Адаптация локальных сетей с помощью ATM (Asynchronous Transfer Mode)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КАФЕДРА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЯ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

Курсовая работа

Тема:"Адаптация локальных сетей с помощью ATM (Asynchronous Transfer Mode)"

Выполнил:

студент гр.ЭКТ-32 --- -.-.

Проверил:

Кривошапко В.М.

МОСКВА

2003 г.

Содержание

ИСТОРИЯ И БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ

Сегодня для всех организаций вопросы стандартизации играют немалую роль. Не остаются в стороне от этого процесса и вопросы стандартизации сетевых решений.

Корпоративные сетевые стандарты позволяют обеспечить эффективное взаимодействие всех станций сети за счет использования одинаковых версий программ и однотипной конфигурации. Однако, значительные сложности возникают при унификации технологии доступа рабочих станций к WAN-сервису, поскольку в этом случае происходит преобразование данных из формата token ring или Ethernet в форматы типа X.25 или T1/E1. ATM обеспечивает связь между станциями одной сети или передачу данных через WAN-сети без изменения формата ячеек - технология ATM является универсальным решением для ЛВС и телекоммуникаций.

Нет сомнений в том, что скоростные технологии ЛВС являются основой современных сетей. ATM, FDDI и Fast Ethernet являются основными вариантами для организация сетей с учетом перспективы. Очевидно, что приложениям multimedia, системам обработки изображений, CAD/CAM, Internet и др. требуется широкополосный доступ в сеть с рабочих станций. Все современные технологии обеспечивают высокую скорость доступа для рабочих станций, но только ATM обеспечивает эффективную связь между локальными и WAN-сетями.

Технология ATM сначала рассматривалась исключительно как способ снижения телекоммуникационных расходов, возможность использования в ЛВС просто не принималась во внимание. Большинство широкополосных приложений отличается взрывным характером трафика. Высокопроизводительные приложения типа ЛВС клиент-сервер требуют высокой скорости передачи в активном состоянии и практически не используют сеть в остальное время. При этом система находится в активном состоянии (обмен данными) достаточно малое время. Даже в тех случаях, когда пользователям реально не нужна обеспечиваемая сетью полоса, традиционные технологии ЛВС все равно ее выделяют. Следовательно, пользователям приходится платить за излишнюю полосу. Перевод распределенных сетей на технологию ATM позволяет избавиться от таких ненужных расходов.

Комитеты по стандартизации рассматривали решения для обеспечения недорогих широкополосных систем связи в начале 80-х годов. Важно то, что целью этого рассмотрения было применение принципов коммутации пакетов или статистического мультиплексирования, которые так эффективно обеспечивают передачу данных, к системам передачи других типов трафика. Вместо выделения специальных сетевых ресурсов для каждого соединения сети с коммутацией пакетов выделяют ресурсы по запросам (сеансовые соединения). Поскольку для каждого соединения ресурсы выделяются только на время их реального использования, не возникает больших проблем из-за спада трафика.

Проблема, однако, состоит в том, что статистическое мультиплексирование не обеспечивает гарантированного выделения полосы для приложений. Если множество пользователей одновременно захотят использовать сетевые ресурсы, кому-то может просто не хватить полосы. Таким образом, статистическое мультиплексирование, весьма эффективное для передачи данных (где не требуется обеспечивать гарантированную незначительную задержку), оказывается малопригодным для систем реального времени (передача голоса или видео). Технология ATM позволяет решить эту проблему.

Проблема задержек при статистическом мультиплексировании связана в частности с большим и непостоянным размером передаваемых по сети пакетов информации. Возможна задержка небольших пакетов важной информации из-за передачи больших пакетов малозначимых данных. Если небольшой задержанный пакет оказывается частью слова из телефонного разговора или multimedia-презентации, эффект задержки может оказаться весьма существенным и заметным для пользователя. По этой причине многие специалисты считают, что статистическое мультиплексирование кадров данных дает слишком сильную дрожь из-за вариации задержки (delay jitter) и не позволяет предсказать время доставки. С этой точки зрения технология коммутации пакетов является совершенно неприемлемой для передачи трафика типа голоса или видео.

ATM решает эту проблему за счет деления информации любого типа на небольшие ячейки фиксированной длины. Ячейка ATM имеет размер 53 байта, пять из которых составляют заголовок, оставшиеся 48 - собственно информацию. В сетях ATM данные должны вводиться в форме ячеек или преобразовываться в ячейки с помощью функций адаптации. Сети ATM состоят из коммутаторов, соединенных транковыми каналами ATM. Краевые коммутаторы, к которым подключаются пользовательские устройства, обеспечивают функции адаптации, если ATM не используется вплоть до пользовательских станций. Другие коммутаторы, расположенные в центре сети, обеспечивают перенос ячеек, разделение транков и распределение потоков данных. В точке приема функции адаптации восстанавливают из ячеек исходный поток данных и передают его устройству-получателю, как показано на рисунке 4.1.



Рисунок 4.1 Адаптация ATM

Передача данных в коротких ячейках позволяет ATM эффективно управлять потоками различной информации и обеспечивает возможность приоритизации трафика.

Пусть два устройства передают в сеть ATM данные, срочность доставки которых различается (например, голос и трафик ЛВС). Сначала каждый из отправителей делит передаваемые данные на ячейки. Даже после того, как данные от одного из отправителей будут приниматься в сеть, они могут чередоваться с более срочной информацией. Чередование может осуществляться на уровне целых ячеек и малые размеры последних обеспечивают в любом случае непродолжительную задержку. такое решение позволяет передавать срочный трафик практически без задержек, приостанавливая на это время передачу некритичной к задержкам информации. В результате ATM может обеспечивать эффективную передачу всех типов трафика.

Даже при чередовании и приоритизации ячеек в сетях ATM могут наступать ситуации насыщения пропускной способности. Для сохранения минимальной задержки даже в таких случаях ATM может отбрасывать отдельные ячейки при насыщении. Реализация стратегии отбрасывания ячеек зависит от производителя оборудования ATM, но в общем случае обычно отбрасываются ячейки с низким приоритетом (например, данные) для которых достаточно просто повторить передачу без потери информации. Коммутаторы ATM с расширенными функциями могут при отбрасывании ячеек, являющихся частью большого пакета, обеспечить отбрасывание и оставшихся ячеек из этого пакета - такой подход позволяет дополнительно снизить уровень насыщения и избавиться от излишнего объема повторной передачи. Правила отбрасывания ячеек, задержки данных и т.п. определяются набором параметров, называемым качеством обслуживания (Quality of Service) или QoS. Разным приложениям требуется различный уровень QoS и ATM может обеспечить этот уровень.

Поскольку приходящие из разных источников ячейки могут содержать голос, данные и видео, требуется обеспечить независимый контроль для передачи всех типов трафика. Для решения этой задачи используется концепция виртуальных устройств. Виртуальным устройством называется связанный набор сетевых ресурсов, который выглядит как реальное соединение между пользователями, но на самом деле является частью разделяемого множеством пользователей оборудования. Для того, чтобы сделать связь пользователей с сетями ATM как можно более эффективной, виртуальные устройства включают пользовательское оборудование, средства доступа в сеть и собственно сеть ATM.

В заголовке ATM виртуальный канал обозначается комбинацией двух полей - VPI (идентификатор виртуального пути) и VCI (идентификатор виртуального канала. Виртуальный путь применяется в тех случаях, когда 2 пользователя ATM имеют свои собственные коммутаторы на каждом конце пути и могут, следовательно, организовывать и поддерживать свои виртуальные соединения. Виртуальный путь напоминает канал, содержащий множество кабелей, по каждому из которых может быть организовано виртуальное соединение.

Поскольку виртуальные устройства подобны реальным, они также могут быть "выделенными" или "коммутируемыми". В сетях ATM "выделенные" соединения называются постоянными виртуальными устройствами (PVC), создаваемыми по соглашению между пользователем и оператором (подобно выделенной телефонной линии). Коммутируемые соединения ATM используют коммутируемые виртуальные устройства (SVC), которые устанавливаются путем передачи специальных сигналов между пользователем и сетью. Протокол, используемый ATM для управления виртуальными устройствами подобен протоколу ISDN. Вариант для ISDN описан в стандарте Q.931, ATM - в Q.2931.

