Сети и технологии ATM. Технология ATM

2.2.3.Технология ATM - технология передачи ячеек или технология трансляции ячеек

Технология асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode, ATM) - технология передачи данных является одной перспективных технологий построения высокоскоростных сетей (от локальных до глобальных). АТМ - это коммуникационная технология, объединяющая принципы коммутации пакетов и каналов для передачи информации различного типа.

Технология ATM разрабатывалась для передачи всех видов трафика в локальных и глобальных сетях, т.е. передачи разнородного трафика (цифровых, голосовых и мультимедийных данных) по одним и тем же системам и линиям связи. Скорость передачи данных в магистралях ATM составляет 155 Мбит/с - 2200 Мбит/с.

ATM поддерживает физический и канальный уровни OSI. Технология ATM использует для передачи данных технику виртуальных соединений (коммутируемых и постоянных).

В технологии ATM информация передается в ячейках (cell) фиксированного размера в 53 байта, из них 48 байт предназначены для данных, а 5 байт - для служебной информации (для заголовка ячейки ATM). Ячейки не содержат адресной информации и контрольной суммы данных, что ускоряет их обработку и коммутацию.

20-байтовыми адресами приемник и передатчик обмениваются только в момент установления виртуального соединения. Основная функция заголовка сводится к идентификации виртуального соединения. В процессе передачи информации ячейки пересылаются между узлами через сеть коммутаторов, соединенных между собой цифровыми линиями связи. В отличие от маршрутизаторов коммутаторы АТМ выполняют свои функции аппаратно, что ускоряет чтение идентификатора в заголовке ячейки, после чего коммутатор переправляет ее из одного порта в другой.

Малый размер ячеек обеспечивает передачу трафика, чувствительного к задержкам. Фиксированный формат ячейки упрощает ее обработку коммуникационным оборудованием, которое аппаратно реализует функции коммутации ячеек.

Именно, сочетание фиксированного размера ячеек для передачи данных и реализация протоколов ATM в аппаратном обеспечении дает этой технологии возможность передавать все типы трафика по одним и тем же системам и линиям связи.

Телекоммуникационная сеть, использующая технологию АТМ, состоит из набора коммутаторов, связанных между собой. Коммутаторы АТМ поддерживают два вида интерфейсов: UNI (UNI - user-network interface) и NNI (NNI - network-network interface). Пользовательский интерфейс UNI (пользователь - сеть) используется для подключения к коммутатору конечных систем. Межсетевой интерфейс NNI (сеть - сеть) используется для соединений между коммутаторами.

Коммутатор АТМ состоит:

• из коммутатора виртуальных путей;
• из коммутатора виртуальных каналов.

Коммутатор АТМ анализирует значения идентификаторов виртуального пути и виртуального канала ячейки, которая поступает на его вход и направляет ячейку на один из его выходных портов. Номер выходного порта определяется динамически создаваемой таблицей коммутации.

Для передачи данных в сети АТМ формируется виртуальное соединение. Виртуальное соединение определяется сочетанием идентификатора виртуального пути и идентификатора виртуального канала. Идентификатор позволяет маршрутизировать ячейку для доставки в путь назначения, т.е. коммутация ячеек происходит на основе идентификатора виртуального пути и идентификатора виртуального канала, определяющих виртуальное соединение. Несколько виртуальных путей составляют виртуальный канал.

Виртуальный канал является соединением, установленным между двумя конечными узлами на время их взаимодействия, а виртуальный путь – это путь между двумя коммутаторами.

При создании виртуального канала, коммутаторы определяют, какой виртуальный путь использовать для достижения пункта назначения. По одному и тому же виртуальному пути может передаваться одновременно трафик множества виртуальных каналов.

Физический уровень

Физический уровень аналогично физическому уровню OSI определяет способы передачи в зависимости от среды.

Стандарты ATM для физического уровня устанавливают, каким образом биты должны проходить через среду передачи, и как биты преобразовывать в ячейки.

На физическом уровне ATM используют цифровые каналы передачи данных, с различными протоколами, а в качестве линий связи используются: кабели "витая пара", экранированная "витая пара", оптоволоконный кабель.

Канальный уровень (уровень ATM + уровень адаптации)

Уровень ATM вместе с уровнем адаптации примерно эквивалентен второму уровню модели OSI. Уровень ATM отвечает за передачу ячеек через сеть ATM, используя информацию их заголовков. Заголовок содержит идентификатор виртуального канала, который назначается соединению при его установлении и удаляется при разрыве соединения.

Преимущества:

• одно из важнейших достоинств АТМ является обеспечение высокой скорости передачи информации;
• АТМ устраняет различия между локальными и глобальными сетями, превращая их в единую интегрированную сеть;
• стандарты АТМ обеспечивают передачу разнородного трафика (цифровых, голосовых и мультимедийных данных) по одним и тем же системам и линиям связи.

Недостатки:

• высокая стоимость оборудования, поэтому технологии АТМ тормозится наличием более дешевых технологий;
• высокие требования к качеству линий передачи данных.

АТМ — Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим транспортировки, который создавался как единая система для транспортировки разного трафика (голосовой,цифровой и тд) по одним каналам связи. Технологию АТМ когда-то считали самой универсальной и перспективной — от локальных сетей до глобальных магистралей. Но из-за большой цены и сложности реализации она ограничивается на глобальных и локальных магистралях.

Данные в этой технологии транспортируются в ячейках (call), конкретного размера — 53 байта, из которых доступными являются 48 байт. Коммутация ячеек имеет преимущества , а заключается в скачкообразном изменяющеимся трафике. Маленький размер ячеек отлично подходит к трафику, который чувствителен к задержкам. Также ее фиксированый размер разрешает на аппаратном уровне работать на большой скорости с ячейками.

Интерфейсы NNI и UNI

Технология ATM предполагает двухточечным соединением друг с другом. Коммутаторы поддерживают два типа интерфейса: UNI и NNI.

