Лекция 6
Технология ATM как универсальный транспорт интерсетей
Любое средство, сулящее перспективу уменьшения неоднородности сети хотя бы в каком-либо одном аспекте, привлекает всеобщее внимание специалистов в области телекоммуникаций, поскольку на согласование разнородных компонент системные интеграторы и администраторы тратят большую часть своего времени.
Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) призвана ввести единообразие сразу в нескольких аспектах
Единообразие стандартов АТМ состоит в том, что одна транспортная технология обеспечивает:
Общие транспортные протоколы для локальных и глобальных сетей
Совмещение в рамках одной транспортной системы компьютерного и мультимедийного трафика, причем для каждого вида трафика качество обслуживания соответствует его потребностям
Иерархию скоростей передачи данных, от десятков мегабит до гигабит в секунду с гарантированной пропускной способностью для ответственных приложений
Разработку стандарта ATM осуществляет группа организаций под названием Forum ATM под эгидой специального комитета IEEE. время. . Рассмотрим, за счет каких особенностей технология АТМ предполагает осуществить унификацию транспортных средств сетей.
6.1 Технология atm - наследница технологии stm
Наиболее сложной задачей является совмещение в одних и тех же каналах связи и в одном и том же коммуникационном оборудовании компьютерного и мультимедийного трафика, к которому относится трафик, создаваемый при передаче голоса и изображения в цифровом виде. Для пояснения этой задачи еще раз остановимся на особенностях технологии синхронного режима передачи данных – STM, которая уже давно применяется для передачи голоса в цифровом виде. Эта технология, которую также называют технологией временного мультиплексирования - Time Division Multiplexing, TDM - появилась в начале 60-х годов. Она основана на дискретном во времени кодировании речевого сигнала. Данные передаются отдельными блоками фиксированных размеров, чаще всего по 8 бит. Каждый такой пакет представляет один оцифрованный замер амплитуды голоса. Замеры производятся с частотой 8КГц, следовательно блоки данных по цифровым сетям также должны передаваться с этой частотой, чтобы на приемном конце обратное преобразование данных из цифровой формы в аналоговую (то есть в звуки голоса) произошло без искажений. Любая рассинхронизация голосовых блоки данных ведет к ухудшению качества звука, например, задержка даже в 5 миллисекунд приводит к появлению эхо на линии связи. В связи с этим требование обеспечения синхронности трафика является одним из основных в цифровых телефонных сетях. Синхронность следования данных в технологии STM является основой и для коммутации этих данных в коммутаторах цифровых АТС, что и послужило поводом для использования слова "синхронный" в ее названии. Как и в аналоговой телефонии, сети STM представляет собой сети с коммутацией соединений, то есть такие сети, в которых прежде, чем начнется передача данных, должно быть установлено соединение между конечными абонентами, которое разрывается после окончания сеанса связи. Таким образом, взаимодействующие узлы захватывают и удерживают канал, пока не сочтут необходимым рассоединиться, независимо от того, передают они данные или "молчат". Однако в технологии STM это скорее "виртуальное соединение" , а не физическое, как в аналоговых телефонных сетях, так как непосредственно физический канал при установлении STM-соединения не создается. Коммутация осуществляется цифровыми коммутаторами, передающим блок данных каждого канала между собой с промежуточной буферизацией, в результате которой и происходит смена принадлежности блока данных какому-то конкретному каналу: в буфер блоки данных записываются в порядке поступления Процесс коммутации по технологии STM показан на рисунке 1. Сеть состоит из каналов конечных абонентов (от 1 до N на рисунке), мультиплексоров, объединяющий синхронный трафик различных каналов конечных абонентов в высокоскоростной тракт, коммутаторов, выполняющих передачу блоки данных с канала на канал, и демультиплексоров, распределяющих общий трафик высокоскоростного тракта между низкоскоростными каналами конечных абонентов.
