Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Телекоммуникации и сети

4. Технологии глобальных сетей

ISDN. Применяемая на каналах доступа аппаратура передачи данных должна обеспечивать приемлемый уровень искажения данных не ниже 10"^.

На величины задержек сеть Frame relay гарантий не дает, что является основной причиной, сдерживающей применение этих сетей для передачи голо­ са. Другим отличием сетей Frame relay от ATM - является низкая скорость доступа - 2 Мбит/с, что для передачи видео часто недостаточно. Тем не ме­ нее, многие производители оборудования для сетей Frame relay поддерживают передачу голоса, что обеспечивается присвоением кадрам, переносящим за­ меры голоса, приоритетов. Магистральные коммутаторы Frame relay должны обслуживать приоритетные кадры в первую очередь. Кроме того, желательно, чтобы сеть Frame relay, передающая кадры с замерами голоса, была недогру­ женной. При этом в коммутаторах не возникают очереди кадров, и средние задержки в очередях близки к нулевым.

Для качественной передачи голоса необходимо также соблюдение еще од­ ного условия - передавать замеры голоса только в кадрах небольших разме­ ров, иначе на качество будут влиять задержки упаковки замеров в кадр, так называемые задержки пакетизащш, которые более подробно рассматривают­ ся в разделе, посвященном технологии ATM.

При использовании PVC сеть Frame relay удобна для объединенных локаль­ ных сетей с помощью мостов, так как в этом случае от моста не нужна под­ держка механизма установления виртуального канала. Мост может отправ­ лять кадры протокола Ethernet или FDDI непосредственно в кадрах LAP-F или же использовать поверх протокола LAP-F протокол РРР. Стандарт Internet RFC 1490 определяет формат заголовка SNAP для случая передачи через сеть Frame relay непосредственно кадров канального уровня.

Чаще доступ к сетям Frame relay реализуют не удалеш1ые мосты, а марш­ рутизаторы, поддерживающие на последовательных портах протокол Frame relay и называемые устройствами доступа FRAD.

Виртуальные каналы в качестве основы построения корпоративной сети имеют один недостаток - при большом количестве точек доступа и смешан­ ном характере связей необходимо большое число виртуальных каналов, каж­ дый из которьпс оплачивается отдельно. В сетях с маршрутизацией отдельных пакетов, таких как ТСРЛР, абонент платит только за количество точек досту­ па, а не за количество связей между ними.

4.4. Технология ATM

Технология передачи данньпс ^ТМ (Asynchronous Transfer Mode - режим асинхронной пересьшки) бьша разработана и специфицирована при проектиро­ вании ISDN (Integrated Services Digital Network - цифровая сеть интегрирован­ ных служб) отделом коммуникаций Международного союза по электросвязи (ITU-T - International Telecommunications Union - Telecommunications).

280

4.4. Технология ATM

Технология ATM специально ориентирована на работу с информацией раз­ личного типа:

•речевым трафиком, традиционно обслуживаемым телефонными сетями;

•трафиком данных, который обычно передается по компьютерным сетям;

•трафиком мультимедиа, сочетающим в себе статические изображеьшя, аудио- и видеоинформацию.

Технология ATM реализует коммутацию, ориентированную на аппаратуру, программные средства которой обеспечивают безукоризненное выполнение соединений с неограниченной полосой пропускания для передачи данных, ви­ део- и голосовых сообщений. Технология пакетной коммутации ATM применя­ ет короткие пакеты фиксированной длины, называемые ячейками (cell). Ячей­ ка ATM имеет размер 53 байт, пять из которых составляют заголовок, оставшиеся 48 - собственно информацию (рис. 4.14). Так как ячейки имеют фиксированную длину, конструкция АТМ-коммутатора более проста, задержки при обработке данных сокращены, дисперсия задержек снижена, что суще­ ственно для таких чувствительных к задержкам видам коммуникационного обслуживания, как передача голосовых сообщений и видео.

Поле управление потоком (GFC - Generic Flow Control) длиной 4 бит ис­ пользуют только при взаимодействии конечного узла и первого коммутатора сети ATM.

