АРХИТЕКТУРА ATM

ТЕХНОЛОГИЯ АТМ

ATM - 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. Технология ATM может использоваться как для построения высокоскоростных локальных сетей, так и магистралей, объединяющих традиционные локальные сети. Кроме того, организации по стандартизации ATM уже разработали много стандартов на совместимость ATM, дающих возможность производителям создавать коммутаторы, которые могут взаимодействовать с коммутаторами других производителей, а также с традиционным оборудованием локальной сети.

ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ATM

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

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

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

3. 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:

1. физического;

2. уровня ATM;

3. уровня адаптации ATM.

Эти три уровня примерно соответствуют по функциям физическому, канальному и сетевому уровню модели OSI. 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.

В отличие от других протоколов передачи, ATM использует собственную 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 АТМ 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 АТМ 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.

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.