• UNI — пользовательский интерфейс для подключение конечных узлов к коммутатору
• NNI — межсетевой интерфейс, который реализован между коммутаторами

Сеть ATM с интерфейсами NNI и UNI показана на рис.1.

Рисунок — 1

ATM ачейки имеют 5-байтные заголовки, формат разный для UNI и NNI (рис.2). Поля ячеек имеют назначение:

• GFC — общее управление потоком. Поле существует в UNI и традиционно не используется
• VPI — идентификатор виртуальной сети, вместе с VCI определяет следующую точку назначения ячейки при транспортировке по каналам коммутаторов. Для NNI разрядность поля расширения, так как там больше виртуальных сетей
• VCI — идентификатор виртуальной линии
• PT — тип данных. Первый бит дает понять, данные пользовательские (0) или управляющие (1).Для пользовательских данных:
  • второй бит — для сигнализации о перегрузке
  • третий бит — признак последней ячейки в цепочке

  При управляющих данных, ячейки могут быть: передавать данные информационного потока (ОАМ), для управления, и еще один зарезервирован.

• HEC — контрольная последовательность, реализована только для заголовка. Разрешает исправлять однократные и выявлять многократные ошибки

Рисунок — 2, а — UNI, б — NNI

ATM принципиально работают с соединениями, в следствии которого должен быть реализован между абонентами виртуальный канал VC. Виртуальный путь — связка виртуальных каналов, которые коммутированы на основе общего VPI. Однако VCI и VPI имеют ценность для конкретного канала связи и перераспределяются на каждом коммутаторе. Существуют три типа сервиса АТМ:

• PVC — постоянные виртуальные цепи — реализуют прямую связь между узлами
• SVC — коммутируемые виртуальные цепи, устанавливаются динамически на время транспортировки данных
• Сервис без установки соединения

Архитектурная модель АТМ

Архитектурная модель АТМ показана на рис.3. В существует три плана, которые распространяются на все уровни:

• Управления — генерация и обслуживания запросов сигнализации
• Пользовательский — обслуживание транспортировки информации
• Менеджмент — управление функциями, специфическими для конкретных уровней и управление планами в комплексе

Рисунок — 3

Уровни модели ATM:

• Физический — аналогичный уровню OSI определяет методы транспортировки относительно среды
• Уровень АТМ — отвечает за транспортировку через сеть АТМ, реализуя данных их заголовков
• Уровень адаптации АТМ, AAL реализует изоляцию верхних протокольных уровней от деталей АТМ-процесса
• Высшие уровни, которые над AAL, принимают данные, оформляют их в виде пакетов для AAL

Физический уровень преобразует ячейки в биты и обратно, транспортирует и принимает биты, определяет границы ячеек и упаковывает ячейки в кадры. Физический уровень делится на два подуровня:

• PMD — Синхронизирует транспортировку и прием с непрерывными потоками, определяет физическую среду, типы кабелей и коннекторов. К примеру это каналы: SDH/SONET, DS-3/E3, транспортировка по ММ-волокну или витой паре со скоростью 155 Мбит/с с кодированием 8B/10B.
• Подуровень конвергенции передачи ТС определяет границы ячеек в потоке бит, проверяет и генерирует контрольное поле заголовка (HEC), согласует скорость транспортировки ячеек и упаковывает ячейки в кадры.

Перспективными технологиями передачи информации в вычислительных сетях являются технологии, обеспечивающие высокие скорости передачи разнородной информации (данных, речевых и видеосигналов) на значительные расстояния. Действительно, передача голосовой и видеоинформации обычно требуется в режиме реального времени, и, следовательно, задержки должны быть только малыми (так, для голосовой связи — около 6 мс).

Технология ATM кратко формулируется, как быстрая коммутация коротких пакетов фиксированной длины (53 байт), называемых ячейками. По этой причине и саму технологию ATM иногда называют коммутацией ячеек.

Сети ATM относят к сетям с установлением соединения . Соединения могут быть постоянными и коммутируемыми (динамическими). Первые устанавливаются и разрываются администратором сети, их действие продолжительно, для каждого нового обмена данными между абонентами постоянного соединения не нужно тратить время на его установление. Вторые устанавливаются и ликвидируются автоматически для каждого нового сеанса связи.

Каждое соединение получает свой идентификатор, который указывается в заголовке ячеек. При установлении соединения каждому коммутатору на выбранном пути следования данных передаются данные о соответствии идентификаторов и портов коммутаторов. Коммутатор, распознав идентификатор, направляет ячейку в нужный порт. Непосредственное указание в заголовке адресов получателя и отправителя не требуется, заголовок короткий — всего 5 байтов.

Высокие скорости в ATM обеспечиваются рядом технических решений.

Во-первых, физической основой для ATM служат высокоскоростные каналы передачи данных . Так, при применении технологии SONET в ATM предусматриваются каналы ОС-1, ОС-3, ОС-12 и ОС-48 на ВОЛС со скоростями соответственно 52, 155, 622 и 2488 Мбит/с.

Кроме того, большое число каналов с временным мультиплексированием (TDM) можно использовать для параллельной передачи частей одного и того же "объемного" сообщения, что соответствует понятию "статистическое мультиплексирование". В технологиях E1/E4 статистическое мультиплексирование затруднено, так как для него требуется адресация слотов. В ATM ячейки адресуются, цикл синхронизации состоит из отдельных участков, длины участка и ячейки совпадают. Под конкретное сообщение можно выделить интервалов, совокупность которых называют виртуальным каналом . Скорость передачи можно регулировать, изменяя .

Во-вторых, отрицательные квитанции при искажениях собственно сообщений (но не заголовков) возможны только от конечного пункта. Это исключает потери времени в промежуточных пунктах на ожидание подтверждений. Такой способ иногда называют коммутацией кадров (в отличие от коммутации пакетов). Контрольный код (четырехбайтный циклический) по информационной части сообщения имеется только в конце последнего пакета сообщения, что характерно для использования разновидности ATM, называемой AAL5. В других разновидностях ATM, ориентированных на передачу мультимедийного трафика, потери отдельных ячеек вообще некритичны. Для контроля правильности заголовков используется один байт в заголовке ячейки, в котором размещается контрольный код Хемминга для заголовка. Искаженные и не восстановленные по Хеммингу ячейки отбрасываются.