Виртуальные устройства ATM поддерживаются за счет мультиплексирования трафика, что существенно снижает расходы на организацию и поддержку магистральных сетей. если в одном из виртуальных устройств уровень трафика невысок, другое устройство может использовать часть свободных возможностей. За счет этого обеспечивается высокий уровень эффективности использования пропускной способности ATM и снижаются цены. Небольшие ячейки фиксированной длины позволяют сетям ATM обеспечить быструю передачу критичного к задержкам трафика (например, голосового). Кроме того, фиксированный размер ячеек обеспечивает практически постоянную задержку, позволяя эмулировать устройства с фиксированной скоростью передачи типа T1E1. Фактически, ATM может эмулировать все существующие сегодня типы сервиса и обеспечивать новые услуги. ATM обеспечивает несколько классов обслуживания, каждый из которых имеет свою спецификацию QoS.

Класс QoS	Класс обслуживания	Описание
1	A	производительность частных цифровых линий (эмуляция устройств или CBR)
2	B	пакетные аудио/видео-конференции и multimedia (rt-VBR)
3	C	ориентированные на соединения протоколы типа frame relay (nrt-VBR)
4	D	протоколы без организации соединений типа IP, эмуляция ЛВС (ABR)
5	Unspecified	наилучшие возможности в соответствии с определением оператора (UBR)

Большая часть трафика, передаваемого через сети ATM использует класс обслуживания C, X или Y. Класс C определяет параметры QoS (качество обслуживания) для задержки и вероятности отбрасывания, но требует от пользователя аккуратного управления трафиком во избежание перенасыщения сети. трафик класса X дает пользователю большую свободу, но может не обеспечить стабильной производительности. Класс Y, называемый также "Available Bit Rate" (ABR или доступная скорость) позволяет пользователю и сети установить совместно скорость на основе оценки потребностей пользователя и возможностей сети.

ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ATM

Базовые принципы, лежащие в основе технологии ATM, могут быть выражены в трех утверждениях:

• сети ATM - это сети с трансляцией ячеек (cell-relay);

• сети ATM - это сети с установлением соединения (connection-oriented);

• сети ATM - это коммутируемые сети.

Сети с трансляцией ячеек

Идея сети с трансляцией ячеек проста: данные передаются по сети небольшими пакетами фиксированного размера, называемыми ячейками (cells). В сети Ethernet передача данных осуществляется большими пакетами переменной длины, которые называют кадрами (frames). Ячейки имеют два важных преимущества перед кадрами. Во-первых, поскольку кадры имеют переменную длину, каждый поступающий кадр должен буферизоваться (т.е. сохраняться в памяти), что гарантирует его целостность до начала передачи. Поскольку ячейки всегда имеют одну и ту же длину, они требуют меньшей буферизации. Во-вторых, все ячейки имеют одинаковую длину, поэтому они предсказуемы: их заголовки всегда находятся на одном и том же месте. В результате коммутатор автоматически обнаруживает заголовки ячеек и их обработка происходит быстрее.

В сети с трансляцией ячеек размер каждой из них должен быть достаточно мал, чтобы сократить время ожидания, но достаточно велик, чтобы минимизировать издержки. Время ожидания (latency) - это интервал между тем моментом, когда устройство запросило доступ к среде передачи (кабелю), и тем, когда оно получило этот доступ. Сеть, по которой передается восприимчивый к задержкам трафик (например, звук или видео), должна обеспечивать минимальное время ожидания.

Любое устройство, подключенное к сети ATM (рабочая станция, сервер, маршрутизатор или мост), имеет прямой монопольный доступ к коммутатору. Поскольку каждое из них имеет доступ к собственному порту коммутатора, устройства могут посылать коммутатору ячейки одновременно. Время ожидания становится проблемой в том случае, когда несколько потоков трафика достигают коммутатора в один и тот же момент. Чтобы уменьшить время ожидания в коммутаторе, размер ячейки должен быть достаточно маленьким; тогда время, которое занимает передача ячейки, будет незначительно влиять на ячейки, ожидающие передачи.

Уменьшение размера ячейки сокращает время ожидания, но, с другой стороны, чем меньше ячейка, тем большая ее часть приходится на "издержки" (то есть на служебную информацию, содержащуюся в заголовке ячейки), а соответственно, тем меньшая часть отводится реальным передаваемым данным. Если размер ячейки слишком мал, часть полосы пропускания занимается впустую и передача ячеек происходит длительное время, даже если время ожидания мало.

Когда Американский национальный институт стандартов (American National Standards Institute - ANSI) и организация, которая сейчас называется Международным телекоммуникационным союзом (International Telecommunications Union - ITU), разрабатывали ATM, им было достаточно трудно найти компромисс между временем ожидания и издержками передачи. Эти организации должны были учесть интересы как телефонной отрасли, так и производителей оборудования для сетей передачи данных. Производителям средств телефонии нужен был небольшой размер ячейки, поскольку голос обычно передается маленькими фрагментами и уменьшение времени ожидания гарантировало бы своевременную доставку этих фрагментов. Производители средств передачи данных, наоборот, требовали увеличить размер ячейки, поскольку файлы данных часто бывают большими и более чувствительны к издержкам трафика, нежели ко времени ожидания. В конце концов эти две фракции договорились о размере ячейки, равном 53 байтам, из которых 48 байт отводится данным и 5 байт - заголовку ячейки.

Сети с установлением соединения

Для передачи пакетов по сетям ATM от источника к месту назначения источник должен сначала установить соединение с получателем. Установление соединения перед передачей пакетов очень напоминает то, как осуществляется телефонный звонок: сначала вы набираете номер, телефон абонента звонит, и кто-то снимает трубку - только после этого вы можете начать говорить.

При использовании других технологий передачи данных, таких как Ethernet и Token Ring, соединение между источником и получателем не устанавливается - пакеты с соответствующей адресной информацией просто помещаются в среду передачи, а концентраторы, коммутаторы или маршрутизаторы находят получателя и доставляют ему пакеты.

Сети с установлением соединения имеют один недостаток - устройства не могут просто передавать пакеты, они обязательно должны сначала установить соединение. Однако такие сети имеют и ряд преимуществ. Поскольку коммутаторы могут резервировать для конкретного соединения полосу пропускания, сети с установлением соединения гарантируют данному соединению определенную часть полосы пропускания. Сети без установления соединения, в которых устройства просто передают пакеты по мере их получения, не могут гарантировать полосу пропускания.

Сети с установлением соединения также могут гарантировать определенное качество сервиса (Quality of Service - QoS), т.е. некоторый уровень сервиса, который сеть может обеспечить. QoS включает в себя такие факторы, как допустимое количество потерянных пакетов и допустимое изменение промежутка между ячейками. В результате сети с установлением соединения могут использоваться для передачи различных видов трафика - звука, видео и данных - через одни и те же коммутаторы. Кроме того, сети с установлением соединения могут лучше управлять сетевым трафиком и предотвращать перегрузку сети ("заторы"), поскольку коммутаторы могут просто сбрасывать те соединения, которые они не способны поддерживать.

Коммутируемые сети

В сети ATM все устройства, такие как рабочие станции, серверы, маршрутизаторы и мосты, подсоединены непосредственно к коммутатору. Когда одно устройство запрашивает соединение с другим, коммутаторы, к которым они подключены, устанавливают соединение. При установлении соединения коммутаторы определяют оптимальный маршрут для передачи данных - традиционно эта функция выполняется маршрутизаторами.

Когда соединение установлено, коммутаторы начинают функционировать как мосты, просто пересылая пакеты. Однако такие коммутаторы отличаются от мостов одним важным аспектом: если мосты отправляют пакеты по всем достижимым адресам, то коммутаторы пересылают ячейки только следующему узлу заранее выбранного маршрута.

Коммутация в сети Ethernet может быть сконфигурирована таким образом, что все рабочие станции окажутся подключенными непосредственно к коммутатору. В такой конфигурации коммутация в Ethernet похожа на коммутацию в сети ATM: каждое устройство осуществляет прямой монопольный доступ к порту коммутатора, который не является устройством совместного доступа.