Поле идентификатор виртуального пути (VPI ~ Virtual Path Identifier) длиной 12 бит используют для группирования виртуальных каналов с целью марпфутизации.

Поле идентификатор виртуального канала (VCI - Virtual Channel Identifier) -16-разрядное, идентифицирует конкретный виртуальный канал в вир­ туальном пути.

Поле тип информационного наполнения (РТ - Payload Туре) длиной 3 бит, идентифицирует тип данных, содержащихся в поле информационного на­ полнения. Кроме того, 1 бит этого поля используется для указания перегрузки в сети.

Рис. 4.14. Формат ячейки ATM

281

4. Технологии глобальных сетей

Однобитовое поле приоритет потери ячейки (CLP - Cell Loss Priority) позволяет оборудованию ATM определить, какие ячейки нужно отбрасывать в первую очередь при возникновении перегрузки. Ячейки с CLP = 1 являются для сети низкоприоритетными, а ячейки с CLP = О - высокоприоритетными.

Поле контроля ошибок заголовка (НЕС - Header Error Check) содержит значение кода обнаружения и коррекции ошибок. Его иногда используют для исправления ошибок в пяти октетах (40 бит) заголовка ячейки.

Поле данных ячейки содержит 48 октетов (384 бит) данных пользователя и/или дополнительной управляющей информации.

В заголовке ATM виртуальный канал обозначен комбинацией двух по­ лей - VPI (идентификатор виртуального пути) и VCI (идентификатор вирту­ ального канала). Виртуальный путь используют в случаях, когда два пользова­ теля ATM имеют свои собственные коммутаторы на каждом конце пути и, следо­ вательно, могуг организовьшать и поддерживать свои виртуальные соединения.

Виртуальный путь напоминает канал, содержащий множество кабелей, по каж­ дому из которых может быть организовано виртуальное соединение.

Поскольку виртуальные устройства подобш>1 реальным, они также бывают выделе1шые или коммутируемые. В сетях ATM «выделенные» соединения на­ зывают постоянными виртуальными устройствами (PVC), создаваемыми по соглашению между пользователем и оператором (подобно вьщеленной теле­ фонной линии). Коммутируемые соединения ATM используют коммутируемые виртуальные устройства (SVC), устанавливаемые путем передачи специаль­ ных сигналов между пользователем и сетью. Протокол, используемый ATM для управления виртуальными устройствами подобен протоколу ISDN. Вари­ ант протокола для ISDN описан в стандарте Q.931, ATM - в Q.2931.

Существуют два формата заголовка ячейки: интерфейс «абонент-сеть» (UNI) и интерфейс «узел-сеть» (NNI). Интерфейс UNI предназначай, в первую очередь, для узлов оконечных пользователей, таких, как рабочие станции. Ин­ терфейс NNI разработан с целью стандартизации метода установления соединешш между маршрутизаторами и коммутаторами.

Сети ATM состоят из трех основных компонентов (рис. 4.15):

•коммутаторы ATM (switch);

•конечные точки ATM (ES);

•маршруты пересылки (ТР).

Коммутаторы ^7Ж выполняют функции, связанные с маршрутизацией ин­ формации от пользователя-отправителя к пользователю-получателю, их назы­ вают промежуточными системами (IS, intermediate path). Различают две ос­ новные категории коммутаторов:

общественные ATM (public ATM switch); частные ATM (private ATM switch).

282

Общественная сеть ATM

Рис. 4.15. Структура сети ATM

Существуют коммутаторы, способные вьшолнять функции как частных, так и общественных коммутаторов. Общественный коммутатор ATM - это часть общественной сети поставщика телекоммуникащюнных услуг, по стандартам ATM такие коммутаторы назьгоаются сетевыми узлами (NN - Network Node). Частный коммутатор ATM принадлежит и обслуживается организащ1ей-пользо- вателем, в стандартах ATM он называется узлом на территории потреби­ теля (CPN - Customer Premises Node). Такие коммутаторы поставляются в основном производителями сетевых плат, концентраторов, мостов и маршру­ тизаторов.