В-третьих, упрощена маршрутизация . Собственно установление соединения выполняется аналогично этой процедуре в TCP/IP . Однако далее номер рассчитанного маршрута помещается в заголовок каждого пакета, и для них не нужно заново определять маршрут по таблицам маршрутизаторов при прохождении через сеть. Другими словами, осуществляется передача с установлением соединения (в отличие, например, от ). При этом клиент направляет серверу запрос в виде специального управляющего кадра . Кадр проходит через промежуточные маршрутизаторы и/или коммутаторы, в которых соединению (каналу) присваивается идентификаторы виртуальных пути и канала VPI/VCI. Если передача адресована нескольким узлам, то соответствующие идентификаторы в коммутаторах присваиваются нескольким каналам.

В-четвертых, фиксированная длина пакетов (кадров) упрощает алгоритмы управления и буферизации данных, исключает необходимость инкапсуляции или конвертирования пакетов при смене форматов в промежуточных сетях (если они соответствуют формату ячейки ATM).

Малый размер ячейки (53 байт) обусловлен требованиями передачи телефонного (голосового) трафика. Действительно, если допустить, наряду с передачей голоса, также традиционных цифровых данных, упакованных в длинные пакеты, то возможны задержки передачи "голосовых" ячеек на время, заметно превышающее несколько миллисекунд, что для телефонного разговора недопустимо. В то же время слишком короткие ячейки приводят к нерациональному использованию пропускной способности каналов из-за значительной доли длины заголовка в размере ячейки. Поэтому длина 53 байт при длине заголовка в 5 байт — компромиссное решение.

При этом задержки в передаче голоса, обусловленные размером ячейки, составляют 6 мс. Действительно, каждый из 48 байт является одним замером аналоговой величины при импульсно-кодовой модуляции , которые выполняются с интервалом в 125 мкс (при частоте замеров 8 кГц). Следовательно, между моментом первого замера и отправкой ячейки в сеть проходит время (время пакетизации), равное 0,125·48 = 6 мс.

В ATM введены три уровня протоколов (рис. 1).

Адаптационный уровень (AAL — ATM Adaptations Level) аналогичен транспортному уровню в ЭМВОС , на нем происходит разделение сообщения на пакеты с контрольной и управляющей информацией, которые, в свою очередь, делятся на 48-байтные ячейки. Происходит также преобразование битовых входных потоков в один поток с соблюдением пропорций между числом ячеек для данных, голосовой и видеоинформации. Программное обеспечение, реализующее функции AAL, требуется только в конечных узлах ATM-сети.

Рис. 1. Уровни протокола ATM

Введено несколько разновидностей протокола AAL, ориентированных на разные классы трафика. Протокол AAL1 предназначен для обслуживания мультимедийного трафика, характеризующегося стабильной скоростью и синхронизацией голоса и видео, и телефонного трафика, чувствительного к временным задержкам. В то же время потеря отдельных ячеек несущественно сказывается на качестве принимаемой информации. Протокол AAL3/4 предназначен для передачи нестабильной (пульсирующей) нагрузки, присущей связям между локальными вычислительными сетями . Задержки здесь не критичны, но потери ячеек не допускаются. Протокол AAL5 приспособлен для передачи данных вычислительного характера.

На следующем уровне, называемом ATM, к каждой ячейке добавляется пятибайтовый заголовок с маршрутной информацией. Этот уровень служит также для установления соединений. В структуре пятибайтового заголовка ATM-ячейки имеются следующие поля (в скобках указано число битов):

• управление (4);
• VPI/VCI (24);
• тип данных (3);
• приоритет потери пакетов (1);
• контроль заголовка (8).

Поля идентификаторов VPI (Virtual Path Identifier) и VCI (Virtual Channel Identifier) используются для указания маршрута движения ячеек. Очевидно, что в пределах всей сети при передаче ячеек использовать уникальные номера узлов нельзя, так как для этого потребовалась бы значительно большая длина заголовка, чем 5 байт. Поэтому идентификация маршрута выполняется с помощью сочетаний VPI/VCI. При установлении соединения назначаются VPI/VCI и в каждом маршрутизаторе для каждого соединения сочетание этих идентификаторов будет уникальное. В то же время в процессе установления соединения размеры запросов и ответов не ограничены столь существенно, здесь используются иерархические 20-байтные адреса, специальные таблицы маршрутизации и протокол PNNI. Идентификатор VPI можно рассматривать, как старшую часть указателя маршрута, этот идентификатор оказывается одинаковым для совокупности каналов, проходящих через одинаковые фрагменты сети.

Поле "тип данных" используется для указания типа пакета (запрос на установление соединения или передача) и индикации перегрузки сети. Бит "приоритет потери пакетов" служит для отметки тех пакетов, которые нарушают соглашение о качестве обслуживания.

Следует отметить, что для сборки сообщения из ячеек нужно нумеровать ячейки одного и того же сообщения. Этот номер относится к заголовку адаптационного уровня, занимающего один или два байта в поле данных (т.е. в 48-битном поле).

Поле "контроль заголовка" содержит код Хемминга и, помимо функций контроля и исправления ошибок в заголовке ячейки, служит для разграничения ячеек ATM при их выделении из потока данных, передаваемых по каналам SDH. Граница определяется по сравнению подсчитываемого кода Хемминга для каждой очередной последовательности из 5 байт с содержимым последнего из этих 5 байт (положительный результат сравнения означает, что эта последовательность и есть заголовок).

Поле "управление" предназначено для индикации перегрузок, отказов узлов, важности ячеек (маловажные могут отбрасываться при перегрузках). Сигналы управления обычно передаются в обратном направлении по тому же пути с определенными интервалами.