Однако коммутация ATM имеет ряд важных отличий от коммутации Ethernet. Поскольку каждому устройству ATM предоставляется непосредственный монопольный доступ к порту коммутатора, то нет необходимости в сложных схемах арбитража для определения того, какое из этих устройств имеет доступ к коммутатору. В противоположность этому, рабочие станции, соединенные с коммутатором Ethernet, должны участвовать в схемах арбитража даже несмотря на их непосредственный монопольный доступ к порту коммутатора. Сетевые интерфейсные платы Ethernet рассчитаны на использование арбитражного протокола для определения того, имеет ли рабочая станция доступ к устройству.

ATM-коммутация также отличается от коммутации Ethernet тем, что коммутаторы ATM устанавливают соединение между отправителем и получателем, а коммутаторы Ethernet - нет. Кроме того, коммутаторы ATM обычно являются неблокирующими; это означает, что они минимизируют "заторы", передавая ячейки немедленно после их получения. Чтобы получить возможность немедленной пересылки всех поступающих ячеек, неблокирующий коммутатор должен быть оснащен чрезвычайно быстрым механизмом коммутации и иметь достаточно большую пропускную способность выходных портов. Теоретически если у коммутатора есть 10 входных портов на 10 Мбит/с, у него должен также быть один выходной порт на 100 Мбит/с. На практике выходной порт может иметь немного меньшую пропускную способность, не утрачивая при этом способности немедленной пересылки всех поступающих ячеек.

АРХИТЕКТУРА ATM

Такие технологии передачи, как Ethernet и Token Ring, соответствуют семиуровневой модели взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection - OSI). ATM же имеет собственную модель, разработанную организациями по стандартизации.

Технология ATM была разработана организациями ANSI и ITU как транспортный механизм для широкополосной сети ISDN (Broadband Integrated Services Digital Network - B-ISDN). B-ISDN - это общедоступная территориально-распределенная сеть (WAN), которая может использоваться для объединения нескольких локальных сетей. Впоследствии ATM Forum - консорциум производителей оборудования для сетей ATM - приспособил и расширил стандарты B-ISDN для использования как в общедоступных, так и в частных сетях (см. врезку "Организации по стандартизации ATM").

Модель ATM, в соответствии с определением ANSI, ITU и ATM Forum, состоит из трех уровней:

• физического;

• уровня ATM;

• уровня адаптации ATM.

Эти три уровня примерно соответствуют по функциям физическому, канальному и сетевому уровню модели OSI (рисунок 1). В настоящее время модель ATM не включает в себя никаких дополнительных уровней, т.е. таких, которые соответствуют более высоким уровням модели OSI. Однако самый высокий уровень в модели ATM может связываться непосредственно с физическим, канальным, сетевым или транспортным уровнем модели OSI, а также непосредственно с ATM-совместимым приложением.

Рисунок 1.
В отличие от других протоколов передачи, ATM используетсобственную модель, а не модель OSI.

Физический уровень

Как в модели ATM, так и в модели OSI стандарты для физического уровня устанавливают, каким образом биты должны проходить через среду передачи. Точнее говоря, стандарты ATM для физического уровня определяют, как получать биты из среды передачи, преобразовывать их в ячейки и посылать эти ячейки уровню ATM.

Стандарты ATM для физического уровня также описывают, какие кабельные системы должны использоваться в сетях ATM и с какими скоростями может работать ATM при каждом типе кабеля. Изначально ATMForum установил скорость DS3 (45 Мбит/с) и более высокие. Однако реализация ATM со скоростью 45 Мбит/с применяется главным образом провайдерами услуг WAN. Другие же компании чаще всего используют ATM со скоростью 25 или 155 Мбит/с.

Хотя ATM Forum первоначально не принял реализацию ATM со скоростью 25 Мбит/с, отдельные производители стали ее сторонниками, поскольку такое оборудование дешевле в производстве и установке, чем работающее на других скоростях. Только 25-мегабитная ATM может работать на неэкранированной витой паре (UTP) категории 3, а также на UTP более высокой категории и оптоволоконном кабеле. Вследствие того что оборудование для 25-мегабитной ATM относительно недорого, оно предназначено для подключения к сети ATM настольных компьютеров (см. врезку "Более доступный вариант: ATM со скоростью 25 Мбит/с").

155-мегабитная ATM работает на кабелях UTP категории 5, экранированной витой паре (STP) типа 1, оптоволоконном кабеле и беспроводных инфракрасных лазерных каналах. 622-мегабитная ATM работает только на оптоволоконном кабеле и может использоваться в локальных сетях (хотя оборудование, работающее с такой скоростью, реализовано еще недостаточно широко). А для беспроводной связи лаборатория Olivetti Research Labs создает прототип радиосети ATM, работающей со скоростью 10 Мбит/с.

Уровень ATM и виртуальные каналы

В модели OSI стандарты для канального уровня описывают, каким образом устройства могут совместно использовать среду передачи и гарантировать надежное физическое соединение. Стандарты для уровня ATM регламентируют передачу сигналов, управление трафиком и установление соединений в сети ATM. Функции передачи сигналов и управления трафиком уровня ATM подобны функциям канального уровня модели OSI, а функции установления соединения ближе всего к функциям маршрутизации, которые определены стандартами модели OSI для сетевого уровня.

Стандарты для уровня ATM описывают, как получать ячейку, сгенерированную на физическом уровне, добавлять 5-байтный заголовок и посылать ячейку уровню адаптации ATM. Эти стандарты также определяют, каким образом нужно устанавливать соединение с таким качеством сервиса (QoS), которое запрашивает ATM-устройство или конечная станция.

Стандарты установления соединения для уровня ATM определяют виртуальные каналы и виртуальные пути. Виртуальный канал ATM - это соединение между двумя конечными станциями ATM, которое устанавливается на время их взаимодействия. Виртуальный канал является двунаправленным; это означает, что после установления соединения каждая конечная станция может как посылать пакеты другой станции, так и получать их от нее.

После того как соединение установлено, коммутаторы между конечными станциями получают адресные таблицы, содержащие сведения о том, куда необходимо направлять ячейки. В них используется следующая информация:

• адрес порта, из которого приходят ячейки;

• специальные значения в заголовках ячейки, которые называются идентификаторами виртуального канала (virtual circuit identifiers - VCI) и идентификаторами виртуального пути (virtual path identifiers - VPI).

• Адресные таблицы также определяют, какие VCI и VPI коммутатор должен включить в заголовки ячеек перед тем как их передать.

Имеются три типа виртуальных каналов:

• постоянные виртуальные каналы (permanent virtual circuits - PVC);

• коммутируемые виртуальные каналы (switched virtual circuits - SVC);

• интеллектуальные постоянные виртуальные каналы (smart permanent virtual circuits - SPVC).

PVC - это постоянное соединение между двумя конечными станциями, которое устанавливается вручную в процессе конфигурирования сети. Пользователь сообщает провайдеру ATM-услуг или сетевому администратору, какие конечные станции должны быть соединены, и он устанавливает PVC между этими конечными станциями.

PVC включает в себя конечные станции, среду передачи и все коммутаторы, расположенные между конечными станциями. После установки PVC для него резервируется определенная часть полосы пропускания, и двум конечным станциям не требуется устанавливать или сбрасывать соединение.

SVC устанавливается по мере необходимости - всякий раз, когда конечная станция пытается передать данные другой конечной станции. Когда отправляющая станция запрашивает соединение, сеть ATM распространяет адресные таблицы и сообщает этой станции, какие VCI и VPI должны быть включены в заголовки ячеек. Через произвольный промежуток времени SVC сбрасывается.

SVC устанавливается динамически, а не вручную. Для него стандарты передачи сигналов уровня ATM определяют, как конечная станция должна устанавливать, поддерживать и сбрасывать соединение. Эти стандарты также регламентируют использование конечной станцией при установлении соединения параметров QoS из уровня адаптации ATM.

Кроме того, стандарты передачи сигналов описывают способ управления трафиком и предотвращения "заторов": соединение устанавливается только в том случае, если сеть в состоянии поддерживать это соединение. Процесс определения, может ли быть установлено соединение, называется управлением признанием соединения (connection admission control - CAC).

SPVC - это 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.

Большая часть раннего оборудования ATM поддерживала только PVC. Поддержка SVC и SPVC начинает реализовываться только сейчас.

PVC имеют два преимущества над SVC. Сеть, в которой используются SVC, должна тратить время на установление соединений, а PVC устанавливаются предварительно, поэтому могут обеспечить более высокую производительность. Кроме того, PVC обеспечивают лучший контроль над сетью, так как провайдер ATM-услуг или сетевой администратор может выбирать путь, по которому будут передаваться ячейки.

