13. Архитектура и технологии построения сетей atm
АТМ (Asynchronous Transfer Mode) – асинхронный режим передачи. Представляет собой метод коммутации, мультиплексирования и передачи, являющийся разновидностью коммутации пакетов постоянной длины (53 байта), именуемых ячейками. В настоящее время считается наиболее перспективной технологией построения высокоскоростных (широкополосных) ЦСИС. В рамках данной технологии в полной мере реализованы возможности максимально эффективного использования полосы пропускания каналов связи при передаче информации различной природы. ATM имеет трехуровневую архитектуру (физический уровень, уровень коммутации и уровень адаптации). Малая фиксированная длина ячеек и высокая скорость передачи (как правило, не менее 155 Мбит/с) обеспечивают малое время задержки передачи ячеек. Недостатки: высокая сложность (стоимость) и необходимость использования высококачественных каналов связи (с вероятностью ошибки 10-9 - 10-12 ).
Первая концепция построения Ш-ЦСИС была представлена в рекомендации МККТТ I.121 (Красная книга, 1984 г.). В 1988-1990 г. данная концепция была существенно развита при поддержке ANSI (American National Standards Institute). Именно тогда были определены базовые механизмы асинхронного режима передачи (АТМ) как транспортного механизма для широкополосной сети В-ISDN (Ш-ЦСИС). В дальнейшем технология АТМ приобрела самостоятельный статус и стала часто рассматриваться как аналог Ш-ЦСИС.
В 1991 г. была образована ассоциация АТМ Forum, которая в настоящее время объединяет несколько сотен компаний. Ее главной задачей является ускорение разработок и внедрение продуктов АТМ. Впоследствии ATM Forum приспособил и расширил стандарты B-ISDN для использования как в общедоступных, так и в частных (в т.ч. локальных) сетях. В частности, для использования АТМ в локальных сетях были разработаны технологии: LANE (LAN Emulation) – эмуляция локальной сети (обеспечивает возможность связывать локальные сети по магистрали АТМ) и MPOA (MultiProtocol Over ATM) – многопротокольная маршрутизация по АТМ (позволяет осуществлять маршрутизацию протоколов из традиционных локальных сетей по магистрали АТМ).
Известны разработки вариантов применения сетей АТМ в военных системах связи, в частности, в сети информационных систем Министерства Обороны США DISN (Defense Information System Network). На рис.2.28 показан пример фрагмента сети АТМ военного назначения, обеспечивающей сбор и распределение информации между различными другими сетями связи на поле боя.
АТМ — очень гибкая технология, она позволяет передавать по сети различные типы трафика – голос, видео, данные, – обеспечивая при этом достаточную пропускную способность для каждого из них и гарантируя своевременную доставку восприимчивой к задержкам информации при эффективном использовании дорогостоящих каналов связи. Например, для передачи видеосигнала допустима небольшая потеря информации, но не допустимы большие случайные задержки, в то время как для передачи файлов ситуация противоположная.
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.
Ячейки (cell), которыми осуществляется передача данных в сетях АТМ всегда имеют фиксированную длину (53 байта=5 байт/заголовок + 48 байт/данные). Размер ячейки АТМ (53 байта) явился 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. Чем больше – тем выше эффективность использования пропускной способности среды передачи (меньше избыточность из-за 5-байтного заголовка ячеек). Для пакета, состоящего из 53 байт, при скорости в 155 Мбит/с время передачи кадра 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 и отправки пакета. 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, что близко 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. Но при этом избыточность служебных данных составила бы 16 %, а при использовании 48-байтного поля данных она составляет 10 %.
Общая конфигурация сети АТМ соответствует структуре ISDN, но имеет отличие в специфике реализации высокоскоростных алгоритмов работы. Основными элементами сети АТМ, как и ISDN, являются абонентские установки пользователей и узлы коммутации, а также связывающие их между собой цифровые каналы физической среды передачи (как правило, высокоскоростные – PDH и SDH). Узлы коммутации в данном случае являются классическими ЦКП, но по конструкции более близкие к высокоскоростным коммутаторам, чем к маршрутизаторам.
Обычно элементы абонентского окончания сети АТМ, являющейся основой Ш-ЦСИС, представляются такими же функциональными блоками и стыками, как в сети ISDN, но с дополнительной буквой «B» (broadband) в начале или в конце условных обозначений: B-TE, B-NT и т.д. или SB, UB и т.д. Но по мере самостоятельного развития технологии и производства оборудования АТМ появились несколько иначе классифицируемые сетевые элементы.