Скорости передачи, реализуемые системами АТМ, покрывают в настоящее время (2003 г.) диапазон от 64 Кбит/с до 40 Гбит/с и, как правило, соответствуют ряду n×64 Кбит/с: 1,5/2, 6/8, 13, 26, 32, 34/45, 52, 98, 100, 140, 155, 622 Мбит/с, 2,5, 10 и 40 Гбит/c.

Третий уровень — физический (physical) — служит для преобразования данных в электрические или оптические сигналы. Как отмечено выше, средой для ATM часто служат каналы технологий SDH или SONET , возможно использование технологий PDH . Если сеть не может обеспечить требуемую полосу, то происходит отказ от соединения. При перегрузках часть передаваемых ячеек отбрасывается с соответствующим уведомлением пользователя. Потеря ячеек вызывает необходимость повторной передачи всех ячеек сегмента (в AAL5), поскольку контроль правильности передачи ведется по отношению ко всему сообщению (в данном случае — сегменту). Существенно сократить число повторно передаваемых ячеек позволяет применение специальных алгоритмов.

Качество передачи характеризуется такими параметрами, как пропускная способность, процент потерянных ячеек, задержка передачи ячеек и ее вариации. Заказ услуг выполняется в процессе установления соединения. Для поддержания заказанного уровня услуг в сетях ATM имеются специальные службы, реализуемые в программном обеспечении коммутаторов. Наряду с соединениями, не требующими определенного качества передачи, используются соединения со следующими уровнями услуг:

• поддержка постоянной скорости при заданных ограничениях на максимальную скорость, задержку и процент потерянных ячеек;
• поддержка переменной скорости с ограничениями на среднюю скорость и максимальный размер пульсаций скорости, в том числе поддержка требований синхронизации потоков от передатчика и приемника;
• обеспечение переменной скорости с ограничением на минимальную скорость без требований синхронизации потоков от передатчика и приемника.

Если сеть ATM оказывается перегруженной, то во избежание потери информации и в отличие от коммутации каналов возможна буферизация данных для выравнивания загрузки каналов. Регулирование загрузки (управление потоком) осуществляется периодическим включением (обычно через 32 кадра) RM-ячейки в информационный поток. В эту ячейку конечный узел и/или промежуточные коммутаторы могут вставлять значения управляющих битов, сигнализирующие о перегрузке или недогрузке канала. RM-ячейка от конечного узла передается в обратном направлении источнику сообщения, который может соответственно изменить режим передачи. В частности, применяется режим занятия всех свободных ресурсов при перегрузке. Таким образом, происходит динамическое перераспределение нагрузки.

Рост и увеличение загруженности корпоративных сетей приводят к необходимости их модернизации с учетом самых современных тенденций развития систем связи. И здесь следует стремиться к тому, чтобы не только свести к минимуму затрачиваемые средства, но и наиболее эффективно их вложить. Необходимо помнить, что появляющиеся новые приложения влекут за собой увеличение скорости передачи данных в сети, поэтому она должна строиться с учетом постоянного роста трафика.

Чтобы справиться с ростом трафика и значительными изменениями в его структуре, организациям приходится пересматривать принятую ими стратегию развития сети. Магистрали корпоративных сетей, реализованные, например, на основе технологии временного мультиплексирования (TDM), уже не могут «угнаться» за новыми требованиями, особенно за теми, которые возникают при использовании приложений TCP/IP, генерирующих неравномерный трафик с пиковыми нагрузками. При планировании развития сети надо учитывать перспективные и рентабельные решения, которые смогут в ближайшем будущем предложить поставщики услуг связи, стремиться обеспечить безболезненный переход к новым сетевым архитектурам. И в этом смысле технология АТМ (режим асинхронной передачи) обладает всеми необходимыми характеристиками, чтобы стать основой для создания новой сетевой инфраструктуры.

Технология АТМ представляет собой дальнейшее развитие принципов, которые были положены в основу технологий ISDN и Frame Relay. Технологии N-ISDN, X.25 и Frame Relay не могли обеспечить возможность построения достаточно качественной и гибкой цифровой сети с интегрированными услугами Технология N-ISDN обеспечивала гарантированное качество обслуживания, однако, не обладала необходимой гибкостью и не обеспечивала высокие (более 2 Мбит/сек) скорости передачи данных. Технология Frame Relay обеспечивала большие, чем технология N-ISDN скорости передачи данных и достаточную эффективность использования ресурсов физического канала, однако, она не обеспечивала выделения гарантированной полосы пропускания для передачи трафика, который чувствителен к задержкам (оцифрованный голос), то есть необходимого качества обслуживания. Аббревиатура ATM означает Asynchronous Transfer Mode (в дословном переводе - технология асинхронной передачи). Термин "асинхронный" в названии технологии указывает на её отличие от синхронных технологий с фиксированным распределением пропускной способности канала между информационными потоками (TDM, ISDN). Существенные отличия технологии АТМ от ISDN и Frame Relay заключается в том, что блок данных АТМ, ячейка, имеет фиксированную длину - 53 байта. Фиксированная длина ячейки АТМ обеспечивает гарантированное постоянное время её обработки на коммутирующем оборудовании, и следовательно - возможность обеспечения гарантированного качества обслуживания информационных потоков пользователя.

История Создание

Корневые технологии ATM были разработаны независимо во Франции и США в 1970-х двумя учеными: Jean-Pierre Coudreuse, который работал в исследовательской лаборатории France Telecom, и Sandy Fraser, инженер Bell Labs. Они оба хотели создать такую архитектуру, которая бы осуществляла транспортировку как данных, так и голоса на высоких скоростях, и использовала сетевые ресурсы наиболее эффективно.

