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

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

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

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

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

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

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

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

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

Коммутатор АТМ состоит:

• из коммутатора виртуальных путей;
• из коммутатора виртуальных каналов.

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

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

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

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

Физический уровень

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

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

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

Канальный уровень (уровень ATM + уровень адаптации)

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

Преимущества:

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

Недостатки:

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

Сеть АТМ работает с установлением виртуального канала и позволяет качественно передавать компьютер-ные данные, видеоизображение и голос со скоростью от 155 до 622 Мбит/с (сети ATM используют на фи-зическом уровне технологию SONET/SDH, принимая ее иерархию скоростей). Сеть ATM имеет структуру, сходную со структурой сетей X.25 и Frame Relay: конечные станции соединяются каналами "точка-точка" с коммутаторами нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Конечные узлы в сети ATM имеют адреса длиной в 20 байт из которых: 1 байт определяет один из возможных форматов адреса (Authority and Format Identifier, AFI), 8 байт – основная часть адреса (до 15 цифр: код страны, код города, номер абонента – аналогично номеру абонента в сети ISDN), 4 байта номер сети/подсети ATM, 6 байт номер конечного узла в сети ATM (MAC-адрес сетевой карты компьютера), 1 байт – поле селектора (вспомогательное поле). Таблицы маршрутизации коммутаторов составляются вручную, или при помощи протокола PNNI. Установленные виртуальные каналы (выделенные или коммутируемые) нумеруются при помощи идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI). Несколько виртуальных каналов, проходящих через одни и те же коммутаторы, могут объединяться в один виртуальный путь (Virtual Path Identifier, VPI). Так как виртуальных путей меньше, чем виртуальных каналов, то и записей в таблице коммутации портов будет меньше, что ускоряет коммутацию.

Важной отличительной чертой сети ATM является маленький размер пакета данных (53 байта) и хорошо проработанная система параметров качества обслуживания (QoS), что позволяет в равной степени хорошо передавать по сети, как компьютерный трафик (объединение локальных сетей), так и мультимедий-ный трафик (видеоизображение, голос).

Трафик вычислительных сетей имеет ярко выраженный асинхронный и пульсирующий характер. Компьютер посылает пакеты в сеть в случайные моменты времени, по мере возникновения в этом необходи-мости. При этом интенсивность посылки пакетов в сеть и их размер могут изменяться в широких пределах. Чувствительность компьютерного трафика к потерям данных высокая, так как без утраченных данных обойтись нельзя, и их необходимо восстановить за счет повторной передачи. В то же время, чувствитель-ность компьютерного трафика к задержкам передачи пакетов данных незначительна. Мультимедийный трафик (голос, видео) характеризуется низким коэффициентом пульсаций, высокой чувствительностью к задержкам передачи данных (отражающихся на качестве воспроизводимого сигнала) и низкой чувствитель-ностью к потерям данных (из-за инерционности физических процессов потерю отдельных замеров голоса или кадров изображения можно компенсировать сглаживанием на основе предыдущих и последующих значений). Сложность совмещения компьютерного и мультимедийного трафика в одной сети проиллюстрирована на рис. 7.6.

Рис. 7.6 Два типа трафика: а – компьютерный, б- мультимедийный.

На возможности совмещения этих двух видов трафика большое влияние оказывает размер компьютерных пакетов. Если в сети допускаются большие размеры пакетов данных, то один единственный большой пакет может "занять" порт коммутатора и затормозить передачу всех остальных пакетов, что не допустимо для мультимедийного трафика. Кроме того, если минимально допустимый размер пакета велик, то в одном пакете данных (чтобы не терять впустую место) будет передаваться несколько замеров голоса. В результате, первый замер голоса, помещаемый в пакет, будет отправлен не сразу же, а только после того, как в пакет будут помещены все остальные замеры, что приведет к значительным задержкам и потере качества переда-чи голоса. Поэтому в сети ATM данные передаются в небольших ячейках (пакетах) фиксированного размера (53 байта: поле данных – 48 байт, заголовок - 5 байт).