Однако и SVC имеют ряд преимуществ перед PVC. Поскольку SVC устанавливается и сбрасывается легче, чем PVC, то сети, использующие SVC, могут имитировать сети без установления соединений. Эта возможность оказывается полезной в том случае, если вы используете приложение, которое не может работать в сети с установлением соединений. Кроме того, SVC используют полосу пропускания, только когда это необходимо, а PVC должны постоянно ее резервировать на тот случай, если она понадобится. SVC также требуют меньшей административной работы, поскольку устанавливаются автоматически, а не вручную. И наконец, SVC обеспечивают отказоустойчивость: когда выходит из строя коммутатор, находящийся на пути соединения, другие коммутаторы выбирают альтернативный путь.

В некотором смысле SPVC обладает лучшими свойствами этих двух видов виртуальных каналов. Как и в случае с PVC, SPVC позволяет заранее задать конечные станции, поэтому им не приходится тратить время на установление соединения каждый раз, когда одна из них должна передать ячейки. Подобно SVC, SPVC обеспечивает отказоустойчивость. Однако и SPVC имеет свои недостатки: как и PVC, SPVC устанавливается вручную, и для него необходимо резервировать часть полосы пропускания - даже если он не используется.

Стандарты установления соединения для уровня ATM также определяют виртуальные пути (virtual path). В то время как виртуальный канал - это соединение, установленное между двумя конечными станциями на время их взаимодействия, виртуальный путь - это путь между двумя коммутаторами, который существует постоянно, независимо от того, установлено ли соединение. Другими словами, виртуальный путь - это "запомненный" путь, по которому проходит весь трафик от одного коммутатора к другому.

Когда пользователь запрашивает виртуальный канал, коммутаторы определяют, какой виртуальный путь использовать для достижения конечных станций. По одному и тому же виртуальному пути в одно и то же время может передаваться трафик более чем для одного виртуального канала. Например, виртуальный путь с полосой пропускания 120 Мбит/с может быть разделен на четыре одновременных соединения по 30 Мбит/с каждый.

Уровень адаптации ATM и качество сервиса

В модели OSI стандарты для сетевого уровня определяют, как осуществляется маршрутизация пакетов и управление ими. В модели ATM стандарты для уровня адаптации ATM выполняют три подобные функции:

• определяют, как форматируются пакеты;

• предоставляют информацию для уровня ATM, которая дает возможность этому уровню устанавливать соединения с различным QoS;

• предотвращают "заторы".

Уровень адаптации ATM состоит из четырех протоколов (называемых протоколами AAL), которые форматируют пакеты. Эти протоколы принимают ячейки с уровня ATM, заново формируют из них данные, которые могут быть использованы протоколами, действующими на более высоких уровнях, и посылают эти данные более высокому уровню. Когда протоколы AAL получают данные с более высокого уровня, они разбивают их на ячейки и передают их уровню ATM.

В стандартах B-ISDN определены следующие протоколы AAL: AAL 1, AAL 2, AAL 3/4 и AAL 5. Однако ATM Forum разработал только три из них - AAL 1, AAL 3/4 и AAL 5.

Каждый протокол AAL упаковывает данные в ячейки своим способом. Все эти протоколы, за исключением AAL 5, добавляют некоторую служебную информацию к 48 байтам данных в ячейке ATM. Эти "издержки" включают в себя специальные команды обработки для каждой ячейки, которые используются для обеспечения различных категорий сервиса.

Уровень адаптации ATM определяет также четыре категории сервиса:

постоянная скорость передачи в битах (constant bit rate - CBR); переменная скорость передачи в битах (variable bit rate - VBR); неопределенная скорость передачи в битах (unspecified bit rate - UBR); доступная скорость передачи в битах (available bit rate - ABR).

Эти категории используются для обеспечения различных уровней качества сервиса (QoS) для разных типов трафика (на рисунке 2 приведены характеристики каждой категории).



Рисунок 2.

QoS определяет уровень сервиса, который может предоставить сеть.

Категория CBR используется для восприимчивого к задержкам трафика, такого как аудио- и видеоинформация, при котором данные передаются с постоянной скоростью и требуют малого времени ожидания. CBR гарантирует самый высокий уровень качества сервиса, но использует полосу пропускания неэффективно. Чтобы защитить трафик CBR от влияния других передач, CBR всегда резервирует для соединения определенную часть полосы пропускания, даже если в данный момент в канале не происходит никакой передачи. Таким образом, резервирование полосы пропускания является особенно большой проблемой при работе по WAN-каналам, когда абоненту приходится платить за каждый мегабит полосы пропускания независимо от того, используется ли виртуальный канал.

Существуют также два вида VBR, которые используются для различных типов трафика: VBR реального времени (Real-time VBR - RT-VBR) требует жесткой синхронизации между ячейками и поддерживает восприимчивый к задержкам трафик, такой как уплотненная речь и видео. VBR нереального времени (Non-real-time VBR - NRT-VBR) не нуждается в жесткой синхронизации между ячейками и поддерживает допускающий задержки трафик, такой как трансляция кадров (frame relay).

Поскольку VBR не резервирует полосу пропускания, она используется более эффективно, чем в случае с CBR. Однако, в отличие от CBR, VBR не может гарантировать качества сервиса.

UBR применяется для трафика типа TCP/IP, который допускает задержки. Подобно VBR, UBR не резервирует дополнительной полосы пропускания для виртуального канала. В результате один и тот же виртуальный канал может многократно применяться для нескольких передач, таким образом полоса пропускания используется более эффективно. Однако поскольку UBR не гарантирует качества сервиса, в сильно загруженных сетях UBR-трафик теряет большое число ячеек и имеет много повторных передач.

Подобно UBR, ABR используется для передачи трафика, который допускает задержки, и дает возможность многократно использовать виртуальные каналы. Однако если UBR не резервирует полосы пропускания и не предотвращает потерь ячеек, то ABR обеспечивает для соединения допустимые значения ширины полосы пропускания и коэффициента потерь.

CBR, VBR, UBR, и ABR включают в себя различные параметры трафика, например среднюю и пиковую скорости, с которыми конечная станция может передавать данные. Эти категории сервиса также включают в себя следующие параметры качества сервиса (QoS).

• Коэффициент потерь ячеек (Cell loss ratio) определяет, какой процент высокоприоритетных ячеек может быть потерян за время передачи.

• Задержка передачи ячейки (Cell transfer delay) определяет количество времени (или среднее количество времени), требуемое для доставки ячейки адресату.

• Изменение задержки передачи ячейки (Cell delay variation - CDV) - допустимые изменения в распределении группы ячеек между конечными станциями. Высокое значение CDV приводит к прерыванию аудио- и видеосигналов.

Перед установлением соединения конечная станция запрашивает одну из четырех категорий сервиса. Затем сеть ATM устанавливает соединение, используя соответствующие параметры трафика и QoS. Например, если конечная станция запросила соединение CBR для передачи видеоинформации, сеть ATM резервирует необходимую ширину полосы пропускания и использует параметры трафика и QoS для обеспечения допустимых значений скорости передачи, коэффициента потерь ячеек, задержки и изменения задержки.

Сеть ATM использует параметры QoS и для защиты трафика, т. е. предотвращения перегрузки сети. Сеть "следит" за тем, чтобы установленные соединения не превышали максимальной ширины полосы пропускания, которая им была предоставлена. Если соединение начинает ее превышать, сеть отказывается передавать ячейки. Кроме того, сеть ATM определяет, какие ячейки можно отбросить в случае ее переполнения: она проверяет параметры QoS данного соединения и отбрасывает ячейки, для которых установлен высокий коэффициент потерь. И наконец, сеть отказывается устанавливать соединения, если не может их поддерживать.

Способность ATM обеспечивать для приложений различные уровни QoS считается одним из достоинств данной технологии. Пользователи могут резервировать только ту полосу пропускания, которая им необходима; при этом сохраняется качество передаваемых аудио- и видеосигналов, а сеть предохраняется от переполнения. Однако для того чтобы получать реальную выгоду от качества сервиса в сети ATM, необходимы приложения, рассчитанные на его использование.