Компьютерные технологии создали возможность для более быстрой обработки информации и более скоростной передачи данных между системами. В 80-х годах ХХ века операторы телефонной связи обнаружили, что неголосовой трафик более важен и начинает доминировать над голосовым. Был предложен дизайн ISDN , который описывал цифровую сеть с коммутацией пакетов, предоставляющую услуги телефонной связи и передачи данных. Оптоволокно позволяло обеспечить передачу данных на высокой скорости с малыми потерями. Но технология коммутации пакетов не обеспечивала надежную передачу голоса, и многие сомневались, что когда-либо обеспечит. В противоположность сетям пакетной передачи данных в общественных телефонных сетях применяли технологию коммутации каналов. Эта технология идеальна для передачи голоса, но для передачи данных она неэффективна. И тогда телекоммуникационная индустрия обратилась к ITU для разработки нового стандарта для передачи данных и голосового трафика в сетях с широкой полосой пропускания. В конце 80-х Международным телефонным и телеграфным консультативным комитетом CCITT (который затем был переименован в ITU-T) был разработан набор рекомендаций по ISDN второго поколения, так называемого B-ISDN (широкополосный ISDN), расширения ISDN. В качестве режима передачи нижнего уровня для B-ISDN был выбран ATM. В 1988 г. на собрании ITU в Женеве была выбрана длина ячейки ATM - 53 байт. Это был компромисс между американцами, которые хотели размер данных в ячейке 64 байта и европейцами, которые склонялись к размеру данных 32 байта. Ни одна сторона не смогла выиграть в этом споре и в итоге был выбран средний размер 48 байт. Для поля заголовка был выбран размер 5 байт, минимальный размер, на который согласилась ITU. В 1990 г. был одобрен базовый набор рекомендаций ATM. Базовые принципы ATM положены рекомендацией I150. Это решение было очень похоже на системы разработанные Coudreuse и Fraser. Отсюда начинается дальнейшее развитие ATM.

90-е годы: приход ATM на рынок

В начале 90-х начинается ажиотаж вокруг технологии ATM. Корпорация Sun Microsystems еще в 1990 г. одна из первых объявляет о поддержке ATM. В 1991 году создан ATM Forum, консорциум для разработки новых стандартов и технических спецификаций по технологии ATM, и сайт с одноименным названием, где все спецификации выкладывались в открытый доступ. CCITT, уже будучи ITU-T, выдаёт всё новые ревизии своих рекомендаций, полируя и совершенствуя теоретическую базу ATM. Представители сферы IT в журналах и газетах пророчат великое будущее ATM. В 1995 г. компания IBM объявила о своей новой стратегии в области корпоративных сетей, основанной на технологии ATM. Считалось, что ATM будет спасителем Интернета, уничтожив нехватку ширины полосы пропускания и внеся в сети надежность. Dan Minoli, автор многих книг по компьютерным сетям, убежденно утверждал, что ATM будет внедрен в публичных сетях, и корпоративные сети будут соединены с ними таким же образом, каким в то время они использовали frame relay или X.25. Но к тому времени протокол IP уже получил широкое распространение и сложно было совершить резкий переход на ATM. Поэтому в существующих IP-сетях технологию ATM предполагалось внедрять как нижележащий протокол, то есть под IP, а не вместо IP. Для постепенного перехода традиционных сетей Ethernet и Token Ring на оборудование ATM был разработан протокол LANE, эмулирующий пакеты данных сетей.

В 1997 г. в индустрии маршрутизаторов и коммутаторов примерно одинаковое количество компаний было выстроено на обеих сторонах, то есть использовало или не использовало технологию ATM в производимых устройствах. Будущее этого рынка было еще неопределенно. В 1997 г. доход от продажи оборудования и услуг ATM составил 2,4 млрд долларов США, в следующем году - 3,5 млрд, и ожидалось, что он достигнет 9,5 млрд долларов в 2001 году. Многие компании (например Ipsilon Networks) для достижения успеха использовали ATM не полностью, а в урезанном варианте. Многие сложные спецификации и протоколы верхнего уровня ATM, включая разные типы качества обслуживания, выкидывались. Оставлялся только базовый функционал по переключению байтов с одних линий на другие.

Первый удар по ATM

И тем не менее, было также много специалистов IT, скептически относящихся к жизнеспособности технологии ATM. Как правило, защитниками ATM были представители телекоммуникационных, телефонных компаний, а противниками - представители компаний, занимающимися компьютерными сетями и сетевым оборудованием. Steve Steinberg (в журнале Wired) посвятил целую статью скрытой войне между ними. Первым ударом по ATM были результаты исследований Bellcore о характере трафика LAN, опубликованных в 1994 г. Эта публикация показала, что трафик в локальных сетях не подчиняется ни одной существующей модели. Трафик LAN на временной диаграмме ведет себя как фрактал. На любом временном диапазоне от нескольких миллисекунд до нескольких часов он имеет самоподобный взрывной характер. ATM в своей работе все внеурочные пакеты должен хранить в буфере. В случае резкого увеличения трафика, коммутатор ATM просто вынужден отбрасывать невмещающиеся пакеты, а это означает ухудшение качества обслуживания. По этой причине PacBell потерпела неудачу при первой попытке использовать оборудование ATM.

Появление главного конкурента ATM - Gigabit Ethernet

В конце 90-х появляется технология Gigabit Ethernet, которая начинает конкурировать с ATM. Главными достоинствами первой является значительно более низкая стоимость, простота, легкость в настройке и эксплуатации. Также, переход с Ethernet или Fast Ethernet на Gigabit Ethernet можно было осуществить значительно легче и дешевле. Проблему качества обслуживания Gigabit Ethernet мог решить за счет покупки более дешевой полосы пропускания с запасом, нежели за счет умного оборудования. К окончанию 90-х гг. стало ясно что ATM будет продолжать доминировать только в сетях WAN, то есть корпоративных сетях. Продажи свитчей ATM для WAN продолжали расти, в то время как продажи свитчей ATM для LAN стремительно падали.