Рис.2.29. Типовая структура и состав сети ATM
Рис.2.30. Архитектура сети ATM
Сети АТМ принято подразделять на сети общего (Public Network) пользования (обычно это магистральные сети) и частные (Private Network) сети (могут выступать в роли сетей доступа к магистрали). Интерфейс пользователь-сеть UNI (User-Network Interface) может быть стыком в частной сети (в контрольной точке SB) или стыком в сети общего пользования (в контрольной точке TB или UB). Сетевой интерфейс NNI (Network Node Interface) определяется как стандартный стык между сетями или между узлами сети.
Технология АТМ привлекает к себе общее внимание, так как претендует на роль всеобщего и очень гибкого транспорта, на основе которого строятся другие сети. И хотя технология АТМ может использоваться непосредственно для транспортировки сообщений протоколов прикладного уровня, пока она чаще переносит пакеты других протоколов уровня звена данных и сетевого уровня (Ethernet, IP, IPX, frame relay, X.25), сосуществуя с ними, а не полностью заменяя. Это касается и эмуляции сетей с коммутацией каналов типа ТФОП при передаче речи (VoATM), а также видео.
Архитектура сети АТМ охватывает функции четырех нижних уровней ЭМВОС, но делит их между своими тремя уровнями (см. рис.2.30), перечисленными далее сверху вниз:
– уровень адаптации ATM (AAL);
– уровень ATM (ATM);
– физический уровень (PHY).
Физический уровень (PHY).
В ATM, как и в ЭМВОС, стандарты для физического уровня устанавливают, каким образом отдельные биты должны проходить через среду передачи. Стандарты ATM для физического уровня также определяют, как из последовательности бит выделять границы ячеек (согласно ЭМВОС подобные функции выполняются на уровне звена данных) – см. ниже.
Основной стандарт АТМ не вводит свои спецификации на реализацию физического уровня, а основывается на технологии SDH/SONET, принимая ее иерархию скоростей. В соответствии с этим начальная скорость доступа пользователя сети – это скорость STM-1/ОС-3 (155 Мбит/с). Организация АТМ Forum определила для АТМ не все иерархии скоростей SDH, а только скорости STM-1/ОС-3 (155 Мбит/с) и STM-3/ОС-12 (622 Мбит/с). На скорости 155 Мбит/с можно использовать не только волоконно-оптический кабель, но и неэкранированную витую пару (UTP) категории 5, а также РРЛ и беспроводные оптические каналы. На скорости 622 Мбит/с допустим только волоконно-оптический кабель, причем как одномодовый, так и многомодовый.
Первоначально считалось, что использовать АТМ на более низких скоростях нерационально. Однако отсутствие спроса на дорогие высокоскоростные каналы побудило разработчиков ввести в сети АТМ и другие физические интерфейсы, отличные от SDH/ SONET.
В частности, были введены интерфейсы Т1/Е1 (1.5/2 Мбит/с) и ТЗ/ЕЗ (45/34 Мбит/с ), 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 кадровой синхронизации приемника с передатчиком.
Для беспроводной связи, в том числе спутниковой, существуют разработки сетей Радио-ATM, работающих на скоростях до 10 Мбит/с и более.
Хотя АТМ (как и все другие технологии пакетной коммутации и передачи) – это технология «асинхронной» передачи, но в качестве транспортной среды, как правило, все же используются синхронные (SDH/SONET) или плезиохронные (PDH) цифровые потоки. При этом специфика «асинхронности» проявляется в том, что АТМ не требует цикловой системы синхронизации для выделения отдельных логических каналов (соединений), поскольку эту функцию выполняет механизм самовыделения ячеек на физическом уровне по метке (байт HEC – см. далее при описании уровня АТМ), находящейся в заголовке ячейки (см. рис.2.32).
Для выделения границ ячеек могут использоваться и другие методы (например, циклический отсчет ячеек по 53 байта в сочетании с использованием специальных служебных ячеек для заполнения пауз или использование указателей в синхронном транспортном модуле SDH). Принадлежность выделенных ячеек тому или иному соединению определяется на уровне АТМ по специальному адресному признаку в заголовке ячейки (логическому идентификатору VPI и VCI – см. далее). Таким образом, несколько соединений могут быть уплотнены в одном мультиплексном звене.
Уровень ATM (ATM)
Стандарты для уровня ATM регламентируют выполнение следующих основных функций:
1) функций передачи информационных сигналов в виде ячеек, определенного формата;
2) функций управления трафиком (очередностью, скоростью, задержками и отбрасыванием ячеек);
3) функций установления соединений и маршрутизации.
Функции передачи информационных сигналов и управления трафиком подобны функциям уровня звена данных ЭМВОС, а функции установления соединений и маршрутизации ближе всего к функциям, которые определены стандартами ЭМВОС для сетевого уровня.
Важной отличительной особенностью стандартов для уровня АТМ является регламентация процедур, обеспечивающих установление соединений с таким качеством сервиса QoS, которое запрашивают оконечные ATM-устройства или конечные станции коммутации.
