Технология АТМ (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 АТМ 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 АТМ, 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 АТМ:
l АТМ-коммутаторы, представляющие собой быстродействующие специализированные вычислительные устройства, которые аппаратно реализуют функцию коммутации ячеек ATMмежду несколькими своими портами;
l 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 АТМ состоит из:
l коммутатора виртуальных путей;
l коммутатора виртуальных каналов.
Эта особенность организации АТМ 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 АТМ два интерфейса:
l UNI (User-to-Network Interface) - интерфейс пользователь–сеть;
l NNI (Network-to-Network Interface) - интерфейс сеть–сеть,
Передача информации в сетях АТМ происходит после предварительного установления соединений, выполняемого высокоскоростными коммутаторами АТМ. 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.
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.
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).
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?
Перспективными технологиями передачи информации в вычислительных сетях являются технологии, обеспечивающие высокие скорости передачи разнородной информации (данных, речевых и видеосигналов) на значительные расстояния. Действительно, передача голосовой и видеоинформации обычно требуется в режиме реального времени, и, следовательно, задержки должны быть только малыми (так, для голосовой связи — около 6 мс).
Технология ATM кратко формулируется, как быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной длины (53 байт), называемых ячейками. По этой причине и саму технологию ATM иногда называют коммутацией ячеек.
Сети ATM относят к сетям с установлением соединения . Соединения могут быть постоянными и коммутируемыми (динамическими). Первые устанавливаются и разрываются администратором сети, их действие продолжительно, для каждого нового обмена данными между абонентами постоянного соединения не нужно тратить время на его установление. Вторые устанавливаются и ликвидируются автоматически для каждого нового сеанса связи.
Каждое соединение получает свой идентификатор, который указывается в заголовке ячеек. При установлении соединения каждому коммутатору на выбранном пути следования данных передаются данные о соответствии идентификаторов и портов коммутаторов. Коммутатор, распознав идентификатор, направляет ячейку в нужный порт. Непосредственное указание в заголовке адресов получателя и отправителя не требуется, заголовок короткий — всего 5 байтов.
Высокие скорости в ATM обеспечиваются рядом технических решений.
Во-первых, физической основой для ATM служат высокоскоростные каналы передачи данных . Так, при применении технологии SONET в ATM предусматриваются каналы ОС-1, ОС-3, ОС-12 и ОС-48 на ВОЛС со скоростями соответственно 52, 155, 622 и 2488 Мбит/с.
Кроме того, большое число каналов с временным мультиплексированием (TDM) можно использовать для параллельной передачи частей одного и того же "объемного" сообщения, что соответствует понятию "статистическое мультиплексирование". В технологиях E1/E4 статистическое мультиплексирование затруднено, так как для него требуется адресация слотов. В ATM ячейки адресуются, цикл синхронизации состоит из отдельных участков, длины участка и ячейки совпадают. Под конкретное сообщение можно выделить интервалов, совокупность которых называют виртуальным каналом . Скорость передачи можно регулировать, изменяя .
Во-вторых, отрицательные квитанции при искажениях собственно сообщений (но не заголовков) возможны только от конечного пункта. Это исключает потери времени в промежуточных пунктах на ожидание подтверждений. Такой способ иногда называют коммутацией кадров (в отличие от коммутации пакетов). Контрольный код (четырехбайтный циклический) по информационной части сообщения имеется только в конце последнего пакета сообщения, что характерно для использования разновидности ATM, называемой AAL5. В других разновидностях ATM, ориентированных на передачу мультимедийного трафика, потери отдельных ячеек вообще некритичны. Для контроля правильности заголовков используется один байт в заголовке ячейки, в котором размещается контрольный код Хемминга для заголовка. Искаженные и не восстановленные по Хеммингу ячейки отбрасываются.
В-третьих, упрощена маршрутизация . Собственно установление соединения выполняется аналогично этой процедуре в TCP/IP . Однако далее номер рассчитанного маршрута помещается в заголовок каждого пакета, и для них не нужно заново определять маршрут по таблицам маршрутизаторов при прохождении через сеть. Другими словами, осуществляется передача с установлением соединения (в отличие, например, от ). При этом клиент направляет серверу запрос в виде специального управляющего кадра . Кадр проходит через промежуточные маршрутизаторы и/или коммутаторы, в которых соединению (каналу) присваивается идентификаторы виртуальных пути и канала VPI/VCI. Если передача адресована нескольким узлам, то соответствующие идентификаторы в коммутаторах присваиваются нескольким каналам.