2000-е годы

В 2000-е гг. рынок оборудования ATM еще был значительным. ATM широко использовался в WAN-сетях, в оборудовании для передачи аудио/видео потоков, как промежуточный слой между физическим и вышележащим уровнем в устройствах ADSL для каналов не более 2 Мбит/с. Но в конце десятилетия ATM начинает вытесняться новой технологией IP-VPN. Свитчи ATM стали вытесняться маршрутизаторами IP/MPLS . По прогнозу компании Uvum от 2009г., к 2014г. ATM и Frame relay должны почти полностью исчезнуть, в то время как рынки Ethernet и IP-VPN будут продолжать расти с хорошим темпом. По докладу Broadband Forum за октябрь 2010 г, переход на глобальном рынке от сетей с коммутацией каналов (TDM, ATM и др.) к IP-сетям уже начался в стационарных сетях и уже затрагивает и мобильные сети. В докладе сказано, что Ethernet позволяет мобильным операторам удовлетворить растущие потребности в мобильном трафике более экономически эффективно, чем системы, основанные на TDM или ATM.

Еще в апреле 2005г. произошло слияние ATM Forum с Frame Relay Forum и MPLS Forum в общий MFA Forum (MPLS-Frame Relay-ATM). В 2007г. последний был переименован в IP/MPLS Forum. В апреле 2009г. IP/MPLS Forum был объединен с Broadband Forum (BBF), и новый форум принял название Broadband Forum. Фактически IP/MPLS Forum был поглощен BBF. Спецификации ATM доступны в их исходном виде на сайте Broadband Forum, но их дальнейшая разработка полностью остановлена.

Компоненты сетей АТМ

Технология АТМ обеспечивает информационное взаимодействие на двух уровнях, которые соответствуют канальному и физическому уровням модели OSI. АТМ - коммутаторы представляют собой быстродействующие специализированные вычислительные устройства, которые аппаратно реализуют функцию коммутации ячеек ATM между несколькими своими портами. Устройства CPE (Customer Premises Equipment) обеспечивают адаптацию информационных потоков пользователя для передачи с использованием технологии ATM. Для передачи данных в сети ATM организуется виртуальное соединение - virtual circuit (VC).

Идентификаторы виртуального соединения ATM

В пределах интерфейса NNI виртуальное соединение определяется уникальным сочетанием идентификатора виртуального пути (virtual path identifier) и идентификатора виртуального канала (virtual circuit identifier).

Виртуальный канал представляет собой фрагмент логического соединения, по которому производится передача данных одного пользовательского процесса.

Виртуальный путь представляет собой группу виртуальных каналов, которые в пределах данного интерфейса имеют одинаковое направление передачи данных.

Коммутатор АТМ состоит из двух коммутаторов - коммутатора виртуальных путей и коммутатора виртуальных каналов. Эта особенность организации АТМ обеспечивает дополнительное увеличение скорости обработки ячеек.

ATM коммутатор анализирует значения, которые имеют идентификаторы виртуального пути и виртуального канала у ячеек, которые поступают на его входной порт и направляет эти ячейки на один из выходных портов. Для определения номера выходного порта коммутатор использует динамически создаваемую таблицу коммутации.

Формат ячейки АТМ

Ячейка состоит из двух частей: поле заголовка занимает 5 байт и ещё 48 байт занимает поле полезной нагрузки.

Поле заголовка

В заголовке ячейки содержатся следующие поля:

• Virtual Path Identifier (VPI)
• Virtual Ccircuit Identifier (VCI)
• Payload Type (PT)
• Congestion Loss Priority (CLP)
• Header Error Control (HEC)

Поля идентификаторов VPI и VCI

Идентификаторы VPI и VCI используются для обозначения виртуальных соединений ATM.

Поле типа нагрузки PT

В этом поле располагается информация, которая определяет тип даных, которые находятся в поле полезной нагрузки ячейки АТМ.

Бит понижения приоритета CLP

Бит CLP в ячейке АТМ имеет такое - же значение, как бит DE в кадре Frame Relay.

Поле контрольной суммы заголовка HEC

В поле HEC размещается проверочная контрольная сумма 4-х предыдущих байтов заголовка.

Поле Generic Flow Control (GFC)

Сеть АТМ работает с установлением виртуального канала и позволяет качественно передавать компьютер-ные данные, видеоизображение и голос со скоростью от 155 до 622 Мбит/с (сети ATM используют на фи-зическом уровне технологию SONET/SDH, принимая ее иерархию скоростей). Сеть ATM имеет структуру, сходную со структурой сетей X.25 и Frame Relay: конечные станции соединяются каналами "точка-точка" с коммутаторами нижнего уровня, которые в свою очередь соединяются с коммутаторами более высоких уровней. Конечные узлы в сети ATM имеют адреса длиной в 20 байт из которых: 1 байт определяет один из возможных форматов адреса (Authority and Format Identifier, AFI), 8 байт – основная часть адреса (до 15 цифр: код страны, код города, номер абонента – аналогично номеру абонента в сети ISDN), 4 байта номер сети/подсети ATM, 6 байт номер конечного узла в сети ATM (MAC-адрес сетевой карты компьютера), 1 байт – поле селектора (вспомогательное поле). Таблицы маршрутизации коммутаторов составляются вручную, или при помощи протокола PNNI. Установленные виртуальные каналы (выделенные или коммутируемые) нумеруются при помощи идентификатора виртуального канала (Virtual Channel Identifier, VCI). Несколько виртуальных каналов, проходящих через одни и те же коммутаторы, могут объединяться в один виртуальный путь (Virtual Path Identifier, VPI). Так как виртуальных путей меньше, чем виртуальных каналов, то и записей в таблице коммутации портов будет меньше, что ускоряет коммутацию.

Важной отличительной чертой сети ATM является маленький размер пакета данных (53 байта) и хорошо проработанная система параметров качества обслуживания (QoS), что позволяет в равной степени хорошо передавать по сети, как компьютерный трафик (объединение локальных сетей), так и мультимедий-ный трафик (видеоизображение, голос).

