Мультисервисные АТМ - сети

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. 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.

 

 

1.1.1 Протоколы сетей ATM

 

В настоящее время начинают широко внедряться каналы с пропускной способностью 150,52 и 622,08 Мбит/с. Эти каналы, как для соединения локальных сетей, так и непосредственно для построения скоростных LAN, которые могут обеспечить любые современные телекоммуникационные услуги кроме телевидения высокого разрешения. Предусмотрен стандарт и на скорость передачи 2,48832 Гбит/c, так как время доставки для многих видов сетевых услуг реального времени является крайне важной характеристикой. АТМ находит широкое применение в телефонии, кабельном телевидении и других областях. Следует учитывать, что оцифрованный видеосигнал качества VHS требует 100Мбит/с при отсутствии сжатия и 1,5-6 Мбит/c при использовании сжатия. Кадр изображения 1000х1000 пикселей при 24 битах, характеризующих цвет, занимает 3 Мбайт. ATM справится с передачей такого кадра с учетом накладных расходов (заголовок) за ~0,2с. Понятно, что при использовании сжатия можно получить заметно большее быстродействие.Это не значит, что доступны лишь указанные скорости, интерфейсы позволяют мультиплексировать большое число каналов с самыми разными скоростями обмена. Но мультиплексирование на таких частотах представляет собой значительную проблему. Определенные трудности представляет то обстоятельство, что в ATM трудно реализовать обмен без установления соединения (аналог UDP в Интернет).

Протокол ATM (asynchronous transfer mode) является широкополосной версией ISDN, работает на скорости 150,52 Мбит/с. Асинхронный в названии означает, что тактовые генераторы передатчика и приемника не синхронизованы, а сами ячейки передаются и мультиплексируются по запросам. При мультиплексировании используется статистическая технология. Асинхронная передача не предполагает упорядочивания ячеек по каналам при пересылке. ATM поддерживает аппаратную и пакетную коммутацию.

1.1.2 Каналы АТМ-сети

 

Каждый пакет ATM имеет 53 байта (в англоязычной документации пакеты ATM носят название cell (ячейка), этот термин введен, чтобы отличить пакеты ATM от пакетов низкоскоростных каналов), из них 48 байт несут полезную информацию. Ячейка АТМ в случае транспортировки голосовых данных соответствует 6 мс звучания.

Для выделения  пакета из потока используются такие  же, как и в ISDN разделительные байты (0x7E). Заголовок пакета содержит лишь 5 байт и предназначен главным образом для того, чтобы определить принадлежит ли данный пакет определенному виртуальному каналу. Отсутствие контроля ошибок и повторной передачи на физическом уровне приводит к эффекту размножения ошибок. Если происходит ошибка в поле идентификатора виртуального пути или виртуального канала, то коммутатор может отправить ячейку другому получателю. Таким образом, один получатель не получит ячейку, а другой получит то, что ему не предназначалось.

Виртуальный канал в ATM формируется также как и в ISDN. Формально эта процедура не является частью ATM - протокола. Сначала здесь формируется сигнальная схема, для этого посылается запрос с VPI=0 и VCI=5. Если процедура завершилась успешно, можно начинать формирование виртуального канала. При создании канала могут использоваться 6 разновидностей сообщений:

- setup - запрос формирования канала;

- call proceeding - запрос в процессе исполнения;

- connect - запрос принят;

- connect ACK - подтверждение получения запроса;

- release - сообщение о завершении;

- release compleate - подтверждение получения сообщения release.

Следует обратить внимание на то, что виртуальный  канал (circuit) и виртуальный проход (path) в данном контексте не тождественны. Виртуальный проход (маршрут) может содержать несколько виртуальных каналов. Виртуальные каналы всегда являются полностью дуплексными.

 

1.1.3 Адреса АТМ-сети

 

Предполагается, что между ЭВМ-инициализатором  и ЭВМ-адресатом находится два ATM - переключателя. Каждый из узлов по пути к месту назначения при получении запроса setup откликается, посылая сообщение call proceeding. Адрес места назначения указывается в сообщении setup. В ATM используется три вида адресов:

- первый - имеет 20 байт и имеет структуру OSI-адреса. Первый байт указывает на вид адреса (один из трех). Байты 2 и 3 указывают на принадлежность стране, а байт 4 задает формат последующей части кода адреса, которая содержит 3 байта кода администрации (authority), 2 байта домена, 2 байта области и 6 байтов собственно адреса.

- во втором формате байты 2 и 3 выделены для международных организаций, а не стран. Остальная часть адреса имеет тот же формат, что и в первом.

- третий формат является старой формой (CCITT E.164) 15-цифровых десятичных телефонных номеров ISDN. В ATM не специфицировано никакого алгоритма маршрутизации. Для выбора маршрута (от коммутатора к коммутатору) используется поле VCP. VCI используется лишь на последнем шаге, когда ячейка посылается от переключателя к ЭВМ. Такой подход упрощает маршрутизацию отдельных ячеек, так как при этом анализируется 12- битовые коды, а не 28-битовые. В каждом коммутаторе (переключателе) формируются специальные таблицы, которые решают проблему переадресации ячеек.

 

1. Принцип работы

 

Технология  АТМ совмещает в себе подходы двух технологий:

- коммутация пакетов;

- коммутация каналов.

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

Рассмотрим методы коммутации ячеек АТМ на основе полей VPC/VCI. Коммутаторы АТМ могут работать в двух режимах:

- коммутация виртуального пути;

- коммутация виртуального канала.

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

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

Таким образом, технология АТМ применена на двух уровнях:

- на уровне  адресов конечных узлов (работает  на стадии установления виртуального канала);

- на уровне номеров виртуальных каналов (работает при передаче данных по имеющемуся виртуальному каналу).

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

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

 

1.2.1 Поля АТМ-сети

 

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

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

Поле Идентификатор  типа данных (Payload Type Identifier, PTI) состоит  из 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. Играет ту же роль, что бит FECN в технологии frame relay, то есть передает информацию о перегрузке по направлению потока данных.

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

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

 

1.2.2 Трафики АТМ

 

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

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

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

Сложность совмещения компьютерного и мультимедийного  трафика с диаметрально противоположными характеристиками видна на рисунке 1 в приложении А.

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