Конечные точки сетей ATM - это устройства, которые могут служить от­ правителем или получателем пользовательских данных. Конечные точки ATM (или, иначе, оконечные системы ES - End Systems) соединены непосредствен­ но с общественным или частным коммутатором ATM. Конечной точкой ATM может быть обычная компьютерная система с платой сетевого интерфейса ATM и соответствующее программное обеспечение, или спещ1альное сетевое устройство ATM, к которому через обычные адаптеры локальной сети подклю­ чены несколько вычислительных систем. Взаимодействие между конечными точками ATM и коммутаторами осуществляется через коммуникационные свя­ зи, называемые путями или маршрутами пересылки (ТР - Transmission Path).

Маршруты пересьшки данных можно реализовывать с помощью различных типов коммуникащюнных сетей: на основе волоконно-оптических или электри­ ческих носителей информащш.

Уровни и классы служб ATM

Разработчики архитектуры ATM разделили операщ1и, вьшолняемые в сети устройствами ATM, на три функщюнальных уровня (рис. 4.16).

Физический уровень отправляет и принимает информащпо в виде электри­ ческих или оптических сигналов, передаваемых по физическому пути передачи данных. Эта функция физических коммуникащ1Й предусматривает преобразо­ вание ячеек в непрерывный поток битов или кадров и обратно, а также предпо­ лагает использование различных видов (физического) кодирования и декодиро­ вания данных, содержащихся в каждой из ячеек.

283

Рис. 4.16. Связь уровней ATM и OSMSO

Основной функцией уровня ATM является коммутация ячеек. На этом уровне устройство ATM прршимает ячейки, поступающие по пути передачи данных, определяет путь дальнейшей пересылки, по которому эти ячейки следует рет­ ранслировать, и форматирует заголовок каждой отправляемой ячейки.

Уровень адаптации ATM (AAL) предлагает интерфейс между сетью ATM

ипользовательским программным обеспечением ATM, обычно реализуемым

вподсистеме сетевого ПО. AAL применяется только в оконечных устройствах, но не в коммутаторах ATM. В оконечном устройстве, играющем роль отправи­ теля, AAL принимает битовый поток от пользовательского программного обес­ печения ATM и структурирует его в виде ячеек, подходящих для транспор­ тировки по сети ATM. В принимающем оконечном устройстве ATM соответствующий уровень AAL получает ячейки из сети, воссоздает исход­ ный битовый поток и передает его принимающему пользовательскому ПО.

Классы слуэ/сб AAL. Так как ATM может передавать сетевой трафик раз­ личных типов, то для уровня адаптации ATM определены четыре класса служб (А, В, С и D\ приведенные в табл. 4.1.

Класс А (эмуляция цепей). Служба класса А ориентирована на создание соединения и поддерживает постоянную скорость передачи битов и времен­ ные соотношения между отправлением и получением информации. Таким об­ разом, адресат получает поток данньпс с постоянной скоростью (с какой ее передает отправитель). Службу этого класса можно использовать для переда­ чи аудио- и видеоданных вместо обычной телекоммуникационной связи с комму­ тацией цепей (т. е. вместо аналогового канала).

284

Класс В (переменная скорость передачи). Данная служба во многом ана­ логична службе класса А^ она ориентирована на соединение, имеет перемен­ ную скорость передачи и поддерживает временные соотношения между от­ правлением и получением данных. Кроме того, эта служба предусматривает передачу уплотненной (сжатой) аудио- и видеоинформации и может использо­ ваться, например, в видеоконференциях, где при ограниченных задержках из­ меняющаяся скорость передачи данных считается допустимой.

Класс С (передача данных, ориентированная на создание соединения).

Служба класса С также ориентирована на создание соединения, но не поддер­ живает временные соотношения. Служба этого класса требует создания двух­ точечного соединения между отправителем и получателем. Пользователь-от­ правитель передает информацию в сеть в виде пакетов переменного размера, которые получает целевое программное обеспечение пользователя ATM. Поступающие к целевому пользователю пакеты могут приходить с отличной от исходной скоростью. Эта служба обеспечивает обмен данными подобно обычным компьютерным сетям.

