Лекции по "Основы построения телекоммуникационных систем"

Лекция 18. Технология ATM

Итак, как мы уже отметили, в период развития различных глобальных сетевых технологий основная работа разработчиков стала  направляться на обеспечение единой транспортной системы. Давайте, определим более детально суть возникшей проблемы.

Мы уже убедились, что  на данное время создано довольно большое количество различных стандартов, как международных, так и фирменных. И как обычно это происходит при  появлении большого разнообразия продукции, для всех организаций возникла проблема единой стандартизации.

Глобальные сетевые стандарты  позволяют обеспечить эффективное  взаимодействие всех станций сети за счет использования одинаковых версий программ и однотипной конфигурации.

Однако, значительные сложности  возникают при обеспечении доступа рабочих станций к сервисам глобальных сетей. Например, необходимо справляться с проблемой преобразования данных из формата Token Ring или Ethernet в форматы типа X.25 или T1/E1.

Кроме того, надо еще заметить несколько особенностей сложившейся  ситуации. Во-первых, со стороны локальных сетей трафик характеризуются большими требованиями к скорости и взрывным характером. Высокопроизводительные приложения типа клиент-сервер требуют высокой скорости передачи в активном состоянии и практически не используют сеть в остальное время. Таким образом, зачастую бывают ситуации, когда 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.

Во-вторых, со стороны глобальных сетей трафик характеризуется огромных многообразием: голос, видео, данные. Существующие современные технологии, конечно, могут обеспечить высокую скорость доступа к локальным сетям, но эффективную связь обеспечить им не удается. Появление сетей ISDN, с которыми мы познакомились, сделало огромный шаг вперед, теперь стала возможна передача различных видов трафика в рамках одной сети. Но, оставалась особенность: для разработчиков всегда присутствовало преимущество приоритета голосового трафика.

Через некоторое время, в  начале 80-х, учитывая сложившуюся ситуацию, разработчики предлагают новую технологию передачи данных -

Технологию асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, АТМ).

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

Единообразие, которое обеспечивает АТМ, состоит в том, что одна транспортная технология может обеспечивать несколько возможностей:

Во-первых, 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.

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

В-третьих, общие транспортные протоколы для локальных и глобальных сетей.

В-четвертых, сохранение имеющейся инфраструктуры физических каналов или физических протоколов: Т1/Е1, ТЗ/ЕЗ, SDH STM-n, FDDI.

В-пятых, 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 1968 году.

Основной разрабатываемой  технологией тогда была знакомая нам технология TDM с синхронными методами коммутации. Главный недостаток технологии TDM - невозможность перераспределять пропускную способность объединенного канала между подканалами.

Эту проблему мы уже рассматривали  в прошлом нашем уроке, который  был посвящен выделенным линиям. Тогда  мы отмечали, что попытки загрузить  периоды простоя подканалов приводят к необходимости введения заголовка  для данных каждого подканала.

Как эту проблему решает технология ATM?

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.

С помощью техники виртуальных каналов, предварительного заказа параметров качества обслуживания канала и приоритетного обслуживания виртуальных каналов с разным качеством обслуживания удалось добиться передачи в одной сети разных типов трафика без дискриминации.

Технология  АТМ 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 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.

Разработку  стандартов АТМ осуществляет группа организаций под названием АТМ Forum под эгидой специального комитета IEEE, а также комитеты ITU-T и ANSI.

АТМ - 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.

В АТМ Forum принимают участие практически все заинтересованные стороны - производители телекоммуникационного оборудования, производители оборудования локальных сетей, операторы телекоммуникационных сетей и сетевые интеграторы.

До широкого распространения  технологии АТМ по оценкам специалистов должно пройти еще 5-10 лет. Такой прогноз связан не только с отсутствием полного набора принятых стандартов, но и с невозможностью быстрой замены уже установленного дорогого оборудования, которое хотя и не так хорошо, как хотелось бы, но все же справляется со своими обязанностями. Кроме того, многое еще нужно сделать в области стандартизации взаимодействия АТМ с существующими сетями, как компьютерными, так и телефонными.

Итак, мы определили, что  технология ATM действительно стала эффективным выходом из ситуации сложившейся в развитии интеграции существующих сетевых технологий. В нашем уроке мы рассмотрим только самые основные принципы работы, как говорится, для общего развития, поскольку, как уже было сказано, технология АТМ - очень сложна и для детального знакомства с ней потребуется не один урок.

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 работают 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.

Такая иерархия адреса намного упрощает маршрутизацию запросов установления соединения.

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.

Virtual Path 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.

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.

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".

Мы уже не один раз отмечали, что 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, наоборот, характеризуется  низким коэффициентом пульсаций, высокой  чувствительностью к задержкам  передачи данных и низкой чувствительностью к потерям данных.

Поэтому существует сложность совмещения компьютерного  и мультимедийного трафика, которые  имеют противоположные характеристики.

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.

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.

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.

Использование ячеек АТМ - это специфическая особенность этой технологии. Поэтому мы рассмотрим ее несколько подробней.

Чтобы пакеты содержали адрес  узла получателя 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.

Длиной номера виртуального канала выбрана 24 бит, что вполне достаточно для обслуживания большого количества виртуальных соединений каждым портом коммутатора глобальной (может быть всемирной) сети АТМ.