Однако использование небольших ячеек фиксированного размера еще не решает всей проблемы. Для полного решения задачи равноправного совмещения в одной сети компьютерного и мультимедийного трафика, технология ATM использует хорошо разработанную схему заказа пропускной способности и качества обслуживания. Соглашение между программой, передающей данные в сеть, и сетью ATM называется трафик-контрактом. Основным его отличием от соглашений, применяемых в сетях Frame Relay, является то, что помимо указания параметров пропускной способности, указывается класс трафика. В сети АТМ выделяется 5 классов трафика (см. табл. 7.4).

Таблица 7.4.

Классы трафика ATM

Класс трафика	Характеристика
А	Постоянная битовая скорость - Constant Bit Rate, CBR. Важны временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: голосовой трафик, трафик телевизионного изображения.
В	Переменная битовая скорость - Variable Bit Rate, VBR. Важны временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: компрессированный голос, компрессированное видеоизображение.
С	Переменная битовая скорость - Variable Bit Rate, VBR. He важны временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам с установлением соединений: frame relay, X.25, LLC2, TCP
D	Переменная битовая скорость - Variable Bit Rate, VBR. He важны временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. Без установления соединения. Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам без установления соединений (IP, Ethernet DNS, SNMP).
X	Тип трафика не определен и полностью описывается количественными параметрами, задаваемыми пользователем (см. ниже).
нет	Если поддержание параметров пропускной способности и качества обслуживания для соеди-нения неважно, то в запросе на установление соединения можно указать признак "Best Effort" ("по возможности"). Такой тип трафика получил название трафика с неопределенной битовой скоростью - Unspecified Bit Rate, UBR. Для трафика UBR сеть выделяет ресурсы "по возмож-ности", то есть те, которые в данный момент свободны от использования виртуальными каналами, заказавшими определенные параметры качества обслуживания.

Помимо класса трафика, в трафик-контракте указываются и количественные параметры:

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.

Заключение трафик-контракта происходит автоматически, при установлении виртуального канала, по схеме аналогичной описанной для сети Frame Relay, используя пакет SETUP. Сходными с Frame Relay методами осуществляется и управление пропускной способностью сети: ячейки-нарушители трафик-контракта отмечаются признаком CLP=1 (Cell Loss Priority – приоритет потери кадра) и удаляются при перегрузке коммутаторов.

Передача трафика IP через сети ATM – протокол Classical IP

На основании технологии ATM можно построить полностью самодостаточные сети и передавать в ячейках ATM сразу пакеты протоколов прикладного уровня. Однако в реальности сети ATM чаще всего используют-ся не самостоятельно, а как универсальный транспорт, позволяющий передавать трафик других сетей. При этом по сети ATM передаются пакеты протоколов канального и сетевого уровня других технологий: Ethernet, IP, IPX, Frame Relay, X.25, т.е. сеть ATM не заменяет старые технологии, а сосуществует с ними.

Рассмотрим как решается проблема передачи трафика IP-сетей через сети ATM. Для этих целей был разработан протокол Classical IP (RFC 1577). В соответствии со спецификацией Classical IP одна сеть ATM может быть представлена в виде нескольких логических IP-подсетей LIS (Logical IP Subnet), см. рис. 7.7. Все компьютеры одной LIS имеют общий IP-адрес сети. Как и в обычной IP-сети, прямые соединения на каналь-ном уровне между компьютерами из разных LIS невозможны: такой трафик должен обязательно проходить через маршрутизатор, который и занимается доставкой пакета на сетевом уровне. Здесь необходимо отме-тить, что, теоретически, прямые соединения между компьютерами из разных LIS возможны, т.к. все они подключены к одной сети ATM, однако протокол Classical IP запрещает это делать, требуя, чтобы трафик между двумя разными LIS проходил только через маршрутизатор. Это позволяет логически структурировать сеть на более мелкие подсети и легче контролировать трафик между подсетями в привычной для системных администраторов форме – используя межсетевые экраны (firewall) на маршрутизаторе.