Производители оборудования ATM и организации, занимающиеся стандартизацией этой технологии, изобретают различные способы, которые должны позволить приложениям использовать QoS. Например, несколько производителей ATM работают над тем, чтобы расширить протокол резервирования ресурсов (Resource Preservation Protocol - RSVP), разработанный группой Internet Engineering Task Force (IETF), таким образом, чтобы приложения могли запрашивать QoS. Кроме того, чтобы дать возможность приложениям, созданным без учета специфики ATM, пользоваться преимуществами QoS, компания FORE Systems и ряд других производителей разрабатывают программное обеспечение Legacy Application Quality of Service, которое будет встраиваться в устройства доступа к локальным сетям и сетевые интерфейсные платы ATM. Это ПО даст возможность устройствам и платам устанавливать соединения с различными уровнями QoS в зависимости от типа приложения, адресов источника и адресата и других параметров.

ВЗАМОДЕЙСТВИЕ СЕТЕЙ ATM С ТРАДИЦИОННЫМИ СЕТЯМИ

Classical IP Over ATM

Этот стандарт был разработан инженерной группой IETF (Internet Engineering Task Force); он дает возможность маршрутизировать IP-пакеты через сеть ATM - либо магистральную, либо рабочей группы. Classical IP Over ATM позволяет преобразовывать IP-адреса сетевого уровня в адреса ATM и передавать IP-пакеты по сети ATM.

Принципы работы

На рис. 1 показаны компоненты Classical IP Over ATM и их взаимодействие. С сетью ATM соединены две конечные станции (ими могут служить рабочие станции, серверы, мосты, коммутаторы или маршрутизаторы; TCP/IP-устройства являются либо хостами, либо маршрутизаторами). Даже при размещении в физически независимых ЛВС рабочие станции являются частью одной логической (или виртуальной) подсети, поскольку обе они соединены с сетью ATM. Каждая конечная станция "знает" свои IP- и ATM-адреса и посылает эту информацию серверу ATMARP (ATM Address Resolution Protocol), который хранит адресную таблицу и использует ее для преобразования IP-адресов в ATM-адреса и обратно в пределах единой виртуальной подсети.



Рисунок 1. Схема работы Classical IP Over ATM:
1 - конечная станция A запрашивает у сервера ATMARP ATM-адрес конечной станции B;
2 - конечная станция A устанавливает виртуальный канал с конечной станций B.

Конечная станция может использовать для установления соединения либо постоянный виртуальный канал (PVC), либо коммутируемый виртуальный канал (SVC). Если передающая конечная станция применяет PVC, провайдер услуг ATM или сетевой администратор вручную задает соответствие IP-адресов конечных станций ATM-адресам, используемым для установления виртуальных каналов. Если же она использует SVC, то запрашивает для его установления ATM-адрес конечной станции получателя у сервера ATMARP. Установив PVC или SVC, передающая конечная станция преобразовывает свои пакеты в ячейки AAL 5 (ATM Adaptation Layer 5) и посылает их по виртуальному каналу конечной станции адресата, которая преобразует ячейки AAL 5 в IP-пакеты.

Достоинства и недостатки

Classical IP Over ATM имеет ряд недостатков. Поскольку серверу ATMARP доступна только одна IP-подсеть, IP-хосты могут напрямую взаимодействовать только с IP-хостами, расположенными в той же подсети. Чтобы посылать пакеты IP-хосту, находящемуся в другой виртуальной подсети, передающий IP-хост должен направлять их через маршрутизатор. Передающий IP-хост использует для соединения с маршрутизатором один виртуальный канал, а маршрутизатор применяет для соединения с IP-хостом, являющимся адресатом, другой виртуальный канал. В этой цепи маршрутизаторы создают "узкое место", поскольку, как правило, работают медленнее коммутаторов. Кроме того, Classical IP Over ATM может маршрутизировать только IP-пакеты; при необходимости маршрутизировать пакеты других протоколов, например IPX, этот стандарт использовать нельзя. Он не решает проблем задержек и перегрузки сети, поскольку не может использовать преимущества качества сервиса (QoS) сетей ATM. И наконец, Classical IP Over ATM не поддерживает многоадресную рассылку (рассылку информации определенной группе хостов).

Тем не менее стандарт имеет и некоторые достоинства. Во-первых, он позволяет передавать IP-пакеты по сети ATM. Во-вторых, поскольку конечные станции являются частью одной виртуальной подсети, даже если находятся в физически независимых локальных сетях, Classical IP Over ATM обеспечивает большую свободу при конфигурировании сети. Сетевые администраторы могут предоставлять пользователям, находящимся в сотнях километров от сети, возможность обращаться к ее ресурсам через высокоскоростную магистраль ATM.

LANE

Разработанный ATM Forum стандарт LANE определяет способ соединения локальных сетей по высокоскоростной ATM-магистрали. LANE также дает возможность подключать непосредственно к сети ATM рабочие станции, использующие традиционные протоколы, для создания высокоскоростных сетей рабочих групп. С помощью LANE конечная станция из одной ЛВС может связываться через сеть ATM с конечной станцией из другой ЛВС или с конечной станцией, подключенной непосредственно к сети ATM. Таким образом, имеется возможность использования в одной и той же сети как подключенных, так и не подключенных к ATM устройств.

Принципы работы

Конечные станции, находящиеся в разных сегментах ЛВС, могут взаимодействовать друг с другом, поскольку являются частью одной эмулированной ЛВС. Подобно виртуальной подсети, образуемой с помощью Classical IP Over ATM, эмулированная ЛВС представляет собой логический сегмент ЛВС, который состоит из соединенных через ATM-магистраль конечных станций. Конечные станции, относящиеся к одному физическому сегменту, могут быть частями разных эмулированных ЛВС, а одна конечная станция - элементом нескольких эмулированных ЛВС.

LANE эмулирует подуровень управления доступом к среде передачи (Media Access Control - MAC) модели OSI, давая возможность любому протоколу сетевого уровня, который работает с моделью OSI (в том числе IPX, IP, NetBIOS и DECnet), передавать пакеты по сети ATM без их модификации. Благодаря этому пользователи могут выполнять свои приложения в сети ATM точно так же, как они это делают в локальной сети Ethernet или Token Ring, т.е. сеть ATM "прозрачна" для пользователей локальной сети.

Стандарт LANE состоит из двух частей: LANE User-to-Network Interface (LUNI) и LANE Network-to-Network Interface (LNNI).

LUNI. Определен в стандарте LANE 1.0, а затем расширен в LANE 2.0. LUNI определяет способ взаимодействия по сети ATM конечных станций, находящихся в эмулированной ЛВС. Эмулированная ЛВС имеет следующие компоненты: клиенты LANE, реализованные на конечных станциях, и службы LANE, отвечающие на запросы клиентов LANE. В свою очередь, службы LANE также обеспечиваются несколькими компонентами (во избежание путаницы мы не использовали такие широко известные сокращения, как LEC, LES и LECS):

сервером LANE, который преобразует MAC-адреса в ATM-адреса; сервером конфигурации LANE, предоставляющим клиентам LANE ATM-адрес соответствующей службы LANE; сервером LANE Broadcast/Unknown Server (LANE BUS), который передает пакеты широковещательной и многоадресной рассылок.

Все эти компоненты обычно соединяются с сетью ATM и друг с другом с помощью каналов SVC. (В соответствии со стандартом LANE для этих целей могут использоваться и каналы PVC, однако в настоящее время большинство поставщиков коммутаторов не обеспечивает поддержки PVC.) Кроме того, компоненты служб LANE могут быть реализованы в одном и том же коммутаторе.

На рис. 2 приведена схема работы LANE. Предположим, что вы работаете в эмулированной ЛВС и захотели обратиться к файлу, хранящемуся в другой, физически независимой, ЛВС. Прежде всего вы посылаете запрос на доступ к файлу, и ваш клиент LANE определяет, знает ли он ATM-адрес соответствующего сервера LANE. Если он не знает этого адреса, то запрашивает его у сервера конфигурации LANE. Когда клиент LANE получает правильный адрес, он запрашивает у сервера LANE ATM-адрес сервера, на котором хранится нужный файл. Если сервер LANE знает этот адрес, он направляет указанную информацию клиенту LANE, в противном же случае - запрашивает его у LANE BUS. LANE BUS, в свою очередь, запрашивает у всех клиентов LANE в эмулированной ЛВС их ATM-адреса, а затем пересылает правильный адрес серверу LANE, который передает его вашему клиенту LANE. И наконец, ваш клиент LANE устанавливает виртуальный канал с сервером, на котором хранится запрашиваемый файл, а потом преобразует кадры Ethernet или Token Ring в ячейки и посылает их по виртуальному каналу серверу.