Ячейка АТМ имеет длину 53 байта и содержит два основных поля (см. рис. 2.32):
– заголовок (5 байт), основная роль которого состоит в обеспечении распознавания и маршрутизации ячеек, принадлежащих к одному и тому же виртуальному соединению;
– поле данных (48 байт), содержащее информацию, циркулирующую на уровне адаптации АТМ (AAL).
Используемые для широкополосного абонентского доступа ячейки UNI (User Network Interface) имеют заголовок, несколько отличный от заголовка в интерфейсе между узлами сети NNI (Network Node Interface).
Поле GFC (Generic Flow Control) – управление общим потоком. Занимает 4 бита и присутствует только в ячейке UNI.
Поле VPI (Virtual Path Identifier) – идентификатор виртуального пути.
Поле VCI (Virtual Channel Identifier) – идентификатор виртуального канала.
Поле РТI (Payload Type Identifier) – идентификатор типа полезной нагрузки. Занимает 3 бита. Первый бит используется для указания типа полезной нагрузки: данные пользователя или служебное сетевое сообщение. В первом случае следующий 2-й бит выполняет функцию индикатора перегрузки, а 3‑й бит – указателя типа блока данных (интерпретируется верхними уровнями, в частности, AAL-5 использует этот бит для указания последней ячейки при фрагментации длинных пакетов).
Поле CLP (Cell Loss Priority) – приоритет потери ячейки. Выполняет функцию аналогичную полю DE в заголовке кадра Frame Relay.
Поле НЕС (Header Error Control) – контроль ошибок заголовка. Служит для обнаружения и частичного исправления (только одиночных) ошибок в заголовке.
Одной из основных функций уровня АТМ является маршрутизация ячеек. Рассмотрим принципы данной маршрутизации.
Принципы маршрутизации в сетях АТМ
Из заголовка каждой ячейки, поступающей на входной порт очередного коммутационного блока АТМ, из полей VPI иVCI считывается логический идентификатор, на основании которого по таблице маршрутизации определяется место назначения ячейки и соответствующий выходной порт, на который и направляется данная ячейка.
Пара, образованная виртуальным путем VP (Virtual Path) и виртуальным каналом VC (Virtual Channel), эквивалентна виртуальному каналу в сетях с коммутацией пакетов или виртуальному звену в сетях с ретрансляцией кадров. Каждое соединение является каскадным соединением виртуальных каналов и путей. Иерархия идентификаторов (VPI, VCI) введена для использования двух типов коммутационных блоков:
– Коммутационных блоков виртуальных путей АТМ, называемых обычно кроссовыми коммутаторами VP или АТМ DDC (Digital Cross Connects) – цифровыми кроссовыми коммутаторами АТМ, которые для направления данных по определенному маршруту используют только идентификатор виртуального пути VPI. Управляются данные коммутационные блоки ячейками сетевого административного управления.
– Коммутационных блоков виртуальных каналов АТМ, которые учитывают оба идентификатора (VPI и VCI). Главным образом это коммутационные станции доступа к сети, обрабатывающие последовательно вызов за вызовом.
В сетях АТМ поддерживаются следующие три типа виртуальных соединений:
PVC (permanent virtual circuits) – постоянные виртуальные соединения, которые являются результатом соглашения об обслуживании между оператором и пользователем;
SVC (switched virtual circuits) – коммутируемые виртуальные соединения, которые устанавливается по требованию протокола сигнализации между терминалом пользователя и коммутационным блоком доступа к сети.
SPVC (smart permanent virtual circuits) – интеллектуальные постоянные виртуальные соединения. Гибрид PVC и SVC. Подобно PVC, SPVC устанавливается вручную на этапе конфигурирования сети. Однако провайдер ATM-услуг или сетевой администратор задает только конечные станции. Для каждой передачи сеть определяет, через какие коммутаторы будут передаваться ячейки.
В сетях АТМ может использоваться как статическая, так и динамическая маршрутизация. Последняя, пока стандартизирована только для частных (privat) сетей в виде протокола PNNI (Privat NNI) с помощью которого коммутаторы могут строить таблицы маршрутизации автоматически.
Виртуальные соединения, образованные с помощью протокола Q.2931, бывают симплексными (однонаправленными) и дуплексными. Данный протокол также позволяет устанавливать виртуальные соединения типа «один-к-одному» (point-to-point) и «один-ко-многим» (point-to-multipoint).
Адресом конечного узла в коммутаторах АТМ является 20-байтный адрес. Этот адрес может иметь различный формат, описываемый стандартом ISO 7498. При работе в публичных сетях используется адрес стандарта Е.164, а в частных сетях АТМ обычно применяется формат адреса, соответствующий домену международных организаций, причем в качестве международной организации выступает АТМ Forum.