Рис. 7.7. Разделение сети ATM на логические IP-подсети (LIS) в протоколе Classical IP.

Маршрутизатором, в данном случае, является сетевое устройство, подключенное к сети ATM при помощи одного физического интерфейса, но этот физический интерфейс имеет несколько IP-адресов – по одному IP-адресу в каждой из LIS. Маршрутизатор также может быть совмещен с сервером ATMARP, который выпол-няет функции протокола ARP обычных IP-сетей (см. лекции ранее). В обычных IP-сетях протокол ARP отве-чает за нахождение соответствия "IP-адрес компьютера" – "MAC-адрес сетевой карты компьютера" и рабо-тает широковещательно, т.е. ARP-запросы направляются "всем подряд" в расчете на то, что нужный компь-ютер распознает свой IP-адрес и сообщит свой MAC-адрес. В сети ATM широковещательные запросы не предусмотрены, поэтому для централизованного хранения информации о соответствии "IP-адрес компью-тера" – "ATM-адрес компьютера" выделяется отдельный ATMARP-сервер, который строит свои таблицы автоматически. Если какой-либо компьютер обращается с запросом к ATMARP-серверу, то ему направля-ется встречный инверсный запрос ATMARP, чтобы выяснить IP- и ATM-адреса этого компьютера и зарегистрировать его в таблицах ATMARP-сервера.

Компьютеры конфигурируются традиционным образом: для них задается их собственный IP-адрес, маска подсети, IP-адрес маршрутизатора по умолчанию и ATM-адрес (или номер VPI/VCI для постоянного виртуального канала) сервера ATMARP. Если компьютер-отправитель хочет отправить пакет компьютеру-получателю из той же LIS, то он пошлет IP-адрес компьютера-получателя на сервер ATMARP, сервер прос-мотрит свою базу данных и вернет ATM-адрес компьютера-получателя, после чего компьютер-отправитель установит с компьютером-получателем прямое соединение, используя средства сети ATM. Если же компью-тер-получатель находится в другой LIS (что видно по маске подсети), то пакет будет направлен не напря-мую, а на маршрутизатор, который и займется дальнейшей доставкой пакета.

Использование технологии ATM в локальных сетях – спецификация LAN Emulation (LANE).

Рассмотренная выше схема Classical IP требует полной замены сетевого оборудования на оборудование ATM-сети. Это приемлемо в глобальных сетях, где основную стоимость составляют оптоволоконные линии большой длины, так что замена старого оборудования на коммутаторы ATM будет экономически оправдана. Однако в локальных сетях внедрение технологии ATM по затратам равнозначно созданию новой сети. Поэтому хотелось бы иметь возможность не полностью заменять уже купленное и работающее оборудование, а постепенно "внедрять" высокоскоростные коммутаторы ATM в уже работающую сеть. Такая возможность реализована в спецификации LANE (LAN Emulation - эмуляция локальных сетей).

Технология LANE позволяет на канальном уровне объединить между собой различные физические сегменты, при помощи коммутаторов ATM (см. рис. 7.8.). Необходимо отметить, что для протокола IP (или другого протокола сетевого уровня) такая "объединенная" сеть будет выглядеть как единый сегмент сети канального уровня. Для объединения нескольких сегментов LANE между собой на сетевом уровне необхо-димо использовать обычные маршрутизаторы локальных сетей.

В спецификации LANE предполагается, что каждый из физических сегментов сети подключен к коммутаторам ATM при помощи специальных конвертеров, которые преобразуют кадры и адреса Ethernet (или других протоколов канального уровня) в кадры и адреса ATM. В конверторы встроено специальное программное обеспечение LEC (LAN Emulation Client, клиент LANE). Также имеется сервер LES (LAN Emulation Server), который ведет общую таблицу, где указывается соответствие "MAC-адрес компьютера" – "ATM-адрес конвертора, через который к сети ATM подключен данный компьютер". Если компьютер-отправитель хочет направить пакет компьютеру-получателю из другого физического сегмента, то этот пакет попадет на конвертор (клиент LEC), который передаст на сервер LES MAC-адрес компьютера-получателя и запросит ATM-адрес конвертера, к которому подключен компьютер-получатель. После получения ATM-адреса конвертера - получателя, конвертер-отправитель установит с ним виртуальный канал средствами сети ATM и дальнейшее взаимодействие между компьютером-отправителем и компьютером-получателем будет идти через виртуальный канал и соответствующие конверторы, которые будут преобразовывать кадры Ethernet в ячейки ATM и наоборот.