Трафик вычислительных сетей имеет ярко выраженный асинхронный и пульсирующий характер. Компьютер посылает пакеты в сеть в случайные моменты времени, по мере возникновения в этом необходи-мости. При этом интенсивность посылки пакетов в сеть и их размер могут изменяться в широких пределах. Чувствительность компьютерного трафика к потерям данных высокая, так как без утраченных данных обойтись нельзя, и их необходимо восстановить за счет повторной передачи. В то же время, чувствитель-ность компьютерного трафика к задержкам передачи пакетов данных незначительна. Мультимедийный трафик (голос, видео) характеризуется низким коэффициентом пульсаций, высокой чувствительностью к задержкам передачи данных (отражающихся на качестве воспроизводимого сигнала) и низкой чувствитель-ностью к потерям данных (из-за инерционности физических процессов потерю отдельных замеров голоса или кадров изображения можно компенсировать сглаживанием на основе предыдущих и последующих значений). Сложность совмещения компьютерного и мультимедийного трафика в одной сети проиллюстрирована на рис. 7.6.

Рис. 7.6 Два типа трафика: а – компьютерный, б- мультимедийный.

На возможности совмещения этих двух видов трафика большое влияние оказывает размер компьютерных пакетов. Если в сети допускаются большие размеры пакетов данных, то один единственный большой пакет может "занять" порт коммутатора и затормозить передачу всех остальных пакетов, что не допустимо для мультимедийного трафика. Кроме того, если минимально допустимый размер пакета велик, то в одном пакете данных (чтобы не терять впустую место) будет передаваться несколько замеров голоса. В результате, первый замер голоса, помещаемый в пакет, будет отправлен не сразу же, а только после того, как в пакет будут помещены все остальные замеры, что приведет к значительным задержкам и потере качества переда-чи голоса. Поэтому в сети ATM данные передаются в небольших ячейках (пакетах) фиксированного размера (53 байта: поле данных – 48 байт, заголовок - 5 байт).

Однако использование небольших ячеек фиксированного размера еще не решает всей проблемы. Для полного решения задачи равноправного совмещения в одной сети компьютерного и мультимедийного трафика, технология ATM использует хорошо разработанную схему заказа пропускной способности и качества обслуживания. Соглашение между программой, передающей данные в сеть, и сетью ATM называется трафик-контрактом. Основным его отличием от соглашений, применяемых в сетях Frame Relay, является то, что помимо указания параметров пропускной способности, указывается класс трафика. В сети АТМ выделяется 5 классов трафика (см. табл. 7.4).

Таблица 7.4.

Классы трафика ATM

Класс трафика	Характеристика
А	Постоянная битовая скорость - Constant Bit Rate, CBR. Важны временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: голосовой трафик, трафик телевизионного изображения.
В	Переменная битовая скорость - Variable Bit Rate, VBR. Важны временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: компрессированный голос, компрессированное видеоизображение.
С	Переменная битовая скорость - Variable Bit Rate, VBR. He важны временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. С установлением соединения. Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам с установлением соединений: frame relay, X.25, LLC2, TCP
D	Переменная битовая скорость - Variable Bit Rate, VBR. He важны временные соотношения между передаваемыми и принимаемыми данными. Без установления соединения. Примеры: трафик компьютерных сетей, в которых конечные узлы работают по протоколам без установления соединений (IP, Ethernet DNS, SNMP).
X	Тип трафика не определен и полностью описывается количественными параметрами, задаваемыми пользователем (см. ниже).
нет	Если поддержание параметров пропускной способности и качества обслуживания для соеди-нения неважно, то в запросе на установление соединения можно указать признак "Best Effort" ("по возможности"). Такой тип трафика получил название трафика с неопределенной битовой скоростью - Unspecified Bit Rate, UBR. Для трафика UBR сеть выделяет ресурсы "по возмож-ности", то есть те, которые в данный момент свободны от использования виртуальными каналами, заказавшими определенные параметры качества обслуживания.

Помимо класса трафика, в трафик-контракте указываются и количественные параметры:

Peak Cell Rate (PCR) - максимальная скорость передачи данных;

Sustained Cell Rate (SCR) - средняя скорость передачи данных;

Minimum Cell Rate (MCR) - минимальная скорость передачи данных;

Maximum Burst Size (MBS) - максимальный размер пульсации;

Cell Loss Ratio (CLR) - доля потерянных ячеек;

Cell Transfer Delay (CTD) - задержка передачи ячеек;

Cell Delay Variation (CDV) - вариация задержки ячеек.

Заключение трафик-контракта происходит автоматически, при установлении виртуального канала, по схеме аналогичной описанной для сети Frame Relay, используя пакет SETUP. Сходными с Frame Relay методами осуществляется и управление пропускной способностью сети: ячейки-нарушители трафик-контракта отмечаются признаком CLP=1 (Cell Loss Priority – приоритет потери кадра) и удаляются при перегрузке коммутаторов.

Передача трафика IP через сети ATM – протокол Classical IP

На основании технологии ATM можно построить полностью самодостаточные сети и передавать в ячейках ATM сразу пакеты протоколов прикладного уровня. Однако в реальности сети ATM чаще всего используют-ся не самостоятельно, а как универсальный транспорт, позволяющий передавать трафик других сетей. При этом по сети ATM передаются пакеты протоколов канального и сетевого уровня других технологий: Ethernet, IP, IPX, Frame Relay, X.25, т.е. сеть ATM не заменяет старые технологии, а сосуществует с ними.

Рассмотрим как решается проблема передачи трафика IP-сетей через сети ATM. Для этих целей был разработан протокол Classical IP (RFC 1577). В соответствии со спецификацией Classical IP одна сеть ATM может быть представлена в виде нескольких логических IP-подсетей LIS (Logical IP Subnet), см. рис. 7.7. Все компьютеры одной LIS имеют общий IP-адрес сети. Как и в обычной IP-сети, прямые соединения на каналь-ном уровне между компьютерами из разных LIS невозможны: такой трафик должен обязательно проходить через маршрутизатор, который и занимается доставкой пакета на сетевом уровне. Здесь необходимо отме-тить, что, теоретически, прямые соединения между компьютерами из разных LIS возможны, т.к. все они подключены к одной сети ATM, однако протокол Classical IP запрещает это делать, требуя, чтобы трафик между двумя разными LIS проходил только через маршрутизатор. Это позволяет логически структурировать сеть на более мелкие подсети и легче контролировать трафик между подсетями в привычной для системных администраторов форме – используя межсетевые экраны (firewall) на маршрутизаторе.

