32. Технология атм.
Технология ATM (Asynchronous Transfer Mode — режим асинхронной передачи) — это одна из самых перспективных технологий построения высокоскоростных сетей любого класса, от локальных до глобальных. Термин «асинхронный» в названии технологии указывает на ее отличие от синхронных технологий с фиксированным распределением пропускной способности канала между информационными потоками (например ISDN). Первоначально (на рубеже 80-90-х годов) технология разрабатывалась для замены известной технологии Synchronous Digital Hierarchy (SDH, синхронная цифровая иерархия), имеющей ряд недостатков, но и по сей день широко используемой при построении волоконно-оптических широкополосных магистралей (одна магистраль Санкт-Петербург-Москва многого стоит) и обеспечивающей самые высокие скорости передачи.
В качестве транспортного механизма ATM лежит технология широкополосной ISDN (B-ISDN, Broadband ISDN), призванная обеспечить возможность создания единой, универсальной, высокоскоростной сети взамен множества сложных неоднородных существующих сетей. Частично ей это уже удалось. Технология ATM, как уже говорилось, используется в сетях любого класса, для передачи любых видов трафика: как низко- и среднескоростного (факсы, почта, данные), так и высокоскоростного в реальном масштабе времени (голос, видео); технология работает с самыми разнообразными терминалами и по самым разным каналам связи.
Основные компоненты сети ATM:
- ATM-коммутаторы, представляющие собой быстродействующие специализированные вычислительные устройства, которые аппаратно реализуют функцию коммутации ячеек ATM между несколькими своими портами;
- устройства Customer Premises Equipment (CPE), обеспечивающие адаптацию информационных потоков пользователя при передаче с привлечением технологии ATM.
Для передачи данных в сети ATM организуется виртуальное соединение — virtual circuit (VC). В пределах интерфейса NNI виртуальное соединение определяется уникальным сочетанием идентификатора виртуального пути (virtual path identifier) и идентификатора виртуального канала (virtual circuit identifier). Виртуальный канал представляет собой фрагмент логического соединения, по которому производится передача данных одного пользовательского процесса. Виртуальный путь представляет собой группу виртуальных каналов, которые в пределах данного интерфейса имеют одинаковое направление передачи данных. Коммутатор ATM состоит из:
- коммутатора виртуальных путей;
- коммутатора виртуальных каналов.
Эта особенность организации ATM обеспечивает дополнительное увеличение скорости обработки ячеек. ATM-коммутатор анализирует значения, которые имеют идентификаторы виртуального пути и виртуального канала у ячеек, поступающих на его входной порт, и направляет эти ячейки на один из выходных портов. Для определения номера выходного порта коммутатор использует динамически создаваемую таблицу коммутации. Первоначально стандарт D-ISDN определял для сети ATM два интерфейса:
- UNI (User-to-Network Interface) — интерфейс пользователь-сеть;
- NNI (Network-to-Network Interface) — интерфейс сеть-сеть,
Но затем «Форум ATM» (есть и такой) добавил еще интерфейс взаимодействия оборудования ATM с устройствами локальных сетей. Передача информации в сетях ATM происходит после предварительного установления соединений, выполняемого высокоскоростными коммутаторами ATM. Коммутаторы создают широкополосный физический канал, в котором динамически можно формировать более узкополосные виртуальные подканалы. Передаются по каналу не кадры, не пакеты, а ячейки (cells). Ячейка представляет собой очень короткие последовательности байтов — размер ячейки составляет 53 байта, включая заголовок (5 байтов). Размер ячейки выбран в результате компромисса между требованиями, предъявляемыми компьютерными сетями — больший размер ячейки, и требованиями голосового трафика — меньший размер ячейки. Время заполнения квантами голосового сигнала ячейки длиной 48 байтов составляет примерно 6 мс, что является пределом временной задержки, заметно не искажающей голосовой трафик. Формат ячейки ATM Ячейка состоит из двух частей: поля заголовка (занимает 5 байтов) и поля данных (занимает 48 байтов). В заголовке ячейки содержатся следующие поля:
- Virtual path identifier (VPI);
- Virtual circuit identifier (VCI);
- Payload type (PT);
- Congestion Loss Priority (CLP);
- Header Error Control (НЕС).