Рис. 7.8. Технология LAN Emulation.

Помимо сервера LES, в спецификации LANE также определен сервер BUS (Broadcast and Unknown Server) для эмуляции в сети ATM широковещательных пакетов локальных сетей, а также пакетов с неизвестными адресами. Этот сервер распространяет такие пакеты во все пограничные коммутаторы (и, соответственно, во все конверторы). Если на канальном уровне необходимо объединить между собой несколько эмулируемых сетей, аналогичных приведенным на рис. 7.8., то для каждой такой сети создаются собственные серверы LES и BUS, а в пограничных коммутаторах активизируют по одному элементу LEC для каждой эмулируе-мой сети, а также вводят дополнительный сервер конфигурации LEGS (LAN Emulation Configuration Server) для хранения информации о количестве объединяемых эмулируемых сетей и об ATM-адресах серверов LES и BUS в каждой из этих сетей. Еще раз напомню, что для объединения нескольких эмулируемых сетей на сетевом уровне применяются обычные маршрутизаторы.

Технология АТМ

Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, АТМ) 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 АТМ, будет состоять в том, что одна транспортная технология сможет обеспечить несколько перечисленных ниже возможностей.

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

Иерархию скоростей передачи данных, от десятков мегабит до нескольких гага-бит 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.

Технология АТМ совмещает в себе подходы двух технологий - коммутации пакетов и коммутации каналов.

От первой она взяла на вооружение передачу данных в виде адресуемых пакетов, а от второй - использование пакетов небольшого фиксированного размера, в результате чего задержки в сети становятся более предсказуемыми. С помощью техники виртуальных каналов, предварительного заказа параметров качества обслуживания канала и приоритетного обслуживания виртуальных каналов с разным качеством обслуживания удается добиться передачи в одной сети разных типов трафика без дискриминации. Хотя сети ISDN также разрабатывались для передачи различных видов трафика в рамках одной сети, голосовой трафик явно был для разработчиков более приоритетным.

Подход, реализованный в технологии АТМ, состоит в передаче любого вида трафика - компьютерного, телефонного или видео - пакетами фиксированной и очень маленькой длины в 53 байта . Пакеты АТМ 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 АТМ применен стандартный для глобальных вычислительных сетей прием - передача ячеек в соответствии с техникой виртуальных каналов с длиной номера виртуального канала в 24 бит, что вполне достаточно для обслуживания большого количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора глобальной (может быть всемирной) сети АТМ.

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

Это передача факсов, распространение телевизионного изображения, голосовая почта, электронная почта, различные интерактивные службы, например проведение видеоконференций. Высокие скорости технологии АТМ 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 АТМ она не составляет больших проблем.

Основные принципы технологии АТМ

Сеть АТМ 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 АТМ пользуются 20-байтными адресами конечных узлов для маршрутизации трафика на основе техники виртуальных каналов. Для частных сетей АТМ определен протокол маршрутизации PNNI (Private NNI), с помощью которого коммутаторы могут строить таблицы маршрутизации автоматически. В публичных сетях АТМ 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 АТМ, 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.

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 АТМ общий маршрут между исходным и конечным узлами или общую часть маршрута между некоторыми 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 АТМ применена на двух уровнях - на уровне адресов конечных узлов (работает на стадии установления виртуального канала) и на уровне номеров виртуальных каналов (работает при передаче данных по имеющемуся виртуальному каналу).