В-четвертых, фиксированная длина пакетов (кадров) упрощает алгоритмы управления и буферизации данных, исключает необходимость инкапсуляции или конвертирования пакетов при смене форматов в промежуточных сетях (если они соответствуют формату ячейки ATM).
Малый размер ячейки (53 байт) обусловлен требованиями передачи телефонного (голосового) трафика. Действительно, если допустить, наряду с передачей голоса, также традиционных цифровых данных, упакованных в длинные пакеты, то возможны задержки передачи "голосовых" ячеек на время, заметно превышающее несколько миллисекунд, что для телефонного разговора недопустимо. В то же время слишком короткие ячейки приводят к нерациональному использованию пропускной способности каналов из-за значительной доли длины заголовка в размере ячейки. Поэтому длина 53 байт при длине заголовка в 5 байт — компромиссное решение.
При этом задержки в передаче голоса, обусловленные размером ячейки, составляют 6 мс. Действительно, каждый из 48 байт является одним замером аналоговой величины при импульсно-кодовой модуляции , которые выполняются с интервалом в 125 мкс (при частоте замеров 8 кГц). Следовательно, между моментом первого замера и отправкой ячейки в сеть проходит время (время пакетизации), равное 0,125·48 = 6 мс.
В ATM введены три уровня протоколов (рис. 1).
Адаптационный уровень (AAL — ATM Adaptations Level) аналогичен транспортному уровню в ЭМВОС , на нем происходит разделение сообщения на пакеты с контрольной и управляющей информацией, которые, в свою очередь, делятся на 48-байтные ячейки. Происходит также преобразование битовых входных потоков в один поток с соблюдением пропорций между числом ячеек для данных, голосовой и видеоинформации. Программное обеспечение, реализующее функции AAL, требуется только в конечных узлах ATM-сети.
Рис. 1. Уровни протокола ATM
Введено несколько разновидностей протокола AAL, ориентированных на разные классы трафика. Протокол AAL1 предназначен для обслуживания мультимедийного трафика, характеризующегося стабильной скоростью и синхронизацией голоса и видео, и телефонного трафика, чувствительного к временным задержкам. В то же время потеря отдельных ячеек несущественно сказывается на качестве принимаемой информации. Протокол AAL3/4 предназначен для передачи нестабильной (пульсирующей) нагрузки, присущей связям между локальными вычислительными сетями . Задержки здесь не критичны, но потери ячеек не допускаются. Протокол AAL5 приспособлен для передачи данных вычислительного характера.
На следующем уровне, называемом ATM, к каждой ячейке добавляется пятибайтовый заголовок с маршрутной информацией. Этот уровень служит также для установления соединений. В структуре пятибайтового заголовка ATM-ячейки имеются следующие поля (в скобках указано число битов):
- управление (4);
- VPI/VCI (24);
- тип данных (3);
- приоритет потери пакетов (1);
- контроль заголовка (8).
Поля идентификаторов VPI (Virtual Path Identifier) и VCI (Virtual Channel Identifier) используются для указания маршрута движения ячеек. Очевидно, что в пределах всей сети при передаче ячеек использовать уникальные номера узлов нельзя, так как для этого потребовалась бы значительно большая длина заголовка, чем 5 байт. Поэтому идентификация маршрута выполняется с помощью сочетаний VPI/VCI. При установлении соединения назначаются VPI/VCI и в каждом маршрутизаторе для каждого соединения сочетание этих идентификаторов будет уникальное. В то же время в процессе установления соединения размеры запросов и ответов не ограничены столь существенно, здесь используются иерархические 20-байтные адреса, специальные таблицы маршрутизации и протокол PNNI. Идентификатор VPI можно рассматривать, как старшую часть указателя маршрута, этот идентификатор оказывается одинаковым для совокупности каналов, проходящих через одинаковые фрагменты сети.
Поле "тип данных" используется для указания типа пакета (запрос на установление соединения или передача) и индикации перегрузки сети. Бит "приоритет потери пакетов" служит для отметки тех пакетов, которые нарушают соглашение о качестве обслуживания.
Следует отметить, что для сборки сообщения из ячеек нужно нумеровать ячейки одного и того же сообщения. Этот номер относится к заголовку адаптационного уровня, занимающего один или два байта в поле данных (т.е. в 48-битном поле).