Идентификаторы VPI и VCI используются для обозначения виртуальных соединений ATM. В поле РТ располагается информация, определяющая тип передаваемых данных. CLP — бит понижения приоритета — помечает кадры, которые при возникновении ситуации перегрузки должны быть уничтожены в первую очередь. Поле GFC содержат только ячейки ATM, которые передаются через интерфейс UNI (содержимое этого поля используется в тех случаях, когда один интерфейс ATM UNI обслуживает несколько станций одновременно). Поле НЕС хранит проверочную контрольную сумму четырех предыдущих байтов заголовка. Технология ATM совмещает в себе подходы двух технологий — коммутации пакетов и коммутации каналов. От первых заимствована передача адресуемых пакетов, от вторых — минимизация задержек в сети ввиду пакетов малого размера. В предшествовавших ISDN технологиях синхронной передачи было невозможно перераспределять пропускную способность канала между подканалами — в период простоя подканала общий канал все равно вынужден был передавать нулевые байты, так как синхронная система не позволяла нарушать последовательности передаваемых данных. В случае передачи пакетов с индивидуальными адресами, как это принято в компьютерных сетях, последовательность передачи пакетов не важна. На этом принципе и была построена система асинхронной передачи по ATM-технологии. В ней можно по подканалам передавать ячейки в любой последовательности, а поскольку размер ячеек очень мал, достигается гибкость перераспределения нагрузки между подканалами и значительно увеличивается пропускная способность системы. У получателя ячейки собираются вместе и объединяются в сообщение — так же, как это делается в компьютерных сетях. Скорость передачи увеличивается и из-за того, что в процессе передачи ячеек их маршрутизация не производится, высокоскоростные коммутаторы ATM выполнили предварительное формирование канала. Скорость передачи данных по каналам ATM лежит в пределах от 155 Мбит/с до 2200 Мбит/с. При скорости 155 Мбит/с время передачи ячейки длиной 53 байта составит менее 3 мкс. ATM-технология рассчитана на работу с трафиками разного типа. Тип трафика характеризуется:
- наличием или отсутствием пульсаций во времени; ,
- требованием синхронизации данных между передающей и принимающей сторонами;
- типом протокола, передающего данные, — с установлением предварительного соединения или без него.
В существующих спецификациях технологии определены 5 классов трафика:
- класс А — синхронный трафик с предварительным установлением соединения и постоянной битовой скоростью (отсутствие пульсаций). Примеры: голосовой и видеотрафик;
- класс В — синхронный трафик с предварительным установлением соединения и переменной битовой скоростью (наличие пульсаций). Примеры: сжатый аудио- и видеотрафик;
- класс С — асинхронный трафик с предварительным установлением соединения и переменной битовой скоростью (наличие пульсаций). Примеры: трафик компьютерных сетей с коммутацией пакетов (Х.25, Frame Relay, TCP/IP и т. д.);
- класс D — асинхронный трафик без предварительного установления соединения и переменной битовой скоростью (наличие пульсаций). Примеры: трафик компьютерных сетей типа Ethernet и т. п.;
- класс X — тип трафика определяется пользователем.
Структурная схема сети на основе технологии ATM показана на рис. 11.9.
3.3. Региональная компьютерная сеть атм
Модель пакетной коммутации ISO/OSI была разработана в то время, когда цифровая дистанционная передача осуществлялась с большим, в сравнении с современными системами связи, количеством ошибок. В результате, схемы пакетной коммутации предполагают значительные накладные расходы для компенсации ошибок. Эти накладные расходы включают дополнительные биты в каждом из пакетов, а также дополнительную обработку на конечных станциях и в промежуточных узлах коммутации.