Кроме адресной части пакет CALL SETUP протокола Q.2931, с помощью которого конечный узел запрашивает установление виртуального соединения, включает также части, описывающие параметры трафика и требования QoS. При поступлении такого пакета коммутатор должен проанализировать эти параметры и решить, достаточно ли у него свободных ресурсов производительности для обслуживания нового виртуального соединения. Если да, то новое виртуальное соединение принимается и коммутатор передает пакет CALL SETUP дальше в соответствии с адресом назначения и таблицей маршрутизации, а если нет, то запрос отвергается.
Возможность заказа и поддержания большого количества параметров качества услуг на уровне АТМ, индивидуальных для каждого виртуального соединения,– важная отличительная особенность технологии АТМ, несколько нарушающая один из принципов уровневой организации ЭМВОС – независимости функций, выполняемых на разных уровнях, или иначе – «прозрачности» нижних уровней, не вмешивающихся в то, что выполняют верхние уровни. Хотя, с другой стороны, формально в информационную часть ячеек уровень АТМ и не вмешивается, а реагирует на вид передаваемой информации по идентификаторам виртуальных каналов, за которыми при установлении соединений закрепляются соответствующие требования QoS.
Категории услуг протокола АТМ
Всего на уровне протокола АТМ определено пять категорий услуг, которые поддерживаются одноименными службами:
CBR (constant bit rate) – услуги для трафика с постоянной битовой скоростью;
rtVBR (real time variable bit rate) – услуги для трафика с переменной битовой скоростью, требующего соблюдения средней скорости передачи данных и синхронизации источника и приемника;
nrtVBR (not real time variable bit rate) – услуги для трафика с переменной битовой скоростью, требующего соблюдения средней скорости передачи данных, но не требующего синхронизации источника и приемника;
ABR (available bit rate) – услуги для трафика с переменной битовой скоростью, требующего соблюдения некоторой минимальной скорости передачи данных и не требующего синхронизации источника и приемника;
UBR (unspecified bit rate) – услуги для трафика, не предъявляющего требований к скорости передачи данных и синхронизации источника и приемника.
Приведенные обозначения категорий услуг можно обобщенно изобразить как xBR, где x может принимать вид C, rtV, nrtV, A, U.
Названия большинства категорий услуг совпадают с названием типов пользовательского трафика, для обслуживания которого они разработаны, но следует иметь в виду, что сами службы уровня АТМ и их услуги - это внутренние механизмы сети АТМ, которые экранируются от приложения уровнем AAL.
Различные категории услуг используются для обеспечения различного качества сервиса QoS, которое количественно определяется следующими параметрами:
CLR (Cell loss ratio) – доля потерянных ячеек определяет, какой процент приоритетных (т.е., в данном случае, не нарушивших условие контракта о скорости на входе) ячеек может быть потерян за время передачи.
CTD (Cell transfer delay) – задержка передачи ячейки определяет время в секундах (или точнее среднее время), требуемое для доставки ячейки адресату.
CDV (Cell delay variation) – отклонение (вариация, изменение) задержки передачи отдельных ячеек относительно среднего значения (CTD) в секундах. Высокое значение CDV приводит к прерыванию аудио- и видеосигналов.
Кроме того, сеть АТМ берет на себя обязательства соблюдения внутри сети (и контроля на входе) ряда параметров трафика, которые считаются дополнительными параметрами QoS:
PCR (Peak Cell Rate) – пиковая скорость передачи данных (ячеек/сек).
SCR (Sustained Cell Rate) – средняя скорость передачи данных (ячеек/сек).
MCR (Minimum Cell Rate) – минимальная скорость передачи данных (ячеек/сек).
MBS (Maximum Burst Size) – максимальный размер пульсаций (ячеек) за время BT, где BT (Burst Tolerance) – период терпимости к пульсации (BT=MBS/PCR) в сек.
Подобные параметры (кроме MCR) контролируются и в сетях Frame Relay (AR, CIR, Bc+Be), причем путем использования алгоритма «дырявого ведра», который используется и в сетях АТМ (с некоторыми модификациями).
Реализация перечисленных выше категорий услуг тесно связана с функциями защиты от перегрузок. Основным способом защиты является контроль за соблюдением параметров трафика, согласованных с пропускной способностью сети. Для защиты от перегрузки может использоваться бит приоритетности потери ячейки CLP в заголовке каждой ячейки (так же как бит DE в заголовке кадров Frame Relay). Этот бит обычно управляется источником, который определяет относительную важность данных, содержащихся в каждой ячейке, но может управляться и коммутатором, обнаружившим нарушение соглашения о трафике со стороны входного трафика.