Все устройства этой сети работают циклически, разделяя время цикла работы T, общее для всех устройств сети, на определенное количество временных интервалов, называемых тайм-слотами. В течение одного тайм-слота обслуживается один канал конечного абонента, то есть общее время работы любого устройства STM-сети разделяется между конечными абонентами, поэтому STM-технология и имеет второе название - технология разделения времени, TDM. Мультиплексор TDM во время каждого тайм-слота принимает блок данных от одного низкоскоростного входного канала, и передает его на выход общего высокоскоростного канала. За цикл своей работы T он проделывает эту операцию со всеми N входными каналами, так что на выходе создается последовательность из N блоков данных входных каналов - так называемая обойма или уплотненный блок данных. Номер блока данных в обойме соответствует номеру входного канала, то есть является адресом абонента. После этого мультиплексор начинает новый цикл работы, опять обходя все входные каналы, начиная с первого. В результате на выходе появляется следующая обойма. Скорость выходного канала должна быть по крайней мере в N раз выше скорости каждого входного канала, чтобы интервал времени между блоками данных одного входного канала в последовательных обоймах был равен интервалу следования этих блоков данных во входном канале. Другими словами, при образовании уплотненного канала синхронизм блоков данных, который существовал во входных каналах, не должен нарушаться. Далее блоки данных уплотненного канала поступают в TDM-коммутатор. На рисунке не показан этап установления соединения, то есть процедура, во время которой коммутатор узнает, что он должен обеспечить коммутацию определенного входного канала с определенным выходным каналом. Предполагается, что этот этап уже выполнен и коммутатор уже имеет информацию о коммутации каналов. Для выполнения операции коммутации блоки данных одной входной обоймы записываются в буферную память коммутатора в том порядке, в котором они пришли от мультиплексора. Принадлежность блока данных определенному абоненту определяется просто - о ней говорит порядковый номер блока данных в обойме, так как мультиплексор создавал ее именно таким образом. После записи в память всех блоков данных обоймы, коммутатор начинает их извлекать оттуда и передавать в виде обоймы на выходной канал. Однако извлечение блоков данных из памяти производится коммутатором не в том порядке, в котором они были туда записаны, а таким образом, чтобы блок данных приобрел в выходной обойме тот порядковый номер, который соответствует выходному каналу, определенному заданной операцией коммутации. (Заметим, что номер пакета в самом блоке данных не содержится, он подсчитывается только мультиплексорами, коммутаторами и демультиплексорами). Скорость работы коммутатора должна быть достаточной для того, чтобы временные интервалы между блоками данных конечных абонентов не изменились.
Риунок. 1 Принцип коммутации каналов по STM-технологии
Демультиплексор просто распределяет в течение каждого своего цикла работы блоки данных обоймы по выходным каналам - первый блок данных обоймы на первый выходной канал и т. д. В результате в технологии STM каждый входной и выходной канал ассоциируется с фиксированным номером слота или нескольких слотов в конкретной обойме. Однажды захваченный слот остается в распоряжении соединения "входной канал - выходной канал" в течение всего времени существования этого соединения, даже если трафик является пульсирующим и не всегда требует захваченного количества слотов. . 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 больших пределах - например, загрузка большого файла документа с удаленного сервера вызывает интенсивный поток пакетов максимально возможных размеров, после чего обычно следует большая пауза, когда пользователь изучает на экране его содержание. Сложность совмещения компьютерного и мультимедийного трафика хорошо видна на следующем рисунке.
Рисунок 2 Два типа трафика
Эта задача очень похожа на проблему выполнения нескольких процессов в мультипрограммной операционной системе, причем синхронный трафик является аналогом процессов реального времени. В операционных системах минимальное время реакции системы для процессов реального времени обеспечивается за счет присвоения им высших приоритетов и дисциплины вытесняющей многозадачности, когда выполнение низкоприоритетного процесса мгновенно прерывается при появлении готового к выполнению высокоприоритетного процесса. При совмещении трафиков приоритеты применить можно, но только относительные, так как прерывание передачи пакета, а затем восстановление этой передачи с прерванного места при распределенном характере вычислительной сети - сама по себе очень сложная задача. Как компьютерные сети, так и цифровые телефонные сети предоставляют некоторые возможности для передачи через них "чужеродного" трафика. Цифровые сети при этом заранее выделяют фиксированное число тайм-слотов для компьютерного трафика, тем самым предоставляя сервис, аналогичный выделенным линиям, имеющим фиксированную пропускную способность. Это дорогой сервис, так как для хорошей передачи пульсаций трафика нужно купить такое число тайм-слотов, которое соответствовало бы трафику максимальной интенсивности. В периоды затишья на выходе компьютерной сети эти оплаченные тайм-слоты используются вхолостую. Компьютерные территориальные сети в последнее время тоже стали совмещать голосовой трафик со своим собственным. Такие услуги предоставляют некоторые сети frame relay, но для обеспечения жестких требований к синхронизму они существенно уменьшают максимально допустимый размер компьютерного пакета, тем самым снижая полезную пропускную способность для своего трафика.