Поле "контроль заголовка" содержит код Хемминга и, помимо функций контроля и исправления ошибок в заголовке ячейки, служит для разграничения ячеек ATM при их выделении из потока данных, передаваемых по каналам SDH. Граница определяется по сравнению подсчитываемого кода Хемминга для каждой очередной последовательности из 5 байт с содержимым последнего из этих 5 байт (положительный результат сравнения означает, что эта последовательность и есть заголовок).
Поле "управление" предназначено для индикации перегрузок, отказов узлов, важности ячеек (маловажные могут отбрасываться при перегрузках). Сигналы управления обычно передаются в обратном направлении по тому же пути с определенными интервалами.
Скорости передачи, реализуемые системами АТМ, покрывают в настоящее время (2003 г.) диапазон от 64 Кбит/с до 40 Гбит/с и, как правило, соответствуют ряду n×64 Кбит/с: 1,5/2, 6/8, 13, 26, 32, 34/45, 52, 98, 100, 140, 155, 622 Мбит/с, 2,5, 10 и 40 Гбит/c.
Третий уровень — физический (physical) — служит для преобразования данных в электрические или оптические сигналы. Как отмечено выше, средой для ATM часто служат каналы технологий SDH или SONET , возможно использование технологий PDH . Если сеть не может обеспечить требуемую полосу, то происходит отказ от соединения. При перегрузках часть передаваемых ячеек отбрасывается с соответствующим уведомлением пользователя. Потеря ячеек вызывает необходимость повторной передачи всех ячеек сегмента (в AAL5), поскольку контроль правильности передачи ведется по отношению ко всему сообщению (в данном случае — сегменту). Существенно сократить число повторно передаваемых ячеек позволяет применение специальных алгоритмов.
Качество передачи характеризуется такими параметрами, как пропускная способность, процент потерянных ячеек, задержка передачи ячеек и ее вариации. Заказ услуг выполняется в процессе установления соединения. Для поддержания заказанного уровня услуг в сетях ATM имеются специальные службы, реализуемые в программном обеспечении коммутаторов. Наряду с соединениями, не требующими определенного качества передачи, используются соединения со следующими уровнями услуг:
- поддержка постоянной скорости при заданных ограничениях на максимальную скорость, задержку и процент потерянных ячеек;
- поддержка переменной скорости с ограничениями на среднюю скорость и максимальный размер пульсаций скорости, в том числе поддержка требований синхронизации потоков от передатчика и приемника;
- обеспечение переменной скорости с ограничением на минимальную скорость без требований синхронизации потоков от передатчика и приемника.
Если сеть ATM оказывается перегруженной, то во избежание потери информации и в отличие от коммутации каналов возможна буферизация данных для выравнивания загрузки каналов. Регулирование загрузки (управление потоком) осуществляется периодическим включением (обычно через 32 кадра) RM-ячейки в информационный поток. В эту ячейку конечный узел и/или промежуточные коммутаторы могут вставлять значения управляющих битов, сигнализирующие о перегрузке или недогрузке канала. RM-ячейка от конечного узла передается в обратном направлении источнику сообщения, который может соответственно изменить режим передачи. В частности, применяется режим занятия всех свободных ресурсов при перегрузке. Таким образом, происходит динамическое перераспределение нагрузки.
LAN ) и высококачественного телевидения, которые требовали более высоких скоростей, чем те, что предоставляли службы ISDN .Однако разработка широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания ( Broadband ISDN - BISDN) привела к созданию метода передачи, который резко отличался от узкополосной ISDN ( Narrow ISDN - NISDN), известной как асинхронный режим передачи ( Asynchronous Transfer Mode ).
ATM объединяет возможности двух технологий - коммутации пакетов и коммутации каналов. ATM преобразует все виды нагрузки в поток ячеек ( cell ) длиной 53 байта. Как показано на рис. 10.1 , ячейка состоит из 48 байтов полезной нагрузки и 5 байтов заголовка , который позволяет передавать эту ячейку по сети.
Метод ATM ориентирован на соединение с пакетным способом коммутации, который обеспечивает заданное качество обслуживания (QoS - Quality of Service ). ATM рассчитана на высокие скорости передачи, а также на различные виды нагрузки: равномерный поток нагрузки, пульсирующая (пачечная) нагрузка и другие промежуточные типы.
Рис.
10.1.