Класс D (передача данных, не ориентированная на создание соедине­ ния). Служба класса D не ориентирована на соединение, она предназначена для передачи данных без создания соединения, что обычно применяют в локальньпс сетях. В этой службе информация передается по сети ATM в виде пакетов переменного размера, которые поступают к получателю с переменной скоростью. При этом установление соединения не требуется. Каждый переда­ ваемый пакет содержит полные адреса отправителя и получателя. Пакеты мо­ гут адресоваться как одному получателю, так и нескольким одновременно (мно­ гоадресная рассылка).

285

4. Технологии глобальных сетей

ATM и межсетевое взаимодействие

Существуют три варианта включения ATM в архитектуру межсетевого вза­ имодействия для современных и будущих приложений:

•эмулящм традищюнньпс протоколов ЛВС с использованием оборудования ATM. В этом случае существующие приложения будут продолжать работать как раньше, а АТМ-добавит к существующим протоколам новые, специально разработанные для приложений мультимедиа;

•подключение сервисаATM напрямую к интерфейсам прикладных программ, используемых сегодня, в обход традшщонных протоколов нижних уровней. Для поддержки этого варианта потребуется разработка новых API;

•использование новых API для новых приложений и эмуляхщя традшщон­ ных протоколов для существующих приложений.

Для обеспечения совместимости традшщонных протоколов и оборудования локальных сетей с технологией ATM в ATM Forum бьша разработана спегщфикащ1я, называемая LANE (LAN Emulation - эмулящм локальных сетей). Эта спещ1фикащ1Я обеспечивает совместную работу сетей Ethernet и ATM на ка­ нальном уровне. При этом коммутаторы ATM работают в качестве высоко­ скоростных коммутаторов магистрали локальной сети, обеспечивая не только скорость, но и гибкость соединений коммутаторов ATM между собой, поддер­ живающих не только древовидные структуры, но и произвольную топологию связей.

В спещ1фикащ1и LANE определен способ преобразования кадров и МАСадресов технологии Ethernet в ячейки и виртуальные каналы технологии ATM, а также и способ их обратного преобразования. Все действия по преобразова­ нию протоколов выполняют спещ1альные устройства, встраиваемые в обыч­ ные коммутаторы Ethernet. Именно поэтому ни коммутаторы ATM, ни рабочие сташщи сети Ethernet не замечают того, что работа осуществляется с чуждой им технологией. Такая прозрачность была одной из главных целей разработчи­ ков спещ1фикащш LANE.

Так как в этой спещ1фикащш определяется только канальный уровень взаи­ модействия, то с помощью коммутаторов ATM и компонентов эмулящш мож­ но образовьгоать только виртуальные сети, назьгоаемые в спещ1фикащш LANE эмулируемыми сетями, а для их соединения нужно использовать обычные мар­ шрутизаторы.

Основными элементами, реализующими спещ1фикащпо LANE, являются программные компоненты LEC (LAN Emulation Client) и LES (LAN Emulation Server). Клиент LEC вьшолняет роль пограничного элемента, работающего между сетью ATM и станциями некоторой локальной сети (Ethernet). На каж­ дую присоединенную к сети ATM локальную сеть приходится один клиент LEC. Таким клиентом обычно является ATM-LAN-конвертер, имеющий АТМ-порт, с помощью которого он подключается к АТМ-сети, а также сколько портов для подключения локальных сетей технологии Ethernet. Конвертор ATM-LAN име­ ет АТМ-адрес для взаимодействия с другими конверторами по сети ATM.

286

4.4. Технология ATM

Кроме того, он должен иметь информащпо о МАС-адресах всех узлов каждой из локальных сетей, которые он присоединяет к сети ATM.

Сервер LES ведет общую таблицу соответствия МАС-адресов станций ло­ кальных сетей и АТМ-адресов пограничных устройств с установленными на них компонентами LEC, к которым присоединены локальные сети, содержа­ щие эти станции.

