Основные концепции АТМ

Основы технологии АТМ.

Дать лаконичное и точное описание общей картины АТМ - задача не из легких. Сама эта тема достаточно объемна и сложна, а кроме того, технология АТМ находится в постоянном развитии: мир АТМ состоит из изменяющихся стандартов и продуктов, которые не всегда соответствуют этим стандартам. И хотя быстрая разработка стандартов еще больше усложняет общую картину АТМ, благодаря им АТМ может быстрее стать пригодной для использования, а значит, и общедоступной технологией. Поэтому понимание сегодняшнего состояния технологии АТМ дает ключ к пониманию будущих направлений развития сетевых технологий.

АТМ (Asynchronous Transfer Mode- режим асинхронной передачи) - очень гибкая технология; она позволяет передавать по сети различные типы трафика - голос, видео и данные, - обеспечивая при этом достаточную пропускную способность для каждого из них и гарантируя своевременную доставку восприимчивой к задержкам информации. Сеть АТМ изначально разрабатывалась для поддержки полнодуплексного высокоскоростного режима обмена как между узлами сети, так и между ее коммутаторами. Технология АТМ может использоваться как для построения высокоскоростных локальных сетей, так и магистралей, объединяющих традиционные локальные сети. Кроме того, организации по стандартизации АТМ уже разработали много стандартов на совместимость АТМ, дающих возможность производителям создавать коммутаторы, которые могут взаимодействовать с коммутаторами других производителей, а также с традиционным оборудованием локальной сети.

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

- сети АТМ - это сети с трансляцией ячеек (сеll-ге1ау);

- сети АТМ - это сети с установлением соединения (connection-oriented);

- сети АТМ - это коммутируемые сети.

Идея сети с трансляцией ячеек проста: данные передаются по сети небольшими пакетами фиксированного размера, называемыми ячейками (сеlls). 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.

Generic Flow Control	Virtual Path Identifier
Virtual Path Identifier	Virtual Connection Identifier
Virtual Connection Identifier
Virtual Connection Identifier	Payload (Тип кадра)
CRC заголовка
Data (48 байт)

Заголовок кадра

Рис. 32. Формат кадра АТМ.

В АТМ пользовательская информация внутри ячейки не проверяется на достоверность, отсутствуют функции повторной передачи. Все операции проводятся над небольшим заголовком. Цель такого подхода -небольшие ячейки с минимальными накладными расходами по обработке - получить сеть, способную поддерживать мультимегабитные скорости.

Структура ячейки.

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 (latenсу) - 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 АТМ (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 Standarts Institute -АNSI) и организация, которая сейчас называется Международным телекоммуникационным союзом (International Telecommunication Union - ITU), разрабатывали АТМ, 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 АТМ 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 АТМ 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 функционироватькак 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 АТМ: каждое устройство осуществляет прямой монопольный доступ к порту коммутатора, который не является устройством совместного доступа.

Однако коммутация АТМ имеет ряд важных отличий от коммутации Ethernet. Поскольку каждому устройству АТМ 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, 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.

АТМ-коммутация также отличается от коммутации Ethernet тем, что коммутаторы АТМ устанавливают соединение между отправителем и получателем, а коммутаторы Ethernet - нет. Кроме того, коммутаторы АТМ 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 B- ISDN.

В архитектуре B-ISDN появились новые элементы, отсутствовавшие в ISDN. Одним из новейших нововведений является передача информации через интерфейс пользователь-сеть с использованием асинхронного режима передачи АТМ (Asynchronous Transfer Mode).

Протоколы верхнего уровня  

Уровень адаптации АТМ (АТМ adaptation)  

Уровень АТМ  

Физический уровень  

Рис. 33. Модель B-ISDN.

Два уровня B-ISDN представлены функциями АТМ. Это уровень АТМ (АТМ-1ауег), общий для всех услуг; и уровень адаптации АТМ (АТМ Adaptation layer - AAL), который зависит от типа предоставляемых услуг. AAL преобразует информацию поступающую с верхних уровней в ячейки АТМ для транспортировки через В-ISDN, затем на приёмном конце собирает информацию из ячеек и отправляет её для дальнейшей обработки на верхние уровни.

Физический уровень представляет структуру передачи для мультиплексирования ячеек АТМ от многих логических соединений. Возможно всего два варианта. Первый заключается в использовании постоянного потока ячеек без какой-либо структуры кадра мультиплексирования. Получатель отвечает за правильное разбиение входящего потока и вычленение из него 53 байтных ячеек.

Второй вариант состоит в том, чтобы поместить ячейки в кадры TDM - потока (Time Division Multiplexing- мультиплексирование с разделением времени). В этом случае поток битов упаковывается на интерфейсе в кадры Синхронной Цифровой Иерархии (Synchronous Digital Hierarchy- SDH). В США такая структура кадров называется SONET (Synchronous Орtiса1 Network). Кадр SDH может использоваться исключительно для передачи ячеек АТМ, а также транспортировать другие потоки битов, еще не определенные в ISDN. Стандарт SDH определяет иерархию скоростей передачи кратных 51.84 Мбит/с, включая 155.52 Мбит/с и 622.08 Мбит/с.

Пример заполнения модели реальными протоколами приведен на рисунке.

Q.2931	ТСР/1Р	LМI, SNМР
SSСF	ААL	АAL
SSСОР
ААLСР
АТМ
SDН, SONЕТ, DSI, Е1 и т.д.

Рис. 34. Расположение протоколов в В-ISDN.

(SSСОР - сервис-ориентированный протокол с установлением соединения с гарантией и без гарантии доставки .)

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

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

Модель АТМ, в соответствии с определением ANSI, ITU и АТМForum, состоит из трех уровней:

- физического;

- уровня АТМ;

- уровня адаптации АТМ.

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

Рис. 35. Модель АТМ.

В отличие от других протоколов передачи, АТМ использует собственную модель, а не модель OSI.

Дата добавления: 2014-01-06