Эталонная модель протоколов BISDN показана на рис. 10.2 . Модель содержит три плоскости: плоскость пользователя (Uplane), плоскость управления (C-plane) и плоскость менеджмента - административного управления (M-plane). Плоскость пользователя (U-plane), включает в себя передачу и прием всех видов данных, обеспечение управления потоком и защиту от ошибок. Она имеет уровневую структуру.
Плоскость управления (C-plane) содержит совокупность протоколов,используемых для сигнализации при установлении, контроле и разъеди- нении соединения. Она имеет уровневую структуру.
Плоскость менеджмента (M-plane) включает в себя две плоскости: административное управление уровнями плоскостей и управление плоскостями.
Функции управления уровнями содержат совокупность протоколов, координирующих:
Рассмотрим более подробно уровни плоскости пользователя и управления.
Плоскость пользователя имеет три основных уровня для поддержки пользовательских приложений: физический, адаптации ATM , уровень ATM . Уровень адаптации ATM ( ATM Adaptation Layer - AAL ) имеет несколько типов, функции которых определяются различными классами нагрузки пользователя. Уровень адаптации преобразует блоки данных пользователя ( SDU - Service Data Unite) в 48-байтовые блоки, которые переносятся ATM -ячейками. На рис.10.3 показана информация , генерируемая различными приложениями: передача речи, передача данных , передача видео.
Рис. 10.3.
- регулярный поток, который поступает от преобразователя аналоговой информации в цифровые отсчеты(A/D);
- кадры изображения, которые после сжатия представляют собой пакеты различной длины;
- поток данных, который представляет собой поток пакетов с пульсирующей длиной.
Задача устройства уровня AAL : преобразовать информацию, разбить на блоки и предоставить для передачи через уровень ATM , который позволяет системе передать все характерные особенности данного приложения (например, тактовые последовательности). Можно отметить, что функции AAL могут размещаться в оконечном оборудовании, а другие функции - выполняться сетью, как это показано на рис. 10.4 .
Рис. 10.4.
ATM-уровень занимается только последовательной передачей ATM -ячеек, полученных от уровня AAL , в установленном по сети соединении (установлением соединения занимается плоскость управления). ATM -уровень принимает 48-байтовые блоки информации от AAL и дополняет их 5-байтовым заголовком, формируя ячейку ( ATM ). Заголовок содержит метку, которая определяет свойства устанавливаемого соединения и используется коммутатором для определения следующего участка пути, а также типа приоритета.
ATM может обеспечить различное качество обслуживания разным соединениям. Это оговаривается до предоставления услуги специальным соглашением между пользователем и поставщиком услуг, которое называется контрактом на услуги ( service contract ). Пользователь вырабатывает требования, которые определяются предоставляемой им нагрузкой и коэффициентом качества (QoS) при установлении связи. Если сеть может предоставить требуемое качество, то контракт устанавливает гарантированный QoS, пока пользователь выполняет все характеристики установленного трафика. Механизм ведения очереди и расписания в ATM -коммутаторах обеспечивает возможность поставки информации с заданным QoS. Для того чтобы доставить информацию с предписанным QoS, ATM -сети используют механизм наблюдения. Он будет рассмотрен далее.
В соответствии с числом подключаемых пользователей режим ATM поддерживает два типа соединений: " точка-точка " и "точка - много - точек". Связь " точка-точка " может быть однонаправленной или двунап-равленной. В последнем случае для каждого направления может быть установлено свое QoS. Связь " точка - много точек" всегда однонаправ-ленная и устанавливается от одного пользователя ко многим. По времени удержания соединения ATM обеспечивает постоянное виртуальное соединение ( Permanent Virtual Connection - PVC ) и коммутируемые виртуальные соединения ( Switch Virtual Connection - SVC ). PVC работает как постоянная, арендованная между сторонами пользователей линия. Точки соединения устанавливаются сетевым менеджером.При SVC оконечные точки задаются в момент инициализации вызова по запросу пользователей.
SVC устанавливается посредством процедур обмена сигналами. Исходящий пользователь должен взаимодействовать с сетью с помощью интерфейса " пользователь - сеть " (User-Network Interface - UNI), как это показано на рис. 10.7.
Запрос на установление соединения распространяется по сети и в конечном итоге включает в себя обмен по протоколу UNI между сетью и терминалом пункта назначения.
В пределах одной сети станции взаимодействуют согласно интерфейсу " сеть - сеть " (network-network interface NNI ). Станции, которые принадлежат разным сетям, взаимодействуют по интерфейсу широкополосной межсетевой связи (Broad Band Intercarrier Interface - B-ICI). Исходящий