Рис. 7.7. Разделение сети ATM на логические IP-подсети (LIS) в протоколе Classical IP.

Маршрутизатором, в данном случае, является сетевое устройство, подключенное к сети ATM при помощи одного физического интерфейса, но этот физический интерфейс имеет несколько IP-адресов – по одному IP-адресу в каждой из LIS. Маршрутизатор также может быть совмещен с сервером ATMARP, который выпол-няет функции протокола ARP обычных IP-сетей (см. лекции ранее). В обычных IP-сетях протокол ARP отве-чает за нахождение соответствия "IP-адрес компьютера" – "MAC-адрес сетевой карты компьютера" и рабо-тает широковещательно, т.е. ARP-запросы направляются "всем подряд" в расчете на то, что нужный компь-ютер распознает свой IP-адрес и сообщит свой MAC-адрес. В сети ATM широковещательные запросы не предусмотрены, поэтому для централизованного хранения информации о соответствии "IP-адрес компью-тера" – "ATM-адрес компьютера" выделяется отдельный ATMARP-сервер, который строит свои таблицы автоматически. Если какой-либо компьютер обращается с запросом к ATMARP-серверу, то ему направля-ется встречный инверсный запрос ATMARP, чтобы выяснить IP- и ATM-адреса этого компьютера и зарегистрировать его в таблицах ATMARP-сервера.

Компьютеры конфигурируются традиционным образом: для них задается их собственный IP-адрес, маска подсети, IP-адрес маршрутизатора по умолчанию и ATM-адрес (или номер VPI/VCI для постоянного виртуального канала) сервера ATMARP. Если компьютер-отправитель хочет отправить пакет компьютеру-получателю из той же LIS, то он пошлет IP-адрес компьютера-получателя на сервер ATMARP, сервер прос-мотрит свою базу данных и вернет ATM-адрес компьютера-получателя, после чего компьютер-отправитель установит с компьютером-получателем прямое соединение, используя средства сети ATM. Если же компью-тер-получатель находится в другой LIS (что видно по маске подсети), то пакет будет направлен не напря-мую, а на маршрутизатор, который и займется дальнейшей доставкой пакета.

Использование технологии ATM в локальных сетях – спецификация LAN Emulation (LANE).

Рассмотренная выше схема Classical IP требует полной замены сетевого оборудования на оборудование ATM-сети. Это приемлемо в глобальных сетях, где основную стоимость составляют оптоволоконные линии большой длины, так что замена старого оборудования на коммутаторы ATM будет экономически оправдана. Однако в локальных сетях внедрение технологии ATM по затратам равнозначно созданию новой сети. Поэтому хотелось бы иметь возможность не полностью заменять уже купленное и работающее оборудование, а постепенно "внедрять" высокоскоростные коммутаторы ATM в уже работающую сеть. Такая возможность реализована в спецификации LANE (LAN Emulation - эмуляция локальных сетей).

Технология LANE позволяет на канальном уровне объединить между собой различные физические сегменты, при помощи коммутаторов ATM (см. рис. 7.8.). Необходимо отметить, что для протокола IP (или другого протокола сетевого уровня) такая "объединенная" сеть будет выглядеть как единый сегмент сети канального уровня. Для объединения нескольких сегментов LANE между собой на сетевом уровне необхо-димо использовать обычные маршрутизаторы локальных сетей.

В спецификации LANE предполагается, что каждый из физических сегментов сети подключен к коммутаторам ATM при помощи специальных конвертеров, которые преобразуют кадры и адреса Ethernet (или других протоколов канального уровня) в кадры и адреса ATM. В конверторы встроено специальное программное обеспечение LEC (LAN Emulation Client, клиент LANE). Также имеется сервер LES (LAN Emulation Server), который ведет общую таблицу, где указывается соответствие "MAC-адрес компьютера" – "ATM-адрес конвертора, через который к сети ATM подключен данный компьютер". Если компьютер-отправитель хочет направить пакет компьютеру-получателю из другого физического сегмента, то этот пакет попадет на конвертор (клиент LEC), который передаст на сервер LES MAC-адрес компьютера-получателя и запросит ATM-адрес конвертера, к которому подключен компьютер-получатель. После получения ATM-адреса конвертера - получателя, конвертер-отправитель установит с ним виртуальный канал средствами сети ATM и дальнейшее взаимодействие между компьютером-отправителем и компьютером-получателем будет идти через виртуальный канал и соответствующие конверторы, которые будут преобразовывать кадры Ethernet в ячейки ATM и наоборот.

Рис. 7.8. Технология LAN Emulation.

Помимо сервера LES, в спецификации LANE также определен сервер BUS (Broadcast and Unknown Server) для эмуляции в сети ATM широковещательных пакетов локальных сетей, а также пакетов с неизвестными адресами. Этот сервер распространяет такие пакеты во все пограничные коммутаторы (и, соответственно, во все конверторы). Если на канальном уровне необходимо объединить между собой несколько эмулируемых сетей, аналогичных приведенным на рис. 7.8., то для каждой такой сети создаются собственные серверы LES и BUS, а в пограничных коммутаторах активизируют по одному элементу LEC для каждой эмулируе-мой сети, а также вводят дополнительный сервер конфигурации LEGS (LAN Emulation Configuration Server) для хранения информации о количестве объединяемых эмулируемых сетей и об ATM-адресах серверов LES и BUS в каждой из этих сетей. Еще раз напомню, что для объединения нескольких эмулируемых сетей на сетевом уровне применяются обычные маршрутизаторы.