Соединения конечной станции АТМ с коммутатором нижнего уровня определяются стандартом UNI (User Network Interface). Спецификация UNI определяет структуру пакета, адресацию станций, обмен управляющей информацией, уровни протокола АТМ, 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 АТМ 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 АТМ Forum определила для АТМ 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 АТМ, 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 АТМ 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 АТМ, что сокращает накладные расходы на служебные данные, но несколько усложняет задачу синхронизации приемника с передатчиком на уровне ячеек.

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

Трафик вычислительных сетей имеет ярко выраженный асинхронный и пульсирующий характер. Компьютер посылает пакеты в сеть в случайные моменты времени, по мере возникновения в этом необходимости. При этом интенсивность посылки пакетов в сеть и их размер могут изменяться в широких пределах - например, коэффициент пульсаций трафика (отношения максимальной мгновенной интенсивности трафика к его средней интенсивности) протоколов без установления соединений может доходить до 200, а протоколов с установлением соединений - до 20. Чувствительность компьютерного трафика к потерям данных высокая, так как без утраченных данных обойтись нельзя и их необходимо восстановить за счет повторной передачи.

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

На возможности совмещения этих двух видов трафика большое влияние оказывает размер компьютерных пакетов. Если размер пакета может меняться в широком диапазоне (например, от 29 до 4500 байт, как в технологии FDDI), то даже при придании голосовым пакетам высшего приоритета обслуживания в коммутаторах время ожидания компьютерного пакета может оказаться недопустимо высоким. Например, пакет в 4500 байт будет передаваться в выходной порт на скорости 2 Мбит/с (максимальная скорость работы порта коммутатора frame relay) 18 мс. При совмещении трафика за это время необходимо через этот же порт передать 144 замера голоса. Прерывать передачу пакета в сетях нежелательно, так как при распределенном характере сети накладные расходы на оповещение соседнего коммутатора о прерывании пакета, а потом - о возобновлении передачи пакета с прерванного места оказываются слишком большими.

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

Класс трафика (называемый также классом услуг - service class) качественно характеризует требуемые услуги по передаче данных через сеть АТМ. 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, так 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 АТМ 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 эго обычно делают протоколы с установлением соединения, поэтому от сети АТМ 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 АТМ.

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

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

требованием к синхронизации данных между передающей и принимающей сторонами;

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

Очевидно, что только качественных характеристик, задаваемых классом трафика, для описания требуемых услуг оказывается недостаточно. В технологии АТМ для каждого класса трафика определен набор количественных параметров, которые приложение должно задать. 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 АТМ 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 АТМ 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 (CTD и CDV), а также параметрами надежности передачи пакетов (CLR). В АТМ 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 АТМ 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 АТМ 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.

В некоторых случаях специфика приложения такова, что ее график не может быть отнесен к одному из четырех стандартных классов. Поэтому для этого случая введен еще один класс X, который не имеет никаких дополнительных описаний, а полностью определяется теми количественными параметрами трафика и QoS, которые оговариваются в трафик - контракте.

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 АТМ 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 АТМ 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 АТМ 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 АТМ

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

Уровень адаптации AAL

Уровень адаптации (АТМ Adaptation Layer, AAL) представляет собой набор протоколов AAL1-AAL5, которые преобразуют сообщения протоколов верхних уровней сети АТМ в ячейки АТМ 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 АТМ 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 or протокола верхнего уровня, на ячейки АТМ, снабжением их соответствующим заголовком и передачей уровню АТМ 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 АТМ) с помощью заголовков AAL, которые для коммутаторов АТМ 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 АТМ 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 АТМ.

Протокол AAL1 обычно обслуживает трафик класса А с постоянной битовой скоростью (Constant Bit Rate, CBR), который характерен, например, для цифрового видео и цифровой речи и чувствителен к временным задержкам. Этот трафик передается в сетях АТМ таким образом, чтобы эмулировать обычные выделенные цифровые линии. Заголовок AAL1 занимает в поле данных ячейки АТМ 1 или 2 байта, оставляя для передачи пользовательских данных соответственно 47 или 46 байт. В заголовке один байт отводится для нумерации ячеек, чтобы приемная сторона могла судить о том, все ли посланные ячейки дошли до нее или нет. При отправке голосового трафика временная отметка каждого замера известна, так как они следуют друг за другом с интервалом в 125 мкс, поэтому при потере ячейки можно скорректировать временную привязку байт следующей ячейки, сдвинув ее на 125х46 мкс. Потеря нескольких байт замеров голоса не так страшна, так как на приемной стороне воспроизводящее оборудование сглаживает сигнал. В задачи протокола AAL1 входит сглаживание неравномерности поступления ячеек данных в узел назначения.