Рисунок 2. Схема работы LANE:
1 - конечная станция из ЛВС 1 запрашивает у сервера конфигурации LANE ATM-адрес сервера LANE;
2 - конечная станция запрашивает у сервера LANE ATM-адрес клиента LANE;
3 - если сервер LANE не знает ATM-адреса, он запрашивает его у LANE BUS;
4 - конечная станция из ЛВС 1 устанавливает виртуальный канал с сервером из ЛВС 2.

С помощью LANE можно посылать ячейки другим клиентам LANE и без установления виртуального канала. Каждый клиент LANE, который подключен к эмулированной ЛВС, устанавливает постоянный SVC с LANE BUS. В результате все клиенты LANE оказываются соединенными с LANE BUS. Если требуется послать ячейки другому клиенту LANE, клиент LANE передает ячейки LANE BUS через существующий SVC, а LANE BUS перенаправляет их клиенту LANE адресата. Таким образом, LANE дает возможность сети ATM с установлением соединения имитировать работу сети без установления соединения. LANE также позволяет передавать ячейки широковещательной рассылки всей эмулированной ЛВС. Клиент LANE посылает ячейки LANE BUS, который перенаправляет их остальным клиентам LANE.

LNNI. Поскольку LANE 1.0 не определяет стандартного способа взаимодействия серверов, каждая эмулированная ЛВС может иметь только один сервер LANE. Из этого следует, что вы не можете устанавливать избыточные серверы LANE, и в больших эмулированных ЛВС сервер LANE становится "узким местом". Кроме того, поскольку для передачи трафика сервер LANE использует виртуальные каналы, а ATM-коммутаторы поддерживают лишь ограниченное их число (в зависимости от пропускной способности коммутаторов), наличие только одного сервера LANE приводит к перегрузкам коммутаторов.

LNNI, определенный в стандарте LANE 2.0, должен решить эту проблему: он устанавливает способ распределения по сети компонентов служб LANE и описывает интерфейс между этими компонентами. В результате появляется возможность иметь до 20 серверов LANE и LANE BUS.

Достоинства и недостатки

LANE имеет ряд ограничений. Как и в случае с IP-хостами в подсетях, образованных с помощью Classical IP Over ATM, для взаимодействия двух конечных станций, находящихся в разных эмулированных ЛВС, требуется маршрутизатор. Передающая конечная станция должна установить виртуальный канал с маршрутизатором, который, в свою очередь, устанавливает виртуальный канал с конечной станцией адресата (рис. 3). И поскольку маршрутизаторы обычно медленнее коммутаторов, они могут создавать "узкие места" в сети.



Рисунок 3.
Для взаимодействия с клиентом LANE, находящимся в другой эмулированной ЛВС, клиенты LANE должны использовать маршрутизатор.

LANE является технологией соединения мостового типа, что накладывает определенные ограничения на масштабируемость эмулированных ЛВС. LNNI помогает решить эту проблему, позволяя реализовать в пределах одной сети несколько служб LANE, однако тоже не свободен от ограничений, которые не дают возможности иметь более 2 тыс. конечных станций в эмулированной ЛВС. Практически, чем больше конечных станций, тем хуже работает ваша сеть. Большее количество конечных станций означает большее число широковещательных передач и виртуальных каналов, что может вызвать проблемы, поскольку сеть ATM одновременно поддерживает ограниченное число таких каналов.

Кроме того, LANE - это технология канального уровня OSI, которая "прозрачна" для более высоких уровней модели OSI. Вследствие этого LANE не может использовать преимущества качества сервиса (QoS) сетей ATM. Стандарт LANE 1.0 поддерживает только неопределенную скорость передачи (UBR). LANE 2.0 дает возможность сетевому администратору задавать категории качества сервиса в соответствии с типом трафика, который будет передаваться по эмулированной ЛВС - CBR (постоянную скорость передачи), VBR (переменную скорость передачи), UBR или ABR (доступную скорость передачи). Однако стандарт LANE 2.0 требует, чтобы все виртуальные каналы в вашей эмулированной ЛВС использовали заданный вами тип трафика.

LANE имеет несколько важных достоинств. Так, возможности маршрутизировать все протоколы сетевого уровня OSI и выполнять приложения ЛВС в магистральной сети ATM без их модификации делают LANE мощным, но в то же время простым способом интеграции высокоскоростной ATM-магистрали с ЛВС. Кроме того, позволяя конечным станциям передавать ячейки без установления виртуальных каналов, LANE лучше поддерживает трафик сети без установления соединения. LANE также поддерживает трафик широковещательных и многоадресных рассылок. И наконец, способность LANE группировать конечные станции эмулированной ЛВС на основе их MAC-адресов обеспечивает сетевым администраторам необходимую гибкость в конфигурировании сети.

MPOA

Разработка стандарта MPOA была завершена ATM Forum весной текущего года. MPOA дает возможность маршрутизировать протоколы типа IP, IPX и NetBIOS из традиционных ЛВС по коммутируемой ATM-магистрали. Подобно Classical IP Over ATM и LANE, MPOA обеспечивает мостовое соединение канального уровня OSI по виртуальной подсети. Фактически, MPOA использует технологию LANE для обеспечения соединения мостового типа, однако (в отличие от Classical IP Over ATM и LANE) может осуществлять маршрутизацию между виртуальными подсетями без использования традиционных маршрутизаторов.

MPOA состоит из следующих компонентов:

серверов маршрутизации (Route Servers), которые также называют серверами MPOA. Они поддерживают таблицы маршрутизации и вычисляют маршруты для оконечных устройств, а также взаимодействуют с традиционными маршрутизаторами и другими серверами маршрутизации. Серверы маршрутизации не обязательно выполнены в виде единого устройства, их функции могут встраиваться в существующие маршрутизаторы и коммутаторы; оконечных устройств (Edge Devices), иначе называемых клиентами MPOA. Ими могут служить интеллектуальные коммутаторы, которые пересылают пакеты и ячейки между ЛВС и ATM, или сетевые интерфейсные платы, передающие пакеты и ячейки между подключенными к ATM устройствами и сетями ATM.

Вместе серверы маршрутизации и оконечные устройства действуют как распределенные маршрутизаторы: серверы маршрутизации определяют, куда необходимо посылать пакеты, а оконечные устройства их передают.

Принципы работы

На рис. 4 показана работа компонентов MPOA. Локальные сети, рабочие станции, серверы и маршрутизаторы подключены к оконечным устройствам, которые, в свою очередь, непосредственно соединены с сетью ATM. Как и в случаях Classical IP Over ATM и LANE, эти компоненты могут соединяться по каналам PVC или SVC.



Рисунок 4. Схема работы MPOA:
1 - для выполнения маршрутизации с одним пролетом оконечное устройство из подсети 1 запрашивает у сервера маршрутизации ATM-адрес оконечного устройства в подсети 2;
2 - оконечное устройство из подсети 1 устанавливает виртуальный канал с оконечным устройством из подсети 2.

Когда конечной станции в ЛВС необходимо связаться с подключенным к ATM устройством, она посылает пакет оконечному устройству, которое проверяет MAC-адрес получателя (или адрес пакета сетевого уровня), а затем ищет соответствующий ему ATM-адрес. Не найдя ATM-адреса, оконечное устройство запрашивает его у сервера маршрутизации. Если сервер маршрутизации знает ATM-адрес, то просто выдает запрошенную информацию; в противном случае для определения этого адреса он может, используя один из протоколов маршрутизации, связаться с другими маршрутизаторами - как с традиционными, так и с остальными серверами маршрутизации. К таким протоколам относятся Routing Information Protocol (RIP), Open Shortest Path First (OSPF), Next Hop Routing Protocol (NHRP) и Integrated PNNI (IPNNI).