Таким образом, для каждой присоединенной сети сервер LES хранит один АТМ-адрес пограничного устройства LEC и несколько МАС-адресов станций, входящих в эту сеть. Клиентские части LEC динамически регистрируют на сервере LES МАС-адреса каждой станции, заново подключаемой к присоеди­ ненной локальной сети.

Программные компоненты LEC и LES могут быть реализованы в любых устройствах - коммутаторах, маршрутизаторах, рабочих станциях ATM. Наи­ более подходящим устройством для выполнения этих функций является ком­ мутатор локальной сети Ethernet (ATM-LAN коммутатор), так как в нем есть таблица МАС-адресов всех устройств сети, которые обмениваются через него данными.

Когда элементу LEC требуется послать пакет данных через сеть ATM на станцию в другой локальной сети, также присоединенной к сети ATM, он посы­ лает запрос на установление соответствия между МАС-адресом и АТМ-адре- сом серверу LES. Сервер LES отвечает на запрос, указьюая АТМ-адрес погра­ ничного устройства LEC, к которому присоединена сеть, содержащая станцию назначения. Зная АТМ-адрес, устройство LEC исходной сети самостоятельно устанавливает виртуальное соединение через сеть ATM обьршым способом. После установления связи кадры локальной сети преобразуются в ячейки ATM каждым элементом LEC с помощью стандартных функций сборки-разборки пакетов стека протоколов ATM. Кадр MAC помещается в область данных пос­ ледовательности, состоящей из нескольких ячеек ATM.

Устройство LEC ~ получатель кадров MAC - производит сборку ячеек и вьщеление из них кадров MAC, которые и направляют в локальную сеть, где находится узел-получатель.

В каждый ATM-LAN-коммутатор встроен протокол LANE, в задачу кото­ рого входит передача принятого коммутатором МАС-кадра через АТМ-сеть другому ATM-LAN-коммутатору. Так как к АТМ-сети может быть подключе­ но несколько локальных сетей, то при получении из локальной сети кадра с МАС-адресом назначения, ATM-LAN-коммутатор должен решить, к какому из остальных ATM-LAN-коммутаторов относится данный МАС-адрес.

Таким образом, коммутатор, принимая решение о передаче кадра, опериру­ ет с двумя таблицами: локальной и транзитной.

Локальная таблица устанавливает соответствие МАС-адресов его локаль­ ной сети локальным портам. Транзитная таблица содержит для каждого МАСадреса составной сети АТМ-адрес пограничного коммутатора.

Спецификация LANE не определяет конкретный вид таблиц ATM-LAN-KOH- верторов. Один из возможных вариантов этих таблиц приведен в табл. 4.2. и 4.3.

287

4. Технологии глобальных сетей

Если ATM-LAN-коммутатор в результате просмотра адресных таблиц об­ наруживает, что кадр нужно передать через АТМ-сеть другому ATM-LAN- коммутатору, то он с помощью стека протоколов ATM устанавливает вирту­ альное соединение (VCC - Virtual Channel Connection) с этим коммутатором, а затем передает по нему кадр в форме потока ячеек ATM.

Важной задачей сервера эмулящш LES является автоматическое построе­ ние транзитных адресных таблиц ATM-LAN-коммутатора. Поскольку сети ATM, как и большинство территориальных сетей, не поддерживают широкове­ щательность, то обнаружить через сеть ATM пограничные коммутаторы с помощью широковещательных запросов (как это делают, например, клиенты и серверы сетей NetWare) невозможно. Ручное задание АТМ-адресов погранич­ ных коммутаторов может оказаться обременительным занятием для админи­ стратора, если таких коммутаторов много и их набор часто претерпевает из­ менения, что характерно для локальных сетей.

Для автоматического построения транзитных адресных таблиц специфика­ ция LANE предлагает использовать централизованный подход, т. е. возложить решение этой задачи на сервер LES. При своей инициализации LEC (ATM-LAN- коммутатор) сообщает серверу LES свои MAC- и АТМ-адреса. Затем он реги­ стрирует в LES все МАС-адреса узлов, которые он узнает при изучении своей локальной сети. Таким же образом поступают все пограничные АТМ- LAN-коммутаторы, поэтому в сервере LES накапливается общая таблица со­ ответствия МАС-адресов узлов локальных сетей АТМ-адресам их погранич­ ных коммутаторов.

