технология ориентирована на предварительное установле­ние соединения) возникает с того момента, когда один из них переда­ет через UNI запрос в сеть. Этот запрос через цепочку АТМ-коммутаторов отправляется в пункт назначения для интерпретации. Если узел-адресат принимает запрос на соединение, то в ATM-сети между двумя пунктами организуется виртуальный канал. UNI-устройства этих пунктов и промежуточные узлы сети (т.е. ATM-коммутаторы) обеспечи­вают правильную маршрутизацию ячеек за счет того, что каждая ATM-ячейка содержит два поля - идентификатор виртуального пути (VPI

Virtual Path Identifier) и идентификатор виртуального канала (VCI

Virtual Circuit Identifier). Информация, содержащаяся в полях VPI и VCI ATM-ячейки, используется для однозначного решения задачи маршрутизации даже в случае, если у оконечной системы организова­но несколько виртуальных связей.

Движущей силой развития технологии ATM является ее эффектив­ность в обслуживании низкоскоростных приложений и возможность работы на сравнительно низких скоростях (от 2 Мбит/с). Говорить о «конкуренции» сетей FR и ATM неправомочно, так как в настоящее время FR является основным интерфейсом доступа к сетям ATM, позволяющим обеспечивать передачу по сети ATM разнородного тра­фика, динамически распределяя полосу пропускания.

Совмещение разнородных телекоммуникационных сетей, постро­енных на базе различных технологий (Х.25, FR, IP и др.), для предос­тавления пользователям всего спектра услуг в настоящее время воз­можно только при использовании технологии ATM. Возможности этой технологии по совмещению различных ТСС возрастают, несмотря на их существенные различия, главные из которых состоят: в приспо­собленности к передаче разнородной информации (данных, голоса, видеоинформации); в возможности полного использования имеющей­ся полосы пропускания и адаптации к качеству каналов связи; в нали­чии и качестве интерфейсного оборудования связи с другими сетями; в степени рассредоточенности элементов сети, а также в степени рас­пространенности в том или ином регионе.

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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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:

1. 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).
2. Подключение сервиса ATM напрямую к интерфейсам прикладных программ, используемых сегодня, в обход традиционных протоколов нижних уровней. Для поддержки этого варианта потребуется разработка новых API.
3. 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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:

1. 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.
2. Организации, которые могут перейти на ATM в результате агрессивной ценовой политики поставщиков услуг.
3. "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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.

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

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?