Узнав ATM-адрес, оконечное устройство устанавливает виртуальный канал с соответствующей конечной станцией получателя, преобразует пакеты ЛВС в ячейки ATM и передает их этой станции. Оконечное устройство может создавать виртуальный канал, даже если конечная станция адресата находится в другой подсети; при передаче ячеек оно "обходит" сервер маршрутизации, посылая их непосредственно конечной станции адресата (см. рис. 4). Этот процесс называется маршрутизацией с одним пролетом (one-hop routing). Как утверждает Лу Мартинаг, менеджер по маркетингу продуктов компании Newbridge Networks, такая маршрутизация исключает "узкие места", создаваемые традиционными маршрутизаторами, давая возможность пользователям взаимодействовать на максимально допустимой скорости независимо от того, где их рабочие станции подключены к сети и в какой подсети они находятся.

Однако для коротких передач подобная маршрутизация может оказаться не лучшим вариантом, поскольку установление соединений занимает длительное время (по сравнению с продолжительностью самой передачи). Использование так называемой последовательной маршрутизации (hop-by-hop routing) позволяет обойтись без установления соединений. При последовательной маршрутизации оконечные устройства могут перенаправлять пакеты серверу маршрутизации точно так же, как клиенты LANE передают пакеты LANE BUS. Оконечные устройства способны также обнаруживать поток (длинную передачу): если в процессе передачи пакетов серверу маршрутизации они обнаруживают поток, то могут установить виртуальный канал к конечной станции адресата.

Достоинства и недостатки

Самый большой недостаток MPOA - его относительная новизна. ATM Forum еще не завершил работу над стандартом, а большинство поставщиков пока не предоставляет продукты, поддерживающие MPOA (правда, Newbridge Networks предлагает нестандартизированное оборудование MPOA). В зависимости от реализации MPOA может значительно усложнить вашу сеть.

Однако MPOA обеспечивает много возможностей, которых не имеют ни Classical IP Over ATM, ни LANE. Поскольку MPOA - это технология сетевого уровня OSI, она имеет доступ к важной информации сетевого уровня, такой как характеристики трафика и параметры качества сервиса (QoS) ATM. При установлении соединения оконечное устройство может использовать эту информацию для определения оптимального маршрута к конечной станции адресата в зависимости от уровня QoS, запрашиваемого передающей конечной станцией. Кроме того, MPOA предоставляет такие возможности маршрутизации, которые не способна обеспечить никакая другая ATM-технология, предназначенная для взаимодействия с традиционными ЛВС. С помощью MPOA можно осуществлять маршрутизацию между традиционными ЛВС, соединенными быстродействующей ATM-магистралью, создавая, таким образом, высокоскоростное межсетевое соединение без "узких мест" в виде традиционных маршрутизаторов. Можно также использовать маршрутизацию типа "one-hop" или "hop-by-hop" для оптимизации коротких и длинных передач.

Что же дальше?

Рассмотренные стандарты определяют взаимодействие ATM с традиционными ЛВС. Classical IP Over ATM позволяет интегрировать с IP-сетью как сеть ATM рабочей группы, так и ATM-магистраль. LANE дает возможность интегрировать ATM-сеть рабочей группы или ATM-магистраль с сетью Ethernet или Token Ring. И наконец, MPOA обеспечивает соединение локальных сетей ATM-магистралью и осуществление маршрутизации между ними непосредственно по сети ATM.

В дополнение к стандартным производители используют собственные, специализированные, технологии, такие как IP-коммутация .

Технология ATM становится все более зрелой, о чем свидетельствует молниеносная скорость появления новых стандартов. Стараясь обеспечить их поддержку в своих продуктах, производители испытывают немалые трудности. Однако пока им удается придерживаться существующих стандартов и создавать на их основе продукты, которые вы можете использовать для соединения традиционных ЛВС с рабочими группами и магистралями ATM. Остается надеяться, что когда разработка стандартов ATM стабилизируется, технология ATM сможет действительно стать общепринятой.

ПЕРЕДАЧА ГОЛОСА ПО СЕТЯМ ATM

• Введение

Сейчас уже не нужно никого убеждать в преимуществах ATM технологии в построении телекоммуникационных сетей передачи данных. Передача голоса по ATM освещается в журналах гораздо меньше. Цель этой статьи- восполнить существующий пробел, показать что нового приносит ATM в телефонию и как реализовать построение телефонных сетей с использованием ATM технологии. Из множества приложений, использующих ATM для передачи голоса (телефония +данные до рабочего места, сотовая телефония т.д.) внимание в данной работе будет уделено наиболее интересному в настоящее время с точки зрения практики случаю создания распределенных корпоративных телефонных сетей и сетей общего пользования.

• Краткая история

В 80-х годах корпоративные телефонные сети строились с использованием T1/E1 соединений по выделенным линиям. Для уплотнения потока использовались мультиплексоры сначала PDH, а с конца 80-тых SDH. Переход на SDH позволил поднять качество передаваемой речи, уменьшив bit slips, повысить отказоустойчивость сети за счет механизмов Automatic Protection Switching, сделал возможным мультиплексирование/демультиплексирование E1 потоков непосредственно в скоростные потоки STM1 и STM4 минуя промежуточные стадии. В то же время строение телефонных сетей принципиально не изменилось. (Рис.). По прежнему телефонные соединения устанавливались по предопределенным маршрутам. Если в часы пиковой загрузки полосы основного маршрута не хватало, соединения устанавливались по альтернативным маршрутам (но с многочисленными ограничениями). Такой подход в построении телефонных сетей порождает ряд проблем:

• высокая стоимость поддержания на АТС множества таблиц маршрутизации и реконфигурации сети при изменении картины телефонных потоков

• неэффективное использование полосы

• ухудшение качества речи при применении сжатия голоса в многоточечном АТС окружении

• отказы в соединении при перегрузках на каких-либо участках сети, которых можно было бы избежать

• неприспособленность сети для передачи данных в заметных объемах (а этот вид трафика растет опережающими темпами).

Новую жизнь в развитие телефонных сетей внесло появление новых способов передачи голоса по ATM. Сегодняшняя модель сети (Рис.) предполагает, что любая АТС может устанавливать прямое соединение с любой, а сеть в целом действует как большой транзитный коммутатор, коммутирующий телефонные потоки и потоки данных.

Передача голоса ATM сетью была впервые продемонстрирована компанией NORTEL в 1994 г. на выставке Interop’94. NORTEL внес решающий вклад в развитие этой технологии и является признанным лидером в этой области. С 1996г. сети пограничных ATM коммутаторов Passport (NORTEL) имеют возможность действовать как транзитная АТС, эмулируя цепи, соединяющие АТС, основываясь на CCS сигнализации, и в случае необходимости сигнализируя АТС о невозможности маршрутизировать тот или иной вызов.

• Передача голоса по ATM сетям

• Сети ATM изначально создавались для передачи смешанного трафика. Однако лишь в последнее время благодаря усилиям производителей оборудования и организаций по стандартизации задача передачи голоса по ATM сетям перешла из теоретической в практическую плоскость.

ATM сети, созданные на оборудовании ведущих производителей, способны сегодня обеспечить требуемые значения параметров, определяющих качество передачи голоса (Cell loss ratio, CLR; Cell transfer delay, CTD;Cell Delay Variation, CDV) даже при значительной загрузке смешанным трафиком. Относительная роль этих параметров при передаче разного типа голосового трафика приведена в таблице.

	Телефонный разговор	Телефонный разговор с присутствием эха	fax, modem, голосовая почта
отсутствие ошибок	менее важно	менее важно	важно
CDV, CTD	важно	очень важно	менее важно

• Обзор методов передачи голоса

Способы передачи голоса по ATM можно разбить на две группы: сервис CBR (передача одного канала 64 кб/с , nx64, Е1,Е3) и сервис rt-VBR.

В настоящее время разработан целый ряд методов, позволяющих адаптировать передачу голоса к ATM . Краткий обзор этих методов приведен в таблице.

• 
  Y-реализовано
  S -стандартизовано

• DTP-настольные приложения
  Corp-корпоративные сети

Publ- сети общего пользования сот-сотовая телефония

Уровень адаптации AAL0 предназначен для разработки нестандартных алгоритмов адаптации голоса.

AAL1 позволяет организовать передачу голоса как CBR трафика (выделяя для передачи голоса “трубу” соответствующей ширины). Формат ячейки AAL1 позволяет передавать по сети информацию о синхронизации (time stamp), содержит счетчик ячеек, что позволяет обнаружить потерю ячеек, позволяет организовать частичное заполнение ячеек данными для уменьшения задержек.