Для взаимодействия с сервером LES каждый клиент LEC осуществляет прямое виртуальное соединение WCC с этим сервером, назьшаемое Control Direct VCC. Это соединение устанавливается еще на стадии присоединения (Join) клиента LEC к эмулируемой сети. Под эмулируемой сетью понимают всю совокупность локальных сетей, взаимодействующих друг с другом через данный сервер LES и пограничные коммутаторы таким образом, как будто они работают в единой локальной сети Ethernet, объединенной обычными повтори­ телями, мостами и коммутаторами.

Каждый ATM-LAN-коммутатор должен изначально знать только один ад­ рес - АТМ-адрес сервера адресов LES, чтобы установить с ним виртуальное соединение. При приходе кадра с неизвестным МАС-адресом пограничный ком-

288

4,4. Технология ATM

мутатор может послать запрос серверу LES об АТМ-адресе коммутатора, ко­ торый обслуживает локальную сеть, где есть узел с данным МАС-адресом. Протокол передачи запроса на разрешение МАС-адреса и получения на него ответа является частью спецификации LANE и называется LE_ARP (LAN Emulation Address Resolution Protocol).

В сетях Ethernet часто применяют рассьшку широковещательных сообще­ ний, в сетях ATM эта функция не поддерживается для ограничсЕмя непроизво­ дительной загрузки сети (хотя в сети ATM существует механизм многоадрес­ ной рассьшки).

Для эмуляции широковещательные сообщений локальной сети Ethernet, в спецификации LANE определен сервер эмуляции, обеспечивающий рассьшку широковещательных пакетов и пакетов с неизвестным адресом. Этот сервер назьшается BUS (Broadcast and Unknown Server). Он рассьшает вьппеуказанные пакеты во все пограничные коммутаторы, соединенные с локальными се­ тями и вьшолняющими функции LEC.

Сервер BUS имеет отдельный АТМ-адрес, который сервер LES сообщает клиенту LEC при его присоединении к эмулируемой сети. Клиент LEC должен после этого установить с сервером BUS прямое виртуальное соединение Multicast Send VCC, по которому он будет пересьшать кадры с широковеща­ тельными или неизвестными адресами. Сервер BUS добавляет каждого ново­ го клиента LEC к мультивещательному соединению Multicast Forward VCC. Это соединение использует сервер BUS для одновременной (многоадресной) рассьшки широковещательных кадров и кадров с неизвестными адресами всем пограничным коммутаторам эмулируемой сети.

Спещ1фикащ1Я LANE рекомендует клиентам LEC делать ЕЕАКР-запрос серверу LES для кадра с неизвестным адресом и, не дожидаясь ответа, сразу же отправлять этот кадр через сервер BUS. Это ускоряет работу эмулируемой сети, так как кадры доходят до узла назначения широковещательным образом еще до того, как будет получен LEARP-OTBCT ОТ сервера LES. После получе­ ния ЕЕ_АКР-ответа, LEC перестает посьшать кадры для данного МАС-адре­ са широковещательно, а устанавливает виртуальное соединение Data Direct VCC с конкретным ATM-LAN-коммутатором (или же использует установлен­ ное ранее соединение с этим коммутатором) и передает остальные кадры с данным МАС-адресом уже по прямому каналу.

Эмуляция нескольких сетей

Обычно все пограничные коммутаторы образуют одну эмулируемую сеть. Спещ1фикащ1я LANE позволяет, если необходимо, образовать несколько эму­ лируемых сетей, не взаимодействующих непосредственно между собой: узлы, входящие в одну эмулируемую сеть, не получают кадры другой эмулируемой сети (какие бы типы МАС-адресов назначения не применялись: индивидуаль­ ные, групповые или широковещательные). Для этого в каждой из эмулируемых сетей необходимо активизировать отдельные серверы LES и BUS, а в погра-

289