Подобный уровень накладных расходов не является необходимым в современных высокоскоростных системах дальней связи. Уровень ошибок довольно мал, а в конечных системах логика верхних уровней сети по отношению к уровню пакетной коммутации (например, транспортный по отношению к сетевому) может легко отследить ошибки передачи.
Основополагающий принцип технологии АТМ — предоставление пропускной способности по требованию. Она разрабатывалась с учетом преимуществ высокоскоростной передачи данных и низкого уровня ошибок современных сетевых средств. Первые сети пакетной коммутации были рассчитаны на скорость передачи к конечному пользователю в 64 Кбит/с, в то время как сети АТМ ориентировались на скорость в несколько Гбит/с. Достичь таких высоких скоростей передачи помогло исключение накладных расходов на управление потоком и контроль ошибок.
Другим существенным фактором, способствующим снижению накладных расходов в технологии АТМ, является метод управления вызовами. В модели ISO/OSI пакеты управления вызовами, используемые для установления и разрыва виртуальных каналов, передаются по тому же самому виртуальному каналу, что и пакеты данных.
В АТМ передача сигналов контроля вызова осуществляется по логическому соединению, отличному от используемого для передачи пользовательских данных. В пользовательском интерфейсе один канал управления соединением служит для управления всеми коммутируемыми соединениями передачи данных. Так что промежуточным коммутирующим узлам нет необходимости поддерживать таблицы состояний маршрутов или обрабатывать управляющие вызовами сообщения для каждого соединения в отдельности.
Наиболее очевидно преимущество АТМ над моделью ISO/OSI в области управления потоками и контроля ошибок. Модель ISO/OSI использует трехуровневую архитектуру: сетевой, канальный и физический уровни. На сетевом уровне происходит мультиплексирование нескольких виртуальных каналов в интерфейсе пользователя, формирование пакетов, содержащих номер виртуального канала, используемого для маршрутизации и коммутации потока данных по сети, управление потоком и контроль ошибок на всем пути следования пакетов от отправителя до получателя. На канальном уровне осуществляется контроль ошибок в коммутационных узлах сети: каждому узлу присваивается порядковый номер, после проведения контроля одновременно с передачей данных на следующий узел предыдущему передается подтверждение правильности приема. В случае приема ошибочного кадра передача повторяется.
В качестве пакета данных в сетях АТМ используется «ячейка» (Cell), имеющая фиксированную длину 53 байта. Каждая ячейка содержит номер логического соединения, используемого для маршрутизации и коммутации потока данных. Порядковые номера ячеек для управления потоком и контроля ошибок отсутствуют. Контроль за правильностью передачи данных от отправителя получателю должен осуществляться на более высоком уровне.
В сетях АТМ логические соединения называются виртуальными каналами (virtual channel) и устанавливаются по сети между двумя конечными пользователями для двустороннего обмена ячейками с переменной скоростью. Виртуальные каналы используются также для обмена между сетью и пользователем (контрольные сигналы) и между сетью и сетью (управление и маршрутизация в сети).
В сетях АТМ принята концепция виртуального пути. Виртуальный путь ‑ это совокупность виртуальных каналов с одними теми же адресами. Таким образом, все передаваемые ячейки по виртуальным каналам одного и того же виртуального пути, также объединяются вместе (мультиплексируются). При этом необходимо отметить, что в сетях АТМ мультиплексирование ячеек осуществляется на втором (канальном) уровне.
Принятие концепции виртуальных путей имеет важное значение для организации эффективной передачи данных:
- Упрощается архитектура сети. Сетевые транспортные функции могут быть разделены на относящиеся к индивидуальным логическим соединениям (виртуальным каналам) и группе логических соединений (виртуальным путям).
- Увеличивается производительность и надежность сети. Сеть имеет меньшее число взаимодействующих объектов.
- Сокращается время на обработку и установление соединения. Основная часть работы производится при установке виртуального пути. Добавление новых виртуальных каналов к имеющемуся виртуальному пути требует минимальных затрат.