AAL1/voice применяется для передачи одного разговора на скорости 64 Кбит/с. Он не обладает возможностями других разновидностей AAL1 (частичное заполнение ячеек, SRTS) , но позволяет организовать подключение абонента с низкими затратами.

AAL5 является наиболее дешевым способом доведения голоса по ATM до рабочего места. Применение спецификации UNI 4.0 позволит организовать с помощью AAL5 CBR трафика. Ограничивает применение AAL5 его несовместимость с сетями, использующими AAL1 (например, с сетями общего пользования).

Адаптация AAL-CU применяется в сотовой телефонии и позволяет мультиплексировать трафик, генерируемый разными пользователями, в одном виртуальном соединении. Это позволяет уменьшить задержки и повысить эффективность использования полосы.

Более подобно в данной статье рассматриваются методы адаптации голоса AAL1/UDT/SDT и AAL2, нашедшие наибольшее применение в организации корпоративных телефонных сетей и сетей общего пользования.

• Синхронизация

Недостаточно качественная синхронизация в телефонных сетях может приводить к таким явлениям, как бит “slip” с ухудшением качества связи. Прежде, чем рассматривать методы синхронизации Е1 каналов (см. Рис), необходимо разобраться какие ATM сети могут считаться синхронными.

Согласно спецификации G703 ITU точность хода часов E1 интерфейса составляет 50ppm. Поэтому корпоративные сети, соответствующие спецификации G703 STM1 с точностью хода часов 20 ppm могут считаться синхронными. Для городских и зональных сетей общего пользования, а также крупных корпоративных сетей требования по синхронизации еще более строгое- STRATUM 3.

В то же время спецификация UNI 3.1 private UNI ATM Форума требует от часов ATM коммутаторов точность хода лишь 100ppm, то есть с точки зрения передачи телефонии ATM сеть, удовлетворяющая ATMF UNI не обязательно будет синхронной. Решение этой проблемы описано ниже.

• Методы восстановления синхронизации

Пограничные коммутаторы ATM (устройства доступа) реализуют следующие методы синхронизации АТС, связанных через ATM сеть.

• Синхронизация от сети

Одним из основных методов синхронизации интерфейсов Е1, широко применяемом в устройствах доступа Circuit Emulation, является синхронизация от сети ATM . При этом сама ATM сеть должна, разумеется, обеспечивать синхронный транспорт.

• SRTS- Synchronous Residual Time Stamp

Этот метод, как и предыдущий, тоже требует синхронную ATM сеть. Суть метода заключается в том, что устройство доступа на одном конце вычисляет разность хода часов на интерфейсе Е1 и в ATM сети, кодирует эту разность и передает ее по сети на другой конец с использованием CSI битов из служебного байта ячейки AAL1. Получая эту информацию, устройства доступа имеют возможность синхронизовать Е1 потоки, т.к. ATM транки на обоих концах работают синхронно.

Метод SRTS позволяет передавать информацию о ходе часов по синхронной ATM сети, не требуя в то же время синхронизации телефонной сети с ATM сетью. Примерами устройств, реализующих данный метод являются AAC3 (ADC Kentrox), CellPath300 (Fore Systems), Circuit Emulation Cards в ATM коммутаторах ASX 200BX/1000 (Fore Systems ) и LightStream1010 (Cisco). Метод передачи time stamp используется также кодировщиками MPEG и пограничными коммутаторами, передающими голос как VBR трафик.

• Адаптивный метод

Описанные выше методы синхронизации не работают, если ATM сеть недостаточно синхронна (например, ее часы имеют точность private UNI). В этом случае возможным решением проблемы является применение адаптивного метода синхронизации. Суть метода заключается в том, что определенное количество ATM ячеек, приходящих из ATM сети к устройству доступа, буферизуются в FIFO буфере. Скорось считывания из этого буфера (локальные часы) постоянно подстраивается таким образом, чтобы поддерживать примерно постоянной степень заполнения FIFO буфера.

Однако за возможность объединять АТС через недостаточно синхронную ATM сеть приходится платить. Недостатками данного метода являются отсутствие гарантий на соответствие медленных вариаций хода часов (wander) рекомендациям G823 ITU (величина wander зависти от CDV в ATM сети) и увеличение задержек при прохождении голоса, причем тем большее, чем большую степень асинхронности ATM сети мы пытаемся компенсировать .

Примером устройств доступа, реализующих данный метод, являются устройства доступа фирмы CellWare.

• Circuit Emulation

Circuit Emulation (CE) является одним из основных методов передачи голоса по ATM сети. Его последняя спецификация, принятая ATMF- Circuit Emulation v.2.0.

Этот метод позволяет передавать телефонию по ATM как CBR трафик, то есть организовать между двумя точками сети “трубу” нужной ширины (например, Е1), вся полоса которой гарантировано доступна для данного соединения. С точки зрения телефонии передача голоса по ATM как CBR потока и передача голоса по SDH очень похожи: в обоих случаях мы имеем дело с транспортом “точка-точка” по каналу постоянной ширины. Более того, в обоих случаях в канал STM1 помещается одинаковое количество потоков Е1 и Е3.

Таким образом, предоставляя сервис CE (CES), ATM может эмулировать работу SDH. Получается, что построив скоростную ATM сеть передачи данных ( а в телекоммуникациях в этой области ATM не имеет конкурентов), мы в то же время можем воспользоваться и сервисом, предоставляемым SDH для передачи голоса. Более того, CE ATM имеет еще ряд преимуществ перед SDH. Это

• удобство единого управления смешанным трафиком

• возможность при использовании structured моды маршрутизировать части потока Е1 в разных направлениях с прозрачной передачей телефонной сигнализации

• возможность отдать неиспользуемую голосом часть зарезервированной полосы для другого трафика (стенки CES “трубы” не столь непроницаемы для посторонних потоков, как виртуальные контейнеры SDH).

• свобода от E1/E3/SDH “грануляции”

• группировка звонков с единым ATM пунктом назначения в единое Nx64 соединение.

• возможность инициировать ATM соединение при наступлении определенного времени дня или в ответ на требования ISDN сигнализации

Ниже рассмотрены некоторые особености CES ATM. Частичное заполнение ячеек. Частичное заполнение ячеек является одной из опций пограничных коммутатор ATM , поддерживающих сервис Circuit Emulation. Назначение этой опции- уменьшить задержки пакетизации, а, значит, и величину CTD когда это необходимо. Оценка количественного эффекта этого метода приведена в таблице.

• 	Задержка, мс
  	Для передачи голоса используются все 47 байт ATM ячейки	используют-ся 20 байт	используются 6 байт
  один канал 64 кб/с	5,875	2,5	0,75
  один канал 16 кб/с	23,5	10	3
  Nx64	5,875/N	2,5/N	0,75/N

• Structured и Unstructured моды (AAL1/UDT и AAL1/SDT).

Функционирование Structured и Unstructured мод CES показано на Рис.

AAL1/UDT мода предназначена для транспортировки CBR потоков, например Е1, или любого другого сигнала с такой же частотой, по ATM сети. Е1 фрейм отображается на 47-ми байтную область данных ячеек AAL1.

AAL1/SDT мода предназначена для транспортировки потоков FE1 и Nx64 кб/с по ATM сети, при котором передаются только те таймслоты потока FE1, которые несут полезную информацию. В этом случае структура N байт отображается в область данных ячейки AAL1. Для определения начала структуры используется специальный байт-указатель.

Как видно из Рис.4, Strutured CES позволяет нескольким эмулированным цепям делить один и тот же CBR E1 интерфейс, что позволяет эмулировать функционирование цифрового кросс-коннекта каналов DS0/E1. Пример такой эмуляции показан на Рис.

Structured мода позволяет заметно улучшить использование полосы, а так же управление аварийными ситуациями благодаря возможности извещения АТС-источника трафика о неисправностях (сигнал RAI-remote alarm indicator). Плата за эти дополнительные возможности- отказа от передачи сигнала с произвольной структурой фрейма и невозможность использовать адаптивный метод синхронизации.

Использованные материалы

1.Олифер В.Г.,Олифер Н.А. “Компъютерные сети” СПб.;Питер,2003.

2.Материалы сайтов компаний:

BiLiM Systems Ltd (http://www. bilim.com)

VINCO-T(http://www.vinco-t.ru)

Cisco Systems(http://www.cisco.com)

CIT(http://www.citforum.ru)

3.Журналы, газеты, телевидение.