Протокол AAL2 был разработан для передачи трафика класса В, но при развитии стандартов он был исключен из стека протоколов АТМ, и сегодня трафик класса В передается с помощью протокола AAL1, AAL3/4 или AAL5.

Протокол AAL3/4 обрабатывает пульсирующий трафик - обычно характерный для трафика локальных сетей - с переменной битовой скоростью (Variable Bit Rate, VBR). Этот трафик обрабатывается так, чтобы не допустить потерь ячеек, но ячейки могут задерживаться коммутатором. Протокол AAL3/4 выполняет сложную процедуру контроля ошибок при передаче ячеек, нумеруя каждую составляющую часть исходного сообщения и снабжая каждую ячейку контрольной суммой. Правда, при искажениях или потерях ячеек уровень не занимается их восстановлением, а просто отбрасывает все сообщение - то есть все оставшиеся ячейки, так как для компьютерного трафика или компрессированного голоса потеря части данных является фатальной ошибкой. Протокол AAL3/4 образовался в результате слияния протоколов AAL3 и AAL4, которые обеспечивали поддержку трафика компьютерных сетей соответственно с установлением соединения и без установления соединения. Однако ввиду большой близости используемых форматов служебных заголовков и логики работы протоколы AAL3 и AAL4 были впоследствии объединены.

Протокол AAL5 является упрощенным вариантом протокола AAL4 и работает быстрее, так как вычисляет контрольную сумму не для каждой ячейки сообщения, а для всего исходного сообщения в целом и помещает ее в последнюю ячейку сообщения. Первоначально протокол AAL5 разрабатывался для передачи кадров сетей frame relay, но теперь он чаще всего используется для передачи любого компьютерного трафика. Протокол AAL5 может поддерживать различные параметры качества обслуживания, кроме тех, которые связаны с синхронизацией передающей и принимающей сторон. Поэтому он обычно используется для поддержки всех классов трафика, относящегося к передаче компьютерных данных, то есть классов С и D. Некоторые производители оборудования с помощью протокола AAL5 обслуживают трафик CBR, оставляя задачу синхронизации трафика протоколам верхнего уровня.

Протокол AAL5 работает не только в конечных узлах, но и в коммутаторах сети АТМ. Однако там он выполняет служебные функции, не связанные с передачей пользовательских данных. В коммутаторах АТМ, протокол AAL5 поддерживает служебные протоколы более высоких уровней, занимающиеся установлением коммутируемых виртуальных соединений.

Существует определенный интерфейс между приложением, которому требуется передать трафик через сеть АТМ, 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 АТМ 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.

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Возможности АТМ коммутации:

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

• контроль перегрузки – ограничение нагрузки в приемлемых пределах;

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

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

Ячейки АТМ при передаче и коммутации испытывают задержки:

• неравномерность времени передачи ячеек CDV (Cell Delay Variation);

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

2.2. Ячейки АТМ

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

Рисунок 2.1. Формирование ячеек АТМ

Рисунок 2.2. Ячейка АТМ

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

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

Каждый элемент заголовка ячейки АТМ имеет определенное назначение.

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

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

Рисунок 2.3. Типы заголовков

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

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

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

Рисунок 2.4. Назначение идентификаторов VPI и VCI

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

Рисунок 2.5. Общая структура коммутатора АТМ

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

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

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

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

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

Таблица 2.1. Кодирование идентификатора РТ

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

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

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

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

Рисунок 2.6. Синхронизация ячеек и распознавание ошибок

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Контрольные вопросы

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